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문제 정의
- 또한 본 연구에서는 바람에 의한 표면유속과 입자의 거동에 대한 영향을 주의깊게 분석하였다. 아래 식 (3)~(4)의 운동방정식에서 각 식의 우변 마지막 항은 바람응력(Wind stress)이며, 바람응력은 식 (5)~(6)과 같이 풍향과 풍속에 의해 계산된다(Ji, 2007).
- 본 연구에서는 GPS 부자 실험과 수치해석기법을 적용하여 유류오염물질의 도달시간 및 확산범위 예측의 정확도를 검증하고자 한다. 이를 위해 낙동강의 칠곡보에서 강정고령보까지의 구간을 대상으로 EFDC 모형을 구축하고 수리검증을 수행하였으며, 라그랑지안 입자추적기법을 적용하여 유류오염물질의 이송•확산에 관련된 주요 인자인 수층의 수, 바람의 세기 및 수평확산계수의 영향을 분석하였다.
가설 설정
- 본 연구에서는 다양한 형태의 다기능보 제원과 운영조건을 동시에 고려하여 보 연계운영을 모델링할 수 있도록개발한 2차원 EFDC 가동보 모듈(NIER, 2010)을 적용하여, 유황 변동과 상•하류 가동보의 방류조건을 조절하는 다기능보 연계운영에 따른 시나리오 모델링을 수행하였다. 유류오염 사고는 칠곡보 상류 3.0 km 지점에서 발생한것으로 가정하고, Table 2와 같이 구미보와 감천 및 한천으로부터의 유입유량 변동과 칠곡보의 수위 조절에 따른 시나리오를 구성하였다. 시나리오 A 그룹은 4가지 유황조건 (Q95, Q185, Q285, Q355)에서 칠곡보의 수위를 양수가능수위로 유지하는 것이고, 시나리오 B 그룹은 칠곡보의 수위를 양수가능수위보다 1 m 높게 유지하여 방류를 일시적으로 중단하는 것으로 하였다.
제안 방법
- 2차원 및 3차원 모형에서의 바람에 의한 영향을 파악하기 위하여 2013년 10월 11일 GPS 부자 실험 당시의 수리조건에서 수평확산계수를 0.005 m2/sec로 고정하고, 풍속을조절하여 모의하였다. GPS 부자 실험당시 인근 구미 자동기상관측소(AWS)의 풍향•풍속 자료를 참조하여 풍향을 북서풍으로 하고, 풍속의 변화에 따른 영향을 분석하였다.
- EFDC 모형의 수리특성 재현성 검증을 위하여 GPS 부자실험 기간이 포함되도록 2013년 7월부터 10월까지 4개월간의 구미와 왜관 수위관측소의 수위 및 유속 모의결과를 비교하였다. 수위 검증결과는 Fig.
- EFDC 모형은 종방향 60~100 m, 횡방향 40~ 70 m의 수평방향 8, 867개 격자로 구성하였으며, 수직방향수층의 수는 목적에 따라 1~10개로 조절하였다. EFDC 수리모형의 상류 경계조건은 구미보의 방류량, 하천 유량(감천, 한천, 백천), 하수처리장 방류량(원평, 구미), 취수량(해 평, 문산, 매곡)이며, 하류 경계조건은 강정고령보의 수위로 설정하였다. 또한 다기능보 수리구조물의 주요 제원과 관리 수위를 내부 경계조건으로 하였다.
- 005 m2/sec로 고정하고, 풍속을조절하여 모의하였다. GPS 부자 실험당시 인근 구미 자동기상관측소(AWS)의 풍향•풍속 자료를 참조하여 풍향을 북서풍으로 하고, 풍속의 변화에 따른 영향을 분석하였다. Fig.
- 2(b)), 일정 시간이 경과한 후에 수거하여 위치정보를 획득하였다. GPS 부자의 위치정보는 위도와 경도로 저장되어 있기 때문에 EFDC 라그랑지안 입자추적기법의 검증에 적용하기 위해 TM 좌표로 변환하였다.
- 구축된 EFDC 모형에 라그랑지안 입자추적기법을 적용하여 유류입자의 거동에 영향을 미치는 주요 인자의 민감도를 분석하였다. 주요 인자로 수층의 수, 바람의 세기, 수평확산계수를 선정하고, Table 1과 같이 모형의 구동조건을변경시키면서 유류입자의 도달거리, 이송속도, 이송방향, 확산범위 등에 대한 영향을 분석하였다.
- 검증하였다. 다기능보의 운영이 정상화된 이후인 2013년의 구미보 유량과 유입하천의 유량 자료를 이용하여 풍•평•저•갈 수량을 산정하고, 라그랑지안 입자추적기법의 민감도 분석과 시나리오 모델링에 적용하였다.
- 이를 위해 낙동강의 칠곡보에서 강정고령보까지의 구간을 대상으로 EFDC 모형을 구축하고 수리검증을 수행하였으며, 라그랑지안 입자추적기법을 적용하여 유류오염물질의 이송•확산에 관련된 주요 인자인 수층의 수, 바람의 세기 및 수평확산계수의 영향을 분석하였다. 또한 GPS 부자 실험결과에서 획득한 부자의 확산분포를 이용하여 수평확산계수를 산정하고, 이 값을 입자추적기법에 적용하여 유류 오염물질의 이송•확산 모의결과와 비교•검토하였다. 수질오염사고대응을 위해 개발한 가동보 모듈을 적용하여 유황 및 다기능보의 운영조건을 고려한 방제 시나리오별 도달시간 예측을 아울러 수행하였다.
- EFDC 수리모형의 상류 경계조건은 구미보의 방류량, 하천 유량(감천, 한천, 백천), 하수처리장 방류량(원평, 구미), 취수량(해 평, 문산, 매곡)이며, 하류 경계조건은 강정고령보의 수위로 설정하였다. 또한 다기능보 수리구조물의 주요 제원과 관리 수위를 내부 경계조건으로 하였다.
- 모형의 수층 수에 따른 영향을 파악하기 위하여 수평 확산계수를 0.005 m2/sec로 고정하고, 평수기 유량 조건에서 입자의 이송 속도를 비교하였다(Fig. 5). 수층의 수를 1개, 2개, 3개, 5개, 10개로 변화시켰을 경우, 20시간 동안의 이송 거리는 각각 3.
- 5인 균등분포 상에서 추출한 임의의 수(random number)로서, 2-1을 이용하여 변환하면 random 항은 평균이 0이고, -1에서 1의 범위에서 하나의 값을 갖게 된다. 변환된 random 항을 통해 유속에 의해 이송된 입자의 위치로부터 확산항에 따른 입자의 분포를 계산할 수 있으며, 본 연구에서는 수평확산계수에 의한 입자의 확산에 대한영향을 분석하였다.
- 가동보 운영을 통한 유류방제 시나리오는대규모 수질오염사고 위기대응실무매뉴얼(MOE, 2013)의댐•보 인근 수질오염사고 방제흐름도에 따라 구성할 수 있다. 본 연구에서는 다양한 형태의 다기능보 제원과 운영조건을 동시에 고려하여 보 연계운영을 모델링할 수 있도록개발한 2차원 EFDC 가동보 모듈(NIER, 2010)을 적용하여, 유황 변동과 상•하류 가동보의 방류조건을 조절하는 다기능보 연계운영에 따른 시나리오 모델링을 수행하였다. 유류오염 사고는 칠곡보 상류 3.
- 또한 GPS 부자 실험결과에서 획득한 부자의 확산분포를 이용하여 수평확산계수를 산정하고, 이 값을 입자추적기법에 적용하여 유류 오염물질의 이송•확산 모의결과와 비교•검토하였다. 수질오염사고대응을 위해 개발한 가동보 모듈을 적용하여 유황 및 다기능보의 운영조건을 고려한 방제 시나리오별 도달시간 예측을 아울러 수행하였다.
- 수층의 수에 대한 민감도 분석에서는 변동성이 큰 관측 유량을 적용할 경우 수위가 상승 또는 하강하는 시기에 따라 수층별 유속변동이 크게 나타날 수 있으므로 구미보 및 유입하천으로부터의 유량 경계조건을 평수기의 일정 유량 조건으로 하였으며, 바람의 세기와 수평확산계수의 민감도 분석에서는 GPS부자 실험을 했던 2013년 10월 11일의 관측 유량조건으로 하였다.
- 수평확산계수에 따른 입자의 확산분포에 대한 영향을 파악하기 위하여 GPS 부자 실험 당시와 같은 수리조건에서 수평 확산계수의 범위를 조절하여 모의하였다. 수평확산계수 0.
- 0 km 지점에서 발생한것으로 가정하고, Table 2와 같이 구미보와 감천 및 한천으로부터의 유입유량 변동과 칠곡보의 수위 조절에 따른 시나리오를 구성하였다. 시나리오 A 그룹은 4가지 유황조건 (Q95, Q185, Q285, Q355)에서 칠곡보의 수위를 양수가능수위로 유지하는 것이고, 시나리오 B 그룹은 칠곡보의 수위를 양수가능수위보다 1 m 높게 유지하여 방류를 일시적으로 중단하는 것으로 하였다.
- 유류오염물질 유출시 효율적인 방제를 위해서는 수표면흐름에 의한 이송•확산 특성 파악이 중요하므로 본 연구에서는 GPS 부자 실험과 라그랑지안 입자추적기법을 적용하여 유류오염물질의 거동해석 모델링을 수행하였다.
- 한다. 이를 위해 낙동강의 칠곡보에서 강정고령보까지의 구간을 대상으로 EFDC 모형을 구축하고 수리검증을 수행하였으며, 라그랑지안 입자추적기법을 적용하여 유류오염물질의 이송•확산에 관련된 주요 인자인 수층의 수, 바람의 세기 및 수평확산계수의 영향을 분석하였다. 또한 GPS 부자 실험결과에서 획득한 부자의 확산분포를 이용하여 수평확산계수를 산정하고, 이 값을 입자추적기법에 적용하여 유류 오염물질의 이송•확산 모의결과와 비교•검토하였다.
- 분석하였다. 주요 인자로 수층의 수, 바람의 세기, 수평확산계수를 선정하고, Table 1과 같이 모형의 구동조건을변경시키면서 유류입자의 도달거리, 이송속도, 이송방향, 확산범위 등에 대한 영향을 분석하였다.
- 칠곡보 구간에서 수행한 GPS 부자 실험결과와 비교•검증하고, 다기능보의 연계운영에 따른 시나리오 모델링을 위하여 가동보 모듈(NIER, 2010)을 적용한 EFDC 모형을 구축하였다. EFDC 모형은 종방향 60~100 m, 횡방향 40~ 70 m의 수평방향 8, 867개 격자로 구성하였으며, 수직방향수층의 수는 목적에 따라 1~10개로 조절하였다.
대상 데이터
- 05 m/s이다. 2013년 10월 11일에 실험구간 상류지점의 하천 중앙부에 30개의 GPS 부자를 동시에 투입하고(Fig. 2(b)), 일정 시간이 경과한 후에 수거하여 위치정보를 획득하였다.
- EFDC 모형은 종방향 60~100 m, 횡방향 40~ 70 m의 수평방향 8, 867개 격자로 구성하였으며, 수직방향수층의 수는 목적에 따라 1~10개로 조절하였다. EFDC 수리모형의 상류 경계조건은 구미보의 방류량, 하천 유량(감천, 한천, 백천), 하수처리장 방류량(원평, 구미), 취수량(해 평, 문산, 매곡)이며, 하류 경계조건은 강정고령보의 수위로 설정하였다.
- 구미 및 왜관 수위관측소의 수위자료를 국가 수 자원관리종합정보 시스템(MOLIT, 2013b)에서 수집하였으며, 같은 지점의 단면평균 유속자료는 한국수문조사연보(MOLIT, 2013a) 으로부터 수집하여 EFDC 모형의 수리특성을 검증하였다. 다기능보의 운영이 정상화된 이후인 2013년의 구미보 유량과 유입하천의 유량 자료를 이용하여 풍•평•저•갈 수량을 산정하고, 라그랑지안 입자추적기법의 민감도 분석과 시나리오 모델링에 적용하였다.
- 다량의 부자를 이용한 확산 실험은 표면흐름에 따른 혼합특성을 파악할 수 있기 때문에 주로 수표면으로 확산되는 유류오염사고를 분석할 수 있는 장점이 있어(Seo et al., 2013), 낙동강 본류의 칠곡보 구간인 한천 합류부(Fig. 1)에서 GPS 부자 실험을 실시하였다.
- 연구대상 지역은 산업단지가 위치하여 수질오염사고에취약한 구미보에서부터 강정고령보까지의 낙동강 본류 중• 상류 지역으로 선정하였다(Fig. 1). 칠곡보와 강정고령보 구간의 길이는 각각 27.
데이터처리
- 또한 라그랑지안 입자추적기법의 검증을 위하여 GPS 부자 실험 당시의 수리 및 기상조건과 식 (9)에 의해 산정된수평확산계수를 3차원 EFDC 모형에 적용하여 입자의 이송거리와 확산분포에 대하여 GPS 부자 현장 실험결과와 비교•검증하였다.
이론/모형
- EFDC 모형의 라그랑지안 입자추적 모듈(LPT)은 Dunsbergen and Stalling (1993)의 random walk 접근법을 바탕으로 한다. 아래 식 (1)~(2)의 라그랑지안 입자추적 방정식(Dynamic Solutions-International, 2009)에서 각 식의 우변에 있는 는평균이 0.
- GPS 부자의 이송속도는 유속에 의해 조절되고, 확산에 의한 분산정도는 Random walk에 의해서 결정되므로(Dynamic Solutions-International, 2009), 칠곡보 한천 합류부에서의 GPS 부자 실험결과를 이용하여 수평확산계수를 산정하고, EFDC 라그랑지안 입자추적기법에 적용하여 검증하였다. GPS 부자 투입 후 60분 경과한 시각의 확산분포로부터 식 (9)와 같은 수평확산계수 산정식에 적용한 결과, 수평확산계수는 0.
- 수직방향으로 같은 수의 층을 가지는 σ-좌표계를 사용하며, staggered 또는 C grid 상에서 공간적으로 2차 정확도를 가지는 수치해석법을 사용한다. 시간적으로는 2차정확도의 3단계 시간계산(three time level)의 내부모드와외부모드를 분리하는 모드 분리법을 사용한다.
- 수직방향으로 같은 수의 층을 가지는 σ-좌표계를 사용하며, staggered 또는 C grid 상에서 공간적으로 2차 정확도를 가지는 수치해석법을 사용한다. 시간적으로는 2차정확도의 3단계 시간계산(three time level)의 내부모드와외부모드를 분리하는 모드 분리법을 사용한다.
성능/효과
- 7은 2차원 조건과 5개의 수층으로 나눈 3차원 조건에서 0~10 m/sec의 바람이 불 경우에 2시간 동안 입자의궤적을 나타낸 것이다. 2차원 조건에서는 바람이 거의 없는 경우와 마찬가지로 지속적인 북서풍이 불 경우에도 입자의 이송속도나 경로가 거의 변경되는 않는 것으로 나타났으며(Fig. 7의 상), 약 35 m/sec 이상의 풍속에서 이송경로가 변경되는 것으로 확인되었다. 2차원 조건에서는 수심적분된 유속장에 의해서 입자의 이송이 계산되므로(TetraTech, Inc.
- EFDC 모형의 하천 수리특성 재현성 검증을 위해 구미와왜관 수위관측소의 관측자료와 비교한 결과, 유황에 따른수위와 유속 변동을 적절히 모의하고 있는 것으로 나타났다. 수층의 수가 증가함에 따라 입자의 이송속도가 빨라지는 것으로 나타났으나, 수층의 수가 5개 이상의 경우에는이송속도의 차이가 거의 없기 때문에 수질오염사고대응시스템의 계산시간 단축을 위해서는 최소의 수층을 이용하는것이 바람직한 것으로 판단된다.
- 본 연구를 통하여 GPS 부자를 활용한 표면 입자추적 실험 결과가 라그랑지안 입자추적 모델링 검증에 활용 가능함을 확인하였고, 가동보 운영 조절을 통해 오염물질 이송제어 시나리오 예측이 가능함을 보였다. 본 연구의 결과는 향후 지속적인 모델 예측 정확도 향상을 위한 실험과 모델 검증에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 수위 검증결과는 Fig. 3과 같으며, 구미 수위관측소에서는 수위 계산치의 절대평균오차(AME)가 0.096 m, 평균제곱근오차(RMSE)가 0.121 m로 나타났으며, 왜관 수위관측소에서는 절대평균오차가 0.204 m, 평균 제곱근 오차가 0.272 m로서 전체적으로 검증기간 동안의 수위변동을 잘 재현하고 있다.
- 수위 검증과 같은 기간의 유속 검증결과는 Fig. 4와 같으며, 구미 수위관측소에서 단면평균 유속 계산치의 절대평균오차가 0.014 m/sec, 평균제곱근오차가 0.017 m/sec로 나타났으며, 왜관 수위관측소에서 절대평균오차가 0.011 m/sec, 평균제곱근오차가 0.014 m/sec로서 유황에 따른 유속변화를 적절히 재현하고 있다.
- 바람에 의한 입자의 이송속도와 경로에 미치는 영향은 2차원 모형보다 3차원 모형에서 민감하게 나타났으며, 바람의 영향이 큰 상황에서는수직적으로 적절한 해상도를 가진 3차원 모형을 적용하거나, 2차원 모형을 적용할 경우에는 바람에 의한 표면 이송효과를 반영할 수 있는 라그랑지안 입자추적기법 계산 모듈의 개선이 요구된다. 수평확산계수를 0.005~0.5 m2/sec 범위에서 단계적으로 증가시켜 입자 확산에 대한 민감도분석 결과, 수평확산계수가 증가함에 따라 각 입자의 평균거리는 대수적로 증가하지만, 입자들의 확산 면적은 선형적으로 증가하였다. 칠곡보 한천 합류부에서의 GPS 부자 실험결과를 이용한 수평확산계수는 0.
- 6 % 로 나타났다(Table 3). 수평확산분포를 살펴보면, 중심점 좌표로부터 각 입자의 평균거리에 대한 상대오차는 4.4~16.4 % 의 범위로 평균 10.0 %로 나타났다(Table 3). 그러나 하천의 흐름방향 확산분포는 실험결과보다 다소 좁은 범위를 보이고 있으며, 횡방향 확산분포는 실험결과보다 넓은 범위를 보였다(Fig.
- 이송속도는 Table 4와 같이 나타났다. 이와 같이다기능보의 수위조절에 따른 방류 지연을 통하여 본류구간의 유속 감소와 오염물질 이송의 지체를 예상할 수 있어유류오염물질이 하류 보에 유입되기 전에 오일펜스 설치, 회수 등의 유류방제 작업 시간을 확보할 수 있을 것으로판단된다. 또한 수치모형의 수평 확산범위 예측정보는 오일펜스의 효과를 높이기 위한 설치방법을 결정하는데 과학적근거로 활용이 가능하다.
- 5 m2/sec 범위에서 단계적으로 증가시켜 입자 확산에 대한 민감도분석 결과, 수평확산계수가 증가함에 따라 각 입자의 평균거리는 대수적로 증가하지만, 입자들의 확산 면적은 선형적으로 증가하였다. 칠곡보 한천 합류부에서의 GPS 부자 실험결과를 이용한 수평확산계수는 0.096 m2/sec로 산정되었으며, 이 값을 라그랑지안 입자추적기법에 적용하여 모의한결과 이송거리의 상대오차는 평균 16.6 %, 각 입자의 평균거리에 대한 상대오차는 평균 10.0 %로 나타나 입자의 이송과 확산 모의에 적합한 것으로 판단된다. 그러나 하천의종•횡방향 확산 분포에는 다소 차이가 있었다.
후속연구
- 이와 같이다기능보의 수위조절에 따른 방류 지연을 통하여 본류구간의 유속 감소와 오염물질 이송의 지체를 예상할 수 있어유류오염물질이 하류 보에 유입되기 전에 오일펜스 설치, 회수 등의 유류방제 작업 시간을 확보할 수 있을 것으로판단된다. 또한 수치모형의 수평 확산범위 예측정보는 오일펜스의 효과를 높이기 위한 설치방법을 결정하는데 과학적근거로 활용이 가능하다.
- , 2012; NIER, 2010). 본 시스템을 활용하여 유류오염물질의 정확한 이송•확산 특성을 해석하기 위해서는 현장 실험자료와의 비교•검증을 통한 모형의 예측 정확도 향상이 필수적이다.
- 시나리오 예측이 가능함을 보였다. 본 연구의 결과는 향후 지속적인 모델 예측 정확도 향상을 위한 실험과 모델 검증에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 향후 하천이나 호소 구간의 다양한 지형과 수리조건에서의 입자의 확산에 관련된 실험결과를 축적하고, 시간 및 공간의 범위와 수평확산계수와의 관계에 대한 추가적인 분석이 요구된다.
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