[논문]입자추적모델을 이용한 마산만 북부 해역에서의 육상오염물질 확산 수치모의

김진호; 정우성; 홍석진; 이원찬; 정용현; 김동명

doi:10.13000/jfmse.2016.28.4.1143

입자추적모델을 이용한 마산만 북부 해역에서의 육상오염물질 확산 수치모의
Numerical Simulation for Dispersion of Anthropogenic Pollutant in Northern Masan Bay using Particle Tracking Model 원문보기

水産海洋敎育硏究 = Journal of fisheries and marine sciences education, v.28 no.4 = no.82, 2016년, pp.1143 - 1151

김진호 (부경대학교) , 정우성 (부경대학교) , 홍석진 (국립수산과학원) , 이원찬 (국립수산과학원) , 정용현 (부경대학교) , 김동명 (부경대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

To study the dispersion process and residence time of anthropogenic pollutant in Masan bay, a three-dimensional hydrodynamic model coupled to a particle tracking model, EFDC, is applied. Particle tracking model simulated the instantaneous release of particles emulating discharge from river and wastewater treatment plant to show the behaviour of pollutant in terms of water circulation and water exchange. Modelled outcomes for water circulation were in good agreement with tidal elevation and current data. The results of particle tracking model show that over half of particles released from northern Masan bay transport to out of area while the particles from Dukdong wastewater treatment plant transport to northern area. This meant pollution source from inside and outside of the northern area can affect water quality of northern Masan bay.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 입자추적 모델을 이용하여 육상기인 오염물질의 이동 및 확산범위를 예측하였다. 이를 통해 각 부하지점에서 유입된 오염물질이 마산만 북부 내만에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다.
본 연구는 마산만 해역에 있는 하천 및 하수처리장에서 유입된 오염물질의 확산 특성을 예측하였다. 이를 위해 마산만에 입자추적모듈이 포함된 해수유동모델을 이용하였으며, 마산만 북부내만에 잔류하는 입자의 수를 파악함으로써 오염물질의 영향을 정량적으로 파악하였다.
따라서 본 연구에서는 입자추적 모델을 이용하여 육상기인 오염물질의 이동 및 확산범위를 예측하였다. 이를 통해 각 부하지점에서 유입된 오염물질이 마산만 북부 내만에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다.

가설 설정

입자추적모델 계산을 통해 덕동하수처리장에서 방류된 5,040개 중 약 13%인 660개의 입자가 북부해역으로 유입되는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 이전의 연구들과 같이 입자추적모델의 계산에 있어서 입자를 일시적으로 방류하며, 입자를 분해되지 않는 물질로 가정하였다(Gomez-Gesteira et al, 1999; Perianez, 2004; Suh, 2006; Navas et al., 2011; Smyth, 2016).

제안 방법

C1과 C2 정점의 조류타원도 결과와 각 관측소의 기본수준점 성과표 자료의 각 분조별 진폭,위상에 대하여 모델에서 계산된 결과와 비교하였다([Fig.2], [Table 3]). 조류타원도 비교 결과, 타원의 방향에 있어서는 약간의 차이가 있었지만 타원의 길이와 폭에서 유사한 결과를 확인할 수 있었다.
이렇게 계산된 해수유동장을 초기조건(warm start)으로 20일 동안 입자추적모델을 수행하였다. 계산 영역에 포함되어 있는 16개 지점에 대하여 2011년 8월 관측된 담수유입량을 적용하였으며,COD 부하량에 비례하도록 입자를 방류하였다(MOF, 2011). COD 부하량 1 ton에 대하여 1,400개의 입자로 환산하여 덕동하수처리장은 5,040개,삼호천은 1,680개의 입자를 가하였다.
수직방향 격자는 5개 층이며 CFL(CournatFriedrichs-Lewy)조건을 고려하여 계산 시간 간격은 1초로 수치계산을 수행하였으며, 4개 분조(M2, S2, K1, O1)를 합성한 조위 값을 외경계에 부여하였다. 모델의 안정화 기간을 포함하고 대조와 소조가 표현될 수 있도록 총 20일 동안 해역의 해수순환을 재현하였다.
1]). 수직방향 격자는 5개 층이며 CFL(CournatFriedrichs-Lewy)조건을 고려하여 계산 시간 간격은 1초로 수치계산을 수행하였으며, 4개 분조(M2, S2, K1, O1)를 합성한 조위 값을 외경계에 부여하였다. 모델의 안정화 기간을 포함하고 대조와 소조가 표현될 수 있도록 총 20일 동안 해역의 해수순환을 재현하였다.
이렇게 계산된 해수유동장을 초기조건(warm start)으로 20일 동안 입자추적모델을 수행하였다. 계산 영역에 포함되어 있는 16개 지점에 대하여 2011년 8월 관측된 담수유입량을 적용하였으며,COD 부하량에 비례하도록 입자를 방류하였다(MOF, 2011).
본 연구는 마산만 해역에 있는 하천 및 하수처리장에서 유입된 오염물질의 확산 특성을 예측하였다. 이를 위해 마산만에 입자추적모듈이 포함된 해수유동모델을 이용하였으며, 마산만 북부내만에 잔류하는 입자의 수를 파악함으로써 오염물질의 영향을 정량적으로 파악하였다.
덕동하수처리장에 할당된 입자는 수심 13m 지점에서 방류되었다. 하수처리장에서 방류된 입자는 Boston항의 하수확산관 유출수에 대한 미국 EPA의 조사를 통해 관측된 침강속도의 분포 비율을 적용하였다([Table 2])

대상 데이터

계산 영역에 포함되어 있는 16개 지점에 대하여 2011년 8월 관측된 담수유입량을 적용하였으며,COD 부하량에 비례하도록 입자를 방류하였다(MOF, 2011). COD 부하량 1 ton에 대하여 1,400개의 입자로 환산하여 덕동하수처리장은 5,040개,삼호천은 1,680개의 입자를 가하였다. 덕동하수처리장에 할당된 입자는 수심 13m 지점에서 방류되었다.
대상해역인 마산만은 진해만의 동북부에 위치한 폐쇄성 해역으로 폭이 좁고 긴 형태의 만이다. 만의 주변에는 마산, 창원 등 대도시와 대단위 임해공업단지가 위치하고 있다.
모델의 영역은 안정적인 수치모의를 위해 마산만을 포함한 진해만 전역에 대하여 동서방향으로 약 47 km, 남북방향으로 약 40 km로 설정하였으며, 격자수는 468개 × 409개로 구성하였다([Fig. 1]).

데이터처리

해수유동 계산 결과의 검증을 위해 김차겸 등(1994)의 관측치를 사용하여 C1과 C2 정점의 반일주조와 일주조의 조류타원과, 국립해양조사원의 기본수준점 성과표(tidal bench mark)의 4개 분조 조화상수 값을 모델 계산 결과와 비교하였다.

이론/모형

마산만의 해수순환특성을 재현하기 위해서 입자추적모듈이 포함된 EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)를 사용하였다. EFDC는 Virginia Institute of Marine Science에서 개발되었으며 해수 유동, 퇴적물이동, 수질 및 독성물질에 대한 예측을 위해 널리 이용되고 있다.

성능/효과

조류타원도 비교 결과, 타원의 방향에 있어서는 약간의 차이가 있었지만 타원의 길이와 폭에서 유사한 결과를 확인할 수 있었다. 각 관측소의 진폭과 위상 비교에서는 일주조에서는 다소 차이가 나타난 반면 반일주조에서는 유의한 진폭과 위상을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 구축된 해수유동 모델이 마산만의 해수순환 특성을 잘 재현하는 것으로 판단할 수 있었다.
4]와 같이 나타냈다. 내만의 부하지점에서 방류된 입자들이 시간에 따라 남하하며, 덕동하수처리장에서 방류된 입자들은 남북방향으로 확산되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 경향은 방류 후 0.
마산만 북부 해역에 체류하는 입자의 수를 정량적으로 분석하여 내만에서 방류된 입자 중 약 20%가 20일이 경과한 이후에도 체류하며, 덕동하수처리장에서 방류된 입자 중 약 13%가 유입되는 것을 알 수 있었다.
각 관측소의 진폭과 위상 비교에서는 일주조에서는 다소 차이가 나타난 반면 반일주조에서는 유의한 진폭과 위상을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 구축된 해수유동 모델이 마산만의 해수순환 특성을 잘 재현하는 것으로 판단할 수 있었다.
입자추적모델 계산 결과를 통해 내만의 하천에서 방류된 입자들이 시간이 경과함에 따라 남하하는 것을 확인할 수 있었다. 이와 동시에 덕동하수처리장에서 방류된 입자들이 남북방향으로 확산되는 것을 확인할 수 있었으며, 이 중 일부 입자들은 저층의 해수순환을 통해 북향하여 마산만 북부 해역에 유입되는 것으로 나타났다.
입자추적모델 계산 결과를 통해 내만의 하천에서 방류된 입자들이 시간이 경과함에 따라 남하하는 것을 확인할 수 있었다. 이와 동시에 덕동하수처리장에서 방류된 입자들이 남북방향으로 확산되는 것을 확인할 수 있었으며, 이 중 일부 입자들은 저층의 해수순환을 통해 북향하여 마산만 북부 해역에 유입되는 것으로 나타났다.
두 번째 요인으로는 덕동하수처리장 방류수에 포함된 입자물질의 유입이다. 입자추적모델 계산을 통해 덕동하수처리장에서 방류된 5,040개 중 약 13%인 660개의 입자가 북부해역으로 유입되는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 이전의 연구들과 같이 입자추적모델의 계산에 있어서 입자를 일시적으로 방류하며, 입자를 분해되지 않는 물질로 가정하였다(Gomez-Gesteira et al, 1999; Perianez, 2004; Suh, 2006; Navas et al.

후속연구

이러한 결과는 마산만 북부해역의 수질에 있어서 북부해역의 하천을 통해 유입되는 오염물질뿐만 아니라 덕동하수처리장이나 북부해역 외에 있는 하천을 통해 유입된 오염물질이 영향을 미칠 수 있는 것을 의미한다. 또한, 해역에 유입된 오염물질 중 난분해성인 경우 더욱 넓게 확산될수 있을 것으로 판단된다. 추후, 하천수 내 입자 물질의 침강속도와 바람장의 적용을 통해 더욱 정밀한 오염물질의 확산범위를 연구할 필요가 있을 것으로 판단된다.
유기오염물질을 다량 함유한 하수가 하계에 해역으로 유입된다면, 해역에 체류하면서 분해·재생산의 과정을 통해 자생유기물을 생산하여 해역의 오염을 가중시킬 것으로 판단된다. 또한, 현장관측을 통해 실제 하천수에 포함된 오염물질의 침강속도를 입자에 고려한다면 북부 내만에 체류하는 입자의 수는 더욱 증가할 것으로 판단된다.
또한, 해역에 유입된 오염물질 중 난분해성인 경우 더욱 넓게 확산될수 있을 것으로 판단된다. 추후, 하천수 내 입자 물질의 침강속도와 바람장의 적용을 통해 더욱 정밀한 오염물질의 확산범위를 연구할 필요가 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	입자추적법은 어떤 기법인가?	해양에 방류된 오염물질의 확산을 표현하는 방법 중의 하나인 입자추적법(particle tracking method)은 오염물질을 다수의 작은 입자들의 집합체로 가정하고 개별입자들의 움직임을 추적함으로서 전체 오염물질의 이류 및 확산 과정을 모델링하는 기법이다(Jung, 2002). 이 기법을 통해오염원의 농도는 입자의 수에 비례하고 입자가 위치한 영역에 집중되는 것으로 판단할 수 있다.
	본 연구에서는 입자추적 모델을 이용하여 육상기인 오염물질의 이동 및 확산범위를 예측한 이유는?	이 기법을 통해오염원의 농도는 입자의 수에 비례하고 입자가 위치한 영역에 집중되는 것으로 판단할 수 있다. 이러한 입자추적법은 격자단위의 농도처리에 있어서 발생할 수 있는 수치확산(numericaldiffusion)에 따른 오차의 발생이 없으며, 다양한 확산과정을 모의할 수 있는 장점으로 인해 오염물질, 체류시간, 유류 및 확산에 대한 연구에서 사용되고 있다(Suh, 1996; Perianez, 2004; Yang etal., 2009; Salama and Rabe, 2013; Smyth et al.
	마산만의 해수순환특성을 재현하기 위해서 사용한 것은?	마산만의 해수순환특성을 재현하기 위해서 입자추적모듈이 포함된 EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)를 사용하였다. EFDC는 Virginia Institute of Marine Science에서 개발되었으며 해수 유동, 퇴적물이동, 수질 및 독성물질에 대한 예측을 위해 널리 이용되고 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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