[논문]하천에 유입된 유해화학물질의 혼합 해석을 위한 2차원 오염물질 이동모형 반응항 개발

신동빈; 신재현; 서일원

doi:10.3741/jkwra.2020.53.2.141

하천에 유입된 유해화학물질의 혼합 해석을 위한 2차원 오염물질 이동모형 반응항 개발
Development of response terms for contaminant transport in two-dimensional model for mixing analysis of toxic chemicals in rivers 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.53 no.2, 2020년, pp.141 - 154

신동빈 (서울대학교 공과대학 건설환경공학부) , 신재현 (서울대학교 공과대학 건설환경공학부) , 서일원 (서울대학교 공과대학 건설환경공학부)

초록
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우리나라에서 일어나는 하천 내 유해화학물질 유입사고 발생건수는 매년 증가하는 추세를 보이고 있다. 이에 대응하기 위해 국가차원의 수질오염 사고대응체계를 구축하여 사고방재를 위한 체계적인 절차를 수립하였으나, 우리나라의 사고대응체계는 해외의 수질모형을 차용하고 있기 때문에 모형의 매개변수 입력 및 검보정에 어려움이 있다. 이에 따라 본 연구는 하천에 유출된 유해화학물질의 거동을 분석하기 위한 수심 평균 2차원 하천수질모형을 개발하고, 유해화학물질의 특성을 고려한 유의반응항 판별을 통해 효율적 모의수행을 위한 기법을 제시하였다. 수심 평균 2차원 하천수질모형인 CTM-2D에 흡·탈착, 휘발 반응을 재현할 수 있는 반응항을 추가하고, 이를 검증하기 위해 해석해와 수치해를 비교한 결과 0.1% 미만의 오차를 보여 모형의 타당성을 입증하였다. 또한 낙동강-금호강 합류부에 수질오염사고 가상시나리오를 구성하여 개발된 모형을 적용하였으며, 민감도 분석 기반 유의반응 판단을 통해 효율적 수질모의를 수행할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The accidents of toxic chemical spill into rivers are increasing in recent years due to expansion of heavy industries in Korea. In order to respond to the chemical spills, accident response systems have been established for both main rivers and tributary rivers. However, since these accident response system adopted the water quality models imported from the foreign countries, it is difficult to acquire the model parameters and to calibrate and validate the water quality models. Therefore, this study developed a depth-averaged two-dimensional river water quality model to analyze the behavior of hazardous chemicals in rivers and proposed an efficient simulation execution framework by identifying the significant reaction mechanisms considering the characteristics of the toxic chemicals. The depth-averaged two-dimensional river water quality model CTM-2D was upgraded by adding reaction terms representing mechanisms of the adsorption, desorption, and volatilization of toxic chemicals. In order to verify the model, the analytical solution was compared with the numerical solution, and results showed that the error was less than 0.1%. In addition, the model was applied to a virtual scenario which is a water pollution accident at the confluence of the Nakdong River - Kumho River, and model results showed that an efficient simulation could be carried out by activating only significant reactions which were assessed by the sensitivity analysis.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Schematic of principal features of physical-chemical reaction of toxic chemicals
표 Table 1. Regression coefficient between soil-water and organic carbon water partitioning coefficient
그림 Fig. 2. Flowchart of numerical modeling for toxic chemicals
표 Table 2. Cases for validation of the reaction terms
그림 Fig. 3. Results of validation of the reaction terms
그림 Fig. 4. Study site
그림 Fig. 5. Hydrodynamic simulation results
그림 Fig. 6. Results of parameter sensitivity analysis
그림 Fig. 7. Simulation results with different reaction terms
표 Table 3. Comparison of simulation cases
그림 Fig. 8. C-t curves at Hwawon intake station

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 하천에 유입된 유해화학물질의 거동 특성을 반영한 2차원 오염물질 거동해석 모형을 개발하였다. 하천에 유입된 유해화학물질은 Fig.
본 연구에서는 하천에 유입된 유해화학물질의 혼합거동을 분석하기 위하여 수심 평균 2차원 하천수질모형을 개발하고, 모형의 계산속도를 최소화하기 위해 유의 반응항 판별 방법과 이에 기반한 효율적 모의수행 기법을 제시하였다. 수심 평균 2차원 하천수질모형인 CTM-2D에 흡·탈착, 휘발, 생화학적 반응을 재현할 수 있는 반응항들을 추가하였으며 개발된 모형을 해석해와 비교하여 검증하였다.
본 연구에서는 하천에 유출된 유해화학물질의 거동을 분석하기 위한 수심 평균 2차원 하천수질모형을 개발하고, 모형의 계산속도를 최소화하기 위해 유의 반응할 판별을 이용한 효율적 모의수행 기법을 제시하였다. 유해화학물질의 거동을 지배하는 방정식과 해석 방법을 개발하고, 개발된 모형의 계산 결과를 해석해와 비교함으로써 모형을 검증하였다.
(2018)은 수온과 하천흐름이 조류의 공간분포에 미치는 영향에 대해 낙동강에서 연구를 수행한 바 있다. 하지만 기존의 국내 모형에서는 유해화학물질의 반응 특성을 고려한 2차원 모형이 개발된 바 없으므로 본 연구에서는 유해화학물질의 반응 특성을 반영하여 CTM-2D의 독성물질 모듈을 개발하였다.

가설 설정

, 1980) 값을 사용하였다. 유입된 물질이 자연에 거의 존재하지 않는 물질이라고 가정하여 C_eq를 0 으로 가정하고 Eq. (5)와 Eq.
직사각형 수로에서 유속이 없는 조건에서, 부유 사의 농도가 0 ppm이고, 타 반응들은 일어나지 않고 하상과의 흡·탈착만이 유일하게 일어난다고 가정하였다.
휘발 모형을 검증하기 위해, 수심 및 유속이 일정한 가상 직사각수로에서의 연속선 주입으로 가정하고, 문제를 단순화하기 위해 분산계수의 시공간적 변화가 없다고 가정하였다. 이 경우 수심 및 유속이 일정하여 전체 수로 내에 단일한 휘발 계수가 계산된다.

제안 방법

2) 낙동강-금호강 합류부 하류구간에 수질오염사고 가상시나리오를 구성하여 개발된 모형을 적용하였다. 구성한 조건 내에서 반응항들의 매개변수 민감도 분석을 수행하여 유의성 판단을 위한 임계값을 산출하였다.
2) 낙동강-금호강 합류부 하류구간에 수질오염사고 가상시나리오를 구성하여 개발된 모형을 적용하였다. 구성한 조건 내에서 반응항들의 매개변수 민감도 분석을 수행하여 유의성 판단을 위한 임계값을 산출하였다. 모의 결과 중 체류시간과 첨두농도를 기반으로 선정한 주요 매개변수의 임계값은 생화학적 반응계수는 0.
유해화학물질의 거동을 지배하는 방정식과 해석 방법을 개발하고, 개발된 모형의 계산 결과를 해석해와 비교함으로써 모형을 검증하였다. 나아가서 실제 하천 지역에 개발된 모형을 통해 모의를 수행하고, 효율적인 수질모의 수행을 위한 유의 반응할 판별 기법을 수립하였다.
수심 평균 2차원 하천수질모형인 CTM-2D에 흡·탈착, 휘발, 생화학적 반응을 재현할 수 있는 반응항들을 추가하였으며 개발된 모형을 해석해와 비교하여 검증하였다. 나아가서 실제 하천에 적 용하여 유해화학물질의 특성을 고려한 효율적 모의수행방법을 제시하였다.
둘째로, 오염물질 거동 모의 결과가 입력 매개변수 변화에 따라 정해진 기준값 이상의 변화가 일어날 때, 입력된 매개변수 값을 해당 반응항의 유의성을 판단할 수 있는 임계값으로 채택하였다. 민감도분석 대상 매개변수는 옥탄올-물 분배계 수(K_aw), 수계확산계수(K_aq) 그리고 생화학적 반응계수(λ)로서, 흡탈착, 휘발, 그리고 생화학반응을 대변하는 물성치를 선정하였다.
하지만 일부 유해화학물질은 하천으로 배출되었을 때 휘발이 오염물질의 거동의 지배적 요인인 경우가 있어 분리하여 해석할 필요가 있다고 평가된 바 있다(Rathbun and Tai, 1981). 따라서 본 연구에서는 두 현상을 별도로 모델링하였으며, 각 반응항은 다음과 같다.
민감도분석 대상 매개변수는 옥탄올-물 분배계 수(K_aw), 수계확산계수(K_aq) 그리고 생화학적 반응계수(λ)로서, 흡탈착, 휘발, 그리고 생화학반응을 대변하는 물성치를 선정하였다. 또한 수질모형의 모의 결과 중 주요지점에서의 체류시간(주요지점에서 계산 농도값이 기준 이상으로 검출되는 기간)과 첨두농도의 값이 10% 변하는 값을 임계값으로 선정하였다. 체류시간 및 첨두농도 기준 중 하나라도 만족하면 유의 반응으로 판별하도록 산정된 임계값 중 작은 값을 최종 임계값으로 선정하였다.
앞서 정리된 부유사 및 하상 흡·탈착항의 해석해는 시간에 따른 한 점의 농도의 변화이기 때문에 모의구역 한 절점의 시간에 따른 농도 값을 수치해로 사용하였다. 또한 휘발항의 해석해는 시간에 따른 1차원 공간의 농도분포이므로 수치해의 흐름방향 거리에 따른 농도를 해석해와 비교하여 검증을 완료하였다. 수치해와 해석해 간의 오차를 분석하기 위해서 각 절점 별로 두값의 차를 해석 해로 나누어 산정하였으며, 식은 다음과 같다.
민감도분석 대상 매개변수는 옥탄올-물 분배계 수(Kaw), 수계확산계수(Kaq) 그리고 생화학적 반응계수(λ)로서, 흡탈착, 휘발, 그리고 생화학반응을 대변하는 물성치를 선정하였다.
본 연구에서 개발한 유해화학물질 거동해석모형은 오염물질거동해석 모형인 CTM-2D (Lee and Seo, 2007)를 기반으로 하였으며, 반응메커니즘을 추가하여 모형개발을 완료하였다. CTM-2D는 하천수질 해석모형으로서, 비압축성 유체에서 물질의 3차원 이송 ․ 확산 방정식을 수심 적분한 2차원 이송-분산 방정식을 지배방정식으로 사용하는 2차원 유한요 소모형이다(Lee and Seo, 2010).
본 연구에서는 낙동강 강정고령보의 방류량 및 금호강 강창교의 유량 데이터를 사용하여 상류 경계조건을 설정하고, 달성보의 상류 수위를 이용해 하류단 경계조건을 설정하였다. 하천 표고자료는 2015년에 RTK 및 ADCP를 이용한 측량을 통해 구축된 DEM자료를 기반으로 하여 약30 × 30 m 해상도 자료를 사용하였으며, 수치모형의 계산격자는 18,819개 로 구성하였다.
본 연구에서는 대상구간에서 2차원 수질모형의 효율적인 모의를 위한 반응항 중 유의항 판별을 위해 민감도분석을 하였으며, 그 과정은 다음과 같다. 첫째로, 대상구간의 유속 및 수심자료를 얻기 위해 2차원 흐름모형을 이용하여 수리해석을 수행하였다.
본 연구의 민감도 분석에서 실제 지형을 이용해 민감도 분석을 수행할 시 많은 계산시간이 소요됨으로, 사고발생 지점과 사고를 대비해야하는 주요지점 사이 구간의 유속 및 수심 평균치를 이용해 가상 직사각수로를 구성하여 민감도 분석을 수행하였다. 주요지점을 화원양수장으로 선정하고 유로연장이 4 km인 1차원 가상 직사각 수로를 구축한 뒤, 수리모의로 부터얻어진 평균수리조건인 유속 0.
부유사에 흡착된 농도와 용존 농도 간의 물질 교환모형을 검증하기 위해 직사각형 수로 안에 유속이 없는 조건에서 검증을 진행하였다. 타 반응들은 일어나지 않고 부유사 흡·탈착 만이 유일하게 일어난다고 가정했을 때 지배방정식을 아래와 같이 단순화시킬 수 있었다.
수심 평균 2차원 하천수질모형인 CTM-2D에 흡·탈착, 휘발, 생화학적 반응을 재현할 수 있는 반응항들을 추가하였으며 개발된 모형을 해석해와 비교하여 검증하였다.
수치모형의 적용영역은 100 m × 2 m 크기 수로에 1차원 모의를 위하여 정사각형 모양 격자로 구성하여 요소 50개, 절점 102 개로 구성하였으며, 지면 경사를 0 m/m로 설정하고 검증조건을 반영하여 정상등류를 구현하였다.
141 m를 적용하여 분석을 수행하였다. 옥탄올-물 분배계수, 수계확산 계수 그리고 생화학적 반응계수 중 각 하나의 변수 값을 유의하지 않은 값으로부터 증가시키며 첨두농도 및 체류시간의 변화를 분석하였다.
본 연구에서는 하천에 유출된 유해화학물질의 거동을 분석하기 위한 수심 평균 2차원 하천수질모형을 개발하고, 모형의 계산속도를 최소화하기 위해 유의 반응할 판별을 이용한 효율적 모의수행 기법을 제시하였다. 유해화학물질의 거동을 지배하는 방정식과 해석 방법을 개발하고, 개발된 모형의 계산 결과를 해석해와 비교함으로써 모형을 검증하였다. 나아가서 실제 하천 지역에 개발된 모형을 통해 모의를 수행하고, 효율적인 수질모의 수행을 위한 유의 반응할 판별 기법을 수립하였다.
이에 따라 본 연구에서는 CTM-2D의 지배방정식인 수심평균 이송 ․ 확산 방정식을 기반으로 용존농도 및 부유사 농도의 거동을 재현하고, 각 상 간의 흡·탈착, 휘발과정으로 인한 물질교환에 관한 수학적 모형을 채택하여 유해화학물질의 거동 해석모형을 개발하였다.
본 연구에서는 대상구간에서 2차원 수질모형의 효율적인 모의를 위한 반응항 중 유의항 판별을 위해 민감도분석을 하였으며, 그 과정은 다음과 같다. 첫째로, 대상구간의 유속 및 수심자료를 얻기 위해 2차원 흐름모형을 이용하여 수리해석을 수행하였다. 국립환경과학원 사고대응시스템(WARMS) 에서는 수질사고에 대비해 수리모형을 매일 업데이트하고 있어, 이 과정은 실제 상황에서는 이미 이루어져 있는 단계이다.
개발된 모형의 반응항을 검증하기 위해 몇 가지 조건과 가정으로 해석해가 존재하는 모의 구역을 구성하였다. 토양-물 관련 항을 검증하기 위해서 유속이 0, 수심의 시공간적 변화가 없다고 가정한 정체된 수체 내에서 주입된 용존 농도의 거동을 모의하였으며, 휘발 항을 검증하기 위해 수심 및 유속이 일정한 가상 직사각수로에서 연속선 주입 모의를 수행하였으며 각 조건에 대한 해석해와 비교하였다.
흐름 모형의 상 ․ 하류 경계조건으로는 국가수자원관리 종합정보 시스템(WAMIS)에서 2018년 5월9일에 관측된 강정고령보 및 달성보의 운영 방류량 및 상류수위를 이용하였다. 해당 모의시간 내 유량 및 수위 조건이 큰 변동이 없어 정상 흐름 모의를 하였다. 또한 적용지역의 하류에 위치한 구미대교의 수위 자료로 보정을 위해 Manning 조도계수와 Smagorinsky 상수를 각각 0.
휘발 및 생화학적 반응에 민감한 메탈린 염화물의 인자 특성 (생화학적 반응계수 22.0/day, 수계확산계수 1.1⨯10^-4 m² /day, 옥탄올-물 분배계수 8.13)을 반영하여 수행하였다. 이 경우에는 민감도 분석과는 달리 실제 지형을 이용해 수치 모의를 수행하였다.

대상 데이터

국립환경과학원 사고대응시스템(WARMS) 에서는 수질사고에 대비해 수리모형을 매일 업데이트하고 있어, 이 과정은 실제 상황에서는 이미 이루어져 있는 단계이다. 본 연구에서는 HDM-2D로 수리모의를 수행하여 모의 결과인 유속 및 수심을 CTM-2D의 입력자료로 사용하였다. 흐름 모형의 상 ․ 하류 경계조건으로는 국가수자원관리 종합정보 시스템(WAMIS)에서 2018년 5월9일에 관측된 강정고령보 및 달성보의 운영 방류량 및 상류수위를 이용하였다.
따라서 본 연구에서 개발한 수심 평균 2차원 모형은 대상하천에서 오염물질의 공간 변동성을 분석하는데 효과적인 모형으로 판단된다. 본 연구의 대상 구간은 Fig. 4에 도시한 바와 같이 상류 쪽에는 성서 산업단지가 밀집되어 있고, 중 ․ 하류 쪽에는 농업 단지가 위치하고 있어 산업 중간재의 운반 중 차량 전복사고 나 오염 폐수유출의 가능성이 큰 지역이다. 또한 대상구간의 상하류에 있는 강정보와 달성보에 의해 유량이 통제되고 있으며, 수심은 관리수위 이하로 운영되고 있어서 오염물질이 유입될 시 잔류 시간이 길어져 피해가 커질 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구의 민감도 분석에서 실제 지형을 이용해 민감도 분석을 수행할 시 많은 계산시간이 소요됨으로, 사고발생 지점과 사고를 대비해야하는 주요지점 사이 구간의 유속 및 수심 평균치를 이용해 가상 직사각수로를 구성하여 민감도 분석을 수행하였다. 주요지점을 화원양수장으로 선정하고 유로연장이 4 km인 1차원 가상 직사각 수로를 구축한 뒤, 수리모의로 부터얻어진 평균수리조건인 유속 0.108 m/s, 수심 2.141 m를 적용하여 분석을 수행하였다. 옥탄올-물 분배계수, 수계확산 계수 그리고 생화학적 반응계수 중 각 하나의 변수 값을 유의하지 않은 값으로부터 증가시키며 첨두농도 및 체류시간의 변화를 분석하였다.
하천 표고자료는 2015년에 RTK 및 ADCP를 이용한 측량을 통해 구축된 DEM자료를 기반으로 하여 약30 × 30 m 해상도 자료를 사용하였으며, 수치모형의 계산격자는 18,819개 로 구성하였다.
본 연구에서는 HDM-2D로 수리모의를 수행하여 모의 결과인 유속 및 수심을 CTM-2D의 입력자료로 사용하였다. 흐름 모형의 상 ․ 하류 경계조건으로는 국가수자원관리 종합정보 시스템(WAMIS)에서 2018년 5월9일에 관측된 강정고령보 및 달성보의 운영 방류량 및 상류수위를 이용하였다. 해당 모의시간 내 유량 및 수위 조건이 큰 변동이 없어 정상 흐름 모의를 하였다.

데이터처리

해당 모의시간 내 유량 및 수위 조건이 큰 변동이 없어 정상 흐름 모의를 하였다. 또한 적용지역의 하류에 위치한 구미대교의 수위 자료로 보정을 위해 Manning 조도계수와 Smagorinsky 상수를 각각 0.023과 0.3의 보정값을 사용하였으며, Fig. 5는 보정 된 수리모형의 결과와 평균수리조건을 보여준다.

이론/모형

CTM-2D는 하천수질 해석모형으로서, 비압축성 유체에서 물질의 3차원 이송 ․ 확산 방정식을 수심 적분한 2차원 이송-분산 방정식을 지배방정식으로 사용하는 2차원 유한요 소모형이다(Lee and Seo, 2010). 구조적/비구조적 격자로 이뤄진 격자에서 유한요소법(FEM, Finite Element Method)를 기반으로 Streamline-Upwind Petrov- Galerkin (SU/PG) 기 법(Brooks and Hughes, 1982)에 근거하여 가중 잔차법을 이용해 수치해를 구한다.
하천 표고자료는 2015년에 RTK 및 ADCP를 이용한 측량을 통해 구축된 DEM자료를 기반으로 하여 약30 × 30 m 해상도 자료를 사용하였으며, 수치모형의 계산격자는 18,819개 로 구성하였다. 또한 하상재료의 중간 입경은 Lyu et al. (2017) 의 입도분석 결과인 0.8 mm를 사용하였으며, 부유사 입경은 상류 수질관측소에서 측정된 0.042 mm을 사용하였고, 하상 재료의 유기탄소비율은 Four Major River Survey Committee (2016)가 달성보 구간에서 측정한 하상토의 완전연소 가능량 값을 사용하였다.
본 연구에서는 Karickhoff and Morris (1985)가 소수성 물질에 대한 흡·탈착률과 토양-물 분배계수의 관계로 제시한 다음과 같은 식을 이용하였다.
본 연구의 유해화학 물질 유입사고대응을 위한 수질모형의 경우, 흡·탈착 메커니즘이 소수성 물질에 한하여 적용이 될 것이기 때문에 물과 토양 사이에서의 물질교환만을 실험한 연구인 Karickhoff(1981) 식을 적용하였으며, 이 식의 α와 β의 값은 각각 0.99, 0.45× 10-3이다.
여기서 Kd를 추정하기 위해 Kaw는 옥탄올-물 분배계수로 앞서 소개한 Karickhoff (1981)이 제안한 추정식을 사용하였으며, δm은 Karim and Kennedy (1982)가 제안한 바와 같이 수심의 0.1 ~ 0.2배 수준으로 설정하였다.
개발된 모형으로 모의를 수행하기 위해서, 우선적으로 유동해석모형과 부유사거동 해석모형을 통해 수질모형의 입력 자료를 구축해야 한다. 유속과 수심을 모의하기 위해 유동해 석 모형인 HDM-2D (Seo and Song, 2012)를 이용하였으며, 부유사 농도의 시공간 분포를 모의하기 위해 부유사 거동해석 모델인 STM-2D (Seo et al., 2009)를 이용하여 부유사거동 모의를 수행하였다. Fig.
흡·탈착 과정은 확산반응과정으로 가정하여 이를 직접 계산하는 확산모형 (Diffusion Model)과 계산의 효율성을 위해 간단한 근사해로 재현하는 물질교환모형(Mass Transfer Model)이 있다. 일반적으로 수질모형에서는 물질교환 모형을 사용하고 있으며, 본 연구에서도 다음과 같은 물질교환식을 적용하였다

성능/효과

1) 하천에 유입된 유해화학물질의 거동을 분석하기 위한 흡·탈착, 휘발, 생화학적 반응이 추가된 2차원 하천수질모형을 가상수로에서 적용하여 해석해와 비교한 결과, 각 반응 항 모두0.1 % 미만의 오차를 보여 모형의 타당성이 입증되 었다.
3) 유의 반응항 판별을 통한 효율적 수질모의 수행함으로써 실제 사고상황에 적용 가능성을 보였다. 낙동강 대상구간에 유입된 메탈린 염화물의 인자 특성을 반영하여 유의 반응항만 고려한 모의와 유의하지 않은 메커니즘까지 모두 반영한 모의 결과를 비교한 결과, 첨두농도 및 체류시간에 서 약5 % 정도의 변화를 보였으나, 계산시간의 경우 유의 하지 않은 메커니즘을 모두 반영한 모의가 약 5배의 시간을 소요함을 보여주었다.
8에 도시하고, 각 케이스 결과를 Table 3에 수록하였다. Fig. 8의 농도-시간 곡선을 확인한 결과, 모든 조건의 모의는 사고 발생 후 약 6시간 이후에 화원양수장에 농도가 검출되었으며, 유해화학물질의 도달 시간에는 반응항의 영향이 미미함을 확인할 수 있었다. 그러나 체류시간의 경우, 반응항을 전혀 반영하지 않은 결과와 유의한 반응항을 반영한 결과는 약 2시간 정도의 차이로 약 33 % 변화를 보였다.
3) 유의 반응항 판별을 통한 효율적 수질모의 수행함으로써 실제 사고상황에 적용 가능성을 보였다. 낙동강 대상구간에 유입된 메탈린 염화물의 인자 특성을 반영하여 유의 반응항만 고려한 모의와 유의하지 않은 메커니즘까지 모두 반영한 모의 결과를 비교한 결과, 첨두농도 및 체류시간에 서 약5 % 정도의 변화를 보였으나, 계산시간의 경우 유의 하지 않은 메커니즘을 모두 반영한 모의가 약 5배의 시간을 소요함을 보여주었다. 이러한 결과는 신속한 모의가 필요한 사고대응 상황에서 유의한 반응만을 고려하여 모의할 시 계산시간을 대폭 단축시킬 수 있음을 보여 주는 결과이다.
2로 천수(shallow water)에 해 당하는 하천이다(van Prooijen and Uijttewaal, 2005). 따라서 본 연구에서 개발한 수심 평균 2차원 모형은 대상하천에서 오염물질의 공간 변동성을 분석하는데 효과적인 모형으로 판단된다. 본 연구의 대상 구간은 Fig.
구성한 조건 내에서 반응항들의 매개변수 민감도 분석을 수행하여 유의성 판단을 위한 임계값을 산출하였다. 모의 결과 중 체류시간과 첨두농도를 기반으로 선정한 주요 매개변수의 임계값은 생화학적 반응계수는 0.2363/day, 수계확산 계수는 7.117⨯105 m² /day, 옥탄올-물 분배계수의 경우 111.5이다.
3에 도 시하였다. 수치해와 해석해 간 오차를 계산한 결과, 부유사 흡착항의 경우 평균 약0.003% 오차를 보였으며, 하상 흡착항의 경우 평균 약 0.04%의 오차를, 휘발항의 경우 평균 0.05%의 오차를 보여 수치모형의 우수성을 검증하였다.
또한 첨두농도의 경우에는 약100 %의 변화를 보였다. 유의한 메커니즘만 반영한 결과와 유의하지 않은 메커니즘까지 모두 반영한 결과는 체류시간 및 첨두농도에서 3% 미만의 미미한 차이를 보였다. 그러나 계산시간의 경우, 모든 반응을 포함한 모의가 유의한 반응만을 포함한 모의보다 약5배의 시간이 더 걸림을 알 수 있다.
6에 도시하였다. 주요지점에서의 첨두농도는 생화학적 반응계수와 수계확산계수에 민감하고, 체류시간의 경우 물-옥탄올 분배계수에 민감한 결과를 보였다. 이는 휘발 및 생화학적 반응의 경우 감쇠반응의 일종으로 농도-시간 곡선의 형상이 크게 바뀌지 않은 상태에서 전체적인 농도의 값만 변화하기 때문에, 생화학적 반응계수 및 수계 확산계수가 체류시간보다는 첨두농도에 더욱 영향을 미치게 한 것을 알 수 있다.

후속연구

개발된 모형으로 모의를 수행하기 위해서, 우선적으로 유동해석모형과 부유사거동 해석모형을 통해 수질모형의 입력 자료를 구축해야 한다. 유속과 수심을 모의하기 위해 유동해 석 모형인 HDM-2D (Seo and Song, 2012)를 이용하였으며, 부유사 농도의 시공간 분포를 모의하기 위해 부유사 거동해석 모델인 STM-2D (Seo et al.
기존 시스템은 매일 자동 업데이트되는 수리모의 결과를 바탕으로 사고 발생 시 미리 구축된 DB에서 자료를 취득하여 오염 물질의 시공간 분포를 예측할 수 있도록 운영되고 있으나, 오염물 질 특성에 따라 유의하지 않은 반응항을 계산하는 데 추가적인 시간이 소요될 수 있다. 위의 사항들을 고려하면, 유해화학 물질의 특성을 고려한 독성물질오염물질 모형을 국내 자체적으로 개발할 필요가 있다고 할 수 있다.

질의응답

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	유해화학물질 거동해석에 관한 2차원 수질모형은 수치해석법에 따라 어떻게 구분할 수 있는가?	유해화학물질 거동해석에 관한 2차원 수질모형 개발연구는 다수 진행된 바 있다. 수치해석법에 따라 유한요소법 기반의 모형(Jia et al., 2013; Hayter et al., 1999)과 유한차분법 기반의 모형(Wool, 2017)으로 구분할 수 있다. 미시시피 대학에서 개발한 CCHE2D(Jia et al.
	유해화학물질의 거동 특성을 고려한 모형은 왜 복잡한 방정식의 해석이 요구되어 상당한 계산 소요시간이 필요한가?	유해화학물질의 거동 특성을 고려한 모형은 흡·탈착, 휘발, 생화학적 반응 등 다양한 반응메커니즘을 반영하므로 복잡한 방정식의 해석이 요구되어 상당한 계산 소요시간을 필요로 한다. 하지만 신속한 대응이 요구되는 실제 사고 시에는 수질모형의 계산 소요시간을 줄이는 것이 중요하다.
	우리나라의 하천 수질오염사고에 대한 적절한 대응책이 필요한 이유는 무엇인가?	근년에 우리나라에서 일어나는 하천 내 유해화학물질 유입사고 발생 건수는 증가하는 추세를 보이고 있다. 대표적인 사고로 1991년 구미 근교에서 일어난 페놀 원액이 유출되어 낙동강에 오염사고가 발생하였으며, 1994년 달성 근교의 유기용재(톨루엔, 밴젠) 유출사고, 2008년에는 김천 근교에서 페놀 유출사고가, 달성 근교에서 기름유출사고가 일어났으며, 최근 2014, 2017년에는 낙동강과 오십천에서 황산 유출사고 등이 일어났다. 특히 국내 취수량의 90 %는 하천 및 댐저수지의 지표수에서 취수하기 때문에 하천내 수질오염사고는 더욱 직접적인 영향을 미친다. 따라서, 하천 수질오염사고에 대한 적절한 대응책을 수립할 필요가 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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