[논문]RAMS를 이용한 탁수의 혼합거동모의

김지훈; 김영도; 류시완; 서일원

RAMS를 이용한 탁수의 혼합거동모의
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한국수자원학회 2010년도 학술발표회, 2010 May 10, 2010년, pp.640 - 644

김지훈 (인제대학교 환경학과) , 김영도 (인제대학교 환경공학부) , 류시완 (창원대학교 토목공학과) , 서일원 (서울대학교 건설환경공학부)

초록
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하천, 호소 등에서 공사 시 준설작업으로 인해 고탁수가 발생되며 이러한 탁수의 이송 확산은 수환경에 변화를 초래한다. 탁수는 준설작업 시 커터헤드(cutter head)가 해저면에 닿는 순간부터 작동을 멈출 때까지 계속하여 발생하며, 이러한 과정들이 반복되면서 많은 양의 부유토사가 발생하게 되고 고탁수현상이 일어난다. 이렇게 발생한 탁수는 수체흐름에 따라 이송 및 확산된다. 탁수발생은 수중의 빛 투과를 감소시켜 일차 생산자인 부유성 및 부착조류의 생육을 저해하고, 이들의 생산성 감소와 군집구성의 변화는 수서생태계의 먹이사슬을 통해 이들을 먹이로 하는 저서무척추동물과 어류의 현존량 감소와 종 구성에 영향을 미치고, 고농도의 현탁 입자는 어류 아가미에 염증을 유발하거나 점막의 파괴와 감염을 유발하여 치사시킬 수도 있다. 또한 과도한 부유 입자는 하류로 침강되어 하천 바닥에 서식하는 부착조류, 무척추 동물 및 곤충의 생육에 피해를 주고, 이것은 어류의 먹이에 영향을 미쳐 어류 개체수를 감소시키거나 산란된 물고기 알을 매몰시키거나 질식시키는 등 여러 가지 방법으로 수서생물상에 영향을 미치게 된다.(낙동강수계관리위원회, 2005) 따라서 준설작업에 있어 탁수의 이송 확산범위를 사전에 예측하고 국내 실정과 환경여건에 알맞게 적용되고, 실용화될 수 있는 수치모델링에 대한 기반핵심 기술개발이 필요하다. 현재 낙동강에서 진행되고 있는 준설현장에서 발생하는 부유탁수의 이송 확산과정을 이차원 흐름해석모형인 RAM2 모형과 오염물 이송 확산해석모형인 RAM4 모형을 이용하여 수치해석을 하고 분석함으로써 수치해석에 의한 부유탁수의 이송 확산모의 결과가 환경영향 범위를 예측하는 데에 적용될 수 있는지를 알아보고자 한다.

AI 본문요약
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문제 정의

SMS 모형 중 이송·확산 모형으로는 RMA-4가 포함되나 이 모형은 최신 수치기법을 반영하지 못하는 등의 문제점들로 인해 실제 물리적 현상 모의에 있어서 한계를 가지고 있다. 따라서 물리적 현상에 대한 적절한 모의를 위한 개선과정을 통하여 개발된 RAMS(River Analysis and Modeling System)모형의 이차원 흐름해석모형인 RAM2모형과 오염물 이송․확산해석모형인 RAM4모형을 이용하여 준설작업에 따른 부유탁수 영향범위를 예측하고자 한다.
본 연구에서는 준설현장에서 발생하는 부유탁수의 이송·확산과정을 2차원 흐름해석모형인 RAM2 모형과 오염물 이송·확산해석모형인 RAM4 모형을 이용하여 수치해석을 하고 분석함으로써 수치해석에 의한 부유탁수의 이송·확산모의 결과가 환경영향 범위를 예측하는 데에 적용될수 있는지를 알아보고자 하였다.

제안 방법

산정한 부유토사 발생량을 RAM4의 준설 시 부유토사 유입조건으로 하여 준설작업이 이루어질 때 부유탁수의 혼합거동을 모의 보았다. 24시간을 주기로 총 48시간에 걸쳐 모의를 진행하였으며, 하루 24시간 중 18시간은 준설작업으로 인한 부유토사 유입이 이루워지며, 나머지 6시간은 공사중단으로 부유토사 유입이 이루어지지 않는 것으로 설정을 하였다. 그림 3에 모의 결과를 나타내었다.
본 연구에서는 준설현장에서 발생하는 부유탁수의 이송·확산과정을 2차원 흐름해석모형인 RAM2 모형과 오염물 이송·확산해석모형인 RAM4 모형을 이용하여 수치해석을 하고 분석함으로써 수치해석에 의한 부유탁수의 이송·확산모의 결과가 환경영향 범위를 예측하는 데에 적용될수 있는지를 알아보고자 하였다. 먼저 연구지역 내에 위치한 수질측정망의 SS자료를 이용하여 매개변수를 추정하였으며, 공사강도와 발생원단위를 이용하여 부유토사 발생량산정한 후 하루 24시간 중 18시간은 준설작업으로 인한 부유토사 유입이 이루어지고, 나머지 6시간은 공사 중단으로 부유토사 유입이 이루어지지 않는 것으로 총 48시간을 모의하는 시나리오를 구성하였다.
본 연구지역 내에 위치한 수질측정망의 SS자료를 이용하여 매개변수를 추정하였다. 표 1는 물환경정보시스템(http://water.
)를 이용하여 부유토사 발생량(kg/hr)을 산정하였다. 산정한 부유토사 발생량을 RAM4의 준설 시 부유토사 유입조건으로 하여 준설작업이 이루어질 때 부유탁수의 혼합거동을 모의 보았다. 24시간을 주기로 총 48시간에 걸쳐 모의를 진행하였으며, 하루 24시간 중 18시간은 준설작업으로 인한 부유토사 유입이 이루워지며, 나머지 6시간은 공사중단으로 부유토사 유입이 이루어지지 않는 것으로 설정을 하였다.
linear rectangular로 구성한 Element는 1715개, Node는 1968개이며, 연구지역과 유한요소망을 그림 1에 나타내었다. 유속장 모의를 위해 흐름모형인 RAM2를 모의하였으며 상․하류 경계조건으로 평수량과 평수위를 사용하였다. 유량은 74m³/s, 수위는 HEC-RAS 수행 결과인 EL.
하도정비 시 즉 준설 시 공사강도(m³/hr)와 발생원단위(kg/m³)를 이용하여 부유토사 발생량(kg/hr)을 산정하였다. 산정한 부유토사 발생량을 RAM4의 준설 시 부유토사 유입조건으로 하여 준설작업이 이루어질 때 부유탁수의 혼합거동을 모의 보았다.

대상 데이터

유량은 74m³/s, 수위는 HEC-RAS 수행 결과인 EL. 14m를 사용하였다. Manning 조도계수 n값은 하천설계기준·해설(한국수자원학회, 2005)에 나와 있는 하천상태별 대략적인 조도계수 값을 종합적으로 고려하여 0.
본 연구에서는 낙동강 상류에 위치한 성주대교에서 약 600m아래로부터 하류방향으로 약 9km 구간을 선정하여 모의를 실시하였다. 연구 지역 지형구축은 낙동강하천정비기본계획(보완Ⅲ)(건설 교통부, 1993)을 이용하였다.
024로 설정하였다. 본 연구지역에는 백천, 신천, 하빈천 등의 지류가 유입되는데 본류유량에 비해 그 유량이 매우 작아 모의에 미치는 영향이 미미하다고 판단되어 본 연구에서는 생략하였다.

이론/모형

본 연구에서는 낙동강 상류에 위치한 성주대교에서 약 600m아래로부터 하류방향으로 약 9km 구간을 선정하여 모의를 실시하였다. 연구 지역 지형구축은 낙동강하천정비기본계획(보완Ⅲ)(건설 교통부, 1993)을 이용하였다. linear rectangular로 구성한 Element는 1715개, Node는 1968개이며, 연구지역과 유한요소망을 그림 1에 나타내었다.

성능/효과

모의 결과 준설 작업 시에 부유탁수의 이송·확산과정을 확인할 수 있었으며, 18시간이후 공사 중단으로 유입이 되지 않을 시에는 이송·확산과정이 일어나지 않다가 25시간이후 준설공사 재개 후 다시 부유탁수의 이송·확산과정을 확인할 수 있었다.
보존성 오염물질인 SS의 경우 질량이 감소하지 않으므로 감쇠계수를 입력하지 않았으며, 종분산계수와 횡분산계수는 실측값을 가장 잘 나타내는 값으로 종분산계수는 10m²/s, 횡분산계수는 1m²/s을 사용하였다.

후속연구

이송·확산 방향도 수평, 수직방향이 아닌 흐름방향으로 이송·확산 되는 것을 볼 수 있었다. 본 연구의 결과를 바탕으로 준설 시 발생하는 부유탁수의 이송·확산의 영향을 예측하는데 적용 될 수 있을 것으로 기대된다.

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