초록 ▼

Ⅳ. 결 론
제 1 절 지류 및 본류 구간의 추적자 실험
1. 지류 추적자 실험
2차원 추적자실험은 2011년 ~ 2014년에 걸쳐 한강, 금강, 낙동강의 8개 지천에서 20차례 수행했다. 추적자 실험은 중소규모 하천에서 실험을 수행하여 국내하천의 수리특성을 반영하고자 했다. 각 하천에서 오염물질의 2차원 혼합특성 분석을 위해 2차원 종, 횡 분산계수를 산정한 결과, 직선하도의 형태를 갖는 하천에서 무차원 횡 분산계수가 0.1 ~ 0.3에 포함됐고, 사행특성을 갖는 하천에서는 0.3 ~ 0.9에 포함되어 Ruther

Ⅳ. 결 론
제 1 절 지류 및 본류 구간의 추적자 실험
1. 지류 추적자 실험
2차원 추적자실험은 2011년 ~ 2014년에 걸쳐 한강, 금강, 낙동강의 8개 지천에서 20차례 수행했다. 추적자 실험은 중소규모 하천에서 실험을 수행하여 국내하천의 수리특성을 반영하고자 했다. 각 하천에서 오염물질의 2차원 혼합특성 분석을 위해 2차원 종, 횡 분산계수를 산정한 결과, 직선하도의 형태를 갖는 하천에서 무차원 횡 분산계수가 0.1 ~ 0.3에 포함됐고, 사행특성을 갖는 하천에서는 0.3 ~ 0.9에 포함되어 Rutherford(1994)의 이론과 일치하는 결과를 나타냈다. 그리고 2차원 종분산계수는 불규칙한 지형과 사행의 영향으로 인해 Elder가 제안한 이론식(D_L/HU* = 5.93)에 비해 큰 값이 산정됐다. 추적자실험 결과로부터 산정된 2차원 종, 횡 분산계수를 이용하여 2차원 종분산계수와 횡 분산계수의 관계식을 다음과 같이 제안했다. 그리고 국내하천의 무차원 횡 분산계수로부터 2차원 종 분산계수 경험식을 제안했다.

국내하천에서의 1차원 혼합거동에 대한 수리량 및 농도자료의 확보하기 위해 한강 제1지류인 청미천에서 Rhodamine WT 20%용액을 이용한 1차원 추적자실험을 수행하였다.

실험구간은 총 연장은 3.55 km이며 평균 유량은 2.26 ㎥/s, 평균 유속은 0.21 m/s로 측정되었다. 구간 내 U/U*는 6.47~8.05로 큰 편차를 보이지 않는 반면 W/H는 23.9~193.2의 큰 범위를 갖는 것으로 나타났다. 실험으로부터 얻은 농도-시간곡선은 실험구간 내에 존재하는 다수의 하중도 및 지형의 불균일함에 의해 긴꼬리를 가지는 분포가 관측되었으며 거리에 대한 오염운의 최대농도감소율 및 시간에 대한 농도-시간곡선의 분산도가 Fickian Type의 이송-분산모델과는 차이를 보였다. 이는 국외 선행연구자들(Nordin et al. 1974)에 의해 수행된 추적자실험결과와 유사한 경향이다. 실험으로부터 획득한 농도-시간 곡선에 대해 1차원 추적법을 적용하여 1차원 종분산계수(K)를 산정한 결과, 13.5~16 ㎥/s에 해당하는 분산계수가 산정되었다.

2. 본류 농도추적 실험
평소 수질오염사고가 빈번하게 발생하는 낙동강 강정고령보 ~ 달성보 구간을 대상으로 농도추적 실험을 수행하였다. 데이터 취득을 위하여 ADCP를 이용한 수리량 측정, YSI-600OMS, YSI-6600EDS를 이용한 횡방향 & 연직방향 농도 측정을 수행하였으며 4개월(7월 ~ 10월) 간 총 4회의 실험을 수행하였다.

수리량 측정결과 낙동강 본류의 평균 유량의 분포는 38.8 ~ 239.9 ㎥/s , 수심 분포는 4.36 ~ 6.17 m , 유속 분포는 0.053 ~ 0.114 m/s 로 나타났다. 본류 EC의 연직 방향 분포는 합류부 초기 구간에서는 좌안 쪽에서 상층부와 하층부의 EC 차이가 크게 나타났으며 전반적으로는 수심이 깊어질수록 높은 EC 값을 나타냈다. 이후 흐름방향을 따라 하류쪽으로 갈수록 EC의 최대 분포차가 나타나는 지점은 좌안쪽에서 우안쪽으로 이동하였다.

본류 횡방향 EC 분포의 경우 전반적으로 금호강 및 진천천 합류 이후 EC의 최대값이 좌안 쪽에 위치하였으며 흐름방향으로 진행함에 횡방향 분산이 점점 증가하는 경향을 보였다. 이러한 횡방향 혼합의 경우 실험구간 내에서 모두 완료되는 것으로 나타났다. 이를 통하여 실험구간의 합류부의 경우 2차원적인 분석 외에도 초기 혼합 구간에 대해서 3차원적인 분석도 고려해야할 것이다.

실험결과로부터 관측된 농도곡선을 이용하여 2차원 횡 분산계수(D_T)를 산정했다. 유관모멘트법을 이용하여 D_T를 계산한 결과, 무차원 횡분산계수 D_T = 0.84∼1.82로 산정되었다. 이는 Rutherford(1994)가 제안한 자연하천에서의 횡분산계수 범위 0.3 ~ 3.0를 만족하는 값이다. 기존에 수행된 본류 농도추적 실험결과를 종합하여 횡분산계수와 수리량 인자와의 관계를 분석한 결과 종횡비(W/H)가 증가함에 따라, 유량이 감소함에 따라서 D_T/HU*의 값이 증가하는 경향을 보였으며 U/U*에 대해서는 그 범위가 작고 값이 산포해 있어 특별한 상관관계를 나타내지 않았다.

제 2 절 추적자 실험결과를 적용한 수치모형 검증
1. 지류 수질오염사고 대응모델
가. 수질오염물질 혼합예측을 위한 대응모델
1차원 지류지천 시스템에서 사용하는 1차원 이송-분산방정식의 해석해는 전체 모의구간에 걸쳐 유속 및 종분산계수가 일정한 등류조건에서 적용이 가능하며 장구간의 하천에서 하천단면형상에 따른 단면평균유속 및 종분산계수의 공간적 변화를 반영하지 못하는 단점이 있다. 본 모델에서 1차원 종분산계수(K)는 Fischer(1967)가 제안한 경험식을 이용하여 계산하고 있으나 W/H가 큰 하천에서는 종분산계수를 과대산정하는 경향이 보이므로 W/H가 큰 모의구간에서는 모의 결과에 오차를 야기 할 수 있다.

나. 지류 수질오염사고 대응모델 검증
기존에 제안되어 있는 다양한 1차원 종분산계수 경험식의 정확도를 평가하고자 미국 하천에서 수행된 1차원 추적자실험의 수리량 및 분산계수 자료 62set과 비교분석을 수행하였다. 추적자실험에 의해 관측된 미국 하천의 종분산계수는 W/H와 U/U*가 증가 할수록 민간하게 변화하는 경향을 보였다. 국내 하천의 수리량자료를 다양한 1차원 종분산계수 경험식에 대입하여 1차원 종분산계수를 추정해 본 결과, 국내하천의 1차원 종분산계수는 U/U*에 비해 W/H에 대한 민감도가 더 큰 것으로 나타났다.

따라서 본 연구에서는 미국하천 수리량 자료 62set에 대한 경험식의 결과와 실측된 종분산계수를 W/H의 구간별로 비교하여 정확도를 평가하였고 그 결과 W/H의 회귀계수가 낮은 경험식이 W/H가 큰 하천에서 낮은 상대오차를 보였으며 특히 Disley et al.(2014)의 경험식이 가장 낮은 상대오차를 갖는 것으로 나타났다.

본 연구에서는 Fischer(1968)의 1차원 추적법을 응용하여 모의구간을 소구간으로 분할한 후 구간별 평균유속 및 종분산계수를 적용 할 수 있는 개선 모델을 제안하였다. 기존시스템과 개선모델의 검증을 위해 미국 USGS에서 수행된 1차원 추적자실험 자료와 비교한 결과, 기존 시스템의 경우 최대농도값 및 오염운의 도달시간에서 오차를 보였으나, 각 소구간별 단면평균유속 및 종분산계수를 적용한 개선모델의 경우 정확도가 개선되는 효과를 보였다.

또한 본 과업에서 수행한 청미천 1차원 추적자실험에 대해 기존시스템 및 개선모델을 이용하여 모의를 수행하였다. 본 연구의 1차원 추적자실험 결과의 경우, 오염운의 이동속도가 전체 모의구간에 대해 균일하였다. 따라서 전체 모의구간에 대해 균일한 유속값을 입력하는 기존시스템의 결과가 개선모델의 결과와 비슷한 수준의 정확도를 보였다. 실험으로부터 얻은 농도-시간곡선은 긴 꼬리부분을 가지는 왜곡된 분포였으나 해석해에 기반을 둔 기존시스템 및 개선모델은 이를 모의하지 못하였다. 따라서 더욱 정확한 오염물질의 1차원적 거동 예측을 위해서 자연하천에서 발생되는 오염운의 지체 현상 및 저장대효과를 고려 할 필요가 있다.

2. EFDC의 정확도 검증 및 기법 개발
EFDC를 이용한 용존성 수질오염물질의 혼합모의 수행을 위해 수평 및 연직난류확산 계수의 결정이 필요하다. 수평동점성계수의 민감도 분석결과로부터 Smagorinsky모형의 매개변수 AHD가 증가함에 따라 유속경사가 급변하는 구간에서 AH가 급격히 증가하는 결과를 나타냈고, AHO가 증가함에 따라 전체 모의영역에서 AH가 사용자가 입력한 값에 따라 증가하는 결과를 나타냈다. 그리고 연직동점성계수의 경우, ABO와 AVO가 증가함에 따라 농도의 연직편차가 감소했다.

낙동강 EC 농도추적실험결과를 이용하여 EFDC의 흐름모형 및 Dye모형의 계산결과를 검증했다. ADCP를 이용한 유속측정결과와 흐름모형 모의결과를 비교한 결과, Fine grid는 약 22 ~ 27%의 오차가 발생했고 Coarse grid는 약 33 ~ 66%까지 오차가 발생했다.

그리고 EC의 횡 혼합 측정결과와 Dye모형 모의결과를 비교한 결과, Fine grid는 약 6 ~ 14%의 오차가 발생했고 Coarse grid는 약 7 ~ 25%까지 오차가 발생하여 격자크기를 세밀하게 구성한 경우 더 작은 오차가 발생했다. 그러나 격자크기를 세밀하게 구성한 경우 계산량이 증가하고 계산시간간격을 작게 입력해야하기 때문에 모의시간이 증가한다는 단점이 있다.

EFDC를 이용한 용존성 수질오염물질의 혼합모의를 위해서는 횡 방향 농도경사를 조절하는 AHD와 AHO의 입력이 중요하고, 특히 모의영역 전체의 수평동점성계수 계산값에 영향을 미치는 AHO의 결정이 필요하다. 따라서 본 연구에서 측정된 EC 실측결과를 이용하여 AHO 산정식을 제안하였으며, 실무자들이 취득하기 용이한 낙동강 본류의 유량을 입력변수로 하여 AHO를 결정할 수 있도록 했다.

(출처 : 요약문 3p)

Abstract ▼

Ⅳ. Conclusions
Ⅰ. Tracer tests in the tributaries and main channel
The EC tracing study was conducted in the Nakdong River at the downstream reach of confluence of the Keumho River and Jincheon Creek. Hydraulic data were collected at both tributaries and the main river sections using ADCP and

Ⅳ. Conclusions
Ⅰ. Tracer tests in the tributaries and main channel
The EC tracing study was conducted in the Nakdong River at the downstream reach of confluence of the Keumho River and Jincheon Creek. Hydraulic data were collected at both tributaries and the main river sections using ADCP and EC measurements were also done by YSI-600OMS, YSI-6600EDS sensors. Total 4 cases were conducted for July to October.

The results of hydraulic data showed that the discharge of Nakdong River ranges to 38.8 ~ 239.9㎥/s, water depth ranges to 4.36 ~ 6.17m, velocity ranges to 0.053 ~ 0.114m/s. The results of the vertical EC data showed large deviation at left side of river and generally, EC got larger as water depth increased. The results of the transverse EC data showed that, at the upstream section of the Nakdong River before the confluence, the EC concentration was low, showing uniform distribution in the transverse direction. Except Case ND-EC22, other 3 cases showed peak concentration was found at the left side leading to the steep concentration gradient at initial section. This steep gradient of the EC concentration was slowly smoothed due to transverse mixing at further downstream sections. From the results of this study, it can be said that for the confluence part of application site, not only 2D but also 3D analysis will be needed for accurate results.

Transverse dispersion coefficient was calculated using the stream-tube moment method. The calculated values of the dimensionless transverse dispersion coefficient were D_T/HU* = 0.84∼1.82. Analyzing the relations between transverse dispersion coefficients and some hydraulic factors, in this case, the channel aspect ratio (W/H) and discharge(Q) had a significant effect than other factors.

Ⅱ. Verification of simulation results using the tracer test results
As a result of consideration on 62 set of the hydraulic and longitudinal dispersion coefficient data obtained from 1D tracer test in U.S, Empirical formulas, which have large regression coefficient of W/H, tend to overestimate the longitudinal dispersion coefficient. The empirical formulas of Fischer (1967) and Kousis & Rodriguez (1988) yielded large error. On the other hand empirical formulas, which have relatively small regression coefficient of W/H, showed higher accuracy. Especially empirical formula of Disley et al. (2014) showed lowest error among empirical formulas.

The existing 1D system was improved applying 1D routing procedure developed by Fischer (1968). It improved the accuracy of arrival time of pollutant cloud and the value of peak concentration. however it still has a limitation for prediction of long tail and skewness of time-concentration curve.

Determination of the horizontal and vertical eddy viscosities is necessary to simulate dissolved pollutant mixing using EFDC. Sensitivity analysis results show that the increase of AHD makes A_H increase in the region where the velocity gradient was increased. And, A_H was increased in the entire region by increase of AHO. In case of the vertical eddy viscosity, vertical deviation of concentration distribution was decreased with increase of ABO and AVO. Simulation results of the Dye model in EFDC were compared with the measurement results of EC tracing test in the Nakdong River. From the comparison results with the ADCP measurements, simulation results using the fine grid have 22 ~ 27% error and the simulation results in the coarse grid show 33 ~ 66% error. Also, the comparison results between the simulation results and EC measurements show that the simulation results in the fine grid show 6 ~ 14% error and the coarse grid have 7 ~ 25% error. From the comparison results, the horizontal eddy viscosity is important to adjust the horizontal concentration gradient in the Dye model. Therefore, the empirical formula which can calculate the AHO from the discharge of the Nadong River was suggested to give guideline of the value of AHO.

(출처 : Summary 16p)

목차 Contents

• 표지 ... 1제출문 ... 2요약문 ... 3Summary ... 16목차 ... 26표목차 ... 30그림목차 ... 32CONTENTS ... 36제 1 장 서 론 ... 37 제 1 절 연구의 필요성 및 목적 ... 37 제 2 절 연구방법 ... 39제 2 장 연구개발 수행내용 및 결과 ... 40 제 1 절 수질오염물질 혼합해석을 위한 추적자 실험방법 ... 40 1. 수리량 조사 ... 40 2. 용존성 수질오염물질의 혼합해석 ... 43 3. 부유성 수질오염물질 ... 73 제 2 절 지류 용존성 수질오염물질의 추적자 실험 ... 81 1. 지류 2차원 추적자실험 ... 81 2. 지류 1차원 추적자실험 ... 86 제 3 절 본류 용존성 수질오염물질의 추적자 실험 ... 99 1. 수질오염사고 우려 구간 선정 ... 99 2. 농도추적 실험결과 ... 103 3. 횡 분산계수 산정결과 ... 184 제 4 절 수질오염물질의 혼합 예측을 위한 모델검증 ... 190 1. 수질오염물질 혼합예측을 위한 대응모델 ... 190 2. 지류 수질오염사고 대응모델 검증 ... 212 3. 본류 수질오염사고 대응모델 검증 ... 232제 3 장 결론 ... 259 제 1 절 지류 및 본류 구간의 추적자 실험 ... 259 1. 지류 로다민WT 추적자실험 ... 259 2. 본류 EC 농도추적 실험 ... 260 제 2 절 추적자 실험결과를 적용한 수치모형 검증 ... 261 1. 지류수질오염사고 대응모델 검증 ... 261 2. 본류수질오염사고 대응모델 검증 ... 262참고문헌 ... 264부록Ⅰ - 로다민 WT 1차원 추적자 실험결과 ... 269끝페이지 ... 297