보고서 정보
주관연구기관 |
이화여자대학교 산학협력단 Ewha Womans University |
연구책임자 |
최정현
|
참여연구자 |
이혜원
,
기보민
,
임현정
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2013-12 |
과제시작연도 |
2013 |
주관부처 |
환경부 Ministry of Environment |
등록번호 |
TRKO201700008404 |
과제고유번호 |
1485011779 |
사업명 |
물환경변화대응및첨단수질관리시스템기반구축 |
DB 구축일자 |
2017-10-12
|
DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201700008404 |
초록
▼
Ⅳ. 연구 결과 및 고찰
○ 퇴적물-수층 인접구간의 퇴적물 영향 분석
용출실험 전 후의 퇴적물의 pH, 함수율, 입도, TOC, TN 등은 큰 변화가 없었다.
상층부 퇴적물이 하층부 퇴적물에 비해 상대적으로 높은 함수율, 완전연소가능량,COD, TN 값을 보였으며, TP와 SRP의 경우에도 2-5배 정도 높게 나타났다. 용출실험전의 상층부(0-15 cm) 퇴적물은 완전연소가능량이 3.35 %로 하층부(15-30 cm)1.59 %에 비하여 높은 값을 보였고, 용출실험 후에도 상층부(0-15 cm) 퇴적물은 완전연소가능
Ⅳ. 연구 결과 및 고찰
○ 퇴적물-수층 인접구간의 퇴적물 영향 분석
용출실험 전 후의 퇴적물의 pH, 함수율, 입도, TOC, TN 등은 큰 변화가 없었다.
상층부 퇴적물이 하층부 퇴적물에 비해 상대적으로 높은 함수율, 완전연소가능량,COD, TN 값을 보였으며, TP와 SRP의 경우에도 2-5배 정도 높게 나타났다. 용출실험전의 상층부(0-15 cm) 퇴적물은 완전연소가능량이 3.35 %로 하층부(15-30 cm)1.59 %에 비하여 높은 값을 보였고, 용출실험 후에도 상층부(0-15 cm) 퇴적물은 완전연소가능량이 2.97 %로 하층부(15-30 cm) 1.45 %에 비하여 높은 값을 보였다.
수질 항목은 인(P) 계열 항목에서 모두 혐기 조건에서 더 높은 용출속도를 보였다. TP의 경우 혐기조건에서 5.618 ㎎/㎡/day, 호기 조건에서 2.351 ㎎/㎡/day로 약 2배 정도 높은 용출속도를 보였다. PO4-P에서도 TP와 같은 경향이었으며 혐기조건에서 3.737 ㎎/㎡/day, 호기 조건에서 2.269 ㎎/㎡/day를 보였다.
질소(N) 계열의 경우, TN과 NO3-N는 호기 조건에서 높은 용출속도를 보였으며 NH4-N은 혐기 조건에서 높은 용출속도를 보였다. TN의 경우 혐기 조건에서 26.736㎎/㎡/day을 보였고 호기 조건에서 39.393 ㎎/㎡/day의 값을 보였다.
상등수에서의 세균 군집은 초기, 호기, 혐기 조건에서 각각 유사함을 알 수 있다.
그러나 퇴적물에서는 초기, 혐기 조건에서 유사함을 보이고, 호기 조건에서는 차이를 보였다. 또한 시료에 대한 계통분류학적으로 비교하였을 때, 초기의 세균 군집과 호기 및 혐기 조건의 세균 군집끼리 분류 되는 것을 통하여 용출 전후의 군집간의 확연한 차이를 확인할 수 있었다.
○ 수층 구간의 퇴적물 영향 분석
의암호에서 춘천댐과 소양강댐 유입, 의암호 방류의 영향 및 퇴적물의 용출속도를 고려하여 수질 평가를 하기 위하여 3차원 시변화 모델링 지원을 위한 통합 시스템 GEMSS 활용하였다. 의암호 내의 공간적 체류시간 분포를 분석하기 위하여 추적자 시뮬레이션을 수행하였다. 의암호의 체류시간은 춘천댐과 소양강댐의 방류수가 유입되는 상류 수역은 체류시간이 비교적 짧게 나타나며 댐에 가까운 하류로 갈수록 길어지는 것을 알 수 있다. 하지만 북한강은 중도 부근에서 수심이 낮아지기 때문에 소양강댐 방류량이 많은 시기에는 중도 부근까지 역류현상이 발생하여 체류시간이 증가하게 된다. 소양강댐 방류 부근에도 춘천댐 방류량이 많은 시기에 역류현상이 발생한다. 하중도의 우안에서 공지천과 춘천 하수처리장이 유입되는 수역, 중도의 우안에서는 연중 20일 이상의 체류시간을 보이고 있다. 여름철 집중 강우시에는 유입 및 유출의 급격한 증가로 체류시간은 크게 감소하며, 춘천댐과 소양강댐에서 방류된 물은 약 10일 이하의 짧은 체류시간으로 의암호로 유입되는 것으로 예측되었다. 춘천댐과 소양강댐의 방류량은 계절별로 차이를 보이며, 봄과 여름철에는 춘천댐 방류량이 많고 가을과 겨울철에는 소양강댐 방류량이 많은 경향이 있다.
GEMSS 모형에서 고려 가능한 PO4-P, NO3-N 및 NH4-N의 퇴적물 용출속도의 변화에 따른 수체 수질에 미치는 영향을 평가하였다. 용출속도의 변화 결과를 용출이 없는 경우와 비교하였을 때, NO3-N와 NH4-N의 퇴적물 용출속도의 변화는 TN 농도에 유의한 영향을 미치지 않았다. PO4-P의 퇴적물 용출속도의 변화는 의암호 퇴적물의 평균 용출속도인 3.7 ㎎/㎡/day를 적용하였을 경우(S1 시나리오), 용출이 없는 경우에 비하여 TP 농도가 약 7.5 % 증가하는 결과를 가져왔다. 아산호(Asan 시나리오)와 의암호 최대치(Euiam(max) 시나리오)인 13.0과 15.5 ㎎/㎡/day 적용시,TP 농도는 각각 약 30.5 %와 37.4 %가 증가하였다. PO42-P의 퇴적물 용출속도를 평균치에 2배가 증가하는 시나리오(S1*2 시나리오) 결과, TP 농도도 약 2배 증가하는 것으로 평가된다. PO4-P NO3-N 및 NH4-N의 퇴적물 영양염류의 용출속도 변화는 TN과 TP 농도에 직접적인 변화보다는 BOD와 Chl-a 농도에 더 민감한 변화를 가져오는 것으로 나타났다. 수치모형을 통해 의암호의 평균적인 영양염류 용출속도(S1시나리오)를 연중 동일하게 적용한 결과, Chl-a 농도는 퇴적물로부터 영양염류 용출이 없는 경우에 비하여 약 82.4 %가 증가하는 것으로 나타났다. 또한 영양염류 용출속도가 2배 증가하면 Chl-a 농도도 2배 증가하여 영양염류 용출이 없는 경우에비하여 약 162.5 %가 증가하는 것으로 나타났다.
본 연구에서 도출한 퇴적물 영양염류의 용출속도는 1개 지점에서 장마 이후 1회 시료 채취한 퇴적물 시료를 대상으로 용출실험을 진행하여 얻어진 제한된 결과이고, 실험에서 얻어진 용출속도 중 특히 PO4-P 용출속도의 경우 국내 다른 호소에서 측정된 용출속도보다 다소 높은 결과를 보여주었다. 또한, 실험에서 얻어진 용출속도를 수치모형 적용시, 영양염류 용출속도를 연중 동일하게 적용한 한계점을 가지고 있다. 따라서 본 연구를 통해 제시된 수질의 변화는 퇴적물로부터 다소 높은 영양염류 용출이 일 년 내내 지속적으로 일어난다는 가정 하에 수치모형을 통해 수질변화를 예측한 결과이므로, 퇴적물의 영양염류 용출에 따른 수질의 변화가 상대적으로 크게 예측되어질 수 있는 한계점을 가지고 있다. 이러한 한계점에도 불구하고 본 연구는 실험과 수치모형을 통해 퇴적물의 영양염류 용출이 수질에 미치는 영향을 평가하는 방법을 제시하였으며 이러한 방법을 통해 도출된 결과는 수질관리에서 퇴적물이 차지하는 중요성을 보여준다는 점에서 의의가 있다.
추후 계절 및 공간적 특성을 고려한 퇴적물 영양염류 용출속도에 대한 연구를 보완하여 수치모형과 결합한다면 신뢰할 만한 결과를 도출할 수 있을 것으로 판단된다. 유역에서 유출된 토사가 쌓이면서 퇴적물을 형성하게 되므로, 공간적인 특성을 반영한 퇴적을 시료채취하기 위해서는 유역으로부터 이동거리에 따라 3-4개의 구획을 나누고, 그 구획 안에서 3-4개의 퇴적물 시료 채취 및 계절적인 특성을 반영하기 위해서는 여름 우기를 전후로 시료채취를 진행하는 것이 필요하다. 이 외에도 연구대상 지역의 특성에 따라 시료의 수와 시기를 적절히 조절하는 것이 지역을 대표하는 용출속도를 측정하여 수질에 미치는 퇴적물의 영향을 판단하는 방법이다.
○ 수질에 대한 퇴적물의 영향 평가 방법 구축
수질에 대한 퇴적물의 영향 평가 방법을 정립하고자 퇴적물이 수질에 미치는 영향을 측정하는 방법들을 개괄하고, 실내 측정법을 매뉴얼화하고, 수질 모델을 이용하여 영향을 정량적으로 평가한 예를 포함한 핸드북(안)을 작성하였다.
( 출처 : 요약문 5p )
Abstract
▼
In order to build a system of methods to evaluate the effect of sediment in domestic rivers, lakes, and swamps upon the water quality, this study investigates the mechanism of vertical movement between sediment and water layer targeting the lake, the Lake Euiam which is considered to have a problem
In order to build a system of methods to evaluate the effect of sediment in domestic rivers, lakes, and swamps upon the water quality, this study investigates the mechanism of vertical movement between sediment and water layer targeting the lake, the Lake Euiam which is considered to have a problem with its water quality. For this purpose, an indoor method of measurement is selected and analyzed after analyzing the existing extraction test method. By sampling the sediment from the Lake Euiam, the physical and chemical properties of sediment, which could affect the vertical distribution of pollutants in the sedimentary layer, are examined and the distribution organic matter and nutritive salts are analyzed. As analysis items, grain size of sediment, the possible amount of complete combustion, CODMn, TOC, TN, TP, Fe/P ratio, and further more are listed. Also the release rate of matter, based on the condition of oxidation-reduction, is quantitatively estimated to provide a method, which is still valid even in case of changes in the environment, to evaluate the effect of sediment upon the quality of water.
1) The effect evaluation of sediment in the adjacent segment of sediment-water layer
There are not any notable changes between both before and after the release of sediment in pH, the percentage of water content, grain size, TOC, TN and etc. The top part of the sediment shows relatively higher figures in the percentage of water content, the possible amount of complete combustion, COD, and TN than the bottom part of the sediment. Also in TP and SRP the top part shows figures that are 2 to 5 times the figures of the bottom part. The possible amount of complete combustion of the top part(0-15 cm) before the release is 3.35 percent which is higher than that of the bottom part(15-30 cm) which is 1.59 percent. And after the release, the figure of the top part(0-15 cm) shows 2.97 percent which is also higher than that of the bottom part(15-30 cm) which is 1.45 percent.
All of the water quality items show a higher release rate in the anaerobic conditions on phosphorus-affiliated items. In case of TP, it shows 5.618 ㎎/㎡/day in the anaerobic condition and 2.351 ㎎/㎡/day in the aerobic condition which are twice higher. In PO4-P and TP, it shows the same ten dency which are 3.737 ㎎/㎡/day in the anaerobic condition and 2.269 ㎎/㎡/day in the aerobic condition.
In case of nitrogenous affiliation, TN and NO3-N show a high rate of release in the aerobic condition and NO3-N shows a high figure in release rate in the anaerobic condition. TN was 26.736 ㎎/㎡/day in anaerobic condition and 39.393 ㎎/㎡/day in aerobic condition. Because when the recirculation of the nutrients by decomposition of organic matter in sediment, occurs, the relation between productivity in water and decomposition of organic matter in sediment depends on the construction of microorganism, an analysis on assembly of microorganism that occurs in sediment is conducted to investigate the effect of microorganism upon decomposition, movement, and release of sediment. To look closely at the construction of microorganism assembly in sediment and its relation with the environmental factors, the microorganism assembly, which affects the release of pollutants depending on changes in sediment condition before and after therelease, is analyzed.
Bacteria assemblies in supernatant are similar in early stage and in both the aerobic and the anaerobic conditions. But with the sediments, the similarity appears in the early stage and in the anaerobic condition but not in the aerobic condition. Also, when the samples were compared in ways of phylogenetic systematics, by sorting into early stage of bacteria assembly and the aerobic and the anaerobic condition of bacteria assembly, it was able to verify the differences between before and after the release of assembly.
The changes in species of dominant bacteria in supernatant and sediment between before and after the release in the aerobic and the anaerobic conditions were examined. In the early stage of supernatant sample, bacteria such as Albidiferax, Perlucidibaca, Curvibacter, Ilumatobacter, Cyclotella, Aulacoseira, Burkholderia, Dechloromonas, and Steroidobacter are dominant. In the aerobic condition after release is done, bacteria such as Hydrogenophaga, Polynucleobacter, Methylobacillus, Novosphingobium, Sediminibacterium, Candidatus, and Oxalicibacterium were dominant. In the anaerobic condition, Candidatus, Methylobacillus, Methylobacter, Methylocaldum, Prosthecobacter, Novosphingobium, Byssovorax, Niastella, and Sulfuritalea are dominant.
In the sample of the top part(0-15 cm) of the sediment that could affect the vertical distribution of pollutants, bacteria such as Burkholderia, Anaeromyxobacter, Methylobacter, Dechloromonas, and Steroidobacter are dominant in the early stage.
After the release was done, bacteria such as Burkholderia, Anaeromyxobacter, Methylobacter, and Dechloromonas were dominant in both the aerobic and the anaerobic conditions.
In the sample of the bottom part(15-30 cm) of the sediment, Burkholderia,Anaeromyxobacter, Methylobacter, Dechloromonas, and Steroidobacter are dominant in the early stage. After the release is done, Burkholderial and Anaeromyxo bacter are dominant in the aerobic condition, and so were Burkholderial, Anaeromyxo bacter, and Dechloromonas in the anaerobic condition.
Species that show the correlation with the environmental factor, pH and major bacteria assembly in the sample of supernatant are Acidovorax defluvii and Terrimonas lutea and those which showed the correlation with DO are Acidovorax delafieldii ATCC ,Desulfuromonas palmitatis, Methylibium petroleiphilum, and Novosphingobium fuchskuhlense. Flavobacterium terrae and Pelobacter acetylenicus show their correlations with the temperature while Afipiaclevelandensis and Gemmatimonas aurantiaca, show their correlations with the release of nutritive salts, which also show their correlations with the release of total nitrogen and phosphorus.
With the result of monitoring sediment, the release test will be the base data of plan for the disposal of polluted sediment and the management of sediment.
Also by formulating the changes in release rate due to the changes in properties of sediment and its condition, a plan for the comprehensive management of the quality of water and sediment can be arranged, which can also be an important base data in determining whether to dredge the sediment of polluted rivers, lakes, and swamps. It can also be a design factor in case of a project for the improvement of the quality of water.
2) Modeling results of the water layer
A three-dimensional hydrodynamic model was applied to the Lake Euiam. The lake has three inflows, of which Gongji Stream has the smallest flow rate and poorest water. The dam-storage volume, watershed area, lake shape and discharge type of the Chuncheon Dam and the Soyang Dam are different.
Therefore, it is difficult to analyze the water plume and mixing pattern due to the difference of the two dams regarding the amount of outflow and water temperature. In this study, we analyzed the effects of different characteristics on temperature and conductivity using the model appropriate for the Lake Euiam.
We selected an integrated system supporting 3-D time varying modeling(GEMSS) to represent large temporal and spatial variations in hydrodynamics and transport of the Lake Euiam. The model represents the water temperature and hydrodynamics in the lake reasonably well. We examined residence time and spreading patterns of the incoming flows in the lake based on the results of the validated model. The results of the water temperature and conductivity distribution indicated that characteristics of upstream dams greatly effect Lake Euiam. In this study, the three-dimensional time variable water quality model successfully simulated the temporal and spatial variations of the hydrodynamics in the Lake Euiam.
3) The Handbook of Effect-Evaluation on Sediment according to Water Quality
The preceded domestic studies of the release test of sediment are not in good condition to compare with each other or to integrate because the measurement methods of each data is not standardized according to its objective. Therefore, the positions, the distances, the frequencies, and the method should be standardized according to the characteristics of the waters in order to measure release rate, and the guideline of how to analyze the samples and how to evaluate the data is required. Thus 『The Handbook of Effect-Evaluation on Sediment according to Water Quality』presented in Appendix suggests the technical guideline for the collection of release data.
( 출처 : Abstracts 9p )
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제 출 문 ... 2
- 요 약 문 ... 3
- Abstract ... 9
- 목차 ... 13
- 표목차 ... 15
- 그림목차 ... 16
- Ⅰ. 서 론 ... 19
- 1. 연구의 배경 및 필요성 ... 19
- 2. 연구의 목적 및 범위 ... 22
- Ⅱ. 연구 내용 및 방법 ... 23
- 1. 연구 내용 ... 23
- 가. 퇴적물-수층 인접구간 ... 23
- 나. 수층 구간 ... 27
- 다. 수질에 대한 퇴적물의 영향 평가 방법 구축 ... 30
- 2. 연구 방법 ... 31
- 가. 퇴적물-수층 인접구간 ... 31
- 나. 수층 구간 ... 39
- Ⅲ. 연구 결과 및 고찰 ... 65
- 1. 퇴적물-수층 인접구간 ... 65
- 가. 퇴적물 분석 결과 ... 65
- 나. 퇴적물-수층 경계면에서의 오염물질 이동 측정 ... 66
- 다. 퇴적물 내 수질에 영향을 미칠 수 있는 미생물 군집 구조 분석 ... 71
- 2. 수층 구간 ... 85
- 가. 모델 재현성 결과 ... 85
- 나. 수질 모델 결과 분석 ... 94
- Ⅳ. 결 론 ... 112
- 1. 퇴적물-수층 인접구간의 퇴적물 영향 분석 ... 112
- 2. 수층 구간의 퇴적물 영향 분석 ... 114
- 3. 수질에 대한 퇴적물의 영향 평가 방법 구축 ... 115
- Ⅴ. 기대성과 및 활용방안 ... 116
- Ⅵ. 참고문헌 ... 117
- 끝페이지 ... 124
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