초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
수환경 유출 유해화학물질 퇴적예측 및 제거현장 생태안전성 평가기술 개발

○ 전체 내용
본 연구과제는 화학사고 후 수환경 잔류 유해화학물질의 모니터링, 준설 및 피복, 처리 기술의 연계 방안을 연구하고, 준설토 내 잔류 유해화학물질의 물리화학적 제거기술을 개발하는 것이다. 협동2의 연구내용은 수환경 유출 유해화학물질의 퇴적토 내 확산 및 이동경로 판단 기술을 개발하고, 사고 상황별/물질별 수체이동 및 퇴적토 침전지역 예측모형을 개발하는 것이다. 유해화학물질의 퇴적토

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
수환경 유출 유해화학물질 퇴적예측 및 제거현장 생태안전성 평가기술 개발

○ 전체 내용
본 연구과제는 화학사고 후 수환경 잔류 유해화학물질의 모니터링, 준설 및 피복, 처리 기술의 연계 방안을 연구하고, 준설토 내 잔류 유해화학물질의 물리화학적 제거기술을 개발하는 것이다. 협동2의 연구내용은 수환경 유출 유해화학물질의 퇴적토 내 확산 및 이동경로 판단 기술을 개발하고, 사고 상황별/물질별 수체이동 및 퇴적토 침전지역 예측모형을 개발하는 것이다. 유해화학물질의 퇴적토 처기 기술적용 지원을 위해 생태독성 기반 환경안전성 평가 기술을 개발하여 확산방지기술 적용 의사결정을 지원하고 처리 공정 적용 후 생태 안전성을 평가하였다.

○ 1차년도
□ 목표
수리동역학 모형 구축, 부유사 이동 모형 및 생태독성 평가기술 개발

□ 내용
1. 수리동역학모형 구축 및 모듈 연계
- 수리동역학모형의 수치적 검증을 위해 모형에서 사용하는 수학적 모형의 허용 범주 검토, 수리동역학모형의 수치오차, 수치기법, 경계조건, 운동량 균형화 여부 등의 검토 후 이를 바탕으로 격자계의 규모설정
- 고해상도 시공간 3차원 수리동역학모형의 연산과 자료의 전/후처리를 위한 고성능 컴퓨팅을 위한 하이엔드 컴퓨터 구축
- 하천기본계획, 홍수통제소, 유량조사사업단 등 공공 유관기관의 자료와 현장 관측을 통해 대상지역의 실제 수저 지형, 수심, 유속 등 각종 유황 자료 취득하여 수리동역학모형의 신뢰도 및 현장 적용성 고도화
- 홍수, 가뭄 등 각종 상황에 대한 모의 수행 및 유속, 수심, 하상 등의 수치모의 결과 취득 및 데이터베이스 구축

2. 수리물리적 특성에 따른 유사의 침전 및 부유에 관한 연구
- 하상의 수리동역학적 성질에 따른 침식·퇴적에 관한 연구 문헌 조사
- 부유사의 거동 추적에 있어 중요한 침전·부유에 관한 조건을 수치모형에 적용하기 위해 수리물리적 특성에 따른 유사의 침전 및 부유에 관한 실험 연구

3. 부유사 이동 모형 개발 및 퇴적토 침전지역 예측
- 유해화학물질별 수리동역학적 특성에 관한 선행 연구 정리 및 생성·소멸항의 모형화
- 부유사와 상호작용을 고려하여 수환경내 유출 유해화학물질의 거동양상을 확인하기 위해 필요

4. 유해 화학물질 생태독성 평가기술 개발
- USEPA의 ECOTOX database를 이용하여 처리대상 잔류 유해 화학물질 15종에 대한 수생태계 및 육상 생태계 급성 및 만성 독성 자료수집
- 자료수집 시 검색된 생태독성 자료와 물질의 물리 화학적 특성을 종합하여 시험 대상 물질 및 평가 우선순위 선정 (자료의 양, 활용도, 시험 가능성, 유해성 등 고려)
- 물질 특성별 최적 시험조건 확보를 위해 처리 대상물질의 용해도에 따른 공용매 (co-solvent) 이용 여부 결정하고, 휘발성(증기압)에 따라 VOC(volatile organic compound)와 SVOC (semi-volatile organic compound)로 구분
- VOC의 경우는 수생태 독성 평가 시 폐쇄 실험계 적용하고,SVOC의 경우는 수동용량법 (passive dosing) 고려한 실험 설계
- 고형시료에 유해물질을 투입하는 실험에서는 평형(equilibrium)에 도달하기까지의 시간 고려
- 시료 특성별 시험 대상 및 시험 절차 확립하기 위해 유해 화학물질이 용존 상태로 미치는 영향을 평가하기 위한 시험에서는 물벼룩(Daphnia magna)을 시험 종으로 이용하고, 유해 화학물질이 입자의 형태로 미치는 영향을 평가하기 위한 시험에서는 단각류(Hyalella azteca)를 시험 종으로 이용
- 인위적으로 유해물질을 투입하여 오염 퇴적토 처리 전, 후의 독성저감 효율을 평가하기 위한 시험에서는 짧은 기간 동안 높은 독성을 평가할 수 있는 노출 농도와 노출 기간 선정
- 우선순위 후보물질 대상 생태독성 자료 생산을 위해 우선적으로 선정된 후보물질을 대상으로 수생태 독성 자료 생산
- 1차로 범위 찾기 시험(range-finding test)을 실시하고 2차로 농도결정시험 (definitive test) 실시
- 시험에 사용된 물질별 반수치사농도(LC50: median lethal concentration), 최저영향농도(LOEC: lowest observed effect concentration), 무영향농도(NOEC: no observed effect concentration)를 산출

○ 2차년도
□ 목표
오염된 퇴적물입자의 수송 모형 개발 및 준설토 처리기술 적용 후 유출수와 처리토에 대한 생태안정성 평가

□ 내용
1. 1차년도에 선정된 대상지역인 형산강하구는 개방형하구로 바다의 영향을 강하게 받는 지역이기 때문에 조석, 바람과 같은 물리적인자를 고려하여 수리동역학모형 구축. 하지만, 연안으로 전파되는 파랑은 수직흐름구조 및 퇴적토의 재부유/이송에 관련한 바닥인근의 경계층 흐름과 바닥전단응력에 영향을 미침. 이에 대해 추가적으로 파랑모형을 수리동역학모형과 연계하여 퇴적토 이송·확산모형과 상호간 연계되게 구축
2. 라그랑주 입자추적모듈 및 오염된 퇴적물입자의 이송·확산모형개발을 위해 격자법에 근거한 이송·확산 모형은 고농도장, 시공간 변화가 강한 농도장, 혹은 근역의 확산 모의에서 좋지 않은 성능을 지니므로, 이러한 상황에서 강점을 갖는 입자추적기법(particle tracking method)을 개발하여 기존의 격자법에 근거한 이송·확산 모형을 보완하고 퇴적토의 거동을 거동예측
- 유사의 종류에 따른 거동 특성을 반영하기 위해 점착성 유사와 비점착성 유사를 구분하고, 부유사의 수리동역학적 특성에 따른 유사의 침전, 부유, 재부유 조건들을 부여하여 다양한 상황에 따른 거동 모의
3. 준설토 처리 기술 적용 후 유출수 및 처리토의 생태안정성 평가를 위해 준설토 처리 기술 개발팀(총괄)과 연계하여 처리 전/후의 시료를 제공 받아 준설토 독성 저감 효율을 평가함. 처리 전 준설토 시료를 대상으로 고형시료는 Hyalella azteca를 이용한 독성 시험을 수행하며, 액상 시료는 Daphnia magna를 이용하여 독성 시험을 수행함으로써 초기 독성값 확보. 처리 전 준설토 혹은 추출액을 물리·화학적 처리를 거친 후 고형시료는 Hyalella azteca를 이용한 독성 시험을 수행하며, 액상 시료는 Daphnia magna를 이용하여 독성 시험을 수행함. 해당 시험 독성값 산출하여 초기 독성값과 처리 후 독성값을 비교하여 독성 저감률을 판정하고, 초기 독성값은 사고 대비 물질의 퇴적토 독성 DB 구축함.
4. 준설/피복기술 적용을 위한 의사결정 지원을 위해 화학사고 발생시 퇴적토의 준설 또는 피복과 같은 처리 공정 필요여부를 판단하고, 오염 규모, 오염의 심각성, 유해물질의 잔류성, 유해물질의 위해성, 기술 적용의 시급성 등이 고려하여 기술적용에 관한 지원함. 이를 위한 현장의 오염토의 생태독성자료 분석

○ 3차년도 (당해연도)
□ 목표
현장 적용 시험에서의 퇴적물 분포 모의 및 유해화학물질 생태독성평가

□ 내용
1. 형산강 하류를 대상으로 파랑, 유사이송, 지형변화모형들과 연계된 수리동역학모형과 라그랑주 기반의 입자추적모델을 결합한 퇴적지 예측모델을 구축함. 협동1과 연계하여 준설/피복 시 퇴적토의 이송확산을 확인하였으며, 유해화학물질 화학사고의 시나리오를 선정하여 유해화학물질 퇴적지 예측 및 입자의 거동 분석
2. 오염 현장 퇴적토의 유해화학물질 생태독성 평가을 평가하기 위해 현장실증실험 및 총괄의 처리토를 채취하여 준설 전/후의 독성시험결과를 비교하여 오염퇴적토의 독성을 평가함. 단각류를 이용하여 10일간 생존율을 관찰 항목으로 평가하는 급성 독성 평가 기법 적용한 독성시험 수행하였으며, 오염 퇴적토의 처리 방식에 의한 생태계 영향분석을 위해 준설 및 피복 기술 적용 이후 퇴적토 생태독성 모니터링을 함. 준설 및 피복 기술 적용 이후 상층수 독성 모니터링 수행
3. 현장 시료 및 준설토 생태독성 평가기술 매뉴얼 작성

□ 연구개발성과
[최종 성과목표 및 달성률]

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
1. 기술적 측면
• 부유사의 이송·확산 모의에 적용
• 유해화학물질 오염지역 퇴적토 처리 및 관리에 관한 의사결정 과정에서 도움
• 오염사고 발생 현장의 진단 및 평가에 적용
• 사고 발생 수역의 수생태, 저서 생태계 독성 영향 진단에 활용
• 오염 퇴적토의 개선이 필요한 지 여부 결정을 위한 과학적 근거 자료로 활용
• 개선이 필요하다고 판단되는 오염 퇴적토의 수직, 수평적 범위 파악에 활용
• 첨단기술 기반의 유해화학물질 사고에 대한 조기 대응 방안 구축
• 국내 기술로 개발되어 사용자가 쉽게 여러 가지 문제를 개발자를 통해 해결 가능
• 총괄 및 타세부과제와 연계하여 화학사고에 대응하는 통합 솔루션을 제공
• 중금속 등 하천의 퇴적토와 연계되는 문제에 대해 지원 가능
• 오염이 심한 퇴적토에 대한 생태 독성 정량적 기준 (TU) 설정 방법 확보
• 수체 내에서 불안정한 유해 화학물질의 생태 독성 평가 기법 확보

2. 경제⋅사회적 측면
• 본 과업에서 개발될 기술은 화학사고 발생 시 신속한 예측으로 준설 및 차폐의 위치와 실시를 결정할 수 있어서 국민의 불안을 해소
• 모델 개발과 공개로 연구개발, 교육, 화학사고 대응 전문가 등 다양한 일자리 창출 가능
• 수문 및 수리학적 특성이 반영된 오염퇴적물 관리기법은 하천수질 관련 산업뿐 아니라 수자원 및 환경 등 다양한 산업에 활용 가능
• 소프트웨어 공개로 아시안 커뮤너티 활성화
• DELFT3D, FVCOM 등 다양한 모델들은 상용소프트웨어를 공개하여 사용자 커뮤너티를 극대화하고 이를 통한 교육, 컨설팅, 액세서리 등으로 부가가치를 만들어낸 전략을 이용하고 있음
• 연구 최종 성과물을 참여기업을 통해 공개하고 대학에서 교육프로그램을 개발하여 베트남, 라오스, 등 미국과 유럽의 전문가가 접근하기 어려운 지역을 중심으로 아시안 커뮤너티를 활성화함

3. 환경적 측면
• 하상에 생식처를 만들고 있는 저서생물 생태계를 보존하고 관리하는 기반기술로 적용가능
• 화학사고 발생 시 사고 상황별 수체이동 및 퇴적토 침전지역 예측모델 구축 및 모니터링을 통해 2차 오염 문제를 사전에 예방
• 사고발생으로 인한 오염퇴적물이 수자원에 직접적으로 노출되는 가능성을 최대한 저감하여 수질과 하천 생태계 유지가 가능

(출처 : 요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 최종보고서 ... 3
• 요 약 문 ... 4
• 목차 ... 9
• 표목차 ... 11
• 그림목차 ... 13
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 17
• 가. 연구개발 목표 ... 17
• 나. 핵심 연구내용 ... 18
• 1) 수환경 유출사고 종료 후 수생태계 퇴적토 잔류 유해화학물질 제거기술 개발 (총괄) ... 18
• 2) 사고 종료 후 잔류 유해화학물질 확산방지를 위한 피복/준설 기술 개발 (세부1) ... 19
• 3) 수환경 유출 유해화학물질 퇴적예측 및 제거현장 생태안전성 평가기술 개발 (세부2) ... 20
• 다. 2세부 과제 연구개발 목표 및 핵심 연구내용 ... 22
• 1) 연구개발 목표 ... 22
• 2) 핵심 연구내용 ... 23
• 라. 연구개발 대상의 국내·외 현황 ... 28
• 1) 국내 기술 수준 및 시장 현황 ... 28
• 2) 국외 기술 수준 및 시장 현황 ... 29
• 마. 기술개발의 차별성 ... 33
• 1) 선행연구 내용 및 결과 ... 33
• 2) 기존 기술의 차별성 및 혁신성 ... 33
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 34
• 가. 수환경 유출 유해화학물질 퇴적예측모형 개발 ... 34
• 1) 수리동혁학 모형 구축 및 모듈 연계 ... 34
• 2) 수리물리적 특성에 따른 유사의 침전 및 부유에 관한 연구 ... 79
• 3) 부유사 이동 모형 개발 및 퇴적토 침전지역 예측 ... 95
• 4) 라그랑주 입자추적 모듈 및 오염된 퇴적물입자의 이송·확산 모형 개발 ... 142
• 5) 현장 적용 시험에서의 퇴적물 분포 모의 ... 148
• 나. 생태안전성 평가기술 개발 ... 152
• 1) 유해화학물질 생태독성 평가 기술개발 ... 152
• 2) 준설토 처리 기술 적용 후 유출수 및 처리토의 생태안정성 평가 ... 201
• 3) 준설·피복 기술 적용을 위한 의사결정 지원 ... 203
• 4) 오염현장의 준설토 처리 기술 적용 후 처리토 및 유출수에 대한 생태안정성 평가 ... 207
• 5) 오염현장의 오염현장 퇴적토, 상층수 생태독성평가 ... 210
• 6) 피복기술 적용이후 생태독성 모니터링 ... 215
• 7) 생태독성 평가기술 매뉴얼 작성 ... 215
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 216
• 가. 연구수행 결과 ... 216
• 1) 정성적 연구개발성과 ... 216
• 2) 정량적 연구개발성과 ... 218
• 3) 세부 정량적 연구개발성과 ... 219
• 나. 목표 달성 수준 ... 231
• 4. 목표 미달 시 원인분석 및 차후 대책 ... 231
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 233
• 가. 기술적 측면 ... 233
• 나. 경제⋅사회적 측면 ... 233
• 다. 환경적 측면 ... 234
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 235
• [부록 1] 생태독성 평가기술 매뉴얼 ... 236
• 끝페이지 ... 248