• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2007.05a
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• pp.883-888
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• 2007

일반적인 하천의 흐름방향으로 발생하는 주흐름(primary flow)에 중첩하여 주흐름 방향의 수직단면에 이차류(secondary flow)가 발생하게 되며 이러한 이차류의 발달은 투입된 오염물질의 횡혼합을 증대시킨다. 오염물질의 혼합은 이송(advection)과 확산(diffusion) 또는 분산(dispersion)의 과정으로 설명되며 본 연구에서는 수로전체의 혼합과정을 설명하기 위해서 이송 확산 방정식을 적용하였다. 본 연구에서는 실험수조를 $150^{\circ}$의 중심각을 갖는 S자 형태의 만곡수로를 제작하여 유량조건은 15, 30, $60\;{\ell}l/sec$의 세 가지 경우로, 수심은 15, 20, 30, 40 cm의 경우로 총 12 케이스의 실험을 수행하였다. 유속장의 측정은 Sontek사의 3차원 micro-ADV(Acoustic Doppler Velocimeter)를 이용하였다. 오염물질 확산실험은 소금물 용액에 주변수와의 밀도차를 없애기 위해서 메탄올 용액을 첨가하여 추적자로 이용하여 농도장의 분석을 일본 KENEK사의 전기전도도계(conductivity meter)와 Gartner사의 DAS(data acquisition system)를 이용하여 횡방향 유속장의 분포와 오염운의 거동을 비교하여 다음과 같은 결론을 얻게 되었다. 주 흐름은 직선구간에서는 중앙에서 최대 유속을 나타내며, 좌우대칭적인 유속분포의 모습을 보이고, 만곡부에서는 수로안쪽을 따라 최대유속이 발생하였다. 수로의 직선구간에서는 최대유속이 발생하는 즉, 중앙에서의 오염물질의 분산이 가장 활발하게 이뤄졌으며 농도의 퍼짐형상인 오염운 역시 만곡부에서는 수로만곡부의 안쪽을 따라 확산 이동함을 알 수 있었다. 만곡부 외측에서는 오염물질의 정체현상이 일시적으로 발생하며, 유속구조의 횡방향 비대칭구조로 인한 종 횡방향의 분리현상이 발생하고, 오염운의 중첩현상이 종방향으로 연속되게 나타난다. 향후 수심방향 거동을 포함한 3차원적 분석이 요구되며 이 연구결과는 2차원적 수치해석의 적용 및 분석 자료로써 이용이 가능하다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2020.06a
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• pp.148-148
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• 2020

산업의 고도화가 진행됨에 따라 화학원료의 사용이 증가하고 있고 독성을 가진 화학물질이 하천으로 유입되는 사고가 빈번하게 발생하고 있다. 수환경으로 유입되는 유해화학물질은 주로 무색무취의 물질들로 사고가 발생하더라도 초기 발견이 어려워 어류폐사를 유발하거나 취수시설에서 용수로 취수되는 경우가 발생하기 때문에 이에 대한 대응책 마련이 필수적이다. 하천에 유입된 오염물질의 거동을 신속하게 예측하기 위해 1차원 오염물질 추적 모형이 활용되는데, Fickian 이송-분산 모형(Fickian Advection-dispersion equation model; FADE)이 주로 사용되고 있다. 하지만 FADE는 오염물질이 하천 저장대에서 지체되는 현상을 반영하지 못하기 때문에 농도곡선의 왜곡도를 구현하지 못하는 단점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 하천저장대모형(River Storage Model; RSM)을 개발하고 이를 국가하천인 감천에 적용하였다. 본 연구에서 개발한 RSM은 분산계수, 본류대 면적, 저장대 면적, 저장대 교환계수의 네 가지 매개변수를 통해서 하천의 물질 저장 및 교환 특성를 구현한 non-Fickian 모형으로서, 생화학반응, 휘발, 흡·탈착항을 추가하여 유해화학물질의 혼합 거동을 정확하게 모의할 수 있도록 개발하였다. 저장대 모형의 매개변수를 산정하기 위해서 하천 유량과 지형자료를 기반으로 HEC-RAS를 모의하여 계산된 수리특성을 입력변수로 사용하였다. 저수기, 평수기, 풍수기 유량을 기준으로 세 경우의 시나리오 모의를 수행하였는데, 5ton의 톨루엔이 김천산업단지에서 감천으로 유입된 경우 약 20km 하류에 위치한 취수장에서 톨루엔의 농도변화를 예측했다. 보존성 물질에 대한 모의 결과, 풍수기의 경우 저수기에 비해 유속이 크기 때문에 취수장에서 20.56시간 먼저 기준농도에 도달하고, 7.21시간 더 짧게 머무는 것으로 나타났다. 유해화학물질의 반응특성에 대한 민감도 분석을 시행한 결과, 생화학적 반감기가 18.98시간보다 길고, 옥탄올-물 분배계수가 2.267 이하인 물질은 생분해 및 흡·탈착 반응에 둔감한 것으로 나타났다. 1m 수심 기준 0.114m/s 이하 유속에서의 하천 수리조건에서는 화학물질의 휘발성을 무시할 수 있는 것으로 밝혀졌다.

• Proceedings of the KAIS Fall Conference
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• 2002.11a
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• pp.293-296
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• 2002

본 논문에서는 수소/액체연료/공기의 연소특성에 대해 CFD상용프로그램을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 먼저 프로그램을 검증하기 위하여 수소/공기의 난류 비예혼합 화염에 대한 반응물과 생성물의 몰분율을 Barlow실험 결과와 비교하였고, X축 방향의 온도분포를 Flury의 실험 값과 비교하여 값이 물리적으로 근사함을 확인하였다. 혼합분율(Mixture Fraction)과 확률밀도함수(PDF)의 접근 방법을 이용하여 화염진단과 오염물질발생에 중요한 역할을 하는 중간 종들의 몰분율을 확인하였다. 수소/액체연료/공기에 대해서는 화염형성에 있어서 가장 중요한 연료와 산화제의 속도비 변화(100,10,1,0.1)로부터 산화제속도가 연료속도 보다 클 경우 고속 측인 산화제에 의해 연료의 확산이 지배되는 현상으로 인하여 화염의 온도분포가 최고가 됨을 확인하였다. 또한, 연소과정 중 발생하는 오염물질의 농도를 수치적으로 해석하여 최저의 오염농도를 가질 수 있는 속도 비를 찾아 낼 수 있었다. 수소/공기와 수소/액체연료/공기의 온도 장 비교를 통하여 수소/액체연료/공기의 혼합물이 대체에너지로서의 가능성을 확인하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2015.05a
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• pp.193-193
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• 2015

오염원과 취수원이 인접한 위치에 존재하는 국내 하천 같은 경우 취수 시설의 안전한 관리를 위하여 오염물의 2차원 혼합 거동에 대한 연구가 필요하다. 하천에서의 오염물 혼합 거동을 분석하기 위하여 일반적으로 농도와 분산 정보 수집을 위한 추적자 실험을 수행해왔다. 기존에 수행된 추적자 실험들은 형광염료, 방사선 물질, 고형 물질 등과 같은 추적자를 인위적으로 주입하여 사용하였다. 그러나 수온, 전기전도도(electrical conductivity), 이온화 물질 등과 같은 자연 추적자(natural tracers)를 이용하는 추적자 실험은 인공추적자 물질을 대체할 수 있는 방안으로서, 기존 추적자 실험과 비교하여 경제적, 환경적인 효과와 하폭이 넓은 중규모 이상의 하천에서도 수행할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 진천천과 금호강이 합류하는 낙동강 중류 구간에서 횡혼합 연구를 위하여 전기 전도도 추적 실험을 수행하였다. 강정고령보 직하류에서 낙동강 좌안쪽에서 합류하는 금호강과 진천천의 경우 인근 공업단지와 하폐수처리장으로부터 많은 비점오염원과 점오염원이 유입된다. 두곳의 지류에서 모두 높게 측정되었던 전기전도도를 자연 추적자로 선택하였다. 지류의 경우 전기전도도를 측정할 수 있는 센서를 측정 지점에 설치하여 측정하였으며, 본류인 낙동강의 경우 정해진 측선을 따라 센서가 고정된 보트를 이동하며 데이터를 취득하였다. 지류인 금호강과 진천천의 경우, 합류 전 전기전도도의 농도의 횡분포는 균일한 분포를 나타냈으며 농도의 평균값은 합류 전 낙동강 본류의 기저농도 보다 더 높은 값을 나타내었다. 지류 합류 이후의 낙동강 본류에서는 지류로부터 유입된 오염물질로 인하여 횡방향으로 불균등한 전기전도도 농도 분포를 나타내었으며 오염물질이 점점 하류 쪽으로 이동하면서, 횡방향 농도경사의 크기가 줄어들었다. 유관모멘트법을 농도곡선에 적용하여 횡방향 분산계수를 산정하였다. 산정된 횡분산계수의 값은 Rutherford (1994)가 제안한 분산계수의 범위에 포함되는 것으로 나타났다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.200-200
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• 2021

하천은 용수공급, 관개, 친수활동, 산업활동 등 인간의 활동에 중요한 역할을 한다. 이에 따라 수질관리는 필수적이며 유기물, 중금속, 화학물질 등의 용존물질들은 수질문제에 직접적으로 영향을 미친다. 따라서 하천에서의 용존물질의 혼합 거동을 파악하기 위한 연구가 지난 수십년간 이루어지고 있다. 하천 흐름에 따른 오염물질의 이동 및 확산 거동을 예측하기 위하여 1차원 추적모형이 활용되는데, 그 중 하천저장대 모형(Transient Storage Model, TSM)은 자연하천의 복잡하고 불규칙한 수리·지형적인 특성을 단순하게 반영할 수 있다는 장점때문에 가장 많이 사용된다. 하지만 TSM은 매개변수에 대한 의존성과 불확도가 크며, TSM의 저장대에서의 농도분포에 대한 지수함수형태의 모델링이 하상간극수역(Hyporheic zone)에서의 저장대 특성을 반영하기에 구조적으로 부정확하다는 단점이 제기되고 있다. 최근 이러한 TSM의 단점을 보완하고 하천에서의 저장대 메커니즘을 보다 정확하게 구현하고자 체류시간분포(residence time distribution)를 이용한 확률론적 저장대 모델링 프레임워크가 등장하고 있다. 본 연구에서는 본류대와 저장대에서의 오염물질의 체류시간분포를 분리하여 해석하고 이를 전달함수(transfer function)를 이용한 합성곱으로 결합한 형태의 프레임워크를 적용하여 모델링하였다. 상기의 모형을 검증하기 위하여 2019년 감천의 4.85km 구간에서 추적자 실험을 실시하였다. 실험 당시 유량은 12.9 m³/s로 풍수기에 해당되며 평균 유속은 약 0.6 m/s로 측정되었다. 모형의 매개변수는 추적자 실험으로부터 최적화 기법을 통해 역모델링기법으로 결정하였다. 제안된 모형에 의한 모의 결과를 추적자 실험에서의 농도측정자료와 비교한 결과, 평균 0.988의 결정계수를 보여 매우 높은 정확도를 보이고 있음을 알 수 있었다. 저장대특성을 나타내는 농도곡선의 꼬리부에 대하여 같은 조건에서 1차원 이송-분산(ADE) 모형, TSM의 모의결과와도 비교한 결과 본 모형은 추적자 실험 농도측정 결과와 평균 0.195의 오차율을 보이며, 이는 ADE 모형과 TSM의 오차율인 14.03과 1.866에 비해 매우 정확한 것으로 나타났다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.57 no.4
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• pp.263-276
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• 2024

Since the first introduction of one-dimensional transient storage modeling in the field of solute transport analysis in rivers, its application has notably expanded for various purposes, including for hydrology and geobiology over the past few decades. Despite strides in refining transient storage models, there remain unresolved challenges in simplifying complex river transport dynamics into concise formulas and a limited set of parameters. This review paper is dedicated to cataloging and assessing existing transient storage models, outlining the difficulties associated with model structures, parameters, and data, and suggesting directions for future research. We seek to enhance understanding of transient storage by highlighting the importance of continuously evaluating residence time distribution modeling, integrating hydrodynamic models, and using data with minimal assumptions. This paper would contribute to advance our comprehension of the transient storage process, offering insights into sophisticated modeling techniques, pinpointing uncertainty in parameters, and suggesting the necessary avenues for further study.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.29 no.3B
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• pp.221-230
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• 2009

In Korea, many water intake plants are easily affected by effluents of sewage treatment plants because sewage treatment plants are usually located upstream or nearby the plants of the same riverine area. Furthermore, the inflow of harmful contaminants owing to pollutant spills or transportation accidents of vehicles using the roads and bridges intersecting the river causes significant impact on the management of water intake plants. Paldang lake, the main water intake plants in Korea, is especially exposed to various water pollution accidents, because the drainage basin area is significantly large compared to the water surface area of the lake. Therefore it is necessary to predict the possible pollutant spill in advance and consider measurements in case of water pollution. In this study, water quality prediction was performed in Paldang Lake in Korea durig the dry season using two-dimensional numerical models. In order to represent the cases of pollutant accidents, the difference of pollutant transport patterns with varying injection points was analyzed. Numerical simulations for hydrodynamics of water flow and water quality predictions were performed using RMA-2 and RAM4 respectively. As a result of simulation, the difference of pollutant transport with the injection points was analyzed. As a countermeasure against the pollutant accident, the augmentation of the flow rate is proposed. In comparison with the present state, the rapid dilution and flushing effects on the pollutant cloud could be expected with increase of flow rate. Thus, increase of flow rate can be used for operation of water intake plants in case of pollutant spill accidents.

• 한국방재학회:학술대회논문집
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• 2008.02a
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• pp.791-794
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• 2008

The transport and dispersion of pollutants in natural river is a principal issue in intake station management. To study the pollutant transport in natural rivers, the effect of meandering and confluence of tributary on mixing process have to analyzed. The objective of this study is to simulate the mixing and transport of pollutants for operating water gate of Nakdong Estuary Barrage around the intake station. Mulgeum intake station being used as drinking water sources for Pusan. The flow around the intake station is influenced by operating water gate of Nakdong Estuary Barrage which is located downstream. The water gate system includes ten individual gates. The minor gate is usually opened according to elevation of the sea. When the river flow increases, the main water gate is opened. Daepo stream, tributary of the Nakdong river, is on opposite side of the intake station. The pollutants from Daepo stream often flows into the intake station acoording to the flow pattern. In this study, based on this simulation results, proper water gate operation which can minimize negative impact will be provided.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2005.05b
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• pp.991-995
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• 2005

본 연구에서는 1차원 이송-분산 과정을 연구하고 전단류 흐름 및 분산거동에 있어 Taylor 이론의 핵심이라 할 수 있는 '종방향 이송과 횡방향 확산의 균형'을 기본 개념으로 하여, 이송과 확산을 분리하여 이 두 과정이 순차적으로 발생한다는 가정에 의거한 순차혼합모형을 제시하였다. 본 모형에서는 가상의 하천을 여러 개의 행과 종방향 거리를 길이가 일정한 구획으로 나누어 연속적인 분산과정을 이산적인 형태로 나타낼 수 있게 하고, 횡방향 유속분포에 따라 각 행에 각기 다른 유속을 할당한다. 오염물질은 하폭방향 선오염원으로 원점에 순간주입되며, 주어진 혼합시간 $t_m$ 동안 각 행의 오염물질들이 각자에 할당된 유속을 따라 진행하고 진행이 끝난 후 횡방향 확산이 순간적으로 이루어진다. 횡방향 확산은 횡방향으로 완전하게 일어남을 가정하여, 횡방향 확산이 끝나면 각 열에서의 농도 평균값이 할당된다. 이러한 혼합시간 $t_m$ 동안의 순차적인 이송-확산 과정이 반복되면서 오염물질의 분산이 일어나며, 농도 분포 그래프를 그릴 수 있게 된다. 순차혼합모형을 가상의 직선하천에 적용하여 종분산계수를 유도하였는데, 본 연구에서 유도된 종분산계순식은 Fischer.가 제안한 식과 유사한 형태로 나타남을 알 수 있었다. 본 모형에서 계산된 농도분포 곡선을 해석해와 비교한 결과,두 곡선이 적절히 일치함을 확인할 수 있었으며 해석해와의 비교를 통해 종분산계수 K가 혼합시간 $t_m$과 선형관계임을 확인할 수 있었다. 수심대하폭비에 따라 각기 다른 유속분포에 적용하여 종분산계수 K가 유속편차강도의 제곱에 비례관계에 있음이 밝힐 수 있었다. 수압은 $4.69kg/cm^2$으로 나타났다. 밸브 개폐도가 $100\%$일 때가 밸브를 $60\%$와 $80\%$ 개폐시켰을 때보다 $0.3kg/cm^2,\;0.29kg/cm^2$ 낮게 나타나 밸브를 전체 개방 했을 때 관로내의 수압이 상수설계기준에 적합한 수압을 유지함을 알 수 있다. 상수관로 설계 기준에서는 관로내 수압을 $1.5\~4.0kg/cm^2$으로 나타내고 있는데 $6kg/cm^2$보다 과수압을 나타내는 경우가 $100\%$로 밸브를 개방하였을 때보다 $60\%,\;80\%$ 개방하였을 때가 더 빈번히 발생하고 있으므로 대상지역의 밸브 개폐는 $100\%$ 개방하는 것이 선계기준에 적합한 것으로 나타났다. 밸브 개폐에 따른 수압 변화를 모의한 결과 밸브 개폐도를 적절히 유지하여 필요수량의 확보 및 누수방지대책에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.8R(mm)(r^2=0.84)$로 지수적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 유거수량은 토성별로 양토를 1.0으로 기준할 때 사양토가 0.86으로 가장 작았고, 식양토 1.09, 식토 1.15로 평가되어 침투수에 비해 토성별 차이가 크게 나타났다. 이는 토성이 세립질일 수록 유거수의 저항이 작기 때문으로 생각된다. 경사에 따라서는 경사도가 증가할수록 증가하였으며 $10\% 경사일 때를 기준으로 $Ro(mm)=Ro_{10}{\times}0.797{\times}e^{-0.021s(\%)}$로

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2017.05a
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• pp.100-100
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• 2017

하천에 유입된 오염물질의 2차원 혼합거동은 하천 주흐름에 의한 이송현상과 유속 성분의 수심평균 값에 대한 공간적 편차로부터 야기되는 분산현상으로 설명 할 수 있다. 이는 3차원 이송확산 방정식으로부터 수심 적분된 2차원 이송-분산 방정식으로 수학적 유도가 가능하며, 수심방향으로 적분하는 과정에서 발생되는 농도의 분산항은 Taylor Dispersion 개념에 기초하여 종방향 및 횡방향의 2차원 분산계수로 표현된다. Fischer(1978)는 연직방향 유속분포로부터 2차원 분산계수를 추정하는 해석해를 수학적으로 유도하였으나, 실제 하천에서 정밀한 연직방향 유속분포를 계측하는 것은 많은 비용 및 노동력을 초래한다. 따라서 선행 연구자들은 2차원 혼합모형의 분산계수를 산정하고자 실험적 방법으로써 추적자실험을 수행하였다. 추적자실험은 추적자 물질을 수체에 주입한 후 농도의 변화를 관측함으로써 추적자물질이 하천에서 이송 및 분산되는 과정을 이해하는데 유용하다. 기존의 추적자실험은 고정된 위치에서 농도를 계측하여 시계열적인 농도의 변화를 관측한 후, 오염운 동결가정을 통해 종,횡방향 분산계수의 산정이 가능하지만, 오염물질 농도의 공간적 분포를 얻기에는 한계가 있다. 본 연구에서는 기존의 추적자실험법의 한계를 극복하고자 형광물질을 이용한 추적자실험을 수행함과 동시에 드론에 장착된 디지털카메라를 이용하여 항공영상을 취득 및 분석하여, 하천에 주입된 형광물질의 농도분포를 시공간적으로 추출하는 기법을 개발하고, 이를 바탕으로 오염물질의 2차원 혼합거동을 분석하였다. 본 실험은 한국건설기술연구원의 안동하천실험센터의 A3실험수로에서 수행되었으며, 실험수로는 평균 하폭 5 m, 평균 수심 0.44 m, 유량 $0.96m^3/s$의 실제 소규모 하천과 유사한 축척을 가지고 있다. 추적자물질은 Rhodamine WT 용액이 사용되었으며, 실험수로 내 설치된 15개의 형광광도계(YSI-600OMS)를 이용하여 농도를 측정하였다. 항공영상의 취득을 위해 이용된 드론은 DJI-Phantom 3 Professional 이며, 3840x2160의 해상도로 초당 30 frame의 동영상으로 취득되었다. 영상의 정합 및 좌표화를 위해 RTK-GPS를 이용하여 12개의 지상 기준점의 좌표를 취득한 후, 사영변환을 통해 영상좌표를 지상좌표로 변환하였다. 영상의 픽셀값을 농도장으로 변환하기 위해 각 RGB 밴드의 픽셀값을 통계적으로 분석하여 농도장으로 변환하였으며, 영상으로부터 얻은 농도장은 형광광도계에 의해 실측된 농도와 결정계수 0.9이상의 수준으로 정확도를 나타냈다.