• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 1998.05a
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• pp.395-403
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• 1998

오염원의 이송확산에 관한 많은 연구들이 수행되어 왔으나 특히 비포화 영역에서 오염원 이송확산을 측정하는 것은 매우 어려운 것으로 알려지고 있다. 비포화 토양에서의 오염원 이송확산은 매질의 함수량 변화에 영향을 받기 때문에 오염원 거동특성을 이해하려면 비포화 흐름 분석을 선행한 후 오염원의 이송확산 특성을 분석하여야 한다. 본 연구에서는 비포화 영역에서의 오염원 이송특성을 분석하기 위하여 TDR(Time Domain Reflectometry)을 이용하여 비포화 흐름 및 오염원 이송을 측정하였다. 이를 위하여 본 연구에서는 TDR을 이용하여 오염원 이송을 측정하는 방법을 개발하였으며, 이 방법을 이용하여 1차원의 토양기둥시료에서 비포화 흐름 및 오염원 이송확산에 관한 실험을 수행하고 수치모형을 적용함으로써 비포화 영역에서 오염원의 이송확산에 관한 거동특성을 규명하였다. 본 연구에서는 두 종류의 국내 토양시료(SUS, KUS)를 사용하였는데, 토양의 물리적 특성을 예비실험을 통하여 규명한 후 토양기둥시료를 이용한 본실험을 수행하였다. 비포화 천이흐름하의 오염원 이송확산 실험에서는 급격한 습윤전선의 전진에 따른 종형의 함수량변화를 관측할 수 있었고, 이때 오염원의 농도는 함수량의 천이구간의 중심점으로부터 전방영역의 농도분포가 습윤전선에서의 함수량 분포와 유사한 종형을 이루고 있음을 관측할 수 있었다. 비포화 정상흐름하의 오염원 이송확산 실험에서는 오염원이 이송하며 농도 천이구간이 확장되어지는 전형적인 형태를 보였다. 또한 예비실험에서 측정한 매개변수를 입력자료로하여 수행한 수치결과와 실험결과를 비교하였는데 비포화 흐름특성은 실험결과와 수치결과가 정량적으로 일치하는 경향을 보였으나, 오염원 이송확산 특성은 정량적으로 수치결과가 실험결과보다 더 많이 확산되는 경향을 보였다. 따라서 수치모형을 현장에 적용할 경우 확산지수 결정에 주의하여야 할 것으로 판단된다. 즉, 수치모형에 적용할 확산지수는 BTC 실험을 통하여 측정한 확산지수, 수치확산, 흡착계수, 적용영역의 크기 등을 고려하여 결정하여야 한다. 특히 본 논문에서는 TDR을 이용하여 최초로 천이상태의 함수량과 오염원 농도를 측정하였는데 이를 위하여 전기전도도와 함수량관계를 추정하는 식을 제안하였으며, 전기전도도와 토양수 농도, 전기전도도와 함수량의 관계를 이용한 천이상태의 오염원 농도 측정방법을 개발하였다. 특히 제안식에서는 한계함수량의 개념을 도입하여 전기전도도와 함수량관계를 추정하므로 추정식의 실험값 반영 정도를 증가시켰다. 본 연구에서 제안된 식을 이용하여 추정된 전기전도도와 함수량관계는 다른 제안식에 비하여 개선된 결과를 보여 주었고, 본 연구에서 개발한 오염원 농도 측정법을 이용하여 측정한 결과 함수량이 0.15이하에서는 측정오차가 크지만 함수량이 0.15이상일 경우 매우 좋은 결과를 보였는데 질량평형을 검토한 결과 약 5-10%의 오차율을 보였다. 따라서 본 논문에서 개발된 천이상태의 오염원 농도측정법은 용존 오염물질의 이송에 관한 정확한 실험을 제공할 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2004.05b
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• pp.552-556
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• 2004

프랙탈 이송확산방정식은 정수 차수의 미분연산자로 구성된 고전적인 이송확산방정식과 비교하여 프랙탈 차수의 미분연산자로 구성된 보다 상위개념의 방정식으로써 정의된다. 지금까지의 프랙탈 이송확산방정식은 추계학적인 기법을 동원하여 푸리에-라플라스 공간에서 주로 해석되었으나, 본 연구에서는 실제 공간에서 유한차분개념을 도입하여 보다 직접적으희 하천에서의 오염물 이송확산에 관한 지배방정식을 유도하였다. 이러한 개념의 유도방법은 프랙탈 차수 및 관련 확산계수의 물리적인 추정에 관한 실마리를 제공할 수 있다. 고전적인 이송확산방정식과는 달리 프랙탈 이송확산방정식은 실제 하천에서 관측되는 오염물의 시간-농도 분포곡선의 왜곡현상과 분포곡선의 전후방부 농도를 보다 실제에 가깝게 모의할 수 있을 것으로 기대되어진다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.37 no.11
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• pp.889-896
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• 2004

The fractal advection-diffusion equation (ADE) is a generalization of the classical AdE in which the second-order derivative is replaced with a fractal order derivative. While the fractal ADE have been analyzed with a stochastic process In the Fourier and Laplace space so far, in this study a fractal ADE for describing solute transport in rivers is derived with a finite difference scheme in the real space. This derivation with a finite difference scheme gives the hint how the fractal derivative order and fractal diffusion coefficient can be estimated physically In contrast to the classical ADE, the fractal ADE is expected to be able to provide solutions that resemble the highly skewed and heavy-tailed time-concentration distribution curves of contaminant plumes observed in rivers.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2017.05a
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• pp.3-3
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• 2017

하천에서 발생하는 유사량은 공급능력이 흐름의 이송능력보다 지배적인 경우 같은 유량이 발생하더라도 유사량이 다르게 관측될 수 있다. 특히 국내 하천과 같이 홍수기가 특정기간에 편중되어 연중 유량발생 편차가 매우 크게 나타나는 경우 이와 같은 현상이 더욱 두드러지게 발생한다. 즉, 대부분의 연중발생 유사량이 홍수시에 이동하고 홍수발생 초기와 후기의 유사 공급능력의 차이가 나타나는 국내하천의 경우 이를 기존의 유사이송공식으로 정량적인 유사량 값을 추정하는데는 한계가 있음을 의미한다. 따라서 본 연구에서는 국내 하천에서 실측한 유사량 자료를 종합하고 주요 지점별, 연도별, 계절별, 하천 유역별로 분류한 후 이를 분석하여 국내하천의 유사량 발생 특성을 규명하였다. 실측 유사량 데이터베이스는 국내 하천의 주요지점에서 2007년부터 2012년까지 측정한 자료로 구성되어 있으며 총 26개 지점 1,283개의 자료를 포함하고 있다. 4대강의 본류 대표지점으로 선정된 여주, 왜관, 공주, 나주지점을 대상으로 유량-총유사량 관계를 비교한 결과, 여주지점의 유량 증가에 따른 총유사량 증가 폭이 다른 대표지점들에 비해 가장 크게 나타나는 반면, 나주지점의 경우 제일 작은 값을 보인다. 또한 본류의 유량-유사량 관계식의 지수 값이 본류와 지류를 모두 포함한 관계식에 비해 더 크게 나타나는데 이는 지류에서는 본류보다 적은 유량이 발생하더라도 유사 이송량은 상대적으로 크게 발생한다는 것을 의미하며 그 이유는 본류와 지류에서 유사 이송이 지배적으로 발생하는 유량범위가 상이하기 때문에 나타나는 결과로 추정할 수 있다. 대표지점별 부유사 농도를 분석한 결과, 7월과 8월 부유사 농도에 비해 9월에 발생하는 부유사 농도가 현저히 낮은 값을 보이는데 이는 연중 홍수기 전반기에 유사 공급량이 상대적으로 많아 나타나는 현상으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 1987.07a
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• pp.201-214
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• 1987

하천에서 종, 횡방향이 고려된 확산-이송 현상을 수치기법인 유한요소법을 이용하여 2차원으로 해석하였다. 유한요소법으로는 Galerkin의 가중잔차 방법을 수십에 대해 적분을 취한 연속, 운동량 및 확산-이송방정식에 적용하였고, 선형보간함수와 선형삼각형요소가 이용되었다. 모형의 타당성을 입증하기 위해 단순화된 1차원 수로에서 수차례 검정한 결과 정확해와 거의 일치하는 만족할만한 결과가 도출되었다. 개발된 모형의 실험이 2차원수로에서 행하여져 지류의 유입에 따른 확산-이송현상이 모의되었으며, 실험적용은 개발사업후의 한강본류 9km 구간에 적용되어 탄천과 중량천의 지천 영향을 받는 오염 농도가 2차원적으로 도시되었다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2015.05a
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• pp.75-75
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• 2015

오염원과 취수장이 동일 구간 내에 공존하는 국내하천의 특성상, 하천 평면 내에서 오염물의 거동 및 혼합 특성을 보다 정확하게 해석하기 위해서는 2차원 이송-분산 모형의 적용이 필요하다. 이를 위해서는 2차원 모형의 주요 매개변수인 종분산계수와 횡분산계수의 적절한 입력이 매우 중요하다. 하지만 국내외적으로 횡분산계수에 대한 연구는 많이 진행된 반면, 현재까지 종분산계수에 대한 연구는 충분히 이루어지지 않은 실정이다. 분산계수를 결정하는 방법에는 실측된 농도 자료의 유무에 따라 크게 두 가지로 분류된다. 실측된 농도 자료가 없는 경우, 이론식이나 경험식을 이용하는 방법이 있다. 반면에 추적자 실험 등을 수행하여 실측된 농도 자료가 있는 경우, 모멘트법 또는 추적법을 적용하여 농도-시간 분포 곡선으로부터 분산계수를 계산하는 것이다. 모멘트법은 임의 지점에서 농도의 횡분포를 통해 얻을 수 있는 2차 모멘트의 종방향 변화율이 횡분산계수와 비례한다는 원리를 이용한 것이며, 추적법은 상류부의 관측된 농도를 입력자료로 하여 하류부의 농도를 계산한 후 계산된 농도와 실측된 하류부 농도의 비교를 통해 분산계수를 산정하는 방법이다. 본 연구에서는 불규칙한 단면 형상을 가지는 자연하천에서의 2차원 종 횡분산계수를 산정하기 위해서 Baek & Seo(2010)가 제안한 2차원 유관추적법(2D Stream-tube Routing Procedure)을 적용하였다. 본 연구에서는 국내 자연하천 중 다양한 사행형태를 갖으며 수질오염 사고의 위험이 높은 구간을 선정하고, 추적자로서 Rhodamine WT를 이용하여 현장실험을 수행하였다. 실험에서 수집된 수리량 및 농도자료로부터 추적자의 2차원적 거동을 분석하였으며, 2차원 유관추적법을 적용하여 종분산계수를 산정하였다. 그 결과 하폭 대 수심비(W/H)와 마찰손실관련 무차원변수(U/U*)의 증가에 따라 종분산계수가 증가됨을 확인 할 수 있었다. 본 연구에서 산출된 종분산계수와 선행 연구에서 수집된 자료를 이용하여 추정식을 개발하였다. 차원해석을 통해 무차원 종분산계수에 영향을 미치는 무차원 인자를 선별하고 회귀분석을 이용하여 종분산계수 추정식을 유도하였다. 추정식을 이용하여 산정한 종분산계수의 범위는 Elder (1959)가 제안한 이론값보다 약 10배 정도로 크게 나타났다. 혼합 특성이 밝혀지지 않은 자연하천에 2차원 확산모형을 적용하고자 할 때 본 연구에서 개발된 추정식으로부터 계산된 종분산계수를 사용할 수 있을 것이다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2012.05a
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• pp.717-721
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• 2012

유속(혹은 난류강도) 증감에 따른 floc 특성의 변화를 파악하기 위하여, 현재 연안 개발이 활발히 수행되고 있는 목포해역을 대상으로 ADCP를 이용한 층별 유속 및 부유사 농도의 연속관측이 수행되었다. 목포해역 내 대표정점에서 층별로 유속 유향 및 음파 intensity와 함께 전체 수심데이터가 5분 간격으로 측정되었으며, ADCP 음파의 intensity와 부유사 농도의 상관관계 분석을 위하여 동일 시간동안 채수기를 이용하여 water sampling(30분 간격) 또한 동시에 수행되었다. 관측시간 동안의 목포해역은 낙조류의 흐름특성을 가지며, 표층에서의 최강유속은 24.5cm/s, 유향은 대체적으로 NW~N향 사이에 분포하는 것으로 나타났다. 또한 층별 부유사 농도는 그 차이가 매우 미미한 것으로 나타났다. 본 연구를 통하여 관측된 자료들은 퇴적물의 제반 이송특성 연구를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 뿐만 아니라, 향후 퇴적물 이송 및 수질 예측/평가를 위한 수치모형 적용시 입력자료로 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

• 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.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.32 no.2
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• pp.99-110
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• 1999

The method of moments, a Lagrangian scheme, considers the zeroth, first, and second moments of the grid cell spatial distributions of the concentration and then advects the concentration by maintaining conservation of the moments. The reasonable inital description of the first and second moments as well as the mean concentration, the zeroth moments, in grid element is important in the method of moments. In this study, the description methods of each initial moment are reviewed, and the method of moments is extended to overcome the restrictions of Courant number. Its performance is compared with those of available Eulerian and Lagrangian schemes. As the results, the method is successfully extended to overcome the stability restriction and is an accurate scheme for the advection simulation of concentration distribution, especially of which the gradient is steep. In addition, the method is very promising scheme in terms of computational efficiency when the mixing is confined in a relatively small region to the entire domain in two-dimensional problem.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2017.05a
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• pp.92-92
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• 2017

본 연구에서는 수치모델을 이용하여 대하천서 발생되는 조류의 공간적 농도 분포를 예측하였고, 현장실험을 통해 모델을 검증하였다. 국내하천은 다수의 지류가 본류로 유입됨에 따라 오염물질의 생산과 공급이 지속적으로 발생하고, 하천의 유로연장과 하폭에 비해 수심이 낮은 지형학적 특성을 지닌다. 따라서 지류 유입 이후 발생되는 조류의 거동 특성을 분석하기 위해 수심 적분된 2차원 이송-확산 모델을 사용하였다. 광합성 성장을 이루는 조류의 성장속도 계산을 위해 영양염류, 수온, 일사량과 수심 등을 변수로 하는 성장속도 함수들을 위의 모델과 결합하였다. 본 연구의 대상구간은 낙동강과 금호강 합류부를 포함한 강정고령보 하류 약 9.2 km 구간으로 모델 검증을 위한 현장실험을 수행하였다. 2차원 이송-확산 모델의 입력 값인 유속 및 수심을 계산하는 수리동역학 모델 검증을 위해 미국 Sontek사의 M9을 이용하여 낙동강과 금호강 각각 32개, 12개 측선에 대하여 수리량을 측정하였다. 수리량 측정결과, 금호강과 낙동강의 평균 유량은 각각 $240m^3/s$, $60m^3/s$로 측정되었고 측정된 유량을 모델의 상류단 경계조건으로 사용하여 측정 유속 및 수심과 유사한 결과를 모델로부터 취득할 수 있었다. 조류 농도 측정을 위해 독일 bbe사의 AlgaeTorch 10을 사용하였으며, 수리량 측정과 동일한 측선서 총 조류 세포수(cells/ml)를 측정하였다. 농도 측정결과, 하류로 내려감에 따라 조류의 농도가 증가하는 경향이 나타났고 금호강 합류 후 최대농도는 측정구간 최하류 우안서 4,460 cells/ml로 나타났다. 주 흐름이 발생하는 하천 중앙부에 비해 유속이 느린 하안서 상대적으로 높은 농도가 측정되었으며, 이와 같은 경향은 하류로 내려감에 따라 강하게 나타났다. 측정된 조류 농도를 이용한 2차원 이송-확산 모델 검증결과, 합류부 최상류 측선서 MAPE = 10.5 %의 최대오차가 발생하였고 최하류 측선서 MAPE = 6.7 %의 최소오차가 발생하였다. 인과 질소와 같은 영양염류의 농도가 높고 횡 방향 수온 분포가 균일한 대상구간의 특성상 영양염류 함수와 수온 함수로부터 계산된 성장속도 가중치 범위는 각각 0.8~1.0, 0.91~1.09로 공간적 변동성이 크게 나타나지 않은 반면, 수심을 변수로 하는 일사량 함수의 성장속도 가중치 범위는 0.05~1.00으로 상대적으로 매우 높은 공간적 변동성이 나타났다. 수심이 4 m 이하인 하천 양안서 0.8 이상의 가중치가 나타났으며, 수심이 7 m 이상인 하천 중앙서 0.4 이하의 가중치가 나타났다. 본 연구의 수치모의 결과, 수리동역학 모델로부터 계산된 수심이 모델 결과 값에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.