서해 연안에 위치한 임해발전소는 지형의 특성상 천해역으로 냉각수를 방출하는데 현재까지는 시공성과 유지관리측면에서 심층방류보다 유리한 표층방류를 대부분 택하고 있다. 본 연구에서는 점차 그 중요도가 증대되는 연안환경 보호측면에서 표층방류된 냉각수의 확산거동을 심도있는 실측을 통하여 살펴보고, 이러한 표층 부력?의 거동을 전문가 해석 기법을 응용한 특성길이 혼합모형인 CORMIX3를 이용한 결과와 비교한다. (중략)
기후변화는 더 이상 피할 수 없는 매우 중요한 문제다. 온실가스 중 큰 비중을 차지하는 이산화탄소 배출을 억제하거나 제거하기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다. 최근에는 CCS 중 하나인 지중저장(underground storage)의 대안으로 해양에 이산화탄소를 저장하는 기술인 AWL(Accelerated Weathering of Limestone)을 이용한 해양저장(ocean storage)에 대한 연구가 진행되고 있다. AWL은 이산화탄소를 중탄산이온 형태의 농축수로 만들어 해양에 방류하여 희석 저장시키는 방법으로, 대기 중 재방출이 거의 발생하지 않고 배출된 농축수는 해양의 알칼리도를 높여 해양산성화를 방지할 수 있는 장점이 있다. 금회 연구는 AWL에 의한 방법 중 중탄산이온 농축수의 해양방류 시 이산화탄소 등을 포함하는 용존 무기탄소(DIC, Dissolved Inorganic Carbon)의 거동특성을 파악하기 위한 목적으로 수행하였다. 연구대상 해역은 충분한 수심과 작업효율성이 확보되는 울릉도 부근으로 설정하였으며, 거동특성을 파악하기 위하여 표층방류(surface discharge)와 수중방류(submerged discharge)에 의한 물질확산을 계산할 수 있는 CORMIX모형을 채택하였다. 실험결과, 방류 시점으로부터의 희석률을 고려했을 때, 표층방류 시나리오가 농축수 방류에 가장 적합한 방식이라고 사료된다.
연안지역에 위치하는 하수처리장은 배제된 우수와 처리수를 해양에 방류하는 것을 고려한다. 현재 인천 학익하수처리장은 해안에 인접한 수면에 처리수를 직접 방류하는 표층방류 방법으로 설계되었다. 이러한 표층방류 방법은 조차(Tidal Range)가 큰 해안에서 방류수위가 조위(Tidal Level)보다 낮을 경우 방류관거로 해수가 유입하여 하수처리장내에서의 수리적인 문제를 유발할 수 있다. 본 연구에서는 하수처리장 방류관거로의 해수유입 방지를 위하여 방류맨홀에 Weir를 설치하는 방안을 제시하였다. 그리고 Weir의 설치에 따른 수리계산을 수행함으로써 그 적정성을 검토하였다. 수리계산 결과 방류맨홀에서 해수의 유입이 발생되지 않는 것으로 분석되었으며, 이로 인해 인천 연안의 기왕 고극조위 발생시에도 처리수의 원활한 배출이 이루어질 것으로 판단된다.
이차원 표층방류 밀도분류의 거동을 조사하기 위하여 k-$\varepsilon$ 이방정식 수치모델을 개발하였다. 평균류 및 난류수송에 관한 계산결과를 실험결과와 비교하여 본 수치모델이 이들의 흐름특성을 양호하게 예측할 수 있음을 확인하였다. 방류구에 있어서의 k 및 $\varepsilon$의 설정이 표층 밀도분류의 흐름에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다. 또한, 많은 연구에서 무시되어 왔던 $\varepsilon$ 방정식에 있어서의 부력생성항 및 계수 $C\varepsilon$$_3$의 값에 대한 검토를 행하여 흐름의 전개에 미치는 영향을 조사하였다. 이차원표층 밀도분류에 관한 계산결과를 제시하고 중요한 몇가지 흐름특성에 대하여 토의하였다.
수표면에 방류되는 온배수등의 흐름과 같은 표층방류밀도분류는 자유난류의 전단류 효과와, 방류수와 주위수의 밀도차에 기인하는 부력효과를 동시에 받는 흐름장을 형성한다. 또한, 이 흐름은 수표면 및 밀도계면에 의해 2 개의 자유경계에 둘러싸인 특이한 경계조건때문에 개수로 흐름으로 대표되는 자유전단류와 구별된다.(중략)
하구언이 설치된 하구의 여름철 환경변화는 방류되는 담수에 의해 결정된다. 본 연구에서는 영산강 하구언 담수방류에 의한 하구의 염분 및 수온 분포를 파악하기 위하여 2010년 6월 소규모 방류시와 8월의 집중방류 중 후로 3회에 걸쳐 8개 정점에서 관측한 CTD 자료를 분석하였다. 6월의 소규모 방류시 표층염분은 30~32.5 psu를 나타냈고, 수평구배는 고하도 근해에서 다른 해역에 비해 상대적인 큰 값을 보여주었다(0.25~0.32 psu/km). 그러나, 저층염분은 약 33 psu의 일정한 값을 보여 수평구배는 존재하지 않았다. 영산강 하구내 수온은 $19{\sim}21^{\circ}C$ 범위를 보이며 동서방향보다 남북방향의 구배가 상대적으로 크게 나타났다. 대규모 방류가 진행 중이었던 8월 12일의 경우 표층염분은 9~26 psu로 감소하였다. 또한, 고하도 북쪽 수로의 표층과 저층 수평구배가 각각 3.79 psu/km와 0.28 psu/km인 강한 염분전선이 형성되었다. 수온은 하구언에서 높고 멀어질수록 감소하는 경향을 보였으며, 고하도 북쪽수로 표층과 저층에서 각각 $-0.45^{\circ}C/km$와 $-0.12^{\circ}C/km$의 공간적 변화가 나타났다. 집중방류 후(3차 관측) 표층염분은 22~26 psu로 회복되었으나 고하도 주변해역에서 여전히 높은 수평구배가 나타났다. 저층염분은 26.5~27.5 psu의 범위로 전반적으로 감소하였으나 수평구배는 크지 않았다. 하구언 가까운 정점에서 관측한 염분과 수온 시계열 자료에 의하면, 상층의 고온저염수가 일시적으로 하강하였다가 빠르게 회복하는 패턴을 보여주었는데, $13{\times}10^6$ 톤 방류시 회복속도는 약 0.4 m/hr로 나타났다. 영산강 하구는 대규모 방류 후 전반적으로 저염화되고, 여름철의 강한 태양복사에 의해 표층수온은 증가하여 하구 내 성층구조가 강화되고 수직혼합이 억제되는 환경이 형성되었다. 담수방류에 따른 염분의 공간적인 분포특성을 볼 때, 수평구배가 높은 고하도 주변해역, 고하도에서 하구언까지 염분이 낮은 내측해역, 그리고 상대적으로 높은 염분을 보이는 고하도에서 연안까지 외측해역으로 구분할 수 있다.
천해역으로 표층 방류되는 온배수 특성을 배출추 인근의 수심이 20m 내외로 일정한 대상 임해발전소를 선정하여 다수의 정점에서 계절별로 수신별 수은을 관측함으로써 방류수온의 수평적인 분포와 연직구조를 심도 있게 파악하였다. 서해안 천해역에서 관측된 표층온배수 특성은 전적으로 주변조류속에 의해 지배되며, 유속이 강한 창낙조시에는 자유? 형태를 저 유속의 게류시는 플륨의 성향을 나타냈다. 다소 주변유속의 강도에 따라 차이는 있으나 초기 ?모멘텀이 지배하는 근역의 경계는 배출구로부터 200-300m 정도인 것으로 파악되었다. 이 구간에서는 수온의 연직적인 구조가 확인하고 배출구로부터 유하거리에 따라 수온이 지수적으로 감소함을 보이나 800m 이후에는 표층방류임에도 불구하고 난류확산으로 연직변화가 거의 나타나지 않았다. 특성길이 혼합모형(CORMIX3)을 이용하여 실측자료와의 비교점토가 이루어졌는데 실제의 제 현상을 대부분 잘 재현하였다. 수평확산의 범위를 포함하여 전반적으로 만족스러운 결과가 유도되었으며 특히 근역 및 중간역을 잘 모의할 수 있었다.
마산시 하수 종말처리장의 년간 방류량은 63×10/sup 6/ m³ 이며 처리수의 해양방류로 인하여 방류위치에 부하되는 중금속의 량은 년간 Zn 8,645 Kg, Ni 3,291 Kg, Cu 1,636 Kg 그리 고 Pb 1,250 Kg으로 방류지점 표층 퇴적물의 중금속 오염이 급속히 진행 되고 있다. 특히 Zn과 Cu는 동일 위치의 비오염층과 비교 할 때 3배 정도 오염되었다. 다양한 오염도 평가방법으로 방류지역 퇴적물을 평가한 결과 USEPA의 퇴적물 오염도 기준과 비교하였을 때 "극심한 오염 수준" 이었으며, 다종의 중금속 측정결과에 의한 종합적인 오염도 판단 결과는 "상당한 오염수준"으로 오염이 증가 되었다. 이와같이 오염이 증가된 방류 해역 표층 퇴적물의 중금속 함량을 생태위해성 기준을 적용하여 평가하였을 때 16~47%의 생육저해를 유발할 수 있는 오염수준으로 평가되었다.
방류 유무에 따른 유속, 잔차류 그리고 염분의 시공간적인 분포를 파악하기 위해서 영산강 하구둑에서 서쪽방향으로 7.5 km의 구간까지 방류 시와 미방류 시에 종단면의 유속, 수온 그리고 염분을 한 조석 주기 동안 1시간 간격으로 동시에 관측하였다. 미방류 시에 연구지역의 유속 형태는 창조지속 시간이 길고 낙조류가 강한 낙조우세 특성을 보인다. 방류 시에 표층 최대 유속은 최대 1.5 m/s의 제트류 형태로 방류되지만, 저층 유속은 미방류 시와 비교해보면 0.4 m/s로 크게 변하지 않는다. 방류 시의 수직 잔차류 분포는 담수의 영향으로 일반적인 하구에서 보이는 2층 흐름 구조를 가지는 반면에, 미방류 시에는 다층 흐름 구조가 나타난다. 일반적으로 방류로 인하여 하구둑 외측에서 강한 연직 혼합이 일어나는 것으로 알려져 있으나, 본 연구조사에서는 방류에 의해서 염분 성층이 발달하고, 표층과 저층간의 연직 혼합에 크게 기여하지 않는 것으로 나타났다. 이는 방류가 강하게 일어남에도 불구하고 하구둑 전면의 지형적 효과와 밀도 차에 의한 해수 흐름 특성에 의한 것으로 판단되며, 이를 통해 하구둑 방향의 물질수송은 수직 방향보다는 수평 방향으로 나타남을 알 수 있다.
금강하구언에서 낙조동안 인위적으로 방류된 담수의 하구 내 거동을 파악하고자 1997년 5월과 1998년 7월에 각각 수로방향으로 설정된 3개 지점에서 표층 염분변화를 관측하였으며, 1999년 7월에는 군산-장항간 도선항로를 따라 18일간 표층염분과 수온을 관측하였다. 관측된 염분변화의 특징으로부터 방류된 담수가 하구 내에서 거동${\cdot}$소멸하는 과정을 분석하였다. 담수가 방류되면 저염수는 하구 폭 전반에 걸친 강한 염분전선을 형성하며 담수거동은 기본적으로 조석운동에 동조되어 수로를 따라 왕래하고, 이 전선의 통과로 염분은 급격한 변화를 보인다. 수문개폐로부터 한 조석주기 이후의 하구 폭 평균염분의 시간적 변화로부터 해석된 수로방향의 공간적 분포는 전선역에 담수희석수가 응축되며 표층염분이 상류쪽으로 갈수록 점진적으로 증가하는 것으로 제시되었다. 이러한 염분의 전선역 분포는 두 시간정도의 하구언 수문 개방에 의한 급작스런 담수공급과 중단에 의해 발생한 것으로 해석되었다. 매일 담수방류의 반복은 수문 개방시기에 의해 이전의전선과 새로운 전선의 분리(이중전선) 혹은 병합을 만들고, 담수공급이 2일 이상 중단되면 염분이 증가되며 전선이 소멸한다. 또한, 표층염분 변화에 나타나는 변동과 변이는 하구언에서 인위적으로 행해지는 담수 방류량 차이에 의해 발생하는 염분전선의 세기와 통과시기의 공간적 차이, 그리고 일시적인 하구수로 방향을 따른 염분전선 등에 의한 것으로 해석되었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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