• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.26 no.2B
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• pp.161-170
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• 2006

A tracer test technique using a radioisotope was proposed to investigate pollutant mixing characteristics in rivers. The main advantages of radioisotope as a tracer in field tests are that it can be detected easily, and that its detection range is quite large. Also, using the radioisotope, the amount sorbed by the bed material and the biota may be a minimum. Field tracer tests were conducted at seven different sites in natural rivers with various meandering pattern. Based on the acquired data, the behavior of the tracer cloud in the intermediate-field was examined two-dimensionally, and dispersion coefficients were calculated using several evaluation methods. Results revealed that the tracer cloud was transported skewed to the outer bank and dispersion coefficients in bends were larger than those in straight reaches.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.55 no.8
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• pp.623-634
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• 2022

Due to river maintenance projects such as the creation of hydrophilic areas around rivers and the Four Rivers Project, the flow characteristics of rivers are continuously changing, and the risk of water quality accidents due to the inflow of various pollutants is increasing. In the event of a water quality accident, it is necessary to minimize the effect on the downstream side by predicting the concentration and arrival time of pollutants in consideration of the flow characteristics of the river. In order to track the behavior of these pollutants, it is necessary to calculate the diffusion coefficient and dispersion coefficient for each section of the river. Among them, the dispersion coefficient is used to analyze the diffusion range of soluble pollutants. Existing experimental research cases for tracking the behavior of pollutants require a lot of manpower and cost, and it is difficult to obtain spatially high-resolution data due to limited equipment operation. Recently, research on tracking contaminants using RGB drones has been conducted, but RGB images also have a limitation in that spectral information is limitedly collected. In this study, to supplement the limitations of existing studies, a hyperspectral sensor was mounted on a remote sensing platform using a drone to collect temporally and spatially higher-resolution data than conventional contact measurement. Using the collected spatio-temporal hyperspectral images, the tracer concentration was calculated and the transverse dispersion coefficient was derived. It is expected that by overcoming the limitations of the drone platform through future research and upgrading the dispersion coefficient calculation technology, it will be possible to detect various pollutants leaking into the water system, and to detect changes in various water quality items and river factors.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.54 no.12
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• pp.1305-1316
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• 2021

In this study, a new empirical formula for 2D transverse dispersion coefficient was developed using the results of previous tracer test studies, and the performance of the formula was evaluated. Since many tracer test studies have been conducted under the conditions where the width-to-depth ratio is less than 50, the existing empirical formulas developed using these imbalanced tracer test results have limitations in applying to rivers with a width-to-depth ratio greater than 50. Therefore, in order to develop an empirical formula for transverse dispersion coefficient using the imbalanced tracer test data, the Synthetic Minority Oversampling TEchnique (SMOTE) was used to oversample new data representing the properties of the existing tracer test data. The hydraulic data and the transverse dispersion coefficients in conditions of width-to-depth ratio greater than 50 were oversampled using the SMOTE. The reliability of the oversampled data was evaluated using the ROC (Receiver Operating Characteristic) curve. The empirical formula of transverse dispersion coefficient was developed including the oversampled data, and the performance of the results were compared with the empirical formulas suggested in previous studies using R². From the comparison results, the value of R² was 0.81 for the range of W/H < 50 and 0.92 for 50 < W/H, which were improved accuracy compared to the previous studies.

• 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.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.33 no.2
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• pp.495-506
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• 2013

This study developed the Time-split Mixing Model (TMM) which can represent the pollutant mixing process on a three-dimensional open channel through constructing the conceptual model based on Taylor's assumption (1954) that the shear flow dispersion is the result of combination of shear advection and diffusion by turbulence. The developed model splits the 2-D mixing process into longitudinal mixing and transverse mixing, and it represents the 2-D advection-dispersion by the repetitive calculation of concentration separation by the vertical non-uniformity of flow velocity and then vertical mixing by turbulent diffusion sequentially. The simulation results indicated that the proposed model explains the effect of concentration overlapping by boundary walls, and the simulated concentration was in good agreement with the analytical solution of the 2-D advection-dispersion equation in Taylor period (Chatwin, 1970). The proposed model could explain the correlation between hydraulic factors and the dispersion coefficient to provide the physical insight about the dispersion behavior. The longitudinal dispersion coefficient calculated by the TMM varied with the mixing time unlike the constant value suggested by Elder (1959), whereas the transverse dispersion coefficient was similar with the coefficient evaluated by experiments of Sayre and Chang (1968), Fischer et al. (1979).

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.112-113
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• 2021

하천으로 유입되는 오염물질은 유수의 흐름에 따라 이송되며 혼합된다. 이러한 오염물질의 해석을 위해서는 확산 또는 분산계수 산정이 필요하다. 오염물질의 거동과 관련된 실험적 연구는 방사선 동위원소와 형광성 물질을 이용하여 수행되어 왔으나, 추적자 실험은 많은 비용 및 인력을 요하며, 고정식으로 설치한 계측장비로부터 수집한 시계열 농도자료만을 이용하여 분석하기 때문에 공간적 분포에 대한 자료 취득은 어렵다는 한계가 있다. 하천의 오염물질을 모니터링하기 위해서는 공간을 이동하는 입자의 관점에서 물리량을 표현하는 Lagrangian 방식보다 특정 위치에서 물리량 변화를 표현하는 Eulerian 방식이 적합하다. 그러나 드론을 활용한 하천원격탐사 연구의 대부분은 이동식 플랫폼으로 활용되어 특정 시간에 공간적 분광특성의 분포 파악이 한정적이며, 동일 지점에서 분광특성의 시간적 변화를 파악할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 기존의 면단위를 측정하는 이동식 플랫폼의 한계를 극복하고 하천 모니터링에 적합한 Eulerian 방식을 적용하기 위하여 CCTV 형태의 고정식 초분광촬영 플랫폼을 도입하였다. 본 연구에서는 하천으로 유입되는 오염물질의 거동을 분석하기 위하여 자연하천에서 형광성물질인 Rhodamine WT를 이용하여 추적자 실험을 수행하였으며, 접촉식 센서를 활용한 농도측정과 동시에 드론과 초분광센서를 활용하여 CCTV 형태의 고정식 초분광영상을 획득하였다. 실험결과 도출된 전통적인 방식의 분산계수 산정과 시공간 초분광영상을 활용한 분산계수 산정을 비교하여 오염물질 거동 분석에 초분광영상 활용의 가능성을 검토하였다. 본 연구에서 제시한 드론기반 시공간 초분광영상 기법을 교량이나 기타 하천구조물에 초분광 센서를 설치하여 CCTV형식으로 활용할 경우, 공단이나 하·폐수 처리장 등의 점오염원이 밀집해 있는 지역에 직접 설치하여 화학사고의 감지 및 오염물질의 유출 확인 및 조류, 부유사 등의 다양한 수질항목의 농도 변화 감지가 가능하고, 수심변화 감지로 장기적으로 활용할 경우 특정 지점에서의 하상변동 조사가 가능하다. 또한, 오염물질의 유출 사고 발생 등의 사람이 직접 접근이 불가능한 지역에 드론을 활용하여 초분광센서를 이용한 오염물질 감지가 가능할 것으로 판단된다.