1. 서 론
2. 연구방법
2.1 무동력 수류순환시스템 개요
2.2 전산유체역학 (CFD) 모의
2.3 테스트베드 구축 및 모니터링 (1차: 공릉저수지, 2차: 기흥저수지)
3. 결과 및 고찰
3.1 전산유체역학 (CFD) 모의 결과
3.2 테스트베드 장기 모니터링 결과
3.3 현장여건에 따른 수류순환시스템 적용방안
4. 결 론
1. 서 론
국내의 많은 호수 및 저수지에서 다양한 수질오염물질의 유입으로 인한 부영양화와 정체수역 증대, 유속감소 및 일조량 증가로 인한 녹조의 대량 발생 등이 사회적 문제로 대두되고 있다 (Kim and Hwang 2004). 국내 18,000여 개의 저수지의 경우 90% 이상은 5 m 이하의 얕은 수심을 가지고 있으며 (Choi et al. 2015), 수심이 2 m 이하인 얕은 저수지에서도 농도 및 온도 성층이 형성되고, 저층의 용존산소농도 (DO, dissolved oxygen)가 2 mg/L 이하로 떨어지는 빈산소화가 발생할 수 있다는 연구결과도 보고된 바 있다 (Park et al. 2017). 이러한 저수지는 식물성 플랑크톤의 대량 증식으로 인한 부영양화의 경향성이 높으며, 인위적인 오염원이 유입될 경우에는 부영양화가 더욱 빠르게 진행되어 저수지 본래의 이수 목적을 상실하는 경우를 흔히 볼 수 있다 (Lee 2011). 최근 들어 산업의 고도화와 인구 증가 및 밀집화, 생활수준의 향상으로 인해 저수지로 유입되는 인위적인 오염물질의 양이 크게 늘고 있어 수질이 악화되어 가는데 반하여, 이를 보전하고 개선하는 방안은 미흡하여 수질관리에 차질을 빚고 있다 (Bang et al. 2008). 저수지의 대부분은 농업용수원 또는 상수원으로 이용되기 때문에 수질개선의 중요성 또한 점점 부각되고 있는 실정이다 (Kim 2010, Song 2012).
국내 대부분의 저수지의 경우 생성연도가 오래되었고, 깊은 퇴적층을 가지며, 유역 내 임야의 면적이 상대적으로 넓고, 인위적인 방류시설이 없어 부영양화가 지속적으로 진행되고 있다 (Choi 2016, Lee et al. 2003, Joo et al. 2017). 저수지의 부영양화가 지속됨으로써 표층에는 과도한 조류가 발생하게 되고, 정체현상으로 인해 수류순환이 원활히 이루어지지 않아 대발생 상태가 지속된다 (Park et al. 2007). 이때 표층에서는 조류의 영향으로 DO 과포화 상태가 나타나고, 사멸된 조류가 침강하여 분해됨에 따라 저층에서는 빈산소화 및 혐기화 상태가 나타나게 된다. 또한 마이크로시스틴, 아나톡신 등 독성물질 유발, 맛･냄새물질 (2-MIB, Geosmin) 발생, 침강된 유기체로부터의 영양염류 (인･질소 등) 용출, 퇴적층으로부터의 중금속 (Mn, Fe) 용출에 기인하는 흑수 및 적수 현상 발생, 유해가스 (메탄, 황화수소, 암모니아 등) 발생 등의 원인이 되기도 한다 (Jung and Kim 2007).
이를 방지하기 위한 대책으로 1) 인위적 수류순환을 통한 성층현상 파괴, 2) 폭기를 통한 직접적인 산소 공급, 3) 살조제 및 응집제 투여, 4) 퇴적물의 준설, 5) 조류 및 수초의 직접 제거 등이 시행되고 있다 (Lee 2006, Lee et al. 2013). 최근 수생태 환경에 미치는 영향이 작고 상대적으로 적용이 용이한 여러 성층 저감대책의 도입이 검토되고 있다. 상용화되어 있는 성층 저감대책으로는 인공폭기와 대류식 순환방식 및 밀도류 확산방식 등이 있다. 인공폭기는 저층부에 압축공기를 공급하여 심층수를 상승시키고 수체의 전체적인 혼합을 도모함으로써 성층현상 및 심층의 무산소 상태를 완화하는 방법으로, 수심이 얕은 저수지에서는 오히려 수직순환을 유발하여 심층의 영양염류가 표층으로 공급됨으로써 조류의 과성장에 기여할 우려가 있다 (Kim et al. 2003). 대류식 순환방식은 임펠러를 이용한 물순환 방식이고 (Park et al. 2006), 밀도류 확산방식에서는 표층과 심층의 물을 수온약층에 확산시키는 기법이 활용된다 (Lee et al. 2014). 위에서 기술한 방식들은 모두 동력을 필요로 하기 때문에 설치장소에 제한이 따르고 경제적 측면에서 비효율적이라는 단점이 지적되고 있다. 심층폭기의 경우 성층을 파괴하지 않고 무산소 상태의 심층에 직접 공기를 주입함으로써 금속이온 (Mn, Fe 등)을 산화시키거나 저질로부터의 인 용출을 줄이는 방법으로, 과도한 시설비 및 유지비용의 문제로 인해 대규모로 도입하기에는 어려움이 있는 것으로 보고되고 있다 (Kim et al. 2003).
따라서 본 연구에서는 기존 기술들이 갖고 있는 단점을 보완･개선하여 자연에너지를 사용하는 무동력 수류순환시스템을 개발하였다. 해당 시스템은 조류가 집중적으로 번성하고 있고 DO가 풍부한 표층수를 직접 심층부로 하강 유도함으로써 정체된 수역의 수질개선에 기여한다. 본 기술은 바람에 의해 생성된 표층수를 심층부로 하강 유도시키는 원리를 채택하고 있어, 영양물질을 고농도로 함유하고 있는 심층수를 상승시킬 때 발생하는 문제점을 해소함과 동시에, 빈산소화된 심층에 DO가 풍부한 표층수를 공급하여 심층폭기 방식과 동일한 효과를 낼 수 있도록 하였다. 또한 국내에 일반적인 5 m 이내의 얕은 수심의 저수지에 적용이 용이하도록 디자인하여 범용성을 높였다. 선행 연구논문에서는 무동력 수류순환시스템의 구조와 원리를 소개하고, 공릉저수지 (경기도 파주시 소재, 계곡형) 테스트베드의 운영결과에 대하여 분석하였으며, 조류의 번성으로 인해 DO 및 pH가 과도하게 상승한 표층수를 심층으로 하강시킴으로써 정체된 수역의 수질개선에 기여함을 확인하였다 (Jang et al. 2018).
기존 연구의 후속으로 선행 테스트베드와는 다른 특성을 갖는 기흥저수지 (경기도 용인시 소재, 평지형)에 신규 테스트베드를 추가로 구축 및 운영하였다. 본 논문에서는 기존 연구를 바탕으로, 무동력 수류순환시스템의 전산유체해석 (CFD, computational fluid dynamics) 결과를 제시하는 한편, 두 테스트베드의 운전결과를 비교･고찰하고, 현장적용성 제고방안을 검토하였다.
2. 연구방법
2.1 무동력 수류순환시스템 개요
바람과 수류에너지를 이용하여 수층의 성층화와 저층의 빈산소화를 방지하고 수질을 개선하기 위한 무동력 하향류 수류순환시스템을 개발하였다. 그 원리는 바람에 의해 유도된 표층의 취송류를 활용하여 별도의 외부동력 없이 수체 하부 방향으로의 물순환을 유도함으로써 성층현상을 완화하는 시스템이다 (Fig. 1). 해당 시스템의 상부에는 1) 바람을 맞아 취송류의 방향과 항상 수직을 유지하도록 하는 바람판 (wind blade)과 2) 전체 시스템에 부력을 제공하는 부력체 (float)가 있으며, 하부에는 3) 표층수를 하강시켜 하향의 물순환을 유도하는 패널시스템 (panel system) 등이 위치한다. 우리나라에서 바람에 의해 유도된 취송류는 바람의 방향으로부터 우측으로 약 15 - 20° (18.6°) 정도 편향되어 형성된다는 보고를 바탕으로, 바람판과 패널시스템을 15°이격시킨 형태로 제작하여 취송류의 에너지 손실을 최소화하면서 하향류로 전환하도록 하였다 (Jang et al. 2018).
2.2 전산유체역학 (CFD) 모의
수류의 형성특성, 수류순환시스템의 영향반경 및 조류의 거동을 분석하기 위해서 CFD를 통한 모의를 수행하였다. Fig. 2와 같이 해석모델을 구축하였고, 해석조건은 Table 1과 같다. 가로 100 m × 세로 100 m × 깊이 4 m (수심 3 m)로 해석범위를 설정하였고, 해당 해석범위의 중심에 수류순환시스템을 배치시켰다. 바람판 (wind blade)은 수면 밖에 위치시켰고, 패널시스템 (panel system)은 풍향에 의해 형성된 수류의 흐름을 분석하고자 물속에 수직으로 위치시킨 후 모의하였다. Mesh의 최소길이는 0.025 m로 설정하였다.
Table 1. Conditions of CFD simulation
2.3 테스트베드 구축 및 모니터링 (1차: 공릉저수지, 2차: 기흥저수지)
수류순환시스템의 현장적용성을 검토하기 위하여, 2곳에 테스트베드를 구축･운영하고 모니터링을 실시하였다. 테스트베드의 설치지점은 1차 공릉저수지 (경기도 파주시 소재) 및 2차 기흥저수지 (경기도 용인시 소재)이다. 모두 평균수심 5 m 이하의 저수심 저수지로서 성층현상이 뚜렷이 나타나는 공통점이 있다. 공릉저수지의 경우 상류지역에 산지, 골프장, 경작지 및 주거지가 위치하고 있어 하절기를 중심으로 조류 발생이 심화되는 곳이다. 농업용 저수지로서 봄철 농번기에 농업용수 공급에 따른 심한 수심 저하가 나타난다. 저수지 전체가 산으로 둘러싸여 있어 산곡풍의 영향을 받는다 (계곡형 저수지). 반면에, 기흥저수지는 평지에 위치하며, 시민의 접근성이 좋아 휴식공간으로서의 활용도가 큰 특징을 갖고 있다. 또한 상류에 하수처리장 및 친수시설 등 다양한 시설물들이 위치하고 있다 (평지형 저수지). 두 저수지의 특성에 대하여 Table 2에 정리하였다.
Table 2. Monitoring conditions
수류순환에 따른 수질개선 효과를 모니터링하기 위하여, 표층 (수표면으로부터 약 30 cm 지점) 및 심층 (패널시스템의 직하부 지점)에 실시간 수질분석센서를 장착하였다. 모니터링은 2016년 10월부터 2019년 6월 현재까지 지속적으로 실시하고 있다. 수류순환시스템의 설치지점 (monitoring site)과 대조지점 (control site)의 위치는 Fig. 3과 같다. 설치지점의 경우 유속이 적당히 느리며, 패널시스템의 하부 위치보다 수심이 0.5 m 이상 깊은 곳을 선정하였고, 대조지점은 설치지점에서 최소 100 m 이상 떨어진 곳으로 하였다. 실시간 수질분석센서로는 기술과환경㈜에서 제작한 다항목측정기를 사용하였으며, 수온, DO, DO saturation, pH, 전기전도도 (conductivity), TDS (total dissolved solid) 및 회전각 (compass) 등을 실시간으로 측정, DB화 하였다. 기타 사항은 기존 논문 (Jang et al. 2018)에서 더욱 상세하게 제시하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 전산유체역학 (CFD) 모의 결과
무동력 수류순환시스템에 대한 CFD 모의 결과는 Fig. 4와 같다. Fig. 4 (a)와 (b)에서는 유체흐름 (유동, fluid flow)에 대해 모의하였다. 패널시스템에 대해 수직 방향으로 각각 A-A’, B-B’, C-C’ 및 D-D’의 네 구간으로 구분하여 각 평면에 대하여 도시하였다. A-A’, B-B’, C-C’ 및 D-D’의 네 구간 모두에서 바람에 의해 수표면에 취송류의 수류가 형성되고, 이 수류가 패널시스템의 유도에 따라 각 단면별로 수직 방향의 하향류를 형성하는 것으로 모의되었다. 이때의 최고 유속은 0.5 m/s로 모의되었다. 각 mesh별로 x축, y축 및 z축에 대한 벡터량으로부터 유속을 계산하고, 전체 해석범위 내에서의 수류순환 효과로 환산하였을 때, 약 39.1 m3/s로 산정되었다. 이 값은 5 m/s의 바람이 지속적으로 불고 있을 때 본 시스템에 의해 기대할 수 있는 수류순환 효과 총량의 추정치에 해당하는 것으로 해석하였다.
Fig. 4 (c)와 (d)에는 본 시스템의 유무에 따른 수체 내 밀도의 분포와 조류 입자들의 거동을 모의한 결과를 도시하였다. 본 시스템이 장착된 Fig. 4 (c)의 경우에는 수류순환 효과 및 조류 입자들의 하향 거동이 뚜렷하게 모의되었으나, 대조지점을 모의한 Fig. 4 (d)의 경우에는 바람이 불고 있음에도 불구하고 전체 수체에 대해 성층이 완화되지 않는 것으로 나타났다. 이상의 모의 결과를 바탕으로 성층 완화 효과가 전체 해석범위 (단면 100 m) 내에서 전방 및 후방으로 30 m 이상의 거리에까지 미치고 있는 것으로 분석되어 해당 수류순환시스템의 영향반경은 약 30 m로 추정하였다.
3.2 테스트베드 장기 모니터링 결과
기존의 1차 테스트베드 (공릉저수지, 계곡형) 분석결과를 통해서 얕은 수심의 저수지에서도 온도 및 여러 수질인자의 농도 성층이 뚜렷하게 형성되고, 수류순환시스템이 풍향에 따라 지속적으로 회전하며, 정상적으로 구동되는 기간에는 표층과 심층의 DO 및 pH를 포함한 여러 수질인자의 차이 (농도 성층)를 현저하게 저감시키는 효과가 있음이 확인된 바 있다 (Jang et al. 2018). 본 연구에서는 추가적으로 기흥저수지 (평지형)에 2차 테스트베드를 구축하여 실시간으로 표층과 심층에 대해 모니터링 하였으며 그 결과는 Fig. 5에 나타내었다.
해당 모니터링 기간 중 5월 말부터 8월 말까지 간헐적으로 시스템의 작동 (회전)이 중단되거나 수심이 낮아 매우 불안정한 시기가 반복적으로 나타나고 있는데, 이는 농업용수 공급과 저수지 준설 및 공원 조성공사를 위해 본 수류순환시스템을 설치한 지점의 수심이 기존 6 - 7 m에서 3 - 4 m 전후로 크게 낮아졌기 때문이다. 2차 테스트베드에 적용된 패널시스템의 높이가 4 m에 달하여 5 m 이상의 수심이 확보되지 않으면 정상적인 회전이 불가능해지는 상황이 약 3개월에 걸쳐 반복되었다. 본 시스템이 정상적으로 운영되는 기간에는 표층부와 심층부 모두에 대해 안정적으로 DO 5 mg/L 이상을 유지하고 있으나, 운전이 불안정해진 시기에는 심층의 극심한 빈산소화 현상이 관찰되었다. 표층과 심층의 DO 농도 차이가 최대 15 mg/L 이상까지 벌어지고, 표층의 DO 과포화 상태 또한 개선되지 않는 것으로 나타났다.
수온, pH 및 전기전도도 또한 본 시스템의 운영이 불안정해진 시기 (5월 말 - 8월 말)에 표층과 심층의 차이가 커지는 것이 확인되었다.
이상의 결과로부터 본 수류순환시스템이 정상적으로 운영되는 시기에는 표층과 심층 사이의 지속적인 수류순환 작용에 의해 다양한 수질인자의 농도 성층이 완화되는 반면, 적절히 운영되지 않는 시기에는 저층부의 빈산소화가 심해지는 등 여러 수질적 문제가 심화되는 것으로 판단되었다.
1차와 2차 테스트베드는 각각 계곡형과 평지형이라는 차이가 있으며, 두 테스트베드의 운전 결과를 비교하면 다음과 같다. 첫째, 회전각 (compass)은 계곡형 저수지인 1차 테스트베드에서 더 크게 나타났으며, 이는 일주기 변동이 더 뚜렷한 산곡풍의 영향인 것으로 판단된다. 그러나 기타 장기간에 걸친 여러 수질항목들의 시계열 거동으로부터 이 회전각의 차이가 본 수류순환시스템의 기능에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 분석되었다. 둘째, 1차 테스트베드는 봄철 (5월 초 이후)의 심각한 가뭄 및 농업용수 사용에 따른 수심 저하로 인해, 2차 테스트베드는 여름철 (6월 이후)의 준설로 인한 고탁수와 저수심에 영향을 받았다. 두 테스트베드 모두에서 저수심 조건에서 한시적으로 수류순환시스템이 정상적으로 회전하지 않았으며, 이로 인해 수류순환 효과가 저해되는 것으로 나타났다. 셋째, 수질항목별로 비교하면, DO 및 pH의 경우 두 테스트베드에서 유사한 농도로 관찰되었으며, 조류의 영향 또한 비슷한 수준으로 분석되었다. 전기전도도는 2차 테스트베드가 전체적으로 높게 측정되었으나 이는 상류에 여러 하수처리시설이 위치하고 있는 평지형 저수지의 특성에 따른 것으로 판단된다. 종합적으로 고찰하면, 1차 및 2차 테스트베드에서 각 수류순환시스템의 운영상의 차이점은 크지 않았으며, 대상 저수지의 수리적, 수질적 특성에 부합하는 적절한 위치선정 및 설계가 보다 중요한 것으로 사료된다.
3.3 현장여건에 따른 수류순환시스템 적용방안
1차 및 2차 테스트베드는 수질적 조건, 유역의 여건 및 수심 등 여러 측면에서 상이하기 때문에 각 현장여건을 반영한 적용방안을 검토하였다. 1차와 2차에 도입한 수류순환시스템의 개선 및 비교사항은 Fig. 6에 나타내었다.
2차 테스트베드의 현장적용성을 높이기 위해 적용된 사항은 다음과 같다. 1) 바람판 (wind blade)과 패널시스템 (panel system) 사이의 이격각을 15°로 유지하면서도 구조적 안정성을 제고하도록 바람판의 구조를 일자형에서 지그재그형으로 개량하였다. 2) 전체 시스템을 띄우는 부력체 (float)의 재질을 STS (Stainless steel)에서 HDPE (high density poly-ethylene)의 기성품으로 대체하였다. 3) 1차 테스트베드 (수심 약 3 m)에 비해 2차 테스트베드의 수심이 6 m 이상으로 증가함에 따라, 하부에 위치하는 패널시스템을 기존의 단단 (單段)구조에서 2개의 층을 가진 2단구조로 변경하였다. 각 단은 6 m (W) × 2 m (H)의 크기를 기본으로 하는 모듈형으로 제작하였다. 각 단과 프레임 사이에는 힌지 구조를 도입하여 홍수시 수류에 대한 무리한 저항을 줄일 수 있도록 유동적으로 구성하였다. 이와 같은 검토를 통하여 향후 현장적용 단계에서 대상 수체의 수심이나 홍수시 대책 등 다양한 여건 변화에 대한 대응성을 높일 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 본 수류순환시스템의 현장적용성을 제고하기 위해서는 적용대상 저수지의 수심 및 계절적 변동특성, 이수특성, 홍수시 및 저수심 조건에 대한 대응방안 등에 대한 검토가 필요한 것으로 나타났다.
4. 결 론
국내 저수심 저수지의 성층현상을 완화하여 수질을 개선하는 수류순환시스템을 개발하였다. 본 수류순환시스템의 수류순환 효과를 검증하기 위하여 전산유체역학 (CFD) 모의를 실시하였다. 또한 계곡형 및 평지형 테스트베드를 각각 구축하여 장기간에 걸쳐 표층부와 심층부의 수질을 실시간으로 모니터링함으로써 수질개선 효과를 검증하였다. 상이한 조건을 갖는 두 테스트베드의 운전 결과를 바탕으로 무동력 하향류 수류순환시스템의 현장적용성을 검토하였다. 본 연구의 주요한 결론은 다음과 같다.
1) 본 수류순환시스템을 모사한 전산유체역학 (CFD) 모의 결과, 수류순환시스템에 의해 하향류가 유도되어 표층과 심층 사이의 성층현상을 완화하는 것으로 나타났다. 수체의 비중 및 조류 입자의 거동에 대한 모의결과로부터 수류순환시스템의 영향반경은 약 30 m에 달하는 것으로 해석되었다.
2) 테스트베드에 대한 표층과 심층의 장기 실시간 모니터링 결과, 수류순환시스템의 수류순환 작용에 의해 (1) DO의 일주기 효과 및 변동폭을 완만하게 하고, (2) DO가 100% 이상으로 과포화되는 것을 저감하며, (3) pH의 과도한 상승을 방지하여 적정 수준으로 유지해주는 것으로 나타났다. 저수심의 국내 저수지에서 조류 발생에 따른 영향을 저감하고, 수질을 개선하는 데 도움이 될 것으로 판단되었다.
3) 본 수류순환시스템의 현장적용성을 제고하기 위해서는 적용대상 저수지의 수심, 이수특성, 홍수시 및 저수심 조건에 대한 대응방안 등에 대한 검토가 필요한 것으로 나타났다.
