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Cohesive Sediments in Water Resources: Research Perspectives
 

 점착성 부유사(Cohesive Sediments)는 일반적으로 마이크로미터 크기의 점토질 입자를 지칭하며, 표면전하 및 반발력의 영향으로 수중에서 안정한 상태로 부유하게 된다. 점착성 부유사는 강우 시 토양에서 유출되어 수체흐름과 함께 하천, 하구, 연안 및 원양으로 이송된다. 하지만, 응집을 통하여 개별 점착성 부유사 입자를 응집체로 성장시키고 수자원환경에서 침전, 퇴적하게 한다. 점착성 부유사 이송 과정 중, /댐 구조물에 의한 정체수역을 만나게 되면 응집 및 침전이 활성화된다. 또한, 민물과 바닷물의 경계수역인 하구언에서 생화학적 요인에 의하여 응집, 침전이 크게 이뤄지는 것으로 알려져 있다. 응집은 점착성 부유사 크기 및 침강속도를 결정하여, 결국 수자원환경에서의 점착성 부유사 거동, 운명을 결정하는 가장 중요한 기작이 된다

  

 

 최근 산업화, 도시화, 기후변화 등 인위적 요인으로 인하여 유역에서의 점착성 부유사 발생이 크게 증대되고 있으며, 수자원환경에서의 점착성 부유사 응집, 이송, 퇴적 양상이 크게 변화하여 생태, 사회, 경제적인 문제를 일으키고 있는 상황이다. 예를 들어, 최근 국내 수자원환경의 최대 이슈인 기후변화와 국가 대하천 정비사업에 따른 하천환경 변화에 의하여 점착성 부유사의 응집, 퇴적이 증대되고 있다. 보 건설로 인한 소류속도(Scouring Velocity) 감소 및 체류시간 증가, 그리고 녹조 등 수생태계 활성화는 입자 응집, 퇴적에 유리한 조건을 만들어 하상 저니층(펄층) 형성을 더욱 증가시키고 있다. 녹조 발생과 더불어, 펄층 형성은 국민의 불안감과 관심을 증폭시켰고 시급히 해결해야할 국가적인 과제로 판단된다. 또한, 우리나라 서해안은 점착성 부유사로 인한 펄층이 발달된 지역으로, 점착성 부유사로 인한 하구·항로·항만의 매몰이 빈번히 일어나므로, 항상 위험요소가 내재하고 주기적인 준설을 필요로 한다. 국가 대하천 수자원환경 보전뿐만 아니라, 우리나라 서해안의 하구·항만 구조물 안정성 확보, 수생태계 및 수산자원 보호의 측면을 고려한다면, 점착성 부유사 응집, 거동에 대한 과학적 이해를 바탕으로 한 예측 모델 개발은 반드시 필요한 상황이다

 

   

  
  기존 점착성 부유사 응집, 거동 예측 모델은 수중 입자들에 대한 평균, 균일화 개념을 도입하므로, , 수중 입자가 균일한 입자크기와 구성성분을 가지는 것으로 단순 가정하여, 예측 오차가 최대 40%까지 발생할 수 있는 것으로 나타났다(Lee et al., 2012). 실제 수자원환경에서의 점착성 부유사는 이군집(二群集) 응집체 입도분포를 가지며, 점토질 성분 외 각종 유기성분들을 응집체에 포함하는 이성분(異成分)을 가지고 있다 (Droppo, 2001; Maggi, 2013). 본 지원자와 벨기에 파트너는 선행 연구를 통하여, 점착성 부유사의 이군집 응집, 거동 예측 모델(TCPBE; Two Class Population Balance Equation)을 개발한 바 있다. 향후 연구에서는, 기 개발된 이군집 기반 점착성 부유사 응집, 거동 예측 모델을 확장하여, 생물입자(Biomass), 생체고분자물질(Extracellular Polymeric Substances), 미세 플라스틱 (Microplastic) 등 이질적 구성성분을 포함하는 점착성 부유사 응집, 거동 예측 모델을 개발하고자 한다. 따라서, 본 한-벨기에 공동연구 과제는 이군집, 이성분 점착성 부유사 응집, 거동 예측 모델 개발을 목표로 하며, 국내 연구자는 미세영역에서 발생하는 이군집, 이성분 응집 동역학 모델 요소기술 개발을 수행하고, 벨기에 파트너는 요소기술을 통합하여 유역, 하구, 연안을 포함한 대규모, 다차원 점착성 부유사 응집, 거동 예측 모델 개발을 목표로 한다. 본 연구의 차세대 점착성 부유사 응집, 거동 예측 모델은 기존 점토질 점착성 부유사 뿐 만 아니라, 수중 유기물, 미세플라스틱과 같은 이질적 성분들까지 통합적으로 예측할 수 있으리라 기대한다.

 

 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Cohesive Sediments in Water Resources: Modeling Perspectives
 
  국내외 많은 연구자들이 수자원환경, 연안 및 하구에서의 점착성 부유사 응집, 거동 예측 모델을 개발, 적용한 바 있다. 하지만, 대부분 기존 모델은 생물학적 입자 등 응집체 이성분을 배제하고 단일성분 점토질 부유사 응집, 거동만을 다루고 있다. 최근 연구에 따르면, 점토질 외 생물입자(Biomass), EPS, 미세플라스틱 등 이질적 성분을 포함한 이군집, 이성분 점착성 부유사 응집이 발생하고, 생물, 무생물 입자 거동, 운명을 결정하는 것으로 알려져 있다(Maggi, 2013). 따라서, 물리, 생물, 화학적 요소를 고려한 융복합 연구, 생물학적 요인, 즉 점토질-미생물-수중유기물 등 상호작용을 유기적으로 고려할 수 있는 점착성 부유사 응집, 거동 예측 모델 개발이 필요한 상황이다. 수자원환경에서 점토질 부유사 뿐만 아니라, 이와 연계된 미생물, EPS 등 수중유기물, 미세플라스틱 등 인위적 오염물의 응집, 거동, 물질수지 등을 통합한 보다 정확한 예측 도구가 필요한 실정이다.

  최근 도시화, 산업화, 기후변화 등 인위적 요인으로 인하여, 수자원환경으로 유입 혹은 유출되는 점착성(점토질) 부유사, 미생물, 수중유기물, 영양염류 등의 자연적 밸런스가 무너지고 사회, 경제적인 문제를 야기하고 있다. 예를 들어, 점착성 부유사의 수자원환경으로의 과도한 유입은 국내 대하천에서 발생하는 하상 펄층 형성, 열대지역에서의 부유사 퇴적에 의한 산호초 군집 파괴 등 생태계 파괴 등 사회·경제적 문제를 야기하고 있다. 더불어, 하구, 연안, 항만 등에 과도한 점착성 부유사의 퇴적이 이뤄질 경우, 선박 항행의 위험성, 준설 비용이 증대될 수 있다. 기존 모델에 대비하여, 본 연구의 이군집, 이성분 점착성 부유사 응집, 거동 예측 모델은 다양한 수자원환경 요인에 변화에 대응하여 점착성 부유사, 미생물, 수중유기물 등수중입자성물질의 응집, 거동을 통합적으로 예측할 수 있을 것으로 기대한다. 점착성 부유사, 미생물, 수중유기물, 미세플라스틱 등 수중 입자성 물질과 이들 입자에 흡착하여 거동, 운명을 함께 하는 오염물질과 관련한 다양한 수자원환경 문제에 대한 선제적 예측, 대응, 관리의 도구로써 활용될 수 있으리라 판단된다

 

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