KR100667966B1 - 연안해역의 수질 관리 시스템 - Google Patents

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인하대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 GIS를 기반으로 하는 연안해역의 수질 관리 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명의 연안해역의 수질 관리 시스템 및 그 방법은, 서버가 GIS를 이용하여 오염물질의 유출 경로를 파악하고, 오염물질의 현황과 부하량를 조회하여 부하량 산정 모듈에서 오염원별 부하량을 산정함으로써 의사결정 지원 모듈에서는 유역별 수질오염의 심각도에 따라 오염원별 배출 현황 및 적정 배출부하량을 제시하고, 연안수질 모델 모듈은 의사결정 지원 모듈의 자료를 입력받아 연안해역으로 유입된 오염물질의 확산 거동을 모의하도록 한다. 이렇게 함으로써, 본 발명은 오염원 현황, 유역 내 오염물질의 배출경로와 배출량을 파악할 수 있어 수질오염구간에 대한 사전 예측이 가능하고, 육역에서의 오염물질의 농도나 부하변화가 연안해역에 미치는 영향 평가 수행에 유용하며, 연안해역의 수질 저하를 미연에 방지할 뿐만 아니라 유역별 또는 행정구역별 허용 배출 부하량을 제시할 수 있어 환경과 개발을 고려한 형평성 있는 개발 계획에 있어 의사 결정을 지원할 수 있다.
연안해역, 데이터베이스, 부하 산정 모듈, 연안 수질 모델 모듈, GIS, EFDC 모델

Description

연안해역의 수질 관리 시스템{System and Method for Coastal Water Quality Management}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연안해역의 수질 관리 시스템의 구성을 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 일부 구성요소인 서버의 응용 프로그램의 일례를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연안해역의 수질 관리 시스템의 세부 구성을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연안해역의 수질 관리 방법의 순서도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 적용되는 유역의 개념을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 부하량 산정 모듈이 부하량 산정을 위한 생활계의 배출 구조를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 부하량 산정 모듈이 부하량 산정을 위한 축산계의 배출 구조를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 부하량 산정 모듈이 부하량 산정을 위한 산업계의 배출 구조를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 부하량 산정 모듈이 부하량 산정을 위한 양식계의 배출 구조를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 부하량 산정 모듈이 부하량 산정을 위한 토지계의 배출 구조를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 일부 구성요소인 연안 수질 모델링 모듈에서 사용하는 EFDC 유체역학(Hydrodynamic) 모델의 기본 흐름을 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 적용되는 수치 모델의 적용 영역을 도시한 것이다.
도 13a 내지 도 13e는 본 발명의 일부 구성요소인 부하량 산정 모듈의 부하량 산정시 원단위 수정 과정의 화면 상태를 도시한 것이다.
도 14는 유역별 배출 부하 산정 과정에서 공식 및 도움말의 화면 상태를 도시한 것이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 일부 구성요소인 연안 수질 모델링 모듈에 의한 모델링 처리 결과를 도시한 것이다.
본 발명은 연안해역의 수질 관리 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 연안해역의 수질 저하를 방지하기 위해 정확한 오염물질의 배출경로를 파악하고, 연안해역에서의 오염물질 확산거동을 모델링 하는 연안해역의 수질 관리 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
연안해역(또는 연안역)은 인근 해양환경에 영향을 미치는 배후 육지와 바다를 합친 자연환경대로서, 미국과 일본을 포함한 많은 나라들이 연안해역에 대한 오염총량관리제를 실시하고 있다.
우리나라도 1990년 초반부터 환경부와 국립환경연구원에 의하여 4대강(낙동강, 한강, 영산강, 금강)을 대상으로 내륙에 대한 지자체 단위의 오염총량관리제가 추진되고 있다.
4대강 외에 연안해역은 최근 해양오염방지법의 개정으로 특별관리해역 지정 등 특정 연안해역에 영향을 미치는 육역을 포함하는 연안해역 통합관리제가 해양수산부에 의하여 추진되고 있다.
이러한 연안해역 통합 관리 실태를 살펴보면, 외국의 사례로 미국 체사피크만에서는 오염총량관리제를 포함하는 연안해역 통합관리제 수립 및 운용을 위하여 GIS(Geographic Information System) 및 모델 패키지(package)로 구성된 시스템을 구축하여 활용하고 있다.
GIS 시스템은 체사피크만 배수구역내의 정보를 보여주는 자료(land use 등), 유입되는 오염부하 자료(점원 및 비점원 오염원), 및 배수구역과 만내의 물리/수질/생태 등에 관한 자료를 포함하고, 이들 자료를 효율적으로 활용하는 시스템을 갖추고 있다.
모델 패키지는 오염부하량 산정을 위한 유역 모델(watershed basin model), 해수유동에 의한 물질의 이동 및 확산을 모의하는 유체역학 모델(hydrodynamic model), 오염물질 등의 이동과 분포를 모의하는 수질 모델(water quality model) 등을 포함한다. 이러한 모델 패키지는 만내에서의 오염물질 거동을 파악하고 이를 바탕으로 수질 및 생태계에 미치는 영향을 진단한다.
이와 같이, 연안해역 통합관리제는 GIS 시스템 및 모델 패키지로 구성된 시스템을 바탕으로 연안해역 통합 관리를 위한 기본적인 자료를 수집 및 분석하여 정책 수립의 방향을 제시하고 있다.
위에서 살펴본 미국의 사례와 달리, 우리나라에서는 아직까지 연안해역 통합관리를 위한 기초 자료도 많이 부족하고, 이렇게 부족한 기초 자료를 토대로 한 분석 도구인 GIS-모델링 시스템 개발도 매우 미비한 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 연안해역의 오염원을 관리하면서 공간분석기법을 이용하여 오염물질의 배출경로를 파악하고, 배출 오염물질의 확산거동을 모델링 하여 효율적으로 유역 관리를 하기 위한 연안해역의 수질 관리 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 서버가 GIS를 이용하여 오염물질의 유출 경로를 파악하고, 상기 오염물질의 현황과 부하량를 조회하여 오염원별 부하량을 산정함으로써 유역별 수질오염의 심각도에 따라 오염원별 배출 현황 및 적정 배출부하량을 제시하고, 연안해역으로 유입된 오염물질의 확산 거동을 모의하도록 한다.
본 발명에 따른 연안해역의 수질 관리 시스템은, 사용자 단말기(10)의 요청에 따라, 유역별 배출부하량을 산정하는 부하량산정모듈(120)과, 유역별 환경기준치에 부합하는 적정 배출부하량을 상기 유역별로 제시하는 의사결정지원모듈(140)과 이들을 총괄 제어하는 제어모듈(145)을 구비하는 서버(100)가 구비된 지리정보시스템(GIS)을 이용한 내륙의 수질관리시스템으로서, 상기 서버(100)는, 상기 GIS의 도형정보와 그 속성정보를 이용하여 상기 유역별 수계와 연결된 연안해변에서의 환경적 여건(수온, 염분, BOD 등)에 따른 상기 배출부하량에 함유된 오염물질(질소, 인 등)의 확산 거동을 모의하는 연안수질모델모듈(140)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제어모듈(145)은, 부하량산정모듈(120)을 제어하여 상기 GIS의 도형정보와 그 속성정보를 토대로 유역별 수계의 배출부하량을 산정하도록 하고, 연안수질모델모듈(140)을 제어하여 상기 도형정보와 그 속성정보를 토대로 상기 유역별 수계와 연결된 연안해변에서의 환경적 여건(수온, 염분, BOD 등)에 따른 오염물질(질소, 인 등)의 확산 거동을 모의하도록 하며, 의사결정지원모듈(130)을 제어하여 상기 도형정보와 속성정보를 토대로 상기 연안해변의 수원인 상기 유역별 수계와 상기 수계로 유입되는 오염수원(생활계, 산업계, 축산계, 토지이용, 양식계 등)의 배출구조와 배출현황(BOD, 인함량, 질소함량)을 파악하고, 상기 연안해변의 수질오염도가 환경 기준치에 만족하기 위한 상기 각 유역별 수계의 적정 배출부하량을 산출한 다음, 상기 적정 배출부하량에 이르기 위한 상기 오염수원의 적정 발생부하량을 산정 및 제시하도록 프로세스 되는 것을 특징으로 한다.
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아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 연안해역의 수질 관리 시스템에 대하여 도 1을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연안해역의 수질 관리 시스템의 구성을 도시한 것이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연안해역의 수질 관리 시스템은 크게 사용자 단말(10), 네트워크, 서버(100)와 데이터베이스(150)로 구성된다.
사용자 단말(10)은 허브(hub, 20)라는 네트워크 장치를 통해 서버(100)와 접속되고, 프린터(40) 또는 플로터(30)와 연결되어 있다.
따라서 사용자는 사용자 단말(10)을 통해 서버(100)에 리동별 또는 표준 유역별로 오염원이나 각 오염원의 부하량의 자료를 검색 및 조회를 요청하고, 서버(100)로부터 전송되는 조회 및 검색 결과를 모니터를 통해 볼 수 있으며, 경우에 따라 플로터(30)나 프린터를 통해 출력할 수도 있다.
서버(100)는 GIS(Geographic Information System)를 이용하여 각 유역별로 배출되는 오염원의 부하량을 산출하고, 이 부하량을 이용하여 수질 오염이 심각한 유역을 판단하여 적정 배출 부하량을 제시하며, 오염원 현황, 배출 경로, 환경 여건 등을 고려한 오염원의 적정 저감 방안을 제시하여 효율적인 의사 결정을 지원한다.
이때, GIS는 지표면과 지하 및 지상 공간에 존재하는 각종 자연물(예를 들어, 산, 강, 토지 등)과 건물, 도로 철도 등의 인공물에 대한 위치정보와 속성정보를 컴퓨터에 입력한 후에 이 위치정보와 속성 정보를 연계하여 각종 계획수립과 의사 결정, 및 산업 활동을 효율적으로 지원할 수 있도록 하는 첨단 정보시스템이다.
이러한 GIS는 각종 통계 자료를 출력하고, 거리, 면적, 위치 등의 환경 상황을 평가하여 시뮬레이션 함으로써 연안해역의 오염원을 관리하고 오염물질의 확산 거동을 모델링 하도록 최적의 의사 결정을 지원하는 공간 분석 시스템이다.
서버(100)는 GIS를 이용하여 오염물질 유출경로를 파악하고 부하량을 산정하기 위해 GIS에 의한 정보를 도형정보와 속성정보로 구분하여 데이터베이스(150)를 구축하는데, 데이터베이스(150)는 도형 DB(151)와 속성 DB(152)를 포함한다.
이때, 데이터베이스(150)에 입력되는 속성정보는 도형정보와 연관된 정보이 므로 컴퓨터의 키보드를 이용하여 직접 입력시키거나 속성 정보 파일로 생성된 후에 도형정보와 연결되기도 한다.
데이터베이스(150)는 획득한 자료의 양에 따라 저장 용량을 계획하게 되는데, 지속적으로 갱신되는 오염물질의 데이터양이 많은 저장 공간을 차지하기 때문에 대용량데이터베이스 관리 시스템(DBMS, Database Management System)을 사용하는 것이 바람직하다.
도 2는 도 1의 일부 구성요소인 서버의 응용 프로그램의 일례를 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 서버(100)는 위치정보를 데이터베이스화하여 관리하기 때문에 GIS 컴포넌트인 MapObject와 Visual Basic을 이용하여 위치와 속성 정보를 입력한 후에 실제 지도 좌표로 맵핑하여 사용한다.
따라서 서버(100)는 데이터 관리에 있어 보편성, 경제성, 실용성을 극대화할 수 있다.
또한, 일반 컴퓨터에서 컴퓨터 환경을 제공하여 주는 오퍼레이팅 시스템(Operating System)이 필요하듯이, 서버(100)도 네트워크 환경을 제공하여 주는 네트워크 오퍼레이팅 시스템(Network Operating System, NOS)이 필요하다.
서버 측에서는 네트워크 오퍼레이팅 시스템으로 Windows NT, Unix 등을 사용하고, 네트워크를 통해 많은 데이터양을 빠르게 사용자에게 전달하기 위해 고속의 네트워크로 ATM을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 사용자와 서버(100) 간에 네트워크 구축 시에는 많은 어플리케이션을 사용할 수 있지만 자원의 효율적인 이용이 가능한 클라이언트/서버 구성 방법을 사용하거나, 모든 처리를 호스트에서 담당하여 네트워크 관리자가 네트워크 관리를 용이하게 할 수 있도록 한 호스트-터미널(Host-terminal) 방법을 사용할 수도 있다.
상기에서 상술한 방법 외에도 네트워크 구축은 다양하게 구현될 수 있고 얼마든지 변경이 가능하다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연안해역의 수질 관리 시스템의 세부 구성을 도시한 것이다.
특히, 서버(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 부하량 산정 모듈(120), 의사결정 지원 모듈(130), 연안수질 모델 모듈(140), 및 제어 모듈(145)을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
서버(100)는 그래픽 사용자 인터페이스(Graphic User Interface, GUI)(110) 운영 체제를 이용하여 사용자가 아이콘이나 메뉴 등의 그래픽 화면을 통해 서버(100)와 정보를 교환할 수 있도록 하는 작업 환경을 제공한다.
부하량 산정 모듈(120)은 데이터베이스(150) 내의 도형 정보와 속성 정보를 이용하여 유역별 발생부하, 배출부하, 유달 부하를 산출하여 GUI(110)를 통해 사용자에게 디스플레이 한다.
부하량 산정 모듈(120)에서 산정되는 발생부하량은 점오염원 및 비점오염원으로부터 발생되는 오염물질의 양이고, 배출부하량은 발생부하량이 처리과정을 거쳐 삭감된 후 또는 처리과정을 거치지 아니하고 직접 공공수역으로 배출되는 오염 물질의 양이며, 유달부하량은 유역의 배출부하량이 공공수역의 자정작용, 조류성장 등 물질변화 과정을 거친 후 총량관리단위유역의 수계구간 하단지점에 도달되는 오염물질의 양이다.
의사결정 지원 모듈(130)은 부하량 산정 모듈(120)의 부하량 산출 결과를 토대로 유역별로 수질오염이 심각한 유역에 대해 오염원별 배출현황, 및 적정 배출부하량을 제시하여 적합한 의사결정을 지원한다.
연안 수질 모델 모듈(140)은 의사결정 지원 모듈(130)의 데이터를 입력 자료로 사용하여 유역별 배출 부하량을 토대로 연안해역으로 유입된 오염물질의 확산 거동을 모의한다.
연안 수질 모델 모듈(140)에서 구성하는 수질 모델은 EFDC 모델을 이용하여 오염원과 수질의 관계를 분석하고 오염 부하량의 증감을 비롯한 환경요인 변화에 따른 수질 변화를 모의하기 위한 것이다.
제어 모듈(145)은 GUI(110)를 비롯해 각 모듈(120, 130, 140), 데이터베이스(150)의 데이터 흐름을 제어하면서 사용자와의 정보 교환을 통해 내륙수계 및 연안해역 수질에 영향을 주는 유역을 통합 관리하도록 한다.
다음, 도 4 내지 도 16을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연안해역의 수질 관리 시스템의 동작에 대하여 자세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연안해역의 수질 관리 방법의 순서도를 도시한 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연안해역의 수질 관리 방법은 사용자가 네트워크를 통해 서버(100)에 접속하면(S1), 서버(100)는 사용자에게 시스템 초기화면을 전송하고, 기능별 메뉴를 선택할 수 있도록 하는 시스템 메인 화면을 전송한다.(S2, S3)
이때, 시스템 메인 화면에는 크게 오염부하량 산정, 연안해역 확산 모델링으로 분류되는 메뉴가 제시되고, 각 메뉴의 세부적인 기능은 부메뉴 형태의 계층적 메뉴를 갖도록 한다.
사용자는 시스템 메인 화면을 통해 자신이 원하는 메뉴를 선택하여 행적구역별 또는 표준 유역별 오염원원을 조회하거나 산정된 부하량 자료를 검색 및 조회할 수 있다.(S4)
부하량 산정 모듈(120)은 대상 지역의 전체 유역에 대해 환경변수를 설정하고, 환경부의 수계오염총량관리기술지침에서 제시한 방법에 따라 오염원별 부하량을 산정한다.(S5, S6)
의사 결정 지원 모듈(130)은 부하량 산정 모듈(120)에 의한 부하량 산정 결과에 근거하여 유역별로 수질 오염이 심각한 유역에 대해 오염원별 배출 현황 및 적정 배출부하량을 제시한다.(S7)
그러면, 연안 수질 모델 모듈(140)은 의사 결정 지원 모듈(130)의 자료를 입력 자료로 사용하여 연안해역으로 유입된 오염물질의 확산 거동을 모의하도록 과학적 타당성 및 이용성을 갖는 수질 모델을 구성한다.(S8)
제어 모듈(145)에서는 연안 수질 모델 모듈(140)에서 구성한 수질 모델을 사용하여 목표수질의 대상 물질을 적정하게 분석하여 미달성 유역을 조회한다.(S9)
서버(100)는 GUI(110)를 통해 사용자에게 도면 및 보고서를 전송하고, 사용자는 서버(100)로부터 전송된 도면 및 보고서를 모니터 화면, 프린터, 또는 플로터를 통해 제공받게 된다.(S10)
도 5는 본 발명에 적용되는 유역의 개념을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5에 나타나 있듯이, 유역은 강우가 지표수의 형태로 유출되어 합류되는 해당지역으로, 서버(100)에서는 수치고도모델(DEM, Digital Elevation Model)을 이용하여 각 유역의 경계를 구획하고 해당유역에 속한 행정구역의 현황을 조사한다.
따라서 부하량 산정 모듈(120)은 유역 경계에 따른 데이터베이스 내의 도형 및 속성 정보를 이용하여 각 오염원별 발생 및 배출부하량을 산정하고, 오염원별 배출 구조를 파악하여 수계로 유입되는 오염물질의 정량적 계산을 수행한다.
이때, 대표적인 오염물질에는 생활계, 산업계, 축산계, 토지이용, 양식계 등이 있으며, 생활계 오염물질의 배출 구조를 살펴보면 다음과 같다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 부하량 산정 모듈이 부하량 산정을 위한 생활계, 축산계, 산업계, 양식계, 토지계의 배출 구조를 도시한 것이다.
먼저, 도 6을 참고하면 생활계 배출원은 크게 환경기초시설의 처리구역과 미처리구역으로 분류하고, 처리구역은 우수와 오수를 함께 배제하는 합류식관거 사용인구와 우수와 오수를 분리하여 배제하는 분류식관거 사용인구 분류한다.
또한, 미처리구역은 재래식화장실(수거식), 단독정화조, 오수처리시설 사용인구로 세분한다.
생활계의 오염물질 배출성상은 잡배수와 분뇨로 구분하며, 재래식 화장실 사 용인구의 오염물질 배출경로는 잡배수의 하수배출, 분뇨의 화장실에서의 분해, 침출 및 농지환원, 분뇨처리장 이송으로 세분된다. 단독정화조 사용인구의 오염물질 배출경로는 분뇨 및 세정수의 정화조에서의 분해, 정화조오니의 분뇨처리장 이송, 정화조 상등액과 잡배수의 하수배출로 세분되며, 오수처리시설 사용인구의 오염물질 배출경로는 잡배수와 분뇨의 오수처리시설 분해, 정화조오니의 분뇨처리장 이송, 처리수의 방류로 세분된다.
합류식 하수처리구역 내에서 오수처리시설 사용인구의 분뇨는 단독정화조 수준의 개별처리 후 관거로 유입되는 것으로 간주하며, 분류식관거 사용인구의 잡배수와 분뇨는 개별처리 없이 직접 관거로 유입되는 것으로 본다. 분뇨처리장으로 이송된 수거식 분뇨와 정화조오니의 배출경로는 처리 후 공공수역으로의 직접방류와 병합처리시설(주로, 하수처리시설)로의 연계처리로 구분한다.
도 7에 나타나 있듯이, 축산계 배출원의 배출구조는 환경기초시설의 처리구역과 미처리구역으로 대분하여 각 구역에서 축종, 법적규제 규모 및 개별처리 유형별로 세분된다.
축산계의 오염물질 배출성상은 액상의 폐수와 고형물로 세분되고, 개별축사에서의 오염물질 배출경로는 환경기초시설로의 이송, 개별처리, 농지환원, 개별배출로 세분되며, 환경기초시설로 이송된 폐수와 고형물의 배출경로는 처리 후 공공수역으로의 직접방류와 병합처리시설(주로 하수처리시설)로의 연계처리로 구분된다.
관거이송식 처리구역의 경우 관거로 유입된 오염물질의 배출경로는 생활계의 배출경로와 같이 관거저류변화, 관거누수, 관거월류, 관거이송, 방류로 세분된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 산업계 배출원의 배출 구조는 환경기초시설의 처리구역과 미처리구역으로 대분하여 각 구역에서 업종에 따라 세분되며, 개별배출시설에서의 오염물질 배출경로는 환경기초시설로의 이송, 개별처리, 개별배출로 세분한다.
또한, 환경기초시설로 이송된 폐수는 처리 후 공공수역으로의 직접방류와 병합처리시설(주로 하수처리시설)로의 연계처리로 구분된다. 환경기초시설의 처리구역에서 관거로 유입된 오염물질의 배출경로는 생활계의 배출경로와 같이 관거저류변화, 관거누수, 관거월류, 관거이송, 방류로 세분된다.
도 9에 나타나 있듯이, 양식계 배출원의 배출 구조는 양식어종 및 양식유형에 따라 세분되며, 양식장에서의 오염물질 배출경로는 개별처리, 종말처리장으로의 이송, 개별배출로 세분된다.
처리구역에서 관거로 유입된 오염물질의 배출경로는 생활계의 배출경로와 같이 관거저류변화, 관거누수, 관거월류, 관거이송, 방류로 세분된다.
도 10을 참고하면 토지계 배출원의 배출 구조는 토지로부터 유출된 오염물질이 합류식관거 또는 분류식관거에 침투되어 환경기초시설로 유입되는 차집구역과 미차집구역으로 대분하여 각 구역에서 지목에 따라 세분된다.
토지에서의 오염물질 배출경로는 개별처리, 환경기초시설로의 이송, 개별배출로 세분된다. 환경기초시설로 이송된 토지유출수는 처리 후 공공수역으로의 직접방류와 병합처리시설(주로 하수처리시설)로의 연계처리로 구분되며, 차집구역에서 관거로 유입된 오염물질의 배출경로는 생활계의 배출경로와 같이 관거저류변화, 관거누수, 관거월류, 관거이송, 방류로 세분된다.
부하량 산정 모듈(120)은 도 6 내지 도 10에서 기술한 오염원별 배출 구조에 따른 오염원별 배출유형에 적합한 부하량 산출식을 이용하여 유역별 부하량을 산정하게 된다.
이하, 수학식1 내지 수학식 10을 참고하여 부하량 산정 모듈(120)이 각 오염원별 배출 유형에 적합한 부하량을 산출하는 과정을 살펴본다.
부하량 산정 모듈(120)은 배출원 직접이송량이 관거 배수설비를 통하지 않고 환경기초시설로 직접 이송되는 양이므로, 직접이송비를 아래 수학식 1에 나타나 있듯이 환경기초시설의 배출원별 직접이송량을 해당 처리구역의 배출원별 총직접이송량으로 나누어 산정한다.
Figure 112005008394610-pat00001
배출원별 개별삭감량은 환경기초시설이 아닌 배출원의 자체 오염삭감시설에 의한 삭감량으로서, 배출원별 개별삭감대상량에 개별배출원별 개별삭감비를 곱하여 산정한다.
Figure 112005008394610-pat00002
관거유입량은 관거식 폐하수 처리구역에서 해당 기초시설에 연결된 관거배수설비로 유입된 양으로서, 관거식 처리구역의 발생량에서 개별삭감량과 직접이송량을 감하여 산정한다.
Figure 112005008394610-pat00003
관거배출량은 관거이송 과정에 누수, 월류 및 배제를 통해 배출되는 양으로서, 관거배출비는 총관거배출량을 각 오염원으로부터 유입되는 총관거유입량으로 나누어 산정한다.
Figure 112005008394610-pat00004
연안 수질모델 모듈(140)에서는 부하량 산정 모듈(120)에서 산출된 유역별 배출부하량을 이용하여 연안해역으로 유입된 오염물질의 확산 거동을 모의한다.
이때, 연안 수질 모델 모듈(140)은 효과적인 수질의 모의를 위해 사용 모델이 과학적 타당성과 이용성을 가져야 하며, 목표수질의 대상물질을 적정하게 분석 가능해야 하고, 수질 모델을 구성하는 과학적 이론이 합리적이어야 한다.
위에서 목표 수질은 총량관리목표설정을 위한 기준치로서 삶의 환경 질을 제고하기 위한 장기적 수질 목표이며, 오염원밀도, 지역개발도, 환경기초시설 투자도, 수량 및 수질, 수중생태계의 건전성을 고려하여 해당 수계의 환경용량범위에서 설정되는 지표를 의미한다.
또한, 연안 수질 모델 모듈(140)은 수질 모델에 필요한 자료가 충분히 갖추어져 있어야 하며, 모델 결과를 신뢰할 수 있도록 해야 한다.
도 11은 본 발명의 일부 구성요소인 연안 수질 모델링 모듈에서 사용하는 EFDC 유체역학(Hydrodynamic) 모델의 기본 흐름을 도시한 것이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 연안 수질 모델 모듈(140)은 Virginia Institute of Marine Science에서 개발되어진 EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code, EFDC) 모델을 사용하고 있는데, EFDC 모델은 3차원 유동과 물질이동을 재현하는 다변수 유한차분 모델이다.
현재 EFDC 모델은 미국의 체사피크만의 전반적인 환경의 연구에 널리 이용되고 있으며, 일례로 점원 또는 비점원 오염원으로부터 유입되는 오염물질과 병원성 물질의 이동과 소멸의 재현(Hamrick, 1991, 1992c), 발전소 온배수의 유입 재현(Hamrick et al., 1995a), 굴과 게류 유생의 이동 재현, 준설과 준설 폐기물의 추정(Hamrick, 1992b, 1994, 1995b) 등이 있다.
이외에도 EFDC 모델은 미국의 플로리다의 Indian River Lagoon의 북부지역에서 담수 유입에 효과에 관한 연구(Moustafa and Hamrick, 1994; Moustafa et al., 1995)와 플로리다의 습지에 밀집된 수초에 영향을 받는 흐름의 연구(Hamrick and Moustafa, 1995a, b; Moustafa and Hamrick, 1995)에도 사용되어진바 있다.
EFDC 모델은 수직·수평적으로 2차원화 및 3차원화가 용이하며, 수질 모델과 퇴적물 이동 모델의 접합이 용이한 장점이 있다.(Sission et al., 1997). EFDC 모델은 물리적 및 수치적으로 Blumberg and Mellor(1987) 모델과 많은 유사점을 지닌 다.
또한 EFDC 모델은 해수와 담수체계에 적용할 수 있도록 다양한 밀도장에서의 3차원 수직 정역학, 자유표면, 와동 평균된 경압과 순압 방정식의 해를 구하게 된다.
EFDC 모델에서 수직방향에서의 와동 점성과 확산은 Mellor and Yamada(1982)의 level 2.5 turbulent closure scheme을 변형한 Galperin's et al.(1988)의 방법에 기초한다. EFDC 모델에서 마찰에 대한 저층응력은 퇴적층과 수층간의 경계층에서의 운동량 상실로 묘사되고, 바닥부근 속도에 대한 2차 함수를 이용한 와류 경계층 방정식을 사용하여 표현된다.
또한, EFDC 모델에서의 염분과 수온은 Rosati and Miyakoda(1988)에 의해서 개발된 대기 열교환 모델에 기초하여 해를 구한다. 특히, EFDC 모델은 mass-conserving scheme을 이용하여 천해역에서의 3차원의 조간대 처리가 가능하도록 설계되어 있어 조간대가 넓게 분포된 한반도의 서해안에서의 적용이 용이하다.
EFDC 모델은 수직적으로 같은 수의 층을 가지는 좌표계를 사용하며, 엇갈림(staggered) 또는 C 격자(grid) 상에서 공간적으로 2차 정확도를 가지는 수치해석법을 사용하며, 시간적으로는 2차 정확도의 3단계 시간 계산(three time level)의 내부모드와 외부모드로 모드를 분리하는 모드 분리법을 사용한다.
EFDC 모델의 외부모드에서는 음해법을 사용하여 계산함으로써 비선형항을 포함한 이류항의 양해법에 의한 안정조건을 만족하는 한 매우 큰 계산 시간을 사용할 수 있도록 한다. 이때, 이류수송항의 경우에 차분법은 시간과 공간에 대하여 중앙 차분법, 시간에 대한 전방차분법, 공간에 대한 상방차분법을 선택적으로 사용할 수 있으며, 필요에 따라 시간에 대한 수평확산은 양해법을, 수직확산은 음해법을 적용할 수 있다. 수송방정식에서 수평경계조건에는 시간에 따라 변화하는 물질의 유입 농도, 상방향 유출류, damping relaxation 등을 적용할 수 있다.
연안 수질 모델 모듈(140)에서 사용하는 2차원 EFDC 모델의 기본 방정식은 연속방정식과 수평방향에서의 운동방정식, 그리고 염보존방정식 및 열보존방정식으로 구성되고, 염/열보존방정식은 운동방정식의 밀도차에 의한 경압력항과 연계되어 있다.
2차원 EFDC 모델의 기본 방정식은 경압경도력을 무시하고, 유체정역학적 근사와 Boussinesq 근사를 사용할 때, 수심 적분된 연속 방정식, 운동 방정식, 물질 보존 방정식을 아래 수학식 5 내지 수학식 7(연속방정식, x, y방향에서의 운동방정식, 염/열보존방정식)과 같이 표현된다.
Figure 112005008394610-pat00005
Figure 112005008394610-pat00006
Figure 112005008394610-pat00007
수학식 5 내지 수학식 7에서, t는 시간, x, y는 수평 방향 좌표축,
Figure 112005008394610-pat00008
은 조위, U, V는 x-방향과 y-방향의 수심 평균 속도 성분, D는 총수심 (D=H+
Figure 112005008394610-pat00009
), H는 평균 해수면 하 깊이, f는 코리올리(Coriolis) 계수, g는 중력 가속도, Fx, Fy는 x-방향과 y-방향의 수평 와동 점성항,
Figure 112005008394610-pat00010
는 평균 해수 밀도,
Figure 112005008394610-pat00011
는 x-방향과 y-방향의 바람 응력항,
Figure 112005008394610-pat00012
는 x-방향과 y-방향의 저면 마찰항, S는 수심 평균된 물질 농도, FS는 물질의 수평 난류 확산항, sink는 물질의 소멸항, source는 물질의 생성항을 각각 나타낸다.
수학식 5 내지 수학식 7에서 지배 방정식들은 x축이 동, y축은 북, 그리고 z축은 해수면으로부터 상방향이 양인 (x, y, z, t) 오른손 좌표계에서의 식들이다. 수평 와동 점성항 Fx와 Fy, 및 수평 난류 확산항 FS는 모델 격자로 직접적으로 다룰 수 없는 sub-grid scale 현상에 의해 야기된 것이며, 아래 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112005008394610-pat00013
Figure 112005008394610-pat00014
수학식 8에서, AM는 수평 와동 점성 계수, AH는 수평 난류 확산 계수를 각각 나타낸다.
수치 모델 적용시 수평 와동점성계수로는 상수 값을 사용하기도 하지만, 아래 수학식 9와 같이 격자 크기와 유속장을 수평와동점성계수에 관련시킨 Smagorinsky type diffusivity가 보다 발전적이다.
Figure 112005008394610-pat00015
수학식 9에서, C는 무차원 상수,
Figure 112005008394610-pat00016
,
Figure 112005008394610-pat00017
는 x-방향과 y-방향의 격자 크기를 각각 나타낸다.
연안 수질 모델 모듈(140)에서 사용하는 수치 모델링은 수평와동점성계수로 Smagorinsky type diffusivity에 수심 적분으로 인한 분산 효과(dispersion effect)를 고려하고 있으며, 수평난류확산계수는 수평와동점성계수와 같은 값을 사용한다.
또한, 연안 수질 모델 모듈(140)은 모델에서 저면마찰은 2차 저면 마찰식을 사용하며, 해수밀도로 나눈 것을 고려하여 저면마찰식을 아래 수학식 10과 같이 표현한다.
Figure 112005008394610-pat00018
Figure 112005008394610-pat00019
수학식 10에서,
Figure 112005008394610-pat00020
는 유속벡터,
Figure 112005008394610-pat00021
는 저면마찰계수,
Figure 112005008394610-pat00022
는 von 칼만 상수(Karman constant)(0.4),
Figure 112005008394610-pat00023
는 수심,
Figure 112005008394610-pat00024
는 무차원 조도 높이(roughness height)(0.0125)를 각각 나타낸다.
도 12는 본 발명의 실시예에 적용되는 수치 모델의 적용 영역을 도시한 것이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 수치 모델의 적용 영역은 대상지역이 경기만 해역(북위 36.7579o∼ 37.8970o, 동경125.8818o∼126.9183o)이고, 격자망은 보다 정확한 지형특성을 고려하기 위한 것으로서, x축의 경우에 외해측은 1,000m 격자를, 강화도 좌측 부근은 500m 격자를, 그리고 강화도 우측은 250m 격자를 사용하고, y축의 경우에 1,000m와 500m 크기의 격자를 사용하는 가변 격자체제를 사용하고 있다.
수치계산이 수행되어지는 해수격자는 총 23,256개 격자이며, 이중 간석지 격 자는 5,438개 격자이다.
연안 수질 모델 모듈(140)은 수치 모델링에서 바람 응력의 효과는 고려하지 않고, 해수 유동장에 대한 초기 조건을 해수 유동 및 해수면 차이가 없는 것(cold start)으로 설정하고 있으며, 해수 유동의 폐경계 조건으로는 육지 경계면을 가로지르는 유량은 없다고 가정한다.
또한, 연안 수질 모델 모듈(140)은 조위의 개방 경계 조건을 개방경계 부근의 기 관측 조석자료를 이용하여 외해측 개방 경계에서 조석 주요 4분조(M2, S2, K1, O1)에 의한 조위 변화를 관측 자료에 근거하여 시간과 공간의 함수로 적용하고, 모델의 보정은 30개 지점에서 관측된 조석의 주요 4분조(M2, S2, K1, O1) 자료를 사용하여 수행되도록 한다.
또한, 연안 수질 모델 모듈(140)은 담수의 유입을 한강, 임진강, 예성강 등 3개 하천과 아산호, 남양호, 삽교호 등 3개 점원 유입으로 고려하고 있으며, 담수유입량과 염/열확산모델에서의 개방 및 하천경계조건 등을 임(1999)의 연구값을 이용하고 있다.
연안 수질 모델 모듈(140)에서 사용되는 입력 자료는 간략하게 다음과 같이 나타낸다.
입력 자료는 한강, 임진강, 예성강, 아산호, 남양호, 삽교호의 6개 지점에서의 담수 유입을 고려하고 있으며, 입력 자료의 출처는 한강의 경우에 1980∼1994년의 기간에는 시수위자료로부터 유량이 산출되고, 1995∼1997년의 기간에는 유량연보자료(건설교통부, 1995, 1996, 1997)로부터의 유량자료가 사용된다.
입력 자료에서 임진강과 예성강의 경우에 각각의 유역면적을 고려하여 임진강은 한강유입량의 32%, 예성강은 16%를 적용하게 된다. 아산호와 남양호의 담수유입량은 안중농지개량조합의 수위조절일지(1983∼1997)로부터 얻어진 유량정보를 사용하고, 삽교호의 경우에는 당진농지개량조합의 수위조절일지(1986∼1997)의 유량정보를 사용한다.
이렇게 수집된 유량정보를 이용하여 연안 수질 모델 모듈(140)은 입력자료를 1년간의 평균일유량으로 환산한 후에 이를 수질 모델에 적용하게 된다.
한편, 연안 수질 모델 모듈(140)은 수질 모델에 적용된 염분의 경우에 개방경계에서 국립수산진흥원 연안정지 관측자료(1980∼1997)를 이용한 fitting 결과를 적용하고, 하천경계에서 한강은 한국환경연감 자료(환경부, 1991∼1998)를 기초로 하여 0.2psu의 값을 적용하며, 임진강, 예성강, 아산호, 삽교호, 남양호는 모두 0psu로 가정하여 적용한다.
또한, 수질 모델에 적용된 수온의 경우에는 개방경계에서 국립수산진흥원 연안정지 관측자료(1980∼1997)를 이용한 적합(fitting) 결과가 적용되고, 하천경계에서 아산호와 삽교호의 경우는 한국환경연감(환경부, 1991∼1998)의 매달 1회 측정값을 사용한다.
수질 모델에서 적용된 수온의 경우에는 하천 경계에서 한강은 행주대교에서 1991∼1998년까지 9년 동안 관측된 수온자료를 적합한 수학식을 사용하며, 아산호와 삽교호는 3년 동안 관측된 수온자료를 적합한 수학식을 사용하여 수온을 계산 및 적용한다.
열보존방정식의 해를 구하기 위해서는 아래 수학식 11과 같이 Edinger et al.(1974)의 선형식의 평형온도(Te)와 열교환계수(K)를 산출해야 하는데, 1980∼1997년까지 인천기상대에서 관측되어진 태양단파복사열, 기온, 이슬점온도, 풍속 등의 기상자료(기상청, 1980∼1997)를 이용하여 Te와 K를 계산한다.
Figure 112005008394610-pat00025
수학식 11에서,
Figure 112005008394610-pat00026
는 열교환 계수(
Figure 112005008394610-pat00027
),
Figure 112005008394610-pat00028
는 평형 수온(℃),
Figure 112005008394610-pat00029
는 수심평균 해수온도(℃)를 각각 나타낸다.
수학식 11에 의해 구해진 Te와 K는 1년 평균값으로 시간적으로 변화(일변화)하지만 공간적으로 일정한 값을 수질 모델에 적용하게 된다.
이와 같이, 연안 수질 모델 모듈(140)은 부하량 산정 모듈(120)에서 유역별로 산정된 배출부하량을 이용하여 연안해역에서의 오염물질의 확산거동에 대한 모의 결과를 사용자에게 제공한다.
도 13a 내지 도 13e는 본 발명의 일부 구성요소인 부하량 산정 모듈의 부하량 산정시 원단위 수정 과정의 화면 상태를 도시한 것이고, 도 14는 유역별 배출 부하 산정 과정에서 공식 및 도움말의 화면 상태를 도시한 것이며, 도 15 및 도 16은 본 발명의 일부 구성요소인 연안 수질 모델링 모듈에 의한 모델링 처리 결과를 도시한 것이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 부하량 산정 모듈(120)은 부하량 산정시 사용되는 원단위를 각 오염원별 적용하며, 사용자가 원단위를 직접 수정할 수 있도록 한다.
따라서 사용자는 유역의 변화 상황에 따른 오염원들의 부하량 시나리오 작업이 가능해진다.
도 13에서 BOD(Biochemical Oxygen Demand)는 생물화학적 산소요구량, T-N(Total Nitrate)은 총질소, T-P(Total Phosphopate)는 총인을 각각 나타내는 것으로서, BOD, T-N, T-P는 수질 오염의 주요 조사 항목들이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 부하량 산정 모듈(120)에서 오염원별 배출부하산정 과정은 오염원별 배출구조에 따라 총량고시에 근거하여 유역별 배출부하량을 산출하는데, 사용자 편의를 도모하기 위해 오염원별 배출부하 산정공식과 사용한 공식에 대한 설명을 함께 보여주도록 한다.
도 15에 도시된 바와 같이, 부하량 산정 모듈(120)은 유역별, 연도별, 및 산정 항목별 배출부하량 산정 결과를 BOD, TN, TP에 대한 배출부하량으로 단계별 렌더링 시켜 보여주고 있다.
도 16은 연안 수질 모델 모듈(140)에 의한 연안 수질 모델링 결과를 보여주는 화면으로서, 대상지역인 경기만 해역(북위 36.7579o∼ 37.8970o, 동경125.8818o∼126.9183o)에 대해 총 23,256개 격자에 결과값을 나타내고 있다.
도 16에 의해 사용자는 경기 연안해역에 대한 수온, 염분, BOD, TN, TP에 대 한 결과를 한눈에 알아볼 수 있으며, 내륙에서 오염물질의 배출경로를 파악할 수 있고, 연안해역으로 유입된 오염물질의 확산 거동도 쉽게 알아볼 수 있다.
이와 같이, 서버(100)에서 설정된 환경변수를 기초 데이터베이스(150)를 통해 각 유역별 배출되는 부하량을 산출하고, 이렇게 산출된 부하량을 이용하여 수질 오염이 심각한 유역을 판단하여 적정 배출 부하량을 제시하며, 부하량 산정 결과를 통해 오염원 현황, 배출 경로, 환경 여건을 고려한 수질 오염의 적정 저감 방안을 제시하여 효율적인 의사 결정을 지원한다.
이러한 서버(100)의 내륙수계 및 연안해역 수질에 영향을 주는 유역을 통합 관리하는 동작에 의해, 사용자는 네트워크를 통해 서버(100)에 접속하여 오염원 및 기초환경시설에 대한 리동별 또는 표준유역별로 오염원을 조회하고, 서버(100)에서 산정된 부하량 자료의 검색 및 조회가 가능하며, 서버(100)에 의해 디스플레이 되는 검색 결과를 모니터 화면, 프린터(Printer) 또는 플로터(Plotter)를 통해 제공 받게 된다.
이때, 사용자는 모니터에 디스플레이 되는 해당 조회 결과를 크리스털 리포트를 이용하여 프린터로 출력하거나 조회 결과 데이터를 다른 형식으로 전환하기 위해 엑셀로 출력할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 그 외의 다양한 변경이나 변형이 가능하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 연안해역의 수질 관리 시스템 및 그 방법 은 유역내의 오염원을 원시자료로 하여 도형 정보와 속성 정보를 저장한 데이터베이스를 통해 오염원 현황을 정확하게 파악하고, 유역 내로 배출되는 오염물질의 배출경로와 배출량을 파악할 수 있으므로, 하천구간에서의 수질오염구간에 대한 사전 예측이 가능해지는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 연안해역의 수질 관리 시스템 및 그 방법은 부하량 산정 모듈에 의해 산출된 부하량을 입력 자료로 이용하여 연안해역으로 유입되는 오염물질의 확산거동을 모의 가능하고, 그로 인해 육역에서의 오염물질의 농도나 부하변화가 연안해역에 미치는 영향 평가 수행에 유용하며, 공단이나 개발 대상지역의 입지선정에도 효과적인 분석 결과를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 연안해역의 수질 관리 시스템 및 그 방법은 연안해역의 수질 저하를 미연에 방지하기 위해 육역의 오염물질 삭감시나리오나 개발계획 등의 수립시, 목표수질 달성을 위한 유역별 또는 행정구역별 허용 배출 부하량을 제시할 수 있어 환경과 개발을 고려한 형평성 있는 개발계획에 있어 의사 결정을 지원할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 사용자 단말기(10)의 요청에 따라, 유역별 배출부하량을 산정하는 부하량산정모듈(120)과, 유역별 환경기준치에 부합하는 적정 배출부하량을 상기 유역별로 제시하는 의사결정지원모듈(140)과 이들을 총괄 제어하는 제어모듈(145)을 구비하는 서버(100)가 구비된 지리정보시스템(GIS)을 이용한 내륙의 수질관리시스템에 있어서,
    상기 서버(100)는,
    상기 GIS의 도형정보와 그 속성정보를 이용하여 상기 유역별 수계와 연결된 연안해변에서의 환경적 여건(수온, 염분, BOD 등)에 따른 상기 배출부하량에 함유된 오염물질(질소, 인 등)의 확산 거동을 모의하는 연안수질모델모듈(140)을 더 포함하고,
    상기 제어모듈(145)은,
    부하량산정모듈(120)을 제어하여 상기 GIS의 도형정보와 그 속성정보를 토대로 유역별 수계의 배출부하량을 산정하도록 하고,
    연안수질모델모듈(140)을 제어하여 상기 도형정보와 그 속성정보를 토대로 상기 유역별 수계와 연결된 연안해변에서의 환경적 여건(수온, 염분, BOD 등)에 따른 오염물질(질소, 인 등)의 확산 거동을 모의하도록 하며,
    의사결정지원모듈(130)을 제어하여 상기 도형정보와 속성정보를 토대로 상기 연안해변의 수원인 상기 유역별 수계와 상기 수계로 유입되는 오염수원(생활계, 산업계, 축산계, 토지이용, 양식계 등)의 배출구조와 배출현황(BOD, 인함량, 질소함량)을 파악하고, 상기 연안해변의 수질오염도가 환경 기준치에 만족하기 위한 상기 각 유역별 수계의 적정 배출부하량을 산출한 다음, 상기 적정 배출부하량에 이르기 위한 상기 오염수원의 적정 발생부하량을 산정 및 제시하도록 프로세스 되는 것을 특징으로 하는 연안해역의 수질관리시스템.
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