KR102353993B1 - 하천수 정화 시스템을 설계하기 위한 방법 및 이를 이용하여 설계한 하천수 정화 시스템 - Google Patents
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Abstract
채움재로 구성된 하천수 정화 시스템을 설계하기 위한 방법이 제안되며, 농도저감율이 목표 농도저감율을 초과하는 경우의 채움재의 수리평균반경과 수로의 길이를 결정하도록 한다.
Description
본 발명은 하천수 정화 시스템을 설계하기 위한 방법 및 이를 이용하여 설계한 접촉산화수로를 포함하는 하천수 정화 시스템에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 접촉산화수로의 채움재(또는 다공성 매질의 구성입자)의 수리량, 수리매개변수 및 수리분산 매개변수 등의 상관관계를 이용하여 오염물질의 분산 거동을 해석하여 접촉산화수로를 포함하는 하천수 정화 시스템을 설계하기 위한 방법 및 이를 이용하여 설계한 하천수 정화 시스템에 관한 것이다.
채움재의 공극 내에서의 물은 공극 내 위치에 따라 평균유속보다 크거나 작게 흐른다. 이러한 현상은 세가지 이유로 설명될 수 있다. 첫째론, 공극 사이를 흐르는 물의 유속은 공극의 중심부에서 가장 빠르고, 가장자리에서 가장 느리다. 둘째로, 공극의 구조에 따라, 물의 이동거리가 다르다. 셋째로, 공극의 크기에 따라 유속이 달라진다. 이러한 현상은 모래보다 입자가 더 큰 예를 들어, 자갈로 구성된 다공성 매질(이하, '자갈 다공성 매질'로 지칭함)에서 보다 극명하게 나타날 수 있으며, 오염물질의 이송 및 분산이 매우 복잡하게 되는 결과를 초래한다. 이와 같은, 자갈 다공성 매질에 오염물질의 유입이 발생할 경우에 대한 시간 및 공간적 양상을 해석하기 위해 Ogata(1970)에 의해 유도된 1차원 이송-확산 모형이 널리 사용되고 있는데, 1차원 이송-확산모형을 다공성 매질에 적용하여 오염물질의 농도를 예측할 때 겪게 되는 가장 중요하고도 어려운 문제는 적절한 종분산계수의 산정이다.
종분산계수는 실내 칼럼실험 혹은 현장 실험으로부터 측정된 농도값을 수학적모형의 이론값과 대비하여 결정하게 되는데, 매질의 조건이 바뀔 때 마다 매번 동일한 실험을 반복하여야 하므로, 많은 시간과 비용이 필요하게 된다. 또한, 실험을 수행한 후에는 수리분산 매개변수인 종분산계수를 구하기 위해서, 측정값과 이론값에 의한 농도이력곡선을 비교해가면서 종분산계수를 구하는 방법 등을 이용하게 되는데, 이러한 방법들 역시 실험과 같이 매번 반복적으로 수행해야 하므로 시간과 비용이 수반되는 일들이다. 따라서, 자갈접촉산화수로와 같은 자갈을 매질로 사용하는 시설물의 조사, 설계 단계에서 필수적으로 수집 및 분석하게 되는 자갈 매질의 기본적인 수리량 정보만으로 종분산계수를 간편하게 산정할 수 있는 방법의 필요성이 대두되었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 매질의 수리량 정보로부터 종분산계수를 산정할 수 있는 수학식을 활용함으로써 오염물의 거동해석을 함으로써, 하천수 정화 시스템을 설계하기 위한 방법 및 이를 이용하여 설계한 하천수 정화 시스템을 제안하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 채움재로 구성된 접촉산화수로를 포함하는 하천수 정화 시스템을 설계하기 위한 방법이 제안되며, 상기 방법은 채움재의 수리평균반경과 수리매개변수의 관계를 나타내는 관계식과 계산된 수리평균반경을 이용하여, 수리매개변수를 획득하는 단계; 획득된 수리매개변수를 이용하여, 상기 채움재의 공극 단면적을 도출하는 단계; 상기 수리평균반경을 이용하여 상기 채움재의 종분산계수를 산출하는 단계; 상기 공극 단면적, 평균 유속과 상기 종분산계수, 및 추정 농도이력함수를 이용하여, 상기 채움재에서의 시간과 거리에 따른 오염물질의 분산거동을 분석하는 단계; 오염물질의 초기 오염 농도와 상기 추정 농도이력함수에 따른 오염물질의 목표 오염 농도와의 비율에 기초하여, 오염물질의 농도저감율을 산출하는 단계; 상기 농도저감율이 기설정된 목표 농도저감율을 초과하는지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 농도저감율이 상기 목표 농도저감율을 초과하는 경우, 상기 채움재의 수리평균반경(m)과 상기 접촉산화수로의 길이(x)를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
추가로 또는 대안으로, 상기 방법은 상기 채움재의 평균입경 크기 및 평균형상 계수를 획득하는 단계; 상기 채움재의 간극비를 획득하는 단계; 및 상기 획득된 평균입경 크기, 평균형상 계수, 간극비를 기초로, 상기 채움재의 수리평균반경을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
추가로 또는 대안으로, 상기 수리매개변수는, 
, 
이며, 여기서 m은 상기 채움재의 수리평균반경일 수 있다.
추가로 또는 대안으로, 상기 접촉산화수로의 길이(x)는 상기 산출된 농도저감율이 상기 목표 농도저감율을 초과하는 최소의 시간 값에 상기 평균 유속을 곱하여 획득될 수 있다.
추가로 또는 대안으로, 상기 산출된 농도저감율이 상기 목표 농도저감율을 초과하지 않으면, 상기 채움재 또는 수리평균반경을 변경하여, 위의 절차를 반복할 수 있다.
추가로 또는 대안으로, 상기 오염물질의 농도저감율을 산출하는 단계는, 시간의 변화에 따른 상기 추정 농도이력함수의 오염 농도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
추가로 또는 대안으로, 상기 채움재의 종분산지수는 다음과 같이 표현되며, 
, 여기서, 
는 상기 종분산지수, m은 상기 수리평균반경일 수 있다.
본 발명의 또다른 일 실시예에 따라, 앞서 설명한 방법으로 결정된 채움재의 구성입자의 종류, 입경의 크기, 형상, 공극율 및 수로 길이를 갖는, 하천의 일정 구간을 채우는 형태로 설치되면서 하천 흐름 방향으로 배치되는 접촉산화수로; 상기 접촉산화수로 후단을 따라 구비되는 식생수로; 및 취수관이 구비된 돌망태 보를 포함하는, 하천수 정화 시스템이 제안된다.
상기 과제 해결방법들은 본 발명의 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명은 하천수 정화 시스템의 채움재의 매질의 기본적인 수리량을 활용한 종분산계수의 산정을 통하여 1차원 오염물 분산거동 해석을 함으로써, 하천수로 설계에 있어서 경제성과 효율성을 갖추고 있다.
또한, 본 발명은 실측된 종분산계수가 없는 사용자에게 매질의 기본적인 수리량 정보만을 가지고 종분산계수를 추정하여 거리와 시간변화에 대한 오염물질의 농도변화를 이송-확산모형으로 직접 표현하여 오염물질의 거동해석에 유용하게 활용되게 함으로써 하천수 정화 시스템의 설계에 기초적인 정보를 제공하는 효과가 있다.
본 발명에서 얻은 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 하천수 정화 시스템의 구조도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 하천수 정화 시스템의 설계 방법의 순서도를 도시한다.
도 3은 Zingg의 구성입자의 형상 분류에 대한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 수리평균반경 계산을 위한 강자갈의 등급 분류와 등급별 입자의 형상빈도를 나타낸다.
도 5는 수리분산 매개변수를 구하기 위한 피클릿 수 표준 곡선과 측정 농도이력곡선의 곡선맞춤(fitting) 과정을 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 레이놀즈 수와 무차원 종분산계수의 관계를 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 무차원 수리평균반경과 무차원 종분산계수의 관계를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 무차원 수리평균반경과 무차원 종분산지수의 관계를 나타낸다.
도 9는 종분산계수를 이송-확산 모형에 적용하여 작도한 추정 농도이력곡선과, 측정 농도이력곡선을 비교한 결과를 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 오염물질 분산거동의 해석 결과를 나타낸다.
도 11은 본 발명에 따른 설계 장치의 블록도를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 하천수 정화 시스템의 구조도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 하천수 정화 시스템의 설계 방법의 순서도를 도시한다.
도 3은 Zingg의 구성입자의 형상 분류에 대한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 수리평균반경 계산을 위한 강자갈의 등급 분류와 등급별 입자의 형상빈도를 나타낸다.
도 5는 수리분산 매개변수를 구하기 위한 피클릿 수 표준 곡선과 측정 농도이력곡선의 곡선맞춤(fitting) 과정을 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 레이놀즈 수와 무차원 종분산계수의 관계를 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 무차원 수리평균반경과 무차원 종분산계수의 관계를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 무차원 수리평균반경과 무차원 종분산지수의 관계를 나타낸다.
도 9는 종분산계수를 이송-확산 모형에 적용하여 작도한 추정 농도이력곡선과, 측정 농도이력곡선을 비교한 결과를 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 오염물질 분산거동의 해석 결과를 나타낸다.
도 11은 본 발명에 따른 설계 장치의 블록도를 도시한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 설명한다. 그러나 본 발명은 본 명세서에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 실시예의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 의도된 것이 아니다. 또한, 이하에서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
하천은 하상이 깊고 낮음이 반복되는데 깊은 곳에서는 유속이 현저하게 느려져 침전효과가 커진다. 그리고 얕은 곳에서도 자갈과 자갈 사이 유속이 느린 장소에 침전효과가 나타나게 된다. 제방의 흙이나 하상토로부터 여과되어 흘러나와서 깨끗해진 복류수가 오염된 표류수에 혼입되면 희석효과를 가져오게 된다. 하상의 자갈이나 바위 등에 부착해 성장하는 생물막에 수중의 유기물 또는 무기물이 침전·흡착되며, 유기물은 생물막을 구성하는 생물군에 의해 산화·분해된다.
또한, 수생식물의 식물체 표면에 부착한 미생물군이 흡착·분해하고, 뿌리에 의해 용해성 물질이 흡수됨에 따라 하천수와 복류수 중에 있는 질소와 인을 흡수하며, 결과적으로 용해성 물질이 감소하게 된다. 수생식물이 밀집된 지역에서는 유속이 느려져 물리적 침전이 이루어져 정화에 기여한다. 수로 내의 수면 또는 낙차에 의해 대기 중의 산소가 용해되어 물 속 용존 산소가 유지되어, 자갈의 표면에 부착한 생물이나 물 속의 미생물이 정화기능을 유지할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 하천수 정화 시스템을 설계하기 위한 방법 또는 이를 이용한 하천수 정화 시스템은, 하천의 자정능력을 물리적·화학적·생물학적 방법을 이용해 보강함으로써, 자연 조건 하에서의 단위 시간당 물질 전환속도를 향상시킬 수 있는 것에 관한 것이다. 수로를 강자갈, 모래, 정화식물로만 채움으로써 하천수 내 오염물질과 하천의 접촉면적이 증대되어 자연조건 하에서 하천의 자정기능이 지속적으로 유지된다.
수질정화는 침전, 흡착, 여과, 산소의 용해, 퇴적물 제거, 생물산화, 식생정화의 물리, 화학, 생물학적인 방법이 복합적으로 작용하여 이루어진다.
도 1은 본 발명에 따른 하천수 정화 시스템의 구조도를 도시한다.
하천의 상류에는 접촉산화수로(1)가 배치되며, 접촉산화수로(1)는 자갈과 같은 채움재로 채워진 돌망태 등으로 구성되며, 침전, 흡착, 자연폭기 및 생물산화 작용으로 부유물질(SS), 생물화학적산소요구량(BOD)을 중점 제거할 수 있다. 접촉산화수로(1)는 길이(x)에 따라 정화능력이 달라질 것이다.
접촉산화수로(1)의 하류에는, 자갈조(2), 식생수로(3) 및 돌망태 보(4)가 배치되며, 이를 통해 영양염류와 총질소(T-N), 총인(T-P) 등을 연속적으로 제거할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 하천수 정화 시스템은 복류수 집수관(5), 관측공(6), 취수관(7)을 구비하고 있다. 취수관(7)은 돌망태 보(4)에 구비된다.
본 발명에 따른 접촉산화수로(1)를 포함하는 하천수 정화 시스템은 채움재 또는 다공성 매질에서의 수리거동 특성과 수리분산 특성을 활용한다. 구체적으로는, 수리거동 특성과 수리분산 특성을 통해 채움재 또는 다공성 매질의 종류와 접촉산화수로(1)의 길이(x)를 설계할 수 있다.
이를 위해, 채움재의 흐름에서 수리거동 특성과 수리분산 특성을 정량적으로 계수화하는데 수리량(또는 수리평균반경)을 이용할 수 있다.
수리평균반경은 매질 공극의 부피를 매질 공극의 표면적으로 나눈 값으로 정의되며, 공극 내를 흐르는 물의 양과 직접적인 관계가 있기 때문에 Non-Darcy 영역을 포함한 흐름특성을 표현하는데 매우 유용하다. 수리평균반경은 실제 측정에 의한 직접적인 방법으로 구할 수 있으나, 입자입경의 중간크기, 입자의 편평도, 거칠기, 간극비를 알면 계산식에 의하여 구할 수 있다.
한편, 수리동력학적 분산은 다공성 매질의 오염물질 이동과정에서 지배적인 기작이며, 구성입자의 형상과 구조의 불균질성에 따른 유속과 흐름경로의 변화로 야기되는 혼합과정이다. 이러한 수리동력학적 분산특성을 나타내는 종분산계수는 수리조건과 더불어 매질 공극의 크기, 이동 길이, 공극 마찰과 같은 매질의 물리적 특성에 좌우된다. 이와 같이, 매질의 물리적 특성은 수리량 계산을 위한 변수들과 유사한 것들임을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서는 다공성 매질의 수리평균반경과 수리동력학적 분산은 상호 상관성이 존재할 것임을 착안하게 되었다.
도 2는 본 발명에 따른 하천수 정화 시스템의 설계 방법의 순서도를 도시한다. 본 발명에 따른 설계 방법은 설계 장치, 프로세서, 컴퓨터 등에 의해서도 수행될 수 있다.
본 명세서에서, 채움재를 자갈을 사용하는 예를 적용하여, '자갈접촉산화수로'에 대해 설명하지만, 채움재 또는 다공성 매질의 종류는 다양한 재료가 사용될 수 있고 본 발명의 범위를 제한하지는 않는다. 즉, 접촉산화수로(1)는 자갈접촉산화수로일 수 있으나, 본 발명이 채움재 또는 다공성 매질의 종류에 제한되지는 않는다.
먼저, 자갈접촉산화수로의 채움재(또는 다공성 매질의 구성입자)의 입경크기 별로 중간축의 길이의 평균 값을 산출할 수 있다(S201).
도 3은 Zingg의 구성입자의 형상 분류에 대한 것이다. 장축의 길이 a, 중간축의 길이 b, 단축의 길이 c 등의 상호 관계에 따라, 디스크(Disk)형, 스피어(sphere)형, 블레이드(blade)형, 로드(rod)형으로 구분된다.
그 다음, 채움재(또는 다공성 매질의 구성입자)의 평균 형상 계수(Sf)를 획득할 수 있다(S202). 일 예로, 강자갈을 대상으로 Zingg 다이어그램 방법(도 3 참조)으로 분류하여, 채움재(다공성 매질의 구성입자)의 입경 크기별로 등급화하고(RGS, RGM, RGL, RGXL), 구성입자의 형상(디스크, 스피어, 블레이드, 로드형)에 따라 형상계수 S(0 내지 4)의 값을 부여하고, 등급별 채움재의 형상계수의 평균 값(Sf)을 구할 수 있다.
형상계수의 평균 값(Sf)은 다음의 수학식으로 구할 수 있다.
여기서, Xdisk는 디스크형 구성입자의 수, Xblade는 블레이드형 구성입자의 수, Xsphere는 스피어형 구성입자의 수, Xrod는 로드형 구성입자의 수이고, N은 전체 구성입자의 수이다. 도 4는 본 발명에 따른 수리평균반경 계산을 위한 강자갈의 등급 분류와 등급별 입자의 형상빈도를 나타낸다.
그 후, 다공성 매질의 공극율(n)과 간극비(e)의 관계식(
)을 이용하여 간극비(e)를 산출할 수 있다(S203).
그리고나서, 앞서 획득한 채움재(또는 다공성 매질 구성입자)의 입경크기, 간극비, 형상계수의 평균 값을 이용하여 수리량, 즉 수리평균반경(m)을 계산할 수 있다(S204). 수리평균반경을 계산하기 위해 다음의 수학식이 이용된다.
다음의 표는 자갈의 입경크기(장축의 길이 a, 중간축의 길이 b, 단축의 길이 c), 입경 크기에 따른 형상계수의 평균 값(S), 간극비(e), 수리평균반경(m)을 예시한다.
| 재료 | 매질구성 입자 | 매질 | |||||||||
입자입경 크기 ( |
형상별 빈도 | e | m ( |
||||||||
| a | b | c | Disk | Rod | Blade | Sphere | S | ||||
| 강자갈 (371 samples) |
RGXL | 5.07 | 3.51 | 2.47 | 26% | 26% | 9% | 36% | 1.82 | 0.64 | 0.206 |
| RGL | 3.99 | 2.79 | 1.73 | 44% | 21% | 15% | 20% | 1.91 | 0.41 | 0.101 | |
| RGM | 2.07 | 1.43 | 0.88 | 35% | 12% | 27% | 26% | 1.96 | 0.39 | 0.048 | |
| RGS | 0.93 | 0.75 | 0.40 | 41% | 24% | 10% | 25% | 1.87 | 0.45 | 0.003 | |
또한, 수리평균반경(m)을 이용하여 수리매개변수(
)를 획득할 수 있다(S205). 수리매개변수(
)는 공극 유속과 수리경사 간의 매개 변수이며, 다음과 같이 정리될 수 있다.
수리경사는 수로의 상, 하류 간의 수위차이를 거리로 나눈 값을 의미한다. 수리매개변수(
)는 수리평균반경(m)과 상관관계가 있으며, 다음과 같이 정리될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 적용되는 수리매개변수는 다음과 같다.
위에서 수리평균반경으로부터 획득된 수리매개변수(
)와 수로의 길이 x를 알면, 아래의 공극유량 산정식을 이용하여 자갈접촉산화수로(1)의 h-Q 관계식을 산출할 수 있다.
다음의 수학식은 수리경사(i)와 수로수심(h)과 수로길이(x)의 비의 관계를 나타낸다.
본 발명에서 사용되는 2차원 흐름의 공극유량 산정식은 다음과 같다.
앞서 언급한, 수학식 3을 
에 관해서 정리하고, 수리경사(i)를 수학식 6의 관계식으로 대입하면 다음식을 획득할 수 있다.
하천의 유량(qv 또는 Q)는 기 결정된 값이며, 위의 수학식에 수리매개변수(
)와 수로길이 x를 입력하면, 수심(h) 정보를 획득할 수 있다. 또한, 하천 또는 자갈접촉산화수로의 폭(w) 역시 기 결정된 값이므로, 수심 정보(h)와 폭(w)을 이용해 하천 또는 자갈접촉산화수로의 단면적(A)이 획득될 수 있다. 자갈접촉산화수로의 매질의 공극율(n) 역시 기 결정된 값이므로, 단면적(A)과 공극율(n)을 이용해 공극 단면적이 획득될 수 있다(S206). 또한, 유량 Q=VAn의 관계가 있으므로, 하천 또는 자갈접촉산화수로의 공극 유속(V)이 획득될 수 있다(S206).
한편, 앞서 설명했듯이 하천수 정화 시스템의 설계 시에, 종분산계수가 중요하다고 하였다. 이하, 종분산계수 및 종분산지수를 획득하는 방법에 대해 기술한다.
앞서 획득한 수리평균반경을 이용해 수리분산 매개변수를 획득할 수 있다(S207). 수리분산 매개변수는 종분산지수 및 종분산계수를 포함할 수 있다.
이를 좀더 상세히 설명하면, 다음과 같다.
본 발명에서는 종분산계수의 산정을 위한 관계식 개발을 위하여 우선 차원해석을 통하여 매질에서의 수리량 인자들과 하천에서의 종분산에 지대한 영향을 미치는 인자들을 선정하고, 조합하여 무차원 변수들간의 관계식으로 표현하면 다음의 수학식과 같다.
여기서, 
는 종분산계수 [L2/T], 
는 평균유속 [L/T], 
는 오염물 이동거리[L]이며, 
는 무차원 종분산계수이다. ρ는 유체의 밀도(L/M3), v는 유속[L/T], b는 입자입경의 크기[L]이며, 
는 레이놀즈 수(Re)로서 유체의 층류 및 난류정도를 나타낸다. m은 앞서 설명한 수리평균반경으로서 매질의 수리량을 나타내며, 
은 무차원 수리평균반경이다.
수학식 9를 무차원 수리평균반경 
만을 고려하여, 
에 관한 식으로 정리하면, 다음의 수학식으로 나타낼 수 있다.
따라서, 종분산지수 
는 종분산계수 
와 
의 관계가 있으므로, 수학식 10은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
수리분산 매개변수(종분산지수 
, 종분산계수 
)를 획득하기 위해, 비반응용질을 이용한 추적자 실험을 하였다. 수리분산 매개변수는 시간에 따라 측정된 농도이력곡선을 무차원시간-무차원 농도이력곡선인 표준곡선에 맞추어 피클릿 수(Peclet number), Pe와 tmax를 구한 후에, 기지값인 x을 적용하여 
와 
를 계산하였다. 작업순서는 다음과 같다.
1) 무차원 농도이력곡선인 CR-tR 표준곡선을 작도한다. CR과 tR의 관계식은 다음과 같다. 
은 시간을 나타내며, 
는 최고 농도일 때의 시간 값이다.
여기서, 
.
도 5는 수리분산 매개변수를 구하기 위한 피클릿 수 표준 곡선과 측정 농도이력곡선의 곡선맞춤(fitting) 과정을 도시한다. 도 6은 본 발명에 따른 레이놀즈 수와 무차원 종분산계수의 관계를 나타낸다.
2) 측정 농도이력곡선인 C-t 곡선을 작도한다.
3) 두 곡선(CR-tR 표준 곡선과 C-t 곡선)을 매칭, 비교한다.
4) C-t 곡선과 가장 잘 매칭되는 CR-tR 곡선의 피클릿 수(Pe)를 결정한다.
5) 위에서 결정한 피클릿 수(Pe)를 아래의 수학식에 대입하여, 최고 농도인 시점, 
를 획득할 수 있다.
위에서 획득한, 
, 
와 이동거리(x)를 아래의 수학식에 대입하여, 평균 유속 
를 획득할 수 있다.
획득한 
를 아래의 수학식에 대입하여, 종분산계수 
를 결정할 수 있다.
매질 등급별 수리평균반경(m)과 수리분산 매개변수가 획득되었으므로, 수학식 8과 같은 관계식을 획득할 수 있다. 도 7은 본 발명에 따른 무차원 수리평균반경과 무차원 종분산계수의 관계를 나타낸다. 도 8은 본 발명에 따른 수리평균반경과 종분산지수의 관계를 나타낸다. 도 8에서 점선으로 나타낸 것은 회귀분석을 통한 추세선이고, x1, x2, x3, x4로 표기된 것은 실험실에서 축소 설계된 모형에서의 각각 상류로부터 0.2미터, 0.4미터, 0.6미터, 0.8미터에서의 측정 값을 나타낸다. 회귀분석 결과, 수리평균반경과 종분산지수의 관계식이 도출되었으며, 대표적인 관계식(상류로부터 가장 먼 지점에서의 관계식)은 아래의 수학식과 같다. 아래의 수학식이 도출되었다.
상기 수학식을 검증하기 위하여, RGXL을 대상으로 수학식 16과 수학식 17을 이용하여 결정한 종분산계수를 이송-확산 모형에 적용하여 작도한 추정 농도이력곡선과, 측정 농도이력곡선을 비교한 결과, 도 9와 같이 RMSE(Root Mean Square Error) 13.8~19.7의 양호한 값을 보여주며, 잘 일치하였다. 이때 적용한 이송-확산 모형은 아래의 수학식과 같다.
오염물질의 순간유입의 경우, 시간과 거리에 따른 추정 농도이력곡선은 수학식 19를 이용하여 구할 수 있다.
여기서, M은 용질(오염물)의 질량, A는 수로의 단면적이다.
앞서 획득한 공극 단면적, 평균 유속, 종분산계수, 그리고 추정 농도이력곡선 또는 추정 농도이력함수 등을 이용하여, 상기 수로의 오염물질 분산거동을 해석할 수 있다(S208).
그리고나서, 초기 오염 농도(C0)와 목표 오염 농도(Ct)를 산출하거나, 초기 오염 농도와 목표 오염 농도의 비율에 기초하여 오염 물질의 농도저감율을 산출할 수 있다(S209).
산출된 농도저감율이 기설정된 목표 농도저감율을 초과하는지 여부를 판단할 수 있다(S210). 좀더 상세하게는, 추정 농도이력함수 상에서 목표 농도 저감율을 초과하는 시간(t) 값을 결정할 수 있다.
여기서, C0는 다음의 수학식으로 결정된다.
여기서, k은 임의의 양의 정수, kΔt는 용질(오염물)의 주입시간, 
는 평균 유속, 
는 종분산계수, M은 용질의 질량이다. 위 수학식을 통해 C0를 획득하고, 이를 공극 단면적으로 나누면, 실제의 C0가 획득된다.
목표 오염 농도(Ct)는 위의 수학식 16에서, t 값을 임의로 변경하면서, 목표 농도 저감율을 만족하는 t의 최소값을 찾도록한다. 목표 농도 저감율을 만족하는 최소의 t를 획득하면, 이에 평균 유속 
를 곱하면, 자갈접촉산화수로의 길이(x)가 획득되며, 이는 곧 목표 농도 저감율을 만족하는, 자갈접촉산화수로의 길이가 된다.
즉, 산출된 농도저감율이 목표 농도저감율을 초과하는 경우의, 자갈접촉산화수로의 길이(x), 채움재의 종류, 및/또는 입경 크기를 결정할 수 있다(S211).
아울러, 위에서 설명한 수리평균반경(m)은 채움재의 종류나 크기에 따라 결정되고, 수리평균반경(m)에 따라 수리 매개변수, 수리분산 매개변수, 평균 유속 등이 변경되므로, 만약 획득된 자갈접촉산화수로의 길이(x)가 실제 설치할 하천의 크기에 적합하지 않거나, 또는 목표 농도 저감율이 만족되지 않으면, 채움재의 종류 또는 크기를 변경할 수 있다. 그 후, 절차는 다시 S201로 돌아가서, 본 발명에 따른 단계들을 다시 수행할 수 있다.
한편, 앞서 설명한 단계 S205 내지 S206과, S207은 동시에 수행될 수도 있고, S207이 S205 내지 S206 보다 먼저 수행될 수 있다.
도 10은, 하천의 일 유량이 1770m3이고, 오염물질 유입량이 100mg이며, 하천의 폭(w)은 5미터인 상황에서, 채움재의 입경크기(중간 축의 길이, b)를 5, 10, 20센티미터이고 목표 농도저감율이 80%로 설정된 경우의, 본 발명에 따른 오염물질 분산거동의 해석 결과를 나타낸다.
도 11은 본 발명에 따른 설계 장치(100)의 블록도를 도시한다.
설계 장치(100)는 통신부(110), 프로세서(120) 및 저장부(130)를 포함할 수 있다. 통신부(110)는 외부의 컴퓨터, 장치, 시스템 등과 유, 무선으로 연결되어, 데이터, 정보를 송수신할 수 있다. 저장부(130)는 수신된 데이터, 정보, 또는 본 발명에 따른 각종 관계식, 수학식 등을 저장할 수 있다. 프로세서(120)는 통신부(110) 및 저장부(130)를 제어하며, 본 발명에 따른 앞서 설명한 S201 내지 S211 단계를 수행할 수 있다. 상세한 설명은 전술한 설명한 S201 내지 S211를 참조하도록 한다.
이상의 명세서에서, "장치" 또는 그에 속한 구성들(설계 장치(100), 통신부(110), 프로세서(120) 및 저장부(130) 등)이 발명을 수행하는 것으로 설명하였으나, "장치"와 그에 속한 구성들은 명칭일 뿐 권리범위가 그에 종속되는 것은 아니다. 즉, 장치, 시스템 외의 다른 명칭으로서도 본 발명의 방법 또는 절차가 수행될 수 있으며, 그뿐만 아니라 하천 설계를 위한 소프트웨어 또는 컴퓨터 또는 그 밖의 기계, 장치 등으로 판독가능한 코드에 의해 상기 방법 또는 방식이 수행될 수 있다.
아울러, 본 발명의 또다른 양태(aspect)로서, 앞서 설명한 제안 또는 발명의 동작이 "컴퓨터"(시스템 온 칩(system on chip; SoC) 또는 (마이크로) 프로세서 등을 포함하는 포괄적인 개념)에 의해 구현, 실시 또는 실행될 수 있는 코드 또는 상기 코드를 저장 또는 포함한 컴퓨터-판독가능한 저장 매체 또는 컴퓨터 프로그램 제품(product) 등으로도 제공될 수 있고, 본 발명의 권리범위가 상기 코드 또는 상기 코드를 저장 또는 포함한 컴퓨터-판독가능한 저장 매체 또는 컴퓨터 프로그램 제품으로 확장가능하다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
Claims (8)
- 채움재로 구성된 접촉산화수로를 포함하는 하천수 정화 시스템을 설계하기 위한 방법으로서,
채움재의 수리평균반경과 수리매개변수의 관계를 나타내는 관계식과 계산된 상기 채움재의 수리평균반경을 이용하여, 수리매개변수를 획득하는 단계;
획득된 수리매개변수를 이용하여, 상기 채움재의 공극 단면적을 도출하는 단계;
상기 수리평균반경을 이용하여 상기 채움재의 종분산계수를 산출하는 단계;
상기 공극 단면적, 평균 유속과 상기 종분산계수, 및 추정 농도이력함수를 이용하여, 상기 채움재에서의 시간과 거리에 따른 오염물질의 분산거동을 분석하는 단계;
오염물질의 초기 오염 농도와 상기 추정 농도이력함수에 따른 오염물질의 목표 오염 농도와의 비율에 기초하여, 오염물질의 농도저감율을 산출하는 단계; 및
상기 농도저감율이 기설정된 목표 농도저감율을 초과하는지 여부를 판단하는 단계; 및
상기 농도저감율이 상기 목표 농도저감율을 초과하는 경우, 상기 채움재의 수리평균반경(m)과 상기 접촉산화수로의 길이(x)를 결정하는 단계를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 채움재의 평균입경 크기 및 평균형상 계수를 획득하는 단계;
상기 채움재의 간극비를 획득하는 단계; 및
상기 획득된 평균입경 크기, 평균형상 계수, 간극비를 기초로, 상기 채움재의 수리평균반경을 계산하는 단계를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 수리매개변수는,,
이며, 여기서 m은 상기 채움재의 수리평균반경인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 접촉산화수로의 길이(x)는 상기 산출된 농도저감율이 상기 목표 농도저감율을 초과하는 최소의 시간 값에 상기 평균 유속을 곱하여 획득되는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 산출된 농도저감율이 상기 목표 농도저감율을 초과하지 않으면, 상기 채움재 또는 수리평균반경을 변경하여, 위의 절차를 반복하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 오염물질의 농도저감율을 산출하는 단계는,
시간의 변화에 따른 상기 추정 농도이력함수의 오염 농도를 산출하는 단계를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 채움재의 종분산지수는 다음과 같이 표현되고,
,
여기서,는 상기 종분산지수, m은 상기 수리평균반경, a와 b는 상수인, 방법.
- 제1항에 따른 방법으로 결정된 채움재의 종류, 입경의 크기, 형상, 공극율 및 수로 길이를 갖는, 하천의 일정 구간을 채우는 형태로 설치되면서 하천 흐름 방향으로 배치되는 접촉산화수로; 상기 접촉산화수로 후단을 따라 구비되는 식생수로; 및 취수관이 구비된 돌망태 보;를 포함하는, 하천수 정화 시스템.
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| CN117893177A (zh) * | 2024-03-15 | 2024-04-16 | 山东得和明兴生物科技有限公司 | 一种利用弹性填料进行池塘水质调控的方法 |
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