2.1. 무동력 수류순환시스템의 원리 및 구조

바람과 수류에너지를 이용하여 표층수의 하강순환을 유도함으로써 수층의 성층화와 저층의 빈산소화를 방지하고 수질을 개선하기 위한 무동력 수류순환시스템을 개발하였다. 전체적인 이미지 및 명칭은 Fig. 1의 (a)에 나타내었다. 상부에는 1) 바람을 맞는 바람판(Wind blade)과 2) 전체 시스템을 부력에 의하여 띄우는 부력체(Float)가 있으며, 하부에는 3) 표층류를 하강시켜 물순환을 유도하는 패널시스템(Panel system)이 위치한다. 4) 중앙에는 중심축이 위치하여 전체 시스템의 이동을 방지하고, 풍향이 바뀜에 따라 이를 중심으로 회전한다. 이 시스템은 호수 및 저수지에서 부유한 상태로, 바람에 의해 형성된 취송류의 흐름과 항상 수직하게 위치하여 수류하강 및 순환을 유도한다.

Fig. 1.

Principle of non-powered water circulation system: (a) feature of water circulation system and (b) biased flow of wind-driven current.

취송류는 풍향과 동일한 방향으로 유도되지 않고 우측이나 좌측으로 편향되게 나타나는데, 이는 지구의 자전에 의해 발생하는 전향력에 의한 현상이다. 북반구의 경우 바람에 의해 발생한 취송류는 우측으로 편향되며, 국내에서는 평균 18.6° 우측 편향된 흐름으로 관찰된 바 있다[19]. 이를 응용하여 바람에 대응하는 바람판과 수류에 대응하는 패널시스템이 각각의 흐름과 수직으로 대응하도록 약 15 - 20° 정도 어긋나게 제작함으로써(Fig. 1(b)), 취송류의 하강 유도 효과를 극대화하였다. 참고로, 본 논문에서 별도로 제시하지는 않았으나 수류순환시스템에서 바람판과 패널시스템의 적정한 이격 각도를 결정하기 위해서 0° 또는 15°로 변화시키면서 선행적으로 유체역학분석을 실시하였다. Flow-3D 모델을 이용하였으며, 가로 100 m, 세로 100 m, 수심 3 m의 수체를 모의범위로 설정하고, 정중앙에 수류순환시스템을 위치시켰다. 일정한 풍향을 갖는 5 m/sec의 바람이 연속적으로 부는 조건에서 수체의 표면에 형성된 취송류가 수류순환시스템의 이격 각도에 따라 어떠한 거동을 보이는지 분석하였다. 모의 결과, 15°의 이격각을 갖는 경우에는 하강류 발생범위가 수류순환장치로부터 전방부의 4.8 m까지 이른 반면, 0°의 경우에는 3.2 m에 그쳐 15°의 이격각을 가질 때의 수류순환 효과가 더 우수한 것으로 모의되었다.

시스템 전체는 부식을 방지하기 위하여 스테인레스 스틸(stainless steel) 재질로 제작하였으며, 전체 시스템의 제원은 Table 1과 같다. 바람판의 길이는 6 m, 높이는 0.3 m로 하였으며, 폭 3 m, 길이 2.5 m의 하강유도패널을 좌우 양쪽에 대칭되게 설치하였다. 하강유도패널의 중앙에는 회전축의 역할을 하는 중심축(center shaft)을 설치하였다.

Table 1.

Design specifications

2.2. 무동력 수류순환시스템 테스트베드 구축

수질개선 효과를 관찰하기 위하여 경기도 파주시에 위치한 공릉저수지에 수류순환시스템의 테스트베드(Test-bed)를 구축하였다. 표층(수표면으로부터 30 cm 이내 하부 지점) 및 심층(저층으로부터 0.5 - 1.0 m 상부 지점)에 실시간 수질측정 센서를 장착한 모니터링시스템을 구축하였다. 모니터링은 2016년 10월부터 2017년 8월까지 약 11개월에 걸쳐 실시하였다. 해당 저수지는 만수 시 면적 0.4 km², 평균 수심 2.2 m이며, 상류지역에 산지, 골프장, 경작지 및 주거지가 위치하고 있어 지속적으로 부영양화가 진행 중인 곳이다(Fig. 2).

Fig. 2.

Test-bed of water circulation system: (a) installation and (b) scenery of test-bed.

수류순환시스템의 설치지점(monitoring site)과 대조지점(control site)의 위치는 Fig. 3과 같다. 설치지점은 유속이 느리고, 충분한 수심이 확보되어 수류순환시스템 하부보다 0.5 m 이상 깊은 곳을 선정하였고, 대조지점의 경우 설치지점에서 100 m 이상 떨어진 곳으로 선정하였다.

Fig. 3.

Monitoring and control sites in Gongneung reservoir.

2.3. 무동력 수류순환시스템 모니터링

모니터링은 현장 측정과 실험실 분석으로 구분하여 실시하였다. 실시간 분석기기로는 기술과환경㈜에서 제작한 다항목 측정기를 사용하였다. 실시간 분석항목은 수온, DO, DO saturation, pH, 전기전도도(Conductivity), TDS (Total dissolved solid) 및 회전각(Compass) 등이다. 기상자료는 테스트베드가 구축되어 있는 공능저수지 최인근의 파주기상대의 정보를 활용하였다. 세부 내용은 Table 2에 정리하였다.

Table 2.

Monitoring items

실시간 모니터링 결과는 1시간 간격으로 수집하여 인터넷을 통해 온라인으로 확인하도록 함으로써 장소에 구애받지 않고 테스트베드의 운영현황을 파악할 수 있는 모니터링 체계를 구축하였다(Fig. 4).

Fig. 4.

Real-time monitoring results of surface and deep layers at test-bed.

3.1. 실시간 모니터링 결과 시계열 분석

수류순환시스템이 풍향 및 수류의 방향에 대응하여 적정하게 회전하는지를 검증하기 위하여 회전각(compass)을 분석하였다(Fig. 5). 모니터링 결과를 통해 약 0°부터 350°까지 지속적으로 변화하는 것을 확인하였으며, 일반적으로 일주기를 갖고 회전운동을 하는 것으로 관찰되었다.

Fig. 5.

Time-series variation of compass according to rotation of water circulation system at test-bed.

장기적 효과의 확인을 위해서 2017년 3월 10일부터 2017년 5월 20일까지 측정된 수질항목(회전각, DO농도 및 포화도, 수온, pH, 전기전도도) 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 해당 시기에 회전각(compass)은 240 - 320° 사이에서 규칙적인 일주기 회전을 보여주었다. 다만 5월 이후 심각한 가뭄으로 인해, 저수지의 수위가 크게 낮아지고 시스템의 하부가 저수지 바닥에 고착됨으로써 회전이 실질적으로 정지하는 현상이 발생하였다. DO농도는 표층에서 약 4 - 18 mg/L, 심층에서 0 - 15 mg/L의 값을 나타내었으며, DO포화도는 표층에서 약 40 - 200%, 심층에서 약 0 - 150%의 값을 나타내었다. 수온의 경우 심층 대비 표층이 높고, 약 6℃부터 25℃까지 점점 상승하는 결과가 나타났으며, 전 구간에서 하루를 기준으로 상승 및 하강이 반복되는 일주기를 보여주었다. pH 또한 심층 대비 표층이 높으며, 심층은 약 7.0 - 9.0, 표층은 약 7.5 - 9.0의 값을 나타내었다. 전기전도도는 표층과 심층이 비슷한 수치를 나타내었고, 일부구간에서 심층이 표층과 역전되는 현상을 보여주었다.

Fig. 6.

Time-series variation of water quality items at test-bed: (a) compass, (b) DO, (c) DO saturation, (d) water temperature, (e) pH and (f) conductivity.

Fig. 6에 도시하고 있는 모니터링 시기 중에서 두 특징적인 기간에 대해 집중적인 분석을 실시하였다. 첫 번째 분석에서는 가뭄으로 인한 회전운동 정지 이전과 이후를 구분하여 수질인자별 거동을 파악하였다. DO농도(또는 DO포화도)의 경우, 시스템이 구동하는 기간에는 심층의 농도가 최소 5 mg/L 이상으로 유지되었으나, 정지된 가뭄기간에는 DO가 0 mg/L, DO포화도가 0%에 근접하는 결과가 관찰되었다. 이는 수류순환시스템의 구동을 통해 심층의 DO를 일정수준 이상으로 유지시켜 빈산소화를 방지할 수 있음을 시사하는 결과로 판단된다. pH 그래프의 경우, 시스템의 구동 정지 이전에는 심층과 표층의 농도 차이가 약 0.44였으며 격차가 벌어지더라도 순환에 의해 다시 좁혀지는 현상을 보였으나, 구동 정지 이후에는 그 차이가 평균 0.91로 커졌으며 특히 시스템 정지 초반에 최대 1.88의 차이를 보여 수류순환 효과가 급감했음을 확인할 수 있었다.

두 번째 분석에서는 ①과 ②로 표시된 점선 네모구간을 집중적으로 검토하였다. 해당 구간은 표층과 심층의 DO가 크게 벌어지고, 전기전도도의 역전현상이 나타남과 동시에, pH에 있어서도 차이가 두드러지는 구간에 해당한다. 종합적인 검토를 위해 기상 데이터를 추가로 분석하였으며(Fig. 7), 해당 데이터는 기상청에서 운영하는 기상정보개방포털(https://data.kma.go.kr)에서 참고하였다[20]. ① 구간은 강우 발생 직후이며, 기온이 추세선보다 높고 큰 폭으로 상승하였으며, 일조량 또한 증가하였다. 이로 인해 표층 조류의 활성이 커져 DO의 농도 및 포화도가 크게 증가하였으며, 조류의 광합성으로 인해 수중의 CO₂가 감소하여 pH 또한 상승하는 결과를 가져온 것으로 판단된다. 전기전도도의 경우 강우유출수의 유입에 의한 부분적 희석 효과로 표층에서 하강한 것으로 사료된다. ② 구간은 가뭄에 의한 저수위로 인해 시스템의 회전이 정지하고 표층수의 하강 유도가 제 기능을 상실함에 따라 심층의 급격한 빈산소화가 나타난 시기이다. 해당 시기는 고온 및 고일사량 기간에 해당하는 것으로 나타났고, 조류의 영향으로 인해 표층의 pH는 약 9.0까지 상승하였으며, 심층은 약 7.0으로 분석되었다. 심층의 전기전도도가 표층 대비 높아지는 결과를 보였는데 이는 저층에서 DO의 심각한 감소로 인하여 영양염류 및 중금속의 용출이 발생하는 데에 따른 것으로 판단된다.

Fig. 7.

Weather information at test-bed: (a) rainfall, air temperature and sunshine duration and (b) wind velocity and wind direction.

추가적으로, 본 테스트베드가 구축되어 있는 지점의 수심이 약 3 m에 해당하며, 이처럼 얕은 수심의 저수지에서도 온도 및 여러 수질인자의 농도성층이 뚜렷하게 형성되는 것이 확인되었다. 이는 얕은 수심을 갖는 저수지에서도 농도 및 온도 성층이 형성됨을 주장한 기존 연구를 뒷받침하는 결과이며[6], 온도성층보다는 DO나 pH 등의 농도성층의 경향이 더 강한 것으로 나타났다.

3.2. 가뭄에 의한 저수위 시기의 모니터링 결과 상세분석

Fig. 6에서 살펴본 바와 같이, 5월 이후 저수심으로 인하여 시스템의 구동이 중단되고 측정된 수질항목에서 표층과 심층의 차이가 급격히 벌어지는 결과가 나타났다. 따라서 저수심 시기의 DO와 전기전도도를 좀 더 면밀히 살펴보기 위해 Fig. 8에 4월 30일부터 5월 20일까지 21일간을 일별로 세분화한 그래프를 기상정보와 비교하여 나타내었다.

Fig. 8.

Detailed time-series variation at test-bed during drought season: (a) weather information, (b) DO and (c) conductivity.

해당 구간에서 표층의 DO는 뚜렷한 일주기 변동이 관찰되며, 심층에서도 약한 일주기 변동이 나타났다. 심층의 일주기 변동은 표층과 일정한 시간 지연을 갖고 있는 것으로 나타났다. 해당 그래프에서 표층과 심층의 일주기 변동이 모두 뚜렷한 시기를 중심으로 피크가 나타나는 시간대의 차이를 분석한 결과 10 - 20시간 전후의 지연이 발생하는 것으로 분석되었다. 5월 9일 - 10일 및 5월 13일, 강우 직후에 심층 및 표층의 DO농도의 차이가 확연히 감소함과 동시에 표층의 DO포화도가 개선되는 현상이 관찰되었는데, 이는 수류순환 이외에도 강우에 의한 희석효과 및 일조량 감소에 따른 조류 활성 저하 등에 의한 효과가 복합적으로 작용할 수 있음을 시사한다. 또한 5월 6일경 심층의 전기전도도가 급격히 하락하였다. 이 시기에 일평균기온이 19.2℃에서 12.7℃로 약 6.5℃만큼 크게 하락하였는데 심한 기온의 저하가 표층의 조류 활성에 영향을 미침과 동시에, 표층의 수온이 급감하여 심층의 수온과 미소하게 역전됨으로써 표층과 심층의 밀도차에 따른 수류순환을 유발한 것이 원인인 것으로 사료된다.

본 테스트베드에서는 가뭄과 농업용수 확보가 중첩되는 5월의 저수위 기간을 중심으로, 수심이 시스템의 전고보다 얕아져 회전이 중단됨으로써 수류순환 효과가 감소되거나 사라지는 결과가 관찰되었다. 이러한 문제를 극복하기 위해서는 추후 현장상황에 따른 시스템의 운영방식을 구체화하여 적용장소에 맞는 전고를 갖도록 제작하여야 할 것으로 생각된다. 예를 들어 평수기에 초점을 맞출 경우 갈수기 운영이 정지될 수밖에 없지만 표층의 순환수가 저질층에 가까운 심층까지 도달하여 효과적인 수질개선이 가능할 것이다. 반면, 갈수기의 운영에 중점을 두어 패널시스템의 전고를 작게 제작할 경우 수심이 낮아지더라도 시스템의 운영이 가능하나 순환수의 도달 깊이가 상대적으로 짧아져 효율이 저하될 개연성이 있다.

3.3. 대조지점과의 비교분석

수류순환시스템 설치지점(심층)과 대조지점(수심 2.5 m)의 수질을 비교·분석하였다(Fig. 9). 분석된 수질항목은 DO, DO포화도, pH 및 전기전도도를 포함한다. 해당 그래프를 통해서, 대조지점의 경우 DO는 10.4 - 15.4 mg/L, DO포화도는 84.3 - 124.7%로 분석되었으며, 일주기 효과에 따른 DO의 큰 변동폭과 DO 과포화 현상이 나타났다. 본 시스템 설치지점의 경우 DO농도 11.1 - 12.9 mg/L로 변동폭이 완화됨과 동시에 DO포화도 또한 87.4 - 102.6%으로 분석되어 약 17% 감소 및 개선되는 효과가 관찰되었다. pH는 대조지점에서 8.0 - 9.0, 설치지점에서는 8.1 - 8.5로 측정되어 설치 지점에서 pH의 상승이 부분적으로 완화되는 것으로 나타났다. 이를 통해 수류순환시스템에 의해 조류의 활성이 억제되고 있음이 시사되었다.

Fig. 9.

Water quality comparison between monitoring and control sites: (a) DO, (b) DO saturation, (c) pH and (d) conductivity.

해당 내용을 각 수질항목별 평균값, 백분위수 5%, 백분위수 95%, 표준편차(standard deviation, S.D.) 및 변동계수(coefficient of variation, C.V.)로 비교·분석하였다(Table 3). 전체 데이터의 표준편차를 산술평균으로 나눔으로써 변동의 정도를 나타내는 지표 중의 하나인 변동계수를 기준으로 모니터링지점과 대조지점을 비교하였을 때, 전기전도도는 모니터링지점에서 0.003, 대조지점에서 0.007로 분석되어 모니터링지점에서의 변동폭이 줄어듦을 알 수 있었으며, DO는 0.031 및 0.086, DO포화도는 0.033 및 0.086으로 모니터링지점에서 현저하게 변동폭이 감소한 것으로 나타났다. pH 또한 0.009 및 0.019로 분석되어, 종합적으로 대조 지점의 수질변동 폭이 모든 항목에서 큰 반면 모니터링지점에서는 완화되고 있음이 확인되었다. 이는 표층과 심층의 격차가 표층수의 하강을 유도하는 수류순환을 통해 희석됨과 동시에, 조류의 활성도가 저하됨에 따라 DO와 pH가 24시간 주기로 증감을 반복하는 일주기 현상도 완화되었음을 시사한다.

Table 3.

Descriptive statistics of water quality items comparing between monitoring and control sites