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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 16(5); 2016 > Article
점착성 유사의 퇴적과 침식에 대한 염도의 영향에 관한 연구

Abstract

The aim of this experimental study is to quantify effects of salinity on deposition and erosion behavior of cohesive sediments in distilled water. The experiments were carried out in a small annular flume with a free water surface. The cohesive sediment “silica” was used. Results demonstrated that the salinity significantly affected the deposition and erosion rate of silica under different bed shear stresses. Even at the bed shear stress of 0.008 N/m2 and 0.013 N/m2, silica particles were deposited with the NaCl concentration of 5 g/L. The erosion rate of silica was measured in the range from 0.008 to 0.33 N/m2 with increasing the NaCl concentration. Three different types of erosion rate curve were measured with increasing the NaCl concentration and the consolidation time.

요지

본 실험연구의 목적은 증류수 조건하에 점착성 유사의 퇴적과 침식거동에 대한 염분의 영향을 정량화하는 것이다. 실험은 자유수면이 있는 소형환형수조에서 실시하였다. 점착성 유사는 실리카를 선택하였다. 연구결과는 바닥전단응력의 크기가 변화하는 조건하에 염분이 실리카의 퇴적과 침식률에 영향을 끼친다는 사실을 증명하였다. 바닥전단응력 0.008N/m2과 0.013 N/m2에서도 불구하고 실리카 입자는 염분농도 5 g/L에서 침강하였다. 염분농도 증가에 따른 바닥전단응력 0.008~0.33 N/m2범위에서 실리카의 침식률을 측정하였으며, 염분농도와 응고시간이 증가함에 따라 3가지 다른 형태의 침식률 곡선을 측정할 수 있었다.

1. 서론

해수와 만나는 하구언에 퇴적된 점착성 유사는 통수단면을 축소시켜 홍수범람을 유발시킬 수 있다. 특히 항만 내에 유동력 저하로 퇴적된 점착성 유사는 운행하는 선박의 항구 진입에 지장을 초래할 뿐만 아니라 매년 준설문제를 안고 있다. 그러므로 항만, 하구언, 하천, 저수지, 댐, 주운수로 등의 설계 및 준설문제 해결을 위하여 점착성 유사의 퇴적과 침식거동에 대한 정량적인 이해는 필수적 요구사항이다. 또한 수중생 태학적 측면에서 점착성 유사가 오염물질을 이송시키는 역할을 할 뿐만 아니라, 장기간의 탁도로 수중생물의 광합성작용 에 큰 영향을 끼치므로 점착성 유사의 침식과 퇴적 거동에 관한 이해는 매우 중요하다.
Krone(1962)는 점착성 일차입자(primary particle)가 1 μm 정도이며, 점착성변화로 미세입자가 결합된 덩어리인 플록 (floc)입자의 크기를 50 μm라고 제시하였다. 특히 작은 플록 (floc)이 결합하여 50 μm보다 큰 입자가 나타나며, 이런 현상을 응집(aggregation)이라고 정의하였다. 해수에 녹아 있는 염분성분 때문에 유입된 점착성 유사는 응집되어 쉽게 퇴적된다. Van Leussen(1994)은 침강속도차로 인해 응집현상이 매우 낮은 유체의 속도경사(G) 0.1~10 s-1에서 충분히 발생할 수 있다고 연구하였다.
많은 학자들이 환형수조에서 난류영향에 따른 점착성 유사의 침강거동에 대한 실험연구를 하였다(Methta and Partheniades, 1975; Johansen, 1998; Hillebrand, 2008). Lau and Krishnappan(1994)는 환형수조에서 고령토(kaolinite)의 침식과 퇴적 그리고 침강속도에 대한 난류의 영향을 연구하였다. Aberle et al.(2006)는 소형 인공수로로 현장에서 직접 채취한 점착성 유사에 대한 다양한 침식매개변수를 추정하기 위한 기법들을 제시하였다. Manning et al.(2007)은 소형환형 수조에서 점착성 퇴적물의 이군집 응집에 대해 연구하였다. Whitehouse et al.(1960)는 점착성 유사(montmorillonite, kaolinite, illite)의 응집현상과 침강속도가 염도 2~3‰까지 증가한다는 사실을 연구하였다. Maa and Kwon(2007)은 ADV를 사용하여 플록입자의 침강속도를 연구하였다. Burt(1986)은 염도가 미립자의 침강속도에 영향을 주지 않는다고 연구 하였다. 하지만 Van Leussen(1994)은 염도가 점착성 유사의 침강속도에 영향을 준다는 사실을 증명하였다. Kim and Nestmann(2009)은 정지수면과 증류수조건하에 침강수주에서 실리카의 침강속도가 염분증가에 따라 크게 증가함을 나타냈다. Kumaret al.(2010)은 전단응력 및 염분변화에 따라 San Jacinto 하구지역에서 퇴적물의 침강속도를 연구하였다. 또한 Portela et al.(2013)는 정지수면아래 항만 내의 점착성 퇴적물의 침강속도가 염도의 영향으로 증가함을 연구하였다.
국내인 경우 Kim(1989)은 점착성 퇴적물의 침식과 퇴적특성에 관한 연구를 직선수로에서 실험하였다. Hwang and Yang(2007)은 수돗물 조건하에 환형수조에서 고령토의 퇴적 실험연구를 하였다. Ryu et al.(2006)은 금강하구역의 점착성 퇴적물을 사용하여 침강속도의 특성을 분석하였다. 동일한 환 형수조에서 Hwang et al.(2008)는 수돗물 및 염수(32‰)조건 아래 고령토 퇴적물의 퇴적특성을 실험하였으나 수돗물에 존재하는 이온의 영향을 고려하지는 못했다. Hwang et al.(2008) 은 새만금, 시화호, 군산해역에서 채취한 점착성 퇴적물간의 침식특성차이의 원인을 입경분포, 유기물 함량 및 광물질 구성성분에 따라 규명하고자 했다. Choi and Kim(2014, 2015) 은 증류수 조건하에 pH와 유동이 변할 경우 점착성 유사의 침식과 퇴적거동에 관한 실험연구를 소형환형수조에서 실시 하였다. 그러나 점착성 유사의 동역학적인 거동은 광범위한 매개변수(평균입경, 저면밀도, 온도, 입경분포, 비중, 응고시간, 유동변화, 구성성분, 염도, 양이온전도율(CEC: Cation Exchange Capacity), pH, 생물학적 유기물 등)들의 영향 때문에 아직 완전히 이해되지 않았다. 그러므로 점착성 유사이송 및 퇴적거동에 대한 명확한 정량적인 해석을 위해서는 물리적 및 화학적 인자들에 대한 조사 및 분석이 필수적 기본 사항이다.
따라서 본 연구에서는 점착성 유사의 이송과 퇴적량 예측 및 대책 마련을 위해 물리-화학적인 인자 중 염분을 고려한 점착성 유사의 퇴적과 침식에 관한 실험을 하였다. 수중에 녹아 있는 이온의 영향을 피하기 위해 증류수에서 실험하였으며, 소형환형수조에서 염도변화에 따른 점착성 유사의 주성분인 실리카의 침식과 퇴적거동특성을 연구하였다.

2. 퇴적과 침식률

2.1 점착성 유사의 퇴적과 침식

생물학적 유기물 및 물리-화학적 인자들의 영향으로 수중에 유입된 점착성 유사가 침전(settling), 퇴적(deposition) 및 응고(consolidation)되어 통수능 저하와 같은 공학적인 측면에 많은 문제를 유발시킨다. 또한 하상에 퇴적된 점착성 유사는 난류흐름에 의해 침식(erosion)되어 다시 부유(resuspension) 된다.
Krone(1962)는 점착성 유사의 부유사량인 퇴적률(Qd)을 Eq.(1)과 같이 나타낸다.
(1)
dChdt=Qd=PWsC
여기서 P: 퇴적확률(probability of deposition), Ws: 침강속도 (mm/s), C: 저면경계층에서의 부유농도(g/L), h: 수심(m).
점착성 유사의 퇴적률(deposition rate)에 영향을 주는 퇴적 확률(P)은 유사간의 점착성 때문에 발생하는 플록(floc) 미립 자의 전단응력을 고려한 다음과 같은 함수로 나타낸다 (Partheniades, 1992).
(2)
P=1(2π)1/2Yew22dw=12[1+erf(Y2)]
(3)
Y=2.04log[0.25(τsτc,min1)exp(1.27τc,min)]
여기서 Y: 퇴적확률 매개변수, ω: 가상변수(a dummy variable), τs: 하상전단응력(N/m2), τc,min: 모든 부유퇴적물이 퇴적되는 최소전단응력(N/m2).
또한 Krone(1962)는 전단응력이 한계전단력보다 작을 경우 퇴적확률(P)을 다음과 같이 표현했다.
(4)
P=(1τsτc),τs<τc
여기서 τs: 하상전단응력(N/m2), τc: 한계전단응력(N/m2).
점착성 유사의 침식률은 멱함수(Power-law)에 따라 Eq. (5) 와 같이 나타낸다(Sanford and Maa, 2001).
(5)
E=M(τsτc)n
여기서 n: 지수, M: 경험전단계수, τc: 한계전단응력, τs: 하상 전단응력.
이때 점착성 미립자의 침식률(E)은 저면 유사질량의 시간 변화율로 나타내거나 수층높이에 부유사농도의 시간변화를 곱하여 얻어진다(Partheniades, 1965).

2.2 하상전단응력

수로바닥면이 매끈한 하상일 경우 난류의 유속분포(y≤0.2h) 를 Eq. (6)과 같이 나타낸다(Von Kármán, 1930).
(6)
uu*=1kln(yu*v)+C1
여기서 u*: 마찰속도, u: 유속, k: Kármán 상수(=0.4), y: 하상으로부터 수심, C1: 5.5, τs: 동점성 계수.
따라서 하상전단응력(τs)은 회전체의 회전수와 관계를 다음과 같이 나타낸다.
(7)
τs=afb
여기서 a, b: 회전체의 회전수에 영향을 받는 계수, f: 회전체의 초당회전수(s-1).
이때 하상전단응력은 측정된 평균유속에 의해 결정되었다. 소형환형수조의 바닥(=0.08 h)지점에서 1차원유속계(KENEK GR20)와 2차원 유속계(ACM250-D)로 유속을 측정하였으며, 외측벽의 마찰력과 내측지점 회전체 실린더의 영향을 받기 때문에 중앙의 두 지점에서 평균유속을 측정하였다. 유속으로부터 결정된 하상전단응력은 회전체의 회전수의 영향을 받으므로 그 관계를 Eq. (7)으로 나타냈다. 소형환형수조에서 1차 원유속계(KENEK GR20)와 2차원 유속계(ACM250-D)로 측정한 유속은 거의 일치하였다. 2차원 유속계(ACM250-D)로 측정한 회전체의 회전수에 영향을 받는 계수 ab는 각각 0.0016과 1.498이고 바닥응력과 회전수의 상관계수 R2은 0.99이며, 본 연구에 그 결과를 적용하였다. 하상전단응력의 측정방법은 Choi and Kim(2014, 2015)에 자세히 주어졌다.

3. 퇴적 및 침식실험

3.1 실험장치

본 연구의 실험에서는 자유수면을 크게 제한하는 기존 환형수조의 상부 회전링 대신 소형환형수조를 사용하였다(Fig. 1). 소형환형수조에 대한 구조적특성과 흐름특성에 관한 내용은 Choi and Kim(2014, 2015)에 자세히 주어졌으며, Hillebrand (2008)이 제시한 횡방향 유속분포 및 실리카(d50=0.005 mm)의 시간-농도곡선과 비교시 비슷한 결과를 보였다(Choi and Kim, 2015). 환형수조내 중앙에 설치된 회전체 실린더는 스테인리스 강판으로 만들어졌으며, 외측벽과 내측회전체사이로 흐름을 발생시켰다. 소형환형수조의 직경(D)은 150 mm, 내측벽과 외측벽의 통수폭(b)은 60 mm, 수심(h)은 170 mm이다. 회전수조의 바닥으로부터 25 mm지점에서 CCD Camera 로 LED(Light Emitting Diode:발광다이오드)의 빛의 강도를 인식하여 점착성 유사의 부유농도를 측정하였다(Kim and Nestmann, 2009).
Fig. 1
Simplified Sketch of Annular Flume
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3.2 실험방법 및 조건

연구의 실험재료는 새만금, 군산, 시화호의 퇴적물의 주된 광물질인 실리카(Hwang et al., 2008)을 사용하였다. 실리카 (Silica)의 평균입경(d50)은 0.0042 mm이다. 염분농도는 초기 농도 7 g/L일 경우 0~10 g NaCl/L이며, 바닥전단응력은 0~ 0.33 N/m2범위이다(Table 1).
Table 1
Summary of Experimental Conditions(Co: Initial Concentration, h: Water Depth)
Run No. Type of test Co (g/L) Temp. (°C) Consolidation time τs(N/m2) NaCl(g/L) h(m)
S1 Deposition 7 22.0 Stirred 0.0 0 0.17
S2 Deposition 7 18.9 Stirred 0.0 5 0.17
S3 Deposition 7 19.0 Stirred 0.0 10 0.17
S4 Deposition 7 21.4 Stirred 0.0086 5 0.17
S5 Deposition 7 19.0 Stirred 0.0132 5 0.17
S6 Deposition 7 19.0 Stirred 0.0170 5 0.17
S7 Erosion 7 22.0 79 hours 0.0086 to 0.146 0 0.17
S8 Erosion 7 20.7 110 hours 0.0086 to 0.226 0 0.17
S9 Erosion 7 19.4 48 hours 0.0086 to 0.330 5 0.17
S10 Erosion 7 19.4 48 hours 0.0086 to 0.330 10 0.17
S11 Erosion 7 19.4 110 hours 0.0086 to 0.330 10 0.17
실험은 증류수조건하에 염도와 유동력 변화에 따라 실리카의 퇴적률과 침식률을 다음과 같이 분석하였다. 첫 번째 단계는 소형환형수조내에서 증류수에 염분을 섞은 후 다시 미립 자를 혼합하여 20분 동안 균일하게 잘 섞는다. 두 번째 단계는 혼합 후 침강시 염도 및 유동변화에 따른 퇴적률을 측정한다. 세 번째 단계는 바닥전단응력이 증가할 경우 염도에 따른 점착성 유사의 침식현상을 실험한다. 이때 바닥전단응력(τs)이 한계전단응력(τc)보다 클 경우 하상에 퇴적된 표층퇴적물이 수층으로 침식 및 부유되며, 바닥전단응력이 증가될 경우 어느 순간 강하게 응집된 점착성 퇴적층이 침식되기 시작한다.

4. 퇴적 및 침식실험결과

4.1 농도 및 입경변화

Fig. 2는 초기농도 7 g/L일 경우 증류수에서 염도변화에 따른 점착성 미립자(실리카)의 퇴적현상을 나타냈으며, 초기농도(Co)와 침강하는 부유농도(C)와의 농도비(C/Co)를 나타낸다. 즉 정수(0 g NaCl/L)일 경우 S1의 초기부유농도가 감소하다가 침강시간 400분 이후부터 평형농도(Ceq) 현상을 나타낸 반면 5 g NaCl/L일 경우 S2의 시간-농도비가 지속적으로 감소하였다. 특히 염분농도가 5 g NaCl/L보다 10 g NaCl/L일 경우 S3의 시간-농도비는 급격히 감소하였으며, 염분농도증가에 따라 침강농도는 크게 차이가 났다. 플록이 발생한 염분 농도 5 g NaCl/L에서 유동변화에 따른 시간-농도변화특성을 실험하였으며, 이때 바닥전단응력이 존재하는 S4와 S5의 시간-농도비 감소량은 바닥전단응력이 없는 S2보다 작게 나타낸다. S6의 시간-농도비는 그 감소폭이 매우 작다.
Fig. 2
Measured Concentration-Time Curves of Silica when increasing NaCl Concentration and Bed Shear Stress in mini Annular Flume
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Fig. 3은 염도와 유체속도경사에 따른 입경변화를 나타낸다 (Table 2). Stokes 식에 따른 S1일 경우 평균입경은 0.0027 mm 이지만 염분농도가 5 g/L과 10 g/L인 S2와 S3의 평균입경이 0.0033 mm와 0.007 mm로 증가하였다. 하지만 동일한 염분농도 5 g/L조건하에 난류흐름이 존재하는 S4와 S5일 경우 평균 입경은 각각 0.0019 mm와 0.0017 mm로 감소하였다. Cornet (1981)이 제시한 식에 의해 분석된 유체속도경사(G) 3.3 s-1과 4.6s-1에서 퇴적이 발생한 반면 S6(G>5.7 s-1)일 경우에서 퇴적현상은 800분 이후부터 거의 발생하지 않았다. 이때 실험수로가 아크릴로 제작되어 매끈한 하상이므로 Strickler계수(kst) 는 100이다.
Fig. 3
Size Distribution of Silica as Functions of Applied Shear Stress
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Table 2
Estimate of Particle Sizes in Suspension(G(=[(gU3)/(vkst2R4/3)]1/2): Velocity Gradient, d50: Average Particle Size, v: Kinematic Viscosity [m2/s], R: Hydraulic Radius, U: Mean Velocity, kst: Strickler Coefficient [m1/3s-1])
Run No. U(cm/s) τs(N/m2) NaCl(g/L) G(1/s) d50(μm)
S1 0 0 0 0 2.70
S2 0 0 5 0 3.30
S3 0 0 10 0 7.00
S4 4.3 0.0086 5 3.3 1.90
S5 5.5 0.0132 5 4.6 1.65

4.2 퇴적률

Fig. 4(a)는 실리카의 최소전단응력(τc,min)을 제시하였다. 염분농도가 5g NaCl/L일 경우 초기농도(Co)와 평형농도(Ceq)의 유무를 파악한 후 바닥전단응력별 Ceq/Co의 비를 산정하였다. Ceq/Co의 비가 바닥전단응력 0.022 N/m2부터는 거의 1을 나타내며, 이때 Fig. 4(a)에서 제시한 바와 같이 모든 부유퇴적물이 퇴적되는 최소전단응력(τc,min)은 접합곡선이 x축 횡좌표와 교차하는 지점의 전단응력이 최소전단응력(τc,min)으로 정의된다. 그러므로 본 연구에서는 NaCl의 영향을 받는 실리카의 최소전단응력 값을 0.005 N/m2로 산정하였다. 또한 Fig. 4(b)와 같이 NaCl에 영향을 받는 실리카에 대한 Krone(1962)Partheniades(1992)이 제시한 퇴적확률(probability of deposition)을 비교하였다. NaCl의 영향아래 실리카의 최소전 단응력(τc,min) 0.005 N/m2과 한계전단응력(τc) 0.022N/m2을 적용하였다. 이때 하상전단응력(τs)이 한계전단응력(τc)보다 클 경우 하상에 점착성 유사의 퇴적은 발생하지 않는다. Choi and Kim(2015)에서 언급한 바와 같이 낮은 바닥전단응력구간에서는 Partheniades(1992)의 퇴적확률분포 값이 한계전단 응력 0.022N/m2를 사용한 Krone식보다 크게 발생할 뿐만 아니라 전단력이 증가할수록 미세한 퇴적이 나타나지만 Krone 모형보다 Partheniades 모형이 실제 퇴적률(deposition rate)과 잘 일치하였다.
Fig. 4
(a) Ratio Ceq/C0 and (b) Probability of Deposition with increasing Bed Shear Stress
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Fig. 5(a)는 실리카의 퇴적률(Qd)을 염분농도 5 g NaCl/L와 10 g NaCl/L일 경우 바닥전단응력변화에 따라 나타낸다. 실리카(silica)의 퇴적률(Qd)은 바닥전단응력 0~0.017 N/m2일 경우 Eq. (1)를 적용하여 산정하였다. S2일 경우 퇴적현상이 침강시간 2시간에서 강하게 발생하며, 이때 평균퇴적률은 67.8 g/m2h이다. 그러나 염분동도가 두배로 증가된 S3일 경우 평균퇴적률은 270.9 g/m2h로 증가하였다. S4의 평균퇴적률은 33.8 g/m2h로 감소하였다. 또한 S5와 S6의 평균퇴적률은 각각 24.6 g/m2h와 5.6 g/m2h로 감소하였다. 따라서 정지수면에서 염분농도가 증가할수록 플록(floc)현상이 발생하였으며, 퇴적률은 증가하였다. 그러나 플록현상이 발생하는 염분농도임에도 불구하고 바닥전단응력이 증가할수록 난류흐름으로 인한 입자간의 충돌로 퇴적은 감소하였으며, 바닥전단응력 0.017 N/m2부터는 실리카의 퇴적률이 현저히 감소하였음을 S6에서 볼 수 있다.
Fig. 5
(a) Deposition Rate(Qd) and (b) Settling Velocity versus Suspended Concentration with increasing Bed ShearStress
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또한 퇴적확률(P)에 따른 실리카의 퇴적률(Qd)을 비교 분석하였다. 퇴적확률(P)은 바닥전단응력이 증가함에 따라 Partheniades 모형으로 결정하였다. 염분농도를 고려한 실리카의 최소전단응력(τc, min)은 0.005 N/m2이다. 바닥전단응력 0.0086 N/m2일 경우 Partheniades 모형의 P값은 0.93, 바닥전단응력 0.0132 N/m2일 경우 P값은 0.78이며, 바닥전단응력 0.0132 N/m2일 경우 P값은 0.67이다. 그 결과 Fig. 5(a)와 같이 Partheniades 모형을 적용한 퇴적률이 실제 퇴적률(deposition rate)과 잘 일치하였다. 이때 침강속도(Ws)는 Eq.(1)를 적용하여 Choi and Kim(2015)에서 사용된 시간에 따른 농도변화로부터 결정하였다. Fig. 5(b)Johne(1966)에 의해 제시된 침 강속도(Ws=kCm)를 경험상수(k)와 경험계수(m)로 나타낸다. 염분농도 5 g NaCl/L 조건하에 S2일 경우 k값은 0.0025, m값 은 0.0793이며, S4일 경우 km값은 9×10-6, 0.6709이다. 동일한 염분농도 조건하에 S5일 경우 km값은 2×10-10, 1.9245 이며, S6일 경우 km값은 1×10-44, 10.605이다. 바닥전단응력이 증가될수록 k값은 감소했으며, m값은 증가했다. 염분농도 10 g NaCl/L 조건하에 S3일 경우 k값은 0.0006, m값은 0.4758이므로, k값이 증가했다. 정지수면조건하에 바닥전단응력 0 N/m2일 경우 염분농도 5 g NaCl/L에서 S2의 평균침강 속도는 0.005 mm/s인 반면 염분농도 10 g NaCl/L에서 S3의 평균침강속도는 0.0215 mm/s로 증가했다. 염분농도 5 g NaCl/L과 바닥전단응력 0.0086 N/m2일 경우 S4의 평균침강속도는 0.0022 mm/s인 반면 동일한 염분농도에서 바닥전단응력 0.0132 N/m2일 경우 S5의 평균침강속도는 0.0018 mm/s로 감소했다. 또한 동일한 염분농도에서 바닥전단응력 0.017 N/m2 일 경우 S6의 평균침강속도는 0.00028 mm/s로 더 감소했다. 이와 같이 점착성 유사인 실리카는 염분농도에 큰 영향을 받을 뿐만 아니라 바닥전단응력의 증가에 따라 침강속도는 현저히 감소함을 알 수 있었다.

4.3 침식률

점착성 퇴적물의 침식률은 Eq. (5)와 같이 경험전단계수 (M)에 영향을 받는다. 경험전단계수(M)에 대한 염분(NaCl)의 영향을 고려한 침식실험과 분석결과는 다음과 같다.
Fig. 6은 염분농도 0~10 g NaCl/L와 응고시간(hour) 48, 79, 110에 따른 플록침식과 붕괴침식을 나타낸다. S7의 침식부유 농도는 바닥전단응력 τs(=0.0133 N/m2)부터 급격히 증가했으며, 플록침식(floc erosion)이 240초 내에서 주로 발생했다. S1보다 응고 시간이 긴 S8의 경우와 염분이 첨가된 S9, S10 및 S11의 경우 퇴적물상부의 교란된 일부 퇴적저면의 침식이 발생하는 플록침식(floc erosion)은 360초 τs(=0.0579 N/m2) 내에서 나타났으며, 그 이후부터 강하게 응집된 퇴적물이 붕 괴되어 침식 및 부유되는 붕괴침식(mass erosion)이 발생했다.
Fig. 6
Resuspension Concentration as a Function of the Bottom Shear Stress
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Fig. 7(a)은 염분첨가에 따른 퇴적된 실리카의 침식률(E)을 나타낸다. S7, S8 및 S9일 경우 초기 침식률(E)이 급격히 증가했다. 하지만 침식률은 바닥전단응력 0.0225 N/m2부터 0.0579 N/m2 까지 일정하다가 바닥전단응력 0.0579 N/m2지점이후부터 급격히 증가하는 계단식 형태로 나타낸다. S10일 경우 S9와 응고시간은 동일하지만 염분농도가 증가할 때 접합곡선이 곡선 형태로 나타난 반면 S11일 경우 염분농도와 응고시간이 증가할 때 접합곡선은 직선 형태로 나타낸다. 이 때 한계전단응력은 초기저면 침식률을 제외한 침식률 접합곡선을 사용하여 산정했다. 즉 S7, S8 및 S9일 경우 플록침식 (floc erosion)이 발생하는 한계전단응력은 0.0131~0.035 N/m2 범위에 존재한다. 그러므로 S7의 한계전단응력은 0.013 N/m2, S8의 한계전단응력은 0.013 N/m2, S9의 한계전단응력은 0.011 N/m2, S10의 한계전단응력은 0.013 N/m2, S11의 한계전단응력은 0.021 N/m2이다.
Fig. 7
Erosion Rate as a Function of (a) the Bottom Shear Stress and (b) the Excess Shear Stress at S7, S8, S9, S10 and S11
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Fig. 7(b)는 염분농도의 영향을 고려한 초과전단응력(τsτc)에 따른 침식률을 나타낸다. 초과전단응력증가에 따른 침식률(E)은 응집시간이 짧고 염분의 영향을 받는 S9와 S10보다 응집시간이 큰 S7, S8 및 S11에서 크게 나타낸다. 그러므로 염분농도와 응집시간이 클수록 경험전단계수(M)의 값이 증가 함을 볼 수 있다. 이때 S7일 경우 경험전단계수(M)는 19.814 g·m-2·s-1/[N/m2]0.645이며, S8와 S9일 경우 경험전단계수(M)는 각각 15.692 g·m-2·s-1/[N/m2]0.786, 0.798 g·m-2·s-1/[N/m2]0.211이다. 또한 S10와 S11일 경우 경험전단계수(M)는 각각 5.477 g·m-2·s-1/[N/m2]0.391, 63.591 g·m-2·s-1/[N/m2]0.926이다(Table 3).
Table 3
Constants of the Empirical Erosion Coefficient and an Empirical Exponent Relationship(tk: Consolidation Time)
Run No. Co (g/L) M[kgm2s1[N/m2]n] n tk(h) NaCl(g/L) τc(N/m2)
S7 7 0.01981 0.645 79 0 0.013
S8 7 0.01569 0.786 110 0 0.013
S9 7 0.00079 0.211 48 5 0.011
S10 7 0.00547 0.391 48 10 0.013
S11 7 0.06359 0.926 110 10 0.021

5. 결론

본 연구는 증류수에서 물리-화학적 인자들(NaCl, 전단력, 응고시간)의 영향을 고려한 점착성 유사(실리카)의 퇴적 및 침식실험이며, 그 결과는 다음과 같다.
1) 정지수면상태에서 정수(0 g NaCl/L)일 경우 실리카의 시간-농도변화는 초기부유농도가 감소하다가 평형농도(Ceq)현상을 나타낸 반면, 염분농도(5 g NaCl/L, 10g NaCl/L)가 증가 함에 따라 시간-농도비가 급하게 감소했으며, 플록입경은 증 가했다. 특히 시간-농도비는 바닥전단응력(0.0086 N/m2과 0.0131 N/m2)이 증가함에도 평형농도현상이 없이 지속적으로 감소함을 나타냈다. 따라서 실리카는 NaCl의 영향을 크게 받아 시간-농도에 큰 영향을 끼치므로 항만 및 하구언에서 실리카 유사의 이송해석 시 반드시 고려해야할 물리-화학적인 인자임을 증명하였다.
2) 염분농도가 5 g NaCl/L와 10g NaCl/L일 경우 침강속도에 영향을 주는 m값은 대체로 바닥전단응력이 증가할수록 증가하는 반면, k값은 감소한다.
3) 퇴적이 염도의 영향으로 유체속도경사(G) 3.3 s-1과 4.6 s-1에서 지속적으로 발생한 반면 G>5.7 s-1일 경우에 퇴적현상은 미세하게 발생했다. 즉, 난류흐름으로 인한 입자간의 충돌로 실리카의 퇴적률은 감소하였다. 또한 Partheniades 모형을 적용한 퇴적률이 실제 퇴적률(deposition rate)과 잘 일치하였으므로 NaCl의 영향을 받는 항만 및 하구언에서 준설량 산정시 Partheniades 모형을 적용할 수 있다.
4) 증류수 조건하에 염분농도변화에 따른 실리카의 한계전단응력은 0.011~0.021 N/m2범위이다. NaCl의 영향을 크게 받음에도 불구하고 한계전단력이 작다는 것은 실리카 입자사이의 결합력이 작다는 것을 의미한다.
5) 실리카의 침식률 접합곡선은 3가지 형태를 나타낸다. 첫째, 응집력이 약할 경우 초기침식농도가 시간에 따라 증가하다가 평형상태에 도달 후 시간에 따라 다시 붕괴가 일어나는 계단식 형태가 나타난다. 둘째, 응집력이 약간 증가할 경우 접합곡선은 곡선 형태로 나타난다. 셋째, 응집력이 증가할 경우 접합곡선은 직선 형태로 나타난다. 즉, 염분농도가 증가할수록 응집된 실리카의 침식이 갑자기 붕괴되는 붕괴침식이 발생한다.
따라서 본 연구의 퇴적 및 침식실험 방법과 평가기법은 해안, 항만 및 하구 등의 하상변동과 점착성 유사의 동적거동 및 수질변동 예측시스템 개발에 유용하게 활용될 수 있을 것이다. 즉, 점착성 유사의 퇴적과 침식에 관한 정량적인 측정기 법들로 향후 항만공사의 기본계획과 항만 유지계획 중 항만 매몰 원인규명과 퇴적으로 인한 준설계획 및 수질오염 저감 계획 수립 등에 다양하게 활용될 것으로 사료된다. 하지만 좀 더 명확한 해석과 예측시스템 입력자료 구축을 위해서는 다른 물리-화학적 인자들에 대한 지속적인 연구가 요구된다.

감사의 글

본 논문은 2016년도 서일대학교 학술연구비에 의해 연구되었음.

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