KR101330739B1 - 산기식 폭기시스템 설계방법 및 그 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산기식 폭기시스템을 설계함에 있어서 호소환경 인자를 정확하게 반영하여 산기기 설치대수, 폭기량 및 가동시간에 대한 최적의 조건을 선정하고, 아울러, 선정과정에서 사용된 정보를 이용하여 목표 효율을 유지하며 운영할 수 있게 하여 폭기시스템의 운영 효율을 높일 뿐만 아니라 폭기 목적을 목표 효율을 유지하면서 달성하게 하는 산기식 폭기시스템 설계방법 및 그 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것으로서, 성층특성 인자 데이터를 입력받는 단계(S110); 목표 탈성층효율(η_goal)를 입력받는 단계(S120); 목표 탈성층효율(η_goal)에 대한 무차원변수(D_N)를 무차원변수(D_N)와 탈성층효율(η)의 상관관계 정보에 근거하여 산출하는 단계(S130); 산출한 무차원변수(D_N)에 대응되는 단위시간당 바닥면 폭기량(Q)를 산출하고, 수심(H)에 대한 보정으로 대기중 폭기량인 설계폭기량(Q₀)을 산출하는 단계(S140); 대상수면적(A_T)에 대응되는 산기기의 개수를 산출하는 단계(S150); 폭기에 의한 운동에너지의 전달량에 대한 폭기에 의한 위치에너지 변화량의 비율을 최대로 하는 가동시간을 산정하는 가동시간 산정단계(S160);를 포함한다.

Description

산기식 폭기시스템 설계방법 및 그 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체{PLANNIG METHOD FOR AERATING SYSTEM, AND COMPUTER-READABLE RECORD MEDIUM STORING PROGRAM EXECUTING THE EMTHOD}

본 발명은 산기식 폭기시스템을 설계함에 있어서 호소환경 인자를 정확하게 반영하여 산기기 설치대수, 폭기량 및 가동시간에 대한 최적의 조건을 선정하고, 아울러, 선정과정에서 사용된 정보를 이용하여 목표 효율을 유지하며 운영할 수 있게 하여 폭기시스템의 운영 효율을 높일 뿐만 아니라 폭기 목적을 목표 효율을 유지하면서 달성하게 하는 산기식 폭기시스템 설계방법 및 그 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.

일반적으로 댐이나 저수지와 같은 호소에 저수된 물의 용존 산소는 시간이 지남에 따라 점차 소모되므로, 외부 공기와 접촉되는 표층으로부터 심층으로 갈수록 용존 산소량이 줄어들게 되며, 더욱이, 성층현상에 의해서 수직방향의 흐름이 없어 심층에서는 무산소층이 발생한다. 이에 따라, 퇴적물 내의 질소나 인과 같은 영양염류가 용출하고 조류 발생을 증가시키며, 어류의 서식환경을 악화시키게 된다.

종래에는, 이와 같은 성층현상, 심층혐기현상 및 조류성장현상에 의한 수질 악화를 해결하기 위해서 호소에 폭기시스템을 설치하였다. 폭기시스템은 산기식, 간헐식 및 대류식으로 분류되는 데, 설치비용 및 운영비용 면에서 유리한 산기식을 많이 채용한다.

도 1은 일반적인 산기식 폭기시스템의 설치 예시도로서, 호소의 바닥면에 설치되어 폭기하는 복수개의 산기기(1), 산기기(1)에게 공기를 분배하는 분배장치(2), 공기를 공급하는 공기공급장치(3) 및 공기 공급과 분배를 제어하는 제어장치(4)를 포함하여 구성된다. 이와 같은 폭기시스템은 호소의 심층에 공기를 공급하여 공기의 부상에 의한 물의 수직 흐름으로 탈성층을 유도하고, 아울러 심층에 공기를 공급하여 심층혐기화를 방지하며, 조류성장도 억제한다.

하지만, 종래 폭기시스템의 설치 및 운영을 위한 폭기기의 설치대수, 설치간격, 폭기량, 폭기시간 등에 대해 체계적인 설계 방법을 제시하지 못함에 따라 경험이나 기존 문헌에서 산발적으로 연구된 자료에 근거하여 설계하고 설치하여 운영하였다. 이와 같은 폭기시스템에 대한 설계 기준의 부재로 인해서 폭기기의 위치 선정, 설치대수, 운영 방식 등을 호소환경에 최적화시키지 못하고 효율적으로 설치 및 운영하지도 못하였다. 더욱이, 성층화 정도를 고려하지 않고 일률적인 방식으로 폭기하면 저층의 영양물질을 표층에 공급하여 오히려 수질을 악화시킬 우려도 있으며, 폭기량과 탈성층 여부는 비선형적 관계를 갖음에 따라 일정량 이상 또는 이하의 폭기는 오히려 역효과를 낳는 것으로 알려졌다. 또한, 심층의 암모니아 농도와 수온의 증가로 인하여 친냉성 어류의 서식환경을 악화시키고 심수층의 영양염류가 표층으로 이동하며, 식물성 플랑크톤의 서식 범위가 넓어지는 부작용도 발생할 수 있었다.

한편, 호소 내의 성층화 및 탈성층화 메카니즘에 대해 수리동력학적 연구를 살펴보면, 호소환경 요인에 대한 성층강도, 탈성층효율, 산소전달효율 등의 다양한 변수를 정의하여 해석하고 있었으며, 특히, 무차원변수도 정의하여 수리동력학적으로 해석하고 있었다. 하지만, 이러한 연구는 산발적으로 이루어져서, 실제 폭기시스템의 설계에 있어 호소환경에 최적화된 설계 가이드 라인을 제시하진 못하였다.

따라서 본 발명의 목적은, 종래 산기기의 탈성층 메카니즘에 대해 수리동력학적 해석에만 그쳤던 것을 실제 폭기시스템의 설계에 체계적으로 적용하도록 함과 아울러, 호소환경을 정확하게 반영하여 최적화된 산기기 설치대수 및 가동시간의 산정으로 수질개선을 극대화하는 산기식 폭기시스템 설계방법 및 그 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 성층특성 인자 및 폭기량(Q)의 함수로 결정되는 무차원변수(D_N)에 대한 탈성층효율(η)의 상관관계 정보를 포함하는 호소의 성층특성 인자들 간의 상관관계 정보를 저장하는 메모리부(30), 성층특성 인자 데이터를 입력받는 입력부(10), 성층특성 인자들 간의 상관관계에 근거하여 폭기시스템의 최적조건을 설계하는 중앙처리장치(40), 및 설계된 데이터의 결과를 출력하는 출력부(30) 를 이용하여 이루어지는 호소에 대한 산기식 폭기시스템 설계방법에 있어서, 대상수면적(A_T), 표층온도, 심층온도, 평균수심(H), 표층깊이(h_u), 대기압 등가수심(H_A) 및 성층강도(N)를 포함하는 성층특성 인자 데이터를 입력받는 성층특성 데이터 입력단계(S110); 탈성층을 위한 목표 탈성층효율(η_goal)를 입력받는 목표 탈성층효율 입력단계(S120); 목표 탈성층효율(η_goal)에 대한 무차원변수(D_N)를 무차원변수(D_N)와 탈성층효율(η)의 상관관계 정보에 근거하여 산출하는 무차원변수 산정단계(S130); 산출한 무차원변수(D_N)에 대응되는 단위시간당 바닥면 폭기량(Q)를 산출하고, 수심(H)에 대한 보정으로 대기중 폭기량인 설계폭기량(Q₀)을 산출하는 설계폭기량 산정단계(S140); 대상수면적(A_T)에 대응되는 산기기의 개수를 산출하는 산기기 설치대수 산정단계(S150); 산정하여 얻은 설계폭기량 및 산기기 설치대수에 관한 데이터를 출력부(30)를 통해 출력하는 데이터 출력단계(S170);를 포함한 탈성층을 위한 설계 데이터 획득단계(S100)를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 메모리부(30)에는, 무차원변수(D_N)와 단위부피당 심층산소전달량 간의 상관관계에 대한 정보, 및 무차원변수(D_N)와 산소전달효율 간의 상관관계에 대한 정보를 저장하고, 상기 가동시간 산정단계(S160) 이후에는, 심층혐기화방지를 위한 설계 데이터의 획득단계(S200)를 수행함을 특징으로 한다.

상기 심층혐기화방지를 위한 설계 데이터의 획득단계(S200)는, 산소전달의 목표가 되는 심층부 부피인 심층대상부피(V_a), 및 호소에서 발생하는 산소소모율(q) 를 입력받는 특성 데이터 추가 입력단계(S210); 산소소모율(q)와 심층대상부피(V_a)를 곱산하여 필요산소량

을 산출하는 필요산소량 산정단계(S220); 무차원변수(D_N)와 산소전달효율 간의 상관관계에 근거하여 미리 설정된 목표 산소전달효율에 대응되는 한계 무차원변수(D_N) 이하의 무차원변수 값을 선정하고, 선정한 무차원변수(D_N) 값에 따른 목표 설계폭기량(Q₀)를 선정하는 목표 폭기량 선정단계(S230); 무차원변수(D_N)와 단위부피당 심층산소전달량의 상관관계에 대한 정보에 근거하여 목표 무차원변수(D_N)에 대응되는 단위부피당 심층산소전달량을 획득하는 단위부피당 산소전달량 산정단계(S240); 평균수심(H)에 미리 설정되는 배수를 곱셈하여 얻는 값을 지름으로 하고 평균수심(H)를 높이로 하는 산소전달 대상부피를 산출한 후에, 산소전달 대상부피에 단위부피당 산소전달량을 곱셈하여 단위시간당 산소전달량을 산출하는 단위시간당 산소전달량 산정단계(S250); 단위시간당 산소전달량에 대한 필요산소량의 비율값과, 현장에 설치할 산기기의 가동 폭기량에 대한 목표 설계폭기량(Q₀)의 비율값을 곱산하여 산기기 설치대수를 획득하는 산기기 설치대수 산정단계(S260); 를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 메모리부(30)에는, 표층수온저감 효과가 발생하는 영향반경을 수심으로 제산한 단위수심당 영향반경 R_H=R_eff/H을 상기 무차원변수(D_N)의 함수로 표현한 상관관계 정보를 저장하고, 심층혐기화방지를 위한 설계 데이터의 획득단계(S200) 이후에, 조류 성장억제를 위한 설계 데이터의 획득단계(S300)를 수행함을 특징으로 한다.

상기 조류 성장억제를 위한 설계 데이터의 획득단계(S300)는, 사류지역(Dead Zone)의 면적(A_D)을 입력받는 특성 데이터 추가 입력단계(S310); 상기 탈성층을 위한 설계 데이터 획득단계(S100)의 설계폭기량 산정단계(S140)에서 산출한 설계폭기량(Q₀)에 대응되는 무차원변수(D_N)에 대하여 단위수심당 영향반경(R_H)을 추정하는 영향반경 추정단계(S320); 사류지역 면적 A_D, 단위수심당 영향반경(R_H)에 수심(H)을 곱산한 영향반경 R 및 여유율 a 를 이용하여

의 관계식으로 산기기의 설치대수를 산출하여 출력부(20)를 통해 출력하는 산기기 설치대수 산정단계(S330); 을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

따라서, 상기와 같이 이루어지는 본 발명은, 목표 탈성층효율을 미리 정하여 목표 탈성층효율에 맞는 설계 데이터를 산정하므로 최적화된 설계 데이터를 얻을 수 있으며, 아울러, 성층특성 인자 간의 상관관계를 체계적으로 정립하여 설계데이터를 산정하면서 호소환경을 정확하게 반영하므로 실제 폭기시스템의 설계에 직접적으로 활용할 수 있다.

또한 본 발명은, 탈성층, 산소전달 및 조류성장억제를 위한 설계 데이터를 일괄적으로 산정하므로, 폭기시스템의 설치 목적에 부합되는 설계 데이터를 정확한 값으로 제시하고, 아울러, 폭기시스템의 운영에도 적절하게 활용되게 한다.

또한 본 발명은, 폭기시스템의 설계시에 적용된 데이터를 실제 폭기시스템의 운영 시에 활용하여, 최적 조건으로 운영 가능하게 한다.

도 1은 일반적인 산기식 폭기시스템의 설치 예시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 산기식 폭기시스템 설계방법을 수행하는 폭기시스템 설계장치의 블록구성도.
도 3은 수심별 수온의 분포곡선에 따라 표층깊이를 정함을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 산기식 폭기시스템 설계방법에 있어서, 탈성층을 위한 설계 데이터 획득단계(S100)의 순서도.
도 5는 무차원변수와 탈성층효율 간의 상관관계를 보여주는 그래프.
도 6은 폭기기의 가동시간을 선정하는 데 활용되는 데이터의 그래프.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 산기식 폭기시스템 설계방법에 있어서, 심층혐기화방지를 위한 설계 데이터 획득단계(S200)의 순서도.
도 8은 심층산소전달의 대상이 되는 심층유효부피의 선정방식을 보여주기 위한 DO 농도의 그래프.
도 9는 산소전달효율과 무차원변수 간의 상관관계를 보여주는 그래프.
도 10은 산소전달량과 무차원변수 간의 상관관계를 보여주는 그래프.
도 11은 중첩효과에 의한 심층산소전달효율을 보여주는 그래프.
도 12는 산소전달효율과 무차원변수 간의 상관관계를 보여주는 그래프.
도 13은 심층산소전달효과를 고려한 폭기량과 가동일수 간의 상관관계를 보여주는 그래프.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 산기식 폭기시스템 설계방법에 있어서, 조류 성장억제를 위한 설계 데이터 획득단계(S300)의 순서도.
도 15는 무차원변수와 단위수심당 영향반경 간의 상관관계를 보여주는 그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 첨부된 도면들에서 구성 또는 작용에 표기된 참조번호는, 다른 도면에서도 동일한 구성 또는 작용을 표기할 때에 가능한 한 동일한 참조번호를 사용하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 산기식 폭기시스템 설계방법을 수행하는 폭기시스템 설계장치의 블록구성도이다.

상기 도 2를 참조하면, 폭기시스템 설계장치는, 호소의 성층특성 인자들 간의 상관관계 정보를 저장하는 메모리부(30)와, 성층특성 인자에 대한 데이터를 입력받는 입력부(10)와, 성층특성 인자들 간의 상관관계에 근거하여 폭기시스템의 최적조건을 설계하는 중앙처리장치(40)와, 설계된 데이터의 결과를 출력하는 출력부(20)를 포함하여 구성된다.

상기 성층특성 인자는, 호소(湖沼)에서 폭기하려는 부분의 면적인 대상수면적(A_T), 표층온도, 심층온도, 대상수면적 내의 평균수심(H), 성층화된 수체에서 표층부의 깊이인 표층깊이(h_u), 수면에서 대기압 등가수두인 대기압 등가수심(H_A), 성층화 정도를 나타내는 것으로 성층주파수로 표현되는 성층강도(N) 등을 포함한다. 이와 같은 성층특성 인자에 대한 데이터는 호소환경에 따라 측정되는 호소환경 인자의 값으로 상기 입력부(10)를 통해 입력되어서, 폭기시스템을 최적 조건으로 설계하는 데에 적용된다.

여기서, 상기 표층깊이(h_u)는 수체의 수온을 표층부터 심층까지 측정하여 수심에 대한 수온 분포 곡선을 작성하였을 때에, 성층 현상에 의해서 층이 형성되는 지점까지의 수심을 나타낸다. 도 3을 참조하면 표층깊이에서 수온이 급격하게 변경되고 표층깊이의 상하에서는 각각 수온이 거의 균일하게 되며, 때로는 다층의 수온 분포를 갖게 된다. 여기서, 표층깊이란 수면으로부터 수온이 급격하게 변경되는 지점까지의 수심을 의미한다.

상기 성층강도(N)는 표층밀도과 심층밀도의 차에 의해서 결정되며, 다음의 수학식1로 나타낸다.

여기서, g는 중력가속도이고, ρ는 밀도에 대한 변수이고, h는 수심에 대한 변수이고,

는 기준밀도로 정해지는 심층밀도이며, 본 발명에서는 상기 수학식1에 포함된 수심에 대한 밀도의 기울기를 (표층밀도-심층밀도)/(평균수심)으로 계산한다. 물리적으로 살펴보면, 어느 수심에 있는 유체입자가 외부 자극에 의해서 상승하면 중력에 의해 다시 하강하게 되는 데, 이때에 수직방향의 관성을 갖게 되어 원래 위치보다 더 낮은 곳으로 하강하게 되며, 결국 밀도가 더 큰 유체에 둘러싸여서 부력을 받게 되므로 다시 상승하게 된다. 이에 따라, 유체입체는 평형을 이룰 때까지 진동하게 되는 것을 의미하므로, 상기 수학식1로 표시된 성층강도(N)는 물리적으론 진동 주파수를 의미하며 "stratification frequency"라고도 불린다.

한편, 상기 표층깊이(h_u)는 수심별 수온분포에 따라 산정되고, 상기 성층강도(N)는 평균수심(H), 표층밀도, 및 심층밀도에 따라 산정되므로, 수심별 수온분포, 표층밀도 및 심층밀도를 상기 입력부(10)로 입력받고, 이에 따라 상기 표층깊이(h_u) 및 성층강도(N)를 중앙처리장치(40)에서 산출하게 구성할 수도 있다.

상기 메모리부(30)에 저장되는 정보는, 폭기시스템을 설계함에 있어 필요한 각종 정보로서, 성층특성 인자들 간의 상관관계 정보를 포함하며, 본 발명의 실시예에서 사용되는 주요 상관정보 정보를 나열하면, 성층특성 인자 및 폭기량(Q)를 포함한 인자들의 함수로 결정되는 무차원변수(D_N)의 산출식 정보와, 무차원변수(D_N)에 대한 탈성층효율(η)의 상관관계 정보와, 심층 바닥면 폭기량(Q)와 대기중 폭기량인 설계폭기량(

) 간의 상관관계 정보와, 성층특성 인자 및 폭기량(Q)를 포함한 인자들의 함수로 결정되는 탈성층효율(η)의 상관관계 정보와, 폭기에 따른 에너지 변화에 근거하여 가동시간을 획득하기 위한 정보와, 무차원변수(D_N)와 단위부피당 심층산소전달량 간의 상관관계에 대한 정보, 및 무차원변수(D_N)와 산소전달효율 간의 상관관계 정보와, 표층수온저감 효과가 발생하는 영향반경을 수심으로 제산한 단위수심당 영향반경 (R_H=R_eff/H)을 상기 무차원변수(D_N)의 함수로 표현한 상관관계 정보, 를 포함한다. 이와 같은 상기 메모리(30)에 저장되는 각종 정보에 대해서는 후술하는 산기식 폭기시스템 설계방법을 설명할 때에 상세히 설명한다.

상기 중앙처리장치(40)는 3개의 프로세서(41, 42, 43)를 수행하도록 구성되며, 여기서 제1 설계프로세서(41)는 탈성층을 위한 설계 데이터 획득단계(S100)를 수행하는 프로세서이고, 제2 설계프로세서(42)는 심층혐기화방지를 위한 설계 데이터 획득단계(S200)를 수행하는 프로세서이고, 제3 설계프로세서(43)는 조류 성장억제를 위한 설계 데이터 획득단계(S300)를 수행하는 프로세서이다. 상기 제1,2,3 설계프로세서(41, 42, 43)의 수행으로 이루어지는 탈성층, 심층혐기화방지 및 조류 성장억제를 위한 설계 데이터 획득단계(S100, S200, S300)에 대해서는 하술하는 산기식 폭기시스템 설계방법에서 상세히 설명한다.

한편, 상기 도 2에 도시된 폭기시스템 설계장치는 컴퓨터시스템으로 구성하고, 하술하는 탈성층, 심층혐기화방지 및 조류 성장억제를 위한 설계 데이터 획득단계(S100, S200, S300)로 이루어지는 산기식 폭기시스템 설계방법을 컴퓨터시스템에서 실행할 수 있도록 할 수 있다. 이를 위해서, 본 발명의 실시예에 따른 산기식 폭기시스템 설계방법을 컴퓨터 시스템으로 실행할 수 있는 프로그램으로 기록매체에 기록하여서, 컴퓨터시스템이 기록매체에 기록된 프로그램을 컴퓨터시스템에 구비된 인터페이스(미도시)를 통해 읽어 동작하게 하는 것이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 산기식 폭기시스템 설계방법에 대해서 상세히 설명한다. 하기의 설명에 있어서, 폭기시스템에 대한 설계 데이터는, 수중에서 폭기하는 단위 폭기기의 설계폭기량, 폭기기의 설치대수 및 폭기기의 가동시간을 포함한 데이터를 의미한다. 이러한 설계 데이터는 폭기하려는 호소의 특성에 따라 최적으로 설계하여서, 폭기의 목적, 즉, 탈성층, 심층혐기화방지 및 조류 성장억제 중에 선택 하나의 목적에 적합하게 하거나, 아니면 두가지 이상의 목적에 적합하게 운용하기 위한 설계 가이드라인을 제시한다.

아울러, 하기의 설명에 있어서, 이해를 돕기 위해 구체적인 실시예로서 출원인이 특정 호소에 대해 획득한 실제 데이터를 사용하며 설명한다.

< 탈성층을 위한 설계 데이터 획득단계(S100) >

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 산기식 폭기시스템 설계방법에 있어서, 탈성층을 위한 설계 데이터 획득단계(S100)의 순서도이다.

상기 도 3을 참조하면, 탈성층을 위한 설계 데이터 획득단계(S100)는, 성층특성 데이터 입력단계(S110), 목표 탈성층효율 입력단계(S120), 무차원변수 산정단계(S130), 설계폭기량 산정단계(S140), 산기기 설치대수 산정단계(S150), 가동시간 산정단계(S160) 및 데이터 출력단계(S170)를 포함한다.

상기 성층특성 데이터 입력단계(S110)는, 대상수면적(A_T), 평균수심(H), 표층온도, 심층온도, 표층깊이(h_u), 대기압 등가수심(H_A) 및 성층강도(N)를 포함한 성층특성 인자의 데이터를 입력받으며, 이러한 성층특성 인자의 데이터는 폭기하려는 호소의 특성을 나타내며 폭기시스템의 최적 설계에 적용된다. 하기의 표1은 상기 성층특성 데이터 입력단계(S110)에서 입력되는 주요 성층특성 인자의 데이터에 관한 것으로서, 수학식에 사용되는 변수명과, 실제 구체적인 실시예에서 사용되는 예제 데이터도 기재하였다.

구분	수면적 (㎡)	평균수심 (m)	표층온도 (℃)	심층온도 (℃)	표층깊이 (m)	대기압 등가수심 (m)	성층강도 (성층주파수) (sec-1)
변수	AT	H			hu	HA	N
예제	100,000	35	25	8	5	10.2	0.028

여기서, 상기 성층강도(N)는 상기의 수학식1로 계산되며, 구체적인 실시예에서 얻은 데이터로서 표층밀도 997.07㎏/㎥와 심층밀도 999.88㎏/㎥를 이용하여서 다음의 산출과정으로 얻었다.

상기 표층깊이(h_u)는 상기 도 3을 참조하며 상술한 바와 같이 수심별 온도분포에 따라 결정된다.

상기 목표 탈성층효율 입력단계(S120)는, 폭기에 의해 주입된 물리적인 에너지에 대한 수체의 위치에너지(potential energy) 변화량을 백분율로 정의한 탈성층효율에 있어서, 목표로 하는 최대 탈성층효율을 입력한다. 즉, 설계하고자하는 폭기시스템의 최대 탈성층효율을 목표 탈성층효율(η_goal)로 정하고 이에 맞는 폭기시스템을 설계하는 것이다.

도 5는 무차원변수(D_N)와 탈성층효율(η) 간의 상관관계를 보여주는 그래프로서, 하기의 수학식 2로 정의되는 무차원변수(D_N)를 점차 증가시키면 탈성층효율(η)은 최대 탈성층효율로 수렴하게 됨을 볼 수 있다. 이러한, 최대 탈성층효율의 값은 호소환경에 따라 영향을 받지만, 출원인이 복수의 호소에 대해 각각 산정한 결과에 따르면 10% 내외로서 8%~12% 범위 내로 정하면 적절한 것으로 판단되며, 본 발명의 구체적인 실시예에서는 10%로 선정하였다. 여기서, 상기 도 5의 그래프로 표시된 데이터는 실제 호소에서 얻은 성층특성 인자인 성층강도, 수심, 폭기량, 기포경 등의 데이터는 물론이고 성층의 유입, 유속 등의 외부 영향인자들을 추가 적용하여 얻은 것이며, 아울러, 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 시뮬레이션으로 검증하고 보정한 것이다.

상기 무차원변수 산정단계(S130)는, 입력받은 목표 탈성층효율(η_goal)에 대응되는 무차원변수(D_N)를 산출한다.

먼저, 상기 무차원변수(D_N)에 대해 설명하면, 상기 무차원변수(D_N)는 호소환경에 의한 성층특성 인자 및 폭기량(Q)에 의해서 다음의 수학식2로 정의된다.

여기서, N은 성층강도이고, H는 평균수심이고, α는 연행계수(coefficient of entrainment)로서 통상 0.083의 값을 갖고, Q는 심층 바닥에서의 폭기량으로서 ㎥/s의 단위를 갖고, g는 중력가속도이고,

는 기포와 수체 사이의 슬립속도로서 기포경에 따라 정해지며 구체적인 실시예에서는 0.23으로 정하였다.

이와 같이 정의되는 상기 무차원변수(D_N)는 탈성층 과정을 설명하는 데 주요 변수로 사용될 뿐만 아니라, 상기 도 5에 도시된 바와 같이 탈성층효율에 직접적으로 영향을 주어서 하기의 수학식3,4와 같이 탈성층효율과의 상관관계를 얻을 수 있다.

여기서,

는 상수로서 정해지며, 본 발명의 구체적인 실시예에서는 각각 11.8475, 8.0639E-7, 11.8475, 8.0639E-7로 정해지며, 입력받는 목표 탈성층효율(η_goal)을 상기 수학식 4에서 탈성층효율(η)에 산입하면 무차원변수(D_N)는 2,304,447.6으로 산정된다.

상기 설계폭기량 산정단계(S140)는, 상기 수학식2에 근거하여서 무차원변수(D_N)에 대응되는 단위시간당 바닥면 폭기량(Q)를 산출하고, 수심(H)에 대한 보정으로 대기중 폭기량인 설계폭기량(Q₀)을 산출한다. 즉, 상기 수학식 2에 의해서 다음의 수학식 5를 얻을 수 있으며, 구체적인 실시예로 얻어진 수치를 산입하여 단위시간당 바닥면 폭기량(Q)을 산출할 수 있고, 산출한 바닥면 폭기량(Q)를 수심에 대해 보정하여 대기중의 폭기량인 설계폭기량(

)을 다음의 수학식 6으로 얻을 수 있다.

여기서, H_A는 대기압 등가수심이며, 상기 수학식 5, 6으로 산출되는 폭기량은 단일 산기기에서 폭기되는 양을 나타낸다.

상기 산기기 설치대수 산정단계(S150)는, 대상수면적(A_T)에 대응되는 산기기의 개수를 산출하는 단계로서, 평균수심(H) 값의 크기에 따라서 산출방식을 달리하며, 미리 설정되는 임계수심과 비교하여 산출방식을 선택한다. 여기서 상기 임계수심은 20m로 정하는 것이 바람직한데, 이는 수심이 낮을 경우에 후술하는 바와 같이 탈성층효율의 산출식에 근거하여 산기기 설치대수를 산출하면 비현실적으로 적게 산출되기 때문이다.

즉, 상기 성층특성 데이터 입력단계(S110)에서 입력받은 평균수심(H)이 상기 임계수심보다 크면(S151) 깊은수심 설치대수 산정단계(S152)를 수행하고, 평균수심(H)이 상기 임계수심보다 이하이면 낮은수심 설치대수 산정단계(S154)를 수행한다.

상기 깊은수심 설치대수 산정단계(S152)는 하기의 수학식 7을 이용하여 산기면적의 지름 D를 획득하고, 획득한 산기면적의 지름 D를 근거로 산기기의 설치 대수를 산출한다.

여기서, d는 기포지름이고, 스케일 D_l는

로 계산되고, A₃,A₄,A₅,A₆,A₇는 상수로서 구체적인 실시예에 따르면 4.794, 0.403, 0.1482, 0.025, 0.059로 정해지며, 효율 η는 앞서 말한 10%로 산입하여서, 산기면적 D를 1.85m로 얻었다. 그리고, 단위 산기기의 설치대수는 산기면적을 단위 산기기의 면적으로 제산하는 다음의 수학식 8로 산출한다. 여기서는, 단위 산기기의 지름(

)을 0.3m로 산입하고, 산출한 결과를 올림하여서 정수값을 취하였다.

아울러, 상기 수학식 7,8을 이용하여 산기기의 설치대수를 산출한 이후에는, 산기기 간의 설치간격이 적절한가를 확인하는 설치간격 검증단계(S153)를 수행한다.

상기 설치간격 검증단계(S153)은 인접하는 산기기들 사이의 설치 간격이 평균수심(H)에 미리 설정되는 수심배수를 곱셈한 값을 갖는지 검증한다. 여기서, 상기 미리 설정되는 수심배수는 1.3배~1.6배로 설정되며, 바람직하게는 1.5배로 설정하는 것이다. 여기서, 인접 산기기 사이의 간격을 수심에 수심배수를 곱한 값으로 정하는 것은 인접 산기기에 의한 중첩효과를 고려한 것이다. 중첩효과에 대해 살펴보면, 단위 산기기에 의한 탈성층효율은 산기기로부터 수평방향의 거리가 멀수록 작아지게 되며, 어느 거리 이상에서 매우 약해지게 되는 데 그 어느 거리 지점까지를 영향반경이라고 정하게 된다. 이때, 산기기가 서로 인접하게 되면 산기기 사이의 영역에는 양측 산기기의 폭기에 의한 중첩효과가 나타나는 데, 이러한 중첩효과에 의한 탈성층효율을 적절한 값으로 되게 양측 산기기 사이의 거리를 정하면 산기기 설치대수를 줄이면서 탈성층 조건을 만족할 수 있다. 이를 위해, 산기기 사이의 거리를 바꿔가면서 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)으로 시뮬레이션한 결과에 따르면 산기기 사이의 거리를 수심의 1.3배~1.6배로 정하는 것이 최적조건이었으며, 더욱 바람직하게는 수심의 약 1.5배로 하는 것이었다. 아울러, 이와 같이 정해지는 산기기 사이의 거리는 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션의 결과에 따르면 수중 산소전달효과 면에서도 적절함을 확인할 수 있었다.

이에, 본 발명의 실시예에서는, 상기 깊은수심 설치대수 산정단계(S152)로 산출된 산기기의 설치대수가 최적의 설치간격을 만족하는 지를 검증하면, 구체적으로는, 다음의 수학식 9에 의해 산출되는 비율이 1에 가까운지는 확인한다.

여기서, A_T는 입력받은 대상수면적이고, n은 상기에서 산출한 산기기 설치대수이고

는 입력받은 평균수심(H)에 상기 수심배수에 곱셈한 것이며,

는 n과

의 곱셈으로 이루어지는 것으로서 설계된 산기기 설치대수를

간격으로 배치하였을 때의 영향수면적을 나타내므로, 상기 수학식 9로 산출된 값이 1에 가까우면 중첩효과도 반영된 최적 설치간격도 만족하게 된다. 만약, 여기서, 상기 수학식 9로 산출된 값이 1에서 미리 설정된 오차범위를 벗어나면, 목표탈성층효율을 가감한 후에 상기 무차원변수 산정단계(S130)로 돌아가 다시 설계한다. 예를 들면, 상기 수학식 9로 산출된 값이 1보다 작으면 목표 탈성층효율을 증가시키고, 1보다 크면 목표 탈성층효율을 감소시키는 것이다. 한편, 상기 수학식 9로 산출된 값이 1에 가까우면 적절하지만, 미리 설정된 범위 내의 값이면 만족하는 것으로 할 수도 있다. 예를 들면, 상기 수학식 9로 산출한 값이 0.5~1.5 범위 내의 값이면 만족한 값으로 정하는 것이다.

다음으로, 상기 낮은수심 설치대수 산정단계(S154)는 평균수심(H)이 미리 설정되는 임계수심 이하일 때에 실행되는 단계로서, 아래 수학식 10과 같이 평균수심(H)에 미리 설정된 수심배수를 곱셈한 후에 제곱하고 제곱하여 얻은 값으로 대상수면적(A_T)을 제산한다.

이와 같은 산기기 설치대수 산정단계(S150) 이후에는 다음의 가동시간 산정단계(S160)를 수행한다.

상기 가동시간 산정단계(S160)는, 폭기에 의한 운동에너지의 전달량에 대한 폭기에 의한 위치에너지 변화량의 비율을 최대로 하는 가동시간을 산정하는 단계로서, 표층온도와 심층온도의 차 및 설계폭기량에 따른 가동시간의 데이터 차트에 근거하여 가동시간을 산정한다.

먼저, 상기의 데이터 차트에 대해서 설명하면 다음과 같다.

탈성층효율은 정해진 시간 동안 수체에 주입된 운동에너지(Kinetic Energy)가 수체의 위치에너지(Potential Energy)를 증가시키는 데 사용된 백분율로 나타낼 수 있고, 수체의 혼합(mixing) 효율이라고 볼 수 있다. 따라서, 탈성층이 발생하여 더 이상 수온분포의 변화가 없을 때의 에너지변화율을 이용하여서 탈성층효율이 산정되며, 이때의 에너지변화율은 산기기가 유발할 수 있는 최대에너지변화율을 의미하게 된다.

따라서, 최대에너지변화율과 목표 탈성층효율을 이용하여서, 설계된 산기기가 해당 호소에 목표 탈성층효율로 호소 내 최대에너지변화를 발생하기 위한 가동시간을 호소상황별 데이터 차트 형태로 얻을 수 있으며, 이에 대해 도 6의 그래프로 표시하였다. 상기 도 6에 따르는 가동시간은 표층온도와 심층온도의 차이값, 및 폭기량에 따라 결정되며, 각 호소환경 및 폭기량에 따라 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션으로 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이 가동시간을 데이터 차트에서 정한 후에는, 산정하여 얻은 설계폭기량, 산기기 설치대수 및 가동시간을 출력부(20)를 통해 출력하여서, 탈성층을 위한 산기기의 설치 형태 및 산기기의 가동 방법 등에 대한 정보로서 폭기시스템을 설계할 수 있게 하는 데이터 출력단계(170)가 수행된다.

한편, 대상 수면적이 과도하게 넓은 호소의 경우에는 미리 설정된 한계 설계 넓이 이하로 분할하여 설계하는 것도 고려하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 한계 설계 넓이를 200,000㎡로 설정하였을 경우에 대상 수면적이 350,000㎡이면 200,000㎡와 150,000㎡로 분할하여 분할한 영역별로 상기 탈성층을 위한 설계 데이터를 획득하고, 분할한 영역별로 산정된 산기기의 설치대수를 합산하는 것이다.

<심층혐기화방지를 위한 설계 데이터의 획득단계(S200)>

상기와 같이 탈성층을 위한 설계 데이터 획득단계(S100)를 수행한 이후에는 심층혐기화방지를 위한 설계 데이터의 획득단계(S200)를 수행한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 산기식 폭기시스템 설계방법에 있어서, 심층혐기화방지를 위한 설계 데이터 획득단계(S200)의 순서도이다.

여기서, 먼저 살펴볼 것은 수심이 대략 15m이하인 경우에 상하층의 수온차이 및 용존산소차이가 적으므로, 심층혐기화방지를 위한 설계 데이터 획득단계(S200)는 수심이 15m를 초과할 경우에만 실행하도록 할 수도 있다. 여기서, 기준이 되는 15m는 출원인이 얻은 데이터에 근거하여 제시한 값으로서, 보다 정확성을 기하기 위해서 보다 다양한 호소 환경에 대한 데이터에 근거하여 정하는 것이 바람직하다.

상기 심층혐기화방지를 위한 설계 데이터 획득단계(S200)는 특성 데이터 추가 입력단계(S210), 필요산소량 산정단계(S220), 목표 폭기량 선정단계(S230), 단위부피당 산소전달량 산정단계(S240), 단위시간당 산소전달량 산정단계(S250), 산기기 설치대수 산정단계(S260), 가동시간 산정단계(S270) 및 데이터 출력단계(S280)를 포함하여 이루어진다.

상기 특성 데이터 추가 입력단계(S210)는, 심층혐기화방지를 위한 산기기의 설계에 있어서 필요한 데이터를 추가 입력받는 단계로서, 산소전달의 목표가 되는 심층부 부피인 심층대상부피(V_a), 및 호소에서 발생하는 산소소모율(q)를 포함한 데이터를 추가 입력받는다. 여기서, 상기 심층대상부피(V_a)는 도 8에 도시된 바와 같이 호소의 DO(Dissolved Oxygen, 용존산소량) 농도를 수심별로 얻은 결과에서 미리 규정된 DO 농도 이하인 수체 부피를 산출하여 얻는다. 상기 도 8에 도시된 구체적인 실시예에서는 DO 농도 2ppm 이하인 영역으로 산정하였다. 그리고, 상기 산소소모율(q)은 DO 농도의 분포 또는 복수의 호소에 대한 통계 데이터에 근거하여 적절히 가정할 수 있고, 일반적으로 최대 산소소모율은 0.1~0.5g/㎥·day 이므로 이 범위 내에서 가정하면 되며, 본 발명의 실시예 설명에서는 0.5g/㎥·day으로 가정하였고, 상기 심층대상부피(V_a)는 600,000㎥로 입력하였다.

상기 필요산소량 산정단계(S220)는, 심층대상부피(V_a)의 영역에서 소모되는 산소를 보충하기 위한 필요산소량을 산출하는 단계로서 다음의 수학식 11로 산출된다.

여기서, q는 산소소모율이고, V_a는 심층대상부피이다.

상기 목표 폭기량 선정단계(S230)는, 산소전달효율을 고려하여 미리 선정되는 한계 무차원변수 값 이하로 무차원변수의 값을 선정하고, 선정한 무차원변수 값에 따른 목표 설계폭기량을 산출하는 단계이다. 여기서, 무조건 높은 산소전달효율을 목표로 한계 무차원변수 값을 선정한다면 폭기량이 과도하게 산정되거나 순환효율이 떨어지는 등의 댐 운영 효율을 떨어뜨리므로, 적절한 산소전달효율을 얻을 수 있도록 무차원변수를 선정하여 그에 맞는 폭기량을 선택하는 것이 바람직하다.

도 9는 산소전달효율과 무차원변수 간의 상관관계를 보여주는 그래프로서, 상기 도 9의 그래프를 살펴보면 무차원변수가 약 700,000 이하부터 산소전달효율이 급격히 증가하므로, 한계 무차원변수 값을 700,000으로 지정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에서는, 한계 무차원변수 값 700,000을 만족하는 대기중 폭기량인 목표 설계폭기량(Q₀)을 1,160 LPM으로 지정하여 다음의 수학식 12를 이용해 바닥면 폭기량(Q)를 산출한 후에 상기의 수학식 2에 대입하여 무차원변수(D_N) 값을 선정하였으며, 이때의 무차원변수 값은 694,235이다. 여기서, 무차원변수 값은 한계 무차원변수 값 이하로 선정하였음을 확인할 수 있다. 한편, 선정하려는 무차원변수 값을 상기 한계 무차원변수 값 이하로 미리 선정하고 수학식 5를 이용해 설계폭기량(Q₀)를 산정할 수도 있다.

상기 단위부피당 산소전달량 산정단계(S240)는, 무차원변수(D_N)와 단위부피당 심층산소전달량의 상관관계에 대한 정보에 근거하여 단위부피당 심층산소전달량을 획득하는 단계이다. 여기서, 무차원변수(D_N)과 단위부피당 심층산소전달량의 상관관계는 실제 호소에 대한 데이터에 근거하여 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션 결과로 검증하고 보정하여 도 10에 도시한 실시예와 같이 그래프로 표시하고 이에 대한 관계식을 도출하면 하기의 수학식 13를 얻을 수 있다.

여기서,

는 단위부피당 심층산소전달량이다. 그리고, 상기 도 10의 예시 그래프는 초기 DO농도를 1ppm으로 하고 목표 DO농도를 3ppm으로 하였을 때의 것이며 이에 따라 상수 4x10⁶ 및 -1.041를 얻었다. 한편, 상술한 바와 같이 선정한 목표 무차원변수 값을 수학식 13에 산입하거나 아니면 상기 도 10의 그래프로부터 추산하면 단위부피당 심층산소전달량은 약 3.32mg/hr·㎥를 얻게 된다.

상기 단위시간당 산소전달량 산정단계(S250)는, 상기에서 얻은 단위부피당 심층산소전달량에 산소전달 대상부피를 곱하여 단위시간당 산소전달량을 산정한다.

여기서, 산기기에 의해서 산소가 심층에 직접적으로 전달되기도 하지만, 산기기의 폭기에 의해서 표층수와 심층수가 상호 순환하므로, 상기 산소전달 대상부피는 수체의 순환이 발생되는 부피로 정의할 수 있다.

또한, 실제 호소에는 다수의 산기기들이 설치됨에 따라 산기기들 간의 중첩효과가 발생하고 수체의 난류가 증가하므로 기체-액체 간의 상호전달이 더욱 활성화된다. 도 11은 산기기의 설치간격과 산소전달효율의 상관관계를 보여주는 그래프(도 11에서 a 그래프곡선)로서, 설치간격이 증가할수록 산소전달효율이 감소함을 볼 수 있으며, 설치간격이 대략 평균수심(H)의 3배인 지점에서 산기기를 단독 설치할 때의 효율(도 11에서 b 그래프곡선이 가리키는 효율)에 도달하는 것도 볼 수 있다. 따라서, 산기기를 복수 대로 설치할 경우에, 수체의 순환에 의해서 산소가 전달되는 수체의 범위(즉, 산소가 전달되는 지름)는 3H 정도로 볼 수 있다. 아울러, 상기 도 11에 예시된 그래프는 본 출원인이 얻은 데이터에 근거한 것으로서 수심의 3배수로 하였으나, 이러한 배수는, 보다 정확성을 기하기 위해서는 산기기의 설치간격과 산소전달효율의 상관관계를 다양한 댐 환경에 따라 얻어서, 최적의 수체의 범위를 얻는 것이 바람직하다.

상기와 같은 수체의 순환 및 중첩효과를 고려한 상기 산소전달 대상부피는

의 산출식으로 얻을 수 있다. 여기서, 수심은 평균수심을 의미하고, 유효지름은 상술한 바와 같이 수체의 순환에 따른 범위로서 수심에 미리 설정된 배수를 곱산한 것이며, 본 발명의 실시예에서와 같이 유효지름을 3H로 하고 수심 H를 평균수심인 35m로 하면 303,066㎥를 얻는다. 그리고, 산소전달 대상부피로 얻은 303,066㎥에 단위부피당 산소전달량인 3.32mg/hr·㎥을 곱셈하면 단위시간당 산소전달량(

)는 1,005,978mg/hr(24,143.5g/day)로 된다.

상기 산기기 설치대수 산정단계(S260)는, 단위시간당 산소전달량에 대한 필요산소량의 비율로 산기기 설치대수를 획득하는 단계로서, 하기와 같이 산출되며, 올림하여 정수값을 취하는 것이 바람직하다.

그러나, 수학식 14에서 산정된 산기기의 설치대수는 1,160LPM의 목표 폭기량으로 가동할 때의 설치대수이므로, 이 폭기량은 실제 호소에서 운영되기에는 현실성이 떨어진다. 따라서, 해당 심층부의 산소공급을 위해 주입되는 공기량은 동일하되, 실제 호소에 적용 가능한 폭기량으로 분산하여 폭기할 산기기의 설치대수로 조정할 필요가 있다. 즉, 실제 현장에 설치할 산기기의 폭기량을 400LPM으로 하였으면, 실제 설치할 산기기의 대수는 하기 수학식 15로 산출된다.

여기서, 적용할 실제 산기기의 폭기량은 상기 탈성층을 위한 설계 데이터 획득단계(S100)에서 얻은 폭기량을 사용할 수도 있다.

다음으로, 산소전달 대상부피에서의 산기기 설치간격의 확인은, 대상 수면적에 대하여 설치하였을 경우의 산기기 영향수면적과 대상 수면적의 비율을 통해 확인할 수 있다. 즉,

는 52.5m이고

는 104,738㎡으로 상기 수학식 9에 산입하면 거의 1에 가까우므로, 해당 대상 수면적에 대해 적절한 설치대수가 산정되었음을 알 수 있다.

상기 가동시간 산정단계(S270)는, 무차원변수(D_N)와 산소전달효율(K) 간의 상관관계에 근거하여 예상되는 산소전달효율(K)을 획득한 후에 가동시간을 산출하는 단계이다. 여기서, 무차원변수(D_N)와 산소전달효율(K) 간의 상관관계는 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션의 결과에 따르면 도 12에 도시된 예시와 같이 그래프로 표현할 수 있으며, 이를 바탕으로 하기의 수학식 16을 도출할 수 있다.

여기서, 상수 566.41 및 -1.063은 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 반복 실시하면 더욱 정확한 값을 얻을 수 있다.

그리고, 가동시간(

)의 산출은 하기의 수학식 17을 이용하여 이루어진다.

여기서,

는 초기 DO농도이고

는 목표 DO농도이며, 이들 값을 상기 특성 데이터 추가 입력단계(S210)에서 입력하도록 하는 것도 가능하다.

한편, 도 13는 심층산소전달효과를 고려한 폭기량과 가동일수 간의 상관관계를 보여주는 그래프로서, DO농도를 초기 1ppm에서 3ppm으로 증가시킬 경우의 데이터를 그래프로 도시한 것이다. 즉, 초기 및 목표 DO농도 및 수심 별로 획득할 수 있는 폭기량에 대한 가동시간의 상관관계 데이터에 근거하여서, 설계 폭기량에 대한 가동시간을 얻을 수도 있다.

상기와 같이 심층혐기화방지를 위한 설계 데이터의 산출단계(S200)에서 획득되는 산기기 설치대수 및 가동시간은 출력부(20)를 통해 출력되어서(S280), 심층혐기화방지를 목적으로 폭기시스템을 설계할 때에 사용되게 한다.

<조류 성장억제를 위한 설계 데이터 획득단계(S300)>

다음으로, 조류 성장억제를 위한 설계 데이터 획득단계(S300)에 대해서 설명한다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 산기식 폭기시스템 설계방법에 있어서, 조류 성장억제를 위한 설계 데이터 획득단계(S300)의 순서도이다.

상기 조류 성장억제를 위한 설계 데이터 획득단계(S300)는, 상술한 심층혐기화방지를 위한 설계 데이터의 획득단계(S200) 이후에 실행되며, 특성 데이터 추가 입력단계(S310), 영향반경 추정단계(S320), 산기기 설치대수 산정단계(S330) 및 데이터 출력단계(S340)를 포함하여 이루어진다.

상기 특성 데이터 추가 입력단계(S310)는, 조류가 발생할 수 있는 사류지역(Dead Zone)의 면적(A_D)을 추가 입력하는 단계이다. 조류 성장은 빛, 수온, 영양염류 농도 등과 같은 생물학적 요인과, 유역특성, 기후 등과 같은 기상적 요인 및 체류시간, 난류 등과 같은 물리적인 요인들에 의해서 크게 영향을 받으며, 특히, 영양염류가 조류 성장에 있어서 가장 중요한 인자이므로, 영양염류의 축적이 이루어질 수 있는 곳을 사류지역으로 선정하는 것이 바람직하다. 이러한 사류지역은 현장 모니터링 또는 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션의 결과로부터 선정할 수 있다.

상기 영향반경 추정단계(S320)는, 무차원변수(D_N)에 대하여 단위수심당 영향반경(R_H)을 추정하는 단계이다. 여기서, 상기 무차원변수(D_N)는 상기 탈성층을 위한 설계 데이터 획득단계(S100)의 설계폭기량 산정단계(S140)에서 산출한 설계폭기량(Q₀)에 따라 산출되고, 상기 단위수심당 영향반경(R_H)은 무차원변수(D_N)와의 상관관계 정보에 근거하여 추정된다.

여기서, 단위수심당 영향반경(R_H)과 무차원변수(D_N) 간의 상관관계를 살펴보면 다음과 같다. 해당되는 호소에 대한 조류성장억제효과를 판단하기 위해서 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션으로 산기기의 폭기 영향반경을 산정할 수 있으며, 아니면 설계되는 산기기에 대한 기존 자료 및 다른 현장 호소에서의 데이터를 이용하여서 해당 폭기기의 영향반경을 산정할 수 있다. 여기서, 산기식 폭기기에 의한 조류성장억제효과는 표층수온의 저감에 의한 효과가 크게 작용하므로, 미리 정한 값의 조류성장억제효과를 기준으로 표층수온을 저감할 수 있는 산기기 영향반경을 산정할 수 있다. 그리고, 이러한 영향반경을 수심으로 제산(除算)한 단위수심당 영향반경(R_H)을 무차원변수(D_N)에 대한 상관관계로 도 13과 같이 표시할 수 있다. 또한, 단위수심당 영향반경(R_H)과 무차원변수(D_N) 간의 상관관계는 도 14에 도시된 바와 같이 표층온도와 심층온도 간의 차이에 따라 서로 다른 그래프를 보여주므로, 하기의 수학식 17과 같이 두개의 수학식으로 구분된다. 여기서, 어느 수학식을 적용할 것인가의 기준이 되는 온도차는 온도차의 값을 바꾸어 가며 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 반복 실시함으로써 정확하게 얻어 사용할 수 있다.

상기 산기기 설치대수 산정단계(S330)는, 상기와 같이 얻은 단위수심당 영향반경(R_H)으로부터 영향반경(R)을 알 수 있으므로, 다음의 수학식 18을 이용하여 산기기의 설치대수를 산출할 수 있다.

여기서, A_D는 사류지역 면적이고, R은 단위수심당 영향반경(R_H)을 수심(H)로 제산하여 얻는 영향반경이고, a는 여유율로서 약 1.2 정도로 정하면 된다.

그리고, 이와 같이 산출되는 산기기 설치대수는 출력부(20)를 통해서 출력된다(S340).

한편, 산기식 폭기시스템에 의한 조류성정억제효과는 표층수온저감에 의한 효과에서 주로 얻어지는 것이므로, 다른 방식의 폭기시스템에 비해서 그 효과가 크지 않으므로, 조류제어를 주 목적으로 해야되는 폭기시스템일 경우에는 다른 방식의 폭기시스템을 고려하는 것이 좋다.

이상에서, 본 발명의 실시예에 따른 산기식 폭기시스템 설계방법은, 호소환경 요인에 근거하여 탈성층, 심층혐기화방지 및 조류 성장억제를 위한 설계 데이터를 각각 산출하여 제시하므로, 폭기시스템의 운영 목적에 따라 선택적으로 채용하여 설계할 수 있다. 아울러, 메모리부(30)에 저장되는 각종 상관관계 정보는, 전산유체역학(CFD)으로 시뮬레이션하고 현장 데이터를 비교 분석한 결과 허용오차범위 내에서 만족함을 확인할 수 있었으며, 이에 따라, 산기식 폭기시스템을 호소환경 요인에 최적화되게 설계 가능하다.

다음으로, 설계 데이터에 근거하여 설치된 폭기시스템의 운영방법에 대해서도 설명한다. 폭기시스템의 설계에 따른 산기기들의 설치는 완료된 상태이므로, 조절할 수 있는 것은 폭기량 및 가동시간이다. 여기서, 호소환경의 변동에 따라 성층특성 데이터도 가변하게 되며, 예를 들면, 수심, 온도 또는 성층강도가 변경될 수 있으므로, 설계시에 주요 변수로 사용한 무차원변수(D_N)도 가변하게 되고, 설계시의 폭기량으로 운영하게 되면 탈성층효율도 가변하게 된다.

한편, 탈성층효율은 목표 탈성층효율을 유지하는 것이 바람직하므로, 목표 탈성층효율에 대응되는 무차원변수(D_N)도 일정하게 유지시켜야 한다.

따라서, 호소환경이 변경되면 설계시에 산출된 무차원변수(D_N)을 유지할 수 있는 폭기량을 수학식 5,6을 이용하여 산출하고, 산출한 폭기량으로 운영해야 한다. 즉, 설계시 산기기의 설치대수와 설치간격을 변경 없이 사용하더라도 폭기량를 조절하여서, 호소환경에 대처하여 탈성층효율을 유지할 수 있는 것이다. 또한, 폭기량의 조절에 따른 가동시간은, 도 6에 그래프로 도시된 데이터에 근거하여 설정할 수 있다.

또한, 심층산소전달을 위해 산기식 폭기시스템을 운영할 경우에도, 상술한 바와 같이 호소환경의 변경에 따라 무차원변수(D_N)도 가변하므로, 심층에 전달되는 산소량도 설계 당시의 전달량에서 벗어나게 되므로, 폭기량 또는 가동시간을 조정해야 한다. 이는, 도 12에 도시된 데이터 차트에 근거하여서, 조정할 수 있다. 즉, 설계시의 폭기량 및 가동시간으로 폭기시스템을 운영하는 중에 수심이 변경되어서, 조정이 필요할 경우에, 설계시의 폭기량을 그대로 사용하면 변경된 수심에 맞는 가동일수를 선정하여 운영하고, 아니면 폭기량을 조정한 후에 조정한 폭기량에 대응되는 가동일수를 선정하여 운영하면 되는 것이다.

한편, 조류 성장억제를 위해 산기식 폭기시스템을 운영할 경우에는, 탈성층을 위한 산기식 폭기시스템의 운영으로 조류 성장을 억제할 수 있으므로, 조류 성장억제를 위해서 폭기량이나 가동시간을 조정할 필요는 없으나, 호소 내에서 특정 사류지역에 설치되는 산기기는 지속적으로 가동하거나 아니면 탈성층을 위해 설정된 가동시간보다 크게 조정하는 것이 바람직하다.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

1 : 산기기 2 : 분배장치 3 : 공기공급장치
4 : 제어장치
10 : 입력부 20 : 출력부 30 : 메모리부
40 : 중앙처리장치 41 : 제1 설계프로세서
42 : 제2 설계프로세서 43 : 제3 설계프로세서

Claims (14)

1. 성층특성 인자 및 폭기량(Q)의 함수로 결정되는 무차원변수(D_N)에 대한 탈성층효율(η)의 상관관계 정보를 포함하는 호소의 성층특성 인자들 간의 상관관계 정보를 저장하는 메모리부(30), 성층특성 인자 데이터를 입력받는 입력부(10), 성층특성 인자들 간의 상관관계에 근거하여 폭기시스템의 최적조건을 설계하는 중앙처리장치(40), 및 설계된 데이터의 결과를 출력하는 출력부(30) 를 이용하여 이루어지는 호소에 대한 산기식 폭기시스템 설계방법에 있어서,
   대상수면적(A_T), 표층온도, 심층온도, 평균수심(H), 표층깊이(h_u), 대기압 등가수심(H_A) 및 성층강도(N)를 포함하는 성층특성 인자 데이터를 입력받는 성층특성 데이터 입력단계(S110);
   탈성층을 위한 목표 탈성층효율(η_goal)를 입력받는 목표 탈성층효율 입력단계(S120);
   목표 탈성층효율(η_goal)에 대한 무차원변수(D_N)를 무차원변수(D_N)와 탈성층효율(η)의 상관관계 정보에 근거하여 산출하는 무차원변수 산정단계(S130);
   산출한 무차원변수(D_N)에 대응되는 단위시간당 바닥면 폭기량(Q)를 산출하고, 수심(H)에 대한 보정으로 대기중 폭기량인 설계폭기량(Q₀)을 산출하는 설계폭기량 산정단계(S140);
   대상수면적(A_T)에 대응되는 산기기의 개수를 산출하는 산기기 설치대수 산정단계(S150);
   산정하여 얻은 설계폭기량 및 산기기 설치대수에 관한 데이터를 출력부(30)를 통해 출력하는 데이터 출력단계(S170);
   를 포함한 탈성층을 위한 설계 데이터 획득단계(S100)를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 산기식 폭기시스템 설계방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 산기기 설치대수 산정단계(S150) 이후에는,
   폭기에 의한 운동에너지의 전달량에 대한 폭기에 의한 위치에너지 변화량의 비율을 최대로 하는 가동시간을 산정하는 가동시간 산정단계(S160);를 포함하여서,
   상기 데이터 출력단계(S170)에서 가동시간에 대한 데이터를 함께 출력하게 함을 특징으로 하는 산기식 폭기시스템 설계방법.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 산기기 설치대수 산정단계(S150)는,
   인접 산기기 사이의 중첩효과를 고려하여 평균수심(H)에 미리 설정되는 수심배수를 곱셈한 값을 설치간격으로 갖추도록 산기기 설치대수를 선정함을 특징으로 하는 산기식 폭기시스템 설계방법.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 미리 설정되는 수심배수는, 1.3배~1.6배로 설정되는 것임을 특징으로 하는 산기식 폭기시스템 설계방법.
5. 제 1항에 있어서,
   무차원변수(D_N)와 탈성층효율(η)의 상관관계는,
   

   

   
   로 이루어져서, 입력받는 목표 탈성층효율(η_goal)에 대한 무차원변수(D_N)를 산출하며, 여기서, A₁ 및 A₂ 는 상수임을 특징으로 하는 산기식 폭기시스템 설계방법.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 목표 탈성층효율(η_goal)은, 8%~12%의 범위 내에서 선정되는 것임을 특징으로 하는 산기식 폭기시스템 설계방법.
7. 제 5항에 있어서,
   상기 설계폭기량 산정단계(S140)는,
   단위시간당 바닥면 폭기량(Q)를
   

   

   
   의 관계식에 의하여 산정한 후에, 대기중의 폭기량인 설계폭기량(

   

   )를
   

   

   
   의 관계식에 의하여 산정하며,
   여기서, N은 성층주파수인 성층강도이고, H는 평균수심이고, H_A는 대기압 등가수심이고, D_N은 무차원변수이고, g는 중력가속도이고, μ_S는 수체와 공기 사이의 슬립속도이고, α는 연행계수(coefficient of entrainment)임을 특징으로 하는 산기식 폭기시스템 설계방법.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 산기기 설치대수 산정단계(S150)는,
   평균수심(H)이 미리 설정되는 임계수심보다 크면(S151),
   

   

   
   의 관계식에서 산기면적의 지름 D를 획득하되, 대상수면적 A_T, 표층수심 h_u, 기포지름 d,

   

   로 계산되는 스케일 D_l, 및 상수 A₃,A₄,A₅,A₆,A₇를 산입하여 획득하여서, 산기면적을 산출한 후에, 단위 산기기의 산기면적을 제산하여 산기기의 설치대수를 산출하는 깊은수심 설치대수 산정단계(S152)와;
   평균수심(H)이 미리 설정되는 임계수심 이하이면, 평균수심(H)에 미리 설정된 수심배수를 곱셈한 후에 제곱하고 제곱하여 얻은 값으로 대상수면적(A_T)을 제산하여 산기기의 설치대수를 산출하는 낮은수심 설치대수 산정단계(S154);
   를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 산기식 폭기시스템 설계방법.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 미리 설정되는 임계수심은, 20m임을 특징으로 하는 산기식 폭기시스템 설계방법.
10. 제 8항에 있어서,
    상기 깊은수심 설치대수 산정단계(S152)는,
    설치간격에 미리 설정된 수심배수를 곱셈한 후 제곱한 값에 설치대수를 곱셈한 영향수면적이 대상수면적(A_T)으로부터 미리 설정된 허용오차를 벗어나면 목표 탈성층효율(η_goal)를 가감한 후에 상기 무차원변수 산정단계(S130)로 넘어가는 설치간격 검증단계(S153);를 수행함을 특징으로 하는 산기식 폭기시스템 설계방법.
11. 제 2항에 있어서,
    상기 메모리부(30)에는, 무차원변수(D_N)와 단위부피당 심층산소전달량 간의 상관관계에 대한 정보, 및 무차원변수(D_N)와 산소전달효율 간의 상관관계에 대한 정보를 저장하고,
    상기 가동시간 산정단계(S160) 이후에는, 심층혐기화방지를 위한 설계 데이터의 획득단계(S200)를 수행하며,
    상기 심층혐기화방지를 위한 설계 데이터의 획득단계(S200)는,
    산소전달의 목표가 되는 심층부 부피인 심층대상부피(V_a), 및 호소에서 발생하는 산소소모율(q) 를 입력받는 특성 데이터 추가 입력단계(S210);
    산소소모율(q)와 심층대상부피(V_a)를 곱산하여 필요산소량

    

    을 산출하는 필요산소량 산정단계(S220);
    무차원변수(D_N)와 산소전달효율 간의 상관관계에 근거하여 미리 설정된 목표 산소전달효율에 대응되는 한계 무차원변수(D_N) 이하의 무차원변수 값을 선정하고, 선정한 무차원변수(D_N) 값에 따른 목표 설계폭기량(Q₀)를 선정하는 목표 폭기량 선정단계(S230);
    무차원변수(D_N)와 단위부피당 심층산소전달량의 상관관계에 대한 정보에 근거하여 목표 무차원변수(D_N)에 대응되는 단위부피당 심층산소전달량을 획득하는 단위부피당 산소전달량 산정단계(S240);
    평균수심(H)에 미리 설정되는 배수를 곱셈하여 얻는 값을 지름으로 하고 평균수심(H)를 높이로 하는 산소전달 대상부피를 산출한 후에, 산소전달 대상부피에 단위부피당 산소전달량을 곱셈하여 단위시간당 산소전달량을 산출하는 단위시간당 산소전달량 산정단계(S250);
    단위시간당 산소전달량에 대한 필요산소량의 비율값과, 현장에 설치할 산기기의 가동 폭기량에 대한 목표 설계폭기량(Q₀)의 비율값을 곱산하여 산기기 설치대수를 획득하는 산기기 설치대수 산정단계(S260);
    를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 산기식 폭기시스템 설계방법.
12. 제 11항에 있어서,
    상기 심층혐기화방지를 위한 설계 데이터의 획득단계(S200)는,
    무차원변수(D_N)와 산소전달효율(K) 간의 상관관계에 근거하여 예상되는 산소전달효율(K)을 획득한 후에,

    

    의 관계식에 의해서 가동시간 △t을 산출하여서, 산기기 설치대수 및 가동시간을 출력함으로써 심층혐기화방지를 위한 설계 데이터로 활용되게 하는 가동시간 산정단계(S270);를 더욱 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 산기식 폭기시스템 설계방법.
13. 제 11항에 있어서,
    상기 메모리부(30)에는, 표층수온저감 효과가 발생하는 영향반경을 수심으로 제산한 단위수심당 영향반경 R_H=R_eff/H을 상기 무차원변수(D_N)의 함수로 표현한 상관관계 정보를 저장하고,
    심층혐기화방지를 위한 설계 데이터의 획득단계(S200) 이후에, 조류 성장억제를 위한 설계 데이터의 획득단계(S300)를 수행하며,
    상기 조류 성장억제를 위한 설계 데이터의 획득단계(S300)는,
    사류지역(Dead Zone)의 면적(A_D)을 입력받는 특성 데이터 추가 입력단계(S310);
    상기 탈성층을 위한 설계 데이터 획득단계(S100)의 설계폭기량 산정단계(S140)에서 산출한 설계폭기량(Q₀)에 대응되는 무차원변수(D_N)에 대하여 단위수심당 영향반경(R_H)을 추정하는 영향반경 추정단계(S320);
    사류지역 면적 A_D, 단위수심당 영향반경(R_H)에 수심(H)을 곱산한 영향반경 R 및 여유율 a 를 이용하여

    

    의 관계식으로 산기기의 설치대수를 산출하여 출력부(20)를 통해 출력하는 산기기 설치대수 산정단계(S330);
    을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 산기식 폭기시스템 설계방법.
14. 상기 청구항 제1항 내지 제13항 중에 어느 하나의 항에 의한 산기식 폭기시스템 설계방법을 컴퓨터로 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.

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