KR20100077283A - 방사성 동위원소를 이용한 자연하천의 2차원 추적자 실험방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 방사성 동위원소를 이용한 자연하천의 2차원 추적자 실험방법에 관한 것으로, (a) 수리량 관측 및 2차원 추적자 실험을 위한 대상하천을 선정하는 단계와; (b) 상기 대상하천에 일정 개수의 측선을 설치하고 상기 측선을 기준으로 유속계를 사용하여 기본 수리량(수심, 유속 및 유량)을 관측하는 단계와; (c) 추적자인 방사성 동위원소를 추적자 투입장치를 사용하여 상기 측선 중 제일 상류에 위치한 측선보다도 더 일정거리 이상의 상류의 하폭 중앙에 주입하는 단계와; (d) 상기 일정 개수의 측선의 일정한 측점에서 방사선 검출기를 이용하여 추적자인 방사성 동위원소의 감마선을 검출하고, 방사선 계측기와 계수기를 이용하여 상기 방사선 검출기에서 보낸 신호를 받아 방사선을 계수하여 시간경과에 따른 추적자의 농도변화를 측정하는 단계 및, (e) 상기 단계(d)에서 측정된 추적자의 농도를 자연방사선과 방사선감쇠의 영향을 고려하여 보정하는 단계로 구성됨으로써, 방사성 동위원소를 이용하여 보다 경제적이고 정확한 현장실험을 수행할 수 있어 자연하천에서 2차원적 거동을 보이는 오염물질의 확산현상을 정확하게 파악할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 방사성 동위원소를 이용한 자연하천의 2차원 추적자 실험방법에 관한 것으로, 상세하게는 보다 경제적이고 정확한 현장실험을 수행하여 자연하천에서 2차원적 거동을 보이는 오염물질의 확산현상을 정확하게 파악할 수 있으므로 오염물의 거동 해석에 유용하게 활용될 수 있는 방사성 동위원소를 이용한 자연하천의 2차원 추적자 실험방법에 관한 것이다.
자연하천에 유입된 오염물질의 혼합과정은 하천 흐름이나 지형 특성에 민감하게 반응하여 그 양상이 매우 복잡하다.
이러한 혼합특성을 파악하기 위해 실험실에서 수리실험을 수행한다면 통제된 조건하에서 엄밀한 계측이 가능하다는 장점이 있으나, 자연 하천이 가지고 있는 다양한 불규칙성을 제대로 재현하지 못하므로, 오염원의 혼합과정이 왜곡될 소지가 많다. 따라서 현장조사를 통한 실제 자연하천의 수리 특성을 파악하고, 추적자 실험을 통해 오염물질의 혼합특성을 분석하는 작업이 필요하다.
그러나, 국내외적으로 자연하천에서 2차원 오염확산 해석을 목적으로 실행된 현장 실험의 경우, 1차원 현장실험에 비해 사례가 많지 않다.
최초의 2차원 오염확산 연구 사례로는 Glover(1964)가 Columbia 강에 위치한 발전소에서 방류되는 온배수 분포를 분석한 것이 있고, Yotsukura 등(1970)은 Missouri 강의 Blair 고속도로교 하류부의 만곡부에서 염료를 사용하여 추적자 실험을 수행하여 염료분포를 수치모형의 계산치와 비교한 바 있다.
또한, Sayre와 Yeh (1973)는 Missouri 강의 Cooper 원자력발전소 하류부의 S자형 사행구간을 선택하여 추적자 실험을 실시하고, 이를 통해 횡분산계수를 모멘트방법을 이용하여 계산하였고, 그 결과 산정된 무차원 횡분산계수가 기존의 실험실 실험을 통해 취득한 값에 비해 매우 큼을 주장한 바 있으며, Holley와 Abraham (1973)은 IJssel 강과 Waal 강에서 염료의 주입위치를 횡적으로 변경해 가며 실험을 수행하여 주입위치 및 사행이 횡혼합에 미치는 영향을 검토하였다.
더불어, Lau와 Krishnappan (1981)은 Grand 강의 사행 구간에서 실험을 수행하여 실험구간의 불균일 또는 불규칙한 단면은 횡혼합에 크게 영향을 주지 못한다는 결론을 내렸고, Demetracopoulos와 Stefan(1983)은 Mississippi 강 상류의 Monticello 원자력발전소에서 방류되는 온배수 분포를 측정하여 수치모의 한 결과와 비교하였고, 이를 통해 횡분산계수를 결정한 바 있다.
한편, 상기와 같은 2차원 오염확산 현장실험을 수행하는 데는 과대한 비용이 소요되고 현장실험을 통해 취득한 농도자료의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있으며, 국내에서는 지금까지 하천 현장 추적자 실험은 수리량 관측의 부정확성과 효율적인 추적자 선택의 어려움 및 추적자 감지 시스템의 부재 등으로 인하여 거의 이루어진 바가 없다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 실제 자연하천에서 오염물질의 2차원 거동특성을 현장실험을 통해 규명하고자 할 때, 보다 경제적이고 정확한 현장실험을 수행하여 효율적인 현장 2차원 추적자 실험방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 수리량 관측 및 2차원 추적자 실험을 위한 대상하천을 선정하는 단계와; (b) 상기 대상하천에 일정 개수의 측선을 설치하고 상기 측선을 기준으로 유속계를 사용하여 기본 수리량(수심, 유속 및 유량)을 관측하는 단계와; (c) 추적자인 방사성 동위원소를 추적자 투입장치를 사용하여 상기 측선 중 제일 상류에 위치한 측선보다도 더 일정거리 이상의 상류의 하폭 중앙에 주입하는 단계와; (d) 상기 일정 개수의 측선의 일정한 측점에서 방사선 검출기를 이용하여 추적자인 방사성 동위원소의 감마선을 검출하고, 방사선 계측기와 계수기를 이용하여 상기 방사선 검출기에서 보낸 신호를 받아 방사선을 계수하여 시간경과에 따른 추적자의 농도변화를 측정하는 단계 및, (e) 상기 단계(d)에서 측정된 추적자의 농도를 자연방사선과 방사선감쇠의 영향을 고려하여 보정하는 단계로 구성되어, 그 보정결과인 추적자의 농도와 상기 단계(b)에서 관측된 기본 수리량을 오염물질의 2차원 거동 해석에 기초자료로 활용하기 위한, 방사성 동위원소를 이용한 자연하천의 2차원 추적자 실험방법을 그 기술적 구성상의 기 본 특징으로 한다.
이상에서 살펴본, 본 발명인 방사성 동위원소를 이용한 자연하천의 2차원 추적자 실험방법은 방사성 동위원소를 이용하여 보다 경제적이고 정확한 현장실험을 수행할 수 있어 자연하천에서 2차원적 거동을 보이는 오염물질의 확산현상을 정확하게 파악할 수 있고, 본 발명은 오염물의 거동 해석에 유용하게 활용되어 취수장 운영·수질 예경보 시스템 개발 등에 기초적인 정보를 제공하는 효과가 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명에 따른 실험방법에서 사용되는 유속 및 농도 측정기를 나타낸 사진이고, 도 2 는 본 발명에 따른 방사성 동위원소를 이용한 추적자 실험이 수행된 하천의 개략도이며, 도 3 은 본 발명에 따른 실험방법의 일실시예에서 현장 관측된 수심 및 유속 분포를 나타낸 도면이고, 도 4 는 본 발명에 따른 실험방법의 일실시예에서 추적자 실험을 통해 취득한 농도자료를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 자연하천의 2차원 추적자 실험방법은 먼저 하천의 기본 수리량(basic hydraulics)을 관측한 후 방사성 동위원소를 이용한 추적자 실험을 수행하게 된다.
기본 수리량 관측
수리량 관측 및 2차원 추적자 실험을 위해서 먼저 실험을 하기로 선정한 하천 구간 내에 10개 내외의 횡측선(lateral lines)을 설치하는데, 하천의 흐름방향과 직각으로 양안에 말뚝을 타설하고 로프를 이용하여 측선을 설치하되 각 측선 간의 간격은 하폭의 4 ~ 8배 정도로 하는 것이 바람직하다.
상기 타설된 측선을 기준으로 기본 수리량(수심, 유속 및 유량)을 관측하고, 수리량 가운데 수심 및 유속은 도 1a에 나타낸 바와 같은 현장용 유속계의 하나인 초음파 유속계(Acoustic Doppler Profiler; ADP)를 사용한 계측 방법을 활용한다.
상기 ADP는 물 속으로 일정한 주파수의 초음파를 전송하고, 작고 부유하는 입자들에 의해 산란되어 돌아오는 반향을 수집하는 도플러 효과를 이용하여 유속을 측정하는 기기이다.
ADP 장비는 측정부와 자료 수집부로 나누어지는데, 측정부에서는 측선을 따라 보트 및 도섭을 이용하여 유속을 측정하고, 자료 수집부에서는 각종 변수를 조정하고 유속 자료를 실시간으로 수집한다. 여기서, 자료 수집과 유속 및 유량의 계산은 실시간으로 이루어지므로 결과의 도출이 매우 신속하다.
아울러, 한 측선에서의 유량 측정에 대한 정확성을 높이기 위해서는 좌안에서 우안으로, 우안에서 좌안으로 방향을 바꾸어 가면서 수 회 측정하는 것이 바람직한데, 이는 1회의 측정에서 오차나 오류가 발생할 가능성이 높기 때문이다.
한편, ADP에서 얻어진 원시 자료는 보트의 이동과 함께 순간적으로 측정되는 유속으로 시간 평균된 유속 분포에 비해 불규칙한 형태를 나타내는 경향이 있는데, 이러한 특성은 유속이 느릴수록, 수심이 깊어 기기의 측정 한계에 가까울수록 커지 는 경향이 있으며, 기기의 작동 상의 한계 등이 원인이다. 따라서, 원시 유속 자료는 직접 활용되기도 하지만, 보다 정확한 유속 분포를 추출하기 위해서 평활화(smoothing) 과정을 거치는 것이 바람직하다.
방사성 추적자
본 발명은 하천에서 오염물의 혼합 특성 연구를 위한 실험 방법으로서, 수심과 유속 측정을 완료한 후에는 동일한 측선에서 추적자실험을 수행하게 되는데, 본 발명에서는 추적자로서 방사성 동위원소(radioisotope)를 사용하고, 방사선 검출기를 이용하여 추적자의 농도를 측정한다.
현장 실험시 추적자로서 방사성 동위원소를 사용할 경우, 첫째, 미량의 주입으로도 추적자의 감지가 용이하며 감지할 수 있는 범위 또한 매우 넓고, 둘째, 물과의 비중차이가 무시할 수 있을 만큼 작고 하상에 흡ㆍ탈착되는 추적자의 양이 비교적 적아 정확하면서 효율적으로 실험을 수행할 수 있으며, 셋째, 현장실험의 목적에 따라 다양한 반감기의 동위원소를 취사선택할 수 있고 종래의 추적자로 다량의 형광물질을 사용하던 방법에 비해 비용면에서 경제적이다.
본래 추적자는 실험대상 물질의 거동을 따라 움직이면서 물질의 분포와 흐름 특성을 외부에서 감지할 수 있도록 하는 물질을 의미하는데, 본 발명에서 적용되는 방사성 동위원소는 감마선의 높은 투과율과 예민한 검출능력을 가지고 있기 때문에 극미량의 사용으로도 실험 대상 하천에 악영향을 일으키지 않으면서 현장 계측이 가능하고, 추적자로 사용되는 방사성 동위원소는 그 적용 목적과 대상에 따라 다양 한 원소가 사용될 수 있으며, 화합물에 방사성 동위원소가 표지된 형태로도 사용하게 된다.
또한, 각 핵종에 따라 고유한 값을 갖는 반감기(T0 .5)와 방출에너지(Γ-에너지)를 고려하고 생산과 운반에 적합한 방사성 동위원소를 선택하는 것이 중요하다. 참고로, 방사성 추적자를 이용한 실험을 수행하기 위해서는 대상 하천의 유황과 환경을 고려하여 추적자 투입에 따른 영향을 사전에 평가하고, 실험이 방사선 안전규정 내에서 수행됨을 보일 수 있는 자료와 함께 실험계획을 작성하여 방사선 안전관련 규제기관을 통하여 신고하여야 한다.
한편, 본 발명에서 사용되는 추적자는 I-131로서 화학적으로는 NaI 용액의 형태인데, 일반적으로 I-131은 갑상선 암의 진단과 치료를 위하여 사용되는 방사성 동위원소로서 수요가 많아 제조 및 공급이 원활하여 확보가 용이할 뿐만 아니라 하천 내에 투입된 후에도 I- 이온은 이물질과의 흡착에 의한 손실이 없어 하천의 흐름 및 확산특성을 추적하는데 적합하고, 또한 하천에 투입되어 희석된 후의 측정 가능한 방사능 한계농도는 2×10-7 Ci/m3로서 일반인에 대한 수중 최대허용농도인 3×10-7 Ci/m3 보다도 낮다.
방사선 검출기
본 발명에서는 방사성 동위원소로부터 방출되는 감마선을 검출하기 위해 NaI(Tl) 섬광검출기를 사용하는데, 도 1c에 나타낸 바와 같은 섬광검출기의 내부는 섬광체(scintillator)와 광전자증배관(PM-tube)으로 구성되어 있고, 섬광체와 광전자증배관의 경계면은 섬광체로부터 발생된 빛이 광전자증배관의 음극(cathode)으로 잘 전달될 수 있도록 광학 윤활유(optical grease)로 결합되어 있으며, 방사선이 섬광체에 충돌하면 섬광체에서는 광자(photon)가 발생되는데 이 때 광자의 수는 입사한 방사선의 에너지에 비례하게 된다. 여기서, 광자는 광전자증배관을 거치면서 그 수가 증가되어 마지막 단에서 부의 극성을 갖는 전압펄스로 출력된다.
방사선 검출기에서 보낸 신호를 받아서 방사선을 계수(counting)하는 장치는 계측기와 계수기 부분으로 나누어지는데, 방사선 계측기는 방사선 검출부에 고전압을 공급함과 동시에 검출기로부터 발생된 아날로그 신호를 방사선 계수기가 인식할 수 있도록 TTL 펄스로 변환시켜 실시간 방사선량을 표시하는 회로이다.
본 발명에서는 추적자 실험 전용회로 구성의 상기 기능들 중에서 방사선량을 표시하는 회로를 제외시켜 기존의 방사선 계측기에 비해 소형으로 모듈화시켜 추적자 실험현장에 적합하도록 함이 바람직하고, 방사선 계수기는 계측기에서 전송되는 TTL 펄스를 각 채널 별로 계수하여 그 결과를 컴퓨터로 전송하는 기능을 하는 장치이다. 현장에 설치되는 상기 방사선 검출 시스템은 도 1d에 나타낸 바와 같다.
나아가, 방사성 추적자의 투입시에는 실험자에 대한 피폭과 투입 후 잔류 방사성 물질의 발생을 최소화하여야 하는데, 이를 위하여 추적자 용액이 담긴 앰플을 수면 아래에서 순간적으로 파쇄하고 파편 조각만 남길 수 있도록 도 1b와 같은 추적자 투입장치를 사용한다.
그리고 추적자는 타설된 측선 중 제일 상류에 위치한 측선보다도 일정 거리이상의 상류에 점원 형태로 하폭의 중앙에 주입하고, 추적자의 농도는 측선당 평균 10개의 측점을 선정하여 각 측점에 검출기를 고정시켜 1점법(0.6H)으로 초당 10개 이상의 농도자료를 독취하며, 주입 전 5분 동안은 기저농도(base concentration)를 측정하고, 주입 후 최대농도가 통과한 후 기저농도로 감소될 때까지 측정을 계속한다.
추적자 데이터의 처리
방사성 추적자의 투입 후 방사선 검출기에서 계측되는 시간에 따른 추적자 농도의 변화량은 계수의 결과(count per second)로 나타나는데, 이를 실험결과의 분석에 활용하기 위하여 농도와의 환산인자를 구하여야 한다.
즉, 1l 에 희석된 10 mCi의 I-131에 대하여 2×2 inch NaI(Tl) 섬광계수기(Eberline, SPA-3)에서 4.57×107 cps (counts/second)가 계측되어, 이로부터 2.2×10-4 μCil -1cps-1의 환산계수를 구할 수 있다.
각 방사성 동위원소 핵종은 고유한 특정값을 갖는 속도로 붕괴 소멸하여 안정원소가 되는데 이 과정에서 감마선을 방출하게 되고, 최초 방사능의 양(activity)이 절반으로 감소하는데 소요하는 시간을 반감기라 하며, I-131의 반감기는 8.03일이다.
따라서, 본 발명에서 방사성 추적자를 투입한 시점을 기준으로 각 방사선 검 출기에서 검출되는 계측결과는 투입 이후 경과된 시간만큼 매순간 방사능의 양이 감쇠된 결과이므로 보존성 오염물을 가정한다면 이를 보정해 주어야 한다. 또한 방사선원은 대기, 하천은 물론 모든 자연환경에 존재하므로 이를 방사선의 감쇠영향을 보정하기 이전에 자연농도를 계측결과로부터 제거해 주어야 하는데, 이를 식으로 표현하면 다음의 수학식 1과 같다.
여기서, IC 는 자연방사선과 방사선감쇠의 영향을 보정한 결과이고, IM 은 추적자 실험에서 얻은 계측결과이며, IBKG 는 자연방사선의 세기이고, t 는 추적자 투입시점을 원점으로 하여 경과한 시간이며, T0 .5는 추적자로 사용된 방사성 핵종의 반감기를 나타낸다.
다음은 본 발명의 실험방법을 적용하여 현장실험을 수행한 예를 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 상기 실험방법을 적용하기 위해 국내 자연하천 중 다양한 사행형태를 갖는 만곡구간을 선정하였는데, 한강의 지류들인 섬강 및 청미천 그리고 홍천강을 대상으로 모두 7개 구간을 선정한 후 현장실험을 수행하였다.
적용하천의 개략도는 도 2와 같고, 상기에서와 같이 현장실험을 통해 먼저 수심, 유속과 같은 기본 수리량을 관측하였고, 추적자 실험을 통해 양질의 농도자료를 취득할 수 있었으며, 본 발명의 효율성을 검증할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 기본 수리량과 추적자의 농도자료는 오염물질의 2차원 거동 해석에 기초자료로 유용하게 활용될 수 있다.
현장실험이 수행된 도 2의 7군데의 취득 자료 중 대표적인 case로 H-expt. 1(도 2 참조)의 경우를 도시하면 도 3과 도 4와 같은데, 도 3은 6개의 측선에서 각각 관측된 수심 및 유속이고 도 4는 각 측선에서의 측점별 시간에 따른 추적자의 농도변화를 나타내고 있다.
상기에서는 본 발명에 대한 특정의 바람직한 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 요지를 벗어남이 없이 다양하게 변경시킬 수 있을 것이다.
도 1a~d 는 본 발명에 따른 실험방법에서 사용되는 유속 및 농도 측정기를 나타낸 사진.
도 2 는 본 발명에 따른 방사성 동위원소를 이용한 추적자 실험이 수행된 하천의 개략도.
도 3 은 본 발명에 따른 실험방법의 일실시예에서 현장 관측된 수심 및 유속 분포를 나타낸 도면.
도 4 는 본 발명에 따른 실험방법의 일실시예에서 추적자 실험을 통해 취득한 농도자료를 나타낸 도면.
Claims (4)
- (a) 수리량 관측 및 2차원 추적자 실험을 위한 대상하천을 선정하는 단계와;(b) 상기 대상하천에 일정 개수의 측선을 설치하고 상기 측선을 기준으로 유속계를 사용하여 기본 수리량(수심, 유속 및 유량)을 관측하는 단계와;(c) 추적자인 방사성 동위원소를 추적자 투입장치를 사용하여 상기 측선 중 제일 상류에 위치한 측선보다도 더 일정거리 이상의 상류의 하폭 중앙에 주입하는 단계와;(d) 상기 일정 개수의 측선의 일정한 측점에서 방사선 검출기를 이용하여 추적자인 방사성 동위원소의 감마선을 검출하고, 방사선 계측기와 계수기를 이용하여 상기 방사선 검출기에서 보낸 신호를 받아 방사선을 계수하여 시간경과에 따른 추적자의 농도변화를 측정하는 단계 및,(e) 상기 단계(d)에서 측정된 추적자의 농도를 자연방사선과 방사선감쇠의 영향을 고려하여 보정하는 단계로 구성되어, 그 보정결과인 추적자의 농도와 상기 단계(b)에서 관측된 기본 수리량을 오염물질의 2차원 거동 해석에 기초자료로 활용하기 위한, 방사성 동위원소를 이용한 자연하천의 2차원 추적자 실험방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 단계(c)의 추적자인 방사성 동위원소는 갑상선 암의 진단과 치료를 위하여 사용되고 수요가 많아 제조 및 공급이 원활하여 확보가 용이한 I-131인 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소를 이용한 자연하천의 2차원 추적자 실험방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 단계(d)의 측점에서 추적자의 농도측정은 상류에서 추적자 주입 전 5분 동안은 기저농도를 측정하고 주입 후 최대농도가 통과된 후 기저농도로 감소될 때까지 계속하는 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소를 이용한 자연하천의 2차원 추적자 실험방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 단계(e)에서의 보정은 수학식(여기서, IC 는 자연방사선과 방사선감쇠의 영향을 보정한 결과, IM 은 추적자 실험에서 얻은 계측결과, IBKG 는 자연방사선의 세기, t 는 추적자 투입시점을 원점으로 하여 경과한 시간, T0 .5는 추적자로 사용된 방사성 핵종의 반감기)을 이용하여 산정하는 것을 특징으로 하는 방사성 동위원소를 이용한 자연하천의 2차원 추적자 실험방법.
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| KR (1) | KR20100077283A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019180684A1 (es) * | 2018-03-22 | 2019-09-26 | Fluvia S.A.S. | Dispositivo electrónico y método para el levantamiento y tratamiento de parámetros hidráulicos y dispersivos en tiempo real |
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2008
- 2008-12-29 KR KR1020080135190A patent/KR20100077283A/ko not_active Application Discontinuation
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