모델 실험 시나리오로는 총 4개로 구성된다. 1, 2 시나리오는 단일 입경 퇴적물을 고려하되 침식 과정 고려 여부로 차별된다. 3, 4 시나리오는 세 개 의 입경을 고려하며 마찬가지로 침식 과정 고려 여부로 차별된다.
모델 결과그림 3.1.17은 단일 입경 및 3개 입경 고려에 따른 75일 후의 결과로 수로를 따라서 부유퇴적물 농도, 입자부착 농도 및 용존방사능 농도 분포를 보여준다.
단일 입경의 경우에는 150
, 3개의 입경의 경우는 120, 140, 180
가 고려되었다. 이 두 계산에서 연직확산에 의한 해수층-해저퇴적층간의 교환은 물론 침식 및 해저침적 과정이 모두 포함된다.그림 3.1.17 단일 입경 및 3개 입경 고려 효과: 좌) 단일 입경, 우) 3개 입경
단일 입경의 경우, 부유퇴적물은 얕은 해저면 경계층 부근에 집중되어 분 포함을 알 수 있다. 함몰부 부근에서는 유속과 전단응력의 감소가 일어나면 서 침식은 줄어들게 되고, 해저면 침적이 상대적으로 증가하게 되면 부유퇴 적물 농도가 낮게 나타난다. 해구부 끝 부분부터는 침식이 증가하면서 부유 퇴적물 경계층 두께가 복원되기 시작한다. 입자성 137Cs 농도는 부유퇴적물 분포를 따른다. 수로 끝 방향으로 가면서 용존방사능 농도가 증가하는 것은 해저면으로 부터의 공급이 증가하기 때문이다.
3개 입경의 부유퇴적물 농도와 방사능 농도의 분포는 단일 입경의 경우 와 두드러진 차이를 보인다. 함몰부 이전에서 미세입경으로 인해 부유퇴적물 농도와 입자부착 농도가 단일 입경에 비해 증가하면서, 함몰부를 지나면서 용존방사능 농도가 크게 감소한다. 아울러 미세입경 부유퇴적물이 쉽게 침식 되어 우측 경계로 씻겨 나가면서 해구부 우측의 부유퇴적물 및 입자부착 농 도 또한 단일 입경에 비해 낮게 나타난다.
그림 3.1.18는 단일 입경/3개 입경에 대해 침식 퇴적과정 고려/미고려시에 대해 계산된 해저퇴적층 내 입자부착 농도와 단위면적당 방사능 총량이 수 로를 따라 어떻게 변화하는가를 보여준다. 그림 3.1.19는 연직분포도이다.
침식-퇴적과정이 고려되지 않는 경우, 단일 입경과 3개 입경 모델 결과의
3.1.18 수로를 따라서의 해적퇴적물 내 농도 변화: 좌) 표층, 우) 총량
함몰부 전의 해저퇴적층 농도 및 총량 모두 단일 입경의 경우 3개 입경 의 경우 보다 낮게 나타나고 있다. 반면, 함몰부를 지나서는 반대로 나타나 고 있다. 함몰부에서는 두 경우의 차이는 거의 없는 것을 확인할 수 있다.
그림 3.1.19 수로를 따라서의 해저퇴적물 내 농도 연직변화
마. 후쿠시마 모델 적용
○ 입력 자료
- 해저퇴적물 입경 분포
출판된 현장조사 자료(Black and Buesseler, 2014; Ambe et al, 2014;
Otosaka and Kato, 2014; Kusakabe et al, 2013)에 근거하여 평균 입경 분포 도를 작성하였다(그림 3.1.20).
그림 3.1.20 해저퇴적물 관측지점 및 내삽을 이용한 분포. 흑색 원은 관측자료 정점들 (관측자 정보는 그림 3.1.22 참조)
- 공극률 분포
Kusakabe et al,(2013)의 관측자료에 따르면, 해저퇴적물 평균 입경 분포
상기 식에서
는 함수율(%)이다. 이를 근거로 공극률 공간분포도를 마련 하였다.- 생물교란 계수 분포
Black and Buesseler(2014)은 실험적 자료에 근거하여 생물교란 계수를 추정한 바 있다. 개략적인 범위는 0.1∼10
로 나타났다.분석 결과, 수심 증가에 따라 생물교란 계수는 지수함수적으로 감소하는 것으로 나타났다 (그림 3.1.21 참조).
그림 3.1.21 수심-생물교란 계수 상관관계 이에 따라 다음과 같은 조건이 수치계산에 도입되었다.
1.296
min(10, max(0.1, 2807.36 ))
bio
D
n =
-- 해저퇴적물 오염 관측
그림 3.1.22는 현재까지 다양한 연구자에 의해 수행된 해저퇴적물 오염조 사 지점을 종합하여 제시한 것이다. 일부 외해측 조사가 있으나 대부분 후쿠 시마 원전 주변에 집중되어 있는 것을 확인할 수 있다.
그림 3.1.22 수심-생물교란 계수 상관관계
그림 3.1.23은 동일 관측지점 7월 및 2월 농도 상관성을 비교한 것이다.
(Ambe et al, 2014). 대체로 양호한 상관성을 보이고 있으며, 7월의 관측치가 2월에 비해 약간 산재하여 분포하는 경향을 보이고 있다.
그림 3.1.24는 기타 연구자들 (Ambe et al, 2014; Kusakabe et al, 2013;
Otosaka and Kobayashi, 2014)이 다른 기간에 관측된 자료간의 상관성을 분 석한 것이다. 2011년 자료에 근거한 Otosaka and Kobayashi (2013) 보고 자 료의 농도값이 상대적으로 높은 탓으로 2012년 7월 자료에 근거한 Ambe et al, (2014) 자료간의 상관성이 적은 것으로 확인되고 있다.
그림 3.1.24 여러 연구자들의 다른 기간 자료 분석에서 얻어진 방사능 총량 값 비교
○ 후쿠시마 적용을 통한 단일 및 다수 해저퇴적층 모델 비교
단일 및 다수 해저퇴적층 모델을 후쿠시마 주변에 적용하여 특정 지점에 서의 해저면 방사능 총량의 시간변화를 비교하였다(그림 3.1.25). 방사능 물 질 유출 초기에는 단일층 모델과 다수층 모델간의 차이가 별로 없으나 시간 이 경과하면서 대체적으로 단일층 모델이 다수층 모델 보다 총량을 높게 산
정하는 경향을 보이는 것으로 나타나고 있다.
그림 3.1.25 단일 및 다수 해저퇴적층 모델로 계산된 후쿠시마 인근 정점에서의 방 사능 총량 시간 변화
그림 3.1.26은 다수 해저퇴적층 모델로 산정된 특정지점 (St.18)의 해저퇴 적층 내 방사능 연직분포이다. 해저퇴적층 하부로 방사능 물질이 확산되면서 수심으로 확산되면서 공극수와 퇴적물 입자에 존재하는 방사능 농도의 연직 분포가 변화하는 것을 확인할 수 있다.
인된다.
○ 후쿠시마 주변 해저면 오염 산정
그림 3.1.27은 2011년 4월 1일부터 5월 11일까지의 해저퇴적층 내 방사능 농도 총량 분포도이다. 후쿠시마 연안을 따라 좁은 폭으로 해저퇴적물 오염 이 집중되어 있음을 확인할 수 있다.
그림 3.1.27 후쿠시마 주변 해저퇴적층 내 단위면적당 137Cs 양의 시간에 따른 분포 변화
○ 관측치와의 비교
2011년 6월 결과와 7월말 결과를 Black and Buesseler (2014) 관측치와 비교하였다(그림 3.1.28). 기본적으로 동 기간의 비교가 아니라는 제한점을 갖으나 대략적인 모델 정확도를 확인할 수 있다. 매우 미세한 변화이나 6 월 말 비교에 비해 7월말 결과가 관측치에 접근해가는 경향을 확인할 수 있다. 보다 장기간의 실험을 하는 경우 개선된 결과를 얻을 수 있을 것으 로 기대된다.
그림 3.1.28 해저퇴적층 내 단위면적당 137Cs의 양의 계산치와 Black and Buessseler (2014)의 비교를 통한 모델 검증 결과
○ 해저퇴적층 방사능 총량 시간 변화
IAEA 주관 MODARIA I의 일환으로 해저퇴적층 내 137Cs의 총량의 시간 변화를 검토하였다. 모델 비교를 위해 동일한 후쿠시마 해양 직접 유입과 대
그림 3.1.29 모델계산에 사용된 137Cs의 대기 낙진 분포
그림 3.1.30 모델계산에 사용된 137Cs의 해양 직접 유입량
그림 3.1.31 모델로 계산된 모델 영역 내 해저퇴적물에 존재하는 후쿠시 마 기인 137Cs의 총량을 나타낸다. 2개의 점선은 Black and Buesseler(2014) 에 의해 추정된 해저퇴적물 내 존재하는 137Cs의 최대 및 최저값을 나타낸다.
모델로 계산된 총량은 Black and Buessler의 추정치를 초과하는 것으로 나 타나고 있다.
그림 3.1.31 후쿠시마 사고로 인한 해저퇴적물 내 방사능 총량
바. 황동중국해 모델 적용
○ 황동중국해 복합순환 모델 수립 및 개선
그림 3.1.32은 황동중국해 모델 영역과 비구조형 삼각형 격자망을 보여준 다. 개방경계는 대한해협과 류큐열도, 대만해협으로 이어진다.
.
수평 방향 총 node 수는 50,613개, 삼각형요소 수는 96,217개로 구성된다.
해상도는 400m∼8km로 변한다. 연직방향으로는 200m까지 11개 s 좌표 층과 9개의 z 좌표 연직층으로 구성된다.
중국측 자료와의 비교를 통해 복합순환 성분중 하나인 조석의 크기가 중 국측 연안의 관측값보다 작게 산정되는 문제점이 발견되었다. 다양한 검토 끝에 외해경계조건이 문제점으로 확인되었다. 이에 따라 외해경계조건은 하 기와 같이 수정되었다.
기타 기상정보는 Meteo Era-Interim 자료가 사용되었다. 기후적 하천수 유입량은 한중 핵안전 공동연구사업의 파트너인 중국 FIO 연구진들에 의해 제공되었다. 그림 3.1.33는 조석 검증 지점들을 보여준다. 그림 3.1.34는 일부 선별된 지점에서의 검증 결과로서 대체로 양호한 재현이 얻어졌다.
.
그림 3.1.33 조석 검증 지점
(Keelung station)
(Kanmen station)
(Seogwipo station)
(Anheung station)
(Shijiuso station)
그림 3.1.34 (계 속)그림 3.1.35은 2011년을 대상으로 계산된 계절별 표층 및 저층 수온 분포 도 이다. 정성적으로 기존 연구와 유사한 것으로 판단된다.
그림 3.1.36은 모델 개선 후 계산된 하계 및 동계 약 2주간의 평균 해수순 환장이다. 쿠로시오와 더불어 황해 동중국해 순환 패턴에 계절별 바람의 영 향이 뚜렷이 나타나고 있다. 하계에는 황해 입구까지 해류가 북상하여 동측 으로 이동하고, 동계에는 북풍-북서풍의 영향으로 대만해류가 북상하지 못하 고 쿠로시오 측으로 방향을 바꾸는 것으로 나타나고 있다.
그림 3.1.36 황동중국해 평균순환장: 상) 하계, 하) 동계
○ 파랑 검증
우리나라 남서해역 4개 지점에서의 관측치와 비교하였다(그림 3.1.37).
유의파고 비교 결과 파고가 증가하면서 모델 예측치가 작게 산정하는 경향이 있으나 대체로 만족스럽게 재현하는 것으로 확인되었다.
○ 해저퇴적물 정보
그림 3.1.38는 FIO에서 제공한
자료에 근거하여 작성된 해저퇴적물
분포도이다. 아래의 관계식이 사용되었다
그림 3.1.38 황동중국해 해저퇴적물
분포본 연구에서 개발된 모델은 점성 및 비점성 퇴적물을 고려하므로 가능한 정확한 해저퇴적물 정보가 필요하다. 본 연구에선
에 근거하여 표 3.1.1 에서와 같이 5 개의 퇴적물 입경 class으로 구분하였다.표 3.1.1 황동중국해 모델에서 고려된 퇴적물 구분 Sediment classes
intervalsClay
≻
Fine silt