매체 간 환경동태

오염 물질은 어느 한 매체로 배출되었다 하더라도 그 매체 에만 머물러 있지는 않으며 시간이 지남에 따라 다른 매체로 전이 가 된다. 따라서 다른 매체로의 전이, 즉 오염 물질의 매체 간 전이 를 정량적으로 계산할 수 있도록 하였다. Table 2-2에는 모형에서 사용된 주요 환경 동태과정의 매개 변수를 정리하였다.

Table 2-2. Major process variables used in POPsLTEA.

Major variables in processes References

gas-particle partition coefficient Pankow, 1988; Mackay, 2001;

Cohen., 1986

water-solid partition coefficient Schwarzenbach et al., 2005;

Karickhoff, 1984 fugacity capacity for the air and water Cohen et al., 1990;

Mackay and Paterson, 1991;

fugacity capacity of the sorbed phase Mackay and Paterson, 1991;

partition coefficient for vegetation Trapp and Matthies, 1995;

Pussemier, 1991 overall air-vegetation mass transfer

coefficient Paterson et al., 1994

air-side mass transfer coefficient at air- soil interface

Fernandez and Friedlander, 1982;

Sehmel, 1979 air-side mass transfer coefficient at air-

water interface

Brutsaert, 1975;

Brutsaert and Jirka, 2013 water-side mass transfer coefficient at

water-air interface Mackayand and Yeun, 1983 air-phase diffusion coefficient Reid et al., 1987; Ashworth et al.,

1988

water-phase diffusion coefficient Reid et al., 1987; Ashworth et al., 1988

effective diffusivity in the soil and sediment matrix

Devillers et al., 1995;

Ryan & Cohen, 1986 deposition rate of gas (MTC) Schwarzebach et al., 2005 deposition rate of particle(Constant,

Equation)

Shatalov et al., 2004;

Gusev et al., 2005

(1) 대기-토양

대기와 토양의 물질전달계수 (overall mass transfer coefficient) 식은 아래와 같다. 여기서 air side MTC (kaas)는 diffusivity에 의해 계산((a), Schwarzenbach et al., 2005)하는 방 법과 바람의 크기를 가지고 계산((b), Fernandez and Friedlander, 1982; Sehmel, 1979)하는 방법을 수식화하여 선택할 수 있도록 하 였다. 그리고 soil side MTC(ksas)는 상수값((c), Schwarzenbach et al., 2005)을 쓰거나 effective diffusivity 와 diffusion path length (0.02m)를 가지고 계산하였다((d), Hayduk and Laudie, 1974, Devillers et al., 1995).

= 1

+ 1

(a) = ( )

kaasref: 0.04 [cm/sec]

(b) = 0.01(0.3 + 0.2wind)( ) ^.

(c) = 5.56 X 10

(d) = _{. ∗}

토양 및 저토는 기체, 액체, 고체로 이루어져 있으며 대부분이 고체로 구성되어 있으나 다른 매체와의 오염 물질 교환되는 양을 계산하기 위해서는 매체 내의 평형을 가정하고 partition coefficient를 이용하여 계산한다.

(2) 대기-수체

대기와 수체의 overall MTC식은 아래와 같으며 여기서 사용된 air side MTC, water side MTC 모두 바람의 함수로 되어 있어 바람의 크기가 변함에 따라 MTC 값도 변한다(Schwarzebach et al., 2005).

= 1

+

(a) Air-side mass transfer coefficient

= 0.01(0.3 + 0.2wind)( ℎ ℎ ⁾

.

(b) Water-side mass transfer coefficient

= 0.01(0.004 + 0.00004wind)( 0.032

ℎ ) ^.

대기와 수체 간의 partition coefficient (Kaw)는 온도의 함수인 Henry’s law constant에 의해 계산되며 기후변화로 인해 주변 온도가 변함에 따라 partition coefficient값도 변한다.

(3) 대기-식생

대기와 식생 사이에서는 주로 가스상의 오염 물질이 교환되는데 이 계산을 위해 필요한 식은 아래와 같다(Paterson et al., 1994).

, = ^{( )}−

= + 1

+ = 1

DiffA,V: diffusive exchange of pollutant between air and vegetation

LA: leaf area per grid volume RT: total resistance

Rc: cuticle resistance (Riederer, 1990)

For decidous forest, Rc is = − + 12.48

For coniferous forest, Rc is = 5.61 ∗ − − 2.94 For grass, Rc is = 5.29 ∗ − − 1.43

Rs: stomatal resistance

BCF: bioconcentration factor (3.61 for PAHs (Isnard and Lambert, 1988))

여기서 total resistance는 기공에 의한 오염 물질의 유·출입을 고려하므로 낮과 밤에 따라 식생의 호흡량과 광합성에 의한 가스 교환반응이 달라진다(Deinum et al., 1995). 대기와 식생과의 partition coefficient (Trapp and Pussemier, 1991)는 다음과 같이 구한다.

=

=( + )

KLA: the partition coefficient between plant leaves and air KLW: the partition coefficient between plant roots and water Wp: water content of the plant

Lp: lipid content of the plant ρp: density of plant

ρw: density of water (4) 수체-저토

수체와 저토 사이의 overall MTC는 아래 식으로 구한다.

= 1

⎝

⎜⎛ 1 + 1

⎠

⎟⎞

여기서 sediment side의 water와 sediment의 MTC(ksedwsed)와 water side의 water와 sediment의 MTC(kwwsed)는 저토의 diffusivity를 계산하는 수식으로 문헌들에서 제시하고 있으나 불확실성이 크기 때문에 본 모형에서는 계산식( ₌

. ∗ ,

Schwarzenbach et al., 1993)으로 사용하거나 SimpleBox2.0 (Brandes and Hollander, 1996)에서 제시한 저토의 diffusivity 상수 값(2.778E-6[m/s])을 선택 할 수 있다.

(5) 토양-식생

토양과 식생의 오염 물질 교환은 강수에 의해 식생 외부에 있는 오염 물질이 빗물에 씻겨 용존상으로 토양으로 유입되는 경우(Wash off)와 식생의 일부 또는 전체가 토양에 유입되어 내·외부에 존재하는 오염 물질 모두가 토양에 유입되는 것을 포함한다. 그러나 식생의 일부 또는 전체가 불규칙한 방식으로 토양으로 유입되는 것은 모형에서 고려할 수 없으므로 이론적으로

낙엽에 의한 litter fall만을 고려하여 첫서리가 내린 후 시작되어 30일 이내에 완료되는 것으로 계산하였다(Brandes and Hollander, 1996). 토양에서 식생으로 오염 물질이 유입되는 과정은 토양내의 용존상 오염 물질이 식생의 뿌리를 통해 유입되는 경로를 고려하였으며 이를 위해 Root uptake로 Transpiration stream concentration factor(TSCF<=1, Briggs et al., 1983; USEPA, 2002)를 계산한다.

TSCF = 0.784 ∗ exp [−(log − 1.78)

2.44 ]

TSCF = 0.7 ∗ exp [−(log − 3.07)

2.78 ]

앞서 살펴본 각각의 수식에서 사용된 기상변수는 기후변화로 인해 변하여 오염 물질의 동태에 영향을 미치게 되는데 이때 각각의 변수가 모형의 어떤 환경 동태와 변수에 반영되는지 Table 2-3에 정리하였다. 온도 변화가 가장 많은 환경 동태와 변수에 반영 되지만 바람이나 강수의 경우 그 값 자체가 이동 속도로 직접 수식에 반영 되기 때문에 어느 변수가 오염도 변화에 큰 영향을 주게 될 것인지는 모형의 결과를 통해 분석할 수 있다.

Table 2-3. Transport processes and variables used in POPsLTEA to account for the influence of climate change

Effect process or variable Temperature Henry's Law constants

vapor pressure

octanol-water partition coefficient

gas-atmospheric particle partition coefficient dissolved-suspended solids partition coefficient air-soil partition coefficient

partition coefficient between plant tissue and gas partition coefficient between sediment particle and water

mass transfer coefficients (in combination with wind)

reaction with OH radical for gas-phase PAHs in air

photolysis rate in air, water, and vegetation biodegradation rate in water, soil and sediment Wind

air-water mass transfer coefficient air-soil mass transfer coefficient advection in air

Rain wet deposition from air to the surfaces beneath velocity of soil leaching

wet interception fraction by leaf surfaces wash-off of PAHs from leaf surface to soil runoff in soil

Relative

Humidity Stomatal resistance between air and vegetation Short Photolysis reaction

Radiation Diffusivity coefficient in air