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6 장. 20041471 임진욱. 1. QUAL2E 모형의 이론. QUAL1 QUAL2 QUAL2E DOS Version (Disk Operating System) : UNIX, LINUX. DOS Command, 1986 : Data (Input) File : Text File Window Version : GUI (Graphical User Interface) QUAL2E-Plus QUAL2K : Excel Version

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Presentation Transcript

  1. 6장 20041471 임진욱

  2. 1. QUAL2E 모형의 이론 • QUAL1 • QUAL2 • QUAL2E • DOS Version (Disk Operating System) : UNIX, LINUX. DOS Command, 1986 • : Data (Input) File : Text File • Window Version : GUI (Graphical User Interface) • QUAL2E-Plus • QUAL2K : Excel Version • CE-QUAL-W : 2-Dimensional Hydraulic and Water Quality Modeling

  3. o 수질 전산 모델링의 기본 원리 • 전산 수질 모형실험(모델링)은 수체를 하나의 시스템으로 가정하고 시스템 내부에서 진행되는 모든 물리, 화학, 생물학적 작용을 수식화 하여 이를 적용, 해석함으로써 수질의 변화정도를 예측하는 기법을 말한다. 생태계 전산 모형은 유역, 기상, 수리, 생물 등 수많은 요인으로 지배되어 있어서 극히 복잡하다. 비록 전산 모형이 이들 모든 요인들을 조사 연구하여 만들어졌다고 하여도, 자연계에 있는 모든 것을 정확하게 표현할 수는 없다. 그러므로 모형은 자연현상을 수학적으로 알기 쉽게 표현할 수 있다는 가정에서부터 출발한다. (모형의 오차) • 일반적으로 자연의 시스템을 어느 정도 정확하게 수식화 하느냐에 따라서 모형의 타당성이 평가되고 모형의 공간성, 시간성을 어떻게 가정하느냐에 따라서 정확도와 응용의 범위가 결정된다. 공간성은 모의 실험하고자 하는 수체를 물리, 화학, 생물학적 현상이 균일한 일련의 구획으로 나누는데, 이 구획들의 집합이 갖는 공간적인 형태 즉 모형의 공간적 차원으로 설명된다. 현재 가장 많이 실용화된 것으로 수체를 수면의 수평방향과 수직방향으로 나누어서 각 구획의 하나하나는 균일한 수질을 유지한다고 가정하는 모형이다.

  4. 시간성은 모의 실험하고자 하는 수체의 시간 간격을 단기간 혹은 장기적으로 보느냐에 따른 것이며, 시간에 따른 가변성을 기준으로 동적 혹은 정상적으로 해석할 수 있다. 정상 모형(Steady State Model)은 자연 하천과 같이 시간에 대한 흐름이 일정하여 상류에서 하류까지 시간에 대한 수질항목의 변동이 적어 수질이 균일한 모형을 지칭하며, 동적 모형(Dynamic, Unsteady State Model)은 댐에 대한 담수호와 같은 인공 호수에서 시간에 따른 수리현상의 변화 때문에 상류에서 하류에 이르기까지 시간에 대한 수질의 변화가 균일하지 못한 모형이며, 주로 부영양화 예측과 관리, 식물성 플랑크톤의 군집 변화로 인한 제반 환경 변화를 추적하는 데 동적 모형이 유용하게 사용된다.

  5. o QUAL 모형의 변천사 • QUAL2E는 미국 환경보전국(EPA)에서 개발한 전산 수질 모형으로 개인용 컴퓨터에서 사용할 수 있다. 본 모형은 하천에서 수질을 예측하기 위해 개발한 것으로서 해석 방향은 유체흐름 방향이며 횡방향은 완전혼합을 가정으로 한 1차원 모형이다. • 최초 F.D. Masch and Associates와 Texas Water Development Board(1970)가 개발한 QUAL-Ⅰ모델을 미국 EPA에서 예측수질항목을 추가하여 QUAL-Ⅱ 모델을 만들었다. 미국 환경청(USEPA)의 지원으로 1987년 Brown and Barnwell에 의해 매개변수 불확정성 (Parameter Uncertainty) 등의 이론을 포함시키면서 “Enhanced QUAL-II Model, 즉 QUAL2E 모델이 개발되었다. • 모델은 현재 Georgia주의 Athens에 있는 EPA 수질 모델링 센터에서 관리되고 있다. 또한, QUAL2E 모델은 현재 미국에서 시행하고 있는 TMDL (Total Maximum Daily Load : 총일오염부하량) 계산을 위한 유역관리프로그램인 BASINS의 수질 모델 모듈로 사용되고 있으며 국내뿐만 아니라 외국에서도 광범위하게 사용되고 있다. 1995년에는 QUAL2E -Windows Interface가 개발되어 사용자가 보다 편하게 모델을 이용할 수 있도록 되었다.

  6. QUAL2E-PLUS는 Windows기반의 모델로써 (주) Websolus에서 프론티어사업의 일환으로 개발하고 있는 모형이다. 특히 사용자 위주의 GUI를 더욱 강화하였으며 이전에 하천 구성이 테이블에 의존하고 있는 반면 이번 QUAL2E-PLUS Beta 0.9 버전은 직관적인 판단으로 입력 자료를 구성할 수 있도록 하였다. • QUAL2E 모델은 미국 EPA에서 QUAL-I 모델에 예측수질항목을 추가하여 발전시킨 QUAL-Ⅱ 모델을 PC에서 사용가능하도록 만든 것이다. 이 모델은 이전의 모델에 비해 조류와 용존산소와의 상호관계, 온도보정계수, 댐에 의한 하천수의 산소공급 및 비보존성 물질과 3가지의 보존성 물질, 입․출력 방법 개량 등을 보완시킨 1차원 수질 예측 모델로서 1차원 정상상태(Stedy State)는 물론이고 동적상태(Dynamic State)도 예측할 수 있다. 완전 동적 해석이 아닌 반동적 상태로 동적 해석은 하천의 최상류부, 점 오염원 및 비점 오염원에서의 유량을 비롯한 수질자료들이 정상 상태로 입력되기 때문에 상류로부터 하류부까지의 수질은 점차 정상 상태로 수렴한다.

  7. 1.1 모형의 지배방정식(물질 및 에너지 이동방정식) • 하천 시스템 내에서 물질이동 및 변환은 유체의 흐름에 의하여 농도 부하가 이동되는 유속에 의한 유송(이류유송)과 유체흐름의 난류성(Hydrodynamic Dispersion : 수리학적 분산)과 물질 농도 차이(Molecular Diffusion : 분자분산)에 의해 발생하는 확산, 화학 및 생물학적 반응(Biochemical Reaction)에 의한 물질의 증감, 시스템 내의 오염 부하량 유입 또는 유출(Source or Sinks)에 의한 부하의 증감에 의해 좌우된다. 이와 같은 과정에 대하여 물질이동방정식을 세우면 다음 식(1.1)과 같다.

  8. 여기서, C는 물질의 농도를 나타내고, A는 유로 단면적, D는 종확산계수, U는 평균유속, S는 물질의 유입부하량 혹은 유출량, V는 단위 구간의 수체적, t는 시간, X는 거리, R는 반응에 의한 물질의 증감량을 나타낸다. • QUAL2E는 에너지 보전의 원리를 이용하며 열전달을 고려한 에너지 방정식을 이용하여 수온을 계산한다. 지배식은 식(1.2)와 같으며 물질 이동 방정식과 흡사한 형태를 가진다. (1.2) 여기서, T는 수온이고, 는 물의 밀도, c는 비열이다.

  9. 1.2 수질 항목의 반응 속도식 • 예측 가능한 수질 항목으로는 DO, BOD, Algae, Organic-N, NO2-N, NO3-N, Organic-P, Dissolved-P, 온도, 대장균, 3개의 보전성 물질, 1개의 임의의 비보존성 물질 등 13개 항목이며, 항목간의 상호 관계는 다음 그림 2.2에 나타나있다. 수질항목들의 내부반응 인자와 전산 모형 방정식을 1차 반응으로 가정하여 표현하면 다음과 같다. 1) 조류 조류의 성장에 의한 증가, 사멸 및 침전에 의한 감소를 고려하여 다음의 식으로 표현할 수 있다. (1.3) 여기서, A는 조류의 농도, t는 시간, μ는 조류의 성장율, ρ는 조류의 사멸율, σ1은 평균수심을 나타낸다.

  10. 2) 유기질소 유기질소는 조류의 사멸에 의한 유기질소 증가, 유기질소의 가수분해등을 고려하여 다음의 식으로 나타낸다. (1.4) 여기서, N4는 유기질소농도이고, β3는 가수분해율, α1은 조류내의 질소함유율, σ4는 유기질소의 침전율을 나타낸다. 3)암모니아성 질소 암모니아성 질소는 유기질소의 가수분해에 의한 증가, 암모니아성 질소의 산화에 의한 감소, 하상퇴적물로부터의 부상에 의한 증가, 조류의 섭취에 의한 감소를 고려하여 다음의 식으로 나타낸다. (1.5) 여기서, N1는 암모니아성 질소의 농도, N3는 질산의 농도, β1은 암모니아성 질소의 산화율, β3는 유기질소의 가수분해율, σ3는 암모니아성 질소의 하상적 퇴물로부터의 부상율, F1는 조류의 암모니아성 질소의 섭취율을 나타내며, 의 식으로 정 의하고, PN은 조류의 암모니아성 질소의 선호도를 나타낸다.

  11. 4) 아질산성 질소 아질산성 질소는 암모니아성 질소의 산화에 의해 증가하고, 아질산의 산화에 의해 감소한다. (1.6) 여기서, N2는 아질산의 농도이고, β2는 아질산의 산화율이다. 5) 질산성 질소 질산성 질소는 아질산의 산화에 의해 증가하고, 조류의 섭취에 의해 감소한다. (1.7)여기서, F2는 조류의 질산성 질소의 섭취율이다. 6) 유기인 유기인은 조류의 쇠퇴에 의해 증가하고, 용존인으로 변화함으로써 감소하며, 침전에 의해 감소한다. (1.8) 여기서, P1은 유기인의 농도를 나타내고, α2는 조류내의 인함유율이며, β4는 유기인의 용존인으로의 변환율, σ5은 유기인의 침전율이다.

  12. 7) 용존인 용존인은 유기인으로부터 변화에 의해 증가하며, 하상퇴적물로부터 부상에 의해 증가하고, 조류의 섭취에 의해 감소한다. (1.9) 여기서, P2는 용존인의 농도이고, σ2는 하상퇴적물로부터의 용존인의 부상율이다. 8) 탄소성 생물학적 산소 요구량 CBOD는 탈산소 및 침전에 의해 감소한다. (1.10)여기서, L는 CBOD의 농도, K1은 탈산소율, K3는 침전에 의한 감소율이다. 9) 용존산소 용존산소는 재폭기 및 조류의 광합성에 의해 증가하고, 탈산소, 하상퇴적물, 암모니아성 질소 및 아질산의 산화에 의해 감소한다. (1.11) 여기서, O는 용존산소의 농도이고, O*는 주어진 온도 및 압력하의 포화산소농도이며, α3는 조류의 광합성에 의한 산소생산량이고, α4는 조류의 호흡에 의한 산소 감소율이며, α5는 암모니아성 질소의 산화에 따른 산소소모율이며, α6는 아질산의 산화에 따른 산소소모율이며, K4는 하상퇴적물에 의한 산소감소율, β2는 아질산의 산화율, β1는 암모니아 산화율을 나타낸다.

  13. 10) 대장균 대장균은 사멸에 의한 감소가 주기적이다. (1.12) 여기서, E는 대장균의 농도이고, K5는 대장균의 사망율을 나타낸다. 11) 임의의 비보존성 물질 임의의 비보존성 물질은 쇠퇴 및 침전에 의한 감소, 하상퇴적물로부터 부상에 의한 증가가 있다. (1.13) 여기서, R는 비보존성 물질의 농도, K6는 비보존성 물질의 쇠퇴율, σ6는 비보존성 물질의 침전율, σ7은 하상퇴적물로부터 부상율을 나타낸다.

  14. 2. 수치해석 • 물질이동방정식인 식(1.1)은 1차 선형 미분 방정식의 형태로써 기본적으로 수치해석 기법을 적용하지 않더라고 해를 구할 수는 있으나 물질 반응이 각 수질 항목 간에 연계되어 있어 단순 계산에 의해 해를 구하기는 어려우므로 수치 해석에 의한 반복 계산기법으로 해를 구한다. • 이 모형에서 사용한 수치해석 기법은 유한차분법으로서 요소간의 수질 농도를 선형적으로 가정하는 방법을 사용하고 있다. 또한, 요소 수질농도가 미지의 다른 요소 수질농도들의 함수로 표현되는 음해법으로 차분 방법식이 세워지도록 하고 있다. 식(1.1)의 물질이동방정식을 1차 반응을 가정한 선형 방정식에 대입하여 다시 표현하면 식(1.16)과 같다. (1.16) • 여기서, kC는 해석 수질항목의 반응에 의한 증감을 나타내고, P는 해석 수질항목의 반응을 제외한 반응을 나타낸다.

  15. 지배식(1.16)를 음해법을 이용한 유한차분식으로 표현하면 식(1.17)과 같다. (1.17) n+1 시각의 수질항목 C에 대하여 정리하면 식(1.18)과 같다. (1.18) 여기서 유한차분 방정식은 3개의 절점간의 관계로 표시된 삼각행렬로써 가우스 소거법에 의하여 해를 구하게 된다.

  16. 3.입력자료 설명 • 2.1 모형 프로그램의 설명 QUAL2E는 1개의 주프로그램과 50개의 부프로그램으로 구성되어 있다. QUAL2E의 수행 순서는 다음과 같다. 1) INDATA : 기상과 그림 출력에 대한 입력 자료를 제외한 13개의 입력자료를 읽는다. 2) REAERC : 용존산소에 대한 재폭기 계수를 계산한다. 3) TCALCS : 반응계수의 보정에 필요한 온도를 계산한다. 4) QUALC1 : 상호 영향이 없는 수질 항목들을 계산한다. 5) QUALC2 : 상호 영향이 있는 수질 항목들을 계산한다. 6) FLOAUG : 유량의 증감이 필요한 경우 필요 수량을 계산한다. 7) PRPLOT : 유하 거리별 수질 변화를 도시한다.

  17. 2.2 모형의 입력자료 QUAL2E 모형의 입력 자료는 다음과 같은 형식으로 입력된다. 1) 제목 자료 16개 항목(cards)으로 구성되어 있으며, 분석하고자 하는 항목을 "YES" 또는 "NO"로 판단하여 입력하여야 하며 질소(N)와 인(P)은 각각 하나의 순환으로 간파하여 선택한다. 보존성 물질 3항목과 비보존성 물질 1항목은 성분 이름을 49열에서 52열 사이에 입력하여 단위도 같이 기입한다. QUAL2E에서는 일반적인 경우에 최종 BOD(BODu)를 예측한다. 만약, 사용자가 입력과 출력에서 5일 BOD(BOD5)의 사용을 원한다면 프로그램 초기에 BOD5로 변환하여야 한다. 이러한 변환은 먼저 사용자에 의하여 설명되어지는 반응계수, 부패율에 기초를 둔다. 만약, 변환값이 설명되어지지 않는다면 프로그램의 대표값인 0.23 day-1을 사용하게 된다. 본 프로그램을 사용하여 수질 예측을 수행할 경우 사용자가 대상하천과 점오염원의 BOD 반응계수에 대하여 확실히 인식되지 않은 경우에는 최종 BOD(BODu)의 사용을 추천한다. 5일 BOD(BOD5)를 사용할 경우에는 7번째 항목에 “5-DAY BIOCHEMICAL OXYGEN DEMAND”를 22열부터 사용하여 입력하여야 한다. TITLE01 STREAM QUALITY MODEL-QUALII WORKSHOP (WITH Q2E CHANGES) TITLE02 STREAM SHIN IN DONGDOOCHUN CITY (BY CALIBRATION,1992) 제목 (22 - 80)

  18. TITLE03 NO CONSERVATIVE MINERAL I TDS IN MG/L TITLE04 NO CONSERVATIVE MINERAL II TITLE05 NO CONSERVATIVE MINERAL III TITLE06 NO TEMPERATURE TITLE07 YES BIOCHEMICAL OXYGEN DEMAND TITLE08 NO ALGAE AS CHL.A IN UG/L TITLE09 NO PHOSPHORUS CYCLE AS P IN MG/L TITLE10 (ORGANIC-P; DISSOLVED-P) TITLE11 NO NITROGEN CYCLE AS N IN MG/L TITLE12 (ORGANIC-N; AMMONIA-N; NITRITE-N;' NITRATE-N) TITLE13 YES DISSOLVED OXYGEN IN MG/L TITLE14 NO FECAL COLIFORM IN NO./100 ML TITLE15 NO ARBITRARY NON-CONSERVATIVE ENDTITLE 분석 항목 <3-15> (10-12) ( 49-52 : 보전성, 비보존성 물질) <7:5 - DAY BIOCHEMICAL OXYGEN DEMAND>

  19. 2) 모형 조절 자료 ( 자료 형태 1 : 프로그램 조절 ) 본 항목들에서는 프로그램을 제어하는 각 선택사항과 대상하천의 구성특성, 온도를 예측하기 위한 지리학적, 기상학적인 것을 설명하고 있다. 최대 17개의 항이 있으며 처음부터 13번째 항까지는 반드시 필요한 항목들이며, 마지막 4개의 항은 단지 온도를 예측하기 위한 자료들이다. QUAL2E 프로그램은 초기에 지정된 입력 자료와 각 항의 처음 4열의 특성을 비교함으로써 Data Type 1을 인식한다. 만약, 입력 자료와 특성 사이에 조화가 잘 이루어진다면 그 자료는 사용자에 의한 입력 자료로서 프로그램은 운전된다. 그러나 조화가 잘 이루어지지 않았을 경우에는 프로그램 제어 선택은 대표값과 시스템 자체에서 이용된 값으로 전환될 것이며, 조화가 잘 이루어지지 않은 자료는 0의 값으로 나타나게 된다. LIST DATA INPUT 입력 자료 출력 ( NO LIST ) WRITE OPTIONAL SUMMARY 출력 자료를 중간 기록 NO FLOW AUGMENTATION 유량 증가 유무 선택 STEADY STATE 정상, 비정상 상태 선택 (DYNAMIC SIMULATION, NOSTEADY STATE) NO TRAPEZOIDAL CHANNELS 황단 면적에 대한 설명 (TRAP-사다리꼴 수로) (DISCHARGE COEFFICIENTS OR NO TRAPEZOIAL CHANNELS : 유속과 수심계산에 유출 계수 사용 - 구형 수로나 자연 하천)

  20. PRINT LCD/SOLAR DATA 기후 자료, 기상 예측에 사용됨 PLOT DO AND BOD DO와 BOD 출력 마지막에 그림으로 나타냄 FIXED DNSTM CONC (YES=1) = 0. 5D-ULT BOD CONV K COEF = 0.23 하류의 수질 농도 고정. 5 DAY BOD 변환 계수 INPUT METRIC = 1. OUTPUT METRIC = 1. 입력, 출력 자료의 단위 선택 (1보다 작으면 영국 단위) NUMBER OF REACHES = 3. NUMBER OF JUNCTIONS = 0. 하천의 각 구간의 수 합류점의 수 NUM OF HEADWATERS = 1. NUMBER OF POINT LOADS = 4. 수두의 수 점 오염원의 수 TIME STEP (HOURS) = LNTH. COMP. ELEMENT (KM)= 0.5 시간 간격 (비정상 상태 모사실험) 계산 요소의 길이 (MILE,KM) MAXIMUM ITERATION = 30. TIME INC. FOR RPT2 (HRS)= 1수렴식을 풀기 위한 최대 반복 회수 계산 농도의 중간 출력을 위한 : 정상 상태 시간간격 (비정상 상태) 2물입자가 최상류점에서 최하류점에 도달하는 시간 : 비정상상태

  21. 원시 프로그램의 PARAMETER 문을 변환함으로써 다음의 제한을 극복할 수 있 다. 최대 수두의 수 : 7 최대 합류점의 수 : 6 최대 점 오염원의 수 :25 최대 구간의 수 : 25 최대 계산 요소의 수 : 250 지리적, 기후적 자료 - 온도 예측 LATITUDE OF BASIN (DEG) = 0.0 LONGITUDE OF BASIN (DEG)= 0.0 유역의 위도 유역의 경도 STANDARD MERIDIAN (DEG) = 0.0 DAY OF YEAR START TIME = 0.0 표준 자오선 예측 시작일 EVAP. COEF.,(AE) = 0.0 EVAP. COEF.,(BE) = 0.0 증발 계수 BE=2.7*10-4 ft/hr-in HG-mph 미터법: AE=6.2*10-6 m/hr-mbar BE=5.5*10-6 m/hr-mbar-m/sec ELEV. OF BASIN (METERS) = 0.0 DUST ATTENUATION COEF. = 0.0 유역의 해발 분진 감소 계수(0-13) (정상상태에서만 사용) ENDATA1

  22. 3) 조류, 질소, 인, 빛의 반응 계수 자료- 조류 성장 계수 (자료형태 1A) 본 절에서 언급되는 인자와 계수들은 모형 예측의 전체에 적용되며 조류, 영양염류와 빛의 상호관계는 반응계수로 표현된다. QUAL2E 모형에서 모든 선택의 적절한 사용은 예측하고자 하는 수체(하천)에서 조류 성장 계수에 대한 확실한 인식이 있어야 한다. 여기서 입력되는 자료들은 조류와 질소의 순환(유기질소, 암모니아성 질소, 질산성 질소, 아질산성 질소), 인의 순환(유기인, 용존인)을 예측하게 된다. QUAL2E 모형은 입력 자료와 특성 사이에 조화가 잘 이루어진다면 사용자에 의하여 입력된 자료로서 해석이 될 것이며 조화가 잘 이루어지지 않는다면 0.0의 값으로 표시된다. * 참고 - “ _ ”는 4개의 특성인자 입력에 반드시 필요한 부분이다. Q_UPTAKE BY NH3 OXID(MG O/MG N)= 3.5 O_UPTAKE BY NO2 OXID(MG O/MG N)=1.20 암모니아 산화에 의한 산소 소모량 NO2 산화에 의한 산소 소모량 α5 : 3.0 - 4.0 α6 : 1.0 - 1.14 O_PROD. BY ALGAE (MG O/MG A) = 1.6 O_UPTAKE BY ALGAE (MG O/MG A) =2. 조류 성장에 따른 산소 소모량 조류 호흡에 따른 산소 소모량 α3 : 1.6 mg O/mg A, 1.4 - 1.8 α4 : 2.0 mg O/mg A, 1.6 - 2.3 N_CONTENT OF ALGAE (MG N/MG A) =.085 P_CONTENT OF ALGAE (MG P/MG A) =.012 조류가 지니고 있는 N의 양 조류가 지니고 있는 P의 양 α1 : 0.08 - 0.09 α2 : 0.012 - 0.015

  23. ALG MAX SPEC GROWTH RATE(1/DAY)= 2.5 ALGAE RESPIRATION RATE (1/DAY) =.1 조류의 최대 성장률 (1 -3/day) 조류의 호흡률 (0.05/day, 0.2/day) μmax : 1- 3 ρ : 0.05 - 0.5, 0.05 : 깨끗한 물 N_HALF SATURATION CONST. (MG/L)=.3 P_HALF SATURATION CONST. (MG/L)=.04 질소의 반포화 계수 인의 반포화 계수 KN : 0.01 - 0.3 mg/L KP : 0.001 - 0.05 mg/L LIN ALG EXCO (1/FT)/(UG-CHLA/L)=.0088 NLINCO(1/FT)/(UG-CHLA)**(2/3)=.0540 가 나 가 . λ1 = Linear algae self-shading coeffocient (1/m)/(ug chla/L) 0.0088 나 . λ2 = nonlinear algae self-shading coefficient (1/m)/(ug chla/l)2/3 0.054 일반적 빛(광선)투과 방정식 : 여기서, λ : 총 빛 투과 계수 A : 조류 미생물의 농도, mg/L α0 : 조류와 클로로필 a의 비, ug chla/mg A λ0 λ1 λ2 값의 알맞는 선택은 다음의 빛투과 관계에서 이루어진다. * No self-shading (Roesmer et sl, SEMCOG) : λ1 - λ2 = 0 * Linear algae self-shading (JRB Assoc. Vermont) : λ1≠0 λ2 = 0 * Nonlinear self-shading (Riley Eg. 미터법) : λ1 = 0.008 λ2 = 0.054

  24. LIGTH FUNCTION OPTION (LFNOPT) =1 LIGTH SARURATION CEEF(LNGY/MIN)=.030 태양광선 함수 선택 빛의 포화 계수 BTU/FT2=MIN, LNGY/MIN 0.02 - 0.10 조류의 성장에 있어서 빛 감소의 영향을 계산 * 빛의 포화계수 단위 : 영국 : BTU/ft2.min. 미터법 : Langleys/min 함수선택 1은 QUAL2E의 SEMCOG Version 에서 이용되었던 방법으로 Michaelis-Menton의 Half Saturation 공식을 이용하여 빛의 영향으로 인한 조류의 성장제한을 예측하기 위한 것이었다. 함수선택 2는 Michaelis-Menton과 유사하지만 빛의 영향을 우선으로 하는 것이 아니라 두 번째로 이용하는 것이다. 선택 1과 2는 단순히 빛의 강도 증가에 의한 함수이다. 함수선택 3은 높은 빛의 강도에서 광선제한을 포함하며 1985년 Bowie 등에 의해 연구 되었다.

  25. DAILY AVERAGING OPTION(LAVOPT)=2 LIGTH AVERAGING FACTOR (AFACT) = 1 관선 평균 선택 (33 - 39) 광선 평균 인자 (74 - 80) 0.85 - 1.0 선택이 3-4인 경우 정상상태에만 적용 광선의 평균값 선택은 이용자가 태양방사의 이용되는 값으로부터 빛 감소계수가 계산되는 방법을 자세히 알아야 한다. . 만약 1 또는 3을 선택한다면 온도는 무시된다. 빛 감소계수 74-80열에 1 또는 2의 선택은 일광 평균 태양방사를 이용하여 단순한 계산으로 이루어지고 3 또는 4의 선택은 매시간마다의 태양 방사를 이용한 계산의 평균을 이용한다. 이 인자는 0.85 - 1.0의 다양한 값으로 연구되었다. • FL은 정상 상태 온도 부프로그램(HEATER)에서 계산된 일일평균 • 태양 방사값으로 부터 계산된다. • 2. FL은 Data Type 1A에서 읽어진 일일 평균 태양 방사로부터계산 • 된다. • 3. FL은 정상 상태 온도 Subtoutline(HEATER)에서 계산된 태양 • 방사의 24시간마다의 값으로부터 계산된 FL값을 평균함으로서 • 얻어진다. • 4. FL은 총 날짜의 태양 방사와 가정된 COSINE 함수로부터 • 계산된 24시간 마다의 태양 방사에서 얻어진 FL값을 평균함 • 으로서 얻어진다.

  26. NUMBER OF DAYLIGTH HOURS (DLH) =14 TOTAL DAILY SOLAR RADTN (LNGYS)= 400. 일광 시간의 수 (33-39) 총 일일 방사열(BTU/ft2, OR Langleys) (74-80) 빛 평균 선택을 2 또는 4를 선택하였을 때 이용 ALGY GROWTH CALC OPTION(LGROPT)=1 ALGAL PREF FOR NH3-N (PREFN) = 0.0 빛과 영얌염류의 선택 (33-39) NH3-N에 대한 조류의 선호 정도(74-80) PN : 0 - 1.0 조류의 성장율을 계산하기 위한 빛과 영양염류의 상호관계는 다음과 같다.

  27. 선택 1은 QUAL-II SEMCOG 에서 사용되었고, 선택 2는 META System Version of QUAL-II(1983)에서 사용되었다. 선택 3은 1976년 Scavia 와 Park에 의해 설명되었다. 암모니아에 대한 조류의 선호도는 암모니아와 질산성 질소에 대한 조류의 상호관계에 의해 설명된다. 사용자는 0에서 1.0사이의 소수자리로 표기되는 이들 선호도의 값을 알아야 한다. ALG/TEMP SOLR RAD FACTOR(TFACT)= 1 NITRIFICATION LNHIBITION COEF = 0.6 가 나 가 . 태양 복사 계수 (33-39) 태양복사 중 열평형관계에서 광합성 등을 통하여 조류에서 이용된율. 정상 상태 모사 중 빛 평형 선택이 1 또는 3일 때에만 필요 나 . 질산화 제한 계수 (74-80) 질산화 제한 계수는 다음 공식에 있어 KNITRF의 값이다. CORDO = 1.0 - exp(-KNITRF * DO) DO = 용존 산소 농도 (mg/L) CORDO = 암모니아와 NO2의 질산화율 계수 QUAL-TX(TWDB,1984)에서는 KNITRF의 값을 0.6으로 사용하였고 Thames Estuary (DSIR,1964)에서는 0.7을 이용하였다. KINTRF의 default값은 10.0이다. ENDATA1A

  28. 4) 온도 보정 계수(자료 형태 1B) QUAL2E를 이용한 예측에서는 온도에 의한 영향이 몇 항목이 있다. 온도 보정 계수의 입력은 사용자가 선택하여야 한다. 보정 계수의 대표치는 다음<표 2-1>과 같다. 표의 값 이외의 수치는 사용자에 의해 입력된다. <표 2-1> QUAL2E의 온도 보정 계수의 값 THETA OXY TRAN 1.0159 가 나 가 . 표 A-1의 값을 이용할 때 Code 명 나 . 사용자에 의한 온도 계수 이용 QUAL2E를 이용한 예측에서는 온도에 의한 영향이 몇 항목이 있다. 온도 보정계수의 입력은 사용자가 선택하여야 한다. 보정계수의 default Value는 다음 표와 같다. 표의 값 이외의 수치는 사용자에 의해 입력된다.

  29. 표 A -1 QUAL2E의 default theta 값 ENDATA1B

  30. 5) 하천의 각 구간의 설명 자료 (자료형태 2) 하천의 흐름에 있어 각 구간의 이름과 최상류에서부터 최하류점의 길이를 설명한다. 합류점이 있을 경우 그 순서는 지류의 상류부터 계속된다. STREAM REACH 1. RCH=YANGJOOGUN FROM 22.0 TO 13.0 가 나 다 라 가 . 구간의 순서 나 . 구간의 설명, 이름 다 . 시작 지점의 길이 라 . 끝 지점의 길이 ENDATA2 6) 유동 증가 자료 ( 자료 형태 3 ) 본 절은 유량 증가가 있을 때 이용되며 유량증가를 일으키는 인자들을 입력하게 된다. 구간 설명으로 입력하게 된다. (유량 증가 : 유입유량) 가. 구간의 순서 및 번호 나. 증가 인자 (유량증가에 이용되는 headwater 번호) 다. target level(최소 허용 용존산소 농도 mg/L) 라. 인자 순서 (이용되는 headwater, 시작되는 최상류점의 순서) ENDATA3

  31. 7) 각 구간의 계산 요소의 형태 자료 (자료형태 4) 각 구간에 따른 계산인자의 형식을 설명한다. 이들 자료를 통하여 프로그램에 의하여 사용되는 기본 방정식의 형태가 선택된다. FLAG FIELD RCH= 1. 18. 1.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.6.2.6.2. 가 나 다 FLAG FIELD RCH= 2. 14. 2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2. FLAG FIELD RCH= 3. 12. 2.6.2.2.2.2.2.2.2.2.6.5. ENDATA4

  32. 8) 수리 자료 (자료형태 5) 하천의 수리학적 특성을 파악하기 위해서는 2가지 선택사항이 이용된다. 함수의 표현을 이용하기 위해서는 "NO TRAPEZOIDAL" 또는 "DISCHARGE COEFFICIENT"를 입력하고, 기하학적인 표현을 이용하기 위해서는 "TRAPEZOIDAL"을 입력한다. 속도는 V = aQb로 계산한다. HYDRAULICS RCH= 1. 0.310 .45000 .40000 0.3000 .50000 .025 가 나 다 라 마 바 사 가 . 각 구간의 번호 Column 16 - 20 나 . 확산 상수 Column 23 - 30 다 . a 속도 계수 Column 31 - 40 라 . b 속도 지수 Column 41 - 50 마 . c 수심 계수 Column 51 - 60 바 . d 깊이 지수 Column 61 - 70 사 . Manning 계수 n Column 71 - 80 (프로그램의 Default값은 0.02이다.) 분산 계수 K값의 범위는 6 - 6000이며 종확산(Longitudinal dispersion)의 Elder방정식에서는 5.93을 유도하였으며 QUAL-Ⅱ에서도 사용하였다.

  33. a,b,c,d 는 속도와 깊이, 유량의 단위에 관계되어 표현된다. <기하학적 표현을 이용할 경우 ; “TRAPEZOIDAL"> 두 번째 선택을 하였을 경우 각 구간을 사다리꼴 단면으로 표현한다. 이는 사다리꼴 단면(아래는 넓고 옆은 경사진)과 경사, Manning의 n의 값이 각 구간에 따라 다를 경우 이용한다. 프로그램의 속도와 깊이는 Manning의 공식과 Newton-raphson 방법을 이용하여 계산한다. 다음 사항이 각 구간에 준비되어야 한다. HYDRAULICS RCH= 2. 0.310 .50000 .40000 0.4000 .50000 .025 HYDRAULICS RCH= 3. 0.310 .53000 .40000 0.4500 .50000 .025 ENDATA5

  34. 9) BOD와 DO 반응율 계수 (자료형태 6) 예측하천의 구간별 BOD 부패율, 침전율, 침전산소요구량(SOD)과 재폭기 계수(K2)를 계산하는 방법을 선택하여 입력한다. 각 구간별 필요한 자료의 입력은 다음과 같이 한다. REACT COEF 1. 0.550 0.000 0.000 1. 4.500 0.0000 0.0000 가 나 다 라 마 바 사 아 가. 각 구간의 순서 및 번호 16 - 20 열 나. BOD 분해율 계수 (1/day) 21 - 28 열 다. 침전에 의한 BOD 제거율 (1/day) 29 - 36 열 라. SOD (g/ft2day,g/m2day) 37 - 44 열 마. K2의 선택 (1 - 8) 45 - 48 열 바. K2의 재포기 계수(단, 1을 선택시) 49 - 56 열 ( @ 20℃, 1 / day) 사. a, K2의 계수 (선택 7 또는 8) 57 - 64 열 아. b, K2 계산을 위한 지수 또는 에너지 구배 65 - 72 열 ( 선택 7 또는 8 )

  35. 재폭기 계수 K2를 계산하기 위한 방법으로는 다음 8가지가 이용된다. REACT COEF 2. 0.550 0.000 0.000 1. 4.500 0.0000 0.0000 REACT COEF 3. 0.550 0.000 0.000 1. 4.500 0.0000 0.0000 ENDATA6

  36. 10) 질소와 인의 계수 자료(자료형태 6A) 본 자료는 조류, 질소계(유기질소, 암모니아성질소, 질산, 아질산) 또는 인계(유기인, 용존인)를 예측할 때에 필요하다. 반면에 이들은 생략될 수 있다. 저질 발생율은 저질 면적당의 단위로 표현한다. 그러나 QUAL2E에서는 하천 길이당의 값으로 이용하였다. 면적당으로 변환하기 위해서는 알맞은 하천폭에 의한 길이로 분해하여야 한다. N AND P COEF RCH= 1. 10.000 0.000 0.150 0.000 1.000 10.000 0.000 0.000 가 나 다 라 마 바 사 아 자 가. 구간 순서 및 번호 나. 유기질소의 가수분해율 계수(1/일) (0.02-0.4) 다. 유기질소의 침전율 계수(1/일) (0.001-0.1) 라. 암모니아 산화율 계수(1/일) (0.1-1.0) 마. 암모니아 저질 발생률(mg/ft2-day, mg/m2-day) 바. NO2-N 산화율 계수(1/일) (0.2-2.0) 사. 유기인의 사멸율 계수(1/일) (0.01-0.7) 아. 유기인 침전율 계수(1/일) (0.001-0.1) 자. 용존인 저질 용출률(mg/ft2-day, mg/m2-day) ENDATA6A ENDATA 6A로 끝을 내며 만약, 조류, 질소, 인을 예측하지 않을 시에도 반드시 기입한다.

  37. 11) 조류 및 기타계수(자료형태 6B) 본 자료는 조류, 질소계, 인계, 대장균 또는 비보존성 물질을 예측할 때 이용된다. 조류량에 대한 크로로필a의 양, 조류의 침전율, 비조류 빛 통과계수, 대장균 부패 계수, 비보존성 물질 부패계수, 비보존성 물질 침전계수, 비보존성 물질 저질 발생율 등이 필요하다. ALG/OTHER COEF RCH= 1. 50.00 0.150 3.800 1.500 0.000 0.000 0.000 가 나 다 라 마 바 사 아 가. 구간 순서 및 번호 나. 조류량에 대한 크로로필 A의 량* : 50-100 (ug chla/mg algae) 다. 조류의 침전율(ft/day,m/day) : 0.5 - 6.0 라. 비조류 빛 투과 계수 **(1/ft,1/m) : 0.01 마 . 대장균 사멸 계수 (1/day) : K5 : 0.5 - 4.0 바 . 비보전성 물질 사멸 계수(1/day) : 0 사 . 비보전성 물질 침전 계수(1/day) : 0.01 아 . 비보전성 물질 저질 발생율 : 0 (mg/ft2-day,mg/m2-day) * 만약, 사용자가 입력을 하지 않으면 QUAL2E의 Default value인 50 ug chla/mg algae 로 계산된다. ** 만약, 사용자가 입력을 하지 않으면 QUAL2E의 Default value인 0.01 ft-1이 입력되며 이는 증류수에서의 대략적인 투과계수이다. ENDATA6B ENDATA 6B로 끝을 내며 만약, 조류,질소,인,대장균 또는 비보전성 물질을 예측하지 않을 시에도 반드시 기입한다.

  38. 12) 초기 조건 자료 본 절에서는 각 구간별 온도, 용존산소, BOD농도, 보전성 물질등을 입력하여 프로그램 시스템의 초기조건을 설정하여 준다. 초기설정 조건에 있어 온도는 예측을 하든 안하든 항상 입력하여야 한다. 정상상태의 온도예측에 있어서 모든 구간의 온도가 68 F 또는 20℃인 것이 초기조건으로 가장 알맞다. ① 자료형태 7 : 초기조건 1 INITIAL COND-1 RCH= 1.20.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000 0.0 가 나 다 라 마 바 사 아 자 가. 구간 순서 및 번호 나. 온도 (F 또는 ℃ )** 다. 용존 산소 (mg/l) 라. BOD (mg/l) 마. 보전성 물질 I* 바. 보전성 물질 II* 사. 보전성 물질 III* 아. 비보전성 물질 * 자. 대장균 (No./100mL) * 단위는 앞의 Title Card 에서 입력된다. ** QUAL2E 의 Default value는 68 F, 20 ℃이다. ENDATA7. 으로 끝을 낸다.

  39. ② 자료 형태 7A : 초기 조건 2. 본 절은 조류, 질소계, 인계를 예측할 때 이용된다. INITIAL COND-2 RCH= 1. 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 가 나 다 라 마 바 사 아 가. 구간 순서 및 번호 나. 크로로필 a (ug/L) 다. 유기 질소 (mg/L) 라. 암모니아성 질소 NH3-N (mg/L) 마. 질산성 질소 NO2-N (mg/L) 바. 아 질산성 질소 NO3-N (mg/L) 사. 유기인 (mg/L) 아. 용존 인 (mg/L) ENDATA7A ENDATA 7A로 끝을 내며 만약, 조류, 질소, 인을 예측하지 않을 시에도 반드시 기입한다.

  40. 13) 증가 유입 유량 자료 ① 자료형태 8 : 증가유입유량 1 본 절은 각 구간에 있어 추가되는 유량을 설명하며 점 오염 유입유량과 수원에 의한 것은 설명되지 않는다. 유입유량은 각 구간에서는 일정하다고 가정하며 기본적인 지하수 유입과 지표수 유출이 대략 시간이 지남에 따라 일정하다고 가정한다. QUAL2E에 있어 중요한 새로운 현상은 각 구간의 예측된 증가 유출 유량이다. 이러한 선택은 지표수의 유량이 지하수로 변환되어 하류의 유량이 감소하였음을 보여주며 이때는 유량의 감소율을 이용한다. INCR INFLOW-1 RCH= 1. 0.000 00.00 0.0 0.0 00.0 0.0 0.0 0.0 0.0 가 나 다 라 마 바 사 아 자 차 가. 구간 순서 및 번호 나. 증가 유입 유량 (cfs,m3/sec) 유출 유량은 “-”로 표시 다. 온도( F 또는 ℃) 라. 용존 산소 (mg/L) 마. BOD (mg/L) 바. 보전성 물질 I 사. 보전성 물질 II 아. 보전성 물질 III 자. 비보전성 물질 차. 대장균 (No./100mL) ENDATA8로 끝을 낸다.

  41. ② 자료 형태 8A : 증가 유입 유량 2 본 절은 자료형태 8과 계속되며 조류, 질소계, 인계를 예측할 때 이용된다. incr inflow-2 rch= 1. 0.00 0.00 0.02 0.00 0.20 0.00 0.00 가 나 다 라 마 바 사 아 가. 구간 순서 및 번호 나. 크로로필 a (ug/L) 다. 유기질소 (mg/L) 라. 암모니아성 질소 NH3-N (mg/L) 마. 질산성 질소 NO2-N (mg/L) 바. 아질산성 질소 NO3-N (mg/L) 사. 유기인 (mg/L) 아. 용존인 (mg/L) ENDATA8A ENDATA8A로 끝을 내며 만약, 조류, 질소, 인을 예측하지 않을 시에도 반드시 기입한다.

  42. 14) 하천 합류점의 자료(자료형태 9) 본 절은 예측하는 하천에 있어 합류점과 또는 지류가 있을 때 이용된다. 반면에 이들은 생략이 될 수도 있다. 합류점의 순서는 가장 상류 합류점부터 시작한다. STREAM JUNCTION 1. JNC=CLEAR-BULL 21. 24. 23. 가 나 다 라 마 가. 합류점의 순서 및 번호 나. 합류점 이름 및 설명 다. 합류점 바로 상류구간의 최종인자 순서번호 (영문 참고서 참고) 라. 합류점으로부터 바로 하류구간의 첫 인자 순서번호 마. 합류점 지류의 최종인자 번호 ENDATA9 ENDATA 9로 끝을 내며 만약 합류점이 없을 시에도 반드시 기입한다.

  43. 15) 수원 자료 ① 자료형태 10 : Headwater Source Data 1. 본 절에서는 각 수원에 있어 유량, 온도, 용존산소, BOD, 보존성 물질의 농도, 조류, 질소계, 인계, 대장균, 비보존성 물질의 농도등이 필요하다. HEADWTR-1 HDW=1.HDW=DANGCHONRI 0.500 20.0 2.0 25.0 00.0 0.0 0.0 가 나 다 라 마 바 사 아 자 가. Headwater 의 순서 및 번호 가장 상류점에서 시작 나. Headwater 이름 또는 설명 다. 유량 (cfs,m3/sec) 라. 온도 (F 또는 ℃) 마. 용존산소 (mg/L) 바. BOD (mg/L) 사. 보전성 물질 I 아. 보전성 물질 II 자. 보전성 물질 III 차. 비보전성 물질 카. 대장균 (No./100mL) ENDATA10 ENDATA10으로 끝을 낸다.

  44. ② 자료 형태 10A : Headwater Source Data 2 본 절은 Data Type 10 을 보충하는 자료이며 조류, 질소계, 인계, 대장균, 비보전성 물질을 예측할 때 이용된다. HEADWTR-2 HDW= 1. 0.00 443.0 10.00 0.00 0.03 0.00 0.50 0.00 0.10 가 나 다 라 마 바 사 아 자 차 가. Headwater 순서 및 번호 나. 비보전성 물질 다. 대장균 (No./100mL) 라. 크로로필 a (ug/L) 마. 유기질소 (mg/L) 바. 암모니아성 질소 NH3-N (mg/L) 사. 질산성 질소 NO2-N (mg/L) 아. 아질산성 질소 NO3-N (mg/L) 자. 유기인 (mg/L) 차. 용존인 (mg/L) ENDATA10A ENDATA10A 으로 끝을 낸다.

  45. 16) 점오염원 자료 ① 자료형태 11 : 점오염 1 본 절에서는 하천에서의 점오염원의 유입과 배출(withdrawals)를 설명하는 데 이용된다. 점오염원은 폐수부하와 예측이 되지 않는 지류 모두 포함한다. 각 항에는 처리(폐수처리가 있을시), 유입유량 또는 회수, 온도, 용존산소, BOD, 보존성 물질의 농도, 점오염원의 조류, 영양염류, 대장균, 비보존성 물질의 농도가 입력된다. POINTLD-1 PTL=1.CHUNGDAMCHUN 0.00 0.503 20.0 3.0 100.0 0.0 0.0 0.0 가 나 다 라 마 바 사 아 자 차 가. 점 오염원의 순서 및 번호 나. 점 오염의 이름 또는 설명 다. 폐수처리 %(단, 유입 BOD에 대한) 라. 점오염 유입유량 또는 회수(m3/sec) 회수인 경우 “-”로 표시 마. 온도 ( F 또는 ℃) 바. 용존산소 (mg/L) 사. BOD (mg/L) 아. 보전성 물질 I 자. 보전성 물질 II 차. 보전성 물질 III ENDATA11 ENDATA11로 끝을 낸다.

  46. ② 자료형태 11 : 점오염 2 본 절은 자료형태 11을 보충하는 자료이며 점오염원의 조류, 영양염류, 대장균, 비보전성 물질의 농도가 입력된다. 단지, 조류와 질소계, 인계, 대장균, 비보전성 물질을 예측할 때 이용된다. POINTLD-2 PTL=1. 0.00 300.0 25.00 0.00 20.0 0.00 0.50 0.00 2.00 가 나 다 라 마 바 사 아 자 차 가. 점오염원 순서 및 번호 나. 비보전성 물질 다. 대장균 ( No./100mL) 라. 크로로필 a (ug/L) 마. 유기질소 (mg/L) 바. 암모니아성 질소 NH3-N (mg/L) 사. 질산성 질소 NO2-N (mg/L) 아. 아질산성 질소 NO3-N (mg/L) 자. 유기인 (mg/L) 차. 용존인 (mg/L) ENDATA11A ENDATA11A로 끝을 내며 만약, 조류, 질소, 인, 대장균, 비보전성 물질을 예측하지 않을 시에도 반드시 기입한다.

  47. 17) 댐 재폭기 자료(자료형태 12) 본 절에서는 예측하고자 하는 하천의 용존산소가 댐에 의하여 재폭기가 일어날 경우의 자료를 입력한다. 댐에 의한 재폭기의 영향은 1983년 Butts와 Evans가 보고한 Gameson의 경험식으로 설정되어 있다. 가. 댐 순서 및 번호 나. 댐의 구간 번호 다. 댐 아래 인자 번호 라. ADAM 계수 ADAM = 깨끗한 물 : 1.80 약간 오염된 물 : 1.60 적당히 오염된 물 : 1.00 매우 오염된 물 : 0.65 마. BDAM 계수 BDAM = 웨어의 마루가 평평할 때 : 0.70 - 0.90 직경사면으로 웨어마루가 날카로울 때 : 1.05 수직면으로 웨어마루가 날카로울 때 : 0.80 물속에 유출수문이 있을 때 : 0.05 바. 댐월유 유량 % (0.0 - 1.0) 사. 댐의 높이 (ft.m) ENDATA12

  48. 18) 하천 하류 지역 자료 ①자료 형태 13 : 하류 경계 1 본 절은 하천의 하류지역의 구성농도를 설명한다. QUAL2E에서는 예측하고자 하는 하천의 하류구간(예: 하구)에서 큰 확산이 일어날 때 이용된다. 하류하천의 경계농도가 입력되었을 때 그 계산은 QUAL2E가 이들 경계조건에 의하여 부자연스러운 것이 일반적이다. 만약 농도가 준비되지 않았다면 최 하류 하천인자의 구성농도는 zero(0) 경사로 가정하는 일반적인 형태로 계산된다. 하천하류지역의 농도로는 온도, 용존산소, BOD, 보존성물질, 대장균, 비보존성물질 등이 필요하다. 가. 온도 ( F 또는 ℃) 나. 용존산소 (mg/L) 다. BOD (mg/L) 라. 보전성 물질 I 마. 보전성 물질 II 바. 보전성 물질 III 사. 비보전성 물질 아. 대장균 ( Do./100mL) ENDATA13 ENDATA13 으로 끝을 내며 만약, 하천하류 지역농도 선택이 고정되지 않았다면 예측이 되지 않을 것이다.

  49. Qual2k 모델 원리 QUAL2K 모델의 대부분의 수질항목 기작은 1차원 운반 및 확산식에 의해 모의되며, 각 수질항목에 대한 기본 계산 원리는 <그림 1-2>에 나타내었다. 그림 1-2. Descretized stream system for QUAL2K

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