WASP 및 MFEMWASP 모형의 원리, 수치해석방법, 파라미터, 입력자료 등을 설명하고 프로그램을 예제문제를 이용하여 운영한 다음 결과를 분석하라 환경공학과 20041495 황규필

WASP WASP은 미국 EPA의 Great Lake Program의 일부로서 DI Toro등에 의해서 1983년 처음으로 개발되었으며 1988년에는 WASP4로 발전하였고, 1993년 WASP5가 만들어지면서 하천, 호수, 하천의 하구 및 해안에서 광범위하게 적용되고 있음 2001년에는 기존의 DOS 환경의 WASP5를 윈도우환경에서 사용할 수 있도록 한 WASP6가 개발 WASP6 모델은 자연현상과 인간의 활동으로 발생하는 다양한 오염물질에 대한 수질의 예측 및 해석이 가능하며, 수체와 전이층의 수질을 모의할 수 있는 유동구획모형이며 유동, 확산, 점오염과 경계조건의 시간에 따른 변화를 고려 할 수 있음

WASP WASP6는 두 개의 독자적인 프로그램인 DYNHYD5와 WASP6로 이루어져있으며 두 개의 프로그램을 연결하거나 분리해서 모의를 할 수 있음 WASP는 다시 부영양화를 모의할 수 있는 EUTRO5와 독성물질 등 보존성 물질을 모의하는 TOXI5로 구성되어 있음 EUTRO5 모델에서 고려되는 수질인자는 그림에 나타난바와 같이 모두 8개 항목으로 등으로 구성

WASP WASP6는 수체를 4개의 종류, 즉표층, 저층, 전이상층, 전이하층으로 나누어 모의함 수체내의 수질항목에 대한 물질 수지식은 확산 유동생화학적 변환, 외부로부터의 부하등이 고려되어지며 3차원에 대한 물질수지식은 다음과 같음

WASP TOXI5 모델은 수층 영역과 전이층 영역에서 화학물질의 분해와 고형물질에의 흡착을 모의함으로써 독성물질의 이동과 경향예측을 위해 사용될 수 있으며, 모의항목은 총 6개 항목으로 3종의 화학물질에 대한 변화와 3종의 고형물질에 대한 이동현상을 모의할 수 있으며, 각각의 항목은 모델 사용자가 정의하여 사용할 수 있음 WASP6의 입력 자료는 총 10개의 그룹으로 나누어져 있으며, 각 그룹에 대한 입력자료는 다음과 같음

WASP TOXI5 모델은 수층 영역과 전이층 영역에서 화학물질의 분해와 고형물질에의 흡착을 모의함으로써 독성물질의 이동과 경향예측을 위해 사용될 수 있으며, 모의항목은 총 6개 항목으로 3종의 화학물질에 대한 변화와 3종의 고형물질에 대한 이동현상을 모의할 수 있으며, 각각의 항목은 모델 사용자가 정의하여 사용할 수 있음

WASP WASP6의 입력 자료는 총 10개의 그룹으로 나누어져 있으며, 각 그룹에 대한 입력자료는 다음과 같음 Data Group A(Model Identification and Simulation Control) : 모델의 설명과 소구간의 개수, 모의 수질항목의 개수, 모의 시간간격 및 출력시간 간격에 대한 정보를 입력한다. Data Group B(Exchange Coefficients) : 소구간별 수직 및 수평확산에 대한 정보를 입력한다. Data Group C(Volumes) : 소구간의 초기부피와 형태를 입력한다. Data Group D(Flows) : 소구간의 유량흐름 및 물질 이동정보를 입력한다. Data Group E(Boundary Conditons) : 모의하는 각 수질항목에 대한 경계농도를 입력한다. Data Group F(Waste Loads) : 점오염원 및 비점오염원의 유입에 대한 정보를 입력한다.

WASP WASP6 수질모형에 대한 모의 항목을 나타내는 구성도

WASP 다음은 WASP6 수질모형을 이용하여 시범 연구수체인 대청 호수계에 적용한 소구간 구분도를 나타내고 있음 본 모형은 유럽의 여타수계에 대해서도 적용이 가능하며, TEIN을 통하여 입력 자료를 전송 받은 후 모델링 과정이 수행되며, 모델링 결과 파일이 덴마크에 전송하는 방법으로 운영

WASP 다음의 화면은 시범 모형으로 선정되어 네트워크 모델에 적용된 도수 기반의 WASP6의 초기화면 및 실행과정을 나타냄

WASP

WASP7 1차년도에는도스기반의 WASP6에 대한 네트워크 모델처리만을 수행하였으나, 당해년도에는WASP7의 입력자료에 대한 모델 처리가 가능토록 TEIN응용 애플리케이션을 보완하였으며, 좀 더 상세한 제어가 가능하도록 작업을 수행

WASP7   위그림은WASP7수질모형을 이용하여 대청호 수계에적용한측정항목에 대한 예측값을나타내고 있으며 WASP7수질 모델 또한유럽의여타 수계에 대해서도 적용이 가능하며, TEIN을 통하여 입력자료를 전송 받은 후 모델링 과정이 수행

MFEMWASP 기존에 사용되었던 수질관리모형인 FEMWASP 모형을 전면 수정하여 만들어진 예측모형이다. 성층화 현상을 해석할 수 있는 기능이 추가되었고 필요에 따라 1,2,3 차원으로 선택하여해석할 수 있는 3차원 모형으로 개발 또한 여러 기종의 컴퓨터에서 전산모형의 효용성 및 운반성을 증대하기 위하여, 프로그램의 구성은 다음과 같은 점을 고려하여 유한요소법을 채택하였으며 프로그램의 구조를 고도로 모듈화하여 시스템간의 이식성을 높임 웹 기반에서 실행되는 MFEMWASP 모형은 40개 이상의 입력변수가 필요하지만 많은 사용가 비모형전문가인 업무담당자나 환경단체, 일반국민일 것으로 판단되어 모형입력자의 요소와 격자점, 유속 및 모델링 항목에 대한 반응계수는 미리 디폴트로 제공하였으며, 사용자는 기간과 모의실험 조절자료, 수질항목, 신규 오염원에 대한 점 오염원 부하량 등의 최소 입력자료만을 입력시키도록 하였음

MFEMWASP 모형은 수치해석상 보다 발전된 다차원 유한요소법을 이용하였으며, 여타 수질 예측모형의 수질 및 수치이론을 해석하고, 정확도 및 적용성 여부를 판단하여 개발된 모형 또한 사각형 유한요소법을 사용함으로서 국내의 수계와 같이 복잡한 형상을 지니는 경우에도 가변격자망을 상용하여 복잡한 지형을 표현할 수 있음 GIS의 Polygon 자료 형태와 일치하므로 GIS와 연계시에도 유리하다는 장점을 지니고 있음

MFEMWASP MFEWASP 는 WASP 모형과 마찬가지로 본 모형에 선택적으로 다음의 4가지 반응기작에 대한 모델링을 수행할 수 있음 ① Streeter-Phelps 모형 ② 수정된 streeter-Phelps 모형 ③ 완전 선형 DO 평형 모형 ④ 단순 부영양화 반응 모형