QUAL2E-PLUS 모형 환경공학과 20060153 정호준

개요 최초 F.D. Masch and Associates와 Texas Water Development Board(1970)가 개발한 QUAL-Ⅰ모델을 미국 EPA에서 예측수질항목을 추가하여 QUAL-Ⅱ모델을 만들었다. 미국 환경청(USEPA)의 지원으로 1987년 Brown and Barnwell에 의해 매개변수 불확정성 등의 이론을 포함시키면서 “Enhanced QUAL-II Model, 즉 QUAL2E Model이 개발되었다.

모델은 현재 Georgia주의 Athens에 있는 EPA 수질 모델링 센터에서 관리되고 있다 모델은 현재 Georgia주의 Athens에 있는 EPA 수질 모델링 센터에서 관리되고 있다. 또한, QUAL2E 모델은 현재 미국에서 시행하고 있는 TMDL 지원을 위한 프로그램인 BASINS의 수질 모델 모듈로 사용되고 있어 국내뿐만 아니라 외국에서도 광범위하게 사용되고 있다. 1995년에는 QUAL2E -Windows Interface가 개발되어 사용자가 보다 편하게 모델을 이용할 수 있도록 되었다.

수리 및 수질계수의 결정 QUAL2E 모델에 입력되는 수리계수(유량계수)는 대상 하천의 유량, 유속 및 수심 자료를 회귀분석하여 구하게 되는데 이러한 수리자료는 실측자료를 이용하거나 수리 모델을 이용하여 구한다. 일반적으로 실측자료는 수질예측구간이 광범위할때는거의 얻기가 불가능하므로 수리모델을 이용하여 구한다.

기본가정 QUAL2E는 하천을 동일한 지형과 수리특성을 가진 구간(reach)으로 간주한다. 또 한 각 구간은 같은 길이로 이루어진 계산 요소(element)들의 연결로 세분화된다. 각 구간의 내부에서는 하상의 경사, 하천의 종단면적 그리고 마찰계수 등을 포함한 각 소구간의 수리학적 또는 지형학적 특성과 BOD 분해율, 저층의 용출율, 조류의 침강속도 등을 포함한 화학적 분해속도 등이 일정하다고 가정되어 있다.

QUAL2E 모델의 element는 표 1.1에 나타난 바와 같이 총8개의 요소로 정의 될 수 있으며,모의 가능한 수질항목은 다음과 같은 총 15개의 항목이다. • 용존산소(Dissolved Oxygen, DO) • 생화학적 산소 요구량(Biochemical Oxygen Demand, BOD) • 수온(Temperature) • 엽록소로서의 조류 (Algae as Chlorophyll a) • 유기 질소 (Organic Nitrogen as N) • 암모니아성 질소 (Ammonia as N) • 아질산성 질소 (Nitrate as N)

가장 일반적인 소구간 요소로서 다른 범위에 포함되지 않는 요소 구 분 변 수 내 용 Headwater H 본류 및 지류의 최상류의 요소 Standard S 가장 일반적인 소구간 요소로서 다른 범위에 포함되지 않는 요소 Upstream of a junction U 지류와 합류점 바로 위의 본류상 구간 Junction J 지류와 합류되는 지점의 본류소구간 요소 Most downstream E 하천의 최하류부 소구간 요소 Point source P 본류상의 요소로서 점오염원이 존재하는 소구간 요소 Withdrawal W 취수 등을 통하여 본류간에서 물이 빠져나가는 소구간 요소 Dam D 댐 또는 보가 위치하는 소구간 요소

개념도

모델의 보정 및 검증 입력자료 file이 작성된 후 모델링이 수행되는데 모델링 수행 결과치와 실측치가 일치하지 않으면 수질계수를 재조정하여 예측치와 실측치를 일치시키는 보정작업을 수행하게 된다. 보정작업은 수질계수를 적절히 가정하여 예측값과 실측값을비교하여 오차가 발생하면 다시 재조정하는 과정을 반복하여 실측치와 일치시킴 시행착오법을 이용하게 된다. 보정작업을 수행한 모델은 별도의 조건에서 모델링을수행한 예측치와 실측치가 잘 맞는지를 파악하는 검증작업을 하게 되며 검증결과가적정한 값을 산정하면 비로소 해당 목적의 수질 관리를 위한 수질예측 작업을 수행할 수 있게 된다.

모형의 이론

수치해석기법(FTCS) 두 번째 항은 내부 발생 또는 제거를 나타낸다. 그림 2.1과 같이 각 요소는 유한차분법을 사용한다.

그림 2.1 QUAL2E 모델의 계산요소

수질반응 및 상호관계 수질반응 일반 QUAL2E모델에서 모의 가능한 수질항목은 그림 3.1에 나타난 바와 같이 DO, BOD, 온도, 클로로필-a로 표시되는 조류, 유기질소, 암모니아성 질소, 아질산성 질소, 질산성 질소, 유기인, 용존성 인, 대장균, 반응성 물질, 비반응성 물질 등이다.

<그림 3.1> QUAL2E Model의 수질모의 항목 및 상호관계

Dissolved Oxygen (DO): 용존산소 Biochemical Oxygen Demand (BOD): 생화학적 산소유구량 Temperature: 온도 Algae as a Chlorophyll a: 조류 (엽록소로 표시) Organic Nitrogen as N: 유기질소 (as N) Ammonia as N (NH3-N): 암모니아 (as N) Nitrite as N(NO2--N): 아질산성 질소 Nitrate as N(NO3-N): 질산성 질소 Organic Phosphorus as P: 유기인 (as P) Dissolved Phosphorus as P: 용존인 (as P) Coliforms: 대장균 Arbitarary Nonconservative Constituent: 임의의 비보존성 물질 Three Conservative Constituents: 3개의 보존성 물질

수질항목별 반응식 Chl. a = 엽록소 농도 A = 조류농도 α0 = Conversion factor, ug Chl. a/mg A μ= Specific growth rate of algae ρ= Respiration rate of algae σ1 = Settling rate for algae d = 평균수심

여기서, Umax= Maximum specific algal growth rate FL = Algal growth limitation factor for light FN = Algal growth limitation factor for nitrogen FP = Algal growth limitation factor for phosphorus

유기질소 Organic Nitrogen (N4) N4= Concentration of Organic Nitrogen, mg-N/L β3 = Hydrolysis rate of Org. N to NH3-N, /day α1 = Fraction of algal biomass that is N, mg-N/mg-A ρ= Respiration rate of algae σ4 = Settling rate for Org. N

유기인 Organic Phosphorus(P1) = Concentration of Organic Phosphorus, mg-P/L α2 = Fraction of algal biomass that is P, mg-P/mg-A β4 = Organic P decay rate, /day ρ= Respiration rate of algae σ5 = Settling rate for Org. P

모형설정 범위 구간설정 - 대구간(Reach) -> 소구간(Element)로 크게 구분되며 대구간은 최대50개, 소구간은 최대 20개의 동일한 크기로 구분된다. 소구간은 총 500개까지만 한정되게 구성할 수 있다. - 수원소구간(Head water element) : 최대 10개 - 표준소구간(Standard element) - 지류합류점 직상류 본류 소구간(Element just upstream from a junction) - 지류합류점 본류 소구간(Junction element) : 최대 9개 - 최하류 소구간(Last element in system) - 점오염원 유입소구간(Input element) : 최대 50개 - 취수 소구간(Withdrawl element) : 최대 50개

입력파일 - 기상 - 기후 - 지형 - 온도보정계수 - 하천구간식별 및 위치 - 희석유량 - Element의 유형식별자료 - 하도의 수리계수 - BOD와 DO의 반응계수 - N과 P의 반응계수 - 조류와 기타항목의 반응계수 - 비점원의 증분유입자료 - 하천합류점 자료 - 상류수원자료 - 점오염원의 오염부하량 자료 - 댐의 제포기 사항 - 하천경계조건 - 기상자료 및 그림출력사항

관련 사항 시스템 요구 사항 • 컴퓨터/프로세서 펜티엄 90MHz 이상의 프로세스 정착 컴퓨터 • 운영체제 Windows 2000 서비스 팩 3 또는 Windows XP 이상이며 Windows Millennium Edition과Microsoft Windows NT®4.0 은지원 하지 않음. • 최소 RAM 요구 사항 : 64MB(128MB 이상 권장) • 하드 디스크 설치에 필요한 하드 디스크 공간: 설치 구성요소에 따라 달라지며,필요한 하드 디스크 공간은 늘어나거나 줄어들 수 있다. 필수 하드 디스크 공간: 300MB (850 MB total)

소프트웨어 인스톨 (1) 배포용 CD 설치 (주) 웹솔루수에서 배포한 KORIV1-PLUS & QUALE2-PLUS Beta 0.9 CD를 삽입하면 AUTORUN에 따라 초기화면이 나타난다.

그림 5.1 AUTORUN 인스톨 설정화면

QUAL2E-PLUS 주요 INTERFACE 초기화면 바탕화면의 QUAL2E 아이콘이나 프로그램메뉴상의 버튼을 클릭하면 그림 7.1과 같은 초기 인트로 화면이 나타나게 된다. 인트로 화면은 이전에 작업했던 내용을 수집하고 안정적으로 모형을 시뮬레이션하기 위한 준비과정이 이루어진다.

그림 6.1 초기 인트로 화면

그림 6.2 매인화면

모형 초기 경계값 설정 기존의 file을 열려면 "File"을 열어 “Open"을 누르고 원하는 file을 찾아 두번 누른다. 새로 file을 작성하려면 초기화면에 입력한다. QUAL2E의 입력file은 총 24 개로 구성되어 있으며 문제가 발생하였을 때에는 HELP를 누르면 이해를 도울 수 있다. ▸ Steady state :정상, 비정상 상태 선택 ▸ Flow augmentation : 유량 증가 유무 선택 ▸ Trapezoidal channels : 횡단 면적에 대한 설명 (TRAP-사다리꼴 수로) (Discharge coefficients or no trapezoidal channels : 유속과 수심계산에 유출 계수 사용-구형 수로나 자연 하천)

그림 6.4 하천 REACH 구성(SAMPLE FILE)

질소, 인 및 조류의 반응계수 입력

질소, 인 및 조류의 반응계수를 입력하는 GUI로써 조류, 질소계(유기질소, 암모니아성질소, 질산, 아질산) 또는 인계(유기인, 용존인)를 예측할 때에 필요하다. 또한 조류, 질소계, 인계, 대장균 또는 비보존성 물질을 예측할 때 이용된다. 조류량에 대한 크로로필a의 양, 조류의 침전율, 비조류 빛 통과계수, 대장균 부패계수, 비보존성 물질 부패계수,비보존성 물질 침전계수 및 비보존성 물질 저질 발생율 등이 필요하다

O-N HYDROLYSIS(1/day) : β3, 유기질소의 가수분해율 계수(0.02~0.4) ▸ O-N SETTLING(1/day) : σ4, 유기질소의 침전율 계수(0.001~0.1) ▸ NH3 OXYDATION(1/day) : β1, 암모니아 산화율 계수(0.1~1.0) ▸ NH3 BENTHOS(mg/m2-day) : σ3, 암모니아 저질 발생률 ▸ NO2 OXYDATION(1/day) : β2, 유기인의 사멸율 계수(0.01~0.7) ▸ O-P DECAY(1/day) : β4, 유기인 침전율 계수(0.001~0.1) ▸ DIS-P BENTHOS(mg/m2-day):σ2, 용존인 저질 용출률 ▸ CHL-A ALGAE(μg chla/mg algae) : 조류량에 대한 크로로필 A의 량×(50~100) ▸ ALGAE SETTLING(m/day) : 조류의 침전율(0.5~6.0) ▸ NON-AGAL LIGHT EXT(1/m) : 비조류 빛투과 계수** (0.01) ▸ COLIFORM(1/day) : 대장균 사멸 계수, (0.5~4.0) ▸ NON-CONS DECAY(1/day) : 비보전성 물질 사멸 계수

하천의 초기상태 입력 각 구간별 온도, 용존산소, BOD농도, 보전성 물질등을 입력하여 하천 시스템의 초기조건을 설정하여 준다. 초기설정 조건에 있어 온도는 예측상황을 입력하여야 한다. 정상 상태의 온도 예측에 있어서 모든 구간의 온도가 68F 또는 20℃인 것이 초기 조건으로 가장 알맞다. 또한 조류, 질소계, 인계를 예측할 때 이용된다.

TEMP : 온도 (F 또는 ℃ )** ▸ DO : 용존 산소 (mg/l) ▸ BOD : BOD (mg/l) ▸ CONS #1 : 보전성 물질 I* ▸ CONS #2 : 보전성 물질 II* ▸ CONS #3 : 보전성 물질 III* ▸ NON-CONS : 비보전성 물질 * ▸ COLIFORM(No./100mL) : 대장균 ** QUAL2E의Default value는68F, 20 ℃이다. ▸ CHL-A(μg/L) : 크로로필 a ▸ ORG-N(mg/L) : 유기 질소 ▸ NH3-N(mg/L) : 암모니아성 질소

증가 유입 유량 입력 각 구간에 있어 추가되는 유량을 설명하며 점오염 유입 유량과 수원에 의한 것은 설명 되지 않는다. 정상상태에서는 유입 유량은 각 구간에서는 일정하다고 가정하며 기본적인 지하수유입과 지표수 유출이 대략 시간이 지남에 따라 일정하다고 가정하지만 특별한 이유없이 BOD가 높아진 경우에 이 항목을 고려하여 보정하여 준다. 지표수의 유량이 지하수로 변환되어 하류의 유량이 감소하였을 때에는 유량을 “-”로 표현한다.

▸ FLOW(㎥/sec) : 증가 유입 유량, 유출 유량은 “-”로 표시 ▸ TEMP : 온도 (F 또는 ℃ )** ▸DO : 용존 산소 (mg/l) ▸BOD : BOD (mg/l) ▸CONS #1 : 보전성 물질 I* ▸CONS #2 : 보전성 물질 II* ▸CONS #3 : 보전성 물질 III* ▸NON-CONS : 비보전성 물질 * ▸COLIFORM(No./100mL) : 대장균 ▸CHL-A(μg/L) : 크로로필 a ▸ORG-N(mg/L) : 유기 질소 ▸NH3-N(mg/L) : 암모니아성 질소 ▸ NO2-N(mg/L) : 질산성 질소 ▸ NO3-N(mg/L) : 아질산성 질소 ▸ORG-P(mg/L) : 유기인 ▸DIS-P(mg/L) : 용존인

결과 화면

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