환경시스템분석 5장 환경공학과 20041483 천대길.

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1 환경시스템분석 5장 환경공학과 천대길

2 Monod 혹은 Michaelis-Menton 식을 유도하라.
효소 동역학은 보다 복잡한 속도식을 도출한다. 이 복잡한 속도식은 단순한 반응이 아니며 단순 속도식 또 는 단순한 반응차수를 산출하지 않는다. Michaelis-Menton 효소 동역학의 전형적인 경우는 2단계 반 응기작을 수행한다.  여기서, E는 효소, S는 기질, ES는 효소-기질 화합물, P는 반 응의 생성물 효소는 반응속도를 촉진시키는 촉매제이지만(낮은 활성 에너지) 반응에 소모되지는 않는다. ES 화합물의 형성 속도는 속도상수의 세 가지 반응 모두를 의미한다.

3 그리고 생산물의 형성 속도는 ES화합물의 1차식이다.
정상상태 (d[ES]/dt = 0, k3 << k2)라고 가정하면

4 시스템내의 총 효소를 (E + ES)라고 간주하면, E = ET - ES 로 표현되어진다.

5 생성물 P가 세포합성(세포 생물량)이라면, k3[ET]는 생 성물의 최대증가속도를 나타내며, Michaelis-Menton 식 에 대한 최종식은 다음과 같다.
이 식은 1차반응과 2차반응의 중간단계이다.

6 기질농도가 낮을 때(S<< KM), 2차 반응식화된다.

7 Vollenweider 모형을 유도하라. 총 인의 경우 호수의 水柱(water column)에 있어서 비유기물, 유기물, 용해성 그리고 입자성 인의 형태로 존재한다. 안정된 흐름(유입 = 유출)이고 일정한 체적 인 조건에서, 우리는 그 호수가 완전혼합되는 유체-흐 름 체계(Pout = Plake)에 접근된다는 것을 가정할 수 있다. 그 호수의 평균 농도는 유출되는 총 인의 농도와 같게 된다.

8 축적 = 유입 - 유출 - 침전 여기에서 V= 호수 체적, L3
P = 호수 내의 총 인 농도(whole water), ML-3 t = 시간 T Qin = 유입율, L3T-1 Pin = 유입 총인 농도, ML-3 ks = 1차 침강 계수, T-1 Q = 유출율, L3T-1

9 침강계수는 평균 침강 속도, 평균 깊이의 역수, 총인 중 입자상 인의 비율인 인자를 대용하는 변수이다.
침강계수는 평균 침강 속도, 평균 깊이의 역수, 총인 중 입자상 인의 비율인 인자를 대용하는 변수이다. 여기에서 = 총인 중 입자상 인의 비 vs = 입자의 평균 침강 속도, LT-1 H = 호수의 평균 깊이, L

10 정상상태(또는 년간 평균 인 농도의 추정값과 같은)의 조 건에서 이 식은 다음과 같이 간단해지고:
(7) 증발을 무시한다면, 유입율은 대략적으로 유출율과 같다 (Qin=Q). 또한, 수리학적 체류시간의 항이 있는 식의 우변 은 호수의 부피로써 나눠질 수 있다( ) (8) 여기에서 = 수리학적 체류시간, T

11 다시 정리하면, 호수에서 총인의 농도는 (9) 총인의 농도는 유입되는 총인의 농도(Pin)와 비례 관계에 있고, 수리학적 체류시간과 침강율 상수(수주(water column)로부터 총인이 제거되는 주된 매커니즘는 반비례 관계에 있다. 그러므로, 호수에서 총인의 존재는 중요한 무 차원 수( )에 의해 결정되고 있다. 호수에서의 체류시간 과 침강율 상수 사이에는 교환이 있는데 - 그것은 호수에 유입되는 총인과 호수 내 총인 농도의 비라는 두 가지 매개 변수에 의해 결정되는 생성물이다,

12 (10) 水柱(water column)로부터 발생하거나 제거되는 총 인과의 비는 (11) 이 section의 간단한 물질평형은 1969년 Vollenweider가 작업한 호수의 부영양화에 관한 연구 논문을 기초로 하여 발전되어 왔다.

13 WASP 4, 5, 6, 7 모형을 연구하라. (이론, 예제를 이용한 모델링 등)
WASP은 Di Toro등에 의해서 1983년 처음으로 개발되 었으며 1988년에는 WASP4로 발전하였고, 1993년 WASP5가 만들어지면서 하천, 호수, 하천의 하구 및 해 안에서 광범위하게 적용되고 있다. 2001년에는 기존의DOS 환경의WASP5를 윈도우환경 에서 사용할 수 있도록 한 WASP6가 개발되었다.

14 WASP6 모델은 자연현상과 인간의 활동으로 발생하는 다양한 오염물질에 대한 수질의 예측 및 해석이 가능 하며, 수체와 저니층의 수질을 모의 할 수 있는 유동구 획모형이며 유동, 확산, 점오염원과 경계조건의 시간 에 따른 변화를 고려 할 수 있다. WASP6는 두 개의 독자적인프로그램인 DYNHYD5 와 WASP6로 이루어져있으며 두 개의 프로그램을 연결하 거나 분리해서 모의를 할 수 있다. WASP는 다시 부영양화를 모의 할 수 있는 EUTRO5와 독성물질등 보존성물질을 모의하는 TOXI5로 구성되어 있다.

15 EUTRO5 모델에서 고려되는 수질인자는 그림에 나타 난바와 같이 모두 8개항목으로NH3-N, NO3-N, PO4-P, Chl-a, CBOD, DO, Organic-N, Organic-P 등으로 구성되 어 있다. WASP6는 수체를 4개의종류, 즉표층 (Epilimnion;1), 저층(Hypolimnion;2), 저니상층(Upper Benthic Layer;3), 저니하층(Lower BenthicLayer;4)으로 나누어 모의한다.수체내의 수질항목에 대한 물질 수 지식은 확산 유동생화학적 변환, 외부로부터의 부하 등이 고려되어진다.3차원에 대한 물질수지식은 다음 과 같다.

16 3차원 물질수지식

17 TOXI5 모델은 수층 영역과 저니층 영역에서 화학물질 의 분해와 고형물질에의 흡착을 모의함으로써 독성물 질의 이동과 경향예측을 위해 사용될 수 있으며, 모의 항목은 총6개 항목으로 3종의 화학물질에 대한 변화 와 3종의 고형물질에 대한 이동현상을 모의할 수 있으 며, 각각의 항목은 모델 사용자가 정의하여 사용할 수 있다.

18 WASP6의 입력 자료는 총 10개의 그룹으로 나누어져 있으며, 각 그룹에 대한 입력자료 는다음과 같다.
․Data Group A(Model Identification and Simulation Control) : 모델의 설명과소구간의개수, 모의 수 질항목의 개수, 모의 시간간격 및 출력시간 간격에 대한 정보를 입력한다. ․Data Group B(Exchange Coefficients) : 소구간별 수직및수평확산에대한정보를입력한다. ․Data Group C(Volumes) : 소구간의 초기부피와 형태를 입력한다. ․Data Group D(Flows) : 소구간의 유량흐름 및 물질 이동정보를 입력한다. ․Data Group E(BoundaryConditions) : 모의하는 각수질항목에 대한경계농도를 입력한다. ․Data Group F(Waste Loads) : 점오염원 및 비점오염원의 유입에 대한정보를 입력한다. ․Data Group G(Environmental Parameters) : 각 소구간의 공간적으로 변화되는 환경적특성 자료를 입력한다. ․Data Group H(Chemical Constants) : 모의 수질 항목별 반응 계수 등을 입력한다. ․Data Group I(Time Functions) : 각소구간의 시계열변수값을 입력한다. ․Data Group J(Initial Conditions) : 소구간 별 모의항목에 대한 초기농도값을 입력한다. ․WASP6수질모형에 대한 모의 항목을 나타내는 구성도이다.

19 WASP5 수질모형의 모의 항목

20 다음은 WASP6수질모형을 이용하여 시범연구수체인 대청호수계에 적용한 소 구간 구분도를나타내고 있다
다음은 WASP6수질모형을 이용하여 시범연구수체인 대청호수계에 적용한 소 구간 구분도를나타내고 있다. 본 모형은 유럽의여타수계에 대해서도 적용이 가능하며, TEIN을 통하여 입력자료를 전송받은 후 모델링 과정이 수행되며, 모 델링 결과 파일이 덴마크에 전송하는 방법으로 운영된다.

21 WASP5 모형의 초기화면 다음의 화면은 시범 모형으로 선정되어 네트워크 모델에 적용 된 도스기반의 WASP6의초기화면및 실행과정을 나타내고 있다.

22 WASP5 모형의 입력 자료 선택 화면

23 WASP5 모형의 실행 화면

24 WASP5 모델의 수행 결과

25 WASP7 다음 화면은 당해연도 WASP7수질 모델이다. 1차년도에는 도스기반의 WASP6에 대한 네트워크 모 델처리만을 수행하였으나, 당해년도에는WASP7의 입 력자료에 대한 모델 처리가 가능토록 TEIN응용 애플 리케이션을 보완하였으며, 좀 더 상세한 제어가 가능 하도록 작업을 수행하였다.

26 위그림은WASP7수질모형을 이용하여 대청호 수계에적용한측정항목에 대한 예측값을나타내고 있다
위그림은WASP7수질모형을 이용하여 대청호 수계에적용한측정항목에 대한 예측값을나타내고 있다. WASP7수질 모델 또한유럽의여타 수계에 대해서도 적용이 가능하며, TEIN을 통하여 입력자료를 전송 받은 후 모델링 과정이 수행된다.

27 WASP7 모델의 수행 화면

28 WASP7 모델의 수행 결과

29 MFEMWASP 모형을 연구하라. (이론, 예제를 이용한 모델링 등)
1. 성층화 현상을 해석할 수 있는 기능이 추가. 2. 필요에 따라 123차원으로 선택하여 해석할 수 있는 3차원 모형으로 개발. 3. 여러 기종의 컴퓨터에서 전산모형의 효용성 및 운 반성을 증대하기 위하여, 프로그램의 구성은 다음과 같은 점을 고려하여 유한 요소법을 채택. 4. 프로그램의 구조를 고도로 모듈화하여 시스템간 이 식성을 높임.

30 웹 기반에서 실행되는 MFEMWASP 모형은 40개 이상 의 입력변수가 필요하지만 많은사용가비모형전문가 인 업무담당자나 환경단체, 일반국민일 것으로 판단되 어 모형입력자의 요소와 격자점, 유속 및 모델링 항목 에 대한 반응계수는 미리 디폴트로 제공하였으며, 사 용자는 의기간과 모의실험 조절자료, 수질항목, 신규 오염원에 대한 점오염원 부하량 등의 최소 입력자료 만을 입력시키도록 하였다.

31 모형은 수치해석상 보다 발전된 다차원 유한요소법을 이용하였으며, 여타 수질예측모형의 수질 및 수치이론 을 해석하고, 정확도 및 적용성 여부를 판단하여 개발 된 모형이다.
또한, 사각형 유한요소법을 사용함으로서 국내의 수계 와 같이 복잡한 형상을 지니는 경우에도 가변격자망 을 사용하여 복잡한 지형을 표현할 수 있다. 그리고 GIS의 Polygon 자료 형태와 일치하므로 GIS와 연계시에도 유리하다는 장점을 지니고 있다.

32 MFEMWASP 모형

33 하천이나 호수에 대하여 DYNHYD5 모형의 주어진 예제을 이용하여 수리모델링을 수행하라.
변하기 쉬운 조수 감만의 주기, 바람 및 불안정한 물질의 유입을 가상하는 간단한 유체역학 모형이다. 즉, DYNHYD 는 수질 프로그램, WASP이 수질 내의 오염물질에 대한 운 동 그리고 상호 작용을 가상하는 동안 물의 운동을 가상하 는 유체역학 프로그램이다. 동수역학 모형인 DYNHYD5는 수체의 동수역학을 모의하 고, 수질모형 WASP5는 수체 내의 오염물 이동이나 상호작 용을 모의 수행한다. 이 경우에 DYNHYD5가 동수역학적계 산결과를 WASP5로 넘겨주게 되는데, 다른 동수역학적 프 로그램들에 의한 결과도 WASP5 모형과 연계 운영될 수 있 다.

34 DYNHYD5 모형은 절점과 수로로서 구성된 계산격자 망에 대하여 바람에 의한 응력, 마찰력, 중력의 영향을 고려한 1차원 연속방정식, 운동방정식을 지배방정식 으로 하며, 수로에서는 운동방정식을 이용하여 유속과 유량을 계산하고, 절점에서는 연속방정식을 이용하여 수위를 계산한다. 수리모델링 결과인 유속 및 수심은 수질모델의 입력 자료로 활용된다. 이러한 유체역학 모형은 에너지와 질량에 대한 보전 법칙에서부터 시작된다. DYNHYD5 모델을 사용하고자 하는 경우에는 각 소구간의 수심 과 수두 높이 등의 소구간 특성을 정확하게 파악하는 것이 무엇보다도 중요하며, 정확한 자료가 입력된 경 우에 모형의 실행이 가능하다.

35 모형은 절점과 수로로서 구성된 계산격자망에 대하여 바람에 의한 응력, 마찰력, 중력의 영향을 고려한 1차원 연속방정식, 운동방정식을 지배방정식으로 함.
웹 기반의 자료수집시스템과 웹 GIS 검색시스템 결합모형

36 지리정보시스템 (GIS) 인터넷 + GIS 지리정보의 입력, 수정, 조작, 분석 등의 작업과 서비스가 인터넷 상에서 가능하도록 구 축된 지리정보시스템 1. 서버중심 - 사용자가 분석을 수행하지 않는 환경 즉 공공 서비스에 적합 - 동시접속자가 많으면 서버에 부하 2. 사용자 중심 - 사용자가 다양한 분석을 필요로 하는 환경에 적합 - 사용자가 정보요청할 때만 서버와 연결 - 클라이어트 컴퓨터 성능이 우수해야 함 3. 클라이언트-서버 분산시스템 - 대용량의 데이터 처리 및 복잡한 프로세스는 서버에서 수행하고 간단한 작업은 클라이언트에서 수행하는 방식 - 서버와 클라이언트에서 수행될 기능을 적절히 분배하는 것이 매우 중요

37 웹 GIS 시스템 기본 구성도(서버중심) 웹 GIS 시스템 기본 구성도(서버중심)

38 DYNHYD5 모형과 지리정보시스템 (GIS, ArcView)
전산모형과 연결하여, 환경영향평가시 종합적으로 이용할 수 있 는 도구뿐만이 아니라, 유역의 환경보전을 위한 각종 정책 수행 시 환경질 정보를 상시 실시간 관리할 수 있는 종합적인 운영 시 스템이다. 즉 ArcView는 지리적인 자료를 구상하고, 분석하고, 창 조하고, 처리 자료를 위한 GIS 소프트웨어라 할 수 있다. 손쉽게 사용할 수 있는 GUI, 다양한 형식의 자료 입력, 여러 기종의 컴퓨 터에서 운영이 가능한 것 외에도 강력한 응용 모듈을 보유하고 있으며, 사용자가 운영하기 용이하여 그 활용성이 매우 뛰어나 다. 3차원해석, 격자망해석, Internet 시스템에서 운영 등의 장점 이 많다.

39 지하수 수리 및 수질 관리에 대하여 주어진 파일을 읽고 나름대로 정리하여 설명하라 (hwp, ppt 파일 포함).
1. 지하수 환경 영향 조사 기법 홍천군내 각종 지하수 개발에 따른 지하수 환경 변화 및 인근 하천에 대한 환경영향평가로서 주변지역에 미치는 영향을 파악하고 건전한 지하수 개발을 위한 방안을 수립하기 위한 지표수 및 지하수 환경질 측정, 오염부하량 분석 등을 통하여 홍천군의 지하수 수환 경 현황에 대한 분석을 수행하고, 건전한 지하수 개발 방안을 제시하기 위한 연구이다.

40 ArcView GIS

41 2. 지하수 탐사 및 토양오염 정화 기술 세부적으로 4부분으로 나누어져있으며 첫번째는 물리탐사에 의한 지하수 자원 탐사로 되어있다. 전기비저항 탐사와 전자탐 사를 소개하고 있으며 전자탐사는 소형루프 전자탐사법과 CSMT 탐사법 두가지를 소개하고 있다. 두번째는 국내 지하유류 저장시설의 토양지하수 오염 유발 가 능성 및 오염방지를 위한 관리개선안으로 되어있다. 누유발생현 황밑 문제점과 개선안에대해 말하고 있다. 세번째는 Phytoremediation as an innovative technology for multimedia remediation and restoration 이다. 정화 및 복원의 도구로서 식물을 이용한 예를 들고 있다. 네번째 는 친환경 녹색 주유소 구자공에 대해서 설명하고 있다.

42 3. 해석해, 수치모형 및 GIS를 연계한 통합적 지하수 자원 정보 관리 시스템 개발
이론으로 나타낸 추정치와 실측치를 비교하고 있으며 ArcView를 이용한 지하수 정보관리 시스템도 구축하 였다.

43 4. 지하수관리시스템 구축을 위한 수치모형과 지리정보시 스템의 통합
지하수 유동모형에서 MODFLOW 모형에대해 주로 설명 하고 있다. 지하수 수질모형인 MOC3D 모형에 대해서도 설명하고 있 으며 PMPATH와 MT3D등의 모형도 같이 설명하고 있다. 이 파트는 지하환경을 단순화시킨 모델을 설정하여 지하 수의 유동현황과 오염물질의 거동을 예측 분석하고, 지리 학적인 속성정보를 비교 검토하여, 현장상황을 정확하게 파악할 수 있는 지하수관리시스템 구축을 위한 기본방향 과 구체적인 활용방안을 제시하고 있다.

44 5. 전방추적유한요소법을 이용한복합 다계 지하수 모 형의 개발 및 검증
복합다계유동에 대한 해석과 모형에 대한 검증및 예 빈도 분석이 주된에 내용있고, 모래상자를 이용한 실 험과 결과에 대해 나와있다. 그리고 CMSFM모형을 더 발전시킨 부분을 말하고 있다.

45 6. 지하 가스 이동 모형의 개발 및 실험 가스유동해석을 위한 전산모형의 개발을 위해 복합다 상시스템내의 유체의 유동 및 물질의 이동에 대해 여 러 식들과 실험식들을 이용하여 개발된 모형을 설명 하고 있으며 그 모형에 대한 운영방안 및 그 모형에 대 한 검증과 실험에 대해 나타내고 있다.