5. 호수에서의 오염현상을 해석하기 위한 생태계 모형에 대하여 교과서 및인터넷의 자료를 조사 분석하여 생태계 먹이 연쇄 관계를 중심으로 설명하라. 환경공학과 20041469 임 건 섭.

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1 5. 호수에서의 오염현상을 해석하기 위한 생태계 모형에 대하여 교과서 및인터넷의 자료를 조사 분석하여 생태계 먹이 연쇄 관계를 중심으로 설명하라.
환경공학과 임 건 섭

2 많은 경우, 보다 좋은 방법론은 정상상태에서 보다는 호수의 부영양화를 평가하기 위한 총인모형에 필요하다
많은 경우, 보다 좋은 방법론은 정상상태에서 보다는 호수의 부영양화를 평가하기 위한 총인모형에 필요하다. Chapra33은 주요 사멸 메카니즘인 침전이 있는 미국의 5대호내에서의 총인을 위한 다이나믹(시간에 대해 변화)한 호수 모형에 접근한 것과 같은 Vollenweider34의 개념을 확장한 첫 번째 연구자 중에 하나이다(그림 5.9). 이것은 미국 5대호 유역내의 폐수처리장에서 인의 점오염원제어의 장점을 보여주기 위해서 사용되어 지곤 한다. 동시에 (1970년대 후반), 다이나믹한 생태계 모형의 변화는 동물성 플랑크톤 목초지와 사멸기간 만큼이나 잘 질소, 이산화규소, 인의 한계를 포함하여 DiToro, Thomann, O'Conner에 의해서 발전되었다.

3 역동적 생태계 모형의 일반적인 구성도는 그림5. 10에서 보여주고 있다
역동적 생태계 모형의 일반적인 구성도는 그림5.10에서 보여주고 있다. 수질은 영양물, 엽록소 a, 투명성, 그리고 용존산소를 포함한다. 동력학적 수식은 각각의 주요인자에 따라 약간씩 변형된다(인, 질소, 암모늄 그리고 이산화 규소). 이리호 모형에서 인의 대표적인 흐름도는 그림 5.11에 나타나 있다. 영양물은 생체 이용율의 문제를 처리하기 위해서 유효한 구획과 무효한 구획으로 분할 되어진다. 물론 이 구성은 모형을 검증하고 보정하기 위해서 각 구획에서 각각의 수질 구성요소의 독립적인 측정이 필요하다. 유용한 인은 일반적으로 0.45-㎛ 막 여과를 통과할 수 있는 정인산이다. 무효한 미립자인은 물론 전체 물 시료의 총 인으로 측정되는 것이 전부이다.

4 호수의 엽록소 a의 총체적인 측정을 위해서는 하나 이상의 식물성 플랑크톤 분류군을 고려하여 고찰하는 것이 중요하다
호수의 엽록소 a의 총체적인 측정을 위해서는 하나 이상의 식물성 플랑크톤 분류군을 고려하여 고찰하는 것이 중요하다. 종종, 엽록소 a는 연구자들이 측정할 수 있는 직립 농작물(혹은 생물량)을 평가하기에 가장 쉬운 것이다. 호수의 회복을 위한 수질 기준이나 결과는 때로는 엽록소 a의 조건으로 씌어지며 그래서 그것은 모의실험을 하기위한 필연적인 수질 파라미터이다. 북부의 온난한 호수에서의, 규조(이산화규소 돌말의 껍질을 가진 차가운 물속의 식물성 플랑크톤)의 봄철 번식은 종종 여름철의 녹조류의번식이나 늦여름-초가을철의 시안기를 함유한 박테리아(청-녹조류)의 결과로서 일어나게 된다.

5 그림 5. 12은 온타리오 호수에서의 두가지 식물성플랑크톤의 번식을 설명한다
그림 5.12은 온타리오 호수에서의 두가지 식물성플랑크톤의 번식을 설명한다. 청-녹 조류는 특히 그들의 부유물 때문에 수질 문제를 야기 시킬 수 있으며, 그림 5.9 Chapra에 의한 5대호내의 총인의 다이나믹한 모형 시뮬레이션.33 농도는 1970년 값에서부터 1980년 1mg/L의 방출-인까지 점오염원 부하에 대한 선형적 감소에 대응하는 총인(㎍/L)이다.

6 그림 5.9 그림 5.10

7 과다 번식으로 인한 그것들의 부패가 진행되는 동안에 독소와 맛과 냄새의 문제와 연과되어진다고 알려져 있다
과다 번식으로 인한 그것들의 부패가 진행되는 동안에 독소와 맛과 냄새의 문제와 연과되어진다고 알려져 있다. 청-녹조류의 과다번식은 때때로 부유조류매트가 해안선으로부터 불어들어오게 되어 너무 두꺼워지게 되고 부패와 분해로 인해 악취가 발생한다. 부유능력은 세포내의 기체액포에 의해서 야기되며 그것들은 독립영양체인 몇몇의 청-녹조류의 질소-응고 동안에 형성되어진다. 해를 끼치는 유기체인 청-녹 조류는 많은 영양물을 필요로 하지 않기 때문에 제어하기가 어려우며 매우 낮은 감소율(그것들은 가라앉지 않는다)을 가진다.42 만약 그것들이 질소고정상태라면 그것들은 제로농도의 질산염이나 암모늄을 요구하게 되며, 여전히 성장이 활성화 된다.

8 그림 5.11

9 다양한 식물성 플랑크톤 분류군은 그것들의 주기적인 계승의 대 강의 순서가 아래와 같이 주어진다
다양한 식물성 플랑크톤 분류군은 그것들의 주기적인 계승의 대 강의 순서가 아래와 같이 주어진다. 규조 용존 -이산화 규소 제한 영양물(돌말의 껍질) 차가운 물, 한정된 인-이나 규소 녹조류 -대개 인에 의해 제한, 여름 Dinoflagellates -편모가 있고 운동성이 있으며, 수시로 독 소를 보임(적조 때) 적은 질소 요구(질소 고정) 청-녹 조류 -낮은 침강 속도 (기체 액포) -따뜻한 물, 늦여름이나 초가을 Dinoflagellates은 낮동안에 햇빛이 비치는 지역에서 헤엄을 칠 수 있 으며 밤에는 영양분이 충분한 수온약층부분에 잠겨 있다. 이것으로 인 이나 다른 영양분들의 만족스러운 흡수가 가능할 것이라는 것이 증명 된다. 성장률은 종종 주위 물속의 영양분의 농도보다는 세포내의 영양 내용물에 의존한다. 대략적으로 "자유로이 움직이는 식물,"로서 그리스 어로부터 번역된 "식물성 플랑크톤,"은 틀린 명칭이다. 때때로 식물성 플랑크톤은 공중으로 떠오를 수 있으며 제한된 운동성을 보인다.

10 그림 5.12

11 그림 5. 12 2가지의 식물성 플랑크톤종(규조와 규조 가 아닌것)에 대한 온타리오 호수에서 다이나믹한 부영 향화 모형의 보정
그림 가지의 식물성 플랑크톤종(규조와 규조 가 아닌것)에 대한 온타리오 호수에서 다이나믹한 부영 향화 모형의 보정. 식물성 플랑크톤은 그들의 이동 체제 의 환경내에서 모형화되어져야만 한다. 호수내에는, 다양 한 생태학의 적당한 장소가 있으며 이것들은 중요하게 고려되어져야 한다. 연안 - 얕은 물, 가까운 해안. 심해 - 출입이 자유로운 물, 대양. 수표면으로부터 광합성이 일어날 수 있는 지역 - 가까운 지표의 빛의 1～10%정도의 빛의 투시. 순환대(표층) - 수온약층의 윗부분, 잘 혼합됨. 정체대(저수층) - 수온약층의 아랫부분, 잘 혼합됨. 침전물층 - 수체와의 경계층-bioturbation, 공극수의 확산, 다양한 산화 환원반응.

12 그림 1. 3은 대규모 호수 생태계의 이동 체제에 대한 도해이다
그림 1.3은 대규모 호수 생태계의 이동 체제에 대한 도해이다. 이동과 각 구역에서의 고유한 생태적 특징을 설명하기 위해서는 이 호수(박스 모형)를 다수의 구획으로 구분하는 것이 필요하다. 가정된 예와 같이, 그림 5.13은 3개의 표층 및 3개의 심층으로 된 6-구획 모형을 보여준다. 진한 화살표는 구획간의 유동을 나 타내고 연한 쌍 화살표는 구획간의 교환 (난류, 역류 확산, 분산 혼합)을 나타낸다. 그림 5.13

13 그림 5.13 구획된 호수 생태계 모형의 이동 체계. 큰 화살표는 유 동(이류)를 설명하고, 작은 쌍 화살표는 구획간의 혼합(확산)을 나타낸다. 동적 생태계 수질모형의 개발의 첫째 단계는 이동체제 를 정량적으로 분석하는 것이다. 이것은 보통 수질에 독립적인 성분의 운동량, 열, 질량이동을 모의함으로써 완성된다. 이동체계 의 결정 방법은 다음중 하나이다: -속도장 (운동량). -온도 분포 (열). -보존성 추적자 (염화물 또는 총 용존 고형물). 열수지는 이동 모형(특히, 온도로 성층화된 호수에서의 1차원 수 직 이동)을 설정하기 위하여 사용한다(2장 참고). 수리모형은 유 속장 (유동)를 산출하는 수체에 대한 운동량 수지를 결정하기 위 해 사용될 것이다. 물의 이동은 확산계수 뿐만 아니라 그림 5.13 에 설명되어 있는 이류 유송의 측정이 필요하다. 3차원호수에서 염화물과 같은 보존성 추적자의 경우, j번째 구획에 대한 물질수 지식은 다음과 같다.

14 = j번째 구획의 체적, L3 = 반-거리 (두 인접구획의 중간지점간의 연결거리), L t = 시간, T = j에서 i번째 인접 구획으로 흐르는 유량, L3T-1 = j와 i번째 인접구획간의 체적 확산 계수, L2T-1 = j와 i번째 인접구획간의 계면 면적, L2 = I번째 구획에서의 보존성 추적자의 농도, ML-3 = j번째 구획에서의 보존성물질의 농도, ML-3

15 겉보기(체적)확산계수는 모든 혼합과정의 전체수식에 따른 비례 종속계수라는 것을 유의하라
겉보기(체적)확산계수는 모든 혼합과정의 전체수식에 따른 비례 종속계수라는 것을 유의하라. 예를 들면, 체적 확산 계수는 대규모 호수에서 염료확산의 지점 측정값과 다를 것이며, 명확하게 측정될 수 없다. 체적 확산 계수는 그림 5.13에 각 구획간의 경로를 흐르는 체적 교환 유량으로 생 각될 것이다.

16 모형의 보정과 검증절차는: 1. 및 값을 결정하기 위하여 보전성 물질(예를 들어 염화물) 및 열에 대한 현장자료를 이용하여 모형을 보정하라. 2. 구획간의 동일한 이류 유동과 체적 확산 계수를 이용하여, 모든 다른 조절 파라미터와 계수(반응속도상수, 화학량 계수 등)를 결정하기 위한 동일 현장자료 일체에 대한 모형의 모든 수질 성분을 보정하라. 3. 모든 이동 및 반응계수를 동일하게 유지하는 독립적인 현장자료 일체를 이용하여 모형을 검증하라. 모형 결과와 현장자료간의 “적합도”를 결정하라. 모형 보정 및 검증의 수용에 관한 적절한 표준은 연구 또는 수질관리에서 모형의 사용에 의존하면서 우선적으로 결정되어야 한다.

17 모형의 결과/현장자료의 중앙 상대오차 10-20%는
수질모형에서는 일반적이다. 생태계 모형은 각 구획 내의 일련의 물질수지 방정식으로 구성되어 있다. 구획수는 사용 가능한 수질자료의 공간적 크기와 모 형이 요구하는 해석능력에 따라 변할 것이다. 전형적 인 생태계모형의 구성도가 그림 5.14에 나타나 있다. 9개의 상태변수가 나타나 있지만 모형 설계에 의존 하는 것은 얼마되지 않는다. 상태변수 9개 각각은 이 전 방정식에 나타난 것 같이 이류유동과 확산을 수행 할 것이다; 그러나, 물고기와 동물성 플랭크톤은 운 동성을 갖고있기 때문에 다른 수질 성분과 같은 속도 로 확산하지 않을 것이다. 우리는 4개의 제한 영양염 류 및 증가식을 가정한다. 크로로필-a 또는 탄소보다 오히려 미생물이 모의실험 된다.

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19 네모상자는 상태변수를 나타낸다; 실선 화살표는 물질 유동이고 점선은 외부 에너지의 역할을 나타낸다
네모상자는 상태변수를 나타낸다; 실선 화살표는 물질 유동이고 점선은 외부 에너지의 역할을 나타낸다.모형은 식물성 플랭크톤의 성장율과 가수분해 및 식물성 플랭크톤, 동물성 플랭크톤 및 물고기의 사멸율에 근거한 선형 동역학(1차 분해)에 대한 Michaelis-Trenton 증가식을 사용한다. 비선형 2차 동역학식은 동물성 플랭크톤 및 물고기의 먹이에 대한 포식율로 이용된다. 식물성 플랭크톤은 NH4-N와 NO3-N를 그 들의 분율농도에 비례하여 섭취함으로써 질소 요구를 충족시킨다고 모형은 가정한다(이것은 자주 아주 적절한 경우는 아니다-일반적으로는 높은 에너지 함량 때문에 선호되는 NH4-N가 섭취된다. 온도는 반응속도를 증가시키는 모든 속도 상수에 영향을 미친다.

20 (24) (25) (26) (27) (28) (29) (30) (31) (32) (33)

21 식(24)-(34)는 그림 5. 14의 상호작용을 정량 적으로 설명한다. 표5
식(24)-(34)는 그림 5.14의 상호작용을 정량 적으로 설명한다. 표5.5는 모형에 이용되는 파라메타, 계수, 속도상수에 대한 범위와 일 반적인 값들을 나타내고 있으며, 표 5.6은 모 형방정식에서 변수의 정의를 나타낸다.