환경시스템분석 chapter 1 환 경 공 학 과 20051454 박성호.

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1 환경시스템분석 chapter 1 환 경 공 학 과 박성호

2 <ACS 공정의 프로그램 순서도>
＊환경정보관리 및 시설제어에 관련된 내용 중∙소규모 하수처리장 원격무인 자동제어 시스템 개발연구 (The Study of the Remote Process Control System for the Small or Medium Sized Wastewater Treatment Plants) - ㈜드림바이오스,수원대학교, 환경관리공단 하․폐수처리장에서 공정조업 및 운용의 미숙함으로 인해 발생될 수 있는 비정상적인 조업과 공정 내 발생 가능한 다양한 형태의 이상 및 문제점을 감시, 진단, 제어, 분석하여 적절한 제어조치를 내려줄 수 있는 조업지원용 지능형 자동제어 시스템을 개발 한 것이다. 공정제어 및 감시시스템과 실시간으로 상호 접속하여 계기의 오작동과 공정이상과 같은 수처리 조업상의 문제점 진단 등의 공정조업을 지원한다. <ACS 공정의 프로그램 순서도> 이 설치 프로그램은 아래그림과 같이 폐수처리장에 설치한 MMI 프로그램과 전문가제어프로그램과 동일한 성능을 가진 프로그램을 인터넷에 구현하여 인터넷이 연결된 곳이라면 시간과 장소에 방해를 받지 않고 조업자가 상주하지 않아도 폐수처리장에 모든Data를 확인할 수 있고 제어가 가능하도록 하였다. <폐수처리장의 MMI 화면 구성>

3 ＊환경 모형 및 모델링이 필요한 이유를 설명하라.
1. 화학 물질의 반응, 종 형성, 이동에 대한 정량화를 통하여 그 물질의 수명 및 이동에 대한 좀더 정확한 이해를 도출하기 위해서. 2. 과거, 현재 그리고 미래의 인류와 수생 유기물에 대해서 어느 정도의 화학물질의 노출 농도를 결정하기 위해서. 3. 다양한 부하 조건이나 대체적 관리 사업 하에서 장래의 조건을 예측하기 위해서.

4 ＊ 호수의 물 수지 분석 축적(Accumulation) = 유입 율 – 유출 율 ± 반응 물에서 반응에 관계하는 물질의 분류
- 정상상태(즉, 시간에 따른 농도의 변화가 없다면) 이면 계에 축적되는 양은 없으며, 유출량은 간단히 유입량에 반응 량을 더하거나 빼는 것과 같다 - 만약 대상부피 내에서 한 화합물이 생성된다면 생성물에 대한 물질 수지식을 세울 경우 “반응”항의 앞에 있는 대수부호는 양이고 화합물이 대상부피 내에서 파괴되거나 분해 되면,”반응”항의 앞에있는 대수 부로는 음이다. 만약, 화합물이 변하지 않는다면 (즉,비 반응성이나 불활성) “반응” 항은 0이다. 물에서 반응에 관계하는 물질의 분류 생성반응(+) 분해반응(-) 비 반응성 물질 화학반응에서 생성물 조류성장 박테리아 성장 기체흡수 화학적 탈착 반응물 BOD 방사전 동위원소붕괴 입자 침전 박테리아사멸 기체탈취 화학적흡착 염소,브롬 총용존 고형물 난분해성 유기물 총금속 안정한 동위원소 <검사체적 개념과 경계면에서의 이동을 이용한 물질수지모형의 일반적 접근법>

5 ＊ 호수의 물 수지 분석 <수계로의 지하수 유입을 있을 경우 호수의 물수지 분석>

6 ＊모형에 관련된 용어 수학적 모형 -시스템을 모사하기 위한 물리, 화학, 생물학적인 양적 공식화.
상태 변수 – 모형 내 종속 변수 (통상 화학물질의 농도임). 매개 변수 – 물질 수지식을 구성하기 위한 모형내의 계수 (예 :반응속도상수, 평형상수 등). 입력 자료 - 모형을 운영하기 위한 강제 함수나 상수 (예 : 유량, 입력 화학물질의 농도, 온도 등). 모 사 - 입력 자료를 사용한 모형의 운영.

7 ＊모형에 관련된 용어 다양성 - 여러 다른 상황 및 지역에서의 반복 적용 후 정립된 모형의 활용도.
사후 심사 - 모형의 예측 치와 장래의 현장 계측치와의 비교. 예민도 분석 - 수치적 모사나 수학적 기술을 이용한 모형 변수의 적은 변화가 모형결과(상태변수)에 미치는 영향 분석. 불확실성 분석 - 확률적 모사 기술을 이용한 모형매개변수, 입력자료, 초기조건 등의 불확실성으로 인한 상태변수의 불확실도 분석.

8 ＊모형의 보정 및 검증에 대한 설명 보 정 - 모형결과와 현장측정치와의 비교를 통해 통계학적 수용여부평가.
보 정 - 모형결과와 현장측정치와의 비교를 통해 통계학적 수용여부평가. 모형자료를 수정,조정하여 문헌에서 보고된 실험치의 값 범위 안에 들도록 조정하여야 함. 검 증 - 서로 다른 시각이나 지점에 대한 모형의 결과와 2차 현장 자료에 대한 통계적 수용 여부 비교.  보정단계 이후에는 모형매개변수가 고정되고, 더 이상의 조정 불가능. ＊검증의 과학적 수용 여부 확인 -모형이 모든 주요하고 독특한 과정을 포함할 것 -공정은 정확하게 수식화될 것 -모형이 원래 사용 목적에 맞게 관측된 현상을 적절하게 서술할 것

9 ＊모형의 결과에 대한 통계적 검증 방법 1. Chi-square Test, Kolmogorov-Smirnov Test 이용.
- 분포의 유사성을 검증. 2. Paired t-tests (같은 시각 모형결과와 현장 관측치에 대한 평균 검사)이용. 3. 선형회귀분석 (같은 시각 모형결과와 현장 관측치에 대한 검사) 이용. -선형회귀분석은 두 개의 변수( 독립변수와 종속변수) 들간의 함수적인 관련을 파악하는 연구에 관한 통계분석방법. 이는 일반적으로 독립변수 값의 변화와 종속변수 값의 변화가 갖는 수학적 함수들을 파악함으로써 상호관계를 가장 잘 나타낼 수 있는 수식을 찾아내는 방법. 4. 표준편차, 기하학적 분산 (모형결과와 현장 관측치의 비교 ) 이용 5. 가중, 비 가중, Kalman 필터와 같은 매개 변수 예측 기술 이용. -최적의 방법(잔차의 곱의 합의 최소치)으로 모형 매개 변수를 결정하기 위한 방법

10 ＊모형의 결과에 대한 통계적 검증 방법 -Paired T-Test
Unpaired T-Test : 서로 독립인 두 집단간의 평균의 차이를 분석하고자 하는 경우에 이용되는 분석 방법.

11 ＊모형의 결과에 대한 통계적 검증 방법 - 칼만필터
칼만필터는 최소자승법 (Least Square Method) 를 사용해서 실시간으로 잡음 (noisy) 운동 방정식 을 가진 시간에 따른 방향 (time-dependent state vector) 를 추적하는 효율적인 재귀 계산법 (recursive computational solution) 이다. 칼만필터는 하나의 시스템이 시간에 따른 변화를 적절하게 예측할 수 있도록 잡음 (noise)으로부터 신호 (signal) 를 찾아내기 위해 사용된다.

12 ＊독성학적 기준 설정 시 주의점. 수질기준은 주목할 만한 생물학적 영향이 없는 독성 최대허용농도의 연구로부터의 가장 과학적인 정보. 과학이 발전함에 따라 생태 독성 학이 더욱 복잡해졌기 때문에, 화학약품의 일람표가 커지고 다양한 환경조건 하에서 종류의 고유 기준을 설정 해야함.

13 ＊자연 수체에서의 주요 유기 독성물질 및 그와 관련된 반응

14 ＊자연 수체에서의 주요 유기 독성물질 및 그와 관련된 반응
P, N, NH4 - 농업용수 유출로부터 발생하는 비점오염원 문제. 지표수의 부영양화, 침전물의 산소고갈, 서식지 변경, 생태계의 기능과 구조 변경 등을 야기시킴. 미량 원소의 환경적 위해도는 대기권이나 수권에서 양뿐 아니라 화학적 종의 형성 (발생형태)과 생화학적 순환의 세부 내용에 의존함. 생물학적 가용성 및 독성은 화학적 종에 크게 의존함. 조류와 하류미생물의 경우, 자유 금속의 수중 이온은 종종 생리적 생태학적 반응을 결정함. 현재 개방된 해양과 많은 호수들은 강의 이송보다는 대류권의 이송을 통하여 오염물 영향을 더 받음. 대기에서 바다로의 물질이동이 하천으로부터의 물질이동보다 클 때 대기 친화형(atmophile)이라 함. Cd, Hg, As, Se, Cu, Zn, Sn, Pb 등이 해당됨. 대기 친화형 원소는 휘발성이거나, 그 원소의 산화물이나 화합물이 낮은 비등점을 갖음. 수은, 비소, 셀렌, 주석, 납 원소는 메틸 알콜에 섞일 수 있고 가스형태로 대기에 방출될 수 있음.  알루미늄, 티타늄, 망간, 코발트, 크롬, 바나듐, 니켈 원소는 물질이동이 주로 하천에 의해서 일어나기 때문에 하천 친화형(lithophiles)으로 불림.

15 ＊다매체(대기,물,토양)에서의 오염물의 이동 및 변화과정
오염물질 지표수 침전물 -환경에서 오염물질의 분포는 그것의 특별한 성질에 의존하는데, 독특한 생태학의 관련은 지방 용해도, 즉 친유성 물질은 유기물과 먹이사슬에서 축적된다. 생분해와 화학적 또는 광분해적 분해는 체류시간과 잔류 농도를 감소시킨다.

16 ＊다매체(대기,물,토양)에서의 오염물의 이동 및 변화과정
고정발생원: 각종 사업소의 보일러, 연소로, 가열로 등으로부터 석탄, 석유, 그 밖에 가연물질의 연소로 인한 배기가스가 대기 중에 방출되고 있다. - 석유정제, 펄프, 제철업 등으로부터는 부유입자상 물질, 황산화물, 탄화수소, 질소산화물(Nox) 등의 오염물질이 방출된다. - 비료, 펄프, 화학공업 관련산업에서는 황화수소, 불화수소, 황 유기 화합물 등의 악취물질이 방출된다. 이동발생원: 대기 오염의 이동발생원으로는 자동차, 철도, 항공기 등의 교통수단에 의해 대기 중에 방출되는 배기가스를 들 수 있다. - 배기가스에는 주로 일산화탄소(CO), 탄화수소, 질소산화물이 포함되어 있다. - 동결지역에서는 스파이크 타이어의 사용에 의한 도로면 마모 스파이크 분진이 주목되고 있다.

17 ＊다매체(대기,물,토양)에서의 오염물의 이동 및 변화과정
토양 및 수질 오염물질 - 공기에서 물까지, 육지에서 물까지의 오염물질의 이동은 수질 오염을 일으키는 더욱 더 중요한 경로가 되었다. 토양오염으로 인한 지하수의 수질 악화는 주요 환경문제이다(예를 들면, 농업용 살충제의 침투 또는 유독 폐기물 매립지에서의 용출  등). - 종종, 오염물질은 아주 낮은 농도에서 내부유기체의 전달과 화학배열을 통한 간섭에 의해 개체구조 변화의 원인이 된다. 예를 들어, 먹이원 (동물성 플랑크톤)가 감소거나 화학적(chemotactical) 자극을 교란하거나 부정적 징후를 모방한다면 어류 개체군은 오염물에 의해(급성이든 만성이든 특정 어류에만 독성을 보일지라도) 생존이 불가능하게 될 것이다. - 수질 오염의 예 : 광산배수, 공업배수, 농축산 배수, 생활 배수 - 토양오염의 예 1. 구리: 자연상태에서 토양 중에 약 5ppm 정도 함유되어 있고, 동식물에 있어서는 필수원소. 그러나 다량 존재하면 작물의 생육이 저해되며, 인간의 건강에도 해를 끼친다. 2. 카드뮴: 자연상태에서 약0.4ppm정도 함유되어 있고, 주로 카드뮴 산출 광산, 정련소, 도금공장 등에서 나오는 폐수가 문제가 된다. 물과 대기를 매체로 하여 주변 토양을 오염시키고, 그 결과 쌀 등의 농산물이 카드뮴에 의해 오염된다.이러한 오염된 농산물을 섭취함에 따라 신세뇨관의 재흡수 기능 장애, 골연화증 등의 만성 중독 증상을 일으키고, 때로는 전신에 심한 통증과 골절을 동반한다. 3. 비소: 자연상태의 토양 중에 1~5ppm정도 함유되어 있다. 농작물의 생육을 저해하고, 인체에 대한 독성은 주로 소화관에 나타나며, 구토 설사 외에 근육 위축, 탈모 들을 유발한다. 4. 이 밖에 크롬, 농약에 의한 오염, 방사성 물질에 의한 오염, 병원 미생물에 의한 오염

18 ＊예제풀이 <예제 1.1> 호수의 물 수지 분석 가뭄 기간 내 호수의 부피를 계산하라. 모든 유입량의 합은 100 m3s 이고, 유출량은 110 m3s-1 , 증발과 물수요의 합은 1 m3s-1 임. 호수의 초기 부피는 1 × 109 m3 . 그림 1.3 참조. (모든 단위는 초에서 day로 변환.) <가뭄기간 내 호수의 부피변화>

19 ＊예제풀이 <예제 1.2> 호수 내 독성 물질의 물질 평형 호수 내 독성물질에 대한 정상상태의 농도 계산. 정상상태 (dC/dt = 0), 부피는 일정 (Qin = Qout ). 분해속도는 50 kg d-1. 초기조건 Cin=100μgL-1, 경계 조건 Qin=Qout=10m3s-1 . 풀이 : 검사체적에 대한 물질 평형 식은 축적 = 유입 율 – 유출 율 ± 반응 율 정상조건에서는 축적 율 = 0, 따라서 유출 율 = 유입 율 - 반응 율 (분해)

20 ＊예제풀이 <예제 1.3> 하천 내 용존 산소 모형의 보정 결과 적합성 검증 km에서 BOD 방출 후, DO는 고갈됨 (D.O. 하락곡선) 모형 보정 결과와 현장 측정치가 도시됨 (다음 표 및 그림 1.4) 다음과 같은 통계분석을 통하여 모형보정 결과의 수용여부를 결정하라 a. 0.1 유의치(90% 신뢰도)의 Chi-square 적합도 b. 유의도 p=0.1에서의 Paired t-test (평균과 0사이의 차이) c. r2 > 0.8 인 경우의 모형 결과의 선형 최소자승 회귀분선 (x 축 : 모델링 결과, y축 : 관측치).

21 (예제1.3) a. 0.1 유의치(90% 신뢰도)의 Chi-square 적합도
(분포값) = 4.17, 자유도=9(n-1), P(확률) = 0.10에 의해 결정. -표에서 <=4.17 결론: 모형은 유효구간 0.10내에서 적합성 검증을 통과.

22 (예제1.3)b. 유의도 p=0.1에서의 Paired t-test (평균과 0사이의 차이)
di 는 두개의 자료 i의 수치적인 차이. 유효구간 시그마di = -0.32 시그마 di제곱= 0.684 - 결론: <=1.833 모형결과와 현장자료의 큰 차이가 없음.

23 (예제1.3) c. r2 > 0.8 인 경우의 모형 결과의 선형 최소자승 회귀분선
- DO 모형은 r2 > 0.8 의 선형회귀기준에 도달함. - 두 집단 자료( 모형과 현장측정) 가 다른 분산으로부터 임의로 추출 되었을 때 확률은 10%보다 작다. 즉, 모형은 선택된 평균의 통계기준과 일치. 완벽한 모형이 예측 치는 y = 10X + 0으로 표현. ( X축은 모델링결과, Y축은 관측치)

24 ＊환경 모형에 대한 인터넷 관련 정보 RMA 2/4 모델. RMA2 수심평균화 2차원 비정상상태(dynamic) 모델
자유 수표면 흐름에서 수위와 horizontal velocity를 계산 성층이 없는 수체(unstratified  waterbody)에 적합 RMA4 RMA2 모델의 수리 모의결과에 기초 오염물질 부하량과 위치, 중력에 의한 침강을 고려 시간에 따른 수체 내 수질 분포를 예측 기본적인 advection-diffusion process에 기초한 수질 항목의 모의에 적합

25 ＊환경 모형에 대한 인터넷 관련 정보 RMA 모델은 미국 공병단에서 개발한 수리수질 모델로 1973년 개발된 후 현재까지 개선되어 널리 사용된 모델임. RMA 모델은 수직방향의 흐름을 무시하는 수심평균(depth averaged) 2차원 모델이며, 유한 요소법(finite element method)을 기초로 정상상태(steady state) 또는 동적 상태(dynamic state)에서의 수체 이동방향과 세기를 예측하고 그에 따른 수질변화를 예측할 수 있도록 개발됨.

26 ＊환경 모형에 대한 인터넷 관련 정보 RMA 2/4 –적용사례(새만금)

27 ＊환경 모형에 대한 인터넷 관련 정보 우리나라 서해안은 조석 간만의 차가 크고 지형이 복잡한 특징을 지님 대규모의 방조제 건설은 일차적으로 인접해역의 수리적 특성의 변화 초래 새 만금 지구의 방조제 체절공사 진행과 관련되어 방조제 개방구간을 통한 해수 소 통시 조간 대 변화와 희석률 변화 등을 조건 별로 검토 조간대의 변화 및 희석률 변화를 예측하기 위해서는 격자의 크기를 줄여 상세한 수리변화를 예측할 수 있는 2차원 모델인 RMA가 적합 ＊참고사이트 (한국수자원공사)