QUAL2E,QUAL2E-PLUS, QUAL2K, QUALKO의 장단점을 비교 분석하여라

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1 QUAL2E,QUAL2E-PLUS, QUAL2K, QUALKO의 장단점을 비교 분석하여라
환경공학과 황규필

2 QUAL2E(장점)  QUAL2E 모델은 미국 EPA에서 QUAL-Ⅰ 모델에 예측수질항목을 추가하여 발전시킨 QUAL-Ⅱ 모델을 PC에서 사용가능하도록 만든 것 이 모델은 이전의 모델에 비해 조류와 용존산소와의 상호관계, 온도보정계수, 댐에 의한 하천수의 산소공급 및 비보존성 물질과 3가지의 보존성 물질, 입․출력 방법개량 등을 보완시킨 1차원 수질 예측 모델로서 1차원 정상상태(Stedy state)는 물론이고 가동적상태(Dynamic state)에서도 예측할 수 있음

3 QUAL2E(장점) 완전 동적 해석이 아닌 반동적 상태로 동적 해석은 하천의 최상류부, 점 오염원 및 비점 오염원에서의 유량을 비롯한 수질자료들이 정상 상태로 입력되기 때문에 상류로부터 하류부까지의 수질은 점차 정상 상태로 수렴

4 QUAL2E(단점) 현재 국내는 물론 외국에서도 널리 이용되고 있는 하천모형이다. 그러나 QUAL2E 모형은 SOD(sediment oxygen demand)를 0차나 일정량으로 처리하였고 부착조류에 의한 용존산소 변화와 부유 조류 사멸시 발생하는 유기물(SOD)이 고려되지 않았으며, 용존산소가 부족한 상태에서 반응이 활발한 탈질화과정이 포함되지 않아 이들 반응에 의해 수질이 영향을 받는 하천에 적용하기에는 한계가 있음

5 QUAL2E(단점) 그리고 QUAL2E 모형의 모의 가능한 구간수는 최대 50개, 계산요소는 구간당 20개로서 전체개수는 500개, 연결 지류수는 최대 9개, 점오염원, 비점오염원은 최대 50개로 제한되어 있어 여러 개의 지류를 가진 대형하천에는 적용하기 어려운 단점이 있음

6 QUAL2E - Plus 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 개발 모델은 현재 Georgia주의 Athens에 있는 EPA 수질 모델링 센터에서 관리되고 있으며 QUAL2E 모델은 현재 미국에서 시행하고 있는 TMDL 지원을 위한 프로그램인 BASINS의 수질 모델 모듈로 사용되고 있어 국내뿐만 아니라 외국에서도 광범위하게 사용

7 QUAL2E - Plus 1995년에는 QUAL2E -Windows Interface가 개발되어 사용자가 보다 편하게 모델을 이용할 수 있도록 되었음 본 소프트웨어는 이러한 QUAL2E 프로그램을 보완하여 QUAL2E-PLUS라는 Windows기반의 모델로써 (주)Websolus에서 프론티어사업의 일환으로 개발하고 있는 모형 특히 사용자 위주의 GUI를 더욱 강화 하였으며 이전에 하천 구성이 테이블에 의존하고 있는 반면 이번 QUAL2E-PLUS Beta 0.9 버전은 직관적인 판단으로 입력 자료를 구성할 수 있도록 하였고 이 모델은 이전의 모델에 비해 조류와 용존산소와의 상호관계, 온도보정계수, 댐에 의한 하천수의 산소공급 및 비보존성 물질과 3가지의 보존성 물질, 입․출력방법개량 등을 보완시킨 1차원 하천수질 예측 모델로서 1차원 정상상태(Stedy state)는 물론이고 가동적상태(Dynamic state)에서도 예측할 수 있음

8 QUAL2E - Plus 모델에 적용 가능한 대구간(Reach)은 최대 50개 이며 대구간당 소구간(element)수는 20를 넘을 수 없고 소구간은 총 500개를 초과할 수 없음 합류점 소구간(Junction element)은 9개까지, 수원 소구간(Headwater element)는 10개까지, 점오염원 유입소구간(Input element)과 취수 소구간(Withdrawl element)는 50개까지 사용 가능

9 QUAL2K QUAL2K모델은 1970년 U.S. EPA에서 개발된 QUAL2E(Brown and Barnwell, 1987)모델을 기본으로 수정 보완한 하천 수질예측모델이며 QUALI모델로부터 시작하여 QUALII모델과 QUAL2E모델을 거쳐 QUAL2K모델로 발전 QUAL2E모델은 수치해석적으로 정확하고, 대부분의 오염물질 반응 기작을 잘 반영하지만, 몇 가지 한계점이 있음 가장 중요한 것은 유기물질의 내부 오염 발생원인 조류의 성장에 의한 BOD 증가에 관한 기작이 고려되지 않은 점

10 QUAL2K QUAL2K모델은 조류사멸에 의한 BOD증가, 탈질화, 부착조류의 산소소모 기작 등을 잘 고려하지 못하므로 조류 발생에 의한 녹조현상을 파악하기 어려운 단점이 있음 또한, 모델 적용시 하천을 구분시 구간과 계산요소의 최대 한계값이 25와 250으로 제한되어 있으므로 큰 하천에 정확하게 적용하지 못하는 단점 QUAL2K모델은 QUAL2E모델에 조류사멸에 의한 BOD증가, 탈질화. 부착조류에 의한 산소 소모에 관한 반응 기작을 첨가하여 우리나라 하천에 적합하도록 개선시킨 하천 수질 모델

11 QUAL2K

12 QUAL2K

13 QUALKO QUALKO 모델은 QUAL2E 모델에 WASP5 모델의 장점을 접목하여 개발한 것으로 bottle BOD의 반응기작, 조류활동에 의한 유기물 증가, 탈질화 반응 등 하천의 정체수역에서 일어나는 생물학적 반응을 반영한 수질모형 QUAL2E 모델에 조류생산 및 사멸에 의하여 내부생산 유기물이 증가하는 것을 반영하고, 조류의 사멸과 호흡에 따른 인과 질소의 배출을 세분화한 bottle BOD 개념 QUAL2E 모델에서 제한된 오염원의 수, 하천 구간의 수, 상류경계조건, 계산요소 등이 확장되어 대형하천이나 지류가 많은 하천에서도 적용할 수 있음

14 QUALKO 다음표는 QUALKO 모델.  QUAL2E 모델 및 WASP5 모델의 특성과 각 모델의 모의방식, 확산계수산정, 조류관련 계산방법 및 계산요소들의 수를 비교 QUALKO 모델은 조류의 증식 및 사멸에 의한 내부 생산 유기물의 증가를 반영한  bottle BOD 개념 하천에서 조류가 유기물을 분해하여 번식하면 과잉 번식된 조류는 사멸하는대 이와 같이 조류의 증식과 사멸이 반복됨에 따라 수체의 유기물이 증가하기 때문에 조류의 개체수도 증가하게 됨

15 QUALKO QUAL2E 모델에서는 조류의 소실량이 모두 호흡에 의한 것으로 가정하여 사멸과 분비에 의한 CBOD 증가를 무시하고, 조류 소실에 따른 질소와 인은 모두 유기태로 변환된다고 가정 BOD를 CBOD로 입력하므로 bottle BOD 개념이 아니며 모의항목을 CBOD로 입력하면 수체의 CBOD의 분해에 따른 산소소모량만 계산되는대 국내에서 측정되는BOD는 미생물이 bottle내에서 5일간 배양되는 동안에 유기물을 분해하면서 소모하는 산소의 양을 의미하며, 여기에는 비생물성 CBOD 뿐만 아니라 조류의 내생호흡에 의한 산소소모량도 포함

16 QUALKO QUALKO 모델에서는 조류의 소실을 호흡과 사멸로 분리하여 수체내 호흡에 의한 산소소모와 CBOD 증가를 고려하고, 조류 소실에 따른 질소와 인의 배출형태를 유기태와 무기태로 구분하였으며, bottle BOD 개념을 추가 WASP5 모델에서는 실내에서 측정한 CBOD, Org-N과 Org-P함량을 빼고 입력하지만, QUALKO 모델에서는 비생물성 물질과 생물성 물질이 내부적으로 구분되어 모의