(H.W. 2008/5/29)QUALKO 에 관련된 보고서 , 논문 등을 인터넷에서 검색하여 QUALKO 모형에 대하여 이론 , 수치해석 , 모델링 방법 , 적용예 , 특히 , 오염총량제 관련 적용 예에 대하여 조사하여 제출하라 .

환경공학과20041842

채형준

1. 이론QUALKO 모델은 bottle BOD 의 반응기작 , 조류활동에 의한 유기물 증가 , 탈질화 반응 등 하천의 정체수역에서 일어나는 생물학적 반응을 반영한 수질모형이다 . 또 , QUAL2E 모델에서 제한된 오염원의 수 , 하천 구간의 수 , 상류경계조건 , 계산요소 등이 확장되어 대형하천이나 지류가 많은 하천에서도 적용할 수 있다 . Table2.2 에서 QUALKO 모델의 특성과 모델의 모의방식 , 확산계수 산정 , 조류관련 계산방법 및 계산요소들의 수를 비교하였다 .QUALKO 모델은 조류의 증식 및 사멸에 의한 내부 생산 유기물의 증가를 반영한 bottle BOD 개념이다 . 즉 , 하천에서 조류가 유기물을 분해하여 번식하며과잉 번식된 조류는 사멸된다 . 이와 같이 조류의 증식과 사멸이 반복됨에 따라수체의 유기물이 증가하기 때문에 조류의 개체수도 증가하게 된다 .

Table 2.2

QUAL2E 모델에서는 조류의 소실량을 모두 호흡에 의한 것으로 가정하여 사멸과 분비에 의한 CBOD 증가를 무시하고 있는 반면 , 조류 소실에 따른 질소와인은 모두 유기형태로 변환되는 것으로 가정하고 있다 . 특히 , BOD 를 CBOD 로입력하므로 bottle BOD 의 개념이 결여되어 있다 . 즉 , 모의항목을 CBOD 로 입력하면 수체내 CBOD 의 분해에 따른 산소소모량만 계산된다 . 그러나 국내에서 측정되는 BOD5 는 5 일간 bottle 내에서 일어나는 산소소모량의 총량을 의미하며 , 이에는 bottle에 포함되어 있는 비생물성 CBOD 뿐만 아니라 조류의 내생호흡에 의한 산소소모량과 질산화에 의한 산소소모량도 포함된다 .한편 , 수체 내에서의 Org-N 과 Org-P 는 수중의 비생물성 물질과 조류와 같은 생물성 물질로 존재하게 되는데 , 조류는 호흡과 사멸을 통해 Org-N 과 NH4-N 의 형태로 수중으로 순환된다 . 그러나 QUAL2E 모델에서는 비생물성 물질과 생물성 물질이 포함된 Org-N 과 NH4-N 으로 측정치를 입력한 경우 조류의 호흡과사멸을 통해 수중으로 순환되는 Org-N 과 NH4-N 이 중복되는 모의를 하게 되며 , 결과적으로 BOD 값에도 영향을 미치게 되므로 , QUALKO 모델에서는 측정치를 입력할 경우 비생물성 물질과 생물성 물질이 내부적으로 구분되어 모의함으로써 이와 같은 비합리성을 개선하였다 .

QUALKO 는 QUAL2E 의 모형과 같이 대상수계의 전체 유하거리를 따라 동일한 수리 및 수질특성을 갖는 수역들을 크게 m 개의 구간 (Reach) 으로 나누고 , 각구간은 다시 실제로 계산이 이루어지는 n 개의 소구간으로 나누어 수질농도를 요소별로 계산하는 방법을 이용하고 있다 . 소구간 요소는 Table 2.3 과 같이 구성된다 .

전체 모형은 완전 혼합형 반응조가 연결된 형태이다 . 각 구간에서는 수리학적ㆍ지형학적 특성을 고려한 하상경사 , 하천의 종단면적 및 마찰계수가 일정하고 , 각 구간의 매개변수인 BOD 분해율 , 저층의 용출율 , 조류의 침강속도 등 화학적분해속도가 일정하다고 가정한다 .

2. 수리학적 입력계수수리학적 입력계수는 QUALKO 모형을 구성하는 기본방정식인 1 차원 이류 - 확산 물질이동방정식 (1-Dimensional Advection-Dispersion Mass TransportEquation) 을 이용하여 물질수지를 계산하는데 필요하다 .수리입력계수의 산정은 각 지점별로 유속과 유량을 산정하여 동일 구간내에서의 수심 - 유량관계 , 유속 - 유량관계를 회귀분석에 의하여 구간 (Reach) 별로 수심 -유량계수와 유속 - 유량계수를 산정한다 .

여기서 , a 와 b 는 유속 - 유량계수이며 , α 와 β 는 수심 - 유량계수이다 . 광주천의유량계수는 Table 3.15 에 보여진다 .

3. QUALKO 모델을 이용한 대상구간의 모형화

수질모델링이 수행되기 위해서는 모델의 입력형태에 맞는 구간설정이 우선 결정되어야 한다 . 따라서 QUALKO 모델에서의 구간은 하천을 수리학적으로 유사한 특성을 갖는 4 개 하도구간 (Reach) 으로 구분하고 , 하도구간 내에서 모델링의 최소구간 0.5km 로 세분화시켜 26 개의 소구간 (Element) 으로 나누었다 . Fig. 3.19 에서는 수질모델링 수행을 위해 설정된 구간별 특성을 도식화 한 것이다 . HeadWater 지점을 기준으로 26개의 소구간에서 유하거리별 수질조사 결과에 기초하여 하수가 유입될 것으로 예상되는 지점에 하수 유입이 있음을 모의하였다 . 모형의 반응계수를 보정과 검증을 실시하고 , 보정과 검증에 의해 얻어진 반응계수를적용하여 조건의 변화에 의한 장래의 수질을 예측하였다 .

4. 입력문1. Title06~Title13- QUALKO2 에서 수온이외의 항목을 모의하고자 하는 경우에는 수온 , BOD( 또는 TOC), 조류 , 인 , 질소 , 용존산소에 대한 모의 선택을 모두 YES 로 하여야 한다 .2. TITLE07 1) 입력문의 입력농도가 BOD5 라면TITLE07 YES 5-D............................. 로 입력한다 . 2) 입력문의 입력농도가 TOC 라면TITLE07 YES TOC............................. 로 입력한다 . 3) 입력문의 입력농도가 CBOD 라면TITLE07 YES ................................ 로 입력한다 .3. DATA1FIXED DNSTM CONC (YES=1)= 0. 5D-CBOD CONV (KBOD) = 0.09※ KBOD 값은 QUAL2E 에서나 QUALKO2 에서 모두 TITLE07 에 5-D로 입력되었을 경우에만 이용된다 .4. DATA1AN CONTENT OF ALGAE (MG N/MG A) = 0.060 P CONTENT OF ALGAE (MG O/MG A) = 0.006DENITRIFICATION RATE (1/DAY)= 0.09 DO CONSTANT FOR DENITRI. (MG/L)= 0.1

6. DATA6REACT COEF RCH= 1. 0.06 0.01 1.0 3. 0 0 07. DATA6AN AND P COEF RCH= 1. 0.05 0.01 0.05 0. 1.0 0.25 0.01 0.8. DATA6BALG/OTHER COEF RCH= 1.0 10.0 0.01 0.809. BOD5, CBOD, TOC 농도INITIAL COND-1 RCH= 1. 0 0 0 0 0 0 0 0INCR INFLOW-1 RCH= 1. 0 0 0 0 0 0 0 0HEADWTR-1 HDW= 1.0 충주 106.12 8.5 12.4 0.93 0 0 0POINTLD-1 PTL= 1 충주댐하류 A 0 0.16 17.0 10.5 1.72 10. 유기성 질소 , 유기성 인 , 특정 KBODINITIAL COND-2 RCH= 1. 0 0 0 0 0 0 0INCR INFLOW-2 RCH= 1. 0 1.321 0.581 0.000 2.315 0.052 0.020 0.200HEADWTR- 2 HDW= 1.0 0 0 1.5 0.303 0.024 0.000 1.951 0.011 0.004 POINTLD-2 PTL= 36 0 0 18 3.721 8.932 0.000 1.715 0.329 1.000 0.160

5. QUALKO 모델의 보정 및 검증 ( 예 : 광주천 )

QUALKO 모델 수행을 위해서는 각각의 입력 자료에 대한 반응계수 값들이 필요하며 이들 반응계수 값의 범위는 User Manual 에 나타나 있으나 , 적용되는 값 (Point Value) 에 따라 모델링 결과는 상이하게 나타날 수 있다 . 본 논문에서 사용된 반응계수 값들은 과거 수질측정 자료나 모델링 자료를 사용하여 보정 작업을 실시하였다 . 보정(Calibration) 은 실측된 오염원의 하천수질 및 유량 자료등을 사용하여 모델링에 의해 계산된 결과치와 실측된 수질 결과값이 유사하도록 모델 내의 계수를 시행착오법 (Trial and Error Method) 에 의하여 추정하는작업이다 .QUALKO 모델 변수들의 보정은 1 차 1 회 조사의 유량 및 수질측정 자료를 이용하여 실시하였다 . 또한 , QUALKO 모델에서 입력되는 수리학적 입력계수 값은 Table 3.15 에 나타낸 값을 적용하였다 . 광주천의 유하거리별 보정결과는 Fig. 3.20 ~ Fig. 3.22에 나타내었다 . 광주천의 예측된 BOD, T-N, T-P 값은 실측된 값과 비교하는 매개변수 보정과정에서 상관계수 값은 각각 0.99, 0.96, 0.98로 비교적 높은 상관관계를 보였다 . QUALKO 모델의 검증은 보정을 통해 최적화된 매개변수 값이 수질을 예측하는데 적절하게 이용할 수 있는지를 알아보기 위해 2 차 1 회 조사의 유량 및 수질측정 자료를 이용하여 실시하였다 . 광주천의 유하거리별 보정결과는 Fig. 3.23~ Fig. 3.25 에 나타내었으며 예측된 BOD, T-N, T-P 값과 실측된 값의 비교에서 상관계수 값이 각각 0.99, 0.96, 0.98 로 실측치와 유사하게 나타나 , 좋은 검증 결과를 나타냈다 .

QUALKO 모델 결과 조회

광주천 수질은 현재 유량을 유지하고 광주천 내의 관거를 정비하는 경우 하천전체에서 3mg/L 이하로 Ⅱ등급의 수질을 만족하였다 . 고도처리수의 하천유지 용수공급의 대안 2 는 하천 전체 구간에서 Ⅲ등급의 수질을 만족하였으나 , 영산강 합류전 0.5km 지점 ( 그래프 12km 지점 , 광주골프장 앞 ) 에서 Ⅴ등급의 수질로 나타났다 . 반면 고도처리수의 하천유지 용수공급과 관거 정비의 대안 3 은 하천 대부분의 구간에서 Ⅲ등급의 수질을 만족할 것으로 나타났다 . 또한 여과처리를 더한 경우의 대안 4 는 거의 대부분의 구간에서 Ⅱ등급의 수질을 만족하나 영산강 합류전 2.5km 지점 ( 그래프 10km 지점 , 광주시청 앞 ) 에서 Ⅲ등급수준의 수질로 예상되었고 , 영산강 합류전 0.5km 지점에서 Ⅳ등급 수준으로 떨어졌다 . 반면 , 관거 정비 대안을 더한 대안 5 의 결과는 하천 대부분 지점에서 Ⅱ등급 정도의 수준을 유지 할 수 있을 것으로 나타났다 . 따라서 모델링 예측결과를 통하여 광주천 수질을 개선하기 위해서는 광주천 양안 , 특히 상무지구의 하수관거를 정비하여 광주천으로의 하수 유입이 되지 않도록 하는 것이 바람직할 것으로 판단된다 .

6. 수질모델링 결과