introduction to the water quality analysis modeling system ( 수질분석모델링 시스템 소개...

WASP 7 Course

Introduction to the Water Quality Introduction to the Water Quality Analysis Modeling SystemAnalysis Modeling System

(( 수질분석모델링 시스템 소개수질분석모델링 시스템 소개 ))

학과 학과 : : 환경공학과환경공학과학번 학번 : 20041475: 20041475

이름 이름 : : 전창영전창영

Watershed & Water Quality Modeling Technical Support CenterWatershed & Water Quality Modeling Technical Support Center

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US EPA DisclaimerUS EPA Disclaimer(US EPA(US EPA 의 거절의 거절 ))

Although this work was reviewed by EPA and approved for Although this work was reviewed by EPA and approved for presentation, it may not necessarily reflect official Agency presentation, it may not necessarily reflect official Agency policy. (policy. ( 이 작업이 이 작업이 EPAEPA 에 의해 리뷰되고 그 발표가 에 의해 리뷰되고 그 발표가 승인되었을 지라도 공인기관정책에 반영되는 것은 필요치 승인되었을 지라도 공인기관정책에 반영되는 것은 필요치 않을 지도 모른다않을 지도 모른다 .).)

Mention of trade names or commercial products does not Mention of trade names or commercial products does not constitute endorsement or recommendation for use. (constitute endorsement or recommendation for use. (상업이름 혹은 상업적 생산의 언급은 사용을 위한 상업이름 혹은 상업적 생산의 언급은 사용을 위한 승인이나 추천을 구성하지 않는다승인이나 추천을 구성하지 않는다 . ). )


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Course Objectives(Course Objectives( 목차과정목차과정 ))• Modeling Principles(Modeling Principles( 모델링 원리모델링 원리 ))• Modeling Theory(Modeling Theory( 모델링 이론모델링 이론 ))

– Processes in WASP(WASP 과정 )– Limitations of process descriptions( 설명과정의 한계 )

• Modeling Practice(Modeling Practice( 모델링 실행모델링 실행 ))– Using the WASP Interface(WASP 인터페이스 사용 )– Using WASP for real-world problems( 실제 세계적

문제를 위한 WASP 사용 )• Case Study Applications of WASP(WASP 의 연구 이용 사

례 )• Discussion of Data Needs( 데이터 필요의 토론 )


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Basic Principle of Mechanistic ModelsBasic Principle of Mechanistic Models(( 기계론 모델의 기본적원리기계론 모델의 기본적원리 ))

• Laws of Conservation(Laws of Conservation( 원리보존원리보존 ))– Conservative properties are those that are not gained or lost

through ordinary reactions. Therefore we can account for any change by simply keeping track of all those processes that can cause change( 보존특성은 다음과 같다 . 보통의 반응에서 잃거나 생성되지 않는다 . 그러므로 우리는 변화에 의한 모든 과정의 간단한 유지되는 연속에 의한 어떠한 변화를 계산할 수 있다 . )

• Examples of conservative properties(Examples of conservative properties( 보존특성의 예보존특성의 예 ))– Mass (water mass, constituent mass)( 질량 ( 물질량 , 성분질량 ))– Momentum( 운동량 )– Heat( 열 )


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Control Volume

z y

x

SinksandSourcesz

CE

zz

CU

y

CE

yy

CU

x

CE

xx

CU

t

Cz

zy

yx

x

Three Dimensional Transport EquationThree Dimensional Transport Equation(3(3 차원 이동 방정식차원 이동 방정식 ))


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Box Model ApproachBox Model Approach(( 박스모델접근법박스모델접근법 ))

• Numerical solution allows greater flexibility as to Numerical solution allows greater flexibility as to processes considered (i.e. eutrophication, toxics, etc.)processes considered (i.e. eutrophication, toxics, etc.)(( 수치적 풀이는 고려되어지는 과정에 대하여 더 수치적 풀이는 고려되어지는 과정에 대하여 더 융통성이 있다고 인정된다융통성이 있다고 인정된다 .(.( 즉즉 , , 부영양화부영양화 , , 독성물질 독성물질 등등 ) )) )

• Allows greater flexibility as to segmentation(Allows greater flexibility as to segmentation( 분활에 분활에 관하여 더 융통성 있음이 인정된다관하여 더 융통성 있음이 인정된다 .).)

• Flows and mixing coefficients are obtained from(Flows and mixing coefficients are obtained from( 유량과 유량과 혼합능은 다음으로 부터 얻는다혼합능은 다음으로 부터 얻는다 .).)– Field data( 멤버변수 )– Hydrodynamic models (which produce output that can

be read by WASP)( 수리학모델 ( 이는 WASP 에 의해 읽을 수 있는 출력물로 생산된다 .))


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Box Modeling ApproachBox Modeling Approach(( 박스모델접근법박스모델접근법 ))

• Boxes(Boxes( 박스박스 ))– The boxes have no defined shape, so can be fit to

any morphometry( 박스는 모양이 정해지지 않았다 . 그래서 어느형태로에서도 맞춰질 수 있다 .)

– The boxes can be “stacked” so the approach can be applied to 0 dimensions (1 box) or 1, 2 or three dimensional systems ( 박스는 쌓여져 있다 . 그래서 그 접근법은 0 차원 , 1,2,3 차원시스템으로 적용할수 있다 .)


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WASPWASPInputInput

BMDBMDEutrophicationEutrophication

Conservative Conservative ToxicantToxicant

MOVEMMOVEM

StoredStoredDataData

Hydro Hydro

Model Preprocessor/Data Server

MercuryMercury

Binary Model Output

Graphical Post Processor

ModelsHydrodynamicInterface

Expor

ted

Mod

el R

esul

ts

Messages

WASP Modeling FrameworkWASP Modeling Framework(WASP(WASP 모델링 구조모델링 구조 ))

CSV, ASCII Output

Organic Organic ToxicantsToxicants

HeatHeat

Binary Wasp Input File (wif)


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WASP7 Water Quality ModulesWASP7 Water Quality Modules(WASP7 (WASP7 수질법칙수질법칙 ))

• Eutrophication (eutro.dll)(Eutrophication (eutro.dll)( 부영양화부영양화 ))– DO, BOD, nutrients, phytoplankton, periphyton(DO, BOD, 영양분 ,

식물성플랑크톤 , 부착생물 )• Simple Toxicant (toxi.dll)(Simple Toxicant (toxi.dll)( 간단한 독성물질간단한 독성물질 ))

– Partitioning and first order decay( 분할과 1 차 부패 )– Simple metal or organic chemical, solids( 간단한 금속이나 유기화학물 , 고형물 )

• Non-Ionic Organic Toxicants (toxi.dll)(Non-Ionic Organic Toxicants (toxi.dll)( 비이온 유기물 독성물질비이온 유기물 독성물질 ))– Detailed fate processes, reaction products, solids( 종말의 상세한 과정 , 반응 생

산 , 고형물 )• Organic Toxicants (toxi.dll)(Organic Toxicants (toxi.dll)( 유기 독성물질유기 독성물질 ))

– Detailed fate processes, ionization, reaction products, solids( 종말의 상세한과정 , 비이온화 , 반응물질 , 고형물 )

• Mercury (mercury.dll), Mercury (mercury.dll), slightly altered from toxi.dll(slightly altered from toxi.dll( 수은수은 , , 독성이 약간 변환된 독성이 약간 변환된 독성물질 독성물질 ))

– Hg0, HgII, MeHg, solids

• HEAT (heat.dll)(HEAT (heat.dll)( 열열 ))– full/equilibrium heat balance + pathogens( 병원균 )


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WASP Structure(WASP WASP Structure(WASP 구조구조 ))

WASPTransport

Bookkeeping

WASPTransport

Bookkeeping

KineticsKineticsKineticsKinetics

Organic Chemical ModelEutrophication Model

Mercury Model( 유기 화학물 모델 ,

부영양화모델 , 수은모델 )


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WASP Terminology(WASPWASP Terminology(WASP 용용어어 ))

1 2 3 4 5 6 Segments( 성분 )

Systems (i.e., State Variables( 변화상태 ))NH3NO3DO

BODChla

OPO4

Calculated Variables( 계산된 값 )BOD Decay Rate(BOD 부패율 )

Growth Rate( 성장율 ), etc.


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WASP Systems: WASP Systems: Conventional Water Quality ModulesConventional Water Quality Modules

(( 전통적인 수질모듈전통적인 수질모듈 ))• EUTROEUTRO

– Dissolved oxygen– CBOD (three forms)– Phytoplankton – Periphyton– Detritus (C, N, P)– Dissolved organic nitrogen– Ammonia/ammonium– Nitrate– Dissolved organic phosphorus– Orthophosphate– Salinity– Solids– Sediment Diagenesis

• HEATHEAT– Temperature– Salinity– Coliform– Conservative 1 and 2


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WASP Systems: Toxicant ModulesWASP Systems: Toxicant Modules(( 독성물질모듈독성물질모듈 ))

• Simple ToxicantSimple Toxicant– Chemical– Silts/Fines– Sands– Biotic solids

• Organic Toxicants Organic Toxicants (both non-ionizing and (both non-ionizing and ionizing)ionizing)– Chemical 1– Chemical 2– Chemical 3– Silts/Fines– Sands– Biotic solids

• MercuryMercury– Elemental, Hg0– Divalent, HgII– Methyl, MeHg– Silts/Fines– Sands– Biotic solids


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Potential WASP Time ScalesPotential WASP Time Scales(( 전위의 전위의 WASPWASP 시간 크기시간 크기 ))

• SteadySteady• SeasonalSeasonal• MonthlyMonthly• Daily/HourlyDaily/Hourly


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WASP Advantages and FeaturesWASP Advantages and Features(WASP(WASP 의 이점과 특성의 이점과 특성 ))

• Network Flexibility(networkNetwork Flexibility(network 의 융통성의 융통성 ))– Applicable to most water body types at some level of complexity( 복잡한

수준의 물의 상태에 대부분 사용할 수 있다 .)• Most Water Quality Problems(Most Water Quality Problems( 대부분 수질문제점대부분 수질문제점 ))

– Conventional Water Quality: DO, eutrophication, heat( 전통적수질 :DO, 부영양화 , 열 )

– Toxicant Fate: organics, simple metals, mercury( 독성물질 종말 : 유기물 , 약간의 금성물질 , 수은 )

• Separation of Processes(Separation of Processes( 과정의 분류과정의 분류 ))– Transport( 이동 )– Kinetics( 동역학 )

• External Links to Models and Spreadsheets(External Links to Models and Spreadsheets( 모델과 스프레드시트의 모델과 스프레드시트의 내부의 연결내부의 연결 ))

• Two Solution Techniques(Two Solution Techniques( 두가지의 기술적 해결두가지의 기술적 해결 ))– Simple/Quick – Euler( 간단하고 빠름 - 오일러 )– Complex/Flux Limiting – COSMIC( 복잡하고 유동성의 한계 - 코스믹 )


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WASPWASP

Loading ModelsSWMMHSPFLSPCNPSMPRZMGBMM

Hydrodynamic ModelsEFDC

DYNHYDEPD-RIV1

SWMM

BioaccumulationBASSFCM-2

External Spreadsheets

ASCII FilesWindows Clipboard

WASP External LinkagesWASP External Linkages(WASP (WASP 내부 연결내부 연결 ))


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WASP Limitations(WASPWASP Limitations(WASP 의 한계의 한계점점 ))

• Does not handle some variables and processes(Does not handle some variables and processes( 몇몇의 변하기 몇몇의 변하기 쉬운것과 과정을 다루지 못한다쉬운것과 과정을 다루지 못한다 . ):. ):– Mixing zone processes( 혼합지에서 과정 )– Non aqueous phase liquids (e.g., oil spills)( 물이 아닌 액체 )– Segment drying (mudflats, flood plains)( 건조된 부분 )– Metals speciation reactions (special module, META4, not part of general

WASP release)( 금속 종형성반응 )• Potentially large external hydrodynamic files(Potentially large external hydrodynamic files( 잠재적인 큰 내부의 잠재적인 큰 내부의

수리학의 파일수리학의 파일 ))• Separate eutrophication and toxicant fate modules(Separate eutrophication and toxicant fate modules( 부영양화와 부영양화와

독성물질의 종말모듈의 분류독성물질의 종말모듈의 분류 ))• Cannot readily be run in batch mode (Cannot readily be run in batch mode ( 혼합모드에서 실행되는 혼합모드에서 실행되는

빠른것빠른것 ))– Automatic calibration programs( 자동 측정 프로그램 )– Monte Carlo programs( 몬테 카를로 프로그램 )


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WASP is a Variable Complexity Modeling SystemWASP is a Variable Complexity Modeling System(WASP(WASP 의 다양한 복잡성 모델링시스템의 다양한 복잡성 모델링시스템 ))

• When building a water body model, adjust When building a water body model, adjust complexity to match the problem.(complexity to match the problem.(수체모델을 형성할때수체모델을 형성할때 , , 그 문제에 적합한 그 문제에 적합한 복잡성에 적응한다복잡성에 적응한다 .).)– More Complex Aquatic Systems( 더 복잡한

수중시스템 )– More Complex Chemical Behavior( 더 복잡한

화학적 행동 )– More Complex Management Questions( 더

복잡한 관리문제 )


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Development of Complexity in Development of Complexity in Water Quality Modeling ApplicationsWater Quality Modeling Applications

(( 수질모델링을 적용한 발달된 복잡성수질모델링을 적용한 발달된 복잡성 ))

Dominic Di Toro

A model is more like a

than a


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Iterative Model Development ProcessIterative Model Development Process(( 발달과정의 내부모델발달과정의 내부모델 ))

General Conceptual Model

Site-SpecificConceptual Model

Initial ScreeningMathematical Model

(usually simple)

Evolving Operational Mathematical Model

(usually more complex)

Available Data

(Preliminary Data Collection)

Project Data Collection

Model evaluation,Post-audit data


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How Complex Should Final Computational Model Be?How Complex Should Final Computational Model Be?(( 어떻게 복잡함을 최종적으로 계산할수 있을까어떻게 복잡함을 최종적으로 계산할수 있을까 ? )? )

• Proper model complexity is driven by(Proper model complexity is driven by( 적적한 모델의 복잡성은 다음에 의해 적적한 모델의 복잡성은 다음에 의해 조정된다조정된다 .):.):– The complexity of the environmental system.( 환경적시스템의 복잡성 )– The complexity of the pollutants of concern.( 염려되는 오염물의 복잡성 )– The management questions and related need for accuracy.( 관리질문과 관련된

정확성을 위한 필요 )• Consequences for overly simple model: (Consequences for overly simple model: ( 아주 간단한 모델의 결과아주 간단한 모델의 결과 ))

– Miss key processes and extrapolate inaccurately. ( 잘못된 해답 과정과 부정확환 외삽법 )

– May not address relevant management questions.( 관련된 관리질문에 어드레스 하지 못할지도 모른다 . )

– May not be defensible to adversarial review.( 적대관계에 있는 것을 리뷰하기에 방어하지 못할지도 모른다 .)

– Insufficiently adaptable to changing management requirements.( 관리의 필요함을 변화시킬 불충분한 융통성 )

• Consequences for overly complex model: (Consequences for overly complex model: ( 아주 복잡한 모델의 결과아주 복잡한 모델의 결과 ))– Adds unnecessary data collection and computational burdens. ( 불필요한

데이타수집과 계산적인 유해물질을 첨가 ) – Adds to uncertainty.( 불확실함 첨가 )– Shifts focus away from problem solutions to endless analysis.( 용액의 문제에서

분석의 끝으로 중점을 변환시킨다 .)


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Management-Related Questions Requiring More Complex Management-Related Questions Requiring More Complex ModelsModels

(( 더 복잡한 모델에서 필요로하는 관리더 복잡한 모델에서 필요로하는 관리 -- 관련된 질문관련된 질문 ))

• What are the spatial and temporal distributions of target pollutants (particularly What are the spatial and temporal distributions of target pollutants (particularly in mixed-media environments) under various management scenarios?(in mixed-media environments) under various management scenarios?( 다양한 다양한 관리 시나리오에서 오염물질의 타겟의 공간과 시간의 분배는 무인가관리 시나리오에서 오염물질의 타겟의 공간과 시간의 분배는 무인가 ?(?( 특히특히 , , 혼합오염물질에서혼합오염물질에서 ))))

• What are the relative contributions of various sources of pollutants over time?What are the relative contributions of various sources of pollutants over time?(( 무엇이 다양한 시간을 넘는 오염물질의 원인에 관련된 기여인가무엇이 다양한 시간을 넘는 오염물질의 원인에 관련된 기여인가 ?)?)

• What are the likely pollutant attenuation trajectories and times to recovery What are the likely pollutant attenuation trajectories and times to recovery under various management scenarios?(under various management scenarios?( 다양한 관리 시나리오에서 회복하기 다양한 관리 시나리오에서 회복하기 위한 오염물질의 희석탄도와 시간은 무엇인가위한 오염물질의 희석탄도와 시간은 무엇인가 ?)?)

• What are the relative effects of transient or extreme events, such as spills or What are the relative effects of transient or extreme events, such as spills or storms?(storms?( 파편과 파란과 같은 과도현상이나 극심한 사건의 영향과 관련있는 파편과 파란과 같은 과도현상이나 극심한 사건의 영향과 관련있는 것은 무엇인가것은 무엇인가 ? )? )

• What are the possible effects of poorly understood environmental events?(What are the possible effects of poorly understood environmental events?(환경적인 사건에서 서툴게 나마 이해할때가능한 영향은 무엇인가환경적인 사건에서 서툴게 나마 이해할때가능한 영향은 무엇인가 ? )? )


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Goal of Model ComplexityGoal of Model Complexity(( 복잡성모델의 목표복잡성모델의 목표 ))

Albert Einstein

“Make things as simple as possible, but not any simpler.”

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