환경공학과 20041842 채형준

1. (H.W. 2008/5/29)QUALKO에 관련된 보고서, 논문 등을 인터넷에서 검색하여 QUALKO 모형에 대하여 이론, 수치해석, 모델링 방법, 적용예, 특히, 오염총량제 관련 적용 예에 대하여 조사하여 제출하라. 환경공학과 20041842 채형준

2. 1. 이론 QUALKO 모델은 bottle BOD의 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. Table2.2에서 QUALKO모델의 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

3. 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, BOD를 CBOD로입력하므로 bottle BOD의 개념이 결여되어 있다. 즉, 모의항목을 CBOD로 입력하면 수체내 CBOD의 분해에 따른 산소소모량만 계산된다. 그러나 국내에서 측정되는 BOD5는 5일간 bottle내에서 일어나는 산소소모량의 총량을 의미하며, 이에는 bottle에 포함되어 있는 비생물성 CBOD뿐만 아니라 조류의 내생호흡에 의한 산소소모량과 질산화에 의한 산소소모량도 포함된다. 한편, 수체 내에서의 Org-N과 Org-P는 수중의 비생물성 물질과 조류와 같은 생물성 물질로 존재하게 되는데, 조류는 호흡과 사멸을 통해 Org-N과 NH4-N의 형태로 수중으로 순환된다. 그러나 QUAL2E 모델에서는 비생물성 물질과 생물성 물질이 포함된 Org-N과 NH4-N으로 측정치를 입력한 경우 조류의 호흡과사멸을 통해 수중으로 순환되는 Org-N과 NH4-N이 중복되는 모의를 하게 되며,결과적으로 BOD값에도 영향을 미치게 되므로, QUALKO 모델에서는 측정치를 입력할 경우 비생물성 물질과 생물성 물질이 내부적으로 구분되어 모의함으로써 이와 같은 비합리성을 개선하였다. QUALKO는 QUAL2E의 모형과 같이 대상수계의 전체 유하거리를 따라 동일 한 수리 및 수질특성을 갖는 수역들을 크게 m개의 구간(Reach)으로 나누고, 각구간은 다시 실제로 계산이 이루어지는 n개의 소구간으로 나누어 수질농도를 요소별로 계산하는 방법을 이용하고 있다. 소구간 요소는 Table 2.3과 같이 구성된다.

4. 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.

5. 2. 수리학적 입력계수 수리학적 입력계수는 QUALKO 모형을 구성하는 기본방정식인 1차원 이류-확산 물질이동방정식(1-Dimensional Advection-Dispersion Mass TransportEquation)을 이용하여 물질수지를 계산하는데 필요하다. 수리입력계수의 산정은 각 지점별로 유속과 유량을 산정하여 동일 구간내에서의 수심-유량관 계, 유속-유량관계를 회귀분석에 의하여 구간(Reach)별로 수심-유량계수와 유속-유량계수를 산정한다. 여기서, a와 b는 유속-유량계수이며, α와 β는 수심-유량계수이다. 광주천의유량계수는 Table 3.15에 보여진다.

6. 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 4개 하도구간(Reach)으로 구분하고, 하도구간 내에서 모델링의 최소구간 0.5km로 세분화시켜 26개의 소구간(Element)으로 나누었다. Fig. 3.19에서는 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.

7. 4. 입력문 1. Title06~Title13 - QUALKO2에서 수온이외의 항목을 모의하고자 하는 경우에는 수온, BOD(또는 TOC), 조류, 인, 질소, 용존산소에 대한 모의 선택을 모두 YES로 하여야 한다. 2. TITLE07 1) 입력문의 입력농도가 BOD5라면 TITLE07 YES 5-D.............................로 입력한다. 2) 입력문의 입력농도가 TOC라면 TITLE07 YES TOC.............................로 입력한다. 3) 입력문의 입력농도가 CBOD라면 TITLE07 YES ................................로 입력한다. 3. DATA1 FIXED DNSTM CONC (YES=1)= 0. 5D-CBOD CONV (KBOD) = 0.09 ※ KBOD 값은 QUAL2E에서나 QUALKO2에서 모두 TITLE07에 5-D로 입력되었을 경우에만 이용된다. 4. DATA1A N CONTENT OF ALGAE (MG N/MG A) = 0.060 P CONTENT OF ALGAE (MG O/MG A) = 0.006 DENITRIFICATION RATE (1/DAY)= 0.09 DO CONSTANT FOR DENITRI. (MG/L)= 0.1

8. 6. DATA6 REACT COEF RCH= 1. 0.06 0.01 1.0 3. 0 0 0 7. DATA6A N AND P COEF RCH= 1. 0.05 0.01 0.05 0. 1.0 0.25 0.01 0. 8. DATA6B ALG/OTHER COEF RCH= 1.0 10.0 0.01 0.80 9. BOD5, CBOD, TOC 농도 INITIAL COND-1 RCH= 1. 0 0 0 0 0 0 0 0 INCR INFLOW-1 RCH= 1. 0 0 0 0 0 0 0 0 HEADWTR-1 HDW= 1.0 충주 106.12 8.5 12.40.930 0 0 POINTLD-1 PTL= 1 충주댐하류A 0 0.16 17.0 10.5 1.72 10. 유기성 질소, 유기성 인, 특정 KBOD INITIAL COND-2 RCH= 1. 0 0 0 0 0 0 0 INCR INFLOW-2 RCH= 1. 0 1.321 0.581 0.000 2.315 0.052 0.020 0.200 HEADWTR- 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

9. 5. QUALKO 모델의 보정 및 검증 (예 : 광주천) QUALKO 모델 수행을 위해서는 각각의 입력 자료에 대한 반응계수 값들이 필요하며 이들 반응계수 값의 범위는 User Manual에 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 1차 1회 조사의 유량 및 수질측정 자료를 이용하여 실시하였다. 또한, QUALKO 모델에서 입력되는 수리학적 입력계수 값은 Table 3.15에 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 2차 1회 조사의 유량 및 수질측정 자료를 이용하여 실시하였다. 광주천의 유하거리별 보정결과는 Fig. 3.23~ Fig. 3.25에 나타내었으며 예측된 BOD, T-N, T-P값과 실측된 값의 비교에서 상관계수 값이 각각 0.99, 0.96, 0.98로 실측치와 유사하게 나타나, 좋은 검증 결과를 나타냈다.

13. QUALKO 모델 결과 조회

14. 6. 수질모델링 결과 광주천 수질은 현재 유량을 유지하고 광주천 내의 관거를 정비하는 경우 하천전체에서 3mg/L이하로 Ⅱ등급의 수질을 만족하였다. 고도처리수의 하천유지 용수공급의 대안 2는 하천 전체 구간에서 Ⅲ등급의 수질을 만족하였으나, 영산강 합류전 0.5km지점(그래프 12km지점, 광주골프장 앞)에서 Ⅴ등급의 수질로 나타났다. 반면 고도처리수의 하천유지 용수공급과 관거 정비의 대안 3은 하천 대부분의 구간에서 Ⅲ등급의 수질을 만족할 것으로 나타났다. 또한 여과처리를 더한 경우의 대안 4는 거의 대부분의 구간에서 Ⅱ등급의 수질을 만족하나 영산강 합류전 2.5km지점(그래프 10km지점, 광주시청 앞)에서 Ⅲ등급수준의 수질로 예상되었고, 영산강 합류전 0.5km지점에서 Ⅳ등급 수준으로 떨어졌다. 반면, 관거 정비 대안을 더한 대안 5의 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.