환경공학과20060153

정호준

QUALKO 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 .

체 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 됨

결과적으로 BOD 값에도 영향을 미치게 되므로 , QUALKO 모델에서는 측정치를 입력할 경우 비생물성 물질과 생물성 물질이 내부적으로 구분되어 모의함으로써 이와 같은 비합리성을 개선하였다 .

주 )1) 측정치 입력시 내부계산으로 분리2) 측정치로부터 환산 후 분리하여 입려3) 수중의 비생물성 탄소성 BOD, 조류의 호흡 및 분해과정의 탄소성 BOD, 조류기 원성 및 비생물성 유기질소의 분해 , 조류기원성 및 비생물성 암모니아성 질소의 질산화 , 아질산화성질소의 질산화를 모두 고려4) 실험실 측정 자료인 BOD 의 개념이 없어 5 일간 배양과정의 조류호흡 및 분해과정의 탄소성 BOD 와 질소성 BOD 및 조류 이외의 수중 질소의 질산화에 따른 BOD 가 미고려5) 수중의 비생물성 탄소성 BOD, 조류의 호흡 및 분해과정의 탄소성 BOD, 암모니아성 질소의질산화만 고려6) 산화성 무기물의 함량이 많을 때 적용 불가

수리 및 수질특성을 갖는 수역들을 크게 m개의 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 .

QUALKO 모델을 선정하여 광주천의 오염물질 유입에 따른 항목별 BOD, T-N, T-P 의 수질변화를 예측하였으며 . 여러 대안을 설정하여 대안에 따른 수질변화를 예측하였다 .

수리학적 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 .

수질모델링이 수행되기 위해서는 모델의 입력형태에 맞는 구간설정이 우선 결정되어야 한다 .

따라서 본 연구에서 사용된 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 .

본 논문에서는 증심사천이 합류되는 상류에서 영산강이 합류되기 0.5 ㎞전까지 모형을 적용하였다 . Fig. 3.19에서는 수질모델링 수행을 위해 설정된 구간별 특성을 도식화 한 것이다 . HeadWater 지점을 기준으로 26 개의 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 .

수치해석 1. QUALKO2 의 수치해석은 QUAL2E

에서의 음함수법 (implicit method), 후방차분 (backward difference), 전진소거(forward elimination), 후방대입 (backward substitution) 의 방법을 그대로 따른다 .

2. Reach, Junction, Headwater, Point load 수에 대한 제원은 제한을 받지 않을 정도로 충분히 크다 .

1. 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 라면 TITLE07 YES 5-D............................. 로 입력한다 . 2) 입력문의 입력농도가 TOC 라면 TITLE07 YES TOC............................. 로 입력한다 . 3) 입력문의 입력농도가 CBOD 라면 TITLE07 YES ................................ 로 입력한다 .

3. DATA1 FIXED DNSTM CONC (YES=1)= 0. 5D-CBOD

CONV (KBOD) = 0.09 ※ KBOD 값은 QUAL2E 에서나 QUALKO2

에서 모두 TITLE07 에 5-D 로 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

5. DATA5 HYDRAULICS RCH= 1. 600. 0.1857 0.3290

0.2691 0.3696 0.033

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 12.4

0.93 0 0 0 POINTLD-1 PTL= 1 충주댐하류 A 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

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 문에서 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. 3.22 에 나타내었다 . 광주천의 예측된 BOD, T-N, T-P 값은 실측된 값과 비교하는 매개변수 보정과정에서 상관계수 값은 각각 0.99, 0.96, 0.98 로 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. 3.25에 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 .