환경시스템분석 기말 6 번

환경시스템분석 기말 6 번환경공학과 20041483 천대길

WASP 및 MFEMWASP 모형의 원리 , 수치해석방법 , 파라미터 , 입력자료 등을 설명하고 프로그램을 예제문제를 이용하여 운영한 다음 결과를 분석하라 .

WASP 은 Di Toro 등에 의해서 1983 년 처음으로 개발되었으며 1988 년에는 WASP4 로 발전하였고 , 1993 년 WASP5 가 만들어지면서 하천 , 호수 , 하천의 하구 및 해안에서 광범위하게 적용되고 있다 .

2001 년에는 기존의 DOS 환경의 WASP5 를 윈도우환경에서 사용할 수 있도록 한 WASP6 가 개발되었다 .

WASP6 모델은 자연현상과 인간의 활동으로 발생하는 다양한 오염물질에 대한 수질의 예측 및 해석이 가능하며 , 수체와 저니층의 수질을 모의 할 수 있는 유동구 획모형이며 유동 , 확산 , 점오염원과 경계조건의 시간에 따른 변화를 고려 할 수 있다 .

WASP6 는 두 개의 독자적인프로그램인 DYNHYD5 와 WASP6 로 이루어져있으며 두 개의 프로그램을 연결하거나 분리해서 모의를 할 수 있다 .

WASP 는 다시 부영양화를 모의 할 수 있는 EUTRO5 와 독성물질등 보존성물질을 모의하는

TOXI5 로 구성되어 있다 .

EUTRO5 모델에서 고려되는 수질인자는 그림에 나타난바와 같이 모두 8 개항목으로 NH3-N, NO3-N, PO4-P, Chl-a, CBOD, DO, Organic-N, Organic-P 등으로 구성되어 있다 . WASP6 는 수체를 4 개의종류 , 즉표층 (Epilimnion;1), 저층 (Hypolimnion;2), 저니상층 (Upper Benthic Layer;3), 저니하층 (Lower BenthicLayer;4) 으로 나누어 모의한다 . 수체내의 수질항목에 대한 물질 수지식은 확산 유동생화학적 변환 , 외부로부터의 부하 등이 고려되어진다 .3 차원에 대한 물질수지식은 다음과 같다 .

3 차원 물질수지식

TOXI5 모델은 수층 영역과 저니층 영역에서 화학물질의 분해와 고형물질에의 흡착을 모의함으로써 독성물질의 이동과 경향예측을 위해 사용될 수 있으며 , 모의항목은 총 6 개 항목으로 3 종의 화학물질에 대한 변화와 3 종의 고형물질에 대한 이동현상을 모의할 수 있으며 , 각각의 항목은 모델 사용자가 정의하여 사용할 수 있다 .

WASP6 의 입력 자료는 총 10 개의 그룹으로 나누어져 있으며 , 각 그룹에 대한 입력자료는다음과 같다 .

․Data Group A(Model Identification and Simulation Control) : 모델의 설명과소구간의개수 , 모의 수질항목의 개수 , 모의 시간간격 및 출력시간 간격에 대한 정보를 입력한다 .

․Data Group B(Exchange Coefficients) : 소구간별 수직및수평확산에대한정보를입력한다 .

․Data Group C(Volumes) : 소구간의 초기부피와 형태를 입력한다 . ․Data Group D(Flows) : 소구간의 유량흐름 및 물질 이동정보를 입력한다 . ․Data Group E(BoundaryConditions) : 모의하는 각수질항목에 대한경계농도를

입력한다 . ․Data Group F(Waste Loads) : 점오염원 및 비점오염원의 유입에 대한정보를 입력한다 . ․Data Group G(Environmental Parameters) : 각 소구간의 공간적으로 변화되는

환경적특성 자료를 입력한다 . ․Data Group H(Chemical Constants) : 모의 수질 항목별 반응 계수 등을 입력한다 . ․Data Group I(Time Functions) : 각소구간의 시계열변수값을 입력한다 . ․Data Group J(Initial Conditions) : 소구간 별 모의항목에 대한 초기농도값을 입력한다 . ․WASP6 수질모형에 대한 모의 항목을 나타내는 구성도이다 .

WASP5 수질모형의 모의 항목

다음은 WASP6 수질모형을 이용하여 시범연구수체인 대청호수계에 적용한 소구간 구분도를나타내고 있다 . 본 모형은 유럽의여타수계에 대해서도 적용이 가능하며 , TEIN 을 통하여 입력자료를 전송받은 후 모델링 과정이 수행되며 , 모델링 결과 파일이 덴마크에 전송하는 방법으로 운영된다 .

WASP5 모형의 초기화면 다음의 화면은 시범 모형으로 선정되어 네트워크 모델에 적용된

도스기반의 WASP6 의초기화면및 실행과정을 나타내고 있다 .

WASP5 모형의 입력 자료 선택 화면

WASP5 모형의 실행 화면

WASP5 모델의 수행 결과

WASP7 다음 화면은 당해연도 WASP7 수질 모델이다 . 1 차년도에는 도스기반의 WASP6 에 대한 네트워크

모델처리만을 수행하였으나 , 당해년도에는 WASP7 의 입력자료에 대한 모델 처리가 가능토록 TEIN 응용 애플리케이션을 보완하였으며 , 좀 더 상세한 제어가 가능하도록 작업을 수행하였다 .

위그림은 WASP7 수질모형을 이용하여 대청호 수계에적용한측정항목에 대한 예측값을나타내고 있다 . WASP7 수질 모델 또한유럽의여타 수계에 대해서도 적용이 가능하며 , TEIN 을 통하여 입력자료를 전송 받은 후 모델링 과정이 수행된다 .

WASP7 모델의 수행 화면

WASP7 모델의 수행 결과

기존의 사용되었던 수질관리모형인 기존의 사용되었던 수질관리모형인 FEMWASP FEMWASP 모형을 전면 수정 하여 만들어진 예측 모형이다모형을 전면 수정 하여 만들어진 예측 모형이다 .. 1. 1. 성층화 현상을 해석할 수 있는 기능이 추가성층화 현상을 해석할 수 있는 기능이 추가 .. 2. 2. 필요에 따라 필요에 따라 123123 차원으로 선택하여 해석할 수 있는 차원으로 선택하여 해석할 수 있는

33 차원 모형으로 개발차원 모형으로 개발 .. 3. 3. 여러 기종의 컴퓨터에서 전산모형의 효용성 및 여러 기종의 컴퓨터에서 전산모형의 효용성 및

운반성을 증대하기 위하여운반성을 증대하기 위하여 , , 프로그램의 구성은 다음과 프로그램의 구성은 다음과 같은 점을 고려하여 유한요소법을 채택같은 점을 고려하여 유한요소법을 채택 . .

4. 4. 프로그램의 구조를 고도로 모듈화하여 시스템간 프로그램의 구조를 고도로 모듈화하여 시스템간 이식성을 높임이식성을 높임 ..

웹 기반에서 실행되는 웹 기반에서 실행되는 MFEMWASP MFEMWASP 모형은 모형은 4040 개 개

이상의 입력변수가 필요하지만 많은 이상의 입력변수가 필요하지만 많은

사용가비모형전문가인 업무담당자나 환경단체사용가비모형전문가인 업무담당자나 환경단체 , , 일반국민일 것으로 판단되어 모형입력자의 요소와 일반국민일 것으로 판단되어 모형입력자의 요소와

격자점격자점 , , 유속 및 모델링 항목에 대한 반응계수는 미리 유속 및 모델링 항목에 대한 반응계수는 미리

디폴트로 제공하였으며디폴트로 제공하였으며 , , 사용자는 의기간과 사용자는 의기간과

모의실험 조절자료모의실험 조절자료 , , 수질항목수질항목 , , 신규 오염원에 대한 신규 오염원에 대한

점오염원 부하량 등의 최소 입력자료만을 점오염원 부하량 등의 최소 입력자료만을

입력시키도록 하였다입력시키도록 하였다 . .

모형은 수치해석상 보다 발전된 다차원 유한요소법을 모형은 수치해석상 보다 발전된 다차원 유한요소법을

이용하였으며이용하였으며 , , 여타 수질예측모형의 수질 및 여타 수질예측모형의 수질 및

수치이론을 해석하고수치이론을 해석하고 , , 정확도 및 적용성 여부를 정확도 및 적용성 여부를

판단하여 개발된 모형이다판단하여 개발된 모형이다 .. 또한또한 , , 사각형 유한요소법을 사용함으로서 국내의 사각형 유한요소법을 사용함으로서 국내의

수계와 같이 복잡한 형상을 지니는 경우에도 수계와 같이 복잡한 형상을 지니는 경우에도

가변격자망을 사용하여 복잡한 지형을 표현할 수 있다가변격자망을 사용하여 복잡한 지형을 표현할 수 있다 . . 그리고 그리고 GISGIS 의 의 Polygon Polygon 자료 형태와 일치하므로 자료 형태와 일치하므로 GISGIS

와 연계시에도 유리하다는 장점을 지니고 있다와 연계시에도 유리하다는 장점을 지니고 있다 . .

다차원 모델링을 통한 다차원 모델링을 통한 MFEMWASP MFEMWASP 모형의 검증모형의 검증

전산모형의 검증은 다음과 같은 전산모형의 검증은 다음과 같은 44 가지 방법에 의해 가지 방법에 의해 수행될 수 있다수행될 수 있다 .. - - 수학적 해와 전산모형의 계산 결과의 비교수학적 해와 전산모형의 계산 결과의 비교 - - 실험 결과와 전산 모형의 계산 결과의 비교실험 결과와 전산 모형의 계산 결과의 비교 - - 현장의 실측치와 모델링 결과의 비교현장의 실측치와 모델링 결과의 비교 - - 다른 모형과 개발된 모형의 모델링 결과의 비교다른 모형과 개발된 모형의 모델링 결과의 비교 - 1- 1 차원문제에 대한 차원문제에 대한 11 차원차원 , 2, 2 차원차원 , 3, 3 차원 모델링 차원 모델링

결과 비교결과 비교

다차원 해석을 수행할 수 있는 전산모형의 다차원 해석을 수행할 수 있는 전산모형의 개발이 가능하였던 것은 수치해석방법으로 개발이 가능하였던 것은 수치해석방법으로 유한요소법을 사용하였기 때문이다유한요소법을 사용하였기 때문이다

유한요소법의 특징은 다음과 같다유한요소법의 특징은 다음과 같다 .. - - 편미분 방정식으로부터 공간을 독립적으로 해석할 수 편미분 방정식으로부터 공간을 독립적으로 해석할 수

있다있다 .. - - 일일 , , 이이 , , 삼차원 공간의 해석을 단계적으로 수행할 수 삼차원 공간의 해석을 단계적으로 수행할 수

있다있다 .. - - 공간 및 시간 도함수를 전체 방정식으로부터 분리할 공간 및 시간 도함수를 전체 방정식으로부터 분리할

수 있다수 있다 .. - - 파라미터를 분리할 수 있다파라미터를 분리할 수 있다 .. - - 이러한 분리된 모듈을 결합함으로서 여러 형태의 이러한 분리된 모듈을 결합함으로서 여러 형태의 편미분방정식을 해석할 수 있다편미분방정식을 해석할 수 있다 ..

- - 경계조건을 유한요소법으로 해석함으로서 삼차원 경계조건을 유한요소법으로 해석함으로서 삼차원 문제의 경계조건도 쉽게 해석한다문제의 경계조건도 쉽게 해석한다 ..

모형 검증을 위한 다차원 모델링 모형 검증을 위한 다차원 모델링

모형 검증을 위한 모형 검증을 위한 1․2․31․2․3 차원 모델링 결과차원 모델링 결과

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

1- dim.2- dim.3- dim.

MFEMWASP MFEMWASP 모형의 안정성 분석모형의 안정성 분석

반응계수에 의한 영향보다는 유속 및 확산에 의한 반응계수에 의한 영향보다는 유속 및 확산에 의한 이동이 지배적인 경우이동이 지배적인 경우 , , 수질관리 모형의 안정성에 수질관리 모형의 안정성에 상당히 영향을 미칠 수 있다상당히 영향을 미칠 수 있다 . . 따라서 이러한 따라서 이러한 파라미터에 의한 파라미터에 의한 MFEMWASP MFEMWASP 모형의 안정성 및 모형의 안정성 및 예민도를 평가하는 분석을 수행하였다예민도를 평가하는 분석을 수행하였다 ..

MFEMWASP MFEMWASP 모형의 확산 및 유속의 비에 대한 모형의 확산 및 유속의 비에 대한 모형의 해석능력은 가중계수모형의 해석능력은 가중계수 (Weighting Factor)(Weighting Factor) 에 에 따라서 좌우되고따라서 좌우되고 , , 적절한 가중계수의 선택이 적절한 가중계수의 선택이 중요하다중요하다 . . 따라서따라서 , , 유속에 의한 이동이 큰 경우유속에 의한 이동이 큰 경우 , , 확산에 의한 이동이 큰 경우확산에 의한 이동이 큰 경우 , , 중간의 경우 등에 대해 중간의 경우 등에 대해 가중계수를 변경하여 모형의 안정성을 검토하였다가중계수를 변경하여 모형의 안정성을 검토하였다 ..

검토한 내용검토한 내용

유속에 의한 이동이 매우 큰 경우유속에 의한 이동이 매우 큰 경우 (fw11, fw14)(fw11, fw14) 유속 유속 V=0.369m/day, V=0.369m/day, 확산계수 확산계수

D=0.0001725m2/dayD=0.0001725m2/day 확산에 의한 이동이 매우 큰 경우확산에 의한 이동이 매우 큰 경우 (fw12, fw15)(fw12, fw15)

유속 유속 V=0.369m/day, V=0.369m/day, 확산계수 확산계수 D=0.01725m2/dayD=0.01725m2/day

중간의 경우중간의 경우 (fw13, fw16)(fw13, fw16) 유속 유속 V=0.369m/day, V=0.369m/day, 확산계수 확산계수

D=0.001725m2/day D=0.001725m2/day

MFEMWASP MFEMWASP 모형의 안정성 검토에 사용된 가중계수모형의 안정성 검토에 사용된 가중계수

File Name Numerical MethodTime

Weighting Factor in FDM

Weighting Factor in FEM

fw11 Linear 2-Dim. FEM 0.5 0



fw14Upstream Weighted 2-Dim.

FEM0.67 -0.03


FEM0.67 -0.03


FEM0.67 -0.03

모형의 안정성 검토 결과모형의 안정성 검토 결과 , <, < 그림 그림 ⅠⅠ -3-5>-3-5> 에 나타난 에 나타난

바와 같이 대부분의 경우에서 안정된 해를 보이는 바와 같이 대부분의 경우에서 안정된 해를 보이는

것으로 나타났다것으로 나타났다 . . 다만다만 , , 유속의 의한 이동이 큰 유속의 의한 이동이 큰

경우에는 수치해가 진동하는 것을 볼 수 있는데경우에는 수치해가 진동하는 것을 볼 수 있는데

(fw11), (fw11), 이는 상부가중함수를 사용하여 안정된 해를 이는 상부가중함수를 사용하여 안정된 해를

구할 수 있는 것으로 나타났다구할 수 있는 것으로 나타났다 (fw14). (fw14). 또한또한 , , 모델링 모델링

결과와 수학적 해석해와 비교한 결과결과와 수학적 해석해와 비교한 결과 , , 매우 유사하게 매우 유사하게

일치하는 것으로 나타나 모형의 정확성을 검증할 수 일치하는 것으로 나타나 모형의 정확성을 검증할 수

있었다있었다 ..

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-5> -3-5> 모형의 안정성 검토 결과모형의 안정성 검토 결과

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00Distance

Con

cent

ratio

n fw11fw12fw13fw14fw15fw16

MFEMWASP MFEMWASP 모형을 이용한 현재 동강 모형을 이용한 현재 동강 수질의 재현수질의 재현

개발된 다차원 모형을 이용하여 정선군 개발된 다차원 모형을 이용하여 정선군 개발촉진지구의 사업시행 전개발촉진지구의 사업시행 전․․후의 수질 영향을 후의 수질 영향을 예측하기 위하여 예측하기 위하여 19961996 년도 하천인 경우에 대하여 년도 하천인 경우에 대하여 실측 수질을 재현하였다실측 수질을 재현하였다 . . 모형의 보정을 위해 모형의 보정을 위해 19961996 년도 하천인 경우에 대해서 년도 하천인 경우에 대해서 248248 개의 요소와 개의 요소와 498498 개의 절점을 구성하였다개의 절점을 구성하였다 (<(< 그림 그림 ⅠⅠ -3-6>). -3-6>). 19961996 년도 조건하에 댐 건설로 호수가 형성된 년도 조건하에 댐 건설로 호수가 형성된 경우에 환경에 대한 영향을 살펴보기 위하여 수몰된 경우에 환경에 대한 영향을 살펴보기 위하여 수몰된 지역에 대하여 지역에 대하여 551551 개의 요소와 개의 요소와 873873 개의 절점의 개의 절점의 격자망을 구성하였다격자망을 구성하였다 (<(< 그림 그림 ⅠⅠ -3-7>). -3-7>). 격자망의 격자망의 속성 자료는 각각의 요소별 격자점의 연결도속성 자료는 각각의 요소별 격자점의 연결도 , , 둘레둘레 , , 면적면적 , , 격자점의 격자점의 x, y x, y 좌표로 구성되어 있다좌표로 구성되어 있다 . .

보정에 사용된 수질 및 유량자료는 본 보고서 작성시 보정에 사용된 수질 및 유량자료는 본 보고서 작성시 수행되었던 수질조사 자료중 평수량기의 수질로 판단된 수행되었던 수질조사 자료중 평수량기의 수질로 판단된 11 차 수질조사차 수질조사 (( 춘계춘계 ) ) 자료를 이용하였으며자료를 이용하였으며 , , 유량은 유량은 기존의 여러 문헌과 거운 수위표 자료 등에서 조사된 기존의 여러 문헌과 거운 수위표 자료 등에서 조사된 유량자료들을 고찰한 결과유량자료들을 고찰한 결과 , , 수질조사 당시의 유량인 수질조사 당시의 유량인 40CMS40CMS 가 타당한 것으로 판단되어 모형 보정에 가 타당한 것으로 판단되어 모형 보정에 이용하였다이용하였다 . <. < 그림 그림 ⅠⅠ -3-8> -3-8> 및 및 << 그림 그림 ⅠⅠ -3-9>-3-9> 는 는 모델링에 필요한 가장 기초적인 수리자료모델링에 필요한 가장 기초적인 수리자료 , , 즉 즉 확산계수와 유속확산계수와 유속 (( 이들은 모두 이들은 모두 xx 방향과 방향과 yy 방향에 방향에 대하여 고려하였다대하여 고려하였다 )) 의 자료를 하천과 댐이 건설된 의 자료를 하천과 댐이 건설된 경우에 대해 각 요소별로 나타낸 것이다경우에 대해 각 요소별로 나타낸 것이다 . . 이러한 이러한 입력자료의 공간적 분석을 통하여 부정확한 수치해석 입력자료의 공간적 분석을 통하여 부정확한 수치해석 결과를 유발할 수 있는 원인을 찾아내고 보다 신뢰성 결과를 유발할 수 있는 원인을 찾아내고 보다 신뢰성 있는 입력자료를 용이하게 구축할 수 있다있는 입력자료를 용이하게 구축할 수 있다 ..

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-6> 1996-3-6> 1996 년 하천 유한요소 년 하천 유한요소 격자망 구성 자료격자망 구성 자료

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-7> -3-7> 수몰지역의 유한요소 격자망 수몰지역의 유한요소 격자망 구성 자료구성 자료

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-8> -3-8> 하천의 요소별 입력자료 하천의 요소별 입력자료 (X, Y(X, Y 방향에 대한 확산계수와 유속방향에 대한 확산계수와 유속 ))

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-9> -3-9> 댐의 요소별 입력자료 댐의 요소별 입력자료 (X, Y(X, Y 방향에 대한 확산계수와 유속방향에 대한 확산계수와 유속 ))

현재 하천인 경우와 수몰된 경우에 대하여 모형의 현재 하천인 경우와 수몰된 경우에 대하여 모형의 보정에 사용된 각종 파라미터 및 수질인자를 다음 보정에 사용된 각종 파라미터 및 수질인자를 다음 << 표 표 ⅠⅠ -3-2>-3-2> 에 나타내었다에 나타내었다 ..

상기의 수질 및 유량 자료상기의 수질 및 유량 자료 , , 파라미터를 이용하여 파라미터를 이용하여 19961996 년도 하천인 경우에 대해 수질을 재현한 년도 하천인 경우에 대해 수질을 재현한 결과와 호소가 생성된 경우의 수질을 비교한 결과를 결과와 호소가 생성된 경우의 수질을 비교한 결과를 BOD, Org.-N, NH3-N, NO3-N, Org.-P, PO4-P, BOD, Org.-N, NH3-N, NO3-N, Org.-P, PO4-P, Phyto-C, DO Phyto-C, DO 등 등 88 개의 주요 부영양화 항목에 개의 주요 부영양화 항목에 대하여 다음 대하여 다음 << 그림 그림 ⅠⅠ -3-10>-3-10>～～ << 그림 그림 3-17>3-17> 에 에 나타내었다나타내었다 ..

19961996 년도 조건에 대하여년도 조건에 대하여 , , 댐이 생성된 댐이 생성된

상태에서는 하천인 경우보다 수질이 약간씩 상태에서는 하천인 경우보다 수질이 약간씩

높아지는 경향을 보이고 있다높아지는 경향을 보이고 있다 . . 특히특히 , , 댐정부댐정부 (R22(R22지점지점 )) 에 이르러서 수질이 높아지는 경향을 에 이르러서 수질이 높아지는 경향을

나타내고 있다나타내고 있다 . . 이러한 이유는 유량은 일정하지만 이러한 이유는 유량은 일정하지만

댐 생성으로 인해 수몰지역의 수용적이 증대하기 댐 생성으로 인해 수몰지역의 수용적이 증대하기

때문에때문에 , , 수체의 유속이 댐 지점에 근접할수록 수체의 유속이 댐 지점에 근접할수록

감소하므로 이에 의한 영향인 것으로 판단된다감소하므로 이에 의한 영향인 것으로 판단된다 . .

하천인 경우에 비하여 호소가 생성된 경우는 댐 하천인 경우에 비하여 호소가 생성된 경우는 댐

예정지점에서 예정지점에서 BODBOD 가 약 가 약 0.5mg/ℓ0.5mg/ℓ 정도 정도

상승하였으며상승하였으며 , Org.-N, NH3-N, NO3-N, Org.-N, NH3-N, NO3-N 은 각각 은 각각

0.147, 0.153, 0.250mg/ℓ0.147, 0.153, 0.250mg/ℓ 의 수질 상승을 나타내고 의 수질 상승을 나타내고

있다있다 . . 인의 경우에는 댐 정부에서 인의 경우에는 댐 정부에서 Org.-POrg.-P 가 가

0.011mg/ℓ0.011mg/ℓ 가 높아지며가 높아지며 , PO4-P, PO4-P 는 는 0.011mg/ℓ0.011mg/ℓ 가 가

높아지는 것으로 예측되었다높아지는 것으로 예측되었다 . . 그리고그리고 , Phyto-C, Phyto-C 는 는

약 약 0.098mg/m30.098mg/m3 가 높아지며가 높아지며 ,DO,DO 는 약 는 약 1mg/ℓ1mg/ℓ 가 가

감소하는 것으로 나타났다감소하는 것으로 나타났다 ..

<< 표 표 ⅠⅠ -3-2> -3-2> 모형 보정에 적용된 모형 보정에 적용된 부영양화 파라미터부영양화 파라미터

ParametersValue

Unit MeaningStream Dam

vs3depth

cssod

tempvs4

0.31100.5250.3

0.550100.5250.3

m/daym

mg/Lg/m2/day

℃m/day

settling velocity of organic materialhydraulic depthdissolved oxygen saturationsdiment oxygen demandwater temperaturesettling velocity of phytoplankton

1. Biochemical Oxygen Demand

rk0(i,1)theta(i,1)

fd(i,1)aoc

kbod

0.61.0470.72.670.5

0.51.047

0.72.670.5

1/daymgO2/mgC

mgO2/L

cbod degradation constant for cbod and dotemperature correction constant forcbod = theta(i,1)**(temp-20)dissolved fraction of cbodratio of oxygen to carbon in phytoplanktonhalf saturation constant of bod

2. Organic Nitrogen

rk0(i,2)theta(i,2)

fd(i,2)fon

0.0751.080.70.5

0.0751.080.70.5

1/day

ionization constant of organic nitrogentemperature correction factor forionization = theta(i,2)**(temp-20)dissolved fraction of organic nitrogenfractional ratio of phytoplankton to organic nitrogen

3. Ammonia Nitrogen

rk0(i,3)theta(i,3)

fd(i,3)pnh3

0.631.081.00

0.131.081.00

1/day

nitrification constant of ammonia nitrogentemperature correction constant for nitrification = theta0(i,3)**(temp-20)dissolved fraction of ammonia nitrogenammonia perference lever

4. Nitrate Nitrogen

rk0(i,4)theta(i,4)

fd(i,4)aonknitkno3

0.051.0451.02

0.1

0.051.045

1.02

0.1

1/daymgO2/L

mgO2/L

kinetic constant of nitrate nitrogentemperature correction constant for nitrate nitrogen=theta0(i,5)**(temp-20)dissolved fraction of nitrate nitrogenratio of oxygen to nitrogenhalf saturation constant for nitrificationhalf saturation constant for denitrification of no3

<< 표 표 ⅠⅠ -3-2> -3-2> 모형 보정에 적용된 모형 보정에 적용된 파라미터 파라미터 (( 계속계속 ))Parameters

ValueUnit Meaning

Stream Dam

5. Organic Phosporus

rk0(i,5)theta(i,5)

fd(i,5)kmpc

0.921.080.71

0.0221.080.71

1/daymgC/L

kinetic constant of organic phosphorustemperature correction constant fororganic phosporus=theta0(i,5)**(temp-20)dissolved fraction of organic phosphorushalf saturation constant of ionization of org-P

6. Inorganic Phosphorus

rk0(i,6)theta(i,6)

fd(i,6)fop

0.101.01.00.5

0.031.01.00.5

1/day

kinetic constant of inorganic phosphorus=0.0temperature correction constant forinorganic phosphorus=theta(i,6)**(temp-20)dissolved fraction of inorganic phosphorusfraction ratio of phytoplankton to phosphorus

7. Phytoplankton

rk0(i,7)theta(i,7)

fd(i,7)ancapck1c k1r k1d xprc

theta1ctheta1rthetald

gp1dp1

0.011.080.0

0.0252

0.1250.250.251.0681.0451.0470.250.275

1.211.081.0

0.0252

0.1250.250.25

1.0681.0451.0471.250.1

1/day1/day1/day1/day

mgN/mgC1/day1/day

Kinetic constant of phytoplankton=-gp1+dp1-vs/depthtemperature correction constant for phytoplankton = theta0(i,7)**(temp-20)dissolved fraction of phytoplanktonratio of nitrogen to carbon in phytoplanktonratio of phoporus to carbon in phytoplanktongrowth rate of phytoplanktonrespiration rate of phytoplanktondeath rate of phytoplanktonlimiting factor of phytoplanktontemperature correction factor for k1ctemperature correction factor for k1r temperature correction factor for k1dgrowth rate of phytoplanktondeath rate of phytoplankton

8. Dissolved Oxygen

rk0(i,8)theta(i,8)

fd(i,8)thetas

0.84781.028

1.01

0.94781.028

1.01

1/day

kinetic constant for dotemperature correction factor forreaeration = theta(i,5)**(temp-20) dissolved fraction of dotemperature correction factor for sod

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-10> 1996-3-10> 1996 년도 하천 및 댐의 년도 하천 및 댐의 수질 수질 (BOD)(BOD)

BOD

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

지점

실측 수질

현재 하천

현재 댐

R10 R11 R12 R14 R15 R16 R17 R19 R20 R22

1.600 1.200 1.300 1.500 1.400 1.500 1.600 1.400 1.400 1.500

1.600 1.387 1.287 1.481 1.460 1.464 1.595 1.529 1.487 1.492

1.600 1.452 1.435 1.392 1.495 1.560 1.650 1.935 1.981 2.009

(mg/L)농

도

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-11> 1996-3-11> 1996 년도 하천 및 댐의 년도 하천 및 댐의 수질 수질 (ORG.-N)(ORG.-N)

Org.-N

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

지점

실측 수질

현재 하천

현재 댐

R10 R11 R12 R14 R15 R16 R17 R19 R20 R22

0.103 0.020 0.015 0.172 0.026 0.004 0.058 0.173 0.064 0.112

0.103 0.051 0.033 0.118 0.036 0.022 0.048 0.084 0.066 0.089

0.085 0.064 0.055 0.050 0.045 0.039 0.052 0.163 0.233 0.236

(mg/L)농

도

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-12> 1996-3-12> 1996 년도 하천 및 댐의 년도 하천 및 댐의 수질 수질 (NH3-N)(NH3-N)

Org.-N

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

지점

실측 수질

현재 하천

현재 댐

R10 R11 R12 R14 R15 R16 R17 R19 R20 R22

0.103 0.020 0.015 0.172 0.026 0.004 0.058 0.173 0.064 0.112

0.103 0.051 0.033 0.118 0.036 0.022 0.048 0.084 0.066 0.089

0.085 0.064 0.055 0.050 0.045 0.039 0.052 0.163 0.233 0.236

(mg/L)농

도

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-13> 1996-3-13> 1996 년도 하천 및 댐의 년도 하천 및 댐의 수질 수질 (NO(NO33-N)-N)

NO3-N

1.31.41.51.61.71.81.92

2.1

지점

실측 수질

현재 하천

현재 댐

R10 R11 R12 R14 R15 R16 R17 R19 R20 R22

1.389 1.642 1.621 1.771 1.583 1.702 1.572 2.012 1.746 1.561

1.389 1.540 1.566 1.682 1.715 1.724 1.732 1.940 1.998 1.662

1.389 1.569 1.653 1.837 1.789 1.761 1.773 1.860 1.905 1.912

(mg/L)농

도

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-14> 1996-3-14> 1996 년도 하천 및 댐의 년도 하천 및 댐의 수질 수질 (ORG.-P)(ORG.-P)

Org.-P

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

지점

실측 수질

현재 하천

현재 댐

R10 R11 R12 R14 R15 R16 R17 R19 R20 R22

0.011 0.021 0.026 0.008 0.008 0.005 0.006 0.013 0.020 0.006

0.011 0.011 0.012 0.012 0.010 0.010 0.009 0.012 0.016 0.007

0.010 0.013 0.014 0.016 0.016 0.014 0.015 0.016 0.017 0.018

(mg/L)농

도

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-15> 1996-3-15> 1996 년도 하천 및 댐의 년도 하천 및 댐의 수질 수질 (PO4-P)(PO4-P)

PO4-P

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045

0.05

지점

실측 수질

현재 하천

현재 댐

R10 R11 R12 R14 R15 R16 R17 R19 R20 R22

0.035 0.031 0.030 0.028 0.038 0.035 0.038 0.043 0.042 0.034

0.035 0.036 0.037 0.038 0.039 0.039 0.040 0.042 0.042 0.034

0.035 0.037 0.038 0.040 0.040 0.038 0.039 0.042 0.044 0.045

(mg/L)농

도

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-16> 1996-3-16> 1996 년도 하천 및 댐의 년도 하천 및 댐의 수질 수질 (PHYTO-C)(PHYTO-C)

Phyto-C

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

지점

실측 수질

현재 하천

현재 댐

R10 R11 R12 R14 R15 R16 R17 R19 R20 R22

2.100 3.000 3.400 1.300 1.500 1.200 1.700 2.300 2.400 1.600

2.100 2.043 1.984 1.948 1.875 1.838 1.804 2.256 2.274 1.883

2.100 2.392 2.548 2.604 2.357 2.190 2.178 2.082 2.026 1.981

(mg/m3)농

도

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-17> 1996-3-17> 1996 년도 하천 및 댐의 년도 하천 및 댐의 수질 수질 (DO)(DO)

DO

7.5

8

8.5

9

9.5

10

10.5

지점

실측 수질

현재 하천

현재 댐

R10 R11 R12 R14 R15 R16 R17 R19 R20 R22

9.300 8.100 8.900 8.500 8.500 9.200 8.700 10.200 9.700 9.700

9.300 8.736 8.889 8.655 8.319 8.798 8.764 9.992 9.755 9.488

9.299 8.900 8.849 8.728 8.625 8.764 8.690 8.471 8.467 8.445

(mg/L)농

도

모형의 운용성을 향상시키고모형의 운용성을 향상시키고 , , 모델링 결과를 용이하게 모델링 결과를 용이하게 분석하기 위하여 분석하기 위하여 MFEMWASP MFEMWASP 모형을 모형을 ArcViewArcView 와 와 연계시켜 연계시켜 << 그림 그림 ⅠⅠ -3-18>-3-18> 과 같이 과 같이 ArcViewArcView 상에서 운영이 상에서 운영이 가능하고가능하고 , , 모델링 결과도 시각적인 분석이 가능하도록 모델링 결과도 시각적인 분석이 가능하도록 하였다하였다 . <. < 그림 그림 ⅠⅠ -3-19>-3-19>～～ << 그림 그림 ⅠⅠ -3-26>-3-26> 에 에 19961996 년 년 하천 수질 보정 결과를 나타내었으며하천 수질 보정 결과를 나타내었으며 , <, < 그림 그림 ⅠⅠ -3-27>-3-27>～～<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-34>-3-34> 는 호수일 경우의 수질 모델링 결과를 는 호수일 경우의 수질 모델링 결과를 ArcViewArcView 를 이용하여 나타낸 것으로 현재 수질의 공간적인 를 이용하여 나타낸 것으로 현재 수질의 공간적인 분포를 쉽게 분석할 수 있다분포를 쉽게 분석할 수 있다 . . 속성자료와 도면상에 속성자료와 도면상에 표현되는 자료는 서로 연결되어 도면상의 어느 지점을 표현되는 자료는 서로 연결되어 도면상의 어느 지점을 선택하거나 속성자료의 어느 지점을 선택하면 선택된 선택하거나 속성자료의 어느 지점을 선택하면 선택된 지점에 대해서 구체적인 자료를 자세히 볼 수 있다지점에 대해서 구체적인 자료를 자세히 볼 수 있다 . . 따라따라서서 , , 원하는 지점의 정보를 정확히 파악할 수 있을 뿐만 원하는 지점의 정보를 정확히 파악할 수 있을 뿐만 아니라 모든 입력자료 및 모델링 결과의 공간적인 분포도를 아니라 모든 입력자료 및 모델링 결과의 공간적인 분포도를 해석할 수 있다해석할 수 있다 ..

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-18> MFEMWASP -3-18> MFEMWASP 모형과 모형과 ARCVIEWARCVIEW 의 연계의 연계

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-19> 1996-3-19> 1996 년 하천 수질 보정 년 하천 수질 보정 결과 결과 (BOD)(BOD)

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-20> 1996-3-20> 1996 년 하천 수질 보정 년 하천 수질 보정 결과 결과 (ORG.-N)(ORG.-N)

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-21> 1996-3-21> 1996 년 하천 수질 보정 년 하천 수질 보정 결과 결과 (NH3-N)(NH3-N)

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-22> 1996-3-22> 1996 년 하천 수질 보정 년 하천 수질 보정 결과 결과 (NO3-N)(NO3-N)

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-23> 1996-3-23> 1996 년 하천 수질 보정 년 하천 수질 보정 결과 결과 (ORG.-P)(ORG.-P)

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-24> 1996-3-24> 1996 년 하천 수질 보정 년 하천 수질 보정 결과 결과 (PO(PO33-P)-P)

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-25> 1996-3-25> 1996 년 현재 하천 수질 년 현재 하천 수질 보정 결과 보정 결과 (PHYTO-C)(PHYTO-C)

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-26> 1996-3-26> 1996 년 현재 하천 수질 년 현재 하천 수질 보정 결과 보정 결과 (DO)(DO)

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-27> 1996-3-27> 1996 년의 호수 수질 년의 호수 수질 모델링 결과 모델링 결과 (BOD)(BOD)

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-28> 1996-3-28> 1996 년의 호수 수질 년의 호수 수질 모델링 결과 모델링 결과 (ORG.-N)(ORG.-N)

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-29> 1996-3-29> 1996 년의 호수 수질 년의 호수 수질 모델링 결과 모델링 결과 (NH(NH33-N)-N)

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-30> 1996-3-30> 1996 년의 호수 수질 년의 호수 수질 모델링 결과 모델링 결과 (NO(NO33-N)-N)

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-31> 1996-3-31> 1996 년의 호수 수질 년의 호수 수질 모델링 결과 모델링 결과 (ORG.-P)(ORG.-P)

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-32> 1996-3-32> 1996 년의 호수 수질 년의 호수 수질 모델링 결과 모델링 결과 (PO(PO44-P)-P)

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-33> 1996-3-33> 1996 년의 호수 수질 년의 호수 수질 모델링 결과 모델링 결과 (PHYTO-C)(PHYTO-C)

<< 그림 그림 ⅠⅠ -3-34> 1996-3-34> 1996 년의 호수 수질 년의 호수 수질 모델링 결과 모델링 결과 (DO)(DO)

1. MFEMWASP 1. MFEMWASP 모형을 이용한 성층화 모형을 이용한 성층화 해석 해석 서론서론 수온은 다음과 같이 수환경에 영향을 미칠 수 있다수온은 다음과 같이 수환경에 영향을 미칠 수 있다 ..

- - 산업 폐수 또는 도시 하수내의 열의 방출의 산업 폐수 또는 도시 하수내의 열의 방출의 수계생태계에 대한 영향수계생태계에 대한 영향

- - 수온은 모든 생물학적 화학적 반응에 영향을 미침수온은 모든 생물학적 화학적 반응에 영향을 미침 - - 물의 밀도와 이동에 대한 수온의 영향물의 밀도와 이동에 대한 수온의 영향

이러한 영향중 수생태계에 미치는 영향은 다음과 이러한 영향중 수생태계에 미치는 영향은 다음과 같다같다 .. - - 수온에 예민한 식물 또는 동물에 직접적인 치사 효과수온에 예민한 식물 또는 동물에 직접적인 치사 효과 - - 성장과 생식을 통한 수계생태계에 장시간의 간접적인 성장과 생식을 통한 수계생태계에 장시간의 간접적인

효과효과 - - 생태계내 종분포의 변화를 통한 간접적인 효과생태계내 종분포의 변화를 통한 간접적인 효과

호수내 수온 변화를 해석하기 위한 일반적인 방법은 호수내 수온 변화를 해석하기 위한 일반적인 방법은

온도 전달 방정식을 호수내의 수체에 적용하여 호수와 온도 전달 방정식을 호수내의 수체에 적용하여 호수와

대기와의 열교환대기와의 열교환 , , 수온에 영향을 줄 수 있는 온도의 수온에 영향을 줄 수 있는 온도의

유입원 등에 대한 해석을 수체의 유속유입원 등에 대한 해석을 수체의 유속 , , 확산계수확산계수 , , 빛소멸 계수 등을 고려하여 모델링하는 방법이다빛소멸 계수 등을 고려하여 모델링하는 방법이다 . . 이러한 방법은 사업의 성격에 따라 해석 방법이 약간씩 이러한 방법은 사업의 성격에 따라 해석 방법이 약간씩

다르다다르다 . . 즉즉 , , 발전소나 기타 공장으로부터 열오염원이 발전소나 기타 공장으로부터 열오염원이

유입되어 이러한 오염원에 의한 수온 변화를 해석하는 유입되어 이러한 오염원에 의한 수온 변화를 해석하는

경우경우 , , 통상 통상 22 차원이나 차원이나 33 차원 해석이 필요하다차원 해석이 필요하다 . .

즉즉 , , 수체의 연직 방향에 대한 성층화 해석보다는 유입된 수체의 연직 방향에 대한 성층화 해석보다는 유입된

열오염원에 의한 수평적 온도 전달을 해석하는 작업이 필요한 열오염원에 의한 수평적 온도 전달을 해석하는 작업이 필요한

것이다것이다 . . 통상 이러한 수체에서는 통상 이러한 수체에서는 22차원 수평공간에서 유속의 차원 수평공간에서 유속의

변화에 의한 수온 변화가 심하므로변화에 의한 수온 변화가 심하므로 , 2, 2 차원 이상의 상세한 차원 이상의 상세한

모델링 작업이 필수적이다모델링 작업이 필수적이다 . . 본 연구진은 이미 본 연구진은 이미

동해무연탄화력발전소의 냉각수 방류에 의한 수온 변화에 대한 동해무연탄화력발전소의 냉각수 방류에 의한 수온 변화에 대한

환경영향평가 사업을 통하여 환경영향평가 사업을 통하여 FEMWASP FEMWASP 모형의 적용 가능성을 모형의 적용 가능성을

평가하였다평가하였다 (Kim (Kim 등등 , 1995). , 1995). 그러나그러나 , , 본 사업을 통하여 이러한 본 사업을 통하여 이러한

FEMWASP FEMWASP 모형을 확장 개선하여 연직 방향의 성층화 현상도 모형을 확장 개선하여 연직 방향의 성층화 현상도

해석하여해석하여 , , 수온 변화 해석에 대한 다차원 모형을 개발하였다수온 변화 해석에 대한 다차원 모형을 개발하였다 ..

대규모의 담수호에서 열오염원이 유입되지 않는 평상시에는 대규모의 담수호에서 열오염원이 유입되지 않는 평상시에는

수평적 수온 변화보다수평적 수온 변화보다 , , 일년을 걸쳐서 기후 변화에 따른 계절별 일년을 걸쳐서 기후 변화에 따른 계절별

연직 방향의 성층화에 의한 수온 변화가 일어난다연직 방향의 성층화에 의한 수온 변화가 일어난다 . . 이러한 경이러한 경

우우 , , 열오염원에 의한 변화보다는 대기의 온도 및 복사열에 의한 열오염원에 의한 변화보다는 대기의 온도 및 복사열에 의한

영향으로 연직 방향에 대한 성층화 현상이 발생하므로 수체내 영향으로 연직 방향에 대한 성층화 현상이 발생하므로 수체내

수온 변화에 있어서 그 해석 목적 및 방법이 다르게 되는 것이수온 변화에 있어서 그 해석 목적 및 방법이 다르게 되는 것이

다다 . . 이러한 현상은 영월호와 같은 대규모의 담수호 이외에도 이러한 현상은 영월호와 같은 대규모의 담수호 이외에도

조그만 연못에서도 기온의 일변화에 의한 수온 변화가 일어난조그만 연못에서도 기온의 일변화에 의한 수온 변화가 일어난

다다 . . 유속에 의한 영향을 받지만유속에 의한 영향을 받지만 , , 이러한 조그만 수체내에서도 이러한 조그만 수체내에서도

연직 방향의 성층화가 일어날 수도 있다연직 방향의 성층화가 일어날 수도 있다 (Noguchi (Noguchi 등등 , 1998)., 1998).

영월호의 경우영월호의 경우 , , 수몰된 지역의 호수의 형상을 알아보기 수몰된 지역의 호수의 형상을 알아보기

위하여 위하여 ArcViewArcView 의 수치지도를 이용하여 수심별 호수내 의 수치지도를 이용하여 수심별 호수내

형상 조사를 실시하였다형상 조사를 실시하였다 . <. < 그림그림ⅡⅡ -1-1>-1-1>～～ << 그림 그림 ⅡⅡ -1--1-6>6> 에서 알수 있드시 에서 알수 있드시 GISGIS 의 강력한 해석 기능으로 댐의 의 강력한 해석 기능으로 댐의

높이별 수몰 가능 지역을 쉽게 파악할 수 있다높이별 수몰 가능 지역을 쉽게 파악할 수 있다 . . 물론 물론

정확한 수몰 지역을 파악하기 위해서는 댐에 의한 배수위정확한 수몰 지역을 파악하기 위해서는 댐에 의한 배수위

(Backwater) (Backwater) 계산을 수행하는 것이 필요하지만계산을 수행하는 것이 필요하지만 , , 댐인근의 호수내 형상을 해석하는 데는 댐인근의 호수내 형상을 해석하는 데는 ArcViewArcView 의 의

등고선 해석 기능이면 충분한 것을 알 수 있다등고선 해석 기능이면 충분한 것을 알 수 있다 . .

댐의 만수위가 댐의 만수위가 280m280m 이므로 이러한 이므로 이러한 280m280m 부터 부터 10m10m씩 씩

내려가면서 형상 분석을 실시한 결과 내려가면서 형상 분석을 실시한 결과 240m240m까지 수평면적이 까지 수평면적이

별로 줄어들지 않는 것을 알 수 있었다별로 줄어들지 않는 것을 알 수 있었다 . . 즉즉 , , 수몰될 인근 수몰될 인근

지역의 경사도가 매우 심한 것을 알 수 있다지역의 경사도가 매우 심한 것을 알 수 있다 . . 따라서따라서 , 3, 3 차원 차원

모델링을 위한 격자망 구성시모델링을 위한 격자망 구성시 , , 수직 방향별 수평 면적의 변화가 수직 방향별 수평 면적의 변화가

심하지 않으므로 제일 상층부의 격자망을 하층의 유한요소 심하지 않으므로 제일 상층부의 격자망을 하층의 유한요소

격자에 대하여 동일하게 적용할 수 있는 것을 알 수 있다격자에 대하여 동일하게 적용할 수 있는 것을 알 수 있다 . . 또한또한 , , 수평면적의 변화가 적고수평면적의 변화가 적고 , , 수평 방향에 대한 온도의 변화를 줄 수평 방향에 대한 온도의 변화를 줄

요소도 없으므로요소도 없으므로 , , 수온 모델링시 연직 방향에 대한 수온 모델링시 연직 방향에 대한 11 차원 차원

모델링만으로 충분한 해석이 가능한 것을 알 수 있다모델링만으로 충분한 해석이 가능한 것을 알 수 있다 . .

<< 그림그림ⅡⅡ -1-1> ARCVIEW-1-1> ARCVIEW 의 수치지도를 의 수치지도를 이용한 수심별 호수 형상 해석 이용한 수심별 호수 형상 해석 (240M)(240M)

<< 그림그림ⅡⅡ -1-6> -1-6> 수심별 호수 형상 해석수심별 호수 형상 해석 (240(240～～ 280M)280M)

환경시스템분석 기말 6 번

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