환경 시스템 분석

1. 환경 시스템 분석 강원대학교 공과대학 지구환경공학부 교수 김준현 010-9696-6354, 033-250-6354

2. 강의 진행 방법 • 본 강의는 크게 2개 부분으로 구성될 예정임 : 1) 환경시스템분석의 이론적 기초 및 환경 모델링 기법, 2) 웹 기반 환경정보관리 및 시설 제어를 위한 웹 기반 DB, GIS, Model, Monitoring and Control System 구축 기술 • 강의 기간은 14주 정도로 예상하고 있으며 전반은 외국의 교과서(Environmental Modeling), 후반은 본인의 교과서(웹 기반 환경 관리 기술)로 진행할 예정임. • 웹 사이트에 강의 내용 구축 (비디오, 교안(슬라이드), 교과서(HWP 파일), 강의 소제목, 관련 전산 자료 • 한국어, 영어, 러시아로 강의 진행 : 한국어외의 강의는 본인의 웹 사이트에 구축(env1.kangwon.ac.kr) (비밀번호를 알아야 함). • 전산모형의 실습을 위한 가상강좌 자료는 본인의 웹 사이트에 구축 : MFEMWASP, MFEMFLOW, MFEMGW, WASP6, QUAL2E, PM5(MODFLOW, MOC3D, UCODE 등), SWMM • 수강생은 매주 강의된 내용을 e-Stream 프로그램을 이용하여 자신의 웹 서버에 구축하여 함. 본인이 직접 강의하는 것처럼 녹화하고, 슬라이드 파일도 만들 것. • 실습에 관련된 모든 숙제는 비디오파일, 슬라이드파일, 보고서파일(HWP 파일) 등을 만들어서 e-Stream을 이용하여 웹 서버에 구축하여야 함.

3. 강의 계획 및 내용

6. 환경 모델링 물, 공기, 토양내의 오염물의 변환 및 이동 저자 : JERALD L. SCHNOOR

7. 제 1 장 서론 섭취하거나 마셔서 우리의 뼈 골수로 흡수되는 화학물질과 밀접하게 살기 위해서는, 그들의 성질과 영향에 대하여 어느 정도 아는 것이 필요하다. -Rachel Carson, Silent Spring

8. 1.1 환경 모델링의 영역 환경 오염물의 수학적 모형을 구축하여야 하는 이유 1) 화학 물질의 반응, 분리, 이동에 대한 정량화를 통하여 그 물질의 수명 및 이동에 대한 좀더 정확한 이해를 도출하기 위해서. (화합물의 운명, 이동, 지속성에 예측) • 고전적 모형은 지표수와 지하수에 존재하는 일반적 오염물, 부영양화, 유독성 유기 화합물, 금속 등을 해석하고 있음. • 최근의 수학적 모형을 화학적 의미에서 더 복잡하게 발전하였음. 본 교과에서는 수질 모형과 수질화학의 관계를 규명함. 화학적 분리 모형은 물질의 운명과 화학적 분리를 결정하기 위하여 동역학적 이동 모형에 기초함.

9. 2) 과거, 현재, 장래에 수중 유기물 및 인간에 미치는 화합물의 노출 농도를 결정하기 위하여 • 오염물의 영향을 결정하기 위함. 노출에 대한 빈도와 기간을 이용하여 급성과 만성의 영향 단계를 설명하기 위한 새로운 수질 기준이 발표됨. • 이러한 환경 기준은 법에 의해서 강제 집행되는 수질기준을 낳았고 오염부하, 위해성 평가, 환경 영향 평가 등을 위한 수학적 모형의 적용을 필요로 함. • 암모니아, 비소, 카디뮴, 염소, 크롬, 구리, 시안, 납, 수은 등의 독성 화합물이 규제됨. 기준은 각각의 독성물질에 대하여 허용가능 기간과 빈도뿐만 아니라 역치(반응이 일어나는) 농도와 무해적 만성 농도 등을 규정하고 있음. • 새로운 기준은 독성물질의 영향이 오염농도의 강도와 유기물질에 대한 노출 시간의 함수라는 것을 인정함 : (1) 독성 성분의 4일 평균 농도는 3년 평균 1번이상 권고 만성 기준을 초과하지 않아야 함. (2) 1시간 평균 농도는 3년 평균 1번이상 권고 급성 기준을 초과하지 않아야 함. • 다소 높은 농도에서의 매우 짧은 노출은 낮은 농도에서의 지속적인 노출보다 덜 해로움. 따라서, 빈도-시간관계를 해석할 수 있는 수학적 모형이 필요함. 이러한 모형의 개발은 구체적인 수질 화학에 대한 지식이 필요함.

10. 3) 다양한 오염부하 조건과 선별적인 관리대책하의 장래의 농도를 예측하기 위해서 • 오염부하분배와 위해 분석에 대한 노출 모형이 필요함. • 조사된 자료가 미흡한 경우에도, 장래의 여러 조건에 대하여 화합물의 농도를 예측하는 것이 바람직함. (예를 들면, 장래의 여러 오염부하 시나리오, 과거의 자료를 이용한 장래 예측, 대체 위치 등) • 이러한 모든 이유때문에 화학적 변환 및 이동에 대한 모형이 필요함. 생태 독성학에 대한 화학적 종분화를 고려하고 현장위주적 수질 기준으로 다가가기 위해서는 좀더 복잡한 화학적 모형이 필요함. • 수질화학시스템을 모형화하기 위해서는 연속의 원리에 기초를 둔 간단한 물질평형으로부터 시작하여야 함. : 물질은 거시적 관점에서는 물리, 화학, 생물학적 상호작용에 있어서 생성되거나 소멸되지 않음.

11. 1.2 물질 평형 • 수질은 물에 대한 어떤 고유하거나 특징적인 것으로 정의 될 수 있음. 이러한 특성은 물리적, 화학적, 생물학적 변수일 수 있음. • 물질 수지는 자연수에서 수질변수들의 운명을 결정하고, 여러조건하에서 오염 정도를 파악하기 위하여 사용됨. • 수환경에서의 오염물의 운명은 다음에 의해 결정됨. • 반응성 • 환경에서의 물리적 이동 속도 • 수학적 모형은 이러한 과정의 계산을 설명하는 데 유용함. • 우리는 오염물의 운명 및 지속성, 그리고 수생 유기물에 대한 불가피한 노출에 대하여 화학 물질의 물리적, 화학적, 생물학적 반응을 정확히 예측할 수 있는 정도까지 모형을 세울 수 있다. • 물질 수지에 있어서 중요한 요소 (Fig.1.1 참조): (i) 명확히 정의된 검사 체적 (ii) 검사 체적의 경계를 통과하는 유입 및 유출에 대한 지식 (iii) 검사 체적의 내부와 경계를 넘나드는 이동 특성에 대한 지식 (iv) 검사 체적내부에서의 반응역학에 대한 지식

12. 검사체적 : • 무한이 작은 얇은 물의 층과 같이 작거나, 바다전체만큼 클 수 있음. • 경계의 위치가 정확해야 함: 부피와 경계를 통한 물질 유출을 결정하기 위함. • 근접하거나 주위의 검사체적내의 이동이 검사체적으로 물질이동에 영향을 줌 : 경계를 통한 이동이 평가되어야 함. • 검사 체적내에서 물리적, 화학적, 생물학적 반응에 대한 지식이 필요함. Figure 1.1 검사체적 개념과 경계면에서의 이동을 이용한 물질수지모형의 일반적 접근법

13. 물질 수지 : 검사 체적내에서의 축척 = 물질유입 – 물질유출 +- 반응 수계내 반응에 관계 하는 물질

14. 물 수지 (Water Balance, Water Budget) • 수계가 단열조건이라면 물 수지는 유입량과 유출량에 의해 결정됨. • 유입량 : 지류와 지표 유동의 유입 유량. 유량계로 계측됨. • 유출량 : 수체로부터의 모든 유출 유량. 유량계로 계측됨. • 직접 강우 : 수표면으로 직접 떨어지는 물. 강우계로 계측됨. • 증발 : 수표면으로부터 대기로 증발되는 양. 증발팬을 이용하여 계측. • 지하수의 유입이나 유출이 있는 경우에는 지하수위에 대한 계측이 필요. Q = 유량 m3d-1 I = 강우강도 md-1 A  = 수표면적, m2 E = 증발속도 md-1 ∆t  = 시간간격 days ∆V  = 부피변화량, m3

15. 그림 1.2 호소의 물 수지 분석

16. 예제 1.1호수 물 수지 분석 가뭄 기간내 호수의 부피를 계산하라. 모든 유입량의 합은 100 m3s-1이 고, 유출량은 110 m3s-1 , 증발과 물수요의 합은 1 m3s-1임. 호수의 초기 부피는 1 × 109 m3 . 그림 1.3 참조. (모든 단위는 일에서 초로 변환.)

17. 그림 1.3 가뭄기간내 호수의 부피 변화