환경시스템분석 CH1

1. 환경시스템분석 CH1 환경공학과 20051468 안 정 근

2. 1.환경 모형 및 모델링이 필요한 이유 • 화학 물질의 반응, 종형성, 이동에 대한 정량화를 통하여 그 물질의 수명 및 이동에 대한 정확한 이해를 도출하기 위해서(화합물의 운명, 이동, 지속성에 예측) ㅡ 전형적인 모형에서는 지표수나 지하수에 함유되어 있는 일반적인 오염물질, 부영양화, 독성유기물, 금속물질들을 해석하므로 좀더 정확한 결과를 알아내기 위함. • 과거, 현재 그리고 미래의 인류와 수생 유기물에 대해서 어느 정도의 화학물질의 노출 농도를 결정하기 위해서 ㅡ 노출 농도는 유기체의 성장에 있어서의 중요한 인자로 작용을 하고, 이것은 화학적 오염물질의 영향을 평가하는 것과 관계되어짐.

3. 1.환경 모형 및 모델링이 필요한 이유 • 다양한 부하 조건이나 대체적 관리 사업하에서 장래의 조건을 예측하기 위해서 ㅡ 오염부하분배나 위험성 평가를 위한 배출모형이 필요함

4. 2. 호수의 물 수지 분석 • 단일 조건일 때 △storage (저장) = ∑Inflows (유입) - ∑Outflows (유출) + Direct precipitation(직접적인 강우) – Evaporation (증발) -유입: 지류와 육상으로부터 흘러오는 체적즉정 유입을 포함한다. -유출: 물 자체로부터 모두 배출된다. -직접적인강우: 표면위로 똑바로 떨어지는 물이며 증발은 대기중으로 물표 면으로부터 날아가 버리는 물의 체적을 말한다. -△storage (저장):고도나 단계정도의 변화를 통해서 호수나 강에서 측정될 수 있다. • 지하수의 유입이나 유출이 있을 때 △storage (저장) = ∑Inflows (유입) + GW Inputs (지하수의 유입) - ∑Outflows (유출) - GW Outseepage (지하수의 유출) + Direct precipitation(직접적인 강우) - Evaporation(증발)발)

5. 2. 호수의 물 수지 분석 호소의 물 수지 분석 물의순환

6. 3. 모형에 관련된 용어 설명 • 모 사-입력 자료를 사용한 모형의 운영. • 다양성(Robustness)–또 다른 환경이나 또 다른 지역에 대해서 다시 재적용 하였을 경우 모형이 재현될 수 있는가에 대한 용이성 • 사후(post) 심사-모형의 예측치와 장래의 현장 계측치와의 비교. • 예민도 분석-수치적 모사나 수학적 기술을 이용한 모형 변수의 적은 변화가 모형결과(상태변수)에 미치는 영향 분석. • 불확실성 분석-확률적 모사 기술을 이용한 모형매개변수, 입력자료, 초기조건 등의 불확실성으로 인한 상태변수의 불확실도 분석.

7. 3. 모형에 관련된 용어 설명 • 시뮬레이션 - 어떠한 입력자료의 구성으로도 모형사용이 가능하며 현장자료에 대한 보정이나 검증 필요하지 않다. • 검증 -서로 다른 시각이나 지점에 대한 모형의 결과와 2차 현장 자료에 대한 통계적 수용 여부 비교 ; 보정단계 이후에는 모형의 계수는 고정되고 더 이상의 조정은 허용안됨, 다만 보정 과정이 끝난 후에는 가능 • 확인(Validation) - 다음에 대한 과학적 수용 여부 (1) 모형이 모든 주요하고 독특한 과정을 포함할 것 (2) 공정은 정확하게 수식화될 것 (3) 모형이 원래 사용 목적에 맞게 관측된 현상을 적절하게 서술할 것.

8. 4. 모형의 보정 및 검증에 대해서 설명 수학적 모델링을 수행하기 위해서 필요한 요소 • 화학물질의 농도 및 물질 유동에 대한 현장 자료 • 수학적 모형의 정립 • 수학적 모형에 대한 반응 상수 및 평형 계수 • 모형을 검증할 몇몇 수행기준 • 모형보정: 모사(시뮬레이션)결과와 현장측정사이의 비교를 필요로한다. 오차허용범위라면, 반응상수와 계수를 체계적응로 변화시켜서 수용 가능한 모사(시뮬레이션)결과를 도출한다. 이러한 변수는 문헌에 나타난 실험치의 범위를 넘어서 조정되어서는 안되다.

9. 5. 모형의 결과를 통계적으로 검증하는 방법 • chi-square 방법 ㅡ 기대빈도를 계산하여 두개 이상의 데이타 세트의 관찰빈도가 통계적으로 유의미하게 나오는지를 측정하는 통계학적 기법으로 두 불연속변수간의 상관관계를 측정하는 것이 목적이다. • Kolmogorov-Smirnov시험(스미르노프 검정) ㅡ 두 모집단이 서로 동일한 분포를 가지는 지를 알아보기 위한 검정 • Paired T-Test ㅡ 서로 독립이 아닌 두 집단간의 평균의 차이를 분석하고자하는 경우에 이용되는 분석 방법

10. 5. 모형의 결과를 통계적으로 검증하는 방법 • 선형회귀분석 ㅡ 선형 방정식(직선형)에 의해서 자료를 표현하는 것 • 비선형회귀분석 ㅡ 비선형 방정식에 의해서 자료를 표현하는 것

11. 6. 독성학적 기준을 설정함에 있어서 주의 할 점 • 인간은 좀 더 넓은 영역에 영향을 미친다는 것을 인식. • 산업화된 국가에서 단위면적당 인위적으로 발생하는 에너지 흐름은 광합성의 10배를 능가함. • 중금속은 널리 퍼져있으며, 지속성 때문에 유기독성물질보다 더 큰 문제임. • 일반적으로 중금속의 농도를 증가시키는 것은 인간의 활동임.

12. 7.자연수체에서의 주요 유기 독성물질 및 그와 관련된 반응을 설명 네가지파라미터 즉, 옥타눈 분배걔수 펠레의 법칙상수, 헤리상수 흡착스펙트럼으로 부터의정리한 화학정 가수분해 광분해 휘발흡탈착과 생물농축등을 통해 여러 화합문에 대한 속도상수를 알 수 있다.

13. 생물학적변환 화학적 가수분해 화학적산화 광변화 휘발 흡탈착/생물농축 자연수체내에서의 주요 유기 독성물질 및 반응

14. 8. 다매체(대기, 물, 토양)에서의 오염물의 이동 및 변환과정을 설명 • 환경을 통한 오염물의 경로. 환경에서 오염물의 분포는 종의 속성에 의존함. 친유성 물질은 유기체와 먹이사슬에 축적됨. 생물학적 분해와 화학 또는 광화학적 분해는 체류시간과 체류농도를 감소시킴. 대기 토양 지하수

15. 예제 1.1 호수 물 수지 분석 가뭄 기간내 호수의 부피를 계산하라. 모든 유입량의 합은 100 m3s-1이고, 유출량은 110 m3s-1 , 증발과 물수요의 합은 1 m3s-1임. 호수의 초기부피는 1 × 109 m3 . 그림 1.3 참조. (모든 단위는 초에서 일로 변환.)

16. 예제 1.2 호수내 독성 물질의 물질 평형 호수내 독성물질에 대한 정상상태의 농도 계산. 정상상태 (dC/dt = 0), 부피는 일정 (Qin = Qout ). 분해속도는 50 kg d-1. 초기조건 Cin=100μgL-1, 경계조건 Qin=Qout=10m3s-1 . [풀이] 검사체적에 대한 물질평형식은 축적 = 유입율 – 유출율 ± 반응율 정상조건에서는 축적율 = 0, 따라서 유출율 = 유입율 - 반응율 (분해)

17. 예제 1.3 하천내 용존산소 모형의 보정 결과의 적합성 검증 0.0 km에서 생물학적 산소요구량 (BOD) 방출후, 용존산소 고갈됨 (D.O. 하락 곡선). 모형 보정 결과와 현장 측정치가 도시됨 (다음 표 및 그림 1.4). 다음과 같은 통계분석을 통하여 모형보정 결과의 수용여부를 결정하라. a. 0.1 유의치(90% 신뢰도)의 Chi-square 적합도 b. 유의도 p=0.1에서의 Paired t-test (평균과 0사이의 차이) c. r2 > 0.8 인 경우의 모형 결과의 선형 최소자승 회귀분선 (x 축 : 모델링 결과, y축 : 관측치). 실선:햔장측정값 점선:연속적인모현의결과값 그림 1.4 용존산소모형과 현장 관측치의 비교

18. a. 0.1 유의치(90% 신뢰도)의 Chi-square 적합도 Chi-Square Fitness Test 측정치는 현장자료, 기대치는 모형 결과임. α는 신뢰구간, χ02는 자유도 n-1 일 때 chi-square 분포값임. χ02=4.17, n = 10, α= 0.9임. χ02 = 4.17은 자유도 9(n-1)와 P = 0.10에 대하여 chi-square 분포의 통계표로부터 결정되었음. 오른쪽 표는 0.1254≤4.17임을 보여줌. 따라서, 모형은 0.1 유효구간에서의 적합도 검증을 통과함.

19. b.한쌍의 t-검정은 지정된 신뢰한도 내에서 한쌍의 자료간의 차이를 검정하데 사용한다. Paired T-Test di 는 두개의 자료 i의 수치적인 차임. • n-1자유도에 대한 t 검정의 수용기준 D.O. 모형의 기준은 수치 1.833은 자유도 9와 P = 0.10일 때 t 검정의 표로부터 결정됨. 표에 의하면 시험 통계는 다음과 같이 계산될 수 있음. 0.3699≤1.833이기 때문에 유의도 0.1에서 Paired T –Test의 모형결과와 현장자료를 구별할 수 없다.

20. c. 완벽한 모형 예측치는 다음과 같이 산출 될 것이다. 완벽한 모형의 예측치는 • D.O. 모형은 r2>0.8의 선형회귀기준에 도달함. • 모형을 검정하기 위하여 더 많은 관측치가 있으면 좋음 • 3개 모형 모두 자료수가 n 30통계적인 관점에서 더욱 강력해질 것이다.

21. 환경모형에 대해서 인터넷에서 관련된 정보 검색 • 도로환경용량을 고려한 통행량 배분의 실제적 효과를 산출하기 위해서는 다음의 네가지 사항이 지속적으로 연구, 개발 되어야 한다. 1) 통행비용의 절감과 대기질 개선이라는 공동선(共同善)을 추구하기 위한 교통․환경간 통합패러다임의 적용모형 개발과 활용가능성 모색 2) 물리적 기준인 도로별 교통용량기준을 환경요소도 포함하는 도로환경용량으로의 전환 3) 통행시간․환경비용․도로건설 및 유지비용뿐만 아니라 자동차 이용에 따른 연료소비 등을 포함하는 통행배분 모형 개발 4) 단기혼잡프로그램을 활용하여 자동차 유발 대기오염물질 배출량 저감효과와의 연계시도

22. 참고문헌 • http://www.reportworld.co.kr/report/data/view.html?no=000134479 • http://www.krei.re.kr/issue/report_view.php?vKey=R441&vTop=3&vBid=r&vPage=&vFind=&vSearch