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대형 수계에서 내부 발생 BOD와 탈질량 결정을 위한 수질 모델 연구

Title
대형 수계에서 내부 발생 BOD와 탈질량 결정을 위한 수질 모델 연구
Other Titles
A Water Quality Modeling Study to determine Autochthonous BOD and Denitrification in a Large River System
Authors
이재영
Issue Date
2011
Department/Major
대학원 환경공학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Advisors
박석순
Abstract
본 연구는 한반도 남동부에 위치하는 우리나라의 제 2의 하천인 낙동강을 대상으로 수행되었다. 낙동강과 같이 부영양화된 하천에서의 BOD농도는 각종 오염원의 유입으로부터 발생한 BOD 이외에도 하천내의 질소, 인과 같은 영양 염 류를 이용하여 성장한 조류에 의해 생성된 자생BOD가 상당부분 차지한다. 이러한 특징을 가지는 우리나라 하천에 적절한 수질대책을 마련하기 위해서는 실험을 통한 접근은 시•공간적 한계가 있으므로 하천의 수질변화 기 작을 잘 설명할 수 있는 수질모델이 필요하다. 전 세계적으로 사용되고 있는 QUAL2E모델은 위의 기 작을 잘 설명하지 못하고 있으므로 국내에서 최초로 QUAL2E의 문제점을 제시하고 이를 보완하여 QUAL2K(Park and Lee, 2002)가 개발되었다. QUAL2K모델은 내부생성BOD와 탈 질 과정을 포함하고 있어 우리나라 하천을 잘 설명하고 있으며 그 적용 성 을 검증 받았다. 본 연구에서는 QUAL2K모델을 이용하여 부유조류 사멸로 인한 자생BOD양과 혐기성 상태에서 일어나는 탈 질량을 정량적으로 산출하고, 하천 구간별로 각각 차지하는 비율을 밝혀 하천 시스템을 해석하고자 한다. 모델 적용 전, 연구대상지역인 낙동강 수계 유역의 일반 현황과 관리현황, 수리 및 수문현황, 수질 현황 등 수 환경 전반에 대한 기초 자료를 수집하고 분석하였다. 수집한 수질자료를 바탕으로 장기간의 낙동강 본류의 수질 변화 과정을 이해하고 시스템을 분석하기 위하여 통계분석을 실시하였다. 낙동강 본류 수질 측정 지점 중 21지점을 선정하여 LOWESS방법을 적용하였고, 그 중 상류, 중류, 하류의 대표 수질지점에 대하여 계절 맨-켄달 검정 법을 시행하였다. QUAL2K모델의 구성은 낙동강 전체 수계를 321개의 Reach, 1742개의 Element로 분할하였다. 낙동강 전체 수계 중 연구대상 부분인 낙동강 본류는 65개의 구간으로 형성되어 있다. 모델의 보정 및 검증은 유황 별로 실시하였고, 생물학적 산소요구량 (BOD), 암모니아 성 질소(NH_(3)-N), 질산성 질소(NO_(3)-N), 총 질소(T-N), 총인(T-P), 클로로필 a(Chl-a)의 6가지 항목을 보정, 검증하였다. 낙동강 수계 내의 내부 증가 원과 탈 질량을 정량적으로 산출하기 위하여, QUAL2E모델과 QUAL2K 모델 기 작을 중심으로 비교하였다. QUAL2K모델은 기존의 QUAL2E의 BOD 계산 방법을 지원하고 있으므로, 분석 방법은 각 항목에 대하여 옵션과 계수를 적용하는데 있어 on/off 시스템 분석 방법을 택하였다. 두 모델간의 BOD와 질산 성 질소 농도 차를 이용하여 각 계산요소의 유량을 고려한 자생BOD양과 탈 질량을 계산하고, 낙동강 본류를 5개의 Section으로 나누어서 각 구간별로 분석하였다. 상류에서 하류로 갈수록 구간별 BOD의 총량과 자생BOD양 모두 증가하였다. 또한 탈 질량 역시 상•중류 구간에서는 거의 탈질 되는 양이 0%에 가깝다가 하류로 갈수록 평균 36.52%까지 증가 하였다. 자생BOD양의 증가는 하류로 갈수록 길어지는 유 하 시간과 비례하였으며, 탈 질량은 하류로 갈수록 증가하는 하천의 평균 수심과 비례함을 알 수 있었다. 자생BOD양과 탈 질량 모두 금호강의 유입 후부터 급격히 증가하였다. 금호강 유역은 인구가 많은 대도시와 산업단지가 밀집해있어 금호강의 유입지류가 본류 수질에 많은 영향을 주며, 특히 자생BOD와 탈 질량 변화에도 영향을 주고 있는 것으로 판단되었다.;A water quality modeling study was performed on the Nakdong river system, using the QUAL2K model. The Nakdong River, which is one of four major river systems in Korea, serves as an important water resource for the south eastern area. The river drains an area of 23,384.21 square kilometers and length of the main stream is over 510.36 kilometers. The USEPA’s QUAL2E model was selected as a best available one for use in the Nakdong River. Several limitations of the QUAL2E model, however, have been reported. One of the major inadequacies of the QUAL2E model is the lack of provision for conversion of algal death to BOD, which is autochthonous source of organic matter. Since the algal bloom is an important phenomenon found in downstream area, this inadequacy of the model should be repaired to simulate the water quality dynamics in the Nakdong River. Therefore, modifications were made in the computer code to overcome such limitations and the modified version was named as QUAL2K by Park and Lee(2002). The major enhancements of the QUAL2K model include the expansion of computational structure and the addition of new constituent interactions, such as algal BOD, denitrification, and DO change caused by fixed plant. The main purpose of this study is to determine autochthonous BOD and denitrification in the Nakdong river system using QUAL2K model. In the QUAL2K model, the river was divided into 321 reaches and 1742 elements. The size of theses element was chosen to be 1.0 kilometer. The Model was calibrated with data for the April and May in 2007 survey, and was verified the June, July and August data in 2007 survey. The water quality parameters calibrated and verified in the QUAL2K model are BOD(Biochemical Oxygen Demand), NH_(3)-N(Ammonia Nitrogen), NO_(3)-N(Nitrate Nitrogen), T-N(Total Nitrogen), T-P(Total Phosphorus), Chl-a(Chlorophyll a). The model results were in reasonable agreements with the field measurements in both calibration and verification. The validated model was utilized to determine autochthonous BOD and denitrification in Nakdong river system. The simulation results of Nakdong river system analysis indicated that autochthonous BOD and denitrification is lowest at upstream and they are increased as it moves to downstream. The increasement of autochthonous BOD shows proportional relationship with river travel times. Also, the denitrification is getting increased as the water level is deeper in downstream. From this study, it was concluded that QUAL2K model could successfully simulate the water quality of Nakdong river system. At the moment, Nakdong river is under construction government’s Four Major Rivers Restoration Project. As the matter of fact, successful simulation of the river system in this study is expected to be a useful tool for comparison of the quality of river before and after of the project.
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