수환경관리, 시험 3, Midterm Exam., May7th 2014

Water Environment Management, 3rd Exam, 20140507

강원대학교 공과대학 환경공학과 교수 김준현

Kangwon National University, School of Engineering

Environmental Engineering Dept., Professor Joon Hyun Kim

Part I. Environmental Modeling

Ch.6 하천내 일반적인 오염물질의 모델링

Ch.6 Modeling of Conventional Pollutants in Streams

1. 하천에서의 오염현상해석에 대한 다음의 질문에 답하여라.

Answer the next problems about the analysis of the pollution problems in streams.

1) 하천에서의 오염물질의 물질이동식을 플러그유동시스템을 가정하여 유도하라.

Derive the mass transport equation of pollutants in streams for the case of plug flow system.

2) 위의 문제에 대하여 정상상태의 경우의 해를 구하여라.

Derive the solution of the above mass transport equation in the case of steady state.

3) BOD 분해능 계수를 실험실과 현장의 자료를 해석하여 산정하는 방법을 설명하라.

Explain the estimation method of BOD decay coefficient using the experimental and field data.

2. 다음과 같은 경우에 대하여 선형회귀분석 방법을 적용하여 BOD 분해능 계수를 평가하라.

Evaluate the BOD decay coefficient for the next data by using the linear regression method.

[eqn: x, ~km]	0.0 5.0 10.0 20.0 30.0 50.0 100.0 200.0
[eqn: C, ~mgL^-1]	10.0 9.4 9.1 8.4 7.6 6.4 4.2 1.9

3. 다음의 경우에 대해서 물질수지식을 전개하고, 시간의 함수로서 농도에 대하여 미분방정식을 풀어라(적분하라).

Derive the mass transport equation for the problems as follows, and solve the differential equation for the concentration as the time function.

1) 정상 상태, 거리에 따라 유동과 횡단면적이 증가, 1차 소멸 반응인 경우.

For the case of steady state, increasing flow and cross sectional area with distance, and 1st order decay reaction.

2) 정상 상태, 하천에서 거리의 함수에 따라 지수적으로 감소하는 속도 상수.

For the case of steady state, exponentially decaying reaction coefficient along the distance in stream.

4. [eqn: Q =Q_0 exp(qx)],[eqn: A =A_0 exp(ax)], [eqn: k =k_0 exp(-rx)]인 경우 플러그 유동 시스템에 대하여 물질이동식을 유도하고 정상상태에 대하여 해를 구하라.

Derive the mass transport equation for the case of the plug flow system with [eqn: Q =Q_0 exp(qx)],[eqn: A =A_0 exp(ax)], [eqn: k =k_0 exp(-rx)], and solve the differential equation for the cased of steady state.

5. Streeter-Phelps 모형에 대한 다음의 질문에 답하여라.

Answer the problems for the Streeter-Phelps model.

1) Streeter-Phelps 모형의 지배방정식을 서술하고 해를 유도하라.

Derive the governing equation of the Streeter-Phelps model and the solution of the system.

2) 임계거리 및 임계 용존산소부족농도에 대한 식을 유도하라.

Derive the equations for the critical distance and critical concentration of the oxygen deficit.

6. 다음 그림과 같이 입자상 오염물에 의한 침전이 있는 경우에 대하여 다음의 질문에 답하여라.

Answer the problems for the case of the particulate pollutants with sedimentation as shown in the diagram.

1) 그림을 이용하여 BOD 분해와 DO의 재포기 과정을 포함한 물질이동식을 서술하라.

Describe the mass transport equations including the BOD decomposition and reaeration of DO using the diagram.

2) DO 결핍농도에 대한 해를 상미분방정식의 적분인자법을 이용하여 구하여라. 적분인자법의 적용방법에 대하여 상세히 기술하라.

Derive the solution of the DO deficit for the ordinary differential equation by using the integration factor method. Explain in detail about the application method of the integration factor method.

7. 재폭기, 침전, 분해, 광합성, 호흡, 퇴적물산소요구량, 비점오염원이 있는 경우의 DO 모형의 모식도 및 관계된 식을 설명하라. DO 결핍농도의 해를 상미분방정식의 해법으로 자세히 구하여라.

Explain the diagram and relevant equations of the DO model when there are reaeration, deposition, decomposition, photosynthesis, respiration, sediment oxygen demand, and nonpoint source. Derive the solution of DO deficit in detail of the ordinary differential equation.

8. 하구나 대규모 강인 경우의 확산을 포함하는 하천에 대하여 물질이동식을 서술하라. 정상상태의 조건에 대하여 1차원 물질이동식인 2계 상미분 방정식의해를 경계조건을 고려하여 구하라.

Describe the mass transport equation of the stream when there is dispersion phenomena such as estuaries or large rivers. Derive the solution of the second order ordinary differential equation of one dimensional mass transport equation considering the boundary conditions.

9. 물질이동식의 확산계수, 유속, 반응속도상수 등의 파라미터를 추정하는 방법을 설명하라.

Explain the estimation method of the parameters of the mass transport equation such as dispersion coefficient, velocity, and reaction coefficient.

Part II. Water Environment Managemnent

Ch.1 Introduction

1. 환경문제를　해결하기　위하여　시스템적인　해석이　필요한　이유와　시스템적인　해석　방법은　무엇인지　설명하라．

Explain the reason why system analysis is required for the solution of environmental problems. What is the environment system analysis?

２．통합적　환경　관리　시스템에　대하여　설명하라．

Explain the integrated environment management system.

３．EPA, USGS, DHI, 미국　공병단　등　외국의　연구　기관에서　개발된　모형을　열거하고　간단히　설명하라．

Describe  the developed models by EPA, USGA, DHI, and U.S. Army Corp of Engineers.

４．환경시스템공학은　무엇을　다루는　학문인가？

What kind of science is dealt with in Environment System Engineering?

Ch.2 QUAL2E

1. 물의 흐름에 대하여 검사체적을 그리고 3차원 연속방정식을 유도하라.

Derive the three-dimensional continuity equation by using the control volume for the water flow.

2. 검사체적을 그리고, 이류유송, 확산이동, 생화학적 반응, 직접 오염 부하항 등을 포함하는 3차원 물질이동식을 유도하라.

Derive the three-dimensional mass transport equation including the terms for the advective flux, dispersive flux, biochemical reaction, and direct pollutant source for the control volume.

3．복합 혹은 다중 다상 시스템의 개념을 설명하라.

Explain the conceopt of the composite or multicomponent multiphase system.

4. 위의 복합다상시스템의 개념을 이용하여 밀도와 농도의 차이를 설명하라.

Explain the difference between the density and the concentration by using the　concept of the multicomponent multiphase system．

5. 위의 복합다상시스템의 개념을 이용하여 이류유송과 분산이동을 서술하라.

Explain the concept of flux and the mathematical notation of advective flux and dispersive flux by using the　concept of the multicomponent multiphase system.

6. QUAL2E 모형과 Network 모형에 대하여 다음의 질문에 답하라.

Answer the problems such as follows for the QUAL2E and Network model.

1) 본 모형의 지배방정식인 물질이동식을 설명하라.

Explain the mass transport equation which is the governing equation of this model.

2) 본 모형에서는 유량 및 단면 등의 수리 현상을 어떻게 해석하고 있는가?

How does this model evaluate the hydraulic process such flow rate and cross sectional area.

3) 모형의 수치해석기법을 설명하라. (후방유한차분법)

Describe the numerical method of this model(Backward Finite Difference Method)

4) 본 모형의 수질 모델링 항목들간의 변환 및 상호 관계는 다음의 그림으로 나타낼 수 있다. 이러한 변환 및 반응들을 구체적으로 설명하고, 반응속도식 및 반응속도상수를 설명하라.

The transformation and biochemical reactions between the water quality variables of QUAL2E can be expressed as shown in below figure. Explain in detail about the transformation and reaction mechanism, and reaction kinetics and reaction constants.

5) 본 모형에 있어서 파라미터중 가장 중요한 파라미터를 열거하고 설명하라.

5) Explain the most important parameters of this model.

7. QUAL2E와 QUAL2K 모형의 차이점을 설몋하라.

Explain the difference of QUAL2E and QUAL2K Model.

8. Manning의 식을 설명하라．

Explain the Manning’s Eqaution.