수환경관리, Midterm Exam., April 21, 2015

Water Environment Management, Midterm Exam, 20150421

강원대학교 공과대학 환경공학과 교수 김준현

Kangwon National University, School of Engineering

Environmental Engineering Dept., Professor Joon Hyun Kim

Part I. Basic Theory of Water Environment Management

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 environmental system analysis?

２．통합적　수환경　관리　시스템에　대하여　설명하라．

Explain the integrated water environment management system.

3．환경시스템공학은　무엇을　다루는　학문인가？

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

4. 모형에 대하여 다음의 질문에 답하라.

Answer the problems such as follows about the model.

1) 모형이란 무엇인가?

1) What is the model?

2) 모형에는 어떤 종류가 있는가?

2) Classify the models.

3) 모형을 이용하여 모델링을 수행하는 작업은 어떤 과정을 거치는가?

3) What kind of processes you have to implement for the modeling by using the models.

4) 수학적 모형과 실험적 모형에 대하여 자세히 설명하라.

4) Make the detailed explanation of the mathematical and experimental models.

5. 환경 모델링의 범위 및 목적에 대하여 기술하라.

Describe the scope and objective of environmental modeling.

6. 다음의 호수에 대하여 물평형(Water Balance) 관계로부터 물수지식을 유도하라.

Derive the water balance equation using the concept of water balance for the lake such as follows :

7. 보정과 검증의 모델링　과정은 무엇인가? 그 차이점은?

What is the calibration and verification process of the modeling？　What is the different characteristic of these two processes?

8. 보정기법의 예로서 하천오염현상을 해석하기 위한 물질이동식을 기술하고 생화학적 반응식에 관련된 파라미터를 추정하기 위한 BOD 분해능 계수의 추정 기법을 실험실의 실험치 및 현자 조사 결과를 바탕으로 수행하는 방법을 기술하라. (선형회귀분석에 대한 구체적인 수학적 기술 필요.)

Describe the mass transport equation for the pollution problems in the streams and explain the parameter estimation method of BOD biodegradation coefficient in the biochemical reaction kinetics from the experimental results in the laboratory and form the field sampling results. (You have to describe the specific mathematical method about the linear regression method.)

1) 물질이동식 및 해

2) BOD 분해능 계수의 판정 기법

[eqn: x,km]	[eqn: C/C_0]	[eqn: ln C/C_0]	[eqn: x/ {u,} day]
0 5 10 20 30 50 100 200	1.0 0.94 0.91 0.84 0.76 0.64 0.42 0.19	0.0 -0.062 -0.094 -0.174 -0.274 -0.446 -0.868 -1.661	0 0.145 0.289 0.579 0.868 1.447 2.894 5.787

9．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.

Ch.2 Transport Phenomena (이동현상)

1. Fick의 확산법칙을 설명하라.

Describe the Fick's Law of Diffusion.

2. 수리학적 분산계수를 복합다상이론으로부터 유도하고 분자확산계수를 포함하는 분산계수를 설명하라.

Derive the hydrodynamic dispersion coefficient from the composite multiphase concept, and explain the dispersion coefficient including the molecular diffusion coefficient.

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

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

4. 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, direct pollutant source for the control volume.

5. 평면 오염원(오염된 호수 퇴적물)으로부터 상부 수주까지의 연직 와류 확산에 대한 오염된 퇴적물의 Fick의 제2법칙을 풀어라. 초기 조건(IC)과 경계조건은 다음과 같다.

Solve Fick's second law of diffusion. The problem is for vertical eddy diffusion from a planar source (a contaminated lake sediment) to the overlying water column. The initial condition (IC) is such as follows.

[eqn: C(x) =0 ~at ~t = 0]   (IC)

6. 물질이동식을 해석하기 위한 BOX 모형을 설명하라.

Explain the Box model for the solution of the mass transport equation.

7. 완전혼합조, 플러그유동조, 이류확산조에 대하여 다음의 질문에 답하라.

Answer the problems such as follows for the CSTR, Plug Flow Reactor, and Dispersive Plug Flow Reactor.

1) 각 반응조의 지배방정식을 그림을 이용하여 유도하라.

1) Derive the governing equation for each reactor using diagram for the mass balance.

2) 각 반응조의 주요 파라미터를 기술하라.

2) Describe the important parameters of each reactor.

3) 각 반응조에 대하여 정상상태의 경우 상미분방정식의 이론해를 유도하라.

3) Derive the analytical solution of the ordinary differential equations for the case of steady state of each reactor.

Ch.3 Chemical Reaction Kinetics (화학반응역학)

1. 0차, 1차, 2차, n차 반응, 효소반응, 가역반응의 경우에 대하여 반응속도식의 해를 유도하라. (n차 반응의 경우 교과서에는 해의 유도과정이 없음).

Derive the solution of the reaction kinetics in the case of 0th, 1st, 2nd, nth, enzyme kinetics, and reversible reaction.

Part II. Water Environment Modeling

1．복합 혹은 다중 다상 시스템의 개념을 설명하라.

Explain the conceopt of the composite or multicomponent multiphase system.

.

<그림 1-1> 복합다상시스템         <그림 1-2> 부피분율과 질량분율

2. 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．

3. 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.

4. 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. QUAL2E와 QUAL2K 모형의 차이점을 설몋하라.

Explain the difference of QUAL2E and QUAL2K Model.

6. DYNHYD5 모형 지배방정식인 연속방정식과 운동방정식을 서술하고, 지배방정식의 각 항 및 파라미터를 설명하라.

Describe the governing equations of DYNHYD5 such as continuity the equation and the equation of motion. Explain the each term and parameters of the governing equations.

7. Manning의 식을 설명하라．

Explain the Manning’s Equation.