３rd Examination,

Environmental System Engineering, April 8th, 2013

Professor Joon Hyun Kim,

Environmental Engineering Department, Kangwon National University

1. Explain the numerical algorithm of the finite difference method of QUAL2E.

1) 지배방정식 및 수치격자망

본 모형의 수치해석 기법인 후방 유한 차분법은 다음과 같이 설명할 수 있다. 물질이동식은 반응식을 일차원 반응항과 내부발생원으로 분류하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[eqn: { ∂C} over {∂t }={Partial left( A_x`E`{Partial` C} over {Partial `x} right)} over {A_x`` Partial`x} ~-~ {Partial left(A_x`U`C right)} over {A_x ``Partial`x} ~+~ rc~+~p ~+~ S over V ~]

여기서, 반응항은 [eqn: { dc} over { dt} = rc ~ + ~ p] 로 두가지로 분리되어 표현된다. 첫 번째 항은 농도에 비례하는 1차반응을 나타내며, 두 번째 항은 내부 발생 또는 제거로서, 저니층 부하, 조류성장에 따른 영양염류 손실 등이 해당한다.

본 모형의 일차원 격자망은 다음과 같다. 시간영역에 대해서는 n를 공간영역에 대해서는 I라는 표기를 사용하여 다음과 같이 유한차분 알고리즘을 유도할 수 있다.

Flow ➜

	●	●	●
	요소 i-1	요소 i	요소 i+1

[eqn: n + 1~ : ~t + { △t} over {2 }]

[eqn: n~~ ~ : ~t - { △t} over {2 }]

QUAL2E 모형의 수치해석의 계산 격자망

2) 후방차분법을 이용한 지배방정식의 이산화

후방 유한차분법을 적용하여 다음과 같이 모든 공간 편미분항은 후방차분되고, 시간편미분항은 전방차분된다.

1단계: 이송과 확산항을 x에 대해 한번 후방차분하면 다음과 같다 (반응항과 근원항도함수가 없으므로 불변).

[eqn: {Partial C _{i}} over {Partial t} = {-(AE {Partial C} over {Partial x} ) _{i-1} +(AE {Partial C} over {Partial x} ) _{i}} over {V _{i}} + {(AUC) _{i-1} -(AUC) _{i}} over {V _{i}}]

여기서, [eqn: V_i = A_i`` TRIANGLE x_i]

2단계: 일차 공간도함수에 후방차분법을 적용하여 이산화한다.

[eqn: { PARTIAL C_i} over { PARTIAL t } = {{( AE) (C_i+1 - C_i )} over {V_i △x_i}} + {{( AE) (C_i-1 - C_i )} over {V_i △x_i}}+ {{ Q_i-1 C_i-1 -Q_i C_i} over {V_i} }]

3단계: 시간 편미분항을 전방차분한다 (비정상상태의 유한차분).

[eqn: {C_i^n+1 - C_i^n} over {TRIANGLE t } = {{( AE )_i,i+1( C_i+1^n+1}- C_i^n+1 )} over {V_i TRIANGLE x_i} +{{( AE )_i-1,i ( C_i-1^n+1}- C_i^n+1 )} over {V_i TRIANGLE x_i}]

[eqn: + {(Q _{i-1} C _{i-1} ^{n+1} -Q _{i} C _{i} ^{n+1} )} over {V _{i}} +r _{i} ``C _{i} ^{n+1} +P _{i} + {S _{i}} over {V _{i}} ``]

위의 식을 주변수인 수질농도에 대하여 다음과 같이 정리한다.

[eqn: a_i { C}`_{i-1 } ^{n+1 } + b_i { C}`_{i } ^{n+1 }+c_i { C}`_{i+1 } ^{n+1 } = Z_i`]

[eqn: a_i =- [(AE)_i-1 { TRIANGLE t} over {V_i TRIANGLE x_i } + { Q_i-1 TRIANGLE t} over {V_i }]]

[eqn: b_i = 1.0 + [(AE )_i-1 + (AE)_i ] { TRIANGLE t} over {V_i TRIANGLE x_i} +{Q_i TRIANGLE t} over V_i - r_i TRIANGLE t``]

[eqn: c_i =- [(AE )_i { TRIANGLE t} over {V_i TRIANGLE x_i }]]

[eqn: Z_i = C_i ^n + { s_i TRIANGLE t} over {V_i } + p_i TRIANGLE t``]

미지수는 좌항에 있는 3개의 수질농도 값이고, 나머지는 모두 기지의 값들이다. 정상상태에서는  [eqn: { PARTIAL C_i} over { PARTIAL t} = 0] 이므로

[eqn: a _{i} C` _{i-1} ^{n+1} +b _{i} C` _{i} ^{n+1} +c _{i} C` _{i+1} ^{n+1} =Z _{i} `]

[eqn: a_i =- [ {(AE )_i-1} over {V_i TRIANGLE x_i } + { Q_i-1 } over {V_i }]]

[eqn: b_i = [{(AE)_i} over {V_i TRIANGLE x_i} + {(AE)_i-1} over {V_i TRIANGLE x_i} + {Q_i} over {V_i } - r_i ]``]

[eqn: c_i =- [{(AE)_i} over {V_i TRIANGLE x_i }]]

[eqn: Z_i ={ s_i } over {V_i } + p_i ``]

지류가 유입되는 요소에서는 다음과 같은 [eqn: d_j] 항을 더해 주어야 한다.

[eqn: a _{i} C` _{i-1} ^{n+1} +b _{i} C` _{i} ^{n+1} +c _{i} C` _{i+1} ^{n+1} +d _{j} C` _{j} ^{n+1} =Z _{i} `]

여기서, [eqn: d_j =- [(AE)_j { TRIANGLE t} over {V_i TRIANGLE x_i } + { Q_j TRIANGLE t} over {V_i }] ``], j 는 합쳐지는 지류의 요소를 나타내며, [eqn: { C}`_{j } ^{n+1 }] 는 n+1 시간에서 요소 j에서의 수질농도 값이다.

3) 가우스소거법을 이용한 최종연립방정식의 해석

이산화된 차분식을 전체 절점에 대하여 합쳐주면 다음과 같은 연립방정식의 행렬이 구성되며, 이러한 행렬은 이산화된 차분식에서의 격자점이 서로 인접한 격자점만 포함하기 때문에 다음과 같은 삼대각행렬(Tridiagonal Matrix)을 구성하게 된다.

[eqn: bmatrix{b _{1}&c _{1}&&&&&&#a _{2}&b _{2}&c _{2}&&&&&#&a _{3}&b _{3}&c _{3}&&&&#&&.&.&.&&&#&&&a _{i}&b _{i}&c _{i}&&#&&&&.&.&.&#&&&&&a _{I-1}&b _{I-1}&c _{I-1}#&&&&&&a _{I}&b _{I}} TIMES][eqn: bmatrix{c` _{1} ^{n+1}#c` _{2} ^{n+1}#c` _{3} ^{n+1}#.#c` _{i} ^{n+1}#.#c` _{I-1} ^{n+1}#c` _{I} ^{n+1}}]=[eqn: bmatrix{Z _{1}#Z _{2}#Z _{3}#.#Z _{i}#.#Z _{I-1}#Z _{I}}]

위의 삼대각 행렬식에 가우스 소거법을 적용하면 다음과 같다.

(1) 전방 소거 (Forward Elimination)

1행 [eqn: b _{1} c` _{1} ^{n+1} +c _{1} c` _{2} ^{n+1} =Z _{1}]에서 양변을 b1으로 나누면

[eqn: c` _{1} ^{n+1} +W _{1} c` _{2} ^{n+1} =G _{1}]

여기서,[eqn: W _{1} = {c _{1}} over {b _{1}} ,~~G _{1} = {Z _{1}} over {b _{1}}]

2행 [eqn: a_2{ c}`_{1 } ^{n+1 }+ b_2 { c}`_{2 } ^{n+1 } + c_2 { c}`_{3 } ^{n+1 } = Z_2]

2행의 a2를 소거하기 위하여 1행에 a2를 곱하여 빼준다.

[eqn: a _{2} c` _{1} ^{n+1} +a _{2} C` _{1} ^{n+1} +b _{2} C` _{2} ^{n+1} +c _{2} C` _{3} ^{n+1} =Z _{1}# # a _{2} c` _{1} ^{n+1} +a _{2} W _{1} C` _{2} ^{n+1} ~~~~~~~~~~~~~~~`=a _{2} G _{1}# ----------------------]

[eqn: (b _{2} -a _{2} W _{1} )C` _{2} ^{n+1} +c _{2} C` _{3} ^{n+1} =Z _{2} -a _{2} G _{1}]

[eqn: { c}`_{2 } ^{n+1 } + W_2 { c}`_{3 } ^{n+1 } = G_2] 여기서, [eqn: W _{2} = {c _{2}} over {b _{2} -a _{2} W _{1}} ,~~G _{2} = {Z _{2} -a _{2} G _{1}} over {b _{2} -a _{2} W _{1}}]

같은 방법을  i 행에 대하여 적용하면 다음과 같다.

[eqn: c` _{i} ^{n+1} +W _{i} c` _{i+1} ^{n+1} =G _{i}]

여기서, [eqn: W _{i} = {c _{i}} over {b _{i} -a _{i} W _{i-1}} ,~~G _{i} = {Z _{i} -a _{i} G _{i-1}} over {b _{i} -a _{i} W _{i-1}}]

(2) 후방 치환 (Backward Substitution)

마지막 행에 대한 해는[eqn: C` _{I} ^{n+1} =G _{I} `] 이므로 이 값을 이용하여 후방치환하여 [eqn: C` _{I-1} ^{n+1} ,C` _{I-2} ^{n+1} ,....]를 구한다.

[eqn: C` _{i} ^{n+1} =G _{i} -W _{i} C` _{i+1} ^{n-1} ,~~for~~i=I-1,...,1]

4) 경계조건

(1) 상류경계조건 (Upstream Boundary Condition)

최상류에서는 최상부 수심 격자(Headwater Elements)의 수질농도가 Co로 입력되기 때문에 수치해석상 제1경계 조건이 되면 다음의 알고리즘을 사용한다.

[eqn: Z_1 = C_1 ^n + { s_1 TRIANGLE t} over {V_1 } + p_1 TRIANGLE t - a_1 C_o``]

(2) 하류경계조건 (Downstream Boundary Condition)

하류 경계조건은 최종 격자에서 다음과 같이 기지의 농도의 경사도(플럭스)나 농도값을 사용한다.

Option 1: 농도의 구배도가 0임 (Zero Gradient Assumption)

하천 마지막구간의 최하단 요소 I에서 [eqn: C_I+1]은 [eqn: C_I-1]로 대체된다.

[eqn: a_i =- [((AE)_I-1 +(AE)_I ) { TRIANGLE t} over {V_i TRIANGLE x_i } + { Q_i-1 TRIANGLE t} over {V_i }]]

Option 2: 고정된 농도 값(Fixed Concentrations)

시스템의 마지막 요소에 고정된 농도값을 사용한다.

[eqn: C _{I+1} =C _{LB}]

[eqn: Z _{I} =C _{I} ^{n} + {s _{I} TRIANGLE t} over {V _{I}} +p _{I} TRIANGLE t-c _{I} C _{LB} ``]

2．Explain the equation of the biochemical reactions of QUA2E.

(1) 조류

조류의 성장에 의한 증가, 사멸 및 침전에 의한 감소를 고려하여 다음의 식으로 표현할 수 있다.

[eqn: Chl.`a= alpha _{0} A]

[eqn: {dA} over {dt} `=~ mu A~-~ rho A`-~ {sigma _{1}} over {d} A# 증가~~성장~```사멸~~~침전`]

여기서,

Chl. a = 엽록소 농도

A = 조류농도

[eqn: alpha _{0}] = Conversion factor,  ug Chl. a/mg A (엽록소와 조류 농도의 변환 계수)

[eqn: mu] = Specific growth rate of algae (조류의 비성장률)

[eqn: rho] = Respiration rate of algae (사멸율)

[eqn: sigma _{1}] =  Settling rate for algae (침전율)

d = 평균수심

조류의 성장율은 다음과 같이 선택적으로 평가된다.

Option 1. 곱(Multiplicative) : [eqn: mu = mu _max (FL) (FN) (FP)]

Option 2. 제한영양원(Limiting Nutrient) : [eqn: mu = mu _max (FL)`` Min (FN, ``FP)]

Option 3. 조화평균(Harmonic Mean) : [eqn: mu = mu _{max} (FL) LEFT [ {2} over {1/FN+1/FP} RIGHT ]]

여기서,

[eqn: mu _max] = Maximum specific algal growth rate (최대성장율)

FL = Algal growth limitation factor for light (빛제한요소)

FN = Algal growth limitation factor for nitrogen (질소제한요소)

FP = Algal growth limitation factor for phosphorus (인제한요소)

(2) 유기질소(Organic Nitrogen: Org-N)

유기질소는 조류의 사멸에 의한 유기질소 증가, 유기질소의 가수분해등을 고려하여 다음의 식으로 나타낸다.

[eqn: {dN _{4}} over {dt} `=` alpha _{1} rho A~-~ beta _{3} N _{4~} -` sigma _{4} N _{4}# 증가~~사멸~~~가수분해~침전`]

여기서,

[eqn: N _4] = Concentration of Organic Nitrogen, mg-N/L (유기질소농도)

[eqn: beta _{3}] = Hydrolysis rate of Org. N to NH3-N, /day (가수분해율)

[eqn: alpha _{1}] = Fraction of algal biomass that is N,  mg-N/mg-A (조류내의 질소 함유율)

[eqn: sigma _{4}] =  Settling rate for Org. N (유기질소의 침전율)

(3) 암모니아성 질소 (Ammonia Nitrogen : NH3-N, N1)

암모니아성 질소는 유기질소의 가수분해에 의한 증가, 암모니아성 질소의 산화에 의한 감소, 하상퇴적물로부터의 부상에 의한 증가, 조류의 섭취에 의한 감소를 고려하여 다음의 식으로 나타낸다.

[eqn: {dN _{1}} over {dt} `=~ beta _{3} N _{4~} -~ beta _{1} N _{1~} +~ sigma _{3} /H~-~F _{1} alpha _{1} mu A# 증가~~가수분해~~~질산화~~~~침전~~~성장~~~~]

여기서,

[eqn: N _1] = Concentration of Ammonia Nitrogen, mg-N/L (암모니아성 질소의 농도)

β1 = Oxidation rate of NH3-N to NO2-N, /day (아질산화율)

σ3 = Benthos source rate for NH3-N, mg-N/ft2-day (하상부상율)

H = water depth (수심)

F1 = Fraction of algal N uptake from ammonia pool (조류의 섭취율)

[eqn: F_1 = {P_N N_1 } over {P_N N_1 + (1-P_N )N_3 }]

PN = Preference factor for ammonia nitrogen (0 to 1.0) (조류의 선호도)

(4) 아질산성 질소 (Nitrite Nitrogen : N2)

아질산성 질소는 암모니아성 질소의 산화에 의해 증가하고, 아질산의 산화에 의해 감소한다.

[eqn: {dN _{2}} over {dt} `=~ beta _{1} N _{1} `-~ beta _{2} N _{2}# 축적~~~질산화~~질산화]

여기서,

[eqn: N _2] = Concentration of Nitrite Nitrogen, mg-N/L (아질산성 질소의 농도)

β1 = Oxidation rate of NH3-N to NO2-N, /day (암모니아의 산화율)

β2 = Oxidation rate of NO2-N to NO3-N, /day (아질산성 질소의 산화율)

(5) 질산성 질소 (Nitrate Nitrogen, N3)

질산성 질소는 아질산의 산화에 의해 증가하고, 조류의 섭취에 의해 감소한다.

[eqn: {dN _{3}} over {dt} = beta _{2} N _{2} -(1-F _{2} ) alpha _{1} mu A# 축적~~~~질산화~~~성장~~~~~~]

여기서, F2는 조류의 질산성 질소의 섭취율이다..

(6) 유기인 (Organic Phosphorus : P1)

유기인은 조류의 사멸에 의해 증가하고, 용존인으로 변화함으로써 감소하며, 침전에 의해 감소한다.

[eqn: {dP _{1}} over {dt} `=~ alpha _{2} rho A`-~ beta _{4} P _{1} `-~ sigma _{5} P _{1}# 축적~~~호흡~~`무기인화~~~침전]

여기서,

[eqn: P _1] = Concentration of Organic Phosphorus, mg-P/L (유기인의 농도)

α2 = Fraction of algal biomass that is P,  mg-P/mg-A (조류내의 인함유율)

β4 = Organic P decay rate, /day (유기인의 용존인으로의 변환율)

σ5 =  Settling rate for Org. P (유기인의 침전율)

(7) 용존인 (Dissolved Phosphorus : P2)

용존인은 유기인으로부터 변화에 의해 증가하며, 하상퇴적물로부터 부상에 의해 증가하고, 조류의 섭취에 의해 감소한다.

[eqn: {dP _{2}} over {dt} `=~ beta _{4} P _{1~} +~ sigma _{2} /d`-~ alpha _{2} mu A# 축적~~~호기성분해~~~침전~~~성장~~]

여기서,

[eqn: P _2] = Concentration of inorganic or dissolved P, mg-P/L (용존인의 농도)

σ2 = Benthos source rate for dissolved P, mg-P/ft2-day (용존인의 부상율)

d = Mean stream depth (평균수심)

α2 = Fraction of algal biomass that is P,  mg-P/mg-A (조류의 인함유율)

μ = Specific growth rate of algae (조류의 성장률)

β4 = Organic P decay rate, /day (유기인의 분해율 : 무기인화율)

(8) 탄소성 생물학적 산소 요구량 (CBOD : L)

CBOD는 탈산소 및 침전에 의해 감소한다.

[eqn: {dL} over {dt} `=~-K _{1} L~-~K _{3} L# 축적~~~호기성분해~~~침전]

여기서,

L = the concentration of ultimate carbonaceous BOD, mg/L (CBOD의 농도)

K1 = deoxygenation rate coefficient, temperature dependent, /d (탄산소율)

K3 = the rate of loss of CBOD due to settling, /d (침전율)

QUAL2E 모형은 일반적으로 최종 BOD인 BODU를 계산하지만, 사용자가 5일 BOD인 BOD5를 사용하고자 할때에는 입력자료에서 지정을 해야 하며, 모형은 내부적으로 다음 식으로 변환된다.

[eqn: BOD _{5} =BOD _{u} (1.0-exp(-5 TIMES KBOD))]

(9) 용존산소 (O)

용존산소는 재폭기 및 조류의 광합성에 의해 증가하고, 탈산소, 하상퇴적물, 암모니아성 질소 및 아질산의 산화에 의해 감소한다.

[eqn: {dO} over {dt} =K _{2} (O _{s} -O)-K _{1} L-K _{4} /H+( alpha _{3} mu - alpha _{4} rho )A- alpha _{5} beta _{1} N _{1} - alpha _{6} beta _{2} N _{2}# 축적~~~재폭기~~~~~분해~~~SOD~~~성장-호흡~~~~~~~~질산화~~]

여기서, O는 용존산소의 농도이고, [eqn: O_s]는 주어진 온도 및 압력하의 포화산소농도이며, α3는 조류의 광합성에 의한 산소생산량이고, α4는 조류의 호흡에 의한 산소 감소율이며, α5는 암모니아성 질소의 산화에 따른 산소소모율이며, α6는 아질산의 산화에 따른 산소소모율이며, K4는 하상퇴적물에 의한 산소감소율, β2는 아질산의 산화율, β1는 암모니아 산화율을 나타낸다.

용존산소 포화농도(Os)는 수온에 반비례, 용존부유물 농도 또는 염도에 반비례, 기압에 비례하며 아래와 같은 관계가 있다.

o 온도의 영향 : 평균해수면에서 온도에 따른 DO 포화농도는 다음과 같다.

[eqn: lnO _{s} =-139.34410+ {1.575701 TIMES 10 ^{5}} over {Ta} - {6.642308 TIMES 10 ^{7}} over {Ta ^{2}}# + {1.243800 TIMES 10 ^{10}} over {Ta ^{3}} - {8.621949 TIMES 10 ^{11}} over {Ta ^{4}}]

여기서,

Ta(oK) = T(oC) + 273.15

o 압력의 영향

[eqn: O _{p} =O _{S} TIMES P[ {(1- {p _{wv}} over {p} )(1- phi P)} over {(1-p _{wv} )(1- phi )} ]]

여기서,

Op = 다른 기압에서 포화 용존산소 농도

Os = 1기압(atm)에서의 포화용존산소 농도

P = 압력 (atm)

Pwv = 수증기의 부분압 (atm)

[eqn: phi =0.000975-(1.426 TIMES 10 ^{-5} t)+(6.436 TIMES 10 ^{-8} t ^{2} )]

[eqn: lnP _{wv} =11.8571-(3840.70/T)-216961/T ^{2}]

t = 기온. oC

용존산소의 폭기계수(K2)는 일반적으로 수심과 유속의 함수로 나타내며,     QUAL2E 모형에서는 다음과 같이 8개의 Option으로 제공된다.

K2 Option 1 : 직접 사용자 입력. 하천구간 얼음생성과 같은 비정상적 조건에 유리

K2 Option 2 (Churchill, Elmore, and Buckingham, 1962)

[eqn: K _{2} ^{20} =5.026U ^{0.969} H ^{-1.673}]

K2 Option 3 (O'Conner and Dobbins, 1958) : 가장 많이 사용

[eqn: K _{2} ^{20} =3.93U ^{0.5} H ^{-1.5}]  (간략식)

K2 Option 4 (Owens et al. 1964) : 얕고 빠른 흐름의 하천

[eqn: K _{2} ^{20} =9.4U ^{0.67} TIMES H ^{-1.85}]

K2 Option 5 (Thacston and Krenkel, 1966) : TVA 하천

[eqn: K _{2} ^{20} =10.8(1+F ^{0.5} ) {u ^{*}} over {h}]

F = Froude number, [eqn: F= {U ^{*}} over {sqrt {gH}}], 전단속도 [eqn: U ^{*} = sqrt {gHS _{e}}]

K2 Option 6 (Langbien and Durum, 1967)

[eqn: K _{2} ^{20} =3.3U TIMES H ^{-1.33}]

K2 Option 7 : 유량과의 멱함수로 표현

[eqn: K _{2} =aQ ^{b}]

K2 Option 8 (Tsivoglou and Wallace, 1972)

[eqn: K _{2} ^{20} =(3600 TIMES 24)cS _{e} U]

c = escape coefficient

댐에서 재포기가 있는 경우에는 다음과 같은 식을 사용한다.(Butts and Evans, 1983)

[eqn: D _{a} -D _{b} = LEFT [ 1- {1} over {1+0.116abH(1-0.034H)(1+0.46T)} RIGHT ] D _{a}]

여기서,

Da, Db = 각각 댐 상류와 하류에서의 DO 결핍량

a, b = 각각 수질오염상태와 댐 형식에 따른 계수

(10) 대장균

대장균은 사멸에 의한 감소가 주 원인이다.

[eqn: {dE} over {dt} =-K _{5} E]

여기서, E는 대장균의 농도이고, K5는 대장균의 사멸율을 나타낸다.

(11) 임의의 비보존성 물질

임의의 비보존성 물질은 쇠퇴 및 침전에 의한 감소, 하상퇴적물로부터 부상에 의한 증가가 있다.

[eqn: {dR} over {dt} =-K _{5} - sigma _{6} R+ {sigma _{7}} over {d}]

여기서, R는 비보존성 물질의 농도, K6는 비보존성 물질의 쇠퇴율, σ6는 비보존성 물질의 침전율, σ7은 하상퇴적물로부터 부상율을 나타낸다.

3. Explain the difference of QUAL2E and QUAL2K Model.

QUAL2K (Q2K) QUAL2E (Q2E, Brown and Barnwell 1987)의 최근 버전을 표시하기 위한 것이다.  Q2K는 다음과 같은 측면에서 Q2E 유사하다 :

• 일차원 모형으로서 수로는 수직과 횡방향으로 잘 혼합되어 있다고 가정한다.

• 본 시스템은 분류되는 지류를 가지는 본류 하천으로 구성된다.

• 정류 수리학 : 부등류 정류가 모의된다.

• 수온에 대한 모델링은 일변화 시간적 기상조건에 따라 수행된다.

• 모든 주요 수질 변수는 일변화 시간 변동적으로 계산된다.

• 열 및 물질의 입력 : 점 및 비점 부하 및 소멸이 모의된다.

QUAL2K는 다음과 같은 새로운 요소를 포함한다.

• 소프트웨어 환경 및 인터페이스 : Q2K는 Microsoft Windows 환경에서 구현된다. 수치 계산은 Fortran 90을 사용하여 프로그램밍된다. 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)로 엑셀을 사용한다. 에 대한 VBA () : 모든 인터페이스 작업은 마이크로 소프트 오피스 매크로 언어인 Visual Basic에서 응용 프로그램(VBA)로 프로그래밍된다.

• 격자망 분할 : Q2E는 일정한 격자망을 사용하나, Q2K는 지류별로 변동적 격자망을 사용하며, 한 격자망에 여러 부하와 소멸원을 입력할 수 있다.

• 탄소성 BOD 분류 : Q2K는 유기 탄소를 대표하는 탄소의 CBOD에 다음의 두 가지 형태를 사용한다. 천천히 산화하는 느린 CBOD 및 급속하게 산화하는 빠른 CBOD

• 무산소 상태 : Q2K는 무산소 상태일 경우 제로로 산화 반응을 감소시켜 산소 결핍을 수용 할 수 있다. 또한, 낮은 산소 농도에서 나타나는 탈질화를 일차 반응으로 모델링한다.

• 침전물과 물의 상호 작용 : 용존 산소와 영양염류의 침전물과 상부 물상의 물질 이동을 지정하는 것이 아니라 모델링할 수 있다. 즉, 퇴적물 산소 요구량 (SOD) 및 영양염류의 플럭스는 침전성 유기물질, 퇴적물내의 반응, 상부수체의 용존 형태의 농도의 함수로 모의된다.

• 하상 조류 : 명시적으로 부착 조류를 모의한다. 이러한 조류는 양론적 변수를 가진다.

• 빛의 소멸 : 빛의 소멸은 조류, 조각물, 무기 고형물의 함수로 계산된다.

• pH : 알칼리도와 총 무기 탄소는 모두 모의된다. 강의 pH는 이러한 두 가지 수량에 따라 계산된다.

• 병원균 : 일반 병원균이 모의된다. 병원균 제거는 온도, 빛, 침전의 함수로 결정된다.

• 지류내 반응 상수의 지정 : Q2K는 지류별로 여러 반응 상수를 지정할 수 있다.

• 웨어와 폭포 : 웨어와 폭포의 수리학뿐만 아니라 가스 전달에 대한 효과를 명시할 수 있다.