관망해석 프로그램 EPANET 수질해석 이론

1. EPANET 모델들

관거 내 물의 흐름(유속, 유량)
절점에서의 압력
탱크 수두의 변화
화학물질의 농도 변화
물의 수령, 이동시간 추적
오염물질의 추적

2. 수리해석

해석하고자 하는 관망의 크기에 제한이 없음
손실수두 공식 중 Hazen-Williams, Darcy-Weisbach, Manning식 사용가능
각종 펌프(정속 또는 변속 등)의 마력, 특성곡선에 의한 해석
펌핑 에너지와 비용계산
시스템 제어규칙에 의한 모의

3. 수질해석

비반응 추적자 물질의 이동 모의
시간별 증가(소독부산물) 또는 감소(잔류염소)하는 반응물질의 이동과 반응해석
물의 이동시간 계산
취수원이 여러곳일때 관망에서의 혼합시 취수원별 물의 비율 계산

4. EPANET 수질해석 이론

수질변화 해석은 수리 관망해석의 직접적인 연장선상에 있으며 매우 유용하게 이용할 수 있음
관망 해석에서 수질변화 모의를 추가하기 시작한 것은 1980년대 중반
이송, 혼합, 농도감소 등이 수질변화 모의에서 주로 표현되는 물리적 및 화학적 처리과정
수질해석 역시 계산의 일부로서 수리해석 결과를 이용. 관내 유량과 관로 내에서 물의 이송경로를 나타내는 흐름 방향은 혼합, 잔류시간을 결정하는데 이용되며, 다른 수리적 특성들도 오염원의 이송과 농도감소에 영향을 미침. 수리해석의 시간변화모의의 결과를 수질해석의 시작점으로서 이용

관로에서의 이송

대부분의 수질모델에서는 관로내 이송으로 인한 성분농도의 변화를 예측하고 반응물질의 형성과 농도감소를 계산하기 위하여 일차원의 흐름-반응 이송을 이용

Ci = 관로 i에서의 농도(M/L^3)
Qi - 관로 i에서의 유량(L^3/T)
Ai = 관로 i에서의 단면적(L^2)

유체의 이송은 유량을 단면적으로 나눈 유속의 함수로 나타낼 수 있음
이 방정식은 관로 내 길이방향의 확산은 무시할 수 있으며, 조절체적내의 유체는 완전히 혼합된다고 가정

탱크에서의 혼합

탱크에 유입되고 유출되는 상황에 대하여 질량보존법칙을 적용하면 다음과 같은 식을 구할 수 있음

Ck = 탱크 k에서의 농도(M/L^3)
Qi = 관로 i에서 유입하는 유량 (L^3/T)
Vk = 탱크 k에서의 체적(L^3)

탱크가 채워지는 동안, 두 물간의 농도의 차가 있다면 혼합이 발생
탱크 내 혼합 방정식은 혼합과 시간변화에 따라 태읔에서 발생하는 반응도 포함

관망 내 화학반응

앞서 제시된 농도의 항은 물에서의 화학반응을 나타낸 것으로서, 물이 정수장을 떠나 관망 내에서 이동을 시작하면 아주 복잡한 물리, 화학적 반응과정을 거치게 됨. 이들의 화학적 반응을 모델화하는데는 주로 3가지로 표현

유체용적반응
관체반응
한정적인 반응물질에 의한 형성반응


용적반응

유체용적반응은 유체의 체적내에서 발생하며, 이들은 성분농도, 반응율과 차수 및 형성물질의 농도와 함수. 용적반응에 대하여 n차 함수로 표현되는 일반적인 반응식은 다음과 같음

k = 반응계수
C = 농도
n = 반응차수

관체반응

관망해석에서 수질모델로서 가장 많이 사용하는 것이 소독반응. 처리된 물이 정수장을 떠나 관망으로 이동하면 여러 가지 화학반응이 발생. 대부분의 염소는 물속에 있는 자연유기물과 반응하고, 관체에 있는 바이오필름과 부식을 유발하는 관의 재질과 반응

K = 관내 용적과 관체의 반응계수

kw = wall reaction rate constant
kb = bulk reaction rate constant
kf = mass transfer coefficient