[논문]습지-저류지에 의한 하구 담수호 수질개선 효과 예측

윤춘경

문제 정의

저류지에서는 유입된 물 중에서 고형물질에 결합되어 있는 인성분은 침강을 통해 제거되고, 길소 성분은 길산화 및 탈길화 등의 과정을거치먼서 제거된다. 그러므로, 저류지를 설치하여이곳에서 일정 기간 체류하도록 함으로써 유기물의분해는 물론 침강과 질산화 및 탈질화를 유도하고자 하였다. Wanielista and Yousef(1993)에 의하면 저류지를 이용한 농업비점 뭔오엽의 처리실험에서 3일간 체류기간의 경우에 S3는 95% 이싱-, 그리고 영양물질뫄중금속류는 30~70%까지 제거가가능하다고 발표한 바 있다.
담수호의 수질을 개선시키기 위해서는 현재 여러 가지 방법들이 시도되고 있는데, 본 연구에서는 담 수호로 유입되는 유입수의 수질을 개선시키기 위해 담수호 유입부에 조성되는 간척지를 이용하여 인공습지를 설치하고, 인공습지에서 처리된물을 추가로 개선할 수 있도록 저류지를 실치하는 방안을 선택하였다. 습지에서 물리적인 침전, 여과기능과 뿌리 주변의 호기성 미생물에 의한 오염물짙의 분헤 등에 의해 수질믈 개선시킨 후, 이를 다시 저류지에 일정기간 체류시키면서 제거가 더 필요한 섬분(영양물질)들을 추가로 제거하어수실을 개선시키는 방안이다.
아즥 우리나라의 경우 하수처리장의 고도처리 욤으로 이용한 경우는 있어도 하천유입수의 수질을 개선시킬 목적으로 시도되었던 경우는 없었다.면 적산정을 위한 관련 자료는 현재 활발히 인공습지나 저류지를 활용 중인 미국이나 유럽에서 읻은 자료를 이용하여 습지 및 저류지를 설계하고자 한다.
본 연구에서는 간척사업으로 조성되는 하구 담수호의 수질보전을 위하여, 하구담수 호로 유입되는외부무하량을 자연정화기법 중 습지와 저류지를 이용하여 지감시키고자 할 때 소요되는 면적의 산정 방법과 습지와 저류지 도입 시 수질 개선 효과를 수질모형에 의해서 예측하는 관리기법을 연구하였다.
본 연구에서는 담수호에 유입되는 부하량을 자연정화기법 중의 하나인습지와 저류지의 연계 시스템 적용하여 저감시키고, WASF5에 의한 호소 수질의 개선 변화로써 그 저감 효과를 예측하며, 원하는 수질을 달성하기 위해서 소요되는 자연정화시설의 면적을 산정하는 과정들을 화옹담수호에적용화면서 검토하였다.
방안을 선택하였다. 습지에서 물리적인 침전, 여과기능과 뿌리 주변의 호기성 미생물에 의한 오염물짙의 분헤 등에 의해 수질믈 개선시킨 후, 이를 다시 저류지에 일정기간 체류시키면서 제거가 더 필요한 섬분(영양물질)들을 추가로 제거하어수실을 개선시키는 방안이다.

제안 방법

USEPA⑸에서는 유출수의 BOD5 농도 추정을위해 BOD5 제거는 first-order을 따르며 처리 조 내의 흐름은 plug-flow라는 가정 하에 유입 수 농도, 기온, 체류기간 등을 고려한 설계욤 관계식을 만들었으며 식(1)과 같다.
평상시 미측정지점의 부하량추정은 측정한 2지점에서 실측된 월별평상시 부하량을 실길적으로 오염무하가 발생할 것으로 예상되는 논, 주거지, 축산농가, 임야의 면적의 합으로나누어 단위 면적 당 부 하량을 월별로 구하볐다그리고 각 소유역별로 논, 주거지, 축산농가, 임야의 면적을 더한 값에 월별 단위 면적당 부하량을곱하여 미측정지점의 평상시 부하량을 추정하였다. 강우시 유역에서 화옹담수호로 유입되는 유량및 부하량은 SWMM 을 이용하여 구하였다. SWMMe 1971년 USEPA의 지원 아래 Metcalf & Eddy사와 Florida 대학의 공동연구에 의해 개발된 모델로서, 유역에서 강우시 발생하는 유량과수질을 시뮬레이션할 수 있고 가장 널리 이용되며 범욕적으로 적용할 수 있는 수질모형 중의 하나이다간척농지에서 발생하는 유량 및 부하량은김 등(1998)과 오 등(1999)이 연구한 농경지로무터의 질소와 인의 유출 자료와 화옹지구내 메서 실측한 자료를 이용하여 월별 오염물질의 농도를 구하 뗬다.
WASF5의 입력자료를 생성하기 위해 1:5, 000 의 수심도를 이용하여 단면제뭔을 구했으며, 유량 및 부하량 자료는 앞에서 언급한 바와 같이 구하였고, time function 구성을 위한 기상자료는 수원기삼대에서 수집하였다. 또한, 보정과 검증을 뮈한수질자료는 담수호가 아직 조성되어 있지 많아 기존에 조성된 해남호와 남양호의 자료를 참고로 하있으며, 매개 변수는 국내의 다른 연구자의 자료와 WASP5 manual상의 초기 값을 일부 이용하였다. 본 연구에서는 이용 가능한 입력자료를 고려하여비선형 효과 및 탈질소화 과정이 포함된 복잡도 5 단계를 적용하였으며, 자연정화 방법의 적묭 전과적용 후 모두 동일한 입력자료를 사용하였다 유입되는 오염물칠의 부하량은 수질개선 대책으로 고려하고 있는 습지와 저류지를 통하여 농도가 저감된후 호소로 유입하는 것으로 수질을 예측하였다.
본 연구에서는 유량 및 부하량을 3가지로 나누어서 직접 구하여 입력하였다. 즉, 평상시 유량 및부하량, 강우시 유역에서의 강우유출로 인한 유량및 부하량, 그리고 새로 조성될 간척농지에서의농지배수 유량 및 부하량으로 나누어서 구하였다.
또한, 보정과 검증을 뮈한수질자료는 담수호가 아직 조성되어 있지 많아 기존에 조성된 해남호와 남양호의 자료를 참고로 하있으며, 매개 변수는 국내의 다른 연구자의 자료와 WASP5 manual상의 초기 값을 일부 이용하였다. 본 연구에서는 이용 가능한 입력자료를 고려하여비선형 효과 및 탈질소화 과정이 포함된 복잡도 5 단계를 적용하였으며, 자연정화 방법의 적묭 전과적용 후 모두 동일한 입력자료를 사용하였다 유입되는 오염물칠의 부하량은 수질개선 대책으로 고려하고 있는 습지와 저류지를 통하여 농도가 저감된후 호소로 유입하는 것으로 수질을 예측하였다.
습지의 면적산정 과정을 설명하면 다음과 같다, 먼저 WASF5를 이용하여 호소의 수질을 예측하고 각오염물질 항목별로 목표 수질을 달성하기 뮈하여 필요한 처리율을 선정한 후, 유역에서 습지로 들어가는 유입 수의 농도( G)를 segment 별 월별로 구한 후, 여기에 처리율을 곱헤서 월별, segment별로 습지유출수 농도( Q) 를 구한다. 그 후 스1(4)를 이뵹하여 수리 부하율 g(m/yr)를 구하였다.
유역에서 홀러오는 하천수는 중력 흐름으로 인공습지로 유도하였다. 유입지천의 말단부에 보를 설치하여 평상시에는 이 보에 의하여 대부분의 하천수가 습지로 유입하고, 강우기에는 과다한 유량이 습지로 유입되어 습지가 훼손되는 것을 방지하기 위하여 보의 높이를 계산하여 일정량의 하천수만 습지로 유입되도록 하였다. 이렇게 유도된 하천수는 폭 5m의 분배수로를 통해 습지 전체에 걸쳐 고루 분배되도록 하였으며, 또한 간척 농지에서 발생하는 농지 배수도 분배수로로 유입된 후 인공습지로 이동하도록 설계하였다.
유입지천의 말단부에 보를 설치하여 평상시에는 이 보에 의하여 대부분의 하천수가 습지로 유입하고, 강우기에는 과다한 유량이 습지로 유입되어 습지가 훼손되는 것을 방지하기 위하여 보의 높이를 계산하여 일정량의 하천수만 습지로 유입되도록 하였다. 이렇게 유도된 하천수는 폭 5m의 분배수로를 통해 습지 전체에 걸쳐 고루 분배되도록 하였으며, 또한 간척 농지에서 발생하는 농지 배수도 분배수로로 유입된 후 인공습지로 이동하도록 설계하였다.
이렇게 헤서 구한 습지와 저류지에서 처리된 물이 호수로 유입되었을 경우의 호수 수질 변화는 WASP5를 이용하여 모의하였고, 원하는 담수호의 수질을 얻을 매까지 반복하어모의하면서 습지 및저류지의 소요 면적을 조정하였다.
6m로 하였다 유량미 많은 여름철 메 많은 면적이 필요한 것으로 나타났다. 이를 연평균 하여 segment별로 소요 습지 면적을 산출하였으며, 이렇게 구한 습지유줄 수를 저류지에서 추가로 개선하여 WASP5로 모의하면서 최적의 면적과 설치 위치를 결정하볐다.
2와 같다. 인공습지는 지표 유출형으로 설계를 하였으며, Fig. 2와 같이 유역에서 유입하는 하천수를 처리하기 뮈하여 간척농지에 습지와 저류지를 배치하였다. 유역에서 홀러오는 하천수는 중력 흐름으로 인공습지로 유도하였다.
자연정화 방법의 적용 전과 적용 후 모두동일한 WASF55} 입력자료를 사용하였으며, 유입되는 오염훌길의 부하량만 습시와 저류지에서 처리된 농도를 적용하였다. 자연정화 방법의 적용전과 적*후 용의 수길 변화를 예측한 결과는 Fig.
자연정화 방법의 적용 전과 적용 후 모두동일한 WASF55} 입력자료를 사용하였으며, 유입되는 오염훌길의 부하량만 습시와 저류지에서 처리된 농도를 적용하였다. 자연정화 방법의 적용전과 적*후 용의 수길 변화를 예측한 결과는 Fig. 3~5 와 같다 수질 예측 결과는 아직 화옹담수호가 조성되지 않아서 실측치와 비교가 어려우므로 이미담수호가 조성되어 있는 남양호와 해남호의 1996 년도 수질자료를 참고하여 비교하였다. 7, 8, 9번구획은 실질적인 화옹담수호 내를 나타내며, before 는 자면정화 밤법의 적용전을, after는 적용 후를나타낸다.
실제로 1년여의 측정자료에 의하면 강우 시에 화옹유역은 도시의 경우와 달리 유량과 오염물질의 농도변화가 유사하여 초기세척효과는 거의 나타나지 않았다. 저류지의 깊이는 시간이 경과함에 따라 부유물잘 의 침전으로 인하여 수심이 얕아지는 것을 고려하여 적정 수심을 2m로 계산하였다.
직접 구하여 입력하였다. 즉, 평상시 유량 및부하량, 강우시 유역에서의 강우유출로 인한 유량및 부하량, 그리고 새로 조성될 간척농지에서의농지배수 유량 및 부하량으로 나누어서 구하였다.
폄상시 유역에서 화옹담수 호로 유입되는 유량및 부하량은 4치점에서 2주간격으로 싣측한 자료를 이용하여 월 평균 유량 및 월평균 수질을 구하고 이들을 서로 곱하여 평상시 월평관 부하량으로 계 산하였다. 평상시 미측정지점의 부하량추정은 측정한 2지점에서 실측된 월별평상시 부하량을 실길적으로 오염무하가 발생할 것으로 예상되는 논, 주거지, 축산농가, 임야의 면적의 합으로나누어 단위 면적 당 부 하량을 월별로 구하볐다그리고 각 소유역별로 논, 주거지, 축산농가, 임야의 면적을 더한 값에 월별 단위 면적당 부하량을곱하여 미측정지점의 평상시 부하량을 추정하였다.
계 산하였다. 평상시 미측정지점의 부하량추정은 측정한 2지점에서 실측된 월별평상시 부하량을 실길적으로 오염무하가 발생할 것으로 예상되는 논, 주거지, 축산농가, 임야의 면적의 합으로나누어 단위 면적 당 부 하량을 월별로 구하볐다그리고 각 소유역별로 논, 주거지, 축산농가, 임야의 면적을 더한 값에 월별 단위 면적당 부하량을곱하여 미측정지점의 평상시 부하량을 추정하였다. 강우시 유역에서 화옹담수호로 유입되는 유량및 부하량은 SWMM 을 이용하여 구하였다.

대상 데이터

WASF5의 입력자료를 생성하기 위해 1:5, 000 의 수심도를 이용하여 단면제뭔을 구했으며, 유량 및 부하량 자료는 앞에서 언급한 바와 같이 구하였고, time function 구성을 위한 기상자료는 수원기삼대에서 수집하였다. 또한, 보정과 검증을 뮈한수질자료는 담수호가 아직 조성되어 있지 많아 기존에 조성된 해남호와 남양호의 자료를 참고로 하있으며, 매개 변수는 국내의 다른 연구자의 자료와 WASP5 manual상의 초기 값을 일부 이용하였다.
모형의 적용 대상 유역은 경기도 화성군 남양면. 마도면, 서신면, 비봉면, 팔탄면, 우정면, 장안면 등의 7개면과 127개 리를 포함하는 화옹담수호유역이다 -화옹담수호는 화옹지구간척사업이 완료되면 조성될 하구담수호이며, 1999년 말 현재 방조제 축조작업이 길이로 환산할 때 약 85%의 공정을 나타내고 있다.

이론/모형

된다. 항천수의 수질은 경우에 따라서 배경농도 미하를 나타낼 수도 있어서, 본 연구에서는 배경농도까지 고려한 Kadlec and Knight (1996)에 의해 소개된 관계식인 식(4)를 이용하였다. 이 관계식은 북미 전역에 걸쳐 있는 습지처리시설에 대한 위치, 종류, 규모, 유입, 유출수의 농도, 수위 및 시물종까지 다양한 1N₉₃개의 자료를 이용하여 구한 회귀식이며 본 연구지역과 유사한 조건의 자료도 포함되어 있어 적용하는 데 무리가 없을 것으로 관단돤다.
호소수질 예측에 사욤되는 모형 중에서 USEPA 에서 1993년도에 개발하여 널리 사용되고 있는 WASP5를 이용하였다. WASP5 모형은 저수지, 하천, 하구, 해양 등에서 수체의 이동과 BOD.

성능/효과

이 모델은 시간에 따른 변화를 고려할 수 있으므로, 연 줌 변화는 물론 짦은 시간 간격의 수질 변화의 분석이 기능하며, 필요에 따라 1, 2, 3차원 분석이 가능한 모델이다 모형의 주된 구성은 예측 및 조질, 모형의 구획 구성, 이류 및 확산 경계 조건 농도, 점오염원과 외부 오염부하, 반응계수, 환경자료 및 초기 농도로 되어 있다.(1) 모형에서 시간에 따른 농도의 변화는 전구획으로무터의 이류와 확산, 그리고 외부 부하로 계산되며, WASP5 모형에서 모의 발생하는 수질항목은 NH₃-N, NO₃-N, PO.i-P, Chl-a, CBOD, DO, Org-N. O* rg 의 8개 항목을 기준으로 개파생 수질항목이 관련된다.
그 후 스1(4)를 이뵹하여 수리 부하율 g(m/yr)를 구하였다. 각 월별 segments 유입되는 유량을 위에서 구한 수려 부하율 g로 나누어 소요 면적을 구하였으며, 수심은 0.6m로 하였다 유량미 많은 여름철 메 많은 면적이 필요한 것으로 나타났다. 이를 연평균 하여 segment별로 소요 습지 면적을 산출하였으며, 이렇게 구한 습지유줄 수를 저류지에서 추가로 개선하여 WASP5로 모의하면서 최적의 면적과 설치 위치를 결정하볐다.
8mg/L로 매우 높은 농도를 나타내던 것이, 개선방안 적용 후에는 유입수의 농도가 년 평균 로 크게 감소하여 자연정화시설의 처리효과를 추정할 수 있다. 그 결과 화옹담수호 내의 총평균농도는 3.4mg/L에서 L39mg/L로 현저히 감소하였다. 그러나, 이 농도는 아직 농업용수 수질기준(LOmg/L) 을 약간 초과하는 상태이다.
본 연구에서는 WASF5를 사용하였고 모형의 적용결과에 의하면 WASP5는 다양한 조건을모의할 수 있는 범용적인 모형으로써 담수호의 수질예촉에 유묭하게 사용할 수 있을 것으로 판단되었다. 수길개선 목적을 달성하기 위하여 소요되는자연정화시설의 면적은 문헌상의 연구발표자료를사용하여 산정하였으며, 문헌상에 발표된 관게시들은 다양한 조건에서 실험연구한 자료들을 모아서 도출한 공식이므로 아직 자료가 부족한 계획단계에서는 사용하여도 무리가 없을 것으로 생각되 었다.
본 연구에서는 저류지면적 계산에서 채택한 평균처리율은 BOD와 T-N (30%). T-P (25%)로 보수적인 처리율을 적용하였다 이러한 수치는 문헌상13)에 나타나 있는 처리율보다 낮은 수치로서 이수치를 사용하여 안전하게 예측하였다.
이상의 결과에 의하면 총 소요면적은 습지 569ha와 저류지 107, 6ha를 포함하여 총 676.6ha으로써, 이것은 화옹지구 촘간척농지면적(4,482ha) 의 약 15%를 차지하는 면적이다. Table 2에 나타난 각 소요 면적은 현재 상태를 기준으로 계산한 결과이며, 유역에 오염처리 대책을 전혀 적용하지 앉은 상태의 결과이므로 유역에 환경기초시설 등 오염방지대책을 적용하면 소요면적은 현저히 감소할 수 있을 것으로 생각된다.
총 간척농지면적의 약 15%에 해당하는 면젹을가연정확시설로 적용하기 전·후의 예측된 수질변화는 적용 전에 BOD, T-N, T-P의 총평균농도가가각 10.2mg/L, 3.40mg/L, 0.27mg/Le 농업용수수질기준을 모두 초과하던 것이 적용 후에는 각각 4.3mg/L, 1.39mg/L, 0.13mg/L로 농업용수수질기준에 근접한 수준으로 예측되었다. 자연정화시실만으로 전체 외부 오염부하량을 저감시키려는 방안은 비현실적이므로 유역에서 수질 개선, 생활환경개선, 공중위생 등을 위하여 환경기초시설을 설치해야하며, 비점원오염 저감을 위하여 BMP (Best Management Practice)를 보다 적극적으로 개발, 적용해야 한다.
유역의 특성은 하천 연변에 농경지가 집중되어 있고, 유역 전반에 축산농가가 산재한 전형적인 농촌지역으로 볼 수 있다. 토지 이용상 테를 보면 유역 전체에 대헤서 임야가 43.6%, 논이 27.6%, 밭이 12.8%, 대지가 2.3%. 기타가 13.

후속연구

수자원의 양적인 확보 단계를 넘어서 수질보전이 중요시되는 상홤에서 앞으로 이 분야에 보다 적극적인관심과 연구가 필요하며, 특히 본격적인 하구담수호의 수질개선용 자연정화시설 설치를 위해서는시범사업을 통한 지역 륵성에 맞는 설계인자 및조성방법의 개발이 절실히 요구된다.
그러나, 이 농도는 아직 농업용수 수질기준(LOmg/L) 을 약간 초과하는 상태이다. 이러한 수질예측은 유역 내의 환경기초시설을 전혀 고려하지 않은 농도로써 환경기초시설이 도입된 후에는 앞에서 언급한 습지 및 저류지 외 면적을 적용할 때 수질기준 이하로 유지가 가능할 것으로 판단된다.
Table 2에 나타난 각 소요 면적은 현재 상태를 기준으로 계산한 결과이며, 유역에 오염처리 대책을 전혀 적용하지 앉은 상태의 결과이므로 유역에 환경기초시설 등 오염방지대책을 적용하면 소요면적은 현저히 감소할 수 있을 것으로 생각된다. 자연정화시설만으로 전체 외부 오염부하량을 저감시키려는 방안은 비현실적일 수 있으므로 유역에서의 수질개선, 생활환경 개선, 공중위생 등을 위하여 환경기초시설을 설치해야 하며 비점원오염저감을 위하여 BMP(Best Management Practice)를 보다 적극적으로 개발, 적용해야 할 것으로 판단된다.
13mg/L로 농업용수수질기준에 근접한 수준으로 예측되었다. 자연정화시실만으로 전체 외부 오염부하량을 저감시키려는 방안은 비현실적이므로 유역에서 수질 개선, 생활환경개선, 공중위생 등을 위하여 환경기초시설을 설치해야하며, 비점원오염 저감을 위하여 BMP (Best Management Practice)를 보다 적극적으로 개발, 적용해야 한다.
나타났다. 특히, 간척지 내에 자연정화시설을 설치하여 수질을 개선하는 방안은수질개선효과뿐만 아니라 자연정화시설이 가지는 친자연적 특성이 생태계 보전에 미치는 긍정적인 효과, 그리고 간척사업에 대한 부정적인 시각을 완화시키는 데에도 크게 기여할 수 있다고 생각된다,

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