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문제 정의
- 또한 대상유역의 인구, 토지이용상황, 가축수, 공장부지 등 형산강 유역특성을 고려하여 영일만으로 유입되는 오염부하량의 계절 변동에 대하여 검토하였다. 이를 통해 형산강으로부터 유출되는 일별 오염부하량을 산정할 수 있는 모형을 구축함과 아울러 유입오염부하량의 계절별 변동특성을 고려한 영일만의 체계적 유역,수질관리 및 효율적 오염물질관리 대책수립을 위한 기초자료를 제공하고자 하였다.
가설 설정
- A1: 표증 및 1단 유줄계수, H0.H, : 표층 및 1단의 바닥에서 유출공까지의 높이(mm), X1 : 저류고(mm), X1' : 전일 1단 저류고(mm), S1: 침투량(mm/day), B1: 침투 계수이다. 또한 두 번째 이하 Tank에서의 기본식은 다음과 같다.
제안 방법
- 1) 일별 하천 유량산정 Tank 모델을 구축하고, 지난 7년간(1995년〜2001년) 포항 관측소의 강우량 및 증발산량 자료를 이용, 형산강 유역의 일별하천 유량 모의발생 실험을 수행하였다.
- 유입 오염부하량은 상기 모델에 의해 산정된 일별 하천 유량 계산치와 1995년부터 2001년까지 환경부 수질관측망자료(환경부 [2002]) 중, 형산강 유역 5개 지점에서 관측된 월별 평균 B0D, COD, SS, 총질소(TN), 총인(TP) 등의 5개 수질 항목을 기초로 하여 산정하였다. 각 소유역별 하천에서 발생하는 일별 오염부하량은 Tank 모델을 통해 산정된 1일 하천 유량에 일별 수질변동값으로 환산된 수질오염물질 농도를 곱하여 구하였다. 이를 통해 소유역별 오염부하량의 연간 총 발생량을 산정하였으며, 형산강 하천 유량과 유입 오염부하량의 계절 변동에 대하여 고찰하였다.
- 이에 본 연구는 비교적 간단한 유역유출모형 (강우-유출모형)을 구축하고, 영일만내로 유출되는 가장 큰 하천인 형산강의 일별 하천유출량을 추정하였다. 또한 대상유역의 인구, 토지이용상황, 가축수, 공장부지 등 형산강 유역특성을 고려하여 영일만으로 유입되는 오염부하량의 계절 변동에 대하여 검토하였다. 이를 통해 형산강으로부터 유출되는 일별 오염부하량을 산정할 수 있는 모형을 구축함과 아울러 유입오염부하량의 계절별 변동특성을 고려한 영일만의 체계적 유역,수질관리 및 효율적 오염물질관리 대책수립을 위한 기초자료를 제공하고자 하였다.
- 상 대민감도는 매개 변수들의 상대적 중요성을 나타내는 것으로 모델의 결과에 미치는 영향을 알 수 있다 (정 등[2001]).본 모델의 매개 변수 민감도 분석에서 대상으로 하는 영역은 형산강 유역 내 안강(P3) 수위 관측소 지점이며, 매개 변수의 민감도 분석을 실시하기 위해 각 매개 변수가 -50%-+50%까지 변화됨에 따른 유출량 계산치를 초기모델산정유량과 비교하는 방법을 사용 하였다.
- 본 연구는 일별 하천 유량을 산정하기 위해 Fig. 2와 같이 4개의 Tank가 직렬로 배치된 cascade 모델을 구축하였다. 본 Tank 모델은 하천 유량을 근사적으로 1단은 표층유출(단기 유출, 2일 이내), 2단은 중간유출(약 1주일정도), 3단은 준기저유출(2〜3개월 정도), 4단은 기저 유출(년 단위 정 도)의 반감기를 가진 4개 성분의 합으로 표시한 것으로, Fig.
- 유입 오염부하량은 상기 모델에 의해 산정된 일별 하천 유량 계산치와 1995년부터 2001년까지 환경부 수질관측망자료(환경부 [2002]) 중, 형산강 유역 5개 지점에서 관측된 월별 평균 B0D, COD, SS, 총질소(TN), 총인(TP) 등의 5개 수질 항목을 기초로 하여 산정하였다. 각 소유역별 하천에서 발생하는 일별 오염부하량은 Tank 모델을 통해 산정된 1일 하천 유량에 일별 수질변동값으로 환산된 수질오염물질 농도를 곱하여 구하였다.
- 각 소유역별 하천에서 발생하는 일별 오염부하량은 Tank 모델을 통해 산정된 1일 하천 유량에 일별 수질변동값으로 환산된 수질오염물질 농도를 곱하여 구하였다. 이를 통해 소유역별 오염부하량의 연간 총 발생량을 산정하였으며, 형산강 하천 유량과 유입 오염부하량의 계절 변동에 대하여 고찰하였다.
- 이상과 같이 구축되어진 일별 하천 유출량 산정 모형에 의해 각 소유역별의 일별 하천 유출량을 추정하였으며, 7년간의 대상기간 중 강우량이 최대(1998년) 및 최소(1995년)인 연도의 홍수시와 갈수시의 하천유출 특성에 대하여 검토하였다.
- 이에 본 연구는 비교적 간단한 유역유출모형 (강우-유출모형)을 구축하고, 영일만내로 유출되는 가장 큰 하천인 형산강의 일별 하천유출량을 추정하였다. 또한 대상유역의 인구, 토지이용상황, 가축수, 공장부지 등 형산강 유역특성을 고려하여 영일만으로 유입되는 오염부하량의 계절 변동에 대하여 검토하였다.
대상 데이터
- Tank 모델을 적용하여 일별 하천유출량을 산정 할 대상유역은 경주시와 포항시, 울산광역시 울주군 일부를 포함하는 형산강 수계로 Fig. 1과 같이 5개 소유역으로 분할하였다. 수위관측소를 나타내는는 하천유출시 경주(P1), 모아(P2), 안강(P3), 기계 (P4), 대송(P6)의 5개 소유역의 최종 하단부를 나타내며, 하천유출량 산정결과의 검증 지점에 해당한다.
- 구축되어진 Tank 모델을 이용하여 일별 하천유 출량 산정의 수치 실험은 1995년부터 2001년까지 (7년간)이며, 포항 관측소의 일별 강우량 및 증발산량 자료(기상청[1995〜2001])를 이용하여 하천 유출량을 산정하였다(Fig. 3). 특히, 증발산량 자료가 매월 상중하순에 해당하는 평균치이므로 계산 데이터 입력 시 일별 증발 산량으로 환산한 후 입력하였으며, 일별 하천유량 계산 결과의 검증은 건설교통부 낙동강 홍수통제소[1999, 2000] 관측소별 유량측정성과자료를 이용하였다.
- 3). 특히, 증발산량 자료가 매월 상중하순에 해당하는 평균치이므로 계산 데이터 입력 시 일별 증발 산량으로 환산한 후 입력하였으며, 일별 하천유량 계산 결과의 검증은 건설교통부 낙동강 홍수통제소[1999, 2000] 관측소별 유량측정성과자료를 이용하였다.
이론/모형
- Tank 모델 구축시 요구되어지는 매개변수는 총 18개로서 시간불변 매개변수와 시간변동 매 개변수로 구분할 수 있는데, 전자는 유출공계수, 유출공 높이 및 침투공계수 등이 있고, 후자로는 탱크의 저류고를 들 수 있다. 본 연구에서는 대상유역에 대한 유출량자료의 미비로 적절한 매개변수의 보정이 불가능하므로 Table 2와 같이 김[1987)과 한국수자원공사[1989, 1992]의 연구자료에서 제시된 매개변수와 유역 지상인자와의 상관 관계식을 이용하여 구하였으며, 기존 자료에서 얻지 못하는 매개변수는 유역면적비에 따른 도해적 방법과 수치해석법을 이용한 시행착 오법을 사용하여 구하였다. Table 3은 하천유량 의 관측치와 계산치의 최소자승법을 통해 선정 된 최종 매개변수들을 나타낸 것이다.
성능/효과
- 171이었다. 1단에서는 홍수 시 유출의 경우 민감도가 크게 나타나는 반면, 2단(중간 유출)과 4단(지하 유출)의 경우 유출량은 하단 Tank로의 유출(지하로의 침투)보다 측벽 유출공을 통한 유출에 대해 더욱 민감한 것으로 나타났으며, 그 결과 총 하천 유량이 증가하는 것으로 나타났다.
- 2) Tank 모델의 민감도 분석 결과, Tank 모델 매개 변수 중 A0, A2, A3, A4, HO, B2가 가장 민감한 변수이며, 이 매개 변수가 -50 %-+50 %로 증감할 경우 계산하천유량에서 약 10~ 20 %의 증감을 나타내었다.
- 3) 7년간 형산강연 평균 추정하천 유량은 대송이 878.34 ×106m3로 가장 많았으며, 안강, 모아, 경주, 기계의 순으로 나타났다. 또한 강우량이 최소인 1995년과 최대인 1998년의 홍수시 하천 유출량은 각각 56.
- 4) 영일만 내로 유입도]는 연평균 오염부하량은 각각 15.11ton-COD/year, 23.24ton-SS/year, 10.65 ton TN/year, 0.54ton-TP/year로 산정되었으며, 특히 총질소(TN)의 경우 평년 시기 인 2001년에 가장 많은 유출량을 나타내고 있으며, 최근 들어 증가하는 추세를 보이고 있다. 이와 같이 증가하는 총질소(TN)의 유입으로 인해 영일만 내 수질 변화에 미치는 영향이 클 것으로 생각된다.
- 정 등[2001]에 따르면 변수 B1이 홍수 시 유출량에, 변수 B2는 저수시의 유출에 영향을 끼치는 것으로 보고한 바 있다. 본 연구의 계산 결과 변수 B2가 변수 B1 보다 월등히 큰 유출량의 변화를 보이는데, 이는 형산강 유역 내 이수 계획에 따라 저수지나 제방 등이 많다는 것을 감안하면 실제 현상과 유사한 특성을 가진다고 생각된다.
- 7 과 같다. 안강수위관측소의 수위-유량곡선식에 의하여 얻어진 하천 유량 관측치(검은점)와 Tank 모델에 의해 산정된 일별하천 유량의 계산치(실선)는 잘 일치하는 것으로 나타났다.
- Table 6은 일별 하천 유량계산치에 COD, SS, TN, TP의 농도값을 곱하여 산정된 형산강 수계 유역별 유출오염 부하량을 나타낸다. 오염부하량은 기계천과 경주상류유역에서 상대적으로 적고, 모아와 안강유역을 지나면서 급격히 증가하는 경향을 보였으며, 영일만 유입지점에 해당하는 대송에서의 연평균 총 오염부하량은 각각 15.11 ton-COD/year, 23.24 ton-SS/year, 10.65 ton-TN/year, 0.54 ton-TP/year로 산정되었다.
- 5에 나타내었다. 유출 공 높이가 증가함에 따라 유출공을 통한 유출량이 감소하고, 그 결과 총유출량 또한 감소하는 것으로 나타났다. 각 매개 변수에 대한 상대 민감도 값은 각각-0.
- 3333px;">6m로 가장 높았으며, 안강, 모아, 경주, 기계의 순으로 나타났다. 이를 각 유역별 하천 유출비로 고찰하면 영일만과 접한 대송(P6)을 100%라가정할 때 안강이 86.0 %로 가장 높게 나타났고, 다음으로 모아(55.9%), 경주(38.1%), 기계(12.3%)의 순으로 나타났다(Table 5). 이를 통해 유역 면적이 넓은 경주지역으로부터의 하천 유출이 많은 것을 알 수 있다.
- 이상과 같이 형산강으로부터의 영일만 유입 오염부하량의 연간 변동을 살펴본 결과, 계산대상 기간 중 모든 수질 항목이 강수량이 많은 해인 1998년을 기점으로 증감하는 경향을 나타내었다. 특히 TN의 경우 평년 시기인 2001년에 가장 많은 유출량을 나타내고 있으며, 최근 들어 증가하는 추세를 보이고 있다.
- 이상의 민감도 분석 결과를 통해서 Tank 모델 매개 변수 중 A0, A2, A3, A4, HO, B2가 가장 민감한 변수임을 알 수 있다. 또한 이 변수값들이 -50%-+50%로 증감할 경우 하천 총 유출량은 약 10〜20%의 증감이 있는 것으로 나타났다.
후속연구
- 이상의 결과를 통해, 본 Tank 모델(강우-유출 모형)은 일별 하천 유량 및 오염부하량을 산정함에 있어 효율적으로 사용될 수 있으며, 차후 하천 수계 내 수질예즉, 지하수 침투 및 침출을 고려한 강우-유출 모형으로의 접근도 가능하리라 생각된다.
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