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문제 정의
- 그러므로 본 연구의 목적은 주제도들을 중첩하여 생성된 폴리곤을 기반으로 오염부하를 산정하여 위치 정확도를 보다 향상시키고 생활계 등의 오염원 분류체계를 보다 단순화하여 수질오염총량관리제 시행등 유역관리를 위한 오염부하 산정방법의 개선방안을 제시하는 것이다.
가설 설정
- 공간연산에 의한 오염부하는 중첩 결과레이어를 가지고 한강수계 오염총량관리계획수립지침을 적용 하여 각 오염원별로 오염부하를 산정하였다. 이 때 가정인구는 주거지역, 영업인구는 상업지역, 축산은 주거지역, 산업은 공업지역, 그리고 양식에 의한 오염부하는 양식장이 위치하는 리동에서 발생 되고 배출되는 것으로 고려하였으며, 토지계는 논, 밭, 임야, 대지, 골프장, 기타지역에서 오염물질이 발생되고 배출되는 것으로 고려하여 산정하였다.
제안 방법
- GIS는 서로 다른 레이어를 중첩하여 각각의 레이어가 가지고 있는 정보를 합칠 수 있으나 폴리곤이 중첩될 때 경계가 똑같이 중첩되지 않을 경우 슬리버(Sliver)라는 쪼개진 많은 폴리곤이 생성되어 부정확한 공간분석으로 인한 잘못된 정보를 도출하게 되므로(김계현, 2004) 행정구역도를 표준형태(Template)로 하여 각 레이어의 경계를 수정·편집한 후 그림 3과 같이 중첩함으로 결과레이어에 중첩된 모든 레이어의 속성을 가지도록 하였다.
- 공간연산에 의한 오염부하는 중첩 결과레이어를 가지고 한강수계 오염총량관리계획수립지침을 적용 하여 각 오염원별로 오염부하를 산정하였다. 이 때 가정인구는 주거지역, 영업인구는 상업지역, 축산은 주거지역, 산업은 공업지역, 그리고 양식에 의한 오염부하는 양식장이 위치하는 리동에서 발생 되고 배출되는 것으로 고려하였으며, 토지계는 논, 밭, 임야, 대지, 골프장, 기타지역에서 오염물질이 발생되고 배출되는 것으로 고려하여 산정하였다.
- 공간정보와 오염원자료를 통합하기 위하여 중첩 결과레이어에 생활계의 경우는 인구현황, 오수처리 시설, 축산계는 축산현황, 산업계는 폐수배출시설, 양식장계는 양식장현황의 오염원 데이터를 행정코드나 법정동리를 주키로 하여 join하였다. 생활계의 가정인구의 경우에는 모든 리동에 데이터가 존재하므로 완전 join이 되지만, 영업인구나 축산, 산업, 양식의 경우에는 모든 리동에 데이터가 존재하지는 않으므로 outer-join을 하였다(Henry F.
- Korth et al, 1999). 그 결과 중첩 결과레이어는 모든 레이어의 도형정보와 함께 오염원 정보를 가지게 되므로 이를 이용하여 오염부하를 산정하였다.
- 인구에 의한 배출부하량은 시가화지역/비시가화 구역, 가정/영업, 하수도처리/비하수도처리, 분류식 하수관거/합류식하수관거, 수세식/수거식, 오수정화/단독정화, 미처리 등의 발생원 구분과 배출경로를 고려하여 산정하였다. 그 중 하수처리지역 내 인구의 경우를 보면 시가지역과 비시가지역의 발생원단위가 다르므로 레이어에서 주거지역∩시가∩분류식이나 주거지역∩시가∩합류식 등의 속성검색을 통하여 대상 폴리곤을 검색하여 추출한 후, 선택된 폴리곤에서 리동별 인구수에 각각의 원단위와 분류면적비를 곱하여 산정하였다.
- 즉, 기존의 GIS를 이용한 오염부하 산정방법은 주로 수학적 오염부하 산정 방법에 의해 오염부하를 산정한 후 리동에 등분포하도록 배분하여 리동별 오염부하량을 산정하거나, 유역에 포함되는 각 리동의 점유율을 가지고 유역별 오염부하량을 산정하고 있다. 그러나 본 연구에서는 오염이 발생·배출되는 지역을 좀 더 정확히 알 수 있도록 여러 주제도들을 중첩해서 만들어진 폴리곤별로 오염부하를 산정하였다. 그리고 리동 점유율을 적용하여 계산하는 기존의 수학적 방법에 의해 산정된 값과 본 연구방법에 의해 산정된 값의 차이를 유역별로 비교하여 유역 크기와의 관계를 분석하였다.
- 그러나 본 연구에서는 오염이 발생·배출되는 지역을 좀 더 정확히 알 수 있도록 여러 주제도들을 중첩해서 만들어진 폴리곤별로 오염부하를 산정하였다. 그리고 리동 점유율을 적용하여 계산하는 기존의 수학적 방법에 의해 산정된 값과 본 연구방법에 의해 산정된 값의 차이를 유역별로 비교하여 유역 크기와의 관계를 분석하였다.
- 본 연구에서는 오염부하 산정에 필요한 주제도를 도출하여 구축하고 구축된 주제도를 중첩하여 생성된 폴리곤을 기반으로 오염부하를 산정하여 기존의 수학적 오염부하 산정방법과 비교·분석하였다. 즉, 기존의 GIS를 이용한 오염부하 산정방법은 주로 수학적 오염부하 산정 방법에 의해 오염부하를 산정한 후 리동에 등분포하도록 배분하여 리동별 오염부하량을 산정하거나, 유역에 포함되는 각 리동의 점유율을 가지고 유역별 오염부하량을 산정하고 있다.
- 본 연구에서는 토지피복도 등의 공간분석을 통해 오염원 분류체계를 보다 단순화하고, 오차유발의 난점 등을 해결할 수 있는 오염부하 산정방안을 제시하고 그 결과를 기존의 방법과 비교하였다. 연구로부터 얻어진 주요 결론을 정리하면 다음과 같다.
- 산업에 의한 발생부하량은 토지피복도의 공업지역을 찾아 각 리동의 폐수배출시설의 폐수발생량에 원단위를 곱하여 부하량을 계산한 후 각 리동의 공업 지역의 분류면적비를 곱하여 공업지역에 속한 각 폴리곤에 값을 배분하였으며, 양식에 의한 발생부하량은 양식장의 시설면적에 오염원단위를 곱해서 부하량 산정 후 리동면적비를 곱해서 양식장이 위치한 리동의 각 폴리곤에 배분하였다.
- 산업폐수로부터의 배출부하량은 폐수배출시설의 방류량과 폐수배출시설 허용기준을 이용하여 산정하므로 토지피복도의 공업지역을 찾아 폐수배출시설허용기준구분도를 이용하여 산정한 후, 각 리동의 공업 지역의 분류면적비를 곱하여 공업지역에 속한 각 폴리곤에 값을 배분하였다.
- 생활계의 가정인구에 의한 발생부하량은 토지피복도의 중분류 항목에서 주거지역을 선택하여 시가지역, 비시가지역을 구분하여, 발생원단위를 적용하여 오염부하를 계산한 후, 각 리동의 주거지역의 지목별 분류비를 곱하여 주거지역에 속한 각 폴리곤에 값을 배분하였다. 영업인구에 의한 발생부하량은 오수처리시설의 시설용량을 가지고 산정하였는데 하루에 한사람이 100L를 발생시키고 시설용량이 처리용량의 1.
- 양식장에 의한 배출부하량도 발생부하량과 동일하게 부하량 산정 후 리동면적비를 곱해서 양식장이 위치한 리동의 각 폴리곤에 배분하였으며, 토지에 의한 배출부하량도 평수기인 경우는 발생부하량과 같다고 보아 각 폴리곤의 면적에 해당 지목에 대한 원단위를 곱하여 산정하였다.
- 오염부하 산정시 주거지역, 상업지역, 공업지역등 각 토지이용별 배출지역에 할당하기 위하여 먼저 각 리동에서의 토지이용별 면적합 즉, 각 리동의 주거지역, 상업지역, 공업지역의 각각의 면적합을 구한 후 각 폴리곤이 차지하는 면적비인 주거면적비, 상업면적비, 공업면적비 등의 분류면적비를 구하였으며 구하는 식은 다음과 같다(식 1).
- 위에서 살펴본 바와 같이 생활계, 축산계, 산업계, 양식장, 토지계의 각 오염원별 오염부하를 산정하는데 필요한 주제도를 도출한 후 도출된 시가비시가구분도, 하수처리구역도, 폐수배출허용기준구분도, 토지피복도와 기본적으로 필요한 정보인 행정구역도, 유역도 등의 주제도를 벡터자료인 폴리곤 형태로 구축하였다.
- 인구에 의한 배출부하량은 시가화지역/비시가화 구역, 가정/영업, 하수도처리/비하수도처리, 분류식 하수관거/합류식하수관거, 수세식/수거식, 오수정화/단독정화, 미처리 등의 발생원 구분과 배출경로를 고려하여 산정하였다. 그 중 하수처리지역 내 인구의 경우를 보면 시가지역과 비시가지역의 발생원단위가 다르므로 레이어에서 주거지역∩시가∩분류식이나 주거지역∩시가∩합류식 등의 속성검색을 통하여 대상 폴리곤을 검색하여 추출한 후, 선택된 폴리곤에서 리동별 인구수에 각각의 원단위와 분류면적비를 곱하여 산정하였다.
- 축산에 의한 발생부하량은 토지피복도의 주거지역을 찾아 각 리동의 축종별 사육두수에 발생원단위를 적용하여 부하량을 계산한 후, 각 리동의 주거지역의 지목별 분류비를 곱하여 주거지역에 속한 각 폴리곤에 값을 배분하였다.
- 축산에 의한 배출부하량은 발생부하량과 마찬가지로 토지피복도의 주거지역을 찾아 각 리동의 축종, 공공처리/개별처리, 법적규제 구분과 축분 및 폐수 처리 처리방법 등을 고려하여 산정한 후, 각 리동의 주거지역의 분류면적비를 곱하여 주거지역에 속한 각폴리곤에 값을 배분하였다.
- 토지에 의한 발생부하량은 26개로 분류되어있는 토지피복도를 대지, 논, 밭, 임야, 골프장, 기타, 목장의 7가지 항목으로 재분류하였으나 현재의 토지피복도에는 목장이 따로 분류되지 않아 목장을 제외한 6개 항목으로 분류하여 각 폴리곤의 면적에 해당 지목에 대한 원단위를 곱하여 산정하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 대상지역은 그림 2와 같이 우리나라 중서부에 있는 경기도의 동북부지역에 위치한 왕숙천유역으로 한강의 제1지류로서 경기도 포천시 내촌면 신팔리를 기점으로 하여 남양주시를 지나 구리시 토평동까지 약 37km에 달한다. 행정구역으로는 구리시 8개동 전체, 남양주시 중 화도읍, 수동면, 조안면을 제외한 지역인 12개 읍면동, 포천시의 내촌면, 소홀읍의 일부 지역이다.
- 속성데이터베이스는 환경부에서 제공하는 2003년 12월 말 기준으로 작성된 오염원자료를 이용하여 구축하였으며, 인구, 축산, 폐수배출업소, 양식장, 토지이용현황 등의 오염원 현황, 처리시설, 환경기초시설, 수질현황자료 등을 구축하였다. 속성 데이터베이스 구축 현황은 표 3과 같다.
- 연구 대상지역의 수치자료가 존재하는 경우는 원시자료를 가지고 재구축 하였으며, 수치자료가 존재하지 않는 하수처리구역도나 시가비시가화구분도 등은 한강수계 하수관거정비 시범사업 타당성조사보고서(환경관리공단, 2002)와 도시계획 재정비 보고서(남양주시, 1998; 남양주시, 2003)의 자료를 원시자료로 하여 shapefile 형태로 구축하였다. 도형 데이터베이스 구축 현황은 표 2와 같다.
이론/모형
- 본 연구에서는 대상수계가 한강수계의 지류인 왕숙천이므로 한강수계 오염총량관리계획수립지침을 적용하였다. 다음은‘한강수계 오염총량관리계획 수립지침’에 의한 각 오염원별 발생부하 및 배출부하 산정과정을 개략적으로 서술한 것이다.
성능/효과
- 첫째, 기존의 배수구역별 오염부하 산정방법은 사전에 산정된 값을 면적비로 각 배수구역에 할당하여 얻은 값이기 때문에 많은 오차를 유발하게 되고, 토지이용의 특성을 충분히 반영하지 못하는 단점이 있었다. 그러나 본 연구에서 제시한 방법은 토지피복도 및 행정구역도 등 도형정보의 중첩을 이용하여 오염원별 공간적 분포를 정량적으로 해석할 수가 있어 보다 정확한 오염부하 산정이 가능함을 보여주었다. 즉, 한 행정구역(리·동)에서 인구 등의 오염원은 등분포하게 존재한다는 기존의 방식에서 토지피복도 상의 주거지역에는 생활계의 가정인구 및 축산계, 상업지역에는 생활계의 영업인구, 공업지역에는 산업계가 분포하는 것으로 가정함으로써 보다 정밀한 오염밀도의 산정이 가능하였다.
- 즉, 한 행정구역(리·동)에서 인구 등의 오염원은 등분포하게 존재한다는 기존의 방식에서 토지피복도 상의 주거지역에는 생활계의 가정인구 및 축산계, 상업지역에는 생활계의 영업인구, 공업지역에는 산업계가 분포하는 것으로 가정함으로써 보다 정밀한 오염밀도의 산정이 가능하였다. 또한 배수구역과 하수 처리구역이 일치하지 않는 경우에도 도형정보의 중첩을 통해 배출수계를 구분할 수 있어 각 유역에서 배출되는 오염부하를 효과적으로 산정할 수 있었다.
- 즉, 기존의 오염부하량 산정은 행정구역의 최소단위인 리동별로 계산하지만, GIS를 이용하여 산정시에는 여러 가지 정보를 가진 주제도를 중첩하여 만들어진 각 폴리곤별로 계산되므로 오염원의 위치를 좀 더 정확히 나타낼 수 있었다. 또한 오염부하 산정에 필요한 각종 정보를 GIS를 이용하여 도형정보와 연계구축하여 산정함으로서 유역별 오염부하량 산정시에는 리동면적비를 이용하여 산정하는 기존의 수학적 방법과 비교하여 많은 차이가 있었다.
- 본 연구방법에 의해 산정된 값과 수학적 방법에 의해 산정한 값의 차이와 유역 크기의 관계를 알아보기 위하여 그림 4와 같이 각각 5개, 14개, 28개로 구분된 유역에 대하여 산정한 생활계 BOD 발생부하량은 표 4에서 표 6과 같으며, 유역별 절대값의 합을 비교하여 그림 5에 나타내었다. 생활계 BOD 발생부하량을 비교한 결과를 보면 5개 유역으로 구분한 경우는 차이의 절대값의 합이 959kg/일, 14개 유역으로 구분한 경우는 2,943kg/일, 28개 유역으로 구분한 경우는 5,841kg/일로 유역 구분의 수가 많아질수록 차이의 절대값의 합은 점점 커졌다. 즉, 유역이 점점 세분화 될수록 차이의 절대값의 합이 증가하는 추세를 보여주고 있는데, 이는 유역이 세분화될수록 리동이 여러 유역으로 나누어지게 되므로 차이가 점점 커지고 있음을 알 수 있다.
- 생활계의 가정인구에 의한 발생부하량은 토지피복도의 중분류 항목에서 주거지역을 선택하여 시가지역, 비시가지역을 구분하여, 발생원단위를 적용하여 오염부하를 계산한 후, 각 리동의 주거지역의 지목별 분류비를 곱하여 주거지역에 속한 각 폴리곤에 값을 배분하였다. 영업인구에 의한 발생부하량은 오수처리시설의 시설용량을 가지고 산정하였는데 하루에 한사람이 100L를 발생시키고 시설용량이 처리용량의 1.5배로 설계되었다고 보아 시설용량/100/1.5를 영업인구로 보았으며, 시가지역과 비시가지역의 발생원단위가 동일하므로 토지피복도의 중분류 항목에서 상업지역을 선택하여 계산한 후, 각 리동의 상업지역의 분류면적비를 곱하여 상업지역에 속한 각 폴리곤에 값을 배분하였다.
- 하지만 본 연구방법에 의한 오염부하 산정은 오염원 데이터를 속성으로 가지고 있는 도형정보를 이용하여 계산하므로 GIS 도구를 이용하여 각 오염원별 오염부하량의 리동에서의 분포 위치를 나타낼 수 있었다. 즉, 기존의 오염부하량 산정은 행정구역의 최소단위인 리동별로 계산하지만, GIS를 이용하여 산정시에는 여러 가지 정보를 가진 주제도를 중첩하여 만들어진 각 폴리곤별로 계산되므로 오염원의 위치를 좀 더 정확히 나타낼 수 있었다. 또한 오염부하 산정에 필요한 각종 정보를 GIS를 이용하여 도형정보와 연계구축하여 산정함으로서 유역별 오염부하량 산정시에는 리동면적비를 이용하여 산정하는 기존의 수학적 방법과 비교하여 많은 차이가 있었다.
- 그러나 본 연구에서 제시한 방법은 토지피복도 및 행정구역도 등 도형정보의 중첩을 이용하여 오염원별 공간적 분포를 정량적으로 해석할 수가 있어 보다 정확한 오염부하 산정이 가능함을 보여주었다. 즉, 한 행정구역(리·동)에서 인구 등의 오염원은 등분포하게 존재한다는 기존의 방식에서 토지피복도 상의 주거지역에는 생활계의 가정인구 및 축산계, 상업지역에는 생활계의 영업인구, 공업지역에는 산업계가 분포하는 것으로 가정함으로써 보다 정밀한 오염밀도의 산정이 가능하였다. 또한 배수구역과 하수 처리구역이 일치하지 않는 경우에도 도형정보의 중첩을 통해 배출수계를 구분할 수 있어 각 유역에서 배출되는 오염부하를 효과적으로 산정할 수 있었다.
- 첫째, 기존의 배수구역별 오염부하 산정방법은 사전에 산정된 값을 면적비로 각 배수구역에 할당하여 얻은 값이기 때문에 많은 오차를 유발하게 되고, 토지이용의 특성을 충분히 반영하지 못하는 단점이 있었다. 그러나 본 연구에서 제시한 방법은 토지피복도 및 행정구역도 등 도형정보의 중첩을 이용하여 오염원별 공간적 분포를 정량적으로 해석할 수가 있어 보다 정확한 오염부하 산정이 가능함을 보여주었다.
- 기존의 오염부하 산정은 주로 엑셀에서 수학적으로 계산되고 있는데, 산정방법이 매우 복잡하고 어려우며, 리동별로 산출하므로 오염원의 리동별 오염부하량은 산정할 수 있지만 리동내에서의 오염부하량의 분포는 알 수 없다. 하지만 본 연구방법에 의한 오염부하 산정은 오염원 데이터를 속성으로 가지고 있는 도형정보를 이용하여 계산하므로 GIS 도구를 이용하여 각 오염원별 오염부하량의 리동에서의 분포 위치를 나타낼 수 있었다. 즉, 기존의 오염부하량 산정은 행정구역의 최소단위인 리동별로 계산하지만, GIS를 이용하여 산정시에는 여러 가지 정보를 가진 주제도를 중첩하여 만들어진 각 폴리곤별로 계산되므로 오염원의 위치를 좀 더 정확히 나타낼 수 있었다.
후속연구
- 즉, 유역이 점점 세분화 될수록 차이의 절대값의 합이 증가하는 추세를 보여주고 있는데, 이는 유역이 세분화될수록 리동이 여러 유역으로 나누어지게 되므로 차이가 점점 커지고 있음을 알 수 있다. 그러므로 본 연구방법에 의한 오염부하 산정은 수질오염총량관리를 위하여 세부유역에 대한 오염부하량의 공간적 할당시 오차를 최소화할 수 있을 것으로 기대된다.
- 둘째, 시가화·비시가화 구분, 하수처리구역·비하수처리구역 구분, 합류식 하수도·분류식 하수도구분, 폐수배출허용기준 지역구분 등의 지형정보를 구축·응용함으로서 현행 생활계 및 토지계의 오염원 분류체계 및 조사항목을 보다 단순화 할 수 있어 수질관리 업무의 효율성을 높일 수 있을 것으로 판단된다. 생활계의 경우 각 리·동별 인구만 수집하여도 각종 공간정보를 이용할 경우 오염부하 산정에는 큰 어려움이 없을 것으로 판단된다.
- 생활계의 경우 각 리·동별 인구만 수집하여도 각종 공간정보를 이용할 경우 오염부하 산정에는 큰 어려움이 없을 것으로 판단된다. 또한 토지피복도를 이용하여 토지이용목적별 오염원단위에서 제시하고 있는 항목으로 분류하여 산정하면 리·동별이 아닌 토지이용에 따른 폴리곤별로 산정되므로 비점오염원의 발생위치를 파악할 수 있고, 특히 토지이용현황은 별도로 자료를 수집하지 않아도 될 것으로 판단된다.
- 셋째, 오염원 및 오염부하를 주거지역, 공업지역, 상업지역 및 농업지역 등 토지이용별 폴리곤으로 산정함으로서 오염원의 정확한 위치 파악이 가능하고, 각 폴리곤으로부터 수질측정지점(목표지점)까지의 유달과정 해석(유달율 산정 등)에 있어 정량적인 접근이 가능할 것으로 사료된다.
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