[논문]국내 중소 도시지역 강우유출수의 유출특성

이홍신; 이승환

국내 중소 도시지역 강우유출수의 유출특성
Runoff Characteristics of Stormwater in Small City Urban Area 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.31 no.3, 2009년, pp.193 - 202

이홍신 (금오공과대학교 토목환경공학부 환경공학) , 이승환 (금오공과대학교 토목환경공학부 환경공학)

초록
AI-Helper

본 연구는 국내 중소 도시지역에서 강우 시 발생하는 강우유출수의 유출경향을 분석하고 초기강우기준을 산정하기 위하여 수행되었다. 연구지역은 국가산업단지가 소속되어 있는 구미시 원평동의 주거지역으로 선정 되었으며 모니터링 기간은 3개월에 걸쳐 시행되었다. 연구지역의 유역면적은 24.9 ha이고, 토지이용형태는 주거지역으로 대상유역의 80%가 불투수 면적(포장의 형태: 아스팔트)인 것으로 나타났다. 모니터링은 총 6회의 강우사상에 대하여 실시하였으며 모든 수질항목에 대해 EMC (Event Mean Concentration)와 SMC (Site Mean Concentration)를 산정하였다. 또한 강우지속시간에 따른 입경크기분포의 변화와 초기세척 현상을 관찰하였는데, 입경크기분포는 10%입경($D_{0.1}$), 50%입경($D_{0.5}$, 90%입경($D_{0.9}$이 각각 9.82 ${\mu}m$, 38.99 ${\mu}m$, 159.61 ${\mu}m$로 나타났고, 초기세척 현상은 용존성 물질보다 입자성 물질이 더 강하게 나타났다. $MFF_n$ (Mass first flush)을 이용하여 초기강우기준을 검토한 결과 초기우수유출수의 부피 30%에 오염물질부하량의 부피 44.4~58.5%를 포함하고 있는 것으로 나타났다. $MFF_n$과 입경크기분포는 자연형, 장치형 시설과 같은 다양한 비점오염저감시설의 설계 및 운전과 초기강우기준 결정을 위한 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to identify the magnitude of first flush in small city urban area and to provide the basic information on the criteria of stormwater runoff management. Monitoring site was surrounded by residential area in Gumi city near to national industrial complex and the monitoring period was three months. Total watershed area was 24.9 ha, where 80% of the area is impervious (asphalt of pavement type). Periodic monitoring of conventional water quality parameters were conducted with six times of rainfall period. Event mean and site mean concentrations for all the parameters were calculated based on the analytical results. Particle size distribution was 9.82 ${\mu}m$ for $D_{0.1}$, 38.99 ${\mu}m$ for $D_{0.5}$ and 159.61 ${\mu}m$ for $D_{0.9}$ respectively. First flush phenomenon was detected highly in particulate solids than dissolved ones. The first flush criteria results by mass first flush contained between 44.4% to 58.5% pollutant mass during the first 30% of runoff volume. Mass first flush ratio and particle size distribution obtained in this study are expected to provide the basic information for the design and operation of non-point source treatment facility.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이와 같이 국내에서도 최근 들어 비점오염원에 대한 중요성을 인식하고 다양한 저감방안을 모색하고 있으나 다양한 토지이용형태에 따른 비점오염물질의 유출특성에 대한 기초자료는 부족한 실정이다.⁴⁾본 연구는 국내에서 최근에 시행되고 있는 오염총량관리제에 부합하는 조사 자료를 제공하기 위해서 국내 중소 도시지역에서 강우 시 발생하는 비점오염원의 유출경향을 분석하고 초기강우기준를 산정하여, 적절하게 비점오염원의 관리방안을 마련하기 위한 기초자료를 제공하기 위해 수행되었다. 이러한 기초조사 결과는 향후, 비점오염원관리방안 수립 시 비점오염원의 유출부하량산정 및 최적관리방안수립에 활용될 수 있을 것이다.
비점오염원에 대한 유량 및 수질 모니터링은 강우 및 유역특성에 의해 오염물질 유출에 영향을 받는 비점오염원 연구 시 가장 중요한 연구과정으로 볼 수 있다. 본 연구에서는 비점오염원의 특성인 자료의 불확실성을 최대한 줄이기 위하여 강우량 및 유량을 5분 단위로 측정하였다.⁵⁾ 또한 수질시료는 강우초기 1시간 동안은 5~15분 간격으로 7개의 시료를 채취하였으며, 이후 1시간 간격으로 3개의 시료를 채취하였다.

제안 방법

대상유역은 유역내 토지이용형태가 균일하고, 한 지점으로 유역내 강우유출수가 집수되는 지점이어야 한다.⁶⁾ 본 연구에서는 대상지역을 선정할 때 이러한 유역특성을 고려하기 위해서 연구지역의 하수관망도, 토지이용도와 현장조사를 통해 강우시 유역내 유출수가 한 지점으로 집수되는 유역을 선정하였다. 대상유역으로 선정한 소유역은 Fig.
유량조사는 자동측정 유량계를 이용하여 5분 간격으로 연속 측정하여 이루어졌으며, 조사에 사용된 유량계는 자동측정 및 데이터저장이 가능한 전자식(FLO-TOTE III)유량계를 사용하였다. 건기 시 수질분석은 하수의 시간별 특성을 반영하기 위하여 4시간 간격으로 1일 6회 시료를 채취하여 이루어졌다. 또한 강우 시에는 강우 개시 직전부터 시작하여 강우 초반부에는 높은 빈도로 측정하였으며, 중반부와 후반부로 갈수록 시료 채취 간격을 낮은 빈도로 조정하였다.
건기 시 수질분석은 하수의 시간별 특성을 반영하기 위하여 4시간 간격으로 1일 6회 시료를 채취하여 이루어졌다. 또한 강우 시에는 강우 개시 직전부터 시작하여 강우 초반부에는 높은 빈도로 측정하였으며, 중반부와 후반부로 갈수록 시료 채취 간격을 낮은 빈도로 조정하였다. Table 3에는 건기시와 강우시에 시행된 구체 적인 수질조사 빈도 및 방법이 요약되어 있다.
본 연구에서는 도시지역에서 발생된 강우유출수의 유출 특성을 다양한 방법으로 분석하였으며, 조사 및 분석결과의 기초자료를 이용하여 EMC, SMC, COD_Cr와 PSD의 관계, 강우유출수의 입경크기분포, 초기세척현상의 강도 그리고 MFF_n방법을 이용하여 초기강우기준을 제시하였는데 연구결과를 요약하면 아래와 같다.
유량조사는 자동측정 유량계를 이용하여 5분 간격으로 연속 측정하여 이루어졌으며, 조사에 사용된 유량계는 자동측정 및 데이터저장이 가능한 전자식(FLO-TOTE III)유량계를 사용하였다. 건기 시 수질분석은 하수의 시간별 특성을 반영하기 위하여 4시간 간격으로 1일 6회 시료를 채취하여 이루어졌다.

대상 데이터

본 연구는 2008년 5월부터 2008년 7월까지 3개월에 걸쳐 수행되었으며 총 6회에 걸쳐서 모니터링 된 강우사상은 Table 2에서 보여주고 있는 바와 같다. 강우자료는 기상청의 5분 강우자료를 활용하였다. 모니터링 기간 동안의 총 강우량은 4.
⁶⁾ 본 연구에서는 대상지역을 선정할 때 이러한 유역특성을 고려하기 위해서 연구지역의 하수관망도, 토지이용도와 현장조사를 통해 강우시 유역내 유출수가 한 지점으로 집수되는 유역을 선정하였다. 대상유역으로 선정한 소유역은 Fig. 1에서 보여주고 있는 바와 같이 경북 구미시 원평동에 위치하고 있다. 대상유역의 토지이용형태, 유역면적, 유역경사, 불투수면적, 포장형태 및 관거의 형태는 Table 1에 요약된 바와 같다.
본 연구는 2008년 5월부터 2008년 7월까지 3개월에 걸쳐 수행되었으며 총 6회에 걸쳐서 모니터링 된 강우사상은 Table 2에서 보여주고 있는 바와 같다. 강우자료는 기상청의 5분 강우자료를 활용하였다.
본 연구지역의 유역면적은 24.9 ha이고, 토지이용 형태는 주거지역으로 조사되었다. 이 지역은 시가지의 중심부로서 전유역이 포장되어 있고 교통량과 사람의 통행이 매우번잡한 도로와 시가지로 구성되어 있어 비점오염원의 유출이 많은 곳으로 예상된다.

이론/모형

8) 또한 강우 시 경과시간에 따른 입경크기분포를 측정하기 위해 Malvern Instruments사의 Mastersizer 2000을 사용하였다. Table 4에는 구체적인 수질조사 항목과 항목별 분석방법을 보여주고 있다.
수질 조사는 현장조사 기간 동안 유량측정과 동일한 지점에서 강우유출수의 유출특성을 파악하기 위하여 BOD₅를 포함한 12개 항목에 대하여 수행되었으며, 수질오염공 정시험법과 Standard method에 의하여 분석하였다.⁸⁾ 또한 강우 시 경과시간에 따른 입경크기분포를 측정하기 위해 Malvern Instruments사의 Mastersizer 2000을 사용하였다.

성능/효과

1) 여섯 차례에 걸친 이벤트 기간 동안의 BOD, COD_Cr, SS, TN, TP 그리고 n-Hexane Extracts의 EMC 범위는 각각 11.5~35.9 mg/L, 49.4~176.5 mg/L, 23.4~190.9 mg/L, 4.0~12.0 mg/L, 0.7~2.3 mg/L, 0.7~3.5 mg/L로 나타났다. 중금속 항목인 Cd, Pb 그리고 Zn의 경우에는 각각 0.
11) 본 연구결과의 강우유출수 첨두농도에서의 입경크기분포가 9.8~159.6 µm로 교량도로 유출수보다는 크게 하수관 월류수보다는 작은 범위에 있는 것으로 조사되었다.
4 mm), 강우지속시간 기준으로는 30~36분(평균 = 33분)으로 산정되었다.¹⁷⁾초기강우기준은 토지이용 형태별로 다양하게 나타남을 알 수 있다. 본 초기강우기준은 향후 비점오염원 저감방안 수립 시 경제적 처리용량 산정에 긴요하게 이용될 수 있을 것으로 판단된다.
2) 강우지속시간에 따른 입경크기분포의 변화와 COD_Cr 농도의 변화를 시간별로 비교한 결과 유출경향이 유사하게 나타났다. 강우유출수의 첨두농도에서의 입경크기분포를 분석한 결과 10%입경(D_0.
도시지역은 주거, 상업, 공업지역으로 다시 세분화되며, 농촌 지역은 논, 밭, 과수원으로, 자연지역은 산림, 초원지역으로 세분된다.²⁾ 이와 같은 비점오염원의 구분은 유역 및 지역의 토지이용 형태별로 강우유출수의 유출특성이 다양하고, 특히 강우 시 지표면에 쌓여있던 각종 오염물질들이 강우와 함께 단시간 내에 방류선 수체로 유입되어 도시하천의 수질에 심각한 영향을 미치고 있다. 현재 비점오염원으로 인한 오염부하량이 4대강 수계에서 22~40% 정도 차지하고 있으며, 2020년에는 54.
3) 초기세척현상의 강도는 강우강도와 선행건기일수가 증가할수록 증가하였다. 입자성 물질에 대한 초기세척현상은 용존성 물질보다 더 크게 나타났으며, 초기세척현상의 강도는 유기물질이 영양염류 보다 높게 나타났다.
4) 다양한 물 환경에서 공통적으로 2∼6 µm범위의 입자수가 가장 많은 것으로 나타나고 있으며, 40∼50µm 크기 이상의 입자는 부유상태로 많지 않은 것으로 보인다.
4) 이벤트 기간 동안에 각 수질항목에 대하여 계산된 MFF30의 평균값은 1.48∼1.95 범위로 나타났는데, 이러한 결과는 초기우수 유출수의 부피 30%에 오염물질부하량의 44.4∼58.5%를 포함하고 있는 것을 의미한다.
5) MFF_n방법을 이용하여 초기강우기준을 산정한 결과 누적강우량 기준으로는 평균 = 5.6 mm, 강우지속시간 기준으로는 평균 = 48.8분으로 나타났다. 이러한 초기강우기준은 자연형, 장치형시설과 같은 다양한 비점오염저감시설의 설계 및 운전에 있어 중요한 인자로 이용될 수 있을 것이다.
이는 큰 강우일수록 오염물질의 희석효과가 크기 때문인 것으로 판단된다.⁵⁾ 강우유출수의 SMC를 확인해보면, BOD, COD_Cr, SS, TN, TP 그리고 n-Hexane Extracts의 SMC는 각각 24.6 mg/L, 89.5 mg/L, 77.0 mg/L, 6.8 mg/L, 1.4 mg/L, 1.9 mg/L로 나타났다. 중금속 항목인 Cd 그리고 Zn의 경우에는 각각 0.
6 m당 한 곳이 불량이며, 전체 하수량의 31%가 외부 침입수인 것으로 보고하였다.⁷⁾ 본 연구지역 또한 건기시에도 원인이 명확히 밝혀지지 않은 몇 가지 요인들로 인해 본 조사지점의 관거 내에서는 불명수가 침입하여 건기시 기저유량을 형성하고 있었으며, 조사 결과 본 조사지점의 건기 평균 기저유량은 22.4 m³/h였고 관내 평균유속은 0.025 m/s로 나타났다.
¹⁶⁾본 연구에서는 경과시간에 따른 MFF_n의 평균값이 이전의 연구결과¹⁶⁾와 다르게 나타났는데, 이러한 결과는 전술한 바와 같이 건기시에도 관거내에 존재하는 불명수로 인해서 초기 유출된 오염물질농도가 불명수에 의해 희석되었기 때문인 것으로 보인다. MFF_n의 평균값을 분석하여 Pb와 Zn의 강우시 유출경향을 비교한 결과 Pb는 입자상물질에 대한 친화도가 크기 때문에 유출경향이 SS와 비슷하지만, Zn은 대부분 액체상(liquid phase)에 대한 친화도가 커서, 이벤트 회수와 관계없이 유출경향이 비슷하게 나타났다.^15,16) 본 연구에서 Zn의 강우시 유출경향은 이전의 연구결과¹⁶⁾와 비슷하게 나타났지만, Pb의 농도는 검출한계 이하로 나타났기 때문에 유출경향을 확인 할 수 없었다.
강우유출수 첨두농도에서의 입경크기분포를 분석한 결과 10%입경(D0.1), 50%입경(D0.5), 90%입경(D0.9)이 각각 9.82 µm, 38.99 µm, 159.61 µm로 나타났다.
이벤트 기간 동안에 조사대상 지역 강우유출수의 SMC와 EMC는 Table 6에 요약되어 있다. 강우유출수의 EMC를 확인해 보면, 전체 이벤트 기간 동안의 BOD, COD_Cr, SS, TN, TP 그리고 n-Hexane Extracts의 EMC 범위는 각 각 11.5~35.9 mg/L, 49.4~176.5 mg/L, 23.4~190.9 mg/L, 4.0~12.0 mg/L, 0.7~2.3 mg/L, 0.7~3.5 mg/L로 나타났다. 중금속 항목인 Cd, Pb 그리고 Zn의 경우에는 각각 0.
17 mg/L로 나타났다. 강우유출수의 강우사상에 따라 EMC와 SMC의 변화는 민감하게 나타났고, 강우초기에 고농도의 오염물질이 유출되는 것으로 나타났다.
강우유출수의 수질농도를 확인해보면, 전체이벤트 기간 동안의 BOD, CODCr, SS, TN, TP 그리고 n-Hexane Extracts의 수질농도는 각각 2.3∼79.5 mg/L, 5.0∼365.8 mg/L, 4.0∼339.0 mg/L, 1.9∼21.8 mg/L, 0.2∼3.7 mg/L, 0.2~7.5 mg/L로 나타났다.
강우유출수의 첨두농도에서의 입경크기분포를 분석한 결과 10%입경(D0.1), 50%입경(D0.5), 90%입경(D0.9)이 각각 9.82 µm, 38.99 µm, 159.61 µm로 나타났다.
MFF_n에서 n의 범위는 10 90%로 조절하였다. 그 결과 경과시간에 따른 MFF_n의 평균값은 MFF₃₀을 기준으로 증가되었다가 감소되는 것을 알 수 있다. 따라서 초기강우기준의 선정시점은 MFF_n의 평균값이 변화되는 시점인 MFF₃₀으로 선정해야 할 것이다.
또한 강우초기에는 첨두입경이 159.61 µm까지 증가하였고, 초기 강우 유출이 일어난 이후에는 입경이 크게 감소하는 경향을 보였다.
또한 강우초기에는 첨두입경이 159.61 µm까지 증가하였고, 초기 강우유출이 일어난 이후에는 입경이 크게 감소하는 경향을 보였다.
또한, 선행건기일수는 4차 이벤트의 9일이 가장 길었으며, 총 유출량은 188.2∼2826.9 m3 범위이고, 첨두유량은 0.032~0.744 m3/s 범위로 나타났다.
또한, 입자성 물질에 대한 초기세척현상은 용존성 물질보다 더 크게 나타난다. 이를 요약하면 이벤트기간동안의 초기세척현상의 강도는 유기물질이 영양염류보다 높게 나타나고 있음을 알 수 있다.⁹⁾
3) 초기세척현상의 강도는 강우강도와 선행건기일수가 증가할수록 증가하였다. 입자성 물질에 대한 초기세척현상은 용존성 물질보다 더 크게 나타났으며, 초기세척현상의 강도는 유기물질이 영양염류 보다 높게 나타났다.
5%를 포함하는 것을 의미한다. 초기강우기준을 산정한 결과 누적강우량기준으로 초기강우기준은 3.0~10.5 mm (평균 = 5.6 mm), 강우지속시간 기준으로는 25~85분(평균 = 48.8분)으로 분석되었다.
17 mg/L로 나타났다. 측정 결과에서 알 수 있듯이 전반적으로 강우유출수내 오염물질의 농도가 높은 것으로 조사되었다. 한편, SMC는 지역적, 계절적 특성을 반영할 수 있지만 본 연구의 조사기간이 5∼7월로 한정되었기 때문에 본 연구결과는 계절적 특성을 반영하기 어려운 것으로 판단된다.

후속연구

6 µm로 교량도로 유출수보다는 크게 하수관 월류수보다는 작은 범위에 있는 것으로 조사되었다. 강우유출수내의 입자성 물질에 대한 입경크기분포는 자연형, 장치형 시설과 같은 다양한 비점오염저감시설의 설계 및 운전에 있어 중요한 인자로 이용될 수 있을 것이다.
¹⁷⁾초기강우기준은 토지이용 형태별로 다양하게 나타남을 알 수 있다. 본 초기강우기준은 향후 비점오염원 저감방안 수립 시 경제적 처리용량 산정에 긴요하게 이용될 수 있을 것으로 판단된다.¹⁷⁾
⁴⁾본 연구는 국내에서 최근에 시행되고 있는 오염총량관리제에 부합하는 조사 자료를 제공하기 위해서 국내 중소 도시지역에서 강우 시 발생하는 비점오염원의 유출경향을 분석하고 초기강우기준를 산정하여, 적절하게 비점오염원의 관리방안을 마련하기 위한 기초자료를 제공하기 위해 수행되었다. 이러한 기초조사 결과는 향후, 비점오염원관리방안 수립 시 비점오염원의 유출부하량산정 및 최적관리방안수립에 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	점오염원은 무엇으로 구성되는가?	공공수역으로 유입되는 오염물질의 발생원은 크게 점오염원과 비점오염원으로 구분할 수 있으며, 점오염원은 주로 가정하수와 공장폐수로 구성된다. 점오염원의 배출특성은 일정한 지점에서 일정한 양이 지속적으로 발생되어 강우시나 비강우시 배출량에 큰 변동이 없다.
	공공수역으로 유입되는 오염물질의 발생원은 어떻게 구분할 수 있는가?	공공수역으로 유입되는 오염물질의 발생원은 크게 점오염원과 비점오염원으로 구분할 수 있으며, 점오염원은 주로 가정하수와 공장폐수로 구성된다. 점오염원의 배출특성은 일정한 지점에서 일정한 양이 지속적으로 발생되어 강우시나 비강우시 배출량에 큰 변동이 없다.
	국내에서 비점오염원에 대한 중요성을 인식하여 최근 환경부에서 모색하고 있는 저감방안은 무엇인가?	이러한 포장된 도시지역에서의 비점오염물질 유출저감은 오염총량관리제에서 중요한 관리 대상으로 인식되고 있으나, 현재 국내의 상황은 모니터링을 통한 기초조사 자료의 부족으로 인하 여 관리방안 수립에 큰 애로점을 가지고 있다. 3) 최근 환경 부에서는 산업단지 조성시 비점오염물질을 저감시킬 수 있는 시설을 의무화 하고 있으며 도로에서의 비점오염물 질 유출저감방안에 관한 법적 규제 방안도 구체화 하고 있다. 이와 같이 국내에서도 최근 들어 비점오염원에 대한 중요성을 인식하고 다양한 저감방안을 모색하고 있으나 다양한 토지이용형태에 따른 비점오염물질의 유출특성에 대한 기초자료는 부족한 실정이다.

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상세보기
김이형, “비점오염원의 현황 및 적정처리용량산정을 위한 초기강우기준산정,” 한국도로학회, 9(2), (2007)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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