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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 위와 같은 모의 결과를 이용하여 비점오염원의 정량화를 실시하고자 한다. 비점오염원의 정량화는 점오염원 배출 부하량을 포함한 모의 결과를 검 · 보정하고 그 모의에서 점오염원의 영향을 제외하여 모의한 결과가 비점오염원에 대한 영향이라고 판단하고 비점오염원의 정량화를 수행하였다.
- 낙본 D 단위유역의 점오염원은 유역 내 하수종말처리장이 존재하지 않으며, 상주축산폐수처리사업소와 사벌묵하마을하수도가 존재하고 있다. 따라서 본 연구에서는 점오염원의 정확한 산정을 위해 SWAT의 입력자료로 이들 자료에 대한 오염원자료를 제시하고 또한 각 소유역으로 구분을 하여 모의를 수행하여 보았다. 또한 수질모의는 2006년 자료가 존재함으로 이를 이용하여 모의를 수행한다.
- 따라서 본 연구에서는 효율적인 비점오염원 관리를 위한 선행조건인 정량화를 위하여 SWAT 모형을 이용하여 비교 · 분석하였다.
- 유입 및 유출 조건 입력 후 파악하고자 하는 현상을 제외한 유입 조건을 제거한다면 관측이 어려운 현상을 간접적으로 해석하는 것이 가능하다. 본 연구의 목적은 비점오염원의 정량화에 있으므로 모든 유입 조건 및 유출 조건을 입력한 후 비점오염원 이외의 현상 즉 점오염원에 의한 유입 조건을 삭제함으로써 비점오염원에 의한 정량화를 간접적으로 추정하였다. 아래 그림에서 점선으로 나타나는 부분이 비점오염원에 의한 유량 및 수질을 나타내며 실선부분이 점오염원과 비점오염원을 합한 총오염원에 의한 모의 결과이다.
- 이는 오염총량제의 궁극적인 목적이 하천수질의 개선에 있으므로 하천에 영향을 미치는 원인 물질의 규명은 상당히 중요하다. 비점오염원에 의한 부하량을 정량화함으로써 각 유역의 비점오염원 관리 자료로 활용될 수 있으므로 본 연구에서 비점오염원에 의한 부하량 분리를 수행하였다.
제안 방법
- 1) 유역 모형인 SWAT을 통하여 하천수질에서의 점 및 비점오염원 부하량 비율을 구분하였다. 이는 오염총량제의 궁극적인 목적이 하천수질의 개선에 있으므로 하천에 영향을 미치는 원인 물질의 규명은 상당히 중요하다.
- SWAT (Soil and Water Assessment Tools) 모형의 자동 검 · 보정 기능은 유량 및 질소 순환에 관련된 제반 오염도, 인 순환에 관련된 제반 오염도를 위주로 개발되었다.
- 관측되는 하천수질은 점 및 비점오염원에 따라 변동하는 것이 반영되므로, 점오염원을 포함하여 하천수질을 검 · 보정한 후 점오염원을 제거하는 방식으로 비점오염원 정량화를 수행하였다.
- 구체적으로 CN2, surlag, SOL_AWC 매개변수에 대하여 유출수문곡선과 검 · 보정을 실시하였다.
- 현재 비점오염원에 의한 관측은 집수면적이 작은 유역에 대해서 지표수 수질 및 유량을 측정하고 있는 실정이다. 그러나 단위유역과 같은 면적이 넓은 지역의 비점오염원의 정량화는 단순한 지배 방정식의 도입으로 산정되는 것이 불가능하므로 Black Box 모형의 개념을 도입하여 비점오염원 정량화를 실시하였다. 유입 및 유출 조건 입력 후 파악하고자 하는 현상을 제외한 유입 조건을 제거한다면 관측이 어려운 현상을 간접적으로 해석하는 것이 가능하다.
- 낙동강수계 총량관리단위유역 중 낙본 D 단위유역에 대한 모의를 수행하였다. 낙본 D 단위유역은 낙동강 수계 구간 중 안동시와 예천군 경계점 후부터 낙동강 합류점까지 전 구간 및 유역으로써, 낙동강유역의 중류부에 해당 된다.
- 낙본 D단위유역과 마찬가지로 낙본 E말단지점을 검 · 보정 지점으로 선정하여 관측 유량 및 수질 자료를 검 · 보정을 수행하였다.
- 입력자료로 강우, 기상 자료 및 토지이용도와 토양도를 이용하고, 상류단으로부터 유입되는 지점의 유량자료를 상류단 조건으로 입력하여 유출모의를 수행하였으며 수질모의를 위해 단위유역 내에 존재하는 환경기초시설의 방류유량 및 수질 자료를 입력하였다 (환경부, 낙동강물환경연구소, 2006). 또한 강우자료는 우리나라와 같이 강우양상이 국지적으로 발생하는 특성을 고려하여 티센망을 이용한 면적평균값을 적용하였으며, 토양도 및 토지이용도는 농업과학기술원에서 제공하는 정밀토양도와 환경부에서 제공하는 중분류 토지이용도를 이용하였다.
- 또한 낙본 H유역의 말단지점을 검 · 보정 지점으로 선정하여 관측 유량 및 수질 자료를 검 · 보정을 수행하였다.
- 민감도 분석에 의한 결정된 주요 변수를 선정하여 검 · 보정을 실시하였다. 또한 환경기초시설의 방류 유량 및 방류 수질 자료의 빈도는 1일 1회에 해당하고, 단위유역 말단지점의 하천수질은 8일 간격 자료이므로 자료 구간의 일치를 위하여 단위유역 말단지점의 하천수질을 3차 Hermite 내삽법을 통하여 내삽을 실시하였다.
- 또한 환경기초시설의 일별 방류 유량 및 수질을 유입조건으로 추가하여 모의를 수행하였다.
- 또한, 5일 BOD 값에 영향을 주는 매개변수는 탈산소계수 즉 RK1, 침전에 의한 생물학적 산소 요구량 손실 계수 RK3, 토양층에서의 침식에 영향을 미치는 매개변수 K에 영향을 받으므로 세 가지 변수를 중심으로 하여 하천 수질 검 · 보정을 실시하였다.
- 유역의 상류 입력 조건은 낙본 C 단위유역 모의 결과를 입력하였고, 낙본 최종 유출구는 낙본 D 말단지점으로 설정하였다. 또한, 금천 A, 영강 A, 이안 A, 병성 A, 위천 B 단위유역에 대해 지류조건으로 입력하였다.
- 모의 대상 유역에 대한 입력 조건으로 낙본 D단위유역 유출 유량 및 수질, 감천 A단위유역에 대한 유출 유량 및 수질을 입력하였다.
- 민감도 분석에 의한 결정된 주요 변수를 선정하여 검 · 보정을 실시하였다.
- 본 연구에서 비점오염원을 산정하는 방법은 우선, 유역 내의 어떤 점오염원배출시설이 있으며 또한 그곳에서 얼마만큼의 점오염원을 배출하는지 조사하여 SWAT의 입력자료로 구성을 하였다. 이는 연구의 대상유역인 낙본_D, 낙본_E, 낙본_H의 점오염원자료를 조사한 후 입력하여 SWAT 모의를 진행하고 그 결과를 실측치와 검 · 보정 하였다.
- 비점오염원 관리를 위해 비점오염원 만을 위한 수질 관측이 수행되고 있다면 하천수질이 지금보다 양호한 상태로 유지할 수 있으나, 사실상 현실적으로 불가능하기 때문에 유역모형을 이용하여 비점오염원 정량화를 수행하였다. 관측되는 하천수질은 점 및 비점오염원에 따라 변동하는 것이 반영되므로, 점오염원을 포함하여 하천수질을 검 · 보정한 후 점오염원을 제거하는 방식으로 비점오염원 정량화를 수행하였다.
- 비점오염원의 정량화는 점오염원 배출 부하량을 포함한 모의 결과를 검 · 보정하고 그 모의에서 점오염원의 영향을 제외하여 모의한 결과가 비점오염원에 대한 영향이라고 판단하고 비점오염원의 정량화를 수행하였다.
- 유량 민감도 분석에서 민감도 순위가 높은 순으로 3가지 매개변수를 선정하여 검 · 보정을 수행하였다.
- 유역의 전체적인 형상은 아래 그림과 같다. 유역의 상류 입력 조건은 낙본 C 단위유역 모의 결과를 입력하였고, 낙본 최종 유출구는 낙본 D 말단지점으로 설정하였다. 또한, 금천 A, 영강 A, 이안 A, 병성 A, 위천 B 단위유역에 대해 지류조건으로 입력하였다.
- 낙본 E 단위유역은 낙동강 수계구간 중 상주시와 구미시 경계점후부터 구미시와 칠곡군 경계점전까지 전 구간 및 유역으로써, 낙동강유역의 중류부에 해당된다. 유역의 상류 입력 조건은 낙본 D 단위유역 모의 결과를 입력하였고, 낙본 최종유출구는 낙본 E 말단지점으로 설정하였다.
- 이러한 문제점을 극복하기 위하여 낙동강 유역에서의 비점오염원 정량화에 관한 방법론을 제시하였고 각 단위 유역별 비점오염원 부하량을 정량화시켜 분석하였다.
- 이러한 현상을 모의하기 위해 낙본 G 단위유역 말단지점의 유량 및 수질을 경계조건으로 고려하고, 또한 황강 B로부터 유입되는 유량과 수질을 입력하였으며, 환경기초시설의 방류 유량 및 수질을 고려하여 낙본 H 단위유역 말단지점의 유량 및 수질을 검 · 보정을 수행하였다.
- 이는 연구의 대상유역인 낙본_D, 낙본_E, 낙본_H의 점오염원자료를 조사한 후 입력하여 SWAT 모의를 진행하고 그 결과를 실측치와 검 · 보정 하였다. 이렇게 모의를 한 후 모의된 SWAT에서 점오염원을 제외하여 비점오염원의 영향을 평가하는 방식을 적용하였다.
- 이와 같은 결과를 바탕으로 하여 하천수질에서의 일별 평균 점 및 비점오염원에 의한 부하량을 산정하였다.
- 입력자료로 강우, 기상 자료 및 토지이용도와 토양도를 이용하고, 상류단으로부터 유입되는 지점의 유량자료를 상류단 조건으로 입력하여 유출모의를 수행하였으며 수질모의를 위해 단위유역 내에 존재하는 환경기초시설의 방류유량 및 수질 자료를 입력하였다 (환경부, 낙동강물환경연구소, 2006). 또한 강우자료는 우리나라와 같이 강우양상이 국지적으로 발생하는 특성을 고려하여 티센망을 이용한 면적평균값을 적용하였으며, 토양도 및 토지이용도는 농업과학기술원에서 제공하는 정밀토양도와 환경부에서 제공하는 중분류 토지이용도를 이용하였다.
- 하천의 수질에 영향을 미치는 첫 번째 요소인 점오염원자료를 수집하여 분석하였다. 낙본 H유역 내의 하수종말처리장은 의령부림하수종말처리장과 창녕하수종말처리장으로 유역내에 총 2개소의 하수종말처리장이 위치하고 있다.
대상 데이터
- 낙본 D 단위유역의 말단지점을 검 · 보정 지점으로 선정하여 관측 유량 및 수질 자료를 검 · 보정을 수행하였다.
- 낙본 G 유역의 말단지점을 상류단 경계로 입력하고, 또한 황강 B의 유입유량과 수질을 입력자료로 고려하였다.
- 따라서 본 연구에서는 점오염원의 정확한 산정을 위해 SWAT의 입력자료로 이들 자료에 대한 오염원자료를 제시하고 또한 각 소유역으로 구분을 하여 모의를 수행하여 보았다. 또한 상기에서 언급한 바와 같이 2006년 자료를 이용하여 모의를 수행한다.
- 따라서 본 연구에서는 점오염원의 정확한 산정을 위해 SWAT의 입력자료로 이들 자료에 대한 오염원자료를 제시하고 또한 각 소유역으로 구분을 하여 모의를 수행하여 보았다. 또한 수질모의는 2006년 자료가 존재함으로 이를 이용하여 모의를 수행한다.
- 모의 대상 유역에 대한 입력 조건으로 낙본 C 단위유역 유출 유량 및 수질, 금천 A, 영강 A, 이안 A, 병성 A, 위천 B 단위유역에 대한 유출 유량 및 수질을 입력하였다.
이론/모형
- 2006년 자료의 검 · 보정 결과해석을 위하여 NashSutcliffe 계수를 적용하여 모형의 예측 정도를 파악하였다.
- 각 수문학적 반응 단위로부터 발생한 유기성 탄소는 하도 내에서 추적과정을 통하여 특정 위치에서의 농도를 산정한다. SWAT 모형에서 사용하고 있는 오염물질 전달 과정은 QUAL2E 모형의 메커니즘으로부터 적용되었다. (Brown and Barnwell, 1987)
- 그러나 5일 BOD 값에 영향을 미치는 매개변수는 SWAT 모형의 자동 검 · 보정에 포함되지 않아 해석이 용이하지 않다. 그러므로 본 연구에서는 시행착오 기법을 통하여 하천 수질을 보정하였다.
- 는 토양 상층 10 mm에서의 유기성 탄소의 분율 (%), sed는 수문학적 반응 단위로부터 이송되는 유사량 (톤), epsilon은 탄소 농축비를 나타낸다. 여기서 탄소 농축비는 유사에 부착되는 유기성 탄소 농도의 농도비로 정의되며 유사농도에 대한 Menzel (1980) 경험식을 이용하여 산정된다.
- 위에서 언급된 입력자료를 바탕으로 매개변수 보정을 민감도 분석 결과의 우선순위에 따라 surlag (지표면 유하지체계수), SOL_AWC (각 토양층의 가용 토양수분능), ESCO (토양 증발산 보상계수)를 SCE-UA 기법에 의해 수행하였다. 본 연구에서 적용된 SCE-UA (Shuffled Complex Evolution-UA)기법은 유전자 알고리듬의 일종으로 재생, 교배, 돌연변이의 과정을 통해 목적함수를 최적화하도록 설계되어있다 (Duan and Gupta, 1994).
성능/효과
- 2) 유역 모형을 통한 비점오염원 정량화 결과, 점오염원에 의한 부하량은 강우량과 상관없이 부하되는 것으로 나타났고, 비점오염원에 의한 부하량은 강우에 따른 유출현상 때문에 변동이 심한 것으로 확인되었다. 또한 하천수질에 영향을 미치는 비점오염원의 비율이 27～40% 정도인 것으로 확인되었다.
- 3) 본 연구의 대상유역 중 낙본 D 유역의 경우는 27% 정도로 다른 두 유역에 비해 비교적 낮은 비점오염원 비율을 나타내고 있는데, 이는 본류하천과 유역 경계지점 간의 거리차로 인해 나타나고 있는 것으로 판단된다. 낙본 D 유역의 경우 하천이격거리가 다른 두 유역에 비해 크게 나타나고 있어 강우로 인해 발생된 비점오염원이 지표를 유하하는 과정에서 감소가 발생하여 하천의 비점오염원 비율이 감소한 것으로 판단된다.
- 그러므로 강수량의 변동에 따른 유출량의 변화의 효과로 비점오염원의 양은 변동될 수 있고 그 양은 27% 정도가 차지하는 것으로 나타났다.
- 2) 유역 모형을 통한 비점오염원 정량화 결과, 점오염원에 의한 부하량은 강우량과 상관없이 부하되는 것으로 나타났고, 비점오염원에 의한 부하량은 강우에 따른 유출현상 때문에 변동이 심한 것으로 확인되었다. 또한 하천수질에 영향을 미치는 비점오염원의 비율이 27～40% 정도인 것으로 확인되었다. 이는 비점오염원이 BOD 기준으로 4대강 오염부하의 22～37% 이상 차지한다는 국립환경과학원의 조사결과와도 잘 일치하는 것으로 나타나고 있다.
- 본 연구에 적용된 유량 및 부하에 대한 Nash-Sutcliffe 계수는 낙본 D의 경우 0.82, 0.61이며, 낙본 E의 경우 0.76, 057, 낙본 H의 경우 0.85, 0.69로 나타났다. 부하의 경우 유량 및 수질의 불확실성을 모두 반영하여 나타나게 되므로 유량에 비해 비교적 낮은 값으로 확인되었다.
후속연구
- 4) 비점오염원의 정량화를 위한 유역 모형의 적용은 하천의 동적인 변동을 확인할 수 있고 또한 문제가 되는 오염원의 원인 및 기간 등의 자료를 획득할 수 있다. 관측자료 및 유역모형에 필요한 자료의 구축이 아직 미흡한 상황이라 SWAT 모형 적용 또한 제한되어 있다.
- 관측자료 및 유역모형에 필요한 자료의 구축이 아직 미흡한 상황이라 SWAT 모형 적용 또한 제한되어 있다. 그러므로 기반 자료의 확보 및 SWAT 모형의 다양한 접근을 통하여 해석에 노력을 기울이고, 또한 우리 지형에 맞는 하천 수질 지배 방정식으로의 수정이 이루어진다면 유역관리에 좋은 해법을 제시할 수 있을 것이라 사료된다.
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