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문제 정의
- 이러한 연구들은 일반적으로 하천의 특정 지점에서 이송되는 오염 부하량을 추정하기 위하여 수행되어왔으며, 이러한 경우 주로 관측된 유량 Q와 농도 C 또는 오염부하량 L과의 관계를 근거로 한다. 본 연구에서는 미국 USGS의 하천 오염부하량 산출 모형인 7변수 대수 선형 모형을 기반으로 하여4,6) TOC, BOD 및 COD의 일 부하량을 산출해 보고자 한다. 이때, 7변수 대수 선형 모형의 매개변수 추정을 위하여 최소분산비편향추정법9)이 적용되었다.
- 본 연구에서는 현재 가용한 자료의 수준을 바탕으로 전체 유량 조건과 그에 대응하는 수질조건을 반영하여 현재 유역의 상황을 개략적으로 평가할 수 있는 기법을 제안하고 이를 낙동강 유역에 적용하여 BOD, COD 및 TOC 부하량에 대한 전체적인 공간적 분포를 살펴보고, 이러한 공간적 분포 변화를 파악함으로써 추후 유역관리를 위한 기초 자료로 활용하고자 하였다.
- 이에 본 연구에서는 현재 가용한 자료의 수준을 바탕으로 하천에서의 일단위 오염부하량을 추정할 수 있는 기법을 적용하여 그에 대한 적용 가능성을 살펴보고자 한다. 이를 위해 상기 8일 간격 유량 수질(BOD, COD, TOC) 동시 관측 자료를 이용하여 낙동강 오염총량관리 단위유역별 유량 및 부하량 유황곡선이 작성된다.
- 한수희 등7)의 연구에서 착안하여 일 유량은 하도추적기능과 증발산량 모의기능이 추가된 TANK 모형을 통하여 산출되며, 일 부하량은 최소분산비편향추정기법과 연계된 7변수 대수선형모형을 통하여 추정된다. 추정된 단위유역별 부하량 유황곡선을 이용하여 낙동강을 대표할 수 있는 대표 부하량 유황곡선이 유도되며, 이를 통하여 낙동강 유역의 전체적인 부하량 배출의 공간적 분포를 살펴보고자 하였다.
제안 방법
- 구축된 모형을 이용하여 최근 10년간 일유량을 산정하였으며, 이 때 1999년 기상자료를 이용하여 모형을 먼저 실행하여 spin-up시킨 후, 2000~2009년 사이의 일 유량 자료를 도출하였다.
- 낙동강 유역을 대상으로 2004~2009년 일 강수량, 일 잠재증발산량 및 8일 간격 관측 유량 자료를 이용하여 TANK 모형의 매개변수를 추정하였다.
- 대표 단위면적당 부하량 유황곡선을 기준으로 하여, 특정 단위유역의 단위면적당 부하량 유황곡선이 대표 단위면적당 부하량 유황곡선보다 아래쪽에 위치하면 ‘OK’, 위쪽에 위치하면 ‘NG’, 유량규모가 작은 경우(저수량 기준)에만 아래쪽에 위치하면 ‘NP’(비점오염원이 주 오염원인 유역), 유량규모가 큰 경우(평수량 기준)에만 아래쪽에 위치하면 ‘P’(점오염원이 주 오염원인 유역)로 분류 기준을 정하였으며(Fig. 7), 그 결과 도출된 낙동강 유역의 TOC 및 BOD, COD 부하량에 대한 전체적인 공간분포도를 Fig. 8에 도시 하였다.
- 2004년부터 낙동강 오염총량관리 단위유역을 대상으로 유량 및 수질을 8일 간격의 원칙으로 동시관측하고 있으며, TOC에 관해서는 2007년부터 관측을 실시하고 있다. 따라서 BOD와 COD의 경우 2004년부터, TOC의 경우 2007년부터 2009년까지 낙동강 40개 유역의 유량 및 수질 관측 자료를 반영하여 7변수 대수 선형 모형을 이용하여 각각의 부하량을 추정하였다.
- 이를 위하여 국립환경과학원 낙동강물환경연구소에서 제공하는 낙동강 오염총량관리 단위유역 말단부에서 8일 간격으로 관측해오고 있는 하천 유량 및 수질자료를 이용하여 각 단위유역별 유량 유황곡선 및 유량-부하량 관계를 결정하고, 이를 바탕으로 부하량 유황곡선을 구축하고자 하였다. 또한 각 단위유역별 수질항목별 대표 부하량 유황곡선을 산정하여 각 단위유역별 부하량을 비교해보고 개략적인 유역관리의 방향으로서 낙동강 전체 유역을 점 오염 및 비점오염원이 주 오염원인 지역을 평가를 시도하였다.
- 하도추적기법은 현재 가장 일반적으로 쓰이고 있는 Muskingum의 홍수추적방법을 적용하였으며, 잠재증발산량은 Penman 방법에 의해 추정된 후, 저류형 가상용기 내의 수량에 따라 실제 증발산량이 계산되도록 하였다. 또한 단위유역별로 환경기초시설의 방류수 및 취수량 자료가 일 유량 모의 시에 고려되도록 하였으며, 농업용수 취수에 의한 영향은 5월에서 9월에만 적용하였다. Fig.
- 사전에 구축된 TANK 모형에서 모의된 최근 10년 일유량 자료를 바탕으로 최근 10년 일 부하량을 모의하였다. 또한 모의된 자료를 이용하여 유량 유황곡선을 작성하는 것과 같은 방법으로 부하량 유황곡선을 작성하였으며, 추가적으로 부하량 유황곡선을 영향면적으로 나누어 단위면적당 부하량 유황곡선(kg/day/km2)을 작성하였다. 전체 단위유역의 수질항목별 단위면적당 부하량 유황곡선이 완성되면 수질항목별로 40개 단위유역의 단위면적당 부하량 유황 곡선을 산술평균하여 낙동강 유역을 대표하는 단위면적당 부하량 유황곡선을 산정하였다.
- 본 연구에서는 수정 TNAK 모형을 통하여 낙동강 유역의 유황이 분석을 실시하였다. 분석결과, 결정계수 R2 평균 값=0.
- 부하량의 추정에서는 7변수 대수 선형 모형을 통해 유량 변동, 시간 및 계절변동이 고려된 수질농도 변화를 추정하고, 이를 최소분산비편향 추정기법에 적용하여 유량과 수질농도의 관계식에서 부하량을 도출하였다. 그 결과 단위유역별로 편차는 있으나 평균적으로 TOC의 경우 R2=0.
- 사전에 구축된 TANK 모형에서 모의된 최근 10년 일유량 자료를 바탕으로 최근 10년 일 부하량을 모의하였다. 또한 모의된 자료를 이용하여 유량 유황곡선을 작성하는 것과 같은 방법으로 부하량 유황곡선을 작성하였으며, 추가적으로 부하량 유황곡선을 영향면적으로 나누어 단위면적당 부하량 유황곡선(kg/day/km2)을 작성하였다.
- 이를 위하여 국립환경과학원 낙동강물환경연구소에서 제공하는 낙동강 오염총량관리 단위유역 말단부에서 8일 간격으로 관측해오고 있는 하천 유량 및 수질자료를 이용하여 각 단위유역별 유량 유황곡선 및 유량-부하량 관계를 결정하고, 이를 바탕으로 부하량 유황곡선을 구축하고자 하였다. 또한 각 단위유역별 수질항목별 대표 부하량 유황곡선을 산정하여 각 단위유역별 부하량을 비교해보고 개략적인 유역관리의 방향으로서 낙동강 전체 유역을 점 오염 및 비점오염원이 주 오염원인 지역을 평가를 시도하였다.
- 이에 본 연구에서는 현재 가용한 자료의 수준을 바탕으로 하천에서의 일단위 오염부하량을 추정할 수 있는 기법을 적용하여 그에 대한 적용 가능성을 살펴보고자 한다. 이를 위해 상기 8일 간격 유량 수질(BOD, COD, TOC) 동시 관측 자료를 이용하여 낙동강 오염총량관리 단위유역별 유량 및 부하량 유황곡선이 작성된다. 한수희 등7)의 연구에서 착안하여 일 유량은 하도추적기능과 증발산량 모의기능이 추가된 TANK 모형을 통하여 산출되며, 일 부하량은 최소분산비편향추정기법과 연계된 7변수 대수선형모형을 통하여 추정된다.
- kr)에서 8일 간격으로 하천유량 및 수질의 변동여부를 확인하는 것이 가능하게 되었다. 이에 개념적 장기유출 수문모형인 TANK 모형을 이용하여 8일 간격 유량자료를 1일 간격 유량자료로 확장하려는 시도를 수행하였다.
- 7896으로 모의된 일 유량과 실제 유량간의 높은 재현성을 확인할 수 있었다. 이에 산정된 매개변수를 적용하여 낙동강 유역의 최근 10년 일유량을 산정 시도하였다.
- 또한 모의된 자료를 이용하여 유량 유황곡선을 작성하는 것과 같은 방법으로 부하량 유황곡선을 작성하였으며, 추가적으로 부하량 유황곡선을 영향면적으로 나누어 단위면적당 부하량 유황곡선(kg/day/km2)을 작성하였다. 전체 단위유역의 수질항목별 단위면적당 부하량 유황곡선이 완성되면 수질항목별로 40개 단위유역의 단위면적당 부하량 유황 곡선을 산술평균하여 낙동강 유역을 대표하는 단위면적당 부하량 유황곡선을 산정하였다. Fig.
대상 데이터
- 앞서 언급한 바와 같이 대상유역은 낙동강 오염총량관리 41개 단위유역이다. 그러나 본 연구에서는 서낙동강으로 분기되는 낙본N 단위유역의 경우는 취급하기 어려워 생략하고 최종적으로는 40개의 단위유역을 대상으로 하였다. 이를 Fig.
- 또한 보정 및 검정에 사용될 유량 및 수질 자료는 2004년부터 2009년까지의 앞서 언급한 8일 간격 유량 및 수질 관측 자료를 사용하였다. 다만 TOC에 관해서는 2007년부터 관측을 실시하고 있어 2007년부터 2009년까지의 자료를 사용하였다. Fig.
- 또한 보정 및 검정에 사용될 유량 및 수질 자료는 2004년부터 2009년까지의 앞서 언급한 8일 간격 유량 및 수질 관측 자료를 사용하였다. 다만 TOC에 관해서는 2007년부터 관측을 실시하고 있어 2007년부터 2009년까지의 자료를 사용하였다.
- 앞서 언급한 바와 같이 대상유역은 낙동강 오염총량관리 41개 단위유역이다. 그러나 본 연구에서는 서낙동강으로 분기되는 낙본N 단위유역의 경우는 취급하기 어려워 생략하고 최종적으로는 40개의 단위유역을 대상으로 하였다.
데이터처리
- 또한 관측 자료의 재현 여부를 보다 정량적으로 판단하기 위하여 모의자료와 관측자료 사이의 통계적 상관성을 관측 자료와 모의 자료 사이의 회귀분석 결과 도출된 결정 계수 R2와 Nash 등13)에 의해 제안된 계수인 NSC (Nash-Sutcliffe Coefficient)를 통해 살펴보았다. 그 결과를 Table 1에 도시하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 하도추적기능과 증발산량 모의기능 추가된 4단 TANK 모형8)을 적용하였다. 하도추적기법은 현재 가장 일반적으로 쓰이고 있는 Muskingum의 홍수추적방법을 적용하였으며, 잠재증발산량은 Penman 방법에 의해 추정된 후, 저류형 가상용기 내의 수량에 따라 실제 증발산량이 계산되도록 하였다.
- TANK 모형의 매개변수를 추정하기 위해서 필요한 입력 자료로는 각 단위유역의 면적, 물수지 및 농업용수 취수량 등의 자료와 일강수량, 일잠재증발산량 자료 등이 있다. 여기서는 Penman 방법으로 잠재증발산량을 산정하였으며 이를 위해 필요한 평균기온, 상대습도, 평균풍속, 일조시간 및 관측지점의 위도자료는 기상청 제공 자료를 사용하였다.
- 본 연구에서는 미국 USGS의 하천 오염부하량 산출 모형인 7변수 대수 선형 모형을 기반으로 하여4,6) TOC, BOD 및 COD의 일 부하량을 산출해 보고자 한다. 이때, 7변수 대수 선형 모형의 매개변수 추정을 위하여 최소분산비편향추정법9)이 적용되었다.
- 을 적용하였다. 하도추적기법은 현재 가장 일반적으로 쓰이고 있는 Muskingum의 홍수추적방법을 적용하였으며, 잠재증발산량은 Penman 방법에 의해 추정된 후, 저류형 가상용기 내의 수량에 따라 실제 증발산량이 계산되도록 하였다. 또한 단위유역별로 환경기초시설의 방류수 및 취수량 자료가 일 유량 모의 시에 고려되도록 하였으며, 농업용수 취수에 의한 영향은 5월에서 9월에만 적용하였다.
성능/효과
- 부하량의 추정에서는 7변수 대수 선형 모형을 통해 유량 변동, 시간 및 계절변동이 고려된 수질농도 변화를 추정하고, 이를 최소분산비편향 추정기법에 적용하여 유량과 수질농도의 관계식에서 부하량을 도출하였다. 그 결과 단위유역별로 편차는 있으나 평균적으로 TOC의 경우 R2=0.9585, BOD의 경앞서 도출된 일유량 자료를 입력 자료로 하여 7변수 대수 선형모형에 적용시켜 최근 10년의 일 부하량 자료를 산정하였다.
- 8에서 살펴볼 수 있듯이 낙동강 상류에 해당하는 단위유역의 경우 OK인 지역이 많고 하류로 갈수록 NG인 단위유역이 많아지는 것을 확인할 수 있다. 그리고 임하댐 상류의 반변 B의 TOC 경우는 유량규모가 작을 때는 대표 단위면적당 부하량 유황곡선의 분포가 해당 단위유역의 곡선보다 아래쪽에 위치하지만 유량 규모가 큰 경우에는 위쪽에 위치하는 것으로 보아 상대적으로 비점오염원의 영향을 크게 받는 지역인 것으로 나타났다. 또한 낙본 C의 경우는 낙동강 상류 쪽에 위치하지만 다수의 지류 유입과 안동댐과 임하댐 방류의 영향으로 BOD, COD 및 TOC 모두 대표 단위면적당 부하량 유황곡선 보다 위쪽에 위치하는 것을 확인할 수 있었다.
- 낙본A~M까지 본류 단위유역의 년 평균, 4계절 평균 부하량을 각각 도시한 것으로 계절별로 차이가 존재하지만 낙본C까지 증가하다가 낙본D에서 소폭 감소 후 다시 말단부로 갈수록 점차 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 오염 부하량의 축적으로 인한 영향으로 보인다.
- 낙본A는 Table 2에 최소분산비편향추정법을 이용한 TOC와 BOD, COD 부하량 추정 시의 회귀분석 정확도를 결정계수 R2를 통하여 제시하였다. 단위유역별로 편차는 있으나 평균적으로 TOC의 경우 R2 = 0.9585, BOD의 경우 R2 = 0.8790, COD의 경우 R2 = 0.9660 정도로 높은 정확도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
- 그리고 임하댐 상류의 반변 B의 TOC 경우는 유량규모가 작을 때는 대표 단위면적당 부하량 유황곡선의 분포가 해당 단위유역의 곡선보다 아래쪽에 위치하지만 유량 규모가 큰 경우에는 위쪽에 위치하는 것으로 보아 상대적으로 비점오염원의 영향을 크게 받는 지역인 것으로 나타났다. 또한 낙본 C의 경우는 낙동강 상류 쪽에 위치하지만 다수의 지류 유입과 안동댐과 임하댐 방류의 영향으로 BOD, COD 및 TOC 모두 대표 단위면적당 부하량 유황곡선 보다 위쪽에 위치하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 경향은 Fig.
- 본 연구에서는 수정 TNAK 모형을 통하여 낙동강 유역의 유황이 분석을 실시하였다. 분석결과, 결정계수 R2 평균 값=0.8498, NSC 평균 값=0.7896으로 모의된 일 유량과 실제 유량간의 높은 재현성을 확인할 수 있었다. 이에 산정된 매개변수를 적용하여 낙동강 유역의 최근 10년 일유량을 산정 시도하였다.
- 그 결과를 Table 1에 도시하였다. 평균적으로 결정계수 R2 = 0.8498, NSC = 0.7896으로 우수하게 관측유량자료를 재현하고 있음을 알수 있다. Fig.
후속연구
- 즉, 각각의 지류에서의 부하량 추정 시 발생되는 무작위적 오차들은 부분적으로 상쇄되는 경향이 있는 반면에, 본류에서의 bias에 따른 오차는 하류방향으로 점진적으로 축적되는 경향을 보이게 되기 때문이다.5) 따라서 하천을 통해 유입되는 오염 부하량의 효율적인 추정기법이 연구될 필요가 있으며, 이를 이용하여 보다 과학적인 부하량 산출이 이루어질 필요가 있다.6)
- 본 연구를 통하여 파악된 부하량 유황곡선은 해당 지점의 현재 전체적인 수질현황을 확률적으로 파악할 수 있음과 동시에 이를 시각적으로 도시할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 본 연구에서 적용한 낙동강 유역 대표 단위면적당 부하량 유황곡선은 단위유역별로 계산된 곡선의 산술평균에 의해 도출되었기 때문에, 보다 정확한 대표 곡선 도출을 위한 추가 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다. 또한 이러한 모형 및 기법의 적용 시에 필수적인 관측 자료의 지속적인 확보가 요구되며 BOD, COD 및 TOC 이외의 수질 항목에 대한 적용 가능성도 검토가 필요할 것이다.
- 그러나 본 연구에서 적용한 낙동강 유역 대표 단위면적당 부하량 유황곡선은 단위유역별로 계산된 곡선의 산술평균에 의해 도출되었기 때문에, 보다 정확한 대표 곡선 도출을 위한 추가 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다. 또한 이러한 모형 및 기법의 적용 시에 필수적인 관측 자료의 지속적인 확보가 요구되며 BOD, COD 및 TOC 이외의 수질 항목에 대한 적용 가능성도 검토가 필요할 것이다.
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