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문제 정의
- 따라서, 본 연구는 섬진강 수계 추령천 유역에서 2000년부터 2002년까지 3년 동안 실시된 수문과 수질 모니터링 자료로부터 유량 및 유황 곡선 그리고 유량-부하량 관계곡선을 작성하고, 유황에 따른 유달율을 산정하여 향후 수계의 오염총량관리 시 목표수질을 설정하는데 기초자료로 활용되고 임야가 우점한 농촌 유역의 유황에 따른 유역의 오염원을 관리계획 수립 시 활용하고자 하였다.
- 섬진강 수계 추령천 유역의 하천 유량 및 수질 자료를 이용하여 유역에서의 유량 및 유황 곡선, 유량-부하량 관계곡선을 작성하고 유황별 유달율을 산정하여 하천 유량의 상황에 따른 향후 수계의 오염총량관리시 목표수질을 설정하는데 기초자료를 제공하고 유황에 따른 유역의 오염원 관리에 활용하고자 하였다.
- 한편, 추령천 유역의 3년 동안의 유달율을 일정한 등급으로 구분하여 유달율의 범위에 따른 분포를 알아보고자 하였다 (Table 2). 추령천 유역의 부하량에 대한 유달율중에서 T-N 유달율의 연도별 분포를 보면 2000년에는 30 ~ 40 %가 93회의 빈도를 나타내었고, 2001년에는 0 ~ 10 %의 구간이 129회 였으며, 2002년에는 0 ~ 10 %의 분포가 84회로 가장 많은 빈도수를 보였다.
제안 방법
- 대상 유역인 추령천에서 2000년부터 2002년까지 3개년 동안 수위 및 유량 측정을 위하여 유역 말단부에 수위표와 VL740 수위 데이터로거 (Valeport, UK)를 각 1조씩 설치하여 30분 간격으로 수위를 측정하도록 하였다. 유량측정은 수위계 설치지점에서 유속계 (BMF002, Valeport, UK)로 유속을 측정하고 평균단면법을 이용하여 유량을 산정하였다.
- 유도된 회귀식을 이용하여 추령천 유역에서의 T-N과 T-P의 수질 항목에 대해서 일별 부하량 자료를 산정하였다. 실측된 부하량 자료를 이용하여 유황곡선을 작성하는 것과 같은 방법으로 유량을 부하량으로 대체하여 현재 하천의 전체적인 수질조건을 확률적으로 파악할 수 있는 관측 부하량 유황곡선 (Observed LDC)을 작성하였다 (Fig. 6 ~ Fig 7).
- , 2002). 유도된 회귀식을 이용하여 추령천 유역에서의 T-N과 T-P의 수질 항목에 대해서 일별 부하량 자료를 산정하였다. 실측된 부하량 자료를 이용하여 유황곡선을 작성하는 것과 같은 방법으로 유량을 부하량으로 대체하여 현재 하천의 전체적인 수질조건을 확률적으로 파악할 수 있는 관측 부하량 유황곡선 (Observed LDC)을 작성하였다 (Fig.
- 유역내 인구현황은 5,969 명이며, 가축 사육현황은 한우 3,161 마리, 돼지 1,238 마리, 가금류가 83,724 마리가 사육되고 있는 것으로 조사되었다 (Sunchanggun, 2002). 유역내의 발생 부하량 및 배출부하량은 국립환경과학원의 수계오염총량관리기술지침에서 제시한 오염원을 생활계, 축산계, 토지계 등의 유형별로 구분한 후 각 오염원별 발생부하 원단위를 적용하여 발생부하량을 산정하였다. 이렇게 산정된 발생부하량을 기초로하여 수계오염총량관리기술지침에 따라 점오염원 및 비점오염원을 재분류하여 시험유역에서의 배출부하량을 산정하였다 (NIER, 2004).
- 92 m3/s 이상으로 흐르고 있는 것을 알 수 있었다. 유황곡선을 작성하기 위해서는 장기간 자료를 이용 각각의 연도별 유황곡선을 작성하고 평균값을 이용하는 것이 바람직하나, 본 연구에서는 3년 이내의 자료 한계로 조사기간 전체를 대상으로 유황곡선을 작성하였다.
- 유달율은 해당 유역의 배출부하량과 수질 측정지점에서의 유달부하량의 비로 정의 되고 있으며, 유달율 산정은 식 (1)에 의해서 산정하였다. 유황자료와 해당 유달율을 이용 유황별 유달율을 산정하였다.
- 유역에서는 연속적으로 측정된 수위 자료에 수위별 유속을 측정하여 수위에 대한 유량 관계곡선을 작성하고 그 지점에서의 시간이나 일별로 연속적으로 유량을 계산하였다. 이렇게 계산된 유량과 모니터링을 통해 측정한 수질농도의 관계곡선을 이용하여 유량 (Q)-부하량 (L) 관계곡선을 T-N과 T-P의 수질 항목별로 작성하였다. 이때 적용된 유량 (Q)-수질농도 (C) 관계곡선은 지수식을 이용하여 구하였으며, 본 연구에 사용된 회귀식의 보다 상세한 설명은 Choi et al.
- 추령천 유역에서 2000년 수위 및 유량 측정 자료를 이용하여 전체 유량 조건에 대해 유역에서의 전체적인 유량 조건을 확률적으로 파악하기 위해 유황곡선을 작성하였다 (Fig. 5). 유황곡선을 통해 추령천에서의 2000년부터 2002년의 하천 유량은 전체 기간인 1,096일 중 556일이 평수위의 기준 유량인 0.
- 추령천 유역에서 수질 오염원은 인구, 축산, 그리고 토지이용을 행정구역별로 구분하여 조사하였으며, 점오염원으로는 분류되는 생활계인 인구활동에 의한 생활오염원과 축산계의 가축사육에 의해 발생되는 축산오염원을, 비점오염원으로는 유역별 토지이용에 따라 발생되는 토지계 오염원을 대상으로 부하량을산정하였다. 여기서, 사용된 생활계, 축산계, 토지계에 대한 오염원 자료는 순창군 통계연보를 주로 활용하였으며, 세부자료에 대한 보완자료는 각 면사무소를 현지 방문하여 자료를 수집하였다.
- 이렇게 산정된 발생부하량을 기초로하여 수계오염총량관리기술지침에 따라 점오염원 및 비점오염원을 재분류하여 시험유역에서의 배출부하량을 산정하였다 (NIER, 2004). 한편, 유달부하량은 실제 유역에서 유량과 수질을 측정하여 추령천 유역에서의 유달부하량을 산정하였다.
대상 데이터
- 강수량 자료는 쌍치면에서 측정 자료를 이용하였으며, 시험 유역에서의 2000 ~ 2002년 강수량은 1,408 mm, 1,181 mm 및 1,724 mm로서 우리나라 연평균 강수량 1,283 mm 보다2000년과 2002년에는 많은 강수량을 나타내었다 (Lee, 2008). 2000년 월별 강수량은 8월에 396 mm로 최대강수량을 나타내었고, 일 최대 강수량은 8월 25일 102 mm를 기록하였다 (Fig.
- 유량측정은 수위계 설치지점에서 유속계 (BMF002, Valeport, UK)로 유속을 측정하고 평균단면법을 이용하여 유량을 산정하였다. 또한, 수질 분석을 위해서 추령천 말단 지점에서 조사기간 동안 매월 1 2회 주기적으로 하천수 2리터를 폴리에틸렌용기에 비강우시에 66회, 강우시 48회로 총 114회 채수하였으며, 그 중 50 mm 이상의 강우에는 20회, 100 mm 이상의 강우에는 10회 채수하여 분석시료로 사용하였다. 시료보관 및 분석방법은 환경처의 수질오염공정시험법 (MOE, 2000)에 기준하였으며, 분석항목은 이화학적 수질항목인 T-N은 시료 500 mL를 취하여 환원증류킬달법과 중화적정법으로 분석하였으며, T-P는 수질시료 500mL를 취하여 50 mL로 농축한 다음 흡광광도법 (ascorbic acid reduction)에 기준하여 분석하였다.
- 본 연구 대상 지구는 섬진강 수계 추령천 유역은 행정구역상 전라북도 순창군 복흥면과 쌍치면에 걸쳐있고, 북위 35° 23′31″ 35° 33′ 12″, 동경 126° 03′ 26″ 126° 53′ 28″에 위치하고 있다.
- 추령천 유역에서 수질 오염원은 인구, 축산, 그리고 토지이용을 행정구역별로 구분하여 조사하였으며, 점오염원으로는 분류되는 생활계인 인구활동에 의한 생활오염원과 축산계의 가축사육에 의해 발생되는 축산오염원을, 비점오염원으로는 유역별 토지이용에 따라 발생되는 토지계 오염원을 대상으로 부하량을산정하였다. 여기서, 사용된 생활계, 축산계, 토지계에 대한 오염원 자료는 순창군 통계연보를 주로 활용하였으며, 세부자료에 대한 보완자료는 각 면사무소를 현지 방문하여 자료를 수집하였다. 유역내 인구현황은 5,969 명이며, 가축 사육현황은 한우 3,161 마리, 돼지 1,238 마리, 가금류가 83,724 마리가 사육되고 있는 것으로 조사되었다 (Sunchanggun, 2002).
데이터처리
- (2002)의 논문을 참조할 수 있다. 유량과 수질농도와의 관계인 지수식을 이용하여 부하량을 계산하는 통계학적인 방법에는 가장 보편적으로 사용되는 단순회귀분석법 (Simple liner regression estimator)을 사용하였다.
이론/모형
- 또한, 수질 분석을 위해서 추령천 말단 지점에서 조사기간 동안 매월 1 2회 주기적으로 하천수 2리터를 폴리에틸렌용기에 비강우시에 66회, 강우시 48회로 총 114회 채수하였으며, 그 중 50 mm 이상의 강우에는 20회, 100 mm 이상의 강우에는 10회 채수하여 분석시료로 사용하였다. 시료보관 및 분석방법은 환경처의 수질오염공정시험법 (MOE, 2000)에 기준하였으며, 분석항목은 이화학적 수질항목인 T-N은 시료 500 mL를 취하여 환원증류킬달법과 중화적정법으로 분석하였으며, T-P는 수질시료 500mL를 취하여 50 mL로 농축한 다음 흡광광도법 (ascorbic acid reduction)에 기준하여 분석하였다.
- 대상 유역인 추령천에서 2000년부터 2002년까지 3개년 동안 수위 및 유량 측정을 위하여 유역 말단부에 수위표와 VL740 수위 데이터로거 (Valeport, UK)를 각 1조씩 설치하여 30분 간격으로 수위를 측정하도록 하였다. 유량측정은 수위계 설치지점에서 유속계 (BMF002, Valeport, UK)로 유속을 측정하고 평균단면법을 이용하여 유량을 산정하였다. 또한, 수질 분석을 위해서 추령천 말단 지점에서 조사기간 동안 매월 1 2회 주기적으로 하천수 2리터를 폴리에틸렌용기에 비강우시에 66회, 강우시 48회로 총 114회 채수하였으며, 그 중 50 mm 이상의 강우에는 20회, 100 mm 이상의 강우에는 10회 채수하여 분석시료로 사용하였다.
- 이렇게 계산된 유량과 모니터링을 통해 측정한 수질농도의 관계곡선을 이용하여 유량 (Q)-부하량 (L) 관계곡선을 T-N과 T-P의 수질 항목별로 작성하였다. 이때 적용된 유량 (Q)-수질농도 (C) 관계곡선은 지수식을 이용하여 구하였으며, 본 연구에 사용된 회귀식의 보다 상세한 설명은 Choi et al. (2002)의 논문을 참조할 수 있다. 유량과 수질농도와의 관계인 지수식을 이용하여 부하량을 계산하는 통계학적인 방법에는 가장 보편적으로 사용되는 단순회귀분석법 (Simple liner regression estimator)을 사용하였다.
- 유역내의 발생 부하량 및 배출부하량은 국립환경과학원의 수계오염총량관리기술지침에서 제시한 오염원을 생활계, 축산계, 토지계 등의 유형별로 구분한 후 각 오염원별 발생부하 원단위를 적용하여 발생부하량을 산정하였다. 이렇게 산정된 발생부하량을 기초로하여 수계오염총량관리기술지침에 따라 점오염원 및 비점오염원을 재분류하여 시험유역에서의 배출부하량을 산정하였다 (NIER, 2004). 한편, 유달부하량은 실제 유역에서 유량과 수질을 측정하여 추령천 유역에서의 유달부하량을 산정하였다.
- 추령천 유역에서는 유량-부하량 관계를 작성하기 위해 연속적으로 측정된 수위자료와 유량 자료를 이용하였으며, 계산된 유량과 측정된 수질 농도를 이용하여 단순회귀분석법을 사용 L-Q 식을 작성하였다 (Choi et al., 2002). 유도된 회귀식을 이용하여 추령천 유역에서의 T-N과 T-P의 수질 항목에 대해서 일별 부하량 자료를 산정하였다.
- 4). 추령천 유역에서의 실측 오염부하량에 대한 산정 방법은 Choi et al. (2002)의 논문을 참조할 수 있다.
성능/효과
- 1. 유역에서의 2000 ~ 2002년 강수량은 1,408 mm, 1,181 mm 및 1,724 mm를 나타내었고, 연간 유출량은 각각 828 mm, 315 mm 및 674 mm였으며 평균 유출율은 58.8%로 우리나라의 주요 강과 하천의 평균 유출율인 50 ~ 58 %와 비슷한 경향을 나타내었다.
- 2. 유역에서 배출되는 배출부하량은 T-N 265,298 kg/year 이고, T-P 23,361 kg/year으로 나타났고, 유역의 토지 이용 특성이 산림과 농경지로 이루어져 비점오염원의 비중이 생활계와 축산계인 점오염원에 비해 상대적으로 많이 차지하여 T-N 과 T-P의 배출부하량이 전체 배출부하량의 각각 73 %와 60 %를 차지하는 것으로 나타났다.
- 3. 유황에 따른 유달율은 T-N 부하량의 평수량의 유달율은 40 % 이내에 있었으며, T-P 부하량 유달율은 전체 유황중에서 고수량에서 평수위보다 약 40배 이상 증가하여 39.7 %까지 나타내었다. T-N 부하량 유달율은 하천 유량이 풍부한 풍수량 이상에서는 100 % 이상의 유달율을 보여 수량이 많은 시기에 부하량 관리가 필요할 것으로 사료된다.
- 추령천 유역에서 2000년부터 2002년까지 3년 동안 하천 유량에 대한 유황에 따른 일별 T-N과 T-P 부하량에 대한 유달율은 Table 1에 정리하였다. 3개년 동안 실측한 유량으로 바탕으로 계산된 T-N 부하량에 대한 일별 유달율은 0.4 ~ 2,455%의 범위로 홍수기의 영향을 많이 받아서 평균 유달율은 240.7%로 나타났으며, 각 시기별 평균 유달율은 갈수위에는 19.90의 유달율을, 저수위는 63.72 %, 평수위에는 126.7 %, 풍수위 202.1 %로 나타났으며, 고수위의 유달율은 1,031.8 %의 유달율을 보여주었다 (Fig. 8).
- 4. 추령천 유역에서의 T-N과 T-P의 유량별 유달율에 따른 유달부하량을 산정한 결과, 유량의 변화에 의해 유달율이 상이하여 향후 정확한 오염부하 산정을 위해서는 유량의 변동에 의한 유달율도 다르게 적용해야 할 것으로 제안하였다. 이를 위해 유량-유달율 회귀식을 작성하였으며, 단위면적당 유량과 유달율의 관계식은 토지이용형태가 비슷한 미계측 유역의 유달율 추정에 활용 가능할 것으로 판단된다.
- 추령천 유역의 부하량에 대한 유달율중에서 T-N 유달율의 연도별 분포를 보면 2000년에는 30 ~ 40 %가 93회의 빈도를 나타내었고, 2001년에는 0 ~ 10 %의 구간이 129회 였으며, 2002년에는 0 ~ 10 %의 분포가 84회로 가장 많은 빈도수를 보였다. T-N 유달율의 0 ~ 50 % 미만이 차지하는 구간의 비율은 2000년부터 2002년까지 각각 63 %, 78 % 및 73 %를 나타내어 조사기간 중 T-N 부하량에 대한 유달율의 약 71 %가 50 % 이내의 유달율을 나타내는 것으로 나타내었다. 그리고 T-P 유달율에 대한 연도별 등급 분포 중에서 2000년에는 10 ~ 20 %가 353회의 빈도를 나타내었고, 2001년에는 0 ~ 10 %의 구간이 360회였으며, 2002년에는 0 ~ 10 %의 분포가 329회로 가장 많은 빈도수를 보여 보통은 10 % 이내의 유달율을 나타내었다.
- 11에 나타내었다. T-N과 T-P 모두 하천 유량이 증가할수록 하천에서의 부하유달율도 함께 증가하는 경향을 보여주었다. 회귀분석의 결과에 대한 유의성의 적합성 평가는 결정계수 (Coefficient of determination, R2)를 이용하였으며 Green et al.
- 6 이상이면 회귀곡선의 추세값을 잘 반영한다고 제안하였다. T-N의 유량에 대한 유달율의 회귀식은 1차식으로 회귀 분석하였더니 R2이 0.96으로 높은 수준의 상관성을 나타내었고, T-P의 유량-부하 유달율의 상관관계는 T-N에 비해 유의성이 적은 수준으로 이때의 R2은 0.52의 유의성 있는 상관성을 나타내었다. 이렇듯 T-N과 T-P의 유달율은 유량에 대해서 유의성 있는 상관관계를 보여주므로 향후 유역에서의 정밀한 수위측정이 이루어지고 검증되고 확실한 유량자료가 확보되면 유량에 대한 유달율과의 검증된 회귀식을 도출하여 향후 유역에서의 미계측 구간이 발생하면 이 회귀식을 이용하여 유달율의 보정을 실시하여 유역내의 유달부하량의 추정이 가능할 것으로 사료된다.
- 그리고 T-P 유달율에 대한 연도별 등급 분포 중에서 2000년에는 10 ~ 20 %가 353회의 빈도를 나타내었고, 2001년에는 0 ~ 10 %의 구간이 360회였으며, 2002년에는 0 ~ 10 %의 분포가 329회로 가장 많은 빈도수를 보여 보통은 10 % 이내의 유달율을 나타내었다. T-P 유달율의 0 ~ 20 % 미만이 차지하는 구간의 비율은 2000년부터 2002년까지 각각 96 %, 100 % 및 95 %를 나타내어 조사기간 중 T-P 부하량에 대한 유달율의 약 95 % 이상이 20 % 이내의 유달율을 나타내는 것으로 나타내었다. 이는 Jung et al.
- T-N 유달율의 0 ~ 50 % 미만이 차지하는 구간의 비율은 2000년부터 2002년까지 각각 63 %, 78 % 및 73 %를 나타내어 조사기간 중 T-N 부하량에 대한 유달율의 약 71 %가 50 % 이내의 유달율을 나타내는 것으로 나타내었다. 그리고 T-P 유달율에 대한 연도별 등급 분포 중에서 2000년에는 10 ~ 20 %가 353회의 빈도를 나타내었고, 2001년에는 0 ~ 10 %의 구간이 360회였으며, 2002년에는 0 ~ 10 %의 분포가 329회로 가장 많은 빈도수를 보여 보통은 10 % 이내의 유달율을 나타내었다. T-P 유달율의 0 ~ 20 % 미만이 차지하는 구간의 비율은 2000년부터 2002년까지 각각 96 %, 100 % 및 95 %를 나타내어 조사기간 중 T-P 부하량에 대한 유달율의 약 95 % 이상이 20 % 이내의 유달율을 나타내는 것으로 나타내었다.
- 5). 유황곡선을 통해 추령천에서의 2000년부터 2002년의 하천 유량은 전체 기간인 1,096일 중 556일이 평수위의 기준 유량인 0.92 m3/s 이상으로 흐르고 있는 것을 알 수 있었다. 유황곡선을 작성하기 위해서는 장기간 자료를 이용 각각의 연도별 유황곡선을 작성하고 평균값을 이용하는 것이 바람직하나, 본 연구에서는 3년 이내의 자료 한계로 조사기간 전체를 대상으로 유황곡선을 작성하였다.
- 추령천 유역에서 수질 오염원별로 수계오염총량관리기술지침에 따른 발생부하량은 T-N 404,347 kg/year, T-P 61,742 kg/year로 나타났으며 전체 발생부하량 중에서 점원 오염원인 생활계와 축산계가 차지하는 비중은 T-N 발생부하량에서는 각각 7 %와 45 %를 차지하며 T-P 발생부하량은 5 %와 72 %를 차지하였다 (Fig. 3 ~ Fig. 4). 한편 유역내에서 발생된 오염부하가 인위적인 시설이나 자연적 정화기능을 거쳐 삭감되거나 저감된 후 유역의 출구에서 배출되는 배출부하량은 T-N 265,298 kg/year이고, T-P 23,361 kg/year으로 나타났으며, 산림과 농경지로 이루어진 토지계 배출부하가 전체 배출부하량의 각각 73 %와 60 %를 차지하는 것으로 나타났다 (Fig.
- 4). 한편 유역내에서 발생된 오염부하가 인위적인 시설이나 자연적 정화기능을 거쳐 삭감되거나 저감된 후 유역의 출구에서 배출되는 배출부하량은 T-N 265,298 kg/year이고, T-P 23,361 kg/year으로 나타났으며, 산림과 농경지로 이루어진 토지계 배출부하가 전체 배출부하량의 각각 73 %와 60 %를 차지하는 것으로 나타났다 (Fig. 3 ~ Fig. 4). 추령천 유역에서의 실측 오염부하량에 대한 산정 방법은 Choi et al.
- 한편, T-P 부하량에 대한 3년 동안의 유달율은 0.004 ~187.82 %의 범위로 전체기간의 평균 유달율은 11.42 %였으며, 하천의 수량이 적은 시기인 갈수위에는 0.69 %의 유달율을 나타내었고, 저수위에는 2.29 %로, 평수위에는 4.27 %, 풍수위에는 7.12 %로 나타났으며, 고수위에는 47.1 %로 각각의 T-P의 유황별 유달부하량에 대한 유달율을 나타내었다 (Fig. 9).
후속연구
- 52의 유의성 있는 상관성을 나타내었다. 이렇듯 T-N과 T-P의 유달율은 유량에 대해서 유의성 있는 상관관계를 보여주므로 향후 유역에서의 정밀한 수위측정이 이루어지고 검증되고 확실한 유량자료가 확보되면 유량에 대한 유달율과의 검증된 회귀식을 도출하여 향후 유역에서의 미계측 구간이 발생하면 이 회귀식을 이용하여 유달율의 보정을 실시하여 유역내의 유달부하량의 추정이 가능할 것으로 사료된다. 하지만, 본 연구에서 산정된 유달부하량은 섬진강 상류 추령천 유역에서 2000 ~ 2002년의 자료를 대상으로 산정되었기 때문에 타 유역에서 본 연구 자료를 사용할 경우에는 세심한 주의가 필요할 것으로 사료된다.
- 추령천 유역에서의 T-N과 T-P의 유량별 유달율에 따른 유달부하량을 산정한 결과, 유량의 변화에 의해 유달율이 상이하여 향후 정확한 오염부하 산정을 위해서는 유량의 변동에 의한 유달율도 다르게 적용해야 할 것으로 제안하였다. 이를 위해 유량-유달율 회귀식을 작성하였으며, 단위면적당 유량과 유달율의 관계식은 토지이용형태가 비슷한 미계측 유역의 유달율 추정에 활용 가능할 것으로 판단된다.
- 5 이상으로 유의성 있는 결과를 나타내었다. 추령천 유역과 비슷한 면적규모와 토지이용형태가 비슷한 경우에는 본 연구에서 유도된 회귀식을 이용하여 유달율의 잠정적인 추정이 가능하여 유역관리에 활용가능할 것으로 사료된다.
- 이렇듯 T-N과 T-P의 유달율은 유량에 대해서 유의성 있는 상관관계를 보여주므로 향후 유역에서의 정밀한 수위측정이 이루어지고 검증되고 확실한 유량자료가 확보되면 유량에 대한 유달율과의 검증된 회귀식을 도출하여 향후 유역에서의 미계측 구간이 발생하면 이 회귀식을 이용하여 유달율의 보정을 실시하여 유역내의 유달부하량의 추정이 가능할 것으로 사료된다. 하지만, 본 연구에서 산정된 유달부하량은 섬진강 상류 추령천 유역에서 2000 ~ 2002년의 자료를 대상으로 산정되었기 때문에 타 유역에서 본 연구 자료를 사용할 경우에는 세심한 주의가 필요할 것으로 사료된다.
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