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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 농지에 주입한 축산 자원화물이 강우시 유출되는 특성을 파악하여 농촌 지역의 비점오염원 관리를 위한 기초 자료로 이용될 수 있도록 인공강우의 조건에서 강우강도, 경사도, 자원화물의 투입량에 따른 유출특성을 조사하였다.
- 강우시 농경지에서 유출되는 비점오염물질은 토성과 강우량 및 강우강도 그리고 경사도에 영향을 많이 받지만, 시비의 종류와 양에 따라서도 달라질 수 있다. 본 연구에서는 농경지에 시비된 자원화물의 종류와 양에 따른 비점오염물질의 배출특성을 조사하였다. 실험은 돈분퇴비와 액비를 이용하여 강우강도 32.
제안 방법
- 초기 실험은 자원화물을 투입하고 표토와 고르게 섞어 준 후, 1주일이 경과한 수에 수행하였다. 강우강도의 조건을 맞추기 위하여 사전에 펌프와 살수장치를 이용하여 강우량을 보정하였다. 인공 강우 유출시험은 1시간 동안 진행하였다.
- 경사도에 따른 인공강우 실험은 계분퇴비를 이용하였으며, 경사도는 10°와 20°로 구분하여 수행하였다.
- 자원화물의 투여량에 따른 비점오염물질의 유출 실험은 돈분퇴비와 액비를 이용하였다. 돈분 퇴비의 투여량은 4 kg, 6 kg, 8 kg으로 조절하였으며, 액비의 투여량은 4 L, 6 L 그리고 8 L로 변화시켰다. 실험은 강우강도, 경사도, 자원화물 투여량의 실험처리에 따라 각각 5회씩 수행하였는데, 4일마다 실험을 반복하였다.
- 실험은 토양상자내의 흙이 자연 다짐이 되게 약 2개월간 방치한 후에 실시하였다. 살수장치는 강우가 일정하게 공급될 수 있도록 아크릴판에 구멍을 뚫어서 제작하였다(Fig. 1). 살수장치는 가로 90 cm×세로 90 cm인 상판과 하 판으로 구성되며, 상판과 하판 사이의 간격은 3 mm가 되도록 제작하였다.
- 살수장치는 가로 90 cm×세로 90 cm인 상판과 하 판으로 구성되며, 상판과 하판 사이의 간격은 3 mm가 되도록 제작하였다. 살수장치의 상판은 지름 5 mm의 구멍을 뚫어 실리콘 튜브로 연결하여 물을 공급하였으며, 하판은 2 cm 간격으로 1 mm 이하의 구멍을 뚫어 물의 공급시 충분한 압력을 받도록 하였다. 살수장치는 빗물의 타격력이 충분히 토양에 전달되도록 토양상자보다 2 m 높게 설치하였다.
- 돈분 퇴비의 투여량은 4 kg, 6 kg, 8 kg으로 조절하였으며, 액비의 투여량은 4 L, 6 L 그리고 8 L로 변화시켰다. 실험은 강우강도, 경사도, 자원화물 투여량의 실험처리에 따라 각각 5회씩 수행하였는데, 4일마다 실험을 반복하였다. 초기 실험은 자원화물을 투입하고 표토와 고르게 섞어 준 후, 1주일이 경과한 수에 수행하였다.
- 실험은 강우강도와 경사도, 자원화물 투여량의 각기 다른 조건을 주어 인공강우의 조건에서 실시하였다. 토양상자는 작은 규모의 두둑을 평행경으로 조성하였다.
- 본 연구에서는 농경지에 시비된 자원화물의 종류와 양에 따른 비점오염물질의 배출특성을 조사하였다. 실험은 돈분퇴비와 액비를 이용하여 강우강도 32.4 mm/hr, 토양 경사도 10˚의 조건에서 수행하였다. Fig.
- 강우강도의 조건을 맞추기 위하여 사전에 펌프와 살수장치를 이용하여 강우량을 보정하였다. 인공 강우 유출시험은 1시간 동안 진행하였다. Table 1에는 본 연구에 이용된 축산자원화물의 성상을 제시하였다.
- 인공강우 실험시 표면 유출수량은 메스실린더를 이용하여 측정하였다. 수질시료는 복합수질 시료로 채취하였다.
- 경사도에 따른 인공강우 실험은 계분퇴비를 이용하였으며, 경사도는 10°와 20°로 구분하여 수행하였다. 자원화물의 투여량에 따른 비점오염물질의 유출 실험은 돈분퇴비와 액비를 이용하였다. 돈분 퇴비의 투여량은 4 kg, 6 kg, 8 kg으로 조절하였으며, 액비의 투여량은 4 L, 6 L 그리고 8 L로 변화시켰다.
대상 데이터
- 따라서 강우강도에 따른 오염물질의 유출량을 비교·검토할 필요가 있다. 강우강도는 춘천시의 강우량에 기초하여 작성한 IDF 곡선 상에서 2년 확률빈도, 5년 확률빈도, 10년 확률빈도, 20년 확률빈도에 해당하는 강우강도를 선택하였다. 각각의 강우강도는 32.
- 1시간 지속시간을 둔 이유는 유역면적이 작고 경사가 급한 유역에서는 지속적으로 일정한 강우가 유지될 경우, 30분～1시간 이내에 유출이 발생하기 때문이다. 강우강도의 변화에 따른 유출 실험은 돈분퇴비와 액비를 이용하였다. 경사도에 따른 인공강우 실험은 계분퇴비를 이용하였으며, 경사도는 10°와 20°로 구분하여 수행하였다.
- 살수장치는 가로 90 cm×세로 90 cm인 상판과 하 판으로 구성되며, 상판과 하판 사이의 간격은 3 mm가 되도록 제작하였다.
- 인공강우 실험시 표면 유출수량은 메스실린더를 이용하여 측정하였다. 수질시료는 복합수질 시료로 채취하였다. 채취된 시료는 오염부하량을 산정하기 위하여 BOD, CODCr, CODMn, SS, TN, TP를 Standard Methods (APHA et al.
- 실험 장치는 두께 1 cm의 코팅된 나무 합판으로 제작한 토양상자와 아크릴로 제작한 살수장치를 이용하였다. 토양상자의 규격은 가로 70 cm×세로 70 cm×높이 55 cm로 실 유효용적은 0.
- 2는 경사도에 따른 비점오염물질의 유출율과 유출부하량을 나타낸 것이다. 실험에 이용된 축산자원화물은 계분퇴비이며, 경사도는 10˚ (17.6 %)와 20˚ (36.4 %)로 실험처리 하였다. 강우강도는 춘천지역의 IDF 곡선을 작성하여 2년 확률빈도에 해당하는 32.
- 1 mm/hr이다. 자원화물은 돈분 퇴비와 액비를 이용하였다. Fig.
- 토양상자의 규격은 가로 70 cm×세로 70 cm×높이 55 cm로 실 유효용적은 0.245 m3이며, 총 5개를 제작하였다.
데이터처리
- 토양의 물리적 특성은 입도시험 (KS F2039)과 비중시험 (KS F2308) 방법을 이용하여 분석하였다. 실험처리에 따른 오염항목간의 상관관계는 SPSS Ver.12를 이용하여 산정한 Pearson 상관계수를 통하여 분석하였다.
이론/모형
- , 1995)와 수질오염공정시험법 (Ministry of Environment, 2001)에 준하여 분석하였다. Biochemical oxygen demand (BOD5)는 winkler method azide modification 법을 이용하였다. Chemical oxygen demand (CODCr)는 K2Cr2O7과 황산 (H2SO4)을 이용하여 분해 후, FAS로 적정하는 closed reflux titrimetric method를 이용하였으며, Chemical oxygen demand (CODMn)은 과망간산칼륨법을 사용하였다.
- Biochemical oxygen demand (BOD5)는 winkler method azide modification 법을 이용하였다. Chemical oxygen demand (CODCr)는 K2Cr2O7과 황산 (H2SO4)을 이용하여 분해 후, FAS로 적정하는 closed reflux titrimetric method를 이용하였으며, Chemical oxygen demand (CODMn)은 과망간산칼륨법을 사용하였다. Suspended solids (SS)는 GF/C 여지를 이용한 gravimetric method로 분석하였으며, Total phosphate(TP)의 분석은 persulfate digestion과 ascorbic acid method를 이용하여 분석하였다.
- Chemical oxygen demand (CODCr)는 K2Cr2O7과 황산 (H2SO4)을 이용하여 분해 후, FAS로 적정하는 closed reflux titrimetric method를 이용하였으며, Chemical oxygen demand (CODMn)은 과망간산칼륨법을 사용하였다. Suspended solids (SS)는 GF/C 여지를 이용한 gravimetric method로 분석하였으며, Total phosphate(TP)의 분석은 persulfate digestion과 ascorbic acid method를 이용하여 분석하였다. Total nitrogen (TN)은 알칼리성 과황산칼륨을 분해용액으로 이용한 자외선 흡광광도법을 이용하였으며, Total organic carbon (TOC)은 TOC-5000A (Japan) analyzer를 이용하여 분석하였다.
- Suspended solids (SS)는 GF/C 여지를 이용한 gravimetric method로 분석하였으며, Total phosphate(TP)의 분석은 persulfate digestion과 ascorbic acid method를 이용하여 분석하였다. Total nitrogen (TN)은 알칼리성 과황산칼륨을 분해용액으로 이용한 자외선 흡광광도법을 이용하였으며, Total organic carbon (TOC)은 TOC-5000A (Japan) analyzer를 이용하여 분석하였다. 토양의 물리적 특성은 입도시험 (KS F2039)과 비중시험 (KS F2308) 방법을 이용하여 분석하였다.
- 수질시료는 복합수질 시료로 채취하였다. 채취된 시료는 오염부하량을 산정하기 위하여 BOD, CODCr, CODMn, SS, TN, TP를 Standard Methods (APHA et al., 1995)와 수질오염공정시험법 (Ministry of Environment, 2001)에 준하여 분석하였다. Biochemical oxygen demand (BOD5)는 winkler method azide modification 법을 이용하였다.
- Total nitrogen (TN)은 알칼리성 과황산칼륨을 분해용액으로 이용한 자외선 흡광광도법을 이용하였으며, Total organic carbon (TOC)은 TOC-5000A (Japan) analyzer를 이용하여 분석하였다. 토양의 물리적 특성은 입도시험 (KS F2039)과 비중시험 (KS F2308) 방법을 이용하여 분석하였다. 실험처리에 따른 오염항목간의 상관관계는 SPSS Ver.
성능/효과
- 유출수내에 포함된 BOD의 오염부하는 경사도 20˚에서 높게 나타났다. 1차 실험에서 경사도 20˚의 오염부하는 10˚보다 0.65 g이 큰 2.40 g이었으나, 이후 오염부하량의 차이는 점차 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 TP의 오염부하량은 10˚의 경사조건에서 3차 실험이후 증가하는 경향을 보였으며, 20˚의 경사 조건에서는 3차 실험부터 일정한 값을 보였다.
- 5배가 증가하였다. BOD를 제외한 다른 항목의 유출부하량은 시비량이 4 kg에서 8 kg으로 증가함에 따라 2.4～5.7배로 증가하였으며, SS가 가장 높은 증가율을 보였다. 액비의 경우 시비량이 4 L에서 8 L로 증가함에 따라 유출부하량은 항목에 따라 차이는 있으나, 2.
- 따라서 농경지에서 발생되는 비점오염물질을 정량화하기 위해서는 토성에 따른 배출특성을 규명할 필요가 있으며, 특히 액비 등을 이용할 경우 퇴비보다 지하로의 침투가 증가할 수 있기 때문에 지하수의 오염에 대한 연구도 수행되어야 할 것으로 판단된다. SS의 오염부하량은 경사도 10˚에서 426.8 kg/ha 로 조사되었으며, 경사도 20˚에서는 642.5 kg/ha로서 경사도 10˚ 대비 50.6 %가 증가된 것으로 조사되었다. 경사도가 10˚에서 20˚로 증가함에 따라 모든 항목의 오염부하량이 증가하였다.
- 7 kg/ha로 조사되었다. 경사도 20˚의 BOD, TN, TP의 오염부하량은 각각 26.5, 8.5, 그리고 4.9 kg/ha로서 경사도 10˚의 오염부하량에 비하여 TP의 오염부하량이 81.5 %가 증가된 것으로 조사되었다. 이는 경사도가 두 배 증가될 경우 TP의 오염부하가 23.
- 40 g이었으나, 이후 오염부하량의 차이는 점차 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 TP의 오염부하량은 10˚의 경사조건에서 3차 실험이후 증가하는 경향을 보였으며, 20˚의 경사 조건에서는 3차 실험부터 일정한 값을 보였다. 또한 TOC 오염부하량은 경사도 20˚의 4차 실험을 제외하면 거의 변화가 없었다.
- 이는 규모가 작은 실험실 조건에서 연구가 수행되었기 때문에 경사도나 토양표면의 조건에 쉽게 영향을 받아 나타난 것으로 사료되며, 실 경작지를 대상으로 하는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 그러나 이상의 연구 결과에 기초할 때 농경지에 시비된 자원화물의 대부분은 농지에 잔류할 것으로 판단된다.
- 0 % 낮게 나타났다. 그리고 경사도 10˚와 20˚ 모두 1차 실험에서 오염물질의 유출률이 가장 높았으며, 이후 점차 감소하는 경향을 보였다. 이는 자원화물 시비 직후 표면에 있던 오염물질이 1차 실험시 많이 유출된 것에 기인하는 것으로 판단된다.
- 축산계 자원화물을 이용하여 경사도와 강우강도 그리고 자원화물 투여량에 따른 실내인공강우실험을 한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 농지에 투입된 축산자원화물은 경사도가 증가할수록 강우시 유출량이 증가하였으며, 오염물질은 시비 직후 내리는 강우시 가장 많이 유출되는 것으로 조사되었다. 따라서 비점오염물질의 유출을 줄이기 위해서는 시비 직 후 내리는 강우유출을 최소화시켜야 하며, 필요에 따라서는 오염물질을 저감할수 있는 방안의 도입이 필요할 것으로 판단된다.
- 이를 반영하듯 강우강도에 따른 SS의 유출량은 타 오염물질 항목에 비하여 급격히 증가하는 것을 알 수 있다. 돈분 퇴비에서 SS와 강우강도의 사이의 상관계수는 R2＝0.9356으로 조사되었으며, 액비를 시비한 토양상자에서는 R2＝0.9096으로서 높은 상관성을 보였다.
- Table 4에는 강우강도에 따른 항목별 오염물질 부하량의 상관관계를 제시하였다. 돈분퇴비의 경우 유기물간에는 유의수준 0.01에서 매우 높은 상관관계를 보였으며, 영양염류인 TN과 TP는 유의성이 낮게 나타났다. 액비의 경우 BOD-CODMn과 CODMn-TP 가 각각 0.
- 7 배) 증가되는 것으로 조사되었다. 따라서 농지에 축산자원화물을 적용시에는 시비 기준을 엄격히 준수해야 강우시 배출되는 비점오염물질을 최소화할 수 있을 것으로 판단된다. 오염물질 상호간의 상관관계를 분석한 결과 돈분 퇴비의 경우 유기물간에는 유의수준 0.
- 7은 돈분 퇴비와 액비를 시비한 토양상자에서 자원화물의 투입량에 따른 총 오염부하량을 나타낸 것이다. 시비량 4 kg에서 BOD의 유출부하량은 183 kg/ha로 조사되었으며, 시비량이 8 kg에서 BOD의 유출부하량은 451 kg/ha로 약 2.5배가 증가하였다. BOD를 제외한 다른 항목의 유출부하량은 시비량이 4 kg에서 8 kg으로 증가함에 따라 2.
- 89 kg/ha의 범위를 보였다. 액비를 투여한 토양상자에서 유출된 BOD, CODCr, SS, TN, TP의 오염부하량은 각각 11.4～37.5, 15.7～69.6, 190.0～1,166.4, 6.5～13.0, 0.79～2.34 kg/ha의 범위로서 돈분퇴비를 시비한 토양상자에서 높은 오염부하량 값을 보였다. 이는 액비의 경우 토양하부로의 침투량이 많은 반면 퇴비의 경우 토양표면에 대부분이 존재하여 인공강우 실험시 많은 오염물이 유출된 것으로 판단된다.
- 01에서 매우 높은 상관관계를 보였으며, 영양염류인 TN과 TP는 유의성이 낮게 나타났다. 액비의 경우 BOD-CODMn과 CODMn-TP 가 각각 0.8227과 0.6119로서 유의수준 0.01에서 높은 상관성을 보였으며, CODMn-TN과 CODCr-TOC가 유의수준 0.05에서 유의성이 있었다. 이외의 항목에서는 유의성이 낮게 나타났다.
- 따라서 농지에 축산자원화물을 적용시에는 시비 기준을 엄격히 준수해야 강우시 배출되는 비점오염물질을 최소화할 수 있을 것으로 판단된다. 오염물질 상호간의 상관관계를 분석한 결과 돈분 퇴비의 경우 유기물간에는 유의수준 0.01에서 매우 유의성을 보였으나, 영양염류인 TN과 TP는 유의성이 낮게 나타났다. 액비의 경우 오염항목별 상관성이 돈분 퇴비에 비하여 낮은 것으로 조사되었다.
- 4는 돈분 퇴비와 액비를 투입한 토양상자에서 유출된 총 오염부하량을 강우강도에 따라 나타낸 것이다. 유기물인 BOD, CODCr, CODMn, TOC와 영양염류 (TN, TP) 그리고 SS의 오염부하량은 강우강도의 증가와 더불어 비선형적인 증가추세를 보였다. 특히 50 mm/hr 이상의 강우강도 조건에서 SS의 오염부하량은 두드러진 증가추세를 보였다.
- 유기물인 BOD, CODCr, CODMn, TOC와 영양염류 (TN, TP) 그리고 SS의 오염부하량은 강우강도의 증가와 더불어 비선형적인 증가추세를 보였다. 특히 50 mm/hr 이상의 강우강도 조건에서 SS의 오염부하량은 두드러진 증가추세를 보였다. 일반적으로 밭 이랑 및 두둑을 경사에 따라 상하경으로 조성할 경우 강우 유출수는 쉽게 하류로 이송되며, 두둑의 손실이 크지 않다.
- 따라서 비점오염물질의 유출을 줄이기 위해서는 시비 직 후 내리는 강우유출을 최소화시켜야 하며, 필요에 따라서는 오염물질을 저감할수 있는 방안의 도입이 필요할 것으로 판단된다. 한편 강우강도와 축산자원화물의 투입량이 증가함에 따라 오염물질의 배출량은 증가하였는데, 특히 자원화물의 시비량이 4 kg에서 8 kg으로 증가 시 오염부하량은 두 배 이상 (1.7～5.7 배) 증가되는 것으로 조사되었다. 따라서 농지에 축산자원화물을 적용시에는 시비 기준을 엄격히 준수해야 강우시 배출되는 비점오염물질을 최소화할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 이는 오염물질의 농도에는 큰 차이가 없지만 표면보다 하부 유출수량이 많은 것에 기인하는 것으로 사질토인 토성의 영향으로 판단된다. 따라서 농경지에서 발생되는 비점오염물질을 정량화하기 위해서는 토성에 따른 배출특성을 규명할 필요가 있으며, 특히 액비 등을 이용할 경우 퇴비보다 지하로의 침투가 증가할 수 있기 때문에 지하수의 오염에 대한 연구도 수행되어야 할 것으로 판단된다. SS의 오염부하량은 경사도 10˚에서 426.
- 농지에 투입된 축산자원화물은 경사도가 증가할수록 강우시 유출량이 증가하였으며, 오염물질은 시비 직후 내리는 강우시 가장 많이 유출되는 것으로 조사되었다. 따라서 비점오염물질의 유출을 줄이기 위해서는 시비 직 후 내리는 강우유출을 최소화시켜야 하며, 필요에 따라서는 오염물질을 저감할수 있는 방안의 도입이 필요할 것으로 판단된다. 한편 강우강도와 축산자원화물의 투입량이 증가함에 따라 오염물질의 배출량은 증가하였는데, 특히 자원화물의 시비량이 4 kg에서 8 kg으로 증가 시 오염부하량은 두 배 이상 (1.
- 초기 자원화물의 투입량 대비 오염물질 유출량은 1차 실험에서 높게 나타났으며, 실험이 진행됨에 점차 감소하였다. 따라서 실제 농경지에 자원화물을 시비하였을 경우 강우시 유출되는 비점오염물질을 저감하기 위해서는 시비 후 처음 내리는 강우시 오염물질의 유출을 최소화 할 수 있는 방안의 모색이 필요할 것으로 판단된다. 유출수내에 포함된 BOD의 오염부하는 경사도 20˚에서 높게 나타났다.
- , 2009). 또한 농경지에 환원되는 축분 퇴비의 양적 문제, 강우강도에 따른 유출특성, 농경지의 경사도에 따른 오염물질의 배출량에 대한 조사 등도 필요하다. 그러나 이와 관련한 연구는 초기 단계에 머물고 있다.
- 또한 TOC 오염부하량은 경사도 20˚의 4차 실험을 제외하면 거의 변화가 없었다. 이는 규모가 작은 실험실 조건에서 연구가 수행되었기 때문에 경사도나 토양표면의 조건에 쉽게 영향을 받아 나타난 것으로 사료되며, 실 경작지를 대상으로 하는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 그러나 이상의 연구 결과에 기초할 때 농경지에 시비된 자원화물의 대부분은 농지에 잔류할 것으로 판단된다.
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