본 연구에서는 '09년' 환경부의 비점오염저감시설 모니터링 및 유지관리 시범사업으로 건설된 강우유출수 처리목적의 인공습지 침강지에서 퇴적특성 및 설계 적정성에 대하여 조사분석 하였다. 본 연구대상 인공습지가 설치된 지역에는 대규모 우사가 산재해 있으며 인공습지는 가축사육지역에서 발생되는 강우유출수를 처리하기 위하여 설치되었다. 퇴적물의 발생양은 강우량 및 강우강도에 영향을 받아 결정되며 유입유량의 크기에 따라 지점별 퇴적량이 결정되는 것으로 나타났다. 퇴적물의 성분분석결과 영양염류의 경우 일반 농촌지역 인공습지 대비 연구대상 습지의 농도가 10배 높은 수치로 분석되었고 주변토양과 중금속함량을 비교한 결과 Tatal-Pb, Total-As는 비슷한 수준을 보이고 있으나 Total-Cu의 경우 축산단지의 영향을 받아 높은 수준의 함량을 나타내었다. 연간 퇴적물 발생량을 추정한 결과 중량으로는 13톤, 퇴적깊이는 약 23cm, 체적기준 $65m^3$이었고 현재의 기준을 바탕으로 준설시기를 산출하였을 때 약 2.7년 정도로 조사되었다. 한편 침강지의 구조는 고유량시(강우시) 발생하는 세굴을 감안하여 현재와 같은 장방형 구조가 아닌 쐐기형 구조가 적합한 것으로 판단된다.
본 연구에서는 '09년' 환경부의 비점오염저감시설 모니터링 및 유지관리 시범사업으로 건설된 강우유출수 처리목적의 인공습지 침강지에서 퇴적특성 및 설계 적정성에 대하여 조사분석 하였다. 본 연구대상 인공습지가 설치된 지역에는 대규모 우사가 산재해 있으며 인공습지는 가축사육지역에서 발생되는 강우유출수를 처리하기 위하여 설치되었다. 퇴적물의 발생양은 강우량 및 강우강도에 영향을 받아 결정되며 유입유량의 크기에 따라 지점별 퇴적량이 결정되는 것으로 나타났다. 퇴적물의 성분분석결과 영양염류의 경우 일반 농촌지역 인공습지 대비 연구대상 습지의 농도가 10배 높은 수치로 분석되었고 주변토양과 중금속함량을 비교한 결과 Tatal-Pb, Total-As는 비슷한 수준을 보이고 있으나 Total-Cu의 경우 축산단지의 영향을 받아 높은 수준의 함량을 나타내었다. 연간 퇴적물 발생량을 추정한 결과 중량으로는 13톤, 퇴적깊이는 약 23cm, 체적기준 $65m^3$이었고 현재의 기준을 바탕으로 준설시기를 산출하였을 때 약 2.7년 정도로 조사되었다. 한편 침강지의 구조는 고유량시(강우시) 발생하는 세굴을 감안하여 현재와 같은 장방형 구조가 아닌 쐐기형 구조가 적합한 것으로 판단된다.
In this paper, field study results about accumulation of sediments and its property in the forebay of wetland aiming at stormwater from rural area wherein intensive cow feeding lots are operated are provided. In addition, some design aspects are discussed. Amount of sediment generation in the longit...
In this paper, field study results about accumulation of sediments and its property in the forebay of wetland aiming at stormwater from rural area wherein intensive cow feeding lots are operated are provided. In addition, some design aspects are discussed. Amount of sediment generation in the longitudinal direction of forebay was found to be affected by hydrological factors such as rainfall depth and intensity. Nutrient contents in the sediments of this wetland were 10 times higher than those in stormwater wetland in rural area without animal-feeding lot. Total-Pb and As contents show similar level to values from the soils of surrounding watershed, but Total-Cu content was higher due to the animal feeding lots. Yearly amount of sediment generation, its depth and volume were estimated to 13tons, 23cm, and $65m^3$. Based on these results and recommended guideline by Korean Ministry of Environment, dredging frequency was found to be about 2.7years. The shape of forebay has to be carefully designed to deal with a great change in flow rate. According to the results of sediment depth analysis, instead of the present rectangular, wedge-shape forebay is more desirable in handling scouring caused by high flows.
In this paper, field study results about accumulation of sediments and its property in the forebay of wetland aiming at stormwater from rural area wherein intensive cow feeding lots are operated are provided. In addition, some design aspects are discussed. Amount of sediment generation in the longitudinal direction of forebay was found to be affected by hydrological factors such as rainfall depth and intensity. Nutrient contents in the sediments of this wetland were 10 times higher than those in stormwater wetland in rural area without animal-feeding lot. Total-Pb and As contents show similar level to values from the soils of surrounding watershed, but Total-Cu content was higher due to the animal feeding lots. Yearly amount of sediment generation, its depth and volume were estimated to 13tons, 23cm, and $65m^3$. Based on these results and recommended guideline by Korean Ministry of Environment, dredging frequency was found to be about 2.7years. The shape of forebay has to be carefully designed to deal with a great change in flow rate. According to the results of sediment depth analysis, instead of the present rectangular, wedge-shape forebay is more desirable in handling scouring caused by high flows.
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문제 정의
Yi(2010)는 국내 농촌 지역에서 운전되고 있는 인공습지 침강지의 퇴적물에 대한 입도분석 및 침전된 토사의 오염물질 함량 분석결과를 제시한 바 있다. 따라서 본 연구에서는 전라북도 정읍시 덕천면 일대에 강우유출수 처리목적으로 설치된 인공습지 침강지의 설계 적정성을 평가하고 침강특성 및 퇴적성분 분석을 통하여 추후 건설될 인공습지 설계에 필요한 기초 자료를 제공하고자 한다.
본 논문에서는 가축사육단지가 산재한 농촌유역에서 발생되는 강우유출수 처리목적의 인공습지 침강지에서 퇴적물의 퇴적특성 및 침강지 설계의 적정성에 관한 연구내용을 제시하였고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
정읍 인공습지를 구성하고 있는 요소 중 최선단에 위치한 침강지는 유입수에 포함된 입자상물질들이 침강을 통한 오염물질 제거 및 유량조절 기능을 수행하는 본 연구의 핵심이 되는 지점으로 4개 지점(Z-1, Z-2, Z-3, Z-4)을 모니터링 지점으로 선정하였으며 지점별 면적 산출은 침강지의 총 표면적에서 쿠폰이 설치된 지점을 중심으로 면적을 실측하여 산출하였으며 침강지의 수심이 일정하게 이루어져 쿠폰설치지점인 중간부분이 각 구간을 대표할 것으로 판단된다. 또한 퇴적속도를 측정하여 퇴적특성을 분석하였으며 지점별 제원은 Fig. 2와 Table 2에 제시하였다.
모니터링은 초기 설치 후 30∼50일을 주기로 퇴적물 쿠폰을 채취하고 다시 새로운 쿠폰을 설치하는 방법으로 연속적으로 모니터링을 수행하였다.
Table 5에는 정읍 인공습지 침강지의 3차 조사와 4차 조사기간 동안 수집된 퇴적물에 대한 오염물질 함량 분석 결과를 제시하였다. 분석항목은 강열감량, 유기물질 함량, 영양염류의 함량 그리고 중금속 및 미량원소 함량을 분석하였다. 토양환경보전법(환경부, 2009)에서 토양오염우려기준에 제시된 1 지역 중금속농도와 비교결과 정읍 습지의 중금속 함유량은 모두 기준치 이하로 토양에 함유된 중금속의 용출로 인한 수질오염 문제는 일어나지 않을 것으로 판단된다.
설계의 적정성 평가는 기존에 제시된 문헌자료를 바탕으로 수질처리용량, 습지대비 침강지의 용적 및 퇴적물 저장용량을 조사·분석하였고 준설 시기는 퇴적물 쿠폰에 침전된 퇴적물을 분석하여 퇴적물의 양 및 퇴적속도를 기준으로 침강지의 준설시기를 결정하였다.
모니터링은 초기 설치 후 30∼50일을 주기로 퇴적물 쿠폰을 채취하고 다시 새로운 쿠폰을 설치하는 방법으로 연속적으로 모니터링을 수행하였다. 채취된 퇴적물은 퇴적물 양 및 퇴적 속도 산출을 통해 퇴적특성을 파악하고 아울러 퇴적물의 물리화학적 특성을 파악하기 위해 강열감량, 유기물질 및 영양염류 함량, 그리고 주요 중금속 함량을 조사 분석하였다.
침강퇴적물의 부피는 컵형 쿠폰내부의 교란되지 않은 퇴적층의 깊이에 각각의 구간면적을 곱함으로서 산출하였다. 침강지 용량대비 퇴적물 부피(%)는 퇴적물 부피를 지점별 침강지 용량으로 나누어 산출하였다. 퇴적속도는 단위면적 당 일일 퇴적속도, 강우량 대비 단위면적 당 퇴적속도, 강우량 대비 퇴적깊이 증가속도, 일일 퇴적속도를 산출하였다.
퇴적물의 깊이는 4개 지점 쿠폰의 쌓인 퇴적물의 깊이를 면적 가중하여 얻은 평균깊이를 나타낸다. 침강퇴적물의 부피는 컵형 쿠폰내부의 교란되지 않은 퇴적층의 깊이에 각각의 구간면적을 곱함으로서 산출하였다. 침강지 용량대비 퇴적물 부피(%)는 퇴적물 부피를 지점별 침강지 용량으로 나누어 산출하였다.
퇴적물 양은 컵형 쿠폰에 퇴적된 퇴적물의 양을 쿠폰이 설치된 침강지 구간면적을 이용하여 환산하였고 침강지 전체 퇴적물 양은 각각의 구간면적의 퇴적물 양을 합산하여 구하였다. 퇴적물의 깊이는 4개 지점 쿠폰의 쌓인 퇴적물의 깊이를 면적 가중하여 얻은 평균깊이를 나타낸다.
한편 코어시편을 채취하여 퇴적깊이를 측정하는 방법은 가장 간편한 방법이지만 정읍습지에서와 같이 기존의 논을 활용하여 습지로 전환한 경우에는 신생퇴적물과 기존의 퇴적층을 구분하는 것이 쉽지 않으므로 적용을 배제하고 본 연구에서 달성하고자하는 연구목적에 부합하고 시간에 따른 퇴적속도 측정에 가장 적합한 컵형 측정법을 선정하여 모니터링 하였다.
대상 데이터
본 연구의 모니터링 대상지점인 전라북도 정읍시 덕천면 인공습지의 위치 및 영상을 Fig. 1에 나타내고 있다. 정읍 인공습지는 2008년에 금강 수계 비점오염시설 모니터링 시범사업의 일환으로 설치되었고 강우시 강우유출수 및 건기시 하천수를 처리하기 위한 목적으로 건설된 비점오염 저감 시설이다.
정읍 인공습지를 구성하고 있는 요소 중 최선단에 위치한 침강지는 유입수에 포함된 입자상물질들이 침강을 통한 오염물질 제거 및 유량조절 기능을 수행하는 본 연구의 핵심이 되는 지점으로 4개 지점(Z-1, Z-2, Z-3, Z-4)을 모니터링 지점으로 선정하였으며 지점별 면적 산출은 침강지의 총 표면적에서 쿠폰이 설치된 지점을 중심으로 면적을 실측하여 산출하였으며 침강지의 수심이 일정하게 이루어져 쿠폰설치지점인 중간부분이 각 구간을 대표할 것으로 판단된다. 또한 퇴적속도를 측정하여 퇴적특성을 분석하였으며 지점별 제원은 Fig.
성능/효과
1, 2, 3차 조사시기와는 다르게 4차 조사시기에는 정상적인 비강우기로 강우시 강우강도의 영향 및 준설 등의 환경적 또는 인위적인 변수가 없어 저유량기의 퇴적형태인 침강지 선단부터 차례로 퇴적되는 양상을 보였다.
동일기간 동안 누적 퇴적물 깊이는 22cm, 퇴적물 부피는 약 62m3, 침강지 용량기준 약 18%정도의 퇴적물이 발생되는 것으로 추산되었다. 그러나 신생 퇴적물에 의한 하부 퇴적물의 압밀 및 유기성 퇴적물의 분해, 재부상 효과, 세굴현상 등을 고려할 때 실제 퇴적물 양은 본 조사를 통해 얻은 추산치 보다 약 30% 정도 적을 것으로 추정된다.
본 연구에서는 2011년 6월 ∼ 2011년 11월까지 약 166일 동안 4회의 모니터링을 통해 약 15톤의 퇴적물이 퇴적된 것으로 추산되었다. 동일기간 동안 누적 퇴적물 깊이는 22cm, 퇴적물 부피는 약 62m3, 침강지 용량기준 약 18%정도의 퇴적물이 발생되는 것으로 추산되었다. 그러나 신생 퇴적물에 의한 하부 퇴적물의 압밀 및 유기성 퇴적물의 분해, 재부상 효과, 세굴현상 등을 고려할 때 실제 퇴적물 양은 본 조사를 통해 얻은 추산치 보다 약 30% 정도 적을 것으로 추정된다.
9에는 강우시 침강지에서 수행한 모니터링 결과를 나타내고 있다. 두 개의 강우 사상을 대상으로 수행한 모니터링에서 강우량은 비슷하지만 강우강도의 차이로 인하여 각각 69%와 87%의 제거효율을 나타내었다. WQv 설계개념에서 가정하는 바와 같이 일 강우량 기준으로 가정하면 침강지에서 체류시간(HRT = Volume of forebay/Daily flow volume)은 각각 6hr과 16hr이며 이와 같은 수리조건에서 얻은 TSS 제거효율은 양호하다고 판단된다.
본 연구에서는 2011년 6월 ∼ 2011년 11월까지 약 166일 동안 4회의 모니터링을 통해 약 15톤의 퇴적물이 퇴적된 것으로 추산되었다.
내부생산이 활발한 습지내부에서 일어나는 재부 상에 대한 많은 연구와 달리 전처리 성격의 침강지에서 재부상에 관한 연구는 전무하다. 연구대상 습지 침강지에 침적되는 퇴적물 중 약15% 정도가 VS 성분(Table 5)으로 유역 토지이용 특성으로 볼 때 생분해성이 양호한 유기물질로 가정하고, 습지 침강지에서 제거되는 고형물은 물보다 비중이 훨씬 크고 비압축성 침전물로 구성되어 있으므로 압밀, 재부상 등으로 15% 정도가 감소한다고 가정하여 전체 30%가 감량되는 것으로 추정하였다.
6). 오염물질의 함량을 분석한 결과 농촌지역을 배수구역으로 하는 다른 인공습지에 비하여 정읍 인공습지 영양염류의 농도가 10배가량 높은 수치로 나타났다. 인공습지 주변의 토양과 중금속 함량을 비교한 결과 납과 비소는 비슷한 수준을 보이는 것으로 나타났고 가축단지의 구리는 높은 수치를 보이고 있는데 이는 소나 돼지의 질병을 예방하기 위해 인위적으로 사료를 첨가하였기 때문인 것으로 나타났다.
4에는 쿠폰 설치 지점별로 일일 단위 면 적당 퇴적물 양을 조사 시기에 따라 나타내었다. 이론적으로 침강지의 유입 선단부터 차례로 토사가 퇴적되는 것으로 생각되었지만 조사결과는 강우기인 1차, 2차 조사시기에는 Z-1 지점의 퇴적물양은 침강지 전체 평균 퇴적물 양보다 적은 퇴적량을 나타내었으며 Z-2 지점에 가장 많은 토사가 퇴적되고 점차 줄어드는 퇴적형태를 나타내고 있다.
Table 4는 컵형 쿠폰을 통하여 얻은 퇴적량 자료를 침강지 전체용량으로 환산한 퇴적량을 나타내고 있다. 조사 시기에 따라 다양한 퇴적분포를 보이고 있으며 각 시기별로 분석하였을 때 1차 조사의 경우 가장 많은 강우량을 기록하고 있지만 2차 조사에 비하여 퇴적량이 적은 것으로 분석되었다. 그 이유는 1차 조사 시기동안 평균 강우강 도가 2.
2). 침강지 지점별 퇴적특성을 분석한 결과 쇄굴 및 재부상등의 이유로 침강지 선단보다 는 중간지점에서부터 많이 퇴적되고 점차적 으로 줄어드는 것으로 나타났으며 강우빈도가 작은 비강우기의 경우 습지의 선단부터 점차적으로 감소되는 것으로 나타났다.
1). 퇴적물의 양 및 퇴적속도는 조사기간 동안에 발생되는 강우량 및 강우강도와 같은 수문조건에 의해 결정되나 유지관리 활동 즉유입부 및 스크린 시설의 준설 작업시에도 대량 발생되는 것으로 조사되었다.
침강지 용량대비 퇴적물 부피(%)는 퇴적물 부피를 지점별 침강지 용량으로 나누어 산출하였다. 퇴적속도는 단위면적 당 일일 퇴적속도, 강우량 대비 단위면적 당 퇴적속도, 강우량 대비 퇴적깊이 증가속도, 일일 퇴적속도를 산출하였다.
4). 퇴적특성을 분석한 결과 침강지의 준설시기는 약 2.7년을 주기로 준설하여야 하는 것으로 나타났다.
현재 조사 기간동안의 자료가 미진하여 연간 퇴적물 양을 정확하게 산출할 수 없지만 제시한 자료가 강우기를 포함한 기간 동안에 수집된 자료이고, 나머지 12∼5월까지 발생되는 양은 매우 작을 것으로 추정되며 비교적 유사한 수문환경으로 판단되는 4차 조사결과를 토대로 추정한 결과 약 3,500kg(3.5톤) 정도가 퇴적될 것으로 예상된다.
후속연구
이와 같은 수치는 잠정적인 수치로 추가적인 퇴적물 발생량 조사를 통하여 지속적으로 보완해야 할 부분으로 판단되며 또한 강우활동에는 불확 실성이 늘 상존하므로 본 연구의 퇴적물 준설빈도는 참고자료로만 활용해야하며 현장 침강지의 실측작업을 통하여 준설시기를 결정해야 할 것으로 사료된다.
한편 토지이용이 서로 다른 지역에 설치된 인공습지의 침강지에서 영양소 저감효율의 비교·평가는 어렵고 추후 건설될 축산단지 유역의 강우유출수를 처리 목적의 인공습지 침강지에서 발생하는 퇴적물을 처리할 계획을 수립할 때 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비점오염 처리시설로써 인공습지의 역할은 무엇인가?
이 중 인공습지는 침전, 여과, 흡착, 미생물 분해, 식생식물에 의한 정화 등 습지가 보유하고 있는 자연적인 처리능력을 인위적으로 향상시켜 오염물질을 저감하고 지역의 경관적 가치 및 야생 동식물의 서식지로서의 역할을 수행하는 비점오염 처리시설이다(Gavin F. B.
환경부에서 비점오염원의 관리와 비점오염물질을 처리를 위해 수행하고 있는 것은 무엇인가?
환경부에서는 2006년부터 “한강수계 비점오염 저감시설 모니터링 및 유지관리 시범사업”을 시작으로 2008년에는 금강, 영산강, 낙동강을 포함한 4대강수계의 비점오염저감시설 모니터링 및 유지 관리 시범사업을 수행하고 있으며 인공습지, 식생 수로, 침투도랑, 여과형, 와류형, 스크린형 시설 등과 같은 다양한 형태의 비점오염저감시설에 대해 모니터링 연구를 수행하고 있다(환경부·환경 관리공단, 2011).
본 논문에서 수행한, 인공습지 침강지에서 퇴적물의 퇴적특성 및 침강지 설계의 적정성 연구를 통해 얻은 결론은 무엇인가?
1). 퇴적물의 양 및 퇴적속도는 조사기간 동안에 발생되는 강우량 및 강우강도와 같은 수문조건에 의해 결정되나 유지관리 활동 즉유입부 및 스크린 시설의 준설 작업시에도 대량 발생되는 것으로 조사되었다.
2). 침강지 지점별 퇴적특성을 분석한 결과 쇄굴 및 재부상등의 이유로 침강지 선단보다 는 중간지점에서부터 많이 퇴적되고 점차적 으로 줄어드는 것으로 나타났으며 강우빈도가 작은 비강우기의 경우 습지의 선단부터 점차적으로 감소되는 것으로 나타났다.
3). 침강지의 구조는 유입구가 넓고 유출구가 좁은 장방형 구조로 되어있어 유량조절 및저감효율을 높이기 위해 쐐기형 구조로 변형시키는 것이 바람직하다고 생각된다.
4). 퇴적특성을 분석한 결과 침강지의 준설시기는 약 2.7년을 주기로 준설하여야 하는 것으로 나타났다.
5). 침강지 용량산정 기준 및 수리학적 체류시 간에 관한 설계기준은 대체로 권장기준을 만족하도록 설치되어 있으나 실제 모니터링 대상 강우사상이 설계유량 보다 작아 침전효율을 고려한 타당성 진단은 불가능하였다.
6). 오염물질의 함량을 분석한 결과 농촌지역을 배수구역으로 하는 다른 인공습지에 비하여 정읍 인공습지 영양염류의 농도가 10배가량 높은 수치로 나타났다. 인공습지 주변의 토양과 중금속 함량을 비교한 결과 납과 비소는 비슷한 수준을 보이는 것으로 나타났고 가축단지의 구리는 높은 수치를 보이고 있는데 이는 소나 돼지의 질병을 예방하기 위해 인위적으로 사료를 첨가하였기 때문인 것으로 나타났다.
참고문헌 (13)
엄한용. 2007. 인공습지의 설계방안, 한국관개배수지, 제 14권 제2호: 101-111.
EPA. 1993. National Conference on Urban Runoff Management: Enhancing Urban Watershed Management at the Local, County, and State Levels, pp 431
Gavin F. B., Carsten M. Mohammad S. F., JeongYul Suh. 2004. Efficiency of a Constructed Wetland in Removing Contaminants from Stormwater. Wetlands, 24(2): 459-466
Lightbody A. F. The Physical Role of Transverse Deep Zones in Improving Constructed Treatment Wetland Performance, Ph. D. disseration, Yale University, Connecticut, U.S.A. pp 31-33
Robert W. N., William J. M. 1999. Phosphorus removal in created wetland ponds receiving river overflow. Ecological Engineering, 14(2000): 107-126
Schulz M et al., 2003. The influence of macrophytes on sedimentaion and nutrient retention in the lower River Spree(Germany). Water Research, 37(3): 569-578.
Qitao Yi. 2010. Nonpoint Source Pollution Control Using Constructed Wetland in the Agricultural Area, Ph. D. dissertation, Hanseo University, Seosan, Korea. pp 80-87.
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