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문제 정의
- 강우강도와 자원화물의 시비량에 따른 자원화물의 유형별 유출비를 도출하기 위하여 인공강우를 이용한 실험을 실시하였다. 먼저 강우강도에 따른 유출비를 산정하기 위해 Y시의 강우지속 기간별 확률강우 강도를 토대로 32, 41, 48, 53, 57 mm/hr의 강우강도를 선정하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 축산자원화물이 농지에 살포된 후 강우 시 유출되는 오염물질의 거동을 조사하기 위해서 인공 및 자연강우를 이용하여 실험을 실시하였다. 실험실 규모의 반응조를 제작하고 인공강우를 이용하여 강우강도 또는 자원화물의 시비량에 따른 유출비 산정과 반응조를 야외에 두고 자연강우 사상 하에서 발생되는 유출비를 산정하였다.
- 본 연구는 축산자원화물이 농지에 살포된 후 강우 시 유출되는 오염물질의 거동을 조사하기 위해서 실험실 규모의 반응조를 제작하고 인공강우를 이용하여 강우강도와 시비량에 따른 축산자원화물의 유출특성을 조사하였으며, 축산자원화물이 적정량 시비된 반응조를 야외에 두고 자연 강우사상 하에서의 유출특성을 분석하였다.
제안 방법
- 32 mm/hr의 강우강도에서 소퇴비와 돈사액비의 시비량을 증가시키는 조건에서 실험을 실시하였다. Table 5와 Fig.
- 소퇴비 및 돈사액비를 시비한 반응조를 야외에 두고 5개월 간 강우사상에 따른 유출특성을 살펴보았다. Table 6과 같이 표면유출은 초기강우 시 퇴비를 시비한 반응조는 유출이 일어나지 않았고, 액비를 시비한 반응조는 표면유출수가 미량 발생하여 분석 가능한 T-N, T-P, TOC항목의 유출비를 산정하였다. 초기 강우 후 몇 차례 미미한 강우에 의해 토양 함수율이 높아짐에 따라 표면유출수가 발생하였고, 특히 강우강도 30 mm/hr이상일 때 표면유출이 충분히 일어났다.
- 강우강도는 Y시의 연도별 30년 강우자료를 바탕으로 각 재현기간에 해당하는 2, 3, 5, 10, 20, 30, 50, 80, 100, 200년 재현기간별 강우강도를 산정하였다. 강우 빈도의 해석 시 사용한 기본 자료인 연 최대강우는 지속시간이 10분에서 24시간까지로 해석을 실시하였으며, 재현기간별 확률강우강도는 Table 1과 같다. 실험에 적용할 강우강도는 표면유출이 충분히 일어날 수 있는 강우강도를 고려하여 2, 5, 10, 20, 30년 재현기간에 해당하는 지속시간 60분의 강우강도 32, 41, 48, 53, 57 mm/hr로 실험 강우량을 채택하였다.
- 강우강도는 Y시의 연도별 30년 강우자료를 바탕으로 각 재현기간에 해당하는 2, 3, 5, 10, 20, 30, 50, 80, 100, 200년 재현기간별 강우강도를 산정하였다. 강우 빈도의 해석 시 사용한 기본 자료인 연 최대강우는 지속시간이 10분에서 24시간까지로 해석을 실시하였으며, 재현기간별 확률강우강도는 Table 1과 같다.
- 자원화물은 Y시의 개인농가로부터 소퇴비와 돈사액비를 협조 받았다. 개별농가의 사육특성 및 부숙정도에 의한 자원화물의 특성이 상이할 수 있으므로 실험에 사용한 자원화물의 성상을 분석하였으며, 결과는 Table 3과 같다.
- 2). 두께 3 mm의 Stainless steel을 이용하여 반응조의 1/4크기의 토양상자 4개를 제작하고 각각 30 cm 높이의 토양을 압밀 채취하여 별도의 다짐 또는 체거름이 없는 자연상태로 반응조에 채워 넣었다. 토양의 성질에 따라 강우 시 오염물질의 표면유출 및 토양침투의 특성에 영향을 줄 것으로 판단되어 본 실험에 이용한 토양의 물성을 분석하였으며 그 결과는 Table 2에 제시하였다.
- 강우강도와 자원화물의 시비량에 따른 자원화물의 유형별 유출비를 도출하기 위하여 인공강우를 이용한 실험을 실시하였다. 먼저 강우강도에 따른 유출비를 산정하기 위해 Y시의 강우지속 기간별 확률강우 강도를 토대로 32, 41, 48, 53, 57 mm/hr의 강우강도를 선정하였다. 반응조에는 각각 다른 반응조에 퇴비와 액비를 적정량 시비하였으며, 시비 직후의 강우의 발생은 자원화물의 급격한 농도유출을 야기할 수 있으므로(Song et al.
- 먼저 강우강도에 따른 유출비를 산정하기 위해 Y시의 강우지속 기간별 확률강우 강도를 토대로 32, 41, 48, 53, 57 mm/hr의 강우강도를 선정하였다. 반응조에는 각각 다른 반응조에 퇴비와 액비를 적정량 시비하였으며, 시비 직후의 강우의 발생은 자원화물의 급격한 농도유출을 야기할 수 있으므로(Song et al., 2012), 시비 후 3일 이상의 안정화 시간을 두고 실험을 실시하였으며, 인공강우 후 표면유출수 및 토양침투수가 더 이상 유출되지 않을 때까지 채수 하였다.
- 반응조의 경사는 물 빠짐 등을 고려하여 토양의 경사가 10 °가 되도록 조절하였으며, 반응조 하단에 토양침투수를 채취할 수 있도록 삼각 웨어 형태의 빈 공간을 두고 시료 채취구를 설치하였다.
- 반응조의 규격은 가로 70 cm × 세로 70 cm × 높이 40 cm로 반응조의 앞면에 유로를 만들어 유출수를 채수할 수 있도록 하였다.
- 소퇴비 및 돈사액비를 시비한 반응조를 야외에 두고 5개월 간 강우사상에 따른 유출특성을 살펴보았다. Table 6과 같이 표면유출은 초기강우 시 퇴비를 시비한 반응조는 유출이 일어나지 않았고, 액비를 시비한 반응조는 표면유출수가 미량 발생하여 분석 가능한 T-N, T-P, TOC항목의 유출비를 산정하였다.
- 실제 강우에 대한 자원화물의 유출비를 산정하기 위해 반응조를 야외에 두고 실험을 실시하였다. 실험 지역에 자동강우량계(Rain Gauge RG20, Environdata, Australia)를 설치하여 보다 정확한 지역강우량을 측정하였다.
- 실제 강우에 대한 자원화물의 유출비를 산정하기 위해 반응조를 야외에 두고 실험을 실시하였다. 실험 지역에 자동강우량계(Rain Gauge RG20, Environdata, Australia)를 설치하여 보다 정확한 지역강우량을 측정하였다. 자원화물은 인공강우 실험과 동일한 방법으로 시비량을 산정하여 적정량을 시비하였으며, 총 5개월간의 자연강우 사상시 표면유출수를 채수하여 분석실험을 실시하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 축산자원화물이 농지에 살포된 후 강우 시 유출되는 오염물질의 거동을 조사하기 위해서 인공 및 자연강우를 이용하여 실험을 실시하였다. 실험실 규모의 반응조를 제작하고 인공강우를 이용하여 강우강도 또는 자원화물의 시비량에 따른 유출비 산정과 반응조를 야외에 두고 자연강우 사상 하에서 발생되는 유출비를 산정하였다.
- 강우 빈도의 해석 시 사용한 기본 자료인 연 최대강우는 지속시간이 10분에서 24시간까지로 해석을 실시하였으며, 재현기간별 확률강우강도는 Table 1과 같다. 실험에 적용할 강우강도는 표면유출이 충분히 일어날 수 있는 강우강도를 고려하여 2, 5, 10, 20, 30년 재현기간에 해당하는 지속시간 60분의 강우강도 32, 41, 48, 53, 57 mm/hr로 실험 강우량을 채택하였다.
- 실험 지역에 자동강우량계(Rain Gauge RG20, Environdata, Australia)를 설치하여 보다 정확한 지역강우량을 측정하였다. 자원화물은 인공강우 실험과 동일한 방법으로 시비량을 산정하여 적정량을 시비하였으며, 총 5개월간의 자연강우 사상시 표면유출수를 채수하여 분석실험을 실시하였다.
- 80 mm/hr를 고려하여 예비실험을 실시한 결과 표면유출이 충분히 일어나고, 과다한 표면침식이 발생하지 않아 실험에 사용할 강우강도는 32 mm/hr로 선정하였으며, 자원 화물은 퇴비와 액비를 사용하였다. 자원화물은 작물별 시비처방기준(농촌진흥청, 2006)에 의해 포도밭의 표준시비량을 기준으로, 반응조의 면적을 고려하여 적정 시비량을 환산하였을 때 퇴비는 2 kg, 액비는 700 mL로 산정되었고, 이를 기준으로 자원화물을 1배, 1.5배, 2배 그리고 3배로 시비량을 증가시켜서 자원화물이 적정기준 이상으로 시비되었을 때의 유출거동을 비교하였다.
- 두께 3 mm의 Stainless steel을 이용하여 반응조의 1/4크기의 토양상자 4개를 제작하고 각각 30 cm 높이의 토양을 압밀 채취하여 별도의 다짐 또는 체거름이 없는 자연상태로 반응조에 채워 넣었다. 토양의 성질에 따라 강우 시 오염물질의 표면유출 및 토양침투의 특성에 영향을 줄 것으로 판단되어 본 실험에 이용한 토양의 물성을 분석하였으며 그 결과는 Table 2에 제시하였다.
대상 데이터
- 반응조는 두께 2 mm의 Stainless steel을 이용하여 Fig. 1과 같이 제작하였다. 반응조의 규격은 가로 70 cm × 세로 70 cm × 높이 40 cm로 반응조의 앞면에 유로를 만들어 유출수를 채수할 수 있도록 하였다.
- 본 실험에 사용한 토양은 Y시의 양파 경작지에서 불교란으로 채취하였다(Fig. 2). 두께 3 mm의 Stainless steel을 이용하여 반응조의 1/4크기의 토양상자 4개를 제작하고 각각 30 cm 높이의 토양을 압밀 채취하여 별도의 다짐 또는 체거름이 없는 자연상태로 반응조에 채워 넣었다.
- 인공강우 실험을 위한 강우발생장치는 정량펌프(JWSE600, JenieWell, Korea)에 실리콘튜브를 연결하여 제작하였다. 실리콘튜브는 3 cm 간격으로 구멍을 내고, 살수 분포가 균등하게 되도록 튜브의 방향 및 각도를 조정한 후 제작한 프레임에 연결하고 고정하였다.
- 자원화물의 시비량에 따른 유출비를 비교하기 위해 Y시의 2년확률빈도에 해당하는 31.80 mm/hr를 고려하여 예비실험을 실시한 결과 표면유출이 충분히 일어나고, 과다한 표면침식이 발생하지 않아 실험에 사용할 강우강도는 32 mm/hr로 선정하였으며, 자원 화물은 퇴비와 액비를 사용하였다. 자원화물은 작물별 시비처방기준(농촌진흥청, 2006)에 의해 포도밭의 표준시비량을 기준으로, 반응조의 면적을 고려하여 적정 시비량을 환산하였을 때 퇴비는 2 kg, 액비는 700 mL로 산정되었고, 이를 기준으로 자원화물을 1배, 1.
이론/모형
- 자원화물은 폐기물공정시험기준(환경부, 2011)에따라 용출실험으로 실시하였다. 인공강우 및 자연강우에 따른 표면유출수와 토양침투수는 수질오염공정시험기준(환경부, 2011)에 따라 BOD, CODMn, T-N, T-P 를 분석하였으며, TOC는 TOC analyzer(TOC-VCPH, SHIMADZU, Japan)로 분석하였다.
- 자원화물은 폐기물공정시험기준(환경부, 2011)에따라 용출실험으로 실시하였다. 인공강우 및 자연강우에 따른 표면유출수와 토양침투수는 수질오염공정시험기준(환경부, 2011)에 따라 BOD, CODMn, T-N, T-P 를 분석하였으며, TOC는 TOC analyzer(TOC-VCPH, SHIMADZU, Japan)로 분석하였다.
성능/효과
- 본 연구결과 현재 자원화물에 대한 농지삭감 혹은 농지환원비가 제시되어 정책적으로 반영되고 있으나, 인공강우 및 자연강우를 통한 자원화물의 유출특성은퇴비나 액비 등 자원화물의 종류나 시비량에 따라 현격한 차이가 있음을 알 수 있었다. 따라서 자원화물의 유출거동에 대한 연구는 축산 자원화물의 종류, 성상, 시비량과 강우강도 등의 다양한 변수를 고려하여 오염물질의 항목별 유출특성에 대해 좀 더 구체적으로 진행하여 농촌지역의 하천이나 호소의 수질관리를 위한 최적 방안이 마련되어야 할 것으로 판단된다.
- 의 유출량이 증가하였고, 특히 다른 항목에 비해 T-N, TOC의 유출량 증가가 뚜렷한 것으로 제시하였다. 액비의 경우는 BOD, T-N, TOC의 경우 투입량이 증가할수록 유출량이 증가하고, 특히 CODMn의 유출량 증가가 뚜렷하게 나타났으며, T-P는 오히려 감소하는 경향으로 나타났다.
- Table 4와 같이 표면유출수 및 토양침투수의 오염 물질 농도는 강우강도가 커질수록 증가하는 것으로 나타났다. 오염물질의 항목별 유출농도를 살펴보면, 표면유출수의 T-N(mg/L)과 T-P(mg/L) 농도는 각각 32 mm/hr에서 7.72, 3.79, 41 mm/hr에서 8.55, 4.15, 48 mm/hr에서 44.45, 4.78, 53 mm/hr에서 121.51, 7.43으로 나타났다. 토양침투수의 T-N(mg/L)과 T-P(mg/L) 농도는 각각 32 mm/hr에서 63.
- 인공강우를 이용한 실험에서는 퇴비를 시비한 반응조에서는 시비량이 증가할수록 BOD와 CODMn의 유출비가 증가하였으나 큰 차이를 나타내지 않았다. 반면 T-N과 TOC항목은 시비량이 2배일 때 유출비가 뚜렷하게 증가하며, T-P는 3배일 때 유출비가 0.
- Table 6과 같이 표면유출은 초기강우 시 퇴비를 시비한 반응조는 유출이 일어나지 않았고, 액비를 시비한 반응조는 표면유출수가 미량 발생하여 분석 가능한 T-N, T-P, TOC항목의 유출비를 산정하였다. 초기 강우 후 몇 차례 미미한 강우에 의해 토양 함수율이 높아짐에 따라 표면유출수가 발생하였고, 특히 강우강도 30 mm/hr이상일 때 표면유출이 충분히 일어났다. 강우사상별 퇴비 및 액비반응조의 T-N, T-P, TOC의 표면 유출량은 Fig.
- 퇴비를 시비한 반응조에서는 강우강도 32 mm/hr 이상일 때 표면유출이 발생하였으며, 최초 표면유출이 발생하는 시간은 액비를 시비한 반응조가 더 빠르게 나타났다(Table 4). 이와 이(2009)의 연구결과에서도 강우강도 20 mm/hr에서 일부 유출은 있었으나 그 양이 극히 미량이었고 32.
- 44로 나타났다. 표면유출수 및 토양침투수는 강우강도가 48 mm/hr일 때 T-N의 유출 농도가 현저히 증가하였는데, 이는 질소가 토양에 흡수되는 능력이 높기 때문에 일정량 이상의 강우시 유출되는 것으로 사료되며, 이와 이(2009)에서도 50.3 mm/hr의 강우까지는 유출되는 양이 많지 않았으나, 57.1 mm/hr의 강우시 최대유출량을 보이는 것으로 나타났다. 한편 강우강도가 57 mm/hr일 때 표면유출수의 T-P농도가 매우 낮게 나타났는데, 이는 실험 시 인공강우에 의해 T-P가 충분히 용출되지 않았거나 표면 유출수량의 증가로 일부 희석된 효과가 나타난 것으로 판단된다(한강물환경연구소, 2005).
- 8 L로 나타나 최대 2 L의 유출유량의 차이를 보였다. 표면유출유량은 실험에 사용한 토양의 구성성분, 다짐의 유무 및 정도에 따라 차이가 날 것으로 판단되며, 토양의 조건이 같다면 표면유출량은 강우강도가 커질수록 증가할 것으로 판단된다.
- 4 mm/hr의 강우강도에서 표면최대유출량이 나타나 본 연구와 유사한 결과를 보였다. 한편 강우강도가 증가할수록 표면유출수의 유출유량이 증가하였는데, 강우강도 32, 41, 48, 53, 57 mm/hr에서 각각 2.8, 3.1, 3.5, 4.5, 4.8 L로 나타나 최대 2 L의 유출유량의 차이를 보였다. 표면유출유량은 실험에 사용한 토양의 구성성분, 다짐의 유무 및 정도에 따라 차이가 날 것으로 판단되며, 토양의 조건이 같다면 표면유출량은 강우강도가 커질수록 증가할 것으로 판단된다.
- 0532으로 크게 증가하였다. 한편 액비의 경우 BOD 및 CODMn는 시비량이 1.5배 부터 2배, 3배로 증가함에 따라 유출비가 증가하였으며, T-N은 시비량이 증가할수록 유출비가 증가하여 특히 시비량이 2배일 때부터 유출비가 0.0450로 1.5배일 때 유출비 0.0328보다 0.0122증가하였다.
후속연구
- 본 연구결과 현재 자원화물에 대한 농지삭감 혹은 농지환원비가 제시되어 정책적으로 반영되고 있으나, 인공강우 및 자연강우를 통한 자원화물의 유출특성은퇴비나 액비 등 자원화물의 종류나 시비량에 따라 현격한 차이가 있음을 알 수 있었다. 따라서 자원화물의 유출거동에 대한 연구는 축산 자원화물의 종류, 성상, 시비량과 강우강도 등의 다양한 변수를 고려하여 오염물질의 항목별 유출특성에 대해 좀 더 구체적으로 진행하여 농촌지역의 하천이나 호소의 수질관리를 위한 최적 방안이 마련되어야 할 것으로 판단된다.
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