도시화 및 산업화 등의 영향으로 인한 도시하천의 수질오염 문제가 사회적 관심의 대상이 되고 있다. 특히, 신도시의 개발로 인하여 유역 내 물순환 특성이 급격하게 변화한다는 사실을 고려할 때, 이에 영향을 받는 도시하천의 장래수질에 대해서도 많은 우려가 제기되고 있다. 그러나 아직 개발이 완료되지 않은 신도시의 장래수질을 정량적으로 예측하는 합리적인 방안은 현 시점까지도 제시되지 못하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 환경부가 장기간의 모니터링 결과에 기반하여 제시한 토지계 지목별 발생부하 원단위를 분포형 강우유출모형인 SWMM (Storm Water Management Model)에 연계 적용함으로써 장래 신도시 내 도시하천의 수질을 거시적으로 예측하는 방법론을 제시하는 한편, 현재 신도시 개발이 진행되고 있는 G 신도시 내 대상유역의 장래수질 예측을 위하여 이를 활용함으로써 그 적용성을 검증하였다. '연단위 유량가중 평균농도 (Y-EMC; Yearly based Event Mean Concentration)' 개념을 도입하여 신도시 개발 이후의 장래수질을 예측한 결과, BOD 18.7 mg/L, T-N 16.2 mg/L 및 T-P 0.85 mg/L로 산정되어 목표수질인 하천생활기준 III등급의 달성이 어려운 것으로 나타났으며, 생활계 배출부하량을 80% 이상 저감시켰을 때 이 기준을 만족할 수 있는 것으로 예측되었다. 본 연구의 결과는 신도시 개발에 따른 장래 토지이용 특성의 변화에 대응하여 도시하천의 수질을 효율적으로 예측 관리하기 위한 기초적인 방법론으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
도시화 및 산업화 등의 영향으로 인한 도시하천의 수질오염 문제가 사회적 관심의 대상이 되고 있다. 특히, 신도시의 개발로 인하여 유역 내 물순환 특성이 급격하게 변화한다는 사실을 고려할 때, 이에 영향을 받는 도시하천의 장래수질에 대해서도 많은 우려가 제기되고 있다. 그러나 아직 개발이 완료되지 않은 신도시의 장래수질을 정량적으로 예측하는 합리적인 방안은 현 시점까지도 제시되지 못하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 환경부가 장기간의 모니터링 결과에 기반하여 제시한 토지계 지목별 발생부하 원단위를 분포형 강우유출모형인 SWMM (Storm Water Management Model)에 연계 적용함으로써 장래 신도시 내 도시하천의 수질을 거시적으로 예측하는 방법론을 제시하는 한편, 현재 신도시 개발이 진행되고 있는 G 신도시 내 대상유역의 장래수질 예측을 위하여 이를 활용함으로써 그 적용성을 검증하였다. '연단위 유량가중 평균농도 (Y-EMC; Yearly based Event Mean Concentration)' 개념을 도입하여 신도시 개발 이후의 장래수질을 예측한 결과, BOD 18.7 mg/L, T-N 16.2 mg/L 및 T-P 0.85 mg/L로 산정되어 목표수질인 하천생활기준 III등급의 달성이 어려운 것으로 나타났으며, 생활계 배출부하량을 80% 이상 저감시켰을 때 이 기준을 만족할 수 있는 것으로 예측되었다. 본 연구의 결과는 신도시 개발에 따른 장래 토지이용 특성의 변화에 대응하여 도시하천의 수질을 효율적으로 예측 관리하기 위한 기초적인 방법론으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
Water pollution problems of urban rivers due to the urbanization and industrialization have been the subject of public attention. In particular, considering the fact that the characteristics of water cycle of each basin change dramatically through the development of new towns, a large number of conc...
Water pollution problems of urban rivers due to the urbanization and industrialization have been the subject of public attention. In particular, considering the fact that the characteristics of water cycle of each basin change dramatically through the development of new towns, a large number of concerns about future water quality have been raised. However, reasonable measures to predict future water quality quantitatively have not been presented by this moment. In this study, by the linkage of annual unit load generation based on long-term monitoring results of the ministry of environment (MOE) to a semi-distributed rainfall runoff model, SWMM (Storm Water Management Model), we proposed a new methodology to estimate future water quality macroscopically and testified it to verify its applicability for the estimation of future water quality of a small watershed at G new town. As a result of the estimation using Y-EMC (Yearly based Event Mean Concentration), future water quality were simulated as BOD 18.7, T-N 16.1 and T-P 0.85 mg/L respectively which could not achieve the grade III of domestic river life guidance and these criteria could be satisfied by the reduction of domestic wastewater discharge load by over 80%. The results of this study are shown to be utilized for one of basic tools to estimate and manage water quality of urban rivers in the course of new town developments.
Water pollution problems of urban rivers due to the urbanization and industrialization have been the subject of public attention. In particular, considering the fact that the characteristics of water cycle of each basin change dramatically through the development of new towns, a large number of concerns about future water quality have been raised. However, reasonable measures to predict future water quality quantitatively have not been presented by this moment. In this study, by the linkage of annual unit load generation based on long-term monitoring results of the ministry of environment (MOE) to a semi-distributed rainfall runoff model, SWMM (Storm Water Management Model), we proposed a new methodology to estimate future water quality macroscopically and testified it to verify its applicability for the estimation of future water quality of a small watershed at G new town. As a result of the estimation using Y-EMC (Yearly based Event Mean Concentration), future water quality were simulated as BOD 18.7, T-N 16.1 and T-P 0.85 mg/L respectively which could not achieve the grade III of domestic river life guidance and these criteria could be satisfied by the reduction of domestic wastewater discharge load by over 80%. The results of this study are shown to be utilized for one of basic tools to estimate and manage water quality of urban rivers in the course of new town developments.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본 연구에서는 국내 실정을 반영하는 신뢰성 높은 파라미터를 산정하기 위하여 ‘수계오염총량관리기술지침’2) 상의 토지계 지목별 발생부하 원단위를 활용하여 토지이용 특성별 비점오염 발생부하량을 분석하였다.
따라서, 본 연구에서는 신도시 조성 이후 장래에 예상되는 수질변화를 예측하는 거시적/정량적 방법론을 제안하고자 하였다. 준분포형 강우유출모형인 SWMM (Storm Water Management Model)을 활용하였으며, 오염부하량 모형의 핵심적 파라미터들은 환경부(MOE; Ministry of Environment)에서 제시한 토지계 지목별 발생부하 원단위를 활용하여 국내의 실정에 적합하도록 도출하였고, 1년간의 시강우 자료를 입력함으로써 대상유역의 장래수질을 ‘연단위 유량가중 평균농도(Y-EMC; Yearly based Event Mean Concentration)’의 개념을 도입하여 예측하고자 하였다.
본 연구에서는 Y-EMC를 활용하여 신도시 개발 후 도시하천의 장래수질을 예측하는 방법의 적용성을 검증하기 위하여 현재 신도시로 개발 중인 G 신도시의 일부 유역을 대상유역으로 선정하여 모의를 수행하고, 장래수질을 예측하였다.
본 연구에서는 신도시 개발 과정에서 토지이용 특성의 변화에 기인하는 도시하천의 장래수질을 예측하기 위하여, 환경부에서 제시하고 있는 토지계 지목별 발생부하 원단위를 준분포형 강우유출모형인 SWMM에 연계·적용함으로써 거시적으로 장래수질을 예측하는 방법론을 제시하였다.
본 연구에서는 신뢰성을 높이기 위하여 환경부가 제시하고 있는 토지계 지목별 발생부하 원단위를 준분 포형 강우유출모형인 SWMM에 연계·적용하는 방법론을 제시하였다.
본 연구에서는 장래수질의 오염도를 정량적으로 나타내는 지표의 하나로서 유량가중평균농도(EMC)를 개량한 ‘연단위 유량가중평균농도(Y-EMC; Yearly based Event Mean Concentration)’를 제안하고, 이를 활용하여 신도시 내 도시하천의 장래수질을 거시적으로 예측하는 방법론을 제시하였다.
또한 그 적용성을 검증하기 위하여 현재 신도시 개발이 진행되고 있는 G 신도시를 선정하여 개발 전 · 후 토지이용 특성 변화에 따른 장래수질을 예측하였다. 생물화학적산소요구량(BOD; Biochemical Oxygen Demand), 총질소(T-N; Total Nitrogen) 및 총인(T-P; Total Phosphorus)에 대하여 장래수질에 대한 정량적 모의와 해석을 실시함으로써 효율적인 하천관리를 위하여 중요한 참고자료를 제시하고자 하였다.
가설 설정
불투수지역이 유역의 대부분을 차지하는 도시에서는 지표면 유출이 지배적인 반면, 전원유역에서는 지표면 유출과 함께 넓은 투수유역에 의한 지하수 유출에 대한 고려도 필요하다.1) 이처럼 유출특성은 유역의 토지이용 특성에 따라 많은 영향을 받는다. 우리나라에서는 1970년대 이후, 도시화 및 산업화의 영향으로 토지이용이 고도화되었고, 불투수면적률이 증가함에 따라 유역이 가지고 있던 원래의 물순환 과정이 크게 왜곡됨으로써2) 갈수기 하천유량을 감소시켜 하천의 건천화 및 수질오염 증가 등의 문제를 초래하는 원인이 되었다.
개발 후 토지계 및 생활계 배출부하량의 산정 방법도 위와 동일하다. 이 때, 본 연구에서는 신도시 개발 전과 개발 후에 걸쳐 생활계 배출부하량이 동일한 것으로 단순 가정하였다. 본 대상유역에서의 생활계 배출부하량은 상류부 관거의 추가 정비 여부 및 신도시 개발 후의 관거 상태 등에 따라 달라질 것으로 예측됨에도 불구하고, 이와 같은 가정을 통하여 신도시 개발 과정에서 토지계 및 생활계 오염부하를 구분하여 접근할 수 있을 뿐만 아니라 개발 이후 생활계 배출부하량을 어느 수준까지 저감하여야 하는지에 대한 추가적인 논의가 가능해지는 장점이 크다는 점을 고려하였다.
제안 방법
총 배출부하량은 대상유역의 지구계 말단부에서 2012년 11월 및 2013년 3월에 수행된 두 번의 실측조사 결과를 활용 하여 산출하였다(Table 6). SWMM 모의시 표면유출 모형, 관내수리 모형 및 오염부하량 모형의 계산간격(time-step)이 오염부하 물질수지의 정확성에 큰 영향을 끼치는데, 본 모의에서는 무강우시(dry time-step), 강우시(wet time-step) 및 결과 전송시(routing time-step)의 계산간격을 각각 5분, 5분 및 10초로 설정하였다.
먼저, SWMM 모의를 통하여 개발 전의 발생부하량을 산정하고, 대상유역 말단의 유출구에서 모의한 배출부하량에 유달률을 반영하여 개발 전의 토지계 배출부하량을 산출하였다. 그 다음 현장조사를 통하여 실측한 총 배출부하량에서 토지계 배출부하량을 차감하여 개발 전의 생활계 배출부하량을 산정하였다. 개발 후 토지계 및 생활계 배출부하량의 산정 방법도 위와 동일하다.
따라서 본 연구에서 Qfact(2)는 ‘낙동강 비점오염원 관리방안 마련을 위한 조사사업 보고서’13)에서 제안하는 값을 차용하고, Qfact(1)에 대해서만 시행착오법을 활용한 SWMM 모의를 통해 값을 산정하였다.
유달률은 매우 다양한 요인에 의해 영향을 받기 때문에 단위 소유역별로 오염물질별 유달률을 정확하게 산정하는 것은 사실상 불가능하다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 현장조사를 통하여 실측한 토지계 배출부하량을 SWMM으로 모의한 토지계 발생부하량으로 나누어 유달률을 산정하였고, 이를 본 연구의 대상유역에도 확대하여 적용함으로써 장래수질의 예측 과정에 반영하였다. 토지계 배출부하량은 G 신도시 내에 위치하는 생활계 오염원의 유입이 없는 별도의 소유역을 선정하여 실측하였다.
또한 그 적용성을 검증하기 위하여 현재 신도시 개발이 진행되고 있는 G 신도시를 선정하여 개발 전 · 후 토지이용 특성 변화에 따른 장래수질을 예측하였다.
이 때, 연간 누적 오염부하량은 SWMM 모의 결과로부터 일단위의 오염물질별 평균수질과 유출유량을 각각 산출하고, 이를 곱하여 일단위 오염부하량을 산정한 다음 365일에 걸쳐 합산하여 산정하였다. 또한 연간 누적 유출유량은 일단위 유출유량을 합산하여 산정하였다. 여기에서, 일반적으로 도시 하천의 수질 모니터링이 무강우시에 실시될 뿐만 아니라 강우시 유출되는 토지계 오염물질 부하가 무강우시의 부하에 비해 크다는 점을 고려할 때, 본 연구에서 제안하고 있는 Y-EMC 또한 무강우시의 수질 모니터링 결과에 비해 높게 산정될 개연성이 있다는 사실에 충분한 주의가 필요하다.
본 연구에서는 신도시 개발 과정에서 토지이용 특성의 변화에 기인하는 도시하천의 장래수질을 예측하기 위하여, 환경부에서 제시하고 있는 토지계 지목별 발생부하 원단위를 준분포형 강우유출모형인 SWMM에 연계·적용함으로써 거시적으로 장래수질을 예측하는 방법론을 제시하였다. 또한, 이 방법론을 현재 신도시 개발이 진행되고 있는 G 신도시의 대상유역에 활용함으로써 그 적용성을 검증하였다. 주요한 연구결과는 다음과 같다.
구체적인 산정 과정에 대해서 상술하면 다음과 같다. 먼저, SWMM 모의를 통하여 개발 전의 발생부하량을 산정하고, 대상유역 말단의 유출구에서 모의한 배출부하량에 유달률을 반영하여 개발 전의 토지계 배출부하량을 산출하였다. 그 다음 현장조사를 통하여 실측한 총 배출부하량에서 토지계 배출부하량을 차감하여 개발 전의 생활계 배출부하량을 산정하였다.
본 연구에서는 생활계 및 토지계 배출부하량의 산정 결과를 바탕으로 장래수질의 거시적/총량적 지표로서 연단위 유량가중평균 농도(Y-EMC; Yearly based Event Mean Concentration)를 예측하였다. 일반적으로 유량가중평균농도(EMC)는 단위 강우사상에 대한 누적 오염부하량을 누적 유출유량으로 나누어 산정하며, 비점오염부하를 나타내는 대표 농도의 하나로 활용되고 있다.
생활계 및 토지계 배출부하량 산정 결과를 바탕으로 거시적/총량적 지표로서 장래수질을 대표할 수 있는 Y-EMC를 산정함으로써 신도시 개발 이후의 장래수질을 평가하였다. Table 7에서 산정한 개발 후 도시하천의 총 배출부하량(생활계 및 토지계 배출부하량의 합)을 SWMM으로 모의한 연간 누적 유출유량으로 나누어 Y-EMC를 산정한 결과는 Table 8 및 Fig.
이를 위하여 NJ유역을 토지이용 특성별로 구분한 다음, 각각에 대하여 환경부에서 제시한 발생부하 원단위와 1% 이내의 오차로 근사하도록 Qfact(1)을 수렴시킨 후, 이를 활용하여 후속의 모의를 수행하였다. 신도시 개발 전의 토지이용에 대하여 환경부 지목 중 임야 및 대지를 적용하는 한편 각 토지이용별로 불투수면적률을 추가로 세부 조정하였다. 유사하게 신도시 개발 후에는 공원, 주거지, 상업지, 도시지원시설, 학교, 공공청사 및 의료시설 등에 대하여 환경부 지목 중 대지를 적용하는 한편 토지이용 특성에 따라 불투수면적률을 세부 조정하였다.
오염물질 유출 파라미터는 매우 다양한 요인에 의해 영향을 받기 때문에 단기간에 국한된 현장조사만으로는 결과의 신뢰성이 떨어지는 경향이 크므로, 비점오염원 관리방안을 제시하기 위한 조사연구의 일환으로 수행된 ‘낙동강 비점오염원 관리 방안 마련을 위한 조사사업 보고서’13)의 결과값을 차용하여 활용하였다.
이는 대상유역으로부터 유출되는 1년간의 누적 오염부하량을 누적 유출유량으로 나눈 값으로서 도시하천의 장래수질에 대한 거시적 지표의 하나로 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 이 때, 연간 누적 오염부하량은 SWMM 모의 결과로부터 일단위의 오염물질별 평균수질과 유출유량을 각각 산출하고, 이를 곱하여 일단위 오염부하량을 산정한 다음 365일에 걸쳐 합산하여 산정하였다. 또한 연간 누적 유출유량은 일단위 유출유량을 합산하여 산정하였다.
따라서 본 연구에서 Qfact(2)는 ‘낙동강 비점오염원 관리방안 마련을 위한 조사사업 보고서’13)에서 제안하는 값을 차용하고, Qfact(1)에 대해서만 시행착오법을 활용한 SWMM 모의를 통해 값을 산정하였다. 이를 위하여 NJ유역을 토지이용 특성별로 구분한 다음, 각각에 대하여 환경부에서 제시한 발생부하 원단위와 1% 이내의 오차로 근사하도록 Qfact(1)을 수렴시킨 후, 이를 활용하여 후속의 모의를 수행하였다. 신도시 개발 전의 토지이용에 대하여 환경부 지목 중 임야 및 대지를 적용하는 한편 각 토지이용별로 불투수면적률을 추가로 세부 조정하였다.
준분포형 강우유출모형인 SWMM (Storm Water Management Model)을 활용하였으며, 오염부하량 모형의 핵심적 파라미터들은 환경부(MOE; Ministry of Environment)에서 제시한 토지계 지목별 발생부하 원단위를 활용하여 국내의 실정에 적합하도록 도출하였고, 1년간의 시강우 자료를 입력함으로써 대상유역의 장래수질을 ‘연단위 유량가중 평균농도(Y-EMC; Yearly based Event Mean Concentration)’의 개념을 도입하여 예측하고자 하였다.
토지이용 특성에 따른 토지계 발생부하량은 SWMM 모의를 통하여 산출하고, 토지계 배출부하량은 대상유역 말단의 유출구(outfall)에서 모의한 배출부하량에 유달률을 곱하여 산정하였으며, 생활계 배출부하량은 현장조사를 통하여 실측한 총 배출부하량에서 토지계 배출부하량을 차감하여 산정하였다. 총 배출부하량은 대상유역의 지구계 말단부에서 2012년 11월 및 2013년 3월에 수행된 두 번의 실측조사 결과를 활용 하여 산출하였다(Table 6). SWMM 모의시 표면유출 모형, 관내수리 모형 및 오염부하량 모형의 계산간격(time-step)이 오염부하 물질수지의 정확성에 큰 영향을 끼치는데, 본 모의에서는 무강우시(dry time-step), 강우시(wet time-step) 및 결과 전송시(routing time-step)의 계산간격을 각각 5분, 5분 및 10초로 설정하였다.
대상유역인 NJ 수계의 장래수질 예측을 위하여 실측 조사한 신도시 개발 전의 총 배출부하량, SWMM 모의를 통하여 산정한 토지계 발생부하량 및 배출부하량과 생활계 배출부하량을 Table 7에 나타내었다. 토지계 배출부하량은 유출구에서 모의된 토지계 배출부하량에 유달률을 곱하여 산정하였다. 또한 유사한 절차에 의한 신도시 개발 후의 토지계 발생부하량 및 배출부하량과 생활계 배출부하량의 산정 결과 또한 Table 7에 함께 나타내었다.
대상유역의 하천 수질에 영향을 미치는 오염원은 생활계 및 토지계로 구분할 수 있는 것으로 나타났다. 토지이용 특성에 따른 토지계 발생부하량은 SWMM 모의를 통하여 산출하고, 토지계 배출부하량은 대상유역 말단의 유출구(outfall)에서 모의한 배출부하량에 유달률을 곱하여 산정하였으며, 생활계 배출부하량은 현장조사를 통하여 실측한 총 배출부하량에서 토지계 배출부하량을 차감하여 산정하였다. 총 배출부하량은 대상유역의 지구계 말단부에서 2012년 11월 및 2013년 3월에 수행된 두 번의 실측조사 결과를 활용 하여 산출하였다(Table 6).
대상 데이터
SWMM 모의를 위한 강우 데이터로는 대상유역에서 가장 근접한 I 기상대의 자료를 활용하였다. 기상대의 10년간(2001~2010)의 강우자료를 분석하여 당해연도 연평균 강우량이 10년 평균 강우량(1,306.
SWMM 모의를 위한 강우 데이터로는 대상유역에서 가장 근접한 I 기상대의 자료를 활용하였다. 기상대의 10년간(2001~2010)의 강우자료를 분석하여 당해연도 연평균 강우량이 10년 평균 강우량(1,306.1 mm)과 가장 근접한 강우년도의 자료를 대표 모의 강우자료로 선정하였다. 위와 같은 절차에 따라 2004년의 전체 강우사상(연간 누적강우량: 1,307.
본 연구의 대상유역으로 현재 개발이 진행되고 있는 G 신도시(총 개발면적: 1,118 ha)의 일부 유역(NJ 유역)을 선정하였다. NJ 유역의 면적은 총 337.
1 mm)과 가장 근접한 강우년도의 자료를 대표 모의 강우자료로 선정하였다. 위와 같은 절차에 따라 2004년의 전체 강우사상(연간 누적강우량: 1,307.5 mm)에 대한 시강우 자료를 확보하여 모의에 활용하였다. 2004년도의 강우사상을 본 연구에서 현장조사가 실시된 시기(2012년 11월~2013년 3월)와 비교해본 결과, 유사한 전형적인 갈수기의 강우 패턴을 나타냄으로써 대표 모의 강우자료로 활용하는데 충분한 타당성이 확보된 것으로 판단하였다.
따라서 본 연구에서는 현장조사를 통하여 실측한 토지계 배출부하량을 SWMM으로 모의한 토지계 발생부하량으로 나누어 유달률을 산정하였고, 이를 본 연구의 대상유역에도 확대하여 적용함으로써 장래수질의 예측 과정에 반영하였다. 토지계 배출부하량은 G 신도시 내에 위치하는 생활계 오염원의 유입이 없는 별도의 소유역을 선정하여 실측하였다.
이론/모형
따라서 본 연구에서는 국내 실정을 반영하는 신뢰성 높은 파라미터를 산정하기 위하여 ‘수계오염총량관리기술지침’2) 상의 토지계 지목별 발생부하 원단위를 활용하여 토지이용 특성별 비점오염 발생부하량을 분석하였다. SWMM의 오염물질축적 모형에서 이를 반영할 수 있는 식으로는 Power 식, Exponential 식, Michaelis-Menten 식 등이 있는데, 본 모의에서는 비선형의 점근식 형태를 갖고 있으며 Sartor11,12)에 의해 제안된 이래 분포형 및 준분포형 강우유출모형에서 가장 자주 쓰이고 있는 다음과 같은 Exponential 식을 활용하였다.
성능/효과
5 mm)에 대한 시강우 자료를 확보하여 모의에 활용하였다. 2004년도의 강우사상을 본 연구에서 현장조사가 실시된 시기(2012년 11월~2013년 3월)와 비교해본 결과, 유사한 전형적인 갈수기의 강우 패턴을 나타냄으로써 대표 모의 강우자료로 활용하는데 충분한 타당성이 확보된 것으로 판단하였다. Fig.
3) 본 연구에서 제시한 도시하천의 장래수질 예측 방법론을 검증하기 위하여 현재 개발 중인 G 신도시의 대상유역에 적용한 결과, 총 배출부하량에서 생활계 배출부하량이 차지하는 비율이 BOD 91%, T-N 85% 및 T-P 96%로 나타남으로써, 장래수질의 적정한 관리를 위해서는 생활계 오염원의 유입을 제어하는 데 중점을 두어야 하는 것으로 모의 되었다.
4) G 신도시 NJ 수계의 경우, 생활계 및 토지계 배출부하량을 바탕으로 Y-EMC를 산정하여 대상유역의 장래수질을 예측한 결과, 개발 후 BOD 및 T-P가 목표로 하고 있는 하천 생활환경기준 III등급 수준을 만족하지 못하는 것으로 나타나 한층 강화된 하천 수질관리가 도모되어야 할 것으로 판단된다.
9) SWMM은 크게 강우손실 모형, 표면유출 모형, 관내수리 모형 및 오염부 하량 모형으로 구성된다. 강우손실 모형은 표면저류, 침투 및 증발산에 의한 강우의 손실에 대하여 모형을 구축하고, 지표면에서 유출되는 유효강우를 산정한다.
신도시 개발 전의 오염부하 중 생활계 배출부하량이 차지하는 비율은 BOD 92%, T-N 87% 및 T-P 97%로서 총 배출부하량에서 생활계 배출부하량이 차지하는 비율이 매우 큰 것으로 나타났다. Fig. 4에 도시한 바와 같이, 신도시 개발 과정에서 생활계 배출부하량의 저감이 없을 경우를 가정하였을 때 오염부하 중에서 생활계 배출부하량이 차지하는 비율은 BOD 91%, T-N 85% 및 T-P 96%로 여전히 매우 높은 것으로 나타나 신도시의 개발 과정에서 생활계 배출부하량의 저감이 시급한 것으로 분석되었다. 대상유역인 G 신도시의 상류지역은 최근 분류식 하수도로 정비되었음에도 불구하고 일부 정비가 미비한 관거로부터 생활하수가 지속적으로 유입되고 있어서 이에 대한 대책을 마련하는 것이 향후 신도시 내 도시하천의 수질을 관리하는 데 매우 중요한 것으로 나타났다.
각 오염물질별 유달률은 BOD 0.055, T-N 0.474 및 T-P 0.045로 도출되었으며, 이 결과를 본 연구의 대상유역에도 동일하게 확대·적용하였다.
5와 같다. 개발 후 NJ 수계의 BOD는 18.7 mg/L, T-N 16.1 mg/L 및 T-P 0.85 mg/L로 예측되어, 개발 전에 현장조사를 통하여 실측한 BOD 평균 8.7 mg/L, T-N 평균 7.4 mg/L 및 T-P 평균 0.42 mg/L에 비하여 현저하게 수질이 악화되는 것으로 나타났다. BOD 및 T-P의 경우 하천 생활환경기준 III등급(BOD 5 mg/L, T-P 0.
대상유역의 하천 수질에 영향을 미치는 오염원은 생활계 및 토지계로 구분할 수 있는 것으로 나타났다. 토지이용 특성에 따른 토지계 발생부하량은 SWMM 모의를 통하여 산출하고, 토지계 배출부하량은 대상유역 말단의 유출구(outfall)에서 모의한 배출부하량에 유달률을 곱하여 산정하였으며, 생활계 배출부하량은 현장조사를 통하여 실측한 총 배출부하량에서 토지계 배출부하량을 차감하여 산정하였다.
4에 도시한 바와 같이, 신도시 개발 과정에서 생활계 배출부하량의 저감이 없을 경우를 가정하였을 때 오염부하 중에서 생활계 배출부하량이 차지하는 비율은 BOD 91%, T-N 85% 및 T-P 96%로 여전히 매우 높은 것으로 나타나 신도시의 개발 과정에서 생활계 배출부하량의 저감이 시급한 것으로 분석되었다. 대상유역인 G 신도시의 상류지역은 최근 분류식 하수도로 정비되었음에도 불구하고 일부 정비가 미비한 관거로부터 생활하수가 지속적으로 유입되고 있어서 이에 대한 대책을 마련하는 것이 향후 신도시 내 도시하천의 수질을 관리하는 데 매우 중요한 것으로 나타났다.
045로 도출되었으며, 이 결과를 본 연구의 대상유역에도 동일하게 확대·적용하였다. 본 연구에서 산정된 유달률을 선행 연구결과와 비교해본 결과, 전라남도의 지석천을 대상으로 한 보고에서는 BOD 0.09, T-N 0.22 및 T-P 0.04로 나타나 T-N은 다소 낮으나 대체로 본 연구결과와 유사한 범위의 값을 나타내었고,16) 소양호 유역에 분포하고 있는 4개의 하천을 대상으로 한 보고의 경우, BOD 0.06~0.14, T-N 0.23~0.30, T-P 0.01~0.03으로서 T-N 및 T-P가 본 연구결과보다 다소 낮은 수치를 나타내었다.17) 이는 본 연구의 대상유역 주변에 공업지와 도로가 산재하고 있어 이에 기인하는 T-N 및 T-P 등 영양염류의 축적 및 유출이 위에서 인용한 기존연구에 비해 우심하기 때문인 것으로 판단된다.
또한 유사한 절차에 의한 신도시 개발 후의 토지계 발생부하량 및 배출부하량과 생활계 배출부하량의 산정 결과 또한 Table 7에 함께 나타내었다. 산정 결과, 신도시 개발에 따른 토지계 배출부하량은 BOD 22%, T-N 18% 및 T-P 25%의 소폭의 증가에 그치는 것으로 나타났다. 이는 신도시 개발 전에도 대상유역에서 공업지(46.
이상에서 살펴본 바와 같이 신도시 내 도시하천의 장래수질을 개선하기 위한 추가적인 대책마련이 필수적인 것으로 판단됨에 따라, 총 배출부하량의 90% 전후의 비율을 차지하고 있는 생활계 배출부하량을 추가로 저감시켰을 경우에 대하여 장래수질을 예측한 결과는 Table 9와 같다. 생활계 배출부하량을 80%까지 저감시켰을 때, BOD 5.2 mg/L, T-N 5.2 mg/L 및 T-P 0.20 mg/L로 예측되어 대체로 하천 생활환경 기준 III등급을 만족할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서, 신도시 개발과정에서 하수관거의 정비를 통하여 생활계 배출부하량을 저감하는 한편, 비점오염 저감시설 및 저영향개발(LID; Low Impact Development) 기법을 도입함으로써 토지계 배출부하량의 추가적인 저감을 도모할 경우 하천 생활환경기준 III등급 수준의 수질을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
5%) 의 비율이 높아 신도시 개발에 따른 불투수면적률의 추가적인 증가가 크지 않은 유역이라는 특징에 기인하는 것으로 판단된다. 신도시 개발 전의 오염부하 중 생활계 배출부하량이 차지하는 비율은 BOD 92%, T-N 87% 및 T-P 97%로서 총 배출부하량에서 생활계 배출부하량이 차지하는 비율이 매우 큰 것으로 나타났다. Fig.
이 때, ‘대지(land)’가 나머지 토지이용에 대한 오염물질 축적한 계량(Qfact(1))보다 큰 수치를 나타내어 도시 개발 후에는 대지로 구분 가능한 토지이용에 따른 불투수면적률의 증가가 오염부하량 상승에 크게 기여하는 것으로 나타났다.
후속연구
2) 신도시 개발 후의 장래수질을 예측하기 위해서는 실측 조사와 모의를 상호 보완적으로 병행하여 대상유역의 토지계 발생부하량 및 배출부하량을 합리적으로 산정하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 신뢰성을 높이기 위하여 환경부가 제시하고 있는 토지계 지목별 발생부하 원단위를 준분 포형 강우유출모형인 SWMM에 연계·적용하는 방법론을 제시하였다.
5) 본 연구에서 제시한 도시하천의 장래수질 예측 방법론을 통하여 추후 신도시 개발 시 토지이용 특성의 변화에 대응하여 수계 내 오염물질의 유출을 효율적으로 관리하는 한편, 도시하천의 적절한 수질관리 방안을 마련하는데 필요한 기초적인 정보를 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구의 대상유역으로 현재 개발이 진행되고 있는 G 신도시(총 개발면적: 1,118 ha)의 일부 유역(NJ 유역)을 선정하였다. NJ 유역의 면적은 총 337.1 ha로서 개발 전 현재에는 공업지와 산지가 대부분을 차지하고 있으나, 개발 후에는 일반적인 신도시의 모습과 비슷한 형태로서 공원, 주거지, 상업지, 도시지원시설, 학교, 공공청사 및 의료시설 등으로 개발될 예정인 것으로 확인되었다. Table 1, 2 및 Fig.
20 mg/L로 예측되어 대체로 하천 생활환경 기준 III등급을 만족할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서, 신도시 개발과정에서 하수관거의 정비를 통하여 생활계 배출부하량을 저감하는 한편, 비점오염 저감시설 및 저영향개발(LID; Low Impact Development) 기법을 도입함으로써 토지계 배출부하량의 추가적인 저감을 도모할 경우 하천 생활환경기준 III등급 수준의 수질을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
또한 연간 누적 유출유량은 일단위 유출유량을 합산하여 산정하였다. 여기에서, 일반적으로 도시 하천의 수질 모니터링이 무강우시에 실시될 뿐만 아니라 강우시 유출되는 토지계 오염물질 부하가 무강우시의 부하에 비해 크다는 점을 고려할 때, 본 연구에서 제안하고 있는 Y-EMC 또한 무강우시의 수질 모니터링 결과에 비해 높게 산정될 개연성이 있다는 사실에 충분한 주의가 필요하다.
15) 그러나 본 모의에서는 연간 강우사상 전체를 대상으로 모의를 실시하고 있으므로 아래의 식 (4)와 같이 Y-EMC를 새롭게 재정의하여 활용하였다. 이는 대상유역으로부터 유출되는 1년간의 누적 오염부하량을 누적 유출유량으로 나눈 값으로서 도시하천의 장래수질에 대한 거시적 지표의 하나로 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 이 때, 연간 누적 오염부하량은 SWMM 모의 결과로부터 일단위의 오염물질별 평균수질과 유출유량을 각각 산출하고, 이를 곱하여 일단위 오염부하량을 산정한 다음 365일에 걸쳐 합산하여 산정하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유출특성은 어디에 영향을 받는가?
불투수지역이 유역의 대부분을 차지하는 도시에서는 지표면 유출이 지배적인 반면, 전원유역에서는 지표면 유출과 함께 넓은 투수유역에 의한 지하수 유출에 대한 고려도 필요하다. 1) 이처럼 유출특성은 유역의 토지이용 특성에 따라 많은 영향을 받는다. 우리나라에서는 1970년대 이후, 도시화 및 산업화의 영향으로 토지이용이 고도화 되었고, 불투수면적률이 증가함에 따라 유역이 가지고 있던 원래의 물순환 과정이 크게 왜곡됨으로써 2) 갈수기 하천유량을 감소시켜 하천의 건천화 및 수질오염 증가 등의 문제를 초래하는 원인이 되었다.
거시적으로 장래수질을 예측하는 방법론은 무엇인가?
1) 신도시 개발에 따른 도시하천의 장래수질을 예측하는 체계적 방법론이 부재하여 수질관리의 목표를 설정하고, 이에 부합하는 수질관리기법을 도입하는데 많은 어려움이 따르는 실정이다. 본 연구에서는 장래수질의 오염도를 정량적으로 나타내는 지표의 하나로서 유량가중평균농도(EMC)를 개량한 ‘연단위 유량가중평균농도(Y-EMC; Yearly based Event Mean Concentration)’를 제안하고, 이를 활용하여 신도시 내 도시하천의 장래수질을 거시적으로 예측하는 방법론을 제시하였다.
2) 신도시 개발 후의 장래수질을 예측하기 위해서는 실측 조사와 모의를 상호 보완적으로 병행하여 대상유역의 토지계 발생부하량 및 배출부하량을 합리적으로 산정하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 신뢰성을 높이기 위하여 환경부가 제시하고 있는 토지계 지목별 발생부하 원단위를 준분 포형 강우유출모형인 SWMM에 연계․적용하는 방법론을 제시하였다.
강우손실 모형이란?
9) SWMM은 크게 강우손실 모형, 표면유출 모형, 관내수리 모형 및 오염부 하량 모형으로 구성된다. 강우손실 모형은 표면저류, 침투 및 증발산에 의한 강우의 손실에 대하여 모형을 구축하고, 지표면에서 유출되는 유효강우를 산정한다. 표면유출 모형은 유효강우가 지표면을 흘러가는 과정을 운동역학적으로 계산하여 노드의 유입량을 산정한다.
참고문헌 (17)
Kang, T. W. and Lee, S. H., "A study for a reasonable application of the SWMM to watershed runoff event simulation," J. Kor. Soc. Hazard. Mitigat., 12(6), 247-258(2012).
Ministry of Environment (MOE), Korea Environment Corporation, "A study on the introduction of permeability area ratio for efficient watershed management," pp. 1-4(2012).
Lee, J. M., Hyun, G. H., Lee, Y. S., Kim, J. G., Park, Y. B. and Choi, J. S., "Analysis of water cycle effect by plan of LID-decentralized rainwater management using SWMM-LID model in a low-carbon green village," LHI journal of land, housing, and urban affairs(2011).
Lee, B. L., "Water quality prediction of Sincheon using QUAL2E model," Master's degree thesis of Keimyung University, pp. 9-12(2001).
Jung, N. I., "Analysis and prediction of water quality variation in flow line of Gwangju stream," Master's degree thesis of Chonnam National University, pp. 10-18(2007).
Kim, M. G., "Study on pollutant discharge characterization of non-point sources distributed around commercial and recreational sites in urban area using SWMM," Master's degree thesis of Dongsin University, pp. 1-2(2009).
Jung, I. K., Park, J. Y., Joh, H. K., Lee, J. W., Kim, S. J., "Development of stream width and bed-slope estimation equations for preparing data for distributed storm runoff model," J. Kor. Soc. Agric. Eng., 52(4), 1-10(2010).
Park, J. Y., Lim, H. M., Lee, H. I., Yoon, Y. H. and Kim, W. J., "Water balance and pollutant load analyses according to LID techniques for a town development," J. Kor. Soc. Environ. Eng., 35(11), (2013).
Rossman, L. A., "Storm water management model user's manual, version 5.0," EPA/600/R-05/040, United States Environmental Protection Agency (EPA), pp. 1-140(2005).
Korea Institute of Construction Technology (KICT), "Application manual of rainfall runoff model at a small suburban area; focused on distributed rainfall runoff models," Technical Reports of Ecoriver21 Project(2011).
Sartor, J. P. and Boyd, G. B., "Water pollution aspects of street surface contaminants," United States Environmental Protection Agency(EPA), EPA-R2-72-081(1972).
Mahbub, P., Goonetilleke, A. and Ayoko, G. A., "Prediction model of the buildup of volatile organic compounds on urban roads," Environ. Sci. Technol., 45, 4453-4459(2011).
Ministry of Environment (MOE), "Research reports for management of nonpoint source of Nakdong river basin," pp. 334-352(2003).
Park, S. J., "Forecasting of water quality and analysis on pollution load delivery characteristics of Soyang lake basin," Ph. D. Dissertation of Kangwon National University, pp. 76-94(2011).
Bae, S. H., "Characterization of non-point pollutant runoff using a distributed model at a small rural area," Master's degree thesis of University of Science and Technology, pp. 30-44(2010).
Song, D. W., "A study on estimation the permissible amount of the pollution load for the protection of the water quality of the Yongsan river," Master's degree thesis of Chonnam National University, pp. 1-5(2004).
Park, S. J., Choi, H. K., Baek, K. W. and Han, Y. S., "Estimation of contribution rate and pollution load delivery rate of Soyang lake basin," Journal of Korean Water Resource Association, pp. 199-203(2011).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.