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문제 정의
- 각각의 조사지점은 배수구역의 대부분이 불투수면(콘크리트 및 아스팔트)으로 구성되어있어 다양한 토지피복지역에 비해 강우유출수가 비교적 쉽게 발생된다. 강우 시 외부로부터 유입이 없어 해당 토지피복의 유출특성을 독립적으로 조사할 수 있는 지점을 선정하였다. 조사대상 단독주택지역 및 아파트지역은 관내 하수관거 정비를한 지역으로서 하수 및 우수가 분류되어 배출되는 대상지역을 선정하였으며, 조사지점에 우수가 유출되어 남강으로 배출되기 전 맨홀에 조사지점을 선정하였다.
- 따라서 수역의 수질을 적절히 관리하기 위해서는 유역 내에 분포하는 비점오염원 발생량의 시·공간적 분포를 우선적으로 파악함과 아울러 수역으로 유출되는 오염발생량을 양적·질적인 측면에서 규명하는 것이 대단히 중요하다(Kwon, 2011). 본 연구에서는 도시지역에 해당하는 주거지역에 대해 강우 시 유출수에 대한 모니터링을 실시하고, 그 결과를 바탕으로 주거 형태에 따른 비점오염원의 유출 특성을 분석해 보았다.
제안 방법
- 강우유출수 특성을 조사하기 위하여, 각각의 조사지점에 강우강도계 및 유량계를 설치하여 조사대상지점에서 일어나는 강우 형태에 따른 유출수의 변화를 살펴보았다. 사용된 강우강도계는 Tipping Bucket Mechanism 방식의 호주 Environdata Environmental Monitoring & Management 사의 RG－20으로 1분 단위의 강우량 측정이 가능하다.
- 4에 나타내었다. 단독주거지역에 대한 첫 번째 조사는 2014년 5월 25일 실시하였으며, 10월 20일까지 총 5회 조사 하였으며, 아파트지역의 경우 동일한 날짜에 조사를 시작하여 10월 12일 조사를 마지막으로 총 5회 조사 하였다. 두 조사지점에서 조사된 강우사상의 경우, 강우량이 16~210.
- 본 연구에서는 초기세척효과의 규명을 위해 각각의 강우사상에 대해 유출 시간대별 유출량과 오염물질별 부하량변화 조사를 통한 누적유출량과 누적부하량 비를 이용하였다. 초기세척효과 유무 판단은 식 (2)와 (3)을 통해 가능하며, 동일 강우사상에서 비점오염물질 별로 다른 유출 특성을 보일 수 있기 때문에 오염물질별 초기세척효과 분석을 위해서는 조사대상 모든 수질항목에 대해 초기세척현상을 분석하여야 한다(Bedient et al.
- 강우 시 아파트단지에서 대상지점으로 유입되는 총 집수면적은 16,582 m2이다. 아파트단지는 총 23개동 2810세대가 거주하는 곳으로 아파트단지, 화단, 주차장, 도로 등으로 토지를 이용하고 있으며, 강우 시 집수면적에서 흘러들어오는 우수가 도로 양 옆의 우수관 또는 우수맨홀을 통하여 최종적으로 유출되는 지점에서 모니터링을 수행하였다.
- 유량계의 경우 비만관 전자식 유량계로 미국 MARSH McBIRNEY 사의 Flo－Tote3로 1분 단위의 유량측정이 가능하다. 조사대상지점에 대한 유량계의 설치는 최종 유출구에 설치하여 외부로부터 간섭이 없는 상황에서 유출량을 조사 하였다. 시료 채취 및 분석의 경우 국립환경과학원에서 개정된 ‘강우 유출수 조사방법’에 준하여 이루어 졌고, 강우량 및 유출량의 경우 현장조사를 원칙으로 하였고, 불가할 시 가장 근접한 기상청 자료를 활용하였다.
- q(t), c(t)는 t시간에서의 유출량과 오염물질별 농도, M과 V는 각각 유출오염물질 부하량과 유출량을 의미한다. 조사지점별 모니터링된 강우사상의 실측치를 통해 초기세척비율인 MFFn을 이용하여 각 오염물질과 강우에 대해 초기세척량을 정량화하였다. 정량화된 오염물질의 유출량은 누적강우량기준, 강우지속시간기준 및 강우유출량기준 등으로 표현 할 수 있으며, MFF20의 평균값이 2.
- 주거지역의 강우사상별 유출 결과에 대해 누적유출량-오염물질부하량비 곡선을 이용하여 오염물질별 초기세척현상의 발생 유·무를 확인하였으며, 초기세척비율인 MFFn(Mass First Flush)를 이용하여 각 오염물질과 강우에 대해 초기세척량을 수량화 하였다.
대상 데이터
- 아파트지역은 경상남도 창원시 성산구 상남동에 위치한 아파트단지를 선정하였으며, 노면 유출수는 토월천으로 유출되고 남천으로 합류되어 봉암 하구로 흘러간다. 강우 시 아파트단지에서 대상지점으로 유입되는 총 집수면적은 16,582 m2이다. 아파트단지는 총 23개동 2810세대가 거주하는 곳으로 아파트단지, 화단, 주차장, 도로 등으로 토지를 이용하고 있으며, 강우 시 집수면적에서 흘러들어오는 우수가 도로 양 옆의 우수관 또는 우수맨홀을 통하여 최종적으로 유출되는 지점에서 모니터링을 수행하였다.
- 본 연구에서는 도시지역에 해당하는 주거지역에 대해 강우 시 유출수에 대한 모니터링을 실시하고, 그 결과를 바탕으로 주거 형태에 따른 비점오염원의 유출 특성을 분석해 보았다. 모니터링 대상지점인 주거지역은 세분류로 구분하여 단독주거지역 및 아파트지역을 선정하였으며, 해당 지점들에 대해 강우 시 유출수에 대한 모니터링을 실시한 결과는 아래와 같다.
- 시료 채취 및 분석의 경우 국립환경과학원에서 개정된 ‘강우 유출수 조사방법’에 준하여 이루어 졌고, 강우량 및 유출량의 경우 현장조사를 원칙으로 하였고, 불가할 시 가장 근접한 기상청 자료를 활용하였다.
- 우수관로의 경우 원형의 통수단면을 가지고 있어 안정된 상태에서의 유속 측정이 가능하다. 아파트지역은 경상남도 창원시 성산구 상남동에 위치한 아파트단지를 선정하였으며, 노면 유출수는 토월천으로 유출되고 남천으로 합류되어 봉암 하구로 흘러간다. 강우 시 아파트단지에서 대상지점으로 유입되는 총 집수면적은 16,582 m2이다.
- 연구대상 지점은 주거지역에 속하는 세분류 군으로 단독 주거지역 및 공동주거시설에 해당하는 아파트지역을 대상으로 하였다. 각각의 조사지점은 배수구역의 대부분이 불투수면(콘크리트 및 아스팔트)으로 구성되어있어 다양한 토지피복지역에 비해 강우유출수가 비교적 쉽게 발생된다.
- 강우 시 외부로부터 유입이 없어 해당 토지피복의 유출특성을 독립적으로 조사할 수 있는 지점을 선정하였다. 조사대상 단독주택지역 및 아파트지역은 관내 하수관거 정비를한 지역으로서 하수 및 우수가 분류되어 배출되는 대상지역을 선정하였으며, 조사지점에 우수가 유출되어 남강으로 배출되기 전 맨홀에 조사지점을 선정하였다.
성능/효과
- 1) 단독주거지역 및 아파트지역의 강우사상별 유출형태 및 농도 변화 형태를 분석한 결과 대다수의 강우사상에서 초기유출수의 농도가 높게 나타나는 형태를 보였는데, 이는 불투수율이 높은 토지피복에서 발생되는 강우유출수의 일반적인 형태를 따르는 것으로 판단된다. 하지만 두 지점의 경우 강우량별 유출율의 차이가 크게 조사되고, 농도 변화 또한 일부 차이를 나타내어 중분류 토지피복별 비점오염원 원단위 값을 적용한 부하산정의 오차가 크게 발생 할 수 있음을 알 수 있었다.
- 2) 주거 형태별 산정된 평균 유출부하량은 단독주거지역의 경우 BOD 101.0 kg/km2, SS 232.2 kg/km2, T-N 18.2 kg/km2, T-P 2.0 kg/km2이며, 아파트지역의 평균 유출부하량은 BOD 108.82 kg/km2, SS 329.18 kg/km2, T-N 57.67 kg/km2, T-P 4.21 kg/km2으로 산정 되었다.
- 3) 주거 형태에 따른 평균 EMCs는 단독주거지역에 대해 산정된 평균 EMCs의 경우 BOD 6.6 mg/L, SS 12.8 mg/L, T-N 1.518 mg/L, T-P 0.099 mg/L로 조사되었다. 아파트지역 평균 EMCs의 경우 BOD 6.
- 4) 중분류 토지피복 상 주거지역에 해당하는 세부지역에 대해 초기세척비율을 산정한 결과, 단독주거지역의 경우 총 유출량 기준 초기 30% 유출 시 24 ~ 31% 정도의 비점오염원 부하량이 유출되는 것으로 산정되었으며, 아파트지역의 경우 동일한 조건에서 29 ~ 45%의 비점오염원 부하량이 유출되는 것으로 조사되었다. 이를 통해 해당 토지피복에 적용하는 저감시설의 처리 용량 결정 시 중분류 토지피복을 기준으로 할 경우 처리가능 용량의 오차가 발생할 수 있음을 확인 할 수 있었다.
- 29로 조사되었다. Event4의 분석 결과를 살펴보면, T-N 항목을 제외한 나머지 항목의 경우 1차 조사 시와 유사한 유출 형태를 나타내었으며, T-N 항목의 경우 유출 중기에 1.854 mg/L로 가장 높은 농도를 나타내었다. 하지만 농도범위가 1.
- 그 중 SS의 경우 아파트지역에서 초기세척현상이 가장 잘 일어났음을 보여 주었고, 그다음으로 BOD > COD 순으로 나타났다.
- 71로 조사되었으며, 초기 유출수의 농도가 높게 나타나고 이후 감소하는 형태를 나타내었다. 단독주거지역 및 아파트지역의 강우사상별 유출형태 및 농도 변화 형태를 분석한 결과 대다수의 강우사상에서 초기 유출수의 농도가 높게 나타나는 형태를 보였는데, 이는 불투수율이 높은 토지피복에서 발생되는 강우유출수의 일반적인 형태를 따르는 것으로 판단된다. 하지만 두 지점의 경우 강우량별 유출율의 차이가 크게 조사되었고, 농도 변화 또한 일부 차이를 나타내어 중분류 토지피복 기준으로 비점오염원 원단위 값을 적용한 부하산정의 경우 오차가 크게 발생 할 수 있음을 알 수 있었다.
- 단독주거지역의 강우유출수 분석결과를 살펴보면, Event1의 경우 BOD, SS, T-N 및 T-P 모두 유출 초기에 높은 농도를 나타내고 이후 점차 낮아지는 것으로 조사되었다. 특히 BOD의 경우 초기유출수 농도가 91.
- 80의 순으로 비율 차이를 나타내었다. 단독주거지역의 경우 NCL curve를 활용한 목측 판단에서는 초기세척현상이 발생하는 강우사상이 조사되었으나, 조사된 전체 강우사상에 대해 MFFn을 산정하여 정량해 본 결과 초기세척현상이 강도가 낮은 것으로 조사되었다. Table 6에는 아파트지역 강우사상에 대해 n 값을 10 ~ 90%까지 변화시키면서 수질항목별, n 수치별로 MFFn을 구하여 수록하였으며, 이들 결과를 평균하여 Table 7에 수록하였다.
- 21 kg/km2으로 산정 되었다. 두 조사지점의 경우 면적 차이가 약 4900 m2으로 아파트 지역이 작게 조사되었으나 유출부하의 경우 단독주거지역에 비해 높게 조사되어 주거 형태에 따른 비점오염물질의 유출량이 차이가 남을 알 수 있었다.
- 3 mg/L 농도 변화 폭이 좁게 나타났으며 다른 강우사상에 비해 낮은 수치의 농도를 나타내었다. 아파트 지점의 유출수 분석결과를 살펴보면, BOD, T-N, T-P의 경우 초기유출수의 농도가 가장 높게 조사되었으나, SS의 경우는 반대의 경향을 나타내고 유출 종료 시 까지 농도가 낮아지지 않았다. 조사 당시 BOD의 경우 5.
- 75로 높게 나타났다. 유출형태는 타 강우사상과 유사하게 초기 높은 농도를 나타내었으며, BOD의 경우 최고 22.1 mg/L로 높게 조사되었다. 다른 항목들의 경우 이전 강우사상과 유사한 농도 범위를 나타내었다.
- 4) 중분류 토지피복 상 주거지역에 해당하는 세부지역에 대해 초기세척비율을 산정한 결과, 단독주거지역의 경우 총 유출량 기준 초기 30% 유출 시 24 ~ 31% 정도의 비점오염원 부하량이 유출되는 것으로 산정되었으며, 아파트지역의 경우 동일한 조건에서 29 ~ 45%의 비점오염원 부하량이 유출되는 것으로 조사되었다. 이를 통해 해당 토지피복에 적용하는 저감시설의 처리 용량 결정 시 중분류 토지피복을 기준으로 할 경우 처리가능 용량의 오차가 발생할 수 있음을 확인 할 수 있었다. 향후 주거지역에 해당하는 좀 더 다양한 세분류군에 대한 추가 모니터링을 통해 주거형태별 저감시설 설치시 적정 처리용량을 결정할 수 있는 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 아파트 지점의 유출수 분석결과를 살펴보면, BOD, T-N, T-P의 경우 초기유출수의 농도가 가장 높게 조사되었으나, SS의 경우는 반대의 경향을 나타내고 유출 종료 시 까지 농도가 낮아지지 않았다. 조사 당시 BOD의 경우 5.4~16.1 mg/L의 농도 범위를 나타내어 유출시간에 따른 농도 변화가 큰 것으로 조사되었다. Event2의 경우도 이전 강우사상과 유사한 유출 형태를 나타내었으나, BOD의 경우 조사 당시 최고 농도가 33.
- 1) 단독주거지역 및 아파트지역의 강우사상별 유출형태 및 농도 변화 형태를 분석한 결과 대다수의 강우사상에서 초기유출수의 농도가 높게 나타나는 형태를 보였는데, 이는 불투수율이 높은 토지피복에서 발생되는 강우유출수의 일반적인 형태를 따르는 것으로 판단된다. 하지만 두 지점의 경우 강우량별 유출율의 차이가 크게 조사되고, 농도 변화 또한 일부 차이를 나타내어 중분류 토지피복별 비점오염원 원단위 값을 적용한 부하산정의 오차가 크게 발생 할 수 있음을 알 수 있었다.
- 단독주거지역 및 아파트지역의 강우사상별 유출형태 및 농도 변화 형태를 분석한 결과 대다수의 강우사상에서 초기 유출수의 농도가 높게 나타나는 형태를 보였는데, 이는 불투수율이 높은 토지피복에서 발생되는 강우유출수의 일반적인 형태를 따르는 것으로 판단된다. 하지만 두 지점의 경우 강우량별 유출율의 차이가 크게 조사되었고, 농도 변화 또한 일부 차이를 나타내어 중분류 토지피복 기준으로 비점오염원 원단위 값을 적용한 부하산정의 경우 오차가 크게 발생 할 수 있음을 알 수 있었다.
후속연구
- Lee et al.(2000)은 한국 도심유역에 대해 초기세척은 강우강도, 포장 공간 비율이 증가되거나 집수구역이 감소될 시 더 높아진다고 연구한 결과가 있으나, 조사가 이루어진 지점의 경우 단독주거지에 비해 아파트지역의 불투수율이 높은 것으로 조사되어, 좀 더 장기간에 걸쳐 다양한 강우사상에 대한 모니터링이 진행된다면, 다양한 통계 툴(tool)을 활용하여 각 변수들 간의 상관성 분석도 가능하리라 사료된다.
- 이를 통해 해당 토지피복에 적용하는 저감시설의 처리 용량 결정 시 중분류 토지피복을 기준으로 할 경우 처리가능 용량의 오차가 발생할 수 있음을 확인 할 수 있었다. 향후 주거지역에 해당하는 좀 더 다양한 세분류군에 대한 추가 모니터링을 통해 주거형태별 저감시설 설치시 적정 처리용량을 결정할 수 있는 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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