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문제 정의
- 우리나라의 수도권에 위치한 산업단지는 수도권에 인구와 산업이 과밀하게 집중되는 것을 막고 수도권 내의 부적격 공장에 대한 이전을 촉진, 수용하기 위하여 조성되었다. 따라서 이들 산업단지에는 산업 효율을 강조하여 녹지 조성및 수질관리 시설 등이 미흡하고 도로 옆 일부 수목 등을 제외하고 대부분 불투수층으로 구성되어 있다.
가설 설정
- 본 연구지역은 불투수 비율이 대부분을 차지하는 산업단지로 Power-Exponential을 적용하였다. 수계로 구분된 토지이용에서는 유출이 일어나지 않을 것으로 가정하였다. 강우 시작 전에 측정하여 앞서 고려된 기저유량과 그당시 수질농도를 이용하여 점오염원 부하량을 계산하였다.
제안 방법
- 강우 시작 전에 측정된 기저유량과 수질농도를 이용하여 점오염원 부하량을 계산하였다(Table 1). 2008년 5월 18일, 6월 17일, 7월 16일, 7월 19일부터 21일까지의 강우 사상과 2009년 6월 20일과 8월 11일에 발생한 6차례 단일강우 사상을 대상으로 해당 유역의 유출수 유량을 모의하였으며, 동일한 시기에 실측된 자료를 이용하여 모형 보정을 실시하였다. 강우발생 기간 동안 측정된 유량 값이 강우발생 전에 측정한 기저유량을 고려하여 유출수량을 보정하였다(Table 2).
- 대부분 불투수지역으로 구성되어 있는 시화1간선수로 유역의 오염물질의 축적 과정은 지수 형태로 이루어진 후 강우에 유출되는 Powerlinear을, 쓸림은 토지이용에 따라서 도시지역은 초기 세척을 잘 묘사할 수 있는 Power-Exponential이 적합한 것으로 판단된다. 각각의 오염물질 이동 모의를 통하여 본 연구대상 지역의 특성을 반영한 계수들을 산정하였다. 또한 검증된 모형을 기반으로 불투수면적의 변화가 산업단지 내 유출량 및 첨두시간 변화에 미치는 영향을 분석하였다.
- 00115 sec-1을 사용하여 매개변수를 산정하였다. 강우 시작 전에 측정된 기저유량과 수질농도를 이용하여 점오염원 부하량을 계산하였다(Table 1). 2008년 5월 18일, 6월 17일, 7월 16일, 7월 19일부터 21일까지의 강우 사상과 2009년 6월 20일과 8월 11일에 발생한 6차례 단일강우 사상을 대상으로 해당 유역의 유출수 유량을 모의하였으며, 동일한 시기에 실측된 자료를 이용하여 모형 보정을 실시하였다.
- 수계로 구분된 토지이용에서는 유출이 일어나지 않을 것으로 가정하였다. 강우 시작 전에 측정하여 앞서 고려된 기저유량과 그당시 수질농도를 이용하여 점오염원 부하량을 계산하였다. 강우시 측정된 유량과 수질농도를 곱하여 전체 부하량을 산정하였으며, 여기서 점오염원의 부하량을 제외한 값을 비점 오염 배출 부하량으로 계산하여 보정에 사용하였다(Table 3).
- 2008년 5월 18일, 6월 17일, 7월 16일, 7월 19일부터 21일까지의 강우 사상과 2009년 6월 20일과 8월 11일에 발생한 6차례 단일강우 사상을 대상으로 해당 유역의 유출수 유량을 모의하였으며, 동일한 시기에 실측된 자료를 이용하여 모형 보정을 실시하였다. 강우발생 기간 동안 측정된 유량 값이 강우발생 전에 측정한 기저유량을 고려하여 유출수량을 보정하였다(Table 2).
- 05 mm/hr의 특징을 가지고 있다. 강우발생 직전에 측정한 유량을 기저유량으로 보고 모델의 유출수 유량 결과에 기저유량을 더하여 측정된 하천의 유량을 보정하였다.
- 강우시 수질은 SS (Suspended Solids), COD (Chemical Oxygen Demand), TN (Total Nitrogen) 및 TP (Total Phosphorus) 항목에 대하여 모의하였으며, 그 결과를 부하량으로 분석및 비교하였다. 오염물질의 축적 과정은 지수 형태로 이루어진 후 강우에 유출되는 Power-linear을, 쓸림은 토지이용에 따라서 도시지역은 초기 세척을 잘 묘사할 수 있는 PowerExponential, 논, 밭, 산지 지역은 Rating Curve Method 적용이 일반적이다.
- 강우 시작 전에 측정하여 앞서 고려된 기저유량과 그당시 수질농도를 이용하여 점오염원 부하량을 계산하였다. 강우시 측정된 유량과 수질농도를 곱하여 전체 부하량을 산정하였으며, 여기서 점오염원의 부하량을 제외한 값을 비점 오염 배출 부하량으로 계산하여 보정에 사용하였다(Table 3).
- 대상 유역에 대하여 하수도 대장 평면도 자료를 기반으로 간선관거를 분리하여 관망을 구성하였다. 구성된 관망으로 부터 간선관거의 합류점 및 크기가 큰 맨홀을 기준으로 유출량 산정 지점을 선정하였다. 유역 내 지형과 각 지역의 인위적인 배수계통에 따라 전체 대상유역을 63개의 소유역으로 분할하였으며, junction node 180개, conduit 179개로 구성하였다(Fig.
- 이 자료를 기초로 소유역별 불투수 지역 비율을 산정하였다. 대상 유역에 대하여 하수도 대장 평면도 자료를 기반으로 간선관거를 분리하여 관망을 구성하였다. 구성된 관망으로 부터 간선관거의 합류점 및 크기가 큰 맨홀을 기준으로 유출량 산정 지점을 선정하였다.
- 기존에 수행된 SWMM의 민감도 분석에 관한 연구를 살펴보면, 유출량에 사용되는 계수는 불투수지형의 조도(Manning) 계수, 투수지형의 조도 계수, 지면저류량(depression storage), 침투감소계수, 유역 폭 등으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 지형도를 바탕으로 각 분할된 소유역의 유역면적, 유역 폭, 유역 평균 경사, 불투수율 등의 매개변수를 산정하였다. 특히 유역의 배수 특성을 나타내는 조도계수는 불투수지역과 투수지역의 특성을 반영하였으며, 유출 수량의 보정은 민감도 분석을 바탕으로 투수지역 저류량, 최대와 최소 침투 계수, 침투 감소 계수를 이용하였다.
- 2008년과 2009년에 시화1간선수로에서 측정한 6회의 단일 강우 사상을 대상으로 유출량 보정을 실시하였다. 또한 SS, COD, TN 및 TP 부하량에 대하여 보정을 통하여 산업단지에 적합한 오염물질 축적과 세정 함수를 선정하고 시화1간선수로의 오염 물질 축적 및 세정 계수를 산정하였다. 대부분 불투수지역으로 구성되어 있는 시화1간선수로 유역의 오염물질의 축적 과정은 지수 형태로 이루어진 후 강우에 유출되는 Powerlinear을, 쓸림은 토지이용에 따라서 도시지역은 초기 세척을 잘 묘사할 수 있는 Power-Exponential이 적합한 것으로 판단된다.
- 각각의 오염물질 이동 모의를 통하여 본 연구대상 지역의 특성을 반영한 계수들을 산정하였다. 또한 검증된 모형을 기반으로 불투수면적의 변화가 산업단지 내 유출량 및 첨두시간 변화에 미치는 영향을 분석하였다. 본 연구대상지의 불투수면적의 증가는 유출량 감소와 선형적 관계를 가지고 있으나, 대상유역의 면적이 작고 최종 유출지점까지의 거리가 짧아 첨두시간의 변화에는 유의한 차이를 보이지 않았다.
- 오염물질의 세정 과정은 강우 사상의 개시와 함께 진행되며, 본 연구에서는 도시 지역의 초기 세척을 잘 묘사할 수 있는 Exponential 방법을 선정하였다. 또한 오염원 유출 보정에 정확성을 기하기 위하여 시화 산업단지 1간선수로 유역의 토지이용 현황과 시가화의 특성을 분석하여, 전체 유역의 면적 중 90% 이상을 불투수 면적으로 적용하였다.
- 본 연구에서는 대표적인 산업단지인 시화산업단지 1간선수로에서 강우 유출량과 오염물질 유입특성 조사를 기반으로, SWMM 모형을 적용하여 산업단지의 유출량 및 오염물질 유입과 관련된 매개변수를 산정하였다. 또한 불투수면적의 변화가 산업단지 내 유출량 변화에 미치는 영향을 분석 함으로 향후 간선수로 수질개선 및 산업단지의 친환경개발시 근거 자료로 활용하고자 한다.
- 본 연구에서는 우리나라 대표적인 산업단지인 시화산업 단지 1간선수로에서 강우 유출량과 오염물질 유입특성 조사를 기반으로, SWMM 모형을 적용하여 산업단지의 유량및 오염물질 유출 특성을 분석하였다. 해당 연구대상지역의 강우시 유출수 유량과 오염부하량 산정을 위하여 SWMM 모형의 Rain Block과 Runoff Block을 이용하였다.
- 현재 시화공단 유역의 소유역 불투수면적 비율은 90% 이상을 차지하고 있다. 불투수면적 비율을 70%, 50%, 30% 및 10%로 감소시키면서 유출량 변화를 비교하여 보였다. 2008년 5월 18일 강우사상에서 불투수면적이 90%에서 50%로 감소함에 따라 유역의 최종 유출구에서의 첨두유량은 6.
- 소유역 구분과 소유역별 면적, 하천 길이, 경사도 등의 지형적인 요소를 추출하기 위하여 환경부에서 제공하는 30 m × 30 m DEM을 기초로 이용하였다.
- 각 모의 항목의 특성에 따라서 오염물질의 최대 가능 축적량, 오염물질 축적 속도 상수 및 시간 지수에 대하여 보정을 하였으며 그 결과는 Table 3에 제시하였다. 오염물질의 세정 과정은 강우 사상의 개시와 함께 진행되며, 본 연구에서는 도시 지역의 초기 세척을 잘 묘사할 수 있는 Exponential 방법을 선정하였다. 또한 오염원 유출 보정에 정확성을 기하기 위하여 시화 산업단지 1간선수로 유역의 토지이용 현황과 시가화의 특성을 분석하여, 전체 유역의 면적 중 90% 이상을 불투수 면적으로 적용하였다.
- 유출 수질 모의는 앞서 모델 원리에서 제시한 바와 같이, 크게 오염물질의 축적과 세정 과정으로 구분된다. 오염물질의 축적에서는 오염물질은 최대 축적치에 이르기 전까지 시간에 따라 오염물질이 선형적으로 증가하는 특성을 나타내는 Power function을 적용하였다. 각 모의 항목의 특성에 따라서 오염물질의 최대 가능 축적량, 오염물질 축적 속도 상수 및 시간 지수에 대하여 보정을 하였으며 그 결과는 Table 3에 제시하였다.
- 토지 이용 형태는 시가화지역, 농업지역, 산림지역, 초지, 습지, 나지 및 수역 7가지로 대분류를 하였으며, 시가화지역은 다시 주거, 공업, 상업, 교통 및 공공시설지역 등으로 구분하였다. 이 자료를 기초로 소유역별 불투수 지역 비율을 산정하였다. 대상 유역에 대하여 하수도 대장 평면도 자료를 기반으로 간선관거를 분리하여 관망을 구성하였다.
- 토지 이용 형태와 토양 특성은 기존 구축되어 있는 토지이용도와 토양도 자료를 GIS도구를 이용하여 분석하였다. 토지 이용 형태는 시가화지역, 농업지역, 산림지역, 초지, 습지, 나지 및 수역 7가지로 대분류를 하였으며, 시가화지역은 다시 주거, 공업, 상업, 교통 및 공공시설지역 등으로 구분하였다. 이 자료를 기초로 소유역별 불투수 지역 비율을 산정하였다.
- 소유역 구분과 소유역별 면적, 하천 길이, 경사도 등의 지형적인 요소를 추출하기 위하여 환경부에서 제공하는 30 m × 30 m DEM을 기초로 이용하였다. 토지 이용 형태와 토양 특성은 기존 구축되어 있는 토지이용도와 토양도 자료를 GIS도구를 이용하여 분석하였다. 토지 이용 형태는 시가화지역, 농업지역, 산림지역, 초지, 습지, 나지 및 수역 7가지로 대분류를 하였으며, 시가화지역은 다시 주거, 공업, 상업, 교통 및 공공시설지역 등으로 구분하였다.
- Temprano21)는 스페인의 Santander 지역의 하수관망 시스템의 유출량 및 오염부하량을 SWMM 모형을 이용하여 추정하였다. 특히 유량 관련 매개 변수 11개와 수질 관련 매개변수 5개 대하여 보정을 통하여 대상지역의 적절한 매개변수 값을 제안하였으며, 강우량과 오염부하량의 상관관계를 분석하였다.
- 따라서 본 연구에서는 지형도를 바탕으로 각 분할된 소유역의 유역면적, 유역 폭, 유역 평균 경사, 불투수율 등의 매개변수를 산정하였다. 특히 유역의 배수 특성을 나타내는 조도계수는 불투수지역과 투수지역의 특성을 반영하였으며, 유출 수량의 보정은 민감도 분석을 바탕으로 투수지역 저류량, 최대와 최소 침투 계수, 침투 감소 계수를 이용하였다.23~25) SWMM 에서 침투량은 Horton 방정식이나 Green-Ampt 방정식 중에서 선택할 수 있으나, 본 연구에서는 국내에서 일반적으로 사용되는 Horton 방정식을 사용하였다.
- 해당 연구대상지역의 강우시 유출수 유량과 오염부하량 산정을 위하여 SWMM 모형의 Rain Block과 Runoff Block을 이용하였다. 해당 유역 특성을 반영하기 위한 지형자료 추출을 위하여 하수관망 자료 및 DEM을 분석하여 유역을 구분하였으며 면적과 경사도 등 유역에 대한 정보를 추출하였다. 2008년과 2009년에 시화1간선수로에서 측정한 6회의 단일 강우 사상을 대상으로 유출량 보정을 실시하였다.
대상 데이터
- 해당 유역 특성을 반영하기 위한 지형자료 추출을 위하여 하수관망 자료 및 DEM을 분석하여 유역을 구분하였으며 면적과 경사도 등 유역에 대한 정보를 추출하였다. 2008년과 2009년에 시화1간선수로에서 측정한 6회의 단일 강우 사상을 대상으로 유출량 보정을 실시하였다. 또한 SS, COD, TN 및 TP 부하량에 대하여 보정을 통하여 산업단지에 적합한 오염물질 축적과 세정 함수를 선정하고 시화1간선수로의 오염 물질 축적 및 세정 계수를 산정하였다.
- 6회 강우 사상 중 총 강우량 50 mm 이하는 4회이며, 그 외 각각 86 mm 과 280 mm의 집중 강우 현상을 포함한다. 대상 강우 사상은 강우강도 2.10-9.05 mm/hr의 특징을 가지고 있다. 강우발생 직전에 측정한 유량을 기저유량으로 보고 모델의 유출수 유량 결과에 기저유량을 더하여 측정된 하천의 유량을 보정하였다.
- 본 연구대상지역인 시화산업단지 1간선수로는 현재 하류 지점에서 차집펌프 운영 중에 있어 평상시에는 간선수로로 유입되는 공장폐수 및 오염물질이 전량 차집되어 시화하수 종말처리시설로 이송되어 처리되고 있다. 따라서 비강우시에는 오염물질이 시화호로 유입되지 않고 있는 상황이다.
- 오염물질의 축적 과정은 지수 형태로 이루어진 후 강우에 유출되는 Power-linear을, 쓸림은 토지이용에 따라서 도시지역은 초기 세척을 잘 묘사할 수 있는 PowerExponential, 논, 밭, 산지 지역은 Rating Curve Method 적용이 일반적이다. 본 연구지역은 불투수 비율이 대부분을 차지하는 산업단지로 Power-Exponential을 적용하였다. 수계로 구분된 토지이용에서는 유출이 일어나지 않을 것으로 가정하였다.
- 시화산업단지 1간선수로 유역의 유출수량에 대하여 6회 강우사상을 대상으로 모델의 보정을 실시하였다. 6회 강우 사상 중 총 강우량 50 mm 이하는 4회이며, 그 외 각각 86 mm 과 280 mm의 집중 강우 현상을 포함한다.
- SWMM은 Block 의 형태로 구성되며, 전체적으로 5개의 Service Block(보조 블록)과 4개의 Computational Block(실행 블록), 하나의 Executive Block으로 형성되어 있다. 실행블록은 유출과 관련된 RUNOFF Block, 하도 내 수질을 모의하는 TRANSPORT Block, 하도의 수리 수문 기작을 정밀하게 표현할 수 있는 EXTENDED TRANSPORT (EXTRAN) Block, 처리시설 기작을 반영할 수 있는 STORAGE와 TREATMENT Block으로 구성되어 있다.22)
- 구성된 관망으로 부터 간선관거의 합류점 및 크기가 큰 맨홀을 기준으로 유출량 산정 지점을 선정하였다. 유역 내 지형과 각 지역의 인위적인 배수계통에 따라 전체 대상유역을 63개의 소유역으로 분할하였으며, junction node 180개, conduit 179개로 구성하였다(Fig. 2).
이론/모형
- 특히 유역의 배수 특성을 나타내는 조도계수는 불투수지역과 투수지역의 특성을 반영하였으며, 유출 수량의 보정은 민감도 분석을 바탕으로 투수지역 저류량, 최대와 최소 침투 계수, 침투 감소 계수를 이용하였다.23~25) SWMM 에서 침투량은 Horton 방정식이나 Green-Ampt 방정식 중에서 선택할 수 있으나, 본 연구에서는 국내에서 일반적으로 사용되는 Horton 방정식을 사용하였다. Horton 방정식의 침투인자에 대한 계수들은 Warwick23) 등에서 사용된 값을 참고로 하여, 최대 침투율 50.
- 23~25) SWMM 에서 침투량은 Horton 방정식이나 Green-Ampt 방정식 중에서 선택할 수 있으나, 본 연구에서는 국내에서 일반적으로 사용되는 Horton 방정식을 사용하였다. Horton 방정식의 침투인자에 대한 계수들은 Warwick23) 등에서 사용된 값을 참고로 하여, 최대 침투율 50.8 mm/hr, 최소 침투율은 3.0 mm/hr, 최대 침투 감소 계수는 0.00115 sec-1을 사용하여 매개변수를 산정하였다. 강우 시작 전에 측정된 기저유량과 수질농도를 이용하여 점오염원 부하량을 계산하였다(Table 1).
- 본 연구에서는 우리나라 대표적인 산업단지인 시화산업 단지 1간선수로에서 강우 유출량과 오염물질 유입특성 조사를 기반으로, SWMM 모형을 적용하여 산업단지의 유량및 오염물질 유출 특성을 분석하였다. 해당 연구대상지역의 강우시 유출수 유량과 오염부하량 산정을 위하여 SWMM 모형의 Rain Block과 Runoff Block을 이용하였다. 해당 유역 특성을 반영하기 위한 지형자료 추출을 위하여 하수관망 자료 및 DEM을 분석하여 유역을 구분하였으며 면적과 경사도 등 유역에 대한 정보를 추출하였다.
성능/효과
- 불투수면적 비율을 70%, 50%, 30% 및 10%로 감소시키면서 유출량 변화를 비교하여 보였다. 2008년 5월 18일 강우사상에서 불투수면적이 90%에서 50%로 감소함에 따라 유역의 최종 유출구에서의 첨두유량은 6.99 CMS에서 4.21 CMS로 약 40% 감소함을 확인할 수 있었다. 불투수면의 비율 감소에 따른 첨두유량의 변화량은 Table 4에 나타내었다.
- 이것을 유출수량 보정에서 나타났듯이 실체 측정치보다 예측 유량이 낮게 평가되어 그에 따라 오염물질 부하도 낮게 예측된 것이라 판단된다. 그러나 전체적으로 경향성은 일치하며 시화산업단지 1간선수로 유역에서 나타나는 현상에 대하여 모델이 적절히 예측하고 있음을 확인할 수 있었다. 특히, COD의 경우는 모델보정시 첨두 유량이 나타나는 시점에서 평가 절하가 되는 현상이 크게 나타난다.
- 3에 실측한 유량에 대하여 모델 예측값을 비교하여 제시하였다. 보정 결과, 전반적인 경향을 잘 모의하고 있으며 특히 유출유량의 시간적 변화 경향과 첨두 유량이 나타나는 시간도 비교적 일치하였다. 그러나 일부 유량이 평가 절하되는 경향이 있으며, 이는 지하 수리 구조물이나 유출 흐름에 대한 자료 부족으로 유역 모델을 지표수만을 대상으로 적용하였기 때문에 오차가 발생한 것으로 판단된다.
- 오염물질의 세척 과정의 특성을 분석한 결과, 도시 지역은 농촌 지역의 비료 및 축산 분뇨 등에 비하여 오염물질이 건기 동안 축적된 양과 유역 내의 강우 기간 동안의 전체 유출량보다는 유출률과의 관계로 해석할 수 있다. 본 연구 대상지역의 오염물질 세척 과정에서 SS, COD, TN 및 TP는 동일한 세척 지수가 산정되었으며, 각 물질에 따라 고유한 세척 계수를 산정할 수 있었다.
- 또한 검증된 모형을 기반으로 불투수면적의 변화가 산업단지 내 유출량 및 첨두시간 변화에 미치는 영향을 분석하였다. 본 연구대상지의 불투수면적의 증가는 유출량 감소와 선형적 관계를 가지고 있으나, 대상유역의 면적이 작고 최종 유출지점까지의 거리가 짧아 첨두시간의 변화에는 유의한 차이를 보이지 않았다.
- 오염물질의 축적 과정의 특성을 분석한 결과, SS와 COD 는 최대 가능 축적량의 차이를 제외하고는 오염물질 축적 속도 상수와 시간 지수가 동일하며 TN과 TP가 동일한 양상을 보이고 있다. 이것은 오염물질의 특성과도 일치하는 내용으로 SS와 COD는 강우 개시 이전의 건기일수에 비교적 영향을 많이 받으며 산업단지의 먼지 및 보존성 물질 배출과도 관련이 있는 것으로 판단된다.
후속연구
- 본 연구에서는 대표적인 산업단지인 시화산업단지 1간선수로에서 강우 유출량과 오염물질 유입특성 조사를 기반으로, SWMM 모형을 적용하여 산업단지의 유출량 및 오염물질 유입과 관련된 매개변수를 산정하였다. 또한 불투수면적의 변화가 산업단지 내 유출량 변화에 미치는 영향을 분석 함으로 향후 간선수로 수질개선 및 산업단지의 친환경개발시 근거 자료로 활용하고자 한다.
- 본 연구의 결과는 산업단지의 불투수면 관리를 위한 기초정보를 제공하며, 불투수면 지표 모델 연구를 통하여 불투수면 저감방안 수립 및 유역 관리 등에 효과적으로 활용할 수 있을 것으로 판단한다.
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