본 연구는 바이오파크 유역 내 인공습지에 대하여 습지규모와 수질개선효과의 관련성을 분석하여, 최적의 습지규모 설계를 위한 기초 자료를 제공하기 위하여 수행되었다. 본 연구를 통해 인공습지에 대한 합리적인 규모 설계 및 운영에 기여할 것으로 판단되며, 연구결과를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다. 인공습지의 0-100 % 증설범위의 설계별 시나리오 분석결과, '기존규모 대비 75 % 증설'의 경우, '기존규모의 현 상태 운영' 설계 기준과 비교하여 수질이 BOD5는 66.7 %, TSS는 69.9 %, T-N은 64.7 %, T-P는 85.5 %, Chl-a는 51.8 % 만큼 개선되어 가장 양호한 효과를 보여주었으며, 특히 4계절 중 여름철에 Chl-a를 제외한 수질항목에서 효과가 크게 나타나는 경향이었다. 그리고 설계규모와 수질개선 효과간 정비례관계가 성립되지 않은 것으로 나타났다.
본 연구는 바이오파크 유역 내 인공습지에 대하여 습지규모와 수질개선효과의 관련성을 분석하여, 최적의 습지규모 설계를 위한 기초 자료를 제공하기 위하여 수행되었다. 본 연구를 통해 인공습지에 대한 합리적인 규모 설계 및 운영에 기여할 것으로 판단되며, 연구결과를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다. 인공습지의 0-100 % 증설범위의 설계별 시나리오 분석결과, '기존규모 대비 75 % 증설'의 경우, '기존규모의 현 상태 운영' 설계 기준과 비교하여 수질이 BOD5는 66.7 %, TSS는 69.9 %, T-N은 64.7 %, T-P는 85.5 %, Chl-a는 51.8 % 만큼 개선되어 가장 양호한 효과를 보여주었으며, 특히 4계절 중 여름철에 Chl-a를 제외한 수질항목에서 효과가 크게 나타나는 경향이었다. 그리고 설계규모와 수질개선 효과간 정비례관계가 성립되지 않은 것으로 나타났다.
This study was designed to provide basic information for an effective wetland design by analyzing the correlation between wetland size and water quality improvement effect in regard to an artificial wetland inside the Biopark Basin by means of applying the modelling technique. It is expected that th...
This study was designed to provide basic information for an effective wetland design by analyzing the correlation between wetland size and water quality improvement effect in regard to an artificial wetland inside the Biopark Basin by means of applying the modelling technique. It is expected that this study will contribute to a rational design, operation and management of the artificial wetland in the basin. The following conclusions are obtained through the results and discussion of this study. The results of respective design scenarios that expanded the size of the artificial wetlands in the range of 0-100 % showed that when the wetland is 'expanded 75 % compared with the existing size', water quality improved best compared with the design criteria of 'the current operation of the existing size'. The improved data are: 66.7 % in BOD5, 69.9 % in TSS, 64.7 % in T-N, 85.5 % in T-P and 51.8 % in Chl-a. In particular, with the exception of Chl-a, water quality improvement stood out in the quality items in summer among the four seasons. And that there in no direct relationship between facility scale and water quality improvement.
This study was designed to provide basic information for an effective wetland design by analyzing the correlation between wetland size and water quality improvement effect in regard to an artificial wetland inside the Biopark Basin by means of applying the modelling technique. It is expected that this study will contribute to a rational design, operation and management of the artificial wetland in the basin. The following conclusions are obtained through the results and discussion of this study. The results of respective design scenarios that expanded the size of the artificial wetlands in the range of 0-100 % showed that when the wetland is 'expanded 75 % compared with the existing size', water quality improved best compared with the design criteria of 'the current operation of the existing size'. The improved data are: 66.7 % in BOD5, 69.9 % in TSS, 64.7 % in T-N, 85.5 % in T-P and 51.8 % in Chl-a. In particular, with the exception of Chl-a, water quality improvement stood out in the quality items in summer among the four seasons. And that there in no direct relationship between facility scale and water quality improvement.
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가설 설정
우선 FS0은 현재 운영 중인 상태이며, FS1의 경우 증설 없이 100 % 사용할 경우를 가정하였다. FS2, FS3, FS4, FS5는 현 상태에서 각각 25%, 50%, 75%, 100%로 증설될 경우를 가정하여 시나리오를 설정하였다.
복내 바이오파크는 총 부지면적 23,092 ㎡(습지면적 : 13,655 ㎡)에 자유수면형(FWS, 수생 식물정화) 습지시스템으로서, 처리용량은 7,407 ㎥/일로 체류시간은 약 7일 이상으로 운영되고 있다. 우선 FS0은 현재 운영 중인 상태이며, FS1의 경우 증설 없이 100 % 사용할 경우를 가정하였다. FS2, FS3, FS4, FS5는 현 상태에서 각각 25%, 50%, 75%, 100%로 증설될 경우를 가정하여 시나리오를 설정하였다.
그리고 입자성 물질의 물리적 제거와 관련되는 인은 Sediment 부모형과, 식생 및 부착조류는 수리 부모형을 제외한 모든 부모형과 연계하여 모의된다. 한편, NPS-WET 모형은 인공습지를 하나의 완전혼합반응조(CSTR; Continuously Stirred Tank Reactor)이며, 수직방향으로 수체층(W), 바닥 Sediment층(B), 그리고 깊은 Sediment층(DS)의 3개 층(layer)으로 가정한다(Fig. 1(b)).
제안 방법
본 연구에서는 복내 바이오파크 인공습지 유역의 효율적인 오염원 관리를 위해 오염총량관리 모형인 BASINS/ HSPF를 이용하여 유역의 오염원, 수리수문, 기상, 지형 등의 자료 구축 후NPS-WET 모형을 이용하여 습지 증설 시나리오에 따른 유역 내 수질개선 효과를 분석하였다.
대상 데이터
NPS-WET을 이용하여 각 인공습지를 통해 배출되는 유출수의 연중변화를 모의하기 위해 HSPF 모델의 유출량 값을 입력하여 모델을 구축하였으며 검･보정을 위한 실측자료는 2012년에 측정한 분석 데이터를 토대로 검･보정을 하였다. 습지 자료는 영산강 물환경연구소의 자료를 활용하였으며, 기상 자료는 기상청 자료를 활용하였다.
복내 바이오파크(E 127.9°28.2′ , N 34.59°8.7′ )는 복내 하수종말처리장 방류수와 농경지 비점오염 강우수를 처리하기 위해 2002년 12월에 전남 보성군 복내면 복내리에 설치되었다. 총 부지면적은 23,092 ㎡(습지면적 : 13,655㎡)의 자유수면형(FWS, 수생식물정화) 습지시스템으로서, 처리용량은 7,407 ㎥/일로 체류시간은 약 7일 이상으로 운영되고 있다.
수질보정은 영산강물환경연구소에서 측정한 오염총량관리 단위유역 말단의 수질자료를 이용하였으며, 보정항목은 수온, DO, BOD, T-N, T-P, Chl-a 등 6개 항목을 대상으로 하였다.
NPS-WET을 이용하여 각 인공습지를 통해 배출되는 유출수의 연중변화를 모의하기 위해 HSPF 모델의 유출량 값을 입력하여 모델을 구축하였으며 검･보정을 위한 실측자료는 2012년에 측정한 분석 데이터를 토대로 검･보정을 하였다. 습지 자료는 영산강 물환경연구소의 자료를 활용하였으며, 기상 자료는 기상청 자료를 활용하였다.
보정기간 동안 반복적인 모델의 매개변수를 수정하고 모의 실행을 통하여 과다 또는 과소 예측된 모의 결과가 실제 관측값과 최대한 근접하게 될 수 있도록 하였으며, 검증을 통해 보정기간에 맞춰진 모델 매개변수들의 타당성을 평가하였다. 유량 보정을 위하여 복내천 유역 HSPF 모델 구축 시구분한 19개의 소유역 중 총량 유량측정망 지점(RCH 10-동복 A; 전라남도 화순군 동복면 연둔리) 에서 검･보정을 실시하였으며, 보정기간은 2012년, 검증기간은 2011년으로 지정해서 모델의 보정 및 검증을 수행하였다.
데이터처리
모델의 보정은 모델의 초기조건과 매개변수를 유역의 조건에 맞도록 일치시키는 과정으로 계산된 값과 측정한 값이 가장 잘 일치할 때의 매개변수 값을 추정하는 것이다. 보정기간 동안 반복적인 모델의 매개변수를 수정하고 모의 실행을 통하여 과다 또는 과소 예측된 모의 결과가 실제 관측값과 최대한 근접하게 될 수 있도록 하였으며, 검증을 통해 보정기간에 맞춰진 모델 매개변수들의 타당성을 평가하였다. 유량 보정을 위하여 복내천 유역 HSPF 모델 구축 시구분한 19개의 소유역 중 총량 유량측정망 지점(RCH 10-동복 A; 전라남도 화순군 동복면 연둔리) 에서 검･보정을 실시하였으며, 보정기간은 2012년, 검증기간은 2011년으로 지정해서 모델의 보정 및 검증을 수행하였다.
유량 보정 및 검증시 실측값에 대한 모의 결과의 적절성을 평가하기 위하여 결정계수(Coefficient of Determination; R2 ), NSE(Nash and Sutcliffe), 백분율 오차를 산정하였다.
이론/모형
NPS-WET 모델을 이용하여 각 인공습지를 통해 배출되는 유출수의 연중변화를 모의하였으며, 그 결과는 Fig.6과 같다. 모의결과 실측치와 모의치가 비교적 일치하는 것을 확인할 수 있다.
4)로 계산 가능하다. 과거 10년 이상 동안 HSPF 모델의 적용사례와 연구 자료를 바탕으로 Donigian(2000)이 제시한 일반적인 모델 효율의 범위와 신뢰 구간을 바탕으로 모델의 보정을 수행하였다.
성능/효과
1) 인공습지의 0-100 % 증설범위의 설계별 시나리오 분석결과, ‘기존규모 대비 75 % 증설’의 경우, ‘기존규모의 현 상태 운영’ 설계 기준과 비교하여 수질이 BOD5는 66.7 %, TSS는 69.9 %, T-N은 64.7 %, T-P는 85.5 %, Chl-a는 51.8 % 만큼 개선되어 가장 양호한 효과를 보여주었으며, 특히 4계절 중 여름철에 Chl-a를 제외한 수질항목에서 효과가 크게 나타나는 경향이었다.
2) 기존 규모대비 100 % 증설의 경우, ‘기존규모의 현 상태 운영’ 설계 기준과 비교하여 수질개선 효과는 오히려 낮아져, 설계규모와 수질개선효과 간 정비례관계가 성립되지 아니함이 확인되었다. 이러한 원인은 바이오파크 유역 내 유입되는 유량이 한정되어 있기 때문에 습지 증설로 인한 수질정화효과가 바이오파크 전체 유역으로 봤을 때 크지 않은 것으로 판단된다.
시나리오 분석 결과 ‘현 상태 그대로 사용’((FS0)의 유입 수질을 기준으로 하였을 경우, BOD5, TSS, T-N, T-P, Chl-a 모두 ‘현재 규모 75% 증설’(FS4)에서 수질개선 효과가 가장 높은 것으로 나타났다. 하지만 ‘현재 규모 100% 증설’(FS5)에서는 오히려 수질개선 효과가 상대적으로 낮게 나타났다.
후속연구
미래의 수질관리 성공여부는 비점오염원의 효율적인 관리 여부가 큰 변수로 작용할 것으로 판단된다. 따라서 하천 유역의 수질관리를 위해서는 토지이용과 지역특성을 고려한 비점오염원 부하량의 합리적인 조사, 오염부하량 절감을 위한 관리기술의 개발, 비점오염원 관리정책의 개발 등이 필요하다. 하지만 지난 수년간 주암호 등 영산강수계 물관리 종합대책을 수립하여 하수처리장 방류수를 재처리하고 비점오염원을 처리하기 위한 인공습지를 주암호 및 동복호 상류지역에 많이 조성하였으나, 관리 소홀과 습지 운영방안의 미숙 등으로 인해 효율적으로 운영이 되지 않고 있다고 하였다(Seo et al.
하지만 ‘현재 규모 100% 증설’(FS5)에서는 오히려 수질개선 효과가 상대적으로 낮게 나타났다. 이러한 결과를 바탕으로 습지 설계시 NPS-WET 모형을 활용할 경우 효율적인 습지 규모를 결정할 수 있을 것으로 판단된다.
또한 분석 수질의 연중 수질변화가 반영되지 않았다. 향후 NPS-WET 모형의 적용에 있어서 유입수 유량, 수질, 식생 등 습지시스템의 조건을 상세하게 정의할 경우 분석된 결과값에 대한 신뢰성이 확보될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
모델의 보정이란?
모델의 보정은 모델의 초기조건과 매개변수를 유역의 조건에 맞도록 일치시키는 과정으로 계산된 값과 측정한 값이 가장 잘 일치할 때의 매개변수 값을 추정하는 것이다. 보정기간 동안 반복적인 모델의 매개변수를 수정하고 모의 실행을 통하여 과다 또는 과소 예측된 모의 결과가 실제 관측값과 최대한 근접하게 될 수 있도록 하였으며, 검증을 통해 보정기간에 맞춰진 모델 매개변수들의 타당성을 평가하였다.
NPS-WET 모형으로 가능한 것은?
이러한 문제점을 해결하기 위하여 농어촌연구원은 습지 내영양물질의 변화를 해석하고 효과적인 비점오염원 제어용 인공습지의 설계를 주목적으로 하는 NPS-WET 모형을 개발하였다. NPS-WET 모형은 습지 내 종속영양 및 독립영양 미생물 모의를 통해 영양물질의 시･공간적 변화를 해석하고, 식생의 생장 및 고사에 의한 영양물질 거동과 이에 따른 탄소질 형태 변화, 퇴적층 및 지하수의 탄소질, 식생, 영양물질 변화 등을 해석할 수 있다. 또한 수질개선 효과 달성을 위한 인공습지의 적정 설계인자를 분석하거나 도출하는 것이 가능하여, 습지와 유수지의 배치 모의를 통해 비점오염제어를 위한 습지구조를 반영할 수 있다(Rural Research Institute, 2007).
여름철 식물생장의 증가와 함께 습지식물의 밀도가 높아질수록, 여과효과 또한 크게 나타나는 것으로 판단되는 이유는?
또한 여름철 집중강우시 유입되는 유량으로 인하여 어느 정도 희석효과가 작용한 것으로도 판단된다. SS의 경우 습지 내 유입초기 유속의 급격한 저하로 인한 퇴적작용뿐만 아니라, 습지 내 식생밀도로 인한 정체 및 여과효과도 기대할 수 있다. 따라서 여름철 식물생장의 증가와 함께 습지식물의 밀도가 높아질수록, 여과효과 또한 크게 나타나는 것으로 판단된다.
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