본 연구는 도시지역의 토지이용별 비점오염물질의 유출특성을 파악하고 적정 모니터링 횟수를 도출하고자 연구를 수행하였다. 연구 조사지점은 도시지역 중 주거지역(13지점), 상업지역(8지점), 교통지역(9지점), 공업지역(11지점)으로 선정하였으며 지점에 따라 2008년부터 2016년까지 모니터링이 수행되었으며 총 632회의 강우사상에 대한 모니터링 결과를 분석하였다. 분석결과, 상업지역의 경우 다른 토지이용에 비해 높은 유출률과 고농도의 오염물질이 유출되기에 다른 토지이용보다 비점오염원 관리시 우선적으로 관리가 필요한 것으로 나타났다. 또한 토지이용별 연간 모니터링 횟수를 산정한 결과, 공업지역의 경우 11~14회, 교통지역은 12~14회, 상업지역은 11~13회, 주거지역은 22~25회로 분석되었다. 다년간 축적된 모니터링 자료를 이용하더라도 일부 오염물질 항목에서 높은 오차가 나타남에 따라 여전히 높은 확률의 불확실성이 존재하며 지속적인 모니터링 수행으로 오차를 줄이기 위한 모니터링 노하우 정립 및 데이터 축적이 요구된다.
본 연구는 도시지역의 토지이용별 비점오염물질의 유출특성을 파악하고 적정 모니터링 횟수를 도출하고자 연구를 수행하였다. 연구 조사지점은 도시지역 중 주거지역(13지점), 상업지역(8지점), 교통지역(9지점), 공업지역(11지점)으로 선정하였으며 지점에 따라 2008년부터 2016년까지 모니터링이 수행되었으며 총 632회의 강우사상에 대한 모니터링 결과를 분석하였다. 분석결과, 상업지역의 경우 다른 토지이용에 비해 높은 유출률과 고농도의 오염물질이 유출되기에 다른 토지이용보다 비점오염원 관리시 우선적으로 관리가 필요한 것으로 나타났다. 또한 토지이용별 연간 모니터링 횟수를 산정한 결과, 공업지역의 경우 11~14회, 교통지역은 12~14회, 상업지역은 11~13회, 주거지역은 22~25회로 분석되었다. 다년간 축적된 모니터링 자료를 이용하더라도 일부 오염물질 항목에서 높은 오차가 나타남에 따라 여전히 높은 확률의 불확실성이 존재하며 지속적인 모니터링 수행으로 오차를 줄이기 위한 모니터링 노하우 정립 및 데이터 축적이 요구된다.
This study investigated the runoff characteristics containing NPS pollutants in urban areas and estimated the optimal number of storm events to be monitored. 13 residential areas, 8 commercial areas, 9 transportation areas and 11 industrial areas were selected to be monitored located in urban areas....
This study investigated the runoff characteristics containing NPS pollutants in urban areas and estimated the optimal number of storm events to be monitored. 13 residential areas, 8 commercial areas, 9 transportation areas and 11 industrial areas were selected to be monitored located in urban areas. Monitoring was performed from 2008 to 2016 with a total of 632 rainfall events. As a result, it was found that commercial area needs priority NPS management compared to other landuses because the commercial area has high runoff coefficient and NPS pollutant EMC compared with other landuses. The annual monitoring frequency for each landuse was estimated to be 11 to 14 times for industrial area, 12 to 14 times for transportation area, 11 to 13 times for commercial area and 22 to 25 times for residential area. Even with the use of accumulated monitoring data for several years, there is still high probability of uncertainty due to high error in some pollutant items, and it is necessary to establish monitoring know-how and data accumulation to reduce errors by continuous monitoring.
This study investigated the runoff characteristics containing NPS pollutants in urban areas and estimated the optimal number of storm events to be monitored. 13 residential areas, 8 commercial areas, 9 transportation areas and 11 industrial areas were selected to be monitored located in urban areas. Monitoring was performed from 2008 to 2016 with a total of 632 rainfall events. As a result, it was found that commercial area needs priority NPS management compared to other landuses because the commercial area has high runoff coefficient and NPS pollutant EMC compared with other landuses. The annual monitoring frequency for each landuse was estimated to be 11 to 14 times for industrial area, 12 to 14 times for transportation area, 11 to 13 times for commercial area and 22 to 25 times for residential area. Even with the use of accumulated monitoring data for several years, there is still high probability of uncertainty due to high error in some pollutant items, and it is necessary to establish monitoring know-how and data accumulation to reduce errors by continuous monitoring.
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문제 정의
비점오염원 유출 특성 데이터를 확보하기 위해서는 시간 및 비용 등의 소모가 크기에 특정 수준의 불확실성 내에서 오염물질의 평균농도 또는 SMC를 나타내는 최소한의 강우사상 횟수를 결정하는 것은 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 비점오염원 효율적 관리를 위한 기초조사를 위해 도시지역의 토지이용별 비점오염물질 유출 특성 분석하였으며 분석결과를 바탕으로 도시지역에서의 적정 모니터링 횟수 도출을 수행하였다.
본 연구는 도시지역의 토지이용별 비점오염물질의 유출특성을 파악하고 적정 모니터링 횟수를 도출하고자 연구를 수행하였으며 연구결과 아래와 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
모니터링은 강우유출수 조사방법(NIER, 2012)을 준용하여 측정 및 분석되었다. 토지이용별 강우유출 특성을 분석하기 위해 총 강수량(Total rainfall), 선행건기일수(antecedent dry day; ADD), 강우지속시간(Total rainfall duration), 유출률(Runoff coefficient)을 조사하였으며 Biochemical Oxygen Demand (BOD), Suspended Solid (SS), Total Nitrogen (T-N), Total Phosphorous (T-P) 항목에 대하여 수질분석을 수행하였다. 또한, 적정모니터링 횟수 도출을 위하여 오염물질 항목별 SMC 산정을 통한 모니터링 횟수를 결정한 선행연구인 Maniquiz-Redillas et al (2013)의 연구방법을 인용하였다.
대상 데이터
본 연구는 4대강수계 환경기초조사사업 “비점오염원 종합 모니터링 및 관리방안 연구”의 일부 자료를 이용하였으며, 자료를 제공하여 주신 국립환경과학원 금강·낙동강·영산 강·한강물 환경연구소에 감사드립니다.
본 연구를 수행하기 위하여 4대강 물환경연구소에서 환경기초조사사업으로 수행된 비점오염원 유출 장기모니터링 사업 자료를 참조하였다. 조사지점은 도시지역을 대표할 수있는 토지이용인 주거지역(13개), 상업지역(8개), 교통지역 (9개), 공업지역(11개)으로 선정하였으며 선정된 지점에 대한 자세한 사항은 Table 1에 나타내었다.
본 연구에서 사용된 조사지점별 데이터는 지점에 따라 2008년부터 2016년까지 모니터링이 수행되었으며, 총 632회의 강우사상에 대한 모니터링 결과를 도출하였다. Fig 1은 토지이용별 모니터링 결과를 Box plot으로 보이고 있으며 선행건기일수, 직접유출률, 총강수량, 강우지속시간에 대해 나타내고 있다.
본 연구를 수행하기 위하여 4대강 물환경연구소에서 환경기초조사사업으로 수행된 비점오염원 유출 장기모니터링 사업 자료를 참조하였다. 조사지점은 도시지역을 대표할 수있는 토지이용인 주거지역(13개), 상업지역(8개), 교통지역 (9개), 공업지역(11개)으로 선정하였으며 선정된 지점에 대한 자세한 사항은 Table 1에 나타내었다.
데이터처리
또한, 식(3)의 상대표준오차(Relative standard error, RSE)를 사용하여 SMC 값의 불확실성 수준을 계산하였다. 여기서, σEMC는 EMC의 표준편차이며, n은 총 강우사상을 의미한다.
이론/모형
토지이용별 강우유출 특성을 분석하기 위해 총 강수량(Total rainfall), 선행건기일수(antecedent dry day; ADD), 강우지속시간(Total rainfall duration), 유출률(Runoff coefficient)을 조사하였으며 Biochemical Oxygen Demand (BOD), Suspended Solid (SS), Total Nitrogen (T-N), Total Phosphorous (T-P) 항목에 대하여 수질분석을 수행하였다. 또한, 적정모니터링 횟수 도출을 위하여 오염물질 항목별 SMC 산정을 통한 모니터링 횟수를 결정한 선행연구인 Maniquiz-Redillas et al (2013)의 연구방법을 인용하였다.
모니터링은 강우유출수 조사방법(NIER, 2012)을 준용하여 측정 및 분석되었다. 토지이용별 강우유출 특성을 분석하기 위해 총 강수량(Total rainfall), 선행건기일수(antecedent dry day; ADD), 강우지속시간(Total rainfall duration), 유출률(Runoff coefficient)을 조사하였으며 Biochemical Oxygen Demand (BOD), Suspended Solid (SS), Total Nitrogen (T-N), Total Phosphorous (T-P) 항목에 대하여 수질분석을 수행하였다.
성능/효과
(1) 상업지역의 경우 0.5 이상의 높은 유출률을 보이고있으며 다른 토지이용에 비해 고농도의 오염물질이 유출되기에 도시지역의 토지이용 중 상업지역을 우선적으로 관시 비점오염원 관리에 효과적일 것으로 판단된다.
(2) 토지이용별 연간 모니터링 횟수는 오염물질에 따라 평균 12~24회 범위로 조사되었으며 RSE를 통해 해당 분석에 대한 신뢰도를 평가한 결과, T-N의 경우 모든 토지 이용에서 30%미만으로 적정 하지만 T-P, BOD 및 SS의 경우 신뢰도가 낮게 평가되었다.
(5) 시간과 비용 등 제약적인 현실에서 SMC를 이용한 적정 모니터링 횟수 산정 방법은 최소한의 강우유출수 모니터링 횟수를 결정하는데 적절한 방법으로 판단된다.
Fig. 3은 모니터링 횟수에 따른 EMC, SMC, 95% 및 99% SMC 상한값을 보여주고 있으며 모니터링 횟수가 증가할수록 EMC값은 감소되고 SMC값에 가까워지는 것으로 나타났다.
SMC 값을 기준으로 모니터링 횟수는 같은 토지이용이더라도 오염물질 종류에 따라 차이를 보이고 있으며 SMC값의 95% 및 99% 상한값도 동일한 결과를 보이고 있다. SMC 95% 및 99% 상한값에 따른 모니터링 횟수가 높은 토지이용은 주거지역, 교통지역, 공업지역, 상업지역 순으로 조사되었으며 오염물질의 경우 모든 토지이용에서 T-N항목에서 모니터링 횟수가 가장 높게 나타난 반면 BOD의 경우 주거지역을 제외한 모든 지역에서 낮은 모니터링 횟수를 나타내었다. SMC 95% 및 99% 상한값을 이용한 오염물질별 연간 모니터링 횟수를 산정한 결과, BOD는 11~24회, SS는 11~23회, T-N은 13~25회, T-P는 12~24회로 조사되었다.
SMC 95% 및 99% 상한값에 따른 모니터링 횟수가 높은 토지이용은 주거지역, 교통지역, 공업지역, 상업지역 순으로 조사되었으며 오염물질의 경우 모든 토지이용에서 T-N항목에서 모니터링 횟수가 가장 높게 나타난 반면 BOD의 경우 주거지역을 제외한 모든 지역에서 낮은 모니터링 횟수를 나타내었다. SMC 95% 및 99% 상한값을 이용한 오염물질별 연간 모니터링 횟수를 산정한 결과, BOD는 11~24회, SS는 11~23회, T-N은 13~25회, T-P는 12~24회로 조사되었다. 또한 토지이용별 연간 모니터링 횟수는 공업지역의 경우 11~14회, 교통지역은 12~14회, 상업지역은 11~13 회, 주거지역은 22~25회로 분석되었다.
대부분의 토지이용별 오염물질 항목에서 약 40회의 모니터링 횟수를 기준으로 EMC값이 급격히 감소되었다. SMC 값을 기준으로 모니터링 횟수는 같은 토지이용이더라도 오염물질 종류에 따라 차이를 보이고 있으며 SMC값의 95% 및 99% 상한값도 동일한 결과를 보이고 있다. SMC 95% 및 99% 상한값에 따른 모니터링 횟수가 높은 토지이용은 주거지역, 교통지역, 공업지역, 상업지역 순으로 조사되었으며 오염물질의 경우 모든 토지이용에서 T-N항목에서 모니터링 횟수가 가장 높게 나타난 반면 BOD의 경우 주거지역을 제외한 모든 지역에서 낮은 모니터링 횟수를 나타내었다.
대부분의 토지이용별 오염물질 항목에서 약 40회의 모니터링 횟수를 기준으로 EMC값이 급격히 감소되었다. SMC 값을 기준으로 모니터링 횟수는 같은 토지이용이더라도 오염물질 종류에 따라 차이를 보이고 있으며 SMC값의 95% 및 99% 상한값도 동일한 결과를 보이고 있다.
4는 모니터링 횟수에 따른 토지이용별 오염물질의 RSE를 나타낸 것으로 주거지역의 BOD의 경우 100%를 초과하여 제외하였다. 분석결과, 모니터링 횟수가 증가됨에 따라 RSE도 감소하는 경향으로 나타난 반면 일부 항목에서는 10회 미만의 모니터링 횟수에서 증가하나 이후 감소하는 경향을 보이고 있다. 앞서 조사된 토지이용별 연간 모니터링 횟수에 따른 RSE산정 결과, T-N의 경우 모든 토지이용에서 30%미만인 4~25%범위로 조사되었으며 T-P의 경우 상업지역에서 20%, 주거지역에서 25%인 반면 공업 및 교통지역의 경우 30%이상으로 나타났다.
Fig 1은 토지이용별 모니터링 결과를 Box plot으로 보이고 있으며 선행건기일수, 직접유출률, 총강수량, 강우지속시간에 대해 나타내고 있다. 분석결과, 토지이용별 평균 선행건기일수는 6.3~6.6일의 범위로 나타났으며 평균 총강수량은 24.9~42.0 mm, 평균 강우지속시간은 8.4~17.3시간, 직접 유출률은 0.45~0.63의 범위로 조사되었다. 토지이용별 선행건기일수는 비교적 유사한 범위로 나타났으나 총 강수량 및 강우지속시간의 경우 주거 및 상업지역에서 높게 나타났으며 이는 대규모 강우사상을 대상으로 모니터링이 수행된 것으로 판단된다.
상업지역의 경우 모든 오염물질에서 가장 높은 EMC가 발생되었으며 다른 토지이용에 비해 교통지역의 경우 상대적으로 오염물질의 EMC가 낮게 유출되는 특성을 보이고 있다. 상업지역의 경우 0.5 이상의 높은 유출률을 보이고 있으며 다른 토지 이용에 비해 고농도의 오염물질이 유출되기에 도시지역의 토지이용 중 상업지역을 우선적으로 관리시 비점오염원 관리에 효과적일 것으로 판단된다. 국내에서 발표된 도시지역 강우유출수 EMC에 대하여 문헌(Shin et al.
Table 2는 토지이용 및 오염물질별 연간 모니터링 횟수와 모니터링 횟수 산정을 위한 과정을 나타내고 있으며 해당과정을 통해 적정 모니터링 횟수가 도출된다. 토지이용별 오염물질에 따른 연간 평균 모니터링 횟수는 살펴본 결과, 주거지역은 24회, 공업 및 교통지역의 경우 13회, 상업지역은 12회로 분석되었다. SMC 도출을 위한 최소한의 모니터링 횟수에 대한 기존 연구결과를 살펴보면, Smoley(1993)는 최소 모니터링 횟수는 3회로 제안하였으나, Leecaster et al (2002)은 7회, May and Sivakumar (2009)에서는 최소 5~7회, Maniquiz-Redillas et al (2013)은 오염물질에 따라 6~10번으로 조사 되었다.
후속연구
(4) 다년간 축적된 모니터링 자료를 이용이더라도 일부 오염물질 항목에서 높은 오차가 나타남에 따라 여전히 높은 확률의 불확실성이 존재하기에 지속적인 모니터링 수행으로 오차를 줄이기 위한 모니터링 노하우 정립 및 데이터 축적이 요구된다.
통계조사 기준에 의하면 일반적으로 RSE값이 30%미만이면 신뢰할 수 있는 추정값으로 사용할 수 있으며, 30%이상 60%미만의 값은 주의와 함께 이용이 가능하지만 60%이상 값은 이용에 주의가 필요한 것으로 보고되고 있다(Statistics Korea, 2016). 따라서 다년간 축적된 모니터링 자료를 이용이더라도 일부 BOD, SS와 같은 항목에서 높은 오차가 나타남에 따라 여전히 높은 확률의 불확실 성이 존재하기에 장기적인 모니터링 수행을 통해 비점오염원 유출특성을 규명하고 통계적 접근방법을 통한 비점오염원 관리 방안이 요구된다.
비점오염원의 효율적 관리를 위해서는 비점오염원 현황 파악이 우선적으로 이루어져야 하며 이는 장기적인 비점오염물질 유출에 관한 모니터링과 같은 기초조사연구가 절실히 요구된다. 특히 최근 들어 강우특성의 변화는 불확실성이 높은 비점오염원 관리에 영향을 미치기에 장기적인 연구가 필요하다.
96 mg/L로 나타났으며 본 연구결과와 비교시 BOD를 제외한 모든 오염물질 항목에서 EMC값이 차이를 보이고 있다. 이는 비점오염물질 유출에 있어 다양한 인자에 의한 영향으로 불확실성이 매우 높음을 의미하며 토지이용 및 강우특성 등을 고려한 지속적인 모니터링을 통한 자료 축적 및 통계적 접근방법이 요구된다.
비점오염원의 효율적 관리를 위해서는 비점오염원 현황 파악이 우선적으로 이루어져야 하며 이는 장기적인 비점오염물질 유출에 관한 모니터링과 같은 기초조사연구가 절실히 요구된다. 특히 최근 들어 강우특성의 변화는 불확실성이 높은 비점오염원 관리에 영향을 미치기에 장기적인 연구가 필요하다. 그러나, 비점오염원 유출 조사는 실측 자료를 기반으로 한 연구 분야이기에 현장조사 즉, 모니터링이 기본적으로 수행되어야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
토지이용의 고도화에 따른 영향은?
토지이용의 고도화는 불투수면의 증가로 비점오염원 유발 및 자연적인 물순환 체계를 위협하며 수생태계에 악영향을 미친다. Liu(2013)에 의하면 도시지역에서 불투수면적률이 10%이상 일 때 수질이 악화되고 30%에 달하면 수 생태계가 파괴되는 것으로 조사되었다.
SMC이란?
문헌에 따르면 비용·효율적인 모니터링 횟수를 추정하기 위한 방법으로 지역평균농도(Site mean concentration; SMC)를 이용한 방법이 제안되고 있다. SMC를 이용한 방법은 유량 가중평균농도(Event mean concentration; EMC) 분포 및 대푯값을 추정하기 위한 가장 일반적인 방법으로 EMC를 단순 산술 평균하여 산정되며, 비용과 불확실성을 고려한 최소한의 강우사상 횟수를 결정할 수 있는 것으로 알려져 있다(Mourad et al., 2005; May and Sivakumar, 2009; Maniquiz-Redillas et al.
모든 유역 또는 토지이용에서 적용 가능한 일반화된 모니터링 횟수 산정을 위한 불확실성을 줄이기 위해서는 어떻게 해야하나?
따라서 현재의 연구결과들을 바탕으로 높은 불확실성으로 인해 모든 유역 또는 토지이용에서 적용 가능한 일반화된 모니터링 횟수를 명확히 제시하기는 어려운 실정이다. 그러므로 더 많은 모니터링 결과를 축적할 경우 토지이용을 대표 할 수 있는 SMC 추정값에 가까워질 수 있음을 의미한다. 그럼에도 불구하고 시간과 비용의 제약으로부터 최소한의 모니터링 횟수를 파악하기 위한 방법으로 SMC 를 이용한 방법은 적절한 것으로 판단된다.
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