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문제 정의
- 본 연구는 총량관리를 위한 기준유량 산정 및 목표수질 평가 등을 위해서는 하천 유량조건별 분석이 선행되어야 하며, 이를 위해서는 단위유역별 유황곡선을 작성하여야 한다. 본 연구는 2차 기간(2015년)이 끝나고 3차 오염총량 관리가 시작되는 해(2016년)를 맞아 지금까지 구축된 장기 실측자료를 이용한 보다 간편한 통계기법(확장법)으로 총량관리 유황곡선을 작성할 수 있는 방법을 제시하고자 하였다.
- 본 연구에서는 낙동강수계 41개 단위유역을 대상으로 하천유량 측정망과 총량유량 측정망 사이의 연계성을 분석하여 단위유역의 장기유황곡선 작성을 위한 일유량 산정 회귀식을 도출하여 간편하게 총량관리 유황곡선을 작성할 수 있는 방법론을 제시함으로써 총량관리 발전을 위한 기초자료를 제공하고자한다.
- 총량관리 유황곡선을 적성하기 위해서는 먼저, 기존 하천유량측정지점에 대한 현황을 검토한다. 이것은 단위유역 내에 몇 개의 유량측정지점이 어디에 위치하여 연도별로 어떻게 유량이 측정되고 있는가를 파악하기 위한 것이다. 둘째, 유량측정지점에 대한 현황을 검토한 후, 유량이 정상적으로 측정되었는지에 대한 유량 측정상태를 검토한다.
- 총량관리 목표수질 평가 및 분석 등에 활용하기 위해서는 계획기간동안에 나타날 수 있는 전체 유량조건을 파악하여야하므로 모든 유량조건을 포함하는 전기간 유황곡선을 작성하여야 한다. 전기간 유황곡선은 오염총량관리 기본방침의 기준유량 산정시와 같이 과거 10년간의 유량으로 작성하는 것이 타당할 것으로 판단되며, 따라서 본 연구에서는 유량측정자료의 장기간의 확보가이루어짐에 따라 2015년까지 축척된 총 12년간의 유량자료를 이용하여 작성하였다.
제안 방법
- 따라서 목표수질 달성여부 등을 평가할 경우에는 하천 유량변화에 따른 수질영향을 고려하여 평가하여야 한다. 기준유량을 설정하거나 목표수질 등을 평가하기 위해서는 총량관리 단위유역별 유량변화를 분석한다. 하천의 전체 유량조건에 대한 유량변화를 분석하기 위한 방법으로서 유황곡선(Flow Duration Curve, FDC) 기법이 있다.
- 낙동강수계 41개 단위유역에 대한 총량관리 유황곡선은 부분계측자료(환경부)와 연속계측자료(국토부) 사이의 회귀분석을 통하여 일유량 추정식과 상관정도(상관계수와 결정계수)를 산정하고, 이 식으로부터 일유량을 추정하여 총량관리 단위유역별 유황곡선을 작성하였다. 이를 이용 각 단위유역별 연도별 유황 곡선과 전기간 유황곡선을 작성하여 제시하였다.
- 셋째, 유량측정상태를 검토하며, 적합성 기준에 부합되는 지점이 나타날 때까지 이 과정을 반복한다. 넷째, 유량 측정상태가 정상적이라고 판단되면 총량관리 단위유역의 8일 간격 유량측정자료와의 사이에 회귀분석을 실시한다. 이때 회귀식은 총량관리 유량측정지점과의 유량변화 관계 등을 검토하여 적합한 식을 선정한다.
- 이것은 단위유역 내에 몇 개의 유량측정지점이 어디에 위치하여 연도별로 어떻게 유량이 측정되고 있는가를 파악하기 위한 것이다. 둘째, 유량측정지점에 대한 현황을 검토한 후, 유량이 정상적으로 측정되었는지에 대한 유량 측정상태를 검토한다. 유량 측정상태의 적합성 기준은 연도별 유량관측 누락일수 및 동일 유량측정일수 등을 정하여 검토한다.
- 오염총량관리 기본방침에는 과거 10년간 평균평수량 또는 평균저수량을 기준유량으로 사용하도록 규정되어 있다. 본 연구에서는 현재까지 축척된 12년간의 총량관리 단위유역 유량자료를 이용하여 연도별 유황곡선을 대수 선형회귀 추정식을 이용하여 작성하였다. Fig.
- 그 이유는 낙동강수계 단위유역의 유량변화 패턴이 대수변환값에서 직선형으로 나타났기 때문이다. 연도별 유량측정 상태 등을 검토하여 정상적이지 않은 유량자료는 이상치로 처리하였으며, 각 지점에 따라 최소 4년에서 최대 12년 동안의 유량자료를 사용하였다. Table 1은 살펴보면, 낙본A 등 11개 지점은 1ㆍ2차 총량관리 전 기간인 12년간의 유량자료를 사용하였으며, 위천A 등 4개 지점은 10~11년간의 유량자료, 반변A 등 19개 지점은 6~9년간 유량자료, 낙본C 등 7개 지점은 5년 미만의 유량자료를 사용하여 회귀분석을 실시하였다.
- 이를 이용 각 단위유역별 연도별 유황 곡선과 전기간 유황곡선을 작성하여 제시하였다. 연도별 유황곡선으로부터 주요 유황시기별 기준유량(풍ㆍ평ㆍ저ㆍ갈수량)을 산정하였으며, 전기간 유황 곡선으로부터 초과확률에 따른 순위유량(5ㆍ25ㆍ50ㆍ75ㆍ95%)을 산정하여 제시하였다.
- 낙동강수계 41개 단위유역에 대한 총량관리 유황곡선은 부분계측자료(환경부)와 연속계측자료(국토부) 사이의 회귀분석을 통하여 일유량 추정식과 상관정도(상관계수와 결정계수)를 산정하고, 이 식으로부터 일유량을 추정하여 총량관리 단위유역별 유황곡선을 작성하였다. 이를 이용 각 단위유역별 연도별 유황 곡선과 전기간 유황곡선을 작성하여 제시하였다. 연도별 유황곡선으로부터 주요 유황시기별 기준유량(풍ㆍ평ㆍ저ㆍ갈수량)을 산정하였으며, 전기간 유황 곡선으로부터 초과확률에 따른 순위유량(5ㆍ25ㆍ50ㆍ75ㆍ95%)을 산정하여 제시하였다.
- 이와 같은 조건을 전제로 하여 총량관리 단위유역에서 측정하는 8일 간격의 유량측정자료와 인근지역에 위치한 기존 하천 유량측정지점(자료의 신뢰성, 축적도 면을 고려할 시 최대 상관성을 나타내는 일유량 비교지점)에서 측정한 일단위 유량측정자료 사이에 회귀분석을 실시하고 이 회귀분석으로부터 도출된 관계식에 의하여 일단위 유량을 추정하고 이 자료를 이용하여 유황곡선을 작성하였다.
- 또한 12년 중 10~11년간 측정된 지점은 4개 지점, 6~9년간 측정된 지점은 19개 지점, 5년 미만 측정된 지점은 7개 지점으로 조사되었다. 일유량 비교지점 선정기준은 우선 수문학적 연계지점인 하천유량측정 지점들의 연속유량측정상태를 기준으로 1ㆍ2차 기준 유량 측정기간 동안 장기간의 연속유량측정자료를 확보할 수 있으며, 추후 자료 연장이 지속적으로 이루어질 수 있는 지점으로 선정하였으며, 일유량 비교지점 기준에 부합한 지점을 대상으로 총량관리 유량측정지 점과의 사이에 대수변환 선형회귀분석을 실시하였다. 통상적으로 상관계수(R)의 절대값이 0.
- 총량관리 단위유역의 8일 간격 유량측정자료와 기존 하천 유량측정지점의 일단위 유량측정자료를 비교하여 일유량 추정식을 도출하고, 이 일유량 자료를 바탕으로 총량관리 단위유역에 대한 유황곡선을 다음과 같은 절차에 따라 작성한다.
- 총량관리 유황곡선을 적성하기 위해서는 먼저, 기존 하천유량측정지점에 대한 현황을 검토한다. 이것은 단위유역 내에 몇 개의 유량측정지점이 어디에 위치하여 연도별로 어떻게 유량이 측정되고 있는가를 파악하기 위한 것이다.
- 유량측정은 수질오염공정시험법의 하천유량측정 방법과 수문관측매뉴얼 등에 일반적인 유량측정방법을 준용하였다. 특히 유량측정기준은 하천유량측정지침(2004)에서 제시하는 등유량 5%내의 측선배분, 최소측정시간 40 sec 이상, 0.2 m/sec 미만 저유속일 경우 120 sec 이상 등의 지침을 최대한 준수하여, 각 측정지점의 하상 및 하천지형학적 특성에 적합하도록 구간을 구획하여 대상 지점에서의 수심과 하폭을 측정하고, 유속도 상기의 자료에 준하여 측선구간을 배분하여 회전식 유속계(Price AA, LV and PG type)를 이용하여 도섭법과 추내림을 이용한 교량법으로 측정하여 실측유속과 단면적으로 유량을 산정함으로써 신뢰수준 95%에서 평균 5% 내외의 불확실도를 가진 신뢰도 높은 유량측정 성과를 확보하였다. 조사대상지점의 유량은 유속계를 이용한 실측을 원칙으로 하되 조사지점의 수리적, 지형학 특성(접근성) 및 기존 생산 자료의 활용성 등에 따라 유량산정 방법이 다른 지점이 일부 포함되어 있다.
대상 데이터
- 연도별 유량측정 상태 등을 검토하여 정상적이지 않은 유량자료는 이상치로 처리하였으며, 각 지점에 따라 최소 4년에서 최대 12년 동안의 유량자료를 사용하였다. Table 1은 살펴보면, 낙본A 등 11개 지점은 1ㆍ2차 총량관리 전 기간인 12년간의 유량자료를 사용하였으며, 위천A 등 4개 지점은 10~11년간의 유량자료, 반변A 등 19개 지점은 6~9년간 유량자료, 낙본C 등 7개 지점은 5년 미만의 유량자료를 사용하여 회귀분석을 실시하였다. 분석결과 낙동강수계의 낙본A 등 8개 지점(평균 결정계수 = 0.
- 낙동강 수계 내 일유량 비교지점으로 총 45개 지점을 검토하였으며 최종적으로 환경부 유량측정지점과 최종 비교지점으로 37개 지점이 선정되었다. 선정된 지점들에서 2004년부터 2015년까지 총 12년 연속유량 자료를 확보할 수 있는 지점은 11개 지점으로 조사되었다.
- 본 연구의 대상유역은 낙동강수계 총량관리 지역으로 유역면적은 약 23,817 km2이고 유로연장이 521.5 km로서 남한 국토의 1/4를 차지하고 있으며, 토지이용현황은 산지가 67.5%, 목초지가 0.9%, 농경지가 23.5%, 대지가 4.0%, 나지가 1.3%, 수체 2.8%로 대부분의 토지이용은 산지와 농경지이다. 수계구간은 낙동강 발원지인 강원도 태백시(낙본A)로부터 낙동강하구언인(낙본M), 서낙동강 말단지점(낙본N)까지 총 41개의 총량관리 단위유역으로 구성되어 있으며, 각 단위유역 말단지점에서 2005년 1월부터 2015년 12월까지 총 12년간 측정한 평균 8일 간격의 유량자료(WIS, 2016)와 기존의 하천/댐/보 유량지점에서 생산된 일단위 유량자료(WAMIS, 2016)를 이용하였다.
- 낙동강 수계 내 일유량 비교지점으로 총 45개 지점을 검토하였으며 최종적으로 환경부 유량측정지점과 최종 비교지점으로 37개 지점이 선정되었다. 선정된 지점들에서 2004년부터 2015년까지 총 12년 연속유량 자료를 확보할 수 있는 지점은 11개 지점으로 조사되었다. 또한 12년 중 10~11년간 측정된 지점은 4개 지점, 6~9년간 측정된 지점은 19개 지점, 5년 미만 측정된 지점은 7개 지점으로 조사되었다.
- 8%로 대부분의 토지이용은 산지와 농경지이다. 수계구간은 낙동강 발원지인 강원도 태백시(낙본A)로부터 낙동강하구언인(낙본M), 서낙동강 말단지점(낙본N)까지 총 41개의 총량관리 단위유역으로 구성되어 있으며, 각 단위유역 말단지점에서 2005년 1월부터 2015년 12월까지 총 12년간 측정한 평균 8일 간격의 유량자료(WIS, 2016)와 기존의 하천/댐/보 유량지점에서 생산된 일단위 유량자료(WAMIS, 2016)를 이용하였다.
데이터처리
- 상관성의 적합성 기준은 기존 하천유량측정지점의 유량측정현황 등을 고려하여 적정수준의 상관계수값 또는 결정 계수 값 등으로 정한다. 최인접지점 또는 그 다음 인접지점의 상관계수 값 등이 적합성 기준에 부합되지 못하면 다른인접지점들을 대상으로 하여 다시 반복하여 유량 측정상태 검토 및 회귀분석을 실시한다. 회귀분석 반복회수는 단위유역 내 또는 인근 유량측정지점 수 등을 참고하여 적정하게 설정며, 모든 지점에서 적합성기준에 부합되지 못할 경우에는 검토지점 중 상관계수 등이 가장 높은 지점을 일유량 비교지점으로 선정한다.
- 낙동강수계 41개 단위유역의 8일 간격 유량자료와 일유량 비교지점의 일유량자료에 대한 대수 선형회귀분석결과는 Table 1과 같다. 회귀식은 두 지점간의 실제 자료에 대수변환 한 선형회귀식(Y=a+bX)을 사용하였다. 그 이유는 낙동강수계 단위유역의 유량변화 패턴이 대수변환값에서 직선형으로 나타났기 때문이다.
이론/모형
- 유량측정은 수질오염공정시험법의 하천유량측정 방법과 수문관측매뉴얼 등에 일반적인 유량측정방법을 준용하였다. 특히 유량측정기준은 하천유량측정지침(2004)에서 제시하는 등유량 5%내의 측선배분, 최소측정시간 40 sec 이상, 0.
성능/효과
- 낙동강수계 단위유역 중 남해안 연해의 간만조 수 위영향 및 염수피해를 막기 위해 설치운영 중인 서낙동강 녹산수문의 직접적인 영향을 받는 낙본N 지점의 유황분석결과인 Table 2, 3을 살펴본 결과 연도별유황분석 기준유량인 평수량(Ordinary, 초과확률 50.7%)이 0.000 m3/sec이고, 전기간 유황분석의 기준유량인 초과확률 50.0%과 0.000 m3/sec으로 분석되었다. 이를 Fig.
- 따라서 차기단계 기준유량 설정시 개선방향으로 10년 평균 유량범위 외에 모든 유량을 반영할 수 있는 전기간 유황곡선을 활용한 분석법을 이용한 특정일 기준(Q185, Q275)이 아닌 미 EPA에서 제시된 유황 구간 분류방법을 적용한 구간평균(평수기(40 60%), 저수기(60 80%))을 적용하여 특정일 기준의 불확실 성을 개선할 수 있는 것으로 판단된다. 이 분석법의 장점은 기준유량 조건에 대한 재검토시 각 유황구간별 분류하여 수질이 최대로 악화되는 유량구간을 분석하여 선정할 수 있다는 것이다.
- 7% 적게 산정되는 것으로 분석되었다. 또한 전기간별 기준유량 중 평수량은 2차 기준유량 대비최소 0.6%(황강B)에서 최대 278.4%(낙본A)까지 평균 48.3% 적게 산정되었고, 저수량은 최소 3.8%(남강A)에서 최대 206.1%(낙본A)까지 평균 38.1% 적게 산정되는 것으로 분석되었다.
- 특히 낙본N 단위유역의 기준유량을 살펴보면 2차기준유량 설정값과 본 연구에서 산정된 기준유량 값에 유의한 차이가 발생하는 것을 알 수 있다. 본 유역은 바다와 인접하여 간만조 영향으로 인한 염수피해를 막기 위한 녹산수문의 개ㆍ폐쇄의 영향으로 1년365일 중 171일(46.87%)정도 수문방류가 발생하지 않는 무방류 시기 0.000 m3/sec가 발생함에 따라, 녹산수문 방류량을 이용한 기준유량(평수량, 저수량)은 모두 0.000 m3/sec으로 분석되었다. 하지만 2차 기준유량은 낙동강에서 서낙동강으로 유입되는 대저수문 평균유입량과, 자체유출량 및 하수처리장 방류량 등을 고려한 유역분석을 통해 결정됨에 따라 두 기준값의 유의한 차이가 발생하는 것으로 판단된다.
- Table 4는 제2차 기준유량 설정연구NIER, 2006a)에서 산정된 낙동강수계 41개 단위유역별 기준유량(평수량, 저수량) 대비 본 연구에서 산정된 연도별, 전기간별 기준유량(평수량, 저수량) 산정결과에 대한 절대편차의 백분율(%)을 산정한 결과이다. 분석 결과, 연도별 기준유량 중 평수량은 2차 기준유량과 비교하여 최소 2.2%(회천A)에서 최대308.7%(낙본A)까지 평균 48.9% 적게 산정되었고, 저수량은 최소 0.5%(낙본I)에서 최대 272.0%(낙본A)까지 평균 38.7% 적게 산정되는 것으로 분석되었다. 또한 전기간별 기준유량 중 평수량은 2차 기준유량 대비최소 0.
- Table 1은 살펴보면, 낙본A 등 11개 지점은 1ㆍ2차 총량관리 전 기간인 12년간의 유량자료를 사용하였으며, 위천A 등 4개 지점은 10~11년간의 유량자료, 반변A 등 19개 지점은 6~9년간 유량자료, 낙본C 등 7개 지점은 5년 미만의 유량자료를 사용하여 회귀분석을 실시하였다. 분석결과 낙동강수계의 낙본A 등 8개 지점(평균 결정계수 = 0.617)을 제외한 총 33개 단위유역에서 결정계수 0.7 이상으로 나타나고 있으며, 이 지점의 평균 결정계수 값은 약 0.864로 나타났다. 이와 같은 결과로 볼 때, 총량관리 단위유역과 일유량 비교지점 사이에 상관성이 일정수준(0.
- 특히 낙본N 단위유역의 기준유량을 살펴보면 2차기준유량 설정값과 본 연구에서 산정된 기준유량 값에 유의한 차이가 발생하는 것을 알 수 있다. 본 유역은 바다와 인접하여 간만조 영향으로 인한 염수피해를 막기 위한 녹산수문의 개ㆍ폐쇄의 영향으로 1년365일 중 171일(46.
후속연구
- 이와 같은 오차결과는 동일한 10년 평균값을 이용하여 비교하지 않은 결과로 인한 차이 외에도 유역모형을 이용한 2차 기준유량 설정 연구시 기본 가정치들 (강수량, 댐방류량, 취수량 및 환경기초시설 방류량등등)의 불확실성과 2012년 이후 낙동강 8개보 준공으로 인한 2012년도 전ㆍ후의 급격한 물 환경변화의 영향이 클 것으로 판단된다. 따라서 차기 기준유량 설정 시에는 자연적ㆍ인위적 불확실성과 장래 계획유량등을 최대한 반영한 기준유량 설정방향이 마련되어야 할 것으로 판단된다. 특히 현행 기준유량 산정기준은10년 평균 일유량을 이용한 특정일 기준(Q185, Q275)에 해당하는 평수량과 저수량을 기준으로 목표수질 달성여부를 평가함에 있어 연도별 극한 기상변화 발생시 극대/극소 유황값에 대한 불확실성을 제대로 반영할 수 없을 뿐만 아니라 특정 유황일 기준의 유량 설정에 대한 변동성이 너무 커지는 문제점이 발생한다.
- 이와 같은 결과는 복잡한 모형들을 통해 구축된 각 수계별 1ㆍ2차 기준유량의 설정값들에 대한 타당성평가에 활용될 수 있을 것으로 판단되며, 또한 부하 지속곡선을 이용한 목표수질 평가 등 총량관리 시행과정에서 보다 편리하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 864로 나타났다. 이와 같은 결과로 볼 때, 총량관리 단위유역과 일유량 비교지점 사이에 상관성이 일정수준(0.7) 이상으로 분석되어, 본 논문에서 제안한 회귀식을 낙동강수계 총량관리 단위유역별 일유량 추정식으로 유용하게 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 하지만 2차 기준유량은 낙동강에서 서낙동강으로 유입되는 대저수문 평균유입량과, 자체유출량 및 하수처리장 방류량 등을 고려한 유역분석을 통해 결정됨에 따라 두 기준값의 유의한 차이가 발생하는 것으로 판단된다. 이와 같이 낙동강수계 중 자연유출량이 아닌 상 하류 수문 유입량과 방류량 등의 영향으로 하천 유량이 조절되는 호소형 하천의 경우, 유역분석을 통해 설정된 기준 유량과 완전히 다른 결과값을 제공하는 것을 알 수 있으며, 본 유역의 경우 기준유량 설정에 대한 논의 및 재검토가 필요할 것으로 판단된다.
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