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문제 정의
- 본 연구에서는 무심천 유역에서 2015년 현재 대규모 택지 개발사업이 진행되고 있는 월운천과 율량천 유역에 개발사업을 적용하는 시나리오를 작성하여 해당 유역의 불투수면 증가에 따른 BOD와 TP의 유출특성을 평가하기 위해 총오염부하량과 비점오염부하량의 변화를 모의하였다. 비점오염부하량은 보정과 검증이 완료된 HSPF 모형에서 오폐수량과 점오염부하량 값을 “0”으로 입력한 후 모형을 재구동하여 산정하였다.
- 본 연구에서는 충북 청주시를 관류하고 있는 무심천을 대상으로 HSPF(Hydrologic SimulationProgram-Fortran) 모형을 이용하여 유역 내 대규모 택지개발사업이 진행되고 있는 지역의 불투수면이 증가할 경우 비점오염물질의 부하량 변화를 분석하였다.
가설 설정
- 2013). 본 연구에서는 두 종류의 비점오염부하량을 구하였는데 첫 번째는 개발사업을 시행하기 전의 비점오염부하량이고, 두 번째는 개발사업이 완료되었을 때 점오염원은 개발 전과 동일하고 불투수면의 증가만이 있다는 가정 하에 얻은 비점오염부하량이다.
제안 방법
- 월운천과 율량천 유역에 택지개발사업을 반영하여 불투수면 비율의 변경에 따른 BOD와 TP의 오염부하량 변화를 모의하였다. 개발사업 전후의 오염부하량을 정확하게 산정하기 위해서는 해당 소유역 말단에서 유량과 수질의 보정 및 검증이 이루어져야 하지만 전술하였듯이 무심천 유역 내에는 HSPF 모형에 사용할 수 있는 유량과 수질 관측지점이 무심천 하류에 1개소씩 밖에 없어 해당 지점의 자료로부터 보정과 검증이 완료된 모형을 이용하였다.
- 또한 기상자료는 강수량, 기온, 이슬점온도, 운량, 일사량, 풍속, 증발산량 등 7개 항목의 시간단위 관측값을 입력한 후 「WDMUtil」 내의 「DisaggregateFunctions」 중 「Evapotranspiration」을 활용하여 증발산량을 생성하였다.
- 모형은 먼저 30 m×30 m의 수치표고모델(DigitalElevation Model, DEM)로부터 「Flow Direction」과「Flow Accumulation」을 계산하여 하천망을 생성시킨후 유역의 출구지점을 「outlet」으로 지정하여 구축하였다.
- 본 연구에 사용한 토지피복도는 7개 그룹으로 구분되는데 시가화·건조지역에 해당하는 토지이용 형태는 주거지역, 공업지역, 상업지역, 문화·체육·휴양지역, 교통지역, 공공시설지역 등으로 이들 지역은 HSPF 모형에서 대부분 불투수면으로 분류된다.
- 본 연구에서 수질의 보정과 검증은 오염총량관리단위유역인 무심A 말단에서 연간 40회 정도 측정한 수질자료를 이용하였으며, 수질항목은 현행 수질오염총량관리제의 대상물질인 BOD와 TP로 하였다. 대상 시기는 유량과 같이 2015년에 보정한 후 2014년 자료로 검증을 실시하였으며, 그 결과를 Figure 4~Figure 5에 도시하였다.
- 비점오염부하량은 보정과 검증이 완료된 HSPF 모형에서 오폐수량과 점오염부하량 값을 “0”으로 입력한 후 모형을 재구동하여 산정하였다.
- 사업지역인 월운천과 율량천 소유역의 비점오염부하량을 산정하기 위해 보정과 검증이 완료된 HSPF모형에서 오폐수량과 점오염부하량 값을 “0”으로 입력한 후 모형을 재구동하여 해당 지역의 비점오염부하량을 산정하였다(Lee et al. 2012; Kim et al.2013).
- 월운천과 율량천 유역에 택지개발사업을 반영하여 불투수면 비율의 변경에 따른 BOD와 TP의 오염부하량 변화를 모의하였다. 개발사업 전후의 오염부하량을 정확하게 산정하기 위해서는 해당 소유역 말단에서 유량과 수질의 보정 및 검증이 이루어져야 하지만 전술하였듯이 무심천 유역 내에는 HSPF 모형에 사용할 수 있는 유량과 수질 관측지점이 무심천 하류에 1개소씩 밖에 없어 해당 지점의 자료로부터 보정과 검증이 완료된 모형을 이용하였다.
- 청주시 관류하천인 무심천을 대상으로 유역 내 대규모 택지개발이 계획된 월운천과 율량천 소유역의토지피복 상태를 변경하여 불투수면이 증가할 경우오염물질의 유출에 어떤 영향을 미치는지 HSPF 모형을 이용하여 평가하였다. 모형의 보정은 2015년도관측치, 검증은 2014년도 관측치를 기준으로 하였고, 모의항목은 유량, BOD, TP를 대상으로 하였으며,모형의 보정 및 검증 결과는 모든 모의항목이 성공적으로 수행되었다.
- 택지개발사업 전후의 토지피복 상태와 2015년도의 강우사상 조건에서 모형을 재구동하여 일별 유량과 BOD, TP 농도를 구하였고, 유량과 농도를 곱하여 일별 총오염부하량을 산정하였다(Figure 8~Figure 9).
- 모형은 먼저 30 m×30 m의 수치표고모델(DigitalElevation Model, DEM)로부터 「Flow Direction」과「Flow Accumulation」을 계산하여 하천망을 생성시킨후 유역의 출구지점을 「outlet」으로 지정하여 구축하였다. 토지 이용정보는 환경부에서 2007년에 제작한중분류 토지피복도를 기반으로 2015년도의 지목별 토지이용현황 자료를 이용하여 무심천 전체 유역의 토지피복도를 수정한 후 모형 내의 Landuse and SoilDefinition Utility를 이용하여 추출하였다. 환경부의 중분류 토지피복도는 토지이용 형태에 따라 22개 항목으로 구분되어 있는데 본 연구에서는 HSPF 모형에 입력하기 위해 22개 항목을 시가화·건조지역(Urban orBuilt-up land), 농업지역(Agricultural land), 산림지역(Forest land), 초지(Pasture land), 습지(Wetland),나지(Barren land), 수역(Water) 등 총 7개 항목으로 재분류하였다.
- 환경부의 중분류 토지피복도는 토지이용 형태에 따라 22개 항목으로 구분되어 있는데 본 연구에서는 HSPF 모형에 입력하기 위해 22개 항목을 시가화·건조지역(Urban orBuilt-up land), 농업지역(Agricultural land), 산림지역(Forest land), 초지(Pasture land), 습지(Wetland),나지(Barren land), 수역(Water) 등 총 7개 항목으로 재분류하였다.
대상 데이터
- 모형의 보정은 2015년도관측치, 검증은 2014년도 관측치를 기준으로 하였고, 모의항목은 유량, BOD, TP를 대상으로 하였으며,모형의 보정 및 검증 결과는 모든 모의항목이 성공적으로 수행되었다. 모형에 사용한 토지피복도는 무심천 유역의 2015년도 토지이용 현황을 반영하여 수정 한 후 개발지역의 계획 위치와 면적을 적용하여 모의하였다. 모의 결과 일별 총오염부하량은 불투수면이증가하면 강우 시에는 개발사업 전보다 증가하고, 비강우 시에는 감소하는 결과를 얻었다.
- 청주시 관류하천인 무심천을 대상으로 유역 내 대규모 택지개발이 계획된 월운천과 율량천 소유역의토지피복 상태를 변경하여 불투수면이 증가할 경우오염물질의 유출에 어떤 영향을 미치는지 HSPF 모형을 이용하여 평가하였다. 모형의 보정은 2015년도관측치, 검증은 2014년도 관측치를 기준으로 하였고, 모의항목은 유량, BOD, TP를 대상으로 하였으며,모형의 보정 및 검증 결과는 모든 모의항목이 성공적으로 수행되었다. 모형에 사용한 토지피복도는 무심천 유역의 2015년도 토지이용 현황을 반영하여 수정 한 후 개발지역의 계획 위치와 면적을 적용하여 모의하였다.
- 무심천 유역 내 청주수위관측소의 2015년 유량자료를 이용하여 보정을 실시한 후 2014년 자료로 검증하였다(Figure 2~Figure 3). 보정 결과 유량의 결정계수(R2)는 0.
- 본 연구는 청주시를 관류하는 무심천을 대상으로 하였다. 무심천의 유역면적은 198.
- HSPF 모형을 보정 및 검증하기 위해서는 유량과수질의 관측 자료가 필요하다. 유량은 무심천 하류에 위치한 청주수위관측소의 2014~2015년도 일유량 자료를 이용하였고, 수질은 금강물환경연구소가2014~2015년도에 수질오염총량 단위유역 말단인무심A 지점에서 연간 40회 정도 측정한 BOD와 TP의 실측자료를 사용하였으며, 청주수위관측소와 무심A의 위치는 Figure 1에 표기하였다.
- 점오염부하량 자료는 2015년 오염원 자료로부터 산정한 배출부하량을 입력하였다. 배출부하량 자료중 생활계, 산업계, 매립계, 양식계는 최종 배출부하량을 입력하였고, 축산계는 비점오염원으로 구분되는 부하량은 제외하고 점오염원 부하량만을 사용하였으며, 토지계는 비점오염원이기 때문에 입력에서 제외하였다.
데이터처리
- 유량과 수질의 보정은 2015년, 검증은 2014년 자료를 이용하여 수행하였고, 모의 결과에 대한 적정성은 Donigan(2000)이 제안한 Table 1의 기준에 따라 유량은 결정계수(R2), 수질은 % difference 신뢰구간으로 평가하였다.
이론/모형
- 본 연구에 적용한 HSPF 모형은 BASINS(BetterAssessment Science Integrating Point and Nonpoint Sources)를 이용하여 구축하였다. HSPF 모형은 모형 사용자가 불투수면적률을 정의할 수 있고,유출은 투수면과 불투수면으로 구분하여 모의하도록 되어 있다.
성능/효과
- 그림에서와 같이 사업 후 BOD와 TP의 총오염부하량을 보면 강우 시에는 사업 전보다 증가하지만, 비강우 시에는 사업 전에 비하여 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 이유는 불투수면이 증가하면 강우 시지표유출량은 상승(Schueler, 1987)하는 반면 토양침투량은 줄어들어 비강우 시에는 유역 유출량이 감소하기 때문이다.
- 그림을 보면 BOD의 % difference에 의한 보정 결과는 “Good”이었고, 검증 결과는 “Very Good”이었으며, TP의 보정 결과는 “Very Good”, 검증 결과는 “Good”으로 평가되어 전반적으로 모의치가 실측치를 잘 반영하는 것으로 나타났다.
- 그림을 보면 총오염부하량 변화와 같이 비강우 시에는 비점오염부하량이 감소하지만 강우 시에는 급증하는 것을 볼 수 있다. 또한 개발 전의 총오염부하량과 개발 후의 비점오염부하량을 비교해 보면 전자에 비해 후자가 더 크다는 것을 알 수 있다. 이는 개발 전의점오염원이 동일하고, 불투수면만 증가한다는 전제에서 모의한 결과임에도 불구하고 개발 후의 비점오염부하량이 개발 전의 총오염부하량보다 크다는 것을 의미하기 때문에 불투수면이 급증하는 유역의 관리를 위해서는 계획 단계에서부터 저영향개발(LowImpact Development, LID)과 최적관리기법(BestManagement Practices, BMPs)의 적용이 필요하다는 것을 보여준다.
- 연간 총오염부하량은 강우 시 증가량이 비강우 시 감소량보다 월등히 많아 BOD와 TP의 연간 증가율은 월운천의 경우 80%와 69%이고, 율량천은 28%와 44%로 산정되었다. 또한 비점오염부하량은 개발 전의 점오염원이 동일하고, 불투수면만 증가한다는 전제에서 모의한 결과 개발 후의 비점오염부하량이 개발 전의 총오염부하량보다 크게 산정되어 불투수면이 급증하는 유역은 계획 단계에서부터 비점오염원의 관리대책이 필요한 것으로 나타났다.
- 모형에 사용한 토지피복도는 무심천 유역의 2015년도 토지이용 현황을 반영하여 수정 한 후 개발지역의 계획 위치와 면적을 적용하여 모의하였다. 모의 결과 일별 총오염부하량은 불투수면이증가하면 강우 시에는 개발사업 전보다 증가하고, 비강우 시에는 감소하는 결과를 얻었다. 연간 총오염부하량은 강우 시 증가량이 비강우 시 감소량보다 월등히 많아 BOD와 TP의 연간 증가율은 월운천의 경우 80%와 69%이고, 율량천은 28%와 44%로 산정되었다.
- 무심천 유역 내 청주수위관측소의 2015년 유량자료를 이용하여 보정을 실시한 후 2014년 자료로 검증하였다(Figure 2~Figure 3). 보정 결과 유량의 결정계수(R2)는 0.93로 모의치가 실측치를 잘 반영하는 것으로 나타났고, 검증 시 결정계수는 0.73으로서 보정 결과보다는 낮게 산정되었으나 유량에 대한 모형의 모의치가 유역의 강우사상을 잘 재현하고 있는 것으로 나타났다.
- 모의 결과 일별 총오염부하량은 불투수면이증가하면 강우 시에는 개발사업 전보다 증가하고, 비강우 시에는 감소하는 결과를 얻었다. 연간 총오염부하량은 강우 시 증가량이 비강우 시 감소량보다 월등히 많아 BOD와 TP의 연간 증가율은 월운천의 경우 80%와 69%이고, 율량천은 28%와 44%로 산정되었다. 또한 비점오염부하량은 개발 전의 점오염원이 동일하고, 불투수면만 증가한다는 전제에서 모의한 결과 개발 후의 비점오염부하량이 개발 전의 총오염부하량보다 크게 산정되어 불투수면이 급증하는 유역은 계획 단계에서부터 비점오염원의 관리대책이 필요한 것으로 나타났다.
- 2008)과 비슷한 결과를 얻었다. 하천별 BOD와TP의 연간 총부하량의 증가율은 월운천의 경우 80%와 69%이고, 율량천은 28%와 44%로 산정되었다. 월운천이 율량천보다 높은 증가율을 보이는 이유는 월운천의 유역면적과 개발면적이 더 넓고, 유역경사가 가파르며, 개발지역이 하류에 집중된 결과로 판단된다.
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