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문제 정의
- , 2016). 본 연구에서는 1, 2단계 수질오염총량관리제가 완료되고 3단계가 진행 중인 현재 섬진강수계 13개 단위유역 중 섬진강 상류에 위치한 제1 유입지류인 오수A(오수천) 단위유역을 대상으로 수질오염물질 정량화와 적정관리방안 도출을 위해 유량-오염부하량간 상관성을 분석하고 관계식을 통하여 오염원 및 부하지속곡선의 적용 가능성을 파악하였고, 토지이용형태와 관리대상항목간의 상관성 분석은 물론 8일 간격으로 측정된 유량자료를 활용한 FDC 및 LDC을 적용하여 다양한 유황조건에서의 목표수질 초과 여부를 통한 수체손상 정도를 파악하여 오수천의 현 수질 상태에 대한 명확한 자료를 제공하고자 하며, 아울러 손상된 유량구간 및 월별조건에 따른 적절한 최적관리시점을 제시함으로써 향후 오수천의 수질을 관리하는데 있어 도움이 되고자 한다.
- 본 연구에서는 섬진강수계의 수질오염총량관리 단위유역 말단지점인 오수A 지점에서 측정된 유량과 수질 값을 이용하여 유량 조건에 따른 총량관리 대상오염물질의 유출 특성과 목표수질 초과 분석을 통해 유량 구간 및 계절별 수체 손상정도를 파악하여 효율적인 수질관리를 위한 기초자료를 제공하고자 하는데 그 목적이 있으며 그 결과를 요약해 보면 다음과 같다.
제안 방법
- 하천유량은 강우에 영향을 많이 받으며 수질에 영향을 미치는 주요한 인자이다. 대상유역의 유역면적 평균강우량을 산정하기 위하여 티센망을 구축하였다.
- 따라서 연구기간인 2005년부터 2017년까지 13년간 실측자료가 축적된 오수A 단위유역 지점을 대상으로 그간 생산된 8일 간격의 실측유량자료만을 사용하여 최대유량에서 최소유량 순으로 배열한 누적유량지속곡선(Cumulative Flow Duration Curve: CFDC)를 작성하여 Fig. 7 에 도시하였다. 또한 작성한 유황곡선으로부터 X축의 초과일수백분율 10%(홍수량)에 해당하는 값과 40%(평수량), 60%(저수량), 90%(갈수량에 해당하는 값을 산정하여 Table 4 에 나타내었다.
- 토지이용형태는 하천의 수질에 많은 영향을 주기 때문에 하천의 수질을 관리하는데 매우 중요하다. 따라서 토지이용과 수질과의 상관성을 분석하고, 비점오염원과 같은 환경오염인자에 대한 해석을 위해 토지이용자료로 토지이용현황을 분석하였다. 대상유역의 토지이용현황을 파악하기 위해 환경부에서 제공하는 중분류 토지피복도를 이용하였다.
- 그 결과 값에 목표수질 기준값을 곱하면 부하지속곡선(Load Duration Curve, LDC)을 작성할 수 있다(식 (4)). 부하지속곡선 위에 수질 및 유량 자료를 이용하여 산정된 부하량을 나타냄으로써 해당 유역의 목표수질기준 준수여부를 판단할 수 있다.
- 분류는 시가지·교통지역(Urban), 산업지역(Industrial), 밭(Field), 논(Agriculture), 산림(Forest), 초지(Grass), 나지(Bare land), 습지(Watland), 수역(Waters)등 9가지 지목으로 분류 추출하였으며, 주거지역, 상업지역, 교통지역, 위락시설, 공공시설지역을 합쳐 시가지·교통지역(Urban)지역으로 통합하여 면적을 산정하였고, 과수원, 하우스재배지, 기타재배지역을 합쳐 밭(Field)지역으로 통합하였으며, 활엽수, 침엽수, 혼효림을 합쳐 산림(Forest)지역으로 통합하여 면적을 산정하였다.
- 보통 평가 기준 수질농도 값은 고시된 목표수질(Target Water Quality: TWQ) 농도 또는 물 환경측정망 운영계획에 고시된 중권역 수질목표 등급과 수질환경기준을 사용한다. 사용한 평가 기준 수질은 오수A 단위유역에 설정된 1,2,3 단계 수질오염총량관리 목포수질인 BOD 1.7mg/L와 TP 0.042 mg/L 값을 앞서 작성한 8일 간격 누적유량지속곡선에 적용하여 부하지속곡선을 작성하였다. 최근 다년간 축적된 실측유량자료를 활용해 부하지속곡선을 적용한 연구가 한강과 낙동강, 영산강을 대상으로 활발히 진행되고 있다(An et al.
- , 2016b). 오수A지점에서 13년(2005~2017)간 실측된 유량 및 수질자료를 이용하여일부하량을 계산하고, 측정된 유량값에 대응하는 초과유량백분율을 확인하여, 이에 해당하는 지점에 계산된 부하량을 도식화하였다(Fig. 8). 초과율 50%를 기준으로 실측자료의 초과율이 50% 이하인 경우 목표수질을 준수, 이상은 미준수하는 것으로 수체 손상정도를 분석하였다.
- 오수천 단위유역 말단 오수A 지점의 2005년부터 2017년까지 실측 유량(Flow)과 BOD, TP 수질자료를 이용한 부하량(Load)의 관계로부터 유출특성을 제시하였다(Fig. 4). 오수천을 대표하는 오수A 지점에서 BOD, TP의 결정계수는 각각 0.
- 일반적으로 0% - 10%는 홍수기 조건(HF), 10% - 40%는 풍수기 조건(MC), 40% - 60%는 평수기 조건(MF), 60% - 90%은 저수기 조건(DC), 90% - 100%는 갈수기 조건(LF)으로 구분하는데(Cleland, 2003), 본 연구에서도 13년간 유량자료를 최대유량에서 최소유량 순으로 배열하고, 초과일수를 백분율로 계산하여 누적유량빈도를 5개 구간으로 나누어 분석하였다(Table 5).
- 8). 초과율 50%를 기준으로 실측자료의 초과율이 50% 이하인 경우 목표수질을 준수, 이상은 미준수하는 것으로 수체 손상정도를 분석하였다.
대상 데이터
- 본 연구를 위한 유량 및 수질 자료는 환경부 물 환경정보시스템(WEIS, 2018)에서 오수A 단위유역 지점의 2005년 1월부터 2017년 12월까지 13년간 자료를 수집 이용하였고, 각 시·군 경계지점에서 2010년 하반기부터 관측을 시작한 소하천 모니터링 지점인 오수A1, 오수A2, 오수A3, 오수A4 4개 지점은2012년 1월부터 2017년 12월까지 6년간 자료를 수집 이용하였으며, 연구에 이용한 수질 항목은 수질오염총량 관리대상항목인 BOD, TP를 선정하여 분석을 수행하였다.
- 본 연구의 대상유역은 섬진강 상류로 유입되는 오수천(오수A 단위유역)으로 발원지부터 섬진강본류 합류점 전까지 유역의 유로연장은 35.7 km이며, 유역면적은 370.8 km2이다. 유역둘레는 106.
- 4). 오수천을 대표하는 오수A 지점에서 BOD, TP의 결정계수는 각각 0.74, 0.80로 나타나 유량과 BOD, TP 부하량과의 관계가 유의성이 높은 것으로 파악되었으며, 세부적으로 유역 내 오수천으로 유입되는 소하천 모니터링지점(2012년 ~ 2017년)의 유량과 부하량 상관분석 역시 같은 결과로 나타나 본 연구대상지역은 유량과 BOD, TP 부하량과의 관계가 높은 것으로 판단된다(Fig. 5). 선행된 연구결과에 따르면 결정계수(Coefficient of Determination, R2)가 0.
- 유역 인근에는 임실, 남원, 장수 3개 기상관측소가 위치해 있고, 티센 계수가 각각 0.542, 0.372, 0.086로 분석되었으며 최근 10년간 강우량자료를 수집하여 분석에 사용하였다. 오수천 유역은 4월부터 강우량이 증가하기 시작하여 여름철 장마기인 7월과 8월에 최고치인 359mm, 298 mm가 내렸고, 9월까지 강우가 집중되어 10년 평균 강우량인 1,317 mm의 약 59.
데이터처리
- 오수천 단위유역 지점과 유역 내 소하천지점의 BOD, TP 항목과 토지지목간의 상관분석은 SPSS statistical package tool을 이용하여 분석하였다. Table 3은 오수천 단위유역 지점과 4개 소하천 지점의 BOD, T-P항목의 평균 농도와 토지이용점유율에 따른 상관분석 결과를 나타낸 것이다.
이론/모형
- 따라서 토지이용과 수질과의 상관성을 분석하고, 비점오염원과 같은 환경오염인자에 대한 해석을 위해 토지이용자료로 토지이용현황을 분석하였다. 대상유역의 토지이용현황을 파악하기 위해 환경부에서 제공하는 중분류 토지피복도를 이용하였다. 분류는 시가지·교통지역(Urban), 산업지역(Industrial), 밭(Field), 논(Agriculture), 산림(Forest), 초지(Grass), 나지(Bare land), 습지(Watland), 수역(Waters)등 9가지 지목으로 분류 추출하였으며, 주거지역, 상업지역, 교통지역, 위락시설, 공공시설지역을 합쳐 시가지·교통지역(Urban)지역으로 통합하여 면적을 산정하였고, 과수원, 하우스재배지, 기타재배지역을 합쳐 밭(Field)지역으로 통합하였으며, 활엽수, 침엽수, 혼효림을 합쳐 산림(Forest)지역으로 통합하여 면적을 산정하였다.
성능/효과
- 3%)순으로 발생 하였다. BOD 배출 부하량은 총 4,468.9 kg/일이 배출되었으며, 이중 축산계 1,707kg/일(38.2%)와 토지계 2,094.1kg/일(33.2%)에서 기여하는 비율이 높았으며, 생활계는 570.6 kg/일(12.8%), 산업계 56.4 kg/일(1.3%)정도인 것으로 조사되었다. T-P 발생 부하량은 총 2,042.
- Fig. 9.에 도시한 결과를 함께 살펴보면 BOD는 저·갈수기 기간인 4월~6월에 초과율이 높게 나타나는 것으로 보아 유량조건별 분류와 일치하는 것을 볼 수 있으며, T-P는 저 갈수기를 제외한 전 기간인 4월~9월에 초과율이 높게 나타나는 것으로 보아 이 또한 유량조건별 분류방법과 일치하는 것으로 볼 수 있다.
- 3%)정도인 것으로 조사되었다. T-P 발생 부하량은 총 2,042.1 kg/일이 발생하였으며, 이중 축산계 1,874.4 kg/일(91.8%)가 압도적으로 크며, 토지계 121.4 kg/일(4.2%), 생활계 33.3 kg/일(1.6%), 산업계 10.9 kg/일(0.5%)순으로 나타났다. 오수천 중권역내 배출되는 T-P 배출 부하량은 총 268.
- T-P 오염부하량은 HF 홍수기 구간에서 초과율이 96.3%로 매우 높게 나타났고, 풍수기인 MC 구간에서도 50%를 초과한 것으로 조사되어 풍수기 기간에 관리가 필요한 것으로 나타났다.
- 7 mg/L 기준을 초과하지 않고 기준이하로 유지·관리되고 있는 것으로 조사되었다. TP의 전체 13년간 평균농도는 0.054 mg/L로 수질환경기준 Ⅱ(약간 좋음)등급의 수질을 보이는 것으로 나타났고, 목표수질 값인 0.042 mg/L 기준을 초과하여 평균 수질이 목표를 상회하는 것으로 분석되었다. 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS, 2018) 강우자료와 BOD, TP 농도 변화를 비교 분석한 자료를 Fig.
- 다시 말해 비 강우 시 목표수질 이하의 수질을 유지하다 강우에 의한 유량의 증가와 더불어 유출된 비점오염원에 의해 목표수질 기준을 초과한 것으로, 해당 유역에서는 점오염원 보다는 비점오염원의 영향이 지배적인 것으로 보여 진다. 따라서 오수A 단위유역에서는 점오염원과 함께 주변 토지계의 비점오염원에 대한 관리가 병행되어야 할 것으로 판단된다.
- 따라서 전체적으로 오수천에서 BOD, T-P 농도는 점오염원보다 비점오염원의 영향을 받고 있는 것으로 판단되어지며, 각 항목별로 유량이 미치는 영향은 T-P>BOD 순으로 크다는 것을 알 수 있었다.
- 일반적으로, 고유량 기간 동안에 발생되는 수질기준 초과의 경우는 비점오염원으로 인한 영향이며, 저유량 기간 동안 발생하는 수질기준 초과의 경우는 점오염원으로 인한 영향일 가능성이 크다고 할 수 있다(Nevada, 2003; Park and Oh, 2012). 또한 BOD는 전체 횟수 중 178회 31.9%가 초과하는 것으로 분석되어 목표수질을 달성한 것으로 나타났고, TP는 전체 횟수 중 279회 50.1%으로 목표수질을 초과한 것으로 분석되었다. 월별로 분석한 결과에서는 BOD가 저 갈수기간에 해당하는 4월~6월에 수체손상이 있는 것으로 나타났고, 특히 5월과 6월에 수체 손상이 심한 것으로 조사되었다(Table 6).
- 부하지속곡선(LDC)을 작성하여 분석한 결과 BOD는 전체적으로 초과율이 50% 이하로 목표수질을 준수하고 있는 것으로 나타났고, 월별로 초과율을 분석한 결과 갈수기인 4월~6월에 초과율이 높은 것으로 보아 앞서 유량-부하량 관계식과의 결과를 고려해 볼 때 간헐적인 강우의 초기 쓸림으로 인한 비점의 영향이 수반된 결과로사료된다. 반면 전체적으로 T-P는 초과율이 50.1%로 목표수질을 달성하지 못한 것으로 나타났으며, 월별로 초과율을 분석한 결과 5월과 6월 강우가 집중되는 홍수기인 7월~8월에 초과율이 매우 높게 나타나 그 원인 또한 비점오염원에 의한 영향이 크며 이러한 영향은 해당지역의 토지이용 점유율(경작지)과 관계가 깊다고 볼 수 있다.
- 부하지속곡선(LDC)을 작성하여 분석한 결과 BOD는 전체적으로 초과율이 50% 이하로 목표수질을 준수하고 있는 것으로 나타났고, 월별로 초과율을 분석한 결과 갈수기인 4월~6월에 초과율이 높은 것으로 보아 앞서 유량-부하량 관계식과의 결과를 고려해 볼 때 간헐적인 강우의 초기 쓸림으로 인한 비점의 영향이 수반된 결과로사료된다. 반면 전체적으로 T-P는 초과율이 50.
- 오수천 전체 면적 중 산림이 차지하는 면적비율이 59.1%로 가장 많은 비율을 차지하는 것으로 나타났고, 논과 밭이 차지하는 비율이 각각 22.5%, 10.4%로 비교적 많았으며, 산림을 제외하면 농경지 점유율이 높은 것으로 조사되었다. 토지이용에 따른 수질항목별 상관성은 산림을 제외한 시가지·교통지역, 논, 밭, 산업지역에서 모두 양의 상관성을 보였다.
- 오수천 전체 면적 중 산림이 차지하는 면적비율이 59.1%로 가장 많은 비율을 차지하는 것으로 나타났고, 논과 밭이 차지하는 비율이 각각 22.5%, 10.4%로 비교적 많았으며, 시가지·교통지역은 3.1%로 적은 면적을 차지하는 것으로 나타났다.
- 1%으로 목표수질을 초과한 것으로 분석되었다. 월별로 분석한 결과에서는 BOD가 저 갈수기간에 해당하는 4월~6월에 수체손상이 있는 것으로 나타났고, 특히 5월과 6월에 수체 손상이 심한 것으로 조사되었다(Table 6). TP는 5월과 장마가 시작되는 6월, 강우가 집중되는 7월과 8월에 초과율이 96.
- 유량-부하량 관계식을 작성한 결과 BOD와 T-P의 유량 지수가 모두 1보다 큰 것으로 보아 해당유역은 유량이 증가함에 따라 수질오염물질의 농도가 증가하는 모습을 보였다. 이는 해당 단위유역이 점오염원에 비해 비점오염원에 의한 영향을 더 받는 것으로 볼 수 있다.
- 유량구간별 오수A BOD 오염부하량과 관리목표 초과빈도를 분석한 결과 LF 갈수기 구간에서 관측자료 56개 중 29개가 초과하여 초과율 51.79%로 높게 분석되었으며, HF의 홍수기 구간에서도 49.1%로 초과기준에 근접하게 나타났고 부하량의 편차도 높은 분포를 보였으며,그 이외 구간의 초과율은 22.5%~29.3%로 낮게 초과한 것으로 조사되었다. T-P 오염부하량은 HF 홍수기 구간에서 초과율이 96.
- 9%)순으로 나타났다. 이를 종합해보면 오수천 유역 내에서 BOD, T-P오염원의 기여율은 축산과 토지에서 가장 크게 기여하고 있는 것으로 나타났다(Fig. 3)(JREA, 2011).
- 총량관리 항목인 BOD의 전체 13년간 평균농도는 1.5 mg/L로 수질환경기준 Ⅰb(좋음)등급의 아주 양호한 수질을 보이는 것으로 나타났고, 목표수질 값인 1.7 mg/L 기준을 초과하지 않고 기준이하로 유지·관리되고 있는 것으로 조사되었다.
- 토지이용에 따른 수질항목별 상관성은 산림을 제외한 시가지·교통지역, 논, 밭, 산업지역에서 모두 양의 상관성을 보였다.
- 5%로 나타났다. 특히 BOD, TP 두 항목 모두 월별 초과율 분석결과 홍수기 이후 가을철부터 겨울철에 초과빈도가 최저치로 낮아졌고, TP는 몬순기후의 영향으로 강우가 증가하는 여름철에 초과빈도가 최고치로 높아지는 경향을 보이는 것으로 분석되었다.
- 특히 BOD는 시가지·교통 지역과 밭에 대해 양의 상관성이 높게 나타났으며, TP의 경우 밭의 지목과 상관성이 0.710으로 높게 나타나 이는 유역의 토지이용특성이 하천수질에 영향을 주는 하나의 중요한 요인임을 제시하는 결과이다.
- 오수천 상류 인근 유역에 축산오염원이 대부분 집중되어있는 것으로 조사되었다. 폐수 배출업소 수는 23개소로서, 1, 2종은 없으며, 3종이 2개소, 4종이 1개소이고, 5종이 20개소로 전체배출업소의 86.9%를 차지하고 있고, 폐수발생량은 2,492 m3/일로 나타났으며, 오수천 중류 유역에서 가장 많이 발생하는 것으로 조사되었다. 임야의 비율이 63.
후속연구
- 또한 오염원 추적과 관리를 위해서는 고빈도의 실측자료 확보 및 수체 손상 분석 방법 개발과 지속적인 오염원저감 연구가 필요 할 것으로사료된다. 그리고 8일 간격 누적유량지속곡선을 적용한 이번 연구의 결과가 수질문제를 해결하기 위한 분석 도구로 활용 가능할 뿐만 아니라 관리 대상 유역에서 효율적인 수질관리 방안을 마련하는데 유용한 자료로 활용되어 질 수 있을 것으로 기대된다.
- 오수A 지역은 경작지 비율이 넓고, 미처리하수인구가 많으며, 하수도 보급률이 낮고, 축사 및 축산계 배출 부하량이 많은 유역으로, 우선 미처리 하수인구에 대해 하수도 보급률을 높여 차집을 통한 점오염원의 영향을 줄이고, 풍수기는 토양침식조절 프로그램과 수변식생대 조성, 갈수기에 산발적 강우를 고려한 인공습지 둥과 같은 비점 저감시설 조성을 통해 관리유역에서 배출되는 오염물질이 하천으로 유입되는 것을 최대한 억제하는 방안 등이 적정할 것으로 판단된다. 또한 오염원 추적과 관리를 위해서는 고빈도의 실측자료 확보 및 수체 손상 분석 방법 개발과 지속적인 오염원저감 연구가 필요 할 것으로사료된다. 그리고 8일 간격 누적유량지속곡선을 적용한 이번 연구의 결과가 수질문제를 해결하기 위한 분석 도구로 활용 가능할 뿐만 아니라 관리 대상 유역에서 효율적인 수질관리 방안을 마련하는데 유용한 자료로 활용되어 질 수 있을 것으로 기대된다.
- 오수A 지역은 경작지 비율이 넓고, 미처리하수인구가 많으며, 하수도 보급률이 낮고, 축사 및 축산계 배출 부하량이 많은 유역으로, 우선 미처리 하수인구에 대해 하수도 보급률을 높여 차집을 통한 점오염원의 영향을 줄이고, 풍수기는 토양침식조절 프로그램과 수변식생대 조성, 갈수기에 산발적 강우를 고려한 인공습지 둥과 같은 비점 저감시설 조성을 통해 관리유역에서 배출되는 오염물질이 하천으로 유입되는 것을 최대한 억제하는 방안 등이 적정할 것으로 판단된다. 또한 오염원 추적과 관리를 위해서는 고빈도의 실측자료 확보 및 수체 손상 분석 방법 개발과 지속적인 오염원저감 연구가 필요 할 것으로사료된다.
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