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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 환경부에서 운영하고 있는 수질측정망에서 관측된 하천 유량 및 수질자료를 이용하여 LDC를 작성하고, 유량조건별 수질특성을 평가하여 비점오염원 관리가우선적으로 필요한 지역을 도출하고 관리목표를 설정하는 방법을 제안하고자 한다.
- LDC 분석을 위해 총량측정지점 중 120지점은 수질오염총량관리제도의 목표수질을 이용하였으며, 목표수질이 설정되어 있지 않은 24개의 총량측정지점 및 142개의 일반측정지점의 경우 관측 수질의 60 percentile에 해당하는 값을 목표수질로 설정하였다. 목표수질이 설정되어 있지 않은 수질항목인화학적 산소요구량 (chemical oxygen demand, COD)에 대해서도 관측된 수질측정 값의 60 percentile에 해당하는 값을 목표 수질로 설정하였다. 설정된 목표수질은 하천 생활환경기준에 따라 매우좋음 (Ⅰa)을 최소치로, 약간좋음 (Ⅱ)을 최대치로 제한하였다.
- 본 연구에서는 LDC를 이용하여 수질오염 발생 우려지점의 유형 분류 및 비점오염원 우선관리지점 선정을 위해 수집된 수질 및 유량 자료를 기반으로 LDC를 작성하고, LDC 분석 결과를 기반으로 하여 3단계로 분석하였다 (Fig. 3). 1단계에서는 설정된 목표수질을 초과하는 지점을 도출하였고, 2단계에서는 1단계에서 도출된 목표수질 초과지점 중에서 목표 수질이 하천 생활환경기준 좋음 (Ⅱ)을 초과하는 수질오염 발생우려지점을 도출하였다.
- 본 연구에서는 효과적인 수질오염을 관리하기 위해서 비점오염원이 원인이 되는 지점과 관리대상유역을 우선적으로 선정하였으며, 장기적인 측면에서의 관리대상 물질에 대한 목표저감율을 제시하였다. 비점오염원의 관리목표를 달성하기 위해서는 시가화 및 농업지역 특성에 맞는 관리기법을 적용하여 비점오염물질을 효과적으로 관리할 필요가 있다.
제안 방법
- 1단계에서는 목표수질을 초과하는 지역을 선정하기 위해고유량 (0%∼40%) 및 저유량 (40%∼100%)에서의 부하량 특성에 따라 Table 2와 같이 유량구간별 6개의 유형 (A∼F)으로구분하였으며, 6개 유형에 해당하는 지역을 목표수질 초과 지역으로 선정하였다.
- 2) LDC를 이용하여 비점오염원 관리를 위한 우선관리지점을 도출하기 위해 3단계 방법을 이용하였다. 1단계에서는 6개의 유형 (A∼F)에 한 개 이상 해당하는 지점이며, 2단계에서는 하천생활환경기준을 이용하여 수질오염 발생 우려지점을 선정하였고, 3단계에서는 주요 오염발생 원인 (점/비점, 비점)에 따라 분류하였다.
- LDC 분석을 통해 선정된 비점오염원 우선관리지점을 대상으로 관리물질에 대한 관리목표를 분석하였다. YHC2,GSC1, USC, PSC, JSC1, PYJC-1 지점의 관리물질은 COD로 분석되었으며, BGC, GHG2A, MSC, SAC, BGC1, SNC,WPC3, JEC4, MBC, GMWC2-1, JWC, HP, PYJC 지점은 T-P,BC1와 BC2 지점의 관리물질은 COD 및 T-P로 분석되었다.
- LDC에서 유량 구간의 구분은 초과유량확률에서 0%∼10%는 홍수기 조건 (high flows), 10%∼40%는 풍수기 조건(moist conditions), 40%∼60%는 평수기 조건 (mid-range),60%∼90%는 저수기 조건 (dry conditions), 90%∼100%는 갈수기 조건 (low flows) 등 5개로 분류하였다.
- 관리목표는 목표저감율을 달성하는 것으로 설정하였으며, 목표저감율은 홍수기 조건 (0%∼10%)구간과 풍수기 조건 (10%∼40%)구간으로 구분하였다.
- 따라서 본 연구에서는 사전연구 결과 (Jung et al., 2011;Kim et al., 2015a)와 최우선 관리 지점 선정의 목적을 위해 비점오염원에 의해 영향을 받는 고유량 구간을 0%∼40%로,점오염원에 의해 영향을 받는 저유량 구간을 40%∼100%로 구분하였다.
- 수질오염총량지점 및 주요 수질측정 지점에 대해서는 목표수질이 설정되어 있다. 목표수질이 설정되어 있지 않은 지점의 목표수질을 설정하기 위해서 목표수질이 설정되어 있는 지점의 수질특성을 분석하였다. 수질오염총량관리 및 하천 수질관리를 위한 수질항목인 생물학적 산소요구량(biochemical oxygen demand, BOD) 및 총인 (total phosphorus,T-P)에 대한 자료 (2011∼2015)를 수집하여 백분위 (percentile) 분석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 각 수질측정지점에 대해 LDC를 작성하기 위해 우선 수집된 유량자료를 이용하여 유량지속곡선 (Flow Duration Curve; FDC)을 작성하였으며, 그 결과에 목표수질을 곱하여 LDC를 작성하였다 (Fig. 1). 작성된 LDC 위에 실측 유량 및 수질자료를 이용하여 실측 결과에 대응하는 부하량을 도식하여 유량변화에 따른 변화특성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 부하지속곡선 (Load Duration Curve; LDC)을 이용하여 비점오염원 관리가 우선적으로 필요한 지점과, 관리물질에 대한 관리목표를 설정하였다.
- 2). 본 연구에서는 설정된 목표수질의 분석결과를 고려하여 관측수질의 60 percentile을 목표수질로 설정하였다.
- 2단계에서는 수질오염 발생 우려지점을 선정하기 위해서 Table 3과 같이 3가지 기준으로 설정하였다. 수질오염 발생우려지점은 기준 1 및 기준 2 조건에 해당하는 지점이며, 3단계에서는 기준 3 조건에 따라 2단계에서 도출한 지점을 구분하여 도출하였다. 기준 1은 수질항목 (BOD, T-P, COD)에 대한 5년 (2011∼2015) 평균수질이 하천생활환경기준 Ⅱ등급(BOD: 3 mg/L, T-P: 0.
- 수질오염총량관리 및 하천 수질관리를 위한 수질항목인 생물학적 산소요구량(biochemical oxygen demand, BOD) 및 총인 (total phosphorus,T-P)에 대한 자료 (2011∼2015)를 수집하여 백분위 (percentile) 분석을 실시하였다.
- 1). 작성된 LDC 위에 실측 유량 및 수질자료를 이용하여 실측 결과에 대응하는 부하량을 도식하여 유량변화에 따른 변화특성을 분석하였다. FDC작성을 위해서는 전 기간 일별 유량자료를 이용하는 것이 바람직하지만 현실적 여건 등으로 인해 수질측점지점과 같이 일별 측정 자료의 확보가 힘든 경우 8일 간격 유량 자료가 다년간 축적될 경우 실측자료가 하천의 전체 유량 빈도를 대변할 수 있어 FDC 작성 및 LDC 분석을 위해 국내의 경우 8일 간격의 실측자료가 이용되고 있다 (Hwang et al.
- 첫 번째 유형은 저유량 구간 초과율이 50% 초과될 경우에는 점 및 비점오염원에 의한 수질오염 발생 우려지점으로, 두 번째 유형은 저유량 구간 초과율이 50% 이하일 경우에는 비점오염원에 의한 수질오염 발생우려지점으로 구분하였다.
대상 데이터
- 1) 수질측정지점 286지점 (총량측정지점 144지점 및 일반측정지점 142지점)을 대상으로 5개년 (2011∼2015년) 유량 및 수질 자료와 목표수질을 이용하여 LDC를 작성하였다.
- LDC 분석을 위해 총량측정지점 중 120지점은 수질오염총량관리제도의 목표수질을 이용하였으며, 목표수질이 설정되어 있지 않은 24개의 총량측정지점 및 142개의 일반측정지점의 경우 관측 수질의 60 percentile에 해당하는 값을 목표수질로 설정하였다. 목표수질이 설정되어 있지 않은 수질항목인화학적 산소요구량 (chemical oxygen demand, COD)에 대해서도 관측된 수질측정 값의 60 percentile에 해당하는 값을 목표 수질로 설정하였다.
- LDC 작성을 위해서는 유량 및 수질 자료가 필요하며, 본연구에서는 국가수질측정망에서 2011년부터 2015년까지 5년 동안 조사된 유량 및 수질자료를 이용하였다. 수질측정지점은 총량측정지점 및 일반측정지점으로 구분되어 운영되고 있다.
- Table 6은 비점오염원 우선관리지점에 대한 관리유역 및 토지이용도 현황을 나타낸다. 관리대상유역은 산림을 제외하고 농업 및 시가화지역으로 분석되었다. 관리대상유역의 농업지역은 대부분 20% 이상으로 농경지에서 발생하는 비점오염물질에 대하여 관리가 필요하며, 10% 이상 해당되는 시가화 지역에서도 불투수면 유출 특성을 고려한 비점오염원 관리가 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 한강 66지점, 낙동강 100지점, 금강 60지점, 영산강⋅섬진강 60지점 등 총 286지점에 대해 수질 및 유량자료를 물환경정보시스템(http://water.nier.go.kr/)을 통해 수집하였다.
- 비점오염원 관리를 통하여 수질개선을 위해서는 2단계에서 도출된 모든 지점을 우선관리 대상지점으로 지정하여 관리할 수 있지만, 효율성 및 재원을 고려한다면 점 및 비점오염원에 의한 수질오염 발생 우려지점은 점원 관리가 우선적으로 이루어질 필요가 있으므로, 본 연구에서는 점원오염이 아닌 비점오염원에 의해서 수질오염 발생 우려가 있는 21지점을 최종적으로 우선관리 대상지점으로 선정하였다.
- 비점오염원 우선관리 대상지점에서 관리물질은 고유량(0%∼40%) 구간에서 관측부하량이 기준부하량 LDC를 50%초과되는 수질요소를 선정하였으며, 관리목표는 목표저감율을 달성하는 것으로 설정하였다.
- 비점오염원 우선관리지점에 대한 관리유역은 효과적인 비점오염원 관리를 위하여 한국 수자원단위지도의 최소단위인 표준단위유역을 기준으로 선정하였으며, 21지점에 대한 관리유역은 24개의 표준단위유역으로 분석되었다. Table 6은 비점오염원 우선관리지점에 대한 관리유역 및 토지이용도 현황을 나타낸다.
- 유량 및 수질이 측정되고 있는 286지점에 대하여 LDC를 작성하였다. 작성된 LDC를 기반으로 1∼3단계를 거쳐 비점오염원 관리가 필요한 지점을 선정하였다.
- 총량측정지점은 144지점으로 수질 및 유량이 8일 간격으로 측정된다. 일반측정지점의 경우 699지점 중 유량이 측정되는 지점은 173지점이며, 일정한 주기를 가지지 않고 측정되는 31지점을 제외하고 8일 간격으로 측정되는 142지점의 수질 및 유량자료를 수집하였다. 본 연구에서는 한강 66지점, 낙동강 100지점, 금강 60지점, 영산강⋅섬진강 60지점 등 총 286지점에 대해 수질 및 유량자료를 물환경정보시스템(http://water.
이론/모형
- D, E, F 유형은 고유량과 저유량에서 50% 초과하며 점 및 비점오염원에 의해 목표수질이 초과되는 특성을 가진다. LDC 기준 유량구간별 관측부하량의 초과율은 수식 (1)을 이용하여 계산하였다.
- 본 연구에서는 LDC의 해석 및 유량 구간별 오염원 관리를 위해서 Cleland (2003) 및 미국 환경청 (USEPA, 2007)이 제안한 분류방법 및 유량 구간별 오염원인 해석방법을 이용하였다. LDC에서 유량 구간의 구분은 초과유량확률에서 0%∼10%는 홍수기 조건 (high flows), 10%∼40%는 풍수기 조건(moist conditions), 40%∼60%는 평수기 조건 (mid-range),60%∼90%는 저수기 조건 (dry conditions), 90%∼100%는 갈수기 조건 (low flows) 등 5개로 분류하였다.
- 비점오염원 우선관리 대상지점에서 관리물질은 고유량(0%∼40%) 구간에서 관측부하량이 기준부하량 LDC를 50%초과되는 수질요소를 선정하였으며, 관리목표는 목표저감율을 달성하는 것으로 설정하였다. 유량구간별 목표저감율을 산정하기 위하여 캘리포니아 환경보호청 (California Environmental Protection Agency, Cal-EPA)에서 제시한 방법을 이용하였다. 이 방법은 유량구간별 목표부하량을 만족하기 위한 목표저감율 산정하는 방법으로 부하지속곡선을 이용하여 관리유량 구간에 대하여 수식(2)와 같이 목표부하량 및 기존부하량을 이용하여 목표저감율을 산정할 수 있다(Cal-EPA.
성능/효과
- 3) 비점오염원 우선관리 대상지점은 한강, 낙동강, 금강, 영산강⋅섬진강유역이 각각 1, 6, 7, 7지점으로 총 21지점이며, 관리대상유역은 24개의 표준단위유역을 선정하였으며, 대부분 시가화 및 농업지역으로 분석되었다.
- 4) 21지점에 대한 관리물질은 T-P와 COD이며, 관리목표는 홍수량 조건 (0%∼10%) 구간에서 목표저감율 67.9%∼97.2%, 풍수량 조건 (10%∼40%) 구간에서 목표저감율40.3%∼69.5%를 달성하는 것으로 분석되었다.
- LDC 분석을 통해 선정된 비점오염원 우선관리지점을 대상으로 관리물질에 대한 관리목표를 분석하였다. YHC2,GSC1, USC, PSC, JSC1, PYJC-1 지점의 관리물질은 COD로 분석되었으며, BGC, GHG2A, MSC, SAC, BGC1, SNC,WPC3, JEC4, MBC, GMWC2-1, JWC, HP, PYJC 지점은 T-P,BC1와 BC2 지점의 관리물질은 COD 및 T-P로 분석되었다. 관리목표는 목표저감율을 달성하는 것으로 설정하였으며, 목표저감율은 홍수기 조건 (0%∼10%)구간과 풍수기 조건 (10%∼40%)구간으로 구분하였다.
- 관리대상유역은 산림을 제외하고 농업 및 시가화지역으로 분석되었다. 관리대상유역의 농업지역은 대부분 20% 이상으로 농경지에서 발생하는 비점오염물질에 대하여 관리가 필요하며, 10% 이상 해당되는 시가화 지역에서도 불투수면 유출 특성을 고려한 비점오염원 관리가 필요할 것으로 판단된다. Fig 5는 비점오염원 우선관리지점과 관리대상유역을 보여주고 있다.
- 기존부하량 설정 기준에 따라 0%∼40% 구간에서 평균 목표저감율을 살펴보면 90, 80, 70, 60, 50 percentile의 경우 각각 73.3%, 62.6%, 50.9%, 39.6%, 28.8%으로 나타났으며, 10∼40percentile 경우 기존부하량이 목표부하량을 만족하는 것으로 분석되었다.
- 지점별 관리물질에 대한 평균수질은 하천수질기준의 좋은물 (Ⅱ, 약간좋음) 기준을 초과하며, 고유량 (0%∼40%) 구간에서만 초과율이 50%를 초과하여 비점오염원 원인으로 인한 수질오염 발생 우려지점으로 도출되었다.
- 한강을 제외한 낙동강, 금강, 영산강⋅섬진강 권역에서 BOD 및 T-P의 목표수질이 자료수집기간(2011∼2015년) 동안 관측된 수질의 60 percentile∼100percentile에 50% 이상 분포되어있는 것으로 나타났다 (Fig. 2).
- 홍수기 조건 구간에서의 목표저감율은 67.9%∼97.2%, 풍수기 조건 구간은 40.3%∼69.5%으로 대부분 지점에서 목표저감율이 50%이상으로 분석되어 비점오염원 관리가 시급한 것으로 분석되었다.
후속연구
- 본 연구 결과를 이용하여 장기적인 비점오염원 관리목표 뿐만 아니라 단⋅중기적으로 관리목표를 설정할 수 있으며, 비점오염원관리지역 선정 및 관리대책 마련에 필요한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 이러한 한계점을 극복하고 비점오염원 관리지역 지정제도가 효율적으로 추진되기 위해서는 관측 자료를 기반으로 하여 비점오염원에 의해 문제가 발생하고 있는 지역을 선정하고 관리할 수 있는 방법론의 개발이 필요하다. 최근에는 전체유량조건에서 실측된 수질과 목표로 설정된 수질과의 관계를 나타나는 부하지속곡선 (Load Duration Curve, LDC)을 이용하여 하천의 수질변화 또는 오염부하량의 크기를 고려하여 수질오염문제를 규명하고 대책에 따른 효과 및 목표달성 여부를 평가하는 방법이 사용되고 있다 (NDEP, 2003; USEPA,2007; Hwang et al.
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