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문제 정의
- , 2012), 상류유역에 위치한 하천을 대상으로 유기물 특성에 대한 연구는 거의 없다. 이에 본 연구는 한강권역에 위치하고 있는 31개 지류 하천을 대상으로 BOD5, CODMn 및 TOC농도를 통해 유기물 특성과 유기물 농도에 대한 유량 및 배출부하량의 영향을 평가하였다.
제안 방법
- 하천유량은 유속계를 이용하여 실측된 유속과 하상단면적을 곱하여 산정하였고(SWRRC, 2004), 수질분석은 유기물지표항목인 BOD5, CODMn, 및 TOC를 수질오염공정시험방법에 따라 분석하였다(ME, 2015). BOD5농도에 대한 질소산화에 따른 산소소모량(Nitrogenous BOD, NBOD)은 일부하천을 대상으로 BOD5 분석 시 질산화 억제제를 첨가하여 CBOD를 측정한 후 질산화 억제제가 첨가되지 않은 시료의BOD5농도와 CBOD농도 차이로 계산하였다. 유기지표 항목의 산화율은 BOD5와 CODMn 농도를 탄소와 산소의 무게비인 12/32를 곱하여 탄소량으로 환산한 후 총유기탄소에 대한 비율로 산정하였고 각각 BOD5-C와 CODMn-C로 표현하였다.
- 조사하천별 유역 내 오염원은 2015년 전국오염원조사자료를 활용하였으며, 수질오염총량관리기술지침(NIER, 2014)에 따라 산정된 배출부하량은 점과 비점배출부하량으로 구분하였다. 배출부하밀도는 배출부하량을 유역면적으로 나누워 계산하였고 유달부하량은 조사대상하천에서 실측된 유량과 수질의 평균값을 곱하여 산정하였다. 하천별 유량조건에 따른 수체손상여부는 각 하천별로 측정된 유량자료를 최대 유량에서 최소 유량 순으로 배열한 후 백분율로 계산하여 작성된 유량지속곡선에 하천별 평균수질을 평가기준수질로 하여 작성된 부하지속곡선(load duration curve,LDC)을 통해 평가하였다.
- BOD5농도에 대한 질소산화에 따른 산소소모량(Nitrogenous BOD, NBOD)은 일부하천을 대상으로 BOD5 분석 시 질산화 억제제를 첨가하여 CBOD를 측정한 후 질산화 억제제가 첨가되지 않은 시료의BOD5농도와 CBOD농도 차이로 계산하였다. 유기지표 항목의 산화율은 BOD5와 CODMn 농도를 탄소와 산소의 무게비인 12/32를 곱하여 탄소량으로 환산한 후 총유기탄소에 대한 비율로 산정하였고 각각 BOD5-C와 CODMn-C로 표현하였다.
- 배출부하밀도는 배출부하량을 유역면적으로 나누워 계산하였고 유달부하량은 조사대상하천에서 실측된 유량과 수질의 평균값을 곱하여 산정하였다. 하천별 유량조건에 따른 수체손상여부는 각 하천별로 측정된 유량자료를 최대 유량에서 최소 유량 순으로 배열한 후 백분율로 계산하여 작성된 유량지속곡선에 하천별 평균수질을 평가기준수질로 하여 작성된 부하지속곡선(load duration curve,LDC)을 통해 평가하였다.
대상 데이터
- 유량조사 및 수질분석을 위한 시료채수는 조사 대상 하천이 하류하천에 합류하기 전 지점에서 수행하였다. 하천유량은 유속계를 이용하여 실측된 유속과 하상단면적을 곱하여 산정하였고(SWRRC, 2004), 수질분석은 유기물지표항목인 BOD5, CODMn, 및 TOC를 수질오염공정시험방법에 따라 분석하였다(ME, 2015).
- 조사대상하천은 한강유역환경청 관할 15개 중권역 내 581개 하천을 대상으로 공인기관 측정 자료와 전수조사를 통해 중권역별 목표등급 초과율, 중권역별 우선순위(한강본류 → 임진강 → 시화호, 안성천) 및 물환경측정망 운영여부를 고려하여 선정하였다(HRWMC, 2017). 조사대상하천은 한강본류, 임진강, 안성천 및 시화호로 유입되는 하천들로, 최상류에 위치한 하천을 1차 차수의 하천으로 구분 시(Strahler, 1952) 3개 하천(갈매천, 동화천, 석장천)을 제외한 모든 하천은 1차 차수의 하천이며 본 연구에서는 지류 하천으로 표현하였다.
- 조사대상하천은 한강유역환경청 관할 15개 중권역 내 581개 하천을 대상으로 공인기관 측정 자료와 전수조사를 통해 중권역별 목표등급 초과율, 중권역별 우선순위(한강본류 → 임진강 → 시화호, 안성천) 및 물환경측정망 운영여부를 고려하여 선정하였다(HRWMC, 2017).
- 2). 조사대상하천의 TOC 연평균 수질은 2.9 ~ 18.7 mg/L 범위로 총유기물량의 평균 80.9 %가 DOC형태로 존재하였다(Table 2). TOC농도와 BOD5농도는 국내 하천에서 유기물지표항목간에 조사된 상관성과 유사하게 (NIER, 2001) 높은 상관성이 있었고(r2 = 0.
- 한강 권역 내 위치하고 있는 31개 지류 하천을 대상으로 2017년 1월부터 12월 까지 14일 이내 8일 간격으로(32회/년) 유량과 유기물지표항목을 기준으로 수질을 조사하였다(Fig. 1, Table 1). 조사대상하천은 한강유역환경청 관할 15개 중권역 내 581개 하천을 대상으로 공인기관 측정 자료와 전수조사를 통해 중권역별 목표등급 초과율, 중권역별 우선순위(한강본류 → 임진강 → 시화호, 안성천) 및 물환경측정망 운영여부를 고려하여 선정하였다(HRWMC, 2017).
이론/모형
- 조사하천별 유역 내 오염원은 2015년 전국오염원조사자료를 활용하였으며, 수질오염총량관리기술지침(NIER, 2014)에 따라 산정된 배출부하량은 점과 비점배출부하량으로 구분하였다. 배출부하밀도는 배출부하량을 유역면적으로 나누워 계산하였고 유달부하량은 조사대상하천에서 실측된 유량과 수질의 평균값을 곱하여 산정하였다.
- 유량조사 및 수질분석을 위한 시료채수는 조사 대상 하천이 하류하천에 합류하기 전 지점에서 수행하였다. 하천유량은 유속계를 이용하여 실측된 유속과 하상단면적을 곱하여 산정하였고(SWRRC, 2004), 수질분석은 유기물지표항목인 BOD5, CODMn, 및 TOC를 수질오염공정시험방법에 따라 분석하였다(ME, 2015). BOD5농도에 대한 질소산화에 따른 산소소모량(Nitrogenous BOD, NBOD)은 일부하천을 대상으로 BOD5 분석 시 질산화 억제제를 첨가하여 CBOD를 측정한 후 질산화 억제제가 첨가되지 않은 시료의BOD5농도와 CBOD농도 차이로 계산하였다.
성능/효과
- 31개 조사대상하천에서 측정된 연평균 유량은 0.03 ~ 1.13cms 범위였고, 측정된 979개 유량 자료 중 87 %가 0.10cms 이하로 조사되었고, 유역면적이 클수록 유량이 증가하는 경향을 보였다(Fig. 5, Table 2). 유역 내 분포하고 있는 오염물질의 양과 함께 하천수질을 결정하는 중요한 요인이 되는 유량은 유역면적과 밀접한 관계가 있으나 유역 외에 서 발생한 오폐수의 유입경로가 되는 환경기초시설 등이 입지하고 있는 경우 유역면적과 하천유량과의 연계성은 낮아질 수 있으며 환경기초시설 방류량 영향으로 하천 유량변동이 상대적으로 적을 수 있다.
- 31개 지류 하천에서 BOD5농도는 적은 유량조건에서 수질오염도가 높은 경향을 보였다(Fig. 7). 본 연구 기간 동안 31개 하천에서 측정된 979개 자료 중 각 하천별로 작성된 BOD5, CODMn 및 TOC 누적부하곡선을 초과하는 자료는 35 %, 37 %, 36 %로 측정된 유량구간 중 90 % 빈도 이상의 유량조건에서 가장 많이 초과하는 것으로 조사되었다.
- 31개 지류 하천에서 BOD5와 TOC농도는 9개 하천을 제외하고 IV등급 이상으로 수질오염도가 높았다(Fig. 2). 조사대상하천의 TOC 연평균 수질은 2.
- 3 %로 조사되었다. 31개 지류 하천에서 측정된 979개 유량 자료 중 87 %에 해당하는 자료의 유량은 0.10cms 이하였고, 유량구간 중 90 % 빈도 이상의 유량조건에서 수질오염도가 증가하였다. 유역 내 오염물질 배출량과 수질과의 상관성은 적었으며, 일부하천에서 유달부하량이유역에서 배출되는 부하량보다 많은 것으로 조사되었다.
- 0%로 조사되었다. BOD5/CODMn농도비가 1을 초과한 4개 하천에서 측정된 NBOD농도의 BOD5농도에 대한 기여율은 54.5 % ~ 79.3 %로 조사되었다. 31개 지류 하천에서 측정된 979개 유량 자료 중 87 %에 해당하는 자료의 유량은 0.
- NBOD에 의한 영향으로 BOD5농도가 높게 평가되거나 화학적 산화과정을 방해하는 물질이 존재하여 CODMn가 낮게 평가되는 경우 CODMn농도가 BOD5농도 보다 적을 수 있으나, 본 연구에서 TOC 농도와의 상관성이 BOD5보다 높게 나타나(Fig. 3) CODMn 농도가 적게 평가되기 보다는NBOD의 영향으로 BOD5 농도가 상대적으로 높게 평가되었을 가능성이 높다. 이러한 결과들은 BOD5 농도가 수중 내 질소의 존재형태가 암모니아성질소로 많이 존재하는 하천에서는 실제로 존재하는 유기물 양을 왜곡할 수 있어 BOD5 농도 개선을 목표로 유역 내 오염원에서 배출되는 유기물을 줄이더라도 BOD5농도의 변화를 통한 하천수질 개선효과는 적게 나타날 수 있음을 의미한다.
- 7). 본 연구 기간 동안 31개 하천에서 측정된 979개 자료 중 각 하천별로 작성된 BOD5, CODMn 및 TOC 누적부하곡선을 초과하는 자료는 35 %, 37 %, 36 %로 측정된 유량구간 중 90 % 빈도 이상의 유량조건에서 가장 많이 초과하는 것으로 조사되었다. 유량이 증가할수록 초과빈도는 감소하는 경향을 보였으나 측정기간 중 각 하천에서의 유량이 가장 많았던 10 % 빈도 이하 구간에서 다시 증가하여 비점오염원에 의한 영향 가능성이 나타났다.
- 본 연구대상 하천 유역 내 배출부하량이 많은 하천에서 수체 내 유기물농도가 증가하는 경향이 있었으나, 일부하천에서는 배출부하밀도가 낮음에도 수질오염도가 높게 나타났다(Fig. 8). 유역에서 배출되는 오염물질 양이 많을수록 수질오염도가 증가하나(Cho et al.
- 미처리된 오폐수의 유입이나 처리시설의 질소처리공정 효율 저하 등으로 배출수내 유기질소나 암모니아성질소가 많이 포함되는 경우 하천 내 BOD5농도는 NBOD의 영향으로 증가될 수 있으며(HRWMC, 2018), 이 경우 하천 수체 내 CODMn 에 대한 BOD5 농도비가 1에 가까워지거나 초과할 수 있다. 본 연구대상 하천에서 BOD5/CODMn농도비는 평균 78.0 %로 BOD5농도가 높게 평가되었고 조사대상 하천 중 6개 하천에서는 CODMn농도 보다 BOD5농도가 높은 것으로 조사되었다(Fig. 3). 본 연구에서 BOD5/CODMn농도비가 1을 초과한 6개 하천 중 서정리천(SJR), 거물대천(GMD), 삼미천(SM) 및 한천(H)에서 측정된 NBOD농도는 BOD5농도의54.
- 유역에서 배출되는 부하량은 환경기초시설을 제외한 대부분의 오염원이 법적기준이나 원단위 등을 사용하여 산정되기 때문에(NIER, 2014) 정상 가동이 되지 않은 시설에서 오염물질이 유입되더라도 배출부하량에는 반영되지 않는 한계가 있으며 행정구역단위로 조사된 오염원을 하천유역 기준으로 분배하는 과정에 오염원이 과소과대 평가될 수 있다. 본 연구대상하천 내 높은 유기물 오염도와 높은 BOD5 산화율을 고려할 때 유달부하량이 배출부하량보다 많게 평가되는 것은 오염원의 분배과정 중에 나타난 불확실성 보다는 배출시설로 부터 생물학적으로 분해 가능한 형태의 많은 유기물이 하천으로 유입되어 나타난 결과로 이해하는 것이 좀 더 타당할 수 있다. 따라서 유기물오염 도와 BOD5 산화율이 높은 지류 하천의 수질개선을 위해 유역 내 배출부하량에 의존하여 수체 손상원인을 규명하고 대책을 마련하기 보다는 유역 내 미확인 배출원에 대한 조사와 더불어 하천 내 주요우심구간을 확인하고 구간 내 배출시설에 대해 정상가동 여부 등을 우선적으로 확인하는 것이 필요할 것으로 사료된다.
- 유역 내 분포하고 있는 오염물질의 양과 함께 하천수질을 결정하는 중요한 요인이 되는 유량은 유역면적과 밀접한 관계가 있으나 유역 외에 서 발생한 오폐수의 유입경로가 되는 환경기초시설 등이 입지하고 있는 경우 유역면적과 하천유량과의 연계성은 낮아질 수 있으며 환경기초시설 방류량 영향으로 하천 유량변동이 상대적으로 적을 수 있다. 본 연구대상하천의 유량과 유역면적과의 관계에서 환경기초시설이 없는 유역에서의 유량은 유역면적에 비례하여 증가하는 것으로 조사된 반면(r2 = 0.81), 500톤/일 이상의 환경기초시설이 위치한 하천에서는 유역면적과 유량과의 상관성이 상대적으로 낮았다(r2 = 0.30). 환경기초시설이 위치하고 있는 하천의 유역면적에 대한 유량비는 환경기초시설이 없는 유역의 하천과 비교해 유의적인 차이는 없었으나(t-test, p = 0.
- 3). 본 연구에서 BOD5/CODMn농도비가 1을 초과한 6개 하천 중 서정리천(SJR), 거물대천(GMD), 삼미천(SM) 및 한천(H)에서 측정된 NBOD농도는 BOD5농도의54.5 % ~ 79.3 %가 유기물이 아닌 질소산화에 의한 산소소모량으로 확인되었다(Fig. 4).
- , 2017). 본 연구에서 측정된 자료는 대부분 비강우시에 집중되어 있어 강우시의 유기물에 대한 분포특성을 이해하는 데는 한계가 있으나 500톤/일 이상 공공하수처리장이 위치한 하천(평균 41.7 %)과 처리장이 없는 하천(평균 46.5 %)에서 BOD5 산화율의 큰 차이는 없어 하천 내 BOD5 산화율에 대한 처리장 방류수 영향은 적었던 것으로 나타났다. 유역 내 공공하수처리시설의 유무와 상관없이 나타난 높은 BOD5 산화율과 생물학적으로 분해 가능한 유기물 지표인 BOD5와 총 유기물지표인 TOC 항목 간 높은 상관성은 조사하천 내 유기물의 상당부분이 생물학적분해 가능한 유기물형태로 존재하고 있음을 의미하며, 이는 유역 내 오염물질 배출원에서 미처리된 오폐수가 유입되고 있음을 짐작하게 한다.
- 유기물지표 항목 간 상관성은 높게 나타났으며(r2 0', '>0')">>0.78), TOC농도가 BOD5보다는 CODMn농도와 상관성이 높았다.
- 본 연구 기간 동안 31개 하천에서 측정된 979개 자료 중 각 하천별로 작성된 BOD5, CODMn 및 TOC 누적부하곡선을 초과하는 자료는 35 %, 37 %, 36 %로 측정된 유량구간 중 90 % 빈도 이상의 유량조건에서 가장 많이 초과하는 것으로 조사되었다. 유량이 증가할수록 초과빈도는 감소하는 경향을 보였으나 측정기간 중 각 하천에서의 유량이 가장 많았던 10 % 빈도 이하 구간에서 다시 증가하여 비점오염원에 의한 영향 가능성이 나타났다. 강우 시 수질은 비점오염물질의 배출량과 유량에 의존하며, 비점오염물질의 증가율이 하천유량 증가율을 초과하는 경우 수질은 악화된다.
- 10cms 이하였고, 유량구간 중 90 % 빈도 이상의 유량조건에서 수질오염도가 증가하였다. 유역 내 오염물질 배출량과 수질과의 상관성은 적었으며, 일부하천에서 유달부하량이유역에서 배출되는 부하량보다 많은 것으로 조사되었다. 이러한 결과들은 유역 내 오염원으로 생물학적으로 분해 가능한 형태의 많은 유기물이 하천으로 유입되고 있음을 의미하며, 유기물오염도가 높은 지류 하천 수질개선을 위해서는 유역 내 주요우심구간을 확인하고 구간 내 배출원에 대한 조사를 통해 불확실성을 해소하는 과정이 선행될 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 3) CODMn 농도가 적게 평가되기 보다는NBOD의 영향으로 BOD5 농도가 상대적으로 높게 평가되었을 가능성이 높다. 이러한 결과들은 BOD5 농도가 수중 내 질소의 존재형태가 암모니아성질소로 많이 존재하는 하천에서는 실제로 존재하는 유기물 양을 왜곡할 수 있어 BOD5 농도 개선을 목표로 유역 내 오염원에서 배출되는 유기물을 줄이더라도 BOD5농도의 변화를 통한 하천수질 개선효과는 적게 나타날 수 있음을 의미한다. 따라서 유기물 오염도가 높게 평가되고 유역에 하천수질에 대한 기여율이 높은 점오염원시설이 입지하고 있는 하천에서는 BOD5농도를 통해 정량화되는 유기물 특성에 대한 이해를 토대로 수질관리를 위한 관리대상물질이나 관리목표, 관리방법 등을 결정하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
- 일반적으로 유역에서 배출되는 오염물질의 양은 하천으로 직접 유입되는 점오염원과 배출량의 일부만 하천으로 유입되는 비점오염원의 합으로 표현되기 때문에 유달부하량보다 많게 평가되나 본 연구대상 하천 중 일부하천에서는 유달부하량이 배출부하량보다 많은 것으로 조사되었다(Fig. 9). 유역에서 배출되는 부하량은 환경기초시설을 제외한 대부분의 오염원이 법적기준이나 원단위 등을 사용하여 산정되기 때문에(NIER, 2014) 정상 가동이 되지 않은 시설에서 오염물질이 유입되더라도 배출부하량에는 반영되지 않는 한계가 있으며 행정구역단위로 조사된 오염원을 하천유역 기준으로 분배하는 과정에 오염원이 과소과대 평가될 수 있다.
- 조사대상 31개 하천에서 BOD5와 TOC농도는 9개 하천을 제외하고는 IV등급 이상으로 유기물오염도가 높았고, 총유기물의 평균 80.9 %가 용존 형태로 존재하는 것으로 조사되었다. 유기물지표 항목 간 상관성은 높게 나타났으며(r2 0', '>0')">>0.
- 78), TOC농도가 BOD5보다는 CODMn농도와 상관성이 높았다. 조사대상하천에서 유기물 중 생분해성유기물의 비율은 BOD5 산화율로 41.4 %, BOD5/CODMn농도비로는 78.0%로 조사되었다. BOD5/CODMn농도비가 1을 초과한 4개 하천에서 측정된 NBOD농도의 BOD5농도에 대한 기여율은 54.
- 조사대상하천에서 조사된 높은 BOD5 산화율은 하천으로 유입되는 유기물의 상당부분이 생물학적으로 분해 가능한 유기물형태로 존재했을 가능성과 함께 암모니아성질소가 질산성질소로 산화되는 과정에 소비하는 산소량(NBOD)이BOD5농도에 반영되었을 가능성도 있을 수 있다. 미처리된 오폐수의 유입이나 처리시설의 질소처리공정 효율 저하 등으로 배출수내 유기질소나 암모니아성질소가 많이 포함되는 경우 하천 내 BOD5농도는 NBOD의 영향으로 증가될 수 있으며(HRWMC, 2018), 이 경우 하천 수체 내 CODMn 에 대한 BOD5 농도비가 1에 가까워지거나 초과할 수 있다.
- 환경기초시설이 위치하고 있는 하천의 유역면적에 대한 유량비는 환경기초시설이 없는 유역의 하천과 비교해 유의적인 차이는 없었으나(t-test, p = 0.34), 계절에 따른 유량 변동 폭을 나타내는 유량변동계수(Coefficient of Variation, CV)는 낮아(t-test, p < 0.001), 환경기초시설 방류수가 하천 유량과 수질에 상당부분 기여하고 있는 것으로 조사되었다(Fig. 6).
후속연구
- 이러한 결과들은 BOD5 농도가 수중 내 질소의 존재형태가 암모니아성질소로 많이 존재하는 하천에서는 실제로 존재하는 유기물 양을 왜곡할 수 있어 BOD5 농도 개선을 목표로 유역 내 오염원에서 배출되는 유기물을 줄이더라도 BOD5농도의 변화를 통한 하천수질 개선효과는 적게 나타날 수 있음을 의미한다. 따라서 유기물 오염도가 높게 평가되고 유역에 하천수질에 대한 기여율이 높은 점오염원시설이 입지하고 있는 하천에서는 BOD5농도를 통해 정량화되는 유기물 특성에 대한 이해를 토대로 수질관리를 위한 관리대상물질이나 관리목표, 관리방법 등을 결정하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구대상하천 내 높은 유기물 오염도와 높은 BOD5 산화율을 고려할 때 유달부하량이 배출부하량보다 많게 평가되는 것은 오염원의 분배과정 중에 나타난 불확실성 보다는 배출시설로 부터 생물학적으로 분해 가능한 형태의 많은 유기물이 하천으로 유입되어 나타난 결과로 이해하는 것이 좀 더 타당할 수 있다. 따라서 유기물오염 도와 BOD5 산화율이 높은 지류 하천의 수질개선을 위해 유역 내 배출부하량에 의존하여 수체 손상원인을 규명하고 대책을 마련하기 보다는 유역 내 미확인 배출원에 대한 조사와 더불어 하천 내 주요우심구간을 확인하고 구간 내 배출시설에 대해 정상가동 여부 등을 우선적으로 확인하는 것이 필요할 것으로 사료된다.
- 유역 내 오염물질 배출량과 수질과의 상관성은 적었으며, 일부하천에서 유달부하량이유역에서 배출되는 부하량보다 많은 것으로 조사되었다. 이러한 결과들은 유역 내 오염원으로 생물학적으로 분해 가능한 형태의 많은 유기물이 하천으로 유입되고 있음을 의미하며, 유기물오염도가 높은 지류 하천 수질개선을 위해서는 유역 내 주요우심구간을 확인하고 구간 내 배출원에 대한 조사를 통해 불확실성을 해소하는 과정이 선행될 필요가 있을 것으로 판단된다.
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