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문제 정의
- 본 연구에서는 금강수계 미호천의 지류인 보강천에 인접한 지자체들이 수질오염총량관리제도를 보다 원활이 시행할 수 있도록 보강천에 대하여 QUAL2E 하천수질모형을 구축함으로써 정확하고 합리적인 수질예측결과를 제시하였다. 보강천의 수질 및 유량자료는 8회에 걸쳐 실측한 자료를 이용하였고 QUAL2E 하천수질모형을 이용하여 모형의 보정 및 검증을 실시하였다.
- 또한 세밀히 조사된 오염원 자료와 합리적인 수질모델링을 필요로 하는데, 유량배분은 모델링 과정에서 중요한 인자로 작용하며, 지역의 기준배출부하량을 결정하는 결정적인 요소 중의 하나이다. 본 연구에서는 금강수계 미호천의지류인 보강천에 인접한 지자체들이 수질오염총량관리제도를 보다 원활이 시행할 수 있도록 보강천에 대하여 QUAL2E 하천수질 모형을 구축함으로써 정확하고 합리적인 수질예측결과를 제시하고자 한다.
제안 방법
- 2007년 실측수질을 기준으로 검보정을 실시하여 모델의 정확성이 증명된 하천수질모형에 예측된 2010년의 오염배출부하량을 적용하였다. 적용결과 보강천의 2010년 예측 수질결과는 2.
- HEC-RAS의 입력 자료는 하천단면과 하천의 수문 곡선(유량-수심, 유량-유속)을 잘 나타낼 수 있도록 3개 규모 이상의 유황자료를 사용한다. HEC-RAS를 이용하여 각 단면에 대한 수문곡선을 계산하고, 이를 검토하여 수리적으로 유사한 구간을 선정한다. 선정된 대구간(REACH)에 포함된 단면들 중 대구간(REACH)를 대표할수 있는 대표단면을 선정하여 대구간(REACH)에서의 유량(Q)의 변화에 따른 속도(V)기의 관계식(V=aQb)，유량(Q)의 변화에 따른 수심(H)의 관계식(H=cQd)을 도출한다.
- 2006년과 2010년의 배출부하량은 국립환경과학원의 「수계오염총량관리 기술지침」에 따라 산정된 값이다. 과거 5개년의 오염원 현황을 바탕으로 2015년의 배출부하량을 예측하였으며, 추가로 2015년까지의 개발계획 및 삭감계획을 적용하여 2015년의 최종배출부하량을 산정하였다.
- 첫째, 2007년 10월~12월에 8회 측정한 유량 실측자료를 바탕으로 해당유역 면적에 배분하여 단위면적 당 유량을 산정한다. 둘째, 각 소유역 및 단위유역의 면적과 산정된 단위면적당 유량의 곱으로 유역별 유량을 산정한다.
- 첫째, 모형 구죽을 위해서 GIS를 통해 제공되는 하천도 및 유역도, 수질측정망 정보 등을 이용하여 모식도를 구축한다. 둘째, 구축된 모식도를 기준으로 하여 선정된 기준유량에 부합되는 시기를 채택하여 유량 및 배출부하량, 수질을 모델에 입력한다. 유량은 기준유량에 부합되는 시기의 유량을 유역배분한 값이다.
- 모델의 검증은 2007년 11월 보강천 본류의 주요지점을 실측한 수질 자료를 바탕으로 BOD5, T-N, T-P 등의 수질관련 반응계수들을 보정 때와 동일하게 적용하여 검증을 실시하였다.
- 보강천의 하천 정보와 주요 지천 및 환경기초시설, 취수시설 정보를 적용하여 다음과 같은 QUAL2E 모식도를 구축하였다. 보강천은 총 8개의 Reach로 나누었으며, 소구간 (Element)는 0.5km 등간격으로 나누었다. 본류 구간의 모델 시점은 보강천 상류지점으로 선정하였으며 미호천합류점을 모델의 종점으로 선정하였다.
- 보강천의 하천 정보와 주요 지천 및 환경기초시설, 취수시설 정보를 적용하여 다음과 같은 QUAL2E 모식도를 구축하였다. 보강천은 총 8개의 Reach로 나누었으며, 소구간 (Element)는 0.
- HEC-RAS를 이용하여 각 단면에 대한 수문곡선을 계산하고, 이를 검토하여 수리적으로 유사한 구간을 선정한다. 선정된 대구간(REACH)에 포함된 단면들 중 대구간(REACH)를 대표할수 있는 대표단면을 선정하여 대구간(REACH)에서의 유량(Q)의 변화에 따른 속도(V)기의 관계식(V=aQb)，유량(Q)의 변화에 따른 수심(H)의 관계식(H=cQd)을 도출한다. 여기서 각 관계식에서의 a(속도계수), b(속도지수), c(깊이계수), d(깊이지수)가 각 대구간(REACH)을 대표하는 유량계수가 된다.
- 배출부하량은 수계오염총량관리기술지침에 따라 산정된 값이다. 셋째, 실측수질 자료와 모의 결과 수질을 비교하여 모델의 보정계수를 조정하여 보정 및 검증을 실시한다. 수질은 2007년 10월~12월에 걸쳐 8회 실측한 수질자료를 사용하였다.
- 유량계수 산정후 모델 구간에 속하는 보강천본류 유역의 수리학적 유량계수를 산정했다. 수심-유량과 유속-유량과의 관계식으로부터 수리적 특성이 비슷한 구간을 선정하여 수질모델링을 위한 수리구간으로 설정하였고, 각 수리구간 즉, Reach에 따른 유량계수를 산정하였다.
- HEC-RAS 수리모델을 통하여 보강천 17Km 구간에 대하여 모의하였다. 유량계수 산정후 모델 구간에 속하는 보강천본류 유역의 수리학적 유량계수를 산정했다. 수심-유량과 유속-유량과의 관계식으로부터 수리적 특성이 비슷한 구간을 선정하여 수질모델링을 위한 수리구간으로 설정하였고, 각 수리구간 즉, Reach에 따른 유량계수를 산정하였다.
- 유역별 유량배분은 단위면적당 유량을 산정하여 해당 유역의 면적을 곱하여 산정한다. 첫째, 2007년 10월~12월에 8회 측정한 유량 실측자료를 바탕으로 해당유역 면적에 배분하여 단위면적 당 유량을 산정한다. 둘째, 각 소유역 및 단위유역의 면적과 산정된 단위면적당 유량의 곱으로 유역별 유량을 산정한다.
- 모형 구죽 순서는 다음과 같다. 첫째, 모형 구죽을 위해서 GIS를 통해 제공되는 하천도 및 유역도, 수질측정망 정보 등을 이용하여 모식도를 구축한다. 둘째, 구축된 모식도를 기준으로 하여 선정된 기준유량에 부합되는 시기를 채택하여 유량 및 배출부하량, 수질을 모델에 입력한다.
대상 데이터
- HEC-RAS 수리모델을 통하여 보강천 17Km 구간에 대하여 모의하였다. 유량계수 산정후 모델 구간에 속하는 보강천본류 유역의 수리학적 유량계수를 산정했다.
- 수리해석을 위한 모델링 프로그램은 미공병단의 HEC-RAS를 이용하여 수행한다. HEC-RAS의 입력 자료는 하천단면과 하천의 수문 곡선(유량-수심, 유량-유속)을 잘 나타낼 수 있도록 3개 규모 이상의 유황자료를 사용한다. HEC-RAS를 이용하여 각 단면에 대한 수문곡선을 계산하고, 이를 검토하여 수리적으로 유사한 구간을 선정한다.
- 모델의 보정은 2007년 10월~12월에 걸쳐 보강천 본류의 주요지점을 실측한 수질자료를 바탕으로 BOD5, T-N, T-P 등의 수질관련 반응계수들을 일반적인 범위 내에서 적용하여 보정을 실시하였다.
- 5km 등간격으로 나누었다. 본류 구간의 모델 시점은 보강천 상류지점으로 선정하였으며 미호천합류점을 모델의 종점으로 선정하였다.
- 수리해석모델링을 위한 기초자료 중 하천 형단면자료는 대상 구간내 하천정비기본계획을 이용하거나 선행된 사업이나 연구에서 얻어진 자료를 사용한다. 수리해석을 위한 모델링 프로그램은 미공병단의 HEC-RAS를 이용하여 수행한다.
- 셋째, 실측수질 자료와 모의 결과 수질을 비교하여 모델의 보정계수를 조정하여 보정 및 검증을 실시한다. 수질은 2007년 10월~12월에 걸쳐 8회 실측한 수질자료를 사용하였다.
- 연구 대상유역은 그림 1과 같이 금강수계에 위치한 미호천의 지류 보강천 유역이다. 충청북도 증평군, 진천군, 괴산군, 음성군에 걸쳐 위치하고 있으며，유역면적은 207.
- 7km이다. 이 중 보강천의 모의구간은 보강천 상류지점에서부터 미호천합류점까지(17km)로 선정하였다. 보강천 유역 내에는 수질오염총량관리 기본계획에서 설정한 목표수질이 설정된 목표수질 관리지점이 존재하지 않지만, 미호천 하류유역의 미호B 수질관리지점이 존재하고 있어 장래수질예측에 중요한 척도가 되고 있다.
- 연구 대상유역은 그림 1과 같이 금강수계에 위치한 미호천의 지류 보강천 유역이다. 충청북도 증평군, 진천군, 괴산군, 음성군에 걸쳐 위치하고 있으며，유역면적은 207.58 km2이며 6개의 소유역으로 구성되어 있다.
이론/모형
- 본 연구에서는 금강수계 미호천의 지류인 보강천에 인접한 지자체들이 수질오염총량관리제도를 보다 원활이 시행할 수 있도록 보강천에 대하여 QUAL2E 하천수질모형을 구축함으로써 정확하고 합리적인 수질예측결과를 제시하였다. 보강천의 수질 및 유량자료는 8회에 걸쳐 실측한 자료를 이용하였고 QUAL2E 하천수질모형을 이용하여 모형의 보정 및 검증을 실시하였다. 2010년 장래수질 예측 결과 보강천의 하류지점의 수질은 2.
- 본 연구에서 채택한 하천수질모형은 QUAL2E 모형이다. QUAL2E 모델은 미국 EPA에서 QUAL- I 모델에 예측수질항목을 추가하여 발전시킨 QUAL-Ⅱ 모델을 PC에서 사용가능하도록 만든 것이다.
- 수리해석을 위한 모델링 프로그램은 미공병단의 HEC-RAS를 이용하여 수행한다.
- 따라서, 유달계수의 정량적 규모는 오염원에서부터 공공수역인 하천에 이르기 까지 오염물질이 이동하는 경로, 즉 유역이 지닌 지형 조건, 수리·수문학적 조건, 기후, 계절 등 매우 다양하고 복잡한 변수들에 의해 결정된다. 유달계수 및 유달부하량은 S. R. HA and M. S. Bae(2003, 2004, 2005, 2006), 박정하 등(2007)이 제안한 방법을 이용하여 산정하였다.
성능/효과
- 2mg/L BOD에 비해 낮게 예측되었다. 이 결과를 바탕으로 미호천의 2010년을 예측한 결과 미호B 목표수질관리지점에서 4.2mg/L BOD를 나타내어 목표수질 4.3mg/L BOD에 만족하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 3mg/L BOD에 만족하는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 바탕으로 보강천 유역에 관련된 증평·진천·괴산·음성군은 적절한 개발계획 및 삭감계획을 수립함으로써 수질오염 총량관리제도를 합리적으로 시행할 수 있을 것으로 사료된다.
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