2.1. 연구 대상 유역

본 연구 유역은 낙동강 지류인 계성천유역으로 유역면적 은 약 106.9 km²이며 유로연장은 31.1 km이다. 행정구역은 경남 창녕군 창녕읍, 영산면, 남지읍의 일부이며 총량관리 낙본I 단위유역의 일부이다(Fig. 1).

Fig. 1. Study Area.

대상유역의 토지이용은 전체 토지 중 임야가 51.6 %, 논 19.7 %, 밭 10.1 %, 대지 7.8 %, 기타 10.8 %로 논, 밭의 비 율이 대지의 비율보다 높은 농촌지역의 특성을 가지고 있다 (Table 1).

계성천의 주요지천은 관곡천, 동정천, 장가천이며, 유역 내에 주요 시설은 농업용 저수지인 봉산지, 장척지, 옥천지, 노단이지가 있으며 저수량은 각 237.9만 m³, 157.5만 m³, 68.1만 m³으로 총 저수량은 665.7만 m³이다(Table 2). 계성천 하류부에는 농경지의 농업용수 확보를 위해 상대포, 소야산, 동정 등 양배수시설이 설치되어 있으며, 말단부에는 시설용 량 5,250 m³/일의 남지하수종말처리장이 위치하고 있다.

연구 유역 내 수질 및 유량 측정자료는 국가측정망인 계 성천 지점(^{MOE, 2012})과 경상남도 오염총량관리 기본계획 수립을 위한 측정지점인 상대포교 지점(^{Gyeongsannam-do, 2015}) 그리고 지류총량 시범적용 연구를 위해 측정한 5개 지점(상류에 위치한 순으로 옥천2교, 계성교, 화영교, 상대 포교, 남송교)의 자료(^{NIER, 2015})를 활용하였다. 국가측정 망 지점인 계성천은 2012년부터 8일 간격으로 수질과 유량 을 측정해 오고 있으며 상대포교 지점은 2012년 2월부터 12월까지 8일 간격으로 측정하였고 지류총량 연구에서 측정 한 옥천2교 등 5개 지점의 자료는 2015년 4월부터 월 1~4회 간격으로 측정하였다.

2.2. 부하지속곡선

부하지속곡선은 주어진 유량 또는 부하량과 같은 매개변 수가 주어진 값과 같거나 초과하는 시간의 백분율을 곡선 화하여 그래프로 표현한 것(^{Nevada, 2003})으로 하천 수질 관리의 문제점을 특성화하여 기술할 수 있으며, 목표수질의 빈도와 크기 및 허용부하를 쉽게 나타낼 수 있고 삭감부하 량의 크기에 대해 쉽게 이해할 수 있도록 함으로서 일반인 들에게 그 문제점과 TMDL의 달성 목표를 시각적으로 이 해하기 쉽도록 해줄 수 있다.

부하지속곡선 방법의 적용은 1) 유량지속곡선(Flow Duration Curve) 생성, 2) 부하지속곡선 생성 그리고 3)부하지속곡선 에 실측 자료를 도식화하는 과정으로 구분된다.

2.3. 관리유역 선정방법 및 삭감방안 마련

지류총량관리는 대상 지류하천에서 가장 오염도가 높은 관리유역을 선정하고 관리유역에 집중적인 삭감노력을 투 입하여 지류의 수질을 개선하고자 하는 제도인 점을 감안 하여 본 연구는 Fig. 2와 같이 연구를 진행하였다. 연구절 차 및 방법은 계성천에서 측정된 수질·유량자료를 이용하 여 1)계성천 구간별로 대상물질(T-N)에 대한 수질 오염도 를 분석하여 오염도가 가장 높은 구간을 관리구간으로 선 정하였으며 2)부하지속곡선 등을 이용하여 관리구간의 수 체 손상도를 분석하여 유량 및 계절에 대한 관리조건을 선 정하였고 3)수체 손상도 및 유역현황, 삭감여력 등을 고려 하여 우선순위가 가장 높은 유역을 관리유역으로 선정하고 4)관리유역의 오염원을 정밀분석하여 오염원 중 수체 손상 구간에 미치는 영향이 큰 오염원을 관리오염원으로 선정였 으며 5)관리오염원을 대상으로 관리조건에서 수질을 개선 할 수 있는 삭감대안을 마련하였다.

Fig. 2. Flow diagram of study.

3.1. 유역 특성 분석

계성천 상류는 발원지부터 계성교까지 약 14.3 km 구간 으로 대부분 산림지역이며, 계성교 인근의 계성마을과 신당 마을이 위치하고 있으며, 옥천저수지와 노단이저수지가 위치 하고 있다. 계성천 중류는 계성교에서 동정교까지 약 7.8 km 구간으로 장가천과 농배수로 형태의 소규모 하천이 본류에 유입되며, 농경지가 넓고 축산농가가 상대적으로 많이 밀집 되어 있으며 계성천 하류는 동정교에서 낙동강 본류 합류 지점까지 약 9.0 km 구간으로 농경지 면적이 넓고, 축산농 가가 많이 분포하고 있다.

낙동강 본류 합류지점 인근에는 남지읍, 영산면의 생활하 수를 처리하는 남지하수처리장과 창녕군 가축분뇨처리시설 이 위치하고 있다. 또한 농업용수 공급을 위해 상대포 및 소야산 양배수장에서 관개용수를 공급하고 있다. 특히, 중·하류지역 농경지는 5월부터 9월까지는 벼농사와 10월부터 다음해 5월까지는 마늘·양파와 같은 월동작물을 대단위로 재배하는 특징을 보이고 있으며, 화학비료의 사용과 함께 연중 지속적으로 가축분뇨를 야적하여 9월 이후 농지에 대 량 살포하고 있다.

3.2. 관리구간 설정

계성천의 구간별 수질오염도를 분석하여 가장 수질이 악 화된 구간을 찾아 우선관리가 필요한 관리구간으로 설정하 고자 구간별 수질오염도를 분석하였다. 구간은 6개 측정지 점을 기준으로 발원지부터 옥천2교(G1)까지를 I 구간으로 하고 옥천2교(G1)에서 계성교(G2)까지를 II 구간, 계성교 (G2)부터 화영교(G3)까지를 III 구간, 화영교(G3)부터 상대 포교(G4)까지를 IV 구간, 상대포교(G4)에서 계성천(G5)까지 를 V 구간, 계성천(G5)부터 남송교(G6)까지를 VI 구간으로 총 6개의 구간으로 구분하였으며 수질오염도는 지점별 산 술평균 수질을 이용하였다.

본천 6개 지점에서 측정된 평균 T-N 수질은 옥천2교(G1), 계성교(G2), 화영교(G3), 상대포교(G4), 계성천(G5), 남송교 (G6) 지점에서 각각 1.418 mg/L, 2.544 mg/L, 1.767 mg/L, 1.774 mg/L, 4.379 mg/L, 3.975 mg/L로 나타났는데(Fig. 3), 이를 기준으로 구간별 수질오염도를 분석해 보면 II 구간과 V 구간에서는 수질이 악화되는 것으로 나타났으며 그 외 III 구간, IV 구간, VI 구간은 수질이 개선 또는 유지되는 것으 로 나타났다.

Fig. 3. Result of Analysis of Impaired Reach in Gyeseongcheon

수질 오염도 분석결과로 볼 때 계성천 수질개선을 위해 관리가 필요한 구간은 V 구간, II 구간 순으로 나타났으며 이 중 오염도가 가장 심각하여 우선관리가 필요한 V 구간을 관리구간으로 설정하였다.

3.3. 관리구간의 관리조건 및 관리유역 설정

3.3.1. 부하지속곡선을 이용한 관리조건 분석

우리나라는 계절적 기온변화가 뚜렷하고 대부분의 강우 가 여름철에 집중되어 하천 유량조건이나 계절조건에 따른 수질변화가 다양하여 연간 수질변이가 크므로 관리구간의 수질이 악화되는 조건을 찾아 악화조건의 오염원 등을 관 리하여 수질을 개선하는 것이 합리적이다.

이런 이유로 본 연구에서는 관리구간의 수질개선을 위한 관리조건을 분석하기 위하여 부하지속곡선을 이용하여 유 량 및 계절 조건에 따른 수체 손상정도를 파악하였다.

우선순위가 가장 높은 V 구간(G4~G5)의 물질수지를 보 면 유입은 관리구간 상류로부터 유입되는 상대포교(G4) 지 점과 지천인 관곡천과 남지배수이며 유출은 관리구간 말단 인 계성천(G5) 지점이다(Fig. 1). 관리구간의 수체 손상도는 계성천(G5) 지점의 자료를 이용하여 부하지속곡선을 작성 하고 실측자료를 도식화하여 유량 및 계절조건에 따른 수 체 손상도를 분석하였으며 관리구간의 수체손상 특성의 원 인을 추적하고자 관리구간 시작지점인 상대포교(G4) 지점 에 대하여 동일한 분석을 실시하였다.

3.3.1.1. 부하지속곡선 작성

수체손상도 분석을 위해 부하지속곡선을 작성하고자 할 경우에는 유량지속곡선과 평가의 기준이 되는 수질이 필요 하다. 이중 유량지속곡선은 일반적으로 일단위의 유량을 이 용하므로 간헐적으로 측정된 유량자료를 유역모형을 이용 하여 일별 자료로 추정 후 사용하나, 최근 ^{Hwang et al. (2011)}은 유역모형으로부터 보간 된 3년간 일 유량을 이용 한 유량지속곡선에 실측유량을 도식화 한 결과, 실측유량이 고유량 일부를 제외하고 보간된 누적유량빈도를 대변하는 것으로 나타나 간헐적이지만 정기적인 실측유량자료가 다 년간 축적될 경우 하천의 전체 누적유량빈도를 대변할 수 있다고 한 바 있다. 따라서 유량지속곡선은 측정된 유량자 료를 이용하여 최대유량에서 최소유량 순으로 데이터를 배 열하고 초과하는 일수를 백분율로 계산하여 유량지속곡선 을 작성하였다. 평가 기준수질은 본 연구기간에 측정된 실 측자료의 평균수질을 이용하였는데 상대포교 지점은 T-N 1.624 mg/L이며 계성천 지점은 T-N 4.477 mg/L이다.

3.3.1.2. 유량·수질 실측자료 도식화

실측된 유량 및 수질 자료로부터 산정된 실측 부하량을 각 실측유량에 대응하는 초과 유량 백분율의 값을 결정하 여 부하지속곡선에 도식화 하였으며 그 결과는 Fig. 4~5와 같다. 부하지속곡선에 도식할 측정부하량(측정 유량과 농도 의 곱)은 계절의 변이성을 고려하여 수온이 높으며 수도작 을 하는 5월에서 10월을 하절기로 하고 수온이 낮으며 밭 농사 형태의 영농이 이루어지는 11월에서 4월을 동절기로 구분하여 도식하여 분석하였다. 여기서 도식한 측정부하량 이 부하지속곡선의 위쪽에 위치하는 경우는 평가 기준수질 을 초과하여 수체가 손상된 것을 의미하고 아래에 있는 경 우는 손상되지 않은 것을 의미한다.

Fig. 4. Result of Load Duration Curve and Plot on monitoring data at Gyeseongcheon.

Fig. 5. Result of Load Duration Curve and Plot on monitoring data at Sangdaepogyo.

3.3.1.3. 관리조건 분석

계성천 지점에서 측정된 113개 자료 중 기준수질을 초과 하여 손상된 것으로 판단되는 자료는 48개(42.5 %)로 나타 났다(Table 3). 이를 유량조건별로 분석해 보면 12개 측정자 료 중 8개가 초과한 E그룹(90~100 %)의 초과율이 66.7 % 로 가장 높았으며 그 다음으로 B그룹(10~40 %)이 41.2 %, C그룹(40~60 %)이 40.9 %, D그룹(60~90 %)이 38.2 %, A 그룹(90~100 %)이 36.4 %순으로 나타났으나 E그룹 외 유 량 그룹에서는 36.4%~41.2%로 비슷한 초과율을 보였다. 이를 계절별로 분석해 보면 동절기는 총 54개 자료 중 29 개가 초과하여 49.2 %의 초과율을 보였으며 하절기는 총 54개 자료 중 19개가 초과하여 35.2 %의 초과율을 보여 동절기의 초과율이 높은 것으로 나타났다. 이러한 결과를 조합해 보면 관리구간 말단인 계성천 지점은 동절기, 저유 량 조건에서 수체 손상이 심한 것으로 나타나 관리조건은 동절기, 저유량으로 설정하였다.

Table 3. Result of Estimated Exceed Data at Gyeseongcheon

Category			Flow Condition
			A Group	B Group	C Group	D Group	E Group	Total
Total Data	Total	N	11.0	34.0	22.0	34.0	12.0	113.0
		%*	9.7	30.1	19.5	30.1	10.6	100.0
	Winter Season	N	3.0	15.0	11.0	22.0	8.0	59.0
		%*	5.1	25.4	18.6	37.3	13.6	100.0
	Summer Season	N	8.0	19.0	11.0	12.0	4.0	54.0
		%*	14.8	35.2	20.4	22.2	7.4	100.0
Exceed Data	Total	N	4.0	14.0	9.0	13.0	8.0	48.0
		%**	36.4	41.2	40.9	38.2	66.7	42.5
	Winter Season	N	2.0	8.0	3.0	9.0	7.0	29.0
		%**	66.7	53.3	27.3	40.9	87.5	49.2
	Summer Season	N	2.0	6.0	6.0	4.0	1.0	19.0
		%**	25.0	31.6	54.5	33.3	25.0	35.2

* Percentile of Total Data (N/Total N×100)

** Percentile of Exceed Data (Exceed N/Total N×100)

관리구간의 수체손상 특징이 계성천 상류유입 또는 지천 유입(관곡천 유역, 남지배수 유역) 중 어느 곳의 영향을 크 게 받는지를 파악하기 위해 관리구간 시작지점인 상대포교 지점에 대하여 계성천과 동일한 방법으로 분석하였으며 그 결과는 Table 4와 같다.

Table 4. Result of Estimated Exceed Data at Sangdaepogyo

Category			Flow Condition
			A Group	B Group	C Group	D Group	E Group	Total
Total Data	Total	N	3.0	12.0	7.0	12.0	4.0	38.0
		%*	7.9	31.6	18.4	31.6	10.5	100.0
	Winter Season	N	2.0	3.0	5.0	6.0	1.0	17.0
		%*	11.8	17.6	29.4	35.3	5.9	100.0
	Summer Season	N	1.0	9.0	2.0	6.0	3.0	21.0
		%*	4.8	42.9	9.5	28.6	14.3	100.0
Exceed Data	Total	N	2.0	7.0	2.0	4.0	1.0	16.0
		%**	66.7	58.3	28.6	33.3	25.0	42.1
	Winter Season	N	2.0	3.0	1.0	0.0	1.0	7.0
		%**	100.0	100.0	20.0	0.0	100.0	41.2
	Summer Season	N	0.0	4.0	1.0	4.0	0.0	9.0
		%**	0.0	44.4	50.0	66.7	0.0	42.9

* Percentile of Total Data (Group N/Total N×100)

** Percentile of Exceed Data (Group Exceed N/Group N×100)

상대포교 지점에서 측정된 38개 자료 중 기준수질을 초 과하여 손상된 것으로 판단되는 자료는 16개(42.1 %)로 나 타났으며 이를 유량조건별로 분석해 보면 계성천 지점과는 다르게 고유량 조건인 A그룹(66.7 %)과 B그룹(58.3 %)에서 초과율이 높았으며 나머지 그룹에서는 25.0 % ~ 33.3 %로 비슷한 초과율을 보였다. 이를 계절별로 분석해 보면 동절 기는 총 17개 자료 중 7개가 초과하여 41.2 %의 초과율을 보였으며 하절기는 총 21개 자료 중 9개가 초과하여 42.9 %의 초과율을 보여 동절기와 하절기의 초과율이 비슷한 것으로 나타나 계성천 지점과 다르게 고유량 조건에서 수 체손상이 심한 것으로 나타났으며 계절적 영향은 거의 없 는 것으로 나타났다.

상대포교 지점은 측정 자료수가 적어 손상조건을 평가하 기에는 부족함이 있지만 두 지점의 분석결과로 볼 때 관리 구간의 손상구간 특성은 상류유입 보다는 지천유입에 의한 영향으로 판단되며 관곡천 및 남지배수 유역은 동절기, 저 유량 조건에서 많은 오염물질이 배출되는 것으로 판단된다.

3.3.2. 관리유역 설정

관리구간으로 오염물질이 유입되는 유역은 관곡천 유역 과 남지배수 유역이며 유역면적은 각각 약 22.08 km², 약 1.70 km²이다(Fig. 6). 남지배수 유역은 관곡천 유역에 비 해 유역 규모가 작고 대부분의 강우유출수를 배수지에 저 류하여 유역 내에서 재이용하고 있어 관리구간의 수질에 미치는 영향은 적은 것으로 판단된다.

Fig. 6. Diagram of Irrigation and Drainage flow at Gwangokcheon.

관곡천 유역은 유역 중앙부에 위치한 2개의 농업용저수지 (유동지와 장척지)를 기준으로 상류와 하류로 구분 할 수 있 는데 농업용저수지는 관개기 및 고강우시를 제외하고는 거 의 방류를 하지 않아 관곡천 상류 유역(약 9.48 km²)의 오염 원에서 배출된 오염물질은 관곡천을 따라 대부분 농업용저 수지에 축적되므로 관곡천 상류 오염물질이 관리구간에 미 치는 영향은 적을 것으로 판단된다. 또한 유동지 및 장척지 의 저수지 내 2014년 연평균 T-N 수질은 각각 1.487 mg/L, 1.054 mg/L이였으나 관곡천 말단 수질이 3.801 mg/L로 나타 나 관리구간의 수질에 영향을 주는 유역은 관곡천 하류유역 으로 판단되어 관곡천 하류유역을 관리유역으로 설정하였다.

3.4. 관리유역 오염원 정밀 분석

관리유역인 관곡천 하류유역에서 저유량 동절기(관리조 건)에서 T-N을 많이 배출하는 오염원을 파악하여 적절한 삭감대안을 마련하고자 관곡천 하류유역의 오염원을 정밀 조사·분석하였다. 관곡천 하류유역은 전형적인 농업지역으 로 관곡천 말단에 위치한 상대포양배수장에서 농업용수를 취수하여 관곡천 하류 유역의 농경지에 공급하고 사용된 농업 배수는 관곡천을 따라 다시 관곡천 말단으로 이동하 여 상대포양배수장을 통해 관리구간으로 유입된다.

관곡천 하류유역(약 12.60 km²)의 오염원 특징을 보면 월 령마을하수도(평균 방류유량 36 m³/day, 평균방류수질은 T-N 12.582 mg/L)를 제외하고는 대부분 농경지에서 영농 활동 시에 배출되는 농업비점오염으로 조사되어 주요 관리오염 원은 농업비점으로 판단된다.

관곡천 하류 유역의 영농활동은 10월에 양파와 마늘을 파 종하여 다음해 5월경에 수확하고 다시 6월에 벼를 심어 9월 에 수확을 하는 년 이모작 지역으로 화학비료와 함께 가축 분뇨를 많이 살포하고 있다. 시비 특성을 보면 밭농사 형태 인 양파와 마늘은 파종 전인 9월에 기비를 주고 생육이 왕 성한 시기인 2월에 웃거름을 주며 수도작 형태인 벼는 5월 에 기비를 주고 7월, 8월에 추비를 준다. 관계용수의 사용은 마늘과 양파를 파종하는 9월과 양파 마늘의 뿌리가 급격히 성장하는 4월경과 수도작을 시작하는 6월경에 가장 많이 사 용된다(Fig. 7).

Fig. 7. Agriculture patten at Object Watershed.

3.5. 관리오염원 선정 및 삭감방안 마련

계성천의 효율적인 수질개선을 위해서는 관곡천 하류유 역(관리유역)에서 저유량, 동절기 조건(관리조건)에서 T-N 배출이 많은 오염원을 찾아 최적의 삭감계획을 수립함으로 서 최대 수질개선 효과가 나타날 수 있는 계획을 수립하는 것이 바람직하다.

^{Nevada (2003)}에 의하면 부하지속곡선 방법은 수질기준을 초과하는 경우의 유량 특성을 설명하는데 이용될 수 있으 며, 특히 유량 규모를 고려한 점오염원 및 비점오염원 특 성을 파악할 수 있다. 일반적으로 고유량(higher flows)기간 동안에 발생되는 수질기준 초과의 경우는 비점오염원으로 인한 영향이며, 저유량(lower flows)기간 동안 발생하는 수 질기준 초과의 경우는 점오염원으로 인한 영향일 가능성이 크다고 할 수 있다. 또한, ^{U. S. EPA. (2006)}에 의하면 홍수 기에 수질이 손상된 경우 주요 삭감방안은 BMPs, 개발 또 는 하천제방 안정화, 토양침식조절 프로그램 등이 있으며, 풍수기와 평수기에 손상된 경우는 토양침식조절 프로그램, 수변식생대 조성 등이 있고 저수기에는 수변식생대 조성, 환경기초시설 수질개선 등이 있으며 갈수기에 손상된 경우 는 환경기초시설 방류수질 개선 등이 있다.

본 연구에서 부하지속곡선을 이용하여 관리구간의 수체 손상 평가 결과로만 보면 저유량, 동절기 조건에서 수체가 손상된 것으로 나타나 손상원인은 점오염원이며 삭감방안 으로는 환경기초시설 방류수질 개선 등을 추천할 수 있을 것이다. 또한, 관리유역의 오염원 조사결과로만 보면 점오 염원은 거의 없고 대부분 오염물질은 농경지에서 배출되는 농업비점오염원이므로 관리기간은 고유량 조건이 되어야 할 것으로 판단되는 등 서로 상반되는 결과가 도출되었다.

그러나, 상세 오염원 조사결과를 보면 관리유역은 대부분 농경지에서 양파·마늘 및 벼농사를 이모작하는 지역으로 우리나라의 일반적 논농사 지역과 다르게 연중 농업활동에 의한 오염물질이 배출되며 특히 강우량이 적어 유역 유출 량이 적은 동절기, 저유량 조건에서 배출되는 농업배수에 의해 수질이 악화되는 것으로 판단된다.

따라서 관리유역 내 관리오염원은 동절기 양파·마늘 재배 에 따른 비점오염물질의 유출이며 이에 따른 삭감계획으로 는 양파·마늘 재배 시 주요 발생원인 시비량을 줄이고 동절 기 농경지의 물꼬높이를 상향 조정하여 농업배출수의 유출 을 최대한 억제하는 등의 저영향영농(Low Impact Farming) 을 실행하고 관리유역 말단에 위치한 양배수장을 이용하여 농업배수를 재이용하여 관리유역에서 배출되는 오염물질이 관리구간으로 유입되는 것을 억제하는 방안 등이 적정할 것 으로 판단된다.

3.6. 우리나라 지류총량제의 LDC 적용성

다양한 유량 조건의 수질 모니터링 자료를 이용하여 부 하지속곡선에 해당 기간동안 관측된 수질 및 유량 자료를 도식하면 전체 유량규모에 대한 수질의 분포를 확인할 수 있어 미국의 많은 주에서 부하지속곡선 방법을 이용하여 TMDL 설정 기법, 데이터 분석 기법 및 유량 규모별 점·비점원 부하량 관리 기법으로 적용하고 있다.

전체 유량 크기에 따른 수질오염 문제를 단순한 그림으 로 제공할 수 있는 부하지속곡선 방법은 허용부하량 관리 에 대한 이해관계자의 자율적인 이해와 참여가 필요한 지 류총량제의 시행에 많은 도움이 될 것이다. 특히 기존의 수질 규제에 익숙한 대중에게는 낯선 개념들을 많이 내포 하고 있는 총량관리를 시행함에 있어 대중의 참여, 특히 주민이 속한 내 집 앞 지류의 수질특성을 부하지속곡선 방 법을 활용해 보여 줌으로서 유역관리교육과 홍보를 위한 도구로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.