김경훈
(Gyeonghoon Kim)
권헌각
(Heongak Kwon)
임태효
(Taehyo Im)
이규동
(Gyudong Lee)
신동석
(Dongseok Shin)
나승민
(Seungmin Na)
†
-
국립환경과학원 낙동강물환경연구소
(Nakdong River Environment Research Center, National Institute of Environmental Research)
© Korean Society on Water Environment. All rights reserved.
Key words
Extension method, FDC, LDC, MOVE.2, TMDLs
1. Introduction
수질오염총량관리제(Total Maximum Daily Loads, TMDLs) 는 유역으로부터 배출되는 오염부하량을 관리하여 최종년도 의 목표수질을
달성 및 유지하고자 하는 제도이다(MOE, 2013). 할당부하량 및 목표수질의 달성여부는 삭감계획 및 개 발계획에 영향을 주기 때문에 단위유역 말단지점에서의 수질 을 정확하게 평가하는 것이 무엇보다
중요하다고 할 수 있다.
현재 TMDLs는 장기 유량조건을 기반으로 하여 일평균 부하량으로 환산하는 단순화된 개념으로 적용되고 있어 TMDLs를 바탕으로 한 유역의 수질 회복과
평가 및 특성 분석을 통한 근본적인 유역관리에 적지 않은 어려움이 있 다. 이 방법은 하천의 유량변화에 따른 수질변화를 반영하 지 못하는 한계가 있어서
목표수질 달성여부 평가 시 배출 부하량은 초과하지만 목표수질은 만족하는 경우가 있으며 이와 반대로 배출부하량은 만족하지만 목표수질은 만족하 지 못하여
배출부하량과 목표수질의 상관관계가 제대로 반 영되지 않는 경우가 생기기도 한다(Kim et al., 2015).
이러한 문제를 해결하기 위해서는 단위유역별 오염부하 지속곡선(Load Duration Curve, LDC)을 이용한 방법이 제 시되고 있다. 실측부하값이
어느 유황범위에서 LDC보다 큰 값을 보이는지 도식화하여 검토하면 목표수질이 초과되 는 기간이 홍수기 인지 갈수기인지 등의 파악이 가능하다. LDC를
이용하여 목표수질 달성여부 등을 분석하기 위해서 는 일유량자료를 바탕으로 한 장기 유황곡선(Flow Duration Curve, FDC)의 작성이
선행되어야 한다(Park and Oh, 2012). FDC는 하천의 전체 유량조건에 대한 유량변화를 분석하는 기법으로서, 수역의 장단기 유량변화 분석 및 수질변화 요 인규명 등을 위한 중요한 도구로
사용되고 있다(Vogel and Fenessey, 1994). 수질오염총량관리 단위유역에 대한 목표 수질의 설정 또는 오염부하량의 할당 등에 필요한 유량조 건은 단위유역별 FDC를 적용하여 분석한다(Park et al., 2012). FDC는 자동수위관측소의 수위-유량관계 곡선식(H-Q Curve)으로부터 환산한 일유량자료 또는 유역모델의 일유 량 출력자료를 이용하여 작성하는
것이 일반적이다.
이와 같은 장기 FDC 구축을 위해서는 대상지점에 대한 장기간의 연속유량자료 확보가 선행되어야 하지만 국내에 는 이를 만족하는 지점이 많지 않은 것이
사실이며, 환경 부 총량유량 측정망의 경우 주단위 관측(부분계측자료)이 이루지기 때문에 이와 같은 자료의 확장법들에 대한 연구 가 활발히 진행되고
있다(Hwang et. al., 2011; Kim et al., 2015; Kim et al., 2014). 특히 Kim et al. (2014)의 연구에 서는 남강댐 유역의 네 가지 하천유량자료 확장방법에 대 한 비교 및 평가 결과, 분산유지법 형식-2방법(Maintenance of Variance
Extension, Type 1, MOVE.2)이 최적의 확장법 으로 제시하였다. 이 확장법은 연속 계측된 자료를 기반으 로 부분 계측된 자료를 보정하는
방식으로 기준관측소 유 량자료의 품질이 우수할 경우 더 나은 결과를 제공해 줄 수 있으며, 비교적 간단한 절차와 방식으로 장기 유량자료 를 확장할
수 있는 장점을 지니고 있다.
본 연구에서는 낙본A 단위유역을 대상으로 MOVE.2 확장 법을 이용하여 장기 FDC를 구축하고, 이를 토대로 장기 LDC 를 작성하였다. 또한 현행평가방법과
LDC를 이용한 평가 결 과를 비교하였으며, 유황조건별, 분기별 수체손상평가를 실시 하여 새로운 평가방법 도입시 나타나는 수질관리의 효용성을 부각시켜
총량관리제도 유연성 확대에 기여하고자 한다.
2. Materials and Methods
2.1. 연구대상유역
본 연구의 대상유역은 낙동강 최상류 유역으로 강원도 태백시의 일부이며, 황지천, 소도천, 철암천을 포함하고 있 다(Fig. 1, Table 1). 유역면적은 201.3 km2이고, 토지이용현 황은 임야 89.1%, 대지 4.0%, 농경지 3.7%, 기타 3.3% 순으 로 대부분의 토지이용은 임야와 농경지로 구성되어 있다
(Table 2).
Fig. 1. Study area and location of gaging stations used in the analysis.
Table 1. KMA rain gauging, MOE unregulated, and base stream-gauging stations in the Andong dam basin
|
NO
|
Station number
|
Station name
|
Period of record
|
Drainage area in square kilometers
|
Remarks
|
|
|
1
|
000216
|
Taebaek
|
1985-2015
|
-
|
Raingaging
|
|
2
|
000271
|
Bonghwa
|
1988-2015
|
-
|
Raingaging
|
|
3
|
000136
|
Andong
|
1983-2015
|
-
|
Raingaging
|
|
4
|
2001A35
|
Nakbon-A
|
2004-2015
|
201.3
|
Unit Basin
|
|
5
|
029100
|
Andong Dam
|
1966-2015
|
1,584.0
|
Base Station
|
Table 2. Landuse characteristics in study area
|
|
Farmland
|
Forest
|
Urban
|
etc.
|
Total
|
|
Area (km2)
|
7.5
|
179.1
|
8.1
|
6.6
|
201.3
|
|
Share (%)
|
3.7
|
89.0
|
4.0
|
3.3
|
100.0
|
연구 대상유역으로 낙본A를 선정한 이유는 새로운 평가 방법인 MOVE.2 확장법 적용 타당성 평가를 위해서는 수 문학적으로 신뢰할 수 있는 장기 연속유량자료
확보가 수 월하고, 낙동강수계 총량단위유역의 출발점이자 시도경계지 점이면서, 환경부 최초 자동수위관측소(2011년~현재)가 설 치 운영 중인 지점으로,
추후 실측유량자료의 확장 가능성 에 대한 타당성 분석과 같은 후속연구에 적합한 것으로 평 가되었기 때문이다.
본 연구유역은 낙동강수계 오염총량관리 단위유역 낙본A로 현재 2단계(2011~2015년) 기준유량은 저수량 1.267 m3/sec, 평 수량 2.148 m3/sec, 목표수질은 BOD 1.5 mg/L, T-P 0.057 mg/L 로 설정되어 있으며, 수질오염총량관리 시행계획 대상물질 은 T-P이다. 이
유역의 BOD 평가수질은 2회 연속 목표수질 1.50 mg/L 이하이므로 수립대상지역에서 제외가 되나, T-P 평 가수질이 목표수질 0.057 mg/L을
초과하므로 오염총량관리 시행계획 수립대상지역으로 지정되었다(GP, 2010).
2.2. 자료 및 분석방법
본 대상유역의 수체손상 정도를 파악하기 위한 기초자료 로 강수량, 유량 및 수질자료를 수집하였으며, 이 자료를 활용한 다양한 분석기법들에 대해 소개하였다.
2.2.1. 유역평균강수량
유역의 유출특성은 지형, 지질 및 강수 등 기상조건에 의 하여 결정되고 이 중에서 가장 주요한 요인이 강수량에 영 향을 받는다. 연구 유역 내에서
강수량은 한 지점에서 점 강수량으로 관측되고, 장기간의 강수량 분석을 위해서는 자 료 확충이 필요하다. 본 연구에서는 지점 강수량의 자료 확장법으로는
역거리법(Reciprocal Distance Squared Method, RDSM)을 이용하였으며, 유역평균강수량 산정법은 티센다 각형법(Thiessen
Polygon Method, TPM)을 이용하였다.
2.2.2. 유량 및 수질자료
하천 수질평가를 위한 자료는 오염총량관리 낙본A 단위 유역 말단에서 2004년부터 2015년 12월말까지 주단위 간 격으로 측정된 유량(Q) 및 수질자료(BOD,
TOC, T-N, T-P) 를 사용하였다(NIER, 2016).
2.2.3. MOVE.2 확장법(Extension Method)
국내외적으로 연속 관측된 자료를 전이하여 수문학적으 로 동일 혹은 유사한 유역에서 부분 계측된 유량자료가 365일 연속유량자료로 확장될 수 있음을
보여준 바 있다 (GRI 2010; Kim et al., 2014; Ries and Friesz, 2000). 이 방법을 적용하기 위해서는 부분 계측지점과 연속 계측지점 에서 각각 취득된 유량자료 간 상관성이 높아야 한다.
미국지질조사국(USGS)은 부분 계측된 유량자료를 연속유 량자료로 확장하는 방법을 이용할 경우 인근에 존재하는 연속 계측관측소의 유량자료를 이용할
것을 권장하고 있다 (Ries and Friesz, 2000). 이 확장법은 y관측소(부분 계측관 측소)의 결측치를 동일 유역 혹은 수문학적 유사 유역의 x 관측소(연속 계측관측소)의 자료를 이용하여 보완하는 방법 이다.
Hirsh (1982)에 의하면 상관성을 알아보기 위해 우선 y 지점에서 부분 계측된 유량과 같은날 x지점에서 계측된 연속유량자료를 추출하여 상용로그를 취한 후 두 자료를 도시한다. 이때 두 자료간 상관계수가 높으면서 선형적인 관계에 있다면 다음 식을
이용하여 부분계측자료를 연속자 료로 확장할 수 있다.
여기서
y
ˆ
i
는 추정할 유량,
m
ˆ
y
1
는 부분계측자료의 평균, x(i) 는 연속계측자료,
m
ˆ
x
1
는 연속계측자료의 평 균,
S
ˆ
y
1
는 부분계측자료의 표준편차, S(x1)는 연속계측 자료의 표준편차이다. x 에 대한 평균과 분산 추정치는 모 든 관측값 N1 + N2 을 기초로 하고, y 에 대한 평균과 분산 추정치는 y 에 대한 기록치들과 일련의 x 와 관련된 정보를 기초로 추정된다.
m
ˆ
y
와
S
ˆ
y
값은 Matalas and Jacobs (1964)에 의해 개발되었고, 이들 값은 부분계측자료의 평균 과 분산의 불편추정치(Unbiased Estimate)를 제공하는 것으 로 알려져 있으며 다음과
같이 산정한다.
위와 같이 복잡한 식을 개발한 것은 평균과 분산에 대한 편향을 막기 위한 이론적 해법을 제공하기 위한 것이다. N1 과 N2 에 ρ 대한 총 15개의 다른 조합을 총 2,000번에 해당하는 Monte Carlo 모의결과 귀무가설 E[m(y)] = μy 는 조건을 유의수준 α=0.05에서 대부분 만족하는 것으로 분석 되었다. Table 3은 N1 과 N2 에 ρ 조합에 따른 E[S2(y)]/σ2y값을 수록한 것이다. 이와 같은 모든 분석결과로 볼 때 MOVE.2는
m
ˆ
y
와
S
2
ˆ
y
에 대해서 불편향된 값을 제공 함으로써 기록확장법에 만족할 만한 결과를 제공할 것으로 판단된다.
Table 3. Values ofE[S2(y)]/σ2yusing the MOVE.2 method of record extension
|
N1 |
N2 |
ρ |
|
|
0.5
|
0.7
|
0.9
|
|
|
10
|
10
|
0.99
|
0.99
|
1.02* |
|
20
|
20
|
0.99
|
1.00
|
1.00
|
|
30
|
30
|
0.99
|
0.99
|
1.00
|
|
50
|
10
|
1.00
|
0.99
|
1.01
|
|
10
|
50
|
0.99
|
1.01
|
1.00
|
2.2.4. 유량지속곡선(Flow Duration Curve, FDC)
일유량자료를 최대유량에서 최소유량 순으로 정렬한 후 식 (4)에 따라 비모수적 통계방법으로 각 측정치를 백분율 로 나타내었다.
식 (4)에 따라 작성된 FDC는 유량변화에 따라 5단계로 구분하였다. 전체 유량백분율의 0%~10% 구간은 홍수량(High flows, HF), 10%~40%
구간은 풍수량(Moist conditions, MC), 40%~60% 구간은 평수량(Mid-range flows, MRF), 60%~90% 구간은
저수량(Dry conditions, DC), 90%~100% 구간 은 갈수량(Low flows, LF)으로 구분하였다(Cleland, 2003). 국 내에서는 하천유황을 유지일수에 따라 연중 95일 이상 유지 되는 유량은 풍수량, 185일 이상 유지되는 유량은 평수량, 275일 이상 유지되는
유량은 저수량, 355일 이상 유지되는 유량은 갈수량으로 구분하고 있다. 위에서 언급한 국내외 두 유황조건을 비교해보면 풍수량은 365일 중 95일
이상 즉 26% 이상 조건을 말하므로 MC 구간에 해당하고, 평수 량은 365일 중 185일, 51%에 해당하므로 MRF 조건이며, 저수량은 365일
중 275일, 75%에 해당하므로 DC 조건이다. 마지막으로 갈수량은 365일 중 355일, 97%에 해당하는 LF 조건과 부합한다.
2.2.5. 부하지속곡선(Load Duration Curve : LDC)
LDC는 다양한 유량조건의 수질 모니터링자료를 이용하 여 관측 기간 동안의 관측 유량 및 수질자료를 도식화하여 전체 유량규모에 대한 관측치의 분포를
확인할 수 있으며, 이를 이용하여 하천 및 유역관리에 필요한 유량 및 수질의 범주를 확인할 수 있는 방법으로, 지속곡선은 주어진 유량 또는 부하량과
같은 매개변수가 주어진 값과 같거나 초과 하는지를 백분율로 곡선화하여 그래픽하게 표현한 것이다 (Hwang et. al., 2010; Nevada, 2003)).
수질기준 자료를 이용하여 식 (5)로 계산된 부하량과 해 당유량을 이용하여 LDC를 작성한다.
여기서, WQC 는 기준 수질농도(Water Quality Concentration) 값이다.
2.2.6. 수질관리목표 초과빈도 분석
LDC를 이용하여 낙본A 단위유역에 대해 주요 수질항목 의 관리목표와 초과빈도 분석을 수행하였다. 관리목표 달성 여부는 BOD와 T-P의 경우는 제2단계
수질오염총량관리 목표수질을 이용하였으며, TOC와 T-N의 경우는 2004년 8 월부터 2015년 12월 말까지 관측된 실측치의 평균값을 적 용하였다(Table
4).
Table 4. Water quality management target concentration of Nakbon-A Unit Watershed
|
Items
|
Water quality parameter
|
|
BOD (mg/L)
|
TOC (mg/L)
|
T-N (mg/L)
|
T-P (mg/L)
|
|
Target con.
|
≦ 1.5
|
≦ 1.8
|
≦ 3.545
|
≦ 0.057
|
2.3. 목표수질 달성여부 평가 방법
2.3.1. 현행규정에 의한 평가방법
우리나라 총량관리에서는 목표수질 지점별로 물환경측정 망 운영계획에 따라 주단위 간격으로 측정 분석된 연간 36 회 이상의 자료를 이용하여 3년 단위로
식 (6)~(8)에 의한 평가수질을 산정하고 있다. 여기서, 측정수질은 산정시점으 로부터 과거 3년간 측정한 것으로 하며, 2회 연속 목표수 질을 초과하는 지역에서는
오염총량관리 시행계획을 수립 하여 시행한다(MOE, 2013).
현행의 평가방법은 과거 3년간의 평균수질을 나타내므로 당해연도의 수질을 대표하지 못할 수 있으며, 산정과정에서 대수변환과정을 거치므로 연평균수질방법과
다르게 나타날 수 있는 문제점 및 수질측정자료가 특정 유량구간에 편중되어 있을 경우에는 그 대표성이 떨어질 수 있는 한계점이 있는 것으로 파악되고
있다(Kim et al., 2015; Park and Oh, 2012).
2.3.2. 부하지속곡선을 이용한 평가방법
TMDL의 이행평가 및 삭감계획에 널리 이용되고 있는 LDC는 하천의 전체 유량조건에서 실측수질과 목표수질과 의 관계를 나타내는 곡선이다(U. S. EPA, 2007). LDC는 오염총량관리 목표수질 및 부하량 등을 시각적으로 표현하 므로 목표수질 초과 빈도수와 크기 등을 쉽게 알 수 있다. 또한 LDC는 목표수질을
초과하는 유량조건들을 용이하게 파악할 수 있으며, 목표수질 초과원인 등을 규명하는데 유 용하게 사용된다(Nevada, 2003). LDC 방법의 적용은 FDC 와 LDC 생성, 그리고 LDC에 실측자료를 도식화하는 과정 으로 구분된다.
또한 LDC 평가기준은 실측부하량의 초과율이 50% 이상 이면 목표수질을 초과하는 것으로 평가하였다(Kim et al, 2015; Park and Oh, 2012; U. S. EPA, 2007).
3. Results and Discussion
3.1. 유역강수현황
장기간의 유역강수현황을 파악하기 위해 낙동강수계 내 기상청 관측소들에 대한 강수량 자료를 수집하였으며, 장기 간 강수자료(1961~2015년)를 구축하기
위한 결측자료 보완 및 확장법으로 RDSM을, 유역평균강수량 산정을 위해 TPM 을 이용하였다. 안동댐 유역 내의 기상관측소는 Fig. 1과 같이 태백, 봉화와 안동관측소가 있으며, 자료 확장을 통한 유역평균강수량 분석결과를 Table 5와 같이 제시하였다. 또 한 Table 5에는 조사기간 동안 매 5년마다 연강수량, 일최 대강수량, 1일 10mm 이상의 강우량을 나타낸 유효강우일 수와 선행 무강우 일수의 평균값을 산정하여
정리하였다. 연강수량, 일최대강수량 및 유효강우일수는 약간의 진폭은 존재하지만 1980년부터 2005년까지는 증가하는 경향을 보 이다가 2006년부터
2015년까지는 감소하는 경향을 보이는 것으로 파악되었다. 갈수량의 영향을 미치는 선행 무강우 일 수를 분석한 결과 전체평균 22.1일 대비 2006년부터
2010 년까지는 26.6일로 평균 4.5일 증가한 것으로 나타났다.
Table 5. Rainfall pattern of Andong dam basin
|
Year
|
Yearly rainfall (mm)
|
Maximun rainfall (mm/day)
|
Effective rainfall (days) >=10 (mm/day)
|
Preceding dry period (days) <0.1 (mm/day)
|
|
1961-1965
|
1,180.4
|
99.9
|
34.0
|
23.0
|
|
1966-1970
|
1,136.9
|
98.5
|
35.4
|
24.0
|
|
1971-1975
|
1,006.4
|
75.5
|
33.4
|
15.4
|
|
1976-1980
|
1,008.5
|
68.4
|
31.0
|
21.0
|
|
1981-1985
|
1,165.3
|
103.5
|
27.2
|
22.2
|
|
1986-1990
|
1,049.9
|
107.4
|
33.8
|
23.8
|
|
1991-1995
|
1,278.6
|
118.2
|
27.4
|
23.8
|
|
1996-2000
|
1,361.5
|
102.2
|
36.4
|
20.8
|
|
2001-2005
|
1,129.9
|
129.7
|
38.0
|
22.4
|
|
2006-2010
|
1,110.0
|
99.3
|
31.6
|
26.6
|
|
2011-2015
|
1,136.9
|
105.7
|
32.0
|
20.6
|
|
Average
|
|
100.8
|
32.7
|
22.1
|
3.2. MOVE.2 확장법 적용
낙본A의 부분 계측자료(2004~2015년; 12년)를 장기간의 연속 계측자료로 보완하기 위해 안동댐 유입량 자료 (1966~2015년; 50년)를
이용하였다. 두 지점간 자료확장의 기본과정은 상관성이 높아야 한다는 것이다. 두 자료간의 상용로그를 취한 후 상관계수를 구한 결과 γ=0.809로 산정 되어 선형 상관성이 높은 것으로 분석되었으며(Fig. 2), MOVE.2 확장식으로 산정한 결과는 식 (9)와 같다.
Fig. 2. Plot of Move.2 record extension method.
3.3. 지속곡선 작성 및 실측자료 도식화
3.3.1. 유량지속곡선 작성
MOVE.2 확장법을 이용하여 생성된 50년간(1966~2015년) 의 일유량 자료를 최대유량에서 최소유량 순으로 배열하여 특정유량을 초과하는 일수를
백분율로 계산한 후 FDC를 작성 하여 Fig. 3에 도식화하였고, 분석결과는 Table 6에 제시하였다.
Fig. 3. A Long-term flow duration curve of Nakbon-A (1966~2015).
Table 6. Discharge by flow conditions (1966~2015)
|
Classification
|
Total / Average
|
Flow Conditions
|
|
HF
|
MC
|
MRF
|
DC
|
LF
|
|
Number of days
|
18,262
|
1,826
|
5,478
|
3,653
|
5,478
|
1,827
|
|
Discharge (m3/s)
|
5.321
|
17.454
(5%)
|
5.509
(25%)
|
2.825
(50%)
|
1.556
(75%)
|
0.747
(95%)
|
|
Discharge (106m3)
|
8,396
(100.0%)
|
3,784
(45.1%)
|
2,845
(33.9%)
|
905
(10.8%)
|
748
(8.9%)
|
114
(1.4%)
|
낙본A 단위유역의 50년간 유입된 최대유량은 274.182 m3/s 이었고, 일별 최소유량은 0.051 m3/s이였으며, 평균유량은 5.321 m3/s이었다. 유황조건별 평균유량은 HF 17.454 m3/s, MC 5.509 m3/s, MRF 2.825 m3/s, DC 1.556 m3/s, LF 0.747 m3/s인 것으로 조사되었다. LF 기준으로 HF 23.4배, MC 7.4배, MRF 3.8배, DC는 2.1배의 유량이 흐르는 것으 로 나타났다. 1966~2015년까지
유황조건별 유입유량은 8,396백만톤(106m3)으로 이중 45.1%가 HF 구간에 유입되 었고, MC, MRF, DC, LF 구간에서 각각 33.9%, 10.8%, 8.9%, 1.4% 유입되는
것으로 조사되었다.
Table 7은 GP (2010) 보고서 내 기준유량(NIER, 2006)과 본 연구에서 구축된 장기 FDC 곡선으로부터 추출된 기준 유량(평수량, 저수량)에 대한 비교결과로, 보고서 상의 기준 유량이 약 19~23%
정도 과소 산정되는 것으로 분석되었 다. 따라서 실측유량자료를 이용하여 구축한 장기 유황자료 분석결과로 볼 때, 기본계획에 제시된 기준유량은 유역모델
인 SWAT을 이용한 결과로서 본 연구 보다는 작게 설정된 것으로 판단된다.
Table 7. Comparison of design flow in present study and a 2nd master plan
|
Design flow
|
Q185 |
Q275 |
|
2nd master plan (m3/s)
|
2.148
|
1.267
|
|
This study (m3/s)
|
2.773
|
1.556
|
|
diff.
|
-0.625
|
-0.289
|
|
%
|
-22.5%
|
-18.6%
|
3.3.2. 부하지속곡선 작성 및 실측자료 도식화
LDC를 작성하기 위해서는 FDC 뿐만 아니라 오염물질에 대한 기준수질이 필요하다. 본 연구유역의 수질기준을 보면 물환경측정망 운영계획(MOE, 2016)에서는 매우좋음(Ia) 등 급으로 설정되어 있으며, 수질오염총량관리 계획에서는 1단 계(2004~2010년)의 경우 BOD 항목만 기준유량인 10년
평 균 저수량 조건에서 목표수질 1.5 mg/L로 설정하여 관리하 고 있으며(GP, 2005), 2단계(2011~2015년)에서는 BOD 외 추가적으로 T-P에 대하여 기준유량(10년 평균 저수량 및 평수량) 조건에서 목표수질을 0.057
mg/L로 설정하여 관리 하고 있다(GP, 2010).
우리나라 하천의 생활환경 기준에는 본 연구에 사용된 BOD, TOC, T-N, T-P 중 BOD, TOC와 T-P만 있으며, 오 염총량관리에서는 2단계
대상물질로 BOD와 T-P에 한정하 고 있어 본 연구기간(2004~2015년) 동안 수체의 주요 오염 물질인 TOC, T-N에 대한 손상정도를 파악하기
위한 수질 기준이 총량관리제에는 없다. 따라서 본 연구에서는 기존 적용 연구들(Hwang et. al., 2010; Kim et al., 2013)과 같이 TOC, T-N의 경우는 연구기간 동안의 실측 수질값의 평균 을 목표수질로 가정하여 LDC를 개발한 후 하천의 유량변 동에 따른 오염물질별
손상정도를 파악하였으며, 설정된 오 염물질별 기준수질은 BOD, TOC, T-N 및 T-P가 각각 1.5 mg/L, 1.8 mg/L, 3.545 mg/L와
0.057 mg/L이다(Table 4).
기 개발된 장기 FDC와 각 수질항목별 목표수질을 이 용하여 기준 LDC를 작성하면 Fig. 4와 같으며 이 기준들 을 이용하여 실측부하량의 관리목표 초과여부를 판정하 게 된다.
Fig. 4. Result of load duration curve.
3.4. 목표수질 달성여부 비교·평가
낙본A 단위유역에서 실측된 유량과 수질자료를 이용하여 현행 평가방법과 LDC 평가방법의 결과를 비교·평가하여, 두 평가방법에 차이가 있는지를 확인하였다.
현행평가방법 은 과거3년 평균수질법임에 따라 2012~2014년(1회), 2013~2015년(2회) 각각의 자료를 이용하였으며, LDC 평가방법의
경우는 같은 자료에 초과율 50% 기준으로 목표수질 달성 여부를 평가하였다.
Table 8과 같이 각 수질항목에 대한 두 평가방법에 대한 목표수질 달성여부 평가결과, 현행 평가방법에 의하면 T-N 을 제외한 BOD, TOC, T-P의 경우에는
목표수질을 달성하 는 것으로 분석되었지만, LDC 평가방법에 의하면 BOD와 T-P만 목표수질를 달성하고 TOC와 T-N의 경우는 목표수 질을 초과하는
것으로 분석되었다. 특히 두 방법별 T-P 평 가결과를 살펴보면 두 방법 모두에서 목표수질을 달성하는 것으로 평가되지만, 현행 평가방법의 경우 목표수질
대비 약 20%정도의 여유가 있는 것으로 분석되었지만, LDC 평 가방법의 경우 초과율 50%에 해당하는 수치로 T-P 수질관 리에 여유가 없는 것으로
분석되었다.
Table 8. Result evaluated water quality by current method and LDC method (2012~2015)
|
Items
|
TWQ
|
EWQ (current)
|
EWQ (LDC)
|
EWQ (current)
|
EWQ (LDC)
|
|
’12~’14
|
Eva.
|
Ex.
|
Eva.
|
’13~’15
|
Eva.
|
Ex.
|
Eva.
|
|
BOD
|
1.5
|
1.2
|
O
|
44.5%
|
O
|
1.2
|
O
|
47.9%
|
O
|
|
TOC
|
1.8
|
1.8
|
O
|
69.7%
|
X
|
1.8
|
O
|
71.1%
|
X
|
|
T-N
|
3.545
|
3.633
|
X
|
81.5%
|
X
|
3.675
|
X
|
81.8%
|
X
|
|
T-P
|
0.057
|
0.046
|
O
|
49.6%
|
O
|
0.046
|
O
|
50.4%
|
X
|
Table 9는 최근 4년간(2012~2015년) LDC 유황조건별 목 표수질 달성여부 평가 결과를 제시하였다. 평가결과(2회 연 속 초과율 50% 이상인 수질)
BOD의 경우는 LF 구간에서 목표수질을 초과하는 것으로 분석되어, 비가 오지 않아 하 천 유량이 매우 적은 갈수기이므로 태백하수처리장 방류수 (평균방류량=0.341
m3/s, GP (2010))의 영향을 받는 것으로 판단된다. TOC의 경우는 MC와 MRF 구간을 제외한 전 유황조건에서 초과하는 것으로 분석되었다. 또한 T-N의 경 우는
전체 유황조건에서 모두 초과하는 것으로 분석되었으 며, T-P의 경우는 HF, DC와 LF 구간에서 목표수질을 초과 하는 것으로 분석되어, 홍수기의
비점오염원과 저·갈수기 하수처리장의 영향을 받고 있는 것으로 판단되었다.
Table 9. Result evaluated water quality by current method and LDC method (2012~2015)
|
Items
|
TWQ
|
Year
|
Eva.
|
Average
|
Flow condition
|
|
HF
|
MC
|
MRF
|
DC
|
LF
|
|
No.
|
EX.
|
No.
|
EX.
|
No.
|
EX.
|
No.
|
EX.
|
No.
|
EX.
|
No.
|
EX.
|
|
BOD
|
1.5
|
'12~14
|
O
|
66
|
55%
|
6
|
75%
|
15
|
65%
|
13
|
68%
|
27
|
53%
|
5
|
28%
|
|
X
|
53
|
45%
|
2
|
25%
|
8
|
35%
|
6
|
32%
|
24
|
47%
|
13
|
72%* |
|
'13~15
|
O
|
63
|
52%
|
5
|
83%
|
11
|
52%
|
11
|
61%
|
27
|
54%
|
9
|
35%
|
|
X
|
58
|
48%
|
1
|
17%
|
10
|
48%
|
7
|
39%
|
23
|
46%
|
17
|
65%* |
|
TOC
|
1.8
|
'12~14
|
O
|
36
|
30%
|
1
|
13%
|
13
|
57%
|
11
|
58%
|
11
|
22%
|
0
|
0%
|
|
X
|
83
|
70%* |
7
|
88%* |
10
|
43%
|
8
|
42%
|
40
|
78%* |
18
|
100%* |
|
'13~15
|
O
|
35
|
29%
|
1
|
17%
|
10
|
48%
|
10
|
56%
|
13
|
26%
|
1
|
4%
|
|
X
|
86
|
71%* |
5
|
83%* |
11
|
52%* |
8
|
44%
|
37
|
74%* |
25
|
96%* |
|
T-N
|
3.545
|
'12~14
|
O
|
22
|
18%
|
0
|
0%
|
10
|
43%
|
8
|
42%
|
4
|
8%
|
0
|
0%
|
|
X
|
97
|
82%* |
8
|
100%* |
13
|
57%* |
11
|
58%* |
47
|
92%
|
18
|
100%* |
|
'13~15
|
O
|
22
|
18%
|
0
|
0%
|
8
|
38%
|
8
|
44%
|
6
|
12%
|
0
|
0%
|
|
X
|
99
|
82%* |
6
|
100%* |
13
|
62%* |
10
|
56%* |
44
|
88%* |
26
|
100%* |
|
T-P
|
0.057
|
'12~14
|
O
|
60
|
50%
|
2
|
25%
|
15
|
65%
|
16
|
84%
|
27
|
53%
|
0
|
0%
|
|
X
|
59
|
50%
|
6
|
75%* |
8
|
35%
|
3
|
16%
|
24
|
47%
|
18
|
100%* |
|
'13~15
|
O
|
60
|
50%
|
1
|
17%
|
12
|
57%
|
15
|
83%
|
28
|
56%
|
4
|
15%
|
|
X
|
61
|
50%* |
5
|
83%* |
9
|
43%
|
3
|
17%
|
22
|
44%
|
22
|
85%* |
LDC에 의한 평가의 가장 큰 장점은 목표수질이 어느 유 황조건에서 초과하는지 판정여부를 도식적으로 쉽게 판정 할 수 있기 때문에, 어느 유황조건에서
초과하는지 판정과 중점관리대상(점/비점오염원)의 선택이 가능하다는 것이다. 따라서, LDC 평가는 총량계획 내 삭감계획 수립이나 이행 평가 시 할당부하량
초과원인 분석 등에 아주 유용하게 사 용될 것으로 판단된다.
3.5. 관리목표 초과빈도와 수체손상평가
앞서 두 방법의 비교·평가결과, LDC 평가방법의 장점이 부각됨에 따라 2차 오염총량관리 마지막 해인 2015년까지 낙본A 지점 전체 실측자료에 대한
수질변화, 유량변동과 관리목표 초과빈도에 따른 수체손상평가를 실시하였다.
3.5.1. 수질변화
실측 조사된 BOD, TOC, T-N과 T-P 수질자료에 대한 시 간적 변동성을 파악하기 위해 2004년부터 2015년까지 측 정한 연평균수질과 3년
이동평균수질을 Fig. 5와 같이 비 교·분석하였다. BOD의 경우 연도별과 3년이동평균수질이 모두 목표수질 1.5 mg/L 농도보다 낮은 것을 알 수 있으 나, 2004년도
기점으로 완만하게 농도가 증가하는 경향을 보이고 있으며, 2004년 대비 2015년도 농도가 0.4 mg/L 증 가하였다. 또한 TOC의 경우도 BOD와
동일한 경향을 보이 고 있으며, 2004년 대비 2015년도 농도 증가가 0.4 mg/L 증가한 것으로 분석되었다.
Fig. 5. Annual water quality variation in Nakbon-A.
T-N의 경우는 목표수질 3.545 mg/L 경계를 중심으로 증 가와 감소를 반복하는 것으로 분석되었으며, 최근 2013년 도부터는 목표수질을 초과하는
것으로 분석되었다. T-P의 경우는 2004년부터 2009년까지는 뚜렷한 증가세를 보이다 가 이후 점차 감소하여 2차 오염총량관리기간(2011~2015
년) 동안에는 목표수질 이하로 뚜렷하게 감소하는 경향을 보이는 것으로 분석되었다.
특히 4개 수질평가 항목 중 BOD의 경우를 살펴보면 목 표수질(1.5 mg/L)이 전체 평균수질(1.2 mg/L)보다 20%정도 높아 수질기준이
전반적으로 만족하고 있는 것은 아닌지 의심되며, 추후 목표수질 재설정시 고려되어야 할 부분으로 판단된다.
3.5.2. 유량변동
미국의 TMDLs에서 “부하량은 계절적 변동에 관하여 적 용할 수 있는 수질 기준을 이행하는데 필요한 수준에서 확 립되어야 한다”라고 명시되어 있다(U. S. EPA, 2007). 유량 의 계절적 변동은 TMDL 개발에 있어 중요한 부분이다. Fig. 6은 낙본A 지점에 대한 2004년부터 2015년까지 월 통계량을 사용하여 유량의 계절적 변동에 대한 상자그림 (Box-plot) 분석결과이다. 유량의
중앙값(상자그림의 중앙실 선) 기준으로 볼 때 4~5월과 7~11월에 평수량 이상의 유출 이 발생하는 것으로 분석되었고, 1~3월, 6월과 12월은
평 수량 이하의 유출이 발생하는 것으로 분석되었다. 또한 1~2월 기간을 제외한 3~12월까지는 저수량 이상의 유출량 이 발생하는 것으로 분석되었다.
Fig. 6. Seasonal flow patterns in Nakbon-A.
Fig. 7은 2004년부터 2015년까지 낙본A 지점에 대한 지 속곡선 초과확률에 대한 월별 유량변동을 보여준다. 낙본A 의 유량은 전형적으로 7~9월에 HF~MF
이상(0%~40%)의 구간에 분포하고 있으며, 1~2월에는 DF(60%~90%) 구간에 대부분 분포하는 것으로 분석되었다.
Fig. 7. Monthly variation in Nakbon-A.
따라서, Fig. 6과 7 분석결과 낙본A 지점의 유량분포는 7~9월에 유량이 가장 많게, 12월~2월에 유량이 가장 적게 발생한 기간이었다. 특히 1~2월은 유량이 가장
적게 발생 하는 기간으로 특히 시행계획 수립 시 초점을 맞추어야 할 것으로 본다.
3.5.3. 초과빈도와 수체손상평가
2004년부터 2015년까지 실측된 낙본A 유입유량과 수질 항목별 측정결과를 요약하면 Table 10에, 수질항목별 유달 부하량(수질×유량)은 Fig. 8과 같이 도식화하였다. Fig. 8에 는 관리목표기준과 총 490회에 걸쳐 측정한 항목별 유달부 하량을 도식화 하여 제시하였다. 그리고 유황조건별 관리목 표량의 초과빈도 분석결과는
Table 11에, 분기별 초과빈도 분석결과는 Table 12에 제시하였다.
Table 10. Analysis of discharge and water quality in Nakbon-A
|
Classification
|
Discharge (m3/s)
|
Water quality parameter
|
|
BOD (mg/L)
|
TOC (mg/L)
|
T-N (mg/L)
|
T-P (mg/L)
|
|
Measurement period (year)
|
1966~2015
|
2004~2015
|
2004~2015
|
2004~2015
|
2004~2015
|
|
Measurement number
|
18,262
|
490
|
490
|
490
|
490
|
|
Average
|
44.782
|
1.2
|
1.8
|
3.587
|
0.058
|
|
Maximum
|
5,279.590
|
6.5
|
5.6
|
6.802
|
0.218
|
|
Minimum
|
0.100
|
0.2
|
0.7
|
0.044
|
0.006
|
|
Standard deviation
|
127.655
|
0.7
|
0.6
|
1.032
|
0.031
|
|
Variance
|
16,295.845
|
0.5
|
0.4
|
1.065
|
0.001
|
Fig. 8. Load Duration Curve of Nakbon-A.
Table 11. Target load excess rate using LDC framework (2004~2015)
|
Items
|
TWQ
|
Eva.
|
Average
|
Flow condition
|
|
HF
|
MC
|
MRF
|
DC
|
LF
|
|
No.
|
EX.
|
No.
|
EX.
|
No.
|
EX.
|
No.
|
EX.
|
No.
|
EX.
|
No.
|
EX.
|
|
BOD
|
1.5
|
O
|
334
|
68%
|
45
|
82%
|
102
|
82%
|
79
|
83%
|
91
|
55%
|
17
|
34%
|
|
X
|
156
|
32%
|
10
|
18%
|
23
|
18%
|
16
|
17%
|
74
|
45%
|
33
|
66%* |
|
TOC
|
1.8
|
O
|
259
|
53%
|
39
|
71%
|
92
|
74%
|
70
|
74%
|
56
|
34%
|
2
|
4%
|
|
X
|
231
|
47%
|
16
|
29%
|
33
|
26%
|
25
|
26%
|
109
|
66%* |
48
|
96%* |
|
T-N
|
3.545
|
O
|
236
|
48%
|
35
|
64%
|
88
|
70%
|
68
|
72%
|
45
|
27%
|
0
|
0%
|
|
X
|
254
|
52%* |
20
|
36%
|
37
|
30%
|
27
|
28%
|
120
|
73%* |
50
|
100%* |
|
T-P
|
0.057
|
O
|
284
|
58%
|
38
|
69%
|
95
|
76%
|
71
|
75%
|
74
|
45%
|
6
|
12%
|
|
X
|
206
|
42%
|
17
|
31%
|
30
|
24%
|
24
|
25%
|
91
|
55%* |
44
|
88%* |
Table 12. Target load excess rate for four quarters (2004~2015)
|
Items
|
TWQ
|
Eva.
|
Average
|
Four quarters
|
|
Q1 (Jan-Mar)
|
Q2 (Apr-Jun)
|
Q3 (Jul-Sep)
|
Q4 (Oct-Dec)
|
|
No.
|
EX.
|
No.
|
EX.
|
No.
|
EX.
|
No.
|
EX.
|
No.
|
EX.
|
|
BOD
|
1.5
|
O
|
334
|
68%
|
58
|
53%
|
88
|
61%
|
89
|
80%
|
99
|
79%
|
|
X
|
156
|
32%
|
52
|
47%
|
56
|
39%
|
22
|
20%
|
26
|
21%
|
|
TOC
|
1.8
|
O
|
259
|
53%
|
48
|
44%
|
62
|
43%
|
70
|
63%
|
79
|
63%
|
|
X
|
231
|
47%
|
62
|
56%* |
82
|
57%* |
41
|
37%
|
46
|
37%
|
|
T-N
|
3.545
|
O
|
236
|
48%
|
29
|
26%
|
79
|
55%
|
66
|
59%
|
62
|
50%
|
|
X
|
254
|
52%* |
81
|
74%* |
65
|
45%
|
45
|
41%
|
63
|
50%* |
|
T-P
|
0.057
|
O
|
284
|
58%
|
59
|
54%
|
60
|
42%
|
71
|
64%
|
94
|
75%
|
|
X
|
206
|
42%
|
51
|
46%
|
84
|
58%* |
40
|
36%
|
31
|
25%
|
유황별 낙본A BOD 유달부하량과 관리목표량 초과빈도 를 살펴보면 LF 구간의 초과율은 66%인 반면 그 이외 구 간의 초과율은 17%~45%가 초과하는
것으로 나타났다. 또 한 분기별 초과빈도는 1분기(1~3월)에 47%로 가장 높게 나타났으며, 2, 3, 4분기로 갈수록 점차 떨어지는 것으로 분석되었다.
TOC 유달부하량은 전체 490회 측정결과 중 231회 47% 과 관리목표를 초과하는 것으로 나타났다. 유황조건별 초과 빈도를 살펴보면 DC과 LF
구간의 초과율이 각각 66%, 96%로 높게 나타났으며, MRF 구간은 26%로 가장 낮았다. 분기별 초과빈도는 1, 2분기의 56%~57%로 가장
높은 반 면 3, 4분기에는 37% 수준으로 낮아졌다.
T-N 유달부하량은 전체 490회 중 254회 52%가 관리목 표를 초과하였으며, 유황조건별로 보면 DC과 LF 구간의 초과율이 각각 73%, 100%로
높게 나타났으며, 그 이외 구 간의 초과율은 28%~36%가 초과하는 것으로 나타났다. 분 기별 초과빈도는 1분기가 74%로 가장 높게 나타났으며
2~4분기의 초과빈도는 41~50% 수준으로 분석되었다.
T-P 유달부하량은 전체 횟수 중 206회 42%가 초과하는 것으로 분석되었으며, DC과 LF 구간의 초과율이 각각 55%, 88%로 높게 나타났으며,
MC 구간의 초과율이 24% 로 가장 낮았다. 분기별 초과율을 살펴보면 2분기가 58%로 가장 높았으며, 4분기에 25% 가장 낮은 초과율을 보였다.
지금까지 살펴본 낙본A 단위유역의 수질항목별 영향분석 결과를 종합하면 모든 수질 항목에서 저수량이하의 유량시 기에서 수질관리대책이 우선 필요할 것으로
판단된다. 특히 분기별 초과율 분석결과 홍수기 이후 가을철부터 겨울철을 접어드는 3, 4분기에 초과빈도가 최저치로 낮아져서, 기후 학적으로 기온 및
강우가 증가하는 1, 2분기에 초과빈도가 최고치로 높아지는 경향을 보이는 것으로 분석되었다. 따라 서 낙본A 단위유역의 경우 점오염원 관리 및 하수처리장
방류수질 개선에 중점을 두어야 할 것으로 판단된다(Table 13).
Table 13. Result of potential relative importance of a source area in contributing loads under given hydrologic conditions
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Contributing Source Area
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Duration Curve Zone
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HF
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MC
|
MRF
|
DC
|
LF
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|
Ponit source
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|
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M
|
H
|
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On-site wastewater systems
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|
H
|
M
|
|
|
Riparian areas
|
|
H
|
H
|
H
|
|
|
Storm water : Impervious areas
|
|
H
|
H
|
H
|
|
|
Combined sewer overflows
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H
|
H
|
H
|
|
|
|
Storm water : Upland
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H
|
H
|
M
|
|
|
|
Bank erosion
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H
|
M
|
|
|
|
GP (2010) 보고서 내 삭감계획을 살펴보면, 생활계에서는 방류수 수질개선, 마을하수도 신설, 하수관거 정비 등이며, 축산계로는 돼지 사육두수 감축이 주요 대책인
것은 이를 반증하는 것으로 풀이된다.
4. Conclusion
본 연구는 낙본A 단위유역을 대상으로 2단계(2015년)가 끝나고 3단계 오염총량 관리가 시작되는 해(2016년)를 맞 아 지금까지 구축된 장기 실측자료를
이용하여 MOVE.2 확장법으로 장기 FDC와 LDC를 작성하였다. 그리고 현행 평가방법과 LDC를 이용한 평가 결과를 비교하였으며, 유 황조건별,
분기별 수체손상평가를 실시하여 새로운 평가방 법 도입 시 나타나는 수질관리의 효용성을 부각시켜 총량 관리제도 유연성 확대에 기여하고자 하였으며 주요
연구결 과를 요약하면 다음과 같다.
-
RDSM과 TPM을 이용한 대상유역에 대한 장기간의 유역 강수현황(1961~2015년)을 파악한 결과 유역평균강수량은 1,136.9 mm, 일최대강수량
100.8 mm, 유효강우일수 32.7 mm/day, 선행 무강우 일수 22.1 days로 분석되었다.
-
낙본A의 부분 계측자료(2004~2015년; 12년)를 장기간의 연속 계측자료로 보완하기 위해 기준관측소로 안동댐 유 입량 자료(1966~2015년;
50년)를 활용하였다. 두 자료간의 선형상관성(γ=0.809)은 높은 것으로 분석되었으며, MOVE.2 확장식은
y
ˆ
i
=
0.4881
+
0.7898
x
i
−
1.2538
로 산정 되었다.
-
MOVE.2 확장법으로 생성된 50년간(1966~2015년)의 일 유량자료를 이용하여 FDC를 작성한 결과 유황조건별 평 균유량은 HF 17.454
m3/s, MC 5.509 m3/s, MRF 2.825 m3/s, DC 1.556 m3/s, LF 0.747 m3/s인 것으로 조사되었다.
-
낙본A 단위유역에서 4년간(2012~2015년) 실측된 유량과 수질자료를 현행 평가방법과 LDC 평가방법의 결과를 비교·평가한 결과 현행 평가방법에
의하면 T-N을 제외 한 BOD, TOC, T-P의 경우에는 목표수질을 달성하는 것으로 분석되었지만, LDC 평가방법에 의하면 BOD와 T-P만 목표수질을
달성하고 TOC와 T-N의 경우는 목표 수질을 초과하는 것으로 분석되었다.
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전 기간 자료에 LDC 평가방법을 적용하여 오염원별 수 체 손상정도를 분석한 결과, BOD, TOC, T-N, T-P 모두 특정 유량조건에서 허용총량을
초과하는 것으로 분석되 었다. BOD의 경우는 갈수량 조건에서만, TOC, T-N, T-P의 경우는 저수량 및 갈수량 조건에서 허용총량을 초과하였다.
분기별 허용총량 초과는 기온 및 강우가 증 가하는 1, 2분기에 초과빈도가 높아지는 경향을 보이는 것으로 나타나 점오염원 우선관리가 필요한 것으로
분 석되었다.
-
MOVE.2 확장기법을 이용한 수체손상 평가방법은 실측 자료를 기반으로 한 타당성 평가에 충분히 활용 가능 할 것으로 판단된다. 그런데 이 확장식은
부분계측자료 의 평균과 분산에 불편의 된 추정치를 제공하는 것으로 알려져 있으나, 전통적인 회귀식 개발 시 배수유역의 면 적에 따른 최대/최소유량의
차이를 얼마나 줄여주는지에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.