1. Introduction

비점오염원의 수계 오염 기여도는 점차 증가하고 있으며, 수계의 안정적인 수질 확보를 위해 더 이상 무시할 수 없 는 수준에 도달하였다. 특히, 일부에서는 비점오염으로 인 한 오염부하량은 수계별로 차이가 있지만, 하수처리장 방류 수와 같은 점오염원과 비슷한 수준이라는 연구 결과가 발 표되었다(^{Gil, Kim et al., 2011}) 또한 팔당호의 경우에는 오염부하량의 약 45% 정도가 비점오염원에 의한 것이라는 연구 결과도 보고되었다(^{Gil, Shin et al., 2011}). 이처럼 비 점오염원의 수계 오염 기여도는 많은 부분을 차지하고 있으 며, 점차 증가할 것이라고 예측되고 있다. 이에 정부에서는 2004년 ‘제1차 비점오염관리 종합대책’을 시작으로 다양한 비점오염 관리 방안 수립을 위한 정책을 발표하였으며, 2012년 ‘제2차 비점오염관리 종합대책’이 시행되고 있다. 그 외 다양한 시범 사업 등을 시행하여 비점오염을 관리하고자 많은 노력을 기울이고 있는 실정이다(^{Jeon et al., 2013}).

비점오염 관리 초기에는 단지 비점오염원으로 인한 오염부 하량을 감소시켜 수계 수질을 보호하고자하는 것에 초점을 두었다면, 최근에는 비점오염물질 저감 효과 이외에 유출량 저감, 지하수 충진 등과 같은 효과를 보유한 비점오염 저감 시설이 주목을 받고 있다(^{Lee, 2016}; ^{Valinski and Chandler, 2015}). 이와 같은 시설들은 Low Impact Development (LID) 시설이라 구분하며, 대표적으로 식생수로, 식생여과대, 인 공습지 및 침투 저류지 등이 이에 속한다(^{Hong and Kim, 2016}). LID 시설에 포함되는 비점오염 저감시설의 공통점 은 비점오염 물질의 농도 저감과 더불어 유출량 저감효과 를 동시에 기대할 수 있는 것이다(^{Lee et al., 2016}). 이와 같은 시설을 활용한 비점오염원 관리는 환경 오염 문제를 최소화하여 안정적인 수계 수질 확보를 하는데 큰 역할을 할 것으로 전망하고 있다(^{Moore and Hunt, 2012}). 실제로 국내에서도 LID 시설의 설치를 통해서 비점오염물질 및 유출량을 저감하고자 시범 사업이 이루어지고 있다(^{Gil, Kim et al., 2011}). 하지만 비점오염원 주요 특성인 유출 형 태 및 발생량의 범위가 넓어 저감 시설의 적정 도입 방안 마련에 많은 어려움이 있는 실정이다(^{Lee et al., 2008}). 특 히 식생수로와 식생여과대에서는 여과 및 식생에 의한 흡 착 등으로 오염물질과 시설에 체류하는 동안 토양으로의 침투가 이루어져 유출량 저감도 이루어진다(^{Kwon, 2011}). 또한 두 시설 모두 경관 녹지를 위한 시설로 활용될 수 있 으며, 식생수로의 경우에는 도로 등 선형 비점오염원 지역, 식생여과대는 다양한 지역에서 활용될 수 있으며, 타 시설 의 전처리 시설로도 활용되고 있다. 하지만 아직까지 식생 수로와 식생여과대에 대해 장기 데이터를 통한 효율 분석 에 관한 연구는 아직 미비한 실정이다. 이에 해당 시설의 비점오염 저감 효율을 파악하기에는 많은 어려움이 존재한 다. 또한 비점오염 저감시설의 경우 자연 현상인 강우를 대상으로 이루어지는 연구이기에 강우 특성과 비점오염 저 감 효율의 관계 분석에 관한 연구도 필요하다. 특히 식생 수로와 식생여과대와 같은 식생이 적용된 비점오염 저감시 설의 경우 설계 인자 중 시설 내 체류시간이 포함되어 있 으며, 설계 시 시설 내 흐르는 유속을 검토하도록 되어있 다(^{MOE, 2014}). 비점오염 저감시설의 경우 유량조절을 위 한 전처리 시설이 존재하기는 하지만, 처리장의 유량조절조 와 같은 효과를 기대하기 어렵다. 따라서 비점오염 저감시 설의 유입 유량은 강우 특성에 따라 큰 변동을 보인다는 것이 일반적인 견해이다(^{Kwon, 2011}, ^{Lee and Gil, 2008}; ^{Lee et al., 2008}). 따라서 식생형 시설과 같이 체류시간을 고려해야 하는 시설에서 강우 특성과 비점오염 저감효율의 관계 파악을 위한 연구가 필요하다.

본 연구에서는 식생이 적용된 비점오염 저감시설 (식생수 로와 식생여과대)에서 5년간의 모니터링 자료를 바탕으로 강우 특성이 비점오염 저감 효율에 미치는 영향에 대한 연 구를 수행하였다. 이외에도 유입수 유출 특성과 EMC를 분 석하여 해당 시설 배수 구역 토지 이용의 비점오염물질 유 출 특성을 분석하고, 강우 모니터링 자료 기반으로 한 연 구 대상 시설의 비점오염 저감효율을 산정하였다.

2. Materials and Methods

2.1. 연구 대상 시설

본 연구의 연구 대상 시설은 경기도 A시에 위치하고 있 는 식생수로와 식생체류지로 선정하였다. 연구 대상 시설인 식생수로와 식생체류지는 식생이 적용된 대표적인 비점오 염 저감시설로 구분할 수 있다. 연구대상 비점오염 저감시 설 설계 강우량은 식생수로 10 mm와 식생여과대 30 mm 로 적용하였으며, 그 이상의 강우가 발생할 경우, overflow 및 by-pass가 발생하는 구조이다. 식생수로 시설의 설계 용 량 산정을 위해 배수면적 7,700 m²에 유출률 0.8을 적용하 였으며, 식생수로의 단면적(사다리꼴 형, 윗변 2,140 mm, 아랫변 500 mm, 높이 550 mm)에 식생수로 길이(60 m)를 고려하여 40.8 m³로 설치하였다. 식생수로 배수구역의 토 지이용현황은 100 % 아스팔트 포장된 도로로 이루어져있 다. 식생여과대의 경우 배수면적 25,300 m²에 유출률 0.14 (식생여과대 배수 구역의 경우 논 3.6%, 밭 26.1% 그리고 산지 70.4% 혼합)을 적용하였으며, 시설 용량은 84 m³로 설치하였다. 하지만, 실제 강우 모니터링 결과를 바탕으로 해당 배수구역에서 유출률을 분석한 결과 설계 시 사용된 유출률보다는 낮은 값을 보이는 것으로 조사되었다. Fig. 1 에서는 연구가 이루어진 식생수로와 식생여과대의 위성 사 진 및 시설 현황 사진을 확인 할 수 있다.

Fig. 1. Pictures of grassed swale and vegetative filter strip.

3. Results and Discussion

3.1. 강우 유출수 특성

Fig. 2와 Fig. 3에서는 식생수로와 식생여과대에서 실시한 강우 모니터링(2012년 9월 4일) 중 해당 배수 유역의 특성 을 명확하게 보여주는 유량 - 오염물질 농도 곡선을 보여주 고 있다. 식생수로의 경우 Fig. 2를 통해 확인 할 수 있듯 이 강우 초기 고농도의 오염물질이 유입되는 것을 확인 할 수 있다. 또한 강우로 인한 유입이 지속될수록 농도가 낮아 지는 전형적인 포장지역의 유출 특성을 보이는 것으로 나타 났다(^{Lee et al., 2007}). Fig. 3의 식생여과대(2012년 10월 27일)는 강우 초기 고농도의 오염물질이 유출된 식생수로와 다르게 유량이 증가할 경우 고농도의 오염물질이 검출되다 가 점차 감소하는 경향을 보였다. 단, TN의 경우 강우 초기 유출이 발생하자마자 고농도의 오염물질이 검출되었는데, 이는 해당 지역의 배수 구역에 밭에서 사용된 비료가 초기 강우유출수에 의해 유출이 된 것으로 판단된다. 하지만 다 른 항목에서 전반적으로 유량이 증가함에 따라 높은 농도가 검출되는 것으로 나타났다. 이는 오염물질 유출과 유출유량 이 관계있는 유출 특성으로 논, 밭 및 임야와 같은 투수성 토지 이용지역에서 주로 나타나는 현상이다.

Fig. 2. Hydro - polluto graph in grassed swale.

Fig. 3. Hydro - polluto graph in vegetative filter strip.

3.2. 연구 대상 시설의 유입수와 유출수 EMC 특성

EMC는 비점오염 물질의 유입 농도를 나타내는 대표적인 값으로 비점오염 물질의 정량적인 수치를 보여주는 값으로 활용되고 있다. 즉, EMC가 높은 물질은 강우 시 유입되는 오염물질의 농도가 높음을 의미한다. 또한 EMC 값들은 배 수 구역의 해당 토지 이용 형태에 따라 큰 차이를 보이며, 해당 지역에서 발생하는 오염물질의 특성을 보여주는 지표 로 활용되기도 한다. 앞 서 언급한바, 본 연구가 이루어진 식생수로와 식생여과대의 배수 구역은 각 각 도로 포장 지 역과 밭, 임야 및 산지로 이루어진 비포장 지역으로 이루 어져 서로 다른 토지 이용 형태를 가지고 있다. Table 3과 4에서는 식생수로와 식생여과대의 유입·유출 EMC를 정리 하였다. 두 시설의 유입수 특성은 모두 TSS 항목에서 가장 높은 EMC을 보였는데, 이는 일반적으로 비점오염물질은 입자성 물질이 대부분으로 차지하고 있기 때문에 이와 같 은 결과를 보인 것으로 판단된다(^{Wee et al., 2008}). TSS 다음으로는 COD, BOD, TN, TP 순으로 높은 EMC 값을 보였으며, 두 지역의 EMC 값은 상대적으로 식생수로(도로 포장 지역)에서 높은 농도를 보였다. 이는 연구 대상 시설 의 배수 구역에서 도로 포장 지역에서 강우 시 고농도의 오염물질이 유출될 가능성이 있다는 것을 보여준다. Fig. 4 는 (a) 식생수로와 (b) 식생여과대 유입 및 유출 EMC를 box plot으로 정리하여 두 EMC값의 차이를 분석하고자 하 였다. 유입수와 유출수의 EMC를 비교해보면, 두 시설 모 두에서 유입수의 EMC에 비해 유출수의 EMC 농도가 감소 한 것으로 나타났다. 중앙값을 기준으로 TSS 항목의 차이 가 가장 뚜렷하게 나타났으며, 식생수로의 경우 TP 항목을 제외하고 모든 항목에서 유출수 EMC가 유입수 EMC보다 낮은 것을 확인할 수 있으며, 식생여과대의 경우에는 모든 항목에서 유출수 EMC가 유입수 EMC보다 낮은 것으로 나 타났다. 이와 같은 EMC의 중앙값의 변화를 통해 연구 대 상 시설을 통해 비점오염물질의 비점오염 물질 농도 저감 이 가능한 것으로 판단 할 수 있다.

Table 3. Inflow and outflow EMC in GS

	TSS (mg/L)		BOD (mg/L)		COD (mg/L)		TN (mg/L)		TP (mg/L)
	In	Out	In	Out	In	Out	In	Out	In	Out
Min	11.9	11.0	1.6	0.6	1.9	3.6	0.5	1.2	0.0	0.0
Max	351.7	62.1	61.1	36.1	106.7	87.5	11.4	13.7	5.0	2.3
Maen	91.1	26.8	14.7	9.3	29.7	15.0	5.3	4.4	0.9	0.8
Median	63.1	21.4	8.9	4.1	16	8.1	5.4	2.9	0.3	0.3
St.D	83.7	15.6	15.7	12.7	29.6	24.2	3.2	3.7	1.2	0.9

Table 4. Inflow and outflow EMC in VFS

	TSS (mg/L)		BOD (mg/L)		COD (mg/L)		TN (mg/L)		TP (mg/L)
	In	Out	In	Out	In	Out	In	Out	In	Out
Min	12.8	2.9	1.8	1.0	6.6	3.6	1.5	0.6	0.1	0.1
Max	305.7	247.6	38.7	17.2	51.8	23.8	9.6	5.3	2.6	0.9
Maen	96.9	27.2	6.7	3.9	14.6	9.1	3.9	2.2	0.7	0.4
Median	65.58	6.5	4.83	2.7	13	7.6	3.8	1.7	0.4	0.3
St.D	99.5	54.8	7.3	3.3	9.0	4.4	1.8	1.3	0.7	0.3

Fig. 4. Comparison of inflow and outflow EMC in grassed swale and vegetative filter strip.

3.3. 유출량 저감 효과

연구대상 시설인 식생수로와 식생여과대는 LID 시설로 구분할 수 있으며, 농도 저감의 효과와 더불어 토양의 침 투 및 저류에 의한 유출량 저감 효과도 기대할 수 있다. 즉, 두 시설은 농도와 강우유출량 저감을 통해 유입되는 비점오염물질을 저감시키는 기작을 가지고 있다. Fig. 5에 서는 모니터링을 실시한 강우 이벤트에서 (a) 시설 유입량, (b) 시설 유출량 그리고 (c) 시설 유출량 저감 효율을 정리 하였다. 단, 식생수로의 12회 강우 이벤트에 대해 유출이 발생하지 않았기에 유출량 저감 효과에서는 제외를 하였다. Fig. 5(a)의 시설 유입량은 식생수로 0.33 ~ 84.2 m³, 식생여 과대 0.35 ~ 799.4 m³으로 넓은 범위를 보였는데, 이는 강 우모니터링 시 다양한 강우를 대상으로 했기 떄문에 강우 량의 차이로 설명 될 수 있다. 배수 면적에서 큰 차이를 보이지만, 식생여과대와 식생수로의 유입량이 중앙값을 기 준으로 유사한 것으로 나타났다. 이는 식생여과대의 토지 이용 상태 차이에 의한 것으로 설명될 수 있다(^{Humann et al., 2011}). 배수 구역에 내린 강우가 식생수로 지역에서는 투수계수 0.8이 적용되는 반면에 식생여과대에서는 0.14가 적용되었다. 적용된 투수계수의 차이로 인해 넓은 배수 구 역 면적에도 불구하고 이와 같은 결과가 나온 것으로 보인 다. (b) 시설 유출량은 식생수로 0.24 ~ 38.5 m³, 식생여과 대 0.16 ~ 782.7 m³로 나타났다. 이를 기반으로 식생수로와 식생여과대의 유출량 저감 효과를 분석한 결과 각 각 59.7%와 50.7%로 약 50% 정도의 유출량 저감 효과를 보 인 것으로 조사되었다. 따라서 해당 시설은 강우유출수 저 감 효과도 높은 것으로 나타나 비점오염 저감과 더불어 지 하수 충진, 유출수 저감 등을 통한 홍수 예방 효과도 기대 할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 5. Comparison of inflow volume, outflow volume and volume removal efficiency in grassed swale and vegetative filter strip.

3.4. 비점오염 물질 저감 효율

본 연구에서는 2.4절에서 언급한 세 가지 방법(ER, SOL, ROL)을 모두 활용하여 연구 대상 시설의 비점오염 저감효 율을 분석하였다. Fig. 6와 Fig. 7에서 확인 가능하듯이 분 석한 모든 방법에서 TSS의 저감효율이 가장 높은 것으로 조사되었으며, 그 외 항목에서는 비점오염 저감효율에서는 다소 차이가 있는 것으로 나타났다. 이는 앞서 언급한 비 점오염 저감 효율 산정 방법의 특성에 의한 것으로 설명될 수 있다. 또한 전체 비점오염 저감효율 분석에서는 유출이 발생하지 않은 경우 저감효율을 100%로 산정하였다. 부하 량을 기반으로 하는 SOL 분석 방법을 기준으로 할 경우 식생수로는 67 ~ 86%, 식생여과대는 63 ~ 91%의 보이는 것 으로 나타났다. 식생수로의 저감효율은 선행 연구 결과로 제시된 COD 저감효율 51% ~ 86% 결과와 유사하였으며(^{Li et al., 2016}). TSS 저감효율 41% ~ 56%보다는 높은 것으로 조사되었다(^{James et al., 2012}). 식생여과대의 저감효율 은 50 mm 이하 강우에서 모든 오염항목의 저감효율이 80% 이상 분석되었다는 연구결과와 유사한 것으로 나타났다 (^{Haukos et al., 2016}). 특히 중앙값을 기준으로 식생수로와 식생여과대에서 TSS의 저감효율이 가장 높은 것으로 나타 났으며, 상대적으로 식생여과대에 비해 식생수로에서 효율 이 높은 것으로 조사되었다. 이는 유출이 발생하지 않은 강우이벤트가 식생여과대와 비교하여 식생수로에서 많았기 때문에 이와 같은 결과가 나왔던 것으로 판단된다. 또한 용존상 형태로 존재하는 물질이 많은 경우 입자상 물질의 저감효율보다 높은 효율을 보인 것으로 나타났다.

Fig. 6. Removal efficiency of various pollutants in grassed swale.

Fig. 7. Removal efficiency of various pollutants in vegetative filter strip.

3.5. 강우특성에 따른 비점오염 저감 효율

앞 선 3.4절에서는 총 모니터링 강우에서 해당 시설의 비 점오염 저감효율을 분석한 결과를 보여주고 있으며, 본 절 에서는 각 강우이벤트 별 저감 효율을 분석하여 강우 특성 에 따른 해당 시설의 저감 효율을 분석하였다. 각 이벤트 별 저감 효율은 EMC를 기반으로 산정하여 분석을 실시하 였다. EMC를 기반으로 산정하는 방법은 각 이벤트 별 비 점오염 저감시설의 효율을 분석하기 위해 주로 활용되는 방법이다(^{Kwon, 2011}). Fig. 8에서는 대표적인 강우 특성을 대변하는 강우량과 평균 강우 강도를 기반으로 하여 부유 물질의 저감 효율을 분석하였다. 앞 서 비점오염물질은 대 부분 입자상 물질로 존재하며 시설로 유입되기 떄문에 현 재 비점오염 저감시설의 효율 검증은 입자상 물질의 저감 효율로 실시하고 있다(^{Kwon, 2011}; ^{MOE, 2014}). 따라서 TSS의 저감 효율 분석으로 해당 시설의 강우 특성에 따른 비점오염 물질 저감 효율 변화를 파악 할 수 있을 것으로 판단하였다. 본 절의 강우 특성에 따른 저감 효율 분석에 서는 3.4절과는 다르게 강우 유출이 발생하지 않은 경우를 제외하고 효율을 분석하였다. Fig. 8(a) 식생수로와 (b) 식 생여과대 모두 적은 강우량과 낮은 평균 강우강도에서 낮 은 TSS 저감 효율을 보인 경우가 관찰된 반면, 많은 강우 량과 강한 평균 강우강도에서는 낮은 TSS 저감 효율을 보 인 경우가 나타나지 않았다. 적은 강우량과 낮은 평균 강 우강도 조건에서 낮은 TSS 저감 효율이 나타난 이유는 배 수 구역 내 축적된 오염물질이 제대로 유출되지 않아 낮은 EMC 농도로 유입된 것에 영향을 받았을 것이라 판단된다. 특히 식생수로의 경우 강우량 31 mm, 평균 강우강도 3.9 mm/hr 이상의 강우에서는 TSS 50% 이상의 저감효율을 보 이는 것으로 나타났다. 식생여과대의 경우는 강우량 34 mm, 평균 강우강도 3.0 mm/hr에서 동일한 현상을 보였다. 이로 미루어보아 언급한 조건 이상의 강우 사상에 대해서 는 TSS 저감 효율 50% 이상을 기대할 수 있을 것으로 판 단된다. 하지만, 식생수로의 경우 식생여과대와 비교하여 분석에 사용된 강우 모니터링 횟수가 다소 적은 부분이 있 기 때문에 추가적인 연구를 통해 자료를 축적하여 분석할 필요가 있을 것으로 보인다.

Fig. 8. Changes of TSS removal efficiency according to rainfall and average rainfall intensity in grassed swale and vegetative filter strip.

4. Conclusion

LID형 비점오염 저감시설인 식생수로와 식생여과대에서 의 장기간 강우 모니터링 자료를 바탕으로 다음과 같은 결 론을 도출하였다.