2.1. 연구대상유역

본 연구에서는 4대강 수계 142개 총량관리 단위유역 중, 환경부와 국토부의 데이터 신뢰도를 기준으로 연구대상 단 위유역을 선정하였다. 연구대상유역을 선정하기 위해 적용 한 기준조건은 다음과 같다. 우선 환경부 총량측정망과 연 계성이 있는 국토교통부 하천측정망(^{Park et al., 2012}) 유 량자료 중, 2013년부터 2015년까지 총 3년치의 유량자료가 존재하고, 10일 초과 반복유량이 존재하지 않으며, 0값과 결측값의 총 개수가 전체 유량자료 중 5% 이하로 존재하 는 단위유역을 선정하였다. 다음으로 환경부 유량자료 중, 2013년부터 2015년까지 총 3년치의 유량자료와 수질자료 가 존재하는 단위유역을 선정하였다. 마지막으로 이 두가지 조건을 모두 만족하는 지점을 최종 연구지역으로 선정하였 다. 이러한 조건을 만족하는 유역은 한강수계에서 6개, 낙 동강수계 13개, 금강 수계 18개, 그리고 영산강 수계에서 1 개 지점으로 총 38개 단위유역이다(Table 1, Fig. 1).

Fig. 1. Study areas.

2.2. 일유량 확장 및 수질자료 수집

본 연구에서 사용한 유량자료는 2013년부터 2015년까지 총 3년 유량자료로서, 환경부에서 제공하는 8일 간격 총량 측정망 유량자료와 국토부에서 제공하는 하천유량 측정망 일유량자료이다. 총량측정망은 비연속적으로 측정되고 있기 때문에 일유량자료가 존재하지 않는다. 하지만 부분 측정되 는 지점의 유량자료는 연속적으로 측정되고 있는 인접지점 과의 상관관계 분석을 통해 해당지점에 대한 유량자료로 확장 할 수 있다(^{Hirsch, 1982}; ^{Mandal and Cunnane, 2009}; ^{Ries and Friesz, 2000}; ^{Zampella et al., 2001}). 따라서 본 연구에서는 환경부 총량측정망 일유량자료를 대변할 수 있 는 자료를 확보하기 위해 해당 지점과 상관관계가 있는 국 토부 일유량 자료를 다음과 같은 방법으로 보정하였다.

우선 총량측정망과 상관관계가 있는 하천유량 연계지점 을 선정하기 위해 ^{Park et al. (2012)}의 연구를 참고하였다. 이 연구에서는 총량측정망과 상관관계가 높은 하천유량측 정망을 선정하기 위해 하천유량 측정상태에 대한 검토기준 과 유량간 연관성에 대한 검토기준을 정하고(Fig. 2) 이러 한 결과를 바탕으로 총량측정망과 가장 잘 부합되는 하천 유량 연계지점을 선정하였다. 해당 연계지점의 유량자료를 국립환경과학원(^{Park et al., 2012})에서 제시한 일유량 확장 회귀식에 적용하여 총량측정망에서는 측정되지 않은 날짜 의 유량자료를 확보하였다. 이를 총량측정망 유량자료에서 결측된 부분에 삽입함으로써 최종적으로 총량 측정망 일유 량자료를 대변 할 수 있는 연속적인 유량자료로 재 생성하 였다.

Fig. 2. The procedure for the selection of the stream flow reference sites (Park et al., 2012).

수질자료의 경우, 환경부에서 제공하는 총량측정망 수질 자료 중 BOD를 이용하였으며, 2013년부터 2015년까지 총 3년치의 자료를 사용하였다.

2.3. 유량지속곡선(Flow Duration Curve, FDC)

유량지속곡선이란 하천의 전체 유량 조건에 대한 유량변 화를 분석하는 기법으로서, 수역의 장단기유량변화 분석 및 수질변화 요인규명 등을 위한 중요한 도구로 사용되고 있 다(^{Vogel and Fenessey, 1994}). LDC를 작성하기 위해서는 선행적으로 FDC를 도식하여야 한다. 먼저 대상 유역에서 측정한 특정 기간 유량자료를 입력하여 고유량에서 저유량 순으로 정렬하고 식 (1)을 이용하여 특정 유량을 초과하는 일수를 백분율로 계산하여 작성할 수 있다(^{Ryu et al., 2016}).

누적 유량은 유량 크기의 정도에 따라 0 ~ 10%는 홍수량 (High flows) 조건, 10 ~ 40%는 풍수량(Moist conditions) 조 건, 40 ~ 60%는 평수량(Mid-range flows) 조건, 60 ~ 90%는 저수량(Dry conditions) 조건, 마지막으로 90 ~ 100%는 갈수 량(Low flows) 조건으로 구분하여 분석 할 수 있다(^{Cleland, 2003}). 본 연구에서는 환경부에서 8일 간격으로 실측한 유량 자료를 이용하여 첫 번째 FDC를 생성하였고, 앞서 확보한 일유량 확장 자료를 이용하여 두 번째 FDC을 생성하였다.

2.4. 오염부하지속곡선(Load Duration Curve, LDC)

오염부하지속곡선(LDC)은 해당 기간 동안의 관측 수질 및 유량자료를 도식화하여 전체 유량규모에 대한 모니터링 자료의 분포를 쉽게 확인할 수 있으며, 이를 이용해 하천 및 유역관리를 위한 최적의 유량 및 수질 모니터링 계획을 수립하는 데 유용하게 활용되는 기법이다(^{NDEP, 2003}). LDC를 목표수질 평가에 적용할 때, ^{U.S.EPA (2007)}에서 제시한 유량 조건별 수질을 손상시키는 주된 오염원 자료 (Table 2)를 이용하면 적절한 수질 관리 방안을 마련하기에 도 효과적이다. LDC를 기준으로 상반부에 위치한 자료는 수질기준이 초과됨을 나타내고, 하반부에 위치한 자료는 수 질기준이 준수됨을 나타낸다(^{Han et al., 2007}). LDC는 선 행적으로 작성한 FDC에 목표수질을 곱하여 작성하게 되는 데, 본 연구에서는 환경부에서 2012년부터 2015년까지 시 행된 수질오염총량관리제도 3단계 목표수질 기준자료를 각 FDC에 동일하게 적용하여 LDC를 생성하였다.

3.1. 8일유량과 일유량 확장유량에 대한 유량지속곡 선(FDC) 비교분석

FDC에 목표수질을 적용하여 유량 조건별 부하량 차이를 비교하기 전, 8일 간격 유량자료로 생성한 FDC와 일유량 확장자료로 생성한 FDC의 차이를 비교해보았다. 이를 위 해 2013년부터 2015년까지 총 3년 유량자료를 이용하여 각 단위유역 별 FDC를 도식화하였다. 그 결과 연구대상지 인 38개 지점 전체에서 8일유량과 일유량 FDC 사이에 차 이가 발생하였다(Fig. 3). 2013년부터 2015년까지 총 강우 량 대비 8일 측정 기간동안 발생한 총 강우량 비율을 분석 해보면 그 비율이 평균적으로 13.2%로 매우 작았다. 강우 량은 해당 유역의 유량에 매우 큰 영향을 주는 요소이다. 따라서 8일유량 FDC와 일유량 FDC 사이에 이러한 차이가 발생한 이유는 8일 간격으로 취수한 총량측정망 유량자료 가 해당 유역에 영향을 주는 전체 강우량을 충분히 반영하 지 못하여 전체 유량 조건을 정확하게 대변하지 못했기 때 문이라고 판단된다.

Fig. 3. Comparisons of FDC estimated using 8 day and daily flow for each unit watershed

3.2. LDC를 이용한 수질 모니터링 자료 분포 비교

앞서 작성한 FDC에 2012년부터 2015년까지 시행된 환경 부 수질오염총량관리제도 3단계 목표수질 기준 자료 중 BOD 기준을 적용하여 LDC를 작성하였으며 여기에 2013 년부터 2015년까지의 수질모니터링 자료를 도식화하여 수 질 자료 분포의 차이를 비교하였다(Fig. 4). 그 결과 8일유 량 LDC에서는 유량 및 수질 자료가 유량 조건별로 고르게 분포되어 있는 것으로 나타났으나 일유량확장 LDC에서는 수질 자료가 한 쪽 구간으로 밀집하여 분포하는 것으로 나 타났다. 이는 기존에 고유량 혹은 저유량에 해당하던 8일 유량자료가 일유량으로 확장되면서 상대적으로 저유량 혹 은 고유량 부분으로 이동했기 때문이다. 따라서 8일 간격 으로 취수한 유량 및 수질 자료는 실제로 발생하게 되는 모든 유량 조건에 대한 오염 부하를 적절하게 대변하지 못 한다고 판단된다.

Fig. 4. Comparisons of LDC estimated using 8 day and daily flow for each unit watershed

3.3. 유량 조건별 초과된 부하자료 비교

유량 조건별로 수질을 손상시키는 주된 원인이 다르기 때문에(^{U.S.EPA, 2007}) 적절한 수질 관리 방안을 마련하기 위해서는 유량 조건별로 초과 부하량을 산정하는 것이 중 요하며 초과된 부하자료의 개수가 많을수록 초과 부하량은 커지게 된다. 여기서 초과된 부하자료의 개수란 LDC 그래 프에 부하량 자료를 도식화 하였을 때 LDC를 기준으로 상 반부에 위치하고 있는 부하량 자료의 개수(count)를 의미한 다. 따라서 LDC를 이용하여 목표수질 달성여부를 평가함 에 있어 유량자료의 변화가 유량 조건별로 발생하게 되는 초과 부하개수에 어떠한 영향을 미치는지 비교해 보았다. 각 LDC를 이용하여 유량 조건별 초과 부하개수를 구한 후, 식 2를 통해 8일유량 LDC와 일유량 LDC 사이에 유량 조건별 초과 부하개수의 차이율을 구하였다(Table 3).

유량 조건별 초과 부하개수 차이율은 평균적으로 홍수량 에서 19%, 풍수량 42%, 평수량 49%, 저수량 41% 그리고 갈수량에서 104%로 나타났다(Table 3). 이 중 유량 조건별 로 초과 부하개수 차이율이 가장 높은 상위 10개 유역에 대한 초과 부하개수를 비교한 결과(Fig. 5) 그 차이율은 평 균적으로 홍수량에서 52%, 풍수량 97%, 평수량 113%, 저 수량 93% 그리고 갈수량에서 293%로 발생하였으며 차이 량의 범위는 홍수량에서 33 ~ 80%, 풍수량 64 ~ 171%, 평 수량 71 ~ 200%, 저수량 64 ~ 200% 그리고 갈수량에서 100 ~ 1100%로 나타났다. 유량의 크기가 저유량일수록 큰 차이 가 발생하는 것을 알 수 있는데 이는 청천시에 취수된 8일 유량과 수질자료가 일유량으로 확장되면서 상대적으로 저 유량에 해당하는 부분으로 이동하여 해당 유역에 대한 전 체 유량 조건을 정확하게 대변하지 못했기 때문이라고 판 단된다. 이러한 차이는 유량조건별로 초과 부하량을 결정함 에 있어 유량이 많을수록 초과 부하량의 차이를 크게 만드 는 원인이 될 수 있다. 결과적으로 유량 및 수질자료의 변 동은 LDC를 이용한 목표수질 달성여부 평가에 영향을 주 며 특히 실제의 유량 조건을 정확하게 대변하지 못하거나 결측값이 존재하는 불연속적인 자료로 LDC를 생성하여 목 표수질 달성여부를 평가한다면 불확실성이 커질 것이라 판 단된다.

Fig. 5. The top 10 difference of exceeding load count of for each flow condition.