최동호
(Dongho Choi)
조소현
(Sohyun Cho)
*
황태희
(Taehee Hwang)
*
김영석
(Youngsuk Kim)
*
정재운
(Jaewoon Jung)
**
최우정
(Woojung Choi)
***
박현규
(Hyunkyu Park)
***
윤광식
(Kwangsik Yoon)
***†
-
국립농업과학원 기후변화생태과
(Climate Change and Agroecology Division, National Academy of Agricultural Science)
-
국립환경과학원 영산강물환경연구소
(Yeongsan River Environment Research Center)
-
전라남도 환경산업진흥원
(Jeollanamdo Environmental Industries Promotion Institute)
-
전남대학교 지역·바이오시스템공학과
(Dept. of Rural & Bio-systems Engineering, Chonnam National University)
© Korean Society on Water Environment. All rights reserved.
Key words
BOD, TMDL, Unit load, Water management
1. Introduction
국내에서는 오염원 관리를 위해 오염물질의 총량을 관 리하는 수질오염총량제를 도입하여 하천의 수질을 관리하 고 있으며, 생화학적산소요구량(BOD)을
하천의 관리대상 물질로 규정하고 있다(MOE, 2013). 제 2차 비점오염원 관 리 종합대책(Relevant Ministerial Consortium, 2012)에 따르 면, 2010년 BOD 비점배출부하량은 전체의 68.3 %를 차지 하였으며, 2020년에는 71.2 %까지 증가할 것으로 예측이 되었다.
특히, 다양한 오염원(생활계, 산업계, 토지계, 축산 계, 양식계) 중 토지계(도시, 논, 밭, 산림, 기타)의 기여도 가 63.5 %로 가장 큰
것으로 나타났다.
국내의 토지이용 현황을 살펴보면 산림이 63.8 %로 가장 넓은 면적을 차지하고 있으며, 그 다음으로 논이 전체 면 적의 11.4 %를 차지하였다(KOSIS, 2017). 인위적으로 활용 되고 있는 토지 중 넓은 면적을 차지하고 있는 논에서 강 우시 유출되는 오염물질의 농도는 낮지만, 유량이 많기 때 문에 부하량의
기여도 높다(Jeon, et al., 2003; Jin et al., 2010). 또한, 논 비점오염은 강우특성(강우량, 강우강도, 선 행무강우일수), 토양특성과 더불어 관개 및 시비 등 영농활 동의 영향 등으로 유출되는 오염물질의
특성이 타 비점오염 과 다르게 발생하기 때문에 이를 파악하기 위한 실측 모니 터링 연구가 필요하다(Jung et al., 2008; Kim et al., 2016).
논 오염부하 유출 특성을 분석한 연구사례를 살펴보면, 대부분 질소와 인을 대상으로 연구가 진행되었다(Jeon et al., 2003). Kim et al. (2004)은 논에 돈분퇴비 처리 후 저 류지 설치에 따른 화학적산소요구량(COD), 총질소(T-N), 총인(T-P), 부유물질(SS)의 저감효율을 평가하였다.
Yoon et al. (2003)은 영농기간 동안 강우가 800 mm를 미만일 경우 논에서의 T-N과 T-P 부하량은 배출원(Source)보다는 축적(Sink) 기능이 크다고 하였으며,
이를 근거로 강우의 효율적인 활용과 관개용수의 조절을 통하여 유출량을 조절 함으로써 유출 오염부하량을 저감할 수 있다고 하였다. Hwang et al. (2004)은 지표수와 지하수를 관개용수를 사용 하는 논에서 T-N과 T-P 유출 특성을 분석하였는데, 지표수 관개 논에서의 T-N과 T-P 유출 부하량이 지하수
관개 논 보다 큰 것으로 보고 하였다. Jung et al. (2008)은 관측된 수문자료, T-N, T-P 부하량과 현재의 원단위 산정 시 활용 이 되었던 과거 자료를 비교 분석한 결과 유효우량비법은 강우량의 영향을
크게 받기 때문에 합리적인 유효우량비법 을 적용하기 위해서는 논의 시기별 유출량 파악이 중요하 다고 하였다. 또한, 관리대책으로 물꼬관리, 완효성
비료 사용, 시비량 조절 방법 등이 제시되고 있다(Kim et al., 2016; Lee et al., 2005; Yoon et al., 2003).
하천의 수질 관리 중점 대상물질인 BOD의 논 유출 특성 에 대한 이해는 아직 부족하다. 현재 적용되고 있는 MOE (1995)의 논 BOD 원단위 값은 8.4 kg ha-1 yr-1 인데 과거에 비해 최근 강수량, 강우강도, 물관리, 유기물 사용 패턴 등 이 상이하여 오염 부하량 역시 과거 조사 값 보다 상이할 것으로 판단된다.
Ahn et al. (2012)은 논 BOD 부하량을 7.0 kg ha-1 yr-1로 제시하였는데 모니터링 횟수가 과소하여 다양한 강우패턴, 물관리의 영향을 반영하지 못하고 있다.
NIER (2014)는 강우시 장기 모니터링을 통한 새로운 원 단위를 제시하고 있지만, 논의 특성상 영농기간 동안 비강 우시에도 유출이 발생하며(Lee et al., 2014; Lee et al., 2011) 대부분 필지의 배수 관리 미비로 발생한다. 논에서 비강우시에 유출되는 오염물질의 비율을 살펴보면 SS 부하 량은 15 ~ 49 %(Lee et al., 2011), T-N과 T-P의 경우 46.2 %, 19.5 %가 유출되는 것으로 나타나(Hwang, 2001) 논의 오염부하 산정 및 관리 시 비강우시 부하량의 고려가 필요 하다. 하지만 비강우시 배수 관리 미비에 따른 BOD 부하 량에 대한 조사한 사례는
찾아보기 어렵다.
따라서, 본 연구에서는 2008년부터 2012년까지 5년간 조 사된 논에서의 강우시와 비강우시의 유출량 및 BOD 농도 자료를 활용하여 강우시와 비강우시
(관리손실 포함) BOD 유출 특성을 분석하고 논 비점오염 관리에 필요한 기초자 료를 제공하기 위해 수행되었다.
2. Materials and Methods
2.1. 시험지구
영산강 수계에 위치한 전라남도 함평군 엄다면 화양리의 논지구(이하 학야지구, 유역면적 13.69 ha)를 시험지구로 선 정하였다(Fig. 1). 학야지구의 토성은 미사질양토(모래 11.7 %, 실트 61.4 %, 점토 26.9 %)로 조사되었으며, 관개용수 는 한국농어촌공사 함평지사에서
관리하는 대동저수지(관 개면적 992.3 ha, 저수용량 5,309 천 m3)에서 공급을 받는 다. 시험지구 동쪽에 함평천이 흐르며 서쪽에는 주 배수로 가 위치하고 있다. 학야지구는 외부 유입수가 없고 용·배수 로가 분리
되어 있으며, 접근성이 양호하여 모니터링이 용 이한 시험지구이다.
Fig. 1. Schematic diagram of the study area and the locations of instruments for measurement of water balance.
2.2. 수문조사 및 수질분석
본 연구에서는 강우시와 비강우시로 구분하여 배수로 말 단에서 수문 및 수질 모니터링을 하였으며, 모니터링 기간 은 2008년부터 2012년이다. 학야지구의
물수지 분석을 위 해 강수량과 관개량, 유출량을 관측하였다. 강우량은 인근 마을회관 옥상에 강수량계(TBRG, CASELLA, UK)를 설치 하여
0.2 mm 간격으로 자료를 취득하였다. 관개량은 유입 부와 유출부에 압력식 수위계(Orphimedes, OTT Hydromet, Germany)를
설치하였으며, 유출량은 배수로 말단에 압력식 수위계(Orphimedes, OTT Hydromet, Germany)를 설치하여 5분 간격 수위를 관측하였다(Fig.
1). 관측된 수위는 수위- 유량 관계식을 이용하여 유량으로 환산하였다. 수질시료는 배수로 말단에서 강우시 53회, 비강우시 28회 채취하였으 며,
환경부의 수질오염공정시험법에 따라 20 °C에서 5일간 항온 배양하여 소비되는 양을 측정하여 BOD 농도를 취득 하였다(MOE, 2004).
2.3. 강우시 유량가중평균농도(EMC) 산정
강우시 유출시작부터 24시간동안 1시간 간격, 24시간 이 후 6시간 간격으로 채취된 BOD 농도와 관측된 유출량을 이용하여 해당 강우사상의 대표
농도(EMC)를 산정하기 위 해 Equation (1)을 활용하였다(NIER, 2009). 유량가중평균 농도(EMC)는 토지이용의 특성, 강우 특성(강우량, 강우강 도)에 따라 발생하는 유출 특성(유출시기, 유출량)이 다르 게 발생하며,
이에 따른 농도변화가 다르게 나타나기 때문 에 강우사상의 대표 농도를 산정하는 방법이다.
여기서, Qi는 관측 시간 i에서의 유출량 (m3 day-1), Ci는 오 염물질농도(mg L-1)이다.
2.4. 부하량 산정 및 통계분석
측정한 수문 및 수질 자료를 활용하여 부하량을 산정하 였으며, 미계측 날짜의 농도는 관측값을 이용하여 각 계측 점 사이의 농도를 선형 보간하였다.
일 부하량(Daily load) 은 유량과 농도의 곱으로 산정하였고, 일 부하량을 면적으 로 나누어 단위면적당 일 부하량으로 계산한 후 각각의 값
들을 더하여 연간 부하량을 산정하였다(Equation 2).
여기서, Load는 관측 부하량(kg ha-1)이며, Qi: 유출량(m3 s-1), Ci: 관측농도 (mg L-1), Δt: 유출지속시간 간격, A는 시험유역의 면적(ha)이다.
학야지구에서 관측된 배수량과 부하량 그리고 강우량과 부하량 사이의 상관관계를 알아보기 위해 PASW Statistics 18, 통계프로그램을 활용하여
분석하였다. 상관계수는 -1에 서 1까지의 값을 취하는데 절대값이 1에 가까울수록 상관 성이 강하다는 것을 의미한다.
3. Results and Discussion
3.1. 논 물수지
2008년부터 2012년까지 학야지구에서 관측된 영농기간 물수지는 강우량 678.0 ~ 1,160.0 mm (평균: 891.6 mm), 관 개량 599.9
~ 1,091.6 mm (평균: 806.6 mm), 유출량 503.7 ~ 837.0 mm (평균 : 704.2 mm) 였다 (Fig. 2) 관측년도별 월별 강우분포를 살펴보면, 2009년~ 2012년의 강우량은 7 월과 8월에 65 % 이상이 집중되는 것으로 나타났으며, 같 은 기간
동안의 유출량 역시 총 유출량의 54 % 이상 이었 다(Fig. 2). 강우시와 비강우시 유출특성을 살펴보면 강우량 이 많은 시기에 직접유출량이 증가하는 경향을 보였다. 2008년의 경우 5월과 6월에 유출량이 많은
것으로 나타났 으며, 7월부터 9월까지 유출량은 적었다. 이는 상대적으로 다른년도에 비해 관개량이 많았으며, 강우량 역시 5월과 6 월에 집중되었기
때문으로 판단된다. Lee et al. (2014)은 논 유역에서 물수지 분석결과 6월까지는 유입량보다 유출 량이 크지만, 7월 이후에는 유출량이 유입량보다 증가하며, 7월과 8월의 많은 강수량과
관개량의 영향으로 유출량이 크게 나타나는 것으로 보고하였다.
Fig. 2. Rainfall, irrigation, and drainage amount of the study paddy field during 2008-2012.
3.2. BOD 농도 변화
관측년도별(2008-2012) 강우시 BOD의 EMC를 살펴보 면, 2008년의 경우 4.5±2.1 mg L-1, 2009년 3.6±1.5 mg L-1, 2010년 2.6±1.9 mg L-1, 2011년 5.2±1.3 mg L-1, 2012년 4.0±1.1 mg L-1 였다(Fig. 3). 시기별로 살펴보면 5월에 가 장 높았으며, 그 다음으로 6월과 8월 순 이였다(Fig. 3). 비강우시의 평균농도는 6월이 가장 높았다(Table 1). Gu and Park (2016)의 연구에 따르면, 논에서 BOD 농도 변 화는 토양내 유기물함량의 영향을 받는다. 특히, 시비(화 학비료+축산 퇴비, 유박+축산 퇴비)와 농법(유기농법,
관 행농법)에 따라 다르게 나타나며, 기비보다는 추비후에 토 양내 유기물함량이 높게 나타나며, 이는 BOD농도와 유의 성이 있는 것으로 보고하였다.
또한, Jung et al. (2001)은 볏짚과 퇴비를 장기 연용했을 때, 유기물 무 시용구에 비 해 토양 유기물과 질소 함량이 증가한다고 하였다. 본 연 구의 시험지구는 화학비료 시용
논으로 퇴비와 액비 투입 에 의한 유기물의 영향보다는 영농 전, 후 토양으로 환원 되는 볏짚과 뿌리 등 잔사의 영향이 클것으로 판단된다. 따라서,
논에서의 BOD 농도 변화를 세밀히 살펴보기 위 해서는 영농의 형태 및 방법, 환원되는 잔사의 성분과 양, 토양 유기물의 변화를 고찰하기 위한 추가적인
연구가 필 요하다.
Fig. 3. Distribution of observed event mean concentration (EMC) of BOD during (a) storm period and (b) non-storm period
Table 1. Range and average of BOD concentrations for storm and non-storm period in paddy field
|
|
Storm
|
Non-storm
|
|
|
|
May
|
Jun
|
July
|
Aug
|
Sep
|
May
|
Jun
|
July
|
Aug
|
Sep
|
|
|
Min
|
3.13
|
2.46
|
1.15
|
0.67
|
1.24
|
0.05
|
2.05
|
0.35
|
1.30
|
-
|
|
Max
|
7.99
|
6.63
|
6.89
|
7.65
|
6.72
|
3.91
|
5.60
|
6.79
|
6.70
|
-
|
|
Average
|
5.31
|
4.42
|
3.34
|
3.73
|
3.44
|
2.02
|
3.85
|
3.51
|
3.75
|
0.13
|
3.3. 강우 사상 강우량과 BOD EMC, 부하량 상관관계
Fig. 4와 5은 각각 강수량-EMC, 배수량-EMC, 강우량-부 하량 그리고 배수량-부하량의 상관관계를 도시화한 것이다. 강우량과 EMC의 상관계수는 0.04이고
배수량과 EMC 사 이의 상관계수는 0.02로 강우량과 배수량은 EMC와는 상관 성이 없는 것으로 나타났다. 그러나 강우량과 부하량 사이 의 상관계수는
0.80, 배수량과 부하량의 상관계수는 0.93 로 나타나 강우량과 배수량이 클수록 부하량도 증가하는 것으로 나타났다(Jung et al., 2008).
Fig. 4. Relationship between BOD EMC and event rainfall and drainage
Fig. 5. Relationship between event BOD load and event rainfall and drainage
3.4. 강우시 유출특성에 따른 BOD 부하량
관측된 일 유출량을 강우계급(0 ~ 10 mm, 10 ~ 20 mm, 20 ~ 30 mm, 30 ~ 40 mm, 40 ~ 50 mm, 50 mm 이상)으로
구분하여 강우계급별 유출 특성을 분석하였다. 분석결과 50 mm 이상의 강우계급에서 유출되는 양은 전체 유출량의 52 %가 유출되는 것으로 나타났으며,
그 다음으로 10 mm 이하 강우계급에서 26 %가 유출되는 것으로 나타났다(Fig 6a). 유출되는 강우계급별 BOD 부하량 역시 유출량과 비 슷하였다(10 mm 이하: 29 %, 50 mm 이상: 50 %). 논의 BOD 저감을 위한
배수관리가 요구되지만, 집중강우와 연 속 강우시 유출량이 크기 때문에 관리에 어려움이 있다(Fig 6b). 따라서, 상대적으로 관리가 용이한 작은 강우에 대한 관리가 요구된다. 최근, 농업환경 보전을 위한 논에서의 유 출량 및 오염부하 저감 대책 중
물꼬조절을 통한 물관리와 강우 저류 및 적절한 이용이 효율적인 것으로 보고되고 있 다(Kim et al., 2016). 본 연구에서는 물꼬조절을 통한 유출 량과 부하량 저감량을 실측하지 않았기 때문에 관측된 강 우량을 10 mm 간격으로 구분하고, 물꼬를 관리할
경우 해 당 강우량에 대한 저감 할 수 있는 최대 유출량과 부하량 을 분석하였다. 분석결과 물관리를 통해 10 mm 이하의 강 우량을 논에 저류시킬
경우 강우시 전체 부하량의 29 % 저감이 가능한 것으로 나타났다. 기존의 물꼬관리를 통한 T-N과 T-P 부하량의 저감량을 분석한 연구사례를 살펴보
면, Kim et al. (2016)은 물꼬높이를 중간낙수 전 7 cm, 중 간낙수 후 12 cm로 관리할 경우 관행적으로 물관리가 이 루어지는 경우보다 유출량은 15 %, T-N 부하량은
25 %, T-P 부하량은 26 %가 저감된다고 하였다. 따라서, 물꼬관 리에 의한 T-N, T-P 부하량과 BOD 부하량의 저감은 건전 한 농업환경
보전에 도움이 될 것으로 판단된다.
Fig. 6. Percentage distribution by rainfall class of (a) drainage, (b) BOD load during the study period
논으로부터 유출되는 강우시와 비강우시의 BOD 부하량 은 17.1±3.7 kg ha-1 yr-1, 11.2±2.1 kg ha-1 yr-1 였다(Table 2). 강우시 부하량은 전체 BOD 부하량의 57.3 ~ 63.0 %가 유출이 되며, 비강우시에 37.0 ~ 42.7 %가 유출되는 것으로 나타났다
(Table 2).
Table 2. BOD load during storm and non-storm period in 2008 ~ 2012
|
Year
|
Rainfall (mm)
|
Irrigation (mm)
|
Drainage (mm)
|
Event
|
BOD Load (kg ha-1 yr-1)
|
|
|
2008
|
678.0
|
1,091.6
|
503.7
|
Storm
|
14.1
|
22.6
|
|
|
Non storm
|
8.5
|
|
|
2009
|
846.6
|
974.6
|
784.8
|
Storm
|
19.5
|
32.2
|
|
|
Non storm
|
12.7
|
|
|
2010
|
927.4
|
682.9
|
794.2
|
Storm
|
13.1
|
22.5
|
|
|
Non storm
|
9.4
|
|
|
2011
|
846.0
|
599.9
|
601.4
|
Storm
|
22.0
|
35.0
|
|
|
Non storm
|
13.0
|
|
|
2012
|
1,160.0
|
684.0
|
837.0
|
Storm
|
16.7
|
29.1
|
|
|
Non storm
|
12.4
|
|
|
Average
|
891.6
|
806.6
|
704.2
|
Storm
|
17.1
|
28.3
|
|
|
Non storm
|
11.2
|
|
|
Standard deviation
|
175.4
|
213.6
|
144.1
|
Storm
|
3.7
|
5.8
|
|
|
Non storm
|
2.1
|
3.5. 환경부 원단위와의 비교
2014년 국립환경과학원(NIER)에서는 단일토지피복지역 에서 장기적으로 모니터링하여 수집된 수문 및 수질 자료 를 이용하여 토지이용별 원단위를 제시하였다.
제시된 BOD 원단위는 도시지역에서는 85.9 kg km-2 day-1에서 17.76 kg km-2 day-1로 크게 감소한 반면, 논지역은 2.30 kg km-2 day-1에서 4.24 kg km-2 day-1, 밭 지역은 1.59 kg km-2 day-1에서 4.57 kg km-2 day-1로 토지이용별로 원단위는 크 게 변화되었다(NIER, 2014).
본 연구에서는 2008년부터 2012년까지 영농기간동안 관 측된 BOD 부하량과 1995년 환경부 원단위(MOE, 1995) 값과 비교하였다. 본 연구에서 조사된 평균 부하량은 28.3 kg ha-1 yr-1이었으며 이 중강우시 부하량은 17.1 kg ha-1 yr-1 분석 되었다. 현재 적용되고 있는 MOE의 원단위(1995) 8.4 kg ha-1 yr-1로 차이를 보이고 있는데, 이는 MOE의 원 단위(1995) 산정시에 비해 현재의 물관리 관행은 큰 차이 가 있으며, 또한, 비강우시 부하량은 고려하지 못하고 있기 때문으로 판단된다. 최근 장기적인 모니터링을
통해 새롭게 제시된 BOD 원단위(2014)는 15.5 kg ha-1 yr-1이며, 새롭게 제시된 NIER 원단위(2014) 역시 강우시 유출되는 부하량 만 고려하고 있다. 따라서, 본 연구는 논의 오염부하량 정 량화를 위해서는 강우시 부하량과 더불어 비강우시의 물관
리에 따른 유출 부하량도 고려해야 함을 제시하고 있다.
4. Conclusion
국내에서는 하천의 수질관리를 위해서 수질오염총량제를 적용하고 있으며, BOD를 관리대상 물질로 설정하고 있다. 본 연구에서는 2008년부터 2012년까지
논에서 조사된 수 문, 수질 자료를 활용하여 논에서의 BOD 유출 특성을 분 석하였다. 조사지역 논에서 영농기간 동안에 관측된 BOD 의 평균 부하량은
28.3 kg ha-1 yr-1였다. 강우시의 평균 EMC 는 4.01 mg L-1, 비강우시 평균농도는 3.39 mg L-1 였으며, 강우 및 비강우 평균 부하량은 각각 17.1 kg ha-1 yr-1, 11.2 kg ha-1 yr-1 였다. BOD 부하량은 강우시 뿐만 아니라 비강우시에 유출되는 부하량도 적지 않은 양으로 나타났다. 본 연구에서 조사된 강우시 논 BOD 부하량은
새롭게 제시된 원단위와 비슷하였지만, 새 원단위는 강우시 직접유출 부하량만을 고려하고 있으며, 비강우시 물관리 관 행에 따른 부하량을 포함할 경우
실제 부하량과는 상당한 차이가 있는 것으로 나타났다. 또한, 관측된 일 유출량과 부하량을 강우계급으로 구분한 결과 50 mm 이상의 강우계 급에서
유출량과 부하량 모두 가장 크게 나타났으며, 그 다음으로 10 mm 이하의 강우계급에서 크게 나타났다. 상 대적으로 관리가 용이한 10 mm 이하의
강우계급에서 물꼬 관리 등을 통해 강우시 유출되는 양을 저류할 경우 강우시 BOD 부하량의 29 %까지 저감될 수 있는 것으로 나타났 다. 따라서,
논에서 비강우시와 작은 강우에서 관리 손실로 하천으로 유입되는 부하량의 저감을 위한 노력이 요구된다. 논에서의 유출되는 오염부하 저감을 위해서는 농민의
관심 과 노력이 중요하다. 따라서, 농민의 교육 및 홍보 등 다양 한 교육 프로그램과 정책 및 제도 개선이 필요하다.
Acknowledgement
본 연구는 영산강유역환경청 환경기초조사사업[과제명: 주요 비점오염원 유출 장기 모니터링]의 일환으로 영산강 물환경연구소의 연구비 지원에 의해 수행되었습니다.
References
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