1. Introduction
수질오염총량관리제도(이하 “총량제”)는 개발과 보전이라 는 가치의 실현을 위해 2000년대부터 도입된 우리나라의 대표적인 유역관리정책으로서 수계구간별
목표수질을 설정 하고, 목표수질을 달성·유지하기 위한 허용부하량을 산정한 후, 해당 총량관리단위유역 내에서 배출되는 오염물질의 총 량이 목표수질을
달성할 수 있는 허용부하량 이내로 관리 하는 제도이다(ME, 2011). 여기서 허용부하량은 기준유량 조건에서 목표수질을 만족할 수 있도록 계산된 배출부하량 을 뜻하며, 기준유량은 10년 평균저수량과 10년 평균평수
량으로 설정하여 관리되고 있다. 이는 최근 10년간의 유량 자료를 이용한 단순 평균적인 개념으로, 특정 기준유량을 이용한 할당부하량은 해당 유량에서의
목표수질 달성이라 는 관리적 측면에서의 편의성은 가지고 있지만, 유역별 배 출특성을 고려한 수체의 건강성 회복이라는 근본적인 유역 관리수단으로써의
역할은 미흡하다고 할 수 있다(Han et al., 2007; Lee, 2013). 실제로 각 단위유역에서 수질이 악 화되는 유량조건이 다양하기 때문에 실질적인 하천의 수질 개선을 위해서는 기준유량 조건 외에 수체 특성에 맞는
삭 감대안이 수립되어야 하며, 이를 위해서는 먼저 하천유량과 수질의 관계분석 및 하천의 유량조건별 목표수질 초과정도 등 현황을 진단할 수 있는 과정이
선행되어야 한다(Hwang et al., 2012; Park and Oh, 2012).
미국에서는 TMDLs 계획 수립시 다양한 하천 유량에 연 관된 수질의 가변적인 성질을 반영할 수 있는 부하지속곡 선(Load Duration Curve,
LDC)을 활용하고 있다. 부하지속 곡선은 일최대농도의 한계를 기초적인 수문학과 지속곡선 을 함께 이용함으로써 유량 전 범위에 적용되는 허용부하 량의
정량화가 가능하며, 하천유량과 수질현황의 관계를 시 각적으로 보여줌으로써 수질오염문제의 본질적인 특성을 규명하고, 목표수질 초과형태를 분석하여 해당
유역의 적절 한 관리방안을 모색하는데 매우 유용한 수단으로 적용될 수 있다(U. S. EPA, 2007). 또한 EPA 환경백서를 보면 T-N, T-P와 같은 영양물질이 분석대상인 경우 유역모형과 결합하여 적용할 것을 권장하고 있는데, 연속적인 모의
결 과를 이용하여 부하지속곡선을 작성하면 각종 수질 복원을 위한 시행 효과를 정량화하고 오염원별 기여도를 평가할 수 있기 때문이다(U. S. EPA, 2007).
미국의 경우, 2003년부터 TMDLs 계획수립 시 기준설정 에 있어 부하지속곡선의 활용도가 급격히 증가하였으며 (Shin, 2013), 최근 우리나라에서도 부하지속곡선을 총량관리 에 활용하기 위한 연구들이 지속적으로 수행되고 있다. Lee (2013)은 유역모형과 부하지속곡선을 활용하여 목표수질 평가방법 및 유량구간별 할당부하량 산정방안에 대하여 고 찰하였고, Park and Oh (2012), Kim et al. (2015), Jung et al. (2016) 등은 부하지속곡선을 활용하여 하천 유량조건에 따라 수질변화 특성을 고려할 수 있는 목표수질 달성여부 평가방법을 수계별로 적용하였다. Shon et al. (2011)은 부 하지속곡선과 유량-부하량 상관곡선을 이용해 오염총량평 가 방법을 제시하고, 이를 낙동강 유역에 실제 적용함으로 써 문제점 및 개선방안을 도출한
바 있다. 이상의 많은 연 구들이 수행되고 있지만, 주로 정성적인 분석도구로서의 기술적 검토 수준이였으며, 미국과 같이 총량 계획 과정에 서 부하지속곡선을
적용하는 방안에 대한 연구는 부족한 실정이다.
이에 따라 본 연구에서는 유역의 유량·수질을 모의하기 위해 먼저 도시 및 농촌산지에 모두 적합한 HSPF (Hydrological Simulation
Program–Fortran) 모형을 구축한 후, 모 의 결과 값을 활용하여 전체 유량조건을 고려할 수 있는 유량지속곡선, 부하지속곡선을 유도하여
연간 유황변동, 유 량구간별 비점오염배출량 등을 분석함으로써 보다 과학적 인 총량관리가 가능하도록 지원할 수 있는 방안에 대하여 고찰하였다.
2. Materials and Methods
2.1. 연구대상유역 및 범위
낙동강 수계에 위치한 유역 중 유역경계안에 대도시가 없는 내성천 유역과 대규모 인구·산업단지가 밀집된 금호 강 유역을 비교 대상으로 선정하여 연구를
수행하였다. 내 성천은 유역면적이 1,780.5 km2이고, 유로연장은 101.8 km 인 하천으로서 유역 내에는 오염총량관리 단위유역 내성A 와 내성B가 있다. 내성천 유역에는 2010년 기준 인구가
185,054 명이고, 소와 돼지는 각각 131,176 마리와 158,529 마리가 사육되고 있으며, 1일 산업폐수발생량은 약 4,770 m3이다. 또한 유역의 토지이용형태는 산지와 농경지가 약 89 %, 대지가 5 %를 차지하고 있으며, 비교적 규모가 큰 하수처리장은 처리용량이 40,000
m3/day인 영주와 7,500 m3/day인 예천이 있다. 금호강의 유역면적은 2,092.4 km2이 고, 유로연장은 116 km인 하천으로 유역 내 오염총량관리 단위유역 금호A, 금호B, 금호C 등 총 3개가 있다. 2010년 기준 인구는 2,020,993
명, 소 83,817 마리, 돼지 226,222 마리가 사육되고 있으며, 1일 산업폐수발생량은 약 137,000 m3이다. 또한 유역의 토지이용형태는 산지와 농경지가 약 82 %, 대지가 10 %를 차지하고 있었으며, 처리용량이 큰 하 수처리장으로는 영천(25,000
m3/day), 금호(10,000 m3/day), 경산(40,000 m3/day), 안심(47,000 m3/day), 신천(680,000 m3/day), 달서천(400,000 m3/day), 북부(170,000 m3/day) 등 이 있다(ME, 2013). Fig. 1.
Fig. 1. Location of the study area.
본 연구의 연구대상기간은 2007 ~ 2010년으로 총 4개년 이다.
2.2. HSPF 모형의 구축
HSPF 모형은 강우로 인한 비점오염물질의 유출과정을 하천 내에서의 수리학적 현상, 퇴적물, 화학물질의 상호작 용과 결합시켜 모의할 수 있는 유역모형과
수질모형이 결 합된 형태를 가진 유역유출모형이다(U. S. EPA, 2001).
HSPF 모형의 사용을 위해 GIS 기반으로 방대한 자료를 관리하고 다양한 모형들을 지원해주는 통합관리시스템인 BASINS를 이용하여 기본정보를 수집하였다.
먼저 DEM으 로부터 Flow Direction과 Flow Accumulation을 계산하여 하천망을 생성시킨후 유역의 출구지점을 outlet으로
지정하 여 분할하였으며, 토지피복도는 Urban or Built-up land, Wetland, Agricultural land, Forest Land,
Water 등 5개 항 목으로 분류한 후 모형 내 Landuse and Soil Definition Utility를 이용하여 분할된 소유역에 대한
각각의 토지이용 정보를 추출하였다.
또한 기상자료는 강수량, 기온, 이슬점온도, 운량, 일사량, 풍속, 증발산량 등 7개 항목의 시간단위 관측값을 입력한 후 WDM utility 내의
Disaggregate Fuctions 중 Evapotranspiration을 활용하여 증발산량을 생성하였다.
점오염부하량 자료는 2007 ~ 2010년까지의 오염원으로부 터 부하량을 산정하여 입력하였으며, 일평균 방류량이 500 m3 이상인 하·폐수처리시설은 일별 방류량과 방류수질(BOD, SS, T-N, T-P) 자료를 수집하여 입력하였고, 유역 내 취수 자료는 일별 취수량을
입력하였다.
2.3. 모형의 보정 및 검증
본 연구에서 HSPF 모형의 보정 및 검증에 사용한 관측 자료는 유량의 경우, 내성천, 금호강 하류에 위치한 일단위 수위관측소 자료와 낙동강물환경연구소에서
연간 약 40회 측정한 총량측정망 자료를 이용하였다. 수위관측 자료의 경 우, 연구대상기간 중 2010년도에만 자료가 생산되어 1개년 관측값을 보정자료로
사용하였고, 검증자료로 2007~2010년 의 총량측정망 자료를 활용하였다.
수질은 내성천, 금호강 말단에서 측정한 내성B, 금호C 총량측정망 자료를 이용하였으며, 보정은 2009 ~ 2010년 그 리고 검증은 2007 ~
2008년으로 지정하여 수행하였다.
유량의 보정과 검증 결과에 대한 적정성을 평가하기 위하 여 결정계수(R2), Nash-Sutcliffe model efficiency coefficient (NSE), Percent difference를 산정한 후 Donigan (2000)이 제안한 Table 1의 기준을 근거로 판단하였다. 수질의 경우 실측값에 대한 모의 결과의 적정성을 평가하기 위해서 BASINS/HSPF Training Lecture에
수록되어 있는 수질항목 별 Percent difference 신뢰구간과 수질항목별 실측값과 모 의값 농도 비율의 평균과 범위, Root Mean Square
Error (RMSE)를 산정하여 실측값에 대한 수질 보정 및 검증 결 과의 적정성을 평가하였다. Table 2.
Table 1. General calibration/validation target or tolerance for HSPF application
Criteria
|
Verygood
|
Good
|
Fair
|
Poor
|
R2
|
> 0.8
|
0.8 ~ 0.7
|
0.7 ~ 0.6
|
< 0.6
|
NSE
|
0.9 ~ 0.8
|
0.8 ~ 0.7
|
0.7 ~ 0.6
|
0.6 ~ 0.5
|
%difference |
< 10
|
10 ~ 15
|
15 ~ 25
|
-
|
Table 2. Percent difference value range for Model performance
Constituent
|
VeryGood
|
Good
|
Fair
|
Hydrology/Flow
|
< 10
|
10 ~ 15
|
15 ~ 25
|
Water Quality/Nutrients
|
< 15
|
15 ~ 25
|
25 ~ 35
|
2.4. 유량지속곡선 및 부하지속곡선 작성 절차
부하지속곡선이란 하천의 전체 유량조건에서 관측수질과 목표수질과의 관계를 나타내는 곡선으로 전체 유량규모 에 대한 수질 분포를 확인할 수 있으며, 유량구간별
목표 수질을 초과한 빈도와 정도, 허용부하량 및 삭감부하량의 크기 파악에 용이하다. 또한 갈수기나 홍수기와 같이 수 질에 영향을 미치는 기상학적 인자들의
상대적 중요도를 식별할 수 있으며, 서로 다른 유역에서 부하지속곡선을 작 성하여 유역간의 오염배출특성에 대한 비교 분석이 가능하 므로 유역별, 유량구간별
적절한 관리방안을 모색하는데 유 용한 수단으로 활용할 수 있다(U. S. EPA, 2007). 이러한 부하지속곡선은 다음과 같이 세 단계를 거쳐 작성하게 되는 데, 첫째, 일단위 유량자료를 최대유량에서 최소유량 순으 로 정렬하여 특정 유량을
초과하는 일수를 백분율로 계산 한 후 X축에는 유량지속구간(초과확률), Y축에는 해당 유 량을 도식화하여 유량지속곡선(FDC, Flow Duration
Curve) 을 작성한다. 둘째, 이 유량지속곡선의 각 일유량값에 목표 수질을 곱하여 전체 유량구간에서 목표수질을 만족하는 허 용부하지속곡선(Loading
Capacity Duration Curve)을 작성 한다. 마지막으로 전 단계에서 작성한 허용부하지속곡선 위 에 실제 측정한 관측부하량을 도식화한다.
관측부하량은 실 제 관측일의 유량과 수질농도를 곱하여 산정하며, 관측일의 유량을 유량지속곡선의 유량자료와 비교하여 “초과 부하량 백분율(Percent
of days load exceeded)”에 대응하는 “초과 유량 백분율(Percent of days flow exceeded)”의 값을 결정 하여
도식화한다. 허용부하지속곡선 위쪽에 표시된 관측부 하량은 목표수질을 초과한 경우이고, 아래쪽에 표시된 관측 부하량은 목표수질을 달성하고 있는 것을
나타낸다. 일반적 으로 고유량시기에 부하지속곡선을 초과하는 경우 비점오 염원에 의한 영향이며, 저유량 기간 동안 발생하는 초과현상 은 점오염원에 의한
영향이 크다고 할 수 있다(U. S. EPA, 2007).
3. Results and Discussion
3.1. 모형 보정 및 검증결과
내성천과 금호강 말단에 위치한 향석수위관측소와 성서 수위관측소에서의 유량 보정 및 검증 결과는 Fig. 3 ~ 4와 같다. 각 수위관측소에서 R2, NSE, % difference값을 각각 산정한 결과, 모두 “Very good”으로 모형의 모의치가 실측 치를 매우 잘 반영하는 것으로 나타났으며,
첨두유량을 보 면 대부분 관측값보다 약간 작게 모의되어 저·갈수기의 유 량을 더 잘 재현하는 것으로 나타났다. Fig. 2.
Fig. 2. The calibration results of flow from Hyangsuk water level station.
Fig. 3. The calibration results of flow from Sungseo water level station.
Fig. 4. The validation results of flow from NeasungB.
내성천의 향석수위관측소와 금호강의 성서수위관측소 모 두 2010년의 관측자료만 있어 보다 높은 신뢰도 확보를 위 해 내성B와 금호C 말단지점에서 측정된
총량측정망의 8일 간격 유량자료를 이용하여 추가 검증을 수행하였다. Fig. 5 ~ 6과 같이 2007~2010년까지 연도별로 평균실측값과 평균 모의값을 산정한 결과 1.7 ~ 2.1 m3/sec 범위의 비교적 근소 한 차이를 보였으며, % difference, R2 값 또한 “Very good” 을 나타났다.
Fig. 5. The validation results of flow from GeumhoC.
Fig. 6. Flow Duration Curves by analysis period in Naesung stream watershed.
HSPF 모형의 수질 보정 시 수온, DO를 보정한 후, BOD, T-N, T-P, Chl-a에 대하여 보정을 수행하였으며, 본 연구에 서는 1단계
수질오염총량관리제 관리대상항목인 BOD의 결 과만을 수록하였다. 내성B, 금호C 말단지점에서의 BOD 모 의 결과, 두 지점 모두 % difference가
0.04 ~ 9.02로서 “Very Good”으로 판정되었으며, RMSE는 0.06 ~ 1.49의 범위로 산 정되었다. 실측값과 모의값의 평균값에
대한 농도 비율을 보면 검증결과의 경우, 신뢰범위를 약간 벗어나는 것으로 산정되었지만, 그래프를 보면 모의치가 실측치를 잘 반영하 고 있는 것을 알
수 있다. 복잡한 수질 메커니즘과 다양한 유역의 공간적인 특성을 고려할 때 전반적으로 적절히 모 의된 것으로 판단된다.
3.2. 유역모형을 이용한 유량지속곡선 작성
부하지속곡선을 작성하기 위해서는 먼저 유량지속곡선을 도식화하여야 하는데, 유량지속곡선의 작성에 필요한 관측 횟수는 엄격히 명시되어 있지 않지만 통상
1년 이상의 관 측치를 바탕으로 하며, 연간 및 계절적 변동을 포괄해야 한다(U. S. EPA, 2007). 유량지속곡선은 여러 개의 유황구 간으로 분류될 수 있으며, 이는 유량과 부하지속곡선의 진 단 및 분석을 용이하게 한다. 한편, 우리나라의 경우,
연 간 관측된 일별 유량자료를 토대로 최대 유량에서 최소 유량 순으로 유황곡선을 작성하여 각 유황별 연간 출현일 수의 누계로부터 유황자료를 산정하기
때문에 각 유황별 유량은 특정일에 해당하는 유량이므로 유황 구간으로 접 근하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 Table 5와 같이 미 국의 TMDLs에서 주로 적용하는 유량구간인 홍수량(High, 0 ~ 10%), 풍수량(Moist, 10 ~ 40%), 평수량(Mid-range,
40 ~ 60%), 저수량(Dry, 60 ~ 90%), 갈수량(Low, 90 ~ 100%) 등 5개 구간으로 구분한 후, HSPF모형의 일유량 모의자료를
이용하여 2007 ~ 2010년까지 총 4개년의 유량지속곡선을 작성하였다(Cleland, 2003; NDEP, 2003). Table 3, 4, 5.
Table 3. Calibration and validation results of water quality in Neasung B
Calibration
|
meanOBS
|
meanSIM
|
%diff
|
RMSE
|
Validation
|
meanOBS
|
meanSIM
|
%diff
|
RMSE
|
Value
|
0.86
|
0.90
|
3.79
|
0.30
|
Value
|
0.90
|
0.94
|
4.03
|
0.15
|
criteria
|
1.04(0.71~1.06)
|
very good
|
criteria
|
1.04(0.71~1.06)
|
very good
|
|
|
Table 4. Calibration and validation results of water quality in Geumho C
Calibration
|
meanOBS
|
meanSIM
|
%diff
|
RMSE
|
Validation
|
meanOBS
|
meanSIM
|
%diff
|
RMSE
|
Value
|
2.94
|
2.91
|
0.75
|
0.48
|
Value
|
2.98
|
2.91
|
2.01
|
1.06
|
criteria
|
0.99(0.71~1.06)
|
very good
|
criteria
|
0.98(0.71~1.06)
|
very good
|
|
|
Table 5. Hydrologic condition classes (Cleland, 2003)
GROUP
|
Flow Duration Interval
|
Hydrologic Condition Class
|
I
|
0 ~ 10%
|
High flow
|
II
|
10 ~ 40%
|
Moist conditions
|
III
|
40 ~ 60%
|
Mid-range conditions
|
IV
|
60 ~ 90%
|
Dry conditions
|
V
|
90 ~ 100%
|
Low flow
|
유량지속곡선 작성을 위해 먼저 내성B 단위유역 말단지 점에서 모델의 일유량 자료를 활용하여 Fig. 6과 Table 6과 같이 연도별 및 연구대상기간 중 4개년(2007 ~ 2010), 3개 년(2008 ~ 2010), 2개년(2009 ~ 2010)으로 구분하여 제시하
였다. 그 결과, 2007 ~ 2010년 중 강수량이 가장 많았던 2007 년에 홍수량과 풍수량의 유량이 가장 크게 나타났으며, 평 수량, 저수량,
갈수량의 경우, 2007년 다음으로 비가 많이 온 2010년에 가장 높았다. 또한 4개년, 3개년, 2개년으로 구분하여 작성한 유량지속곡선을 보면,
연도별 및 기간별로 각각 차이가 나타나 유량지속곡선은 장기간의 유량자료를 토대로 도출되어야 함을 확인할 수 있었다.
Table 6. Flow calculations by hydrologic condition group in Naesung stream watershed Unit : Flow(m3/sec), Rainfall(mm/year)
Class
|
High
|
Moist
|
Mid
|
Dry
|
Low
|
Rainfall
|
2007
|
226.0
|
60.3
|
17.9
|
6.3
|
3.7
|
1,471.9
|
2008
|
116.0
|
27.6
|
11.0
|
5.5
|
3.8
|
1,063.1
|
2009
|
113.0
|
26.3
|
13.5
|
7.7
|
2.6
|
1,133.7
|
2010
|
107.0
|
40.7
|
21.7
|
9.6
|
4.4
|
1,236.3
|
4 years (2007 ~ 2010)
|
140.0
|
35.4
|
15.5
|
7.2
|
3.4
|
1,226.3
|
3 years (2008 ~ 2010)
|
112.0
|
32.1
|
14.9
|
7.5
|
3.2
|
1,144.4
|
2 years (2009 ~ 2010)
|
107.0
|
33.9
|
17.5
|
8.5
|
3.0
|
1,185.0
|
금호C 단위유역 말단지점에서 일유량자료를 활용하여 연 도별 유량지속곡선을 작성한 결과, 비가 가장 많이 온 2010년에 홍수량, 풍수량, 평수량,
저수량 모두 가장 높게 나타났으며, 갈수량의 경우, 2010년 다음으로 비가 많이 온 2007년에 가장 높게 산정되었다. 또한 연구대상기간 동안 에
4개년(2007 ~ 2010), 3개년(2008 ~ 2010), 2개년(2009 ~ 2010)을 대상으로 유량지속곡선을 작성하여 연도별로 분석 한
것과 비교한 결과, 홍수량구간을 제외하고 비교적 유사 한 값으로 산정되었다. 이는 내성천유역과 다르게 금호강유 역은 대규모 환경기초시설이 밀집되어
있어 점오염원의 기 여도가 큰 유역특성이 반영된 결과로 해석할 수 있다.
3.3. 유역모형을 이용한 부하지속곡선 작성
부하지속곡선 작성을 위해서는 먼저 기준이 되는 허용부 하지속곡선을 작성해야하는데 허용부하지속곡선은 유량지 속곡선과 목표수질을 이용하여 작성하는 비선형곡선이다.
EPA에서 제공하고 있는 TMDLs 계획 관련 안내서를 포함 한 선행연구에서 부하지속곡선 작성방법을 보면, 허용부하 지속곡선 위에 실측한 유달부하량을
관측 일자에 해당하는 유량구간에 표기하여 목표수질 달성여부를 분석하고 있다. 본 연구에서는 부하지속곡선을 작성하기에 앞서 5개의 유 량구간에 대한
수질측정 현황을 파악하기 위하여 Fig. 8과 같이 유량구간별 수질측정 빈도분석을 수행하였다. Fig. 7.
Fig. 7. Flow duration curves by analysis period in Geumho stream watershed.
Fig. 8. The frequency analysis of water quality measurements in Naesung and Geumho stream watersheds.
연구대상기간인 2007 ~ 2010년도의 내성B와 금호C 단위 유역에서 수질측정횟수는 두 유역 모두 총 180회로서 전체 유량구간에서 등유량지속간격으로
수질측정이 이루어질 경 우, 이론적인 유량등급별 수질측정횟수는 홍수량 18회, 풍 수량 54회, 평수량 36회, 저수량 54회, 갈수량 18회가 된
다. 2개 유역에서 실제 관측치로부터 수질측정 빈도를 분 석한 결과, 홍수량 16회, 풍수량 49회, 평수량 41회, 저수 량 58회, 갈수량 18회로서
두 개의 유역 모두 큰 차이를 보이지는 않지만 내성B의 경우 평수량구간, 금호C는 저수 량구간에서의 수질측정 횟수가 타 유량구간보다 많은 것을 알
수 있다. 이와 같이 특정유량구간에 수질측정이 편중되 는 경우, 해당 유량구간의 수질영향이 과다하게 반영되는 결과를 초래하게 된다(Park and Oh, 2012).
이에 따라 본 연구에서는 부하지속곡선 작성 시 8일 간 격의 실제 관측값을 보정 및 검증이 완료된 HSPF 모형의 결과값, 즉, 일단위 유달부하량으로
대체하여 BOD와 T-P 에 대한 유량구간별 초과율 분석을 연도별로 수행하였다. 관측자료를 이용하면 연도별 분석 가능한 수질이 최대 40 회이고,
홍수기나 집중 강우시에는 측정되지 않아 강우시의 오염물질 유입현상을 충분히 반영하지 못하는 한계점이 있 으나, 앞서 보정 및 검증이 완료된 모형의
일단위 모의값 을 활용함으로써 연도별 총 365 ~ 366회의 유량구간별 분 석자료를 확보하여 유황별 수질의 변동성을 최대로 반영하 였다.
모의수질의 경우, 앞서 모형의 보정 및 검증 시 목적함수 산정을 통해 모의결과의 적절성을 확인하였으며, 추가로 유 량과 곱하여 산정한 부하량(kg/day)단위로서
실제 관측부하 량과 모형의 결과값인 유달부하량의 상관관계를 분석하기 위해 R2를 산정한 결과, 모두 0.89 ~ 0.99로 산정되어 높은 상관성을
보였다. 따라서 HSPF 모형의 결과값으로 대체하 여 부하지속곡선에 적용하는데 충분히 신뢰도가 높은 것으 로 판단된다.
본 연구대상기간은 2007 ~ 2010년으로 총량제 1단계 관 리기간(2004 ~ 2010)에 포함되므로 내성B 단위유역 계획수 립 시 설정된 목표수질인
BOD 1.5 mg/L를 이용하여 허용 부하지속곡선을 도식화한 후, Fig. 9와 같이 내성B 단위유 역 말단지점에서의 실제 관측값과 HSPF 모형의 모의값을 부하량으로 유도하여 부하지속곡선을 작성하였다. 관측부하 량과 모형의
유달부하량간의 R2값은 2007년 0.96, 2008년 0.89, 2009년 0.98, 2010년 0.94로 산정되어 높은 상관성을 보였으며, 관측값과
모의값 모두 홍수량구간을 제외한 대부 분의 유량구간에서 허용부하지속곡선 아래에 있어 목표수 질을 만족하는 것으로 나타났다.
Fig. 9. BOD Load Duration Curves in Naesung stream watershed (2007~2010).
Table 7은 관측값과 모의값을 이용하여 연도별 BOD 목 표수질 초과율을 분석한 것으로 관측값 초과율은 5.6 ~ 8.3%, 모의값은 3.0 ~ 6.3%로
나타나 분석대상개수가 더 많 은 모의값으로 분석한 초과율이 약간 더 낮게 산정되었다.
Table 7. Analysis of BOD excess rate observed and simulated value in Naesung stream watershed
BOD
|
2007
|
2008
|
2009
|
2010
|
O1) |
S2) |
O1) |
S2) |
O1) |
S2) |
O1) |
S2) |
Total Number
|
36
|
365
|
48
|
366
|
48
|
365
|
48
|
365
|
Number of Excessed Estimation
|
2
|
20
|
3
|
22
|
3
|
11
|
4
|
16
|
Excess rate(%)
|
5.6
|
5.5
|
6.3
|
6.0
|
6.3
|
3.0
|
8.3
|
4.4
|
금호C 단위유역의 총량제 1단계 계획수립 시 설정된 BOD 목표수질인 4.0 mg/L와 앞서 작성한 유량지속곡선을 활용하여 먼저 허용부하지속곡선을
도식화한 후, Fig. 10과 같이 실제 관측값과 HSPF 모형의 모의값을 부하량으로 유 도하여 부하지속곡선을 작성하였다. 관측부하량과 모형의 유달부하량의 R2값은 2007년
0.97, 2008년 0.89, 2009년 0.96, 2010년 0.93으로 높은 상관성을 보였다. Table 8는 관측값과 모의값을 이용하여 연도별 목표수질 초과율을 분 석한 것으로 관측값 초과율은 4.1 ~ 27.1%, 모의값은 2.7 ~ 8.2%로 산정되었으며,
특히 2007년과 2009년에 16.7 ~ 18.9%의 차이로 관측값을 이용한 초과율이 더 크게 산정되 었다. 이는 전술하였듯이 금호C의 유량구간별
수질 측정 빈도를 보면 저·갈수시에 편중되어 있는데 모의값은 전체 유량구간에 균등하게 분포되어 있기 때문에 이에 따른 영 향으로 판단된다.
Fig. 10. BOD Load Duration Curves in Geumho stream watershed (2007~2010).
Table 8. Analysis of BOD excess rate observed and simulated value in Geumho stream watershed
BOD
|
2007
|
2008
|
2009
|
2010
|
O1) |
S2) |
O1) |
S2) |
O1) |
S2) |
O1) |
S2) |
Total Number
|
36
|
365
|
47
|
366
|
48
|
365
|
48
|
365
|
Number of Excessed Estimation
|
7
|
10
|
6
|
15
|
13
|
30
|
4
|
10
|
Excess rate(%)
|
19.4
|
2.7
|
12.8
|
4.1
|
27.1
|
8.2
|
8.3
|
2.7
|
3.4. 점 및 비점오염배출량을 구분한 부하지속곡선
유량구간별 점 및 비점오염원의 배출특성을 알아보기 위 하여 비점오염배출량을 산정하였다. 산정방법은 보정 및 검 증이 완료된 HSPF 모형에 구축 시
입력된 점오염부하량 값을 “0”으로 입력한 후, 재구동하여 얻은 결과값을 이용하 였다. 이렇게 산정된 연도별 점 및 비점오염배출량을 부하 지속곡선과
같이 나타내기 위해 유량초과구간별로 정리하 여 도식화하였으며, 5개의 유량구간별 점 및 비점오염원 점유율을 함께 제시하였다.
Fig. 11은 내성천 유역에 대한 BOD 점 및 비점오염배출 량을 정량화한 후, 부하지속곡선과 같이 도식화하여 2007 ~ 2010까지 연도별로 나타낸 것이며,
강수량이 가장 많았던 2007년에 비점오염배출량 기여율이 5개의 유량구간 전체에 서 가장 크게 나타났다. 4개년 평균 각 유량구간별로 비점 오염기여율을
산정한 결과 홍수량 99.0%, 풍수량 87.7%, 평 수량 83.6%, 저수량 63.9%, 갈수량 51.9%로 나타났다. 저수 량과 갈수량시기에도
약 50% 정도의 높은 비점오염기여율 이 산정되었는데 본 연구에서 비점오염배출량을 계산하는 과정을 보면 비강우시 유출인 기저유출, 배경농도가 비점오
염원에 포함된다. 또한 내성천 유역은 점오염원이 적은 유역 이기 때문에 상대적으로 비점오염기여도가 높게 나타난 것 으로 판단된다.
Fig. 11. Analysis of point and non-point pollutant loads in Naesung stream watershed.
금호강 유역은 대규모 하수 및 폐수처리시설이 위치하 여 점오염원의 기여도가 큰 대표적인 도시·상업지역으로 서 처리장에서의 1일 총 방류량은 약 150만
m3이다. Fig. 12는 금호C 말단지점에서의 BOD 점 및 비점오염배출량 을 정량화한 후, 부하지속곡선과 같이 도식화하여 2007 ~ 2010년까지 연도별로 나타낸 그림으로
4개년 평균 각 유량 구간별 비점오염기여율은 홍수량 94.3%, 풍수량 54.7%, 평수 량 32.1%, 저수량 3.3%, 갈수량 1.9%로 나타났다.
한편, 점 오염원기여율을 보면 홍수량구간 0.8 ~ 7.7%, 풍수량구간 45.3%, 평수량, 저수량, 갈수량구간에는 67.9 ~ 98.2%로 홍수
량구간을 제외한 모든 유량구간에서 점오염원의 영향이 큰 것으로 나타났다. 특히, 강수량이 가장 많았던 2010년에 홍 수량구간의 점오염기여율이 가장
크게 나타났으며, 비점오염 기여율은 평수량구간에서 가장 크게 나타났다. 또한 강수량 이 가장 적었던 2008년의 배출량을 보면 타 연도와 비교했 을
때 홍수량과 풍수량구간에서 비점오염배출량에 대한 기 여율이 가장 크게 나타났으며, 평수량~저수량구간에서는 가장 작은 값으로 산정되었다. 이와 같이
강수량의 크기에 따라 비점배출량의 기여율이 비례하는 내성천 유역과는 달 리 금호강 유역은 강우특성에 따른 점·비점오염기여율의 일관 성을 찾을 수 없었다.
이는 강우에 의한 영향보다 인위적인 시설의 배출량에 따른 영향이 더 크기 때문으로 판단된다.
Fig. 12. Analysis of point and non-point pollutant loads in Guemho stream watershed.
3.5. 수질평가를 위한 부하지속곡선 해석
부하지속곡선은 전반적인 흐름 양상에 대하여 고찰할 수 있는 추가적인 이점을 제공한다. Fig. 13 ~ 14를 보면 내성 B, 금호C 단위유역에서 BOD에 대한 기준유량 조건으로 설정되어 있는 목표수질이 실제 연도별로 어느 유량구간에 대응되고 있는지를 알
수 있다. 제2단계 수질오염총량관리 제 목표수질과 기준유량을 곱하여 산정한 기준배출부하량 이 전체 유량구간 중 어느 구간에 위치하고 있는지를 확인
한 결과, 내성B 유역은 2007 ~ 2010년 모두 74.6 ~ 89.9%에 위치하여 저수량구간에 있음을 알 수 있었다. 이와 다르게 금호C 유역은
2007 ~ 2010년 모두 16.7 ~ 38.8%에 위치하 여 풍수량구간으로 나타났다.
Fig. 13. BOD standard flow condition using Load Duration Curves in Naesung stream watershed.
Fig. 14. BOD standard flow condition using Load Duration Curves in Geumho stream watershed.
이를 정리하면, 내성B에서 BOD는 2007 ~ 2010년 모두 저수량구간에 위치하고 있어 대상물질의 목표수질이 기준 유량시기에 적절하게 분포하고
있는 것으로 나타났으나, 금 호C는 풍수량구간에 위치하고 있었다. 이는 기준유량에 따 른 영향으로 금호C 단위유역의 저수기 기준유량은 제1단계 21.16
m3/sec, 제2단계 19.97 m3/sec로 제시되어 있으나 본 연구에서 2007 ~ 2010년의 총 4개년 간 모의한 일유량에서 의 평균 저수량은 10.8 m3/sec로서 기본계획 시 설정된 기준 유량과 비교해 보면 약 2배 정도의 차이를 보였기 때문에 이 에 따른 결과로 판단된다. 대구광역시 제1단계,
제2단계 기본 계획 수립 보고서를 보면, 영천댐 및 처리장 방류량 등 물수 지의 정량적인 고려로 인해 약 11.385 m3/sec의 증가분이 고 려되어 산정된 값이라고 제시되었는데, 제1단계 최종연도인 2010년의 성서수위관측소 일별 관측유량에서 저수량을 보면 11.3
m3/sec로 기준유량에 비해 약 2 ~ 2.3배 정도 적은 유량 을 나타내고 있다(Daegu-si, 2010; Gyeongsangbuk-do, 2010).
기준유량 설정 시 과거 10년간의 자료를 기반으로 분석 한 후, 추가계획을 고려하여 산정하고 있으며, 실제 단계별 총량제 시행성과를 분석할 때는 최종연도를
기준으로 평가 하고 있다. 금호C 단위유역의 경우, 기준유량이 실제 평가 대상년도인 2010년의 저수기 유량보다 약 2배 정도 많은 풍수기 유량으로
목표수질이 설정되었으며, 이를 곱하여 기 준배출부하량, 할당부하량 등을 산정하여 관리하여 온 것으 로 해석할 수 있다. 이는 타지자체와 비교하였을
때, 약 2 배 정도의 여유를 두고 시행되었다고 할 수 있으며, 형평 성에 어긋나는 사례이다.
이렇게 총량관련 계획의 각종 평가 시, 부하지속곡선을 활용하여 실제 평가 대상연도의 기준유량시기를 확인하는 검토과정이 필요할 것으로 판단된다.
4. Conclusion
본 연구에서는 일단위 유역모형의 결과값을 활용하여 유량 지속곡선과 부하지속곡선을 유도한 후, 연간유황변동, 유량구 간별 비점오염배출량 등의 분석을
통해 오염총량관리제도에 서 유역모형과 부하지속곡선의 적용방안에 대해 고찰하였다.
먼저 HSPF 모형의 보정 및 검증 결과를 보면, 유량과 수 질 모두 목적함수 산정을 통해 모의값에 대한 신뢰도를 수치 로 나타낸 결과, 전반적으로
적절히 모의된 것으로 나타났다. 이렇게 보정 및 검증이 완료된 일단위 모의값을 활용하여 유 량지속곡선 및 부하지속곡선을 작성한 후, 유량구간별 초과
율 분석을 수행함으로써 연간의 유황변동을 모두 반영한 범 위의 지속곡선을 통해 특정연도의 특정한 유황에서 나타나는 수질의 변동성을 해소한 평가가 가능하도록
하였다. 또한 본 연구의 대상유역인 내성천과 금호강의 유량구간별 점 및 비 점오염원의 배출량을 정량화한 결과, 내성천 유역은 연도별 강수량의 크기에
따라 비점배출량의 기여율이 비례하는 것으 로 나타났지만, 금호강 유역의 경우, 대규모 환경기초시설들 이 밀집해있어 강수특성에 따른 점 및 비점오염기여율의
일 관성을 찾을 수 없었으며, 풍수기에도 약 45%의 점오염기여 율을 나타내었다. 이렇게 유량구간별로 점 및 비점오염원의 배출특성을 확인함으로써 유역별로
적절한 관리방안을 제시 할 수 있다. 또한 부하지속곡선을 이용하여 저수기 기준유량 조건으로 설정되어 있는 BOD 목표수질이 실제 연도별로 어 느 유량구간에
대응되고 있는지 확인한 결과, 내성천은 4개 년(2007 ~ 2010) 모두 해당 유량구간인 저수량에 위치하고 있 었으나, 금호강의 경우 모두 풍수량구간에
위치하고 있었다. 이는 본 연구에서 모의된 유량보다 약 2배 정도 더 크게 산 정된 기준유량에 따른 영향으로 판단되며, 실제 총량제 평가 대상연도의
대상물질별 기준유량 시기의 확인이 가능하다.
현행 총량제에서 계속해서 제기되고 있는 목표수질 설정 방법과 평가방법의 이원화에 대한 문제, 2020년 기준 전체 배출부하량의 약 72%까지 증가할
것으로 예측(Kim, 2013) 되고 있는 비점오염원에 대한 관리를 실효성 있게 추진하 기 위해서는 현재 기준유량 조건의 관리체계에서 전체 유 량조건을 고려할 수 있는 시스템으로의
전환이 필요하며, 이를 위해서는 부하지속곡선의 적용이 현행 제도여건에서 가장 바람직한 차선책으로 판단된다.