2.1. 조사 대상 하천

강우 시 비점오염물질 유출특성 조사는 한강권역에 위치 하고 있는 신갈천(기흥저수지 유입 전), 지곡천(신갈천 합 류전), 탄천(동막천 합류 전), 마석우천(묵현천 합류전), 갈 매천(불암천 합류전), 한천(음성군과 이천시 경계지점), 백 봉천(청미천 합류전) 및 청미천(용천천 합류전)에서 수행하 였다(Table 1, Fig. 1). 조사대상 하천의 배출부하량은 2016 년 기준 전국오염원자료를 사용하여 수질오염총량관리기술 지침(^{NIER, 2014})에 따라 산정하였고 유역은 전체유역면적 중 수질오염총량관리기술지침에서 구분하고 있는 대지면적 비율(20 % 이상)과 인구밀도(2,000명/km²)를 기준으로 도시유 역 하천과 농촌유역 하천으로 구분하였다. 도시유역 하천은 유역 내 대지면적비율이 20 % 이상이고 인구밀도가 2,000명 /km² 이상인 유역으로 조사대상 하천 중 신갈천, 지곡천, 탄천, 마석우천이 포함되었고 청미천, 백봉천 한천은 농촌 유역 하천으로 구분되었다. 갈매천은 유역내 대지면적 비율 은 20 % 이상이나 인구밀도가 2,000명/km² 이하이나 대규 모 공동주택이 건설되었고 2017년 인구 유입이 있었을 것 으로 판단하여 도시유역하천으로 구분하였다. 이러한 상대 적인 개념의 유역 구분방법은 유역의 크기나 오염원의 규 모에 따라 달라질 수 있다는 불확실성이 존재하나 유역을 구분하는 정량화된 기준은 없기 때문에 본 연구에서 유역 특성에 따라 나타나는 강우 유출특성을 해석함에 있어 유 역구분에 따른 불확실성은 고려하지 않았다.

Fig. 1. The map of the study sites.

2.2. 수질 및 유량 조사방법

강우 시 시간별 연속조사는 2017년 7월부터 12월까지 선 행 무강우 일수가 3일 이상인 강우사상을 대상으로 하천별 로 2 ~ 3회 수행하였다(Table 2). 강우 시 유출특성 조사를 위한 시료채수와 유량측정은 유출초기(유출시작 후 ~ 2시간) 에는 15 ~ 30분 간격으로, 2시간 ~ 4시간 사이는 30분 간격, 이후부터 1시간 간격으로 유량 혹은 탁도가 강우유출 전 시점과 유사해 지는 시점까지 조사하였다. 유량은 일정구간 을 구획하여 구간별 유속(유속계 이용)을 측정하고, 대상지 점에서의 하상단면(수심, 하폭)을 작성하여 실측된 유속과 하상단면 값을 곱하여 산정하였다. 수질조사항목은 BOD, COD_Mn, T-N, T-P 및 SS를 대상으로 하였으며 수질오염공 정시험기준에 따라 분석하였다(^{ME, 2014}).

2.3. 유출 특성 비교

도시와 농촌유역으로 구분된 하천에서의 강우 시 유출특 성은 유량가중평균농도(EMC)(식 (1)), 강우유출시점부터 초 기강우로 정의되는 유출시점까지의 시간, 초기강우의 세기 그리고 초기강우로 정의된 시간동안에 유출된 총 누적오염 물질 양을 통해 비교하였다. 초기강우는 양적인 측면에서 강 우 시 총 유출유량 혹은 오염물질의 양 중 초기 기간에 유 출되는 유량이나 오염물질의 양 또는 유출시간에 따른 오 염물질의 누적 유출량과 유량비의 비율 곡선에서 이등분석 과 최대로 벌어지는 부분을 나타내는 시간으로 정의되고 있 다(^{Bertrand-Krajewski et al., 1998}; ^{Deletric and Mashsimivic, 1998}; ^{Saget and Chebbo, 1995}). 본 연구에서 초기강우는 오염물질 누적유출량의 비 와 유량비의 비율 곡선(식 (2)) 에서 이등분석과 최대로 벌어지는 부분을 나타내는 시점까 지의 시간 개념으로 정의하였고 초기강우 시간(First flush time)로 표현하였다. 초기세척효과의 세기는 오염물질의 누 적 유출량의 비와 유량비의 차이(Mass rate-Volume rate)를 통해 비교하였고 0.2 이상이면 초기세척효과가 강한 것으로 판단하였다(^{Gupta and Saul, 1996}). 초기강우에 포함되어 유출되는 오염물질의 양은 초기세척비율(Mass first flush ratio, MFFn)로 표현하였고, 초기세척비율의 n은 강우지속 시간 동안 총 유출량에 대한 일정시점에서의 누적유출량의 비율로서 본 연구에서는 강우 시 총 유출유량 중 초기강우 시간까지 유출된 유량의 비로 하였다.

여기서 M과 V는 강우유출 종료 시까지 유출된 오염물질 총 배출량과 유출유량이며, m_t과 v_t는 t시간까지 유출된 오 염물질과 유출유량의 누적량이다.

유역특성에 따른 강우 유출특성의 재현성은 유역특성이 유 사한 하천에서의 초기강우시간과 초기세척효과의 평균값에 표준편차의 비(Coefficient of variation, CV)를 이용하였다.

2.4. 통계분석

유역특성에 따른 강우 시 유량가중평균농도, 초기강우시 간 및 세기의 비교는 unpaired t-test를, 강우 전·후에 강우 유출특성은 one-way ANOVA를 이용해 비교하였고(SPSS 14.0) 유역특성과 초기유출특성과의 상관성 분석은 Person’s correlation analysis (sigmaplot 10.0)를 통해 분석하였다. 통 계적 유의수준은 p≤0.05를 기준으로 하였다.

3.1. 강우 시 수질변화

강우 시 도시 및 농촌유역 하천 모두에서 강우 전과 비교 해 BOD, COD, TP 및 SS 유량가중평균 농도는 현저히 증 가하였고(p≤0.05) 농촌유역의 하천에서 COD, TN, TP 및 SS 유량가중평균농도가 도시유역하천과 비교해 높았으나 유역특성에 따른 유의적인 차이는 없었다(p > 0.05)(Fig. 2). BOD 유량가중평균농도는 도시유역 하천인 신갈천에서 6.9 ~ 76.1범위로 가장 높았고 COD, TN, TP 및 SS농도는 농 촌유역 하천인 한천에서 가장 높았으나 원단위를 통해 산 정된 유역 내 오염물질의 배출부하량과의 유의적인 상관성 이 없었고 동일한 하천에서도 시기에 따라 유량가중 평균 농도의 큰 차이를 보여 유역특성에 따른 차이는 없었다(p > 0.05)(Fig. 3, Table 3). 강우 시 하천 수질변화는 유역 내 분포하고 오염물질의 양에 비례하나 동일하천이라 하더라 도 유량을 결정하는 강우량 그리고 유출속도와 관련된 강 우강도 등의 강우 특성과 수용수체의 환경용량에 따라 넓 은 범위의 변화를 나타낼 수 있다(^{Kim et al., 2009}). 또한 동일지목이라 하더라도 유역 활동 정도에 따라 배출되는 오염물질의 양이 달라질 수 있음에도 환경기초시설을 제외 한 대부분의 배출원이 법적기준이나 원단위 등을 사용하여 산정되기 때문에(^{NIER, 2014}) 토지이용형태에 따른 배출부 하량이 과대과소평가 될 수 있다. 그러나 유역특성별로 유 량가중평균농도의 차이는 없다하더라도 유역 내 분포하고 있는 오염원에 따라 배출되는 오염물질의 종류와 양의 차 이가 있기 때문에(^{NIER, 2014}) 강우전과 비교해 강우 시 하천에서 재현되는 오염물질별 변화는 유역특성에 따라 차 이가 있을 수 있다.

Fig. 2. Comparison of EMC and TN/TP before and after rainfall-runoff at streams in urban and rural watershed. a, b indicates significant difference.

Fig. 3. The event mean concentration and discharge load at study sites.

유역특성이 상이한 하천에서 강우 전 과 강우 시 수질변 화는 농촌유역 하천과 비교해 도시유역의 하천에서 유기물 과 SS 오염도의 증가가 상대적으로 높은 반면 농촌유역의 하천에서는 총인농도의 오염도가 증가하는 유출특성을 보 였다. 강우 시 SS 농도는 농촌유역하천에서 높았으나 강우 전 농도 대비 증가수준은 강우 전 SS농도가 상대적으로 낮 았던 도시유역 하천(6.9 mg/L)에서 약 40배 증가하여 농촌 유역 하천(15.8 mg/L)에 비해 높았다. 도시유역 하천에서 강우 시 유기물의 유량가중평균농도는 강우 전 과 비교해 BOD, COD농도는 각각 5.2배, 3.8배 증가한 반면 농촌유역 하천에서의 증가율은 BOD 3.1배, COD 3.6배로 도시유역 하천과 비교해 낮았다. 농촌유역과 비교해 도시유역의 하천 에서 강우 전 BOD/COD비는 0.68에서 강우 시 0.94로 증 가하여 상대적으로 생분해성 형태의 유기물량이 많이 유입 되는 것으로 조사되었다. 강우 시 도시유역에서 유출되는 유기물의 존재형태는 발생원에 따라 차이가 있는 것으로 보고되고 있으며 도로, 주차장 그리고 공공하수처리시설 방 류수에는 난분해성유기물의 비율이 높은 반면(^{Go et al., 2009}; ^{Jung, Park et al., 2009}) CSOs등을 통해 배출되는 하수에는 상대적으로 처리 전 오수의 유출이 많은 경우 생 분해성유기물의 비율이 높아질 수 있다. 따라서 본 연구에 서 나타난 도시지역에서 강우 시 생분해성유기물의 증가는 CSOs 등과 같은 미처리 오수의 유입과 관련이 있을 것으 로 짐작할 수 있다.

농촌유역의 하천에서는 도시유역의 하천과 비교해 강우 시 유기물 농도 증가는 낮았으나 총인 농도는 강우 전 농 도와 비교해 5.2배 증가하여 도시유역 하천(4.1)과 비교해 많은 양의 인이 유입되고 있는 것으로 조사되었다. 농촌유 역에서 강우 시 인(P)은 토양과 결합된 형태로 이동하며 배출되는 인의 양은 퇴비보다는 화학비료의 사용량이 많은 경우 강우 시 높은 농도를 보이는 것으로 알려져 있다 (^{Choi et al., 2009}; ^{Lee et al., 2008}; ^{Won et al., 2009}). 강 우 시 도시 및 농촌유역 하천에서 나타난 유기물 및 TP농 도의 뚜렷한 증가와 달리 총 질소 농도는 강우 전과 비교 해 강우 시 유량가중평균농도의 큰 차이는 없었고(p = 0.752) TN/TP비는 유사한 수준으로 감소하였다(p = 0.304). 이는 유역특성과 상관없이 강우 시 비점오염원으로부터 질 소에 비해 상대적으로 많은 인이 유출되며, 유입하천 하류 에 정체수역이 위치하고 있는 경우 수체 내 영양염 조건이 조류 성장에 유리한 환경으로 개선되어 내부생성유기물이 증가할 수 있음을 의미한다.

3.2. 초기 강우 유출특성

강우 시 불투수층 유역의 출구지점에서 나타나는 수문곡 선과 오염물질의 시간적 변화는 투수층 유역과 비교해 첨두 유량 전에 많은 오염물질이 유출되는 것으로 알려져 있으며 (^{Bertrand-Krajewski et al., 1998}; ^{Kim et al., 2009}, ^{Torben et al., 1998}), 본 연구에서도 초기강우시간(First flush time) 은 도시유역 하천에서 빠른 시간 내 나타났다(Fig. 4a). 조 사항목별 초기강우시간은 도시와 농촌유역 하천에서 큰 차 이는 없었으나(p≥0.289) 도시유역 하천이 평균 165 ~ 179 분으로 농촌유역 하천(184 ~ 264분)과 비교해 빨랐으며 조 사항목별 유역간의 초기강우시간 차이는 TN (p = 0.289)에 서 가장 컸고 SS (p = 0.315), COD (p = 0.529), TP (p = 0.677) 그리고 BOD (p = 0.891) 순으로 나타났다. 도로 및 대지 등 불투수 지역에서는 강우 유출계수가 농경지와 같 은 투수지역에 비해 높아 강우강도에 따라 차이가 있으나 초기강우 시간은 빠른 것으로 알려져 있다(^{Kim and Lee, 2005}; ^{Kim et al., 2004}; ^{Oh et al., 2010}). ^{Kim and Lee (2005)}는 주차장 및 교량구간에서의 중금속 오염물질이 15 ~ 30분 내에 급격히 유출되는 것을 보고하였고, ^{Kim et al. (2004)}은 3.7 ~ 11.8 mm/hr의 강우강도 범위에서 SS 총 유 출량의 80 %가 15 ~ 23분내 유출되며 강우강도가 증가할수 록 시간이 짧아짐을 보고한바 있다. 또한, ^{Kim and Oh (2011)}은 불투수 면적이 넓은 공단이나 도심유역의 하천에 서 강우 시 오염물질의 첨두농도가 재현되는 시간이 1 ~ 3 시간 범위로 농촌지역의 하천(5 ~ 9시간)과 비교해 빠르게 나타남을 제시하였다.

Fig. 4. Comparison of (a) first flush time and (b) the difference of cumulative mass and volume at streams in urban and rural watershed.

강우 시 초기세척효과의 세기는 토지이용형태와 면적, 강 우강도, 강우지속시간, 토지이용현황 및 선행무강우일수 등 다양한 영향을 받고 수질항목에 따라서도 다른 경향을 나 타내는 것으로 알려져 있다(^{Deletic, 1998}). 본 연구에서 수 질항목별로 차이는 있으나 도시유역하천에서는 강한 초기 세척효과가 나타난 반면 농촌유역 하천에서는 유출시간에 따른 부하량비와 유량비의 차이(Mass rate-Volume rate)가 0.2를 넘지 않아 초기세척효과의 세기가 약한 것으로 조사 되었다(Fig. 4b). 도시와 농촌유역 하천에서 초기세척효과의 가장 큰 차이는 초기유출시간이 가장 유사하였던 BOD에서 나타났으며(p = 0.078), COD, TP순으로 조사되었다. 도시하 천에서 초기 강우에 포함되어 유출되는 BOD (MFF₅₃ = 1.5), COD (MFF₄₉ = 1.4), TP (MFF₅₂ = 1.4)양은 64 ~ 70 %로 농 촌하천(51 ~ 58 %)과 비교해 상대적으로 많았던 반면 TN (MFF₆₁ = 1.1)는 농촌하천이 67 %로 도시하천(54 %)에 비해 많았고, SS는 농촌하천(MFF₅₅ = 1.3)과 도시하천(MFF₅₃ = 1.4)이 각각 70 %, 68 %로 유사하였다(Table 4). 강우 시 하천에서의 초기강우 시간과 세기는 유역면적에 의존하여 유역면적이 넓을수록 초기강우시간은 지연되었으며 초기세 척효과의 세기는 약해지는 것으로 나타났다(Fig. 5, 6). 유 역규모와 초기강우속도 및 세기의 유의적인 관계는 강우 시 유역에서 유출되는 유출수와 유출수에 포함되어 이동하 는 오염물질의 양이 하천으로 유입된 후 이동거리, 강우 전 하천의 수질 및 유량조건 등의 영향을 크게 받을 수 있 음을 의미한다(^{Kim et al., 2009}).

Fig. 5. The relationship between watershed area and first flush time.

Fig. 6. The relationship between watershed area and the difference of cumulative mass and volume.

유사한 유역특성을 가지나 유역 및 하천의 규모와 강우 등이 상이한 하천들에서 나타난 초기강우시간 및 세기의 변화정도는 유출특성의 재현성을 의미하며, 농촌유역 하천 과 비교해 도시유역 하천에서 초기유출시간과 초기세척효 과 세기의 변동계수가 상대적으로 적어 도시유역 하천에의 재현성이 높은 것으로 조사되었다(Fig. 7). 도시유역 하천에 서 초기강우세기의 변동계수는 0.58 (BOD) ~ 0.75 (TN) 범 위로 비교적 차이가 크게 나타났으나 초기강우시간 변동계 수는 0.36 (BOD) ~ 0.41 (TP, SS)로 초기강우 시간에 대한 재현성이 높게 나타났으며 항목별 초기강우시간에 대한 재 현성은 모든 항목에서 높게 나타났다. 반면 농촌유역 하천 에서 초기강우시간의 변동계수(Coefficient of Variation, CV) 범위는 0.37 (TP) ~ 0.76 (TN)로 초기강우 세기의 변화 (0.53, SS ~ 0.90, BOD)보다 상대적으로 적었고 항목별 초 기강우시간의 재현성은 TP항목에서 상대적으로 높게 나타 났다.

Fig. 7. Comparison of the CV value of cumulative (mass-volume) and first flush time at streams in urban and rural watershed.