2.1. 조사 지점 및 시료채취

Fig. 1에 나타난 바와 같이 수영강은 도시형 하천으로 주 변의 수로를 통한 하수 등의 유입으로 인한 오염물질의 유 출 영향이 예상 되는 지점을 조사지점으로 선정하였다. 특 히 수영강의 경우 만조 시 해수의 영향을 받으므로 해수 유입에 의한 영향을 최대한 적게 받으며 갈수기에도 유량 이 일정한 지점을 선정하였다. 강우 시 하천조사는 2013년 8월부터 현재까지 수영강 세월교 지점에서 24시간 연속 채 수 및 선행강우를 고려하여 채수를 수행하고 유량의 변화 와 수질 특성 변화를 분석하였다. 본 연구는 2013년 8월부 터 2015년 12월까지의 시료를 이용한 결과이며, 강우 발생 시의 시료는 2 L 무균 채수병을 사용하여 하천수를 채집하 는 방식으로 수행하였다.

Fig. 1. Sampling points for storm runoff in the Suyeong River.

2.2. 유량 및 수질분석

강우 발생 시 강우 발생 전과 강우발생 후 1시간 이하의 간격으로 강우에 의한 수질과 유량 변화 특성을 조사하였 다. 시료 채취는 강우 발생 직후부터 초기 2시간은 30분 간격으로 채취하였으며, 2시간 이후부터는 1 ~ 4시간 간격 으로 채취하여 수질 분석을 실시하였다. 하천유량은 유속- 면적법(Velocity-Area method)을 사용하였으며 유속은 유속 계(Valeport, Model BFM001)를 이용하여 하여 측정하였다. 하천 면적의 계산을 위하여 흐름 단면을 여러 개의 소단면 으로 분할하고 각 소단면의 유량을 구한 후 이들을 합하여 결정하였다. 유황이 일정하고 하상의 상태가 고른 지점을 선정하여 물이 흐르는 방향과 직각이 되도록 하천의 양끝 을 고정하고 등간격으로 측정점을 정하였다. 수질 실험은 수질오염공정시험법과 Standard methods (^{APHA, AWWA, WEF, 2012})에 준하는 방법으로 진행하였으며 그 방법은 Table 1에 나타내었다.

2.3. 유량가중평균농도 (EMCs)

유량가중평균농도(EMC)는 비점오염원에서 전체적인 오 염부하량과 오염부하원단위를 산정하는데 기본적으로 중요 한 인자이다. 강우 유출수는 강우사상에 따라 유출유량과 농도의 변화가 민감하게 나타나기 때문에 강우 초기 때의 빈번하게 채수한 강우유출수의 오염물질농도와 측정한 유 량이 함께 고려되어야 한다. EMC는 강우사상동안 배출되 는 오염물질의 총질량에 강우사상동안 배출되는 강우유출 수의 총부피로 나누어 강우유출 조사방법(^{NIER, 2009})에서 제시한 식 (1)을 이용하여 계산할 수 있다.

여기서 t는 유출시점으로 부터의 경과시간, Q_t는 시간 t에서 의 유출유량(m³/s), C_t는 시간 t에서의 오염물질 농도(mg/L) 이다(^{Charbeneau and Barrett, 1998}; ^{Sansalone et al., 1997}). EMC는 전체 강우 지속시간 동안 유출된 전체누적 오염물질의 양을 전체누적유출량으로 나누어 계산되며, 비 점오염원 연구에서의 평균농도 산정 시 중요하게 이용되고 있다(^{Choi, 2012}).

비점오염원은 점오염원과는 다른 유출수의 농도 및 강우 유출율을 가지고 있기 때문에 정확한 부하량 산정을 위해 서는 강우 시 많은 모니터링 자료(강우량, 유출율 및 농도 등)를 이용하여 유량가중평균농도(EMC)를 통해 평균농도 를 산정해야한다(^{Irish et al., 1998}; ^{Marsalek, 1978}).

3.1. 강우 현황 및 강우 사상

강우 시 하천조사는 2013년 8월부터 현재까지 수영강 세 월교 지점에서 채수를 수행하고 이를 분석하였다. 본 연구 는 2013년 8월부터 2015년 12월까지의 시료를 이용한 결 과이며, 강우 발생 직전과 강우 발생 후 1시간 이하의 간 격으로 강우에 의한 수질특성 변화를 분석하였다(Table 2). 강우특성(강우량, 선행강우일수)은 비점오염의 유출에 크게 영향을 미치는 인자이기 때문에 강우 시 하천조사 기간 동 안 수영강 인근 해운대 관측소의 강수량 자료를 이용하여 Table 3 나타내었다.

2013년의 강우사상은 event 1, 2의 강우량은 23.0 ~ 47.5 mm의 강우 분포를 보였다. 2013년 7 ~ 8월 동안 경상도 일 부지역과 제주도에 강수 부족에 따른 가뭄 현상이 발생하 였으며(^{KMA, 2013, Extreme Weather Report}), 부산지역 또 한 마른장마로 8월 조사 1달 전 강수량은 총 9.0 mm에 불 과하였다. 2014년의 경우(event 3 ~ 6)은 26.0 ~ 55.5 mm의 강우 분포를 보였다. 2014년의 경우 선행강우가 잦았으며, 8월 중 2차례 이상 200 mm 이상의 폭우로 인하여 온천천 강변도로와 수영강의 강변도로가 침수되었다. 2015년의 경 우(event 7 ~ 10)은 26.0 ~ 52.5 mm의 강우 분포를 보였다.

또한 조사기간 중 발생한 강우사상을 국립환경과학원의 강우유출수 조사방법에 따라 4개의 강우계급(rainfall≤10 mm, 10 mm < rainfall≤30 mm, 30 mm < rainfall≤50 mm, 50 mm < rainfall)으로 구분하였다(Table 4).

3.2. 강우에 의한 유출특성

강우사상에 따른 하천유량변화를 나타내기 위하여 수영 강의 강우량과 유량에 대하여 회귀분석을 실시하였으며, 이 에 대한 결과를 Fig. 2에 나타내었다. ^{Choi et al. (2009)}에 의하면 강우 시 오염물질의 유출특성을 파악하기 위해 시 간에 따른 유입수의 농도 변화에 따라 오염물질 농도 곡선 의 형태는 크게 이러한 3가지 형태로 나타난다 하였다. a 와 b형은 강우초기에 농도가 점차 증가하다 감소하는 특성 을 나타낸 곡선이고 c형은 초기강우현상을 나타내며, d형은 유량의 변화와 관계없이 농도가 무작위하게 유출되는 형태 라 하였다. 이러한 4가지 형태에 따라 오염물질 항복별로 유입수의 농도 곡선 특성에 따라 본 연구의 event 중 앞서 열거한 event 1, 5, 6, 10을 수영강 유역의 강우유출 특성 을 대표적으로 나타낼 수 있는 강우 사상으로 선정하였다. 각 event 별 특성은 다음과 같다. Event 1은 선행 무강우 일수가 10일 이상이며, Event 5에서는 24시간 동안 강우의 증감이 나타났다. Event 6은 장기간의 강우가 지속되었으 며, Event 10은 수영강의 조수간만 현상에 영항을 받은 강 우사상으로 그래프에서 조수간만의 형상을 확인할 수 있다. 총 10회 Event 중 앞서 열거한 Event 1, 5, 6, 10을 수영강 유역의 강우유출 특성을 대표적으로 나타낼 수 있는 대표 강우사상으로 선정하였다.

Fig. 2. Characteristics of flowrate according to precipitation type.

수영강(세월교)의 유량 변화를 강우지속시간과 강우사상 별로 Fig. 3에 나타내었다. Event 1의 경우 강우 직전 유량 은 4.9 m³/s이었으며, 강우 직후 유량은 6.6 m³/s, 강우 지속 시간이 1시간이 지난 뒤 10.6 m³/s로 증가하였다. 수영만 하구에 위치한 수영강은 조수간만의 차에 의한 영향으로 강우 지속시간의 영향 없이 유량의 증·감 변화가 나타났다. Event 5의 경우 강우직전 유량이 2.7 m³/s이었으며, 강우 지속 5시간 후 3.3 m³/s까지 증가하였으며, 강수량의 변화와 관계없이 유량의 증·감 변화는 반복적으로 나타났다. Event 6 수영강의 경우 강우직전 유량이 1.9 m³/s이었으며, 강우 지속 9시간 후 3.3 m³/s까지 증가하였다. 강수량의 변화와 관계없이 유량의 증·감 변화는 반복적으로 나타났다. Event 10 수영강의 경우 강우직전 유량이 2.2 m³/s이었으며, 강우 가 지속되고 강수량이 증가하였으나 유량은 0.57 m³/s까지 감소하였다. 이후 강수량이 감소하면서 유량은 점차 증가하 여 4.6 m³/s까지 증가하였다. 강우가 지속 되고 강수량이 증 가하였으나 유량은 감소하는 경향이 보였다. 이는, 해양의 영향을 받는 수영강은 조수간만의 차에 의한 영향으로 강 우지속시간의 영향 없이 유량의 증·감 변화가 나타났다고 판단된다.

Fig. 3. Flowrate variation with according to rainfall duration in the Suyeong River.

일반적으로 하천 유량변화는 강우에 대한 유역의 반응결 과이며, 강우에 대한 수질응답은 수질 항목에 따라 강우 후 농도변화 양상이 서로 다르게 나타난다. 특히 비점오염 원의 유출특성은 강우강도, 선행강우 효과, 강우지속시간, 유출량, 유출률 등과 같은 다양한 인자들의 상호영향을 받 는다(^{Kim et al., 2003}; ^{Myers et al., 1985}; ^{Oh et al., 2004}).

Fig. 4은 강우 시 하천의 유기물 농도의 변화를 나타내었 다. Event 1의 경우 BOD의 경우 강우 직전에는 3.5 mg/L 로 낮은 농도를 보였으나, 강우 직후 BOD 농도가 급격히 증가하였으며, 강우 30분 이후부터는 BOD 농도는 점점 감 소하였으며, 4.1 ~ 16.5 mg/L의 높은 농도범위를 보였다. COD의 경우 강우 직전 26.4 mg/L로 다소 높은 COD 농도 를 보였으며, 강우 직후 급격히 상승하여 68.5 mg/L의 농도 로 나타났다. TOC는 강우 직전 3.1 mg/L 농도로 나타났으며, 강우 직후에는 6.3 mg/L로 약 2배가량 증가하였다. Event 1 의 경우 선행 무강우 일수가 17일 이상이었으며 초기강우 에 의한 유출효과(first flush effect)의 영향에 의하여 초기 강우에 유기물의 유출농도가 높게 나타났다. 강우 초기 강 우유출에 의한 농도 변화는 하천주변의 시가지로부터 유입 된 오염물질에 기인한 것으로 판단된다. ^{Choi (2012)}는 초 기 강우유출수에는 고농도의 유기물질과 각종 독성물질이 포함되어 있어 물고기 집단폐사 등 하천 생태계 파괴와 수 질오염의 원인이 될 수 있으며, 비점오염처리시설 설치 시 중요한 인자로 분석된다고 하였다.

Fig. 4. Changes of BOD, COD, and TOC concentration according to rainfall duration in the Suyeong River.

Event 5와 경우 BOD, COD, TOC 농도는 강우의 발생과 소강상태가 반복적으로 나타남에 따라 농도 역시 증·감을 반복하였다. 또한 event 6의 경우 초기강우에는 유기물의 농도 변화가 없었으나 강우가 급격히 증가 후 농도 변화가 나타났으며 이후 강우가 소강상태에 접어들면서 농도 또한 감소하였다. Event 6의 경우 선행무강우일수가 3일 이었으 며, 초기강우에 의한 유출효과는 나타나지 않았다. Event 10의 경우 BOD 농도는 강우 직후 4.6 ~ 5.5 mg/L 농도를 유지하였다. COD의 경우 강우 발생 2시간 후 18.1 mg/L까 지 증가하였다. 이후 COD 농도는 강우 지속 6시간 후 34.0 mg/L까지 급격히 증가 후 강수량이 감소하였다. TOC 는 강우 직후 4.2 mg/L의 농도를 나타냈으나 강우가 지속 되고 강수량이 증가하면서 TOC 농도는 급격히 증가하여 6.4 mg/L의 농도를 보였다.

^{Han et al. (2014)}의 연구에 의하면 오염부하량의 시간적 특성도 최대 유량을 보이는 시기에 BOD, COD 등 유기물 질 및 SS와 TN 모두 연중 가장 높은 값을 나타냈으며, 이 는 강우와 함께 발생되는 합류식 관거 유출수의 유입과 runoff에 의해 유출되는 비점오염원의 영향이라 하였다. ^{Oh et al. (2009)}의 연구에 의하면 DOC 농도가 수위 증감곡선 을 따라 수위 상승기에는 증가하다가 수위가 낮아지는 단 계에서 일정하게 감소하였다. 이러한 유기물 농도의 증감 양상은 SS와 탁도를 포함한 BOD, COD 및 TOC 등 모든 유기물 농도 항목에서 유사하게 관찰되었다. 이러한 현상은 수위 상승기에 증가된 유기물이 강우에 의해 하천에 새롭 게 유입된 성분이며, 집중 강우 시 하천에의 유입 유량이 많을수록 유입 유기물 성분의 농도도 높아짐을 제시한다(^{Li et al., 2003}; ^{Li et al., 2005}). 비점오염물질의 유출특성 중 의 하나는 초기 강우 시 오염물질의 유출이며, 오염물질의 유하거리 및 속도에 따라 오염물질의 농도 변화가 일어나 고(^{Jang and Park, 2005}), 강우 유출수의 수질변동은 입자 성 물질에 기인한 것으로 이들 입자성 물질의 대부분은 비 점 오염원에서 유입된 것으로 알려져 있다(^{Ichiki and Yamada, 1999}; ^{Pegram et al., 1999}).

강우 시 TN, TP 농도 변화는 Fig. 5에 나타내었다. Event 1의 TN 농도는 6.5 ~ 10.7 mg/L의 농도범위를 보였으며, 강 우 시에 비강우시보다 높은 TN 농도를 보였다. 대체적으로 수영강의 TN 농도는 높은 농도에서 분포하였다. TP 농도 는 강우 직전 0.30 mg/L에서 강우 직후 2.60 mg/L로 증가 하였으며, 이후 강우 농도 범위에서 증감을 반복하였다.

Fig. 5. Changes of TN and TP concentration according to rainfall duration in the Suyeong River.

Event 5의 경우 강우 초기 TN 농도는 8.3 mg/L이었으나 강우가 지속될수록 8.0 ~ 10.3 mg/L의 농도범위에서 증가와 감소를 반복하였다. TP 농도는 강우 직전 0.16 mg/L의 농 도를 보였으며 강우가 지속 되면서 0.20 ~ 0.35 mg/L의 농 도 범위에서 증가와 감소가 반복되었다. Event 6의 경우 TN의 농도는 2.4 ~ 3.1 mg/L의 범위에서 증·감을 반복하였 다. 강우지속 9시간 후 4.2 mg/L로 급격히 증가하였다가 점 차 감소하였다. TP 농도는 강우 직전 농도는 0.14 mg/L이 었으며, 0.12 ~ 0.16 mg/L의 범위에서 증·감을 반복하였다. 강우 지속 10시간 후 0.64 mg/L까지 증가하였다가 점차 감 소하였다. Event 10의 경우 강우 직후 TN의 농도는 10.4 mg/L이었으며, 강우 발생 4시간 후 강수량은 급격히 증가 하였으나 TN 농도는 6.9 mg/L까지 감소하였다. 이후 강수 량은 점차 감소하였으나 TN의 농도는 12.1 mg/L까지 급격 히 증가 후 점차 감소하는 경향을 보였다. TP 농도는 강우 직후 0.38 mg/L 값을 보였으나 강우가 지속되면서 강우 발 생 5시간 후 강수량이 증가 하지만 TP 농도는 0.15 mg/L까 지 감소하였다. 이후 강수량은 점차 감소하였으나 TP의 농 도는 0.98 mg/L까지 급격히 증가 후 감소하는 경향을 보였 다. ^{Novotny and Olem (1994)}에 의하면 영양염류의 경우 하천수질에 미치는 영향은 강우 시의 농도의 증·감 보다는 강우에 의한 총 부하량의 증가가 중요하다고 하였다. 일반 적으로 NH₄⁺-H가 물속에 유입되면 질산화작용(Nitrification) 에 의해 NO₂-N의 형태로 변하며 점차적으로 NO₃-N로 변 하므로 새로운 오염물질의 유입이 없을 경우 TN의 농도 변화는 일어나지 않는다(^{Chow et al., 1981}; ^{Quilbé et al., 2006}).

Fig. 6은 탁도와 총부유물질(TSS) 농도를 나타낸 것으로, Event 1의 경우 초기 강우 30분 후 탁도는 132 NTU까지 급 격히 증가하였다. 이는 강우 초기 하천의 세척작용(flush)에 의한 것이라 판단된다. 탁도의 변화는 강우량과 강우 지속 시간에 따라 나타났으며 일반적으로 11.7 ~ 33.0 NTU의 범 위로 나타났다. TSS의 경우 강우 직후에 높은 농도를 보였 으며, 그 이후에는 강우 60분 후부터는 비슷한 TSS 농도 분포를 보였다. 이는 강우 직후 각 하수관거와 하천의 건 조부위 에 퇴적되어 있는 부유물질이 적은 강우에도 하천 으로 유입된 것으로 판단된다. 수영강의 경우 특정 시간대 에 강우가 없이도 부유물질이 증가하였는데, 이는 조수간만 의 차에 의하여 유량이 증가하면서 나타난 현상으로 판단 된다.

Fig. 6. Changes of turbidity and TSS concentration according to rainfall duration in the Suyeong River.

Event 5의 경우 강우 직후 탁도 변화는 크게 나타나지 않 았다. 강우 직후 탁도는 8.0 ~ 23.7 NTU 범위로 나타났다. 강우량의 변화에 따라 TSS의 농도는 증감을 반복하였으며, 농도변화 범위는 17.0 ~ 25.0 mg/L의 농도를 보였다. 강우 지속 15시간 후 하수가 유입되면서 지속되는 강우에 유량 이 증가하면서 관거 및 하천의 건조부에 퇴적되어 있던 부 유물질이 한꺼번에 하천으로 유입되어 농도가 높게 나타난 것으로 판단된다. Event 6의 경우 강우 직후 탁도는 9.2 ~ 10.2 NTU 범위로 나타났으며, 강우 지속 10시간 후 48.4 NTU로 증가하였으나 강우량이 감소하면서 탁도 농도는 점 차 감소하였다. TSS 농도는 10.5 mg/L로 나타났으며, 강우 지속 10시간 후 91.5 mg/L까지 증가하였다. 강우량이 감소 하면서 TSS 농도가 점차 감소하였다. 농도변화 범위는 19 ~ 75 mg/L의 농도를 보였다. Event 10은 강우 발생 5시간 동안 탁도의 변화는 크게 나타나지 않았다. 강우 발생 직 후 탁도는 4.6 ~ 10.2 NTU의 낮은 범위에서 증·감을 반복하 였으며, 강수량이 급격히 증가한 이후 탁도는 50.3 NTU까 지 증가하였다. 강우발생 직후 6.7 ~ 17.3 mg/L의 범위에서 증·감의 변화를 나타내다 강우 지속 5시간 후 강수량이 급 격히 증가 후 점차 감소하면서 TSS는 77.0 mg/L로 급격히 증가하였다. 이후 강수량은 점차 감소하였으나 90.3 mg/L까 지 증가 후 점차 감소하였다.

Fig. 6에서 나타난 바와 같이 강우지속시간 동안 탁도와 TSS의 농도변화는 매우 유사하게 나타났다. 따라서 탁도의 측정은 현장에서 즉시 가능하고 TSS의 측정은 시료를 실 험실로 운반 후 수 시간이 소요되는 것을 비교할 때 향후 강우유출에 의한 하천수질 중 부유입자상 물질의 측정시 TSS 보다는 탁도의 측정이 매우 유용하리라 판단된다. 또 한, Event 1, 5, 6, 10의 탁도와 TSS의 농도의 변화를 보면 강우 패턴에 따라 탁도와 TSS의 최고 농도 도달이 각각 뚜렷한 것을 알 수 있다.

3.3. 유량가중평균농도(EMCs) 분석

유량가중평균농도(EMC)는 비점오염원에서 전체적인 오 염부하량과 오염부하원단위를 산정하는데 기본적으로 중요 한 인자이다. 이러한 일반화 된 EMC는 향후 비점오염저감 시설 설계부하량 산정 시 중요하게 고려되어 식 (1)을 통해 EMC 값을 산정하여 Fig. 7에 나타내었다. 식 (1)을 이용하 여 각 오염물질의 농도와 하천유량을 이용하여 EMC를 산 정한 결과 수영강의 경우 EMC는 BOD 0.16 ~ 13.9 mg/L, COD 1.3 ~ 14.0 mg/L, TOC 0.15 ~ 3.8 mg/L, TSS 14.3 ~ 60.7 mg/L, TN 3.1 ~ 30.2 mg/L, TP 0.11 ~ 0.57 mg/L의 농도범위 를 나타났다. 강우강도가 클수록 토양 내 오염물질을 누출 시켜 유출될 수 있게 하므로 순강 강우강도가 높은 경우 다량의 토사가 유입될 수 있기에 SS가 높게 나타날 수 있 다(^{Choi et al., 2009}). 그러나 수영강의 경우 조수간만에 의해 해수가 유입되면서 유기물 농도와 TSS의 농도가 낮 게 나타난 것으로 판단된다. 기수역은 담수와 해수가 만나 서 섞이는 지역으로 육상과 해양의 많은 원소들의 생지화 학적 반응(biogeochemical process)이 활발하게 일어나는 지 역이다(^{Andresson et al., 2001}). 연안해역의 생지화학적 환 경요인에 의하여 영향을 받는 용존유기탄소(DOC)는 하천 수에서 유입된 후 기수역에서 약 20 ~ 30 %가 제거되는 것 으로 알려져 있다(^{FOX, 1991}). TOC의 경우 강우에 의한 EMC 농도는 비슷하게 나타났는데 이것으로 보아 DOC는 강우에 의한 유량의 증감에 민감하지 않음을 의미한다고 판단된다. ^{Yur and Kim (2005)}의 연구에 의하면 특정 지적 에서 발생되는 강우유출수는 토지이용, 유역면적, 유역경사 등과 같은 유역특성 이외에 건기일수, 강우지속시간, 강우 량 및 강우강도 등의 강우특성의 영향을 받는다 하였다.

Fig. 7. Concentration of EMCs in the Suyeong River.