2.1. 유역구분

소유역 구분을 위하여 1/5,000 축척의 수치지형도와 1/25,000 축척 수치지형도로부터 표고자료를 추출하였다. 수 치표고 자료로부터 TIN을 생성하고 이를 이용하여 수치표고 자료(DEM)를 생성하였다. 소배수구역은 DEM 자료를 기초 로 수계망도를 벡터중첩하여 흐름방향을 결정하고 흐름누적 을 산정한 후 하천셀 집적도에 따라 유역을 생성하였다. DEM 자료의 공간분석은 ArcGIS와 SPATIAL ANALYST, ARCHYDRO extension을 사용하였다. 그 결과 총 4개 단위유 역(삽교천, 무한천, 곡교천, 남원·도고천) 63개의 소유역으 로 구분하였다(Fig. 1).

Fig. 1. Current status of Sapgyo-Lake basin.

2.2. 수질조사 및 오염부하량 산정

｢물환경측정망 운영계획(2017)｣에 따라 환경부(금강유역환 경청)에서 삽교호내 3개소, 유입되는 하천 4개소(삽교천, 무한 천, 곡교천, 남원천) 수질 및 유량을 측정하고 있으며, 측정자료 는 환경부에서 운영하는 물환경정보시스템(http://water.nier.go.kr) 자료를 활용하였다(^{ME, 2019a}).

오염원은 2017년 전국오염원조사(https://wems.nier.go.kr) 자료를 사용(^{ME, 2019b})하였으며, 오염물질 배출량은 배출 유량과 배출부하량(BOD, T-N, T-P)으로 구분하여 배출유형 별로 산정하였다. 배출부하량 산정시 적용하는 원단위는 표 본조사 방법에 따른 실측자료를 우선으로 하되 실측자료가 없는 경우 ‘수질오염총량관리 기술지침’에서 제시하는 원단 위를 적용하였다(^{NIER, 2014}).

2.3. 수질모델(QUAL-MEV, EFDC)의 구축

본 연구에서는 하천의 수질의 모의하기 위하여 “하천환경변 화를 반영한 수질총량제 적용모델 최적화 연구” 용역에서 개발 한 QUAL-MEV 모델을 사용하여 삽교호로 유입되는 주요하천 (곡교천, 삽교천, 무한천, 남원천, 도고천)의 수질을 예측하였 다. QUAL-MEV에 의한 하천 수질모델링 구간은 총 24개의 대구간(Reach)와 250의 소구간(Element, 구간거리 0.5 km)로 구분하였고, Point Source(지류하천, 하수종말처리장, 폐수종말 처리장 등)는 47개로 구성하였다(Fig. 2. QUAL-MEV).

Fig. 2. Schematic diagram of the waterways of Sapgyo-Lake for mimicking of the water quality.

본 연구에서는 CAD 자료를 바탕으로 지형자료를 구축하 였으며, 격자구성은 최대한 지형자료를 반영하는 조건을 최 우선시하며, 모델의 구동시간 등을 고려하여 구성하였다. 격 자구성은 총 1,770개(수평격자 590 × 수직격자 3)격자로 구 성하였으며, 모의구간 경계조건은 유입 4지점(삽교천, 도고 천, 곡교천, 남원천) 및 유출지점 2지점(배수갑문, 운정양수 장)으로 구성하였다(Fig. 2. EFCD). 삽교호 방류량 및 관계 량 관련 유량자료는 “삽교천 중권역 물환경관리계획(^{ME, 2018})”의 자료를 활용하였으며, 수질 모의를 위한 기상자료 는 천안 및 서산기상대의 2016년 1월 1일부터 2017년 12월 31일까지 시간별 기압, 기온, 습도, 풍속, 전운량, 일사량을 사용하였다(^{KMA, 2019}). 삽교호 총 유입유량은 수위자료와 수위-체적 곡선 및 호내 유출량을 이용하여 산정하였으며, 각 지류의 유입유량은 지류 유역면적 및 총유입량을 이용하 여 유역 면적비로 산정하였다. 수질 모의를 위한 유입 지류 의 경계 농도는 환경부 및 충청남도에서 측정하는 삽교천, 곡교천과 충청남도에서 측정하는 남원천의 2016년~ 2017년 수질자료를 사용하였다(^{Chungcheongnam-do, 2019}).

3.1. 유역현황

삽교호수계의 총 유역면적은 1,625.9 km²이며 이중 충청남도 가 1,602.9 km²로 전체면적의 98.6 %, 세종특별자치시 23.0 km²으 로 1.4 %를 차지하고 있다. 각 시·군별로는 예산군 31.6 %, 아산시 24.4 %, 천안시 11.8 %, 당진시 11.8 %, 홍성군 11.5 %, 청양군 7.5 %, 세종특별자치시 1.4 % 순이다. 삽교호수계의 유 역현황을 Table 2에 간략히 나타내었다.

3.2. 삽교호 수질현황

삽교호(3개소)의 현재 수질을 평가하기 위하여 2009년부터 2018년 환경부에서 측정한 10년간의 자료를 바탕으로 ｢수질 및 수생태계 목표수질 평가 규정｣에 따라 연도별로 평가하 였다.

평가결과 삽교호 중권역 목표수질인 생활환경기준 Ⅲ등급 (보통)을 목표수질 평가항목인 T-P(총인), TOC(총유기탄소) 모두 초과하고 있으며, T-P의 경우 2009년 이후 VI등급(매우 나쁨) 수준으로 나타났다. 또한 TOC의 경우 2015년까지 III 등급(보통) ~ IV등급(약간나쁨) 수준에서 2016년 이후 V등 급(나쁨) 수준까지 악화되었다(Table 3, Fig. 3).

Fig. 3. Changes in the water quality of Sapgyoh-Lake (2009 ~ 2018).

3.3. 수질모델의 보검증

하천 수질을 예측하기 위하여 QUAL-MEV모델을 사용하였 으며, 모형구축 기간의 오염원으로부터 부하량을 산정하여 오 폐수발생량과 배출부하량 자료를 점 및 비점오염부하량 입력 자료로 사용하였으며, 일평균 방류량이 500m³이상인 대형 하·폐수종말처리시설의 경우 일별 방류량과 방류수질(BOD, SS, T-N, T-P) 자료를 수집하여 입력하였다. 주요 유입하천에 대하여 수위관측소 조사결과 각 하천말단과 거리가 떨어져 있 고 배수위의 영향을 받고 있어 이를 대체하기 위하여 유역유출 모델인 HSPF 모형을 구축하여 보검증을 수행하였다. USEPA 에서 개발한 자료관리, 통계분석, 수질-수문모델을 통합한 유 역관리 및 TMDL을 위한 통합시스템인 BASINS를 이용하여 WinHSPF 모형을 구축하였으며, 유역도, 하천도, 수치고도모 형인 DEM으로부터 하천망을 계산하여 소유역을 분할하였으 며, 삽교호 전체에 대하여 HSPF 모형을 구축하였으며, 아래 그림에서와 같이 총량관리 소유역 말단지점에 출구를 지정하 여 소유역도와 유사하게 유역을 분할하였다. 유입하천 말단지 점에서 HSPF 모형의 2008 ~ 2017년까지 총 10개년 일유량 모 의결과를 활용하여 유황 분석을 실시한 후, 수질오염총량관리 제의 기준유량 시기인 저수량과 평수량을 연도별로 산정하여 제시하였다(Table 4).

본 연구에서 정적모형에 적용한 수리계수는 수리계수법 (V=aQb, H=cQd)을 사용하였으며, 각 리치별로 a, b, c, d 계 수는 HEC-RAS의 유량, 유속, 수심의 관계식으로 산정하였 다. Manning 계수는 기본값인 0.025를 일괄 적용하였다. 도 출된 QUAL-MEV 모형에서 적용계수의 형태는 다음과 같다 (Table 5).

QUAL-MEV 모젤 보정을 위한 수질모델 반응계수는 국립 환경과학원에서 배포한 QUAL-MEV 사용자설명서에서 제시 한 범위내에서 모의치와 실측치의 오차가 최소화 되도록 시 행착오법을 이용하여 산정하였다(Fig. 4).

Fig. 4. Water quality model Response coefficient by QUAL-MEV.

수질모델 보정시 이용한 수질은 충청남도 및 환경부에서 측정 한 자료를 사용하였으며 하천별 2016년 ~ 2018년 측정자료를 정렬하여 수질오염총량관리제 목표수질 달성 기준인 저수위(75 % 순위수질)을 선정해 보정수질로 결정하였다. QUAL- MEV 수질모형 보정에 사용된 수질은 75% 순위수질을 이용하였으며, 오차범위는 ±20 % 범위 내에서 보정하였다(Table 6, Fig. 5).

Fig. 5. QUAL-MEV Results of Revision.

앞서 제시한 유출입량, 수온, 기상자료를 이용하여 EFDC 유동모의를 실시하고, 확보된 자료를 기초로하여 날짜별로 (365일) 경계조건을 생성하였으며 삽교호1 ~ 3지점의 2017년 1월부터 12월까지 실측 수질을 이용하여 EFDC 모델의 수질 재현성을 검토하였으며, EFDC 모델에서 수질 예측에 영향 을 미치는 매개변수는 모의치와 실측치의 오차가 최소한 되 도록 시행착오법을 이용하여 산정하였다(Table 7).

지류하천(삽교천, 무한천, 곡교천, 남원천)의 수질변화를 예측하기 위하여 저수기(75 % 순위수질)을 사용하여 오염원 변화에 대한 수질을 예측하였으며, 예측된 수질을 바탕으로 수질분률을 산정하여 일자별로 EFDC 수질 경계조건을 변경 하여 수질을 예측하였다.

모델 보정을 위한 경계조건 생성시 QUAL-MEV에서 보정 된 주요하천 수질(BOD, T-N, T-P)을 EFDC 모델 입력파일 로 생성하기 위하여 실측수질을 기초로하여 각 하천별로 수 질분률을 산정하여 일별로 적용하였으며, EFDC 모델에 적 용한 영양소, 조류 생장속도에 대한 수질적용계수는 그림과 같다(Fig. 6).

Fig. 6. Water quality model Response coefficient by EFDC.

금회 수질모델의 보정시 수질 농도뿐 아니라 계절별 변화 추이도 반영되도록 보정을 실시하였으며, 일부 시기에 실측 수질 농도에 비해 높거나 낮은 경향을 나타내고 있으나 전반 적인 실측 수질농도 변화를 유사하게 따르고 있는 것으로 분 석되었다(Fig. 7).

Fig. 7. EFDC Results of Revision.

3.4. 장래(2030년) 수질변화 예측

장래인구의 자연증감에 의한 전망은 동·리별로 과거 10 년의 인구추세에 근거하여 지수회귀식을 적용하여 전망하였 으며, 전망시 지수회귀가 적용되지 않는 경우는 읍·면 기준 으로 전망 등의 방법을 사용하여 전망하였다.

인구 전망시 동·리별 인구가 증가하는 경우 수거식 인구 는 증가하지 않는 것으로 가정하여 전망하였으며, 장래 생활 계 사용유량의 자연증감에 의한 추세는 동·리별로 예측된 인구의 예측치에 2017년 기준 각 시·군의 생활계 사용유량 원단위를 적용하여 추정하였다. 장래의 축산현황은 가축 사 육두수의 추세에 근거하여 지수회귀식을 적용하였으며, 지수 회귀가 적용되지 않는 경우는 읍·면 기준으로 전망, 특이년 도 제외, 2017년 유지 등의 방법을 사용하여 전망하였다. 1 종~ 3종 사업장의 발생유량 2017년과 동일하다고 가정하였 으며, 4종~ 5종 산업체에 전망은 가축사육전망과 동일한 방 법으로 전망하였다. 장래의 토지면적에 대한 자연증감분의 전망은 지목별(전, 답, 임야, 대지)로 지수회귀 방법을 적용하 여 증감의 변화폭을 산출하여 적용하였으며, 기타지목 면적 은 총면적에서 추계를 산정한 면적을 제외하여 추정하였다. 양식계 및 매립계 오염원 예측은 기존년도(2017년)과 동일하 게 예측하였다.

삽교호 유역내 오염원조사 결과 총인구는 942,285명으로 이중 천안시와 아산시에 위치한 곡교천유역이 717,437명으 로 가장 많은 것으로 조사되었으며, 삽교천유역, 무한천유역, 남원·도고천유역 순으로 조사되었다. 가축사육두수는 축사 가 많은 예산군 및 홍성군이 포함된 삽교천유역이 가장 많은 것으로 조사되었으며, 산업폐수배출량은 아산탕정산업단지, 천안산업단지가 위치한 곡교천에서 가장 많이 배출하는 것 으로 조사되었다. 토지계 지목중 배출부하원단위가 가장 큰 대지 지목의 경우 인구 및 산업체가 많은 곡교천유역에서 높 게 조사되었다.

장래수질변화를 예측하기 위하여 과거 10년의(2008년 ~ 2017년) 전국오염원조사 자료를 활용하여 행정구역별(동·리)로 전망하였으며, 오염원전망 결과 삽교호유역 전체적으 로 7.6 % 증가하는 것으로 전망되었다. 축산계의 경우 한우 는 11.3 %, 돼지는 3.6 %, 가금은 5.9 % 증가하는 것으로 전 망되었으며, 산업폐수방류량은 5.4 % 증가하는 것으로 전망 되었다. 토지계의 경우 오염부하원단위가 가장 큰 대지 지목 이 4.8 % 증가하고, 전, 답, 임야는 감소하는 것으로 전망되 었다(Table 8).

오염부하량 산정결과 BOD, T-P 모두 축산계 배출부하량 이 가장 큰 것으로 나타났으며, 다음으로 생활계, 토지계, 산 업계 순으로 나타났다. 단위유역별로는 천안, 아산을 관류하 는 곡교천유역에서 생활계 배출부하량이 가장 크게 나타났 으며, 가축사육을 많이 하는 홍성, 예산을 관류하는 삽교천 유역에서는 축산계 배출부하량이 크게 나타났다. 산업시설에 의한 오염물질 배출량은 곡교천유역(아산 탕정지구, 천안 산 업단지)에서 가장 높게 나타났다. 특히 삽교호로 유입되는 주요하천중 수질이 가장 안좋은 곡교천이 위치한 곡교천유 역의 경우 생활계(인구)에 의한 오염물질 배출량이 전체 배 출부하량의 약 60 %을 차지했다.

오염부하량 전망결과 인구는 무한천유역(예산, 홍성)에서 감소하며, 삽교천, 곡교천, 남원·도고천 유역은 증가하는 것 으로 전망되었으며, 삽교호유역 전체적으로는 BOD는 6.7 %, T-P는 4.6 % 증가하는 것으로 전망되었다. 오염원그룹별로 는 BOD 기준 생활계 5.2 %, 축산계 7.9 %, 산업계 66.2 %, 토지계 5.2 % 증가하는 것으로 전망되었다(Table 9).

보정된 하천모델(QUAL-MEV)를 이용하여 삽교호 주요 유 입하천에 대하여 오염부하의 변화를 반영하여 목표연도 (2030년)의 장래수질을 예측하였다. 2030년 예측결과 삽교천 BOD는 7.7 %, T-P는 6.7 %, 무한천 BOD는 10.2 %, T-P는 3.9 %, 곡교천 BOD는 13.0 %, T-P는 25.7 %, 남원천 BOD는 10.1 %, T-P는 9.6 %씩 각각 증가하는 것으로 예측되었다 (Table 10, Fig. 6).

하천모델(QUAL-MEV)를 활용하여 예측된 주요하천(삽교 천, 무한천, 곡교천, 남원천)의 수질농도를 바탕으로 수질분률 을 산정하여 일자별로 호소모델(EFDC)를 수질 경계조건을 변 경하여 삽교호의 목표연도(2030년)의 장래수질을 예측하였다. EFDC 입력되는 삽교천은 하천모델(QUAL-MEV)에서 예측된 무한천과 삽교천의 유량 및 수질을 고려하여 혼합농도식으로 산정하였으며, 나머지 곡교천, 남원천, 도고천은 하천모델에서 산정된 값을 호소모델에 비례식을 사용하여 입력하였다. (Fig. 8).

Fig. 8. Results of forecast on the water quality of the streams.

호소모델(EFDC)을 이용하여 삽교호의 목표연도(2030년)의 수질을 예측해본 결과 BOD는 5.7 mg/L에서 6.1 mg/L로 8.5 %, T-N는 4.561 mg/L에서 5.388 mg/L로 18.1 %, T-P는 0.155 mg/L에서 0.168 mg/L로 8.3 %, TOC는 7.1 mg/L에서 7.7 mg/L 로 8.5 % 각각 증가하는 것으로 예측되었다(Table 11, Fig. 9).

Fig. 9. Results of forecast on the water quality of Sapgyo-Lake.

3.5. 총량제 시행에 따른 수질변화 예측

삽교호수계 수질오염총량관리제 시행에 따른 수질개선 효 과를 분석하기 위하여 ｢충청남도 삽교호수계 수질오염총량 관리 기본계획(^{Chungnam, 2018})｣을 참고하였다.

삭감계획 조사결과 총 16건의 삭감시설을 계획하고 있으 며, 오염원 그룹별로는 생활계 8건, 토지계 3건, 기타 5건으 로 조사되었다. 삭감방안별로는 환경기초시설 신·증설이 6 건, 관거정비 및 확대가 2건, 생태하천 복원사업이 2건, 초기 우수처리시설 설치가 3건, 방류수 수질개선 및 재이용이 3건 으로 조사되었다.

삭감부하량 산정결과 곡교천유역 및 남원천유역에서 삭감량 이 산정되었으며, 곡교천유역은 BOD는 13.9 %, T-P는 13.3 % 삭감되었으며, 남원천은 BOD는 3.7 %, T-P는 3.3 % 삭감되는 것으로 나타났다. 삽교호 수계 전체적으로 기준 BOD 6.3 %, T-P 4.9 %씩 삭감되는 것으로 나타났다(Table 12).

특히 곡교천유역내 공공하수처리시설(천안공공하수처리시 설, 아산공공하수처리시설, 신도시공공하수처리시설)에 대하 여 처리구역 확대 및 방류수질강화, 방류수재이용 등으로 인 하여 생활계 배출부하량이 큰폭으로 감소하는 것으로 예측 되었다.

또한 곡교천의 주요 오염원인인 천안천은 통합집중형 사업 (생태하천 복원사업 등) 추진으로 배출부하량이 감소하였으 며, 남원천은 남원천 생태하천복원사업 추진으로 인하여 비 점배출부하량이 감소하는 것으로 예측되었다.

하천모델(QUAL-MEV)를 이용하여 삽교호 주요 유입하천 에 대하여 수질오염총량관리 기본계획 및 시행계획에서 제 시한 삭감계획을 반영하여 목표연도(2030년)의 장래수질을 예측하였다. 수질오염총량관리제 삭감계획에 의한 주요하천 수질예측 결과 BOD 기준 삽교천 및 무한천은 수질의 변화 가 없었으며, 곡교천 BOD는 19.5 %, T-P는 40.9 %, 남원천 BOD는 16.2 %, T-P는 14.5 % 감소하는 것으로 예측되었다.

곡교천의 경우 BOD 감소율 보다 T-P 감소율이 큰폭으로 개선되는 것으로 예측되었는데, 천안천의 방류되는 천안하수 종말처리장이 처리시설 고도화 등으로 인하여 곡교천의 총 인(T-P) 수질이 크게 개선되는 것으로 예측되었다(Table 13, Fig. 10).

Fig. 10. Results of forecast on the water quality of streams in accordance with the reduction plan.

본 연구에서는 수질오염총량관리 시행계획(천안시, 아산시, 당진시)에서 제시한 수질개선계획(곡교천, 천안천, 남원천)만 반영하여 주요하천의 수질을 예측하였으며, 삽교호로 유입되 는 주요하천 중 삽교천 및 무한천의 수질개선은 없는 것으로 가정하였다.

호소모델(EFDC)을 이용하여 수질오염총량관리제 시행에 따 른 삽교호의 목표연도(2030년)의 수질을 예측해본 결과 BOD 는 6.1 mg/L에서 4.5 mg/L로 26.2 %, T-N는 5.388 mg/L에서 4.294 mg/L로 20.3 %, T-P는 0.168 mg/L에서 0.107 mg/L로 36.3 %, TOC는 7.7 mg/L에서 5.6 mg/L로 27.3 % 각각 개선되 는 것으로 예측되었다(Table 14, Fig. 11).

Fig. 11. Results of forecast on the water quality in accordance with the implementation of TMDL.