2.1 연구 대상유역

연구 대상유역은 낙동강 상류인 안동댐하류 중권역에 위치하는 송야천, 풍산천, 광산천 그리고 중류 유역에 해당되는 한천-2(강정고령보 중권역), 차천(창녕합천보 중권역), 하류 유역에 해당되는 주천강(낙동밀양 중권역)의 총 6개 지점을 선정하였다(Fig. 1). 이 지점들은 낙동강 8개보 준공에 따라 최근 신설된 본류 유입 1차 지류 하천들로 기준유량 산정 및 본류에 직접적으로 영향을 미칠 수 있는 수질관리항목 파악이 필요한 지점으로 판단된다. 각 지점별 수질기준은 Table 1과 같이 송야천, 풍산천 및 광산천은 매우좋음(Ia) 등급, 한천-2와 주천강은 좋음(Ib) 등급 그리고 차천은 약간좋음(II) 등급으로 설정하여 관리되고 있다. 하지만, 총량단위유역 3단계 목표수질로 보면 송야천, 풍산천 및 광산천은 BOD 1.2 mg/L (Ib), T-P 0.032 mg/L (Ib) 등급으로 관리하고 있으며, 한천-2은 BOD 1.7 mg/L (Ib), T-P 0.051 mg/L (II) 등급, 차천은 BOD 2.8 mg/L (II), T-P 0.075 mg/L (II) 등급 그리고 주천강은 BOD 2.7 mg/L (II), T-P 0.059 mg/L (II) 등급으로 설정하여 관리하고 있다(^{ME, 2019}).

Fig. 1. Study area and monitoring sites.

각 지점의 하천 정비 기본계획에 따르면 송야천은 주거지역 4.07%, 논경지 32.54%, 임야 57.52% 등으로 구성되며 토골천 및 석남천 등의 총 11개의 지류가 유입되고 있다(^{Gyeongsangbuk-do, 2018}), 풍산천은 죽전천과 한두실천이 지류로 유입되며, 농경지 20.52%, 임야가 71.75%로 형성되어 있다(^{Gyeongsangbuk-do, 2016}). 광산천은 임야가 전체 면적의 80.5%를 차지하며, 유역 내 가장 많이 사육되는 가축종은 돼지로 전체 사육현황의 65.4%를 차지하고 있다(^{Gyeongsangbuk-do, 2017}). 한천은 농경지 17.15%, 임야 68.85%, 대지 4.73% 등으로 생활계 배출부하량의 비중이 가장 크고, 그 다음으로 축산계와 토지계 배출부하량이 큰 것으로 나타났다(^{Gyeongsangbuk-do, 2014}). 차천은 하천변을 따라 농경지와 주거지가 발달되어 있고, 하류부에 환경기초시설 방류수의 영향을 받는 것으로 조사되었다(^{Daegu Metropolitan City, 2010}). 주천강은 농경지 45.29%, 임야 24.93%로 하천 주변에 창원일반산업단지 등과 같은 산업단지가 밀집되어 있으며, 진영공공하수처리시설이 입지하고 있다.

2.2 유량 및 수질자료

연구 대상유역의 각 지점별 유량 및 수질 자료(BOD, TOC, T-N 및 T-P)는 환경부에서 제공하고 있는 물환경정보시스템(water.nier.go.kr)에서 2012년부터 2019년까지 총 8년간의 자료(평균 8일 간격)를 수집하였다(^{ME, 2020}).

2.3 유량지속곡선(Flow Duration Curve, FDC)

FDC는 유황곡선(Duration curve, DC)이라고도 불리며 일유량자료를 최대유량에서 최소유량 순으로 정렬한 후 식 (1)에 따라 각 측정치를 백분율로 나타내고 X축은 유량지속시간(%), Y축은 지속시간에 해당하는 유량(㎥/s)으로 도시하였다. 이러한 유량지속곡선은 하천 유역의 장단기 유량 변동분석 및 수질 변화인자 규명 등을 위한 중요한 수단으로 사용되고있다(^{Park and Oh, 2013}; ^{Vogel and Fenessey, 1994}).

FDC는 수문학적 조건에 따라 Table 2와 같이 5단계로 구분되며(^{U. S. EPA, 2007}), 국내에서는 유황 유지 일수에 따라 홍수량(Flood volume), 연중 95일 이상 유지되는 풍수량(초과확률 26.0%, Abundant flow), 185일 이상 유지되는 평수량(50.7%, Ordinary flow), 275일 이상 유지되는 저수량(75.3%, Low flow), 355일 이상 유지되는 갈수량(97.3%, Drought flow)으로 구분된다(^{Kim et al., 2014}).

2.4 백분위법(Percentile Method, PM)

PM은 연속유량(모집단)에서 45개 유량자료(표본)가 무작위로 추출되었다는 가정하에 표본을 가지고 각각의 초과백분율에 해당하는 유량을 산정하는 방식이다. 이 방법은 간단한 절차와 방법을 통해 기준유량을 산정할 수 있으며, 모집단으로부터 무작위로 표본이 추출되었다는 가정하에 유의미한 결과를 도출할 수 있다. 하지만 단지 1년의 평균 45여개 자료만을 가지고 기준유량을 추정할 경우 표본이 편향(Bias)되었을 가능성이 있으며, 홍수량⋅갈수량과 같은 극대⋅극소값에 편향이 크게 발생하는 것으로 보고된 바 있으며(^{Baek, 2014}), 최근 ^{Hwang et al. (2018)}과 ^{Kim et al. (2019)}은 총량단위유역별 Standard-FDC(10년 FDC) 산정 시 자료연수 10년에 해당하는 총 450개 표본에 대한 백분위법 FDC를 산정 후 대표유량지속곡선과 비교⋅평가결과 상당히 유사한 곡선식을 제공해 주는 것으로 분석되었다. 또한 ^{Hwang et al. (2018)}의 총량관리 단위유역 일평균유량의 시계열 누적 변화에 따른 유량지속곡선 차이 분석에 따르면 총량관리에서 수체손상 원인 분석 등을 위해 LDC를 이용할 경우 최소 5년 이상의 일평균유량을 누적하여 적용하면 대표유량지속곡선(10년 FDC)를 대변할 수 있다고 하였다. 이와 같은 결과는 표본의 자료 수가 적을 경우에는 통계의 대표성이 적어 편향된 추정결과를 제공하지만, 표본의 크기가 5년(약 45개×5년=225개) 이상의 경우 이 방법으로 추정한 표본 기준유량이 모집단의 기준유량을 대변할 수 있을 것으로 판단된다.

2.5 부하지속곡선(Load Duration Curve, LDC)

LDC는 전체 유량 조건에서 실측 수질 자료와의 관계를 나타내는 곡선으로 다양한 유량 조건의 수질 자료를 이용하여 부하지속곡선에 해당기간 관측 수질 및 유량을 도식하여 전체 유량규모에 대한 관측치의 분포를 확인할 수 있으며, 하천 및 유역관리에 필요한 유량 및 수질의 범주를 확인할 수 있는 방법이다. 지속곡선은 주어진 유량 또는 부하량과 같은 매개변수가 주어진 값과 같거나 초과하는 시간의 백분율을 곡선화하여 그래픽하게 표현한 것이다(^{Hwang et al., 2011}). 또한 비점오염원과 점오염원의 분포 및 계절적인 수질 영향, 허용가능부하량과 부하량삭감, 초과빈도, 수질기준을 만족하는지에 대한 평가 등에 활용할 수 있다. 부하지속곡선의 작성은 일유량 자료와 수질 자료를 이용하여 식 (2)로 계산된 부하량과 해당유량을 이용하여 작성한다.

대표 부하지속곡선을 작성하기 위해서는 대표 유량지속곡선 뿐만 아니라 오염물질에 대한 목표수질이 필요하다. BOD와 T-P는 앞서 설명한 것과 같이 물환경측정망 운영계획(^{ME, 2019})의 목표수질을 기준으로 설정하였고, TOC와 T-N의 경우 3단계 총량단위유역 수질기준이 없기 때문에 본 연구에서는 기존 적용 연구들(^{Hwang et al., 2010}; ^{Kim et al., 2013}; ^{Kim et al., 2017})과 같이 연구기간 동안의 실측 수질값의 평균을 목표수질로 가정하여 대표 LDC을 개발한 후 각 하천의 실측부하량에 대한 수체 손상정도를 파악하였다. ^{Nam et al. (2018)}의 연구는 수체의 손상정도 파악은 실측기준이 해당 하천별 관리 기준인 목표수질을 초과하는 경우에 해당하는 값으로 각 하천의 관리기준인 상대적인 평가기준에 따라 실시하였으며, LDC 평가기준은 목표수질을 초과하는 수질자료수가 50%를 넘는 경우 해당수질 항목에 대해서 수체가 손상된 것으로 평가하고 있다(^{Hwang et al., 2012}). 따라서, 본 연구의 하천별 수체손상 정도 파악은 목표수질별 평가기준을 초과하였을 경우 수체가 손상된 것으로 평가하는 방법을 이용하였다. Table 3은 LDC 평가를 위해 설정한 최종 설정된 목표수질 값이며, 이 값을 위에서 개발된 Standard-FDC와 곱하여 각 수질항목별 기준 부하지속곡선을 작성하게 된다.

2.6 목표수질 달성여부 평가 방법

3.1 수질 특성 변화

부하량은 계절적 변동에 관하여 적용할 수 있는 수질 기준을 이행하는데 필요한 수준에서 확립되어야 한다(^{U. S. EPA, 2007}). 따라서 유량의 최고⋅최저유량 및 기준유량(평수량 또는 저수량 등)이 발생하는 월과 계절적 변동을 파악하는 것은 TMDL 개발에 있어 중요한 부분이다. Fig. 2에는 연구 지점의 대표 일평균유량에 대한 월별⋅초과확률 변동 특성을 상자그림(Box plot)으로 나타내었다. 이와 함께 각 지점별 유량 및 수질의 변동성 분석 결과에 대한 연관성을 확인하기 위해 각 지점별 BOD, TOC, T-N, T-P 항목에 대한 월별 수질 변동분석을 추가로 실시하여 Fig. 3에 도시하였고, 이는 상자그림(중위수 검정실선)과 전체평균값(빨간실선)을 분석하여 도시한 결과이다.

Fig. 2. Monthly variation in flow rate (mean daily flow and flow duration interval) in each site.

Fig. 3. Monthly variation in water quality (BOD, TOC, T-N, and T-P) in each site.

월별 유량 변동은 4월 송야천 24.789 ㎥/s, 풍산천 8.673 ㎥/s, 8월 광산천 47.730 ㎥/s, 한천 35.109 ㎥/s, 9월 차천 32.359 ㎥/s, 주천강 41.904 ㎥/s로 최대(고) 변화를 나타내고 있다. 그 중 송야천 5~6월, 풍산천과 한천 1~2월과 5~6월이 하천유량 측면에서 가장 취약한 시기로 이 시기에 하천오염의 중점관리가 필요할 것으로 판단되었다. 광산천은 연중 하천유량이 저수량 이상 확보되는 것(유황계수, DC=173)으로 확인되었다. 차천은 11월부터 하천유량이 점점 줄어 1월에 저수량 이하의 유량구간을 보이다가 3월 이후 점점 회복되는 특성을 보이고, DC는 69로 나타났는데 계수 값이 작게 나오는 것은 도심하천의 주변 생활, 공단 및 현풍하수처리장 인위적인 방류량의 영향인 것으로 판단되었다. 또한, 주천강은 홍수기 본류 배수 영향으로 인한 제내지 침수가 취약하고 하천 말단지점의 배수문과 펌프장이 가동중인 지역으로 5~9월 배수문 조작에 의한 하천 유출량의 영향을 직접적으로 받는 지점이다. 각 수질 항목별 취약시기는 송야천과 한천의 BOD는 5월, TOC 및 T-P는 8월로 분석되었으며, 풍산천과 광산천의 T-N은 11~3월에 취약한 것으로 나타났다. 또한, 차천의 BOD는 1~3월, TOC는 11~4월, T-N는 8월, 11~3월, T-P는 6~8월, 주천강의 BOD는 2~5월, TOC는 6~8월, T-N은 8월, 12~4월, T-P는 3월, 5~8월 취약한 것으로 나타났다.

2012년부터 2019년까지 측정한 연평균 수질과 3년 이동평균 수질을 Fig. 4에 나타내었다. 송야천의 TOC, T-N과 T-P는 점진적으로 증가하는 것으로 분석되었고, 풍산천은 BOD와 T-P가 연도별로 개선되는 것으로 나타났으나, TOC와 T-N은 변동성이 크며 3년 이동평균 수질을 볼 때 증가하는 것으로 분석되었다. 광산천과 주천강의 BOD와 T-P는 점진적으로 개선되는 듯 나타났으나 2019년 연평균 수질이 증가하는 추세를 보이고 있고, TOC는 점진적으로 증가하는 추세를 보이는 것으로 분석되었다. 한천의 BOD, T-N, T-P는 목표수질 대비 초과하는 수질이 최근 감소하는 추세를 보이나 TOC의 경우 과거 대비 최근 수질이 점진적으로 증가하는 추세를 보이는 것으로 분석되었다. 차천의 BOD는 목표수질 이하로 관리되고 있으며, T-P는 감소 추세, TOC와 T-N은 연도별로 증가 추세를 보이는 것으로 나타났다.

Fig. 4. Annual variation in water quality (BOD, TOC, T-N, and T-P) in each site.

3.2 FDC 및 LDC 작성

각 지점별 Standard-FDC를 산정하기 위해, 2012년부터 2019년까지 총 8년간 평균 8일 간격으로(연 36회 이상조사) 실측 조사된 유량자료를 부분 계측자료에 대한 확장기법인 PM을 이용하여 Standard-FDC를 작성하였다. 각 지점별 실측 조사된 유량 자료를 최대유량에서 최소유량으로 내림차순 정렬하여 특정유량을 초과하는 일수를 백분율로 계산한 후 Standard-FDC를 작성하였고, 설정한 오염물질별 목표수질 값을 반영하여 LDC를 나타내었다(Fig. 5). 4대강 수계의 평균 하상계수는 한강 372, 금강 300, 영산강 682, 낙동강 299이고, 국내 평균 하상계수는 393으로 알려져 있다. 분석 소하천별 유황계수(Duration Coefficient, DC=Q_2.5%/Q_97.5%) 값을 계산하면 송야천 389, 풍산천 359, 광산천 173, 한천-2 18, 차천 69 그리고 주천강은 308로 산정되었다.

Fig. 5. Standard FDC(a) and LDC(b) of songyacheon(sample).

3.3 목표수질 달성여부 비교⋅평가

3.3.2 유량구간별/월별 LDC 평가

전년자료(2012~2019)을 이용한 LDC 유황조건별 목표수질 달성여부를 평가하여 각 수질항목에 대한 유황조건별 초과유무를 판별하여 수질관리 항목 중 어느 유황조건에서 관리가 필요한지를 파악해 보았다(Table 5, Fig. 6). 해당 지점의 수질 항목 별 LDC 평가에서 50%초과율을 만족하는 유무를 O, X로 표시하였다(Table5). 그리고 추가적으로 월별 초과율 분석(Table 6)을 통해 각 수질항목별 목표수질을 초과하는 월은 언제인지 파악하여 초과하는 시기(계절) 또한 파악하여 각 하천별 수질관리에 도움을 주고자 한다.

Table 5. LDC results by flow rate

Sites	Items	TWQ	Eva.	Average		HF		MC		MRF		DC		LF
				NO.	EX.	NO.	EX.	NO.	EX.	NO.	EX.	NO.	EX.	NO.	EX.
Songya cheon	BOD	1.2	O	220	76%	12	50%	59	75%	49	80%	77	83%	23	68%
			X	71	24%	12	50%	20	25%	12	20%	16	17%	11	32%
	TOC	3.2	O	228	78%	1	4%	60	76%	56	92%	84	90%	27	79%
			X	63	22%	23	96%	19	24%	5	8%	9	10%	7	21%
	T-N	4.630	O	141	48%	4	17%	23	29%	32	52%	58	62%	24	71%
			X	150	52%	20	83%	56	71%	29	48%	35	38%	10	29%
	T-P	0.032	O	28	10%	0	0%	0	0%	4	7%	14	15%	10	29%
			X	263	90%	24	100%	79	100%	57	93%	79	85%	24	71%
Pungsan cheon	BOD	1.2	O	163	56%	4	21%	31	46%	28	51%	78	71%	22	56%
			X	127	44%	15	79%	36	54%	27	49%	32	29%	17	44%
	TOC	3.3	O	173	60%	0	0%	18	27%	33	60%	88	80%	34	87%
			X	117	40%	19	100%	49	73%	22	40%	22	20%	5	13%
	T-N	4.387	O	146	50%	11	58%	34	51%	23	42%	45	41%	33	85%
			X	144	50%	8	42%	33	49%	32	58%	65	59%	6	15%
	T-P	0.032	O	100	34%	0	0%	8	12%	19	35%	59	54%	14	36%
			X	190	66%	19	100%	59	88%	36	65%	51	46%	25	64%
Gwangsan cheon	BOD	1.2	O	150	48%	5	19%	30	36%	41	63%	58	56%	16	46%
			X	163	52%	21	81%	54	64%	24	37%	45	44%	19	54%
	TOC	3.2	O	175	56%	0	0%	26	31%	46	71%	78	76%	25	71%
			X	138	44%	26	100%	58	69%	19	29%	25	24%	10	29%
	T-N	4.630	O	213	68%	25	96%	77	92%	26	40%	59	57%	26	74%
			X	100	32%	1	4%	7	8%	39	60%	44	43%	9	26%
	T-P	0.032	O	173	55%	2	8%	30	36%	45	69%	72	70%	24	69%
			X	140	45%	24	92%	54	64%	20	31%	31	30%	11	31%
Han cheon -2	BOD	1.7	O	185	59%	9	33%	55	64%	33	51%	67	66%	21	62%
			X	128	41%	18	67%	31	36%	32	49%	34	34%	13	38%
	TOC	4.4	O	150	48%	3	11%	50	58%	34	52%	52	51%	11	32%
			X	163	52%	24	89%	36	42%	31	48%	49	49%	23	68%
	T-N	4.153	O	205	65%	26	96%	61	71%	35	54%	65	64%	18	53%
			X	108	35%	1	4%	25	29%	30	46%	36	36%	16	47%
	T-P	0.051	O	135	43%	4	15%	36	42%	29	45%	50	50%	16	47%
			X	178	57%	23	85%	50	58%	36	55%	51	50%	18	53%
Cha cheon	BOD	2.8	O	238	76%	15	56%	80	89%	50	82%	73	73%	20	59%
			X	74	24%	12	44%	10	11%	11	18%	27	27%	14	41%
	TOC	8.4	O	177	57%	25	93%	71	79%	35	57%	34	34%	12	35%
			X	135	43%	2	7%	19	21%	26	43%	66	66%	22	65%
	T-N	5.980	O	187	60%	27	100%	80	89%	48	79%	30	30%	2	6%
			X	125	40%	0	0%	10	11%	13	21%	70	70%	32	94%
	T-P	0.075	O	152	49%	6	22%	38	42%	34	56%	62	62%	12	35%
			X	160	51%	21	78%	52	58%	27	44%	38	38%	22	65%
Jucheon gang	BOD	2.7	O	39	13%	9	35%	14	17%	7	12%	6	7%	3	6%
			X	270	87%	17	65%	68	83%	50	88%	85	93%	50	94%
	TOC	6.9	O	193	62%	21	81%	61	74%	41	72%	53	58%	17	32%
			X	116	38%	5	19%	21	26%	16	28%	38	42%	36	68%
	T-N	3.935	O	182	59%	22	85%	65	79%	35	61%	28	31%	32	60%
			X	127	41%	4	15%	17	21%	22	39%	63	69%	21	40%
	T-P	0.059	O	19	6%	1	4%	8	10%	2	4%	6	7%	2	4%
			X	290	94%	25	96%	74	90%	55	96%	85	93%	51	96%

Table 6. Result of monthly LDC excess rate (%) in each site

Sites	Items	Jan	Feb	Mar	April	May	Jun	Jul	Aug	Sep	Oct	Nov	Dec
Songya cheon	BOD	10%	13%	30%	34%	48%	26%	32%	36%	15%	17%	19%	11%
	TOC	5%	4%	23%	34%	36%	37%	32%	57%	19%	14%	6%	5%
	T-N	76%	52%	70%	66%	24%	32%	44%	57%	35%	52%	55%	53%
	T-P	81%	83%	90%	93%	84%	84%	96%	100%	92%	86%	97%	100%
Pungsan cheon	BOD	52%	30%	60%	73%	64%	47%	56%	47%	21%	24%	23%	16%
	TOC	14%	13%	40%	60%	72%	53%	56%	59%	42%	36%	27%	5%
	T-N	76%	87%	87%	57%	16%	5%	22%	18%	17%	48%	67%	79%
	T-P	43%	48%	53%	60%	72%	84%	96%	100%	83%	76%	47%	32%
Gwang san cheon	BOD	5%	9%	60%	83%	86%	90%	85%	67%	58%	14%	29%	15%
	TOC	0%	9%	27%	53%	79%	87%	93%	83%	58%	21%	10%	0%
	T-N	100%	87%	63%	3%	0%	0%	0%	0%	0%	0%	71%	85%
	T-P	5%	26%	23%	40%	82%	80%	89%	94%	58%	14%	23%	0%
Han cheon-2	BOD	29%	48%	40%	60%	57%	63%	59%	47%	19%	31%	13%	16%
	TOC	43%	52%	57%	43%	75%	100%	89%	74%	35%	28%	10%	16%
	T-N	81%	87%	50%	17%	21%	13%	15%	5%	15%	31%	39%	58%
	T-P	67%	78%	67%	53%	61%	53%	59%	58%	58%	48%	32%	58%
Cha cheon	BOD	29%	35%	50%	40%	14%	17%	19%	11%	23%	10%	13%	21%
	TOC	57%	65%	63%	50%	4%	43%	30%	22%	27%	34%	61%	63%
	T-N	86%	83%	83%	40%	0%	0%	4%	0%	15%	41%	68%	68%
	T-P	38%	39%	40%	50%	43%	77%	100%	89%	54%	34%	26%	32%
Jucheon gang	BOD	100%	96%	100%	100%	100%	96%	89%	78%	46%	59%	87%	100%
	TOC	10%	35%	47%	33%	57%	100%	74%	50%	8%	3%	13%	16%
	T-N	76%	87%	87%	57%	29%	56%	4%	0%	4%	7%	29%	63%
	T-P	100%	100%	100%	93%	96%	96%	100%	94%	85%	76%	97%	89%

Fig. 6. LDC result in each site (2012~2019)

유량구간별 초과유무 평가 결과에서 송야천의 T-N, 풍산천과 광산천의 TOC는 HF와 MC구간, 광산천의 BOD와 차천의 T-P는 HF, MC, LF 구간에서 목표수질을 초과하는 것으로 조사되었다. 차천과 주천강의 TOC와 T-N은 저⋅갈수기인 DC와 LF구간에서 초과하여 점오염원관리가 우선 되어야 할것으로 보인다. 특히, 풍산천과 한천의 T-P는 DC구간을 제외한 나머지 구간, 송야천과 주천강의 T-P는 유량 전구간에서 목표수질을 초과하였다. 월별 LDC평가 결과에서 송야천의 T-N은 1~4월, 8월, 10~12월, 풍산천의 TOC는 1~4월, 11월~12월, 광산천의 T-P는 5~9월 사이에 초과하는 것으로 분석되었다. 한천 및 차천의 TOC는 각각 2~8월과 1~3월, 11~12월에 초과하였으며, 차천은 홍수기가 지난 9월 이후 겨울철 및 봄철에 대한 중점 관리가 필요할 것으로 보인다. 관리대상 항목인 T-P는 초기 비점오염원 유출시 저감을 위한 대책마련 등을 세우는 것이 바람직 할 것으로 판단되며, 한천은 홍수와 가뭄 시 수질항목의 악화가 발생하는 경우가 나타남에 따라 홍수기 비구조적 비점관리 대책과 가뭄 시 도시관로 노후로 인해 유입되는 불명수 대책마련 및 구미 4단지 공공하수처리시설 방류수에 대한 적극적인 관리가 필요할 것으로 보인다. 또한, 차천은 하천 중류에 위치한 제지공장과 현풍하수처리장 방류수에 대하여 적극적으로 관리하여야 할 것으로 판단된다.