2.1 유역구분

[TG_FP]유역구분을 위하여 국가공간정보포털의 자료를 활용(^{MOLIT, 2019})하였으며, 세유역 구분을 위하여 1/5,000 축척의 수치지형도와 1/25,000 축척 수치지형도로부터 표고자료를 추출하였다. 수치표고 자료로부터 TIN을 생성하고 이를 이용하여 수치표고자료(DEM)를 생성하였다. 소배수구역은 DEM 자료를 기초로 수계망도를 벡터중첩하여 흐름방향을 결정하고 흐름누적을 산정한 후 하천셀 집적도에 따라 유역을 생성하였다. DEM 자료의 공간분석은 ArcGIS와 SPATIAL ANALYST, ARCHYDRO extension을 사용하였다. 그 결과 총 63개의 세유역으로 구분하였다(Fig. 1).

Fig. 1. Unit watershed of Lake Sapgyo.

2.2 주요하천 수질⋅유량 모니터링

충청남도에서는 충남도내 지방하천 163개 지점에 대하여 월 1회 수질⋅유량 모니터링을 실시하고 그 결과를 ‘충청남도 물통합관리정보시스템(^{Chungcheongnam-do, 2020})’ 업로드하여 일반에 공개하고 있다. 본 연구에서는 최근 3년간(2018년~2020년)의 수질⋅유량을 활용하였으며, 삽교호수계 내 주요 지류하천(삽교천 13개소, 무한천 18개소, 곡교천 14개소, 남원⋅도고천 3개소) 총 48개 지점을 선정하였다(Fig. 2). 측정횟수 및 측정주기는 월 1회 주기로 총 36회를 측정하였다. 수질분석 항목은 6개(BOD₅, COD_Mn, TOC, T-N, T-P, SS)이며, 현장측정 항목은 5개(유량, 수온, pH, DO, 전기전도도)로 현장에서 직접 측정하였다.

Fig. 2. Tributary monitoring points.

2.3 오염원조사

오염원은 2019년 전국오염원조사(^{NIER, 2020}) 자료를 사용하였으며, 오염원 그룹별(생활계, 축산계, 산업계, 토지계, 양식계, 매립계, 환경기초시설)로 구분하여 조사하였다.

∘ 생활계 : 행정구역별 인구현황, 배출원별 생활계 사용유량

∘ 축산계 : 행정구역별 축산현황, 축종별 사육두수 및 분뇨처리 형태

∘ 산업계 : 행정구역별 산업현황, 사업장별 폐수배출형태

∘ 양식계 : 행정구역별 양식현황, 시설면적 및 사료투여량

∘ 토지계 : 행정구역별 지목별 토지현황

∘ 매립계 : 매립시설 현황 및 방류량 및 방류수질

∘ 환경기초시설 : 총유입유량, 관거이송량, 직접이송량, 방류유량, 방류농도

2.4 부하지속곡선 작성 및 목표수질 평가

부하지속곡선(Load Duration Curves, LDC)은 하천의 유황 조건에 따라 적절한 관리방안을 수립하기 위하여 최근에는 수질 변화, 오염부하량의 크기를 고려하여 수질오염 문제를 규명하고 수질 개선 효과 및 목표달성 여부를 평가하는 방법으로(^{Kal et al., 2019}), 부하지속곡선(LDC) 작성하기 위해서는 유량지속곡선(Flow Duration Curve, FDC)을 도식화하고, 대상 하천별로 작성된 유량지속곡선에 『물환경 목표기준 평가 규정』의 평가대상 항목인 생물학적산소요구량(BOD) 및 총인(T-P)을 대상으로 충청남도의 목표인 생활환경기준 Ⅱ등급(Ⅱ등급, BOD 3.0mg/L, T-P 0.2mg/L)을 곱하여 부하지속곡선을 작성하였다.

‘오염총량관리시행계획 이행평가기준(환경부고시 제2018-6호)의 목표수질 관리를 위한 하천의 주요지점 수질⋅유량 평가표(별지 제3호서식)’에 따라 유량지속곡선(FDC)에 목표수질을 곱한 부하지속곡선(LDC)를 도식화하고 실제 측정한 유달부하량(유량×수질)을 표시하였으며, 부하지속곡선(LDC)보다 유달부하량이 상위에 있을 경우 목표수질을 초과하는 것으로 평가하였다.

3.1 유역현황

삽교천유역은 남한의 중서부에 위치하며 북쪽으로는 아산만 및 안성천 유역과 접하고 있고, 서쪽으로는 와룡천, 역천 유역과 접하고 있으며, 남쪽과 동쪽은 금강 유역과 접하고 있는 우리나라에서 7번째로 큰 유역이며, 총 유역면적은 1,625.9km²이며 이중 충청남도가 1,602.9km²로 전체면적의 98.6%, 세종특별자치시 23.0km²으로 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 유역현황을 Table 1에 간략히 나타내었다(^{Choi et al., 2020}).

3.2 주요하천 수질⋅유량 모니터링

수질⋅유량 모니터링 결과 평균 유량은 천안천이 2.514m³/s 로 가장 많았으며, 다음으로 신양천, 용두천 순으로 나타났다. BOD는 오천천(8.0mg/L), 천안천(7.7mg/L), 오목천(5.0mg/L) 순으로 나타났다. BOD 유달부하량 기준으로는 천안천, 남원천, 학성천 순으로 나타났다.

연구대상 48개소 지류하천 중 BOD 기준 3년 평균 수질이 목표등급(Ⅱ등급)을 초과하는 하천은 15개 하천으로 조사 되었으며, 이중 온천천 Ⅴ등급(나쁨), 천안천과 오목천은 Ⅳ등급(약간나쁨)으로 나타났다(Table 2), (Fig. 3).

Fig 3. Water quality of the monitoring site using the Box Plot.

3.3 오염원조사

앞서 산정된 행정구역별(동⋅리) 유역점유율을 토대로 하천별로 하수처리 유형별 인구, 축종별 가축사육현황, 지목별 토지이용현황, 산업폐수방류량을 ‘오염총량관리 기술지침’에 따라 산정하였다.

대상 하천별 오염원조사 결과 인구는 천안시 시가지가 포함된 천안천이 509,721명으로 가장 많았으며, 다음으로 아산시의 온양천, 온천천 순으로 많은 것으로 조사되었다. 인구가 가장 적은 하천은 무한천의 지류인 장전천이 232명으로 조사되었다.

산업폐수방류량은 곡교천 지류인 아산탕정디스플레이 산업단지가 위치한 용두천이 163,558m³/일로 가장 많았으며, 그다음으로 천안제3&4산업단지가 위치한 천안천이 12,089m³/일로 나타났다.

축산사육현황 조사 결과 소(젖소&한우)는 신양천과 화산천이, 돼지는 남원천과 덕산천이, 가금(닭&오리)은 남원천으로 나타났다. 토지이용현황 조사 결과 신양천이 159.42km²로 가장 큰 것으로 나타났으며, 다음으로 온양천 순으로 조사되었다(Table 3).

3.4 부하지속곡선 작성 및 목표수질 평가

유량지속곡선 작성을 위하여 앞서 선정한 48개 하천에 대하여 2018~2020년 까지의 충청남도 물통합관리 정보시스템의 유량모니터링 자료를 활용하으며, 유량지속곡선의 유황구분은 ^{U. S. EPA. (2007)}의 구분방법을 적용하였다(Table 4).

대상 하천별로 작성된 유량지속곡선에 목표수질(BOD, 3.0mg/L)을 곱하여 부하지속곡선을 작성하였으며, 2018년~2020년까지 각 하천별로 실측된 수질⋅유량 모니터링 결과를 바탕으로 유황시기별로 홍수기(0~10%), 풍수기(10~40%), 평수기(40~60%), 저수기(60~90%), 갈수기(90~100%) 구분하여 목표수질 달성여부를 평가하였다. 실측된 유달부하량(유량×수질)이 부하지속곡선보다 상위에 있을 경우 목표수질을 초과하는 것으로 판단하며 해당 유황시기별로 수질개선 대책을 수립하여야 한다. 연구대상 하천 48개소의 부하지속곡선을 통한 목표수질 달성 평가 결과는 아래와 같다(Fig 4).

Fig 4. Load Duration Curves at the Tributary Stream in the Sapgyo Watershed.

모니터링 결과 유달부하량(유량×수질)이 유황시기별로 각 하천의 목표부하량(유량지속곡선×목표수질)을 초과하는 양을 비율로 나타냈으며, 100% 초과한다는 것은 해당 유황시기에 목표부하량을 초과하는 것으로, 부하지속곡선에 따른 유황시기별 목표부하량 초과여부 평가결과 48개 대상하천 중 총 22개 하천에서 목표부하량(생활환경기준 2등급)을 초과하는 것으로 나타났으며, 유황시기별로는 홍수기 14개소, 풍수기 15개소, 평수기 11개소, 저수기 11개소, 갈수기 8개소에서 초과하는 것으로 나타났다. 특히 온천천(아산시)의 초과율은 191.4%, 천안천(아산시)의 초과율은 148.6%로 높게 나타났다(Table 5).

3.5 오염원인 분석

부하지속곡선을 활용한 목표수질을 초과하고 있는 22개 하천에 대하여 오염원인을 파악하고 그에 따른 수질개선 방법을 제시하고자 한다. 유황시기별로 홍⋅풍수기에 수질이 악화되는 하천은 강우시 발생하는 비점오염원의 영향으로 판단하며, 저⋅갈수기에 수질이 악화되는 하천은 미처리된 생활하수 및 산업폐수 등 점오염원에 의한 영향으로 판단할 수 있다.

강우시 발생하는 비점오염원은 크게 가축사육에 따른 축산폐수와, 강우시 토지이용(농지&대지)에 따른 강우유출수로 구분할 수 있으며, 이중 논이나 밭, 과수원등 농사시 사용하는 비료등이 강우시 유출되는 농지와, 건축물이나 도로 등으로 인한 오염원이 배출되는 대지로 구분할 수 있다. 토지이용에 따른 오염원인 판단을 위하여, 삽교호수계 토지이용현황을 분석하였으며 그 결과 전체 면적 대비 농지비율은 약 30%로 나타났으며, 대지비는 15%로 나타났다. 이를 기준으로 각 대상하천별로 농지비(30%) 및 대지비(15%)를 초과하는 경우 이를 토지이용현황에 따른 주요 오염원인으로 추정하였다.

부하지속곡선를 통한 목표수질을 초과하는 22개 하천 중 점오염원에 의한 하천은 상송천 등 5개 하천이며, 비점오염원에 의한 오염하천은 대천천 등 13개 하천이며, 점/비점 오염원 모두 관리해야 하는 하천은 천안천 등 4개 하천으로 나타났다(Table 6).

상대적으로 저⋅갈수기에 수질이 악화되는 하천의 오염원인을 판단하기 위하여 대상하천별 하수처리 인구 및 산업폐수방류량을 조사하였으며, 하수미처리 인구가 많거나 산업폐수방류량이 많을수록 오염원인으로 판단하였다.

점오염원 중 하수미처리 인구에 의한 오염하천은 상송천, 마사천, 도고천, 맹곡천, 학성천으로 나타났으며, 산업폐수방류량에 의한 오염하천은 오목천, 매곡천으로 나타났다. 미처리인구 및 산업폐수에 의한 오염하천은 천안천과 온천천으로 나타났다(Table 7).

비점오염원이 원인인 의한 오염하천 중 음봉천, 와천, 구례천의 농지비 및 대지비는 기준보다 낮았으며, 상대적으로 가축사육두수가 많은 것으로 나타나 가축분뇨에 의한 오염하천으로 판단하였으며, 본 연구에서 설정한 농지비를 초과하는 하천은 봉농천, 장성천, 종현천, 오봉천, 석우천, 성리천, 신창천, 용궁천, 학성천, 오목천으로 나타났으며, 대지로 인한 오염하천은 천안천과, 온천천으로 나타났다, 가축 및 농지에 의한 오염하천은 대천천, 남원천으로 나타났다(Table 8).

4.1 결 론

본 연구에서는 삽교호로 유입되는 지류하천 48개소에 대하여 수질⋅유량 모니터링을 실시하고 목표수질을 설정하여 부하지속곡선(LDC)을 작성하였다. 유황시기별 목표수질을 초과하는 하천을 선정하고 초과 오염원인을 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

1) 실측 수질⋅유량을 반영한 유달부하량(BOD(mg/L)× Flow(m³/s)×86.4)이 목표수질을 반영한 부하지속곡선을 상회하는 경우 목표수질을 초과하는 것으로 판단할 수 있으며, 대상하천 48개소 중 22개 하천이 목표수질을 초과하는 것으로 나타났다.

2) 점오염원에 의해 목표수질을 초과하는 하천은 5개소, 비점오염원이 원인인 하천은 13개소, 점/비점오염원 모두가 원인인 하천은 4개하천으로 나타났다.

3) 미처리된 생활하수가 수질악화 원인인 하천은 도고천, 학성천, 매곡천, 마사천, 상송천 5개소로 이들 하천 유역에는 하수처리장 신규설치 처리구역 확대를 통한 미처리인구에 의한 오염부하량 유입을 저감시킬 필요가 있다.

4) 산업폐수방류량이 수질악화 원인인 하천은 오목천과 매곡천으로 이중 오목천(아산시 실옥동)에 위치하고 산업폐수를 방류하는 산업체 중 방류량이 많고 방류수질이 상대적으로 높은 산업체는 2곳으로 조사되었으며, 이들 사업장의 방류량은 2개소 합계 5,782m³/일로 많고 방류수질은 BOD 기준 평균 18.1mg/L로 상대적으로 높아 방류수질 개선이 필요할 것으로 판단된다.

5) 비점오염원에 의해 목표수질을 초과하는 중 농지비율이 상대적으로 높은 하천은 12개소(봉농천, 학성천, 장성천, 종현천, 오목천, 석우천, 성리천, 신창천, 용궁천, 오봉천, 대천천, 남원천)로 이들 하천유역에 위치한 농가들에게 농사시 친환경비료 사용을 권장하고 강우시 유입되는 오염부하량을 저감할 수 있는 비점저감시설(저류지, 둠벙등)을 설치하거나 물꼬관리 등을 통해 강우시 하천으로 유입되는 농업비점 오염부하량을 저감시켜야 한다.

6) 가축사육두수가 많은 하천은 5개소(음봉천, 구례천, 와천, 대천천, 남원천)로 이들 하천에 위치한 축사를 우선적으로 가축분뇨처리장(공공&공동처리, 위탁, 재활용)으로 이송처리를 추진하고 장기적으로는 가축사육제한구역 지정, 양분총량제 도입 등의 가축분뇨 관리정책을 추진해 나가야 할 것으로 판단된다.

7) 도시화에 따른 대지면적 비율이 높은 천안천 및 온천천은 강우시 하천으로 유입되는 오염부하량을 저감하기 위하여 초기우수처리시설(간이처리장, 저류지 등)이 필요하며, 비강우시에는 지속적으로 도로청소차를 활용한 도로청소를 실시하여 강우시 유입되는 오염물질의 양을 저감시킬 필요가 있다.

8) 본 연구에서 선정된 관리대상 하천 중 오목천에 위치한 신정호(마산저수지)는 2020년 환경부 중점관리저수지로 지정되어 하수관거 정비, 인공습지 조성, 하수처리수 재이용, 오목천 생태습지 조성 등의 사업(사업비 513억원)들을 통해 현재 TOC 기준 Ⅴ등급(나쁨)에서 Ⅲ등급(보통) 수준으로 개선할 예정으로 이들 사업이 완료되면 오목천의 수질이 개선될 것으로 판단된다.

9) 삽교호로 유입되는 지류하천중 유량이 가장 많고 수질이 악화되어 있는 천안천은 유역내 하수처리율이 93%로 높지만 천안공공하수처리장(시설용량 220,000m³/일)의 BOD 방류수질은 6.2mg/L(삽교호수계 천안시 수질오염총량관리 시행계획 2019년 이행평가)로 높게 나타나고 있다. 천안공공하수처리장의 수질개선을 위하여 환경부(금강유역환경청)에서는 BOD 항목의 기존 법정방류수질을 2025년까지 10mg/L에서 3mg/L로 강화하는 내용을 포함한 ‘삽교천 단위유역 방류수질 기준 강화지역 고시(금강유역청고시 제2019-14호)’를 고시하였으며, 이를 실천하기 위하여 천안시에서는 ‘천안천 수질개선 통합집중형 사업’을 통해 천안공공하수처리장의 방류수질을 3mg/L을 달성할 수 있도록 시설개량을 추진하고 있으므로 지속적인 관찰이 필요할 것으로 보인다.

4.2 연구의 한계 및 향후 연구과제

본 연구에서는 삽교호의 수질개선을 위하여 삽교호로 유입되는 지류하천에 대하여 모니터링을 실시하였며, 그 결과를 바탕으로 부하지속곡선을 작성하고 유황시기별로 오염원인을 파악하였으며, 오염원인에 대한 수질개선방안을 제시하였다. 그러나 본 연구에 활용된 수질⋅유량 모니터링 자료는 2018년~2020년까지 총36회의 측정값 활용하여 부하지속곡선을 작성하여 전체적인 데이터 개수가 부족하였다.

현재 충남도에서는 본 연구에서 대상하천으로 선정한 48개소를 포함하여 163개소 지점에 대하여 하천의 수질현황 및 물환경관리계획 수립등을 위하여 월 1회 모니터링 하고 있다. 이에 따라 향후 모니터링 결과를 확보하여 금회 산정된 부하지속곡선(LDC)의 신뢰도를 향상 시키도록 하겠다.