2.1 유역구분

유역구분을 위하여 국가공간정보포털(^{Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2022})의 수자원 주제도를 사용하여 중권역, 소권역을 구분하였고, 수치지형도 및 연속지적도를 기초로 ArcGIS를 활용하여 수계망도를 중첩하여 모니터링 대상하천 125개의 소유역을 생성하였다(Fig. 1).

Fig. 1. (a) Watershed boundaries in the Chungchoengnam-do province and (b) water quality monitoring sites of the tributaries.

2.2 모니터링 자료

충청남도에서 수행한 ‘물관리 정보자료 구축 모니터링 사업(^{ChungNam Institute, 2023})’의 자료(2011년~2022년)를 활용하였다. 수질측정 지점은 총 125개소로(Fig. 2), 채수 및 유량조사는 충남연구원에서 수행하였고 수질분석은 충청남도 보건환경연구원에서 수행하였다.

Fig. 2. Box plots of the water quality (BOD) concentration of the monitoring.

유량조사는 도섭법으로 실시하였으며, 현장에서는 측정장비(YSI pro DSS)를 사용하여 3개 항목(수온, pH, 전기전도도)을 측정하였으며, 수질분석은 충청남도보건환경연구원에서 수질오염공정시험기준에 따라 5개 항목(BOD, Chemical oxygen demand (COD), Total-Nitrogen (T-N), T-P, Suspended solid (SS))을 분석하였다.

2.3 수질경향성 분석

장기 추세 분석은 통계적 기법인 Mann-Kendall test와 Sen’s Slope를 이용하여 평가하였다. 장기간 축적된 모니터링 자료를 이용하여 대상지점의 수질 변화를 분석하여 시기별 수질 변화 양상을 검토하였다(^{Kal et al., 2022}). 이와 같은 방법을 사용하여 각 하천별로 수질이 악화되는지 개선되는지 경향성을 파악하였다. Mann-Kendall test를 통해 수질변화의 경향성 여부를(p-value≥0.05) 판단하고, Sen’s Slope 방법을 통해 수질변동경향성이 악화되는지 개선되는지 평가한다.

2.4 하천등급화 산정

하천 수질을 개선하기 위해서는 수질 개선이 필요한 하천유역을 선정하여 적합한 목표 수질을 시행할 수 있으며 지역별 특성을 고려한 수질 개선방안이 수립⋅시행되어야 한다. 이를 위해서는 유량 및 수질 모니터링 결과에 기초한 하천 등급화 방법이 시행되어야 한다(^{Na et al., 2015}).

본 연구에서는 수질 개선 대상 우선순위를 선정하기 위한 등급화 방법은 ^{Na et al. (2015)}과 동일하게 수질항목(BOD, T-P)는 활환경기준 II 등급 (약간좋음)을 기준으로 하였으며, X축은 BOD의 경우 3.0 mg/L인 지점에, TP는 0.1 mg/L을 기준으로 할 때 Y축과 교차하도록 하였다. Y축은 지류하천의 평균 유량값과 건전한 수생태 기능을 확보하기 위한 최소하천 유지유량을 고려하여 0.1 m³/s 이상을 기준으로 하였다(^{Na et al., 2015}). Y축은 유량을 로그(log) 형태로 X축은 수질 항목으로 하여 X축과 Y축의 교차지점 기준으로 하천을 4개 그룹(A~D)으로 구분하였다(^{Lim et al., 2010}).

Group A는 하천에 유량이 많고 수질오염도(BOD, T-P)가 높아 수질 개선 대책이 우선으로 필요한 지점이며, Group B는 평균 유량을 유지하면서 수질오염도(BOD, T-P)가 낮아 물 환경 관리 측면에서 양호한 지점, Group C는 수질 측면보다는 평상시 평균 유량을 유지할 수 없어 수량(Water Flow) 확보에 관심을 기울여야 할 지점, Group D는 평상시 유량이 적고 수질(BOD, T-P)이 높아 수질 개선대책 및 수량 확보에도 관심을 기울여야 지점이다(^{Cho et al., 2018}).

3.1 모니터링 결과

2011년부터 2022년까지 125개 하천에 대하여 수행한 모니터링 결과, BOD 항목은 하천생활환경기준 매우좋음(Ⅰa) 등급은 10개소(8.0%), 좋음(Ⅰb) 등급은 45개소(36.0%), 약간좋음(Ⅱ) 등급은 25개소(20.0%), 보통(Ⅲ) 등급은 30개소(24.0%), 약간나쁨(Ⅳ) 등급은 13개소(10.4%), 나쁨(Ⅴ) 등급은 1개소(0.8%), 매우나쁨(Ⅵ) 등급은 1개소(0.8%)로 나타났다.

T-P 항목은 매우좋음(Ⅰa) 등급은 3개소(2.4%), 좋음(Ⅰb) 등급은 18개소(14.4%), 약간좋음(Ⅱ) 등급은 52개소(41.6%), 보통(Ⅲ) 등급은 36개소(28.8%), 약간나쁨(Ⅳ) 등급은 7개소(5.6%), 나쁨(Ⅴ) 등급은 9개소(7.2%), 매우나쁨(Ⅵ) 등급은 없는 것으로 나타났다(Table 1, Fig. 3, Fig. 4).

Fig. 3. Box plots of the water quality (T-P) concentration of the monitoring

Fig. 4. Grade Classfication based on Water quality (BOD, T-P).

3.2 수질 경향성 평가

모니터링 대상하천 125개소에 대하여 통계적 기법인 Mann- Kendall test와 Sen’s Slope를 이용하여 수질경향성을 평가하였다(Table 2).

p는 p-value를 의미하며 Mann-Kendall test를 통해 산정하였으며 유의수준 5%를 초과하면 경향성(Trend)이 없는 것으로 평가하였다. p-value<0.05일 때 Sen’s Slope 이용하여 기울기(Slope)를 산정하였으며, 기울기가 양수(+)이면 수질오염도는 악화되고, 음수(-)이면 수질오염도는 개선되는 것으로 평가하였다.

BOD 항목에 대한 평가결과 수질이 개선되고 있는 하천은 56개소(44.8%), 수질이 악화되고 있는 하천은 13개소(10.4%)로 나타났으며, T-P 항목에 대한 평가결과 수질이 개선되고 있는 하천은 64개소(51.2%), 수질이 악화되고 있는 하천은 16개소(12.8%)로 나타났다(Table 2).

Slope 값이 클수록 수질 악화 속도가 크다는 것을 의미하며, Slope 값이 작을수록 수질 개선 속도 크다는 것을 의미한다. BOD 항목의 경우 Slope 값이 태안천이 가장 높게 나타났고, 남포천, 신장천순으로 나타났다, T-P 항목은 신흥천, 용봉천, 용두천 순으로 나타났다.

3.3 하천그룹화 평가

현재 운영중인 수질오염총량제는 수계 내 모든 지역을 대상으로 수질(BOD, T-P), 유량(단일 공통유량 조건), 오염원 등의 요인을 평가한 후 목표수질을 설정하고 목표수질달성을 위한 삭감계획 수립 등의 절차를 거쳐 의무제로 수행된다. 이에 반해 지류총량제는 기존 획일적관리에서 벗어난 맞춤형제도로 지방정부, 민간단체, 지역주민, 전문가 등이 참여하여, 자발적으로 수질개선이 필요한 지역(지류)을 대상으로 목표수질을 선정하고 이를 달성하기 위해 공동의 노력을 이행하는 제도이다.

지류총량제를 시행하기 위해서는 우선적으로 수질 개선이 필요한 하천유역을 선정하여야 하는데, 이를 위해서는 모니터링(유량&수질) 결과에 기초한 하천 그룹화 방법이 시행되어야 한다(^{Cho et al., 2019}).

제한적인 재정여건에서 선택과 집중을 통해 수질개선이 필요한 하천을 선정하는 것이 중요한데 본 연구에서는 수질오염총량제 관리대상물질(BOD, T-P)을 대상으로 Mann-Kendall test와 Sen’s Slope를 이용하여 총 125개 하천에 대하여 수질경향성을 평가하였고, 평가결과 수질이 악화되는 경향을 보이는 하천은 BOD 13개소, T-P 16개소로 나타났다. 수질이 악화되는 하천을 대상으로 하천그룹화 기법을 적용하여 수질오염도가 높고, 유량이 많은 A그룹을 지류총량제 대상하천으로 선정하였다(Table 2).

유량은 하천유지를 위한 최소 유지 유량 0.1 m³/s를(^{Na et al., 2015}). 기준으로, 수질은 각 항목별로 충청남도에서 목료포 삼고 있는 하천생활환경기준 약간좋음(Ⅱ)등급(BOD: 3 mg/L이하, T-P: 0.01 mg/L이하)을 기준으로 하였다.

BOD 항목 도입대상 하천은 A그룹(아산천, 둔당천, 금리천, 입장천, 남포천, 성환천, 와룡천) 7개 하천이 선정되었으며, T-P 항목 도입대상은 A그룹(방축천, 청지천, 입장천, 석우천, 신창천, 신언천, 용궁천) 7개 하천이 선정되었다(Table 3, Fig 5).

Fig. 5. Total Pollution Load Management at Tributaries of Unit Watershed.

Group B는 유량이 기준(0.1 m³/s) 이상이나, 수질(BOD, T-P)은 기준이하인 하천으로 비교적 유량이 많고 수질농도가 낮아 본류의 수질농도를 농도를 낮추는 역할을 하고 있어 유역관리 차원에서 지향해야 하는 그룹으로 BOD 항목은 4개소(병천천, 성리천, 신장천, 용두천), T-P 항목은 5개소(노성천, 병천천, 사동천, 용두천, 용봉천)으로 나타났다.

Group C는 수질은 양호하나 유량이 적어 필요에 따라 수량 확보에 관심을 기울어야 하는 하천들로 BOD 항목은 1개소(하포천), T-P 항목은 2개소(구례천, 노전천)이며, Group D는 하천 유량이 적은 반면 수질농도는 높아 수질개선 뿐만 아니라 수량 확보에도 관심을 기울어야 하는 대신에 적은 비용과 노력으로 단시간에 수질개선이 가능한 하천들로 BOD 항목은 1개소(태안천), T-P 항목은 2개소(비인천, 신흥천)으로 나타났다.

4.1 결론

본 연구에서는 충청남도 내 위치한 지방하천의 수질개선을 위하여 모니터링을 실시한 결과를 바탕으로 각 하천별로 Mann-Kendall test와 Sen’s Slope을 이용하여 변동계수와 수질 추세의 경향성을 평가하고, 하천그룹화 방법을 통해 지류총량제 우선도입 대상하천을 선정하였다.

1) 충청남도는 크게 4개(금강, 삽교천, 서해, 한강)의 수계으로 나눌수 있는데, BOD 항목의 약간좋음(Ⅱ등급)을 만족하는 하천 비율이 높은 수계는 금강수계로 총 42개 하천 중 약간좋음(Ⅱ등급)을 만족하는 하천은 32개소(76.2%) 가장 높았으며, 삽교천수계 34개소(72.3%), 서해수계 14개소(45.%), 한강수계 순으로 나타났다. 특히 한강수계에 해당하는 5개 하천은 모두 보통(Ⅲ등급) 이상 수질로 나타났다. T-P 항목에서도 금강수계가 31개소(73.8%)로 가장 높았으며, 서해수계 20개소(64.5%), 삽교천수계 22개소(46.8%), 한강수계 0개소(0.0%) 순으로 나타났다.

2) 각 하천(125개소)에 대하여 수질항목(BOD, T-P)별 수질경향성 평가 결과, BOD 항목은 56개소(44.8%)가 수질이 개선되는 경향을 보이는 것으로 나타났고, 13개소(10.4%)가 수질이 악화되는 경향으로 나타났다. 수계별로는 금강수계 42개 대상하천 중 29개소(69.0%) 하천의 수질이 개선되는 것으로 나타났으며, 2개소(4.8%)만 악화되는 추세를 보이는 것으로 평가되었다. T-P 항목은 64개소(51.2%) 하천의 수질이 개선되는 것으로 나타났으며, 16개소(12.8%) 하천은 수질이 악화되는 추세를 보이는 것으로 평가 되었다.

3) 수질이 악화되는 경향성을 보이는 하천(BOD: 13개소, T-P: 16개소)에 대하여 하천그룹화 기법을 사용하여 A~D그룹으로 구분하였으며, 유량이 많고, 수질오염도가 높은 A그룹은 우선 관리가 필요한 하천으로 지류총량제 도입대상 하천으로 선정하였다. BOD 항목에 도입이 필요한 하천은 7개소(아산천, 둔당천, 금리천, 입장천, 남포천, 성환천, 와룡천)이며, T-P 항목의 도입이 필요한 하천은 7개소(방축천, 청지천, 입장천, 석우천, 신창천, 신언천, 용궁천)이다.

4) 본 연구에서는 장기간(2011년~2022년) 축적된 유량⋅수질 모니터링 자료를 바탕으로, 통계기법을 활용하여 현재의 수질경향성을 평가하였다. 수질이 악화되고 있는 유역을 선정함에 따라 향후 수질개선 계획을 수립하는데 활용성이 클 것으로 판단된다. 또한, 현재도 충청남도에서는 주요하천에 대하여 지속적으로 모니터링을 실시하고 있어 이를 바탕으로 각 하천별⋅연도별 수질경향성을 분석하여, 충남도 및 지자체에서 수질개선사업을 추진하는데 도움이 되고자 한다.

4.2 연구의 한계 및 향후 연구과제

본 연구에서는 기존 시행중인 수질오염총량제의 대상항목(BOD, T-P) 항목에 대하여 수질변동성 경향을 평가하고, 수질이 악화되는 경향으로 평가된 하천을 대상으로 지류총량제 도입을 제안하였다. 그러나 지류총량제를 도입하기 위해서는 하천의 수질 및 유량 뿐만 아니라 삭감여력, 목표달성가능성, 시행가능성 등을 충분히 검토되어야 함에도 BOD, T-P 항목만 대상으로 수질변동성 경향을 평가한 것은 한계로 사료된다.

지류총량제는 수질오염총량제의 대상항목(BOD, T-P) 항목 이외에 다양한 항목을 대상물질로 지정할 수 있음으로, 2022년 이후 모니터링 결과를 추가로 반영하고 대상물질을 수질측정대상 항목(BOD, COD, SS, T-N, T-P)로 확대 및 그 외 시행가능성(삭감여력, 목표달성도, 참여의지 등)을 반영한 연구를 진행하여 각 지류별 관리가 필요한 물질을 선정하여 지류총량제 도입 대상하천을 제안하도록 하겠다.