1. 서론
비점오염원은 강우 시 주로 토지계 오염원에서 배출되는 특성을 가지고 있어 수계오염총량제 지침에서 제시하고 있는 토지계 원단위를 통해서 비점오염원 발생부하량을 산정하기도 하나 원단위 산정시 주거지역 및 시가지 지역에서 과대 산정되는 경향을 가지고 있어 정확한 비점오염원 부하량을 산정하는데 그 한계를 가진다. 과학적인 비점오염부하량 산정을 위해서는 생활계 오염원에서 유출되는 관거 월류수, 축산계에서 배출되는 축산퇴비, 토지계 오염원에서 유출되는 토지계오염원 등의 자료를 조사하여 각 오염원에서 강우 시 유출되는 비점오염 부하량 산정이 필요하다. 비점오염물질의 구분은 유역 및 지역의 토지이용 형태별로 강우유출수의 유출 특성이 다양하게 나타나고 강우 시 지표면에 축적되어 있던 각종오염물질들이 유출수에 씻겨 단시간 내에 수체로 유입되는 특성을 나타낸다. 이러한 특성으로 인해 해당 유출수가 유입되는 하천의 수질변화에 심각한 영향을 미치고 있다(Kwon et al., 2011). 비점오염물질은 시간에 따른 부하량 변동폭이 크며, 강우초기에 오염물질의 농도가 매우 높게 나타난다(Roh. et al., 2006; Bedient et al., 1980). 토지이용형태의 급격한 변화(도시화, 공업화)에 따라 토지이용이 고밀도로 이루어지고 있기 때문에 전체 오염유출량에 대한 비점오염 유출량이 점하는 비율이 증가하는 경향에 있으며, 비점오염원의 경우 강우에 의해 유출되어, 직접적으로 하천에 유입되고 있다. 따라서 수역의 수질을 적절히 관리하기 위해서는 유역 내에 분포하는 비점오염 발생량의 공간적 시간적 분포를 우선적으로 파악함과 아울러 수역으로 유출되는 오염발생량을 양적·질적인 측면에서 규명하는 것이 대단히 중요하다(Kwon, 2011). Park et al. (2012)은 소양호 유역의 오염총량관리를 위해 유달율을 산정하는 연구를 수행하였으며, 해당 연구를 통해 특정유역에서의 오염물질별 유달율 산정을 통해 오염부하의 유달특성을 관찰하고자 하였다. 이러한 연구를 통해 유역 내 총량관리 목표수질 설정 및 오염부하량 할당 결정을 할 수 있을 것으로 판단하였다. 유달율은 오염원으로부터 배출된 오염물질이 하천으로 유입되어 수체의 어느 특정지점에 도달하는 비율로서 배출부하량과 유달부하량의 함수로부터 산정되며, 환경용량지표로서 사용되고 있다. 유달율은 유역의 지형적 조건, 수리·수문학적 조건, 기후, 계절 등 매우 다양하고 복잡한 변수들에 의해 결정되기 때문에 수학적 해법으로 계산하기 곤란하다. 일반적인 유달율 산정방법은 수계의 어느 특정 지점에서 유량과 수질을 측정하여 유달부하량을 구한 후 해당수계의 유역 내 배출부하량으로 나누어 주는 것으로 알려져있다. 그러나 이 방법은 유달부하량에 대한 실측자료가 있는 유역에서는 유용하게 사용될 수 있으나 유량과 수질에 대한실측자료가 없는 미계측 유역에서는 유달율 산정이 가능하지 않다(Kim, 2008). 본 연구에서는 금호강 유역 중 중·상류 유역에 유입되는 지천에 대한 모니터링을 통해 강우 및 비강우시 유달부하량을 산정하였다. 또한 전국오염원조사 자료 분석을 통해 해당 유역별 배출부하량을 산정하여 유입 지천들의 비점오염원에 대한 유달율을 산정하였다.
2. 연구 방법
2.1 조사 대상 지점
금호강 유역 중 조사대상지는 대구 및 영천 기상관측소를 포함하고 있다. 본 연구에서는 금호강 유역 중에서도 하수처리장 및 우수관거 등의 영향을 비교적 적게 받는 금호강상류유역을 대상으로 범위를 축소시켜 유역현황 조사를 실시하였다. 금호강 유역 내 수질오염총량관리 수질·유량측정망(이하 총량측정망)과 지류 수질·유량측정망의 조사결과를 토대로 하천 규모가 작거나 유량이 적어 모니터링이 어려운 일부 하천은 조사대상에서 제외하였다. 최종적으로 자호천, 신령천,북안천, 청통천, 오목천을 중심으로 금호강상류 유역을 5개의 소권역으로 병합 및 재분할하여 아래와 같이 도시하였다. 금호강상류 유역의 토지피복분포 현황을 살펴보기 위하여, 국가수자원관리종합정보 시스템(WAMIS)에서 제시하는 토지피복도를 활용하였다. 토지피복분류체계에서는 8개의 코드로 구성되어 있다. 금호강상류 유역의 경우, 토지피복분포체계 8개 코드 중 산림이 69%로 가장 많은 면적을 차지하고 있으며 논(17%), 밭(11%) 등을 포함하고 있다. 습지를 제외한 모 든토지피복을 확인할 수 있었다.
2.2 수질 및 유량 모니터링
금호강 본류 2지점 및 유입지천 4지점에 대해 강우 및 무강우 시 유량, 수질을 모니터링 하였다. 무강우 시기에는 월별 1회 모니터링을 실시하였으며, 강우 시는 정해진 횟수 없이 예보에 따라 모니터링을 수행하였다. 2015년 모니터링은 총 20회 수행하였으며, 무강우시 8회, 강우 시 12회로 구분된다. 조사 간격은 강우 시 현장 상황(강우량, 강우지속시간 등)에 따라 샘플링 개수를 조정하였으며, 무강우 시에는 1~3회 조사를 실시하였다. 수질분석은 수온, 전기전도도, DO 및 pH 항목은 현장에서 샘플링 시 측정하였으며, BOD 등 수질 분석항목의 경우 아이스박스에 보관 후 실험실로 이동하여 ‘수질오염공정시험법’에 따라 분석을 수행 하였다. 무강우 시 조사치는 하천의 기저유량 및 부하량으로 구분하고, 강우 시 측정된 조사치와의 차이를 통해 유역에서 하천으로 유입되어 유하되는 비점오염원 부하량을 산정하고자 하였다. 각각의 지점별 유량 측정은 도섭법으로 측정 하였으며, 강우량이 많아 유량이 증가 될 시 부자를 활용하여 측정 하였다. 향후 장마와같이 강우량이 급격히 증가 할 시 측정자의 안전 및 측정의 용이함을 위해 지점별 목자판을 설치하였으며, 이를 활용한 수위-유량 관계식을 도출할 예정이다.
2.3 유달율 산정
유달율이란 각 오염원으로부터 배출된 오염물질이 하천에 도달하는 비율로서 일반적으로 오염원으로부터 배출되는 오·폐수의 특성에 따라 차이가 있다. 이러한 유달율은 침식토양의 유달율, 합리식의 유출계수, 통계식을 이용한 유달율, 실측치를 이용한 유달율, 모형을 이용한 유달율 등과 같이 다양한 방법에 의해 결정된다(Shim, 2010). 본 연구에서는 아래 식과 같이 해당유역에서의 배출부하량과 모니터링 지점에서의 유달부하량의 비로 산정하였다.
위 식에서 ζ는 유달율이고, Ce는 대상물질농도(kg/m3), Qe는 하단부에서의 유량(m3/day), Li는 해당구역에서의 배출부하량(kg/day)이다.
3. 연구 결과
3.1 수질 및 유량 모니터링 결과
복합토지피복 유역으로 자호천, 신령천, 북안천, 청통천 및 오목천을 중심으로 5개의 소권역으로 병합 및 재분할하여 모니터링을 실시하였다. 먼저 제일 상류에 위치하는 자호천 지점의 평균 수질농도를 살펴보면, BOD 1.69mg/L, T-N 2.06mg/L, T-P 0.07 mg/L로 조사되었다. 신령천 수질의 경우, BOD2.10 mg/L, T-N 3.74 mg/L, T-P 0.11 mg/L로 조사되었다. 다음순으로 북안천 지점의 수질은 BOD 2.44 mg/L, T-N 2.58 mg/L, T-P 0.15 mg/L, 청통천 지점은 BOD 2.96 mg/L, T-N 3.52 mg/L, T-P 0.27 mg/L, 오목천 지점은 BOD 2.51 mg/L, T-N 2.88 mg/L, T-P 0.15 mg/L로 조사되었다. 수질항목별 각각의 조사지점에 대해 농도 비교 결과를 살펴보면, 청통천의 경우 T-N 항목을 제외하고는 다른 지점에 비해 오염도가 높게 조사되었다. 해당 하천의 경우 강우 시 하천 주변 토사 유입량이 많아 타 지점에 비해 탁도가 높게 조사 되었다. 지천 중 신령천 및 청통천이 T-N 항목에서 높게 조사되었으며 오목천 > 북안천 > 자호천 순으로 농도차이를 나타내었다. T-P의 경우 청통천이 0.27 mg/L로 다른 대상하천에 비해 높게 조사되었다. 오염도가 높게 조사된 청통천의 경우 다른 하천들에 비해 평균유량이 0.93 m3/sec로 가장 적고 하류부에는 조산천이 유입되고 있다. 조산천의 경우 도시개발(아파트단지 조성) 후 하천정비사업을 통해 수량이 확보된 하천으로 도시유역을 통과한 후 청통천으로 유입되게 된다. 이러한 개발 및 정비로 인한 오염물질 유입이 하천의 수질 오염도를 높인 원인으로 판단된다.
2015년 조사대상 지점들에 대한 유량 측정 결과를 강우 및 비강우시로 구분하여 Fig. 2에 나타내었다. 강우 시기의 유량측정 결과를 살펴보면, 5개의 하천 중 자호천의 최대/최소 유량비가 36.91로 강우에 따른 변화가 가장 큰 것으로 조사되었다. 신령천의 경우 비강우 시 평균유량이 1.60 m3/sec로 조사되었으나, 강우량 변화에 따른 유량의 최대/최소비가 12.25로 높은 변화율을 나타내었다. 북안천과 청통천의 경우 유사한 최대/최소비를 나타내었으며, 오목천의 경우 11.33으로 높은 변화율을 나타내었다. 자호천, 신령천 및 오목천의 경우 하천주변 도심지가 형성되어 다른 조사유역에 비해 토지피복의 불투수율이 높은 유역이다. 도심을 포함하고 있는 유역의 토지이용형태로 인한 강우 유출수의 유출율 증가가 다른 유역에 비해 유량변화가 크게 발생한 원인으로 판단된다.
조사 대상지점에 대한 2015년 수질분석 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 연간 변화 형태를 분석해본 결과 조사대상 지점 모두 강우에 따른 BOD 변화의 경우 연중 3월에 발생된 초기 강우에 따른 농도가 가장 높게 조사되었고 이후 후속 강우에 따라 연말에 해당하는 12월경에는 농도가 감소하는 경향을 나타내었다. 7월에서 9월 사이 다수의 높은 강우 발생 시 일부농도가 증가하는 시기도 있었으나 BOD 농도는 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 갈수기에 해당하는 시기에 축적된 오염물질이 연중 초기 발생하는 강우사상에 의해 씻김현상을 나타내고, 이러한 이유로 인해 연간 농도가 감소하는 경향을 나타내는 것으로 판단된다. T-N 및 T-P의 경우, 연중 강우누적에 따른 농도 변화가 BOD와는 반대의 경향을 나타내었다. 특히 7월과 8월 사이에 높은 농도를 보이고 이후 강우 발생비율이 낮은 갈수 시 농도가 증가하는 경향을 나타내었다. TN 및 T-P는 농경지 경작에 사용되는 비료로서 토지에 가장 많이 사용되고 있으며, 기온이 상승하는 3월경 작물재배를 위해 대다수의 농경지에 다량 살포된다. 더불어 2모작을 하는 밭지역의 경우 6월경 1차 작물을 수확하고, 비료를 투입하여 2차 작물 재배를 위한 준비기를 거치게 된다. 이러한 작물재배형태에 따라 투입되는 비료가 강우 유출수에 포함되어 강우누적에 따라 농도가 증가하는 경향을 나타낸 것으로 판단된다.
3.2. 하천별 비점오염원 부하량 산정
비점오염원은 강우 시 주로 토지계 오염원에서 배출되는 특성을 가지고 있어 수계오염총량제 지침에서 제시하고 있는 토지계 원단위를 통해서 비점오염원 발생부하량을 산정하기도 하나 원단위 산정 시 주거지역 및 시가지 지역에서 과대 산정되는 경향을 가지고 있어 정확한 비점오염원 부하량을 산정하는데 그 한계를 가진다. 과학적인 비점오염부하량 산정을 위해서는 생활계 오염원에서 유출되는 관거 월류수, 축산계에서 배출되는 축산퇴비, 토지계 오염원에서 유출되는 토지계 오염원 등의 자료를 조사하여 각 오염원에서 강우 시 유출되는 비점오염 부하량 산정이 필요하다(Committee for the Nakdong River Water Management System, 2015). 본 연구에서는 전국오염원 조사 자료를 이용하여 조사대상 유역에 대한 배출부하량을 산정하고, 강우 및 비강우 시 모니터링 결과를 활용하여 유역별 유달부하량을 산정하였다. 유역별 산정된 배출부하량을 Table 4에 나타내었다. BOD 배출부하량의 경우 오목천이 2715.1 kg/day로 가장 높게 조사되었으며, 북안천이 1108.2 kg/day로 가장 낮게 산정되었다. T-N 배출부하량은 자호천이 1416.5 kg/day로 가장 높게 조사되었으며, T-P 배출부하량은 오목천이 105.7 kg/day로 가장 높게 조사되었다. 유역별 면적 대비 배출부하량을 비교하기 위해 단위면적당 비점오염원 배출부하량(단위: kg/day·km2)을 비교하여Fig. 5에 나타내었다.
Table 1
Information of land use in the survey basin
Table 2
Summary of flow and water quality monitoring results
Table 3
Flow ratio of survey sites according to rainfall occurrence
Table 4
Calculation of the discharged pollution load at the survey basin (unit: kg/day)
| Value | Jaho | Sinryung | Bukan | Cheongtong | Omok |
|---|---|---|---|---|---|
| Area (km2) | 439.3 | 343.5 | 115.9 | 223.6 | 220.2 |
| BOD | 1582.9 | 1456.8 | 1108.2 | 1499.8 | 2715.1 |
| T-N | 1416.5 | 1224.3 | 521.4 | 912.5 | 1124.8 |
| T-P | 100.3 | 88.8 | 46.8 | 74.9 | 105.7 |
Fig. 5의 y축은 항목별 값의 차이가 있어 log scale로 변환하여 작성하였다. 결과를 살펴보며, BOD 및 T-N 항목은 대상유역들 중 오목천유역이 가장 크게 조사되었으며, 북안천 >청통천 > 신령천 > 자호천 순으로 단위면적당 부하량의 차이를 나타내었다. T-P 항목의 경우 자호천이 가장 크게 조사되었으며, 다음으로는 신령천 > 청통천 > 북안천 > 오목천 순으로 산정되었다.
강우시기와 비강우 시기의 부하량 차이를 비교하기 위하여 시기별 모니터링 자료를 구분하고, 해당 시기의 평균 유달부하량을 산정 하였다(Table 5). 강우에 따른 부하량의 변화는 신령천이 가장 크게 조사되었으며, BOD의 경우 강우 시 2.6배 정도 부하량이 증가하는 것으로 조사되었으며, T-N, T-P의 경우 각각 3.9, 5.4배의 차이를 나타내었다. 변화율이 가장 작은 하천은 오목천으로 조사되었으며, BOD 1.8, T-N 3.0 및T-P 2.1배의 차이를 나타내었다. 조사대상 하천들 모두 BOD부하량의 경우 1.8~2.6배의 차이를 나타내었으나, 영양염류 항목인 T-N, T-P의 경우 2.1~5.4배로 조사되어 BOD 부하량에 비해 큰 변화율을 나타내었다. 하천 주변의 경우 대부분 초지로 이루어져 있고, 도시를 포함하고 있는 하천의 경우 인위적인 개발 및 경작 행위로 인해 강우 유출수에 영양염류가다량 포함되어 하천으로 유입됨으로 인해 유기물질에 비해 부하량이 높게 나타난 것으로 판단된다.
Table 5
Calculation of the delivery load at the survey basin (unit: kg/day)
3.3. 하천별 비점오염원 유달율 산정
Table 6 및 Fig. 6에 조사대상 유역에 대해 강우 시기와 비강우 시기로 구분하여 항목별 유달율을 산정하여 나타내었다. 자호천의 경우 강우 시 유달율이 BOD 0.91, T-N 1.39, T-P0.85로 가장 높게 조사되었으며, 청통천의 경우 강우 시 유달율이 BOD 0.19, T-N 0.55, T-P 0.50으로 가장 낮게 조사되었다. 자호천의 경우 조사대상 유역 중 제일 상류에 위치하며, 유역 면적 또한 가장 큰 곳이다.
Table 6
Delivery ratio of the survey sites
Fig. 6
Delivery ratio of the survey sites according to rainfall occurrence(delivery ratio of survey sites : a)~b), delivery ratio as range of precipitation : c)~f))
또한 주변 유역이 대부분 산림 및 농지로 이루어져 있고, 건천화된 소규모 유입 지천이 포함되어 다른 유역에 비해 강우시 유기물질 및 영양염류물질이 유입되어 이러한 결과를 나타낸 것으로 판단된다. 청통천의 경우 작은 유역면적과 하천정비 사업으로 인한 주변 경지 정리로 인해 외부 유출수의 하천 유입율이 낮아 강우 시의 유달율이 작게 나타난 것으로 판단된다. 강우 시와 비강우시의 유달율을 비교해 보면, 조사 유역별 강우발생 유무에 따른 오염물질별 유달율 차이가 크게조사되었다. Kim(2008)은 호소 유역에 대해 강우 발생에 따른 유달율 변화를 조사한 결과 비점오염물질이 유입되는 강우 시에 유달율이 크게 증가 하고 비강우 시에는 수중 유기물질이 하천에서의 자정율이 높아 겨울철과 갈수기를 제외하면 유달율이 낮게 산정된다는 결과를 도출 하였다. 항목별로는BOD의 경우 강우 및 비강우시의 유달율이 1을 초과하지 않았으나, T-N의 경우 강우 시 청통천을 제외한 나머지 유역에서 모두 1을 초과하였다. 일반적인 유달율은 이론적으로 1을 초과하지 않아야 하지만 지역별 강우 편차가 크고, 하천주변 완충지에 대한 인위적 관리가 이루어지는 우리나라 실정으로 인해 지역별, 조사 항목별 유달율이 1을 초과하는 현상이 발생하는 것으로 판단된다.
강우사상별 유달율을 산정하여 Table 7에 나타내었다. 강우사상별 조사 횟수가 동일하지 않아 정량 분석은 할 수 없었다. 강우사상에 따른 유달율을 살펴보면, 50 mm 이하의 강우사상별 유달율은 하천별로는 그 차이를 나타내었으나, 동일한 하천에서 강우사상 구분에 따른 유달율의 차이는 크게 나타나지 않았다. 50 mm이상의 강우사상에서는 모든 항목의 유달율이 1을 초과 하였다. 하천별로는 자호천의 초과율이 가장 크게 나타났으며, 다른 하천의 경우 항목별로 차이를 나타내었다. 30~50 mm 범위의 강우사상에서도 일부 하천에서는 ‘1’을 초과하는 유달율을 나타내었으며, 당시 강우량이 42 mm로 조사되었다. 50 mm 이상의 강우사상은 조사기간 동안 1회 모니터링이 수행되었으며, 향후 해당 강우사상에 대한 모니터링 횟수 추가를 통해 좀 더 상세한 분석 결과를 도출 할 수 있을 것으로 판단된다.
Table 7
Delivery ratio of Nonpoint sources in survey sites during the precipitation
4. 결론
본 연구에서는 금호강 유역 중 상류부에 해당하는 유역 내 하천들을 강우 및 비강우 시로 구분하여 모니터링 하였으며, 그 결과를 토대로 해당 지천별 비점오염원에 대한 유달율을 산정하였다. 유달율 산정은 실측법을 활용하였으며, 배출부하량은 검증이 완료된 전국오염원조사 자료를 이용하였다. 대상유역에 대한 모니터링 결과 및 유달율 산정결과는 아래와 같다.
1) 조사 대상 하천별 강우에 따른 BOD 변화의 경우 연중 3월에 발생된 초기 강우에 따른 농도가 가장 높게 조사되었고 이후 후속 강우에 따라 연말에 해당하는 12월경에는 농도가 감소하는 경향을 나타내었다. 7월에서 9월 사이 다수의 높은강우 발생 시 일부 농도가 증가하는 시기도 있었으나 BOD농도는 감소하는 경향을 나타내었다. T-N 및 T-P의 경우, 연중 강우누적에 따른 농도 변화가 BOD와는 반대의 경향을 나타내었다. 특히 7월과 8월 사이에 높은 농도를 보이고 이후 강우 발생 비율이 낮은 갈수 시 농도가 증가하는 경향을 나타내었다.
2) 유역별 단위면적당 비점오염원 배출부하량은 BOD 및 T-N 항목은 대상 유역들 중 오목천유역이 가장 크게 조사되었으며, 북안천 > 청통천 > 신령천 > 자호천 순으로 단위면적당 부하량의 차이를 나타내었다. T-P 항목의 경우 자호천이 가장 크게 조사되었으며, 다음으로는 신령천 > 청통천 > 북안천 > 오목천 순으로 산정되었다. 유달부하량의 경우 조사대상하천들 모두 강우 및 비강우시의 차이가 크게 조사되었다. BOD 항목이 1.8~2.6배의 차이를 나타내었으나, 영양염류 항목인 T-N, T-P의 경우 2.1 ~ 5.4배로 조사되어 BOD 부하량에 비해 큰 변화율을 나타내었다.
3) 유역별 유달율 산정 결과, 자호천의 경우 강우 시 유달율이 BOD 0.91, T-N 1.39, T-P 0.85로 가장 높게 조사되었으며, 청통천의 경우 강우 시 유달율이 BOD 0.19, T-N 0.55, T-P0.50으로 가장 낮게 조사되었다. 항목별로는 BOD의 경우 강우 및 비강우시의 유달율이 1을 초과하지 않았으나, T-N의 경우 강우 시 청통천을 제외한 나머지 유역에서 모두 1을 초과하였다. 일반적인 유달율은 이론적으로 1을 초과하지 않아야 하지만 지역별 강우 편차가 크고, 하천주변 완충지에 대한 인위적 관리가 이루어지는 우리나라 실정으로 인해 지역별, 조사 항목별 유달율이 1을 초과하는 현상이 발생하는 것으로 판단되며 향후 장기모니터링을 통해 심도 있는 실측자료 확보가 필요한 것으로 사료된다.
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