낙동강유역 논재배지 비점오염원 원단위 산정에 관한 연구

The Calculation of NPS Load per Unit Area in Paddy Fields to the Nakdong River Basin

Article information

J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2017;17(3):409-419
Publication date (electronic) : 2017 June 30
doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.3.409
권헌각*, 신석호**, 김광석***, 김영규****, 신동석*****, 임태효
* Member, Researcher, Nakdong River Environment Research Center
** Member, Researcher, Nakdong River Environment Research Center
*** Researcher, Nakdong River Environment Research Center
**** Researcher, Nakdong River Environment Research Center
***** Researcher, Nakdong River Environment Research Center
******Corresponding Author, Member, Researcher, Nakdong River Environment Research Center (Tel: +82-54-950-9713, Fax: +82-54-950-9783, E-mail: imtoehyo@korea.kr)
Received 2017 March 28; Revised 2017 March 29; Accepted 2017 April 06.

Abstract

본 연구에서는 낙동강유역 내 논재배지에 대한 모니터링 결과를 바탕으로 비점오염원의 강우 시 유출 특성을 분석하고, 유량가중평균농도를 산정한 후 비점오염원별 원단위를 산정하였다. 산정된 원단위의 신뢰성 확보를 위해 기존 연구사례와 비교하였다. 논 재배지 모니터링 결과, 강우사상은 3.3~56.7 mm까지 다양하게 조사되었으며, 유출이 발생된 Event의 강우량은 22 mm 이상의 강우사상으로 조사되었다. 유출이 발생된 강우사상의 경우, 강우강도가 1.42~3.35 mm/hr로 유출이 발생되지 않은 다른 강우사상에 비해 2배 정도 높게 조사되었다. 조사 당시 총 유출량은 8.04 m2, 7.50 m2, 17.43 m2, 10.22 m2으로 유출율은 0.34 이상으로 조사되었다. 강우사상에 따른 비점오염물질 농도 변화는, 강우량 및 강우강도에 따라 차이는 있으나, BOD, COD, TOC 항목의 경우 유출초기 높은 농도를 나타내다 후반부로 갈수록 농도가 낮아지는 경향을 나타내었다. 비점오염원별 산정된 유량가중평균농도는, BOD 3.3 mg/L, COD 9.8 mg/L, TOC 6.8 mg/L, SS 22.3 mg/L, T-N 1.791 mg/L, T-P 0.359 mg/L로 산정되었다. 강우계급별 산정된 EMCy 는 BOD의 경우 10~30 mm 강우계급에서는 0.5 mg/L로 산정되었으며, 30~50 mm에서는 1.2 mg/L, 50 mm 이상에서는 2.9 mg/L로 산정되었다. 또한 COD는 10~30mm 강우계급에서는 1.6 mg/L로 산정되었으며, 30~50mm에서는 2.9 mg/L, 50mm이상에서는 12.2 mg/L, TOC는 10~30 mm 강우계급에서는 1.2 mg/L로 산정되었으며, 30-50 mm에서는 1.6 mg/L, 50 mm이상에서는 9.2 mg/L로 산정되었다. 논재배지에 대해 2014년에서 2016년 모니터링 강우사상을 대상으로 비점오염원별 원단위를 산정하였다. BOD, COD, TOC, SS, T-N, T-P 가 각각 2.0 kg/km2/day, 8.05 kg/km2/day, 6.0 kg/km2/day, 7.59 kg/km2/day, 1.96 kg/km2/day, 0.30 kg/km2/day로 산정 되었다.

Trans Abstract

In this study, the characteristics of nonpoint sources pollution in paddy fields in Nakdong River basin were analyzed, EMCs was calculated, and the load per unit area was calculated. In order to secure the reliability of the calculated load per unit area, the comparison with prior research and etc. was conducted. As a results of the monitoring of paddy fields were surveyed to 3.3 mm – 56.7 mm, and precipitation events with runoff were observed to have a precipitation of 20 mm or more. Precipitation intensity of runoff was 1.42 mm/hr – 3.35 mm/hr, which was twice as high as that of runoff without runoff. The total runoff was 8.04 m2, 7.50 m2, 17.43 m2 and 10.22 m2 at the time of the survey, and the runoff rate was over 0.34. The variation of nonpoint source pollution concentration due to precipitation event was different according to precipitation and precipitation intensity. In the case of BOD, COD, and TOC items, high concentration was observed at the beginning of the runoff and the tendency to be decreased toward the latter part. The EMCs estimatedx for nonpoint sources were BOD 3.3 mg/L, COD 9.8 mg/L, TOC 6.8 mg/L, SS 22.3 mg/L, T-N 1.791 mg/L, and T-P 0.359 mg/L. The EMCy estimated by precipitation class was 0.5 mg/L at 10-30 mm for BOD, 1.2 mg/L at 30-50 mm, and 2.9 mg/L at over 50 mm. Also, COD was measured 1.6 mg/L at 10-30 mm, 2.9 mg/L at 30-50 mm, and 12.2 mg/L at over 50 mm. TOC was measured as 1.2 mg/L at 10-30 mm, 1.6 mg/L at 30-50 mm, and 9.2 mg/L at over 50 mm. The nonpoint sources pollution load per unit area was calculated using the monitoring results of paddy fields from 2014 to 2016. BOD 2.0 kg/km2/day, COD 8.05 kg/km2/day, TOC 6.0 kg/km2/day, SS 7.59 kg/km2/day, T-N 1.96 kg/km2/day and T-P 0.30 kg/km2/day were calculated for the nonpoint sources load per unit area.

1. 서론

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. 비점오염물질의 구분은 유역 및 지역의 토지이용 형태별로 강우유출수의 유출 특성이 다양하게 나타나고 강우 시 지표에 축적되어 있던 각종 오염물질들이 유출수에 씻겨 단시간 내에 수체로 유입되는 특성을 나타낸다. 이러한 특성으로 인해 해당 유출수가 유입되는 하천의 수질변화에 심각한 영향을 미치고 있다(Kwon et al., 2011).

유역에서 발생한 오염부하가 하천의 특정지점에 도달하기까지는 다양한 기작을 거쳐 저감하게 되는데, 유역 특성에 따른 유출 오염부하 특성 및 정량화는 오염총량관리제에서 목표수질을 설정하고 부하량을 할당하는데 중요한 자료가 된다. 유역의 토지이용과 강우특성은 비점오염부하에 영향을 미치는 중요한 인자들이다. 비점오염물질 농도는 일반적으로 강우초기에 높고 후반기로 갈수록 낮아지는 특성이 있다(Shin et al., 2004). 또한 비점오염원은 발생량, 배출시기 등 배출특성을 파악하는 것이 어려워 효과적인 관리를 위해서는 기상 및 수문 특성에 따른 토지이용별 현장 모니터링을 통한 실측자료의 확보가 매우 중요하다(HRERC, 2009; Yoon et al., 2002). 토지이용형태의 급격한 변화에 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).

본 연구에서는 낙동강유역에 속하는 논재배지를 선정하고, 강우 시 비점오염원 유출에 대한 모니터링을 실시하였다. 모니터링 결과를 활용하여 논재배지에서의 비점오염원 유출 특성을 분석하고, EMCs 및 원단위를 산정하였다. 산정된 원단위는 기존 연구결과 및 총량기술지침 원단위 등과 비교하여 산정된 원단위의 신뢰도를 확보하고자 하였다.

2. 연구방법

2.1 조사 대상 지점

본 연구를 수행하기 위하여, 2014년부터 2015년까지 논재배지의 비점오염원 유출 특성 분석을 위해 안동에 위치한 논재배지를 선정하여 모니터링을 수행하였다. 하지만 조사대상지에서의 강우 시 모니터링 수행 결과 총 33회의 강우사상에 대한 모니터링을 수행하였으나, 유출발생이 2회에 그쳐 2016년 새로운 모니터링 지점을 선정하였다(Fig. 1). 기존 조사지점의 경우 영농 활동에 대해 경작주의 활동에 의존하고 강우예보에 따라 모니터링을 수행하였으나, 2016년 모니터링 수행 시에는 경작주와의 협의를 통해 논에 물대기 이후 수문을 조작 할 시 협조를 받아 모니터링을 수행하는 방법을 선택하였다. 두 가지 형태의 모니터링 방법을 비교해 본 결과 논재배지의 경우 자연적 유출보다는 경작주 필요에 의한 인위적 조작이 주를 이루는 것으로 조사되었다. 벼농사 재배 방법에 따라 물대기 이후 벼 생육기간에는 수문을 조작하지 않으며, 해당시기에는 특이 강우사상 외에는 유출이 발생되지 않는 것으로 조사되었다. 이러한 시행착오를 토대로 하여 2016년 모니터링 대상지를 선택하였으며, 해당 대상지는 경지정리가 완비되었고, 1곳의 유출구를 포함하는 논재배지로 연간 벼만 재배하는 1모작지이다. 경상북도 고령군에 위치하고 있으며, 총 재배면적은 874 m2로 소규모 농경지이다. 논재배지의 경우 토지피복형태가 완전한 투수 지역으로서 재배면적이 클 경우 모니터링 시 다양한 유출수에 대한 샘플링을 수행하기 어려움이 있으며, 경지 정리가 되지 않은 논의 경우 특정한 유출구를 포함하지 않는다. 해당 지점에 대한 모니터링 진행 결정 후 경작주와의 협의를 통해 좌측 수로면의 둑을 높이고, 경작지 내부도 농작물 재배에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 일부 정리 하였다. 또한 원활한 모니터링을 위해 최종 유출구에 내경이 107 mm관을 매설하고 수문을 장착하였다. 장착된 수문은 경작주가 임의로 농작물 재배를 위해 조정 할 수 있도록 하였으며, 조정 시에는 연구소로 연락하여 모니터링을 수행 할 수 있도록 협조체계를 구축하였다. 논 재배지의 경우 작물(벼)을 성장시키기 위해 물을 가두어 두고, 토사가 고와 외부로의 유출이 타 토지피복처럼 발생되지 않는 특징을 보였다. 이러한 재배 특성으로 인해 경작주의 협조가 가장 중요한 모니터링 요소로 작용하였다.

Fig. 1

Location of Survey Sites in this Study

2.2 강우 유출수 모니터링

강우유출수에 대한 특성을 조사하기 위하여 2014년 예비조사를 시작으로 2016년 논재배지에 대한 강우시 비점오염원 유출수에 대한 모니터링을 수행 하였다. 모니터링 시점은 기상청의 일기예보를 바탕으로 조사 대상 지점에 강우강도계 및 유량계를 설치하여 조사대상지점에서 일어나는 강우 형태에 따른 유출수의 변화를 모니터링 하였다. 실측에 사용된 강우강도계는 Tipping Bucket Mechanism 방식의 호주 Environdata Environmental Monitoring & Management 사의 RG-20으로 1min 단위의 강우량 측정이 가능하고, 유량계의 경우 비만관 전자식 유량계로 미국 MARSH McBIRNEY 사의 Flo-Tote3로 1분 단위의 유량측정이 가능하다. 조사대상지점에 대한 유량계의 설치는 최종 유출구에 설치하여 외부로부터 강우유출수의 유입이 없는 상황에서 유출량을 조사 하였다. 시료의 채취 및 분석은 국립환경과학원에서 개정된 ‘강우 유출수 조사방법’에 준하여 이루어 졌고, 강우량 및 유출량의 경우 현장조사를 원칙으로 하였고, 불가할 시 가장 근접한 기상청 자료를 활용하였다.

2.3 유출계수(C) 및 유량가중평균농도(EMCs: Event Mean Concentrations)

비점오염원은 우수유출과 밀접한 관련을 가지고 있으며 강우 유출은 토지이용, 경사도, 식생, 강우강도 등에 따라 차이가 심하다. 유출계수(C)는 유역 상에 일정기간 동안 내리는 강수량으로 인해 유출되어, 그 유역의 출구를 통과하는 유출량의 총강우량에 대한 비율을 뜻하므로 유역의 지형 및 지질 등에 의해 결정된다. 유출계수는 단기로는 홍수 시 유출계수에서 장기로는 월별, 연별 유출계수가 있을 수 있으며 홍수 시 유출계수가 장기유출계수보다 크다. 유출계수 값은 오염물질의 유출량과 밀접한 관계를 가지고 있으며 다음의 Eq. 1과 같이 나타낼 수 있다(Ministry of Environment, 1995). 유출고는 강우 시 총수량을 유역면적으로 나눈 값으로 표시된다.

(1)C=νd/m=1MRm
(2)Vj=i=1NQi·Δt

여기서, Vj = j 지점의 강우 시 총수량 (m2), Qji = j 지점의 i번째 유량(m2/sec), m=1MRm = 총강우량(total rainfall, mm), 유출고(depth of runoff) = γd = V/유역면적 이다. 또한 비점오염 부하는 여러 가지 요인에 따라서 배출되는 부하가 다르기 때문에 이에 대한 적절한 평균농도를 도입하여 특정 강수 시기의 비점오염원의 평균 오염물질 농도로 나타낼 필요가 있다. 평균농도를 산정하는 가장 간단한 방법인 산술 평균농도는 시간간격이 일정할 경우에는 타당한 평균농도로서 제시될 수 있지만, 비점오염원 유출은 실시간으로 변화되는 유출량과 농도의 변화가 있어, 샘플채취가 일정간격으로 이루어지지 않아 산술평균에 의한 평균농도로서는 대표성을 갖지 못하는 단점이 있다.

강우계급 y의 평균 유량가중평균농도, EMCy(mg/L)는 해당 강우계급에 속하는 강우사상들에 대해 산정된 EMCx로부터 다음의 Eq. (3)으로 산정한다.

(3)EMCy=n=1N(EMCxn)N

여기서, EMCxn는 강우계급 y에 해당하는 전체 N개의 강우사상 중 n번째 강우사상의 EMC (mg/L)이다.

2.4 비점오염원 원단위 산정

원단위를 이용한 비점오염부하량 산정은 적용이 간편하기 때문에 많은 국가에서 사용하고 있다. 그러나 비점오염원은 기후, 지형, 일시, 수문조건에 따라 배출양상이 다양하므로 정확한 원단위의 산정을 위해서는 장기간(최소한 5년 이상)에 걸친 연속 측정된 실측자료를 바탕으로 해야 한다. 우리나라에서는 1980년대 초반부터 비점오염원단위를 산정하기 시작하였으나 아직까지는 자료의 축적이 부족하여 토지이용별 정확한 원단위 파악과 토지이용과 연계한 비점오염원 유출량 산정에는 한계가 있다. 그리고 대부분의 원단위가 단일강우 또는 2-3회의 실측자료를 이용하였으므로 각 토지이용에서의 비점오염유출특성을 충분히 반영하지 못하였고, 토지이용구분도 각 토지이용별 세부구분을 하지 못하고 농지, 산지, 도시 등 3-5개의 토지이용구분을 통해 유역의 비점부하량을 산정하여 세부 토지이용별 상세한 원단위 산정은 이루어지지 못했다.

원단위산정기준은 발생량기준, 유출량기준, 유달량 기준의 세가지로 구분할 수 있다. 발생량기준은 단위토지이용에서 단위시간에 발생한량을 말하며, 유출량기준은 발생해서 비점오염원으로 수역으로 유출되는 양을 기준으로 한 경우를 말하며, 유달부하량 기준은 특정지점까지 비점오염원이 배출, 즉 유달되는 양을 기준으로 본다. 본 연구에서는 강우 시 비점오염물질이 유출되는 양을 실측하여 산정하였기 때문에 비점오염원 유출부하원단위에 해당한다.

비점오염원단위를 간단히 정의하면 단위시간당 단위토지면적에서 배출되는 오염물질량을 말하며, 단위는 일반적으로 비점오염부하량(kg 또는 ton)/면적(㏊ 또는 km2)/시간(year 또는 day)으로 나타낸다. 비점오염원의 토지이용별 원단위에 대해서는 많은 문제점도 제기되고 있지만 사용의 간편성과 기존자료의 적용편이성으로 인해 많이 이용되고 있으며 비점오염원 모델에서도 토지이용, 토양특성 및 수리수문학적 사항들과 함께 토지이용별로 원단위 관계식들이 많이 사용되고 있다. 현재 사용되고 있는 원단위산정법으로는 경험식 등을 이용한 계산법과 유역에서 유량과 오염부하량을 실측해서 산정하는 실측법이 있다. 실측법은 조사방법에 따라 크게 3가지로 구분할 수 있다. 첫 번째는 지표면에서 오염물질 총량을 실측한 후 축적율 및 분해율을 적용하는 방법으로 주로 도시지역에서 비점오염원 원단위를 산정하는데 이용된다. 두 번째 방법은 강우 시 특정지역을 통과하는 하천상류와 하류의 수질을 비교하여 수질의 차이를 환산하여 당해 유역에서의 비점오염물질 배출원단위를 산정하는 방법이다. 세 번째 방법은 토지이용별 강우 시 배출물질을 직접 채취하여 농도를 측정하는 방법으로서 측정횟수가 충분하면 원단위산정에서 가장 신빙성이 있는 방법이다. 이 방법은 토지이용별 강우 시 유출수량과 오염부하량을 실측하여 단일강우사상, 월간, 계절간 또는 연간 오염물질의 원단위 계산뿐 아니라 실측한 유량, 강우량, 오염물질 유출량 등을 이용해 각종 회귀식을 이용해 상호관계를 규명하는데 이용하기도 한다. 주요국가의 원단위 산정방법은 각국의 기초자료 축적 상태에 따라 결정된다. 기본 자료가 충실한 미국의 경우, 원단위를 작성코자하는 오염물질에 대해 수년의 연속측정 수질자료와 수량자료를 이용해 원단위를 산정하고 있다. 즉 시료자동채취기와 유량자동측정기를 이용해 유량자료를 자동으로 원격송신하고 수질 중 온도와 용존산소는 현지에서 직접 실측하여 자료를 전송하고 pH, 탁도, 알카리도 등은 시료 채취 후 즉시 실험을 시행한다. 그리고 SS, 각종 질소(NH3-N, 용존유기질소, 퇴적물 부착질소 등), 인(용존인, 퇴적물부착인 등)은 시료채취 후 냉동보관해서 실험실로 운반하여 분석한 농도를 유량과 결합시켜 단일 강우사상별, 연별 원단위를 산정하여 계산식은 다음과 같다.

(4)원단위(kg/ha/year)=Σciqi/A

여기에서 ci: i번째 농도, qi: i번째 유출량, A: 유역면적

장기간의 연속자료가 없는 경우, 수회의 강우-유출-오염측정자료를 이용해 이를 연간의 강우량이나 유출량과 연결시켜 연간 비점오염원단위를 산정하고 있으며 Eq. (5)와 같다.

(5)원단위(kg/ha/year)=kΣciqiti*365/Σt

여기에서 ci: i번째 농도, qi: i번째 유출량, ti: 시료와 관련된 시간간격[(전회시료채취시기 - 당회시료채취시기)/2+(당회시료채취시기-다음시료채취시기/2)], k: 변환계수, 365/∑t: 연간단위 환산계수이다. 이와 같은 방식은 일년 동안 연속해서 비점오염원을 실측조사 할 수 없기 때문에 시료를 채취한 기간에 대해 계산한 값을 연간으로 환산하여 사용하는 것이다. 원단위를 연간으로 환산하는 방법은 강우회수적용법, 우량가중농도법, 유출량가중농도법 등이 있다(Committee for the Nakdong River water management system, 2007).

여기서, L: 년간 부하량, N: 년간 유출이 일어난 횟수, Ia: 출수당 평균부하량, Pa: 년간 평균유효우량, pa: 표본에서의 일출수당 평균유효우량, Qm: 년간 유출량, qm: 실측기간에서의 유출량, Im: 실측기간에서의 평균유량가중농도, Qa: 모집단에서 일출수당 평균유출량, qa: 표본에서의 일출수당 평균유출량 이다.

3. 연구결과

3.1 강우사상별 모니터링 결과

토지피복 분류체계(RS/GIS) 중분류(23단계) 중 논재배지를 선정하여 강우 시 모니터링을 수행하였으며. 모니터링 현황을 Table 2에 나타내었다. 논재배지의 경우, 투수성이 높은 토양으로 실제 모니터링 횟수와 유출이 발생한 횟수는 차이를 나타내었다. 해당 지역의 재배형태를 살펴보면, 조사대상지점이 속한 고령 지역의 경우 모심기 시기가 타 지역에 비해 한 달에서 두 달 정도 늦게 시작하는 형태를 나타내었다. 이러한 재배 형태는 지역별 기온 차이에 의한 영향이 가장 큰 것으로 조사되었으며, 1모작이 행해지는 경작지의 경우 모심기 이전은 휴경지 상태로 두었다. 휴경지 기간 동안은 재배지에 대한 어떠한 형태의 관리도 이루어지지 않았으며, 모심기 일주일 전 쯤 땅을 개량하고 관개수를 채우는 것으로 조사되었다. 관개 시 비료를 살포하였으며, 살포되는 비료는 화학비료를 사용하였다. 한포 20 kg 기준으로 4포(80 kg)의 비료를 살포하였으며, 해당 비료에는 한포 기준으로 질소 4.2 kg, 인산 3.6 kg 및 칼리 3.4 kg이 포함되어 있다. 비료 살포 및 관개가 끝나고 나면, 일주일 후 벼심기를 하였으며, 벼심기가 완료되고 나면 추가적으로 관개(물보충)를 하고 제초제를 살포하였다. 제초제 살포를 기준으로 현재 장마기가 시작되었으며, 강우사상에 따라 물이 과다하게 늘어나거나, 주기적으로 물갈이가 필요 할 때 경작주는 수로를 열어 유출 시키는 것으로 조사되었다. 장마기 이후 수확 시기까지의 전수 조사를 통해 재배 기간에 따른 논재배지 유출수의 특성을 분석할 수 있을 것으로 판단된다.

A monitoring Frequency in Paddy Field (2016)

Calculation Methods of NPS Basic Unit

논 재배지 모니터링 결과를 강우사상별로 구분하여 Table 3에 나타내었다. 모니터링은 3월에 발생된 강우사상 을 시작으로 10월말까지 수행되었다. 강우사상은 3.3~56.7 mm까지 다양하게 조사되었으며 총 9회의 모니터링 중 4회(Event_6, 7, 8, 9)의 강우사상에서만 유출이 발생되었다. 유출이 발생된 Event의 강우량은 22 mm 이상의 강우사상으로 조사되었으며, 강우강도가 1.42~3.35 mm/hr 로 유출이 발생되지 않은 다른 강우사상에 비해 2배 정도 높게 조사되었다. 조사 당시 총 유출량은 8.04 m2, 7.50 m2, 17.43 m2, 10.22 m2으로 유출율은 0.34 이상으로 조사되었다.

Summary of Precipitation at Various Events in Paddy Field

유출이 발생된 강우사상의 유출수 수질분석 결과를 요약하여 Table 4에 나타내었다. 유출수 조사는 유출 발생 초기에는 10분 간격으로 채수 하였으며, 30분, 1시간 간격으로 채수 간격을 조정 하였다. 분석항목은 BOD 등 총 10개 항목을 선정하였으며, 분석 방법은 실험실로 이동하여 ‘수질오염공정시험기준’에 따라 실시하였다. 주요 항목별 수질 분석결과를 살펴보면, 항목별 평균 농도는 BOD 3.8 mg/L, COD 11.8 mg/L , TOC 8.4 mg/L, SS 29.2 mg/L, T-N 1.960 mg/L, T-P 0.390 mg/L로 산정되었다. 강우사상에 따라 농도 변화가 가장 큰 항목은 SS 로 조사되었으며, T-N 항목의 경우도 농도 변화가 크게 조사되었다. 반면, BOD, COD 등 유기물질 항목의 변화는 강우사상에 따른 차이를 나타내지 않았으며, 이러한 결과는 논재배지의 재배 방식에 따른 영향으로 판단된다. 논재배지의 경우 벼를 심고 나서는 작물의 성장을 위해 관개를 해놓은 상태로 두게 된다. 관개 후 해당 재배지에 투입되는 것은 일부 영양염류 시비와 재초제가 전부인 것으로 조사되었으며, 해당 관개수를 외부로 유출시키는 것도 경작주의 조작 또는 특이 강우사상(장마, 태풍 등)일 경우가 일부인 것으로 조사되었다. 논재배지의 모니터링을 통해 작물 또는 재배 방식에 따라 비점오염원 유출 형태도 큰 차이를 나타낼 수 있을 것으로 판단되며, 이러한 형태의 토지이용에 대해서는 기술적 접근이 아닌 주민(경작주) 참여를 통해 유출수를 관리 할 수 있는 다른 방식의 관리 방안이 필요할 것으로 판단된다.

Analysis of Average Water Quality on Nonpoint Sources (Unit: mg/L)

강우사상에 따른 비점오염물질 농도 변화를 살펴보면(Fig. 2), 강우량 및 강우강도에 따른 차이는 있으나, BOD, COD, TOC 항목의 경우 유출초기 높은 농도를 나타내다 후반부로 갈수록 농도가 낮아지는 경향을 나타내었다. 특히 SS의 경우 7월 장마기간 조사된 강우사상에서는 유출 초기 244.0 mg/L로 높은 농도를 나타내다 유출 종반부에 이르러서는 36.0 mg/L로 낮아지는 형태를 보였다. 해당 강우사상 당시의 평균 농도도 74.5 mg/L로 높게 조사되었다. 조사 당시 짧은 무강우 일수에 많은 양의 강우로 인해 주변 둑에서의 토사 유입량이 증가되어 이러한 농도를 나타내었으며, 강우 이후 경작주의 둑 정비 후에는 앞선 강우사상 당시와 같은 많은 양의 토사는 유입되지 않았다. T-N 등 질소계 물질들의 경우 유출수 발생에 따라 소폭 농도가 높아지는 것으로 조사되었으며, 그 중 암모니아성 질소의 농도 변화가 가장 큰 것으로 조사되었다. T-P 항목의 경우 Event 7 강우사상에서는 유출초기 높은 농도를 나타내다 후반부로 갈수록 낮아지는 형태를 나타내었고, Event 8 강우사상에서는 유출후반부로 갈수록 농도가 점차 증가하는 형태를 나타내었다. 반면 Event 6과 Event7 강우사상에서는 특별한 유출형태를 나타내지 않아 공통적인 경향성을 확인 할 수는 없었다. 현재까지 조사된 강우사상이 총 9회 이며 이중 유출이 발생된 경우가 4회인 점을 감안하면, 비점오염원별 유출 경향을 판단하기에는 통계적 유의한 조사 횟수가 부족한 것으로 판단되며, 향후 추가적인 모니터링을 통해 논재배지에 대한 비점오염원 유출 특성 분석이 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 2

Variation of Nonpoint Sources Concentration by Precipitation and Runoff

Fig. 3

Percentage of Nonpoint Sources Pollution Concentration by Precipitation Class in Paddy Fields

Fig. 4

Comparison of NPS Load Per Unit Area in Paddy Area [a) BOD, b) T-N, c) T-P]

3.2 논재배지 EMCs 산정

논재배지의 EMCs 산정은 환경부의 ‘강우유출수조사방법’에 준하였으며, 해당 조사방법 내 EMCs 산정 방법은 전체 강우사상에 대해 각각의 강우사상별 EMCx를 산정하고 강우 계급을 0~10 mm, 10~30 mm, 30~50 mm, 50 mm 이상으로 구분하여 강우계급별 EMCx를 적용하여 EMCy (강우계급별 EMC)를 산정하도록 하고 있다. 산정된 EMCy에 대상유역 또는 전국 강우량 비를 적용하여 대상 토지피복에 대한 대표 EMCz를 산정하도록 한다. 본 계산 방식에 따라 유출이 발생하지 않은 강우사상의 경우 EMC = 0으로 처리하여 대상 토지피복의 유출특성을 대표 EMC 산정에 반영하도록 하고 있다. 기존 2014년부터 2015년 까지 모니터링 된 33회의 강우사상 및 2016년 모니터링 결과를 적용하여 비점오염원 강우사상별 유량가중평균농도(EMCx)를 산정하여 Table 5에 나타내었다. 주요항목별 유량가중평균농도는 평균적으로 BOD 3.3 mg/L, COD 9.8 mg/L, TOC 6.8 mg/L, SS 22.3 mg/L, T-N 1.791 mg/L, T-P 0.359 mg/L로 산정되었다. 강우사 상별 유량가중평균농도가 상이하게 조사되었으며, 특히 NO3-N와 NH3-N의 경우, 최소 0.140 mg/L에서 최대 2.256 mg/L, 최소 0.123 mg/L에서 최대 1.265 mg/L로 농도 차이가 크게 조사되었다. NO3-N와 NH3-N는 퇴비와 같은 오염물질이 살포된 시기를 확인할 수 있는 물질이며, 추후 관리 방안 수립 시 살포 시기 조정 또는 방법 관리 등 중요 인자로 작용할 것으로 판단된다.

Estimation of EMCx for Paddy Field (/Unit: mg/L)

조사된 강우사상을 계급별로 구분하여 EMCy를 산정하였다(Table 7). 강우계급별 모니터링 강우사상 횟수는 0~10 mm 16회, 10~30 mm 20회, 30~50 mm 5회, 50 mm 초과 시 1회 조사되었다. 조사대상 지점이 포함된 유역의 EMCy를 산정하기 위해 적용된 강우비의 경우 Table 6에 표기하였으며, 2007년부터 2016년까지의 조사대상 유역과 가장 가까운 위치에 있는 대구 기상 관측소 자료를 활용하였다. 강우계급별 산정된 강우비는 0~10 mm 0.089, 10~30 mm 0.296, 30~50 mm 0.244, 50 mm 초과 0.370으로 산정되었다. 누적강우량의 경우, 50초과 강우량이 454.4 mm로 가장 많았으며, 0-10 mm의 누적 강우량이 109.8 mm로 가장 적게 조사되었다. 강우계급별 산정된 EMCy를 살펴보면, BOD의 경우 10~30 mm 강우계급에서는 0.5 mg/L로 산정되었으며, 30~50 mm에서는 1.2 mg/L, 50 mm 이상에서는 2.9 mg/L로 산정되었다. 또한 COD는 10-30 mm 강우계급에서는 1.6 mg/L로 산정되었으며, 30~50mm에서는 2.9 mg/L, 50 mm 이상에서는 12.2 mg/L, TOC는 10~30 mm 강우계급에서는 1.2 mg/L로 산정되었으며, 30-50 mm에서는 1.6 mg/L, 50mm 이상에서는 9.2 mg/L로 산정되었다. 대표적인 유기물 항목의 강우계급별 EMC의 경우 강우계급의 증가에 따라 농도가 증가하는 비례관계를 나타내는 것으로 조사되었다. 하지만 SS의 경우 10~30 mm 5.4 mg/L로 산정되었으며, 30~50 mm에서는 3.3 mg/L, 50 mm 이상에서는 9.8 mg/L로 조사되어 앞서 분석된 유기물 항목과 같이 비례형태를 나타내지 않는 유출 형태의 차이를 나타내었다. T-N의 경우 강우계급별 0.261 mg/L, 0.492 mg/L, 3.072 mg/L로 산정되었으며, T-P는 0.049 mg/L, 0.117 mg/L, 0.583 mg/L로 산정되었다. T-P의 경우 타 항목에 비해 강우량 증가에 따라 EMC값의 증가율이 가장 크게 조사 되었다. 강우계급별로는 0~10 mm 강우계급의 경우 유량가중평균 농도는 “0 mg/L”으로 조사되었다.

Nonpoint Source Pollution EMCy According to Precipitation Class in Paddy Fields (Unit: mg/L)

Summary of Monitoring Information Classified by Precipitation

논재배지에 대해 2014년에서 2016년 모니터링 강우사상을 대상으로 비점오염원별 원단위를 산정하여 Table 8에 나타내었다. 항목별로 BOD, COD, TOC, SS, T-N, T-P 가 각각 2.0 kg/km2/day, 8.05 kg/km2/day, 6.0 kg/km2/day, 7.59 kg/km2/day, 1.96 kg/km2/day, 0.30 kg/km2/day로 산정되었다.

NPS Load Per Unit Area in Paddy Field

본 연구에서 산정된 원단위와 수질오염총량관리기술지침(NIER, 2014) 토지계 원단위 및 비점오염원 원단위사업공청회(2014)에서 제시하고 있는 비점오염원 개정 원단위(안)과 비교 하였다(Table 9). 국내 수질오염 총량제에서 사용되는 비점오염원 항목이 BOD, T-N 및 T-P로 구분되어 있고, 기존 대다수의 연구사례결과도 총량제와 동일한 항목에 대한 연구를 수행하여, 비교 대상 항목을 총량제와 동일한 기준으로 하였다. 기존 연구사례와 비교할 경우 BOD의 경우, 본 연구에서 산정된 값이 2.0 kg/km2⋅day로 기존 연구사례에 비해서는 낮은 농도를 나타내었으며, 총량기술지침(2.30 kg/km2⋅day)과는 유사한 수치로 조사되었다.

Comparison of NPS Load Per Unit Area in Orchard Area (Unit: kg/km2⋅day)

장기 모니터링을 통해 산정된 원단위(비점오염원 원단위 개정(안) 공청회) 범위의 경우 1.44 ~ 11.96 kg/km2⋅day로 본 연구결과는 해당 범위에 포함되었다. T-N 항목의 경우도 기존 연구결과 및 총량 지침 원단위에 비해서는 낮은 수치를 나타내었으며, 공청회 원단위 결과보다 낮은 수치를 나타내었다. 공청회 결과의 경우 발표 자료에 제시된 결과가 BOD 및 T-P 항목과는 다르게 하나의 수치를 제시하여 정확한 범위는 확인 할 수 없었다. T-P 항목의 경우, 기존 연구사례 및 공청회에서 제시하는 원단위 범위에 포함되었으며, 총량기술지침의 원단위보다는 낮은 수치를 나타내었다. 총량기술지침에서 활용되고 있는 토지계 비점오염원 원단위의 경우 1995년 모니터링 결과를 바탕으로 산정되었으며, 또한 본 연구와 같이 강우 영향인자를 원단위 산정에 포함하지 않은 값임을 감안하여야 한다면 현재의 연중 강우패턴 및 농업방식의 개선 등에 의해 새로이 산정된 원단위가 기존에 비해 낮아진 것으로 판단된다. 향후 추가적인 모니터링을 통해 통계적 신뢰성을 확보할 수 있는 적정 조사 횟수를 만족할 시 논재배지에 대한 원단위로서의 신뢰성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

4. 결론

본 연구에서는 낙동강유역 내 논재배지에 대한 모니터링 결과를 바탕으로 비점오염원의 강우 시 유출 특성을 분석하고, 유량가중평균농도를 산정한 후 비점오염원별 원단위를 산정하였다. 산정된 원단위의 신뢰성 확보를 위해 기존 연구사례 등과의 비교를 수행하였으며, 이러한 결과를 정리한 내용은 아래와 같다.

  • (1) 논 재배지 모니터링 결과, 강우사상은 3.3~56.7 mm까지 다양하게 조사되었으며 총 9회의 모니터링 중 4회(Event_6, 7, 8, 9)의 강우사상에서만 유출이 발생되었다. 유출이 발생된 Event의 강우량은 22 mm 이상의 강우사상으로 조사되었으며, 강우강도가 1.42~3.35 mm/hr 로 유출이 발생되지 않은 다른 강우사상에 비해 2배 정도 높게 조사되었다. 조사 당시 총 유출량은 8.04 m2, 7.50 m2, 17.43 m2, 10.22 m2으로 유출율은 0.34 이상으로 조사되었다.

  • (2) 유출수 수질분석 결과, 항목별 평균 농도는 BOD 3.8 mg/L, COD 11.8 mg/L , TOC 8.4 mg/L, SS 29.2 mg/L, T-N 1.960 mg/L, T-P 0.390 mg/L로 산정되었다. 강우사상에 따라 농도 변화가 가장 큰 항목은 SS로 조사되었으며, T-N 항목의 경우도 농도 변화가 크게 조사되었다. 반면, BOD, COD 등 유기물질 항목의 변화는 강우사상에 따른 차이를 나타내지 않았으며, 이러한 결과는 논재배지의 재배 방식에 따른 영향으로 판단된다.

  • (3) 강우사상에 따른 비점오염물질 농도 변화를 살펴보면(Fig. 2), 강우량 및 강우강도에 따른 차이는 있으나, BOD, COD, TOC 항목의 경우 유출초기 높은 농도를 나타내다 후반부로 갈수록 농도가 낮아지는 경향을 나타내었다. 특히 SS의 경우 7월 장마기간 조사된 강우사상에서는 유출 초기 244.0 mg/L로 높은 농도를 나타내다 유출 종반부에 이르러서는 36.0 mg/L로 낮아지는 형태를 보였다.

  • (4) 비점오염원별 유량가중평균농도는, BOD 3.3 mg/L, COD 9.8 mg/L, TOC 6.8 mg/L, SS 22.3 mg/L, T-N 1.791 mg/L, T-P 0.359 mg/L로 산정되었다. 강우사상별 유량가중평균농도가 상이하게 조사되었으며, 특히 NO3-N와 NH3-N의 경우, 최소 0.140 mg/L에서 최대 2.256 mg/L, 최소 0.123 mg/L에서 최대 1.265 mg/L로 큰 농도 차이를 나타내었다. NO3-N와 NH3-N는 퇴비와 같은 오염물질이 살포된 시기를 확인 할 수 있는 물질이며, 추후 관리 방안 수립 시 살포 시기 조정 또는 방법 관리 등 중요 인자로 작용할 것으로 판단된다.

  • (5) 강우계급별 산정된 EMCy 는 BOD의 경우 10~30 mm 강우계급에서는 0.5 mg/L로 산정되었으며, 30~50 mm에서는 1.2 mg/L, 50 mm 이상에서는 2.9 mg/L로 산정되었다. 또한 COD는 10~30 mm 강우계급에서는 1.6 mg/L로 산정되었으며, 30-50 mm에서는 2.9 mg/L, 50 mm 이상에서는 12.2 mg/L, TOC는 10~30 mm 강우계급에서는 1.2 mg/L로 산정되었으며, 30~50 mm에서는 1.6 mg/L, 50 mm 이상에서는 9.2 mg/L로 산정되었다.

  • (6) 논재배지에 대해 2014년에서 2016년 모니터링 강우사상을 대상으로 비점오염원별 원단위를 산정하였다. BOD, COD, TOC, SS, T-N, T-P 가 각각 2.0 kg/km2/day, 8.05 kg/km2/day, 6.0 kg/km2/day, 7.59 kg/km2/day, 1.96 kg/km2/day, 0.30 kg/km2/day로 산정되었다.

  • (7) 원단위 비교에 사용된 총량기술지침에서 활용되고 있는 토지계 비점오염원 원단위의 경우 1995년 모니터링 결과를 바탕으로 산정되었으며, 또한 본 연구와 같이 강우 영향인자를 원단위 산정에 포함하지 않은 값임을 감안하여야 한다면 현재의 연중 강우패턴 및 농업방식의 개선 등에 의해 새로이 산정된 원단위가 기존에 비해 낮아진 것으로 판단된다. 향후 추가적인 모니터링을 통해 통계적 신뢰성을 확보할 수 있는 적정 조사 횟수를 만족할 시 논재배지에 대한 원단위로서의 신뢰성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

References

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HRERC (Han River Environment Research Center). 2009;Monitoring and Evaluation Report of Non-point Source Pollution for the So-Yang and Do-Am Lake Watersheds (in Korean).
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Kwon H.G, Lee J.W, Yi Y.J, Yoon Y.S, Lee C.S, Lee J.K. 2011;The Applicability for Estimating MFFn by SWMM in The Trunk Road. J. of Korean Society on Water Quality 27(No. 5):605–616. (in Korean).
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National Institute of Environmental Research. 2014. Technical Guidelines for TMDLs 11-1480523-001067-01 (in Korean).
National Institute of Environmental Research. 2014;Results and Application of Nonpoint Source Pollution. NPS Unit Revision (plan) Public Hearing Presentation Materials (in Korean).
Shin C.M, Choi J.Y, Park C.H. 2004;Characteristics of Non-point Pollution Discharge with Land Use in Urban Area. J. of KSEE 26(No. 7):729–735. (in Korean).
Yoon C.G, Kim B.H, Jeon J.H, Hwang H.S. 2002;Characteristics of Pollutant Runoff from Groundwater-irrigated Paddy Fields. J. of the Korean Society of Agricultural Engineers 41(No. 2):116–126. (in Korean).

Article information Continued

Fig. 1

Location of Survey Sites in this Study

Table 1

Calculation Methods of NPS Basic Unit

Methods Calculation expression
· Application method of precipitation frequency L=NIa
· Method of valid precipitation ratio L=Ia(Pa/pa)
· Method of discharge ratio L=Im(Qm/qm)
· Method of discharge-weighting concentration L=N[Ia(Qa/qa)]

Table 2

A monitoring Frequency in Paddy Field (2016)

Precipitation Events (mm) Monitoring Runoff Note
0 ~ 10 1 0 Runoff of paddy field occurs due to opening of cultivated paddy field.
10 ~ 30 5 2
30 ~ 50 2 1
> 50 1 1
Total 9 4

Table 3

Summary of Precipitation at Various Events in Paddy Field

Prec. events Antecedent dry day (day) Duration of Prec. Duration of runoff Prec. intensity (mm/hr) Total Prec. (m3) Total runoff (m3) Runoff rate
Event_1 4 16/03/04 06:00 ~ 16/03/04 21:05 - 0.72 9.4 - -
Event_2 6 16/03/25 20:26 ~ 16/03/25 22:37 - 1.51 3.3 - -
Event_3 4 16/04/21 03:20 ~ 16/04/21 13:15 - 2.82 28.0 - -
Event_4 5 16/04/27 00:27 ~ 16/04/28 01:12 - 1.43 30.8 - -
Event_5 6 16/05/10 05:55 ~ 16/05/10 19:06 - 1.62 18.7 - -
Event_6 4 16/06/24 05:40 ~ 16/06/24 13:13 16/06/24 10:12 ~ 16/06/24 13:22 3.32 21.9 8.04 0.37
Event_7 1 16/07/06 00:56 ~ 16/07/06 16:42 16/07/06 11:00 ~ 16/07/06 16:00 1.42 19.6 7.50 0.38
Event_8 1 16/09/02 16:05 ~ 16/09/03 08:59 16/09/02 17:33 ~ 16/09/03 10:33 3.35 49.5 17.43 0.35
Event_9 1 16/10/05 00:41 ~ 16/10/05 13:30 16/10/05 02:29 ~ 16/10/05 13:15 2.67 29.9 10.22 0.34

Table 4

Analysis of Average Water Quality on Nonpoint Sources (Unit: mg/L)

BOD COD TOC SS T-N NH3-N NO2-N NO3-N T-P PO4-P
Event 6 4.5 14.1 12.0 15.2 1.180 0.140 0.014 0.139 0.220 0.130
Event 7 4.4 10.4 6.2 74.5 2.246 1.320 0.262 0.287 0.444 0.256
Event 8 3.0 12.4 9.5 18.4 3.516 0.127 0.018 2.653 0.528 0.430
Event 9 3.4 10.2 5.7 8.7 0.897 0.046 0.019 0.417 0.367 0.291
Average 3.8 11.8 8.4 29.2 1.960 0.408 0.078 0.874 0.390 0.277

Fig. 2

Variation of Nonpoint Sources Concentration by Precipitation and Runoff

Fig. 3

Percentage of Nonpoint Sources Pollution Concentration by Precipitation Class in Paddy Fields

Fig. 4

Comparison of NPS Load Per Unit Area in Paddy Area [a) BOD, b) T-N, c) T-P]

Table 5

Estimation of EMCx for Paddy Field (/Unit: mg/L)

Survey date Prec.(mm) BOD COD TOC SS T-N NH3-N NO2-N NO3-N T-P PO4-P
2014.07.02 26.2 2.4 8.7 5.9 44.4 1.837 0.123 0.163 1.415 0.333 0.107
2014.08.25 50.0 2.7 4.2 2.6 7.8 1.569 0.145 0.001 1.355 0.214 0.081
2016.06.24 25.0 4.5 13.9 11.8 11.9 1.172 0.150 0.014 0.140 0.218 0.135
2016.07.06 22.4 3.9 9.9 5.6 51.3 2.205 1.265 0.269 0.281 0.433 0.271
2016.09.02 56.7 2.9 12.2 9.2 9.8 3.072 0.118 0.018 2.256 0.583 0.469
2016.10.05 34.2 3.4 10.1 5.6 8.5 0.889 0.046 0.019 0.408 0.372 0.288
Average 3.3 9.8 6.8 22.3 1.791 0.308 0.081 0.976 0.359 0.225

Table 6

Summary of Monitoring Information Classified by Precipitation

Precipitation class Survey Frequency (%) Accumulated Precipitation (2007~2016, mm) Discharge Rate (2007~2016)
0∼10 mm 16 (38) 109.8 0
10∼30 mm 20 (48) 363.7 0.293
30∼50 mm 5 (12) 299.4 0.200
>50 mm 1 (2) 454.4 0.350
Total 42 (100) 1,227.3 -

Table 7

Nonpoint Source Pollution EMCy According to Precipitation Class in Paddy Fields (Unit: mg/L)

Precipitation class BOD COD TOC SS T-N NH3-N NO2-N NO3-N T-P PO4-P
0∼10 mm 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
10∼30 mm 0.5 1.6 1.2 5.4 0.261 0.077 0.022 0.092 0.049 0.026
30∼50 mm 1.2 2.9 1.6 3.3 0.492 0.038 0.004 0.353 0.117 0.074
>50 mm 2.9 12.2 9.2 9.8 3.072 0.118 0.018 2.256 0.583 0.469
Total 4.7 16.7 12.0 18.4 3.824 0.233 0.044 2.700 0.749 0.568

Table 8

NPS Load Per Unit Area in Paddy Field

NPS load per unit area (kg/km2 ⋅day)
BOD COD TOC SS T-N T-P
2.00 8.05 6.00 7.59 1.96 0.30

Table 9

Comparison of NPS Load Per Unit Area in Orchard Area (Unit: kg/km2⋅day)

NPS Prior research1) TMDLs2) NPS unit revision (plan) public hearing1) This study
BOD 5.50 ~ 26.60 2.30 1.44 ~ 11.96 2.00
T-N 19.30 ~ 50.00 6.56 2.920 1.96
T-P 0.04 ~ 16.40 0.61 0.139 ~ 1.339 0.30
1)

NIER (2014), ‘Results and Application of Nonpoint Source Pollution’, NPS unit revision (plan) public hearing presentation materials

2)

NIER (2014), Guideline for total maximum daily loads of water quality management