1. 서론
우리나라는 녹조관리를 위한 대응방안으로 상수원수를 공급하고 있는 호소를 대상으로 1998년부터 ‘조류경보제’를 실시하였으며, 2006년부터는 대상범위를 전국 22개 호소로 확대하여 운영하여 왔다. 여름철 녹조발생은 기존에도 존재하였으나 4대강 사업을 계기로 국민들의 환경에 대한 관심이 높아지고 녹조현상에 대한 언론보도가 급증함에 따라 녹조발생 관리의 중요성이 대두되고 있다. 국민들은 녹조에 대해 불안과 위험을 느끼고, 본인에게 발생 가능성이 높은 위험으로 분류하고 있으며 유해녹조의 위험이 후손에 영향을 미칠 것이라고 다수의 국민들이 생각을 하고 있다(Han, 2014).
한편, 환경부는 ‘수질 및 수생태계 보전에 관한 법률’시행령 개정을 통해 이전에는 클로로필-a 농도와 유해남조류 세포수가 동시에 기준을 초과해야했던 사항에서 2016년부터 남조류의 세포수로 단일화하여 관리하는 방안을 고시하였다. 또한 기존 호소에만 적용하던 대상을 하천으로 확대하여 안전한 상수원 확보 및 쾌적한 친수활동 방안을 마련하였다.
최근 친수공간이 확보된 도시에 대한 수요 증가로 도심지 내에 수로 및 실개천이 관통하거나 호수가 포함되어 주민들의 친수활동이 가능한 도시계획이 증가하고 있는 추세이나 우리나라 강수패턴의 특성상 여름철에 연수량의 60%가 집중되어 있어 안정적인 수량확보가 어려운 실정이다. 이에 해수 지하수 하수처리수 등 대체수자원에 대한 연구가 늘어나고 있으며 정부에서도 ‘물재이용기본계획’(Ministry of Environment, 2011)을 통해 2020년까지 25.4억톤 물재이용을 목표로 관련 정책 추진 및 기술개발 산업 육성을 추진하고 있다. 그러나 우리나라 하수처리수 재이용률은 장내용수(52.9%), 하천유지용수(28.1%)가 대부분 차지하는 것으로 나타났으며, 물 재이용관련 정책추진의 미흡과 비용편익 문제로 아직 물재이용산업이 저조한 실정이다(Jung and Lee, 2016). Lim and Han(2016)은 향후 물재이용에 대한 교육 및 홍보를 활성화하여 시민들의 인식이 높아진다면 물재이용 실천도가 상승할 것으로 분석하였다.
국내의 하수처리수 이용 현황을 살펴보면 포항시의 경우 하수처리수 재이용시설을 설치하여 하수 23만톤을 집수해 10만톤을 재이용시설을 거쳐 포항철강공단에 공급하고 있고, 부천굴포하수처리장은 하수재이용을 통해 시민의강 유지용수로 공급하여 친수공간을 창출한 모범적인 하수재이용사례로 알려져 있다. 이처럼 수자원확보를 위한 재이용 사례가 증가하고 있으며, 향후 국내 하수처리시설 방류량의 50%만 재이용하여도 전체 자원사용량의 약 10%에 해당하는 양을 대체할 수 있으며, 비용적인 측면에서 수돗물 생산비의 10~20%에 상응하는 하수처리비용을 고려할 경우 경제적인 효과도 기대할 수 있을 것이다(Cho et al., 2013).
이처럼 물재이용은 향후 수자원을 확보하는데 중요한 이슈가 될 것으로 보이며 본 연구에서는 현재 친수도시건설이 계획되어 있는 도시의 수로를 대상지역으로 선정하여 수로 운영시 대체수자원으로 하수재이용수 공급방안을 고려하였다. 하수재이용수 공급을 통한 수질분석 사례에 대한 연구가 존재하지 않아 하수재이용수 공급방안에 따른 수질기준은 「물재이용법 시행규칙 제 14조, 별표2」의 ‘하 폐수 등 재처리수 용도별 수질기준’을 고려하였으며, 도심수로 건설시 수로 및 호소내에 여름철 녹조발생을 주민들의 가장큰 위험 인지요소로 선정하여 연구를 수행하였다. 수로 운영시 하수재이용수를 공급할 경우 영양염류의 과다 공급으로 인해 조류의 성장에 따른 녹조현상이 일어날 것으로 예상되는 시나리오를 가정하여 CE-QUAL- W2 모델을 이용하여 연구를 수행하였으며, 하수처리수의 도심수로 적용시 적정수준의 공급유량 및 수질조건을 제시하여 조류발생을 억제할 수 있는 방안을 모색하고자 하였다.
2. 연구방법
2.1 CE-QUAL-W2 개요
CE-QUAL-W2 저수지모델은 미공병단(U.S Army Corps of Engineers)에서 1986년 개발된 횡방향 평균화 2차원 수리 및 수질모델이며 이 모델은 하천, 저수지, 하구 또는 이 들이 결합된 시스템에 적용되어 왔다. 폭 방향의 수질이 균일하다고 가정하므로 상대적으로 폭이 좁고 수심이 깊고 길이가 긴 우리나라 저수지 수체에 적합하다고 알려져 있다.국내에서는 충주호의 부유물질 및 부영향화 모의평가(Ahn el al., 2013), 대청호 부영양화 모의(Jung et al., 2007) 연구에서 CE-QAUL-W2 모델을 통해 연구가 진행되었다. 본 연구대상지의 수로 형태는 폭이 좁고 길이가 긴 수체를 형성하고 있어 CE-QUAL-W2 모델을 선정하여 모델링 연구를 수행하였다.
CE-QUAL-W2의 수리모델 계산 방정식은 크게 운동방정식, 연속방정식, 이류확산방정식, 수표면 고도 방정식, 수압 방정식, 상태방정식의 6개 기본식 Eqs. (1)∼(6)으로 이루어져 있으며, 6개의 미지수-자유수표고(η), 압력(P), 횡방향 유속(U), 종방향 유속(W), 구성성분 농도(φ), 그리고 밀도(ρ)에 대한 6개 방정식의 해는 기본모델구조를 형성한다. 또한, 수표면에서의 수온변화는 열수지식(Heat Balance Equation) Eq. (7)을 이용한다.
CE-QUAL-W2 모델은 수리모델에서 계산된 결과값을 이용하여 이류, 확산, 수질항목간의 상호 반응 등에 의해 수질농도 변화를 계산하며 주요 수질 반응기작은 Fig. 1과 같다.
2.2 입력자료 구성
W2 모델의 주요 입력 자료는 지형자료, 초기조건, 경계조건, 기상자료, 수리 및 수질해석을 위한 각종 매개변수 등이다.
본 연구에서는 현재 도시개발이 계획되어 있는 신도시의 설계 계획을 바탕으로 개발계획 1단계에 해당되는 2.5km 구간에 대해 수심은 1.0m로 고려하였으며, 100m 등간격으로 총 25개의 격자를 구성하였다. 모의기간은 조류발생이 가장 활발한 여름철 Chl-a 농도변화 경향을 분석하기 위해 기상자료는 인천기상대의 2015년 6월부터 9월까지의 기온(°C), 이슬점온도(°C), 풍향(radian), 풍속(m/sec), 운량(1-10) 일자료를 사용하였으며, 6월 기상자료는 모델 안정화를 위한 Warm-Up 기간으로 사용하였다. 수질입력자료의 경우 현재 하수처리시설이 완공되지 않아 수질데이터가 구축되어 있지 않기 때문에 동일 공법(KSMBR)을 적용중인 하수처리시설의 자료를 제공받아 참고자료로 사용하여 초기 수질조건을 구성하였다. 조류번식에 가장 큰 영향을 미치는 T-P의 경우 「하수도법 시행규칙」에 고시되어 있는 공공하수처리시설의 방류수 수질기준중 T-P의 기준 농도가 가장 낮은I지역의 T-P 0.2mg/L를 목표수질로 정하여 입력자료로 사용하였다(Table 1).
Table 1
Water Quality Input Data
| DO (mg/L) | BOD (mg/L) | COD (mg/L) | PO4-P (mg/L) | NH3 (mg/L) |
|---|---|---|---|---|
| 5.0 | 2.7 | 6.8 | 0.1 | 0.3 |
| NO3 (mg/L) | SS (mg/L) | LDOM (mg/L) | LPOM (mg/L) | |
| 5.5 | 5.0 | 10.4 | 3.47 |
W2 모델에서 유기물질은 분해성 용존상유기물(LDOM), 난분해성 용존상유기물(RDOM), 분해성 입자상유기물(LPOM), 난분해성 입자상유기물(RPOM)로 구분하여 모의한다(Jung et al., 2007). 하지만 우리나라의 경우 상세한 유기물질 측정자료가 축적되어 있지 않은 실정이며, 본 연구대상지의 경우 기본적인수질데이터가 존재하지 않아 참고자료를 바탕으로 가정을 통한 연구를 수행하였다.
TOM은 Eq. (8)을 참고하여 국내 저수지에서 실측한 자료의 평균 CODMn/TOC 비율(Choi et al., 2000)인 1.09 사용하여 산정하였으며, 유기물에서 탄소(C)가 차지하는 화학양론 비율인 0.45로 나누어(Jung et al., 2007) TOM을 산정하였다.
본 연구에서는 분해성 용존상유기물(LDOM), 분해성 입자상유기물(LPOM) 두가지 분해성 유기물질만 존재한다고 가정하여 연구를 수행 하였으며, 용존상유기물(DOM)과 입자성유기물(POM)의 비율을 75%, 25%로 적용하여 양호한 결과를 나타낸 선행 연구자료를 참고하여(Cole and Tillman, 1999; 2001) Eqs. (9) and (10)과 같이 W2 모델의 LDOM, LPOM 입력자료를 구성하였다.
algae 값은 Chl-a 농도 변환을 통해 산정하였다.
2.3 시나리오 구성
본 연구에서는 여름철 수로 운영시 조류 발생을 가장 효과적으로 억제 할 수 있는 조건을 연구하고자 유입되는 하수처리수의 유량 및 Chl-a 농도 변화에 따른 CASE를 구성하여 연구를 수행하였다(Table 2).
Table 2
Modeling Case
| Flow Rate (m3/day) | Chl-a (mg/m3) | |
|---|---|---|
| CASE 1 | 12,600 | 0.5 |
| CASE 2 | 30,600 | |
| CASE 3 | 50,000 | |
| CASE 4 | 12,600 | 3.0 |
| CASE 5 | 30,600 | |
| CASE 6 | 50,000 | |
| CASE 7 | 12,600 | 10.0 |
| CASE 8 | 30,600 | |
| CASE 9 | 50,000 |
유량 조건 및 Chl-a 조건을 제외한 다른 조건은 모두 동일한 입력자료를 사용하였다. 유량은 도시개발계획단계에 따라 하수처리수 21,000m3/day, 51,000m3/day 생산될 것으로 보이며 가동시 손실율 60%를 고려하여 12,600m3/day, 30,600m3/day 두가지 CASE를 선정하였고 추가비교를 위해 50,000m3/day도 고려하여 총 3가지 유량 CASE를 적용하였다. Chl-a 농도는 일산호수공원, 광주호수공원 등의 목표수질인 10mg/m3을 최대 목표수질로 설정하고 김포한강 신도시의 방류수질인 0.5mg/m3를 참고하여 Chl-a 0.5mg/m3, 3.0mg/m3, 10.0mg/m3 3가지 조건에 대해 모의를 수행하였다.
3. 결과 및 고찰
본 연구는 도심수로의 유지용수로 하수재이용수 공급방안을 검토하기 위해 진행하였으며, 수로의 형상 및 규모가 결정되지 않은 상태이므로 가정에 의한 기본적인 유량 및 수질 조건의 CASE 구성을통해 연구를 수행하였다.
2016년부터 조류경보제는 남조류 세포수만 고려하여 운영중에 있다(Table 3). 그러나 현재 하수처리장이 미가동 상태이므로 실측수질자료를 구할 수 없었고 유사사례 수질관리에서도 Chl-a 측정을 통한 조류발생을 관리하고 있어 본 연구에서는 Chl-a 농도만를 고려하여 조류발생 경향을 연구하고자 하였기에 2015년까지 적용되었던 조류경보제 기준을 참고하여 조류발생 여부를 판단하였다. 모델의 결과출력 지점은 상류(8번), 중류(16번), 하류(26번) 세 지점을 선정하여 2015년 7월부터 9월까지 모델 결과 자료를 분석하였다.
Table 3
Algae Bloom Warning System
3.1 체류시간
조류성장에 영향을 미치는 주요인은 체류시간, 영양염류농도, 수온 등으로 알려져 있다. 체류시간은 수체내 형상이나 주변 환경요인 등에 따라 조류 성장에 미치는 영향이 차이가 있으나 일반적으로 체류시간이 길수록 조류성장에 좋은 조건을 형성하게 된다.
기존 문헌에 따르면 체류시간이 길어질수록 식물성플랑크톤이 더 많아지며(Brook and Woodward, 1956), 소규모 호수의 경우 체류시간을 결정하는 유입유량이 영양염류농도, 온도 등 다른 요인보다 더 중요한 인자라고 주장하였고(Dickman, 1969), 그 밖에 많은 연구들도 실험을 통해 체류시간이 짧은 수체일수록 Chl-a 농도가 낮음을 증명하였다(O`connell and Andrews, 1987; Huszar and Reynolds, 1997). 또한 유입유량이 적을 경우 수체의 변동이 크지 않고 성층현상이 잘 나타날 경우 체류시간이 길어지면 녹조현상이 잘 발생하게 된다는 연구 결과를 발표했다(Paerl and Huisman, 2008). 국내에서도 Lab Scale 실험을 통해 일정수준 이상의 유속을 나타낼 경우 조류성장을 저해하는 요인으로 작용한다는 연구결과를 발표하였다(Park et al., 2006; Kim et al., 2008; Ahn et al., 2013).
본 연구에서는 대상지역내 개발단계에 따른 하수처리수 발생에 따른 공급유량 2개 CASE (12,600m3/day, 30,600m3/day) 및 추가비교를 위한 1개 유량 CASE(50,000m3/day)를 고려하여 총 3개 CASE를 선정하여 연구를 수행하였고, 각각 CASE별 공급유량에 따른 체류시간은 Table 4와 같다.
Table 4
Retention Time by Flow Rate
| Flow Rate | |||
|---|---|---|---|
| 12,600 m3/d | 30,600 m3/d | 50,000m3/d | |
| Retention Time | |||
| Segment 8 | 7 days | 2 days | 1 day |
| Segment 16 | 11 days | 4 days | 2.6 days |
| Segment 26 | 12 days | 5 days | 3 days |
Table 5
Channel Width Changes Before and After Chl-a Difference
| CASE2 | CASE4 | CASE6 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Seg.8 | Seg.16 | Seg.26 | Seg.8 | Seg.16 | Seg.26 | Seg.8 | Seg.16 | Seg.26 | |
| AVE | 0.11 | 0.21 | 0.38 | 0.76 | 1.54 | 2.60 | 2.23 | 3.15 | 5.32 |
모델링 결과 공급유량이 12,600m3/day 인 경우 격자 말단부의 체류시간은 약 12일로 나타났으며, 30,600m3/day 인 경우는 약 5일, 50,000m3/day 인 경우는 약 3일로 나타났다.
공급유량이 12,600m3/day인 경우 유입되는 Chl-a 농도에 관계없이 모든 CASE에서 평균적으로 100mg/m3를 초과하여 ‘조류 대발생’ 수준을 나타내었다. 이는 여름철의 높은 수온, 긴 체류시간, 높은 영양염류의 지속적인 공급 등 조류성장을 촉진시키는 환경이 충족되어 낮은 농도의 Chl-a 유입시에도 조류가 성장하는 것으로 보여진다. 반면에 공급유량 30,600m3/day 경우 Chl-a 유입농도가 0.5mg/m3일 경우 평균적으로 3.3mg/m3으로 ‘해제’ 수준으로 양호한 상태를 나타내었지만 3.0, 10.0mg/m3일 경우 20.6, 58.2mg/m3로 각각 ‘주의보’, ‘경보’ 수준으로 조류가 발생할 것으로 판단된다.
공급유량 50,000m3/day 경우 Chl-a 유입농도 0.5, 3.0mg/m3 일 경우 ‘해제’수준으로 나타나 조류발생을 효과적인 관리가 가능할 것으로 판단되며, Chl-a 유입농도가 10mg/m3으로 높은 경우에도 ‘조류 주의보’ 수준으로 관리가 가능하다는 결과가 도출되었다.
3개 유량 CASE 모의결과 체류시간이 짧을수록 조류발생이 억제되는 경향을 나타내었으며, 하수처리수를 공급하여도 많은 유량을 공급하여 유속을 빠르게 할 경우 효과적인 조류관리가 가능할 것으로 판단된다.
3.2 유입 Chl-a 농도
Chl-a는 식물성플라크톤에 함유되어 있는 엽록소의 종류로 Chl-a 농도를 통해 수체내 식물성플라크톤의 밀도를 간접적으로 나타내는 지표로 이용되고 있다. 2016년부터 조류경보제에서 Chl-a 지표는 제외 되었지만 4대강을 대상으로 시행되고 있는 수질예보제에서는 수치모델링을 이용하여 수온, Chl-a농도 등을 예보하고 있다.
본 연구에서는 각각의 유량조건에서 Chl-a 유입농도에 따른 CASE를 구성하였으며 각 CASE에 따른 조류발생경향을 분석하고자 하였다. 분석결과 Figs. 6, 7, 8에 나타낸 바와 같이 유량 12,600m3/day 조건일 경우 모든 Chl-a 유입조건에서 조류가 대량 발생하였으며, 유량조건 30,600m3/day, 50,000m3/day 경우 유입 Chl-a 농도가 높아질수록 조류발생이 증가하는 것으로 분석되었다.
본 연구결과 체류시간이 길어 Chl-a 유입농도에 관계없이 조류발생이 예상되는 CASE를 제외하고 일정수준의 유속이 존재하는 수로에 하수재이용수를 공급할 경우 하수처리장에서 효율적인 수처리를 통해 Chl-a 농도를 낮게 공급할 경우 효과적인 조류관리가 가능할 것으로 판단된다.
3.3 수로폭 축소방안
모의결과 조류발생은 체류시간에 영향을 많이 받는 것으로 파악되었다. 수로 설계시 일부구간의 폭을 축소할 경우 체적의 감소로 인해 체류시간이 감소할 것으로 판단됨에 따라 하폭 축소에 따른 Chl-a 모의를 실시하였다.
하폭 변화를 준 지점은 수로폭이 20m로 계획되어 있는 구간 중 상류 400m 구간, 하류 700m 구간 총 1.1km 구간을 15m로 축소하는 방안을 가정하여 모델 지형조건을 설정하였으며, 유량조건은 30,600m3/day를 적용하였고 각각의 Chl-a 유입수질 조건(0.5, 3, 10mg/m3)에서 폭 변경 전후 Chl-a 농도변화를 비교하여 Fig. 9에 나타내었다.
모의결과 체류시간은 말단부 격자를 기준으로 약6.5시간 감소하였으며 유입 Chl-a 농도가 각각 0.5, 3.0, 10.0mg/m3 인 CASE에서 폭 축소로 인해 평균적으로 0.11~0.38mg/m3, 0.76~2.60mg/m3, 2.23~5.32mg/m3 감소효과가 나타난 것으로 분석되었다.
3.4 하수처리장 방류수 실측치 적용
본 연구대상지역은 아직 건설이 진행중인 도시로 현재 하수처리장이 가동되고 있지 않기 때문에 모델링에 사용된 자료는 유사사례 및 가정을 통해 입력자료로 사용하였다. 이에 인근 하수처리장의 방류수를 채수하여 Chl-a 농도를 측정하여 수질 입력자료로 사용하였다. 유입유량 조건은 30,600m3/day로 결정하였고, 측정된 Chl-a 1.1mg/m3를 적용하였다.
모의결과 Fig. 10과 같으며 구성된 격자의 초입부, 중앙부, 말단부의 Chl-a 결과값을 나타내었다. 농도가 가장 높은 말단부의 Chl-a 농도는 3.72~12.17 mg/m3로 조류경보제 발령이 안되는 수준으로 양호한 값을 나타내었다.
4. 결론
본 연구에서는 도심수로 건설시 하수재이용수 공급에 따른 여름철 조류발생방지를 위한 유입유량 및 유입수질의 적정수준을 연구하기위해 CE-QUAL-W2 모델을 적용하여 모델링을 실시하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 유입유량은 3가지 CASE를 고려한 결과 12,600m3/day에 비해 30,600m3/day일 경우 Chl-a 유입농도 조건에 따라 평균적으로 66.5%~98.0% 감소하였으며, 50,000m3/day일 경우 85.2~99.2% 감소하는 것으로 분석되었다. 또한 동일 조건에서 수로폭을 축소할 경우 체류시간이 짧아져서 Chl-a 농도가 낮아지는 분석결과를 통해 수로내 조류성장에 체류시간이 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
2) 유입되는 Chl-a 농도가 높을수록 조류가 성장이 증가하는 것으로 분석되었으며, 본 연구에서는 Chl-a 농도 수준이 0.5mg/m3일 경우 조류발생 억제효과가 큰 것으로 분석되었다. 유량 12,600m3/day CASE에서 Chl-a 10.0mg/m3경우에 비해 3.0mg/m3일 때 1.4% 감소, 0.5mg/m3일 경우 4.4%감소되었으며, 유량 30,600m3/day CASE에서 Chl-a 10mg/m3경우에 비해 3.0mg/m3일 때 65.2% 감소, 0.5mg/m3일 경우 94.5%감소, 유량 50,000m3/day 일 경우 Chl-a 10mg/m3경우에 비해 3.0mg/m3일 때 69.7% 감소, 0.5mg/m3일 경우 94.9%감소되는 것으로 분석되었다.
3) 인근 하수처리장 방류수 실측자료(Chl-a 1.1mg/m3)를 입력수질로 모델링 한 결과 조류주의보 발령 기준 이하의 값을 나타내었으며, 수로 운영시 적합한 수질 조건으로 판단된다.
4) 연구 결과 수로 운영시 유량조건을 크게하여 체류시간을 짧게 유지하고, 유입되는 Chl-a 농도를 낮게 유지할수록 여름철 수로내 조류 성장을 억제할 수 있을 것으로 분석되었다.
본 연구는 하수재이용수 공급을 통한 도심수로 운영방안을 수립하기 위한 초기연구단계로 하수재이용수를 사용한 도심수로 운영사례를 찾기 어렵고 자료의 절대부족 상황에서 유입유량 및 수질자료의 가감을 통해 여름철 조류발생을 분석하였기에 연구의 한계가 있었다. 그러나 향후 하수처리장 가동시 T-N, T-P 등 기존 연구에서 조류발생에 영향을 미치는 인자들에 대한 데이터를 확보하고 수로 형상 및 수체를 보다 정밀히 데이터화하여 분석할 경우 다양한 변수를 적용한 고차원적인 분석 및 연구가 이루어 질것으로 판단되며, 본 연구에서 고려하였던 수질, 수로폭, 수심 및 수로형상을 활용할 수 있을 것이라 판단된다. 향후 도심수로 건설시 하수재이용수를 활용한 효율적인 수질 및 유량 공급방안 수립을 위해 도심 수로의 수리적 조건 및 수로 형상 등 물리적 조건에 대한 연구가 추가로 진행된다면 시민들의 쾌적한 친수활동을 위한 안정적인 수자원 확보가 가능할 것으로 기대된다.
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