수질오염총량관리 단위유역내 토양 양분 및 수질오염 부하량 상관관계 비교
조경식ᆞ이호식†
국립충주대학교 환경공학부
Correlation between Soil Nutrient Contents and Water Pollutant Loads in Hydrologic Unit Watersheds: Implication on the Total Maximum Daily Loads (TMDLs)
Kyung-Sik Cho⋅Ho-sik Lee†
Department of Environmental Engineering, Chungju National University (Received 18 May 2011, Revised 2 June 2011, Accepted 3 June 2011)
Abstract
For this study the 4 sub-watersheds Okdong A, Hankang B, Jecheon A and Hankang C which are the main streams of the Han River within the mid-level region of Chungju Dam are selected and the analysis of soils has been carried out through the soil basic survey. When it comes to the soil erosion amount the soil nutrient load has been calculated by utilizing the RUSLE erosion equation. In case of the data related to the measurement of water flow and quality the information available from the
“Water Information System” one of the websites run by the Ministry of Environment has been used to calculate the water pollution load. The correlation between the soil nutrient load and the water pollutant load has been analyzed through making comparison. According to the results related to the soil nutrient load of each sub-watershed the Hankang C shows the highest values TOC 29,986.92 ton/yr, TN 3,860.33 ton/yr and TP 973.97 ton/yr respectively. Even when it comes to the loads related to water quality the Hankang C shows also comparatively high values TOC 6,625.64 ton/yr, TN 7,335.01 ton/yrand TP 145.49 ton/yr respectively. The soil nutrient loads of the sub-watersheds are shown to increase towards the lower stream meaning the load increases in the order of Hankang CHankang B and Okdong A. When it comes to the water pollutant load the value goes up along down the water system meaning the load gets higher in the order of Hankang C, Hankang B and Okdong A while utilizing the mainstream within the mid-level region of Chungju Dam as the basis. The correlation study showed that the nutrient content of soil is proportional to the pollutant load in water with the strongest positive correlation with TOC.
keywords : Chungju Dam, Soil load, Soil nutrient, Water load
1. 서 론1)
최근 농업기술의 발전과 함께 농업활동의 집단화와 대량 생산으로 인하여 비료의 과다사용 및 토양 유실량 증가가 환경문제로 대두되고 있으며 그로인해 각종 오염 물질이 하천 및 호소로 배출되고 있다. 호소의 수질은 전반적으로 BOD (Biochemical Oxygen Demand)는 감소하고, COD (Chemical Oxygen Demand)는 증가하는 추세를 보이고 있 으며 난분해성 유기물의 축척이 주요한 원인이 되고 있다 (박재홍, 2002; Kim et al., 2004). 상수원 지역에서 발생하 는 비점오염원 부하량 추정은 많은 불확실성을 배포하고 있으며, 강우유출수는 유출과정에서 토양오염으로 인해 성 상이 변할 수 있다(신현석과 윤용남, 1993; 환경부, 2008a).
또한, 하천의 수질은 유역의 토질과 토지 이용도에 의해 결정되며 이들 상호간의 관계를 지금까지 하천 수질관리를 위한 연구의 주요 관심사가 되고 있다(Haith, 1976). 여러
†To whom correspondence should be addressed.
형태의 농업활동이 집단적･집약적으로 이루어지면서 그로 인해 비료의 과다 사용, 토양 유실량의 증가, 적절한 폐수 처리 시설의 확보가 미흡한 축산농가의 증가는 하천 및 호 소의 오염을 가중시키고 있다(Chung et al., 1997, 1998; Jung et al., 1997).
본 연구에서는 충주댐 유역내의 수질보전을 위해 단위유 역에서 배출되는 토양오염 물질이 수질오염에 미치는 영향 을 비교 분석하였다. 특히 충주댐 중권역내 토양 양분 및 수질오염 부하량을 산출하여 상호 상관관계를 비교분석 하 였다(조경식, 2010).
2. 연구방법
2.1. 연구범위
한강수계에 해당하는 충주댐 중권역을 대상으로 조사를 수행하였으며, 총 4개의 단위유역으로 Table 1과 같고 20 개의 소권역으로 Fig. 2처럼 분류되어진다. 총량관리 단위 유역의 수질유량 측정망 데이터를 이용하여 오염부하량을 산정하였고 단위유역내 토양 양분 부하량을 비교하였다.
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Table 1. The list of unit watersheds classified in Chungju-Dam basin
Parameter Unit watersheds for the management of TMDLs Watershed
Name of unit watershed
Okdong-A
Okdongcheon upstream Okdongcheon middle Naericheon
Okdongcheon down stream
Hankang-B
Pyeongchang river confluence Saigokcheon confluence Hailcheon confluence
Meapocheon Jukryeongcheon
Danyangcheon confluence Danyangcheon Chungju-Dam upstream
Jecheon-A Jecheoncheon upstream Jangpyeongcheon Jecheoncheon down stream Wonseocheon Hankang-C Gwangcheon, East dalcheon Chungju-Dam
Chungju-Dam down stream
No. of unit watershed 4 20
Fig. 1. Unit watersheds of the management of TMDLs. Fig. 2. Chungju-Dam watershed.
2.2. 토양분석방법
시료 채취는 해당 유역내 토지 이용에 따라 토양오염공 정시험방법(환경부, 2007)에 준하여 채취하였다. 지목별 분 류는 논(Paddy), 밭(Upland), 과수(Orchard), 임야(Forest), 축 사 (Livestock), 하천부지(Stream), 대지(Dry field)로 구분하 였다. 밭과 과수의 경우는 지점을 대표할 수 있는 작물을 선정하여 시료를 채취하였다. 토양의 이화학적 분석은 pH, 전기전도도(EC), TOC, TN, TP, 무기태질소, 치환성 인 등 7종으로 토양오염공정시험방법, 농업과학기술원, 토양화학 성 분석법(농촌진흥청, 2000)을 우선적으로 따르며 해당 방 법이 없을 시는 미국 토양학회 토양화학 분석법에 의거하 여 시험 분석하였다. 토양 양분 부하량의 경우 RUSLE 침 식 공식을 이용하여 산출하였으며, 농업기술과학원의 자료 (농촌진흥청, 2005)를 이용하였다.
지목별 토양 양분 부하량 (kg/year) = A (ton/ha/year) × 토양내 염류 농도(kg/ton) × 지목면적 (ha) (1)
A: 해당 지목의 면적당 평균 토양 유실량 (ton/ha/year) A = R × K × LS × C × P
A: 토양 침식 포텐셜
R: 강우인자(Rainfall and runoff factor; rainfall erosion index) K: 토양침식성인자(Soil erodibility factor)
LS: 경사도 및 경사장인자(Slope length and steepness factor) C: 작물관리인자(Crop cover and management factor) P: 토양보전관리인자(Soil erosion-control practice)
▣ 소유역내 해당하는 지목별 부하량을 합산하여 해당 소유역의 총 토양 양분부하량을 산출하였다.
해당 소유역의 양분 부하량 = Σ 지목별 토양 양분 부하량 (2)
2.3. 수질 모니터링 조사방법
현재 수질오염총량관리 지역에서는 단위유역별 수질변동 을 측정･확인하기 위하여 연중 8일 간격으로 수질과 유량 을 동시에 측정하고 있으며 수질 유량 측정망 등 DB 및 조사결과를 이용하여 해당 유역으로부터 유출되는 영양염 류의 수질오염 부하량(ton/yr)을 산정하였다. 또한 수질 자 동 측정망의 지점별 본류(main stream: M)의 농도를 비교 분석하였다(Fig. 3).
Fig. 3. The location automated water quality monitoring system of Chungju-dam watershed.
Fig. 4. The soil loss of Chungju-Dam watershed.
2.4. 상관관계 분석
조사유역 내 총 140개의 샘플로 토양 기초조사(환경부, 2009)를 실시하여 분석한 데이터로서 토양 양분 부하량을 산정하였고 토양 유실량의 경우 RUSLE 침식 공식 바탕으 로 산정한 “농업기술과학원”의 자료와 “한국토양정보시스 템”를 이용하였다. 또한 유량 및 수질 측정자료는 환경부 웹사이트인 “물환경정보시스템”에서 제공되는 자료를 이용 하였다.
토양 및 수질 부하량의 결과를 비교 분석하였으며 수질 자동측정망 및 충주댐 중권역 물환경관리계획(환경부, 2008b)
의 자료를 이용하였다. 충주댐 중권역의 단위유역별로 부하 량간의 상관성을 비교하였고 SPSS V.12를 통계프로그램을 이용하여 Pearson 상관분석(김태진, 2006)을 실시하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 토양 분석결과 3.1.1. 토양 유실량 결과
토양의 유실은 지역적 강우 특성 중 강우강도(기상청, 2009), 토양학적, 유역적 특성, 이용형태 등에 따라 각각의 다른
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(a) The concentration of TOC, TN, TP (b) The concentration of Ex-N, Ex-P, pH, EC Fig. 5. Concentration analysis results by land-use.
(a) Soil load of TOC, TN, TP by land-use (b) Soil load of Ex-N, Ex-P by land-use Fig. 6. Soil nutrient loads by land-use.
토양 유실량이 일어난다. 따라서 소유역별 유역특성을 고려 한 지목별(논, 밭, 과수, 임야, 대지, 기타) 토양 유실량을 산출하였으며, 소유역별 지목 면적당 평균 유실량(ton/ha/yr) 의 산출을 통하여 해당 지목 면적에 따른 토양 유실량 (ton/yr)을 추정하였다(Fig. 4). 비목별 유실량 결과 밭의 유 실량 50%로 전체 유실량의 절반 이상이 되는 것으로 나타 났으며 초지 및 임야에서 약 30.5%로 조사되었다.
3.1.2. 지목별 농도 분석결과
토지이용에 따른 토양 분석 결과 TOC는 축사 및 과수에 서 20,522 mg/kg, 20,387 mg/kg로 높게 측정되었으며, TP 의 경우 987.80 mg/kg로 축사에서 가장 높은 농도를 나타 냈다. TN은 고른 분포를 보였으며, 축사 및 임야에서 3,114 mg/kg, 2,952 mg/kg으로 다른 지목보다 다소 높게 나타났다. Ex-N, Ex-P의 분석결과 TN, TP의 값에 비례하 여 축사 및 과수에서 높게 측정되었다(Fig. 5).
3.1.3. 지목별 부하량 분석결과
지목별 토양 양분 부하량 결과 TOC, TN, TP는 밭에서 다른 지목보다 높은 것으로 나타났으며 임야, 논, 과수, 대 지 순으로 나타났다(Fig. 6).
면적비로는 임야의 면적이 81.5%이며, 밭의 면적비는 7.5%
로 약 11배의 면적을 차지하였지만, 전체 지목별 유실량
분포를 보면 밭은 약 50%이고, 임야 및 초지에서 약 30%
의 토양 유실이 나타났다. 따라서 토양 양분 부하량에 영 향을 미치는 요인은 토양 유실에 의한 영향이 가장 큰 것 으로 판단된다.
3.2. 수질 모니터링 조사결과 3.2.1. 지점별 수질 농도 결과
2009년 평균농도에 대한 지점별로 비교한 결과 BOD 및 COD는 지류가 합류되는 지점인 M2, M5의 지점에서 차츰 증가하다 충주호 지점인 M8이후 감소하는 양상을 나타냈 다. 특히 T5의 BOD는 2.8 mg/L이며 COD는 6.1 mg/L로 합류전 M7(BOD 1.0 mg/L, COD 2.1 mg/L)의 약 3배 정 도 차이를 보였으며, 본류의 합류지점인 M8지점과 M7의 농도차이가 거의 없었으며 유량에 의한 희석효과로 낮아진 것으로 판단된다. 상류지점인 M1과 하류지점인 M12 지점 을 비교하였을 때 BOD는 1.2배(0.5 ~ 0.6 mg/L), COD는 1.3 배(1.8 ~ 2.4 mg/L), TN은 약 1.6배(1.598 ~ 2.512 mg/L), TP 는 약 1.4배(12 ~ 17 μg/L)로 차츰 증가하는 양상을 띄는 것으로 나타났다(Fig. 7).
3.2.2. 수질오염 부하량 결과
TOC는 O.D-A에서 23.40(0.90 ~ 395.89) kg/hr이며 H.K-B 는 432.91(29.48 ~ 6,478.66) kg/hr, J.C-A는 68.58(15.34 ~
(a) The concentration of COD and BOD (b) The concentration of TP and TN Fig. 7. Concentration changes of the measurement site.
(a) Comparison of TOC loading branch
(b) Comparison of TN loading branch
(c) Comparison of TP loading branch
Fig. 8. The Comparison of water pollutant loads of unit watershed.
840.82) kg/hr, H.K-C는 756.35(300.24 ~ 6,933.60) kg/hr 으 로 상류지점인 O.D-A에서 수질오염 부하량이 낮은 것으로 나타났다. TN는 O.D-A에서 33.20(0.87 ~ 591.53) kg/hr 이며 H.K-B는 555.59(80.77 ~ 7,098.36) kg/hr, J.C-A는 94.48 (26.23 ~ 1,116.82) kg/hr, H.K-C는 837.33(342.42 ~ 8,551.44) kg/hr 으로 나타났으며 상류지점 평균 부하량보다 하류지역 이 상당히 높은 것으로 나타났다. TP는 O.D-A에서 0.23 (0.004 ~ 4.26) kg/hr 이며 H.K-B는 11.34(0.38 ~ 349.28) kg/hr, J.C-A는 2.03(0.24 ~ 19.01) kg/hr, H.K-C는 16.61(0.78 ~ 364.10) kg/hr 으로 나타났으며 상류지점의 부하량이 상대적으로 낮 은 값을 나타내어 상류의 영향보다는 주변오염에 대한 영 향이 클 것으로 판단된다.
수질 부하량은 기간별 편차가 컸으며 강우의 의한 영향으 로 7월 ~ 8월에 집중되어 부하량이 높은 것으로 나타났으며, 지류 및 본류의 부하량이 차이 또한 큰 것으로 나타났다(Fig. 8).
3.3. 토양 및 수질 상관관계 3.3.1. 토양 및 수질 농도비교
토양의 Ex-N과 수질의 TN의 농도는 상호 비례적인 관계 나 나타났으며 하류지점의 농도가 높은 것으로 나타났다.
또한 토양의 Ex-P와 수질 TP의 농도 또한 같은 양상을 띄 고 있었다.
상류지점인 M1과 하류지점인 M12지점 농도 비교시에 하 류로 갈수로 상호 비례적으로 증가하는 관계를 나타났으며 토양 오염물질의 수계에 영향이 있을 것으로 판단된다(Fig. 9).
3.4. 토양 및 수질 부하량 비교
한강본류에 해당하는 O.D-A, H.K-B, H.K-C의 단위유역 을 비교하였으며, 지류인 J.C-A는 배제하였다. TOC의 부하 량 결과 H.K-C지점에서 토양 및 수질 부하량이 각각 29,986.92 ton/yr, 6,625.64 ton/yr으로 가장 높게 나타났으 며 TN, TP에서도 H.K-C지역에서 같은 결과를 나타냈다 (Table 2). OD-A지점의 TN, TP의 토양 양분부하량이 상대 적으로 수질오염부하량보다 높은 이유는 오염원별 분류에 따른 토지계의 오염원 발생량이 많은 영향이 있는 것으로 판단된다. 수질 오염부하량은 상류에 위치한 O.D-A지점과 하류에 위치한 H.K-C의 차이가 컸으며 TOC (200.76 ton/yr
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(a) TN concentration and Ex-N soil concentration of branch
(b) TP concentration and Ex-P soil concentration of branch Fig. 9. The comparison of soil with water quality concentrations of site.
Table 2. Results of soil nutrients & water pollutant loads Site
Soil nutrients load Water pollutants load
TOC TN TP TOC TN TP
ton/yr ton/yr
Okdong-A 4,750.76 1,353.25 270.21 200.76 284.93 2.00
Hankang-B 1,4281.72 2,595.48 576.45 4,055.13 4,866.99 99.34
Hankang-C 29,986.92 3,860.33 973.97 6,625.64 7,335.01 145.49
(a) TOC loading
(b) TN loading
(c) TP loading
Fig. 10. The correlation graphs of soil & water loads.
~ 6,625.64 ton/yr)는 약 33배 TN (284.93 ton/yr ~ 7,335.01 ton/yr)은 약 26배 TP (2.00 ton/yr ~ 145.49 ton/yr)은 약 73배의 차이를 보였으며 하류로 갈수록 부하량이 큰 것으로 나타났다.
TOC, TN, TP의 토양 양분 부하량 및 수질오염 부하량은 상호 비례적인 관계를 보이는 것으로 나타났으며, 하류로 갈수록 높아지는 경향을 띄는 것으로 나타났다(Fig. 10).
3.5. 토양 및 수질 부하량 상관관계 해석
충주댐 중권역내 한강본류를 기준으로 상·하류의 토양 및 수질 부하량의 TOC, TN, TP의 산점도 그래프에서는 상호 비례적인 양(+)의 관계가 나타났으며, 하류로 갈수록 증가 하며 높은 값을 나타냈다(Fig. 11). R2값 또한 0.9이상으로 상호 관련성이 높은 것으로 나타났으며 특히 TOC의 상관 성이 가장 높은 것으로 나타났다. 상관계수 또한 0.9이상으 로 높은 결과를 나타냈으며 토양 및 수질 부하량간의 영향 이 있을 것으로 판단된다(Table 3).
4. 결 론
본 연구에서 한강수계에 위치하는 충주댐 중권역내 토양 양분 및 수질 오염 부하량 산출하여 상호 상관관계를 비교 하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1) 토양 농도 분석결과 지목별 농도 비교시에 축사(Live- stock)에서 평균보다 1~1.9배 높은 농도를 보였으며, Ex-P의 경우 약 2배의 차이를 나타냈다. pH는 평균 7.13 으로 중성을 띄었으며 토양 산성화로 인한 오염물질의 용출은 없는 것으로 판단된다.
2) 토양 양분 부하량 결과 조사지내 하류지역인 S지역에서
Table 3. The correlation coefficient of soil & water loads
TOCs TNs TPs TOCw TNw TPw
TOCs 1
TNs 0.991 1
TPs 0.998* 0.998* 1
TOCw 0.968 0.993 0.982 1
TNw 0.952 0.984 0.970 0.998* 1
TPw 0.942 0.978 0.962 0.996 0.999* 1
* : p<0.05, s: Soil, w: Water
(a) The scatter plots of TOC (b) The scatter plots of TN (c) The scatter plots of TP Fig. 11. Scatter plots of soil nutrients & water pollutant loads.
상대적으로 부하량이 낮은 K지역에 비해 TOC는 약 700배, TN은 약 740배, Ex-N 약 570배, TP는 약 400 배, Ex-P는 약 1200배의 높은 차이를 나타냈으며 충주 호에 인접해 있어 토양의 오염물질이 수계에 직접 영향 을 줄 것으로 판단된다.
3) 지목별 토양 부하량 결과 밭과 논의 부하량 비교시에 TOC는 약 200배, TN은 약 260배, Ex-N은 약 81배, TP 는 약 260배, Ex-P는 약 530배의 많은 차이가 나타났 다. 따라서 토양 양분 부하량은 지목별 토지이용 분포보 다는 토양 유실에 따른 영향이 큰 것으로 판단된다.
4) 수계를 기준으로 하류지점의 토양 양분 및 수질오염 부 하량이 가장 높았으며 하류로 갈수록 상호 비례하여 증 가되는 관계를 나타냈다. 따라서 토양 오염원과 수질과 의 상호 영향이 있을 것으로 판단된다.
5) 단위유역에서 배출되는 토양 양분 및 수질오염 부하량 의 산점도 분석시 양(+)의 관계를 나타냈으며, TOC(R2
= 0.996)의 상관성이 가장 높은 것으로 나타났다.
6) 토양 및 수질 부하량의 상호 상관계수 값은 대부분 0.9 이상으로 상호 연관성이 높은 것으로 나타났다.
7) 충주댐 중권역의 수질오염총량 산정 및 계획 수립에 본 연구결과가 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
참고문헌
기상청(2009). 기상연보.
김태진(2006). 행정계량분석의 이론과 활용, 대영문화사.
농촌진흥청(2000). 토양 및 식물체 분석법.
농촌진흥청(2005). 비점오염원 관리와 국토 보전을 위한 전
국 토양 침식 위험성 평가.
박재홍(2002). 팔당호 유기물증가의 원인규명에 관한 연구, 고려대학교, 박사학위논문.
신현석, 윤용남(1993). 도시소유역에서의 유출과 비점오염물 배출간의 상관관계 수립에 의한 NPS 오염물 배출량의 산정. 한국수문학회지, 26(4), pp. 85-95.
조경식(2010). 충주댐 중권역내 토양 양분 및 수질오염 부 하량 상관관계 비교. 충주대학교, 석사학위논문.
환경부(2007). 토양오염공정시험방법.
환경부(2008a). 상수원 상류지역의 토양 및 지하수 오염실태조사.
환경부(2008b). 충주댐 중권역 물환경 관리계획(2009~2013).
환경부(2009). 상수원 상류지역의 토양 및 지하수 오염실태조사.
Chung, J. B., Kim, B. J., and Kim, J. K. (1997). Water pollution in some agricultural areas along Nakdong river. Kor. J.
Environ. Agri., 16, pp. 187-192.
Chung, J. B., Kim, B. J., Kim, J. K., and Kim, M. K. (1998).
Water quality of streams in some agricultural areas of different agricultural practices along Nakdong river basin.
Kor. J. Environ. Agri., 17, pp. 140-144.
Haith, D. A. (1976). Land use and water quality in New York Rivers. Journal of Environmental Engineering Division, ASCE, 102(EE1), pp. 1-15.
Jung, Y. S., Yang, J. E., Joo, Y. K., Lee, J. Y., Park, Y. S., Choi, M. H., and Choi, S. C. (1997). Water quality of streams and agricultural wells related to different agricultural practices in small catchments of the Han river basin. Kor. J.
Environ. Agri., 16, pp. 199-205.
Kim, S., Kim, T., Kim, G., Choi, S., and Choi, E. (2004).
Diffuse Sources Contribute Non-biodegradable COD in Reservoirs in Korea. Proceeding of 8th specialized confer- ence on Diffuse Pollution, International Water Association, Kyoto, CD-Rom.
