for Marine Environmental Engineering
Vol. 14, No. 1. pp. 40-50, February 201140
시화호 유역 비점오염물질의 유출특성 및 부하량 연구
나공태1,†·김경태1·김종근1·방재현1·이정무1·김성근1·김은수2·윤민상2·조성록2
1한국해양연구원 해양환경·방제연구부
2한국해양연구원 기기검교정·분석센터
Study on the Characteristics and Non-point Source Pollution Loads in Stormwater Runoff of Shihwa Lake
Kongtae Ra1, Kyung-Tae Kim1, Joung-Keun Kim1, Jae-Hyun Bang1, Jung-Moo Lee1, Sung-Keun Kim1, Eun-Soo Kim2, Min-sang Yun2 and Sung-Rok Cho2
1Marine Environment & Pollution Prevention Research Department, Korea Ocean Research & Development Institute (KORDI), Ansan 426-744, Korea
2Marine Instrument Service & Calibration Department, Korea Ocean Research & Development Institute (KORDI), Ansan 426-744, Korea
요 약
본 연구에서는 시화호로 유입되는 다양한 비점오염원 중 도심유역을 흐르는 안산천 및 화정천과 산업지역인 반월산 단 토구를 통한 강우유출수 내 총부유물질, 화학적산소요구량, 용존영양염, 총인 및 총질소 등의 비점오염물질의 유 출특성 및 총유출부하량을 조사하였다. 조사지역 및 조사 시기에 따라 차이는 있으나 강우 시작 후 비점오염물질의 농도가 증가한 뒤 감소하는 경향을 보였다. 총부유물질의 평균농도는 안산천이 315 mg/L로 가장 높았으며 반월산 단 토구에 비해 약 2~5배 정도 높았으나 화학적산소요구량, 총인 및 총질소의 평균농도는 반월산단 토구가 도심하 천에 비해 높은 것으로 나타났다. 총부유물질은 화학적산소요구량 및 총인과 양의 상관성을 보였으며 용존영양염과 는 음의 상관성을 나타냈다. 반월산단 토구를 통한 비점오염물질의 총유출량은 토구의 유역면적에 비례하였으며 가 장 유역면적이 넓은 3토구에서의 비점오염물질의 유출량이 가장 높았다. 조사기간 내 약 30시간 동안 반월산단토구 를 통하여 총부유물질 187,536 kg, 화학적산소요구량 17,118 kg, 총인 922 kg, 총질소 13,519 kg의 비점오염물질이 유출되는 것으로 나타났다. 반월공단 토구 유역면적은 전체 시화호 소유역 중 3%를 차지하는 것을 고려할 때 막대 한 양의 비점오염물질이 별다른 처리과정 없이 시화호로 직접 유출되고 있음을 알 수 있었다. 이러한 강우시 비점 오염물질의 유출은 시화호 수질을 더욱 악화 시킬 것이기 때문에 비점오염원 관리 및 저감대책이 시급하게 요구되 며 본 연구결과는 향후 시행예정인 시화호 연안오염총량제의 비점오염 최적관리기법 개발에 유용한 정보를 제공하고 있다.
Abstract − We study the characteristic and total flux of non-point pollutants such as total suspended solids (TSS), chemical oxygen demand (COD), dissolved nutrients, total phosphorus (TP) and total nitrogen (TN) in the storm water runoff from urban streams and sewer outlets of Banweol Industrial Complex around Shihwa Lake. The concentrations of non-point pollutants were generally increased with increasing of the duration and intensity of rainfall. Mean TSS concentration of Ansan stream was higher than that of sewer outlets but mean con- centrations of COD, TP and TN were approximately 2~5 times higher of sewer outlet than of urban stream. TSS showed statistically positive relationships with COD and TP but it had negative correlation with dissolved nutri- ents. There was a significant correlation between total flux of non-point pollutants in the storm water runoff and total basin area of each sewer outlet, showing that the highest runoff flux was observed at 3rd sewer outlet which represents the largest basin area from Banweol industrial complex. Total runoff fluxes for TSS, COD, TP and TN in this study were 187,536 kg, 17,118 kg, 922 kg, 13,519 kg, respectively. Given the basin area of sewer outlet in Banweol industrial complex which corresponds only 3% from total catchment area around Shi-
†
Corresponding author: [email protected]
hwa Lake, enormous amount of non-point pollutants will be entered into Shihwa Lake without any treatment.
It is necessary to manage and reduce of various non-point sources and pollutants because the runoff of non- point pollutants during storm events should be deteriorating the water quality of Shihwa Lake. Our results pro- vides useful informations on the development of best managements practices (BMPs) for effective imple- mentation of total pollution loads management system of Shihwa Lake.
Keywords: Shihwa Lake(시화호), Storm water runoff(강우유출수), non-point pollutants(비점오염물질), sewer outlet(토구), total pollution load management system(연안오염총량제), Best management practices(최 적관리기법)
1. 서 론
연안오염총량제는 일정해역으로 들어오는 오염물질의 양과 농 도를 허용총량 이하로 관리하여 수질을 개선시키기 위한 노력으 로 기존의 수질목표치를 설정하여 오염물질의 농도 규제를 통한 수질개선의 한계로 인하여 도입되었다. 해역으로 유입되어 수질을 악화시키는 오염원은 점오염원과 비점오염원으로 구분된다. 점오 염원은 오염물질이 특정한 지점에서 발생하기 때문에 오염물질의 발생원과 이동경로가 비교적 명확하다. 따라서 전체 오염물질 부 하량에 대한 정량화가 가능하여 하수종말처리장 등의 시설설치를 통한 지속적인 관리가 이루어지고 있다. 비점오염원은 주로 강우 이벤트에 의하여 발생하며 지표면을 따라 흐르는 강우유출수(storm water runoff) 의 양 및 지속시간에 따라 수질이 크게 영향을 받으며 해당유역에 오염원이 광범위하게 산재되어 있어 점오염원과 같은 처리시설의 설치를 통한 해결이 어렵다. 도시화를 통한 토지이용이 변하면서 인공적으로 조성된 도로, 산업시설, 주택 및 공공시설의 증가로 인하여 지표면에 여러 종류의 오염물질들이 축적되었다가 강우시 오염도가 높은 오염물질을 유출시키고 있다. 비점오염물질 의 종류는 토사, BOD, 영양물질(질소 및 인), 병원균, 유기화합물 ( 농약, 오일, 등) 및 중금속(아연, 카드뮴, 크롬, 비소, 납)등이 있으 며 강우시 비점오염의 형태로 환경 내에 유출되고 있다. 또한 배 출양상이 지형 및 강우특성에 따라 시·공간적인 변동이 심하게 나 타나기 때문에 비점오염원을 통한 오염물질은 유입경로와 특성파 악이 어려우며 오염물질 유출의 정량화가 힘들기 때문에 현실적 인 관리가 어려운 실정이다(김 등, 2002).
미국의 경우, 오염총량관리대상 중 약 80% 이상이 비점오염원과 관련되어 있으며 비점오염물질의 오염기여도와 중요성이 보고되 었다(USEPA, 1994). 연안오염총량제를 통한 오염물질이 해당 해 역으로 배출되는 배출총량을 삭감하여 허용총량 이하로 관리하기 위해서는 그 지역에 대한 현재 배출되는 오염총량에 대한 기본자 료 확보가 무엇보다 중요하다. 우리나라의 경우 강우이벤트가 하 계에 집중되어 있기 때문에 오염총량의 측면에서는 하계의 집중 적인 조사가 선행되어야 하나 광범위한 유역 면적, 관련기관들간 의 조사자료의 차이(조사시기, 조사항목 등) 및 인력부족 등으로 인하여 현재 발생되고 있는 오염총량의 정확한 정량화에 많은 어 려움을 겪고 있다.
시화호는 안산시, 시흥시 및 화성시에 둘러싸여 있으며 토지 이
용에 따라서 산업지역(반월 및 시화 산업단지), 도시지역(안산시, 시흥시), 농업지역(화성시) 및 간석지 등으로 크게 나뉘어 진다.
2008 년 연안오염총량관리제가 시행된 마산만에 이어 시화호에 대 한 단계별 연안오염총량제가 도입될 예정이다. 산업지역인 반월 및 시화산단의 총 면적과 가동업체수는 각각 31,954,000 m
2와 9,944 개이며 총 면적의 약 76%가 산업 및 공공시설구역이며 철강 기계 및 전기전자 관련 업체가 약 70%가 차지하고 있다. 이들 산 업단지에는 4개의 간선수로, 신길천 및 반월산단 토구가 존재하며 비 강우와 강우시 다량의 오염부하를 배출하여 시화호 수질에 악 영향을 미치며 특히 시화호 내 중금속의 주요한 오염원이 간선수 로와 신길천을 통한 유입으로 보고된 바 있다(국토해양부, 2009).
또한, 합성세제나 비료 등의 사용으로 생성된 다량의 영양염류가 도시유역을 흐르는 안산천과 화정천 및 농업지역을 흐르는 반월 천, 삼화천 및 동화천 등을 통하여 비점오염물질로써 유입되고 있 다. 2010년 시화호 내 COD 농도는 2009년에 비해 약 1.5배 상승 하였으며 이는 하천 등을 통한 영양염류의 유입이 식물플랑크톤 의 번식과 성장과 같은 내부생산기원의 유기물이 증가에 영향을 미쳤기 때문이다(국토해양부, 2010). 특히 반월산단 토구는 비 강 우시에는 전량 차집되어 안산 및 시화 하수처리장에서 처리되어 시화외해에 위치한 방류관거를 통하여 유출하고 있으나 강우시에 는 차집되는 양보다 월류되는 양이 많아 별도의 처리없이 시화호 로 직접 유출되고 있는 실정이다. 강우유출수의 관리가 비점오염 원 관리의 가장 중요한 부분이므로 향후 시화호 연안오염총량제 시행을 통한 오염부하의 삭감을 위해서는 시화호로 유입되는 비 점오염원에 대한 기초자료가 중요하다.
본 연구에서는 시화호로 유입되는 다양한 비점오염원 중 도심 유역을 흐르는 안산천 및 화정천과 반월산단 토구에 대한 강우유 출수 중 총부유물질, COD, 영양염류, 총인, 총질소 등의 유출특성 및 총유출부하량을 조사하였으며 최적관리기법(BMPs; best management practices) 을 적용하여 비점오염 모델의 구축에 기초 자료를 제공하고자 한다.
2. 재료 및 방법
연구지역인 시화호는 경기도 안산시, 시흥시 및 화성시에 둘러
싸여 있으며 1994년 방조제 완공에 따른 인공적으로 형성된 호수
이다. 시화호로 유입되는 다양한 하천 중 비점오염 시범 소유역으
로 지정된 도심지역을 흐르는 안산천 및 화정천과 강우시 반월산 단 유역 내 우수관거를 통하여 유출되는 반월산단 토구를 통한 강 우유출수를 조사하였다(Fig. 1). 안산천은 강우량이 3 mm 이상시 자동채수 장치가 작동하도록 설치하여 2010년 5월, 7월, 8월 총 4 회에 걸쳐 강우초기 6시간까지는 30분 간격, 이후로는 1시간 간 격으로 시료를 채수하였다. 화정천은 강우시 현장에서 PVC막대 에 시료병을 매달아 안산천과 유사하게 2010년 7월과 8월 총 3회 에 걸쳐 시료를 채수하였다. 반월산단 토구는 총 7개의 토구 중 한국수자원공사에서 모니터링을 실시하고 있는 4토구를 제외한 6 개 토구에서 강우시인 2010년 7월 16~17일 약 30시간 30분에 걸 쳐 PVC막대에 시료병을 매달아서 강우량에 따라서 15분 혹은 30 분 간격으로 시료를 채수하였다. 하천 및 토구를 통한 강우유출수 의 총부하량은 유량관측을 실시하여 수위-유량관계식(수위-유량곡 선)을 사용하고 통계프로그램을 이용해 회귀분석으로 관계식을 구 한 뒤 각 시료 채수 시 관측한 수위를 유량을 산출한 뒤 각 수질 항목에 대한 농도를 이용하여 반월산단 토구를 통한 비점오염물 질의 총유출량을 계산하였다(국토해양부, 2010).
채수된 강우유출수는 총부유물질(TSS; total suspended solids), 화학적산소요구량(COD; chemical oxygen demand), 용존영양염 (nitrate, nitrite, ammonia, phosphate, silicate), 총질소(TN; total nitrogen) 및 총인(TP; total phosphorus)등의 항목에 대하여 분석을 실시하
였다. 용존영양염류는 GF/F 막여과지로 여과한 시료를 Segmented Flow Analyzer(O.I. Analytical) 로 측정하였으며, 총질소 및 총인은 여과되지 않은 시료를 과황산칼륨 용액으로 산화시킨 다음 Flow Injection Analyzer(Lachat Quickchem AE flow injection system) 로 분석하였다(Valerama, 1980). 화학적산소요구량(COD)은 해양환경 공정시험방법에 따라 분석하였으며(해양수산부, 1998), 여과를 하지 않는 total COD(t-COD)와 47 mm GF/F로 여과한 dissolved COD (d-COD) 로 구분하여 분석을 실시하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 도심 유역인 안산천 및 화정천을 통한 비점오염물질 유출특성
2010 년 7월 16~17일 안산천 조사에서는 11시간 30분 동안의 조사가 실시되었으며 강우량은 97 mm로 나타났다. 총부유물질은 강우 시작 후 2,573 mg/L으로 최대 농도를 보인 후 강우지속에 따라 점차 감소하였고 강우 시작 2시간 30분 이후부터는 약 1,000 mg/L 전후의 균일한 농도를 나타냈다. t-COD의 농도범위는 5.6~9.4 mg/L ( 평균 6.8 mg/L)로 나타났으며 강우 초기 7.6 mg/L에서 강우 시작 1 시간 후 9.4 mg/L으로 증가한 뒤 다시 감소하는 경향을 보이고 있었다(Fig. 2 and Table 1). d-COD의 농도범위는 4.5~6.8 mg/L ( 평균 5.8 mg/L)로 d-COD는 t-COD에 85% 수준이었다. 용존무기 인(용존인산염)은 초기 0.06 mg/L에서 점차적으로 증가하여 강우 10 시간 후 0.21 mg/L으로 약 3배 정도 증가하는 경향을 보였다.
총인은 강우 초기에 0.56 mg/L의 농도를 보였으나 강우시작 5시 간과 10시간 후 일시적으로 증가한 것을 제외하고는 강우시간 증 가에 따라 감소하는 경향을 보였다. 총인 중 용존무기인이 차지하 는 비율은 강우 초기 1시간은 약 10%로 낮아 증가한 총부유물질 이 총인의 농도에 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 이후 점차적 으로 증가하여 총인 중 약 50%가 용존무기인이 차지하고 있었다. 총 질소는 강우시작 1시간 후 증가한 뒤 약 4시간 정도 3.6~3.8 mg/L의 균일한 농도를 보이다가 이후 감소하는 경향을 보였다. 용존무기 질소 역시 강우 초기에는 낮은 농도(0.98 mg/L)를 보이다가 지속 적으로 증가하여 최대 2.68 mg/L로 증가하였고 이후 감소한 뒤 다시 증가하는 경향을 보였다. 총질소 내 용존무기질소가 차지하 는 비율은 평균 64%로 강우 초기에는 42.2%로 낮았으며 이후 증 가하다가 다시 감소하였다.
화정천의 경우 총 30시간 30분 동안 조사가 실시되었으며 총
부유물질은 강우 지속에 따라 감소하는 경향을 보였고 평균농도는
234 mg/L 로 안산천(315 mg/L)에 비해 낮았다. t-COD는 3.1~10.5
mg/L( 평균 4.9 mg/L)로 안산천의 평균농도 6.8 mg/L에 비해 낮
았으며 강우시작 2시간 30분 후 최고 농도를 보인 후 지속적으로
감소하였다. 용존무기인은 강우 지속에 따라 점차 증가하고 있었
으며 평균농도는 0.05 mg/L로 안산천의 1/4수준이었다. 총인의 시
간별 변화는 t-COD의 농도가 급격히 증가한 강우 시작 2시간 30
분 후 급격히 증가하여 1.66 mg/L의 최고 농도를 보였으며 이후
Fig. 1. Map of study area around Shihwa Lake.
Fig. 2. Discharge patterns of non-point pollutants in the storm water runoff from Ansan (left) and Hwajung (right) streams.
Table 1. Range and average of concentrations for water parameters (unit: mg/L) and flux (ton/min) in the storm water runoff from Ansan and Hwajung streams and six sewer outlets in Banweol Industrial Complex which was sampled on 16 July 2010.
Ansan stream Hwajung streams 1st sewer 2nd sewer 3rd sewer 5th sewer 6th sewer 7th sewer PO
40.05~0.26
(0.19)
0.02~0.09 (0.05)
0.04~0.30 (0.10)
0.08~0.53 (0.17)
0.02~1.37 (0.25)
0.02~2.42 (0.27)
0.01~0.41 (0.28)
0.01~5.07 (0.24) NO
20.04~0.13
(0.10)
0.02~0.08 (0.06)
0.01~0.51 (0.09)
0.03~2.05 (0.42)
0.06~0.35 (0.15)
0.01~0.41 (0.13)
0.03~0.65 (0.10)
0.01~0.28 (0.09) NO
30.67~1.54
(1.11)
0.28~2.08 (0.84)
0.35~1.62 (0.89)
0.35~6.52 (2.11)
0.09~2.88 (1.27)
0.01~5.42 (1.29)
0.45~5.74 (1.77)
0.22~2.51 (0.97) NH
40.27~1.59
(0.93)
0.25~1.93 (0.95)
0.19~1.80 (0.68)
0.69~5.31 (1.78)
1.69~14.3 (5.10)
1.28~13.0 (5.02)
0.41~3.41 (1.35)
0.92~23.2 (5.91) SiO
20.92~2.10
(1.41)
0.13~1.30 (0.41)
0.01~1.88 (0.48)
0.02~4.14 (0.42)
0.03~0.85 (0.25)
0.03~2.98 (0.58)
0.05~0.93 (0.33)
0.04~1.71 (0.33) DIN 0.98~2.68
(2.14)
0.54~2.82 (1.85)
0.63~3.10 (1.66)
1.38~13.8 (4.31)
2.68~15.3 (6.53)
2.54~13.1 (6.44)
1.33~7.44 (3.23)
1.28~23.8 (6.97) TP 0.34~0.65
(0.44)
0.12~1.66 (0.30)
0.11~0.88 (0.25)
0.18~4.25 (0.79)
0.16~2.82 (1.03)
0.13~5.68 (0.86)
0.18~2.69 (0.77)
0.15~18.8 (1.19) TN 2.33~3.88
(3.3)
1.66~4.27 (2.8)
2.40~6.96 (4.2)
2.81~25.0 (8.3)
7.6~33.2 (14.7)
5.6~20.5 (10.6)
3.7~11.4 (7.3)
5.02~29.0 (12.9) TSS 63~2573
(315)
50~971 (234)
18~205 (65)
15~2236 (161)
21~534 (129)
12~336 (94)
8~223 (64.8)
10~657 (126) tCOD 5.6~9.4
(6.8)
3.1~10.5 (4.9)
2.0~24.5 (7.5)
3.9~50.0 (15.9)
5.8~40.2 (19.2)
9.9~47.7 (32.7)
3.6~47.8 (14.3)
6.1~47.9 (23.7) dCOD 4.5~6.8
(5.8)
3.1~6.5 (4.3)
1.8~18.9 (6.4)
3.5~26.7 (11.3)
2.2~23.3 (13.4)
7.6~24.7 (18.1)
2.4~25.1 (8.3)
4.1~23.9 (15.8) DOC 4.1~7.2
(5.3)
3.0~6.2 (4.3)
2.9~29.5 (7.0)
3.3~103 (15.7)
4.7~25.5 (12.5)
8.2~89.1 (35.8)
3.6~75.0 (12.0)
4.5~40.6 (19.1) POC 5.5~101
(18.7)
2.7~32.0 (8.7)
1.6~12.3 (5.2)
1.8~129 (10.7)
4.9~47.9 (16.0)
1.8~38.1 (12.2)
1.5~26.6 (8.4)
1.6~77.0 (16.7) TOC 4.5~107
(25.3)
6.7~32.6 (12.9)
5.9~41.2 (12.3)
5.7~171 (26.4)
11.1~55.8 (28.5)
13~112 (47.9)
5.1~81.3 (20.1)
8.1~96.2 (35.2)
Flux - - 3.0~77.0
(31.9)
13.6~240 (72.4)
4.5~742 (303)
3.0~181 (51.9)
0.4~91.1 (6.6)
20.2~732
(106)
감소하였다. 용존무기질소는 초기에는 낮은 농도를 보였으나 강우 시작 후 증가하는 경향을 보였으며 총질소 역시 용존무기질소와 유사한 시간별 변화양상을 나타내고 있었다. 용존무기질소와 총질 소의 경우 안산천에서는 강우 시작과 함께 증가하였다가 지속적 으로 감소하는 변화를 보였으나 화정천에서는 강우 시작 13시간 이후 다시 증가하는 경향을 나타냈다. 총인 중 용존무기인이 차지 하는 비율은 10.2~38.8%(평균 19.5%)이었으며 총질소 중 용존무 기질소는 58.2~70.6%(평균 64.4%)로 같은 시기 안산천에 비해 총 무기인은 높았으나 무기질소의 함량은 낮은 것으로 나타났다.
3.2 강우사상에 따른 유출특성의 차이
Fig. 3 은 강우량 및 강우 지속시간 등의 강우특성에 따른 비점 오염물질의 시간별 변화양상을 보여주고 있다. 5월 조사에서는 18
시간 동안 47.5 mm의 강우량을 나타냈으며 총부유물질과 t-COD
은 강우시작과 함께 증가하였다가 이후 지속적으로 감소하는 경
향을 보였다. 7월 2일 조사에서는 강우량이 25.5 mm로 상대적으
로 적었으며 5시간 동안 조사를 실시한 결과 총부유물질과 t-COD
의 농도가 큰 변화가 없는 것으로 나타났다. 조사시간동안 97 mm
의 강우량을 보인 7월 16일 조사의 경우, 총 부유물질은 강우 초
기 높고 이후 감소하였고 t-COD는 지속적으로 유사한 농도를 보
이고 있는 것으로 나타났다. 8월 조사에서는 약 6시간 동안 조사
가 이루어졌으며 총부유물질과 t-COD의 변화폭이 가장 작은 것
을 알 수 있었다. 총인과 총질소의 경우 조시시기에 따라 약간의
차이는 있으나 대부분의 조사에서 강우지속에 따라 감소하는 경
향을 보였다. 5월 조사에서의 총질소 농도는 강우와 함께 지속적
으로 증가하는 경향을 나타냈고 t-COD 역시 다른 조사 시기에 비
Fig. 3. Discharge patterns of non-point pollutants in the storm water runoff of Ansan streams with different sampling times.
해 높은 농도를 보이고 있었다. 이는 안산지역의 강우량은 주로 하계에 집중되어 있어 동계기간 동안 적은 양의 강우량으로 인하 여 도심지역에 축적된 비점오염물질이 이 시기에 강우유출수와 함 께 유출되었기 때문이다.
3.3 공업유역인 반월산단 토구를 통한 비점오염물질 유출특성
반월산단 1토구의 총부유물질의 평균농도는 65 mg/L(농도범위
18~205 mg/L) 으로 2009년 14.4 mg/L에 비해 약 4배 높은 평균
농도를 보였다. t-COD는 2.0~24.5 mg/L(평균 7.5 mg/L)으로 나
타났으며 강우시작 전 20.6 mg/L에서 강우시작 후 12.1 mg/L으로 감
소하였고 강우 시작 1시간 후 최대농도인 24.5 mg/L를 보인뒤 감
소하다가 강우사상에 따라 일시적으로 증가하는 경향을 보였다
(Fig. 4 and Table 1). 총인은 강우 시작과 동시에 0.88 mg/L에서
0.63 mg/L 로 감소한 뒤 1시간 정도 유사한 농도를 유지하다가 급
Fig. 4. Discharge patterns of non-point pollutants in the storm water runoff from sewer outlets of Banweol Industrial Complex.
격히 감소하는 경향을 보였으며 평균농도는 0.25 mg/L로 나타났 다. 1토구의 총인 농도는 안산천 및 화정천에 비해 낮은 평균농도를 보였다. 총질소의 농도범위는 2.40~6.96 mg/L(평균 4.19 mg/L)이 었으며 강우초기에는 감소하다가 다시 증가하는 경향을 나타냈으 며 용존무기질소 역시 유사한 시간별 변화특성을 보였다. 총인 중 용존무기인이 차지하는 비율은 평균 44%였으며 총질소 중 용존 무기질소가 차지하는 평균비율은 39.5%였다.
2 토구에서의 총부유물질의 농도범위는 15~2,236 mg/L(평균농 도 161 mg/L)이었으며 강우 초기에는 높고 강우시간 지속에 따라 줄어드는 것으로 나타났다. t-COD는 3.9~50.0 mg/L(평균 15.9 mg/L) 으로 1토구에 비해 평균적으로 약 2배 높은 값을 보였다. 시 간별 변화특성은 강우초기에 높고 이후 감소하는 경향을 보였으나 강우 시작 4시간 이후 증가한 다음 다시 감소하는 경향을 보였다.
총인은 0.18~4.25 mg/L(평균 0.79 mg/L)으로 1토구에 비해 약 3배 높았고 강우 초기에는 높았으나 이후 감소하고 있었다. 총질소는 2.81~25.0 mg/L( 평균 8.28 mg/L)으로 강우 시작 후 지속적으로 증가하였고 5시간 경과 후 25.0 mg/L의 최대농도를 보였으나 이 후 다시 감소하였다.
총 유역면적 및 토구의 폭이 가장 넓어 강우유출수의 총 유출 량이 가장 큰 3토구의 경우, 총부유물질은 213~534 mg/L(평균 129 mg/L) 으로 2토구에 비해 약간 낮았으며 강우 시작 후 점차적으로 감소하다가 약 2시간 후 최대농도인 534 mg/L를 보이고 이후 다시 감소하였다. t-COD의 농도범위와 평균농도는 각각 5.0~40.2 mg/L와 18.8 mg/L 으로 1토구와 2토구에 비해 높은 평균농도를 나타냈다. 총 인은 0.16~2.82 mg/L(평균 1.03 mg/L)이었고 총인 중 용존무기인 이 차지하는 평균 비율은 44%으로 1토구와 유사하였다. 총질소는 7.6~33.2 mg/L( 평균 14.7 mg/L)이었으며 t-COD와 유사한 시간별 변화양상을 나타냈으며 평균농도가 6개 토구 중 가장 높은 것으 로 나타났다. 또한 총 질소 중 용존무기질소의 평균비율은 약 44%
로 다른 토구와 유사한 수준이었다. 2009년 조사에서도 6개의 토 구 중 3토구에서의 총인과 총질소의 농도가 가장 높은 것으로 보 고된 바 있다(윤 등, 2010). 1토구와 2토구에서는 총무기질소 중 암모니아염이 각각 40%와 43%로 암모니아염과 질산염이 유사한 농도로 유출되고 있었으나 3토구에서는 용존무기질소 중 암모니 아염이 차지하는 평균비율은 약 75%로 높아 3토구를 통해 다량 의 암모니아염이 유출되고 있음을 알 수 있었다.
5 토구에서의 t-COD는 9.9~47.7 mg/L(평균 32.7 mg/L)로 총 6 개의 토구 중 가장 높은 평균농도를 보였으며 강우 시작 후 약 6 시간 동안 40 mg/L 내외의 높은 농도를 유지하다가 이후 감소하는 경향을 보이고 있었다(Fig. 4). 2009년 조사결과에서도 5토구에서 가장 높은 t-COD의 평균농도를 보였으며 조사시기는 다르지만 2009 년 평균 2.13 mg/L에 비해 2010년 조사에서 약 1.5배 농도가 높은 것을 알 수 있었다. 총인은 0.13~5.68 mg/L(평균 0.86 mg/L)의 농도범위를 나타냈으며 강우 시작 후 증가하여 2시간 경과 후 최 대농도를 보였고 균일한 농도분포를 보였다. 총질소는 5.59~20.5mg/L ( 평균 10.6 mg/L)의 농도범위 및 평균농도를 보였다. 총인 중 용
존무기인이 차지하는 평균비율은 23.5%로 다른 토구에 비해 낮았 으나 총질소 중 용존무기질소가 차지하는 비율은 평균 60%으로 다른 토구에 비해 높았다. 3토구와 마찬가지로 총무기질소 중 암 모니아염이 차지하는 비율은 평균 75%였으며 강우초기에는 이 비 율이 93%로 높았다. 6토구의 경우 총부유물질의 농도범위 및 평 균농도는 8~223 mg/L와 64.8 mg/L로 6개 토구 중 가장 낮은 평 균농도를 나타냈다. t-COD의 농도범위는 3.6~47.8 mg/L(평균 14.3 mg/L) 으로 나타났으며 강우 초기보다는 강우 시작 후 일시적으로 농도가 높아지는 것으로 나타났다. 총인과 총질소의 농도범위는 각각 0.18~2.69 mg/L(평균 0.77 mg/L)와 3.7~11.4 mg/L(평균 7.3 mg/L) 으로 시간에 따른 큰 변화를 보이지 않았다. 총인의 평 균농도는 2009년에 비해 약 5배 높은 농도를 보였으며 이중 용존 무기인이 차지하는 비율은 평균 32.3%이었다. 총질소 중 약 60%가 용존무기질소였으며 용존무기질소 내 질산염이 차지하는 비율은 52.4% 로 암모니아염의 44.7%에 비해 약간 높은 것으로 나타났다.
7 토구에서의 총부유물질은 10.2~657 mg/L(평균 126 mg/L)으로 3 토구와 유사한 평균농도를 나타났다. t-COD의 평균농도는 23.7 mg/L( 농도범위 6.1~47.9 mg/L)으로 2009년 11.5 mg/L에 비해 약 2 배 증가한 농도이다. 총부유물질과 t-COD의 시간별 변화특성은 강우 시작 후 증가하여 약 2시간 뒤 각각 47.9 mg/L와 657 mg/L으로 최대농도를 보였고 이후 다시 감소하는 경향을 보였다. 총인은 0.15~18.8 mg/L( 평균 1.19 mg/L)의 농도범위를 보였고 다른 토구 에 비해 가장 높은 평균농도를 나타냈다. 총질소는 5.02~29.0 mg/L ( 평균 12.9 mg/L)의 농도범위를 나타냈으며 강우 시작 후 지속적 으로 감소하였으나 강우유출수가 급격히 증가한 강우 시작 24시간 후 다시 증가하고 있었다. 2009년 조사에서의 총부유물질, t-COD, 총인 및 총질소의 시간별 변화특성은 일반적으로 강우 초기에 높 고 이후 지속적으로 감소하는 경향을 나타냈으나 2010년의 조사 에서는 일부 토구 및 조사항목을 제외하고는 강우 초기보다는 강 우 시작 후 비점오염물질의 농도가 급격히 증가하는 것으로 나타 나 강우사상에 따라 영향을 받고 있음을 알 수 있었다.
3.4 수질항목간 상관관계
도심유역을 흐르는 안산천 및 화정천 강우유출수 조사항목간의
상관관계를 분석하였다(Table 2). 총부유물질은 t-COD와 통계학
적으로 유의한 양(+)의 상관성(r=0.33, p<0.05)을 나타냈으며, 용
존무기인(r=-0.28, p<0.05) 및 용존무기질소(r=-0.39, p<0.01)와는
음(-)의 양호한 상관성을 보였다. 총부유물질은 총질소와 통계학적
으로 유의한 양(+)의 상관성(r=0.37, p<0.01)을 보였으나, 총질소
와는 상관성이 없는 것으로 나타났다. 용존무기인은 용존규산염
(r=0.87, p<0.01) 및 용존무기질소(r=0.43, p<0.01)의 양(+)의 좋
은 상관성을 보이는 것으로 나타나 용존영양염이 강우유출수를 통
하여 유출되고 있음을 보여주고 있다. 화정천의 경우, 총부유물질
과 t-COD(r=0.789, p<0.01) 및 TOC(r=0.966, p<0.01)와 높은 상
관성을 보이고 있어 t-COD 및 총유기탄소는 부유물질의 유입에
큰 영향을 받고 있음을 알 수 있었다.
반월산단 토구에서의 각 측정항목간 상관성은 분석한 결과(Table 3), 총부유물질은 t-COD(r=0.26, p<0.05) 및 총인(r=0.17, p<0.05)의 양호한 상관성을 보였으나 용존영양염과는 상관성이 없는 것으로 나타났다. 총부유물질과 t-COD간의 상관성은 1토구(r=-0.01), 2토 구(r=0.45, p<0.05), 3토구(r=-0.31), 5토구(r=0.45, p<0.05), 6토구 (r=0.38, p<0.05), 7토구(r=0.64, p<0.01)으로 나타났으며 1토구와 3 토구에서는 상관성이 없는 것으로 나타났다. 총부유물질과 총질 소는 모든 토구에서 상관성이 없었으나 총부유물질과 총인은 3토 구, 5토구 및 7토구에서 통계학적으로 유의한 양(+)의 상관성을 나타냈다. 도심유역을 흐르는 안산천 및 화정천과 마찬가지로 t- COD 는 총인(r=0.33, p<0.01) 및 총질소(r=0.45, p<0.01)와 통계 적으로 유의한 상관관계를 나타냈다. 도심하천에서는 t-COD가 용 존무기질소와 상관성이 없었으나 공업지역인 반월산단 토구에서는 t-COD 는 용존무기질소와 양호한 상관성을 보였다. 두 지역 모두 t-COD 는 용존무기인과는 양호한 상관성을 보여 도시하수에 포함 되어 유출되는 합성세제가 영향을 미치고 있음을 시사하고 있다.
t-COD 와 d-COD간의 상관성은 안산천, 화정천 및 반월산단토구 에서 좋은 양의 상관성을 보였으며 기울기가 0.506으로 평균적으 로 t-COD의 절반정도가 d-COD인 것을 알 수 있었다(Fig. 5). 총 인과 총질소의 상관관계는 화정천에서는 통계학적으로 유의한 상
관성을 보였으나(r=0.41, p<0.05), 안산천 및 반월산단 토구에서 는 상관성을 보이지 않았다(Fig. 5).
3.5 반월산단 토구를 통한 비점오염물질의 총유출량
도심유역을 흐르는 안산천 및 화정천의 경우, 하천지형이 불규 칙적으로 변화하며 수위 측정이 어렵기 때문에 본 연구에서는 수 위를 통한 정확한 유량 산정은 이루어지지 않았다. 반월산단 토구 의 경우, 유량을 직접적으로 연속 측정하는 것은 어렵기 때문에 시료 채취 시간에 측정된 반월산단 토구의 수위를 이용하여 수위 - 유량관계에 의해 유량을 계산한 뒤 각 조사시간에 따른 비점오염 물질의 총유출량을 적분하여 2010년 7월 16~17일(약 30시간) 조 사기간 동안 각 토구별 수질항목에 대한 총유출량을 계산하였다 (Table 4). 각 토구당 소유역별 면적은 1토구 0.46 km
2, 2 토구 1.04 km
2, 3 토구 2.94 km
2, 4 토구 2.93 km
2, 5 토구 0.67 km
2, 6 토구 0.46 km
2, 7 토구 1.73 km
2이다(국토해양부, 2009). 3토구와 4토구 가 가장 많은 면적을 차지하고 있었으며 1토구가 가장 적은 유역 면적을 차지하고 있었다. 본 조사에서 각 토구별 평균유량은 1토구 31.9 ton/min, 2 토구 72.4 ton/min, 3토구 303 ton/min, 5토구 51.9 ton/min, 6 토구 6.6 ton/min 및 7토구 106 ton/min으로 토구의 소 유역 면적과 양의 상관성(R
2=0.946) 을 보여 유량이 토구 면적에 Table 3. Correlation factor for water parameters in the storm water runoff from sewer outlets by Pearson’s correlation analysis
TSS t-COD PO
4NO
3NH
4SiO
2DIN TP TN TOC
TSS 1.00
t-COD 0.26
*1.00
PO
40.14 0.27
**1.00
NO
3-0.14 -0.01 0.12 1.00
NH
4-0.07 0.53
**0.03 0.02 1.00
SiO
2-0.12 0.11 0.00 0.13 0.13 1.00
DIN -0.10 0.50
**0.06 0.34
**0.95
**0.16
*1.00
TP 0.17
*0.33
**0.91
**0.12 0.11 -0.04 0.14 1.00
TN -0.07 0.45
**0.06 0.34
**0.82
**0.05 0.88
**0.15 1.00
TOC 0.62
**0.80
**0.33
**-0.06 0.30
**0.03 0.27
**0.36
**0.23
**1.00
*
Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed)
**
Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed)
Table 2. Correlation factor for water parameters in the storm water runoff from Ansan and Hwajung streams by Pearson’s correlation analysis
TSS t-COD PO
4NO
3NH
4SiO
2DIN TP TN TOC
TSS 1.00
t-COD 0.33
*1.00
PO
4-0.28
*0.40
**1.00
NO
3-0.31
*-0.01 0.46
**1.00
NH
4-0.18 0.16 0.00 -0.16 1.00
SiO
2-0.09 0.39
**0.87
**0.68
**-0.18 1.00
DIN -0.39
**0.12 0.43
**0.77
**0.51
**0.50
**1.00
TP 0.37
**0.80
**0.20 -0.09 0.14 0.20 0.02 1.00
TN -0.10 0.48
**0.45
**0.65
**0.48
**0.54
**0.88
**0.45
**1.00
TOC 0.42
**0.45
**-0.07 -0.10 0.22 0.06 0.07 0.35
*0.29
*1.00
*
Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed)
**
Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed)
가장 큰 영향을 받는 것으로 나타났다(Table 1). 시간별 유량의 변 화는 강우 초기보다는 강우 중반에 유량이 크게 증가하여 시간당 강우량에 따라 조절되고 있음을 알 수 있었다(Fig. 4). 반월산단 유역의 집수구역별 토지이용현황은 상대적으로 유역면적이 작은 5 토구와 6토구는 각각 91.1%와 90.3%가 공업지역이었으며 평균 적으로 65%가 공업지역으로 나타났다(국토해양부, 2009). 1토구 에서는 총인 8.2 kg, 총질소 189.4 kg, 총부유물질 2,726 kg 및 t- COD 234 kg 이 유출되는 것으로 나타났다. 3토구를 통한 비점오 염물질의 유출량은 총인 366 kg, 총질소 5,081 kg, 총부유물질 66,248 kg 및 t-COD 5,315 kg으로 조사를 실시한 6개의 토구 중 유출량이 가장 높은 것으로 나타났다. 4토구를 제외한 전체 토구
를 통한 비점오염물질의 유출량 중 3토구가 차지하는 비율은 총 인 61%, 총질소 57%, 총부유물질 54% 및 t-COD 44%로 나타났 다. 총인의 경우 3토구에서 유출량이 가장 높았으며 3토구>7토구
>2 토구>5토구>6토구>1토구의 순이었고 총질소, 총부유물질 및 t- COD 의 총유출량 역시 유사하였다. 용존무기인의 유출량은 193 kg 으로 총인의 32%를 차지하고 있었다. 용존무기질소의 유출량은 3,790 kg 으로 총질소의 43%를 차지하고 있었으며, 조사지역에 따 라 차이는 있으나 용존무기질소 내 암모니아염이 차지하는 비율 이 약 67%(2,550 kg)으로 질산염(1,120 kg)에 비해 2배 이상 높 은 유출량을 보이고 있었다. 2009년의 조사결과 역시 전체토구 중 가장 유역면적이 큰 3토구를 통한 유출량이 가장 컸으며 총인 51.3kg, 총질소 520kg, 총부유물질 5,883kg, t-COD 1,386kg이었 다(윤 등, 2010). 조사항목에 따라 차이는 있으나 2009년에 비해 2010 년 조사에서 비점오염물질의 총유출량은 3.8~11배 증가한 것 으로 나타났다. 2010년 조사의 경우 총강우량과 조사기간이 각각 167.5 mm 와 약 30시간이었고 2009년에는 81 mm의 강우량과 약 12 시간의 조사기간으로 강우량 및 조사기간에 따라 비점오염물질 의 총유출량이 크게 차이가 나는 것을 알 수 있었다. 본 연구에서 는 조사를 실시하지 않았으나 4토구는 비점오염물질의 총유출량 이 가장 많았던 3토구와 유사한 면적을 가지며 반월산단 전체 유 역 중 약 28%를 차지하고 있다. 각 토구당 유역면적과 비점오염 물질(총부유물질, t-COD, 총인 및 총질소)의 총유출량은 좋은 양 (+) 의 상관성을 나타내고 있다(Fig. 6). 강우시 지표면을 따라 흐 르는 강우유출수는 강우량 및 해당유역과 연관이 있는 것으로 나 타났다. 따라서 각 토구당 유역면적 및 비점오염물질 총유출량의 관계를 이용하여 4토구를 통한 비점오염물질의 유출량을 간접적 으로 계산하였다(Table 4). 반월산단 토구를 통한 비점오염물질의 총유출량은 총인, 총질소, 총부유물질 및 t-COD가 각각 922 kg, 13,519 kg, 187,536 kg 및 17,118 kg으로 나타났다. 비점오염원은 강우량에 비례하여 유출되기 때문에 몬순기후의 특성을 지니고 있 는 우리나라는 계절적으로 비점오염원의 유출이 크게 변동되며 하 계에 집중되고 있다. 최근 10년간 안산지역 연간 강우량은 1,374 mm 으로 2010년 조사기간 동안(약 30시간 30분)의 강우량 167.5 mm 는 평균연간 강우량의 약 12%로 나타났으며, 연간 총 강우일 수 중 절반 이상이 하계에 집중되어 있다. 반월산단 토구를 통해 유출되는 비점오염물질의 유출량은 강우량 및 강우특성에 따라 변 화폭이 크기 때문에 정확한 연간 유출량을 계산하는 것은 어려운 실정이다. 시화호 내측 반월산단 토구 인근 지역의 연간 퇴적률은 2.41 cm 이었으며(Hong et al., 2010), 시화호 내측 다른 지역의 연 간 퇴적률 0.38~1.47 cm으로 나타났다(국토해양부, 2010). 토구를 통한 부유물질의 다량 유출로 인하여 토구 인근지역에서의 퇴적 률이 높은 것으로 나타났으며 전체 부하량은 심각한 수준으로 사 료된다. 전체 시화호 유역 중 반월산단 토구 유역이 차지하는 비 율은 3%에 불과하여 전체 유역내에서 차지하는 면적비율은 낮으 나 산업단지의 특성상 비점오염물질의 부하량이 높은 주오염원 지 역이기 때문에 시화호 전체 소유역 중 비점오염물질의 총 유출량 Fig. 5. Relationship between t-COD and d-COD (upper) and between TP
and TN (lower) in the storm water runoff.
이 차지하는 비율은 높은 것으로 판단된다.
최적관리기법(BMPs)는 초기 강우 유출수의 오염물질이 인근 수체로 유입되는 것을 제거 및 저감하기 위한 방식 혹은 방법으 로 인공습지, 저류지, 식생여과, 모래여과시설 및 추가적인 처리시 설 설치 등이 있다. 반월산단 3토구에서 7토구의 남측지역은 현재 매립을 통한 MTV(multi-techno valley)를 건설 중에 있으며 1토
구와 2토구는 시화호에 인접한 특성상 인공습지 및 저류지 등의 설치를 통한 비점오염물질의 관리는 현실적으로 어려운 실정이다.
모래여과시설은 일반적으로 침강지와 모래여과지로 구성되며 총 부유물질의 제거율이 높으나 반월산단토구는 자연적인 하천과는 다르게 인위적으로 형성된 직선의 수로를 통하여 비점오염물질을 운반하며 이중 대부분이 총부유물질과 연관되어 있는 것으로 나 Table 4. Total basin area (km
2) and flux (kg) of non-point pollutants in storm water runoff from sewer outlets. Flux from 4th sewer outlet was indirectly calculated using the linear equation between basin area and non-point pollutants
Area TSS t-COD TP TN
1st sewer outlet 0.46 2,726 234 8.2 189.4
2nd sewer outlet 1.04 11,308 1,129 76.9 667.9
3rd sewer outlet 2.94 66,248 5,315 366.6 5,081.5
4th sewer outlet 2.93 65,116 5,269 324.6 4,701.0
5th sewer outlet 0.67 6,608 1,971 41.4 838.8
6th sewer outlet 0.46 1,404 227 19.2 157.4
7th sewer outlet 1.73 34,126 2,973 85.5 1,883.4
Sum 10.22 187,536 17,118 922.4 13,519
Fig. 6. Relationship between basin area (km
2) and total flux(kg) of non-point pollutants such as TSS, t-COD, TP and TN in storm water
runoff from sewer outlets.
타나 모래여과시설 설치를 통한 비점오염물질 유출량 삭감도 가 능할 것으로 사료된다. 그러나 유입수의 양이 지나치게 많은 경우 제거효율이 감소할 수 있다. 현재 1토구와 2토구를 제외한 반월산 단토구의 하단부에 처리시설이 설치되어 있으나 처리용량에 한계 가 있다. 토구를 통한 비점오염물질 유출은 비 강우시에는 전량 차집되어 하수종말 처리장에서 처리되고 있으나 강우시에는 월류 되는 양이 차집되는 양에 비하여 월등히 많으며 토구의 유역면적 이 큰 경우 월류되는 비율이 더 큰 실정이다. 특히 1토구와 2토구 는 별다른 처리없이 직접 시화호로 유출되고 있다. 따라서 앞서 언급한 모래여과시설 설치와 더불어 현재 가동중인 처리시설의 처 리용량을 증대를 통한 비점오염물질의 삭감이 다른 방법에 비해 효율적일 것으로 사료된다.
시화호로 유출되는 전체 소유역의 광범위한 지역에 대한 장기 적인 모니터링을 통한 기초자료의 획득은 비점오염물질의 총 유 출량 산출을 가능하게 할 것이며 시화호 연안오염총량제 시행에 필요한 오염부하 유출량 파악 및 삭감량 평가에 유용한 도구로 활 용될 것이다. 아울러 시화호 유역은 향후 MTV, 송산그린시트 등 다양한 개발이 예정되어 있으며 본 연구에서의 조사항목 이외에 중금속, 기름, 유기오염물질 등의 다양한 비점오염물질을 고려할 때 시급한 저감대책이 필요하다.
4. 결 론
본 연구에서 안산천, 화정천 및 반월산단 토구를 통한 강우유출 수 내 비점오염물질의 유출특성을 조사한 결과 강우사상, 조사시 기 및 비점오염물질의 종류에 따라 차이는 있으나 강우시작 후 일 시적으로 증가하였다가 감소하는 경향을 나타냈다. 비점오염물질 의 농도 및 유출되는 총부하량은 토지이용 및 유역면적에 따라 다 르게 나타나며 산업단지인 반월공단 토구를 통한 비점오염물질의 유출이 심각한 것을 알 수 있었다. 비 강우시에도 유출량은 적으 나 시화호 주변 하천을 통한 비점오염물질이 지속적으로 시화호 로 유출되고 있으며 총인, 총질소 및 화학적산소요구량 이외에도 하천 및 토구를 통하여 중금속 및 유기오염물질 등의 다양한 비 점오염물질이 시화호로 유출되는 것을 고려할 때 강우시 뿐만 아
니라 비 강우시 비점오염물질을 삭감 및 처리할 수 있는 종합적 인 대책이 마련되어야 할 것으로 사료된다. 시화호 주변 소유여의 비점오염원에 대한 지속적인 모니터링을 통해 시화호로 유입되는 비점오염물질의 총 부하량를 파악해야하며 아울러 비점오염물질 삭감을 위한 최적관리기법 및 효율적인 저감대책이 수립되어야 할 것이다.
감사의 글
본 연구는 국토해양부 연구사업 “시화호 해양환경개선사업 (PM55531)” 의 연구비 지원에 의해 수행되었습니다.
참고문헌
