1. 서 론
비점오염물질은 강우에 의해 발생되어 유입경 로가 확실히 구분되지 않으며, 간헐적으로 유입 되는 오염물질로서 주로 농경지와 산림지역 등과 같은 토지이용 특성에 영향을 미친다(Lee et al., 2005). 특히, 농촌지역의 대표적인 비점오염원인 영양물질은 비료로 사용되는 질소 및 인과 같은 물질로서 강우에 의해 유출되어 조류의 성장을 촉
진하여 하천 및 호소의 수질을 악화시킨다(MOE, 2008). 또한, 수집이 어렵고 발생량 및 배출량이 강수량 등의 기상조건에 의해 크게 좌우되기 때 문에 점오염과는 달리 체계적인 관리가 어렵다 (MOE, 2008).
새만금 만은 상류 하천인 만경강과 동진강으로 부터 직접적으로 영향을 받으며, 새만금 만의 수 질관리를 위해서는 호소의 주요 오염원이라 할 수 있는 상류 유입하천의 비점오염 특성을 파악하는 것이 중요하다(Jung et al., 2011).
비점오염원의 유출 및 수질에 관련된 연구가 지 속적으로 수행되고 있다. 특히, 다양한 강우유출
•Received 12 November 2013, revised 09 December 2013, accepted 11 December 2013.
* Corresponding author: Tel : +82-31-220-2470 Fax : +82-31-220-2522 E-mail : [email protected]
Prediction of Water Quality at the Inlet of Saemangeum Bay by using Non-point Sources Runoff Simulation in the Mankyeong River Watershed
만경강 유역의 비점오염물질 유출모의를 통한 새만금 만 유입부의 수질 예측
Bum-Soo Ryu·Chae-Young Lee
*
류범수·이채영*
수원대학교 토목공학과·하천환경기술연구소
Abstract : This study was carried out to forecast the flow rate and water quality at the inlet of the Saemangeum bay in Ko- rea using the SWMM(Storm Water Management Model) and the WASP(Water Analysis Simulation Program), and to analyze the impacts of pollutant loading from non-point source on the water quality of the bay. The calibration and validation of flow rate and water quality were performed using those from two monitoring points in the Mankyeong river administrated by Korean Ministry of Environment as part of the national water quality monitoring network. When the river flow rate was calibrated and validated using the rainfall intensities during 2011-2012, R
2(i.e., coefficient of determination) was ranged from 0.91 to 0.96. For water qualities, it was shown that R
2of BOD(Biochemical Oxygen Demand) was ranged from 0.56 to 0.86, and R
2of T-N(Total Nitrogen) was from 0.64 to 0.75, and R
2of T-P(Total Phosphorus) was from 0.67 to 0.89. The integrated modeling system showed significant advances in the accuracy to estimate the water quality. Finally, further simulations showed that annual average flow of the river running into the bay was estimated to be 1.439×10
9m
3/year. The discharged load of BOD, T-N, and T-P into the bay were anticipated to be 618.7 ton/year, 331.5 ton/year, and 40.4 ton/year, respectively.
Key words : Mankyeong river watershed, Non-point sources pollution, Land use, SWMM, WASP
주제어 : 만경강 유역, 비점오염물질, 토지이용도, SWMM, WASP
원의 유출 해석 및 수질 예측을 평가하는 연구 가 수행되고 있는 실정이다. 현재 강우유출모형 및 수질예측모형으로는 HEC-RAS(Hydrologic Engineering Center-River Analysis System), SWMM(Storm Water Management Model), HSPF(Hydroglogical Simulation Program- FORTRAN), EFDC(Environmental Fluid Dy- namic Code) 및 WASP(Water Analysis Simu- lation Program) 모형 등이 개발되어 있다.
Jung et al.(2011)은 HSPF 모형을 이용하 여 새만금 유역의 오염부하 특성을 평가하였다.
Jeon et al.(2011)은 EFDC 모형을 이용하여 새 만금 만의 수질 예측에 대한 평가를 수행하였다.
HSPF 모형은 하천유역의 수문학적 특성과 수질 을 동시에 모의할 수 있는 장점이 있으나 1차원적 해석으로 모의되며 적용범위가 큰 유역에 적용이 쉽지 않은 단점이 있으며, 다수의 입력자료를 필 요로 한다(MOE, 2007). EFDC-Hydro 모형은 EFDC 모형에서 수리학적 계산 부분만 분리된 모형으로서 WASP 모형과 연계하여 수질모의가 가능한 장점이 있다. 그러나, EFDC-Hydro 모 형은 수체내의 3차원 수리동역학모형으로서 본 연구와 같이 유역내 강우에 의해 발생되는 비점 오염물질의 유출 및 수질을 모의하기 위해서는 HSPF 및 SWMM 모형 등의 유출모형이 연계되 어야 한다. 또한, 자연유기물질과 같이 난분해성 용존성 유기물의 오염도 기여가 큰 수체에서는 오차의 원인이 될 수 있다(Jeon et al., 2011).
Seo and Fang(2012)은 도시지역의 소하천 수질관리를 위해 SWMM 모형을 이용하여 강우 시 유역에 유입되는 유량 및 수질변화 특성을 분 석하였다. Yoon and Ham(2000)은 SWMM 및 WASP 모형을 연계하여 하구담수호의 수질을 예 측한 연구를 수행하였다. Ouyang et al.(2012) 은 SWMM 모형을 이용하여 다양한 지표면의 강 우유출수로부터 발생되는 초기세척효과 및 비점 오염부하량을 평가하였다.
Zhang and Shen(2008)은 WASP 모형을 이
호소로 유입되기까지의 하천수질을 평가하였다.
특히, SWMM 모형은 수문모형으로서 최소 의 보정으로 비교적 정확한 유출유량을 산정할 수 있으며, 소유역별 토지이용상태를 고려할 수 있다(Yoon and Ham, 2000). 또한, 서로 다 른 배수구역간의 유출수 흐름 모의가 가능하다.
WASP 모형은 하천, 호소 및 하수의 수질을 시 간간격에 따라 자유롭게 입력할 수 있는 동적 모 형으로 연중 변화는 물론 단시간 동안의 수질 변 화까지 모의가 가능한 수질 예측 모형이다(Yoon and Ham, 2000).
따라서, 본 연구에서는 위와 같은 장점을 지 니고 있는 XP-SWMM 및 WASP 7.5 모형으 로 통합모형을 구축하여 새만금 유역의 중요하 천인 만경강 유역을 중심으로 비점오염물질에 의한 새만금 만 유입부의 유출유량 및 수질을 예측하였다. 소유역별 유출유량 및 비점오염부 하량은 U.S. EPA(Environmental Protection Agency)에서 공인된 XP-Solutions 사에서 개 발한 XP-SWMM 모형을 이용하여 모의하였 다. 최종적으로는 XP-SWMM 모형에서 모의 된 소유역별 유출유량 및 비점오염부하량으로부 터 WASP 7.5 모형을 이용하여 새만금 만의 유 입부에 유입되는 비점오염부하량 및 수질을 예 측하였다.
2. 연구 방법
2.1. 대상 유역 현황
만경강 유역은 전라북도 군산시, 김제시, 완 주군, 전주시 및 익산시 일원에 위치해 있으며, 본 연구의 대상유역을 약 1,426.34 km2으로 정 의하였다. 만경강의 유로 연장은 80.86 km이 며, 완주군 화산면을 기점으로 삼례읍, 전주시, 익산시, 김제시 및 군산시의 경계로 흘러 최종 적으로는 새만금 만으로 유입된다(Lee et al., 2005). 만경강 유역의 위치 및 행정구역은 Fig.
1에 나타내었다.
2.2. 비점오염 발생원단위 산정
토지계 지목별 연평균 발생부하원단위는 수 질오염총량관리기술지침(NIER, 2012)에 제시 되어 있는 토지계 지목별 연평균 발생부하원단 위를 이용하여 산정하였다. 비점오염물질 및 수 질의 평가항목은 수질오염총량관리 대상물질 인 BOD(Biochemical Oxygen Demand), T- N(Total Nitrogen) 및 T-P(Total Phospho- rus)를 기준으로 산정하였다.
각 소유역의 지목별 토지이용면적은 답, 전, 임야, 대지 및 기타로 구분하였으며, 군산 시(Gunsan City, 2012), 익산시(Iksan City, 2012), 완주군(Wanju-Gun, 2012), 김제시 (Kimje Cuty, 2012) 및 전주시(Jeonju City, 2012)의 통계연보(2012) 및 수치지도(1:5,000) 를 통해 연구대상 유역을 소유역별로 구분하였 다. 비점오염 발생원단위 산정은 소유역별로 구 분하여 각각 산정하였다.
2.3. 모형의 적용 2.3.1. 모형 개요
SWMM 모형은 U.S. EPA에서 1971년에 개 발되었으며 주로 단일 또는 연속강우에 의해 발 생되는 유출량과 수질의 모의를 위한 동력학적
강우유출 모형이다(Rossman, 2004). SWMM 모형에서 오염물의 축적에 대한 식으로는 Pow- er-linear, Exponential, Michaelis-Menton 방법으로 산정되며 식(1), 식(2) 및 식(3)과 같 다. 또한, 오염물의 쓸림에 대한 식은 식(4)와 같 다(Lee, 2006).
Power-linear 법 : (1)
PSHED
=QFACT
(3)t
QFACT(2)PSHED
≤QFACT
(1)Exponential 법 : (2)
PSHED
=QFACT
(1)(1-e-QFACT(2) t) Michaelis-Menton 법 : (3)PSHED
=여기서,
PSHED
= 오염물의 축적량(kg)QFACT
(1) = 오염물의 축적 한계량(kg)QFACT
(2) = 축적지수QFACT
(3) = 축적계수(kg/ha/day)t
= 무강우일수(day)POFF(t)
=PSHED
0(1-e-Kt ) (4) 여기서,POFF(t)
= 시간t
에 쓸리는 오염물의 양Fig. 1. Location and administrative districts of the mankyeong river watershed
K
= 쓸림지수수질모형은 WASP 모형의 EUTRO 모형 에 의해 모의가 가능하며, EUTRO 모형은 영 양물질(Nutrients), 식물성플랑크톤(Phyto- lankton) 및 DO(Dissloved Oxygen) 뿐만 아 니라, 식물성플랑크톤 사멸과 그 외 수계 오염 물질들의 반응 등의 수질 예측이 가능하다(Lai et al., 2011). EUTRO 모형에서 모의 가능한 수질항목은 NH3(암모니아), NO3(질산), PO4( 인산), 식물성플랑크톤, CBOD(Carbonaceous BOD), DO, Org-N(유기질소), Org-P(유기 인)을 기준으로 8개로 구분된다(Lai 등, 2011).
WASP 모형에 적용된 물질수지식은 식(5)와 같 다(NIER, 2006).
여기서,
U = 각 방향별 유속(m/day) E = 확산계수(m2/day)
SL = 확산용적당 부하량(g/m3·day) SB = 경계 부하량(g/m3·day)
SK = 전 동수학적 변화율(g/m3·day)
2.3.2. 모형의 입력자료 구축
만경강 유역의 비점오염원으로부터 새만금 만 유입부로 유입되는 수질을 예측하기 위해 각각 의 지천을 중심으로 소유역을 구분하였다. 소유 역은 군산시(Gunsan City, 2012), 익산시 (Ik- san City, 2012), 완주군(Wanju-Gun, 2012), 김제시(Kimje Cuty, 2012) 및 전주시(Jeonju City, 2012) 의 통계연보의 행정구역과 수치지 도(1:5,000)를 이용하였으며, Fig. 2 및 Table 1 에 총 15개의 구역으로 구분하여 나타내었다. 15 개의 소유역은 고척천, 탑천, 오산천, 목천포천, 익산천, 석탑천, 천호천, 고산천, 화전천, 시랑 천, 용암천, 마산천, 조촌천, 전주천 및 소양천 으로 구분하였다.
(5)
Table 1. Land use distribution in mankyeong river watershed
No. Watershed Dry Field(km
2) Paddy Field(km
2) Forest land(km
2) Upland(km
2) Others(km
2) Total(km
2)
1 Gocheok 7.27 34.28 14.38 8.26 6.33 70.51
2 Tapcheon 12.39 47.83 20.38 14.10 9.76 104.45
3 Osan 6.37 27.05 5.14 14.59 7.17 60.31
4 Mokcheonpo 3.87 12.16 2.71 8.99 3.54 31.29
5 Iksan 12.07 34.52 25.24 12.08 10.40 94.31
6 Seoktap 8.78 30.14 13.21 15.92 9.49 77.54
7 Cheonho 0.86 2.30 15.33 0.70 0.83 20.01
8 Gosan 6.51 10.55 104.14 4.04 9.09 134.32
9 Hwajeon 4.08 6.55 73.11 4.90 4.84 93.49
10 Sirang 2.92 4.85 123.43 2.88 7.59 141.67
11 Yongam 20.79 42.73 24.93 10.74 16.74 115.93
12 Masan 11.98 20.89 21.86 10.77 6.98 72.49
13 Jochon 2.65 6.74 5.69 6.22 2.73 24.03
14 Jeonju 17.83 31.55 178.18 41.85 18.24 287.65
15 Soyang 8.93 17.45 50.77 13.33 7.85 98.33
Total 127.31 329.58 678.50 169.37 121.58 1,426.34
Rate(%) 8.9 23.1 47.6 11.9 8.5 100
만경강 유역에 적용되는 강우량은 티센법 (Thiessen Method)을 통해 군산기상관측소 및 전주기상관측소로 선정하였으며, 2011년 및 2012년의 시강우 자료를 이용하였다.(KMA, 2011, 2012)
2.4. 모형의 보정 및 검정
유량 및 수질의 보정 및 검정은 환경부에서 운 영하고 있는 국가수질측정망(Water Informa- tion System, 2011, 2012)의 자료를 이용하였 으며, 만경A 및 만경B지점에서 약 8일 간격으로 측정된 2011년 및 2012년의 실측값을 통해 수행 하였다. 모의값의 보정은 각 소유역에 대하여 유
역면적, 평균경사, 불투수 면적 비율 등의 지형 특성인자 및 유출특성을 나타내는 조도계수, 표 면저류, 침투손실 등에 대한 매개변수의 보완으 로 수행하였다(Lee et al., 2004). 보정 및 검 정결과는 모의값과 실측값의 결정계수(Coeffi- cient of Determination, R2)값을 산정하여 평 가하였다(Seo and Fang, 2012). 결정계수값은 0 ∼ 1의 범위를 가지며, 1에 근접할수록 모의값 이 실측값의 경향과 일치하는 정도가 높은 것으 로 판단한다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 모형의 보정 및 검정 3.1.1. 유출유량의 보정 및 검정
모형의 보정 및 검정은 국가수질측정망의 유 량자료를 이용하여 2011년 및 2012년 실측값 과 모의값을 비교하여 검토하였으며, Fig. 3 및 Fig. 4에 나타내었다. 실측값과 모의값의 R2은 만경A 및 만경B 지점에서 각각 0.96 및 0.91로 나타났다. Seo and Fang(2012) 및 이재용 et al.(2008)의 연구에서 R2은 각각 0.92 및 0.69 로 나타나 본 연구에서는 유량에 대한 보정결과 가 매우 양호한 수준인 것으로 판단된다.
보정 후 2012년 국가수질측정망의 실측값을 이용한 검정 결과에서 R2은 만경A 및 만경B 지 점에서 각각 0.92 및 0.95로 나타났다. 만경A
Fig. 2. Distribution of the mankyeong river watershed
Fig. 3. Calibration of observed and simulated daily stream flow
(a) Mankyeong A (b) Mankyeong B
지점의 경우 국가수질측정망의 유량 측정 횟수 가 적어 R2이 만경B 지점 보다 낮게 나타난 것 으로 판단된다. 보정 후 검정 결과도 모의값 및 실측값이 양호한 수준으로 일치하는 것으로 판 단된다.
3.1.2. 수질의 보정 및 검정
수질에 대한 보정 및 검정은 BOD, T-N 및 T-P 기준으로 수행하였다. 수질에 대한 보정 결과를 각각 Fig. 5, Fig. 6 및 Fig. 7에 나타내 었다. 보정 결과에서 BOD 농도의 R2은 만경A 및 만경B 지점에서 각각 0.86 및 0.83으로 나타 났으며, T-N 농도의 R2은 만경A 및 만경B 지 점에서 각각 0.64 및 0.75로 나타났다. 또한, T-P 농도의 R2은 만경A 및 만경B 지점에서 각 각 0.79 및 0.67로 나타났다. Kim et al.(2007) 의 연구에서는 BOD, T-N 및 T-P의 R2이 각각 0.83, 0.92 및 0.76으로 나타났으며, 본 연구와 유사한 보정결과로 나타나 수질에 대한 보정 결 과가 양호한 수준인 것으로 판단된다.
검정 결과는 Fig. 8, Fig. 9 및 Fig. 10에 나 타내었다. 만경B 지점은 목천포천 및 익산천 소 유역으로부터 직접적으로 가장 크게 영향을 미 치는 지점이며, 목천포천 소유역은 논 및 밭의 면적이 대지 면적에 비해 1.7 ∼ 2.1배 높은 것 으로 보고되고 있다(Lee et al., 2005). 익산천 소유역은 축사지역이 많은 것으로 보고되고 있
어 만경B 지점의 BOD, T-N 및 T-P의 모의값 이 만경A 지점의 모의값에 비해 평균적으로 각 각 2.8배, 1.6배 및 4.9배 높게 나타나는 것으로 판단된다. 특히, T-N 및 T-P는 강우발생 후에 도 비점오염원으로 유출되는 부하량이 점차적으 로 감소하는 것으로 나타나는데, T-N 및 T-P 는 토양입자에 흡착되어 축적된 후 강우에 의 해 점차적으로 유출되는 것으로 판단된다(Jung 등, 2011).
3.2 새만금 만 유입부의 유출유량 및 수질예측
만경강 유역으로부터 강우에 의해 발생되는 새만금만 유입부의 유출유량은 약 1.439×109 m3/year로 모의되었으며, BOD, T-N 및 T-P 의 부하량은 각각 약 618.7 ton/year, 331.5 ton/year 및 40.4 ton/year이며 Fig. 11에 나 타내었다. 계절적으로 여름에 해당되는 7월 ∼ 8 월의 BOD, T-N 및 T-P의 부하량은 전체의 각 각 약 23.6 %, 28.2 % 및 29.6 %를 차지하는 것 으로 나타났다. 여름에는 많은 강우에 의해 비점 오염부하량이 높게 나타났으나, 이에 따라 비점 오염물질이 희석되어 농도는 낮게 나타나는 것 으로 판단된다. 만경강 유역에서 강우에 의해 유 출되는 BOD, T-N 및 T-P의 농도는 평균적으 로 각각 1.1 mg/L, 0.568 mg/L 및 0.061 mg/L로 나타났다. 새만금 만 유입부에서는 상류 지 역인 만경A 및 중류 지역인 만경B에 비해 수질
Fig. 4. Validation of observed and simulated daily stream flow
(a) Mankyeong A (b) Mankyeong B
Fig. 5. Calibration of observed and simulated daily BOD concentration
(a) Mankyeong A (b) Mankyeong B
Fig. 6. Calibration of observed and simulated daily T-N concentration
(a) Mankyeong A (b) Mankyeong B
Fig. 7. Calibration of observed and simulated daily T-P concentration
(b) Mankyeong B (a) Mankyeong A
Fig. 8. Validation of observed and simulated daily BOD concentration
(a) Mankyeong A (b) Mankyeong B
Fig. 9. Validation of observed and simulated daily T-N concentration
(a) Mankyeong A (b) Mankyeong B
Fig. 11. Prediction monthly load at the inlet of Saemangeum bay (a) Flow
(c) T-N Loads
(b) BOD Loads
(d) T-P Loads Fig. 10. Validation of observed and simulated daily T-P concentration
(a) Mankyeong A (b) Mankyeong B
이 낮은 것은 BOD, T-N 및 T-P의 농도가 만 경강 유역의 전체 유량에 의해 희석된 것으로 판 단된다.
4. 결 론
본 연구는 만경강 유역의 2011년 및 2012년 의 강우자료로부터 XP-SWMM 및 WASP 7.5 모형으로 통합모형을 구축하여 유출모의를 통한 새만금 만 유입부의 수질을 예측하였다.
유출유량의 보정 결과, R2은 만경A 및 만경 B 지점에서 각각 0.96 및 0.91로 나타났으며, 수질의 보정 결과에서 BOD 농도의 R2은 만경A 및 만경B 지점에서 각각 0.86 및 0.83으로 나 타났다. 또한, T-N 농도의 R2은 만경A 및 만 경B 지점에서 각각 0.64 및 0.75로 나타났으 며, T-P 농도의 R2은 만경A 및 만경B 지점에 서 각각 0.79 및 0.67로 나타났다. 검정 결과도 보정결과의 R2과 유사하게 나타나 본 연구에서 통합모형을 이용한 유출유량 및 수질에 대한 보 정 및 검정 결과는 비교적 양호한 수준인 것으 로 사료된다.
최종적으로 새만금 만으로 유입되는 만경 강 유역의 연간 유출유량은 약 1.439×109 m3/ year로 예측되었으며, 새만금 만으로 유입되는 BOD, T-N 및 T-P의 연간 부하량은 각각 약 618.7 ton/year, 331.5 ton/year 및 40.4 ton/
year로 나타났다. 따라서, 만경강 유역에서 발 생되는 비점오염물질이 새만금 만 유입부에 지 속적으로 유입되어 새만금 만의 수질오염이 발 생될 수 있으며, 이에 따라 비점오염저감을 위한 대책이 필요할 것으로 사료된다.
본 연구에서 개발된 통합모형은 만경강 유역 뿐만 아니라, 타 지역의 유역에서도 적용이 가능 할 것으로 사료되며, 향후에 이 통합모형의 적용 성 향상을 위해 타 지역의 유역에서도 적용성 평 가가 수행되어야 할 것으로 사료된다.
참고문헌
