HSPF 모형을 이용한 산청 유역의 소유역별 축산비점오염부하량 비중 분석
Analysis of Livestock Nonpoint Source Pollutant Load Ratio for Each Sub-watershed in Sancheong Watershed using HSPF Model
김소래
a⋅김상민
b,†So Rae Kim⋅Sang Min Kim
ABSTRACT
The objective of this study was to assess the livestock nonpoint source pollutant impact on water quality in Namgang dam watershed using the HSPF (Hydrological Simulation Program–Fortran) model. The input data for the HSPF model was established using the landcover, digital elevation, and watershed and river maps. In order to apply the pollutant load to the HSPF model, the delivery load of the livestock nonpoint source in the Namgang dam watershed was calculated and used as a point pollutant input data for the HSPF model. The hydrologic and water quality parameters of HSPF model were calibrated and validated using the observed runoff data from 2007 to 2015 at Sancheong station. The R2 (Determination Coefficient), RMSE (Root Mean Square Error), NSE (Nash-Sutcliffe efficiency coefficient), and RMAE (Relative Mean Absolute Error) were used to evaluate the model performance. The simulation results for annual mean runoff showed that R2 ranged 0.79∼0.81, RMSE 1.91∼2.73 mm/day, NSE 0.7∼0.71 and RMAE 0.37∼0.49 mm/day for daily runoff. The simulation results for annual mean BOD for RMSE ranged 0.99∼1.13 mg/L and RMAE 0.49∼0.55 mg/L, annual mean TN for RMSE ranged 1.65∼1.72 mg/L and RMAE 0.55 mg/L, and annual mean TP for RMSE ranged 0.043∼0.055 mg/L and RMAE 0.552∼0.570 mg/L. As a result of livestock nonpoint pollutant loading simulation for each sub-watersehd using the HSPF model, the BOD ranged 16.6∼163 kg/day, TN ranged 27.5∼337 kg/day, TP ranged 1.22∼14.1 kg/day.
Keywords: HSPF; livestock; sancheong watershed; nonpoint source; water quality
Ⅰ. 서 론
최근 우리나라의 국민소득과 생활수준이 향상됨에 따라 식 생활이 변화하여 육류소비가 급증하고 있다. 육류소비 증가 로 인하여 축산 사육두수는 꾸준히 증가하고 있으며, 동시적 으로 가축분뇨 발생부하량도 증가하고 있다. 수질오염원은 오염물질 배출원 형태에 따라 점오염원과 비점오염원으로 구 분되며, 축산분야의 오염원은 하수처리장, 분뇨처리장 등 배 출지점이 특정하고 명확한 점오염원과 가축분뇨 퇴⋅액비, 초지에 방목된 가축들의 배설물, 규제미만 가축사육농가에서 배출되는 축산폐수 등 배출지점이 불특정⋅불명확한 비점오 염원으로 구성된다 (MOE, 2006)
제 2차 비점오염원관리 (2012) 종합대책에 따르면 비점오
염물질은 2010년 기준 하천오염부하율의 약 68%를 차지하고 있으며, 2015년에는 BOD 70.2%, TP 63.4%를 차지할 전망이 며, 2020년에는 BOD 72.1%, TP 68.6%로 점차 증가할 것으로 예상했다. 특히 오염원그룹별 1일 비점오염물질 발생량 중 BOD, TP 항목은 토지계가 각 63.5%, 57.5%로 가장 많고, 그 다음으로 축산계가 각 28.4%, 38.1%로 비점오염원에서 축산 계가 차지하는 비중이 상당히 높은 것으로 나타났다 (MOE, 2012b). 축산분뇨발생량은 전체 오폐수발생량 대비 1%에 불 과하나 수질오염 부하량은 전체 부하량의 37%를 차지하고 있으며, 가축분뇨에 의한 BOD 부하량은 생활하수에 의한 것 보다 90배 정도 높은 것으로 알려져있다. 하지만 2011년 기준 축산분야의 가축분뇨공공처리율은 10.2%에 불과하며, 대부 분인 87%는 퇴⋅액비로 전환하여 자원화하고 있으며, 농가수 기준, 공동처리 비율은 3%로 중소규모 농가에서 발생하는 가 축분뇨 대부분이 개별처리 또는 미처리되고 있음을 의미한다 (MOE, 2012a).
집중적으로 투자⋅관리되고 있는 산업폐수와 생활하수 에 비해 축산농가의 소극적 시설투자와 낮은 가축분뇨 공공 처리시설 보급 등 가축분뇨에 대한 관리는 상대적으로 미흡 한 실정이며 (Jeong et al., 2013), 관리기준의 가장 기초라고 할 수 있는 지목 분류 기준에 조차 별도의 기준이 없는 실 정이다 (NIER, 2008). 가축분뇨 처리의 대부분을 차지하는
a Research Assistant, Department of Agricultural Engineering, Gyeongsang National University
b Professor, Department of Agricultural Engineering, Gyeongsang National University, Institute of Agriculture and Life Science
† Corresponding author
Tel.: +81-55-772-1931, Fax: +81-55-772-1930 E-mail: [email protected]
Received: May 23, 2019 Revised: November 08, 2019 Accepted: November 12, 2019
퇴⋅액비화는 농경지로부터의 비점오염 발생을 증가시키 는 주요 원인으로 자원화라는 긍정적 측면 이면에 강우시 살포한 액⋅퇴비의 수계 유입으로 인한 수질오염을 유발하 며, 배출지점의 불명확, 집수 처리 곤란 등으로 환경영향 파악에 어려움이 있다 (Kwon et al., 2012). 또한, 가축분뇨 퇴액비 기준 미비로 인한 미부숙 및 품질 불균형 퇴⋅액비 의 수계 유출이 심각하며, 가축분뇨 관리체계 미흡으로 축 산농가의 미처리 배출수는 강우시 공공처리시설의 방류수 수질 대비 7∼28배의 고농도로 하천에 유입되어 수질을 악 화시킨다 (MOE, 2003).
가축분뇨 발생부하량 증가 및 가축분뇨 관리체계 문제로 인한 수질환경 문제를 해결하기 위해서는 장기간의 지속적인 비점오염원의 모니터링이 요구되지만 자료수집에 대한 비용과 시간의 경제성 부분을 고려하여 유역모델의 적용을 통한 수질 환경영향을 분석하는 것이 효과적이며, HSPF (Hydrological Simulation Program – Fortran) 모형과 SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 모형 등이 주로 활용되고 있다 (Kim et al., 2005). HSPF는 미국의 오염총량관리 (Total Maximum Daily Load, TMDL) 계획수립 및 평가를 위한 주모델로 이용되고 있으며, 국내에서도 유역 수질 오염 관리를 위한 오염총량관 리제가 도입됨에 따라 HSPF 모형에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
HSPF 모형의 국내 적용 사례를 살펴보면 기존의 연구는 HSPF 모형의 수문 및 수질을 보정하여 적합성을 평가한 연구 가 대부분이었으나 (Choi et al., 2011; Shin and Kim, 2016) 최근에는 HSPF 모형의 수문⋅수질 모의 적합성 평가를 바탕 으로 비점오염원의 정량적 특성을 비교⋅분석한 연구들이 진 행되고 있다 (Jang et al., 2006; Lee et al., 2012; Choi, 2010;
Park, 2012; Kwon and Choi, 2017). 오염저감 대책 수립을 위 해서는 비점오염원의 정량 분석뿐만 아니라 유역내 발생하는 오염원 (토지계, 축산계 등)을 고려하여 전체 비점오염부하량 중 각 오염원이 차지하는 비중과 특성을 분석한 연구가 필요 하며, 축산계의 경우 Cho (2015)이 청미천 유역을 대상으로 HSPF 모델을 구축하여 수문 및 수질을 모의하였고, 모의결 과와 배출부하량 산정결과를 바탕으로 Spacial action 모듈에 액⋅퇴비 속성을 입력하여 축산비점오염이 수계에 미치는 영 향을 분석하였다.
연구지역이 위치한 남강댐 유역은 계절의 유황변화가 심하 여 우기시 하천 침식 및 고농도의 탁수가 발생하며, 유역 하단 에 연간 6,000만 m3의 관개용수로 사용되는 남강댐이 위치하 고 있어 수질관리가 매우 중요하다 (Kim et al., 2012). 또한 전체 토지면적의 약 70% 이상이 산림지역에 해당하여 타 토 지이용에 비해 높은 수준의 비점오염이 우려되지만 지리산 권역에 속하는 지역 특성상 토지계 오염원 저감을 통한 수질
관리에 한계가 있다. 토지계 오염원과 생활계, 축산계, 산업계 오염원 저감을 병행한 수질관리가 요구되며, 특히 오염원의 대부분이 자원화 처리되어 강우시 고농도의 비점오염원이 수 계에 유입되는 축산비점오염원 관리 및 저감을 통한 수질관 리가 필요하다. 축산비점오염원을 효율적으로 관리하고 적합 한 오염 저감 대책을 수립하기 위해서는 전체 오염부하량 대 비 축산계 오염원이 차지하는 비중과 소유역별 축산계 비점 오염원의 정량 분석연구가 선행되어야 한다.
본 연구에서는 소유역별 축산비점오염원 특성을 분석하기 위하여 남강댐 상류의 산청 유역을 대상으로 HSPF 모형을 구 축하였고, 국립환경과학원 수질오염총량관리기술지침을 기준 으로 산정한 유달부하량을 HSPF 모형에 적용하여 수문 및 수 질을 검⋅보정하였으며, 모의 결과를 바탕으로 소유역별 축산 계 오염부하량 및 수질 오염 기여도를 분석하였다.
Ⅱ. 재료 및 방법
1. 대상유역
남강댐 유역의 중권역은 하천흐름에 따라 남강상류, 함양 위천합류전, 함양위천, 람천, 임천, 산청수위표, 양천합류점, 신등천, 양천, 남강댐상류, 덕천강상류, 시천천, 덕천강하류, 남강댐 총 14개 소권역으로 구성된다. 본 연구의 대상이 되 는 산청 소유역은 산청 수위관측소가 위치한 산청수위표 유 역과 상류 유역인 남강상류, 함양위천합류전, 함양위천, 람 천, 임천 유역으로 구성된다 (Table 1). Fig. 1은 산청 소유역 의 현황을 나타내는 그림으로 기상, 수위, 수질관측소 위치 와 하수처리장 및 분뇨처리장 위치를 나타낸다. 산청 소유역 의 지배관측소는 산청관측소이며, 관측자료의 결측 유무를 고려하여 유량자료가 충분한 산청 수위관측소와 총량측정 망에 해당하여 월 2∼3회 수질측정 자료를 보유한 남강A (경호강1) 관측소를 선정하여 유역내 수문 및 수질 보⋅검정 을 진행하였다.
Number Subwatershed Name Slope
(%)
Area (km2)
1 Namgang upstream 46.4 160
2 Hamyang wicheon before joining 37.1 162
3 Hamyangwicheon 40.6 177
4 Ramcheon 38.4 264
5 Imcheon 46.2 218
6 Sancheong waterlevel station 39.3 196 Table 1 Subwatershed in Sancheong watershed
Fig. 1 Location of water quality, water level, meteorologic stations and treatment plant
산청 유역은 하수처리장 4개소와 축산분뇨처리장 1개소가 위치하고, 일평균 방류량 (m3/day)과 일평균 방류 수질농도 (mg/L)는 Table 2와 같다. 함양하수처리장의 일방류량은 7,247 m3/day로 유역내 영향이 크며, 함양축산폐수분뇨합병처 리장의 경우 일방류량은 242 m3/day로 적은 양이지만, BOD 5.49 mg/L, TN 36.8 mg/L, 그리고 TP 0.5 mg/L로 고농도의 오염된 수질이 수계로 유입된다.
2. 입력자료 구축
HSPF 모형은 공간지형자료인 유역도, 하천도, 토지피복도, 수치표고모델 (Digital Elevation Map, DEM)이 입력자료로 이 용된다. 본 연구에서는 국가수자원관리종합정보 (WAMIS)에 서 제공하는 소유역도, 물환경정보시스템에서 제공하는 하천 도 (Korea Reach File, KRF), 환경부에서 제공하는 표고속성 자료로부터 구축한 수치표고모델 (DEM)을 입력자료로 이용
하여 산청 유역의 6개 소유역을 설정하였다.
유역 중심에 위치하여 가장 많은 면적을 차지하고 있는 산 청관측소를 지배관측소로 선정하여 2000년∼2015년 기상자 료를 구축하였다. 수집항목은 WDM 파일을 구성하는 시간 단위 강수량, 온도, 풍속, 일사량, 이슬점온도, 운량 자료와 일 단위의 최고기온, 최저기온, 풍속, 운량, 이슬점온도, 그리고 일사량 자료이며, 수집한 자료를 바탕으로 시간 단위 증발산 량, 잠재증발산량과 일단위 증발산량, 잠재증발산량을 구축 하였다.
일반적으로 이용되는 토지이용의 분류는 Agricultural Land (농경지), Barren Land (나지), Range Land (초지), Forest Land (산림), Urban or Built-up Land (도심지), Wetlands/Water (습지/
수역) 등 6개 항목이며 산청 유역의 토지피복도는 Fig. 2의 (a)와 같다. 토지피복별 면적을 분석한 결과 산림으로 분석된 면적이 862 km2로 전체면적의 73.3%를 차지하였고, 농경지로 분류된 면적은 246 km2로 전체면적의 20.9%를 차지하였다.
산림과 농경지를 제외한 토지피복 면적은 총 68.2 km2로 5.80%의 비율을 나타냈다 (Table 3).
Classification Area (km2) Area rate (%)
Agricultural land 246 20.9
Barren land 10.9 0.93
Forest land 862 73.3
Range land 13.7 1.16
Urban or built-up land 28.6 2.43
Wetland / water 15.0 1.27
Total 1,176 100
Table 3 Landcover classification for the study watershed
환경부에서 제공하는 남강댐 유역의 표고 속성을 바탕으로 격자크기 30 m의 수치표고모델을 구축하였다 (Fig. 2). 남강댐 유역의 표고는 70 m∼1,910 m의 분포를 보이며, 평균표고는 540 m, 평균 경사는 41.3 m이다.
Facilities (subwatershed number)
Effluent (m3/day)
Pollutant concentration (mg/L)
BOD TN TP
Sewage treatment plant
Anui(2) 482 1.60 6.08 0.05
Hamyang(3) 7,247 1.30 9.42 0.12
Inwol(4) 785 1.69 4.85 0.06
Sudong(6) 310 1.30 9.02 0.04
Sancheong(6) 2,960 1.70 4.48 0.03
Livestock waste treatment plants
Hamyang(3) 242 5.49 36.8 0.50
Sancheong1(6) 110 2.24 12.0 0.03
Table 2 Sewage and livestock waste treatment facilities in Sancheong watershed
3. 축산계 오염원 현황
본 연구에서는 HSPF 모형에 유달부하량을 적용하여 남강 댐 유역의 축산오염원이 미치는 수질 영향을 분석하고자 2016년도 기준 전국오염원조사를 이용하여 소유역별 축산 오 염원현황 자료를 구축하였다. 국립환경과학원은 매년 전국 17 개 광역지자체와 230개 기초지자체의 축산계 오염원에 대한 조사 자료를 구축하고 있다. 전국오염원조사 자료는 행정동 리 단위의 축종별 사육두수 및 분뇨 처리내역으로 구성되며, 수질오염총량관리 기본계획 수립 등 많은 분야에 사용되고 있다. 대부분의 선행 연구들은 오염원 그룹별 자료 속성을 시⋅군 단위로 분석하였기 때문에 소유역별 오염부하량을 정 확하게 산정하기엔 적절하지 않았다. 이를 개선하기 위하여 오염원 그룹별 자료 속성을 읍면동 단위로 산정하였고, 산청 소유역에 해당하는 6개 소유역의 읍면동 면적비를 고려하여 소유역별 오염원 현황을 처리하였다. 오염원 현황 자료를 국 립환경과학원 수질오염총량관리기술지침을 적용하여 산청 유역의 축산계 발생 및 배출부하량 특성을 분석하였다(NIER,
2014).
Table 4는 읍면동 단위의 사육두수를 계산한 결과로서 소 유역별 젖소, 한우, 말, 돼지, 양⋅사슴, 개, 가금류 (닭, 오리)의 사육두수를 나타낸다. 젖소, 한우, 말, 돼지, 가금류 (닭, 오리) 의 경우 람천 유역에서 가장 많이 사육되고 있으며, 양⋅사슴 은 함양위천합류전 유역, 그리고 개는 함양위천합류전, 산청 수위표 유역에서 많이 사육되는 것으로 나타났다.
4. 모형의 평가지표
HSPF 모형 적용을 위한 수문 및 수질 검⋅보정은 필수적인 과정이고, 매개변수의 보정을 위한 기법에는 시행착오법 등 의 수동보정기법과 HSPEXP (Expert System for the calibration of HSPF), PEST (Model-independent Parameter Optimizer) 등 의 자동보정기법이 있다. 자동보정기법으로 얻어진 결과는 수문학자들이 받아들이기 어려운 매개변수나 예측값을 제시 할 때가 있어 수문 모형이나 수질 모형에 광범위하게 이용되 고 있지 않다 (Boyle et al., 2000). 보정에 위한 기간은 오래
(a) Landcover (b) Digital elevation
Fig. 2 Landcover and digital elevation map for the Sancheong watershed
No. Subwatershed name Milk cow Cattle Horse Pig Sheep & Deer Dog Fowl
1 Namgang upstream 0 344 0 1,186 59 255 149,277
2 Hamyang wicheon joining 135 3,973 2 15,309 858 1,044 379,025
3 Hamyangwicheon 243 5,383 43 17,594 711 787 3,719
4 Ramcheon 1,605 8,238 120 42,420 426 58 935,546
5 Imcheon 128 1,622 0 13,469 398 666 2,160
6 Sancheong waterlevel station 104 4,273 7 33,012 462 930 149,351
Total 2,215 23,833 172 122,990 2,914 3,740 1,619,078
Table 4 Number of livestock breeding in Sancheong watershed
소요되지만 상대적으로 양호한 보정결과를 얻을 수 있는 수 동보정기법이 보편적으로 이용되고 있다 (Madsen, 2000). 본 연구에서는 시행착오방법을 이용하여 수문 및 수질 (BOD, TN, TP) 모의결과를 검⋅보정하였고, 수문의 보정기간은 2006년∼2009년, 검정기간은 2012년∼2015년으로 설정하 였다. 수질의 보정기간은 2012년∼2013년, 검정기간은 2014 년∼2015년으로 하였다. 모형의 적합성과 상관성을 평가하기 위한 함수로 결정계수 (R2), 평균제곱근오차 (RMSE), Nash- Sutcliffe 효율성 지수 (NSE), 상대평균절대오차 (RMAE)를 사 용하였으며, 각각의 함수는 식 (1)∼(4)와 같다. Qo은 실측치, Qs는 모의치, Qm은 실측치의 평균, Qms은 모의치의 평균, n은 자료의 총 개수이며, 결정계수 R2는 1, 평균제곱근 오차는 0, NSE는 1, RMAE는 0에 가까울수록 오차가 없다는 것을 나타 낸다.
R2
(1)
RMSE
n
i n
Qsi Qoi
(2)NSE
(3)
RMAE
(4)
Ⅲ. 결과 및 고찰
1. 축산계 오염부하량 산정결과
수질오염총량관리기술지침에서 제시하는 축종별 발생부 하 원단위를 적용하여 산청 유역의 축산계 BOD, TN, TP 발생 부하량을 계산하였다. 그리고 축산계 오염물질의 배출구조를 고려하여 배출부하량을 산정하였다. 산정결과 산청 유역의 축산계 발생부하량은 BOD 35,781 kg/day, TN 8,392 kg/day, TP 3,146 kg/day, 배출부하량은 BOD 3,631 kg/day, TN 1,868 kg/day, TP 211 kg/day로 산정되었다 (Table 5). 소유역별 발생 부하량의 범위는 BOD 1,092 kg/day∼14,767 kg/day, TN 240 kg/day∼3,438 kg/day, TP 87.1 kg/day∼1,283 kg/day 이며, 배 출부하량의 범위는 BOD 101 kg/day∼1,518 kg/day, TN 44.9 kg/day∼721 kg/day, TP 5.74 kg/day∼73.5 kg/day이다 (Fig. 3).
Subwatershed name BOD (kg/day) TN (kg/day) TP (kg/day)
Point Nonpoint Point Nonpoint Point Nonpoint
Namgang upstream 8.36 92.3 7.52 37.4 1.26 4.48
Hamyang wicheon joining 98.0 485 89.4 208 9.52 24.9
Hamyangwicheon 96.3 423 88.2 184 7.60 21.8
Ramcheon 189 1,329 171 550 9.32 64.2
Imcheon 86.0 181 77.5 93.0 9.38 12.7
Sancheong waterlevel station 171 472 150 212 19.8 25.7
Total 649 2,982 583 1,285 56.9 153.8
Table 6 Discharge load from livestock in Sancheong watershed calculated by pollutant load rate
No. Subwatershed name Generated load (kg/day) Discharge load (kg/day)
BOD TN TP BOD TN TP
1 Namgang upstream 1,092 240 87.1 101 44.9 5.74
2 Hamyang wicheon joining 5,840 1,341 492 583 297 34.4
3 Hamyangwicheon 4,947 1,173 427 519 272 29.4
4 Ramcheon 14,767 3,438 1,283 1,518 721 73.5
5 Imcheon 2,423 594 232 267 171 22.1
6 Sancheong waterlevel station 6,712 1,606 625 643 362 45.5
Total 35,781 8,392 3,146 3,631 1,868 211
Table 5 Pollutant load from livestock in Sancheong watershed calculated by pollutant load rate
(a) Generated load of BOD (kg/day) (b) Discharge load of BOD (kg/day)
(c) Generated load of TN (kg/day) (d) Discharge load of TN (kg/day)
(e) Generated load of TP (kg/day) (f) Discharge load of TP (kg/day) Fig. 3 Distribution of pollutant load from livestock in Sancheong watershed calculated by pollutant load rate
Table 6은 축산계 배출부하량을 구성하고 있는 점오염원 배출부하량과 비점오염 배출부하량을 소유역별로 나타낸 것 이다. 수질오염총량관리기술지침에 명시된 배출구조를 기준 으로 점 및 비점오염원을 산정하였고, 축산계 배출구조는 폐 수 및 고형물 발생부하량이 개별처리와 공공처리되어 자원화 또는 공공방류되는 과정을 거친다. 축산계의 점오염원 배출 부하량은 폐수직접이송량, 폐수개별삭감량, 폐수관거유입량 을 고려하여 산정되며, 비점오염 배출부하량은 자원화 개별 삭감량, 고형물관거유입량, 폐수처리 농지환원량, 농지삭감 량, 강우배출비를 고려하여 산정된다. 산청 소유역내 비점오 염원이 차지하는 비율을 산정한 결과 BOD 82.1%, TN 68.8%, TP 73.0%인 것으로 나타났다.
HSPF 모형내 유달부하량을 입력하여 축산계 오염부하량 특성을 분석하고자 월별 유달율을 산정하였다. 유달율은 실 측 수질⋅유량 자료로부터 산정된 유달부하량을 수질오염총 량관리기술지침에 따라 산정된 배출부하량으로 나누어 산정 할 수 있다. Table 7은 기술지침에 따라 산정한 산청 소유역 의 일평균 생활계, 산업계, 축산계, 토지계 배출부하량과 오 염원별 비중을 나타낸 것이다. 총 배출부하량 대비 축산계 배출부하량이 차지하는 비율은 BOD 37.2%, TN 30.9%, TP 38.7%이며, Table 6의 축산계 비점오염원에 해당하는 배출
부하량의 비율은 BOD 30.6%, TN 21.3%, TP 28.3%인 것으 로 나타났다.
유달부하량은 유달율과 배출부하량을 곱하여 산정되며, 강 우배출비를 고려하여 산정한 산청 소유역의 월별 유달율은 Table 8과 같다. 수질 보검정 기간인 2012년∼2015년의 평균 강우배출비를 이용하여 월별 유달율을 산정한 결과 유달율의 범위는 BOD 0.08∼0.20, TN 0.17∼0.60, TP 0.03∼0.22인 것 으로 나타났다.
2. 모형의 보정 및 검정
Table 9는 산청 유역에 적용된 HSPF 매개변수의 항목별 보정값을 표로 나타낸 것이다. 보정결과 수문 매개변수의 범 위는 LZSN 2.0∼12, INFILT 0.001∼0.4, AGWRC 0.98∼0.9 99, DEEPER 0.0∼0.24, BASETP 0.0∼0.01, UZSN 0.05∼1.6, NSUR 0.1∼0.3, INTFW 0.75∼5.0, IRC 0.3∼0.6을 나타내었 다. 수질 매개변수의 범위는 KBOD20 0.004∼0.5, KODSET 0.15∼0.3, REAK 0.001, CVBO 1.63∼ 4.0, CVBPC 100∼150, KTAM20 40∼49, KNO320 0.0015∼0.25, MALGR 0.001
∼0.01, PALDH 0.03∼0.04, PHYSET 0.001∼0.003 을 나타 내었다.
Item Human living Industrial Livestock Land
kg/day ratio kg/day ratio kg/day ratio kg/day ratio
BOD 527 5.41 27.7 0.28 3,631 37.2 5,564 57.1
TN 122 2.03 17.5 0.29 1,869 30.9 4,034 66.8
TP 13.2 2.43 1.73 0.32 210.6 38.7 318 58.5
Table 7 Discharge load in Sancheong watershed calculated by pollutant load rate
Month Rainfall
discharge ratio
Discharge load(kg/day) Delivery ratio
BOD TN TP BOD TN TP
1 0.18 7,312 4,992 418 0.08 0.34 0.03
2 0.33 7,766 5,188 441 0.15 0.43 0.05
3 0.61 8,598 5,546 484 0.18 0.40 0.06
4 1.24 10,465 6,350 580 0.17 0.45 0.09
5 0.76 9,034 5,734 507 0.18 0.31 0.10
6 0.63 8,639 5,564 486 0.18 0.17 0.12
7 2.29 13,588 7,696 741 0.15 0.40 0.22
8 2.54 14,331 8,016 780 0.18 0.41 0.18
9 1.68 11,784 6,919 648 0.15 0.55 0.12
10 0.88 9,389 5,887 525 0.12 0.45 0.08
11 0.50 8,247 5,395 466 0.20 0.60 0.16
12 0.33 7,747 5,180 440 0.17 0.46 0.04
Table 8 Monthly delivery ratio in Sancheong watershed
Figure 4는 보정기간과 검정기간에 대한 수문모형 적합성 평가결과를 나타낸 그림이다. 적합성 평가결과 보정기간 (2006년∼2009년)은 R2 0.79, RMSE 1.91 mm/day, NSE 0.70, RMAE 0.37 mm/day로 나타났고 검정기간 (2012년∼2015년)
은 R2 0.81, RMSE 2.73 mm/day, NSE 0.71, RMAE 0.49 mm/day로 나타났다 (Table 10).
HSPF 모형내 오염부하량을 적용하여 축산계 오염원의 수질 영향 특성을 분석하기 위하여 강우배출비를 고려한
Item Parameter Unit Possible value Initial value Calibration value
Flow
LZSN inches 2.0∼15.0 6.0∼6.5 2.0∼12
INFILT in/hr 0.001∼0.5 0.16 0.001∼0.4
AGWRC none 0.85∼0.999 0.98 0.98∼0.999
DEEPER none 0.0∼0.50 0.1 0.0∼0.24
BASETP none 0.0∼0.20 0.02 0.0∼0.01
UZSN inches 0.05∼2.0 1.128 0.05∼1.6
NSUR none 0.05∼0.50 0.2 0.1∼0.3
INTFW none 1.0∼10.0 0.75 0.75∼5.0
IRC none 0.3∼0.85 0.5 0.3∼0.6
BOD
KBOD20 1/hr 1.0E∼30∼none 0.004 0.004∼0.5
KODSET ft/hr 1.0E∼30∼none 0.2 0.15∼0.3
REAK 1/hr 0.0001∼none 0.001 0.001
TN
CVBO mg/ mg 1.0∼5.0 1.63 1.63∼4.0
CVBPC moles /mol 50∼200 106 100∼150
KTAM20 1/hr 10∼100 49 40∼49
KNO320 1/hr 0.0001∼none 0.0015 0.0015∼0.25
TP
MALGR 1/hr 0.0001∼none 0.002 0.001∼0.01
PALDH mg/L 0.001∼none 0.085 0.03∼0.04
PHYSET ft/hr 0.0∼none 0.002 0.001∼0.003
Table 9 Calibration value of HSPF parameters in Sancheong watershed
Period R2 RMSE
(mm/day) NSE RMAE
(mm/day)
Calibration 0.79 1.91 0.70 0.37
Validation 0.81 2.73 0.71 0.49
Table 10 Calibration and validation results of model performance criteria at Sancheong station
(a) Calibration (b) Validation
Fig. 4 Observed and simulated daily flow for the calibration and validation period at Sancheong station
축산계 유달부하량을 점오염원 형태로 입력하였다. 자원화 된 액⋅퇴비가 강우의 영향으로 수계에 배출되는 배출특성 을 적용하기 위하여 월별 축산계 오염부하량을 일별 강수 량 비율로 배분한 값을 입력하였고, 남강A 수질총량측정망 의 실측값을 대상으로 BOD, TN, TP 모의값을 보⋅검정하 였다.
(a) BOD
(b) TN
(c) TP
Fig. 5 Comparison between observed and simulated water quality components for Sancheong station
Table 11과 Fig. 5는 산청 유역의 수질 보⋅검정 결과를 나 타낸 것으로 보정기간 (2012년∼2013년)의 BOD 실측값은 1.24 mg/L, 모의 값은 1.19 mg/L로 모형 적합성 평가결과 RMSE 1.13 mg/L, RMAE 0.55 mg/L로 나타났다. 검정기간 (2014년∼2015년)의 BOD 실측값은 1.21 mg/L, 모의 값은 1.23 mg/L로 RMSE 0.99 mg/L, RMAE 0.49 mg/L로 나타났다.
보정기간 (2012년∼2013년)의 TN 실측값은 1.97 mg/L, 모의 값은 2.14 mg/L로 RMSE 1.72 mg/L, RMAE 0.55 mg/L로 나타 났다. 검정기간 (2014년∼2015년)의 TN 실측값은 1.85 mg/L, 모의 값은 2.25 mg/L로 RMSE 1.65 mg/L, RMAE 0.55 mg/L로 나타났다. 보정기간 (2012년∼2013년)의 TP 실측값은 0.05 mg/L, 모의 값은 0.034 mg/L로 RMSE 0.043 mg/L, RMAE 0.552 mg/L로 나타났다. 검정기간 (2014년∼2015년)의 TP 실 측값은 0.051 mg/L, 모의 값은 0.036 mg/L로 RMSE 0.055 mg/L, RMAE 0.570 mg/L로 나타났다.
Item Period Observed (mg/L)
Simulated (mg/L)
RMSE (mg/L)
RMAE (mg/L) BOD Calibration 1.24 1.19 1.13 0.55 Validation 1.21 1.23 0.99 0.49 TN Calibration 1.97 2.14 1.72 0.55 Validation 1.85 2.25 1.65 0.55 TP Calibration 0.050 0.034 0.043 0.552
Validation 0.051 0.036 0.055 0.570 Table 11 Simulated results of water quality for calibration and
validation period at Sancheong station
3. 소유역별 오염부하량
가. 소유역별 일평균 오염부하량축산계 유달부하량을 HSPF 모형에 입력하여 수질 보⋅검정 을 실시한 6개 소유역 (남강상류, 함양위천 합류전, 함양위천, 람천, 임천, 산청수위표)의 유량과 농도를 이용하여 소유역별 일 평균 오염부하량을 산정하였다. Table 12는 2012년∼2015년 동 안의 소유역별 평균 오염부하량 (kg/day)과 유역 말단의 산청수 위표에 유입되는 상류 소유역의 오염부하량 유입 비율을 나타내 고 있다. 수질항목별 오염부하량 범위는 BOD 404 kg/day∼1,266 kg, TN 649 kg/day∼2,531 kg/day. TP 12.9 kg/day∼53.4 kg/day 이며, 유역 말단 산청수위표에 유입되는 소유역별 BOD, TN, TP 오염부하량의 평균 비율은 남강상류 유역 이 약 10.3%로 가장 적은 영향을 미치며, 함양위천 유역 약 17.9%, 람천 유역 약 27.1%, 함양위천 합류전 유역 약 27.8%이며, 가장 많은 양의 오염부하량이 발생하여 산청수위표 유역에 영향을 주는 유역은 약 38.1%에 해당하는 임천 유역인 것으로 나타났다.
나. 소유역별 일평균 축산계 오염부하량
HSPF 모형에 축산계 유달부하량을 적용한 값과 미적용한 값의 차이를 이용하여 소유역별 축산계 비점오염 부하량을 산정하였다. Table 13은 2012년∼2015년 동안의 소유역별 축 산계 비점오염 부하량 (kg/day) 평균과 유역 말단의 산청수위 표에 유입되는 5개 상류 소유역 (남강상류, 함양위천 합류전, 함양위천, 람천, 임천)의 축산계 비점오염부하량 유입 비율을 나타내고 있다. 축산계 비점오염부하량의 수질 항목별 범위 는 BOD 16.6 kg/day∼163 kg/day, TN 27.5 kg/day∼337 kg/day. TP 1.22 kg/day∼14.1 kg/day 이며, 유역 말단 산청수 위표에 유입되는 소유역별 축산계 BOD, TN, TP 비점오염 부 하량의 평균 비율은 남강상류 유역이 약 4.29%로 가장 적은 영향을 미치며, 함양위천 유역 약 22.3%, 함양위천 합류전 유 역 약 29.3%, 임천 유역 약 38.6%, 람천 유역 약 47.7%로 산청 수위표 유역에 가장 큰 영향을 주는 소유역은 람천 유역인 것으로 나타났다.
람천유역의 경우 전체 오염부하량이 유역말단에 주는 영향 이 약 27.1%인데 반해 축산계 비점오염 부하량의 경우 약 47.7%로 전체오염원에서 축산계 오염원이 차지하는 비율이 높은 것으로 나타났다. 임천 유역의 경우 축산계 배출부하량 이 람천 유역 대비 23.8%인데 반해 유역 말단에 축산계 오염 원이 주는 영향은 38.6%로 임천 유역 상류에 위치한 람천 유 역의 영향을 받는 것으로 나타났다.
Ⅳ. 요약 및 결론
본 연구에서는 강우배출비를 고려한 축산계 오염부하량을 HSPF 모형에 적용하여 산청 유역내 축산계 비점오염원이 차 지하는 비중과 소유역별 축산 비점오염부하량을 분석하였다.
HSPF 모형에 오염부하량을 적용하여 산청 유역내 축산비 점오염원의 특성을 분석하고자 축산계 배출부하량을 산정한 결과 생활계, 토지계 등을 포함한 전체 배출부하량에 대한 축 산계 오염원의 비율은 BOD 37.3%, TN 30.9%, TP 38.7%로 나타났다. 산정한 축산계 유달부하량을 HSPF 모형내 점오염 원 형태로 입력하여 축산계 오염원 유입에 따른 수질 영향을 분석하기 위하여 HSPF 모형의 적용성을 평가하였다. 산청 소 유역에 대한 모의 유출량을 산정한 결과 R2 0.80, RMSE 2.32 mm/day, NSE는 0.71, RMAE는 0.43 mm/day로 나타났다. 수 질 모의 결과 BOD는 RMSE 0.99∼1.13 mg/L, RMAE 0.49∼
0.55 mg/L로 나타났고, TN은 RMSE 1.65∼1.72 mg/L, RMAE 0.55 mg/L로 나타났으며, TP는 RMSE 0.043∼0.055 mg/L, RMAE 0.552∼0.570 mg/L로 나타났다.
축산계 유달부하량을 HSPF 모형에 입력하여 소유역별 일 평균 오염부하량을 산정한 결과 소유역별 오염부하량 범위는 BOD 404 kg/day∼1,266 kg, TN 649 kg/day∼2,531 kg/day. TP 12.9 kg/day∼53.47 kg/day이며, 유역 말단 산청수위표에 유입 되는 소유역별 오염부하량 비율은 남강상류 유역이 약 10.3%
로 가장 적은 비율을 나타냈고, 임천 유역이 약 38.1%로 가장 No. Subwatershed name
BOD TN TP
Pollutant load
(kg/day) Ratio Pollutant load
(kg/day) Ratio Pollutant load (kg/day) Ratio
1 Namgang upstream 404 11.1 649 10.1 12.9 9.63
2 Hamyang wicheon joining 969 26.7 1,791 27.9 38.6 28.8
3 Hamyangwicheon 628 17.3 1,178 18.3 24.1 18.0
4 Ramcheon 950 26.2 1,703 26.5 38.4 28.7
5 Imcheon 1,266 34.9 2,531 39.4 53.4 39.9
6 Sancheong waterlevel station 3,628 - 6,430 - 134 -
Table 12 Simulated pollutant loads for BOD, TN, and TP in Sancheong watershed
No. Subwatershed name
BOD TN TP
Pollutant load
(kg/day) Ratio Pollutant load
(kg/day) Ratio Pollutant load
(kg/day) Ratio
1 Namgang upstream 16.6 4.78 27.5 3.93 1.22 4.15
2 Hamyang wicheon joining 105 30.3 192 27.5 8.85 30.1
3 Hamyangwicheon 82.6 23.8 153 21.9 6.27 21.3
4 Ramcheon 163 47.0 337 48.2 14.1 48.0
5 Imcheon 113 32.6 294 42.1 12.1 41.2
6 Sancheong waterlevel station 347 699 29.4
Table 13 Simulated livestock nonpoint pollutant loads for BOD, TN, and TP in Sancheong watershed
많은 비율을 나타냈다. HSPF 모형에 축산계 비점 유달부하량 을 적용한 값과 미적용한 값의 차이를 이용하여 소유역별 축 산계 비점오염 부하량을 산정한 결과 BOD 16.6 kg/day∼163 kg/day, TN 27.5 kg/day∼337 kg/day. TP 1.22 kg/day∼14.1 kg/day 이며, 유역 말단 산청수위표에 유입되는 소유역별 축 산계 비점오염 부하량 비율은 람천 유역이 약 47.7%로 가장 많은 비율을 나타냈다.
수질오염총량관리기술지침을 기준으로 산정한 전체 배출 부하량 중 산청 소유역의 축산계 비점 배출부하량이 차지하 는 비율은 BOD 30.6%, TN 21.3%, TP 28.3%인 것으로 나타났 으며, HSPF 모형내 점오염원 형태로 유달부하량을 입력하여 산정한 축산계 비점오염 부하량 비율은 전체 유달부하량 대 비 BOD 9.6%, TN 10.9%, TP 21.9%로 나타났다.
감사의 글
본 연구는 한국연구재단 이공학 개인기초연구지원사업 연 구비지원(과제번호 2018-0868)에 의해 수행되었음.
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