Research on the Applicability of the Load Duration Curve to Evaluate the Achievement of Target Water Quality in the Unit Watershed for a TMDL

수질오염총량 단위유역의 목표수질 달성여부 평가를 위한 부하지속곡선 적용성 연구

황하선^†ᆞ박배경ᆞ김용석ᆞ박기중ᆞ천세억ᆞ이성준

국립환경과학원 수질총량연구과

Research on the Applicability of the Load Duration Curve to Evaluate the Achievement of Target Water Quality in the Unit Watershed for a TMDL

Ha-Sun Hwang^†⋅Bae-Kyung Park⋅Yong-Seok Kim⋅Ki-Jung Park⋅SeUk Cheon⋅Sung-Jun Lee

Water Pollution Cap System Division, National Institute of Environmental Research (Received 21 June 2011, Revised 2 November 2011, Accepted 7 November 2011)

Abstract

The purpose of this study was evaluated on achievement of the Target water quality (TWQ) with Load Duration Curve (LDC) as well as materials collected through the implementation of Total Maximum Daily Load (TMDL), targeting 41 unit watersheds in the Nakdong River Basin in korea, and examines the adequacy of the LDC method to evaluate the TWQ by comparing methods through current regulations. It aims to provide basic materials for TMDL development in Korea. This determination resulted from the fact that the measured data placed on the LDC mean that they are beyond TWQ in a certain condition of water flow when actually measured load values were displayed in a form of LDC. In addition to water quality surveys, it is considered that information on the level of damage in a water body by water flow grade can be utilized as a basic material to identify compliance with the total admitted quantity, and establish rational plans to improve water quality. This information helps in the identification of the degree of damage in water quality according to water flow.

keywords : Implementation, Load duration curve, Target water quality, Total Maximum Daily Load (TMDL)

1. 서 론¹⁾

우리나라는 지형적으로 자연호가 부족하고 동･서의 유역 경사가 크며 강우가 여름철에 집중 되는 등 수자원 확보에 다소 불리한 조건을 가지고 있다. 또한, 급격한 인구증가, 산업화 그리고 무분별한 개발 등으로 수질은 점점 악화되 고 이로 인한 이용 가능한 담수수자원의 부족으로 양질의 수자원을 확보하기 위한 지역간 분쟁이 빈번히 발생하고 있다(황하선, 2007).

이에 따라 정부는 목표수질 한도에서 유역의 오염물질 배출량을 총체적으로 관리하는 수질오염총량관리(이하 총 량관리)를 새로이 도입하게 되었다(환경부, 2004). 이러한 정책전환은 지역의 총오염부하량을 감소시키면서 지역개발 욕구의 자율조절을 유도하여 공공수역의 수질을 보전하고, 각 자치단체에 허용 가능한 오염배출량을 할당하여 관리함 으로써 수질오염에 대한 지역간 책임소재를 분명히 하고, 수자원 이용과 지역발전에 대한 유역 전체의 형평과 상생 을 기하는 바람직한 정책방향으로 보아진다.

3대강(낙동강, 금강, 영산･섬진강)수계는 2004년부터 BOD 를 관리대상물질로 하여 총량관리를 해오고 있으며 2011년 부터는 총인을 추가하여 2015년을 목표로 2단계 총량관리

†To whom correspondence should be addressed.

[email protected]

기본계획을 수립하였으며 단위유역별 수질정도에 따라 총 량관리 시행계획 또는 수질개선사업계획을 수립하여 이행 하는 과정에 있다(환경부, 2010).

우리나라 총량관리를 보면 유역의 오염물질이 강우 등에 의해 수체로 유입되는 집수구역을 수계구간별 단위유역으 로 구분하여 광역시･도 단위의 기본계획에서 단위유역 및 지자체별로 허용총량을 할당하고, 이를 준수하기 위한 시･

군 단위의 시행계획을 수립하여 매년 이행사항을 평가하도 록 되어 있다. 이 과정에서 최초 평가수질이 목표수질을 안정적으로 달성하고 있는 단위유역은 시행계획의 수립 및 이행을 면해주고 시행과정에서 목표수질을 초과하게 되면 그때 시행계획을 수립토록 되어 있다(환경부, 2002).

총량관리가 최종년도에 기준유량에서 목표수질을 달성할 수 있는 유역의 배출량을 할당하여 관리하는 제도(환경부, 2010)인 점으로 미루어 볼 때, 시행과정에서 목표수질 달성 여부를 평가하는 것은 최종년도 목표수질의 달성평가보다 는 현재 수질이 목표수질을 달성･유지하고 있는 유역에 대 해서는 상대적으로 자율성이 높은 수질 개선사업을 통해 허용총량을 관리하고, 목표수질을 초과하고 있는 유역에 대 해서는 시행계획을 수립하여 매년 이행사항을 평가함으로 써 최종년도까지 목표수질을 안정적으로 달성･유지하고자 하는 사전 예방적인 의미로 볼 수 있다.

일부에서 제기되고 있는 기준유량 조건만의 수질을 선별하

Table 1. Comparisons of target water quality and standard flow in 41 unit watersheds during first TMDL period

Watershed TWQ

(mg/L)

Standard flow

(m³/sec) Watershed Target WQ (mg/L)

Standard flow (m³/sec)

Nakbon A 1.5 1.404 Gumho B 2.4 7.31

Nakbon B 1.4 4.557 Gumho C 4.0 21.16

Banbyeon A 1.5 2.304 Nakbon G 2.9 59.008

Yongjeon A 1.5 1.123 Hoecheon A 1.5 3.244

Gilan A 1.5 1.087 Hwang A 1.5 1.933

Banbyeon B 1.5 6.645 Hwang B 1.1 5.658

Micheon A 1.5 1.203 Nakbon H 2.7 70.121

Nakbon B 1.4 15.614 Namgang A 1.5 4.527

Neasung A 1.5 3.566 Namgang B 1.6 7.877

Neasung B 1.5 7.109 Namgang C 1.5 10.719

Geumcheon A 1.5 1.199 Namgang D 2.0 15.824

Yeonggang A 1.5 3.658 Namgang E 2.5 18.569

Ian A 2.0 0.963 Nakbon I 2.8 87.589

Bungsung A 2.0 1.58 Nakbon J 2.9 90.056

Wecheon A 1.5 2.25 Milyang A 1.4 3.634

Wecheon B 1.5 4.621 Milyang B 2.0 5.815

Nakbon D 1.5 34.011 Nakbon K 3.0 75.04

Gamcheon A 1.8 3.145 Nakbon L 3.1 76.728

Nakbon E 1.8 38.259 Nakbon M 2.5 72.368

Nakbon F 2.0 40.312 Nakbon N 4.3 6.716

Gumho A 1.9 5.808

TWQ : Target Water Quality

여 목표수질 달성여부를 평가하여야 한다는 의견(박준대 등, 2010)은 이런 견지에서 볼 때, 시행중 평가이므로 기준유량 조건의 자료만으로 평가할 필요는 없다고 판단되나, 유량 조 건이 반영되지 않은 수질자료만을 이용하여 평가하는 방법에 대해서는 제도적 차원에서 제고가 필요한 것으로 판단된다.

특히, 총량관리 시행계획의 수립은 안전부하량에 대한 삭감 부담, 개별할당에 따른 총량부과금 등 수질개선사업지역보다 많은 부담을 주고 있으므로 목표수질 측정지점에 대한 평가 는 보다 과학적 합리적으로 평가되어야 할 것으로 판단된다.

부하지속곡선(Load Duration Curve: LDC) 방법은 계절별 유량 변동에 따른 수질 영향을 파악할 수 있으며, 목표수 질의 빈도와 크기 및 허용 삭감부하량의 크기에 대한 이해 를 쉽게 해주는 방법으로, 미국의 많은 주에서 부하지속곡 선 방법을 이용하여 TMDL 설정 기법, 데이터 분석 기법 및 유량 규모별 점원 및 비점원 부하량 관리 기법으로 적 용하고 있다(Nebraska, 2002, 2004; Nevada, 2003; Oregon, 2004; South California, 2004). 그간 환경부 측정자료는 수 질에 한정되어 부하지속곡선을 적용하기 어려웠지만 총량 관리의 추진으로 단위유역 말단에서 약 8일 간격으로 측정 된 동시간대의 유량 및 수질자료가 축적되어 우리나라에서 도 부하지속곡선을 이용한 많은 연구가 이루어지고 있다 (김철겸과 김남원, 2009; 손태석 등, 2009; 장주형 등, 2010; 한수희 등, 2007; 황하선 등, 2010).

본 연구는 낙동강수계 41개 단위유역을 대상으로 총량관 리 추진을 통해 축적된 자료와 부하지속곡선을 이용하여 목표수질 달성여부를 평가하고 현행 규정에 의한 방법과

비교하여 부하지속곡선을 이용한 목표수질 평가에 대한 적 정성을 검토함으로써 우리나라 총량관리 발전을 위한 기초 자료를 제공하고자 한다.

2. 연구방법

2.1. 연구 대상 유역

본 연구의 대상유역은 낙동강수계 총량관리 지역으로 유 역면적은 약 23,817 km²이고 유로연장이 521.5 km로서 남 한 국토의 1/4을 차지하고 있으며, 토지이용현황은 산지가 67.5%, 목초지가 0.9%, 농경지가 23.5%, 대지가 4.0%, 나 지가 1.3%, 수체 2.8%로 대부분의 토지이용은 산지와 농경 지이다. 수계구간은 낙동강 발원지인 강원도 태백시(낙본A) 로부터 낙동강 하구언인 낙본M, 서낙동강 말단지점인 낙본 N 까지 41개의 총량관리 단위유역으로 구성되어 있으며 각 단위유역 말단의 목표수질 측정지점에서 2004년부터 약 8일간격으로 수질 및 유량이 동시에 실측되고 있다(Fig. 1).

또한, 각 단위유역별 기준유량 및 목표수질은 Table 1과 같다.

2.2. 부하 지속곡선 방법(Load Duration Curve Method) 부하지속곡선 방법은 다양한 유량 조건의 수질 모니터링 자료를 이용하여 부하지속 곡선에 해당 기간 동안의 관측 수질 및 유량 자료를 도식하여 전체 유량규모에 대한 모니 터링의 분포를 확인할 수 있으며, 이를 이용하여 하천 및 유역관리를 위한 최적의 유량 및 수질 모니터링 계획을 수 립할 수 있게 해주는 방법으로, 지속곡선(Duration curve)은

Fig. 1. The nakdong river unit watershed and observed stations.

주어진 유량 또는 부하량과 같은 매개변수가 주어진 값과 같거나 초과하는 시간의 백분율을 곡선화하여 그래픽하게 표현한 것이다(Nevada, 2003).

부하지속곡선 방법의 적용은 유량지속곡선(Flow Duration Curve) 생성, 부하지속곡선 생성 그리고 부하지속곡선에 실 측 자료를 도식화하는 과정으로 구분된다. 유량지속곡선 작 성은 일유량 자료를 최대유량에서 최소유량 순으로 배열하 여 특정유량을 초과하는 일수를 백분율로 계산한다(식 (1)).

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  ×  (1)

부하지속곡선 작성은 일유량 자료와 수질기준 자료를 이 용하여 식 (2)에 의해 부하지속곡선을 작성한다.

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실측자료를 부하지속곡선을 이용하여 평가하기 위해, 부 하량을 실측 유량과 수질농도를 이용하여 계산한 후 각 일 유량을 유황곡선의 유량자료와 비교하여 초과 부하량 백분 율(percent of days load exceeded)에 대응하는 초과 유량 백분율(percent of days flow exceeded)의 값을 결정하여 도 식화 한다.

2.3. 유량지속곡선 비교

부하지속곡선을 이용하여 수체 손상정도 및 목표수질 달 성여부를 평가하기 위해서는 우선 유량지속곡선이 필요한 데 유량지속곡선은 산정기간 유량자료의 누적빈도를 도식 화하는 것으로 일반적으로 일단위의 유량을 이용한다. 이런 이유로 기존 연구자들은 간헐적 실측자료를 유역모형을 이 용하여 일자료로 추정 후 유량지속곡선을 산정한 바 있다 (손태석 등, 2009; 황하선 등, 2010). 현재 총량관리 단위유 역에서 연속적 일 유량자료를 획득하지는 못하지만, 8일간 격의 자료가 지속적으로 실측되고 있어 장기간의 일정주기 자료가 누적될 경우 하천의 전체 누적유량빈도를 대변할 수 있을 것으로 판단되어 연구기간인 2007년부터 2009년 까지 SWAT 모형에 의해 보간된 일자료를 이용하여 작성 된 유량지속곡선과 같은 기간 실측자료만을 이용하여 작성 한 유량지속곡선을 비교하였다.

2.4. 목표수질 달성여부 평가 방법 비교

낙동강수계 41개 단위유역 말단에서 2007년부터 2009년 까지 8일 간격으로 측정된 유량 및 수질자료(수질유량측정 망시스템, 2011)를 이용하여 현행규정에 의한 방법과 부하 지속곡선을 이용한 방법으로 단위유역별 목표수질 달성여 부를 평가･비교하였다.

2.4.1. 현행규정에 의한 방법

우리나라 총량관리에서는 목표수질지점별로 환경오염공 정시험기준에 따라 8일 간격으로 일정하게 측정 분석된 연 간 30회 이상의 자료를 이용하여 3년 단위로 식 (3)~(5)에 의해 평가수질을 산정하고 있다(환경부, 2002). 본 연구에 서 적용한 수질자료를 이용한 방법은 현행 규정에 따라 평 가수질을 산정 후 목표수질과 비교하여 목표수질 달성여부 를 평가하였다.

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(5)

2.4.2. 부하지속곡선을 이용한 방법

유량조건이 고려된 목표수질 달성여부를 평가하기 위하 여 단위유역에서 측정된 3년간의 실측자료(수질, 유량) 및 오염총량관리 목표수질을 이용하여 부하지속곡선을 작성 후 측정자료를 도식화하여 부하지속곡선을 기준으로 초과 율을 분석하였으며, 초과율 50%를 기준으로 목표수질 달성 여부를 평가하였다.

(a) Nakbon A (b) Nakbon K Fig. 2. Daily rainfall and daily mean runoff of observed and simulated on calibration period.

3. 결과 및 고찰

3.1. 지속곡선 작성 및 수체손상 파악 3.1.1. 유역모형의 적용

단위유역에서 측정하고 있는 8일 간격의 실측 유량자료 를 이용한 유량지속곡선과 유역모형에 의해 보간된 일자료 에 의한 유량지속곡선을 비교하기 위하여 낙본A 및 낙본K 에 대하여 SWAT모형을 구축하였다.

SWAT 모형은 국내에서 유출모형으로 광범위하게 사용 되는 모형 중 하나로 미농림부에서 개발한 유역기반의 장 기유출모형으로서 토양수분을 중심으로 다양한 토지이용에 대하여 적용되어 왔으며, 국내에서도 유출해석을 위해 광범 위하게 적용되고 있다(김남원 등, 2008; 김정곤 등, 2006;

손태석 등, 2010; 신현석 등, 2007; 정상만 등, 2008).

모형 구축을 위해 사용된 경위도 30 m 격자 크기의 수 치고도모델(Degital Elevation Model; DEM)은 국가수자원 관리 종합정보에서 제공받았으며 2007년 기준으로 작성된 1:25,000 해상도의 중분류 토지피복도는 환경부 환경지리정 보서비스(http://egis.me.go.kr/ egis)에서 제공받았고 토양특 성 등의 정보는 국립식량과학원에서 제공하는 1:25,000 해 상도의 정밀토양도를 이용하여 모형을 구축하였다. 또한, 밀양, 태백 기상관측소에서 관측한 강우량, 온도, 풍속, 일 조량, 상대습도 등 3년간(2007~2009년) 기상자료를 기상청 으로부터 제공 받아 이용하였다.

유출량에 대한 보정은 2007년부터 2009년까지 낙동강 유 역의 총량 8일 간격 관측자료를 사용하여 연중 일별로 이 루어졌으며 그 결과는 Fig. 2와 같다. 보정결과를 보면 낙 본A의 경우 R²는 0.92, RMSE는 2.69 cms 그리고 EF는 91.57%로 나타났으며 낙본K의 경우 R²는 0.92, RMSE는 253.53 cms 그리고 EF는 92.84%로 나타냈다. Santhi 등 (2001)에 따르면 R²가 0.6이상이면 보정을 종료할 것을 추 천하고 있으며, Donigian (2000)은 모형의 보･검증 결과 R² 가 0.8 이상이면 “Very Good” 이라 하였다. 이러한 기준으 로 보았을 때 모형의 보정은 낙본A, 낙본K 모두 신뢰성이 있는 것으로 나타났다.

∑ ∑

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×  (8)

여기서,

Pi 와 Oi 는 예측치와 관측치이며, _는 평균측정값이며, n 은 측정자료 개수이다.

3.1.2. 유량 지속곡선 작성

낙본A는 낙동강수계 최상류에 위치하며 유량이 상대적으 로 적은 유역으로 SWAT에 의해 보간된 일유량은 1,095개, 실측은 114개이며, 낙본K는 하류에 위치하며 유량이 상대 적으로 많은 유역으로 보간된 일유량은 1,095개, 실측은 125개이다.

8일 간격의 실측자료가 일간격의 누적유량빈도의 대변 정도를 파악하기 위하여 낙본A와 낙본K에 대하여 SWAT 모형에 의하여 생성된 3년간(2007~2009년)의 일 유량자료 를 이용하여 유량지속곡선을 작성 후 실측자료를 도식화 한 결과 낙본A, 낙본K 모두 8일 간격으로 측정된 유량이 고유량 일부를 제외하고 보간된 누적유량빈도를 대변하는 것으로 나타났다(Fig. 3). 실제 모의 결과 낙본A 실측자료 중 최고 유량은 74.9 m³/s였으며 모의 결과 실측자료보다 높은 유량은 3일로 86.4 m³/s, 104.9 m³/s, 135.1 m³/s였으 며, 낙본K 실측 최고 유량은 6,729.7 m³/s였으며 모의 결과 실측자료보다 높은 유량은 2일로 7,069.0 m³/s, 8,246.0 m³/s 로 나타났다.

(a) Nakbon A (b) Nakbon K

Fig. 3. Result of constructed flow duration curve using simulated daily flow from SWAT and plotted observed flow.

(a) Nakbon A (b) Nakbon K

Fig. 4. Comparison of the flow duration curve using simulated daily flow and observed flow.

또한, 주기적인 실측 자료가 다년간 축적될 경우 실측자 료가 하천의 전체 유량빈도를 대변할 수 있을 것으로 판단 되어 유역모형에 의한 일유량 및 같은 기간 동안 8일 간격 의 실측자료를 이용하여 유량지속곡선을 각각 작성하여 비 교한 결과 유사한 형태의 지속곡선이 작성되었다(Fig. 4).

이는 간헐적인 실측 자료가 다년간 축적될 경우 실측자료 가 하천의 전체 유량빈도를 대변할 수 있으며 실측자료만 을 이용한 유량지속곡선 작성이 가능할 것으로 판단된다.

3.1.3. 부하지속곡선 작성 및 실측자료 도식화

낙본A와 낙본K에 대하여 각각 작성된 유량지속곡선과 1 단계 총량관리계획에 따른 BOD 목표수질을 이용하여 부 하지속곡선을 작성하고 3년간(2007~2009년) 8일간격의 부 하량을 각 실측유량에 대응하는 초과 유량 백분율의 값을 결정하여 부하지속곡선에 도식화한 결과는 Fig. 5와 같으 며 유량 적용 방법에 따른 차이는 비교적 적은 것으로 나 타났다.

일반적으로 부하지속곡선을 이용할 경우 유량 크기의 정 도에 따라 0~10%는 홍수량 조건, 10~40%는 풍수량 조건, 40~60%는 평수량 조건, 60~90%는 저수량 조건, 90~100%

는 갈수량 조건으로 구분하여 분석하며(Cleland, 2003; Nevada, 2003), TMDL에 부하지속곡선을 이용할 경우 부하지속곡선 의 위쪽에 있는 자료는 수질기준이 초과됨을 나타내고, 부

하지속곡선 아래쪽에 있는 자료는 수질기준이 준수됨을 나 타낸다(US EPA, 2007). 낙본A 및 낙본K 유역에서 유역모 형으로부터 보간된 일유량 및 실측자료를 이용한 두 방법 에서 비슷한 결과가 나타났으며 낙본A는 저유량 조건을 제외하고 대부분의 유량 조건에서 수질기준을 초과하고 있 는 것으로 나타났으며 유량크기에 따른 수체 손상정도가 주로 하천의 유량이 많은 시기이므로 비점오염원에 의한 영향으로 판단되며, 낙본K는 60~100%의 유량조건에서 수 질기준을 초과하고 있는 것으로 나타났으며 유량크기에 따 른 수체 손상정도가 주로 하천의 유량이 적은 시기이므로 점오염원으로 판단되며 정체수역을 형성하는 지점으로 미 루어 볼 때 조류에 의한 영향도 있을 것으로 판단된다.

3.2. 목표수질 달성여부 평가 3.2.1. 현행규정에 의한 평가

단위유역별로 3년간(2007~2009년) 실측된 유량과 수질 자료는 낙본N이 63개였고 그 외 단위유역은 107~130개로 나타났으며 이 자료를 이용하여 현행 규정인 식 (1)~(3)의 방법으로 평가수질을 산정한 결과 단위유역별로 0.6~3.9 mg/L로 나타났다(Table 2). 이 중 우리나라 하천의 생활환 경 기준(환경부, 2009) 매우좋음(Ia) 등급인 BOD 1 mg/L 이하인 단위유역은 12개 단위유역으로 나타났으며 남강E, 금호C단위유역은 3.9 mg/L로 가장 높게 나타났다.

(a) Nakbon A (Observed data) (b) Nakbon A (Simulated data)

(c) Nakbon K (Observed data) (d) Nakbon K (Simulated data) Fig. 5. Result of constructed load duration curve and plotted load in nakbon A and nakbon K unit watershed.

Table 2. Result of calculated evaluated water quality and the achievement of target water quality using current regulations method Unit Watershed T.W.Q. E.W.Q. Evaluation Unit Watershed T.W.Q. E.W.Q. Evaluation

Nakbon A 1.5 1.2 A　 Gumho B 2.4 2.1 A　

Nakbon B 1.4 0.7 A　 Gumho C 4.0 3.9 A　

Banbyeon A 1.5 1.1 A Nakbon G 2.9 3.1 N

Yongjeon A 1.5 1.1 A　 Hoecheon A 1.5 0.9 A　

Gilan A 1.5 0.7 A Hwang A 1.5 1.2 A　

Banbyeon B 1.5 1.0 A　 Hwang B 1.1 0.6 A　

Micheon A 1.5 1.2 A　 Nakbon H 2.7 2.6 A　

Nakbon B 1.4 1.0 A　 Namgang A 1.5 1.0 A　

Neasung A 1.5 0.7 A　 Namgang B 1.6 1.3 A　

Neasung B 1.5 0.8 A　 Namgang C 1.5 1.0 A

Geumcheon A 1.5 1.4 A　 Namgang D 2.0 3.1 N

Yeonggang A 1.5 1.7 N Namgang E 2.5 3.9 N

Ian A 2.0 1.1 A　 Nakbon I 2.8 3.2 N

Bungsung A 2.0 1.7 A　 Nakbon J 2.9 2.7 A　

Wecheon A 1.5 1.4 A　 Milyang A 1.4 1.0 A　

Wecheon B 1.5 1.4 A　 Milyang B 2 3.2 N

Nakbon D 1.5 1.0 A　 Nakbon K 3 2.6 A　

Gamcheon A 1.8 1.5 A　 Nakbon L 3.1 2.7 A　

Nakbon E 1.8 1.8 A　 Nakbon M 2.5 2.1 A　

Nakbon F 2.0 2.2 N Nakbon N 4.3 3.5 A　

Gumho A 1.9 2.3 N

TWQ : Target Water Quality EWQ : Estimation Water Quality

Evaluation : Evaluation of the achieved the TWQ (Achieve is “A”, Not achieve is “N”)

Table 3. Result of evaluated excess rate of pollutants in comparison with the LDC and the achievement of target water quality using LDC method

Unit Watershed No. data No. upper Rate upper Evaluation Unit Watershed No. data No. upper Rate upper Evaluation

Nakbon A 114 18 15.79 A Gumho B 114 32 28.07 A

Nakbon B 114 3 2.63 A Gumho C 130 51 39.23 A

Banbyeon A 114 17 14.91 A Nakbon G 114 51 44.74 A

Yongjeon A 113 14 12.39 A Hoecheon A 114 9 7.89 A

Gilan A 114 4 3.51 A Hwang A 114 23 20.18 A

Banbyeon B 127 10 7.87 A Hwang B 113 9 7.96 A

Micheon A 113 23 20.35 A Nakbon H 114 39 34.21 A

Nakbon B 114 9 7.89 A Namgang A 113 12 10.62 A

Neasung A 114 7 6.14 A Namgang B 114 28 24.56 A

Neasung B 130 13 10.00 A Namgang C 114 10 8.77 A

Geumcheon A 114 33 28.95 A Namgang D 114 88 77.19 N

Yeonggang A 114 52 45.61 A Namgang E 130 93 71.54 N

Ian A 114 11 9.65 A Nakbon I 114 58 50.88 N

Bungsung A 114 29 25.44 A Nakbon J 113 40 35.40 A　

Wecheon A 114 31 27.19 A Milyang A 114 14 12.28 A　

Wecheon B 114 35 30.70 A Milyang B 114 77 67.54 N

Nakbon D 130 18 13.85 A Nakbon K 130 36 27.69 A　

Gamcheon A 113 23 20.35 A Nakbon L 113 38 33.63 A　

Nakbon E 114 48 42.11 A Nakbon M 107 28 26.17 A　

Nakbon F 114 54 47.37 A

Gumho A 114 54 47.37 A

No. data : Number of data

No. upper. : Number of data upper LDC Rate upper : Rate of data upper LDC

Evaluation : Evaluation of the achieved the TWQ (Achieve is “A”, Not achieve is “N”) 3.2.2. 부하지속곡선에 의한 평가

부하지속곡선을 이용하여 목표수질 달성여부를 평가하기 위해서는 유량지속곡선이 필요한데 단위유역 말단에서 측 정하고 있는 8일 간격의 유량자료만으로는 하천의 모든 유 량조건을 대변하기 어렵다고 판단하여 황하선 등(2010)은 부하지속곡선을 이용한 수체손상정도 파악을 위하여 8일간 격의 자료를 유역모형인 HSPF를 이용하여 일일자료를 추 정하여 유량지속곡선을 산정하였으며 이 과정에서 보정결 과는 R² 0.90였으며 Donigian (2000)이 제안한 R²이 0.8 이 상이면 “Very Good” 이라는 기준에 의해 모형의 보정은 신 뢰성이 있는 것으로 판단하였다.

그러나, 실측자료를 기반으로 유역모형을 이용하여 일 유 량을 추정 할 경우 보･검증 결과가 실측과 완전하게 일치 하지 않는 한 추정된 일단위 자료는 실측과 일부 달라지게 되는데, 하천의 수체 손상정도를 파악하여 적절한 수질개선 대책을 수립하고자 하는 경우는 보간과정에서 발생하는 오 차가 일반적 범위내에서 허용되지만, 지방자치단체에 민감 한 시행계획 수립을 결정하는 목표수질 달성여부의 평가는 실측과 다른 자료를 이용하기는 어렵다고 판단되며, 이런 이유로 현행 목표수질 달성여부 평가 방법이 실측 자료만 을 이용하고 있는 것으로 사료된다. 또한 본 연구에서 유 역모형에 의한 일자료와 실측자료를 이용한 유량지속곡선 을 선정하여 비교한 결과 실측자료가 하천의 유량조건을

대변하는 것으로 판단되어 단위유역별로 2007년에서 2009 까지 8일 간격으로 측정된 3년간의 유량 자료를 이용하여 유량지속곡선을 작성하였고, 유량지속곡선에 총량관리계획 에 따른 1단계 BOD 목표수질(Table 1)을 적용하여 부하지 속곡선을 작성 후 현행규정에 의한 방법과 동일한 실측 부 하량을 도식화하였다.

US EPA (2007)에 의하면 TMDL에 부하지속곡선을 이용 할 경우 부하지속곡선의 위쪽에 있는 자료는 수질기준이 초과됨을 나타내고, 부하지속곡선 아래쪽에 있는 자료는 수 질기준이 준수됨을 나타낸다. 41개 단위유역별 실측 자료 를 도식화하여 부하지속곡선을 기준으로 실측자료의 공간 적 분포를 분석한 결과 단위유역별 부하지속곡선 위에 위 치하여 목표수질을 초과하고 있는 자료는 3~93개로 나타났 다(Table 3). 단위유역별 자료의 수가 다르므로 초과수만으 로는 초과정도를 일반화하기 어려워 도식화된 자료수 대비 초과된 자료수의 비율을 초과율로 하여 분석한 결과, 단위 유역별 초과율은 2.63~77.19%로 나타났으며 초과율이 가장 낮은 단위유역은 낙본B로 114개 중 3개가 초과하였고, 가 장 높은 단위유역은 남강D 단위유역으로 114개 중 88개가 초과하는 것으로 나타났다(Table 3).

부하지속곡선 작성방법 및 결과를 보면 부하지속곡선은 모든 유량조건(0~100%)에서 목표수질 달성 정도를 확인할 수 있는 기준이 되며, 부하지속곡선에 실측자료를 도식화할

(a) Yeonggang A (b) Gumho A

(c) Nakbon F (d) Nakbon G

(e) Namgang D (f) Namgang E

Fig. 6. Result of constructed duration curve and plotted load in LDC of 8 unit watersheds.

경우 부하지속곡선 위에 도식되는 측정값은 해당유량 조건 에서 목표수질의 초과하는 것을 의미하므로 부하지속곡선 방법으로 목표수질 달성 여부 평가가 가능할 것으로 판단 된다. 그러나, 부하지속곡선 방법은 무엇보다 하천의 누적 유량빈도가 중요하므로 4대강사업 등 유량이 급격히 변경 되는 하천에 대해서는 지속곡선 산정 기간에 대한 충분한 검토가 필요한 것으로 사료된다.

3.3. 목표수질 달성여부 평가 비교

목표수질 달성여부를 평가수질이 목표수질을 초과하는 경우에 미달성으로 판정하는 현행 규정(환경부, 2002)에 따 라 분석한 결과 영강A, 낙본F, 금호A, 낙본G, 남강D, 남강 E, 낙본I, 밀양B 8개 단위유역이 목표수질을 달성하지 못 한 것으로 나타났고 나머지 단위유역은 목표수질을 달성한 것으로 나타났다.

(g) Nakbon I (h) Milyang B Fig. 6. Result of constructed duration curve and plotted load in LDC of 8 unit watersheds (continued).

Fig. 7. The variation range in water quality of 8 unit watersheds in Nakdong river basin.

부하지속곡선을 이용하여 목표수질 달성여부를 평가하기 위해서는 달성과 미달성에 대한 기준이 필요한데, 수질에 의한 평가 방법이 50% 확률순위수질이므로 부하지속곡선 에 대한 실측자료의 초과율 50%를 기준으로 이하인 경우 는 달성, 그 외는 미달성으로 하여 평가한 결과 목표수질 을 미달성하고 있는 단위유역은 낙본I, 남강D, 남강E, 밀양 B 4개였으며 그 외 단위유역은 목표수질을 달성하고 있는 것으로 나타났다(Fig. 6).

낙본I, 남강D, 남강E, 밀양B는 두 방법 모두 미달성한 것 으로 평가되었으며, 영강A, 낙본F, 금호A, 낙본G는 현행규 정에 의한 방법에서만 미달성한 것으로 평가되어 두 방법 의 결과가 다른 것으로 나타났는데, 이는 측정 자료 중 특 이 수질자료가 평가수질을 높아지게 하여 현행규정에 의한 평가에서 미달성 단위유역이 많은 것은 것으로 판단되어 8 개 단위유역에 대하여 박스플롯을 이용하여 수질 변동범위 를 분석하였다.

일반적으로 박스플롯은 자료의 이상치(outlier)를 확인할 수 있는데 1.5IQR(Inter Quartile Range) 이상인 Upper fence 위의 값을 이상치로 간주하며 2.0IQR이상이면 점으 로 표시하는데 박스플롯을 이용하여 분석한 결과 영강A, 낙본F, 금호A, 낙본G, 남강D에서는 이상치가 나타났으나 낙본I, 남강E, 밀양B는 나타나지 않았다(Fig. 7).

이는 현행규정에 의한 평가방법에서만 초과한 영강A, 낙 본F, 금호A, 낙본G는 특이수질에 의한 영향을 받은 것으로 보여지며 낙본I, 남강E, 밀양B는 전반적인 수질악화로 목표 수질을 초과하였으며 남강D는 두 원인이 모두 작용한 것 으로 판단된다.

현행규정에서 수질변동에 따른 평가의 신뢰성을 높이고 자 측정수질을 자연로그로 변환하여 평가하고 있으나 모든 수질변동을 대변하기 어려운 것으로 판단되며 부하지속곡 선에 의한 방법은 유량등급에 대응하는 부하 초과율로 평 가하므로 특이수질이 평가 결과에 미치는 영향이 상대적으 로 적은 것으로 판단된다. 이러한 연구결과는 박준대 등 (2010)이 낙동강수계를 대상으로 수질변화를 분석한 결과 에서 특이수질의 출현으로 인하여 해당 단위유역에 대한 수질 분산성이 커지고 목표수질 달성여부 평가를 위한 평 균수질이 높게 산정된다고 한 결과와 유사하다.

우리나라 총량관리제는 기준유량과 목표수질을 정하고 이를 최종년도까지 달성･유지할 수 있도록 유역의 허용부 하량을 할당하여 관리해 가는 제도로 궁극적인 목표는 최 종년도의 목표수질 달성이라 볼 수 있다. 그러나, 현행 규 정과 같이 시행과정에서 목표수질 달성여부를 평가하는 것 은 최종년도까지의 목표수질 달성 가능성을 평가하여 초과 의 우려가 있는 단위유역에 대하여 시행계획을 수립토록 하는 것이 목적이라 판단된다. 따라서, 목표수질 달성여부 평가는 기준유량 조건의 수질만으로 평가를 하는 것보다는 모든 실측자료를 이용하여 평가하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

그러나, 현행 방법은 수질만에 의한 평가로 특정 수질의 초과가 평가수질에 영향을 주게 되므로 개별 측정자료의

특이성이 평가 결과에 주는 영향이 상대적으로 적고, 유량 조건별 평가가 가능한 부하지속곡선을 이용한 방법도 우리 나라 총량관리제에서 목표수질 달성여부를 평가하는 방법 으로 적용이 가능할 것으로 판단된다. 또한 Nevada 주 환 경청 보고서(2003)에서 부하지속곡선 방법은 수질기준을 초과하는 경우의 유량 특성을 설명할 수 있으며, 특히 유 량 규모를 고려한 점오염원 및 비점오염원 특성을 파악할 수 있다고 언급한바와 같이 부하지속곡선을 이용하여 목표 수질 달성여부를 평가할 경우 수질평가 이외에 유역 특성, 강우량에 따른 유역의 배출특성 등이 고려된 유량 등급별 수체의 손상정도를 추가로 제공함으로써 유량에 따른 수질 의 손상 정도를 파악하여 허용총량의 준수 여부와 합리적 인 수질개선 계획을 수립하기 위한 기초자료로서의 활용이 가능할 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 총량관리제 시행으로 축적된 수질 및 유 량자료와 부하지속곡선을 이용하여 목표수질 달성여부를 평가하고 현행 규정에 의한 방법과 비교하여 부하지속곡선 을 이용한 목표수질 달성 평가에 대한 적정성을 검토하고 자 낙동강수계 41개 단위유역에 적용하였으며 그 연구결과 를 요약하면 다음과 같다.

1) 유역모형에 의해 보간된 3년간 일 유량을 이용하여 작 성된 유량지속곡선에 실측유량을 도식한 결과 실측유량 이 고유량 일부를 제외하고 누적유량빈도를 대변하는 것으로 나타나 간헐적인지만 정기적인 실측유량이 다년 간 축적될 경우 하천의 전체 누적유량빈도를 대변할 수 있으며 실측자료만을 이용한 유량지속곡선 작성이 가능 한 것으로 나타났다.

2) 현행규정에 의한 평가수질은 단위유역별로 0.6~3.9 mg/L 로 나타났으며 이 중 우리나라 하천의 생활환경 기준 매우 좋음(Ia) 등급인 BOD 1 mg/L 이하인 단위유역은 12개로 나 타났으며 남강E, 금호C는 3.9 mg/L로 가장 높게 나타났다.

3) 부하지속곡선에 실측부하를 도식하여 부하지속곡선을 기준으로 공간 분포를 분석한 결과 부하지속곡선 위에 있는 자료는 단위유역별로 3~93개로 나타났으며 전체자 료 수 대비 초과 자료수의 비율은 2.63~77.19%로 나타 났다. 초과율이 가장 낮은 단위유역은 낙본B로 측정자 료 114개 중 3개가 초과하여 2.63%로 나타났으며, 가장 높은 단위유역은 남강D로 114개 중 88개가 초과하여 77.19%로 나타났다.

4) 목표수질 달성여부를 평가한 결과 현행규정에 의한 방 법은 영강A, 낙본F, 금호A, 낙본G, 남강D, 남강E, 낙본 I, 밀양B 8개 단위유역이 목표수질을 미달성하는 것으로 나타났으며, 부하지속곡선에 의한 방법에서는 낙본I, 남 강D, 남강E, 밀양B 4개 단위유역이 목표수질을 달성하 지 못한 것으로 나타났다. 이는 현행규정에 의한 방법 적용시 특이 수질자료로 인하여 평가수질이 높아졌기 때문으로 판단된다.

5) 부하지속곡선에 실측부하를 도식할 경우 부하지속곡선 위에 도식되는 측정값은 해당유량 조건에서 목표수질의 초과하는 것을 의미하므로 부하지속곡선방법을 이용한 목표수질 달성평가가 가능한 것으로 나타났다.

또한, 유량조건에 따른 수질의 손상정도를 파악하여 허 용총량 준수여부와 합리적인 수질개선 계획을 수립하기 위한 기초자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다.

6) 부하지속곡선을 이용하여 오염총량관리 목표수질의 달 성여부를 평가하기 위해서는 우리나라 오염총량관리 특 성에 맞는 유량지속곡선 산정방법, 목표수질달성 기준 등의 방법론이 개발되어야 하며 보다 신뢰성 있는 유량 자료의 확보가 필요한 것으로 판단된다.

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