기저유출을 고려한 유역의 오염총량산정

03

신 용 철 경북대학교 / 조교수 [email protected]

1.

급속한 산업 및 농업의 발달로 인하여 발생하는 다양한 오염물질이 하 천 및 호소에 유입되어 수질오염을 야기키시고 있다. 오염원은 크게 점원 오염과 비점원오염으로 구분되며, 점원오염은 다양한 환경기초시설의 설 치 및 운영, 수처리 기술 개발, 법적인 제재 등을 통하여 규제하고 있다.

점원오염은 그 발생원에 따라 오염물질의 발생, 이동 등의 메커니즘 규명 을 비교적 간단하고 명확하게 산정할 수 있으나, 비점원오염의 경우 오염 물의 종류, 독성, 발생량 등을 명확하게 나타내기가 어렵다(Choi, 1999).

점원오염의 발생은 그 원인이 비교적 명확하기 때문에 관리가 상대적으로 수월하며 감소하는 추세를 보이고 있으나, 비점원오염의 경우 발생원인 이 불분명하기 때문에 관리가 어려우며 증가하는 추세를 보이고 있다 (Magette et al., 1989). 하천, 호소, 강 등에 유입되는 오염물질은 정체 수역에서 부영양화를 초래하며 수질관리에 큰 어려움이 발생하기 때문에 이를 방지하기 위해서는 비점원오염물질의 효율적인 관리가 이루어져야 하며, 또한 비점원오염의 오염부하산정 및 배출부하 특성의 명확한 규명 이 우선적으로 선행되어야 한다. 몬순 기후에 속해있는 우리나라의 경우 계절별 강수량의 차이가 크게 발생한다. 연 강수량의 60∼70%가 발생하 는 여름철(6∼8월)에는 집중호우로 인하여 많은 비점오염물질이 하천으 로 유입되기 때문에, 정부에서는 유역의 수질 관리를 위하여 오염총량제 를 도입하여 시행하고 있으며, 비점원오염부하를 저감하기 위한 많은 연 구들이 수행되고 있다.

오염부하산정은 오염원의 발생원인과 토지이용의 변화 등에 따른 오염 농도를 측정하고, 유역 단위에서 발생하는 지표유출량과 오염농도를 이

Fig. 1. Baseflow separation processes from streamflow based on the master groundwater depletion curve method

용하여 토지이용별 원단위 값을 산정하여 오염부 하 특성을 평가한다. 일반적으로 원단위 기반 비 점원오염부하량 산정은 강우발생시 지표면에서 발생하는 직접유출수와 수질농도를 이용하여 산 정된다. 그러나 비강우시에도 토양층에 저류되어 있는 토양수분이 지속적으로 하천으로 유입되어 기저유출이 발생하기 때문에 농경지에서 사용된 비료와 농약 등의 오염물질이 토양수에 용해되어 하천으로 유입된다(신 등, 2006; 최연호, 2014).

Hallberg(1987)는 무강우 기간에 토양수에 용해 된 질소가 중간유출 혹은 기저유출을 통해 하천 에 유입되며, Schilling(2002)는 질소부하가 기 저유출을 통해 크게 발생하는 것으로 조사하였 다. 오염총량제도를 통하여 강우, 직접유출량, 상 류유입, 하수관거로부터의 지하수 유입 등을 고 려하여 오염물질 관리를 시행하고 있으나, 현재 까지 기저유출에 의한 오염부하산정에 관한 정량 적인 연구는 미비한 실정이다. 오염총량제의 성 공적인 운영과 하천, 호소, 강 등의 수질을 개선 하기 위해서는 직접유출과 기저유출에 의한 오염 부하 발생원인을 명확히 규명하고 평가 기법을 정량화하여 수체로 유입되는 비점원오염을 최소 화해야 한다. 본 고에서는 총 유출량에서 기저유 출을 분리하는 이론·모형 및 기저유출에 의한 비 점원오염의 발생 특성을 소개하고자 한다. 이는 유역의 오염배출특성을 이해하고 유역의 관리방 법의 개발과 적용에 유용하게 활용될 수 있을 것 이다.

2.

강우는 지표면에서 증발, 및 침투되며, 또한 지표면을 통한 지표유출로 하천, 호소, 및 강으로 유입된다. 지표유출은 강수로 발생한 지표수가 유역 출구지점까지 유입되는 과정으로 크게 지표 면유출, 지표하유출(중간유출) 그리고 지하수유 출로 구분할 수 있다. 유역단위에서 유출해석시 하천의 총유출량은 직접 및 기저유출로 구분하 며, 직접유출은 강수가 지표면을 통하여 단기간 에 하천으로 유입되지만 기저유출은 강수가 토양 층을 통하여 하천으로 유입된다. 하천 유량을 정 확히 산정하기 위해서는 직접유출과 기저유출의 발 생 메커니즘의 이해가 필요하기 때문에 다양한 연구 (주 지하수 감수곡선법, 수평직선분리법, N-day 법, 수정 N-day법, 등)가 수행되어 왔다. 본 고 에서는 하천총유량에서 직접유출과 기저유출을 분리하기 위한 다양한 이론적 접근법과 이론적 접근법에 기반한 수문모형에 관하여 기술하였다.

2.1 주 지하수 감수곡선 방법

주 지하수 감수곡선법은 과거 기간동안 측정된 시계열상의 연속적인 수문자료를 나열하여, 유량 이 큰 것부터 작은 순서대로 왼쪽으로부터 오른 쪽으로 나열한다. 나열된 수문자료에 접하는 개 략적으로 이은 선이 수문곡선을 대표하는 주 지히 수 감수곡선이 된다(이재수, 2006). Fig. 1에 나

Fig. 2. Baseflow separation from streamflow based on the straight line method

Fig. 3. Baseflow separation from streamflow based on the N-day method

Fig. 4. Baseflow separation from streamflow based on the modified N-day method

타난 감수곡선은 식 (1)과 (2)로 나타낼 수 있다.



 



 



 

여기서 Q0 : 감수곡선상의 임의의 시간 t에 대 한 유량, Qt : Qe 보다 t 시간 이후의 유량, Kr : 감수상수(>1)이며 일반적으로 일단위(24시간)를 사 용, α : 토양·대수층의 특성을 표시하는 계수이다.

2.2 수평직선 분리법

수평직선 분리법(Fig. 2)은 강우발생후 유출 수문곡선이 상승하는 점 A로부터 수문감수곡선 에 수평으로 그어 교차하는 점을 B로 하면 선분 A와 B를 기준으로 상하부를 각각 직접유출 및 기 저유출로 가정한다(윤용남, 2007).

2.3 N-day 및 수정 N-day 분리법

N-day 분리법(Fig. 3)은 강우발생후 수문곡 선이 상승하는 시점 A에서 첨두유출(Qp) 발생 이 후 N일 후의 유량(B)까지 A-B점을 직선으로 연 결하여 직선의 상·하부를 각각 직접유출과 기저 유출로 가정한다(윤용남, 2007). N 값은 공식

(3)과 같다.

  

 

여기서 N은 일(day), A1은 mile², A2는 km² 단위의 유역면적이다.

수정 N-day 분리법(Fig. 4)은 수문곡선의 상 승이 시작되는 A점 부터 수문곡선과 반대 방향으 로 상승부 첨두유량의 발생시간 C점까지 연장한 후 C점으로부터 N-day법의 B점을 연결하여 직 접유출 및 기저유출을 분리한다(윤용남, 2007).

2.4 USGS PART 모형

미국 U.S Geological Survey(USGS)에서 개 발된 stream flow PARTitioning(PART) 모형 은 경사급변점과 N-day 방법을 연계하여 직접

유출과 기저유출을 분리한다. PART 모형은 지표 유출이 종료되는 시점을 산정하여, 종료 시점에 대해 첨두유량이 발생한 시점부터 N일 후의 감수 곡선점을 직접유출의 종점으로 가정하며 식 (4) 와 같다(Linsley et al. 1982).

  



  





여기서 N: 직접유출이 종료되는 시간(days), A: 유역면적 (km²)이다.

2.4 USGS HYSEP 모형

미국 U.S Geological Survey (USGS)에서 개발 된 HYdrograph SEparation Program (HYSEP) 모형은 실측된 하천유출량 자료의 수문곡선을 이 용하여 일정한 시간간격으로 기저유출을 분리한 다. 기저유출량 분리를 위한 시간간격은 2N^*로 표기하며 2N^*은 계산된 2N값에서 가장 가까운 홀수 값이 되며 기저유출 산정을 위한 시간간격 이 된다. 이 모형은 고정 및 유동시간간격 방법 및 부분적 최소유량법 3가지 방법을 활용한다.

2.5 Digital filtering 기법

Digital Filtering (DF) 기법은 신호 분석 및 처리 과정에서 낮은 주파수인 저주파 신호로부터 높은 주파수인 고주파 신호를 분리하기 위하여 개 발되었다(Lyne and Holick, 1979). Eckhardt (2005)는 직접유출과 기저유출을 고주파와 저주 파로 가정하여 하천유량에 DF 기법을 적용하여 기 저유출을 분리한다. 기저유출은 유역의 지표특성에 의해 영향을 받지만 Lyne and Holick (1979)가 개발한 DF 기법에는 유역의 특성이 반영되지 않

았다. Eckhardt (2005)는 대수층의 특성을 반영 할 수 있는 BFImax 변수를 적용하여 기저유출을 산정하였다(공식 5).



    × 

 

 ×  × 



× 

여기서 bt: 시간 t일 때의 기저유출, bt-1: 시간 t-1일 때의 기저유출, BFImax는 장기간의 하천유 량에 대한 최대기저유출률, a는 필터계수, Qt: 시 간 t일 때의 하천유량을 나타낸다.

3.

다양한 기저유출 분리 이론과 모형들이 개발되어 사용되고 있으며, 본 고에서는 Eckhardt (2005)가 제시한 DF 기법을 이용하여 하천유량을 직접유 출과 기저유출로 분리 및 각각의 오염부하량 산 정한 신 등(2005)의 논문을 간략히 소개하고자 한다.

신 등(2006)은 Web-based Hydrograph Analysis Tool (WHAT, Lim et al., 2005) 시스템의 기저 유출 분리 모듈 중에서 Eckhardt(2005)가 제시 한 Digital filtering 방법을 이용하여 하천유량 에서 기저유출을 분리하였다. 연구유역 월곡리 소하천에서 총 81개의 수질시료를 채취 및 분석 하여 하천유량의 오염부하량을 산정하였다. 81개 의 수질시료중에서 비강우기간에 채취된 19개의 수질자료를 이용하여 기저유출오염부하를 산정 하였다. 수질시료분석은 환경부에서 제정한 수질 공정시험법에 근거하여 NO3-N, T-N 및 T-P 항목을 분석하였다(수질오염공정시험법, 1996).

강우 및 비강우기간의 오염농도특성은 유량가중

Fig. 5. Location of the Weolgokri watershed at Chuncheon, Gangwon province

평균농도기법을 이용하여 산정하였으며, 이후 하 천유량과 기저유출에 의한 NO3-N, T-N 및 T-P 농도와 오염부하특성을 분석하였다.

3.1 연구유역

연구유역으로는 강원도 춘천시 동면에 위치하 고 있는 북한강 상류 월곡리 소하천을 선정하였 다(Fig. 5). 월곡리 유역의 총 면적은 3.4 km² 및 하천 총연장은 12.6 km이며, 자연환경이 잘 보전되고 있는 전형적인 농업소유역이다. 월곡리 유역은 산악지형이 우세하여 유역경사가 급하고 소규모 농사가 이루어지고 있으며, 집약적으로 이용되는 토지가 많지 않아 오염배출이 상대적으 로 적은 지역으로 조사되었다. 월곡리 소하천의 유량 및 수질 관측지점(S), 옥광산(S1) 및 양로원 (무지개 마을, S2) 총 3개 지점에서 측정되었다.

3.2 유량 및 수질분석

월곡리 소하천의 실측 유량은 압력식 수위계를 이용하여 2004년 04월~2005년 3월까지 수위 및 수위유량곡선을 도출하여 산정하였다. 수위는 강우시에는 5분 간격으로 그리고 비강우시에는 30분 간격으로 측정하여 유량을 산정하였다. 기

저유출에 의한 오염부하량을 산정하기 위해서는 하천 총유출량에서 기저유출을 분리해야 한다.

본 연구에서는 Web-based Hydrograph Analysis Tool (WHAT, Lim et al., 2005) 시스템의 기저 유출 분리 모듈 중에서 DF 방법(Eckhardt, 2005) 을 이용하여 하천 총유출량에서 기저유출을 분리 하였다(공식 6). DF 방법 적용시 대수층의 특성 을 반영하기 위해서는 BFImax 변수 결정이 필요 하며, 월곡리 유역의 경우 하천에 항시 유출이 발 생하기 때문에 BFImax 계수 0.8을 적용하였다.

bt =

   × 

 

 ×  × 



× 

여기서 bt는 시간 t일 때의 기저유출, bt-1은 시 간 t-1일 때의 기저유출, BFImax는 장기간의 하 천유량에 대한 최대기저유출률, 는 필터계수, Qt는 시간 t일 때의 하천유량을 나타낸다.

3.3 결과 및 고찰

월곡리 유역의 2004년 4월부터 2005년 3월까 지의 총강우량은 1,365.9 mm로 우리나라의 연 평균 강우량보다 많았으며, 여름철 7∼9월에 전 체 연유출량의 69.8%가 집중되어 발생하는 것으 로 나타났다. Fig. 6에 나타난 것처럼 지표유출 이 많이 발생하는 여름철을 제외한 기간동안 직 접유출과 기저유출양이 유사한 것으로 나타났다.

연구기간동안 총 하천 유출량은 3,322,192 m³이 발생하였으며, 전체 총 하천유출량의 약 63%인 2,082,806 m³이 기저유출로 발생한 것으로 나 타났다.

Fig. 6. Monthly precipitation, streamflow, and baseflow at the Weolgokri watershed

Table 1. Statistics of NO

-N, T-N, and T-P concentrations at the Weolgokri watershed at Chuncheon, Gangwon province Unit: mg/L Pollutants

Statistics NO

-N T-N T-P

Maximum 4.97 16.56 1.280

Minimum 0.15 1.35 0.002

Flow Weighted Mean Conc. 1.41 4.70 0.187

3.3.1 수질특성

월곡리 소하천에서 채취되어 분석된 NO3-N, T-N 및 T-P의 최대값, 최소값 및 유량가중평균 농도는 Table 1과 같다. 수질항목별 NO3-N, T-N 및 T-P의 농도변화는 0.15∼4.97 mg/L, 1.35∼16.56 mg/L 및 0.002∼1.280 mg/L로 매우 높게 나타났다. NO3-N, T-N 및 T-P의 유 량가중평균농도는 각각 1.41 mg/L, 4.70 mg/L, 0.187 mg/L로 나타났으며, 특히 T-N의 유량가 중평균농도가 NO3-N 보다 3배 정도 높게 나타 나 하천수내의 유기질소의 함량 비율이 높은 것 으로 판단되었다.

3.3.2 오염부하산정

월곡리 소하천의 하천유량 및 기저유출에 따른

NO3-N, T-N 및 T-P의 오염부하특성은 Fig. 7 과 같다. 수질항목별 NO3-N, T-N 및 T-P의 월 별 하천유량오염부하는 0.11∼7.29 kg/ha, 0.5

∼23.07 kg/ha, 0.004∼0.579 kg/ha로 나타 났으며, NO3-N, T-N 및 T-P 항목의 최대농도 는 530 mm 이상의 강우가 발생한 7월에 각각 7.29 kg/ha, 23.07 kg/ha, 0.579 kg/ha로 가 장 높게 나타났다. 특히 100 mm 이상의 강우가 발생한 5월부터 9월까지 4개월 동안 NO3-N, T-N 및 T-P의 연부하량의 84% 82%, 86%의 오염부하가 발생하여 오염부하특성이 강우 및 유 출 정도에 큰 영향을 받는 것으로 판단되었다.

7월의 기저유출에 의한 수질항목별 NO3-N, T-N 및 T-P의 오염부하는 각각 2.82 kg/ha, 8.97 kg/ha, 0.164 kg/ha가 발생하였며, 5∼9 월까지 NO3-N, T-N 및 T-P의 연 총오염부하 량의 72%, 76% 72%가 발생하였다. 하천 총유출

Fig. 7. Pollutant loads of the streamflow and baseflow at the Weolgokri watershed at Chuncheon, Gangwon province

량의 NO3-N, T-N 및 T-P 오염부하는 13.85 kg/ha, 45.92 kg/ha, 1.887 kg/ha 및 기저유 출에 의한 오염부하는 7.43 kg/ha, 24.70 kg/ha, 0.582 kg/ha가 발생하여 전체 오염부하량의 53.6%, 53.8%, 30.8%가 기저유출로 발생하는 것으로 나타났다.

4.

본 고에서는 하천 총유출량에서 기저유출을 분 리하기 위한 다양한 이론과 모형에 관하여 소개 하였으며, 실증 사례로 신 등(2005)이 발표한 하 천 총유출 및 기저유출 산정 및 오염부하량 산정 에 관하여 소개하였다. 기저유출은 하천 총유출 량의 63%정도로 직접유출량보다 많은 것으로 나타 났으며, 오염부하 역시 하천 총오염부하량의 53.6%, 53.8%, 30.8%가 기저유출오염부하로 발생하는

것으로 나타났다. 이는 유역의 효율적인 비점원 오염 관리를 위해서는 지표유출 뿐만 아니라 기 저유출에 의한 오염부하산정 방안 수립이 필요한 것으로 판단되었다. 본 고에서 소개한 이론, 모형 및 실증 사례는 오염배출특성을 이해하고 유역의 관리방법의 개발과 적용에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

감사의 글

본 연구는 2004년도 한강수계관리위원회(한 강유역환경청)에서 시행한 환경기초조사사업 연 구결과의 일부로 연구지원에 감사한다.

참고문헌

1. Eckhardt, K. (2005), How to construct recursive digital filters for baseflow separation, Hydrol. Process., 19(2):507-515.

2. Hallberg, G. R. (1987), Nitrates in ground water in Iowa. In: D'Itri, F.M., Wolfson, L.G. (Eds.), Rural Ground Water Contamination, Lewis, Chelsea Michigan.

3. Lim, K. J., Engel, B. A., Tang, Z., Choi, J., Kim, K., Muthukrishnan, S. and Tripathy, D. (2005) Automated web GIS based hydrograph analysis tool, WHAT, J. Am. Water Resour. Asso., 41:

1407-1406.

4. Linsley, R. K., Kohler, M. A. and Paulhus, J. L. H.

(1982), McGraw-Hillcivil engineering series, Hydrology for Engineers, Sources of hydrologic and meteo- rological data, 656-663.

5. Lyne, V. D. and Hollick, M. (1979), Stochastic

time-variable rainfall-runoff modeling, Proceedings

of Hydro. and Water Resour. Symp., Institution

of Engineers Australia, Perth, 89-92.

6. Magette, W. L., T. H., Wood, J. D., Weismiller, R.

A., and Lessley, B. V. (1989) Indian town best management pratices demonstration farm: Summary of hydrologic and water quality monitoring 1986-1988.

Unpublished Report to the Maryland Department of Agriculture, Agricultural Engimeering Department, University of Maryland, Maryland.

7. Schilling, K. E. (2002), Chemical transport from paired agricultural and restored prairie watersheds, J. Envion. Qual., 31:1846-1851.

8. 신용철, 류창원, 최예환, 임경재, 최중대 (2006), 농 업소하천 유역의 기저유출에 의한 오염부하특성, 한국물환경학회, 22(2):244-249.

9. 윤용남 (2007), 수문학(기초와 응용), 청문각, pp.

413-436.

10. 이재수 (2006), 수문학, 구미서관, pp. 321-329.

11. 최연호 (2014), 기저유출량 및 기저부하량을 고려 한 맞춤형 유역 수질관리 방안 연구, 강원대학교 박사학위.

12. 최중대, 이찬만, 최예환, 토지이용이 농업소유역의 수질에 미치는 영향, 한국수자원학회논문집, 32(4):

501-510 (1999).

13. 환경부, 수질오염공정시험법(1996).

14. 한강수계관리위원회, 친환경적 농업관리에 의한

오염부하의 저감효과 분석(2003).