체류시간이 식생수로 저감효율에 미치는 영향
Effect of Retention Time on the Removal Efficiency in Grassed Swale
Seoungbong Paek* ․ Kyungik Gil**+
* Department of Civil Engineering, Seoul National University of Science and Technology
** Department of Civil Engineering, Seoul National University of Science and Technology
요 약
현재까지 국내에서 수질관리 정책이 점오염원 관리를 우선 시 하고 있다 비점오염원은 배출특성 배출지점 및 배출량의. ,
파악에 매우 어려움이 있다 이러한 비점오염 관리를 위해 다양한 비점오염저감시설들에 대한 개발 및 연구가 진행되고.
있다 비점오염시설의 평가를 위해 다양한 효율산정 방법들이 제시되고 있다 본 연구에서는 강우 시 식생수로 모니터링. .
결과를 통해 체류시간이 저감효율에 미치는 영향에 대해 연구를 수행하였다 또한 여러 가지 저감효율 산정 방법에 따른.
차이를 비교하고자 하였다 식생수로에서 체류시간에 따른 효율 분석 결과 체류시간이 길수록 저감효율도 높아지는 것으.
로 나타났다 이는 식생수로의 안정적인 저감효율을 확보하기 위해선 충분한 체류시간이 확보 되어야 한다고 판단된다. .
핵심용어: 비점오염원 비점오염저감시설 식생수로 저감효율 체류시간, , , , Abstract
Recently the water quality management policy gives priority to management the point source. Non-point pollution source is difficult to comprehend because those don't have certain outflow point and emission. There are many development and research about BMPs for manage the Non-point pollution source. Various methods of removal efficiency are presented for assessment of Best Management Practices (BMPs). In this study, retention time have effect on removal efficiency based on monitoring results of Grassed Swale is studied. Also, Compare a difference according to various methods of Grassed Swale removal efficiency. The result of removal efficiency analysis depending on retention time of Grassed Swale, removal efficiency is higher as retention time increases. To obtain a stable removal efficiency of Grassed Swale, retention time of Grassed Swale should be secure.
Key words : Non-point pollution source, BMPs, Grassed Swale, Removal Efficiency, Retention Time
+ Corresponding author : [email protected]
서 론 1.
비점오염원은 강우 시 강우 유출수에 의해 지표면 의 오염물질이 인근의 하천 및 호소로 유입 되는 오 염원을 말하며 점오염원과 달리 비점오염원은 배출, 특성 배출지점 및 배출량의 파악이 매우 어렵고 불, 규칙하다(Lee et al, 2008b; Lee et al, 2007a). 또한 비점오염원은 강우량 강우강도 강우의 패턴 변화에, , 따라 수계로 유입되는 오염물질 때문에 수질 관리에 어려움을 겪고 있다 이러한 이유로 비점오염원에 대. 한 대책이 마련되어야 한다고 보고되고 있다 비점오. 염원의 경우 유역의 토지이용에 따라 오염물질 배출 량도 다양하다 특히 하천이 속해 있는 유역은 토지
이용이 다양하며 투수율의 다양성을 초래하여 강우 시 유출특성이 각 토지이용별로 상이하게 나타난다 환경부는 년까지 비점오염원 (Lee et al, 2009). 2020
이 하천 수질오염에 65%까지 기여 할 것으로 예측 하였다(MOE, 2008). 이에 환경부는 유량을 고려하여 오염물질의 총량으로 수계를 관리하는 오염총량관리 제(Total Pollution Load Management System, TPLMS) 를 도입하여 비점오염원 관리의 중요성을 부각시켰 다(Jung et al, 2007). 또한 수질 및 수생태계 보전“ 에 관한 법률 에 근거하여 비점오염저감시설 설치를” 의무화 하고 비점오염시설시범설치사업을 통해 다양 한 비점오염저감시설을 개발 연구 및 설치하였다, (Lee et al, 2009; Lee et al, 2007b).
비점오염저감시설은 자연형과 장치형으로 구분 할 수 있다 자연형 시설로는 인공습지 저류시설 침투. , , 시설 식생형시설 등이 있고 장치형 시설로는 여과형, , 와류형 스크린형 등이 있다 비점오염저감시설의 효, . 율산정은 평가를 위한 중요한 지표이며 다양한 방법 이 있다 대표적인 효율산정 방법으로는. Efficiency Ratio (ER), Summation of loads (SOL), Regression of
방법 등이 제시되고 있다
Loads (ROL) (MOE, 2008).
다양한 방법이 제시되는 만큼 동일한 자료를 바탕으 로 효율산정을 하여도 효율산정 방법이 중요 시 여기 는 요인에 따라 효율이 다르게 나오는 문제점이 있다 이러한 문제점을 (Lee et al, 2008a; Jeon et al, 2013).
보완하기 위하여 효율산정에 많은 연구가 진행되고 있으나 아직까지 정확한 효율산정 방법은 제시되고, 있지 않다(Kwon, 2011).
본 연구에서는 모니터링을 통해 식생수로에 유입 되는 비점오염물질의 저감효율을 여러 가지 방법을 이용하여 산정 하였다 또한 강우사상별 체류시간에. 따라 저감효율의 변화가 어떻게 이루어지는지를 분석 하였다 이를 바탕으로 식생수로의 체류시간과 저감. 효율에 상관성을 알아보고자 연구를 수행하였다.
연구대상지역 및 연구방법 2.
본 연구대상 지역은 경기도 용인시 처인구 포곡읍 에 설치되어 있는 비점오염저감시설 중 식생형 시설 인 식생수로로 유역면적은 7,700 m2, 배수구역은 도 로지역이 100 %를 차지하며 시설부지 규모는, 346 m2이다 식생수로의 설계인자는 유하시간이. 1.3 hr, 단면적이 0.65 m2, 길이가 151.3 m이다. Fig. 1에서는 본 시설의 설치된 위치와 시설을 확인 할 수 있다.
Fig. 1. Location of the Grassed Swale
모니터링 및 분석방법 2.1
모니터링은 강우의 특성에 따라 시간이 달라지므 로 현장에서 직접 측정으로 지속적인 탁도를 측정하 여 시료의 채수 여부를 결정지었다 채수 간격은 유. 출이 시작되는 기점으로부터 분5 , 10 , 15분 분 간격으 로 하여 강우지속시간과 농도에 따라 채수 간격을 결 정 하였다(Sin, 2011; Wee et al, 2008). 수질분석은 항목에 대하여 실시하였고 TSS, BOD, CODmn, TN , 모든 분석은 Standard Methods 20th(APHA, 1998)와 수질오염 공정시험법(MOE, 2008)에 의거하여 항목별 로 분석을 실시하였다.
본 연구에서는 분석항목별로 유출특성을 알아보기 위하여 유량가중평균농도(Event Mean Concentration, 를 산정하였다 는 강우 지속시간 동안 유 EMC) . EMC
출된 총 오염물질의 양을 총 강우 유출량으로 나누어 계산하는 방법이다. EMC 산정방법은 식 (1)에 나타 내었다.
식(1)
여기서, Q(t)는 구간별 유량(m3), C(t)는 구간별 수질 농도(mg/L), T는 총 강우지속시간 이다.
저감효율산정방법 2.2
본 연구에서는 비점오염저감시설의 저감효율을 평 가하기 위해서 대표적인 가지 방법을 이용하여 저감3 효율을 산정하였다 제거효율법. (ER) 방법은 모니터링 통한 강우별 저감효율을 산정한 후 산술평균을 이용 하여 구하는 방법이다(US EPA, 1983). ER 방법은 일 괄적인 산술평균으로 장기적인 모니터링이 필요하다. 부하량합산법(SOL)은 오염물질의 총 저감량을 총 강 우 유입량으로 나누어 산정하는 방법이다(US EPA, 방법은 특정강우에 의해 대표성에 한계를 2002). SOL
가질 수 있다 추세선산정법. (ROL)은 추세선을 이용하 여 유입부하량 과 유출부하량의 추세선을 이용하여 산정하는 방법이다(Martin and Smmot, 1986). ROL 방 법은 강우 등급이 다양하지 않을 경우 광범위한 적용 이 어렵다 식. (2) ~ (4)은 저감효율산정방법을 나타 내었다.
식(2)
식 (3)
×
식(4)
결과 및 고찰 3.
강우사상의 개요 3.1
본 연구의 모니터링은 2012년 9월부터 2013년 10 월까지 총 회의 모니터링이 수행되었으며8 . Table 1에 강우사상을 정리하였다 발생일자. (Event Date), 선행건 기일수(Antecedent Dry Days, ADD), 평균강우강도
총 강우량
(Average Rainfall Intensity), (Total Rainfall),
유출지속시간(Runoff Duration Time)을 나타내었으며, 총 강우량은 2 ~ 98 mm 선행건기일수는 2 ~ 7 day, 강우지속시간은2 ~ 25 hr, 평균강우강도는1.0 ~ 7.5
로 분석되었다
mm/hr .
는 총 회의 모니터링 결과를 강우사상별로 Fig. 2 8
강우량 강우 유입량 및 시간별 강우 유입량을 분석, 한Hydro-graph를 나타낸 것이다.
Event No. Date ADD
(day)
Total Rainfall
(mm)
Runoff Duration Time
(hr)
Avg.
Rainfall Intensity (mm/hr)
Event 1 2012/09/04 5 90.0 25.0 3.6
Event 2 2012/10/17 7 2.0 2.0 1.0
Event 3 2012/10/22 5 31.0 8.0 3.9
Event 4 2012/10/27 5 98.0 13.0 2.9
Event 5 2013/07/21 2 35.0 6.0 5.8
Event 6 2013/08/22 3 30.0 4.0 7.5
Event 7 2013/08/29 5 20.0 7.0 2.9
Event 8 2013/10/07 7 14.0 13.0 1.1
Table 1. Event table for monitored event
(a)Event 1 (b) Event 2
(c) Event 3 (d) Event 4
(e) Event 5 (f) Event 6
(g) Event 7 (h) Event 8
Fig. 2. Hydrograph of 8 events
은 를 나타낸 것으로 분석한 오 Fig. 3 Polluto-graph
염물질 항목들은 강우초기 즉, 1시간 이내에 고농도 의 오염물질이 유출된 후 강우 시간이 지속됨에 따라 감소하는 경향을 보인다 비점오염물질이 유출되는.
지역의 토지이용이 도로가 100%인 포장지역으로 이 루어져 있어 도로 표면에 쌓여있는 입자상 물질 등이 토양의 침투 없이 식생수로로 유입이 되어 이러한 현 상이 나타나는 것으로 판단된다.
(a) Event 1 (b) Event 2
(c) Event 3 (d) Event 4
(e) Event 5 (f) Event 6
(g) Event 7 (h) Event 8
Fig. 3. Polluto-graph of 8 events
유입 및 유출 산정
3.2 EMCs
총 8회의 강우사상에 대한 모니터링 결과를 이용 하여 유입 및 유출 EMC를 산정하였으며, Table 2와
에 정리하였다 유입 의 경우
Table 3 . EMC TSS 27.6 ~ 98.1 mg/L, BOD 1.6 ~ 11.7 mg/L, CODmn 13.6 ~ 의 범위를 보였다 평 31.8 mg/L, TN 2.1 ~ 11.3 mg/L . 균 유입 EMC의 경우TSS 53.0 mg/L, BOD 10.7 mg/L,
로 나타났다 유출 CODmn 15.8 mg/L, TN 6.3 mg/L . EMC는 TSS 13.9 ~ 46.7 mg/L, BOD 0.6 ~ 7.6 mg/L,
CODmn 5.7 ~ 11.3 mg/L, TN 1.7 ~ 13.7 mg/L의 범 위를 보였다 평균 유출. EMC의 경우 TSS 20.6 mg/L, BOD 5.8 mg/L, CODmn 7.1 mg/L, TN 4.9 mg/L로 나 타났다. TN의 경우 농도 차가 다소 높게 나타났으며,
의 경우 유입 와 유출 의 농도의 차가
TSS EMC EMC
로 가장 큰 차이를 보였다 차 강우 7.7 ~ 51.4 mg/L . 2 사상에서 TN의 유입 EMC 보다 유출 EMC의 농도가 더 높게 나타났는데 이는 강우사상 특성에 의해 제거 가 이루어지지 않았다고 판단된다.
Event Date
(year/month/date) pH TSS
(mg/L)
BOD (mg/L)
CODmn (mg/L)
TN (mg/L)
2012/09/04 6.7 33.4 1.6 22.2 11.2
2012/10/17 6.8 79.6 8.9 13.8 2.1
2012/10/22 6.6 27.6 6.0 31.8 5.4
2012/10/27 7.0 61.4 3.6 16.0 5.5
2013/07/21 7.2 98.1 11.7 23.6 7.1
2013/08/22 7.0 84.1 26.6 11.4 11.4
2013/08/29 6.5 2.6 13.7 4.2 4.2
2013/10/07 7.4 37.4 13.6 3.3 3.3
Average 6.9 53.0 10.7 15.8 6.3
Table 2. EMCs of inflow
Event Date
(year/month/date) pH TSS
(mg/L)
BOD (mg/L)
CODmn (mg/L)
TN (mg/L)
2012/09/04 6.6 25.7 1.1 7.8 13.7
2012/10/17 6.6 22.0 6.7 11.3 2.6
2012/10/22 7.2 13.9 4.1 9.2 2.9
2012/10/27 7.2 18.9 1.8 9.1 4.4
2013/07/21 7.0 46.7 7.6 7.6 3.3
2013/08/22 7.1 16.5 5.7 8.3 8.3
2013/08/29 6.6 0.6 8.1 1.9 1.9
2013/10/07 7.3 20.5 11.2 1.7 1.7
Average 7.0 20.6 5.8 7.1 4.9
Table 3. EMCs of outflow
체류시간에 따른 저감효율산정 3.3
본 연구에서는 식생형 비점오염저감시설인 식생수 로의 저감효율 산정을 ER, SOL, ROL 방법으로 총3 가지 방법을 이용하여 나타내었다 또한 저감효율을. 산정 할 때 강우 유출수가 식생수로에서 머무르는, 체류시간을 고려하여 산정하였다. Table 4는 오염물 질 항목별 저감효율과 강우사상별 체류시간을 나타 내었다.
각 항목을 ER 방법으로 저감효율을 산정한 결과 TSS는 73.3%, BOD 71.9%, CODmn 69.7%, TN 68.2%
로 나타났으며, SOL 방법으로 저감효율을 산정한 결 과 TSS 82.4%, BOD 75.4%, CODmn 78.8%, TN 로 나타났으며 방법으로 저감효율을 산정 77.9% , ROL
한 결과 TSS 69.8%, BOD 68.7%, CODmn 55.3%, TN 로 나타났다 방법의 저감효율은 대부분의 66.0% . SOL
항목에서 가장 높은 효율을 보였으며, ER 방법과 방법 순으로 나타났다 이는 저감효율산정 방법
ROL .
마다 중요 시 여기는 요인에 따라 다르게 나타난 것 으로 판단된다 체류시간은. 5 ~ 65분으로 다양하게 나타났다.
Constituents
Methods (%)
Event Date
(year/month/date) Retention Time (min)
ER SOL ROL
TSS 73.3 82.4 69.8
2012/09/04 58
2012/10/17 65
BOD 71.9 75.4 68.7
2012/10/22 62
2012/10/27 59
CODmn 69.7 78.8 55.3
2013/07/21 5
2013/08/22 15
TN 68.2 77.9 66.0
2013/08/29 30
2013/10/07 60
Table 4. Determination of removal efficiencies at 10m point
은 강우사상별 오염물질의 체류시간 Fig. 4 ~ Fig. 6
에 따라 가지 방법으로 산정한 효율을 나타낸 것이3 다. Fig. 4는 ER 방법으로 저감효율을 산정한 결과이 며 대부분의 항목에서 체류시간이 길어질수록 높은, 저감효율을 보였다. TN의 경우 체류시간 분의 저감5 효율에 비해 15분과 30분에서 다소 낮은 저감효율을 보이는 것으로 나타났다 하지만 전체적인 추세를 볼. 때 체류시간이 길어질수록 저감효율도 높게 나타난 것을 알 수 있으며, TSS는 약 5 ~ 30%, BOD는 7 ~
는 은 까지 증가하
35%, COD 5 ~ 30 %, TN 1 ~ 20 %
며 체류시간이 길수록 증가 폭도 크게 나타났다. Fig.
는 방법으로 저감효율을 산정한 결과이며 대
5 SOL ,
부분의 항목에서 추세선의 방향으로 볼 때 체류시간 이 길어질수록 저감효율이 떨어지는 것으로 나타났 다 이는 하나의 강우사상에서 체류시간과 상관없이.
낮은 저감효율을 보여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다 하지만 저감효율의 경우 대부분의 강우사. 상에서 체류시간이 길어질수록 높은 효율을 나타냈으 며, TSS는 약 3 ~ 30%, BOD는 3 ~ 16%, COD는 2 은 까지 증가하며 체류시간이
~ 10 %, TN 1 ~ 20 %
분 이상일 때 가장 큰 폭을 나타냈다 은
60 . Fig. 6
방법으로 저감효율을 산정한 결과이며 대부분
ROL ,
의 항목에서 체류시간이 길어질수록 높은 저감효율을 보였으나 저감효율의 큰 변화는 없는 것으로 나타났, 으며, TSS는 약 5 ~ 10%, BOD는 7 ~ 12%, COD는 은 까지 증가하며 체류시간이 2 ~ 5 %, TN 4 ~ 10 %
길어질수록 저감효율이 증가하지만 다른 저감효율에 비하여 증가폭이 낮게 나타났다 또한. ROL 방법으로 산정한 저감효율이 다른 방법에 비해 다소 낮은 저감 효율 보였다.
Event Date
(year/month/date) Retention Time TSS BOD CODmn TN
2012/09/04 58 60.6 68.7 73.0 68.2
2012/10/17 65 62.3 70.3 74.1 68.8
2012/10/22 62 64.0 72.0 75.2 69.3
2012/10/27 59 85.6 78.7 80.6 85.0
2013/07/21 5 57.4 50.9 55.9 68.4
2013/08/22 15 60.5 54.5 59.0 64.8
2013/08/29 30 63.6 58.2 62.1 61.1
2013/10/07 60 75.5 68.2 71.9 64.6
Table 5. Removal efficiencies according to retention time using ER method
(a) TSS (b) BOD
(c) CODmn (d) TN
Fig. 4. ER method ues retention time of removal efficiencies graph
Event Date
(year/month/date) Retention Time TSS BOD CODmn TN
2012/09/04 58 38.5 70.8 66.0 44.1
2012/10/17 65 59.0 24.3 23.2 23.1
2012/10/22 62 81.0 71.7 77.8 87.1
2012/10/27 59 75.8 81.7 77.4 78.4
2013/07/21 5 60.6 68.7 73.0 68.2
2013/08/22 15 62.3 70.3 74.1 68.8
2013/08/29 30 64.0 72.0 75.2 69.3
2013/10/07 60 85.6 78.7 80.6 85.0
Table 6. Removal efficiencies according to retention time using SOL method
(a) TSS (b) BOD
(c) CODmn (d) TN Fig. 5. SOL method ues retention time of removal efficiencies graph
Event Date
(year/month/date) Retention Time TSS BOD CODmn TN
2012/09/04 58 57.6 35.5 52.6 61.0
2012/10/17 65 60.6 38.0 53.6 64.0
2012/10/22 62 63.5 40.4 54.5 67.0
2012/10/27 59 64.0 42.4 55.5 67.3
2013/07/21 5 57.6 35.5 52.6 61.0
2013/08/22 15 60.6 38.0 53.6 64.0
2013/08/29 30 63.5 40.4 54.5 67.0
2013/10/07 60 64.0 42.4 55.5 67.3
Table 7. Removal efficiencies according to retention time using ROL method
(a) TSS (b) BOD
(c) CODmn (d) TN
Fig. 6. ROL method ues retention time of removal efficiencies graph
결 론 4.
본 연구에서는 강우 시 강우 유출수와 함께 유출 되는 비점오염물질을 저감하는 비점오염저감시설인 식생수로의 현장 모니터링을 결과를 바탕으로 체류시 간과 여러 가지 저감효율산정 방법을 통해 다음과 같 은 결론을 도출 할 수 있었다 본 연구의 대상 유역. 의 평균 유입 및 유출 EMC를 살펴본 결과 TN의 농도 차이가 크게 나타났으며 의 농도차이
EMC , TSS
가 가장 높게 나타났다 이러한 결과는 식생수로 저. 류지의 경우 강우사상에 따라 오염물질이 수로로 유 입되는 영향을 받는 것으로 판단된다 총 회의 모니. 8 터링 결과로 가지 저감효율산정 방법을 통해 산정한3 결과 각 방법에 따라 저감효율이 다르게 나타났는데, 이는 저감효율산정 방법에 따라서 중요 시 여기는 요 인에 영향을 받은 것으로 판단된다 체류시간에 따라. 저감효율을 분석한 결과 ER 방법에서 대부분 체류시 간이 길어질수록 저감효율 또한 높게 나타났다. SOL 방법에서 추세선이 체류시간이 지날수록 효율이 떨어 지는 것으로 보이는데 이는 체류시간이 길지만 효율, 은 낮게 나온 경향을 보이는 강우사상이 존재하기 때 문인 것으로 판단된다 하지만 대부분의 강우사상에. 서 체류시간이 클 때 높은 효율을 보였다. ROL 방법 에서 대부분 체류시간이 높을수록 저감효율 또한 높 게 나타났다 하지만 저감효율의 폭이 크게 나타나지. 않았다 이는. ROL 방법이 저감효율을 산정 할 때 추 세선으로 저감효율을 산정해 이러한 결과를 나타낸 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 식생수로의 체류시간에 따른 저감 효율을 연구한 결과 TSS, BOD, CODmn, TN, 4가지 항목에서 체류시간이 길어질수록 저감효율이 큰 것으 로 나타났다 이러한 결과로 볼 때 식생수로 설계 시. 체류시간 확보를 고려하여 설계하는 것이 바람직하다 고 사료된다 또한 경제적이고 효율적인 설계를 위해. 선 추후 적정한 체류시간에 대한 연구가 필요하다고 판단된다.
사 사
이 연구는 서울과학기술대학교 교내 학술연구비 지원으로 수행되었습니다.
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논문접수일: 2014년04월15일
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심사의뢰일: 2014년04월21일
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심사완료일: 2014년06월01일
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