유역-호소 통합수질예측 기법을 이용한 물왕저수지 수질개선효과 분석
A Study on Mulwang Reservoir Water Quality Improvement Effect Using Watershed-Reservoir Integrated Prediction
오희상*･ 이한필*,**,†
Oh, Heesang ･ Rhee, Han-Pil
Abstract
Since living environment has improved, waterfront space using and clear water demand have increased. Ministry of Environment (ME) designated polluted reservoir (worse than 4th grade) as a priority management reservoir to improve water quality (better than 3rd grade) accordingly. Minstry of Agriculture, Food and Rural Affairs (MAFRA) aims reservoir water quality 4th not 3rd grade. And water quality of agricultural reservoirs was not a great interest. For this reason, there are very few water quality monitoring data. However after designating as a priority management reservoir, reservoir manager should start water quality and flow monitoring of reservoirs and inflow streams. This process makes it possible setting complex model to accurate prediction of reservoir water quality and volume. Mulwang reservoir designated as a priority management reservoir in September 2014. In this study, BASINS/WinHSPF and EFDC-WASP were used to predict effect of water quality improvement countermeasures in Mulwang reservoir. To improve water quality of Mulwang reservoir, Siheung-si and Korea Rural Community Corporation (KRCC) established water quality improvement countermeasures. However result of simulation adapting these countermeasures cannot achieve 3rd grade. So 4 additional scenarios were adapted and the result satisfied 3rd grade. This study could help to establish water quality improvement countermeasure by using complex modeling.
Keywords:BASINS/WinHSPF; EFDC-WASP; Priority Management Reservoir; Mulwang Reservoir; Reservoir management; Watershed Management
* ETWATERS Inc.
** Konkuk University
† Corresponding author
Tel.: +82-2-455-3931 Fax: +82-2-455-3931 E-mail: [email protected]
Received: January 19, 2017 Revised: March 23, 2017 Accepted: April 3, 2017
Ⅰ. 서 론
최근 들어 생활수준의 향상으로 인하여 하천 및 하천 주변 에서 이루어지는 여가 활동에 대한 관심이 증가되고 있으며, 이에 따른 수질관리가 중요한 문제로 대두되고 있다 (Son et al., 2008). 또한 국내 저수지의 기존 농업용수 공급기능을 넘 어서 지역주민의 친수여가활동에 기반이 될 수 있는 공간으 로써의 역할과 기능에 대한 필요성이 증가하고 있으며, 이에 따른 사회적 인식이 변화하고 있는 것이 현실이다. 또한 산업 의 발달과 도시화, 인구증가 등으로 오염물질의 발생량이 증 가함에 따른 수질오염의 확산으로 인해 도시 인근 하천 및 호 소의 오염이 우려되며, 오염된 저수지의 수질개선 및 수생태 계 복원을 통해 친수공간 제공 등 국민 물복지 향상에 대한 주 민요구가 증대되고 있다.
현재 농업용 호소의 수질은 환경정책기본법 시행령 제2조에
의한 호소의 생활환경기준 중 “약간나쁨”등급 (IV등급) 이내 로 관리함을 원칙으로 하고 있으며, 농림축산식품부장관은 “약 간나쁨”등급을 초과하는 농업용 호소를 중점관리시설로 지 정하여 관리하도록 할 수 있다 (Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs, 2016). 이에 따라 한국농어촌공사에서는 농업용 호소의 관리계획을 수립하고 사업을 시행하고 있다.
한편 환경부는 저수지의 수질오염으로 인한 주민들의 민원 해소와 수질 및 수생태계 복원, 관광･레저 기능 등의 역할제 고를 위하여, 총저수용량이 1천만 m3 이상이고 수질오염 정 도가 기준을 초과하는 기존 농업용 저수지를 수질 및 수생태 계 보전에 관한 법률, 시행규칙 및 시행령 등 관계 법령에 따라 중점관리저수지를 지정하고 수질을 관리하고 있다. 수질 및 수생태계 보전에 관한 법률 제31조의2에 의한 중점관리저수 지의 지정 및 수질개선을 위한 업무처리지침 제4조 (Ministry of Environment, 2015)에서는 관광레저형 호소는 “약간좋 음” (II등급), 수변휴양형 호소는 “보통”등급 (III등급) 이상을 달성목표로 제시하고 있어 현재 농림축산식품부에서 시행하 고 있는 농업용 호소 수질개선대책 및 사업으로는 중점관리 저수지의 수질을 만족하기 어려운 실정이다.
현재까지 모형을 이용하여 농업용저수지의 수질개선대 책 수립을 수행한 연구는 미흡한 실정이며, 저수지의 수질변 화 예측에 국한되어 있는 경우가 대부분이다. 국내 호소의
Table 1 Status of water quality of the Mulwang reservoir COD
(mg/L)
T-N (mg/L)
T-P (mg/L)
SS (mg/L)
Chl-a (mg/m3)
2012 8.3 2.48 0.086 24.8 29.0
2013 9.5 3.42 0.124 24.9 42.5
2014 9.7 2.59 0.109 27.7 49.8
2015 10.6 1.64 0.096 20.3 67.6
Average 9.53 2.53 0.104 24.4 47.2
IV Grade in reservoir 8.0≤ 1.0≤ 0.1≤ 15≤ 35≤
https://rawris.ekr.or.kr
Fig. 1 Category of Priority Control Reservoir 수질모의에 적용된 모형은 WASP (Water Quality Analysis
Simulation Program), EFDC-WASP (Environmental Fluid Dynamics Code-Water Quality Analysis Simulation Program) 등이 있으며, 탐진호 (WASP5, Kwak, 2001), 보령호 (WASP5, Lee, 2002), 수옥정저수지 (WASP6, Lee et al., 2006), 화곡 저수지 (WASP7, Lee et al., 2008), 영주호 (HSPF 및 EFDC- WASP, Park et al., 2010), 왕송저수지 (WASP7.3, Song et al., 2011) 등의 수질변화 예측에 이용되었다. WASP의 경우 DYNHYD (The Dynamic Estuary Model Hydrodynamics Program)를 이용하여 유동해석이 가능하나 1차원 모형이므로 수심방향으로 상이한 수질특성을 호소의 유동모의에 적용하는 데에는 한계가 있으며, 유역 내 오염원 변화 반영이 취약하다.
한편 국내 많은 농업용 저수지와 그 유역은 그 목적과 특성 상 수질관리의 필요성이 상대적으로 낮게 인식되어 왔고 기 초자료의 부족으로 복잡도가 높은 정밀한 모형을 적용하는데 어려움이 있었다. 최근 중점관리저수지 관리가 요구되면서 모니터링 자료가 축적되고 있어 이전보다 정밀한 모형의 구 축과 이에 따른 수질예측이 가능해지고 있다. 이에 따라 중점 관리저수지 관리를 위해 더 정밀하고 면밀한 계획수립 가능 성이 높아지고 있으며, 계획수립을 위해 더 정밀한 수질예측 기법의 적용 및 평가가 요구되고 있다.
본 연구에서는 중점관리저수지로 최초 지정된 기흥, 물 왕, 왕송저수지 중 물왕저수지를 대상으로 농업용 저수지의 친수활동을 위한 수질개선 가능성을 예측하고자 BASINS/
WinHSPF와 EFDC-WASP을 연계 구축하여 유역관리를 통 한 유입부하량 변화와 호소관리를 통한 수질개선효과를 보다 정밀하게 예측하고 그 방법론을 제시하고자 한다.
Ⅱ. 연구방법 1. 대상지역
본 연구의 대상 저수지는 경기도 시흥시 목감동에 위치한
물왕 (흥부)저수지로 1944년 준공되었으며, 유역면적 1,320 ha, 만수면적 60 ha, 총 저수량 1,873 천톤이다 (Korea Rural Community Corporation, 2005). 2006년부터 2015년까지 10 년간 연평균 강수량은 1,371 mm이며, 이로부터 단순계산으 로 산출한 체류시간은 약 94일이다. 유입하천으로는 양달천, 방화천, 산현천이 있다. 잘 알려진 낚시 및 여가장소로서 연중 많은 주민들이 이용하고 있다. 이에 따라 저수지 주변의 식당 및 낚시터로부터 오염물질이 유입되고 있으며, 유역 내 도시 화 및 개발 사업에 의한 오염원이 지속적으로 증가하고, 인구 증가에 따른 점 및 비점오염원 유입의 증가로 수질이 저하되 어 이로 인해 호소 수환경이 악화되고 있는 실정이다. 또한 저 수율 감소로 인해 수위가 낮아지는 시기에는 바람에 의한 퇴 적물의 재부유와 녹조발생 등 부영양화에 의한 수질오염에 취약한 구조를 가지고 있으며, 유역의 많은 부분이 불투수층 으로 이루어져 있어 초기 강우유출수의 농도가 높고 저수지 로의 유달시간이 짧아 하천의 자정능력이 미약하여 저수지 내로 오염물질 유입량이 많은 특징을 갖고 있다.
환경부 (2013)는 중점관리 대상저수지를 4개 그룹으로 분 류한 바 있는데 (Fig. 1), 그 중 물왕저수지는 I 그룹에 포함되 며, I 그룹 저수지들은 유효수심 5 m 미만이고, Chl-a 농도가
(a) Subbasins (b) DEM (c) Landuse Fig. 2 Delineation and Landuse Analysis
Table 2 Landuse of the Mulwang reservoir basin
Landuse (km2)
Built-up Land Agricultural Land Forest Pasture Wetland Barren Land Water
Area (m2) 1,427,592 1,605,872 7,489,119 733,380 41,869 1,719,323 488,920
Share (%) 10.57 11.89 55.45 5.43 0.31 12.73 3.62
35 mg/m3를 초과하는 저수지로서 유역에서 오염물질이 많이 유입되고, 수심이 낮아 내부생산 등에 의한 상승작용으로 오 염이 심각하다. 물왕저수지는 연평균 수질이 호소 생활환경 기준의 “약간나쁨” 등급에 해당하는 IV등급 (농업용수 수질 기준 : COD 8.0 mg/L, T-N 1.00 mg/L, T-P 0.10 mg/L)을 매 년 상회하는 등 (Table 1) 우수농산물관리 (GAP)와 쾌적한 생활환경에 지장이 우려됨에 따라 2014년 10월에 중점관리 저수지로 지정되었다. 물왕저수지는 수질개선 및 호수공원 화를 목표로 중점관리저수지 지정 신청을 하였는데, 이러한 수변휴양형 조건을 만족하기 위해서는 목표수질을 호소의 생활환경기준 중 “보통”등급 이상으로 설정하는 것이 필요 하다.
2. BASINS/WinHSPF 구축
수질예측 및 수질개선대책 수립을 위하여 국내외에서 다 양한 종류의 유역수질모형이 적용되고 있으며, 그 중 HSPF 는 공간적으로 산재된 오염원 분포 및 토지이용특성을 고려 할 수 있는 장점이 있다.
물왕저수지 유역은 다른 수계로 또는 다른 수계로부터 물 의 유역변경이 없으며, 유역 내에서 발생한 우수유출량은 전 량 물왕저수지로 유입되는 것으로 분석되었으며, 도상분석 을 통해 유역 내 도시 및 농업지역 개발에 기인하여 산재된 오 염원 분포, 주요유입하천 및 모니터링 지점을 고려하여 15개 소유역으로 세분화하였다 (Fig. 2).
환경부에서 제공하는 2014년 토지피복도를 이용하여 HSPF
토지이용도로 변환하였으며 (Table 2), Built-up Land의 투수 층-불투수층 비율은 50:50으로 설정하였고 그 외 토지피복은 투수층 100%로 설정하였다.
수원기상대 시간별 관측자료 (강수량, 기온, 이슬점온도, 일사량, 풍속, 전운량 등)를 이용하였으며, 유역 내 대규모로 유입되는 환경기초시설은 위치하지 않는 것으로 파악되었다. 또한 유역으로부터 수질오염총량관리 대상물질의 배출 및 유 달과정을 재현할 수 있도록 국립환경과학원 (2014, 2015)이 제시한 유달 RCHRES 기법을 적용하였다.
3. EFDC-WASP 구축
하천호소수질모의에는 수체모형이 사용되는데, 특히 WASP 모형은 수체에 대한 동적 분할 모형으로서 시간에 따른 변동 을 고려할 수 있어 연중변화는 물론 짧은 시간 간격의 수질 변 화를 분석하는데 이용되고 있다 (Kwon et al., 2003; Oh et al., 1995; US EPA, 2005).
EFDC 구축을 위해 수치지도를 기초로 모형의 수평격자를 256개 Grid로 분할하였으며, 수심방향으로는 3개 층으로서, 물왕저수지 모형은 총 768개 격자로 구성하였다 (Fig. 3).
HSPF의 유량 모의결과는 EFDC의 입력 자료로 활용되어, 동적 유역-호소 통합 수리모의가 가능하며, EFDC 수리모의 와 연동하여 수질을 함께 모의할 수 있도록 WASP을 구축하 였다. EFDC 각 격자로부터 모의된 수치는 WASP 해당 격자 의 수리특성으로서 반영되고, WASP은 각 격자 내 수질만을 모의한다. WASP 수질 모의를 위한 기상자료는 HSPF와 마
(a) Horizontal Segments (b) Input Depth-Channel floor Fig. 3 Segments of EFDC
Table 3 Dissolution rate of T-P and T-N Reservoir area = 60 ha Average Depth = 3.65 m Dissolution rate (mg/m2/d)
Aerobic Anaerobic
T-P 0.365 0.617
T-N 21.006 13.808
찬가지로 수원기상대 자료를 이용하였으며, 수질 입력자료 는 유역모형 HSPF 모의결과로부터 입력하였다.
또한 저니층에서 발생되는 영양염 용출율은 흥부지구 농업 용수 수질개선사업 세부설계 용역 (Korea Rural Community Corporation, 2015)에서 수행된 용출실험 결과를 활용하였으 며, 물왕저수지 평균수심이 3.65 m임을 고려할 때 저수지 중 앙의 혐기성 상태 용출율을 적용하는 것이 타당할 것으로 판 단되어 모형구축 시 적용하였다 (Table 3).
4. 시나리오 설정
물왕저수지의 장래 수질을 예측하기 위하여 시나리오를 설 정하였으며, 시나리오별로 장래 소유역 배출부하량 변화를 적용하여 모의한 유역수질예측 결과를 호소수질모형에 적용 하였다. 수원기상대 자료의 분석결과 2006~2010년 연평균 강수량은 1,408.5 mm로 일정수준을 유지하는 것으로 나타났 고, 2011년 연강수량 1,975.9 mm, 2012년 연강수량 1,748.3 mm로 평년강수량을 상회하였다. 2013년 연강수량은 1,240.1 mm, 2014년 연강수량은 1,029.1 mm로 감소하였으며, 2015 년 연강수량은 751.1mm로 평년강수량의 절반수준으로 나타 났다. 수질예측 수행시 모형 모의 결과의 신뢰도를 확보하기 위해서는 신뢰도 높은 기초자료의 합리적인 적용이 요구된
다. 이에 따라 2013년이 평년강수량에 가장 근접하였으므로 2013년도를 기준년도로 설정하였으며, 모든 시나리오의 수 문조건은 2013년 기준과 동일하게 적용하였다.
환경부 전국오염원조사자료 및 통계연보 등 기초자료의 신뢰성을 확보할 수 있도록 물왕저수지 유역이 위치한 시흥 시 목감동에 대한 장래 오염원을 예측한 후, 유역내 소유역별 오염원그룹별 점유율 및 면적점유율을 토대로 소유역별 장래 오염원을 추정하고 모형에 적용하였다. 각 오염원 그룹별로 2012년 이후부터 2020년까지의 장래 오염원을 예측하기 위 한 통계 방법으로 등차급수법, 등비급수법, 최소자승법, 지수 곡선식, 로지스틱 곡선식 등 5가지의 방법의 활용하여 비교･
분석을 수행하였다. 이러한 방법을 통해 각 오염원 그룹별 장 래 예측을 수행하여 비교･분석한 결과 예측 값이 음수가 나오 지 않고 감소 추세에서도 오류를 나타내지 않는 등비급수법 과 로지스틱 곡선식의 결과가 안정적이며 비교적 타당한 결 과를 나타내는 것으로 분석되었고, 본 연구에서는 등비급수 법을 채택하여 장래 오염원에 대한 예측을 수행하였다. 물왕 저수지 유역 내에 매립계 및 환경기초시설은 존재하지 않으 며, 생활계, 축산계, 산업계, 토지계, 양식계 오염원에 대해 조 사하였으며, 생활계오염원은 읍면동별로 과거 인구추세에 근거하여 수학적인 추계방법과 지역의 대규모 공동주택 인허 가 자료, 그리고 도시계획, 상수도계획, 하수도정비계획 자료 등을 반영하여 장래인구를 추정하였고 장래 인구의 배출원별 구성은 하수도정비기본계획 보고서와 지역계획 자료를 참고 하여 처리구역의 확대를 고려하여 하수처리구역 인구를 추정 하여 예측하였다. 또한 토지계 오염원의 예측은 개발사업을 반영할 수 있도록 2008년부터 2012년까지의 오염원조사자 료를 바탕으로 수학적 전망 방법을 사용하여 2020년까지 지 목별 자연증감을 예측하였으며, 기준년도와 비교하였을 때 와 큰 변화가 나타나지 않는 것으로 분석되었다.
Table 4 Water Quality Improvement Measures of Mulwang Reservoir Basin
Project Operator Water Quality Improvement Measures Scale End of year
1 Watershed Management (Local Government)
Sewer Maintenance Sewer Maintenance (8.1 km), Exsisting
Sewer Modify (1.2 km) 2016
2 Wonmokgam Wastewater
Collection Facility
Storm Overflow Diverging Tank 1 site,
Drain Conduit 400 m 2016
3 Reservoir Management (KRCC)
Constructed Wetland 1 Sites (33,675 m2) 2020
4 Sedimentation Basin 4 Sites (Total 25,894 m2) 2020
Fig. 4 Calibration and Validation Points 현재까지 시흥시와 한국농어촌공사에서 계획하고 있는 물
왕저수지 유역의 수질개선 방안은 크게 유입수질 개선을 위한 방안 (호외대책)과 저수지 수질개선을 위한 방안 (호내대책) 으로 구분된다. 시흥시에서 계획하고 있는 수질개선 방안은 하수관거정비 사업 및 원목감오수차집시설이 있으며, 한국농 어촌공사에서 계획하고 있는 수질개선방안은 인공습지와 침 강지 설치가 있다 (Table 4). EFDC-WASP에 적용한 하수관 거정비사업에 의한 수질개선효과는 유역 내 미처리구역 인구 비율과 동일하게 생활계 배출부하량이 감소한다고 가정하여 장래부하량을 입력하였다. 또한 농업용저수지 수질개선사업 조사･설계편람 (Korea Rural Community Corporation, 2009) 에 제시된 효율을 시나리오별 수질정화시설 설계용량에 맞춰 삭감비율을 적용하였다.
시나리오 1은 보검증이 완료된 2013년 호소수질모형 모의 결과이며, 시나리오 2는 수질개선방안의 적용없이 장래 오염 부하량 전망만을 반영한 2020년 모의 결과이다. 또한 시나리 오 3은 시흥시와 한국농어촌공사 등에서 현재까지 시행되었 거나 수립되어 있는 수질개선방안들을 물왕저수지 유역에 모 두 적용하였을 경우의 2020년 모의 결과이다.
5. 모형의 보정 및 검증
현재, 시흥시에서 2016년부터 1번 소유역 (RCH1) 말단에 서 수질 모니터링을 수행 (유량 제외)하고 있으며, 경기보건 환경연구원은 물왕저수지 호내 (RCH15)에서 2015년부터 모 니터링을 수행하고 있다. 유역모형의 신뢰성을 확보하기 위 해서는 가능한 다량의 유입지천 모니터링 자료로부터 보정 및 검증이 요구되나, 시흥시의 모니터링 지역 외 환경부 수질 측정망, 국토부 수위측정망 등이 위치하지 않아 유역의 모니 터링 자료의 확보에 어려움이 있었다. 또한 추가적인 측정자 료를 확보하고자 5번 소유역 (RCH5: 방화천), 6번 소유역 (RCH6: 양달천), 7번 소유역 (RCH7: 물왕저수지 유입교), 13 번 소유역 (RCH13: 산현천), 15번 소유역 (RCH15: 물왕저수 지)에서 수질 및 유량을 모니터링 함으로써, 이를 반영하여 추 가적인 보정 및 검증에 활용하였다 (Fig. 4).
현재까지 유역으로부터 지속적으로 모니터링 된 유량자료 가 존재하지 않기 때문에 물왕저수지의 수위측정 자료로부터 환산된 저수지 유입량 자료를 한국농어촌공사로부터 제공받 아 전체유역 유량 (15번 소유역 말단) 보검증 자료로 활용하였 다. 또한 2016년 7월부터 2016년 10월까지 5회 모니터링 된 자료 (2개 지점 : 7, 13번 소유역 말단)를 활용하여 HSPF의 유 량 검증에 활용하였다. RCH15의 보정 기간은 2012~2013년, 검증기간은 2014~2015년으로 선정하였고, RCH7과 RCH13 은 모니터링이 수행된 2016년에 대해 추가적으로 검증을 수 행하였다. 수질 보정은 시흥시에서 2016년 3월부터 10월까지 1번 소유역 (RCH1) 말단에서 월1회씩 총8회 지속적으로 모 니터링된 수질자료와 본 연구를 통해 2016년 7월부터 2016 년 10월까지 5회 모니터링 된 자료 (4개 지점 : 5, 6, 7, 13번 소 유역 말단)를 활용하였다. 실측자료 보유기간인 2016년에 수 행하였으며, 적용된 매개변수를 주변 소유역의 특성에 따라 동일하게 적용하였다. 2013~2016년 동안 호소 상류지점에 서 수행된 시흥시 모니터링 자료를 활용하여 RCH15 지점에
Table 6 Range of Model Efficiency
Very Good Good Fair Poor
% difference Water flow < 10 10 ∼ 15 15 ∼ 25 -
Nutrients < 15 15 ∼ 25 25 ∼ 35 -
R2 0.90 ∼ 0.80 0.80 ∼ 0.70 0.70 ∼ 0.60 0.60 ∼ 0.50
NSE 1.00 ∼ 0.75 0.75 ∼ 0.65 0.65 ∼ 0.50 0.50 ∼
Table 7 Flow Calibration and Validation
RCH7 RCH13 RCH15
Validation Validation Calibration R2 NSE Validation R2 NSE
%diff 9.26 (-) 4.75 7.09 0.79 0.81 (-) 6.50 0.78 0.77
Grade Very Good Very Good Very Good Good Very Good Very Good Good Very Good
Table 5 Monitoring Data Information Monitoring
Period
Monitoring
Frequency RCHRES Implementer Flow 16.07 ∼ 16.10 1/month 7, 13 Researcher
2012 ∼ 2015 - 15 RAWRIS
Water Quality
16.03 ∼ 16.10 1/month 1 Siheung-si 16.07 ∼ 16.10 1/month 5, 6, 7, 13 Researcher 서 그 경향을 비교하는데 활용하였다. 다만, RCH15 모의결 과는 호소 유입 후의 수질이므로 월별 수질변화에 대한 경향 을 분석･확인하는데에만 이용하였다 (Table 5).
모형효율은 %difference와 R2, NSE를 이용하되, 이에 대 해 US EPA (2000)가 제시한 모형효율의 범위와 신뢰구간에 따라 평가하였다.
× (1)
×
×
(2)
(3)
여기서, %diff: 모형효율 (%), Oi: i일의 실측값, Pi: i일의 모의값, : 실측값의 평균
모형효율의 범위는 과거 10년 이상 모형의 적용사례와 연 구 자료를 바탕으로 Donigian (2000)과 D. N. Moriasi 등 (2007)이 제시한 조건을 참고하였다 (Table 6).
Ⅲ. 결과 및 고찰 1. HSPF 보정 및 검증
유량 보검증 결과는 Table 7에 제시하였다. 유입량 자료는 수위로부터 환산한 자료이기 때문에 오차를 보유하는 것을 감안할 때, 유역모형의 전반적인 유량 예측치는 실측치를 잘 반영하는 것으로 판단된다 (Fig. 5).
수질 보정은 시흥시에서 2016년 3월부터 10월까지 1번 소 유역 (RCH1) 말단에서 월1회씩 총8회 지속적으로 모니터링 된 수질자료와 본 연구를 통해 2016년 7월부터 2016년 10월 까지 5회 모니터링 된 자료 (4개 지점 : 5, 6, 7, 13번 소유역 말 단)를 활용하였다. 실측자료 보유기간인 2016년에 수행하였 으며, 적용된 매개변수를 주변 소유역의 특성에 따라 동일하 게 적용하였다. 또한 2013~2016년 동안 호소 상류지점에서 수행된 시흥시 모니터링 자료를 활용하여 RCH15 지점에서 그 경향을 비교하는데 활용하였다. 다만, RCH15 모의결과는 호소 유입 후의 수질이므로 월별 수질변화에 대한 경향을 분 석･확인하는데에만 이용하였다.
한편, HSPF의 BOD는 CBOD로서 모의되는데, 유역 보･
검증에 사용되는 실측자료가 BOD5라는 점에서 유역모형의 CBOD가 BOD5를 직접적으로 대변한다하기에는 무리가 있 다. 다만, HSPF의 하천구간에 해당하는 RCHRES에 도달하 기까지, 즉 토지로부터 하천으로 배출되기까지는 PQUAL에 서 표면유출과 중간유출, 기저유출 기작의 영향이 주요한데, PQUAL 모듈은 기본적으로 수질항목의 특성보다는 사용자
(a) Calibration of Flow (RCH15) (b) Validation of Flow (RCH15)
(c) Validation of Flow (RCH7) (d) Validation of Flow (RCH13) Fig. 5 Calibration and Vaildation of Flow at Mulwang reservoir
(a) Calibration of BOD (RCH1) (b) Calibration of BOD (RCH5)
(c) Calibration of BOD (RCH6) (d) Calibration of BOD (RCH7)
(e) Calibration of BOD (RCH13) (f) Validation of BOD (RCH15) Fig. 6 Calibration and Vaildation of BOD at Mulwang reservoir
가 지정하는 항목에 대해 임의의 ‘물질’로서 입력된 매개변수 에 따라 모의하게 된다. 따라서 토지기반의 모의에 있어서는 CBOD 혹은 BOD5로서의 차이보다는 입력 자료와 보･검증 과정에서 예측의 신뢰성 확보를 위해 적용되는 매개변수가 더욱 큰 영향을 미칠 수 있다. 이러한 모의특성을 감안할 때, 1) 자연현상에서 CBOD와 BOD5의 경향성이 일정수준 이상
일치해야 한다는 점, 2) 점오염 입력자료 등이 BOD5를 기준 으로 입력되었다는 점, 3) 비점오염 유출 및 하천구간에서의 보･검증이 실측자료인 BOD5를 토대로 이루어졌으므로, 매 개변수의 조정에서 이미 환산과정이 포함될 수 있다는 점 등 으로부터 본 연구에서 모의 결과로서의 CBOD와 실측 BOD5
를 동일한 관점으로 가정하여 모의가 이루어졌다.
(a) Calibration of T-N (RCH1) (b) Calibration of T-N (RCH5)
(c) Calibration of T-N (RCH6) (d) Calibration of T-N (RCH7)
(e) Calibration of T-N (RCH13) (f) Validation of T-N (RCH15) Fig. 7 Calibration and Vaildation of T-N at Mulwang reservoir
(a) Calibration of T-P (RCH1) (b) Calibration of T-P (RCH5)
(c) Calibration of T-P (RCH6) (d) Calibration of T-P (RCH7)
(e) Calibration of T-P (RCH13) (f) Validation of T-P (RCH15) Fig. 8 Calibration and Vaildation of T-P at Mulwang reservoir
모의 결과 비교적 현실을 반영하고 있는 것으로 판단되나 검증 시 활용한 실측자료가 하천에서 모니터링한 자료가 아 니기 때문에 일정부분 오차를 포함할 수 있는 것으로 판단된 다 (Fig. 6~8).
2. WASP 보정 및 검증
유역모형의 유량결과를 EFDC 입력자료로 활용하여 물왕 저수지의 수리수문변화를 예측하고 EFDC 유량예측 결과와 유역모형의 수질결과를 바탕으로 WASP7에 적합한 입력자
(a) DO (b) COD
(c) T-N (d) T-P
(e) Chl-a
Fig. 9 Calibration and Validation of WASP
Table 9 Calibration and validation of WASP
%Difference Grade
Calibration (2012∼2013)
COD (-)21.924 Good
T-N 8.492 Very Good
T-P (-)1.751 Very Good
Chl-a 4.588 Very Good
DO (-)11.293 Very Good
Validation (2014∼2015)
COD 20.628 Good
T-N (-)13.152 Very Good
T-P (-)12.922 Very Good
Chl-a 6.060 Very Good
DO (-)9.927 Very Good
Table 8 Conversion factor
COD/BOD TOC/COD
MEAN STDEV. MEAN STDEV.
Conversion factor 1.74 1.15 0.84 0.23 료를 구성하였다. 농촌용수종합정보시스템의 모니터링 자료 를 바탕으로 COD, T-N, T-P, Chl-a, DO 항목에 대한 보검증 을 수행하였다.
WASP7에서 유기물 산소소모량은 BOD농도로 모의되고 있으나, 호소에 대한 수질기준은 COD 농도를 적용하고 있어 농촌용수종합정보시스템의 모니터링 자료 (2011~2015년)를 바탕으로 물왕저수지의 COD와 BOD의 비율을 도출하여 모 형을 통해 계산된 BOD농도를 COD 농도로 환산하여 산정하 였다. 또한 유기탄소는 경기보건환경연구원의 모니터링 자료 (2015.03~2016.10)를 바탕으로 물왕저수지의 TOC와 COD 의 비율을 도출하여 모형을 통해 계산된 결과를 TOC 농도로 환산하여 산정하였다 (Table 8).
호소수질모형의 보정기간은 2012년~2013년으로, 검증기 간은 2014~2015년으로 선정하였고, 모형효율은 HSPF와 마 찬가지로 %difference를 이용하여 평가하였다 (Fig. 9).
호소수질모형의 재현성 검토 결과 모든 수질항목에서 Very Good 또는 Good으로 평가되어, 모의값과 실측값이 유사한 변화경향을 나타냈다 (Table 9).
3. 장래수질예측 및 평가 가. 장래수질예측
보검증된 모형 결과를 토대로 장래 수질예측 및 평가를 수
(a) COD (b) TOC
(c) T-N (d) T-P
Fig. 10 Predicted Water Quality by Applying Scenarios
Table 10 Predicted Water Quality
Predicted Water Quality (mg/L)
COD TOC T-N T-P
Scenario 1 10.56
(8.85∼12.61)
8.85 (7.41∼10.57)
2.49 (2.15∼2.77)
0.110 (0.100∼0.123)
Scenario 2 11.52
(9.67∼13.78)
9.66 (8.10∼11.54)
2.55 (2.19∼2.84)
0.113 (0.103∼0.127)
Scenario 3 7.92
(6.60∼9.43)
6.63 (5.53∼7.90)
1.59 (1.33∼1.85)
0.067 (0.062∼0.077) 행하였다. 물왕저수지의 문제점으로 지적되고 있는 조류의
원인물질인 부영양화를 억제하는 것이 주요 목적이기 때문에 물왕저수지 목표수질은 COD와 T-P를 목표 항목으로, TOC 와 T-N을 보조 항목으로 설정하였다.
호소수질모형 분석결과 2013년 기준의 수질 (시나리오 1) 은 수질개선방안 미적용시 (시나리오 2) 2020년 예측결과 다 소 악화되는 것으로 나타났으며, 현재까지 계획된 수질개선 방안을 적용할 경우 (시나리오 3) 연평균 수질은 현재 수질보 다 개선되는 것으로 예측되었으나, 목표항목은 모두 호소의 생활환경기준 “약간나쁨”등급 (IV등급: 농업용수)을 만족하 는 수준으로 나타났다 (Table 10). 기존의 수질개선 방안만으 로는 목표수질 “보통”등급 (III등급) 달성은 어려울 것으로 예 측되므로, “보통”등급 이상의 수질을 달성하기 위해서는 현 재 계획된 방안 외 추가적인 방안이 요구되는 것으로 판단된 다 (Fig. 10).
나. 추가 수질개선대책
농업용저수지 수질개선사업 조사･설계편람 (Korea Rural Community Corporation, 2009) 및 농촌지역 비점오염관리 가이드북 (Korea Rural Community Corporation, 2007)에 제 시된 효율을 바탕으로 호소의 생활환경기준 “보통”등급을 달 성하기 위한 추가 시나리오를 설정하였다 (Table 11).
시나리오 4는 하수도 정비대책, 축산농가 관리 등을 적용 하였으며, 각각 생활계 (RCH 1, 2, 5) 및 축산계 (RCH 7, 11) 배출부하량이 높은 비율을 차지하고 있는 소유역을 대상으로 적용하였다. 시나리오 적용 결과 물왕저수지 유역내 배출부 하 삭감량은 BOD 9.99 kg/day, T-N 8.65 kg/day, T-P 0.881 kg/day로 산정되었으나, “보통”등급 달성은 불가하였다. 시 나리오 5는 시나리오 4에 인공습지 (RCH 13)를 추가하였으 며, 시나리오 6은 시나리오 5에 침강지 (RCH 13)를 추가하고, 침강지 (RCH 7, 13)에 인공식물섬을 적용하였다. 시나리오 5 와 6 역시 “보통”등급 달성은 불가하였다. 시나리오 7은 시나
Table 11 Additional Scenarios
Explanation Note
Existing Measures
Scenario 1 Predicted Water Quality (2013)
Scenario 2 Predicted Water Quality (2020) No Measures
Scenario 3 Existing Water Quality Improvement Measure (2020) Siheung-si, KRCC
Additional Measures
Scenario 4 Scenario 2+Watershed Measure Sewer Maintenance, Stock Farm Management Scenario 5 Scenario 3+Constructed Wetland
Scenario 6 Scenario 4+Sedimentation Basin+Artificial Floating Island
Scenario 7 Scenario 5+Dredge
Table 12 Predicted Water Quality by Additional Scenarios
Predicted Water Quality (mg/L)
COD TOC T-N T-P
Grade III Reservoir Water Quality Standard 5.00 5.00 0.60 0.050
Scenario 1 2013 10.56 8.85 2.49 0.110
Scenario 2 2020 No Measures 11.52 9.66 2.55 0.113
Scenario 3 2020 Existing Measures 7.92 6.63 1.59 0.067
Scenario 4 2020 Watershed Measure 7.73 6.48 1.52 0.064
Scenario 5 2020 Constructed Wetland 7.32 6.13 1.42 0.059
Scenario 6 2020 Sedimentation Basin, Artificial Floating Island 4.86 4.07 1.22 0.051
Scenario 7 2020 Dredge 4.86 4.07 0.87 0.035
리오 6에 퇴적물을 준설하였을 경우를 설정하였는데, 이때 연 평균 수질은 “보통”등급을 달성하였다 (Table 12).
Ⅳ. 결 론
본 연구는 중점관리저수지로 최초 지정된 물왕, 왕송, 기흥 저수지 중 물왕저수지의 친수활동을 위한 수질개선 가능성을 예측하고자 BASINS/ WinHSPF와 EFDC-WASP을 연계 구 축하여, 유역을 함께 고려한 동적모의를 통해 점･비점오염원 및 내부생산에 대한 수질개선 시나리오를 적용하였다.
HSPF 모의결과 유량, BOD, T-N, T-P 모두 Very Good~
Good으로 평가되어 비교적 현실을 반영하고 있는 것으로 나 타났으나, 보검증시 활용한 실측자료의 한계로 인하여 일정 부분 오차를 포함할 수 있는 것으로 판단된다. WASP 모의결 과 DO, COD, T-N, T-P, Chl-a 모두 Very Good~Good으로 평 가되어 모의값과 실측값이 유사한 변화경향을 나타냈으며, 이 를 통해 예측한 장래수질의 신뢰도는 높을 것으로 판단된다.
현재 시흥시와 한국농어촌공사에서 수립한 물왕저수지 수 질개선대책으로는 농업용 저수지 수질기준인 호소의 생활환 경기준 “약간나쁨”등급을 만족시킬 수 있으나, 수변휴양형 저수지 수질기준인 “보통”등급을 만족시킬 수 없는 것으로
모의되었다. 따라서
“보통”등급을 만족시킬 수 있도록 수질개선 시나리오를 적용하여 모의하였다. 시나리오 적용결과 시흥시와 한국농 어촌공사에서 수립한 수질개선대책 외 하수관거정비, 축산 농가관리, 인공습지, 침강지, 인공식물섬, 준설 등의 수질개 선방안 적용 시 “보통”등급을 만족시킬 수 있는 것으로 나타 났다.
그러나 모형의 보검증 수행시 사용된 모니터링 자료에 한 계가 있고, 호소의 생활환경기준 “보통”등급 달성만을 우선 시하여 소요예산은 반영되지 않는 등의 한계가 있다. 시나리 오에 적용된 수질개선방안은 소요비용이 큰 방안들이므로 지 속적인 모니터링과 시나리오의 보완으로 수질예측의 신뢰도 및 비용대비 효율성을 높일 필요가 있으며, 이러한 일련의 과 정을 통해 향후 다양한 농업용 저수지 및 중점관리저수지의 수질개선방안 수립 시 참고자료로서 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
사 사
본 연구는 시흥녹색환경지원센터의 2016년도 연구개발사 업비 지원 (과제번호#16-10-01-02-13)에 의해 수행되었습니다.
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