04 기저유출로 인한 지류 지천 오염부하 특성
임 경 재
강원대학교 지역건설공학과 교수 [email protected]
1. 머리말
최근 들어 기후변화로 인해 많은 사회․경제․환경적 문제가 발생하고 있 다. 특히 해수면 상승으로 인한 생태계 문제, 이상기온으로 인한 홍수, 가 뭄 문제, 태풍과 같은 극한 강우사상과 같은 문제가 발생하고 있다. 2016 년 여름 폭염으로 인해 많은 사람들이 기후변화로 인한 즉각적인 영향을 받은 한 해라 할 수 있다. 특히 통계 작성이래 열대야가 8월 한 달 동안 16.7일 이상 발생한 매우 더운 여름이었다. 이로 인해 농촌 지역의 농업 용수 뿐만 아니라 식수도 부족한 일이 발생하였고 살인적인 더위로 인해 예측 못했던 다양한 형태의 재난이 우리 사회 깊숙이 영향을 미치게 되었 다. 강원도 춘천에 위치한 소양강댐의 경우 2015년 6월 17일 수위가 152.4m로(저수위 150m) 심각한 가뭄으로 발전용수 확보에도 어려움을 겪기도 하였다. 이로 인해 4대강 본류에서의 수량 및 수질 문제로 많은 국 민의 관심이 집중되었다.
그동안 국가에서는 하천의 수질을 유지하기 위해 배출총량을 관리하기 위한 많은 노력을 기울여 왔으며 수질오염총량제 도입을 통해 오염물질 배출 총량을 할당하여 관리하고 있다. 그러나 이러한 수질오염총량제를 통해 주로 본류 관리 (점오염 관리 위주)를 하고 있다. 많은 연구자와 환 경단체에서는 본류의 수질관리를 위해서는 지류를 관리해야 한다고 주장 하고 있으며 지류(소유역)중심의 오염물질을 관리하는 선진형 유역관리 체계 구축이 필요하다고 주장하고 있다. 이러한 이유로 인해 지류 총량제 도입에 대한 필요성이 제기되고 있다.
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그림 1. 지류별 오염원 및 부하량특성 분석 – 지류총량제 도입의 필요성
그림 2. 오염부하 지속곡선 예시 – 계절별, 월별 오염부하 특성, 90퍼센타일
2. 지류오염총량제 도입의 필요성 및 특성
아래 그림 1을 보면 각 소유역별 오염원 특성에 따라 기준 부하량 이상으로 오염부하가 발생하는 것을 알 수 있는데, 유역내 유황에 따라 오염부하 특성이 다르다는 것을 알 수 있다. 특히 점오염원 문제가 되는 곳은 주로 저유량때 할당부하 이상 으로 오염원이 유입되는 것을 알 수 있으며, 논과 밭이 많은 유역에서의 비점오염은 풍수기나 평수 기 때 발생하는 것을 알 수 있다. 즉 이러한 특성 을 고려한 오염원 평가 기법을 통해 유황별 오염 부하 및 최적관리 기법을 제안할 수 있을 것이다.
이러한 평가 기법이 유량지속곡선/오염부하지속
곡선방법이며, 유역에서 측정한 유량 및 수질 자 료만으로 유황별 오염부하 특성을 평가할 수 있 는 장점이 있기에 미국 EPA에서도 이러한 Load Duration Curve (LDC) 분석을 통해 지류의 수 질관리를 하고 있다. 그림 2는 이러한 LDC 분석 예시 자료이다.
우리나라 환경부는 이러한 지류총량제 확대를 위해 지류총량 정보 시스템(그림 3)을 개발하였 다. 전국 주요 지점에 대해 유황별 오염부하 특성 을 분석할 수 있도록 Desktop 버전과 Web 버전 을 개발하였으며, 다양한 유역에 대해 이 LDC시 스템의 적용성을 평가하고 있다. 이러한 지류총 량정보 시스템 개발을 통해 지류 중심의 유황 특
그림 3. 지류총량 정보 시스템 - 국내 주요 유량/수질 지점 DB 구축
그림 4. 하천 유입 유량의 구성 – 직접유출 + 기저유출 + 하수처 리장 방류수
그림 5. 수문곡선 분석:직접유출/기저유출/하수처리장 방류수 구분
성 및 문제가 되는 수질 항목별 오염물질을 관리 하고 있으며, 보다 효율적인 오염원 관리를 통해 건강한 하천 환경을 유지 및 회복하기 위한 노력 및 계획을 수립하고 있다. 지류총량제가 본류중 심의 수질오염총량제와 다른 점은 대상 물질이 BOD, TP가 아닌 지류에서 문제가 되는 수질 항 목에 대한 관리를 하는 것이며, 특정 유황(10년평 균 저/갈수기)에 대한 분석이 아닌 유황 전반에 걸친 오염부하 특성을 평가하는 것이다. 이를 위 해 LDC 기법을 선정하여 국민 모두 쉽게 이해할 수 있고 참여할 수 있는 오염부하 관리 방안을 계 획하고 있다.
3. 직접유출과 기저유출 분리
유역에서 하천으로 유입되는 유량은 강우-유 출에 의한 직접유출과 침투를 통해 하천으로 기 저유출 이 두 가지로 구성되어 있으며 도시 유역 의 경우 하수처리장 방류수가 건기때 상당량을 차지하는 경우도 있다(그림 4). 유역에서의 직접 유출을 통해 하천으로 유입되는 비점오염원에 대 한 연구는 많이 수행되어 왔으며, 환경부 원단위
와 토지이용별 EMC 연구결과도 주로 직접유출에 의한 오염부하량 산정에 활용될 수 있다. 또한 하 수처리장 방류수에 관한 자료는 상대적으로 잘 구 축되어 있기 때문에 유역내 정확한 오염부하 산정 을 위해서는 기저유출을 통해 하천으로 유입되는 오염부하 특성에 관한 연구(그림 5)가 필요하다.
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그림 6. 미국 USGS PART의 기저유출 분리 방법 (선행 감수 조건 예시)
그림 7. 전국 4대강 수계 기저유출 분석 결과 – 기저유출이 적지 않음을 알 수 있음
현재 하천 수문곡선에서 직접유출과 기저유출 을 분리하기 위한 다양한 연구가 진행되어 오고 있으며, 수문곡선을 이용하여 기저유출을 분리하 기 위한 다양한 연구가 진행되어 오고 있다. 수문 학 교재에 설명되어 있는 다양한 형태의 기저유 출 분리 프로그램을 장기 유역 수문곡선에 적용 하여 기저유출을 분리하는데 여러 가지 어려움이 있다. 이러한 이유로 USGS에서는 HYSEP, PART, PULSE, RORA 등 다양한 형태의 프로그램을 개 발하여 제공하고 있으며, 미국 USGS에서 측정하 고 있는 일유량 자료와의 연계가 가능한 형태로 개발하고 있다(Rutledge et al, 1998). 최근에 는 이러한 다양한 형태의 분리 방법을 하나의 인 터페이스에서 이용가능하게 만든 시스템도 개발 하여 제공하고 있다. 그림 6은 USGS PART의 감수곡선 분리 방법을 예시로 보여주는 그림이
다. 그림에서처럼 이러한 선행감수조건 및 감수 비율은 매우 주관적인 지표이므로 객관적인 직접 유출/기저유출 분리가 어려운 실정이다.
그동안 다양한 형태의 직접유출/기저유출 분 리 프로그램이 개발되었고, Web GIS 인터페이 스가 개발되어 현재 유역내 직접유출과 기저유출 을 평가가 가능하다. 그러나 위에 설명한 바와 같 이 이러한 기저유출 분리에 있어서 유역 특성을 반영한 분리방법 부재로 인해 정확한 기저유출량 을 평가하기에는 어려움이 있다. 하나의 유역에 서 같은 기간 동안 측정한 유량 자료를 이용하여 기저유출을 분리하더라도 사용되는 방법에 따라 직접유출과 기저유출 분리 비율에는 큰 차이가 발생할 수 있다. 최근에는 국내 91개 WAMIS 지 점에서 측정한 유량자료(2009년-2014년)를 이 용하여 Web-based Hydrograph Analysis Tool (WHAT)으로 기저유출을 분리한 결과, 기저유출 기여도(유역 출구에서 측정한 수문곡선 이용하여 산정)가 50% 이상 되는 것으로 분석되었다. 그러 나 분석방법의 불확실성을 고려하면 50% 이상이 아니더라도 기저유출이 하천의 상당량을 차지한 다는 것을 알 수 있었다(한정호 등 2016).
4. 직접유출과 기저유출에 의한 오염부 유입
위에 분석된 결과를 살펴보면 상당량의 기저유 출로 인해 하천 유량이 구성된다는 것을 알 수 있 다. 따라서 이러한 기저유출을 통해 하천으로 유 입(그림 8) 되는 오염부하에 대한 정량적인 분석 없이는 원하는 정도의 수질개선을 기대할 수 없 을 것이다. 신용철(2006)은 춘천에 위치한 월곡 리 소유역에서 측정한 강우-유출 및 무강우시 유 량 및 수질 자료 측정 및 기저유출분리/오염부하 산정을 통해 건기시 기저유출로 인해 하천으로
그림 8. 유역 모니터링을 통한 기저유출 오염부하 산정
그림 9. 수변림 조성에 따른 지표유출 및 기표하유출/기저유출 수 질 개선 효과
유입되는 오염부하량을 산정(그림 8)하였다. 이 연구에서 사용된 오염부하 산정방법은 국내 4대 강 물환경연구소 및 대학/회사에서 널리 사용되 는 Numeric Integration (NI) 방법이며, 미국 USGS에서 개발한 ESTIMATOR/LOADEST 이 다. 이 3가지 오염부하 산정 및 모형으로 산정한 기저유출 오염부하량은 각각 68%, 54%, 85% 이 다. 직접유출과 기저유출 분리 방법과 오염부하 산정 방법의 불확실성을 고려하더라도 기저유출 로 인해 하천으로 유입되는 오염부하는 적지 않 을 것으로 판단된다. 즉 하천에서의 수질 관리를 위해서는 기저유출을 통해 하천으로 유입되는 부 하량을 고려해야 한다. 최근 들어 양구 해안면에 서의 오염부하 평가 연구결과(Arif, 2016)를 살 펴보면 기저유출을 통해 유입되는 부하량이 70%
정도 되는 것으로 분석되었는데, 이는 유역의 지 형/토질 특성 및 집약적 농업, 그리고 농경지 비 율 때문이기도 한다. 그러나 이 연구결과를 통해 유역별로 기저유출형태로 유입되는 오염부하 특
성에 관한 정량적 연구가 필요하다는 것을 알 수 있다.
이러한 기저유출을 통해 하천으로 유입되는 오 염원을 줄이기 위해 다양한 형태의 최적관리 기 법에 관한 연구가 수행되어 왔다. 이중에서 하천 변에 다양한 형태의 수변림을 조성해 수질을 개 선하기 위한 노력이 미국을 비롯한 다양한 국가 에서 시도되고 있다. 최근 들어 국내의 연구진은 SWAT 모형과 REMM 모형을 연계한 SWAT-REMM 모형(류지철 등, 2010) 을 국내에 적용할 수 있도 록 모형 GIS 인터페이스와 엔진을 수정하여 국내 적용성을 향상시켰으며 이를 연구 유역에 적용하 여 다양한 시나리오 분석을 통해 수변림의 기저 유출 수질 개선효과를 분석하였다. 분석결과 수 변림(나무 / 초지 폭)의 지표유출 저감효과에는 큰 차이가 없었으나, 뿌리깊은 나무를 식재하였 을 경우 수변림을 통해 상당부분 수질 개선효과 를 기대할 수 있었다(그림 9). 이러한 연구 결과 는 향후 기저유출을 통해 하천으로 유입되는 수 질개선효과 평가에 활용될 수 있을 것이라 판단 된다.
5. 결 론
그동안 유역 수질 및 오염부하 관리에 있어서
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많은 주목을 받지 못하던 기저유출에 의한 오염 부하를 왜 고려해야 하는지에 대해 검토하였으 며, 기저유출 분리 및 기저오염부하 분석을 통해 적지 않은 양이 기저유출을 통해 하천으로 유입 되고 이와 함께 오염부하가 유입된다는 것을 알 수 있었다. 또한 매우 제한적으로 연구되어 오던 기저유출 최적관리 기법 도입에 다른 수질 개선 효과 연구 결과를 소개하였다. 따라서 이러한 연 구결과에서 보이는 바와 같이 향후 지류/지천의 수질 개선을 위해서는 기저유출 부하 관리가 필 요할 것으로 판단된다.
참고문헌
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Automated web gis based hydrograph analysis tool, WHAT1.
