1. 서 론
1)수질오염 저감을 위한 유기물질의 처리를 위해 생물학적 처리에 중점을 둔 하·폐수 처리시설의 증가에 따라 BOD로 대표되는 생분해성 유기물질은 꾸준히 감소하였으나, COD 농도의 경우 뚜렷한 감소를 보이지 않고 있다(Kim et al.,
†To whom correspondence should be addressed.
Department of Civil Engineering, Seoul National University of Science and Technology
E-mail: [email protected]
2007). 이는 비점오염원의 증가에 따른 원인으로 보이며, 비점오염원 증가에 따라 난분해성 물질이 증가하고 있다.
유기물질 중 특히 난분해성 물질의 증가는 상수원으로 사 용되는 하천의 경우 조류 증식 등을 유발하고 여과공정에 영향을 미쳐 상수처리의 효율을 떨어뜨리는 등의 문제를 야 기시킬 수 있다(Hur et al., 2006). 기존 BOD, COD로 대 표되는 유기물질의 경우 각 유기물질 별 상관관계, 유출특 성 등 많은 조사가 이뤄졌으나, 난분해성 물질에 대한 조사 는 상대적으로 적어 난분해성 물질 증가의 원인 규명 및 저 감 대책 수립을 위한 많은 조사가 필요하다.
비강우시 한강수계 하천의 연간 난분해성 물질 유출특성
허상회･임지열･길경익
†서울과학기술대학교 건설시스템공학과
Runoff Characteristics of Refractory Organic Matters from Han River Basin during Dry Days
Sanghoi Heo･Jiyeol Im･Kyungik Gil
†Department of Civil Engineering, Seoul National University of Science and Technology
(Received : 01 August 2017, Revised: 21 August 2017, Accepted: 21 August 2017)요 약
2,600만 수도권 시민들의 식수원인 한강수계의 경우 수질관리를 위해 비점오염원에 대한 관리가 중요하며 특히 비점 오염원이 주요 원인인 유기물질 및 난분해성 물질에 대한 조사가 필요하다. 이번 연구에서는 한강 수계의 주요 3개 하 천(남한강, 북한강, 경안천)의 연간 비강우시 난분해성 유기물질을 포함한 유기물질의 유출특성을 연구하였다. 연구결 과 유기물질 및 난분해성 물질의 경우 용존성 물질의 비율이 높았으며 전체 부하량중 여름철에 대부분의 부하량이 가 장 많았다. 각 하천별 유기물질 및 난분해성 물질의 연간 부하량의 경우 유역면적에 비례하여 남한강, 북한강, 경안천 순서로 나타났다. 각 유역 면적 당 부하량 산정결과 TOC의 경우 경안천, 남한강, 북한강 순서로 나타났으며, R-TOC 의 경우 비교적 일정한 유출특성을 보였다.
핵심용어 : 유기물질, 총 유기탄소, 난분해성 물질
Abstract
As a drinking water source of 26 millions people of Seoul metropolitan region, Han river is one of the most important basin.
Managing the Non-point source pollution which is regarded as the main cause of water pollution including refractory organic matter is important thing. This research investigates the runoff characteristics of organic matters from main 3 rivers (South Han, North Han, Kyungan). Water quality measurement items include not only carbon-based TOC (Total Organic Carbon), DOC (Dissolved Organic Carbon), POC (Particulate Organic Carbon) but also R-TOC (Refractory Total Organic Carbon), R-DOC (Refractory Dissolved Organic Carbon), R-POC (Refractory Particulate Organic Carbon) is researched.
The research shows that R-TOC takes approximately 61∼83% of TOC. Most of the R-TOC is consist of R-DOC (72∼
77%). Refractory organic matter have a stable runoff characteristics compared to other organic matter. The organic matter concentrations of South Han river and Kyungan river are the highest in spring time and show a gradual decline. The concentrations of Kyunan river is the highest. Kyungan river’s small area and the high city land use ratio seem to be the reason. Loading of organic matter in summer time takes the most loading (62∼84%). TOC loadings per unit area of each river is Kyungan river (1.22 ton/km2), South Han river (1.01 ton/km2), North Han river (0.91 ton/km2).
Key words : DOC, POC, TOC, R-DOC, R-POC, R-TOC
이번 연구에서는 수도권 주민들의 식수원으로 사용되는 한강수계 주요 하천들 중 팔당호로 유입되는 남한강, 북한 강, 경안천의 비강우시 유기물질(DOC, POC, TOC) 및 난 분해성 물질(R-DOC, R-POC, R-TOC)을 조사하였다.
강우시 강우유출수로 인한 유출 유량의 증가로 인해 유기물 배출이 비강우시 보다 많아 그 기여율이 높겠으나, 넓은 유 역면적으로 인해 비강우시 팔당호로 유입되는 유출량도 상 당할 것으로 판단하여, 비강우시에 대해서 월별 1 ~ 2회의 주기적인 모니터링을 실시하여 각 수질 항목별 연간 변화 를 비교하였다. 각 항목별 계절별 유출 특성을 비교하였으 며, 각 하천별 유역 특성에 따른 유출을 비교 분석하였다.
2. 연구방법
비강우시 한강수계 주요 하천의 연간 난분해성 물질의 유 출특성 분석을 위해 남한강, 북한강, 경안천 3개 하천을 대 표할 수 있는 지점으로 채수지점을 선정하여 남한강은 이 포대교 하부, 북한강은 청평댐 유출부, 경안천은 서하교 하 부에서 각각 모니터링을 실시하였다. 연간 유출특성 분석을 위해 2009년 1월에서 12월까지 1년 동안 월 1 ~ 2회 주기 로 시료를 채취하였다. 난분해성 물질의 분석을 위해 고온
연소산화법을 이용하여 유기물질 중 DOC, POC, TOC 항 목에 대한 값을 측정하였다. 용존성 유기탄소인 DOC 측정 을 위해 500℃에서 태운 GF/F 섬유여지(Whatman, PA)에 시료를 여과 후 유기탄소분석기(Shimadza V-series, TOC- CPH)를 이용하여 측정하였다. 입자성 유기탄소인 POC의 경우 GF/F 섬유여지(Whatman, PA)에 시료를 여과시켜 남은 물질을 105℃에서 10분간 건조 후 원소분석기(Flash EA1112)를 이용하여 측정하였다. 총 유기탄소인 TOC의 경 우 DOC, POC의 값을 더하여 산정하였다. 난분해성 물질 은 20℃에서 28일 암실배양 후 남아있는 유기탄소의 양을 측정하여 각 종류별((R-DOC, R-POC, R-TOC)값을 산정 하였다(Servais et al., 1999). 비강우시 유량 산정을 위해 한 강홍수통제소의 수문자료를 수평직선 분리법을 이용하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 비강우시 남한강의 유기물질 및 난분해성 물질의 유출 특성
남한강의 유기물질 및 난분해성 물질의 항목별, 월별 평 균농도를 Table 1에 도표로 정리하여 Fig. 1과 같이 그래프 로 나타내었다. TOC의 경우 2.14 ~ 4.81 mg/L의 범위를
Table 1. Analysis of yealy organic matter concentration during dry days (South Han river)
River Month DOC
(mg/L)
POC (mg/L)
TOC (mg/L)
R-DOC (mg/L)
R-POC (mg/L)
R-TOC (mg/L)
R-DOC/
DOC
R-POC/
POC
R-TOC/
TOC
South Han river
1 1.87 0.79 2.66 1.41 0.64 2.05 0.75 0.81 0.77
2 1.40 1.46 2.86 1.03 0.75 1.78 0.74 0.51 0.62
3 2.28 2.54 4.81 1.51 0.34 1.85 0.66 0.13 0.38
4 1.88 1.37 3.24 1.46 0.59 2.05 0.78 0.43 0.63
5 2.05 1.02 3.07 1.61 0.48 2.09 0.78 0.47 0.68
6 2.00 1.29 3.29 1.63 0.68 2.31 0.82 0.53 0.70
7 1.83 0.61 2.43 1.79 0.60 2.39 0.98 0.98 0.98
8 1.88 1.14 3.02 1.49 0.39 1.88 0.79 0.34 0.62
9 1.83 0.81 2.65 1.30 0.41 1.71 0.71 0.51 0.65
10 1.41 0.73 2.14 1.39 0.53 1.91 0.98 0.72 0.89
11 2.76 0.75 3.51 1.83 0.74 2.57 0.66 0.99 0.73
12 2.06 0.64 2.7 1.56 0.56 2.12 0.76 0.88 0.79
Fig. 1. Tendency of organic matter concentration in dry season (South Han river).
나타냈다. 계절적 변화를 보면 평균적으로 봄철(3 ~ 5월)에 가장 높은 값을 보였으며 이는 여름철 이후 동절기를 거치 며 축적된 유기물질로 인한 것으로 판단된다. 봄철 이후 농 도가 점차 감소하는 경향을 보였다. DOC의 경우 1.40 ~ 2.76 mg/L의 값을 나타냈다. POC의 경우 평균 0.61 ~ 2.54 mg/L의 값을 나타냈다. TOC중 DOC가 차지하는 비율이 평균 65%정도로 나타나 입자성 유기물질 보다 용존성 유 기물의 함량이 높은 것으로 조사되었다. 난분해성 물질들을 살펴보면 R-TOC의 경우 1.71 ~ 2.57 mg/L의 값을 나타냈 으며 TOC의 약 70%가 난분해성 유기물질인 것으로 나타 났다. R-DOC와 R-POC의 경우 각각 1.03 ~ 1.83 mg/L, 0.34 ~ 0.75 mg/L의 값을 나타냈다. TOC와 마찬가지로 평균 73%정도가 용존성 물질로 나타났으며 난분해성 유기 물질의 경우 계절에 따른 변동 폭이 적었다.
3.2 비강우시 북한강의 유기물질 및 난분해성 물질의 유출 특성
북한강의 유기물질 및 난분해성 물질의 항목별, 월별 평균 농도를 Table 2에 도표로 정리하여 Fig. 2와 같이 그래프로 나 타내었다. 북한강 유역의 TOC의 경우 1.84 ~ 3.02 mg/L의 값을 나타내어 전체적으로 남한강과 비교하여 낮은 농도를
나타냈다. 계절적 변화를 보면 여름철(6 ~ 8월)에 가장 높은 값을 보였으며 겨울철을 제외한 나머지 기간에는 계절별 변 화가 적은 것으로 나타났다. DOC값은 1.12 ~ 2.38 mg/L의 값을 나타냈다. 남한강과 마찬가지로 TOC중 DOC의 비율이 평균 66% 정도로 높게 나타났다. 난분해성 물질인 R-TOC 의 경우 1.69 ~ 2.65 mg/L의 값을 나타냈다. TOC중 약 83%
가 난분해성 유기물질인 R-TOC인 것으로 나타났으며 R- TOC중 평균 72% 정도가 R-DOC로 나타나 용존성 난분 해성 유기물의 함량이 높은 것으로 조사되었다.
3.3 비강우시 경안천의 유기물질 및 난분해성 물질의 유출 특성
경안천의 월별 농도 변화를 정리하여 Table 3 및 Fig. 3 와 같이 나타내었다. TOC의 경우 2.96 ~ 6.38 mg/L의 값 을 나타냈으며 계절별로 보면 봄철(3 ~ 5월)에 가장 높은 값을 보였다. TOC중 평균 68%가 DOC로 구성된 것으로 나타났다. R-TOC의 경우 TOC와는 다르게 겨울철(12월
~ 2월) 농도가 가장 높은 값을 나타냈다. TOC중 R-TOC 의 비율이 평균 61%로 나타나 다른 하천들에 비해 그 비 율이 상대적으로 낮았다. R-TOC중 평균 77%가 R-DOC 로 나타나 TOC와 마찬가지로 용존성 물질의 비율이 높은
Fig. 2. Tendency of organic matter concentration in dry season (North Han river).
Table 2. Analysis of yealy organic matter concentration during dry days (North Han river)
River Month DOC
(mg/L)
POC (mg/L)
TOC (mg/L)
R-DOC (mg/L)
R-POC (mg/L)
R-TOC (mg/L)
R-DOC/
DOC
R-POC/
POC
R-TOC/
TOC
North Han river
1 1.47 0.88 2.35 1.31 0.44 1.75 0.89 0.50 0.74
2 1.12 1.03 2.15 1.12 0.57 1.69 0.99 0.55 0.79
3 1.64 1.10 2.74 1.35 0.39 1.74 0.82 0.35 0.63
4 1.55 0.76 2.31 1.42 0.41 1.83 0.92 0.54 0.79
5 1.65 0.97 2.62 1.36 0.61 1.96 0.82 0.62 0.75
6 1.65 0.67 2.32 1.54 0.39 1.93 0.94 0.58 0.83
7 1.58 0.73 2.31 1.41 0.64 2.05 0.90 0.88 0.89
8 1.7 1.5 3.2 1.7 0.95 2.65 0.99 0.63 0.83
9 1.57 0.66 2.23 1.57 0.66 2.23 0.99 0.99 0.99
10 1.34 0.51 1.84 1.33 0.51 1.84 0.99 0.99 0.99
11 2.38 0.64 3.02 1.65 0.64 2.29 0.69 0.99 0.76
12 1.78 0.6 2.38 1.6 0.6 2.2 0.90 0.99 0.92
것으로 조사되었다. 난분해성 물질의 경우 계절에 따른 변 화가 일반 유기물질과 비교하여 계절에 따른 변화가 적고 비교적 일정한 유출특성을 나타냈다.
3.4 각 하천별 비강우시 연간 유출특성 비교
연간 각 하천별 비강우시 유출 농도의 변화를 Fig. 4에 나타냈다. 각 하천의 계절별 농도를 비교하였을 때 여름철 인 7 ~ 8월을 제외하고 경안천, 남한강, 북한강의 순으로 나 타났다. 가장 높은 값을 나타낸 경안천의 경우 상대적으로
작은 유역 면적과 작은 유역 면적에 비교하여 토지이용 중 도시 비율이 높은 것에 기인한 것으로 판단되며, 유역면적 이 상대적으로 넓은 남한강, 북한강의 경우 토지 이용 중 농 경지 비율이 비교적 높은 남한강이 산림지역 비율이 높은 북한강보다 높은 농도를 나타낸 것으로 보인다. 경안천의 경우 높게 유지되던 농도가 유독 7 ~ 8월 여름철의 경우 평 균농도가 급격하게 감소하는 경향이 보이는데 이는 유역면 적이 작아 타 지역에 비해 강우량 대비 유출되는 비율이 높 은 것에 기인하는 것으로 판단된다.
Table 3. Analysis of yealy organic matter concentration during dry days (Kyungan river)
River Month DOC
(mg/L)
POC (mg/L)
TOC (mg/L)
R-DOC (mg/L)
R-POC (mg/L)
R-TOC (mg/L)
R-DOC/
DOC
R-POC/
POC
R-TOC/
TOC
Kyungan river
1 3.50 1.09 4.59 2.33 0.64 2.97 0.67 0.59 0.65
2 3.57 2.08 5.65 2.92 0.91 3.83 0.82 0.44 0.68
3 3.77 1.55 5.32 2.14 0.455 2.60 0.57 0.29 0.49
4 3.80 2.20 5.99 2.44 0.76 3.19 0.64 0.34 0.53
5 3.41 2.68 6.09 2.15 0.65 2.80 0.63 0.24 0.46
6 2.90 3.48 6.38 2.32 0.95 3.27 0.80 0.27 0.51
7 2.05 0.91 2.96 1.83 0.25 2.07 0.89 0.27 0.70
8 2.09 0.93 3.02 1.70 0.40 2.09 0.81 0.42 0.69
9 3.76 2.18 5.94 2.01 0.96 2.97 0.53 0.44 0.50
10 2.41 0.91 3.32 1.78 0.56 2.34 0.74 0.62 0.70
11 3.34 0.75 4.08 2.15 0.64 2.79 0.64 0.85 0.68
12 3.52 0.83 4.35 2.33 0.83 3.16 0.66 0.99 0.73
(a) TOC (b) R-TOC
Fig. 4. Comparison of organic matter concentration in dry season.
Fig. 3. Tendency of organic matter concentration in dry season (Kyungan river).
3.5 각 하천별 비강우시 연간 부하량 유출특성 비교
각 하천별 연간 부하량의 변화를 Fig. 5에 나타냈다. 남한 강의 연간 유입 부하량은 여름철에 약 48%의 비율로 가장 높은 값을 나타냈다. TOC의 경우 연간 전체 부하량 12,711 톤 중 난분해성 물질로 인한 부하량이 9,313톤으로 73%의 높은 비율을 나타냈다. 북한강의 경우 마찬가지로 여름철인 7월에 가장 높은 값을 보였으며 연간 TOC 전체 부하량 9,845톤 중 난분해성 물질로 인한 부하량이 8,280톤으로 84%의 비율을 나타냈다. 경안천의 경우도 계절 중 여름철 에 가장 많은 부하량을 나타냈으며 연간 TOC 전체 부하량 679톤 중 난분해성 물질로 인한 부하량이 424톤으로 62%의 비율을 나타냈다. 이는 계절별 평균유량에 기인하여 여름 철에 가장 많은 부하량을 나타낸 것으로 판단된다.
3.6 각 하천별 비강우시 연간 부하량 및 단위면적 당 부하량 비교
Table 4의 각 하천별 단위 면적과 산정한 비강우시 연간 부하량을 이용하여 단위면적 당 부하량을 산정하여 Fig. 6에
나타냈다. 단위면적 당 TOC 부하량의 경우 경안천(1.22 ton/
km2), 남한강(1.01 ton/km2), 북한강(0.91 ton/km2) 순으로 나타났으며, 난분해성 물질인 R-TOC의 경우 각 하천별 단 위면적 당 부하량의 변동이 0.74 ~ 0.76 ton/km2로 적게 나 타나 일반 유기물질에 비해 비교적 일정한 유출특성을 가지 는 것으로 판단할 수 있다.
4. 결 론
본 연구는 한강수계 주요 하천들 중 팔당호로 유입되는 남 한강, 북한강, 경안천의 전통적인 BOD, COD가 아닌 TOC 기준의 유기물 및 난분해성 계절별 유출 특성을 비교 분석 하여 아래와 같은 결론을 도출하였다.
1) 비강우시 각 하천별 유기물질 농도의 계절별 유출특 성을 조사한 결과 남한강과 경안천은 봄철에 가장 높은 농 도를 나타낸 이후 점차 감소하는 경향을 나타냈다. 이는 여 름철 이후 동절기를 거치며 축적된 유기물질로 인한 것으 로 판단되며 이와 다르게 북한강은 계절에 따른 변화가 뚜 렷하게 나타나지 않았다. 각 하천별 차이는 있었으나 TOC 중 난분해성 유기물질인 R-TOC가 61 ~ 83% 비율을 나타 냈으며 용존성 유기물질인 DOC, R-DOC의 비율이 높게 나타났다. 각 하천의 연간 계절별 농도 변화를 비교한 결과 7 ~ 8월을 제외하고 경안천, 남한강, 북한강의 순으로 높게 나타났다. 이는 경안천의 경우 작은 유역 면적과 토지이용 중 상대적으로 높은 도시 비율에 기인한 것으로 판단되며 유역면적이 작아 타 지역에 비해 강우량 대비 유출되는 비 율이 높아 여름철에 평균농도가 급격하게 감소하는 것으로 보인다. 남한강, 북한강의 경우 농경지 비율이 상대적으로 높은 남한강이 산림지역 비율이 높은 북한강에 비해 높은 농도를 나타낸 것으로 판단된다.
2) 연간 비강우시 한강수계 주요 하천별 유기물질 부하량 을 조사한 결과 TOC, R-TOC 모두 남한강, 북한강, 경안 천의 순서를 보였다. 계절별 평균유량에 기인하여 여름철에 가장 많은 부하량을 나타내었으며, 이는 수계 내 각 하천별 난분해성 물질 등 유기물질 관리에 있어 고려되어야 할 것 으로 보인다.
(a) TOC (b) R-TOC
Fig. 5. Comparison of organic matter loading in dry season.
Table 4. Drainage area
River Drainage area (km2) South Han river 12,577.0
North Han river 10834.8
Kyungan river 558.2
Fig. 6. Mass loadings per unit area.
3) 각 하천별 단위면적 당 부하량 산정결과 TOC는 경안 천(1.22 ton/km2), 남한강(1.01 ton/km2), 북한강(0.91 ton/
km2) 순으로 나타났으며, R-TOC는 TOC와 달리 각 하천 별 단위면적 당 부하량이 0.74 ~ 0.76 ton/km2의 범위를 나 타내어 난분해성 물질의 경우 비교적 일정한 유출특성을 나 타냈으며 향후 유역면적 외에 세부 토지이용 등을 고려하여 추가적인 조사가 필요하다. 또한 향후 유출량이 많은 강우 시에 대한 연구가 수행될 필요가 있다.
사 사
이 연구는 서울과학기술대학교 교내 일반과제 연구비 지원 으로 수행되었습니다.
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