팔당호 상류수계에 위치한 환경기초시설의 인 기여도 분석
우영국ᆞ박은영*ᆞ전양근**ᆞ양희정***ᆞ임재명†
강원대학교 토목공학과
*강원대학교 환경공학과
**환경시설관리공사
***한강물환경연구소
Analysis of the Phosphorus Contribution Rate by the Environment Fundamental Facilities Located in Upstream Basin of Paldang Lake
Younggug Woo⋅Eunyoung Park*⋅Yangkun Jeon**⋅Heejeong Yang***⋅Jaymyung Rim†
Department of Civil Engineering, kangwon National University
*Department of Environmental Engineering, kangwon National University
**Research and Development Center, Environmental Facility Management Co. Ltd.
***Han River Environmental Research Center, Institute of Environmental Research (Received 15 September 2010, Revised 5 October 2010, Accepted 6 October 2010)
Abstract
The phosphorus contribution rate on water quality of North and South-Han River, and Gyungan-cheon by effluents from environmental fundamental facilities located in upstream basin of Paldang Lake were analyzed. QUALKO2 model was selected for the analysis of contrubution rate, and was constructed considering the location of the main point sources and all facilities in study area. The pollutant loading rates and arrival rates for each unit-watershed in study area were calculated for model operation. For the calibration and verification of model, 2006 water quality dataset from Ministry of Environment and the effluent loadings of the environmental fundamental facilities were used. Reliability Index (RI) method was used to estimate the validity of the results of calibration and verification. The phosphorous contribution rate(%) for each environmental fundamental facility were analyzed by excepting the effluent loading of the facility. The contribution rate was analyzed for each facility, facility groups separated by each main river and each unit-watershed. The main results of analysis for each facility are as follows; (i) the phosphorous contribution of B1 facility is 50%, which is the highest phosphorous contribution rate among those of nine facilities in the North-Han River Basin; (ii) the highest phosphorous contribution is 55.6% from J facility among eight facilities in the Gyungan Stream Basin; (iii) 40% from E treatment facility is the highest among those of twenty eight facilities in the South-Han River Basin.
keywords : Environmental Fundamental Facilities, Improvement of Water quality, Phos phorous contribution rate, Water quality modeling
1. 서 론
1)팔당호는 수도권 지역 약 2,300만 주민의 상수원으로서 중요한 역할을 담당하고 있으나 인근지역 및 상류수계로부 터 유하되는 생활하수, 축산폐수, 분뇨 및 산업폐수 등에 포함된 영양염류는 호소의 수질을 악화시키고 부영양화를 유발시키는 주요 요인이 되고 있다. 팔당호의 수질을 개선 하기 위해 그동안 많은 연구(김범철 등, 2007; 이장호 등, 2010; 장재호 등, 2010)가 이루어져 왔으며 다양한 제도의 시 행 및 막대한 비용의 투자도 함께 이루어져 왔다. 팔당 상류 지역에는 총 시설용량 457,825 m3/d의 환경기초시설 134개
†To whom correspondence should be addressed.
소가 운영 중에 있어(환경부, 2007) 향후에도 팔당호의 수 질관리 및 개선을 위한 주요 관리대상이 되고 있다.
1996년 이후에는 하천 및 호소의 부영양화 유발인자인 영양염류를 저감시키기 위하여 환경기초시설의 방류수 수 질기준에도 질소 및 인 항목의 방류 기준을 설정함으로서 신규 하수종말처리장 및 기존 운영 중인 하수종말처리장에 생물학적 영양염류 제거공정(BNR)을 도입한 바 있다(환경 부, 2007). 또한 2000년대에 들어서는 그동안 배출농도 규 제기준의 정책에서 벗어나 유역내 오염물의 배출허용총량 을 규제하는 유역관리 중심의 수질관리정책으로 전환하여 팔당호의 수질을 개선하려는 노력과 막대한 비용 투자를 계속하고 있으나 최근의 수질은 개선의 효과를 나타내고 있지 못한 실정이다. 팔당호의 수질은 정부의 정책적 목표 수질인 BOD 1 mg/L에 근접하지 못하고 있으며 T-P의 경
우도 OECD 영양단계기준에서는 부영양(0.1 ~ 0.035 mg/L) 단계에 해당하는 수질을 나타내고 있다. 또한 상수원으로 이용되는 하천･호소를 대상으로 조류의 발생농도를 측정 조사한 결과 전국적으로 조류 발생일수가 줄어들었으나 팔 당호의 경우는 2008년 조류 발생일수가 36일로 가장 많은 조류가 발생하고 있는 실정이다(환경부, 2009).
한강수계 환경기초조사사업 2단계 기본계획에 의하면 한 강수계내 총 배출부하량 중 점오염원에 의한 비중은 약 63%의 높은 비율을 차지하고 있는 것으로 나타나(한강수 계관리위원회, 2007) 팔당호의 부영양화 방지 및 수질 개선 을 위해서는 점오염원의 배출부하량 삭감이 가장 우선시되 어야 할 것이다. 특히 유기물의 경우에는 환경기초시설의 도입을 통해 어느 정도 개선 효과를 보이고 있으나 질소 및 인 등 영양염류의 경우에는 처리율이 높지 않으므로 조 류 발생을 억제하고 호소의 부영양화를 방지하기 위해 2012년부터는 인 기준 농도가 강화(0.2 ~ 0.5 mg/L)되어 기 존환경기초시설의 인 처리 공정이 보완되고 있는 현실이다 (환경부, 2010b).
따라서 본 연구에서는 한강상류수계에 위치한 환경기초 시설들이 직접 방류되는 3개 수계(북한강, 경안천, 남한강) 의 본류 유입지점 및 팔당호 유입지점의 인 수질농도에 미 치는 인 기여도를 분석하고 인 기준농도 강화에 따른 환경 기초시설의 인 부하량 삭감시 수질개선기여도를 분석하여 팔당 유역의 효율적 수질관리계획을 수립하기 위한 기초자 료를 마련하고자 하였다.
2. 연구 방법
2.1. 연구의 시･공간적 범위
팔당호 상류수계에 위치한 환경기초시설의 방류수가 미 치는 인 기여도 및 수질개선기여도의 분석을 위한 시간적 인 기준년도는 2006년도로 설정하였다. 이는 환경부에서 매년 조사되고 있는 전국오염원 조사자료를 활용하여 각 단위유역별 오염물질의 발생부하량 및 배출부하량을 산정 할 경우 자료의 신뢰성과 활용성을 고려하기 위함이었다.
수질 및 유량자료 또한 환경부의 2006년도 단위유역별 측 정결과와 수질측정망 자료(환경부 물환경정보시스템, 2010a, http://water.nier.go.kr)를 활용하여 저수기 및 평수기의 수질 및 유량을 사용하였으며 저수기의 자료가 모델의 보정을 위해 사용되었다.
공간적인 범위는 Fig. 1에 나타내었으며 팔당호 상류의 주요 3개 수계(남한강, 북한강, 경안천)의 유역중 남한강 수계는 충주댐 방류지점, 북한강 수계는 청평댐 방류지점, 경안천 수계는 수계내 최상류 조사지점에서부터 팔당호 유 입지점까지를 구간으로 설정하여 각각 위치한 환경기초시 설들의 영향을 분석하였다.
2.2. 오염부하량 산정
수질모델링을 수행하기 위하여 팔당호 상류에 위치한 단 위유역별 오염부하량을 산정하였다. 오염원자료는 환경부의
Fig. 1. Unit-watershed in study area.
2006년 전국오염원조사 자료를 활용하였다. 발생부하량 산 정시 적용하는 발생원단위는 실측자료를 우선으로 하되 실 측자료가 없는 경우 오염총량관리계획 수립지침(환경부, 2006b)에서 제시하는 발생원단위를 적용하였다. 행정구역별 및 단위유역별 오염물질 발생 및 배출부하량은 각 오염원 별 오염원 현황에 수계오염총량관리계획 수립지침(환경부, 2006b) 상의 각 오염원별 발생부하량 산정방식 등의 자료 를 이용하여 산정하였다. 오염물질 배출부하량은 배출원별 로 배출유량과 배출부하량을 산정하였다.
2.3. 수질모델의 선정 및 구축
본 연구에서는 선정된 연구대상수계의 수질모델링을 통 해 환경기초시설의 인 기여도 및 수질개선기여도를 분석하 기 위하여 수질오염총량관리제(강원도, 2010) 및 물환경관 리 기본계획(환경부, 2006a) 등 수환경 관련 상위계획에서 다양하게 활용되어 적용의 타당성이 인정된 바 있으며 환 경기초시설의 방류수질 변화에 따른 수질 변화 및 인 기여 도를 최적으로 분석할 수 있는 QUALKO2 모델을 선정하 여 적용하였다.
2.4. 수리계수 및 유달율 분석 및 평가
QUALKO2 모형에서는 각 하천 구간별 유속과 수심에 대한 수리계수(속도계수, 속도지수, 수심계수, 수심지수)가 요구된다.
, (1)
여기에서, U = 유속(m/sec), Q = 유량(m3/sec), H = 수심(m),
Table 1. Effluent pollutant loading for point & non-point source
Basin Point source Non-point source
BOD(kg/d) T-N(kg/d) T-P(kg/d) BOD(kg/d) T-N(kg/d) T-P(kg/d)
North-Han river 3,493.1 2,163.9 247.2 8,179.2 5,361 415.7
South-Han river 46,359.5 28,058.2 3,345.3 56,666.3 37,089.7 2,879.3
Gyungancheon 8,892.9 4,575.9 628.1 9,262.7 3,436.4 331.8
a,b,c,d = 상수.
이들 유속과 수심에 대한 계수 값들은 수질오염총량관리 제(한강수계관리위원회, 2007) 및 물환경관리기본계획(환경 부, 2006a) 등에서 구축 되었던 수질모델을 분석하여 모델 상의 각 구간(Reach)별 수리계수 값을 분석하였으며 이를 토대로 본 연구에서의 동일한 구간에 대한 수리 값으로 적 용하고자 하였다.
또한 유역으로부터 배출된 오염물질이 수체로 도달하는 특성을 나타내는 유달율은 다음 식에서 나타내는 바와 같 이 실측된 자료가 조사된 단위유역에 대해 오염원 조사자 료에 의해 산정된 연평균 배출부하량과 단위유역별 실측 유량 및 수질을 이용하여 각 유량시기의 유달부하량을 평 가하였다. 이를 통해 유량-유달부하량에 대한 회귀식을 산 정하였으며 단위유역별 기준유량에 대한 유달율을 평가하 였다.
(2)
여기서 은 유달부하량(kg/day), 는 유량(m3/sec), 는 상수이다.
(3)
여기서 R은 오염부하유달율, 은 기준유량시기의 오염부 하량 그리고 는 유역의 연평균 배출부하량이다.
2.5. 수질모델 보정 및 검증
한강수계관리위원회(2007)의 자료를 활용하여 각 단위유 역별 저수기 및 평수기에 대한 유량을 선정하였다. 모델보정 은 2006년을 기준으로 산출된 배출부하량 및 수질자료를 이 용하여 유달율을 산출하였고 모델내에 입력되는 각 점오염 원별 입력농도를 산정하여 저수기에 대하여 모델 보정을 수 행하였다. 모델보정 지점별로 실측치와 모델값의 오차범위가
±10%이내로 보정을 수행하였다. 보정된 모델의 검증은 2005 년도의 각 지점별 저수기 수질자료를 활용하여 수행되었다.
수질모델 보정 및 검증결과는 신뢰도 지수(Reliability Index, RI)에 의한 평가방법을 활용하여 모델링 결과의 적합성을 검토하였다. RI 분석법은 모델링 결과값과 실측값이 일치 하면 지수 값은 1.0이 되고 두 값의 차이가 클수록 신뢰도 지수값은 1.0보다 큰 값을 지니게 된다. 통상적으로 2이하 의 지수값을 지니면 모델의 적합성은 양호한 것으로 판단 된다.
(4)
여기서 : 실측자료, : 모델자료, : 측정기간의 횟수 : 조의 수
2.6. 인 기여도 및 수질개선기여도 분석
각각의 환경기초시설에 의한 인 기여도 및 수질개선기여 도를 분석하기 위하여 환경기초시설의 배출농도에 대한 최 대 삭감을 통해 개선시킬 수 있는 수계의 수질개선농도를 모델링을 통해 분석하였다. 환경기초시설이 수계의 수질에 기여하는 오염기여도를 산정하기 위해서는 본 연구대상 유 역 내에 위치한 55개 주요 환경기초시설을 대상으로 인 배 출농도를 0 mg/L으로 설정하여 모델링을 수행하였을 경우 개선되는 수질의 차를 분석함으로서 환경기초시설에 의해 가중되는 수질의 오염기여도를 산정하였다.
전체 환경기초시설에 의해 수질에 미치는 오염기여도를 100%로 할 경우에 각각의 환경기초시설의 배출 삭감에 의해 수질이 개선되는 값을 분석하여 각 환경기초시설별 오염기여 도를 분석하였다. 인 기여도 및 수질개선기여도는 방류수계 지점, 본류 합류점, 본류 말단지점(팔당호 유입지점)에 대하 여 분석되었다. 또한 환경기초시설의 개별적 인 기여도 분석 (1안), 수계본류 및 지류 그룹별 인 기여도 분석(2안), 단위유 역 그룹별 오염기여도 분석(3안) 등을 다양하게 분석하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 오염부하량 산정
팔당호 상류 수계에 대하여 오염원별 발생부하량 및 배 출부하량을 산정하였으며 배출부하량의 산정결과를 Table 1 에 나타내었다. 오염원별 T-P 배출부하량은 토지계, 축산 계, 생활계, 산업계, 양식계, 매립계 순으로 높은 비중을 차 지하고 있는 것으로 나타났으며 토지계는 전체 T-P 배출부 하량의 46.2%를 차지하는 것으로 분석되었다. BOD와 T-N 의 경우에도 토지계에서 가장 높은 배출부하량을 나타내었 다. 다음으로 축산계는 T-P 배출부하량의 38.5%를 차지하 는 것으로 나타났다(한강물환경연구소, 2008, 2009).
3.2. 수질모델 구축
연구대상 범위내의 환경기초시설의 인 배출영향을 보다
Table 2. Model construction results for each watershed
Basin River Length (km) No. of reach No. of element No. of point sources
North-Han river
Main stream 23 4 46 10
Tributary Jojongcheon 32 4 64 5
Subtotal 55 8 110 15
Kyungan -cheon Main stream 35.5 5 71 13
Subtotal 35.5 5 71 13
South-Han river
Main stream 104 18 208 26
Tributary
Dalcheon 81 10 162 19
Sumgang 57 7 114 15
Wonjucheon 7.5 1 15 3
Chungmicheon 46.5 7 93 9
Yanghwacheon 16 3 32 2
Bokhacheon 20 3 40 7
Heukcheon 20 2 40 4
Subtotal 367.5 54 735 94
Total 443.5 64 889 114
Table 3. Relationship between flow rate and delivered loading for each unit watershed
Unit watershed BOD T-N T-P Unit watershed BOD T-N T-P
Gyungan A
Relation L=485.03Q0.75 L=919.59Q0.69 L=52.43Q0.67
Yanghwa A
Relation L=158.91Q1.09 L=287.66Q1.03 L=11.51Q1.18
0.59 0.77 0.60 0.59 0.83 0.84
b 0.75 0.69 0.67 b 1.09 1.03 1.18
Gyungan B
Relation L=384.34Q0.84 L=413.32Q0.89 L=20.22Q0.86
Jojong A
Relation L=77.78Q0.95 L=200.16Q1.04 L=1.22Q1.54
0.38 0.75 0.35 0.64 0.88 0.85
b 0.84 0.89 0.86 b 0.95 1.04 1.54
Dalcheon A
Relation L=92.68Q0.96 L=109.38Q1.15 L=0.66Q1.58
Chungmi A
Relation L=211.56Q0.94 L=236.38Q1.08 L=6.72Q1.24
0.75 0.92 0.85 0.53 0.82 0.83
b 0.96 1.15 1.58 b 0.94 1.08 1.24
Dalcheon B
Relation L=90.83Q1.94 L=468.24Q0.86 L=14.84Q1.25
Heukcheon A
Relation L=90.00Q0.85 L=160.18Q1.12 L=1.45Q1.40
0.54 0.44 0.41 0.57 0.92 0.79
b 1.94 0.86 1.25 b 0.85 1.12 1.40
Bokha A
Relation L=269.61Q0.73 L=592.54Q0.83 L=27.16Q0.92
Hangang D
Relation L=216.06Q0.80 L=174.47Q1.00 L=0.08Q1.70
0.54 0.85 0.88 0.53 0.95 0.88
b 0.73 0.83 0.92 b 0.80 1.00 1.70
Sumgang A
Relation L=105.50Q0.90 L=164.64Q1.00 L=1.69Q1.27
Hangang E
Relation L=239.74Q0.84 L=287.54Q0.94 L=0.31Q1.55
0.78 0.93 0.92 0.52 0.82 0.81
b 0.90 1.00 1.27 b 0.84 0.94 1.55
Sumgang B
Relation L=204.36Q0.85 L=662.78Q0.72 L=44.58Q0.64
Hangang F
Relation L=259.50Q0.85 L=192.16Q0.98 L=0.36Q1.42
0.55 0.84 0.67 0.66 0.93 0.94
b 0.85 0.72 0.64 b 0.85 0.98 1.42
효율적으로 분석하기 위하여 각 요소의 크기는 500 m로 설정하여 모델을 구축하였다. 북한강, 경안천, 남한강 수계 본류에 대하여 각각 총 55 km, 35.5 km, 353 km 구간에 대하여 모델링 구획을 설정하였으며 Reach 수는 각각 8개, 5개, 51개, 그리고 점오염원 수는 각각 15개, 13개, 85개로 구성되었다. Table 2에 3개 수계에 대하여 구축된 모델의 개요를 나타내었다.
3.3. 수리계수 및 유달부하량 분석
수질오염총량관리제 및 물환경관리계획 등의 기존 연구 사례에서 구축된 수질 및 수리모델 자료를 활용하여 북한
강, 남한강, 경안천 유역의 각 하천 구간별 유속과 수심에 관계된 수리계수(속도계수, 속도지수, 수심계수, 수심지수) 를 적용하였다. 남한강의 경우 속도계수(a)는 0.0004 ~ 0.8114, 속도지수(b)는 0.0507 ~ 0.99, 수심계수(c)는 0.0693
~ 6.1178, 수심지수(d)는 0.0000 ~ 0.6723로 가장 넓은 분포 를 나타내는 것으로 분석되었다.
각 단위유역별로 실측 및 검토된 유량 및 유달부하량을 이용하여 유량-유달부하량의 회귀식을 분석하였으며 그 결 과를 Table 3에 나타내었다. 표에 나타낸 바와 같이 상관계 수 은 BOD의 경우 0.38 ~ 0.78, T-N은 0.44 ~ 0.95, T-P 는 0.35 ~ 0.94의 분포를 나타냈다. 유량-유달부하량의 회귀
Table 4. Delivery rate estimated for low and normal water period
Unit watershed Low water period Normal water period
BOD T-N T-P BOD T-N T-P
Gyungan A 0.068 0.276 0.117 0.091 0.361 0.152
Gyungan B 0.086 0.223 0.108 0.125 0.330 0.157
Dalcheon A 0.037 0.076 0.012 0.063 0.144 0.029
Dalcheon B 0.147 0.258 0.192 0.299 0.352 0.303
Bokha A 0.050 0.225 0.118 0.064 0.298 0.161
Sumgang A 0.068 0.135 0.030 0.107 0.225 0.057
Sumgang B 0.101 0.440 0.262 0.148 0.607 0.348
Yanghwa A 0.029 0.092 0.033 0.049 0.150 0.057
Jojong A 0.037 0.145 0.011 0.068 0.282 0.029
Cheongmi A 0.043 0.102 0.031 0.071 0.180 0.059
Hangang D 0.161 0.361 0.011 0.382 1.000 0.067
Hangang E 0.123 0.338 0.011 0.231 0.678 0.036
Hangang F 0.423 0.763 0.065 0.617 1.000 0.122
Heukcheon A 0.043 0.115 0.013 0.074 0.238 0.033
(a) Calibration results (T-N) (b) Calibration results (T-P) Fig. 2. Model calibration results (Main stream, South-Han river).
(a) Calibration results (T-N) (b) Calibration results (T-P) Fig. 3. Model calibration results (Main stream, North-Han river).
식을 활용하여 각 단위유역별로 저수기 및 평수기의 기준 유량시기에 해당하는 유달율은 Table 4에 나타난 바와 같 이 분석하였다.
3.4. 수질모델 보정 및 검증
2006년도를 기준년도로 산정된 배출부하량 및 지점별 수 질자료를 활용하여 유달율을 산정하고 모델내에 입력되는
각 점오염원별 입력농도를 산정하여 모델 보정을 수행하였 다. 모델보정 지점별로 실측치와 모델값의 오차범위가
±10%이내에 들도록 보정기준을 두었다. 모델 보정 및 검 증 결과중 3개 수계에 대한 T-N 및 T-P의 보정결과를 남 한강의 경우는 Fig. 2에 북한강의 경우는 Fig. 3 경안천은 Fig. 4에 각각 나타내었다.
또한 보정이 완료된 모델에 대한 검증을 수행하였다. 모
(a) Calibration results (T-N) (b) Calibration results (T-P) Fig. 4. Model calibration results (Main stream, Kyungancheon).
Fig. 5. Phosphorus contribution rate for each environment fundamental facility (North-Han river).
델 검증은 기준년도의 전년도인 2005년도의 저수기에 대하 여 수행하였으며 2005년도의 각 주요 측정망별 실측수질자 료와 하수처리장 방류수 수질 등을 고려하여 수행하였다.
각 수질실측 지점별로 실측치와 모델값의 오차범위가
±20%이내에 들도록 검증기준을 두었다.
모델의 보정 및 검증결과는 신뢰도 지수(RI)법을 사용하 여 모델의 적합성에 대한 평가를 수행하였다. 모델 보정결 과에 대한 신뢰성 분석결과는 Table 5와 같이 분석되었다.
각 수계에 대한 신뢰도 지수(RI)의 범위는 BOD의 경우
Table 5. Analysis of reliability index for model calibration results
Basin BOD T-N T-P
North-Han river 1.109 1.069 1.127 Kyungancheon 1.145 1.070 1.091 South-Han river 1.133 1.084 1.267
Table 6. Analysis of reliability index for model verification results
Basin BOD T-N T-P
North-Han river 1.148 1.147 1.162 Kyungancheon 1.156 1.345 1.348 South-Han river 1.294 1.345 1.491
1.109 ~ 1.145, T-N은 1.069 ~ 1.084, T-P는 1.091 ~ 1.267로 모델의 적합성 판단 기준인 2를 모두 하회하는 것으로 나 타나 보정이 매우 양호하게 이루어졌음을 나타내었다.
모델 검증결과에 대한 신뢰성 분석결과는 다음 Table 6 에 나타내었다. 각 수계에 대한 신뢰도 지수(RI)의 범위는 BOD의 경우 1.148 ~ 1.294, T-N은 1.147 ~ 1.345, T-P는 1.162 ~ 1.491로 나타나 보정시의 신뢰도 지수값 보다는 약 간 높은 값을 나타내지만 모델의 적합성 판단 기준인 2에 는 모두 하회하는 것으로 나타나 검증이 매우 양호하게 이 루어졌음을 나타내고 있다.
3.5. 환경기초시설의 인 기여도 분석 3.5.1. 개별 시설별 분석
팔당호 상류의 남한강, 북한강, 경안천 수계의 연구 대상 지역내에 위치한 환경기초시설들의 인 부하량 방류에 의한 인 오염기여도를 분석하였다. 각각의 환경기초시설들이 각 수계의 본류 말단 및 제1지류의 말단에 미치는 인 오염기 여도를 분석하였다. 인 오염기여도는 각 수계별로 전체 환 경기초시설들이 미치고 있는 인 기여도를 모델링을 통해 산정하였으며 이를 100%로 하였을 경우 개별 시설들이 차 지하고 있는 기여도의 비중을 산정하였다.
북한강 수계의 개별시설별 기여도는 Fig. 5에 나타내었으
Fig. 6. Phosphorus contribution rate for each environment fundamental facility (Kyungancheon).
Fig. 7. Phosphorus contribution rate for each environment fundamental facility (South-Han river).
며 X축은 각각의 환경기초시설을 나타낸다. Fig. 5에서 현 재 농도는 각 환경기초시설들의 직접 방류수계에 대한 인 농도를 나타낸 것이며 인 기여도는 개별시설의 인 기여도 를 각각의 개별시설에서 삭감될 경우 본류 말단지점(팔당 호 유입지점)의 수질변화에 대한 모델링 결과를 나타내었 다. 그림에서 나타난 바와 같이 북한강의 지류인 조종천으 로 유입되는 A하수처리장이 북한강 말단지점에 미치는 오 염기여도는 북한강 수계의 연구범위 구간 내에 위치한 하 수처리장들이 미치고 있는 오염기여도의 25.0%를 차지하고 있는 것으로 나타났다. 북한강 본류에 위치한 하수처리장 중 B1･B2하수처리장은 북한강 말단지점에 각각 50.0%, 25.0%의 오염기여도를 나타내었다.
경안천 수계의 개별시설별 기여도는 Fig. 6에 나타난바와 같이 경안천에 직접 유입되는 하수처리장들 중 L하수처리 장은 경안천 수계의 말단지점의 수질에 20.1%의 오염기여 도를 나타내었으며 평균방류량이 약 38천톤으로서 가장 큰 배출부하량을 보이는 J하수처리장은 오염기여도에 있어서 도 가장 높은 55.6%의 기여율을 나타내는 것으로 분석되었 다. 경안천 지류에 유입되어 유하하다가 본류로 유입되는
하수처리장들의 경우 S하수처리장 0.7%, K하수처리장 6.3%, S3하수처리장 6.9%, M하수처리장 10.4% 순으로 오염기여 도를 보이는 것으로 나타났으며 R하수처리장과 S1 하수처 리장은 경안천 말단 지점의 수질에 영향을 미치지 못하는 것으로 분석되었다.
남한강 수계의 개별시설별 기여도는 Fig. 7에 나타내었으 며 남한강 본류로 직접 유입되는 G하수처리장은 남한강 말단지점에 대해 6.7%, I하수처리장 또한 6.7%의 오염기여 도를 나타난 것으로 분석되었다. 남한강의 제1지류인 달천 에 위치한 하수처리장 중 용량이 가장 큰 C하수처리장은 남한강 수계의 말단지점에 대해 20.0%의 오염기여도가 나 타났다. 그밖에 V, Y, C1 하수처리장은 달천 말단지점에 대해서 각각 1.9%의 오염기여도를 나타내고 있으나 배출부 하량, 유하거리 등의 원인으로 남한강 말단지점에 대해서는 영향을 미치지 못하는 것으로 분석되었다.
복하천으로 배출되는 H하수처리장은 남한강 말단지점에 대해서는 13.3%의 영향을 미치는 것으로 나타났다. 섬강에 위치한 E하수처리장은 하수처리장 중 가장 큰 방류량과 배 출부하량을 지니고 있어 남한강 말단지점에 대해서 하수처
Fig. 8. Analysis results of T-P contribution rate (%) for each main watershed.
리장에 의한 오염기여도 중 40.0%를 차지하고 있는 것으로 분석되었다. 섬강에 직접적으로 유입되는 F폐수종말처리장 과 F2하수처리장의 비교적 적은 배출부하량으로 인해 그 영향이 미미한 것으로 나타났다.
청미천 유역의 H1하수처리장과 W하수처리장은 청미천 말단지점에 대해 각각 51.9%, 48.1%의 오염기여도를 보이 고 있으며 남한강수계 말단지점에 대해서도 각각 6.7%의 오염기여도를 보이고 있는 것으로 분석되었다. 흑천에 위치 한 I2하수처리장은 남한강수계 말단지점에서는 오염기여도 가 거의 없는 것으로 분석되었다.
남한강수계 말단 지점을 기준으로 과업구간 내에 위치한 환경기초시설 중 섬강의 E하수처리장과 달천의 C하수처리 장이 높은 배출부하량으로 인해 각각 40.0%, 20.0%의 가 장 높은 오염기여도를 나타내는 것으로 분석되었으며 다음 으로 복하천의 H하수처리장이 13.3%, 청미천의 H1･W하수 처리장이 각각 6.7%, 남한강 본류로 유입되는 G･I하수처리 장이 각각 6.7%의 오염기여도를 보이는 것으로 분석되었다.
3.5.2. 주요 수계별 분석(본류 및 지류)
남한강, 북한강, 경안천에 위치한 환경기초시설들을 주요 수계별로 분류하여 이에 대한 인 기여도 분석을 수행한 결 과를 Fig. 8에 나타내었다. 북한강의 경우 조종천 유역에 위치한 환경기초시설들이 북한강 말단지점에 미치는 인 오 염기여도는 25.0%이며 북한강 본류에 위치한 환경기초시설 들에 의한 영향이 75%인 것으로 나타났다.
남한강 수계의 경우 섬강 유역에 위치한 환경기초시설들 이 남한강 말단지점에 대해 40.0%로 가장 높은 오염기여도 를 나타내고 있었으며 달천 유역이 26.7%, 남한강 본류 13.3%, 복하천 유역 13.3%, 청미천 유역에 위치한 환경기 초시설들이 6.7%의 순으로 오염기여도를 나타내었으며 양 화천과 흑천 유역은 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
3.5.3. 단위유역별 분석
수질오염총량관리제에서 분류하는 각 단위유역별로 환경 기초시설들에 대한 그룹별 인 기여도 분석도 함께 수행되
었다. 상기와 마찬가지로 각 단위유역에 해당하는 환경기초 시설들을 분류하여 이들이 팔당호 유입지점(각 수계 말단 지점)에 미치는 오염기여도를 분석한 결과를 Table 7에 나 타내었다. Table 7에서 a는 각 수계 말단지점의 현재 수질 을 나타내며 b는 단위유역별로 환경기초시설의 인 부하량 을 삭감하였을 경우의 예측 농도이고 c는 각 수계별로 전 체 환경기초시설의 인 부하량을 삭감하였을 경우에 대해 예측된 농도이다. 따라서 인 기여도는 각 수계의 전체 환 경기초시설에 의한 오염기여도에 대한 단위유역별 환경기 초시설에 의한 오염기여도를 분석하여 산정되었다.
단위유역별 환경기초시설의 인 기여도(%) 분석결과 북한 강 수계의 경우 말단지점에 대해 한강F(북한강) 단위유역 이 75.0%의 오염기여도를 나타내었으며 조종A 단위유역은 25.0%의 영향을 미치는 것으로 나타났다. 경안천의 경우 말단지점에 대해 경안A 단위유역이 72.6%, 경안B는 15.3%, 한강F(경안천) 12.1%의 순으로 오염기여도를 나타내었다.
남한강의 경우에는 단위유역 섬강B, 달천B, 복하A가 각각 40.0%, 26.7%, 13.3% 순으로 오염기여도가 높게 분석되었 으며 청미A와 한강E, 한강F(남한강)는 각각 6.7%를 나타내 며 그 외의 단위유역 달천A, 섬강A, 양화A, 한강D, 흑천A 는 영향을 미치지 않는 것으로 분석되었다.
3.6. 환경기초시설의 인 부하량 삭감시 수질개선기 여도 분석
3.6.1. 개별 시설별 분석
상기에서는 각 수계별로 환경기초시설에 의한 총 오염기여 도를 기준으로 각 시설별 및 유역별 기여도를 분석하였으며 본 절에서는 현재의 수계 수질을 기준으로 각 환경기초시설 의 인 부하량 삭감에 의한 수질개선기여도에 대한 분석을 수 행하였다. 수질개선기여도는 시설별 인 배출부하량을 100%
삭감할 경우를 가정하여 분석하였으며 각 환경기초시설이 직접방류수계의 합류지점과 말단지점 각 수계 본류와의 합 류지점과 말단지점의 수질에 미치는 영향을 분석 평가하였다.
각 환경기초시설의 인 부하량 삭감에 따라 각 지점별 현 재 수질을 기준으로 저감되는 예측 수질에 대하여 백분율
Table 7. Analysis results of T-P contribution rate (%) for each unit watershed Unit watershed
Present conc. of T-P (mg/L)
Model result for each unit watershed (mg/L)
(b)
Model result for each basin (mg/L)
(c)
Contribution rate Discharge point (%)
End point of main stream
(a)
Jojong A 0.077 0.026 0.025 0.022 25.0
Hangang F (North-Han) 0.018 0.026 0.023 0.022 75.0
Kyungan A 0.278 0.262 0.172 0.118 72.6
Kyungan B 0.504 0.262 0.243 0.118 15.3
Hangang F (Kyungan) 0.262 0.262 0.247 0.118 12.1
Dalcheon A 0.015 0.050 0.050 0.035 0.0
Dalcheon B 0.076 0.050 0.046 0.035 26.7
Bokha A 0.123 0.050 0.048 0.035 13.3
Sumgang A 0.007 0.050 0.050 0.035 0.0
Sumgang B 0.411 0.050 0.044 0.035 40.0
Yanghwa A 0.198 0.050 0.050 0.035 0.0
Chungmi A 0.146 0.050 0.049 0.035 6.7
Hangang D 0.011 0.050 0.050 0.035 0.0
Hangang E 0.050 0.050 0.049 0.035 6.7
Hangang F (South-Han) 0.051 0.050 0.049 0.035 6.7
Heukcheon A 0.010 0.050 0.050 0.035 0.0
*Contribution rate(%)=(a-b)/(a-c)*100
로 산정된 수질개선기여도의 분석결과를 다음 Table 8에 나타내었다. 북한강의 지류인 조종천 말단지점에 대해서는 A1하수처리장 26.1%, A하수처리장 81.2%의 오염기여도를 보이는 것으로 나타났다. 그러나 북한강수계의 본류 말단지 점에 대해서는 A1하수처리장은 영향을 미치지 못하며 A하 수처리장은 3.8%의 영향을 미치는 것으로 나타났다. 북한 강 본류에 유입되는 하수처리장 중 B1･B2하수처리장은 본 류말단지점에 각각 7.7%, 3.8%의 영향을 미치며 그 밖의 환경기초시설은 본류 말단지점의 수질에 영향은 미치지 못 하는 것으로 나타났다.
경안천에 직접 유입되는 환경기초시설 중 R하수처리장은 경안천 말단지점에 대한 영향이 없으며 L하수처리장은 11.1% 그리고 용량이 큰 J하수처리장은 30.5%의 수질개선 을 가져오는 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 경안천 지류에 유입되어 간접적인 영향을 주는 하수처리장은 S하 수처리장 0.4%, K하수처리장 3.4%, S3하수처리장 3.8%, M 하수처리장 5.7% 순으로 나타났다.
남한강 본류에 직접 유입되는 G1･T･Q1하수처리장은 남 한강수계 말단지점에 영향이 없는 것으로 나타났으며 G하 수처리장 2.0%, I하수처리장 2.0%로 나타났다. 남한강 본 류에 유입되어 간접적인 영향을 주는 T2･Q4･T1･I3하수처 리장은 영향이 없는 것으로 나타났다. 남한강 지류 중 달 천에 유입되는 C하수처리장은 남한강 말단지점에 대해 6.0%의 영향을 미치는 것으로 나타났으며 U1･U･V･V2･Y･
C1 하수처리장은 영향이 없는 것으로 나타났다.
남한강 지류 중 섬강에 직접적으로 유입되나 F산업단지 폐수처리장은 유량 및 부하량이 작아 영향이 없으며 지류 에 간접적으로 유입되는 D･F2농공단지 폐수처리장 또한 영향이 없는 것으로 나타났다. 섬강에 유입되는 E하수처리
장은 섬강 말단지점 55.2%, 남한강 합류지점 29.4%, 남한 강 말단지점에 12.0%의 영향을 미치는 것으로 나타났다.
상류에 위치한 하수처리장이지만 환경기초시설의 배출용량 이 상대적으로 가장 크기 때문에 상당히 높은 영향을 미치 고 있는 것으로 나타났다.
남한강 지류인 양화천에 직접 유입되는 G3하수처리장은 양화천 말단지점에 대해 1.4%의 영향을 미치고 있으나 남 한강 본류 말단지점에 대해서는 영향을 미치지 못하는 것 으로 나타났다. 청미천에 유입되는 H1하수처리장과 W하수 처리장은 청미천 말단지점에 대해서는 각각 8.3%, 7.7%의 영향을 미치며 남한강 본류 말단지점에 대해 각각 2.0%의 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 복하천에 유입되는 H하 수처리장은 복하천 말단지점에 43.4%의 오염기여도를 나타 내고 있으며 남한강 본류 말단지점는 3.8%의 영향을 미치 고 있다. H2･G2 하수처리장은 복하천 말단지점에 대해서 는 각각 1.2%, 0.6%로 나타났으나 남한강 본류 말단지점에 대해서는 영향이 없는 것으로 나타났다. 흑천에 유입되는 I2･Q3 하수처리장은 흑천 말단지점에 대해 각각 26.3%, 21.0%로 영향을 크게 미치고 있으나 남한강 본류 말단지점 에는 영향이 없는 것으로 나타났다.
3.6.2. 주요 수계별 분석(본류 및 지류)
각 하천의 현재 수질에 대비한 인 부하량 삭감시의 수계 별 모델링 결과와 수질 개선기여율 분석결과를 Table 9에 나 타내었다. 조종천에 유입되는 환경기초시설의 경우에는 배 출부하량에 비해 조종천의 하천유량이 작고 유하거리가 짧 으므로 조종천 말단지점에 대한 수질 개선기여율이 92.8%
로 높게 나타났으나 북한강 말단지점에서는 3.8%의 비교적 낮은 영향을 미치는 것으로 나타났다. 남한강에 유입되는
Table 8. Analysis of T-P improvement rate by the reduction of effluent loading for each facility Watershed Wastewater treatment plant
T-P improvement rate (%) Discharge point End point of
tributary
Junction of main stream
End point of main stream
Main stream of North-Han river
A2 STP - - 0.0 0.0
B1 STP - - 8.0 7.7
B2 STP - - 8.0 3.8
O1 STP - - 0.0 0.0
P3 STP - - 0.0 0.0
P1 STP - - 0.0 0.0
Q2 STP - - 0.0 0.0
Jojongcheong A1 STP 57.1 26.1 0.0 0.0
A STP 81.9 81.2 5.3 3.8
Kyungancheon
S3 STP - - 7.5 3.8
J STP - - 79.5 30.5
R STP - - 0.2 0.0
K STP - - 3.8 3.4
S1 STP - - 0.2 0.0
M STP - - 5.4 5.7
S STP - - 0.0 0.4
L STP - - 11.6 11.1
Main stream of South-Han river
Q4 STP - - 0.0 0.0
T1 STP - - 2.0 0.0
G1 STP - - 1.9 0.0
T STP - - 0.0 0.0
T2 STP - - 0.0 0.0
G STP - - 2.2 2.0
Q1 STP - - 1.9 0.0
I STP - - 2.0 2.0
I3 STP - - 0.0 0.0
Dalcheon
V WWTP 38.1 1.3 0.0 0.0
V2 STP 0.0 0.0 0.0 0.0
Y STP 33.3 1.3 0.0 0.0
U STP 28.6 0.0 0.0 0.0
U1 STP 53.3 0.0 0.0 0.0
C STP 66.2 66.2 35.0 6.0
C1 STP 20.7 1.3 0.0 0.0
Bokhacheon
G2 STP 0.6 0.6 0.0 0.0
J STP 0.0 43.4 3.8 4.0
H2 STP 4.9 1.2 0.0 0.0
Sumgang
D STP 48.0 1.4 2.9 0.0
F WWTP 0.6 0.0 0.0 0.0
F2 WWTP 0.0 0.0 0.0 0.0
E STP 96.5 55.2 29.4 12.0
Yanghwacheon G3 STP 1.1 1.4 0.0 0.0
Chungmicheon H1 STP 12.5 8.3 0.0 2.0
W STP 18.4 7.7 0.0 2.0
Heukcheon I2 STP 30.0 26.3 0.0 0.0
Q3 STP 41.2 21.1 0.0 0.0
*T-P improvement rate (%) = (1-(predicted result for each facility / present conc.)) × 100
하천 중에서는 섬강 12.0%, 달천 8.0%, 남한강 본류 4.0%, 복하천 4.0%, 청미천 2.0% 순으로 수질개선에 영향을 미치 고 있는 것으로 분석되었다. 양화천과 흑천의 경우에는 환 경기초시설의 개선이 남한강 말단지점에 영향을 미치지 못
할 것으로 예측되었다.
3.6.3. 단위유역별 분석
각 단위유역의 말단지점에 대한 수질개선 기여도의 분석결
Table 9. Analysis of T-P improvement rate by the reduction of effluent loading for each watershed No. Watershed
End point of tributary End point of main stream Present T-P conc.
(a)
Model result for each watershed
(b)
T-P improvement rate (%)
Present T-P conc.
Model result for each watershed
T-P improvement rate (%)
1 Main stream of
North-Han river 0.026 0.023 11.5 0.026 0.023 11.5
2 Jojongcheong 0.069 0.005 92.8 0.026 0.025 3.8
3 Kyungancheon 0.262 0.118 55.0 0.262 0.118 55.0
4 Main stream of
South-Han river 0.051 0.048 4.0 0.050 0.048 4.0
5 Dalcheon 0.077 0.024 68.8 0.050 0.046 8.0
6 Bokhacheon 0.166 0.091 45.2 0.050 0.048 4.0
7 Sumgang 0.145 0.063 56.6 0.050 0.044 12.0
8 Yanghwacheon 0.214 0.211 1.4 0.050 0.050 0.0
9 Chungmicheon 0.168 0.141 16.1 0.050 0.049 2.0
10 Heukcheon 0.019 0.010 47.4 0.050 0.050 0.0
* T-P improvement rate (%) = (1-(b/a)) × 100
Table 10. Analysis of T-P improvement rate by the reduction of effluent loading for each unit watershed Unit watershed
End point of tributary End point of main stream Present T-P conc.
(a)
Model result for each watershed
(b)
T-P improvement rate (%)
Present T-P conc.
Model result for each watershed
T-P improvement rate (%)
Jojong A 0.069 0.051 26.1 0.026 0.025 3.8
Hangang F (North-Han) 0.026 0.022 15.4 0.026 0.023 11.5
Kyungan A 0.618 0.139 77.5 0.262 0.172 34.4
Kyungan B 0.504 0.464 7.9 0.262 0.243 7.3
Hangang F (Kyungan) 0.262 0.247 5.7 0.262 0.247 5.7
Dalcheon A 0.014 0.010 28.6 0.050 0.050 0.0
Dalcheon B 0.076 0.025 67.1 0.050 0.046 8.0
Bokha A 0.166 0.091 45.2 0.050 0.048 4.0
Sumgang A 0.021 0.016 23.8 0.050 0.050 0.0
Sumgang B 0.411 0.018 95.6 0.050 0.044 12.0
Yanghwa A 0.214 0.211 1.4 0.050 0.050 0.0
Chungmi A 0.168 0.141 16.1 0.050 0.049 2.0
Hangang D 0.018 0.018 0.0* 0.050 0.050 0.0*
Hangang E 0.050 0.048 4.0 0.050 0.049 2.0
Hangang F (South-Han) 0.051 0.050 2.0 0.050 0.049 2.0
Heukcheon A 0.019 0.010 47.4 0.050 0.050 0.0
* No environment fundamental facilities located in each unit watershed
과는 Table 10에 나타내었다. 단위유역별 환경기초시설의 수 질개선 기여율(%)은 각 수계(제1지류)의 말단지점의 수질이 크게 개선되는 단위유역은 섬강B, 경안A로 각각 95.6%, 77.5%가 개선되는 것으로 나타났다. 그러나 본류 말단지점에 서의 수질 개선기여율은 경안A 34.4%, 섬강B 12.0%로 경안 A 단위유역이 상당히 높은 영향을 미치는 것으로 나타났다.
해당지류의 말단지점에서 수질개선이 크지 않은 단위유 역은 양화A 1.4%, 한강F(남한강) 2.0%, 한강E 4.0%, 한강 F(경안천) 5.7%, 경안B 7.9% 순으로 나타났다.
본류 말단지점에서 수질 개선기여율 분석결과 달천A, 섬 강A, 양화A, 흑천A 단위유역에 의한 영향이 없는 것으로 나타났다. 경안B와 한강F(경안천), 양화A에 대한 각 단위 유역별 T-P 농도와 수질개선 기여율을 비교한 결과 현재의
수질농도는 높은 반면 환경기초시설에 의한 오염기여율은 낮은 단위유역으로 분석되었다. 이는 각 수계의 수질개선을 위해서는 단위유역내의 환경기초시설 이외의 기타 오염원 에 의한 인 부하량이 수질에 높은 영향을 미치고 있음을 나타내고 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 팔당호의 부영양화 방지를 위해 효율적 관리가 요구되는 한강상류수계에 위치한 환경기초시설들의 방류수가 직접 방류되는 3개 수계(북한강, 경안천, 남한강) 본류 유입지점 및 말단 지점(팔당호 유입지점)에 미치는 인 기여도를 분석하고 환경기초시설의 인 부하량을 삭감하였
을 경우의 수질개선기여도를 분석하고자 하였다. 본 연구에 서 나타난 주요 결과는 다음과 같다.
1) QUALKO2 모델을 사용하여 3개 수계에 대한 모델을 구축하였으며 2006년 기준의 수질 및 유량자료를 분석 하여 수행된 모델의 보정 및 검증결과는 각 수계의 수 질변화 양상을 잘 재현하는 것으로 나타났다.
2) 각 환경기초시설에 대한 개별적 인 기여도 분석 결과 남한강수계 말단 지점을 기준으로 살펴보면 섬강의 E하 수처리장과 달천의 C하수처리장이 높은 배출부하량으로 인해 각각 40.0%, 20.0%의 높은 기여도를 보이며 북한 강에 유입되는 B1･B2하수처리장은 각각 50.0%, 25.0%, A하수처리장이 25.0% 그리고 경안천에서는 가장 큰 배 출부하량을 보이는 J하수처리장이 55.6%, L하수처리장 은 20.1%의 오염기여도를 나타내는 것으로 분석되었다.
3) 각 수계의 본류 및 주요 지류별 인 기여도 분석 결과 남한강 수계의 경우 섬강 유역에 위치한 환경기초시설 들이 남한강 말단지점에 대해 40.0%로 가장 높은 오염 기여도를 나타내었으며 달천 유역이 26.7%, 남한강 본 류 20.0%, 복하천 유역 13.3%, 청미천 유역은 6.7%의 기여도를 보이며 양화천과 흑천에 위치한 환경기초시설 들에 의한 영향은 미치지 않는 것으로 나타났다.
4) 단위유역별 인 기여도 분석 결과 북한강수계 말단지점 에 대해 한강F(북한강) 75.0%, 조종A 25.0%의, 경안천 말단지점 경안A 72.6%, 경안B는 15.3%, 한강F(경안천) 12.1%의 순으로 오염기여도를 나타내는 것으로 분석되 었다. 남한강의 경우에는 단위유역 섬강B, 달천B, 복하 A가 각각 40.0%, 26.7%, 13.3% 순으로 오염기여도가 높게 분석되었으며 단위유역 달천A, 섬강A, 한강D, 흑 천A는 영향을 미치지 않는 것으로 분석되었다.
사 사
본 연구는 한강수계관리위원회･국립환경과학원 한강물환 경연구소에서 시행한 환경기초조사 사업에 수행된 연구결 과이며 이에 감사드립니다.
참고문헌
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