Special feature: Natural Water Purification Technology SHORT COMMUNICATIONS
도시 하천 수질 관리를 위한 지속가능 초기 강우 오염 관리 시스템의 개발
Development of a Sustainable First Flush Management
System for Urban Stream Water Quality Management
서동일*ㆍ이동은ㆍ김재영ㆍ구영민
충남대학교 환경공학과
Dongil Seo*, Tongeun Lee, Jaeyoung Kim and Youngmin Koo
Department of Environmental Engineering, Chungnam National University, Daejeon 34134, Korea
Received 21 November 2016, revised 9 December 2016, accepted 20 December 2016, published online 31 December 2016
ABSTRACT: Non-point pollutants from surface runoff during rainfall exert adverse effects on urban river water quality management. In particular, the first flush effect during the initial phase of rainfall can deliver significant amounts of pollutant loads to surface waters with extremely high concentrations. In this study, a sustainable first flush effect management system was developed by using settling and filtration that require no additional power or chemicals. A pilot scale experiment has shown that the removal of total suspended solid (TSS), total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) are in ranges of 84 - 95%, 31 - 46%, and 42 - 86%, respectively. An Integrated Stormwater Runoff Management System (ISTORMS) was also developed to efficiently manage the developed system by linking weather forecast, flow rate and water quality modeling of surface runoff and automatic monitoring systems in fields and in the system. This study can provide effective solutions for the management of urban river in terms of both quantity and quality.
KEYWORDS: Automatic stormwater monitoring system, First flush, Integrated stormwater runoff management system, Non-point source pollutant, Urban river management
요 약: 강우 시 표면 유출에 의한 비점오염물질의 하천 유입은 도시 하천 관리에 부정적인 영향을 미치며 특히 강우 초기의 수질 농도가 매우 높은 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 하천의 제외지 또는 유수지 등의 공간을 활용하여 침강 및 여과작용을 이용하여 최소한의 에너지 및 비용을 이용하여 오염물질을 정화시키면서 하천의 수질 및 수량 관리에 긍정적인 작용을 할 수 있는 장치와 시스템을 개발하고자 하였다. 빗물 자동 모니터링 시스템을 이용하여 초기 우수에 대한 유량 및 수질을 파악하였고 이를 토대로 처리 시스템의 설계 기준을 확립하고자 하였다. 초기우수 제어 장치는 침전 장치만으로도 총부유물질 (TSS) 84 – 95%, 총질소 (TN) 31 – 46%, 총인 (TP) 42 – 86%의 제거 효율이 나타났다. 또한 일기 예보를 통해 강우에 의한 유량 및 수질을 예측하고 처리 장치의 상태 및 자동 모니터링시스템과 연계하여 시설을 종합적으로 관리할 수 있는 강우 유출 종합관리 시스템 ISTORMS (Integrated Stormwater Runoff Management System)를 개발하였다. 본 연구 결과는 도시 하천의 수질 및 유량 환경개선에 효율적으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
핵심어: 빗물 자동 모니터링 시스템, 초기 강우, 강우 유출 종합관리 시스템, 비점오염부하, 도시 하천 관리
*Corresponding author: [email protected], ORCID 0000-0001-6939-6777
ⓒ Korean Society of Ecology and Infrastructure Engineering. All rights reserved.
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의 감소에 따라 하천의 평상시 유량이 대폭 감소되어 심지 어 건천화 되는 현상이 반복되기도 한다. 우리나라의 하천 및 하천 주변공간은 휴식 및 운동공간으로 활용되는 빈도 가 증가하는 추세이며 주민들의 관심의 증가에 따라 하천 환경 관리의 중요성 및 요구도가 증가하는 경향이다. 그러 나 우리나라의 도시 하천에 대한 대책은 하천의 홍수 배제 에 집중되어 있으며 계속적으로 제기되는 환경문제에 따 라 식생 제방을 설치하거나 조경사업 수준의 대책으로서 하천의 질적 양적 관리에 대한 근본적인 대책을 수립하기 위한 노력은 제한적이라고 판단된다. 우리 나라에서는 한 국건설기술연구원의 우효섭 박사의 주도로 “국내 여건에 맞는 자연형 하천 공법의 개발” (Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology 2002), “하천복원 가이드라인” (Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology 2002) 그리고 “하천복원사례집”
(River Restoration Research Society 2006) 등이 발간되 면서 하천의 환경문제를 해결해 보고자 하는 선제적인 노력 이 시도된 바 있다. 한편 Kim and Kim (1994), Kim (1996), Kim et al. (2003)은 하천에서의 수자원공학과 환경을 접목시키고 하천 복원에 대한 가이드라인을 제시 하고자 노력한 바 있다. 위 연구들은 하천 환경의 바람직한 관리를 위해서 하천의 유량과 수질을 접목하는 시도를 통 해 우리나라 하천환경관련 연구를 진일보 시킨 것으로 볼 수 있다. 그러나 하천 수자원의 질적 양적 문제의 원인은 하천 외부의 유역에 더 나아가서는 강우 조건에 따라 결정 된다는 면에서 하천의 문제의 해법을 하천 내부에서 찾고 자 하는 한계 또한 보여주고 있는 것으로 생각된다. 한편 Lee and Seo (2015)는 대전의 갑천의 수질 농도와 오염부 하 특성을 대상으로 분석하고 및 BOD와 같이 하수처리장 에서 제어가 가능한 오염물질과 같은 경우에서는 유역에 서 유입되는 비점오염원의 제어가 더욱 중요하다는 것을 보고한 바 있다.
본 연구에서는 하천의 제외지 또는 유수지 등의 공간을 활용하여 하천의 물질순환 및 자연정화 능력을 고려하고
다가 하천의 유량이 저하되는 시기에 방류하여 하천 건천 화를 저감시킬 수 있는 지속 가능한 초기우수 관리 시스템 (SuFiR, Sustainable First Flush Runoff Management System)을 개발하였다 (Seo et al. 2016a, Seo et al.
2016b). 둘째, 일기예보의 정보에 따라 익일 또는 차기의 강우량이 알려지게 되면 이는 미리 보정된 도시 수문 모델 인 보정된 SWMM (Rossman et al. 2010)을 이용하여 시 간 별 유량 및 수질 정보를 예측하고 이 정보를 가동하고 있 는 빗물 처리장치의 관리에 적용하는 동시에 자동 모니터링 시스템과 연계하고 건천화 시 하천 방류 제어를 위한 종합관 리시스템 ISTORMS(Integrated Stormwater Runoff Management System)을 개발하였다 (Seo et al. 2016c, Seo et al. 2016d).
2. 강우 유출 자동모니터링 시스템 ASTROMS (Automatic Stormwater Runoff Monitoring System)
Fig. 1은 대전 북부에 위치한 대덕테크노밸리의 유수 지와 유역 면적의 위치를 나타내고 있으며 오른편의 그 림은 유수지로 유입되는 우수관거 상단에 위치한 빗물의 유량 및 수질 자동 모니터링 장치가 설치된 것을 보여 주 고 있다. 자동 모니터링 시스템 내부에는 Fig. 2에 나타 난 바와 같이 수온, 용존산소, 수소이온농도, 전기전도도 및 탁도 등 간단한 수질 항목을 실시간으로 측정할 수 있 는 센서와 현장에서 측정하기 어려운 항목을 실험실로 이송하여 측정하기 위한 자동채수기 그리고 실시간 자료 전송 시스템이 설치되어 있다. 자동채수기 및 펌프 등은 자동 및 원격 수동 제어가 가능하도록 설계되어 있으며 자동 채수 장치는 초기에는 10분, 20분, 30분등 짧은 시 간 간격으로 강우가 지속되는 경우 1시간 이상 등의 간격 으로 조정이 가능하다. 자동채수기는 냉장 기능이 있어 서 시료를 일정 시간 보관할 수 있으며 Fig. 2의 왼쪽 하 단은 자동채수기 내부의 1 리터 들이 24개의 채수병을 나타낸다. 또한 그림 우측 상단에 나타난 바와 같이 모니
(a)
(b)
Fig. 1. Study area in the Gwanpyung-stream catchment, Daejeon, Korea (a) and the automatic monitoring system (b) installed at the inlet of the detention pond at the study site.
Fig. 2. Inside automatic storm water monitoring station.
Fig. 3. Field measurement and Ultrasonic water level meter for automatic discharge measurement (Seo and Fang 2012).
Fig. 4. Calibration of automatic flow monitoring system with field measurements (Seo and Fang 2012).
터링 시스템 외부에는 강우량계가 설치되어 있다.
Fig. 3은 빗물 자동 모니터링 시스템에 연결되어 있는 초음파 자동 수위계를 나타내며 실측을 통해 수위-유량 곡
선을 작성하였으며 곡선과 실측 치의 상관관계는 Fig. 4에 나타난 바와 같다. 실측 유량과 자동수위계의 자료를 이용 하여 산정한 유량의 상관관계는 0.86 이상으로서 매우 양 호한 결과를 나타내고 있다. 이렇게 우리 나라의 지방 소규 모 하천에서 강우량, 강우에 의한 유량 및 수질을 연속적으 로 실측하고 관리하는 경우는 전국 및 국제적으로도 사례 를 찾아보기 어려운 것으로 알고 있다.
Fig. 5. Continuous measurements of flow and pollutants in rainfall events using the monitoring system (Seo et al. 2016b).
Fig. 6. Change characteristics of Flow and Water quality as a result of the automatic flow monitoring system (Seo et al. 2016b).
Fig. 5는 본 자동빗물모니터링 시스템에 의해 연속적으 로 측정된 유량, 수질을 나타낸다. 강우 유출에 의한 초기 세척효과 (first flush effect)는 건기 시 유역에 누적되어 있던 비점오염물질이 강우 초기의 표면 유출에 의해 지표 수로 이동하는 현상으로서 강우 초기에 매우 높은 오염물 질 농도를 나타낸다. 그림에 나타난 바와 같이 강우 초기에 모든 항목에서 높은 농도를 나타났다. TSS, BOD, COD, TN, TP는 강우 초기 각각 400 - 2,000, 20 - 100, 20 - 100, 10 - 40, 및 1.0 - 4.0 mg/L 의 농도 분포를 나타내고 있으며 최대 6시간 이내에 일정한 수준으로 감소되는 것을 알 수 있다. 이와 같은 자료를 토대로 초기 강우 처리 시설의 용
량 설계 및 운영 방법에 참고할 수 있다. 한편 Fig. 6은 Fig.
5와 같은 자료를 2015년 7월부터 2016년 7월에 이르기 까지 연속적으로 도시한 것이다.
3. 지속가능한 초기우수 관리 시스템 (SuFiR, Sustainable First Flush Runoff Management System)의 개발
본 연구에서 초기 우수 관리 시스템 개발에 대한 가장 중 요한 주제는 “친환경”이다. 여기서 친환경이라 함은 환경
(a)
(b)
Fig. 7. Conceptual design of the first flush treatment system to remove non-point source pollutants due to rainfall in urban basins (a) (Koo et al. 2015) and the pilot scale treatment system installed inside the storm water monitoring system in the field (b) (Seo et al.
2016b).
(a) (b)
(c) (d)
Fig. 8. Conceptual diagram and a picture of the settling column used in this study (a), removal of total suspended solid (TSS) concentrations in settling columns (b), removal of total nitrogen (TN) concentrations in settling columns (c), removal of total phosphorus (TP) concentrations in settling columns (d) (Seo and Kim 2016).
에 위해를 가하지 않는 물질 또는 과정이라고 불수 있다. 그러나 친환경의 가장 본래적인 의미는 “자연현상” 또는
“자정작용”을 이용하거나 복원하는 것을 의미하는 것이 라 보는 것이 더 정확하다고 생각한다.
Fig. 7은 본 연구에서 개발한 침강 및 여과에 의한 초기 우수 제어시스템을 보여 주고 있다. 본 시스템은 초기의 약 품이나 동력 없이 침강 또는 여과라는 단순하고 확실한 자 정작용을 활용하는 것에 초점을 맞추고 있다. Fig. 5에서 나타난 바와 같이 연속적으로 측정된 각종 강우 이벤트에 대해 대략적으로 6시간 정도의 강우를 저류하고 처리하는 경우 강우 시 지표수로 유입되는 오염 부하의 상당 부분을 제어할 수 있다는 것을 알 수 있으며 이를 근거로 처리조의 저류 용량을 산정할 수 있다. 두 번째 산정이 필요한 것은 침 강조 내에서 일정 제거 효율을 기대하기 위해 소요되는 시 간을 산정하는 것이다. Fig. 8은 실제 강우 조건에서 초기 강우를 강우 초기 1 시간, 2 시간 및 3시간 후에 각각 채취하 여 실시한 오염물질 제거 결과 중 하나를 보여주고 있다. Table 1에 정리된 바와 같이 이 장치에서 24시간 처리 하였을 경우 TSS, TN 및 TP 는 각각 84 - 95%, 31 - 46%
및 42 - 86%의 제거효율을 나타내고 있다. 오염물질의 제 거 효율은 고형 물질과 용존 물질의 비율과 높은 관계가 있 는데, 용존 물질의 비율이 비교적 높은 강우 후 일정시간이
16 November 2015
24 8.8 1.2 0.18
Average removal (mg/L) 63.4 0.9 0.17
Average removal (%) 88.2 39.8 57.4
Fig. 9. Particle size distribution of the storm water sample dated 7 November 2015 and particulate fraction of nutrients (Seo et al. 2016a).
흐른 후에 채취한 샘플 또는 지전 강우에 의해서 고형 물질 의 축적이 비교적 높지 않은 경우에 해당된다고 추정된다.
Fig. 9는 Fig. 8의 실험에 사용된 시료에 대한 입도 분포 및 오염물질 별 고형 물질의 구성비율을 나타내고 있다.
TP의 고형 물질 구성 비율은 65.9%에서 47.7%로 TN의 경우는 40.6%에서 9.3%로 강우 유출 시작 후 시간이 경 과할수록 모두 감소되는 경향을 나타내고 있다. 또한 Fig.
9는 각 시료의 입도 분포를 나타내고 있다. 강우 초기의 입 도는 수 - 수백 μm의 범위를 나타내면서 비교적 높은 반면, 강우 유출 시간이 경과할수록 점차 작아지는 특성을 나타 내고 있다. 이러한 자료는 침강에 의해 또는 초기 강우를 여과로 처리할 경우 여과 장치는 100 m 이하의 입자를 제
거할 수 있어야 한다는 등 여과에 의해서 제거 가능한 부분 에 대한 정보를 제공하고 있다.
4. 강우 유출 종합 관리 시스템
ISTORMS (Integrated Stormwater Runoff Management System)
강우라는 사건은 일기예보를 통해 어느 정도는 예측할 수 있지만 실제로 현장에서 유량 또는 수질을 측정할 수 있 기 위해서 인력, 장비 등 필요한 여건이 마련되어야 한다.
이러한 이유에서 빗물 관련 자료를 확보하기 위해서는 자 동 모니터링 시스템이 반드시 필요하다. 초기우수 관리시
Fig. 10. Development flowchart of SuFiR (Sustainable First Flush Runoff Management System) and ISTORMS (Integrated Stormwater Runoff Management System) (Seo et al. 2016d).
Fig. 11. Graphic user interface of ISTORMS (Integrated Stormwater Runoff Management System).
스템 또한 예측하기 어려운 강우 상황에 대해 사용하는 것 이므로 자동으로 자료를 처리하고 실시간 작동 등을 위한 컴퓨터 시스템이 필요하다. 예를 들어 강우의 예측은 일기 예보 또는 기상청을 통해 매일 또는 매주 확보하고 예측되 는 강우를 입력 자료로 SWMM 도시 유역 수문 모델을 실 행하여 유량과 수질의 시간 별 변화를 예측하고 이 자료를 현재의 처리시스템의 상황과 비교가 되어야 한다. 수문 모 델을 이용한 유량과 수질은 실제 상황과 차이가 있을 수 있 으므로 실시간 자동 모니터링 시스템의 동시 사용이 바람 직하고 여기에서 확보된 자료는 추후 모델의 결과를 개선
하는 데에 사용될 수 있다 (Yin et al. 2015) (Fig. 10). Fig.
11은 강우 유출 종합 관리 시스템 ISTORMS (Integrated Stormwater Runoff Management System)의 사용자 편 의 시스템 화면의 예시를 나타내고 있다.
5. 결 론
본 연구는 강우에 의해 하천에 전달되는 오염부하량을 최소화하고 하천의 건천화를 저감시킬 수 있는 지속 가능 한 초기우수 관리 시스템 (SuFiR, Sustainable First Flush
시 하천의 수질에 미치는 영향을 최소화하기 위해 침전 시 설을 설치하는 데 있어서 설계 및 관리 기준을 개발하고 실 험을 통해 효율을 검증하는 내용을 보고하고 있다. 여기에 서는 모든 시료를 중력을 이용해 이동하도록 하여 시스템 을 유지하는 데 있어서 최소한의 에너지 및 비용이 소요되 도록 함을 물론 자연에 미치는 부작용을 최소화 할 수 있도 록 하였다. 특히 일기예보 및 모델링을 통해 관리가 필요한 물량을 사전에 예측하고 시설의 운영에 참고하도록 하며 처리가 필요하지 않는 강우는 사전 예측과 실시간 모니터 링 자료를 이용하여 하천으로 직접 방류하도록 하였다. 특 히 초기 강우 처리에 모든 시설을 지하화 하여 미관 또는 하 천 공간의 이용에 부작용이 또한 발생하지 않도록 고려하 였으며 이 시설은 유수지 바닥 등의 공간에도 설치가 가능 할 것으로 판단되며 특히 도시 하천의 수질 및 환경개선에 효율적으로 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
침전 장치는 저류 장치의 기능도 겸할 수 있으며 강우 후 처리수를 일정 기간 보관하였다가 하천의 수량 수질 모니 터링 시스템과 연계하여 하천에서 필요로 하는 경우 방류 할 수 있도록 설계할 수 있다. 각각의 시스템이 가지는 용 량은 하천의 유량을 공급하기에 의미 있는 양은 되기 어려 울 것으로 보이나 소하천의 우수거 유출구 곳곳에 다수 설 치할 경우 강우 종료 후 발생할 수 있는 하천의 건천화 현상 을 저감하는데 도움이 될 수 있다고 판단된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 건설기술혁신사업의 연구비지 원 (12기술혁신 C02)에 의해 수행되었습니다.
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