한강수계 수질오염총량관리제 기준유량 설정을 위한 유황분석에 관한 연구

Abstract

The Korean government has adopted numerous methodologies to improve the water quality of the Paldang Lake. However, those methodologies have not been proved to be effective in managing the water quality, since the pollution load has significantly increased recently. Thus, the government decided to adopt the Total Water Pollution Load (TWPL) Program instead of the existing regulation. The TWPL Program is designed to set the water quality target which considers the uses of public waterways, thereby achieving the target by allocating permissible loads from watersheds. Currently, the standard flow is defined as a 10-years average low flow. However, the basis of the definition lacks reasonability and accuracy mainly due to shortage of data. Therefore, re-definition of the standard flow is compelling. This study presents efficient methods to estimate standard flow, using flow data, rating curve and monitoring stations located in the Han River watershed. First, the monitoring stations were classified by the influence of a dam on them. If the monitoring stations did not have measurements, we estimated flows by rating curves. Then the flows determine certain flow-durations. Next, a frequency analysis was carried out based on the flow-durations, using the GEV(Generalized Extreme Value) and the L-moment methods. An on-site frequency analysis was applied to the data, gained from the stations of main streams, and a regional frequency analysis was performed for the stations of tributaries. We derived empirical equations from the results, which could explain the relationships between flows and surrounding areas. Since the values of R2 (coefficient of determination) of the equations ranged from 0.64 to 0.96, they are considered to be reliable. In addition, the flow-durations were analyzed for 39 unit areas using the derived equations. However, the accuracy of the results cannot be verified at this stage, since comparable data do not exist. Among the results, data from monitoring stations, located near the dam showed unexpected flows―slight declines. Thus, the use of watershed modeling is might be necessary to reinforce the amount and the accuracy of data. As a subordinate research, we analyzed the relationship between a flow and pollutant loads(BOD, TN, and TP). The result shows a proportional relationship between the flow and pollutant loads. Furthermore, a small dissimilarity of a flow led to large differences of pollutant loads, which presents the importance of standard flow in managing the TWPL program. In conclusion, methods for estimating the river flow, based on the frequency analysis, have enough reliability to be commonly used. In addition, we could recognize the importance of standard flow by identifying the relationship between flow and load. This paper is expected to contribute to give an important information on estimating the standard flows in establishing the TWPLs.;정부는 수도권 상수원인 팔당호의 수질개선을 위해 각종 토지이용규제와 환경기초시설 확충에 막대한 노력과 예산을 투자하였지만, 해당지역의 사회ㆍ경제적인 여건으로 인해 규제미만의 오염원이 난립하고 지역주민의 불만이 생성되었다. 이런 오염원 증가에 따르는 수질악화를 방지하기 위해 개별 배출원을 제어하는 종래의 농도규제에서 유역의 배출량을 목표수질 한도로 관리하는 오염총량관리제도를 도입하였다. 수질오염총량관리제는 공공수역의 용수목적 등에 맞는 목표수질을 설정하고, 해당 수계의 배수구역에서 배출되는 오염부하 총량이 목표수질을 달성할 수 있는 허용량 이하가 되도록 관리하는 제도이다. 현재 기준유량은 10년 평균 저수량으로 정의되어 있지만 그에 대한 근거는 미약하고, 저ㆍ갈수기 자료의 부족으로 부정확한 기준유량을 산정하게 된다. 이런 부정확한 자료는 간접적으로는 목표수질 수립에, 직접적으로는 허용부하량 산정에 문제를 야기시킨다. 따라서 본 연구에서는 목표수질 설정 및 오염부하량 할당에 이용될 한강수계의 특성이 고려된 수계구간별 유량을 산정하고자한다. 즉 기준유량 산정의 기초 작업으로 수계구간별 장기 유출량을 산정하고 재현기간별 유황을 모의하여 기준유량 설정의 방향을 제시하였다. 먼저 한강수계 유역의 수환경 특성, 기존 유량측정자료 조사, 유황 등 유량 산정을 위한 기반자료를 수집하였다. 각 관측소의 유량은 댐에 의해 많은 영항을 받으므로 영향 여부에 따라 관측소를 분류 하였고 해당지점의 수위자료에 대한 신뢰성을 검토하여 수위-유량곡선식을 이용, 유량을 산정하였다. 이때 실측된 유량자료가 있는 지점의 경우는 유량환산보다는 유량연보에 실린 실측유량을 이용하여 유황분석을 하였다. 유량 관측지점에서의 유효유량자료를 구한 다음 GEV 분포, L-모멘트 방법을 사용하여 빈도해석을 수행하였다. 댐 영향이 없는 유역은 지점빈도해석과 지역빈도해석을 동시에 수행하였다. 그 결과 지역빈도해석이 더 효율적이고 안정적이라는 판단이 들어 댐 영향이 없는 지점은 지역빈도해석만 시행하였다. 각 빈도해석 결과와 유역면적과의 상관관계를 통해 경험식을 산출해보면, 지점빈도해석은 이상치를 판단하는 기준이 엄격하게 적용되지 않아 유량에 따라 이상치를 보이는 지점들이 차이가 있었다. 경험식의 신뢰도는 2.33년빈도를 기준으로 저수량의 R2가 0.70으로 가장 낮고 풍수량의 R2가 0.82로 가장 높은 값을 보인다. 댐 영향이 있는 유역은 지점빈도해석만 시행하였다. 지역빈도 해석은 불일치척도와 이질성척도에 한계가 무엇인지에 대한 기준이 분명하기 때문에 지점빈도해석보다 이상치로 판단되어 제거되는 지점의 수가 많았다. 또한 한지점의 자료만 가지고 빈도해석을 시행하지 않고 동질한 성격을 띄고 있다고 판단되는 지점들의 자료와도 상호 연결하여 빈도해석을 수행하므로 분석될 자료의 수가 많아진다. 이런 이유로 10년 빈도의 유량 값들도 음수가 나오지 않았다. 각 빈도해석 결과와 유역면적과의 상관관계를 통해 경험식을 산출하면, 2.33년빈도를 기준으로 했을 때 갈수량의 R2는 0.72, 저수량의 R2는 0.80, 평수량의 R2는 0.79, 풍수량의 R2는 0.64로 풍수량을 제외하고는 신뢰성이 크다고 판단된다. 추정유황곡선과 실측유황곡선을 비교하여 산정된 유황의 재현성을 검토한 결과 갈수량, 저수량, 평수량, 풍수량 모두 다소의 차이를 보이는 것으로 나타났다. 이에 대한 원인은 여러 가지가 있겠지만 자료의 부족과 부정확, 각종 용수 사용의 고려하지 못한 것에 기인한 것으로 보인다. 하지만 산정된 경험식의 R2값이 0.64～0.96로 비교적 유량과 면적과의 관계를 잘 모의하고 있는 것으로 판단된다. 산정된 경험식으로 한강수계 39개 단위유역에서의 유황을 분석하였다. 분석한 결과를 기존의 기준유량과 비교한 후 타당성과 재현성을 판단하는 것이 옳지만, 한강수계 중 광주시만 오염총량관리제를 시행하고 있어 단일 비교가 힘들고, 다른 단위유역에 해당하는 유량도 관련 연구의 부재로 타당성을 판단하기 힘들었다. 결과를 살펴보면 본류를 포함하고 있는 유역 중 몇 지점이 댐 건설후의 유량이 감소한다고 나타났다. 이는 유효유량자료의 수가 작아 이런 현상이 일어난 것으로 판단되며 유역모형을 구축과 같은 작업으로 자료의 수를 증가시키면 보완 될 것이라고 사료된다. 또한 오염총량관리제의 유량측정망을 이용하여 측정된 유량과 수질 분석 결과로 단위유역별 유량과 부하량의 관계를 분석하여 수질과의 연계성을 검토하였다. 그 결과 BOD, TN, TP 부하량은 유량과 지수관계를 보였으며 미세한 유량의 차이가 BOD, TN, TP 부하량에 미치는 영향은 큰 것으로 나타났다. 이는 현재 구축된 자료의 수가 적어 그 정도의 파악이 미비하기는 하나 오염총량관리제의 허용부하량 산정시 기준유량이 매우 중요하다는 것을 확인시켜준다. 본 연구는 기존의 기준유량에서 “빈도”와 “평균” 개념을 강화한 것으로, 비유량법을 사용하여 유역면적 자료만 있으면 누구나 한강 수계 말단에서의 유량을 산정 할 수 있어 유량자료 확보를 쉽게 하였으며, 수질기준과의 연계성 검토로 부하량 산정시 기준유량의 중요성 부각시켜주는데 의의가 있다. 오염총량관리제도의 핵심내용인 목표수질 확립을 위한 모델의 기초자료와 허용부하량 산정에 요긴하게 활용될 것으로 기대된다.