경안천 수계 유역관리 효과분석을 위한 HSPF-QUAL2K 모델 연계 적용에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 소규모 유역 단위에서의 유역관리에 따른 수질개선 효과를 예측해보고자 하였다. 유역관리를 통한 대상하천의 수질개선 효과를 분석하기 위해서 통합형 유역모델인 HSPF(Hydrological Simulation Program-Fortran)와 정상상태 하천수질모델인 QUAL2K를 사용하였다. 연구대상지역으로는 경안천을 선정하였고, 1999년 1월부터 2003년 12월까지 5년 동안을 적용하였다. 우선 HSPF를 이용하여 연구 대상 지역의 수량 및 수질을 재현하여 적용성을 검토하고 소유역 중심의 유역관리에 따른 수질개선효과을 예측하였다. 모델적용을 위해 지형조건과 수질측정지점에 근거하여 GIS기반 하에서 57개의 소유역과 하천망를 구성하였고 하천과 유역과 관련된 지형학적인 인자를 추출하였다. 경안천 유역에 적용될 토지이용형태를 총 6 유형(도시, 산림, 농경지, 물, 나지, 골프)으로 재분류하여 분할된 소유역에 대한 각각의 토지이용정보를 추출하였다. 기상자료는 경안천 유역에 인접해 있는 수원, 양평, 이천 기상관측소의 1999년부터 2003년까지의 시별 및 일별기상자료를 기상청에서 제공받아 이용하였다. 소유역별 점오염원은 한강환경관리청(1999)에 제시된 자료를 이용하여 산정하였다. HSPF의 PERLND Block과 IMPLND Block은 기상자료를 입력받아 유역에서의 유출량 및 비점오염 부하량을 산출하고, RCHRES Block은 유역에서의 비점오염 부하량과 하천으로 유입되는 점오염 부하량을 이용하여 하천에서의 수질을 예측하였다. 모의항목은 유량, 수온, DO, BOD, 질산성 질소, 암모니아성 질소, 총 유기질소, 총질소, 인산염 인, 총 유기인, 총인, 그리고 식물성 플랑크톤이다. 연구대상지역의 수질개선을 위한 유역관리 방안이 적절한지를 확인하기 위하여 수질모델을 적용하였다. 유역 모델에서 예측한 하천의 유량 및 수질결과를 수질모델의 입력자료로 사용하였다. 대상수계를 유역모델의 소유역 구분에 근거하여 전체 6개의 구간과 43개의 계산요소로 나누었다. 유량과 수온을 제외한 유역모델과 동일한 항목을 대상으로 대상 수체의 변화를 모의하였다. 유역모델과 수질모델의 적용결과, 경안천 유역의 수문 및 대상수계의 수질 경향을 비교적 잘 모의하였다. 특정 기간 내지 특정 구간에서 보이는 오차는 소유역별 자세한 측정자료나 지형에 대한 정보 부족, 모델 자체의 결함, 선행 모델 결과에서 발생한 오차로 판단된다. 유역모델과 수질모델의 적용성을 검토한 후, 경안천 유역에서의 유역관리방안에 따른 경안천 본류의 BOD 농도변화를 모의하였다. 첫째, 경안천 유역 내 심각한 오염을 보이고 있는 오산천, 직리천, 중대천, 목현천을 중심의 유역관리 활동을 통해 하천의 수질이 50% 개선되었을 경우, 경안천 본류의 수질개선 효과를 분석하였다. 둘째, 경안천 유역 내에 위치하고 있는 모든 환경기초시설의 처리율이 증가되고 방류수 기준이 강화될 경우 수질개선 효과를 분석하였다. 최종적으로 환경기초시설의 확충과 방류수 수질기준 강화 등의 정책과 4개의 소하천의 수질개선을 위한 소유역관리 활동이 병행될 경우, 경안천의 수질변화를 분석하였다. 경안천 수계의 BOD 농도는 환경기초시설의 높은 오염부하량에 많은 영향을 받기 때문에 수질개선 효과를 기대하기 위해서는 하수처리장에 대한 확충계획과 더불어 방류수 수질강화정책의 추진이 반드시 필요하다. 이에 더불어 경안천 본류의 수질개선효과를 극대화하기 위해서는 경안천 내 수질오염도가 높은 소유역들의 중점적이고 구체적인 관리를 통한 정화활동이 필요할 것으로 나타났다. 추가적으로 모델링 과정을 통해 강우시 합류식 하수관거의 월류수에 의한 일시적이지만 단기간 높은 부하변동을 보이는 수질악화문제를 확인하였다. 강우시 경안천 수질악화문제를 해결하기 위해 월류부하량 처리방안이 기술적으로 더 고려되어야 할 것이다. 본 연구는 경안천 유역을 비롯한 타 지역의 여러 소유역에서 해당 유역 이해관계자들의 실천적 유역관리 활동을 유도하는데 과학적 근거자료로 이용할 수 있을 것이다. 이는 정부가 향후 유역관리 정책을 수립하고 시행하는 데 있어 해당 유역 주민들의 유역관리에 대한 의식을 전환시킬 뿐만 아니라 유역관리 정책의 지체나 혼란을 방지하고 주민들로부터의 동의를 얻어내어 정책집행의 시너지 효과를 창출할 것이다.;To management our valuable watershed effectively, it is necessary to focus on sub-watersheds with serious environmental problems which are excluded from watershed management policies of government agencies. Also it is important to plan management strategies concerning the water resource to be most suitable for the characteristics of the sub-watersheds. This research presents the effectiveness of the sub-watershed management programs with local participant groups on the control of water quality using computer model. A watershed model, HSPF and a water quality model, QUAL2K were applied to the study area, the Kyoungan watershed for 1999-2003 years. To establish the watershed model, the study watershed was divided into 57 sub-watersheds and then stream networks were generated using the DEM data and BASINS Delineation Utility. Using land use data and the BASINS Land Use Utility, land use was reclassified as six types and land use division was perform for each sub-watershed. Meteorological data and point source and loading data were also required. Flow, temperature DO, BOD, nitrate, ammonia, total organic nitrogen , total nitrogen, ortho-phosphate, total organic phosphate, total phosphate, phytoplankton were simulated. To make certain that pollutants within the watershed was properly managed to improve water quality in the stream, a water quality model, QUAL2K was applied to the Kyoungan stream. Simulated streamflow and water quality results of a watershed model is imported to QUAL2K. The objective stream system was divided into 6 reached and 43 computational elements based on the watershed delineation. The model simulated the same categories that the watershed model did except for streamflow and temperature. In the result of model application, the model estimated hydrology and water quality trend in the study area well. Some errors in the model results were caused by the lack of full measured sub-watershed data and hydraulic structure data, defects in the model, and the effect of the error in a prior modeling. This study estimated how the BOD concentration of the stream would be effected by the sub-watershed management plans in the Kyoungan watershed. The HSPF model and the QUAL2K model estimated the water quality improvement based on the BOD load reduction. Several scenarios were made and simulated. First scenario was that BOD concentration in tributaries such as Osan tributary, Jingni tributary, Choongdae tributary, Mokhyun tributary reduced up to 50% through watershed management activities. The improvement of water quality of tributaries decreased yearly mean BOD concentration in the range of 15% to 20% in the Kyoungan main stream. Also improvement in BOD concentration was more effective in the dry season. Second scenario was that the capacity of wastewater treatment plants was expanded and enhanced water quality standard for the treated effluent was set for BOD of 5 mg/l. The improvement in sewage treatment system decreased the effluent load of BOD from the wastewater treatment plants, especially Yongin WWTP and yearly mean BOD concentration in all bodies of Kyoungan stream by nearly 50%. Final scenario was that sub-watershed management activities and improvement in wastewater treatment plants came together. BOD concentration in Kyoungan main stream decreased by more than 60%. In conclusion, The improvement in sewage treatment system was essential factor to improve water quality in Kyoungan stream , including BOD concentration. To maximize water quality improvement, strategic watershed management plans and activities in sub-watersheds was necessary. Additionally, it was suggested that CSOs control strategies on the Kyoungan watershed under rainfall conditions be achieved to make further better water quality in the Kyoungan Stream. This research will give scientific information to derive that anyone who can impact or is impacted in the watershed voluntarily participates in watershed management activities. Also when the central government or the local government plans and implements watershed management policies, the research results will contributes the government agency to gain a agreement from citizens who live and work in the watershed.