강우사상에 따른 토지이용별 비점오염원 부하량 산정 함수 연구

Abstract

효과적인 수질 관리를 위해서는 오염원에 대한 관리가 필요하며, 오염물질은 발생과 유입형태에 따라 점오염원과 비점오염원으로 구분할 수 있다. 점오염원은 발생원과 흐름의 경로가 비교적 명확하기 때문에 상대적으로 오염부하량 산정이 용이하며 처리시설의 운영으로 저감되고 있는 반면, 비점오염원의 경우는 강우 특성과 지표의 수리, 수문학적 특성과 연계되어 이를 파악하는데 많은 어려움이 따르고 있다. 수자원의 보호를 위해서는 점오염원의 제어뿐만 아니라 비점오염원의 제어가 중요한 시점에 있다. 이러한 비점오염원의 효과적인 관리를 위해서는 비점오염원에 의해 발생되는 오염물질의 양을 정량적으로 예측하는 것이 필수적이다. 비점오염원 부하량 산정을 위해서 여러 가지 방법들이 제시되고 있으며, 그중 원단위법은 통계적으로 구해져, 적용이 간편하다는 장점으로 인해 가장 많이 사용되고 있다. 그러나 원단위는 평균적인 것으로, 지역성과 시간적 변이를 나타내는 데에는 무리가 있다. 또한 기존 원단위를 산정함 있어서도 일시적인 시간에 자료를 이용하여 통계적인 방법으로 산정 하였기 때문에 실제 연구지역에 대한 부하량 산정에서도 오차가 발생한다. 또한 우리나라와 같이 연별, 계절별로 강우량의 변이가 큰 경우, 현재의 단위 시간당 단위 면적당 배출량개념의 원단위를 사용하는 것은 강우의 변이를 고려할 수 없는 문제점을 가지고 있다. 그럼에도 불구하고 원단위법의 간편성은 배제할 수 없다. 그러므로 본 연구에서는 우선 해당지역에 대한 비점오염 부하량을 정확하게 예측하기 위하여 가장 효과적인 도구인 유역모델을 사용하여 결과를 분석하고 강우개념을 도입시켜 강우사상에 따른 토지이용별 배출되는 부하량 추정을 목적으로 하였다. 연구 대상지역은 남한강유역 내, 두 개의 유역으로 경기도 여주군 산북면에 위치한 용담천과 경기도 이천시 부발읍에 위치한 죽당천 유역이다. 해당유역의 특성을 반영할 수 있고 연구목적에 부합하며, 기존의 자료를 충분히 활용 가능한 SWMM (storm water management model)을 선정하였다. 해당유역의 강우시 유출수 유량과, 부하량 산정을 위하여 SWMM 모형의 여러 Block중 강우를 구성하는 Rain Block과 Runoff Block을 이용하였다. 해당유역에 특징을 반영하기 위한 지형자료 추출을 위하여 DEM을 분석하여 유역을 구분하였으며, 면적과 경사도 등 유역에 대한 정보를 추출하였고 지리정보시스템을 사용하여 토지이용도를 분석하였다. 그 외 다른 자료를 참고로 시간당 강우자료를 이용하여 해당유역의 2002년 7월중 발생한 2번의 단일 강우사상을 대상으로 해당유역의 유출수 유량을 모의하였다. 동일한 시기에 실측된 자료를 이용하여 보정과 검증을 실시하였으며, 이 결과 실측치와 예측치가 적절히 일치하여 모델이 유역의 특징을 잘 반영하고 있음을 확인하였다. 또한 동일한 시기를 대상으로 대해 용담천과 죽당천 유역에 대한 오염물질 유출 부하에 대한 보정과 검증을 실시하였다. 보정 및 검증된 항목은 BOD, TN 그리고 TP이며 죽당천 유역에 예측치는 실측치를 비교적 잘 재현하고 있는 것으로 나타났다. 이러한 결과들을 바탕으로, SWMM 모델이 실제 유역의 현실을 잘 반영하고 있다는 것을 확인한 후, 강우사상에 따른 토지이용별 배출되는 부하량을 추정하기 위해 강우를 가정하여 모의하였다. 이를 위해 과거 1997 ~2001년, 5년간의 일 강우 자료를 이용하여 강우 분석을 수행하였으며 일 총 강우량을 가정하고, huff의 방법을 이용하여 강우를 시간별로 분포시켰다. 이러한 기상 자료를 이용하여 복합토지이용을 가진 죽당천 유역의 토지이용을 단일 형태의 논, 밭, 산지로 변화시켜 모의하였으며, 죽당천 유역 면적으로 나누어 강우당 면적당 부하로 환산하였다. 강우사상당 배출되는 부하량 결과를 회귀 분석하였으며, 여러 가지 식을 이용하여 회귀 분석한 결과 지수식의 상관계수가 0.9이상의 높은 결과를 나타내었다. 현재 사용하고 있는 원단위가 강우 발생여부에 상관없이 동일한 시간적 개념으로 오염물질이 배출되고 있다고 가정하고 있는 것에 반하여 계절적으로 강우량의 변이가 큰 우리나라에 경우, 강우개념이 고려되어야 하는 것은 필수적이다. 따라서 일 강우량과 유역 면적을 이용하여 이러한 부하량 산정함수 식에 적용하면 비교적 간단하고 정확하게 유역의 배출 부하량을 정량화하여 목표수질을 달성하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다. ; Source of Pollutant in watersheds are divided into point sources and non-point sources. Control of loads from non-point sources as well as point sources are needed to improve water quality, this requires exact quantification of non-point sources loads. Quantification and control of non-point sources loads are difficult. Because they are changed by special distribution, topological characteristics, land use and rainfall type. The unit loading method was generally used for quantification of non-point source pollutant loading. Unit loading(kg/㎢/day) means effluent loading mass per unit area per unit time. This method is used for average concept, because it is hard to reflect for watershed characteristics and seasonal variation. But in our country, the amount of rainfall is changed by the time of the year. In this study, Non-point sources model is used for estimation of NPS(non-point sources) loadings more accurately and non-point pollutant loading function is calculated considering land use and rainfall amount. Study area were yongdam and Juckdang river watershed in Namhan-river. SWMM(Storm water Management Model) was selected for analysis of runoff flow and non-point source loadings. SWMM can be performed both single event and continuous simulation. It is consist of blocks, among the blocks, Rain Block and Runoff Block was used. The Input parameters of the model were estimated using DEM(Digital Elevation Map) and digital subject Map. Area, slope and land use type of watershed were analyzed with WMS(wathershed modeling system) and GIS(Geological Information System). Also, rainfall data per hour was used in rain block input. The subject of two other rainfall event of July in 2002, runoff flow and NPS loading were simulated. Using the surveyed data, calibration and verification were achieved. The calibration procedure included use of measured or estimated parameters in the field as well as adjustment of some parameters to match better the model predictions with measured quality and quantity data. Effluent loads parameters were BOD, TN, TP. The result of model showed reasonable agreement with field measurements. SWMM is generally performed well in predicting both the runoff flow and NPS loading parameters. These result was represented that Model was reflected in real watershed characteristics. For estimating of effluent loading according to land use, rainfall event was assumed. For rainfall event assumption, rainfall data for the past five years of 1997 ~ 2001 was analyzed. Rainfall was classified by total amount per day and distributed by Huff s method. And mixed land use types of Juckdang were changed for singler type, which was field, paddy, forest. Simulation was conducted for each assumed rainfall event according to land use type. Result of effluent loading was translated unit area loading. using this result, regression analysis was conducted. Especially, exponential rainfall-loading equation have higher coefficient of determination of over 0.9 . The present unit loading method is used average time concept without rainfall. But our country, rainfall is variable according to the season. Because it is necessary to consider for rainfall concept by time. Using estimated function, It is possible to easily and exactly quantify of NPS loading according to land use influenced by rainfall.