수질오염총량관리제의 문제점과 개선방안에 관한 연구

Abstract

For decades, Ministry of Environment(MOE) Republic Korea has made a variety of efforts to enhance the water quality for the public supply. Nevertheless, water quality has continuously degraded, since the extant regulations which limit effluent concentration and land use could not effectively control the overall increase of total pollution load. To break through the difficulties, the government introduced the Total Water Pollution Load(TWPL) management system, which manages the allocatable pollution load of a watershed to be within its environmental capacity. However, it seems premature to enforce this new policy, for national consensus is far to reach and technical support is not fully prepared. Therefore, hasty employment of TWPL is somewhat threatening to bring about severe conflicts and problems. This study largely consists of two parts. In the former part, the TWPL management system was analyzed in all its aspects, which clear problems and suggest potential improvements of the policy. A few of concepts related to this innovative policy are vague in part or missing the point. First, the definition of the margin of safety should be expanded to include all possible uncertainties in planning allocatable loads and by doing so, it would be imposed more systematically. Second, target water quality should be distinguished from water quality standard, since it is rather temporary and pressing in its characteristics, whereas water quality standard offers the fundamental base. From a technological aspect, scientific selection of key pollutants, desirable application of water quality modeling and monitoring were examined into details. To keep up with the basic principle of TWPL, escaping from the current exclusive selection, key pollutants should be determined based upon the possible designated uses of a water body. For efficient modeling of water quality, not only are we supposed to establish more reliable pollutant data, but also the availability of various models should be expanded. So far, water quality has been monitored mainly in order to supervise whether the implementation of the plan is successful. However, monitoring should be also performed before the plan is implemented. In addition, in executing the policy, positive support of local administration and voluntary participation of the public is compelling. MOE would attract the interest of local residents by providing public education as well as publicity activities. Furthermore, MOE is required to form the cooperative relationship with the heads of pertinent cities and provinces. Introduction of the incentive system as an economic motive of the policy is controversial, since it might cause disputes in the matter of equity and lead to the deterioration of the water quality, if the incentive fetches another exploitation. In the latter part, a case study was carried out to realize the reasonable methodology of waste load allocation. The study area was Gwangju city involved in the Kyungan stream watershed, and was simulated by QUAL2K, a 1D steady state water quality model. A schematic diagram of the model was constructed for 18.8km and 20.6km segments of the Kyungan stream and the Gonjiam stream, respectively. The model calibration was performed using 2002 water quality data of MOE for DO, BOD, Chl-a, SS, NO3-N, NO2-N, NH3-N, TN, PO4-P, and TP. Validation of the model was executed in the same condition with the calibration, using 2001 data. With the properly founded model, the water quality in the year of 2007 was estimated. As a result, the expected concentration of BOD, 6.14mg/L turned out to exceed the target water quality of Gwangju City, 5.5mg/L. To achieve the target water quality, 5 waste load allocation methods, such as equal percent removal, equal percent incremental removal, equal effluent concentrations, equal concentrations removal, and percent removal proportional to effluent load were investigated. Consequently, equal effluent concentrations method was proved to require the least load reduction, while equal concentrations removal needed the largest. It was concluded that the selection of an allocation method influence more on individual dischargers than on the whole stream segment. Hence, detailed effects on individual dischargers, that is, 4 sewage treatment facilities located in the study area were examined by comparing the treatment costs among the allocation methods. The entire treatment cost of BOD load depends upon the cost of large-scale dischargers. If one point source has substantially higher influent levels, equal effluent concentrations result in higher overall treatment levels for that source. Equal concentrations removal methods seems to be against small-scale dischargers, while the proportionality rule is favorable to them. Equal percent removal might demand expensive treatment cost, especially burdening small sources with higher treatment level than needed. Last, sensitivity test was taken to evaluate the comprehensive security of the waste load allocation methods in the case a sudden disturbance of the water quality occurred. The changing rates of the BOD concentration was calculated responding to the change of BOD deoxygenation rate, BOD settling rate, and stream flow. For the change of BOD deoxygenation rate, every method showed identical altering rate, while the change of BOD settling rate led to unstable response of the percent removal proportional to effluent load method. The largest deviation was showed when stream flow change was applied. Among the methods, equal effluent concentrations method and proportionality method showed the least and the most sensitivity, respectively. This study aims at the multi-faceted consideration of the TWPL management system. Not only the analysis as a matter of policy, but a technological solution in search of the reasonable waste allocation methods was also suggested.;지난 수십 년에 걸쳐 정부는 수질 개선을 위하여 다각적인 노력을 기울여 왔으나 농도와 면적 위주의 규제는 오염배출업소 증가로 인한 오염총량 증가를 억제할 수 없어 수질목표 달성의 한계를 드러냈다. 기존의 사후적 관리방법을 극복하기 위해 정부는 유역 내에 위치한 모든 오염원에 의한 수질 영향을 관리하는 유역 중심의 수질관리 방법을 모색하기 시작하였다. 그 결과 과학적 토대 위에서 수계 구간별 목표수질을 설정하고, 그 목표수질을 달성‧유지하기 위한 허용부하량을 산정하여 해당 총량관리단위유역 내에서 배출되는 오염물질의 총량이 목표수질을 달성할 수 있는 허용부하량 이내로 규제 또는 관리하는 제도인 수질오염총량관리제도가 본격적으로 도입되기에 이르렀다. 그러나 제도의 이론적 고찰, 사회적 합의나 기술적 뒷받침 등에 대한 충분한 고려가 미처 이루어지지 않은 상태에서 제도가 시행되어 향후 많은 마찰을 야기할 것으로 예상된다. 본 연구는 크게 두 과정으로 구성되어 있다. 먼저 수질오염총량관리제도를 다양한 관점에서 분석하였다. 제도의 도입으로 등장한 개념들을 정립하여 이들이 내포하고 있는 오해 및 갈등의 소지를 지적하였으며 모호한 개념을 보다 명확하게 할 수 있는 수정안을 제시하였다. 수질오염총량관리제는 개념적으로 유사한 오염총량규제와 구별되어야 하며, 비점오염원 및 불확실성이라는 중요 개념이 누락되었으므로 의미의 확장이 이루어지도록 개선이 필요하다. 목표수질은 일시적이고 우선적인 관리목표라는 점에서 수질환경기준과 구별되어야 하며, 현재 중복 부과되고 있는 안전율에 대한 체계가 정립되어야 할 것이다. 기술적 측면에서는 수질오염총량관리제의 기본원리에 보다 충실할 수 있도록 대상물질의 과학적인 선정방법과, 모델링 및 모니터링 기술의 바람직한 적용방법을 모색하였다. 수질오염총량관리제도의 기본 원리상 획일적인 대상물질의 선정보다는 수체의 관리용도에 부합하는 지표의 선정이 바람직하며, 이는 현실에서의 적용가능성을 고려하여 점진적으로 추진되어야 할 것이다. 효과적인 수질 모델링을 위해서는 신뢰성 높은 오염원 자료의 구축이 선행되어야 하며, 가용한 모델의 종류를 확대해 나가야 한다. 한편 강우특성을 반영하여 비점오염부하량을 산출할 수 있는 유역모델의 사용이 적극적으로 검토되어야 한다. 현재 제도의 계획 과정에서 수질 모니터링은 사후 감시를 위한 목적으로 설계되었으나 사전 모니터링 및 모델링을 위한 모니터링으로 적용 범위가 확장될 필요가 있다. 또한 획득된 모니터링 자료를 전국적으로 관리할 수 있는 데이터베이스 관리 방법론이 개발되어야 한다. 또한 본 연구에서는 정책의 시행과정, 즉 목록화나 주민참여, 인센티브 부여 과정에서 발생할 수 있는 문제점을 분석하고 그 해결책을 타 국가의 유사제도, 특히 미국의 TMDL 제도와 그에 관한 선행연구에서 도출하였다. 목록화 과정은 제도의 시행에 당위성을 부여하고 과학적인 수체관리에 기여하므로 우리나라에 조속히 도입되어야 할 것이며, 본 제도는 자발적 주민 참여를 근간으로 하기 때문에 법적으로 주민 참여 과정을 보장하도록 제도의 개정이 필요하다. 인센티브는 제도의 시행 동력으로서 작용하지만 분배 과정에서 형평성의 시비가 일 수 있고 오히려 수질을 악화시키는 원인이 될 우려가 있으므로 지급 형태의 변화를 꾀할 필요가 있다. 본 연구의 두 번째 과정에서는 연구의 정책 분석 과정에서 제시된 개선방안 중 제도의 기본계획이나 시행계획 과정에 반드시 포함되는 수질모델링 기술의 최적화된 적용 방법을 구체적으로 실현하기 위해 사례연구로서 경안천 유역의 경기도 광주시를 대상지역으로 삼아 수리․수문학적 조건과 오염원특성에 적합한 오염부하량 할당 방법을 제시하였다. 하천 수질 모델은 1차원 정상상태 모델인 QUAL2K를 선정하였으며, 경안천 및 곤지암천 본류 각 18.8km, 20.6km에 대하여 모델을 구성하였다. 모델의 보정은 2002년의 환경부 수질측정망 자료를 통해 수행하였으며 DO, BOD 등 총 9개 항목을 모의하였다. 보정과 동일한 반응계수를 사용하여 2001년 환경부 수질측정망 자료에 대해 검증을 수행하였다. 이렇게 경안천 수계에 대한 적정성이 확인된 모델을 이용하여 2007년의 장래수질을 예측하였으며, 평수기 수질이 목표수질(BOD 5.5mg/L)을 상회하는 6.14mg/L로 모의되어 부하량 삭감이 요구되는 것으로 나타났다. 목표수질을 달성하기 위한 구체적 부하량의 할당방법으로서 동일 삭감율 할당법, 추가 부하량에 대한 동일 삭감율 할당법, 동일 농도 배출법, 동일 농도 삭감법, 배출량 비례 제거율 할당법의 다섯 가지 방법을 선정하였으며, 적용 결과 동일 농도 배출법이 가장 작은 삭감량을, 동일 농도 삭감법이 가장 큰 삭감량을 요구하는 것으로 나타났다. 또한 할당방법의 선택이 전체 유역보다는 개별 배출자에게 더 큰 영향을 미친다는 결론을 얻고 더 상세한 영향을 파악하기 위해 4개의 하수종말처리장을 대상으로 시나리오에 따른 처리비용 분석을 실시하였다. 그 결과 전체 비용은 대규모 배출시설에서 소요되는 처리지용에 의해 좌우됨을 알 수 있었고, 동일 농도 배출법의 경우 오염원의 배출농도 차가 현격할 때에는 적용이 부적절한 것으로 밝혀졌다. 한편 동일 농도 삭감법은 유출 수질이 양호한 배출자에게 불리하게 작용하며, 배출량 비례 제거율 할당법은 수질이 양호한 소규모 배출자에게 절대적으로 유리한 할당방법이다. 동일 삭감율 할당법은 전반적으로 높은 처리비용을 부과하며, 특히 소규모 배출자에게 필요 이상의 처리수준을 요구할 우려가 있다. 마지막으로 수질의 교란이 발생하였을 때 시나리오의 안정도를 평가하기 위하여 반응계수 및 유입유량의 변동을 이용한 민감도 분석을 실시하였다. BOD deoxygenation rate에 대해서는 모든 시나리오가 거의 동일한 변동율을 나타내었으나, BOD settling rate에 변동을 가했을 때 배출량 비례 제거율 할당법은 불안정하게 반응하였으며, 비교적 시나리오별 편차가 큰 유입유량 변동에 대해서는 동일 농도 배출법이 가장 낮은 민감도로 반응하였고, 배출량 비례 제거율 할당법은 가장 큰 변동율을 나타냈다. 본 연구는 시행 초기를 맞고 있는 수질오염총량관리제도에 대한 다각적인 고찰을 목표로 하고 있다. 정책적 측면에서 포괄적으로 문제를 제기하고 개선방안을 도출했을 뿐만 아니라 구체적 연구방법론으로서 수질오염총량관리제도의 시행에 있어 필수적 과정인 오염부하량의 합리적 할당방안을 모색하였다.