남한강 수계 소유역 단위 우선삭감 선정을 위한 수질모델 적용 연구

Abstract

본 연구는 개정된 「한강수계 상수원 수질개선 및 주민지원 등에 관한 법률」이 발표됨에 따라 한강수계에서도 수질오염총량관리제를 실시하게 된 배경에서 출발했다. 2004년도 경기도 광주를 시작으로 팔당호 주변 7개 시·군만 임의제로 시행했던 한강수계 수질오염총량관리제가 2013년 6월부터 한강수계 전 지역에 대해 시행됨에 따라, 체계적이고 세분화 된 유역관리로 목표수질에 도달하는 방안의 필요성이 강조되고 있다. 효율적인 수질관리를 위해서는 본류 수질에 유의한 영향을 미치는 유역과 실질적으로 삭감이 필요한 유역 등을 선택하여 집중적으로 관리해야 함에도 불구하고 현재 소권역별 수질관리 대책을 수립하는 방법이 체계화돼있지 않다. 「섬강 중권역 물환경관리계획」에서는 소권역 대책 우선순위를 선정하기 위해 배점표를 이용한다. 수질(BOD, T-P), 생태계 건강성, 단위면적당 부하량 등의 항목에 소유역별로 점수를 부여하고, 모든 항목을 합한 점수가 가장 큰 소유역을 우선 관리 소유역으로 결정한다. 과학적인 소단위 유역의 관리방안을 도출하기 위해 1차원 하천수질 모델인 QUAL2K를 이용해 삭감 우선순위 소유역을 선정하고자 했다. 한강수계 수질 보전을 위해 수변구역으로 지정된 충주조정지댐부터 팔당댐까지의 구간 중 QUAL2K를 적용하기에 적절하다고 판단된 충주조정지댐부터 흑천합류점까지를 연구 대상 구간으로 설정했다. 연구 대상 구간의 본류로 유입되는 주요 지류는 섬강, 청미천, 양화천, 복하천, 흑천 등이다. 연구 대상 구간에 속한 수계의 일반현황 및 수문·수질 현황을 조사했고, 대상 유역 내 본류와 지류의 장기간 수질 변화 과정을 분석하기 위해 LOWESS 방법을 적용했다. 또한, 대상 구간 내 유역의 오염배출부하량 현황을 분석했다. 총량관리단위유역과 소유역별 점 및 비점 배출부하량과 BOD, T-N, T-P 항목별 배출부하량을 분석했고, 단위면적당 배출부하량의 정도를 제시하는 배출부하밀도를 산정했다. 배출부하밀도 결과를 바탕으로 연구에서 모의하는 총량관리단위유역과 소유역 중 어느 유역에 점·비점, 또는 항목별 배출부하량이 밀집돼 있는지 알 수 있었다. 또한, 본 연구에서는 한강수계 내 정량적으로 산출된 유달율이 존재하지 않고, 현행 수질오염총량관리제에서 정의한 유달율 산정에 문제점이 있다고 판단해 유량과 배출부하량을 이용한 회귀식으로 유달율을 산정했다. 앞서 제시된 수질, 수문 및 배출부하량 자료, 유달율 등을 이용해 QUAL2K의 입력자료를 구축했고 2008년도, 2009년도 기준유량인 저수기 유량으로 모델을 보정 및 검증했다. 저수기 유량으로 구축된 QUAL2K로 점 배출부하량 삭감에 따른 소유역별 시스템 분석과 삭감 시나리오 분석을 시행했다. 시스템 분석을 통해 특정 수질측정 지점에서의 BOD, T-P 수질에 유의한 영향을 미치는 소유역을 선별하고 그 정도를 정량화해 특정지점 수질에 유의한 영향을 미치는 소유역 순위를 선정했다. 또한, 삭감 시나리오 작성을 위해 2009년도 배출부하량 자료와 기준유량인 저수기 유량을 이용하여 소유역별 현재 수질을 도출했고, 각 소유역의 현재 수질이 소유역이 속한 중권역 목표수질보다 낮을 경우 삭감 대상 유역에서 제외했다. 삭감 대상 유역으로 선정된 소유역과 시스템 분석 결과를 이용해 삭감 시나리오를 구성했다. 삭감 시나리오의 기준 목표수질은 본 연구 대상 구간이 속해있는 충주댐하류·섬강·남한강하류 중권역의 물환경관리계획 목표수질이다. 남한강하류 중권역에는 본류로 유입되는 주요 지류들이 존재하고 있으므로, 각 지류의 목표수질은 지류 말단의 소권역별 목표수질에 맞추는 것으로 설정했다. 각 중권역 및 소권역별 목표수질 달성을 위해 삭감 시나리오에서 선정된 소유역을 BOD, T-P항목에 대해 모두 적용했을 시 최종합류지점의 BOD와 T-P의 수질을 예측할 수 있었다. 또한, 삭감 시나리오를 통해 최종적으로 선정된 삭감 대상 소유역 내에서도 해당 소유역 수질에 유의한 영향을 미치는 행정구역을 찾았고, 각 행정구역의 배출부하량 특징을 분석했다. 읍·면·동 단위의 행정구역은 소단위 수질관리 지역의 개념으로 지자체에서 관리할 수 있는 실질적인 삭감 방안을 마련하고자 제시한 결과이다. 앞서 설명한 삭감 시나리오 분석을 통해 예측된 최종합류 지점의 수질은 남한강하류 중권역 목표수질에 미치지 못했다. 본 연구를 통해 현재 수질 상태에서 점 배출부하량 삭감만으로는 최종적인 중권역 물환경관리계획의 목표수질을 만족시키기는 어렵다는 결론에 도달했다. 현재 한강 수계의 점·비점 배출부하량 발생 비율과 종류 등이 크게 변화되지 않는 한 비점 배출부하량의 관리방안이 필요하다. 그러나 비점 저감시설에 대한 효율과 효과 등이 과학적으로 검증되지 않은 상태에서는 점 배출부하량 관리의 효율을 극대화하는 것이 우선이며, 사후 관리보다 사전 관리의 방향으로 비점 배출부하량 삭감 방안을 고려해야 할 것이다.;The background of this study was the establishment of Total Maximum Daily Load (TMDL) in Han river. The TMDL in Han river has been enforced in the seven selected regions; however, the TMDL will be enforced throughout whole regions in Han river beginning in June, 2013. Therefore, the needs for systematic and classified measure came to the fore again as the enforcement neared. To ensure the water quality of the river, it is important to identify and manage the certain basins that influence main stream and that require removal priory. At the moment, the systematic and classified management method has not been established in the Han river region. A Study for the “Water environment management plan for Seom river middle region” utilized a model for selecting evaluation weights for the water quality management method for each sub basin. Each sub basin was weighted according to the criteria including BOD, T-P, ecosystem healthy and pollutant discharge load by area to be selected as the priority sub basin for management of water quality. The QUAL2K, the 1stdimensional water quality forecasting model was selected to analyze the systematic management method of each sub basin. The section between the Chung-ju regulation dam and the junction of Heuk stream was selected through the consideration on the applicability of QUAL2K from the Chung-ju regulation dam and the Paldang dam, which is the water pollutant buffering zone of Han river. The main tributaries that influence the main stream include the Seom river, the Cheongmi stream, the Yangwha stream, the Bokha stream, and the Heuk stream. Hydrology and the water quality of the selected region were analyzed. LOWESS was utilized to analyze the long-term water quality changing process in the main stream and tributaries. After the analysis on the hydrology and the water quality was conducted, the current state of pollutant discharge load of the selected region was investigated. Point and non-point discharge load of basin for TMDL and sub basin was analyzed under following terms: BOD, T-N and T-P. Furthermore, pollutant discharge density, which provided pollutant discharge load per unit area, was calculated. Based on the result of pollutant discharge load density, it was possible to identify the section, where point and non-point discharge load was concentrated. The input data for QUAL2K model was obtained through the water quality analysis, hydrology analysis and the current state of discharge load. The data was adjusted with the flow of Q275 from the year of 2008 and 2009. Based on the adjusted QUAL2K model, system analysis of sub basin and removal scenario analysis were conducted. Through the system analysis, the sub basins that meaningfully affected BOD and T-P water quality were identified and the sub basins were ranked after the qualifying of the magnification. At the same time, current water quality was calculated with 2009 discharge load data and flow of Q275 to analyze removal scenario. The value of the water quality data from those sub basins, which appeared to have lower water quality value than expected water quality standard of middle region, were excluded from the scenario. The removal scenarios were composed with the results from the priority sub basin for removal. The water quality standard of middle region is the value established by “Water management plan for the middle region” of the Lower Chung-ju dam, the Seom river, and the Lower south Han river, where include the section that this study was conducted. Most of the tributaries of the main stream were located in the Lower south Han River. The BOD and T-P water quality of the final junction was figured by the BOD and T-P water quality of the sub basins selected from the removal scenario for attainment of water quality standard of each middle region and small region. Moreover, within the sub basins selected from the removal scenario, the administrative districts classified in administrative unit including Eup, Myeon, and Dong that affected the sub basins’ water quality were identified and the source of the discharge load of the administrative districts were analyzed. The Eup, Myeon, and Dong were administrative units for water quality management that provided practical removal method to each administrative district. The water quality of final junction from the mentioned removal scenario was behind of Lower south Han river expectation. This study indicated that it would be difficult to meet the expected water quality stated in “Water management plan for middle region” of the selected region with discharge load removal. The management plan of non-point discharge load is needed unless there are significant change in the source and the frequency of point and non-point discharge load in Han river. Since there is no systematic analysis on the efficiency and the effect of the removal facility of non-point discharge load, maximizing the efficiency of point discharge load management should come first. Moreover, for non-point discharge load removal, pre-management of non-point discharge load should be considered rather than post-management.