유역 및 하천 수질 모델의 결합 적용에 관한 연구

Abstract

유역에서 발생하여 공공수역으로 유입되는 오염물질은 발생과 유입형태에 따라 점오염원과 비점오염원으로 구분할 수 있으며, 하수처리율이 향상되고 경제활동 수준이 증가할수록 비점오염원이 수질에 미치는 영향이 높아지고 있다. 따라서 효율적 수질관리를 위해서는 비점오염물질의 양을 줄이기 위한 적절한 유역관리 대책이 필요하며, 이를 위해서는 비점오염원에 의해 발생되는 오염물질의 양을 정량적으로 예측하는 것이 우선적으로 요구된다. 비점오염원은 토지이용현황, 오염원의 분포 현황, 지형특성, 강우현상 등 지역적 특성에 따라 오염물질의 배출양상이 다르므로 이를 정량적으로 측정하고 예측하는 것이 배우 어렵다. 비점오염원에 의한 오염물질 부하량을 예측하고자 할 때 가장 널리 사요오디어 온 원단위법은 적용이 간편하나, 유역특성에 따른 오염물질의 배출 특성과 강우에 따른 오염물질의 유출과정을 고려하기 어렵다. 비점오염원 모델은 오염부하량을 예측하기 위한 가장 효과적인 도구로 유역 특성에 기초하여 토양침식, 오염물질의 축적과 유출, 기타 수질 변화요소 등을 결정하며, 오염물질의 발생 및 이동과정을 수문학적 상호작용에 의해 파악한다. 특히 분산형 비점오염원 모델은 유역의 특성을 공간적으로 반영하므로 더 정확한 부하량 예측이 가능하며, 비점오염물질 유출 제어를 위한 관리정책의 효과를 정량적으로 분석할 수 있다. 본 연구에서는 분산형 비점오염원 모델인 AGNPS 모델을 이용하여 유역에서 발생하는 오염부하량을 산정하고, 산저오딘 부하량 자료를 국내의 산지형 하천에 적합한 하천수질모델인 STREAM 모델에 결합 적용하여 하천의 수질을 재현하고자 하였다. 이를 위해 현재 수질오염이 심각하고, 유하거리가 짧아 팔당 상수원의 수질오염에 큰 영향을 미치고 있는 경안천을 대상으로 하였으며, 적용성이 검증된 두 모델을 바탕으로 유역관리의 시행에 따른 오염부하량 삭감 및 수질개선 효과를 예측하는 것을 목적으로 하였다. 연구대상지역은 경안천 발원지로부터 우산천 합류지점인 광동교에 이르는 구간으로서 유로 연장이 약 47.7km, 유역면적은 약 560km^2이다. AGNPS모델과 STREAM모델 적용을 위해 대상유역을 총 12개 소유역(본류 7개, 지류5개)으로 구분하였으며, 유역현황, 기상현황, 수리수문 현황, 오염원 현황, 환경기초시설 현황, 수질현황을 조사하였다. AGNPS모델의 적용을 위하여 경안천 유역을 1200×1200m^2 크기의 단위셀 405개로 이루어진 격자망으로 구성하였으며, DEM, Landsat TM 영상, 토양도 등의 자료를 이용하여 모델의 입력변수를 분석, 적용하였다. COD, TN, TP의 총 3개 항목에 대해 소유역별 배출부하량 및 유달부하량을 산정한 결과, 경안천 유역에서는 연평균 COD 13ton/day, TN 4ton/day, TP 0.5ton/day에 해당하는 오염물질이 배출되고 있으며, 경안천에 최종적으로 유입되는 오염물질은 연평균 COD 1.5ton/day, TN 1.8ton/day, TP 0.2ton/day로 나타났다. 비점오염원에 의한 오염부하량은 총 배출부하량의 59.2%~89.3%, 총 유달부하량의 16.6%~46.3%을 차지하고 있으며, 특히 COD의 경우 그 기여율이 매우 높게 나타났다. STREAM모델 적용을 위하여 대대천 합류점에서 우산천 합류점에 이르는 경안천 본류구간에 대해 15개의 구간(reach), 179개의 계산요소(element)로 구분하였다. AGNPS모델을 이용하여 예측된 오염부하량을 바탕으로 COD, TN, TP의 총 3개 항목에 대해 STREAM 모델을 보정 및 검증하였으며, 그 결과 경안천에 대한 STREAM모델의 예측값은 실측치를 비교적 잘 재현하는 것으로 나타났다. 적용된 AGNPS모델을 이용하여 저수기 이하의 유량조건을 갖는 4, 5월에 대해 경안천 유역관리에 따른 오염부하량 삭감효과를 예측하였다. 환경기초시설의 방류수 기준 강화에 따른 오염부하량 삭감효과를 예측하였다. 환경기초시설의 방류수 기준 강화에 따른 부하량 삭감량 예측 결과, 경안천 유역의 4, 5월 일평균 유달 부하량이 TN의 경우 42.4%, TP의 경우 22.8%이 삭감되는 것으로 예측되었다. 또한 수변구역의 녹지대 조성에 따른 부하량 삭감량 예측 결과, 4, 5월 일평균 유달 부하량이 COD의 경우 10.9%, TN의 경우 2.3% 그리고 TP의 경우 5.9%가 삭감되는 것으로 예측되었다. TN은 다른 수질항목에 비해 삭감율이 저조하였으며, 이는 TN의 오염부하량의 주된 원인이 하천으로 직접 방류되는 처리장의 방류수이므로 녹지대 조성에 따른 영향을 받지 않는 것으로 사료된다. 예측된 오염부하량 삭감량을 이용하여 유역관리 이후의 경안천 수질 변화를 시뮬레이션 한 결과, 모든 수질항목에서 수질개선이 효과가 나타나는 것으로 예측되었다. COD의 경우 수변구역의 녹지대 조성으로 인해 오염물질의 유입이 감소되므로 경안천 전 구간에서 수질개선 효과가 나타나며, 영양물질의 경우 경안천 수질오염에 큰 영향을 미치고 있는 용인하수처리장의 방류수 농도 저감으로 인해 매우 큰 수질개선 효과가 나타나는 것으로 예측되었다. 컴퓨터모델을 이용한 유역관리 효과의 사전예측은 최적유역관리기법을 도출하는데 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.;Sources of pollutants in watersheds are divided into point sources and non-point sources. Control of loads from non-point sources as well as point sources ins needed to improve water quality. This requires exact quantification of non-point source loads. Quantification and control of non-point source loads are difficult because they are changed by spatial distribution, soil type, topological characteristics, and land use/cover. In the past, the unit load method was generally used for quantification of waste loads. This method is, however, not has other expression because it can not reflect the runoff nature of non-point sources and can not estimate change in waste loads due to change in watershed conditions. Non-point source models are an effective tool to estimate non-point source loads and to predict the functional attributes of real systems. Especially, distributed non-point source models can estimate loads more accurately because they reflect the spatial characteristics of what and can analyze the effects of watershed management. In this thesis, the AGNPS model, a distributed non-point model, was used to compute the waste loads of Kyoungan stream watershed. The STREAM model, a water quality model, was combined with AGNPS model to simulate water qualties in Kyoungan stream. This thesis also estimated the effects of waste load reduction and water quality improvement under different watershed management plans by combining the AGNPS and STREAM models. In the AGNPS model, the Kyoungan stream watershed was divided into 405 grid cells. Each cell had the size of 1200×1200m^2. The input parameters of the model were estimated using DEM, Landsat TM imagery, soil map, and published literature on the Kyoungan stream watershed. Annual-averaged daily effluent loads were computed for COD, TN and TP: COD 13ton/day, TN 4ton/day and TP 0.5ton/day. Annual-averaged daily delivery loads were computed about COD, TN and TP: COD 1.5ton/day, TN 1.8ton/day and TP 0.2ton/day/ The contribution of loads from non-point sources to daily effluent loads ranged from 59.2% to 89.3%. And the contribution of loads from non-point sources to daily delivery loads ranged from 16.6% to 46.3%. Especially for COD, the contribution of non-point source loads to daily loads was high. In the STREAM model, the Kyoungan stream(35.8km) was divided into 15 reaches. Each reach as assumed to have uniform hydraulics and biochemical characteristics, and was subdivided into computational elements with 0.2km length. The STREAM model was calibrated with data for April and May in 1995~1999 survey, and was verified with data for October and November in 1995~1999 survey. The water quality parameters calibrated and verified in the STREAM model are COD(Chemical Oxygen Demand), TN(Total Nitrogen) and TP(Total Phosphorous). The results of the STREAM model showed reasonable agreement with field measurements. The AGNPS model estimated the reduction of waste loads by watershed managements. Enhancement of the effluent standard of wastewater treatment plants decreased nutrient loads in the range of 22.8% to 42.4%. Establishment of the riparian forest buffer zone decreased organic matter loads and nutrient loads in the range of 2.3% to 10.9%. The STREAM model estimated the water quality improvement based on the waste load reduction. With establishment of the riparian forest buffer zone, COD concentration in all bodies of Kyoungan stream decreased. By enhancing the effluent standard of waste water treatment plants, the effluent concentration of nutrients in the Yongin WWTP decreased greatly and the concentration of nutrients in all bodies of Kyoungan stream decreased. Using these results, BMPs(Best Management Practices) can be proposed when watershed management is planned.