복원 청계천의 수질 예측 모델 연구

Abstract

서울에 위치한 청계천은 도시화, 산업화로 인하여 복개된 채 수십년동안 도로와 상업지로 사용되어 오다가 현재 친환경적인 하천 및 수변구역정비를 목적으로 복원사업이 진행되고 있다. 청계천은 평상시 유량의 흐름이 거의 없는 하천으로 복원 후 하천의 기능을 유지하지 위하여 유지용수의 공급이 필수적이다. 따라서, 서울시는 경관, 생태계, 친수기능 등을 고려하여 하천유지유량 공급량으로 93,700 ton/day을 산정하였고, 목표수질은 BOD 3 mg/L이하, TN 10 mg/L이하, TP 1 mg/L이하, DO 5 mg/L이하 등으로 계획하였다. 그리고 유지용수 공급을 위하여 자양취수장의 한강원수, 중랑하수처리장의 고도처리수, 그리고 지하철역의 용출 지하수를 고려하여 청계천의 총 11지점에서 공급하도록 계획하였다. 본 연구에서는 우선, 비강우시 수질 예측을 시행하였다. 복원계획에 의한 청계천의 수질예측을 위하여 공급수의 종류에 따라 5가지 시나리오를 계획한 후, 최적 유지유량 공급방안을 도출하기 위하여 QUAL2K 모델을 적용하였다. 하천을 복원시점부터 22개의 구간으로 분할하고 계절별 차이를 분석하기 위하여 1, 4, 7, 10월로 구분하여 모델을 적용하였다. DO, BOD, TN, TP, Chl-a 수질항목에 대한 결과를 예측 및 분석하였다. 유지유량의 최적 공급방안을 도출하기 위하여 QUAL2K 모델을 적용한 결과, 계획한 모든 시나리오가 각 수질 항목의 목표수질을 만족시키는 것으로 나타났으나 부영양화방지 측면을 고려할 때, 한강원수를 적용하는 것이 고도처리수를 적용하는 것보다 적합한 것으로 예측되었다. 그리고 수질의 계절적인 차이가 나타나는 한강원수를 공급할 경우에는 갈수기 BOD관리가 요구되며 부영양화에 TP가 제한 요소로 작용하는 것으로 분석되었다. 또한 청계천의 수질 변화는 공급지점의 공급수 수질의 영향이 큰 것으로 나타났기 때문에 하천내의 수질 반응뿐 아니라 공급수의 양호한 수질 확보가 이루어 져야 할 것이다. 청계천 유역은 도시지역으로, 대부분 합류식 하수관거를 사용하고 있다. 평상시에는 우수만 관로를 통해 전량이 하수처리장으로 유입되지만, 강우가 발생하면 우수와 하수가 함께 차집되기 때문에 월류수가 발생할 수 있다. 그러므로 복원 후 친환경적인 하천 기능을 유지하기 위하여 강우시 발생되는 월류수에 의한 수질 악화 문제를 고려해야할 것이다. 본 연구에서는 CREEK-1시스템을 적용하여 강우시 발생하는 월류수에 의한 청계천의 수질 변화를 예측하였다. 배수체계의 특성에 따라 청계천 유역을 18개의 소유역으로 나누고 DEM, 토지이용도와 토양도를 분석하여 청계천 유역의 유출수량 및 유출수질의 재현성을 검토하였다. 소유역 구분을 근거로 하천을 14개의 구획으로 구분한 후, 강우시 월류수에 의한 수질 변화를 예측하였다. CREEK-1시스템을 적용하여 강우시 월류수에 의한 수질 변화를 예측한 결과, 월류를 발생시키면서 작은 강도의 강우일수록 수질이 나빠지는 것으로 예측되었다. 이는 강우강도가 클수록 하수가 우수에 의해 희석되는 효과가 나타나기 때문이다. 그리고 상류에서 발생하는 월류수가 하류의 수질에 미치는 영향이 시간적으로 차이가 있기 때문에 하류의 지점의 여러 시점에서 첨두값이 나타났다. 또한 첨두의 크기가 각각 다르게 나타났는데 이는 각 소유역에서 발생하는 월류수의 오염 부하량의 차이 때문으로 판단된다. 이와 같이 강우시 각 소유역에서 발생하는 비점오염원과 하수에 의한 월류수가 청계천의 수질에 미치는 영향을 분석하였으며 이는 강우시 청계천 수질 관리에 활용 될 수 있을 것이다. 본 연구는 QUAL2K모델과 CREEK-1시스템을 적용하여 비강우시와 강우시로 구분하여 복원후 청계천의 수질 변화를 예측하였으며, 청계천의 복원 계획뿐 아니라 복원 후 수질관리를 위하여 유용한 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

; For many years, the Chunggae Stream in Seoul, Korea has been covered and used for roads and downtown area. Recently, the City of Seoul planned its restoration for a environment-friendly stream and watershed. This study aims to predict water quality in the Chunggae Stream altered by on-going restoration project. In the restoration plan, artificial stream flow of 93,000 ton/day is designed to supply water the Chunggae Stream which is intermittent in order to maintain functions as a stream considering landscape, ecology etc. The criteria for water quality was set for DO of 5 mg/L, BOD of 3 mg/L, TN of 10 mg/L, TP of 1 mg/L. In order to predict water quality in dry seasons and to determine the optimized way for water supply, five scenarios were examined for considering the selection of water source, the Chunggae Stream was divided into 22 reaches and the QUAL2K was applied to predict the water quality. Changes in water quality of DO, BOD, TN, TP, Chl-a at four representative months were simulated to analyze seasonal variations. Simulated results that the utilization of the Han River as a main source for water supply was more compatible with consideration of eutrophication, while all scenarios satisfy criteria for water quality such as DO, BOD, TN, TP, Chl-a. The water quality of the Han River is seasonal, so the Han River is necessary to manage BOD for supply during dry season. And as the result of N:P, TP is a limiting factor for the eutrophication in the Chunggae Stream. The reactions of water quality influence on the water quality in the Chunggae Stream, more importantly the water quality of supply source influence on the water quality. During rainy seasons, over flow from the combined sewer system due to inflowing runoff aggravate water quality in the Chunggae Stream. In order to predict changes in water quality during a rain event, the CREEK-1 system was applied by dividing the study into 18 sub-watershed according to topography and drainage system. Data from a digitized elevation map were utilized in characterizing the watershed and stream, and the characteristics for landuse and soil were estimated by the analysis of landuse and soil map using GIS tool and published literature. In the results of the CREEK-1 application for the water quality prediction by CSOs, the smaller rainfall with surcharge aggregated water quality by dilution. The peak of water quality appears at several times because there are differences with the distance each sub-watershed. And the values of peak is different each time. It is resulted from the loads differences of CSOs originated with each sub-watershed.