1. 서론
우리나라에서 대표적인 인공호수인 대청호는 2015 대전광역시 추동취수장을 통하여 하루 150만 명, 한국수자원공사 문의취수장을 통하여 청주시 등 하루 77만 명이 마시는 상수원으로 이용되고 있다. 이러한 대청호에서는 조류경보제가 도입된 1998년 이래 매년 조류주의보가 발령되었으며, 여름철에는 조류발생에 따른 수질문제가 지속적으로 대두되고 있다(National Institute of Environmental Research, 2011). 조류는 유기물 및 영양염류, 수온·일조량과 같은 유역환경 조건과 같은 요인이 복합적으로 작용하여 발생되고 있으며(Park, 2005; Shin et al., 2003), 대청호는 지형적 특성상 길고 완곡부가 많으며 흐름이 유입량과 방류량에 따라 통제되기 때문에 조류의 공간적 분포는 매년 다르게 나타나고 있다(Yoo et al., 2006).
주요 상수원인 대청호에서는 비가 많이 내리는 7월부터 9월까지 여름철에 영양염류의 유입과 축적에 의하여 내부 생산성이 증가되고, 독성을 갖는 남조류가 나타나고 있다. 이러한 조류의 발생은 정수장의 여과기능을 방해하여 수처리 기능을 저하시키거나 일부 수돗물에서 이취미를 나타내기도 한다. 용담댐 하류부부터 대청호까지 유역으로부터 유입되는 하천은 가산천, 소옥천등 총 9개 하천으로 구성되며, 이중 소옥천이 대청호의 수질에 미치는 영향은 BOD 기준 81%, T-N기준 72%, 및 T-P기준 72%를 차지하고 있어 대청호에 미치는 수질오염 영향이 대단히 심각함을 알 수 있다. 한편, 소옥천 유역내 수질오염원 별로 살펴보면 소옥천 유역의 전체 배출 부하량 중 비점오염원이 88.3%를 차지하고 있어 가축분뇨로 대별되는 토지계와 축산계의 비점오염원 관리가 매우 중요하다. 따라서 대청호 본류의 녹조발생 저감을 위해서는 소옥천에 대한 실효성 있는 수질개선 대책이 요구되며, 효과적인 수질개선 대책수립을 위해서는 소옥천 유역의 가축분뇨오염분포도를 분석하고 이들 물질이 하천에 미치는 영향 등을 분석하여 실효성 있는 대책 마련이 시급한 실정이다.
본 연구에서는 대청호 녹조현상의 주요 원인인 소옥천 유역의 가축분뇨 발생량과 주변 수환경 수질오염 농도와의 상관관계를 규명하여 지역별 우심지역에서의 가축분뇨 삭감량을 산정하여 시나리오별 수질개선 효과를 분석하므로써 향후 이를 바탕으로 적절한 비점오염 관리방안을 모색할 수 있는 기초자료를 제공하고자 하였다.
2. 수질분석모형의 구축
2.1 소옥천 수질 현황
소옥천 유역내에는 상류에 추풍천과 상곡천 수질관측소가위치하고 있으며 하류에 옥천천 수질관측소가 위치하고 있다. 따라서 자료 수집 가능기간(추풍천, 상곡천 2011-2014, 옥천천 2009-2014)에 대하여 수질시계열을 수집한 결과 월 1회의수질측정 결과를 확보할 수 있었다. 따라서 월별 수질 관측자료 계열에 대하여, 추풍천, 상곡천, 옥천천의 수질인자 DO, COD, T-N, T-P, Temperature의 월 시계열을 도시하였으며 연평균 특성을 분석한 결과 소옥천 유역 전체 평균값으로 DO11.7 mg/L, COD 3.4 mg/L, T-N 3.1 mg/L, T-P 0.18 mg/L, Temperature 14.6°C인 것으로 평가되었다. 전반적으로 상류의 상곡천의 수질이 가장 우수한 것으로 나타났으며, 추풍천의 경우 COD가 가장 높은 것으로 나타났다. 특히 옥천천의 경우 T-P와 수온이 가장 높은 것으로 나타나 부영양화에 대한문제가 있는 것으로 검토되었다.
2.2 SWAT 모형의 구축
대청호 본류의 녹조 발생 저감을 위하여 소옥천 수계의 수질을 관리하기 위한 정확하고 효율적인 유출 및 수질 예측 필요하다. 본 연구에서는 일유출량과 수질계열을 모의할 수 있는 강우-유출-수리-수질 모형을 구축 및 연계함으로써 소옥천수계의 수질 예측을 위한 기반을 마련하는 것이 목표이며, 향후 소옥천 수계의 수질 관리에 있어 훌륭한 지원도구로 활용될 수 있을 것이다.
본 연구에서는 소옥천에 대한 수질을 평가 모의하기 위하여SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모형을 구축하였다. 이는 미국 농무성 농업연구소(USDA Agricultural Research Service, ARS)의 Jeff Arnold에 의해 개발된 유역 모델로서 대규모의 복잡한 유역에서 장기간에 걸친 물과 유사 및 농업화학물질의 거동에 대한 토지관리 방법의 영향을 예측하기 위하여 개발되었으며, 유역내의 기상, 토양특성, 지형, 식생과 토지관리방법 등에 대한 구체적인 정보를 토대로 모의가 가능하다.
대상 수계에서의 수질 예측을 위한 SWAT 모형의 적용은 우선 초기 모형의 구축을 통하여 지표 유출 및 오염물질의 유출과 확산을 모의하고 이를 기 관측 유량·수질 데이터와 비교 검토한 후 모형 매개변수의 보정을 통하여 강우-유출-수질 모형을 완성하였다.
소옥천 유역을 대상으로 SWAT 모형의 기본 입력자료 구성을 위하여 소옥천내 주요 지점인 수위관측소(옥각교), 총량단위유역(금본 F11, 금본 F12, 금본 F13, 금본 F14, 금본 F15, 금본 F16), 지류합류점, 유역 출구점을 중심으로 총 9개 소유역을 분할하였다. 그리고 각 소유역에 대한 수문지형학적 특징을 유역특성과 하천특성으로 구분하였으며, 우선 유역특성으로 각 소유역별 면적, 최장길이, 유역고도, 유역경사를 분석하였다. 그리고 하천특성으로서 해당소유역을 포함한 상류면적, 하천길이, 하천경사, 하천폭, 하천깊이, 하천최저고도, 하천최고고도를 산정하여 Table 2와 같이 요약 정리하였다.
Table 1
Water qualities in So-Ok stream
Table 2
Subbasins in So-Ok stream
Table 3
Calibration and verification about the basin discharge
| Discharge | Period | RMSE | r | E |
|---|---|---|---|---|
| Calibration | 2009-2011 | 11.52 | 0.82 | 0.61 |
| Verification | 2012-2013 | 9.81 | 0.72 | 0.49 |
Table 4
Calibration and verification about the water qualities
| Water quality | Period | RMSE | r | E | |
|---|---|---|---|---|---|
| TN | Calibration | 2009-2011 | 1.55 | 0.64 | 0.24 |
| Verification | 2012-2013 | 1.32 | 0.44 | 0.05 | |
| TP | Calibration | 2009-2011 | 0.09 | 0.62 | 0.13 |
| Verification | 2012-2013 | 0.06 | 0.71 | 0.38 | |
Table 5
T-P load at outlet by reduction of non point source pollutants in F15 subbasin (kg/day)
Table 6
T-P load at outlet by reduction of non point source pollutants in F11 subbasin (kg/day)
Table 7
T-P load at outlet by reduction of non point source pollutants in F16 subbasin (kg/day)
Table 8
Scenario for Water quality goal
Table 9
Improvement effects of water quality by each scenario of T-P reduction
소옥천 유역내 옥천 AWS 와 대전 및 금산 기상관측소 자료를 이용하여 모형을 구성하였으며 초과강우에 대한 직접유출의 산정 방법으로 SCS 방법, 증발산량 산정방법으로Penman-Monteith 방법을 선정하였다. 따라서 기상자료(최저온도, 최고온도, 강수량, 상대습도, 풍속, 일사량)를 이용하였으며, 모형의 보정기간은 3년(2009-2011년), 검증기간은 2년(2012-2013)년으로 구성하여 모형을 구축하였다.
SWAT의 일단위로 모의되는 모형 매개변수는 시행착오법을 통하여 옥각교 수위관측지점을 대상으로 보정하였다. 매개변수 결정을 위한 평가함수는 평균제곱근오차(RMSE, Root Mean Square Error), 상관계수(r, Correlation Coefficient), 모형효율성계수(E, Model EffiCiency)의 결과를 종합하여 매개변수를 추정하였다.
유출모의에 대한 모형의 보정 결과 상관계수(r)이 0.82, 모형의 효율성 계수(E)이 0.61로 나타났다. 모형의 검증 결과에서는 상관계수(r)이 0.72, 모형의 효율성 계수(E)이 0.49로 나타나 구축된 모형의 소옥천 유역에 적용성이 있음을 확인하였다.
유출모의에 대한 보정 및 검증이 완료된 SWAT 모형에 각 총량단위유역에 대한 배출부하량을 입력하여 수질모형을 구축하였다. 그리고 유출모의 경우와 마찬가지로 모형의 보정기간(2009-2011) 동안 모형의 매개변수를 최적화하고 검증기간(2012-2013) 동안 모형의 적용성을 검토하였다.
총질소(TN)과 총인(TP)에 대한 모형의 평가결과 TN 의 경우 상관계수(r)이 보정시 0.64, 검증시 0.44, 모형효율성계수(E)가 보정시 0.24, 검증시 0.05로 나타났다. TP의 경우 상관계수(r)이 보정시 0.62, 검증시 0.71, 모형효율성계수(E)가 보정시 0.13, 검증시 0.38을 보였다. 상관계수(r)는 양호한 것으로 나타났지만 모형효율성계수(E)로 판단할 때 모형의 효율성이 크지는 않음을 확인하였다. 이는 일단위 모의를 수행한 모형의 결과를 대표하지 한달에 1회 관측된 자료인 수질을 대표하는 것에는 한계가 있음을 나타내는 결과라고 판단된다.
3. 수질 분석 결과
유역단위별 가축분뇨 발생량에서 제시된 실제 수계에 미치는 오염배출 부하량에 있어서 총인(T-P)의 비점오염원 배출부하량은 총 110.7 kg/d이며, 금본 F15가 가장 크게 기여하는 것으로 나타났다. 금본 F15의 총인의 비점오염원 배출부하량은 50.7 kg/d로 가장 크며, 다음으로 금본 F11이 25.3 kg/d, 금본 F16 17.0 kg/d, 금본 F13 8.3 kg/d, 금본 F12 5.9 kg/d, 금본 F14 3.5 kg/d 순으로 나타났다.
SWAT 모형으로부터 각 6개 총량단위유역의 말단에서 월별로 총인의 배출부하량을 산정(2012년)하였다. 금본 F15, 금본 F11, 금본 F16 유역이 월별 배출부하량이 크게 산정되었으며, 특히 강우가 집중되는 7월-9월 사이에 집중적으로 발생하는 것으로 보아 해당 유역에서 비점오염원 발생이 큰 것으로 나타났다. 또한 소옥천 전체에서 산정된 월별 배출부하량에 대하여 각 총량단위유역에서 배출되는 부하량의 비율을 산정하였다. 갈수기에는 금본 F11, 홍수기에는 금본 F15 유역의 비율이 크게 산정되었다. 따라서 금본 F11 유역은 점오염원, 금본 F15 유역은 비점오염원이 관리되어야 함을 확인하였다.
소옥천은 유역출구지점에서 목표수질 총인(T-P)은 0.054mg/L이다. 소옥천의 연평균유출량은 4.5 m3/s 이므로 연평균개념에서 총인 부하량은 약 21.2 kg/d가 된다. 하지만 목표수질에 해당하는 목표부하량은 유출량의 특성에 크게 영향을 받으므로 월별 목표부하량을 산정하였다.
또한, 각 소유역에서 배출된 부하량은 하천을 유하하면서 자정작용을 거쳐 유역말단에서는 최초 배출시 보다 적은 부하량, 즉 유달부하량의 형태로 관측된다. 이 유달부하량도 비점오염원의 영향을 많이 받기 때문에 계절성이 크다. 따라서 홍수기에 유달부하량은 더욱 크다고 할 수 있다. 따라서 유달부하량과 월별 목표부하량을 비교하였으며 홍수기인 6월, 7월, 8월, 9월에 유달부하량이 목표부하량보다 커 수질이 악화될 가능성이 큰 것으로 나타났다.
4. 비점오염원 저감 시나리오 분석
앞서 소옥천 유역의 경우 비점오염원의 관리가 가장 중요한 것으로 확인 되었으며, 소옥천 유역의 출구에서 총인의 발생에 가장 큰 영향을 미치는 유역은 금본 F15, F11, F16인 것으로 것으로 추정되었다. 따라서 개별 소유역에서 총인을 저감하는 계획을 마련할 경우에 대하여 유역출구 지점에서의 총인 부하량을 산정하였다.
여기서 각 소유역별 총인의 비점오염원 저감율은 저감시설의 현실성 및 지역적 안배를 고려하여 개략적으로 10%, 30%, 50% 세 가지 경우를 상정하였다. 분석결과 개별 단위유역에서의 저감방법으로는 50% 저감안에 대해서는 유역출구 지점에서 홍수기(6-9월)에 목표수질(목표부하량)을 달성하지 못하는 것으로 나타났다.
금본 F15의 경우 유역에서의 총인 비점오염원을 50% 저감할 경우 소옥천 수계 말단에서의 유달부하량은 6~9월 각각에 대하여 11.08 kg/d, 42.24 kg/d, 77.81 kg/d, 49.50 kg/d로 나타났으며, 9월의 경우에만 목표수질기준 0.054 mg/L를 만족시키기 위한 목표부하량 50.11 kg/d 이하의 값을 나타내었다. 추가 모의 결과 금본 F15 유역에서의 총인 비점오염원 배출부하량을 70% 이상 저감시킬 경우에야 홍수기 목표수질을 만족시킬 수 있는 것으로 나타났다.
금본 F11의 경우 유역에서의 총인 비점오염원을 50% 저감할 경우 소옥천 수계 말단에서의 유달부하량은 6~9월 각각에 대하여 13.87 kg/d, 50.12 kg/d, 94.85 kg/d, 57.86 kg/d로 나타났으며, 금본 F11 유역에서의 총인 비점오염원 배출부하량을 100%를 저감시키더라도 홍수기 목표수질을 만족시킬 수 없는 것으로 나타났다. 금본 F16의 경우 총인 비점오염원을50% 저감할 경우 소옥천 수계 말단에서의 유달부하량은 6~9월 각각에 대하여 14.45 kg/d, 49.82 kg/d, 97.34 kg/d, 57.10kg/d로 나타났으며, 이 경우 마찬가지로 100% 저감시라도 홍수기 목표수질을 만족시킬 수 없는 것으로 나타났다.
따라서 금본 F15에서의 총인 비점오염원 배출부하량을 70% 이상 저감시키거나, 세 개의 우심지역에 대한 복합적 저감 시나리오를 토대로 효과적인 저감방안을 수립하는 것이 타당한 것으로 판단된다. 본 연구에서는 각 소유역(금본 F15, F11, F16)에서 비점오염원의 저감율(10%, 30%, 50%)의 조합에 따라 27개 시나리오를 구성하였으며 각 시나리오별 부하량을 월별로 산출하여 월별 목표부하량(목표수질)과 비교하였다.
분석된 시나리오 중 F15 소유역에서 50%의 총인(비점오염원)을 저감하는 경우 금본 F11 소유역에서의 저감율 10%에 대하여 금본 F16에서 10% 및 30% 저감 시나리오를 제외하고는 각 저감 시나리오에 대하여 홍수기 목표수질을 만족시킬 수 있는 것으로 분석되었다. 즉, 금본 F15 50% - 금본 F11 10% - 금본 F16 50%와 금본 F15 50% - 금본 F11 30%, 50% -금본 F16 10%, 30%, 50%의 각 시나리오에서 소옥천 수계말단에서의 목표수질 총인 0.054 mg/L를 만족시킬 수 있는 유달부하량 이하의 산정값이 분석되었다.
따라서 본 연구에서의 수질모델링을 통하여 총인 비점오염원 저감량과 소옥천 수계 수질간의 영향관계를 개략적으로 분석한 결과 목표수질 달성을 위한 단위유역의 구분 및 분석방안을 정리하면 다음과 같은 저감방안 시나리오가 개략적으로 수립될 수 있다.
5. 결론
여름철 수계의 조류 발생은 주로 지표 유출과 함께 비점오염원의 유입으로 볼 수 있으며, 대청호의 경우 녹조현상의 빈번한 발생은 지류인 소옥천 유역의 가축분뇨 발생에 가장 큰 원인을 둘 수 있다. 가축분뇨의 특성상 오염부하량(BOD, TN, T-P 등)이 매우 높기 때문에 소량이 유출되더라도 상수원 및 지하수에 대한 영향이 매우 크며, 따라서 부적절한 처리방법 및 무단방류에 따른 수계오염의 주된 원인인 소규모 축산농가에서 발생되는 가축분뇨의 처리실태 파악은 매우 중요하며, 부적절한 처리에 따른 주변 수계에 미치는 악영향이 매우 크다는 주민인식 변화를 위해 실질적인 관리방안을 모색하여 홍보할 필요가 있다.
본 연구에서는 SWAT 모형을 이용하여 소옥천 수계의 수질예측을 모의하였으며, 각 소유역별 비점오염원의 저감 시나리오에 따른 소옥천 말단에서의 수질 영향 관계를 분석하였다. 소옥천은 유역출구지점에서 목표수질 총인(T-P)은 0.054 mg/L이며, 총인에 대한 비점오염원 저감율을 유역별로 [금본 F15 50% - 금본 F11 10% - 금본 F16 50%], [금본 F15 50% - 금본 F11 30%, 50% - 금본 F16 10%, 30%, 50%]의 각 시나리오에서 목표수질을 만족시킬 수 있는 것으로 분석되었다.
이러한 분석 과정 및 결과는 본 연구에서 적용된 수계에서만 국한되는 것이 아니라 향후 비점오염원의 저감을 목표로 하는 수계의 관리가 이처럼 다양한 시나리오에 대한 사전 검토 후 이루어져야 할 필요성을 나타내고 있다. 따라서 향후수계의 목표수질을 만족시키기 위한 유역 내 비점오염원의 관리방안 수립 및 시행에 있어서 우심지역에 대한 고려와 각유역의 특성을 고려한 효과적인 저감 목표치 설정에 있어서 의사결정자로 하여금 정책 판단을 위한 기초자료로 활용될 수 있다.
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