오염물질 유출특성을 고려한 유역 통합관리 기법에 관한 연구 : 팔당호를 중심으로 = Development of Integrated Watershed Management Strategy Considering Pollutants Runoff Characteristics : Case Study of Paldang Lake Watershed

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The optimal water quality management for Paldang lake, which is the most important water source for 25 million of metropolitan people, has been researched by many studies. But most of those studies were focused on only generation and changes of organic materials in Paldang lake, intensive considering about integrated pollutant source management related watershed area and water quality improvement effect by water flow control is insufficient.
Recently, total maximum daily load(TMDL) management was introduced. Most measurements did not consider the effect of water quality in the overall basin, but remained in the pollutant management of administrative district. Even though water quantity and quality are interrelated hydrologically, the dam management has been carried out focusing on the electric power generation and disaster prevention by flooding and supply of domestic, industrial and agricultural water without consideration of water quality. Therefore, for efficient water quality management of Paldang lake, it is necessary to figure out the pollutant distribution in the watershed and effect of those pollutants on Paldang lake to design proper management plan, and it is also required to analyze the effect and necessity of pollutant management on the overall water system in terms of water resources use for water quantity management.
Accordingly, this study attempted to assess the discharge characteristics of pollutants in the watershed of Paldang lake and the contribution of pollution on unit watershed in order to design proper pollutant management plan. And this study also aimed to suggest the integrated watershed management strategy for pollutants and water quantity by analyzing the water quality improvement effect using the spare water quantity of dam. The results are as followed.
□ Analysis of pollutant discharge characteristics and selection of focused control term
The pollutant discharge characteristics were analyzed using the water inflow rate and pollution load of Paldang lake between 1985 and 2012.
As for the flow coefficient in the interaction function between water inflow rate and pollution load, BOD was 0.90 and T-P was 1.41. Thus, when water inflow rate increased, BOD concentration decreased. To the contrary, when water inflow rate increased, T-P concentration increased.
The management target exceeding frequency to achieve Ia level of Paldang lake using pollution load duration curve(LDC) was analyzed in order to determine focused control term. Analysis result of excessive frequency about inflow rate to Paldang lake, rainfall events, seasonal and periodical term, BOD had the highest excessive frequency in the Mid-range conditions as ordinary water flow rate, 20~30mm of rainfall during march to june. Thus, it was selected as focused control term. For T-P, when both of inflow rate and rainfall increased, the excessive frequency increased. And more than 90% of excessive frequency appeared in the Mid-range conditions as for inflow rate, more than 10mm of rainfall after March.
□ Characteristics of pollutant generation and discharge, and pollutant delivery load of small streams
Results from characteristics of pollutant generation and discharge analysis, the generation load and discharge load was made from livestock > domestic > industrial > land > others from the highest order for both BOD and T-P. By basin, it was made in the order of Namhan river > Gyeongan stream > Paldang lake > Bukhan river. In particular, the livestock pollutants from unit watershed of Cheongmi A, Yanghwa A and Bokha A in Namhan river basin accounted for 29.8% of BOD discharged load and 40.1% of T-P discharged load. Thus, the livestock farmhouses of these unit watersheds discharged pollutants intensively. As for the percentage of discharged load which reached to the end of small streams, BOD was 40% and T-P was 27.1%. Among them, pollutants from livestock and land accounted for 74% of BOD and 66% of T-P respectively. Therefore, it is determined that the non-point pollutant source management is required to water quality management of small stream in watershed including the livestock and land.
□ Development of pollutant delivery load formula and assessment of pollution contribution by basin
In order to calculate pollutant delivery load by discharge channel, the pollutant delivery load formula was developed. The calculated value based on the pollutant delivery load formula and the coefficient of determination of actual measurement value was 0.82 for BOD and 0.77 for T-P, which showed the reproducibility.
About the effects of pollutant on Paldang lake from unit watershed considering pollutant distribution status, Bokha A and Cheongmi A were main BOD contribution unit watershed to paldang lake, and Gyeongan A and Hangang F contributed T-P to Paldang lake mainly. In other words, BOD had higher effect on basin with more pollutant discharged load. To the contrary, T-P had the higher effect on the basin with shorter flow distance and time. As the result from assesment of pollutants effect on Paldang lake considering the river self-purification capacity, although same amount of pollutants were discharged, Gyeongan A, followed by Hangang F, Bokha A and Gyeongan A had the highest effect on Paldang lake with BOD and Gyeongan A, followed by Hangang F, Gyeongan B and Bokha A had the highest effect with T-P. Shortly, pollutants increase in these unit watershed seems to make worse the water quality of Paldang lake than pollutants from other unit watershed. Thus, it is proved to be necessary to focused management on these unit watershed for the water quality improvement of Paldang lake.
□ Selection of focused control pollutant and reduction plan considering pollution contribution
For the focused control pollutant considering the pollution contribution of unit watershed, livestock of Cheongmi A, Bokha A, domestic of Gyeongan A, land of Bokha A and Gyeongan A were selected for BOD management. Total pollutants from those unit watershed accounted for 42.2 % of the pollutant delivery load of overall Paldang lake. Meanwhile, domestic of Gyeongan A, Hangang F and livestock of Bokha A, Cheongmi A and Yanghwa A were selected as focused control pollutants for T-P. Those pollutants accounted for 50.1 % of the pollutant delivery load of overall Paldang lake.
Priority determination coefficient for reduction plan was figured out by pollution contribution of unit watershed to Paldang lake, possible reduction load and cost for reduction plan. The reduction plan were assessed using producted determination coefficient. As a result, it is required to establish or extend waste water treatment plant, and maintenance of sewage pipes for BOD control. To decrease T-P effect, advanced waste water treatment plant and livestock recycling system are needed.
□ Water quality improvement effect by the pollutant source and flow rate control
The pollutant reduction effects were analyzed using SWAT and EFDC model. Simulated area were 3 unit watershed of Namhan river including Cheongmi stream that had high effect on Paldang lake with much pollutant discharge, and 3 unit watershed of Hangang F that had high contribution as it is adjacent to Paldang lake. The results explained that pollutant decreases at unit watershed with higher pollutant contribution had higher water quality improvement effects of Paldang lake. If all possible reduction plans in the research areas were implemented, while BOD decreased 17.8% and T-P decreased 16.9%, the water quality improved by 5.7% for BOD and by 7.2% for T-P. And if the spare water of Soyang dam and Chungju dam was used to improve water quality of Paldang lake between March and May, BOD concentration decreased to 5.8%, but there was no significant water quality improvement for T-P due to the reduction of precipitation by the increase of flow velocity. And also water quality improvement effects was not meaningful with 7.6% for BOD and 0.2% for T-P during drought. Accordingly, it is necessary to establish a management plan considering discharge characteristics and contribution of pollutants instead of simple and inefficient discharge load management. As water quality control can be expected by spare water quantity management, if integrated watershed management on pollutants and water quantity is carried out, it is expected that more effective water quality improvement of Paldang lake can be achieved.

국문 초록 (Abstract)

팔당호는 수도권 2,500만 주민이 먹는 물로 이용하고 있는 국내 최대 상수원으로 적정 수준의 수질관리를 위한 수많은 연구들이 진행되어 왔다. 그러나 대부분의 연구가 호 내 유기물질과 영양염류의 발생과 변화에 편중되어 진행되었으며 유역 전반에 걸친 통합적인 오염원 관리와 수량 조정에 따른 수질개선 효과 분석은 미비한 상태이다. 최근 수질오염총량관리제를 도입하여 시행되고 있으나 대부분의 오염물질 저감대책들이 유역 전반에 걸친 수질 영향을 고려하지 않고 행정구역 단위의 오염물질 관리방식을 벗어나지 못하고 있으며, 수량과 수질은 수문학적으로 연계된 문제임에도 댐 관리는 수질에 대한 고려 없이 전력생산이나 홍수로 인한 재해 방지, 생활․공업․농업용수 공급 중심으로 수행되고 있는 실정이다. 따라서 효율적인 팔당호 수질관리를 위해서는 유역 통합적 관점에서 유역 전반에 걸친 오염원 분포와 이들이 팔당호에 미치는 영향을 명확히 규명하여 적정 관리방안을 마련하여야 하며, 수자원의 이용 측면에서도 전체 수계 시스템에 대한 영향과 필요성을 분석하여 수량관리가 이루어져야 한다.
이에 본 연구에서는 팔당호 유역의 오염물질 유출특성과 단위유역의 오염 기여도를 평가하여 적정 오염원 관리방안을 마련하고 그동안 고려되지 않았던 댐 여유수량을 이용한 수질개선 효과를 분석함으로써 오염원과 수량에 대한 유역통합관리방안을 제시하고자 하였으며 주요 연구결과는 다음과 같다.
□ 오염물질 유출특성 분석과 중점관리 시기 선정
1985~2012년까지 팔당호 유입유량과 오염부하를 이용하여 오염물질 유출특성을 분석하였다. 유입유량-오염부하 관계식의 유량계수가 BOD는 0.90, T-P는 1.41로 산정되어 BOD는 유량이 증가할수록 농도가 감소하지만 T-P는 유량이 증가할수록 농도도 증가하는 것으로 나타났다.
오염부하지속곡선을 이용하여 팔당호 Ia 등급 달성을 위한 관리목표 초과빈도를 분석하여 중점관리 시기를 선정하였다. 팔당호 유입유량과 강우사상별, 계절 및 시기별 초과빈도를 분석한 결과 BOD는 유입유량 조건이 평수량 수준인 Mid-range conditions 조건에서, 강우사상은 20~30mm 조건에서, 시기는 3~6월에 초과빈도가 가장 높게 나타났으며 이를 중점관리 시기로 선정하였다. T-P는 유입유량과 강수량이 증가할수록 초과빈도도 증가하는 경향을 보였고 유입유량이 Mid-range conditions 이상, 강수량은 10mm 이상, 시기는 3월 이후부터 초과빈도가 90% 이상으로 나타나서 이를 중점관리 시기로 선정하였다.
□ 오염물질 발생 및 배출특성과 소하천별 유달부하
오염물질 발생과 배출 특성을 분석한 결과 BOD와 T-P 모두 축산계 > 생활계 > 산업계 > 토지계 > 기타 순으로 발생부하와 배출부하가 많았고, 유역별로는 남한강 > 경안천 > 팔당호 > 북한강 순으로 많은 것으로 나타났다. 특히 남한강 청미A, 양화A, 복하A 유역 축산계 오염원이 BOD 배출부하의 29.8%, T-P 배출부하의 40.1%를 차지하는 것으로 나타나서 이들 유역의 축산농가에서 오염물질이 집중적으로 배출되는 것으로 판단되었다. 배출부하 중 소하천 말단에 도달되는 비율은 BOD는 40%, T-P는 27.1%로 나타났고 이 중 축산계와 토지계가 BOD는 74%, T-P는 66%를 차지하여 소하천 수질관리를 위해서는 축산계와 토지계를 대상으로 한 비점오염원 관리가 필요할 것으로 판단되었다.
□ 유달부하 관계식 개발과 유역별 오염 기여도 평가
오염물질 유출 경로별 유달부하를 산정하기 위해서 유달부하 관계식을 개발하였고, 유달부하 관계식으로 산정된 계산치와 실측치의 결정계수가 BOD는 0.82, T-P는 0.77로 재현성이 있는 것으로 판단되었다.
오염원 분포현황을 고려하여 단위유역별 팔당호에 미치는 영향을 분석한 결과 BOD는 복하A, 청미A 유역이 가장 큰 영향을 미치고 있고, T-P는 경안A, 한강F의 영향이 큰 것으로 나타나서 BOD는 배출부하가 많은 유역이 더 큰 영향을 미치고 T-P는 유하거리와 유하시간이 짧은 유역이 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 하천 자정특성만을 고려하여 단위유역의 오염물질이 팔당호에 미치는 영향을 분석한 결과, 동일한 오염물질을 배출했을 때 BOD는 경안A, 한강F, 복하A, 경안B 순으로, T-P는 경안A, 한강F, 경안B, 복하A 순으로 팔당호에 미치는 영향이 큰 것으로 나타났고 이들 유역에서 오염원이 증가할 경우 다른 유역에서 증가하는 것보다 팔당호 수질이 더 악화될 것으로 판단되며 팔당호 수질개선을 위해서는 이들 유역을 중심으로 관리 강화가 필요한 것으로 판단되었다.
□ 오염 기여도를 고려한 중점관리 오염원 및 저감대책 선정
단위유역의 오염 기여도를 고려하여 중점관리 오염원을 선정한 결과 BOD는 청미A, 복하A 축산계와 경안A 생활계, 복하A, 경안A 토지계가 중점관리 오염원으로 선정되었고 이들 오염원이 전체 팔당댐 유달부하의 42.2%를 차지하는 것으로 나타났다. 한편 T-P는 경안A과 한강F 생활계, 복하A, 청미A, 양화A 축산계가 중점관리 오염원으로 선정되었고 이들 오염원이 전체 팔당댐 유달부하의 50.1%를 차지하는 것으로 나타났다.
단위유역별 팔당호에 미치는 기여도, 삭감가능량, 삭감대책별 소요비용을 고려한 삭감대책 우선순위 결정계수를 산정하고, 이 결정계수를 이용하여 현재 추진 중인 삭감계획들을 평가한 결과 BOD는 하수처리장 신․증설, 하수관거정비가 우선 필요하고, T-P는 하수처리장 고도처리 도입이나 축산분뇨 자원화 방안이 우선 필요한 것으로 판단되었다.
□ 오염원 관리와 유량관리에 따른 수질개선효과 분석
SWAT와 EFDC를 연계한 모형을 이용하여 오염물질 배출량이 많아 팔당호에 미치는 영향이 큰 청미천 등 남한강 3개 유역과 팔당호와 인접하여 기여도가 큰 한강F 등 3개유역의 오염물질 저감효과를 분석한 결과, 기여도가 큰 유역에서 오염물질을 저감할수록 개선효과가 큰 것으로 나타났고 연구대상지역에서 적용 가능한 모든 삭감계획을 이행할 경우 배출부하는 BOD 17.8%, T-P 16.9% 저감되지만, 수질은 BOD 5.7%, T-P 7.2% 개선되는 것으로 나타났다. 또한, 소양댐과 충주댐 여유수량을 3~5월 수질개선 목적으로 이용할 경우 BOD 5.8% 개선효과가 있는 것으로 나타났으나, T-P는 유량 증가에 따른 유속증가로 침전되는 양이 감소하여 수질변화는 미미하였고, 가뭄 시 여유수량을 수질개선 목적으로 이용할 경우 수질개선효과는 BOD 7.6%, T-P 0.2%에 불과하였다. 따라서 단순 배출부하 중심의 관리대책보다는 오염물질 유출특성과 기여도를 고려하여 관리대책이 수립되어야 하고 여유수량 관리만으로도 오염원 관리 이상의 수질개선 효과를 기대할 수 있으므로 오염원과 수량에 대한 유역통합관리가 이루어질 경우 보다 효과적인 수질개선을 도모할 수 있을 것으로 판단되었다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구 내용 및 범위 3
• 2. 이론적 고찰 5
• 2.1 유역관리제도 5
• 2.1.1 유역통합관리 필요성 5
• 2.1.2 우리나라의 수질오염총량관리제도 7
• 2.1.3 외국의 유역관리제도 13
• 2.2 오염물질 배출 구조 분석 20
• 2.2.1 생활계 배출 구조 22
• 2.2.2 축산계 배출구조 23
• 2.2.3 산업계 배출구조 25
• 2.2.4 토지계 배출구조 26
• 2.2.5 매립계와 양식계 배출구조 27
• 2.2.6 환경기초시설 관거분석 27
• 2.3 유역관리모형 28
• 2.3.1 하천 수질 모형 28
• 2.3.2 수리 수문 모형 30
• 2.3.3 유역관리 모형 32
• 2.3.4 SWAT 모형 38
• 2.3.5 EFDC 모형 54
• 3. 연구 방법 63
• 3.1 유역환경 조사 및 분석 63
• 3.1.1 대상지역의 유역 구분 63
• 3.1.2 유역 환경 조사 65
• 3.2 오염원 조사 및 오염부하 산정방법 70
• 3.2.1 오염원 조사 70
• 3.2.2 오염부하 산정방법 71
• 3.2.3 소하천 유달부하 산정 80
• 3.3 수질모형구축 82
• 3.3.1 SWAT 모형 구축 83
• 3.3.2 EFDC 모형 구축 87
• 4. 오염물질 유출 특성 분석과 중점관리 시기선정 89
• 4.1 팔당호 유입 유량과 오염부하 관계분석 89
• 4.2 유량 조건별 오염부하 평가 94
• 4.2.1 유량지속곡선을 이용한 수문분석 95
• 4.2.2 부하지속곡선을 이용한 관리목표 달성도 평가 100
• 4.3 관리목표 초과원인 분석을 통한 중점관리 시기 선정 106
• 5. 오염 기여도 평가를 통한 오염원 통합관리방안 108
• 5.1 오염원 분포 특성 108
• 5.1.1 오염원 분포 108
• 5.1.2 토지이용특성 110
• 5.2 오염부하 발생 및 배출 특성 112
• 5.2.1 오염부하 발생량 분포 112
• 5.2.2 오염부하 배출 특성 116
• 5.2.3 소하천 오염물질 유달 특성 120
• 5.3 팔당호 유달부하량 관계식 개발 126
• 5.3.1 가설 이론 및 기본식 개발 127
• 5.3.2 매개변수 추정 131
• 5.4 유달부하 관계식 적용 136
• 5.4.1 팔당호 유달부하 분석 136
• 5.4.2 오염원 분포특성을 고려한 유역별 영향분석 139
• 5.4.3 유역 자정특성을 고려한 기여도 평가 142
• 5.4.4 단위유역간 배출부하 전환계수 146
• 5.5 중점관리 오염원과 우선관리대책 선정 149
• 5.5.1 중점관리 오염원과 관심대상 오염원 149
• 5.5.2 팔당호 오염부하 기여도를 고려한 우선관리대책 155
• 5.6 오염원 관리에 따른 수질개선 효과 분석 166
• 5.6.1 팔당댐 수질변동 기여도에 따른 수질개선 효과 비교 166
• 5.6.2 오염물질 삭감여력을 고려한 수질개선 효과 비교 167
• 6. 수리․수문 특성 분석을 통한 유량 통합관리방안 169
• 6.1 유량 변화에 따른 수리적 특성 169
• 6.1.1 남한강 수리특성 분석 169
• 6.1.2 북한강 수리특성 분석 172
• 6.2 남한강과 북한강 유출 특성 분석 176
• 6.2.1 기온 변화 176
• 6.2.2 강수량 변화 178
• 6.2.3 충주댐 및 충주조정지댐 유출 특성 181
• 6.2.4 소양댐 유출 특성 182
• 6.2.5 충주댐과 소양댐 여유용량 분석 184
• 6.3 댐 여유유량을 이용한 수질개선 효과 분석 186
• 7. 결론 190
• References 194
• Appendix 202
• Abstract 215