비점오염 관리를 위한 강우유출수 처리습지 조성에 관한 연구

Abstract

우리나라는 수계의 목표수질 달성을 위해 비점오염원 관리에 대한 정책비중을 강화하고 있으며 그 일환으로 4대강 수계를 대상으로 비점오염원 저감시설이 시범적으로 설치․운영되고 있다. 비점오염저감시설의 처리성능은 대상유역특성, 강우특성, 시설유형 등에 따라 달라지므로 정부에서는 성능파악을 위해 4대강 수계에 시범설치 된 처리시설들에 대한 모니터링 사업을 실시하고 있다. 비점오염저감시설의 처리성능 평가방법은 강우유출수 발생 시 습지로 유입․유출되는 수질과 유량 측정자료를 기초로 하고 있으며 모든 시설들에 대해 동일한 방법이 적용되고 있다. 비점오염저감시설 중 간헐흐름 방식의 강우유출수 처리습지는 강우유출수 발생 시 유입수의 경우 해당강우에 의한 수질을 보이나 유출수는 이전 강우 시 습지에 체류되었던 유입수가 무강우 기간 동안 정화되어 유출되는 것이므로 해당강우에 의한 유출수질로 간주하여 평가하는 것은 문제의 소지가 있으며 이에 대한 개선이 필요한 상황이다. 본 연구는 비점오염저감을 위해 조성되는 습지 중 강우 시에만 간헐적으로 유입이 발생하는 강우유출수 처리습지에 대해 비점오염 저감성능 평가방법을 개발하고 국내실정에 적합한 조성방안을 제시하고자 하였다. 이를 위해 낙동강 수계에서 비점오염물질을 효과적으로 제어하고 있는 자연습지를 참조습지로 삼아 모니터링을 진행하고 조성을 위한 설계인자를 도출하였으며 이 자료를 바탕으로 부산광역시 서낙동강에 시범시설을 조성하고 비점오염물질 처리성능 평가를 위한 모니터링을 실시하였다. 강우유출수 처리습지의 성능평가 방법을 개발하기 위한 첫 단계로 해당지역의 장기간 연속 강우자료를 바탕으로 강우특성을 분석하고 해석적 확률모형을 적용하여 강우-유출 관계를 모형화 한 뒤 유출발생량, 월류량, 강우유출수 포착율을 산정하였다. 두 번째 단계로 강우-유출 시 체류된 강우유출수에 대한 무강우 기간 동안의 수질 모니터링을 실시하였고, 오염물질 항목별 일차제거반응속도상수를 도출하였다. 연평균 처리효율을 예측하기 위해 유도된 확률밀도함수 이론을 적용하여 무강우기간의 특성과일차제거반응속도상수가 고려된 연평균 처리효율 산정공식을 제시하였다. 마지막으로 연간 습지의 강우유출수 포착율과 연평균 오염물질 처리효율을 함께 고려함으로써 연평균 처리성능을 평가하였으며 기타 지역에서 활용될 수 있는 규모산정 및 설계방안을 제시하였다. 연구결과를 요약하면 아래와 같다. 자연습지의 모니터링 결과, 강우 시 유역으로부터 발생되는 강우유출수의 효과적인 저류와 정화에 미치는 요인은 습지의 형상비, 습지면적:유역면적 비율, 수심, 유출구 구조물, 퇴적물 형태, 고밀도로 서식하는 비정수성 수생식물인 것으로 파악되었다. 이들 요인을 바탕으로 부산광역시 서낙동강 지역에 강우유출수 처리습지를 조성하였으며 습지 전단에는 침강저류지, 중앙에 얕은 습지, 후단에 깊은 습지를 배치하고 0.8∼1.8 m의 깊은 수심분포로 조성하였다. 식생유형은 비정수성 수생식물을 도입하였고 유입된 유량은 중력에 의해 자연 유하되며 각 습지구획을 거쳐 유출되도록 조성하였다. 인공습지 모니터링 결과, 조성 초기 비정수성 수생식물로 조성했던 습지 식생유형이 조성 후 3번의 성장기를 거치면서 정수식물이 우점하는 형태로 변화하였고 식생피도가 약 90 %로 증가하였다. 이러한 원인은 토사 및 영양염류의 유입부하가 높고, 3번의 생장기를 거치면서 정수식물 고사체들이 습지 내부에 축적됨으로서 습지의 수심이 점차 낮아졌기 때문으로 판단된다. 습지의 유효수심 감소는 강우유출수 포획용량감소로 이어지므로 적절한 수심관리 및 식생관리가 필요한 것으로 나타났다. 연구대상 처리구역의 장기간 강우특성을 파악하기 위해 부산지역 31년 1시간 강우자료를 IETD 6시간으로 분리하여 표준강우사상을 분석하고 각 강우통계특성을 지수함수의 확률밀도함수로 나타내었다. 표준강우사상의 강우특성 파악결과 부산지역의 연평균 강우발생횟수는 77회, 평균 무강우 시간은 103.17 hr, 연평균 강우량은 1494.28 mm로 나타났다. 유도된 확률밀도함수 이론을 이용해 강우특성에 따른 유출특성을 파악한 결과 평균 유출발생회수 68회, 연평균 유출량 683.14 mm/yr로 나타났고 연간 총 77회의 강우 발생시 68회의 유출사상을 동반하는 것으로 나타났다. 연평균 유출량 자료에 강우 시 측정한 강우사상평균농도(EMC)를 적용하여 처리구역에서의 연평균 오염물질 발생 부하량을 산정한 결과 TSS, COD, TN, TP가 각각 901.9, 374.5, 147.9, 31.8 kg/yr로 나타났다. 습지에서의 무강우 기간 모니터링 결과 연평균 일차제거반응속도 상수(kV)는 TSS, BOD, COD, TN, TP가 각각 19.4, 14.4, 16.1, 6.4, 15.7 m/yr로 나타났다. 오염물질별 일차면적제거반응속도와 연간 강우유출수 포획율을 고려하여 개발된 처리효율 산정공식으로 연평균 처리효율을 산정한 결과 SS, COD, TN, TP가 각각 11.44, 9.80, 4.30, 9.58 %로 나타났다. 또한, 강우유출수 처리습지를 통해 연간 제거되는 양으로 환산했을 때 SS, COD, TN, TP가 각각 103.16, 36.69, 6.36, 3.05 kg/yr로 나타났고, 습지 단위면적당 SS, COD, TN, TP가 각각 0.40, 0.10, 0.033, 0.009 kg/m2/y 제거되는 것으로 나타났다. 확률모형의 처리효율 결과를 검증하기 위해 습지 조성 후 모니터링 기간(2008∼2011)의 1시간 강우자료를 바탕으로 모형을 구축하여 수치적으로 처리효율을 산정하고 비교하였다. 수치모형을 이용하여 확률모형에서 제시된 처리효율의 타당성을 검토해본 결과, 확률모형에 의한 처리효율과 수치모형에 의한 처리효율 값이 약 5 %미만의 오차로 유사한 수준으로 나타나 확률모형에 의한 처리효율 자료가 타당한 것으로 나타났다. 상기의 결과를 종합하여 낙동강 수계에 습지시설 도입 시 규모산정방법 및 설계방안을 제시하였다. 본 연구에서 제시한 강우유출수 처리습지의 성능평가 및 조성방법은 해당지역의 강우-유출특성, 시설특성, 수질정화특성을 반영할 수 있어 기존의 성능평가 방법 보다 정확도 높은 결과를 제시할 수 있고 타 지역에 강우유출수 처리습지를 조성 시 설계기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.