2.1. 대호호 유역현황

대호호는 1985년 서산시 대산읍과 당진시 대호면을 연결하는 방조제가 준공됨에 따라 조성된 인공담수호이다. 대호호의 총 저수량은 12,200만 톤, 유효저수량은 4,646만 톤, 사수량은 6,882만 톤으로 총 저수량은 크지만 사수량이 많아 실제 사용 가능한 용수량은 전체 저수량의 약 38% 정도에 불과한 실정이다. 대호호 유역의 면적은 289.7 km²로 전체의 57.5%는 당진시 지역이고, 나머지 42.5%는 서산시 지역에 포함된다[6]. 대호호 유역은 하천이 크게 발달하지는 않았지만, 성연천과 염솔천을 중심으로 2개의 수계를 형성하고 있으며, 하천 모두 상·하류구간이 뚜렷이 구분되는 비슷한 양상을 지니고 있다.

2.2. 유역현황 조사 및 분석

대호호 유역현황 조사를 위해 대호호를 포함하여 지류하천을 대상으로 수질 및 유량을 측정하였다. 대호호로 유입되는 주요 지류하천인 성연천, 마중천, 염솔천 등 총 3개 지점에 대해 2016년 4월~12월까지 하천 수질 및 유량을 월 1회 측정하였다. 지류하천 유입에 따른 대호호의 수질변화를 살펴보기 위해 대호호 내 3개 지점(Daeho1, Daeho2, Daeho3)은 환경부 물환경측정망 자료를 활용하였고, 추가적으로 2개 지점(Daeho4, Daeho5)은 지류하천 조사주기와 동일하게 실측하였다. 하천 수질 및 유량측정은 모두 ‘수질오염공정시험기준’에 따라 시행하였다[8]. 하천유량은 하천단면과 평균유속자료를 바탕으로 유속면적법에 따라 산정하였고, 수질은 현장 측정항목인 수온, pH, 전기전도도를 포함하여 BOD, COD, TOC, SS, T-N, NO₃-N, T-P, PO₄-P 등 총 11개 항목을 측정하였다. 또한, 농업용수로 사용되는 대호호는 양수장과 배수장을 통해 용수가 지속적으로 순환되고 있어 농업용수가 많이 사용되는 시기에 농업용수 순환에 따른 대호호 수질변화를 조사하고자 주요 농업배수로 20개 지점에 대해 수질을 분석하였다.

한편, 대호호는 가뭄에 따른 농업용수 부족현상을 해결하기 위하여 삽교호에서 용수를 공급받고 있어 삽교호 용수유입에 따른 대호호의 수질변화를 분석하였다. 삽교호 용수유출지점(Sapgyo1), 삽교호 용수 대호호 유입지점(Daeho4), 대호호 내측지점(Daeho2)을 대상으로 삽교호 유입에 따른 대호호 수질변화를 분석하였다. 삽교호 용수 유출지점과 대호호 내측지점은 환경부(ME) 물환경측정망 자료, 삽교호 용수 대호호 유입지점은 자체측정 자료와 한국농어촌공사(KRC) 수질측정망 자료를 활용하였다[5,9].

퇴적물 내 오염물질 축적에 따른 대호호의 수질영향 분석을 위해 대호호 내 수질조사 지점과 동일한 5개 지점을 대상으로 강우기(7~8월) 전·후 1회씩 총 2회에 걸쳐 퇴적물의 오염물질 함유량을 분석하였다. 퇴적물 분석을 위해 고무보트를 이용하여 반빈 그랩(Van Veen Grab) 채취기로 조사지점의 퇴적물을 채취하였으며, 동시에 퇴적물의 수질영향 분석을 위해 동일지점에서 반돈 채수기(Van Dorn Sampler; WildCo, FL, USA)를 이용하여 수심 1/3지점과 2/3지점의 대호호 시료도 각각 채취하였다. 퇴적물은 함수율, 완전연소가능량, 화학적산소요구량(COD_sed), 총질소(T-N), 총인(T-P), 중금속, 입도분석 및 원소(C, N, S) 함유량 등 총 19개 항목을 측정하였으며, 수심별 수질은 하천 수질항목과 동일하게 측정하였다. 참고로 Fig. 1에 대호호 및 농업용배수로, 지류 하천 조사지점을 나타내었다.

Fig. 1.

Sampling locations map for water quality of tributaries, agricultural drainages and Daeho reservoir.

2.3. 오염원 및 오염부하량 산정

대호호 유역의 오염현황을 파악하기 위해 전국오염원조사자료를 활용하여 오염원을 그룹별(생활계, 축산계, 산업계, 토지계, 양식계, 매립계)로 조사하였다. 오염부하량은 현행수질오염총량관리제에서 사용하고 있는 ‘수질오염총량관리기술지침’에 따라 오염원을 그룹별로 산정하였다[10].

2.4. 수질개선방안 마련

대호호 수질분석 결과 및 지류하천 수질·유량조사결과, 오염부하량 산정결과 등에 기초하여 대호호의 수질오염 원인을 분석하였다. 대호호의 수질개선을 위해 우선적으로 대호호의 수질개선목표를 친환경농산물 인증기준인 호소기준 IV 등급(COD 8 mg/L 이하, T-P 0.1 mg/L 이하)으로 설정하였다. 수질개선목표 달성을 위해 대호호 및 주요 지류하천 수질·유량조사, 퇴적물 오염도 조사, 농업배수로 수질조사, 대호호 유역의 오염물질 배출특성 등을 종합적으로 고려하여 다양한 수질개선방안을 마련하였다.

2.5. 수질변화 예측을 통한 최적 수질개선방안 선정

하천 수질 및 유량조사결과, 오염물질 배출특성 분석을 바탕으로 대호호 수질개선방안을 마련하고 수질모델(Environmental Fluid Dynamics Code, EFDC)을 이용하여 수질개선정도를 평가하였다[11]. 대호호 수질예측을 위해 우선적으로 모의격자를 구성하고 수위-저수용량 관계곡선 및 한국농어촌공사의 배수갑문 운영자료를 활용하여 유입량 및 유출량을 산정하였으며, 다양한 자료를 활용한 검·보정을 통해 EFDC 모델을 최종적으로 구성하였다. 최종적으로 구축된 EFDC 모델을 이용하여 수질개선방안별 비교·평가를 통해 최적의 대호호 수질개선방안을 도출하였다[6].

3.1. 대호호 유역현황 분석결과

Table 1은 대호호 및 주요 지류하천을 대상으로 수질 및 유량을 조사한 결과이다. 표에서 보는 바와 같이 대호호 수질은 측정지점에 따라 편차를 보이기는 하였으나, 대부분의 수질항목에서 호소 수질기준 IV등급을 초과하는 수준을 보였다. 대호호로 유입되는 지류하천인 성연천, 마중천, 염솔천의 경우 유기물 항목(BOD, COD, TOC)의 수질농도는 대호호에 비해 양호한 반면, T-N 농도는 약간 높은 경향을 보였다. 하지만 전체적으로 대호호 저수량에 비해 하천유량이 상당히 적은 수준이어서 대호호 수질에는 큰 영향을 미치지는 않는 것으로 판단된다. 한편, Table 2는 농업용수 순환에 따른 대호호 수질영향을 평가하기 위해 농업배수로의 수질을 분석한 결과이다. 농업배수로의 수질은 항목 및 측정지점에 따라 편차를 보이기는 하였으나, 대부분 대호호 수질과 유사한 수준을 보여 농업용수 순환에 따른 오염물질의 축적은 거의 발생하지 않는 것으로 사료된다.

Table 1.

Average water quality and flowrate of tributaries and Daeho-reservoir in Daeho-reservoir watershed

Table 2.

Average water quality of agricultural drainage in Deaho reservoir

Fig. 2는 삽교호 용수 유입에 따른 대호호의 수질변화를 비교하기 위해 지점별 수질변화를 나타낸 결과이다. 그림에서와 보는 바와 같이 전체적으로 COD항목에 비해 T-N과 T-P 항목이 삽교호와 대호호간 수질변화 연동성이 약간 떨어지는 경향을 보였다. 하지만, 삽교호로부터 유입된 물량이 상대적으로 많았던 2016년에는 매우 유사한 패턴으로 변화되는 경향을 보였다. 결과적으로 가뭄으로 대호호 저수량이 감소하고 삽교호에서 유입되는 물량이 증가하면서 대호호의 수질이 삽교호와 유사한 수준으로 변화된 것으로 판단된다.

Fig. 2.

Water quality variations between Sapgyo and Daeho reservoir.

3.2. 대호호 수심별 수질 및 퇴적물 분석결과

Table 3은 대호호 퇴적물 내 오염물질 함유량을 분석한 결과이다. 대호호 내 5개 조사지점 가운데 Daeho1과 Daeho5 지점에서 유기물(COD, TOC, 완전연소가능량)과 영양염류(T-N, T-P) 모두 높은 함유량을 보였으며, 특히 T-N함유량은 하천·호소 퇴적물 오염평가 기준(5,600 mg/kg)을 상회하는 값을 보여 지역적으로 심각하게 오염된 것으로 나타났다[12]. 특히, Daeho5 지점은 Fig. 3에서와 같이 축산액비가 집중적으로 살포되는 지역이고, 유입하천의 유량이 적어 호소 내 유속감소로 인해 실트와 점토와 같은 퇴적물이 상대적으로 쉽게 퇴적될 수 있는 환경을 가지고 있어 오염도가 높은 것으로 판단된다[12].

Table 3.

Average pollutants content of sediments in Daeho reservoir

Fig. 3.

Distribution map for spraying of liquid livestock manure in Daeho-reservoir reclaimed land.

대호호 내 5개 조사지점의 평균 수용성인 함유량은 2.2 g/kg로 T-P 대비 수용성 인의 비율이 0.18%~0.43%의 범위를 보여 퇴적물 내 인은 용존성(soluble)보다는 비용존성(nonsoluble) 상태로 퇴적물에서의 인 용출 가능성은 거의 없는 것으로 판단된다[14,15]. 퇴적물의 C/N비는 평균 7.1 수준으로 퇴적물 내 유기물은 식물성 플랑크톤에게 쉽게 이용될 수 있는 형태로 존재하는 것으로 나타났고, C/S비는 5.7 정도로 전체적으로 담수 환경의 특성을 보인 반면, Daeho1 지점은 3.5 정도로 해수-기수환경의 특성을 보였다[16~18].

한편, Table 4는 퇴적물 조사지점의 수심별(수심 1/3지점 및 2/3지점) 수질을 분석한 결과이다. 표에서 보는 바와 같이 지점별 수심과 수질항목에 따라 편차를 보였으며, COD, TOC, T-N, T-P 항목은 모두 호소 수질 IV등급을 초과하는 것으로 나타났다. 전반적으로 유기물 항목(BOD, COD, TOC)의 수질농도는 상층부가 하층부에 비해 높은 것으로 나타났으나, 영양염류 항목(T-N, T-P)은 반대로 하층부가 높은 것으로 나타났다. 특히, 축산액비 살포에 따라 강우시 축산오염물질 유입 가능성이 높은 Daeho5 지점은 퇴적물 결과에서와 같이 하층부의 T-P 농도가 상당히 높은 것으로 나타났다. 전체적으로 상층부와 하층부의 DO농도가 높아 인이 용출될 조건이 형성되지는 않았지만 DO농도가 낮아지는 시기 또는 조건이 형성되면 인이 용출될 가능성이 있으므로 지속적인 모니터링을 통한 추가연구가 필요한 것으로 판단된다.

Table 4.

Average water quality according to depth at sediment sampling locations in Daeho reservoir

3.3. 대호호 유역 오염물질 배출특성 분석

대호호 유역의 오염물질 배출특성을 분석하기 위해 오염부하량 산정결과를 바탕으로 대호호 유역의 오염원 그룹별 BOD배출부하량 분포를 Fig. 4에 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 생활계 배출부하량은 인구밀도가 높은 대신 환경기초시설이 없어 오염물질 배출량이 많은 성연천 유역의 일부지역에서 높은 경향을 보였다. 축산계는 대호간척지내 축산시설이 많이 분포하고 있는 당진지역에서 전반적으로 배출부하량이 큰 값을 보였는데, 이 지역은 액비살포가 집중적으로 이루어지고 있어 강우 시 일시적으로 축산오염물질이 비점오염원으로 유출될 가능성이 존재하여 세심한 관리가 필요한 지역이다.

Fig. 4.

Spatial distribution of discharged pollution load in Daeho reservoir watershed.

산업계 배출부하량은 산업시설이 위치한 지역에서 높았으며, 토지계는 전체면적이 크고 대지지목 비율이 높은 당진시 석문면 지역에서 높은 것으로 나타났다. 대호호 유역의 오염원 그룹별 배출부하밀도를 나타낸 Fig. 5에서와 같이 오염원 그룹에 따라 국지적으로 배출부하밀도가 높은 지역이 존재하였지만, 전반적으로 배출부하량이 높은 지역이 배출부하밀도 또한 높은 경향을 보였다.

Fig. 5.

Spatial distribution of discharged pollution load density in Daeho reservoir watershed.

3.4. 대호호 수질개선방안

대호호를 포함하여 유역 내 지류하천 수질·유량조사, 농업배수로 수질조사, 퇴적물 내 오염물질 함유량 조사, 대호호 및 삽교호 유입수 수질조사, 대호호 유역의 오염물질 배출 특성 등을 종합적으로 고려하여 수질개선방안을 마련하였다. 대호호 수질개선을 위해서는 대호호로 유입되는 삽교호 유입수의 수질개선 및 축산오염원 관리를 위한 저류지 설치 또는 인공습지 조성 등이 필요한 것으로 판단되며, 특히, 대호호 수질이 삽교호 유입수의 수질 및 유량에 따라 변화되므로 이에 대한 집중적인 관리가 필요한 것으로 판단된다[6].

본 연구결과에서와 같이 대호호의 부족한 농업용수를 삽교호에서 공급받게 되면서 대호호 수질이 삽교호와 유사하게 증가하는 경향을 보였기 때문에 대호호로 유입되는 삽교호의 수질을 우선적으로 개선시키는 것이 무엇보다도 중요하다. 호소 수질개선방법으로 기존 여러 연구에서 사용된 다양한 방법을 활용할 수 있으나[19~22], 설치와 운전이 용이하고 유기물 및 영양염류 제거가 동시에 가능한 생물여과공정을 설치하는 방안이 필요한 것으로 판단된다. 대호간척지 내에는 축산시설이 산재해있고, 특히 퇴적물 내 오염물질 함유량이 높은 Daeho5 지점을 중심으로 축산 액비가 집중적으로 살포되고 있어 강우 시 유출로 인한 오염을 방지하기 위해서는 저류지 설치 등의 방안도 고려해 볼 수 있다. 또한, 대호간척지 내 농경지에서 각종 화학물질, 비료, 액비살포 등으로 오염물질이 유출될 가능성이 상존하므로 수질 악화에 대비하고 추가적인 오염물질 제거를 위해 농업배수로 말단부를 중심으로 인공습지를 조성하는 방안도 필요할 것으로 판단된다.

3.5. 대호호 수질예측을 통한 최적 수질개선방안

대호호 수질에 삽교호 용수가 가장 큰 영향을 미치는 것으로 평가되었으므로 수질개선을 위해 삽교호 유입수 수질개선과 축산시설을 중심으로 인공습지를 조성하는 방안을 최적의 대안으로 선정하여 수질을 예측하였다. 대호호 수질 IV등급(COD 8 mg/L 이하, T-P 0.1 mg/L 이하) 달성을 목표로 Table 5와 같이 수질개선방안에 따른 장래 수질예측 시나리오를 구성하였다. 시나리오1은 현재 대호호의 수질상태를 기준으로 모의한 것이며, 시나리오2는 유역 내 인공습지 조성, 시나리오3은 삽교호 유입수량의 20%를 생물학적(생물여과공정) 처리, 시나리오4는 삽교호 유입수량 40%를 생물학적(생물여과공정) 처리, 시나리오5는 삽교호 유입수량 20%를 생물학적(생물여과공정) 및 화학적(응집/침전) 처리, 시나리오6은 삽교호 유입수량 40%를 생물학적(생물여과공정) 및 화학적(응집/침전) 처리, 시나리오7은 인공습지 조성과 함께 삽교호 유입수량 40%를 생물학적(생물여과공정) 및 화학적(응집/침전) 처리하는 것으로 구성하였다.

Table 5.

Composition of scenarios according to combination of pollutant reduction plans for prediction of water quality in Daeho reservoir

Fig. 6은 수질개선 시나리오별 COD, T-N 및 T-P농도 예측 결과를 정리한 것이다. 그림에서와 같이 인공습지 조성을 적용한 시나리오2는 현재 수질상태를 나타낸 시나리오1보다 수질이 약간 개선되었지만 거의 유사한 수준인 것으로 나타났다. 대호호로 유입되는 삽교호 유입량 20% 또는 40%를 생물학적으로 처리하거나(COD 50%, T-N 및 T-P 30% 제거), 삽교호 유입량의 20%를 생물학적 및 화학적 처리(COD 90%, T-N 및 T-P 75% 제거)를 병행하는 경우를 적용한 시나리오3~5는 호소 수질 V등급은 달성한 반면, IV등급(COD 8 mg/L 이하, T-P 0.1 mg/L 이하)은 달성하지 못하는 것으로 예측되었다. 한편, 대호호로 유입되는 삽교호 유입량 40%를 생물학적 및 화학적으로 처리하거나(COD 90%, T-N 및 T-P 75% 제거) 유역 내 인공습지를 추가적으로 조성하는 시나리오6~7을 적용하는 경우에는 수질개선 목표인 IV등급 이내로 처리가 가능할 것으로 예측되었다.

Fig. 6.

Results of water quality prediction according to seven scenarios.