유역-호소 통합수질예측 기법을 이용한 오염원 입지규제에 의한 팔당호 수질개선효과 평가
A Study on Paldang Reservoir Water Quality Improvement Effect by Pollutant Source Location Regulation Using Watershed-Reservoir Integrated Prediction
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Abstract
목적
「한강수계법」 제정 이후, 현재까지 추진된 한강수계 수질보전을 위한 다양한 환경정책 및 수질개선 사업에 대해, 직·간접적 기여도와 효과의 종합적 분석은 부족한 실정이다. 그 중, 오염원 입지규제에 의한 효과는 규제되지 않은 조건에서의 현재 상황이 존재하지 않으므로, 미규제 상황을 유추하고 모델 예측을 통해 추정해야 한다. 수도권 인근 비도시지역의 개발압력이 강해지고 있음에 따라 오염원 입지규제에 의한 효과를 분석할 필요가 있다.
방법
본 연구에서는 한강수계 상수원관리지역 중 팔당댐 상류 지역의 입지 규제지역이 위치한 강원, 경기, 충북의 평균 오염원 밀도와 입지 규제지역의 오염원 밀도를 비교 분석함으로써, 입지규제 및 행위제한이 없었을 경우 미규제 지역 수준의 오염원이 입지하였을 것으로 가정하여 규제지역의 오염원 변화를 추정하였다. 한강권역은 댐호소가 다수 존재하여 유역모델만으로 호소의 수질을 모의하는데 어려움이 있어 BASINS/WinHSPF와 EFDC-WASP을 연계 구축하였고, 이를 통해 오염원 입지규제가 시행되지 않은 경우의 팔당호의 수질 변화를 예측하고, 오염원 입지규제의 효과를 분석하고자 하였다.
결과 및 토의
구축 및 보정된 모델에 오염원 입지규제가 시행되지 않았을 경우의 배출부하량을 적용하여 팔당호 수질개선을 평가하였다. 오염원 입지규제의 효과로 입지 규제지역의 배출부하량은 BOD 53.90%, T-P 48.58% 저감된 것으로 나타났으며, 팔당댐 수질은 BOD는 6.77%, T-P는 6.62% 개선된 것으로 나타나 오염원 입지규제가 팔당호 수질개선에 일정부분 기여한 것으로 분석되었다. 팔당호 수질개선 효과는 상류 전체의 영향까지 누적되므로 규제지역 내 오염부하량 저감효과에 비해 상대적으로 낮게 평가된 것으로 판단된다.
결론
오염원 입지규제는 한강수계 전체면적 대비 상대적으로 면적이 매우 협소한 팔당호 인근의 입지규제에도 불구하고 일정수준 이상 수질개선에 효과를 가지는 것으로 분석되었다.
Trans Abstract
Objectives
Since the enactment of the 「Han-River Watershed Act」, comprehensive analysis about direct and indirect contributions and effects of various environmental policies and water quality improvement projects for the preservation of water quality in the Han-River watershed is insufficient. Especially, effect of pollutant source location regulation should be inferred and estimated through model prediction because it does not exist unregulated conditions. As development pressure in non-urban areas near the metropolitan area is increasing, it is necessary to analyze the effects of pollutant source location regulation.
Methods
In this study, average pollutant density of Gangwon-do, Gyeonggi-do, and Chungcheongbuk-do, where the regulation areas located, and average pollutant density of water source management areas were compared and analyzed. After that changes in pollutant sources in regulation areas were estimated by assuming load of pollutant sources in unregulated areas that load of pollutant sources in regulation areas. Since many reservoirs are located in Han-river watershed, it is difficult to simulate the water quality of Paldang reservoir using only watershed model, BASINS/WinHSPF and EFDC-WASP were linked. Through this, change in water quality of Paldang Lake was tried to predict when the pollutant location regulation was not implemented, and to analyze the effect of the pollutant location regulation.
Results and Discussion
Water quality improvement of Paldang reservoir was evaluated by applying the discharge load when the pollution source location regulation was not implemented to the calibrated model. As a result of the pollution source location regulation, discharge load in the location regulation area was analyzed to reduce by 53.90% and T-P by 48.58%, and the BOD and T-P improvement effect of Paldang Dam was analyzed 6.77% and T-P 6.62%. Since the water quality improvement effect of Paldang Lake is accumulated to the entire upstream, it is evaluated relatively less than pollutant load reducing effect.
Conclusion
It was analyzed that pollutiont source location regulation has water quality improvement effect, despite the small area which only located in near Paldang reservoir compared to the total area of the Han-River watershed.
1. 서 론
수도권 인구는 증가추세를 보이고 있으며, 그에 따라 개발압력도 높아지고 있다. 1990년대 중반 준농림지역의 행위 제한이 완화되면서 비도시지역의 조화로운 이용·보전·관리가 약해지고 수도권 등 대도시의 개발압력이 높은 인근 비도시지역의 주거지역 인근에 소규모 공장의 개별입지가 지속적으로 증가하고 있다[1].
물이용부담금 및 수계관리기금 제도는 1999년 한강수계에 도입을 시작으로 4대강 수계에서 운영되어, 시행 이후 만 22~23년이 경과하였다. 한강수계의 수계기금은 팔당호 상류 규제지역 주민의 피해보상과 상수원 수질개선을 목적으로, 「한강수계 상수원 수질개선 및 주민지원 등에 관한 법률(이하 한강수계법)」에 따라 조성되었다. 조성된 기금은 주기적으로 기금 운용계획을 수립하고, 한강수계 여건 및 전망과 재정운용 성과 분석을 통해 기금사업(기존사업, 신규사업 발굴 등)에 대한 개선방안을 모색하여, 한강수계 수질개선 및 운영사업에 사용된다. 그러나 「한강수계법」 제정 이후, 현재까지 추진된 한강수계 수질보전을 위한 다양한 환경정책 및 수질개선 사업에 대해, 실제 수질변화와 연계하여 직·간접적 기여도와 효과의 종합적 분석은 부족한 실정이다. 「한강수계법」시행으로 인한 수질개선 효과는 한강수계기금이 투입된 다양한 오염부하량 직접저감 사업의 시행 전후 상황을 비교함으로써 도출할 수 있으나, 오염원 입지규제에 의한 효과는 규제되지 않은 조건에서의 현재 상황이 존재하지 않으므로, 특정한 가정을 통해 미규제 상황을 유추하고 모델 예측을 통해 추정해야 한다[2].
한강권역은 댐호소가 다수 존재하여 유역모델 HSPF만으로 호소의 수질을 모의하는데 어려움이 있어 호소 수질모델 WASP을 연계 구축할 필요가 있다. 유역-호소 수질모델 연계 기법이 국내에 적용된 사례는 HSPF와 EFDC모델을 연계하여 모델 격자수에 따른 영주다목적댐의 수질모의의 차이점 평가[3], SWAT과 EFDC-WASP모델을 연계하여 유역 유출변화에 따른 도암댐 저수지의 수질변화 모의[4], HSPF와 EFDC-WASP모델을 연계하여 부하량 변화에 따른 물왕저수지 수질변화 모의[5], HSPF와 EFDC모델을 연계하여 원주천 홍수조절댐 건설에 따른 환경영향평가[6], SWAT과 EFDC모델을 연계하여 입장저수지의 SS이동을 모의[7], SWAT과 EFDC모델을 연계하여 회복탄력성 개념을 도입해 간월호 회복탄력성을 평가[8], HSPF와 EFDC-WASP모델을 연계하여 상류 오염원 관리가 호소 수질에 주는 영향 평가[9] 등의 연구가 있다.
본 연구에서는 「한강수계법」이 제정된 이후 상수원관리지역이 지정･운영되면서 해당 지역에서 환경규제기준 강화 및 각종 행위 제한으로 인해 오염원 증가를 억제함으로써, 팔당호 수질개선에 미친 효과를 평가하고자 한다.
2. 연구방법
2.1. 대상지역
본 연구의 대상지역은 한강수계 상수원관리지역 중 팔당댐 상류 지역이며, 상수원관리지역은 「수도법」 제7조에 따라 지정･공고된 지역 중 팔당호 및 잠실수중보 상수원보호구역, 「한강수계법」 제4조에 따라 지정･고시된 수변구역, 「환경정책기본법」 제38조에 따라 지정･고시된 상수원 수질보전을 위한 특별대책지역을 말한다(Fig. 1). 따라서 본 연구의 대상지역은 잠실수중보 상수원보호구역을 제외한 상수원관리지역이며, 상수원관리지역은 한강수계법이 지정･운영됨에 따라 해당 지역에서 환경규제기준이 강화되고 각종 행위제한이 발생하여 상수원의 수질보전 및 개선 효과가 기대되어 현재까지 운영되고 있다.
Water source management area.
상수원관리지역 내의 입지규제지역은 강원도 춘천시 및 원주시, 경기도 가평군, 광주시, 남양주시, 양평군, 여주시, 용인시 처인구, 이천시, 하남시, 서울특별시 광진구 및 강동구, 충청북도 충주시 등 13개 시군구로, 개발이 제한되어 오염원 입지 및 배출량 증가가 억제되었을 것으로 추정된다(Fig. 2).
Pollutant source location regulation area.
2.2. BASINS/WinHSPF 구축
수질예측 및 수질개선대책 수립을 위하여 국내외에서 다양한 종류의 유역수질모델이 적용되고 있으며, 그 중 HSPF는 공간적으로 산재된 오염원 분포 및 토지이용특성을 고려할 수 있는 장점이 있다[5].
HSPF는 소유역별, 토지이용별 별도의 매개변수를 적용할 수 있는 Individual model로 구축할 경우, 투수층(PERLND), 불투수층(IMPLND), 수계(RCHRES) 각 Submodel을 의미하는 Operation 수는 HSPF의 capacity상 한 모델 내에서 500개로 제한되기 때문에 한강수계의 다양한 지형적 특성을 최대한 반영하기 위하여 인접한 소유역끼리 그룹화 후 연계하여 모델을 구동하는 방식이 필요하다. 또한 호소수질모델이 적용되어야 할 댐 구간의 경우, 유역모델과 호소수질모델 간의 연계를 위해, 그 구간을 나눌 필요가 있다. 따라서 모델간 연계와 HSPF의 한 모델 당 할당된 capacity를 고려하여, 적정 Operation 수를 가질 수 있도록 상･하류 일정 권역별로 분할한 후 상류모델의 모의결과가 하류로 전달되도록 분할구축이 요구된다.
본 연구에서는 한강수계 BASINS 구축은 총 5개의 그룹으로 구성하여 순차적인 실행 구조로 설정하였다. 한편, 남한강 하류 유역에는 3개의 다목적 보가 설치되어 2012년부터 운영 중이며, 하천 내 댐 호소를 제외한 대형 수리구조물의 인위적 조절을 반영하기 위해, HSPF의 Dam Operation 기능을 활용하여 보 설치 전･후와 방류구별 운영 특성을 반영하였다.
2.3. EFDC-WASP 구축
하천호소수질 모의에는 수체모델이 사용되는데, 특히 WASP 모델은 수체에 대한 동적 분할 모델로서 시간에 따른 변동을 고려할 수 있어 연중변화는 물론 짧은 시간 간격의 수질 변화를 분석하는데 이용되고 있다[10-12].
한강권역은 댐호소가 다수 존재하여 유역모델 HSPF만으로 호소의 수질을 모의하는데 어려움이 있어 호소 수질모델을 구축하였다. 댐호소 상류 유역의 HSPF 모의 결과를 댐호소의 입력자료로 이용하였으며, 호소 수질모델모의 결과를 HSPF의 댐 하류에 입력하였다.
WASP은 각 격자(Segment)에서의 호내 수리적 흐름은 EFDC 모의 결과를 이용하되, 각 격자 내 수질만을 모의하도록 구성하였고, 수질 입력자료는 유역모델 HSPF 모의결과를 이용하여 3차원 수리흐름을 고려할 수 있도록 구축하였다.
2.4. 모델의 보정 및 검증
유출량의 보정 및 검정에 따른 재현성 검토에 있어서는 Donigian [13]이 제시한 바에 따라, 관측값 및 모의값의 차이를 나타내는 상대오차(%Difference)와 추가적으로 R2(Table 1∼2)로 모의 결과를 평가하였으며, 수질 재현성은 %Difference를 이용하였다.
%Difference ranges for model performance.
R2 value ranges for model performance.
2.5. 오염원 입지규제에 의한 오염원 배출부하량 산정
「한강수계법」은 한강수계 상수원 적정 관리, 상수원 상류지역 수질개선사업 및 주민지원사업의 효율적 추진을 위해 1999년 제정되었다. 상수원관리지역 오염원의 입지규제를 통해 개발을 제한함으로써 저감된 오염부하량 및 수질개선효과(2019년 기준)를 직접적으로 산정하기 위해서는, 규제가 이루어지지 않은 상황과 비교하여 정량화할 필요가 있다.
오염원 입지규제가 시행되지 않은 경우 예상되는 오염부하량에 따른 수질은 현재의 조건이 아니므로 모델로 유추해야하며[2], 이에 따라 입지규제지역을 포함한 참고지역(강원도, 경기도, 충청북도)과 입지규제지역의 면적, 오염원 및 배출부하량을 산정하여 비교 분석한 뒤(Fig. 3), 입지규제 미시행 시 참고지역의 오염원 밀도 수준까지 오염원이 증가할 수 있을 것으로 가정하여 오염원 변화를 추정하였다(Table 3). 연구대상지역의 배출부하량은 축산계, 생활계 배출부하량이 많은 부분을 차지하고 있으며, 양식계 배출부하량 또한 큰 부분을 차지하고 있으나, 선행연구[2]를 참조하여 밀도분석 대상 오염원은 생활계, 산업계, 토지계 오염원으로 선정하였고, 도시화 개발을 전제로 한 분석이므로 축산계와 양식계 오염원은 현재와 같은 수준으로 유지될 것으로 가정하였다.
Discharge pollutant load in study area (kg/day).
3. 결과 및 고찰
3.1. HSPF 보정 및 검증
모델 보정 및 검증을 위한 구동기간과 신뢰할 수 있는 기초자료를 고려할 때, 최근 10년(2011년~2020년) 수준이 적절할 것으로 판단하여, 2016년부터 2020년까지는 모델의 보정기간, 2011년부터 2015년까지는 검증기간으로 설정하였다.
환경부 총량측정망 지점에서 유출량 보정 및 검증을 수행하였으며, Table 4는 팔당댐 유입 직전 상류 지점의 유출량 보정과 검증 결과이다. 유출량 보정 및 검증 결과 팔당댐 상류 전 지점에서 %Difference와 R2는 모두 Good~Very Good으로 나타나 모의치가 실측치를 합리적으로 반영하는 것으로 판단된다. 또한 수질은 환경부의 물환경측정망 설치･운영계획(2019)을 반영하여 중권역 대표지점에서 보정 및 검증을 수행하였다. Table 5는 팔당댐 유입 직전 상류 지점의 수질 보정과 검증 결과이다. 수질 보정 및 검증 결과 전 구간에서 Fair~Very Good으로 나타나 모의치가 실측치를 합리적으로 반영하는 것으로 판단된다.
Calibration and validation of HSPF (Flow).
Calibration and validation of HSPF (Water quality).
3.2. WASP 보정 및 검증
유역모델의 유량결과를 EFDC 입력자료로 활용하여 팔당댐의 수리수문변화를 예측하고 EFDC 유량예측 결과와 유역모델의 수질결과를 바탕으로 WASP7에 적합한 입력자료를 구성하였다. 환경부 호소측정망 모니터링 자료(2018년~2019년)를 바탕으로 BOD, T-N, T-P, Chl-a, DO, TOC 항목에 대한 보정 및 검증을 수행하였다.
WASP7 수질모델내 유기물 산소소모량은 BOD 농도로 모의되고, 유기탄소는 DOC 농도로만 모의되고 있으나, 호소에 대한 수질기준은 TOC 농도를 적용하고 있다. POC 및 DOC의 실측 자료의 부재로 TOC 농도로 환산할 경우 높은 불확실성을 포함하게 되므로 환경부 호소측정망 모니터링 자료로부터 TOC와 BOD의 비율을 적용하여 모델을 통해 계산된 결과를 TOC 농도로 환산하여 산정하였다. 호소수질모델의 보정기간은 2019년, 검증기간은 2018년으로 선정하였고, 모델효율은 HSPF와 마찬가지로 %Difference를 이용하여 평가하였다(Table 6). 호소수질모델의 재현성 검토 결과 모든 수질항목에서 Very Good으로 평가되어, 모의값이 실측값을 합리적으로 반영하는 것으로 판단된다(Fig. 4).
Calibration and validation of WASP.
Calibration and validation of WASP.
3.3. 팔당댐 수질에 미치는 오염원 입지규제 효과
환경부에서 제공하는 전국오염원조사자료를 바탕으로 오염총량관리기술지침[14]에 따라 산정한 경기도, 강원도, 충청북도의 배출부하량은 BOD 147,527.09kg/일, T-P 8,573.754kg/일이며, 오염원 입지규제의 효과로 연구대상지역 내의 생활계･산업계･토지계 배출부하량은 BOD 53.90%(29,126.40→ 13,427.66kg/일), T-P 48.58%(1,427.893→734.292kg/일) 저감된 것으로 나타났다(Table 7).
Discharge pollutant load of human living, industry and land (kg/day).
보정된 모델에 오염원 입지규제를 하지 않았을 경우 예상되는 배출부하량을 입력하여 팔당호 수질 변화를 예측하였다. 2019년 현재 팔당호 수질은 BOD 1.34mg/L, T-P 0.032mg/L이며, 입지규제 미시행 시 수질은 BOD 1.44mg/L, T-P 0.035 mg/L로 예측되었다. 이 차이로부터 오염원 입지규제로 인한 수질개선효과를 산정하였다.
오염원 입지규제의 효과로 팔당댐 수질은 BOD는 6.77% (1.44→1.34 mg/L), T-P는 6.62%(0.035→0.032 mg/L) 개선된 것으로 나타났다. 팔당호 수질개선 효과는 상류 전체의 영향까지 누적되므로 규제지역 내 오염부하량 저감효과(%)에 비해 상대적으로 낮게 평가된 것으로 판단된다.
4. 요약 및 결론
본 연구에서는 1999년 한강수계법이 제정된 이후 팔당호 주변지역(상수원관리지역)의 오염원 입지규제로 인해 저감된 배출부하량을 산정하고, BASINS/WinHSPF와 EFDC-WASP을 연계 구축하여 한강 유역과 유역 내 댐호소를 함께 고려한 동적 모의를 통해 오염원 입지규제에 의해 개선된 수질을 예측하였다.
HSPF 모의결과 일부 수질항목은 Fair로 평가되었으나 유량, BOD, T-N, T-P 평가결과 대부분 Good~Very Good으로 나타나 모의결과가 실측값을 합리적으로 반영하는 것으로 판단된다. WASP 모의결과 또한 DO, BOD, T-N, T-P, Chl-a 모두 Very Good으로 평가되어 모의결과가 실측값을 합리적으로 반영하는 것으로 판단되며, 이를 통해 예측한 팔당호 개선 수질의 신뢰도는 높을 것으로 판단된다.
구축 및 보정된 모델에 오염원 입지규제가 시행되지 않았을 경우의 배출부하량을 입력하여 팔당호 수질개선을 평가하였다. 오염원 입지규제의 효과로 배출부하량은 BOD 53.90% (29,126.40→13,427.66kg/일), T-P 48.58%(1,427.893→ 734.292 kg/일) 개선된 것으로 나타났으며, 팔당댐 수질은 BOD는 6.77%(1.44→1.34mg/L), T-P는 6.62%(0.035→0.032 mg/L) 개선된 것으로 나타나 오염원 입지규제가 팔당호 수질개선에 일부 기여한 것으로 평가된다. 그러나 현재 존재하지 않는 상황을 오염원 밀도를 이용하여 배출부하량을 추정하여 산정했기 때문에 불확실성이 존재한다는 한계가 있다.
오염원 입지규제는 한강수계 전체면적 대비 상대적으로 면적이 매우 협소한 팔당호 인근의 입지규제에도 불구하고 일정수준 이상 수질개선에 효과를 가지는 것으로 분석되어, 앞으로도 적절한 수준에서 지속되어야 할 것으로 판단되며, 향후 면밀한 분석을 통해 시･공간적 특성을 고려한 맞춤형 규제와 환경 부담을 최소화할 수 있는 주민 활동 등으로, 환경보전과 인간활동이 조화를 이룰 수 있도록 지속가능한 발전을 도모하는 노력이 지속되어야 할 것으로 판단된다.
Acknowledgements
본 연구는 한강수계관리위원회에서 시행한 한강수계 2021년도 환경기초조사사업에 의해 수행되었음.
Notes
Declaration of Competing Interest
The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.