Research Article

Journal of Korea Water Resources Association. May 2020. 369-381
https://doi.org/10.3741/JKWRA.2020.53.5.369


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 실험방법

  •   2.1 연구대상지역

  •   2.2 영산강 및 주요 지류의 수질 변화 특성 분석

  •   2.3 수리 및 수질 동역학 모델 구축

  •   2.4 모델 보정 및 재현성 평가

  •   2.5 시나리오 구축

  • 3. 결과 및 고찰

  •   3.1 광주 제 1 하수처리장 방류수 수질개선 시 영산강 본류의 수질 변화 모의

  •   3.2 주요 지류 수질개선에 따른 영산강 본류 수질 변화 모의

  •   3.3 지류의 수질개선 우선순위 산정을 위한 모의

  • 4. 결 론

1. 서 론

영산강은 유역면적 3,371 km2의 국내에서 네 번째로 큰 강이며 상수원이용과 함께 호남평야에 농업용수를 공급하기 위하여 관리되어 왔다. 그러나 80년대 이후로 도시화 및 산업화와의 영향으로 수질 오염이 심화되었으며 1996년도 몽탄취수장 폐쇄와 함께 상수원으로서 기능을 상실한 후 현재까지 4대강 중 가장 수질이 악화된 하천이다(Song, 2016). 또한 영산강 유역의 전체 인구 중 80% 이상이 상류의 광주광역시와 같은 대도시에 밀집되어 있고, 산업단지와 같은 대규모 오염배출원이 위치하고 있어 여러 수질 개선 사업에도 불구하고 기존과 같은 상수원으로 이용할 수 있는 수준까지 복구되지 않고 있는 실정이다(Lee, 2020). 영산강 유역 내 비점오염물질의 유입과 도시 및 산업단지를 관류하는 지류들을 통한 오염부하가 영산강 수질에 미치는 영향과 그 대책에 대한 다양한 연구들이 수행되어 왔다(Cha et al., 2009; Seo, 2010; Kim, 2011). Ha et al. (2018)은 영산강 유역 내 시·군 경계지점에서 지류를 통해 본류로 유입되는 오염 부하량에 관하여 연구한 바 있으며 Jung et al. (2013)은 영산강 유역의 지류·지천의 수질 특성을 평가하고 통계적 기법을 활용하여 등급화 할 수 있는 방안을 제시하였다. 또한 Park (2017)은 영산강 유역 내 지류를 중심으로 수질과 비점오염물질 그리고 조류의 특성을 조사하고 저감 대책 방안을 보고한 바 있으며 Jin and Park (2006)은 영산강 유역 도시지역의 비점오염원 배출특성에 관하여 연구한 바 있다. 영산강의 수질이 광주광역시를 지나면서 수질이 악화되다가 다시 서서히 개선되어 가는 양상을 고려하면 광주광역시에서 하수처리장과 같은 다량의 오염 부하량이 집중적으로 배출되는 것을 알 수 있다(Park et al., 2016). 특히 하루 600,000 m3/d 하수를 정화하여 방류하는 광주 제 1 하수처리장은 영산강 수질 악화의 주요 원인으로 지적되어 왔다. 현재 광주 제 1 하수처리장의 가동률은 100%에 육박하고 있어 증설이 지속 요구되는 상황이며 이에 따라 광주광역시에서는 하수처리장의 처리용량 증설과 함께 방류수의 높은 총질소량을 낮추기 위하여 질소 처리장치의 확충을 계획하고 있는 상황이다(Jung, 2019). Park et al. (2016)은 광주 제 1 하수처리장 방류수의 오염부하 삭감에 따른 영산강 본류의 수질 개선 효과를 연구한 바 있다. 이와 같이 영산강에는 지류 및 하수처리장의 방류수 그리고 비점오염원 등 다양한 경로를 통해 오염부하가 유입되어 본류의 수질을 결정하고 있는 상태이다. 따라서 효과적인 수질관리와 정책수립을 위해서는 각 오염원에 대한 종합적인 분석과 장기적인 수질 변화 경향에 대한 분석이 필요하다(Kang et al., 2014). 본 연구에서는 지류 및 하수처리장 그리고 비점오염원 등 영산강 본류로 유입되는 각 오염원의 수질 및 거동 그리고 본류의 수질에 미치는 영향을 종합적으로 분석하고자 한다. 또한 2018년부터 2019년 11월 30일 동안의 영산강의 수질경향을 토대로 Environmental Fluid Dynamics Code (EFDC) 모델을 활용하여 광주 제1 하수저리장 방류수 및 주요 지류들의 수질 개선에 따른 영산강 본류의 수질 변화를 확인하고 나아가 영산강 내 승촌보, 죽산보를 기준으로 지류의 수질 개선 우선순위를 평가하고자 한다.

2. 실험방법

2.1 연구대상지역

본 연구대상지역은 광주광역시 어등대교 부터 죽산보까지 약 32 km 구간이다. 상류에는 광주광역시 및 산업단지 등이 위치하고 있으며 중·하류에는 주로 농업지역이 분포하고 있다. Fig. 1의 왼쪽에 나타낸 바와 같이 주요 점오염원은 광주 제 1 하수처리장(WWTP1)과 광주 제 2 하수처리장(WWTP2)으로 파악되며 4대강 사업에 의한 승촌보(Weir1)와 죽산보(Weir2)가 있다. Fig. 1의 오른쪽은 연구대상지역 내의 수질 측정망, 수위측정소 및 주요지류 그리고 영산강으로 유입되는 주요 배수문의 위치를 나타내고 있다.

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Fig. 1.

General map of the study area and locations of major tributaries

2.2 영산강 및 주요 지류의 수질 변화 특성 분석

Figs. 2 and 3은 2018년부터 2019년 11월 30일 동안 영산강 본류 및 지류 그리고 하수처리장의 Total Nitrogen (TN), Total Phosphorus (TP)와 Chlorophyll-a (Chl-a) 그리고 Chemical Oxygen Demand (COD) 농도를 나타낸 것이다. Q1의 상류에는 광주 제 1 하수처리장 방류수와 광주천이 유입되며 방류수의 TN 농도는 15-18 mg/L 수준을 나타내고 있다. 이에 따라 Q0에서 2-3 mg/L 수준이었던 영산강의 TN 농도가 Q1에 이르러서 10 mg/L 수준으로 대폭 상승하는 경향을 보인다. 한편 Chl-a는 상류의 Q0에서 평균 50 mg/m3 수준으로 높게 나타나다가 광주 제 1 하수처리장 방류수와 광주천이 유입된 후 오히려 감소한 것으로 나타나고 있다. 이는 영산강 본류로 약 600,000 m3/d 이 유입되는 광주 제 1 하수처리장 방류수에 의한 희석과 유속 형성의 영향으로 판단된다. 반대로 광주천의 경우 연구기간 중 평균 약 200,000 m3/d 의 유량을 나타내나 계절에 따른 편차로 여름철을 제외 시 약 50,000 ~ 90,000 m3/d의 유량을 나타낸다.

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Fig. 2.

Water quality characteristics of TN and TP in the Yeongsan river

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Fig. 3.

Water quality characteristics of Chl-a and COD in the Yeongsan river

승촌보(Q3) 부근에서부터 TN과 TP의 농도는 감소하며 Chl-a는 증가하는 경향을 나타내고 있다. TN의 경우 광주 제 1 하수처리장이 위치한 상류에서 타 구간에 비해 가장 높으나 하류로 갈수록 희석되는 경향이 있는데 이는 지류들의 평균 TN 농도는 약 5 mg/L 수준이므로 하류로 갈수록 지류의 유입에 따라 희석되는 것으로 관찰된다. TP의 경우 간헐적으로 높게 측정되는 경우가 있으며 특히 상~중류 (Q1, Q2, Q3)에서 그 경향이 크다. 이는 강우 시 농경지 또는 축사 등에서 유입되는 비점오염물질의 영향으로 추정된다.

연구 기간 중 주요 지류의 일 평균 유량(m3/d)은 황룡강은 약 800,000 m3/d, 지석천 및 장성천은 각각 1,100,000 m3/d, 420,000 m3/d 로 다른 지류와 대비하여 상대적으로 크며 광주 제 2 하수처리장은 약 100,000 m3/d 를 영산강 본류로 방류하고 있다.

한편 본 연구대상지역 내에는 도시, 산업지역 및 농경지로부터 다수의 배수문이 위치하고 있으며 각 배수문을 통해 오염물질이 항시 또는 강우 시 유입될 가능성이 존재한다. 본 연구에서 파악된 배수문은 모두 18개로서 그 중 타 배수문에 비하여 영산강 본류에 오염기여율이 상대적으로 큰 신촌(G1), 벽진(G2), 삼도(G3), 안창(G4) 배수문의 위치는 Fig. 1에 나타낸 바와 같다(Park, 2017). Table 1은 각 배수문에서 강우 시 오염 부하량 측정 결과를 나타내고 있다. 신촌과 벽진 배수문에서 오염 부하량이 가장 높았으며 특히 신촌의 경우 TP의 부하량이 가장 컸다. 신촌 배수문은 광주공항을 통과하는 유출수를 포함하며 활주로 및 도로에서 축적된 오염물질이 강우 시 유출되며 포장면적이 상대적으로 넓음에 따라 영산강으로 유입되는 축적된 오염물질이 특히 많을 것으로 추정된다. 벽진 배수문의 경우 조사된 배수문 중 유역면적이 가장 크고 도시 및 농경지의 비점오염물질이 혼재되어 있으며 삼도 배수문은 나주 시내를 관통하는 나주천, 우수관거 유출수, 농업용수가 합쳐지는 지점으로 강우 시 도시 및 농업 비점오염물질이 유출된다(Park, 2017). 안창 배수문은 조사된 배수문 중 가장 작은 유역면적을 포함하며 수질오염부하 수준도 비교적 낮은 것으로 분석된다.

Table 1. Observed pollution loads in surface runoff (Park, 2017)

Site Basin Area (m2) Date TN (kg/d) TP (kg/d) TOC (kg/d)
Sinchon 116.564 17.06.26. 930.3 80 815.5
17.08.13. 232.7 18.4 181.4
Byeokjin 130,000 17.06.26. 840.1 21.6 944.3
17.08.13. 316.3 17.8 599.6
Samdo 6,770 17.07.06. 213.9 22.4 213.1
17.08.13. 53 6.2 88.5
Anchang 3,340 17.07.06. 3.6 0.2 11.7
17.08.13. 8.2 0.7 32.1

Fig. 4는 하수처리장과 각 지류 그리고 강우 시 배수문에서 유출되는 오염 부하량을 비교한 것이다. 하수처리장과 지류의 오염 부하량은 Figs. 2 and 3에 나타낸 수질 자료와 일 평균 유량(m3/d)을 활용하였으며 배수문의 경우 Table 1에 나타낸 실측자료이다. 광주 제 1, 2 하수처리장 경우 방류수의 TOC 측정 자료가 존재하지 않는 관계로 국립환경과학원에서 제시된 COD/TOC 비를 활용하여 COD 측정값을 TOC로 환산한 값이다(Jeong et al., 2017). 영산강 본류 내 TN 부하는 광주 제 1 하수처리장에서 가장 크게 나타나고 있으며 이어서 지석천 및 장성천의 순으로 높게 나타났다. TP의 경우 지석천, 장성천 및 황룡강의 오염부하가 특히 큰 것으로 나타나고 있다. 타 지류와 대비하여 강우 시 배수문에서 상당량의 오염물질이 영산강에 유입되는 것을 알 수 있다. 연구에서는 18개의 배수문 중에서 실측자료가 존재하는 4개의 배수문에 대해서만 분석하고 있으므로 분석 외 배수문에서도 이와 마찬가지로 강우 시 상당량의 오염물질이 영산강으로 유입될 것으로 추정된다. 배수문 등을 통한 비점오염물질의 유입은 Fig. 2에서 나타난 바와 같이 영산강 본류 지점에서 TP 농도가 간헐적으로 상승하는 주요 원인이 될 가능성이 큰 것으로 분석되며 이는 추후 별도의 연구를 통해서 확인이 필요한 것으로 판단된다.

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Fig. 4.

Daily average pollution loads (kg/d) from major tributaries and water gate

2.3 수리 및 수질 동역학 모델 구축

2.3.1 Environmental Fluid Dynamics Code

본 연구에서는 각 수중보의 복잡한 수문 운영과 각 지류 및 하수처리장의 시기에 따른 오염부하를 반영하고 영산강의 수질 및 녹조현상을 재현하고자 3차원 수리 및 수질 동역학 모델인 Environmental Fluid Dynamics Code를 사용하였다(Hamrick, 1992). EFDC는 댐과 보 같은 구조물의 영향을 모의할 수 있고, Wet and Dry 현상을 구현할 수 있어, 하천, 호소, 하구 및 해안 등 다양한 수계에서 사용 가능하며 여러 연구를 통해 증명되었다(Choi et al., 2012; Kim et al., 2017; Shin et al., 2017; Kim, 2019; Shin et al., 2019). 본 연구에서 사용되는 EFDC 수질 모듈(Park et al., 1995)은 식물성 플랑크톤, 탄소 계열, 질소 계열, 인 계열, 규소 계열과 함께 용존산소 및 화학적 산소 요구량 등을 포함한 22개의 변수를 모의할 수 있으며 변수간의 자세한 상호작용은 Fig. 5에 나타난 바와 같다.

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Fig. 5.

EFDC water quality model structure (Tetra Tech, 2007)

2.3.2 격자 구축

모의에 사용된 격자는 형상이 복잡한 지형을 정확히 반영하고 모의에 필요한 격자의 수를 최소화하기 위해 Curvilinear orthogonal coordinate 방식을 통해 수평 격자를 구축하였다. 수직층은 단일 층으로 총 1,605개의 격자를 구성하였으며, Fig. 6에 나타낸 바와 같다. 특히 실제 보의 수문의 개수, 유형 및 각 보의 수문 운영을 정확하게 반영하기 횡단방향 격자의 개수를 결정하였다. 격자 구축에 있어 가장 중요한 바닥 고도는 영산강 하천기본계획 보고서의 지형 실측자료를 통해 결정하였다(MOLIT, 2009). 격자 구축의 적절성을 판별하기 위해 Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) Condition과 Orthogonality Deviation (OD) 지표를 활용하였으며 CFL Condition의 경우 0.06, 평균 OD는 2.65로 나타났다.

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Fig. 6.

Vertical and horizontal grid development for this study

2.3.3 경계조건 구성

영산강 수리 및 수질 모델링을 위해 필요한 경계조건은 연구대상 기간인 2018년 1월 1일부터 2019년 11월 30일까지 약 2년간의 자료를 활용하여 구축하였다. 경계조건으로서 필요한 자료는 유량, 기상, 수온, 수질 및 수리 구조물 등이 해당되며 모두 국가 측정망의 자료를 이용하였다. 유량 경계 조건의 경우 영산강, 지류 및 하수처리장이 해당되며 국가수자원관리종합정보시스템(wamis.go.kr) 및 광주환경공단의 일 단위 자료를 활용하였다. 그러나 일부 지류의 경우 유량 자료가 존재하지 않기 때문에, 유량자료가 존재하는 지류의 유량과 해당 유역면적 비를 이용하여 산정하였다. 기상자료는 기상자료개방포털(data.kma.go.kr)에서 시간 단위 자료를 사용하였으며 수온 및 수질의 경우 물환경정보시스템(water.nier.go.kr)의 자료를 활용하였다. 수온 및 수질 자료의 경우 일 단위 자료가 사용하기 위해 측정 자료 사이를 선형보간 하였다. 본 연구에서 모의된 수질 항목은 연구대상지역의 녹조현상에 영향을 미치는 조류 계열, 탄소 계열, 질소 계열, 인 계열 및 용존산소이다.

2.4 모델 보정 및 재현성 평가

모델의 수위 보정은 4개의 수위측정 지점과 2개의 수중보를 포함한 총 6개 지점에 대해서 실시하였으며 수온 및 수질 보정은 6개의 수질측정 지점에서 실시하였다. 수질 보정은 Total Organic Carbon (TOC), Total Nitrogen (TN), Total Phosphorus (TP), Chlorophyll-a (Chl-a), Dissolved Oxygen (DO), Ammonia Nitrogen (NH4-N), Nitrate Nitrogen (NO3-N), Total Phosphate (PO4-P) 등에 대해서 실시되었으며 모델 보정의 재현성을 정량적으로 평가하기 위해 Mean Absolute Error (MAE)와 R-Square 두 가지의 통계 지표를 활용하였다. MAE는 절대 평균 오차로 모델 모의값과 실측값의 편차의 절대값을 산술평균한 것이며 값이 0에 근접할수록 이상적인 결과로 여긴다. R-square는 모의값과 실측값의 선형회귀분석을 통해 계산하며 1에 가까울수록 모델 재현성이 높다고 판단한다.

Fig. 7은 대표 지점에서의 수위, 수온 및 수질 보정 결과를 그래프로 나타낸 것이며 Tables 2 and 3은 각 보정 지점에서의 모델 재현성 평가 결과를 나타낸 것이다. 수위 보정의 경우 각 수중보에서의 수문 운영 상황을 잘 모의한 것으로 나타났다. 그러나 W1에서 2018년 4-8월 사이의 수위가 다소 낮게 보정되었다. 이는 모델과 실제 지형 사이에 차이가 있는 것으로 분석되며 모델의 하도 구성에 활용된 영산강 하천기본계획(MOLIT, 2009)의 지형 실측자료가 실제 지형을 정확하게 반영하지 못한 것으로 판단된다. 향후 정확한 실측을 통해 보완되어야 할 것이다. 수온의 경우 Q1에서 수온이 다소 낮게 평가되었지만, 전반적으로 수온 보정이 잘 이루어진 것으로 판단된다. 수질 보정의 경우 하류로 갈수록 오차가 증가하며 이는 앞서 언급한 바와 같이 농경지 등에서 간헐적으로 유입되는 오염부하가 반영되지 못한 것이 중요한 이유로 판단되며 향후 해당 자료가 보완된다면 수질의 재현성이 향상될 것으로 기대된다.

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Fig. 7.

Water level and water quality calibration results in selected locations

Table 2. Calibration results of water level and temperature

Water Level Water Temperature
Site MAE (m) R-square Site MAE (℃) R-square
W 1 0.14 0.75 Q 1 1.81 0.95
W 2 0.12 0.99 Q 2 1.50 0.95
Weir 1 0.00 1.00 Q 3 1.13 0.98
W 3 0.25 0.99 Q 4 1.08 0.97
W 4 0.06 1.00 Q 5 1.18 0.97
Weir 2 0.00 1.00 Q 6 1.09 0.98
Average 0.01 0.94 Average 1.30 0.97

Table 3. Calibration results of water quality

Site MAE R-square
TN (mg/L) TP (mg/L) TOC (mg/L) Chl-a (mg/m3) TN TP TOC Chl-a
Q 1 1.50 0.07 0.93 15.38 0.51 0.36 0.39 0.54
Q 2 1.59 0.08 0.82 15.14 0.72 0.04 0.26 0.52
Q 3 1.06 0.08 2.02 19.58 0.70 0.08 0.24 0.44
Q 4 0.69 0.04 1.29 21.06 0.77 0.09 0.55 0.48
Q 5 1.02 0.05 2.96 40.28 0.58 0.02 0.15 0.15
Q 6 1.24 0.05 1.62 37.66 0.60 0.03 0.26 0.35
Average 1.18 0.06 1.61 24.85 0.66 0.10 0.31 0.41

2.5 시나리오 구축

지류 및 하수처리장의 부하로 인한 영산강 본류, 특히 수중보에서의 수질 및 녹조 현상의 영향을 분석하기 위해 Table 4에 나타낸 바와 같은 세 가지의 시나리오를 구축하였다. Scenario1의 경우 연구대상지역의 하수처리장 중 가장 큰 수질 오염 부하량을 차지하는 광주 제 1 하수처리장 방류수 수질이 개선되는 경우 연구대상지역의 수질 개선 효과를 평가하고자 작성되었으며 Scenario2의 경우 연구대상지역 내에 오염 부하가 가장 큰 다섯 곳의 지류가 수질이 개선되는 경우의 내용을 의미한다. 마지막으로 Scenario3에서는 각 지류의 수질을 개별적으로 개선할 경우 영산강 본류의 수질 개선 효과를 승촌보(Q3)와 죽산보(Q6)를 기준으로 비교하여 지류의 수질 개선 우선순위를 평가하고자 한다.

Table 4. Scenarios for water quality management alternatives

Scenario Contents
Scenario1 Improvement of WWTP 1 effluent water quality 1. 50% improvement in effluent water quality
(1/2 improvement)
2. 70% improvement in effluent water quality
(3/4 improvement)
Scenario2 Improvement of tributary water quality 1. 50% improvement in Gwangju, Hwang-ryong, Pyeong-dong,
Jisuk, Jangsung water quality
2. 75% improvement in Gwangju, Hwang-ryong, Pyeong-dong,
Jisuk, Jangsung water quality
Scenario3 Removal of tributary pollutant loads 1. 100% improvement in Gwangju water quality
2. 100% improvement in Hwang-ryong water quality
3. 100% improvement in Pyeong-dong water quality
4. 100% improvement in Jisuk water quality
5. 100% improvement in Jangsung water quality

시나리오에서 50% 및 75% 수질 개선은 모의결과 비교의 용이성을 위해 임의로 선정한 것이며 오염부하가 1/2 및 1/4 수준으로 감소된 경우를 의미한다. 다만 Senario1에서 광주 제1 하수처리장 방류수의 TN 부하는 수질이 50% 개선 시 연구대상지역 중 오염부하가 가장 큰 지석천의 TN 부하와 유사하며 75% 개선 시 지류의 평균 TN 부하와 유사한 것으로 나타났다.

3. 결과 및 고찰

3.1 광주 제 1 하수처리장 방류수 수질개선 시 영산강 본류의 수질 변화 모의

Fig. 8은 광주 제 1 하수처리장의 방류수 수질농도가 각각 50%, 75% 저감 되었을 경우 주요 지점(Q1, Q3, Q6)의 수질 변화를 나타내고 있으며 구간별 개선 결과는 Table 5에 나타낸 바와 같다. 전 구간에서 TN의 개선이 두드러지게 나타나며 전 구간 개선 평균은 각각 27.2%, 40.8%로 나타났다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 연구대상지역 내 TN의 부하는 광주 제 1 하수처리장의 기여가 가장 크기 때문에 나타난 결과로 해석된다. TP와 TOC의 경우 승촌보(Q3)에서 부터 효과가 대폭 저하되는 것으로 나타나며 이는 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 TP와 TOC 부하가 큰 황룡강의 유입의 영향으로 분석된다. TP의 전 구간 개선 평균은 각각 2.5%, 9.6%로서 TN에 비하여 매우 적은 개선 정도를 나타내고 있으며 이는 하수처리장보다 지류의 TP 부하가 상대적으로 크기 때문에 나타나는 현상이다. TOC의 경우 전 구간 평균 각각 8.2%, 13.5% 개선을 보였으며 이에 대한 원인은 TP 경우와 유사하다. 특기할 만한 것은 하수처리장의 방류수 수질을 75%까지 개선하여도 본류 구간의 Chl-a 농도는 개선되지 않으며 이는 본 연구대상지역은 하수처리장의 방류수 수질이 개선되어도 조류가 성장하기에는 충분한 영양염류 농도가 존재한다는 것을 의미한다.

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Fig. 8.

Water quality changes when WWTP1 were improved

Table 5. Water quality Improvement rates (%) when WWTP 1 were improved

Site TN TP TOC Chl-a
50% 75% 50% 75% 50% 75% 50% 75%
Q 1 38.3 57.5 4.5 20.1 18.8 28.6 - -
Q 2 37.0 55.7 4.3 18.5 15.8 24.9 - -
Q 3 28.0 41.9 2.8 9.3 6.4 11.6 - -
Q 4 22.21 33.3 1.3 4.7 3.8 7.2 - -
Q 5 19.6 29.3 1.2 2.7 2.5 4.9 - -
Q 6 18.0 27.0 0.8 2.0 2.1 4.0 - -
Avg. 27.2 40.8 2.5 9.6 8.2 13.5 - -

3.2 주요 지류 수질개선에 따른 영산강 본류 수질 변화 모의

Fig. 9는 광주천, 황룡강, 평동천, 지석천, 장성천의 수질을 동시에 각각 50%, 75% 개선할 경우 주요 지점의 수질 변화를 나타내고 있으며 구간별 개선 결과는 Table 6에 나타낸 바와 같다. 상류(Q1, Q2)에서는 광주천을 제외하고 큰 지천이 존재하지 않으므로 수질 개선 효과는 크지 않으며 황룡강이 유입된 후(Q3) 개선 효과가 증가하고, 지석천과 장성천의 합류 후(Q4) 가장 크게 개선되는 것으로 나타났다. 하류로 갈수록 지류들의 유입으로 수질 개선에 따른 효과가 증가되는 경향을 확인할 수 있다. 특기할 만한 것은 Chl-a의 개선 효과가 하류로 갈수록 증가한다는 것이며 이는 본 연구대상지역의 녹조현상 개선을 위해서는 주요 지류에서 영양염류 부하를 저감하는 것이 매우 중요하다는 것을 시사한다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kwra/2020-053-05/N0200530505/images/kwra_53_05_05_F9.jpg
Fig. 9.

Water quality changes when tributary were improved

Table 6. Improvement rates (%) of water quality when tributary were improved

Site TN TP TOC Chl-a
50% 75% 50% 75% 50% 75% 50% 75%
Q 1 2.5 3.7 6.4 9.7 8.0 12.0 9.3 13.7
Q 2 1.7 2.9 5.6 8.2 7.4 11.0 8.4 12.6
Q 3 8.3 12.5 19.2 27.8 19.0 29.0 14.8 23.7
Q 4 16.0 23.7 29.4 44.3 24.6 37.7 16.7 26.6
Q 5 15.1 22.6 20.6 29.8 20.0 30.7 12.8 20.4
Q 6 15.0 22.2 16.7 24.3 17.5 26.7 10.0 15.6
Avg. 9.8 14.6 16.3 24.0 16.1 24.5 12.0 18.8

3.3 지류의 수질개선 우선순위 산정을 위한 모의

Table 7은 광주천, 황룡강, 평동천, 지석천, 장성천의 오염부하가 각각 완전하게 개선이 이루어지는 경우(유입 수질농도를 0 으로 가정) 영산강 본류의 수질 개선 결과를 승촌보(Q3)와 죽산보(Q6)를 중심으로 나타낸 것이다. 각 지류와 보의 위치 상 수질에 영향을 주는 주요 지류는 승촌보의 경우 광주천, 황룡강, 평동천이며 죽산보의 경우 지석천과 장성천의 추가적인 영향을 받는다.

Table 7. Water quality improvement rates (%) for removal of tributary pollutant loads

Gwangju Site TN TP TOC Chl-a
Rates Rank Rates Rank Rates Rank Rates Rank
Q 1 5.0 - 13.0 - 15.8 - 18.2 -
Q 2 4.1 - 10.0 - 14.8 - 17.0 -
Q 3 (Weir 1) 3.5 3 5.0 3 8.2 3 8.3 2
Q 4 2.7 - 3.6 - 5.2 - 5.2 -
Q 5 2.6 - 2.0 - 4.1 - 3.2 -
Q 6 (Weir 2) 2.5 5 1.9 5 3.3 5 2.1 5
Hwang-ryong Site TN TP TOC Chl-a
Rates Rank Rates Rank Rates Rank Rates Rank
Q 1 0.0 - 0.0 - 0.0 - 0.0 -
Q 2 0.0 - 0.0 - 0.0 - 0.0 -
Q 3 (Weir 1) 8.2 1 14.9 2 20.8 1 16.9 1
Q 4 6.7 - 8.7 - 13.6 - 11.4 -
Q 5 6.5 - 6.8 - 10.9 - 7.1 -
Q 6 (Weir 2) 6.3 2 6.4 3 9.5 2 5.1 2
Pyeong-dong Site TN TP TOC Chl-a
Rates Rank Rates Rank Rates Rank Rates Rank
Q 1 0.0 - 0.00 - 0.00 - 0.0 -
Q 2 0.0 - 0.00 - 0.00 - 0.0 -
Q 3 (Weir 1) 5.0 2 17.0 1 9.6 2 6.0 3
Q 4 3.7 - 6.9 - 6.2 - 4.6 -
Q 5 3.5 - 5.3 - 4.7 - 2.9 -
Q 6 (Weir 2) 3.4 4 4.8 4 4.1 4 2.2 4
Jisuk Site TN TP TOC Chl-a
Rates Rank Rates Rank Rates Rank Rates Rank
Q 1 0.0 - 0.0 - 0.00 - 0.0 -
Q 2 0.0 - 0.0 - 0.00 - 0.0 -
Q 3 0.0 - 0.0 - 0.00 - 0.0 -
Q 4 13.0 - 22.0 - 16.8 - 10.8 -
Q 5 12.0 - 13.8 - 13.0 - 8.2 -
Q 6 (Weir 2) 11.29 1 10.6 1 11.2 1 6.3 1
Jangsung Site TN TP TOC Chl-a
Rates Rank Rates Rank Rates Rank Rates Rank
Q 1 0.0 - 0.0 - 0.00 - 0.0 -
Q 2 0.0 - 0.0 - 0.00 - 0.0 -
Q 3 0.0 - 0.0 - 0.00 - 0.0 -
Q 4 6.0 - 19.7 - 8.8 - 5.4 -
Q 5 5.7 - 11.6 - 8.2 - 4.3 -
Q 6 (Weir 2) 5.64 3 9.0 2 7.3 3 4.2 3

승촌보의 경우 TN, TOC 그리고 Chl-a 농도의 개선은 황룡강의 영향이 가장 크게 나타나고 있으며 이는 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 승촌보 상류의 지류 중 황룡강의 오염부하가 가장 크기 때문에 나타난 결과로 분석된다. TP의 부하는 황룡강이 평동천보다 상대적으로 크나 승촌보에서 TP 개선은 평동천의 영향이 가장 크게 나타났다. 이는 평동천이 황룡강보다 승촌보와 거리가 가깝기 때문에 나타난 결과이며 개선 정도는 황룡강과 유사한 것으로 나타났다. 승촌보의 녹조현상 또는 Chl-a의 개선에는 황룡강의 영향이 16.9%로서 가장 크게 나타났으며 광주천과 평동천이 각각 8.3% 및 6.0%로 나타났다.

죽산보의 경우 모든 수질항목에서 개선의 영향은 지석천이 가장 큰 것으로 확인되었다. 이는 지석천이 타 지류에 비해 유량 및 오염부하가 크고 상대적으로 죽산보와 가깝기 때문에 나타난 결과로 분석된다. 이어서 황룡강과 장성천의 영향이 서로 비슷하게 나타났다. 특기할 점은 상대적으로 죽산보와 멀리 위치한 황룡강이 TP를 제외한 수질항목에서 지석천 다음으로 영향이 크다는 점이다. 이와 같은 결과를 통해 황룡강의 경우 승촌보와 연구대상지역 하류에 위치하는 죽산보까지 수질에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.

본 모의 결과를 토대로 영산강 본류의 수질 개선을 위해서는 황룡강의 수질 개선이 선제적으로 이루어져야 할 것으로 분석되며 이어서 죽산보 수질에 가장 큰 영향을 미치는 지석천의 수질 개선이 필요할 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 영산강의 본류의 수질 변화특성과 유역의 점오염원 및 비점오염원들의 영향을 승촌보와 죽산보를 중심으로 분석하였다. 수리동역학 및 수질 모델인 EFDC를 사용하여 하수처리장 및 주요 지류들의 수질 개선에 따른 영산강 본류의 수질 개선 효과를 평가하였으며 수질 개선 필요 우선순위를 선정하고자 하였다. 본 연구에서 도출된 결론은 다음과 같이 정리된다.

1) 본 연구에서는 영산강 죽산보 상류 6개 지점 및 8개의 주요 유입 지류 그리고 2개의 하수처리장의 2018-2019년의 2년 간 수질 변화특성을 TN과 TP, COD와 TOC 그리고 Chl-a를 중심으로 분석하였다. 분석된 주요 지류 외에 영산강 유역 농경지의 배수문 등을 통해 다량의 비점오염물질이 유입되는 것으로 추정되나 실측자료의 부족으로 정확한 분석이 어려웠다.

2) EFDC 모델의 수위 보정은 승촌보와 죽산보를 포함한 본류의 6개 지점에 대해 실시, 수질 보정은 6개의 수질 관측망에서 실시하였다. 수위보정은 상류 지점에서 다소 정확도가 저하되는 현상이 나타났는데 이는 지형을 적절하게 반영하지 못한 영향으로 보인다. 수질의 경우 비점오염물질 부하 유입 자료의 부족으로 오차가 발생하는 경우가 관찰되었다. 수위, 수질 및 수온의 보정은 MAE와 R-Square 통계 지표를 이용하여 조정하였으며 대체적으로 현장의 경향을 잘 반영하는 것으로 판단하였다.

3) 연구대상지역 내 TN의 부하는 광주 제 1 하수처리장의 방류수의 영향이 지배적인 영향을 미치며 이는 15-18 mg/L의 상대적으로 높은 방류수가 영산강 상류에 방류되는 것이 큰 문제점으로 지적된다. 반면 TP의 부하는 방류수보다 지류 및 비점오염물질의 영향이 우세한 것을 알 수 있다. 특기할 만한 것은 위 하수처리장의 수질을 75%까지 개선하여도, 승촌보 및 죽산보의 녹조현상 (Chl-a)에 전혀 변화가 없는 것으로 나타났으며 이는 연구지역 내에는 지류 및 비점오염원에서 유입되는 영양염류의 대한 대책이 없는 상태에서는 수중보 내의 녹조현상 제어는 어려울 것으로 보인다.

4) 시나리오 분석을 통해 황룡강이 승촌보의 녹조현상 제어에 가장 큰 영향 나타내는 동시에 죽산보에도 상당한 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 죽산보 수질에는 지석천의 영향이 가장 큰 것으로 나타났다. 이와 같은 결과를 토대로 영산강 본류의 수질 개선을 위해서는 황룡강의 수질 개선이 선제적으로 이루어져야 할 것으로 분석되며 이어서 지석천의 수질 개선이 필요한 것으로 판단된다.

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