1. Introduction

수질오염총량제(Total Maximum Daily Loads, TMDLs)는 수계법 제1조에 수자원과 오염원을 적정하게 관리하여 영산강·섬진강 및 탐진강수계의 수질개선을 목표로 하고 있다(MOE, 2013a). 영산강·탐진강수계는 2004년부터 수질오염총량관리제를 시작한지 12년을 맞이하게 되었으며, 1단계(2004~2010년)부터 시작하여 현재 3단계(2016~2020년)시작년도에 이르게 되었다. 1단계는 BOD 대상물질로 시작하여 2단계부터는 T-P 대상물질이 추가되고, 단위유역별 수질·유량 측정 데이터도 10년 이상 축적되게 되었다. 축적된 데이터 중 최근 3년간 측정결과를 바탕으로 수질오염총량제 시행계획 수립 및 추가 수립대상이 되는 단위유역 및 지방자치단체가 성립이 된다(MOE, 2013b).

시행계획은 단위유역 및 지방자치단체별로 정한 오염물질의 배출부하량을 준수함으로서 수계구간 및 그에 영향을 주는 유역에 설정한 목표수질(Target Water Quality, TWQ)을 달성·유지할 수 있도록 수립되어야 하며(MOE, 2013a), 이때 유역별 오염원과 수질관계 분석 모델링을 통해 배출 가능한 부하량이 정해지고 지방자치단체는 목표수질 유지를 위해 허용부하량을 준수하도록 노력하여야 한다.

수질오염총량관리기본방침상 목표수질 설정시 BOD의 경우 과거 10년간 평균 저수량을 기준으로 설정되며, T-P의 경우 과거 10년간 평균 저수량 또는 평수량 중 수질악화 조건의 수량을 기준유량으로 반영하여 설정되나, 목표수질 달성여부 평가는 8일 간격 연간 36회 이상의 수질측정 자료를 바탕으로 평가되고 있다(MOE, 2013b). 8일 간격 측정 자료는 일일유량 측정 자료에 비해 연간 홍수기부터 갈수기에 이르기까지 하천의 다양한 유황변화를 반영하기 어렵다고 할 수 있다.

과거 10년간 평균 저수량 및 평수량조건의 특정 유황구간 조건하에서 목표수질 설정에 따른 배출부하량을 할당하는 형태이나, 실제 단위유역별 수질이 악화되는 유량조건은 다양하며, 기존의 고정된 기준유량을 이용한 수질관리의 한계가 있으므로 유역별 특성을 고려한 하천유역모델 등을 이용한 목표수질 설정, 할당부하량 산정 및 목표수질 달성도 평가 방안을 제시하는 연구도 보고되고 있다(NIER, 2013b).

부하지속곡선(Load Duration Curve, LDC)은 하천의 유량과 부하량과의 관계를 시각적으로 알기 쉽게 보여주는 접근방법으로서 수질기준을 초과하는 빈도, 허용가능 부하량(allowable loading), 부하량 삭감 등의 크기가 쉽게 표현되므로 미국 TMDLs 수립시 주요 결정인자 역할을 하는 분석도구로 사용되고 있다(U. S. EPA, 2007).

영산강·섬진강수계는 1단계 수질오염총량관리 시행성과 평가를 통해 최종년도 할당부하량은 만족하지만 단위유역 말단 목표수질은 초과하는 현상 또는 할당부하량은 초과하지만 목표수질은 만족하는 현상이 일부 단위유역에서 나타났다(NIER, 2011). 이에 기존 방식에 대한 문제점은 없는지 명확한 원인 규명을 통해서 제도의 안정성을 유지해 나갈 필요성이 있다고 사료된다.

그 원인규명의 일례로 미국 TMDLs 계획 수립시에 도입되고 있는 부하지속곡선(LDC)을 이용한 접근방법과 현행 규정방법을 비교한 연구사례가 최근 한강 및 낙동강수계 일부 단위유역을 대상으로 연구되고 있다(Kim et al., 2015; Hwang et al., 2011). 이 연구결과에서 수계별 자연적·지리적특성은 상이하나 부하지속곡선을 이용한 목표수질 달성 여부 평가가 현행 규정방법에 의한 방법과 매우 유사한 결과를 나타내고 있다.

따라서 본 연구의 목적은 현재 총량관리 시행중인 영산강·탐진강수계 9개 단위유역을 대상으로 유량지속곡선(Flow Duration Curve, FDC) 및 부하지속곡선(LDC)을 분석하고 분석된 자료를 바탕으로 현행방법인 최근 3년 수질을 연속 2회 평가 및 LDC를 이용한 방법과 비교분석하여 10년간 유량특성을 고려한 목표수질 평가방법 개선방안을 제시함으로서 총량제도의 유연성 확대에 기여하고자 한다.

2. Materials and Methods

2.1. 연구대상지역

부하지속곡선을 이용한 총량관리 목표수질 달성여부 평가대상지역은 영산강·탐진강수계를 대상으로 하였다.

영산강·탐진강수계는 우리나라 서남부에 위치하고 있으며, 영산강의 유역면적은 약 3,467.8 km2이고 유로연장 136.7 km이며, 탐진강의 유역면적은 508.5 km2이고 유로연장 55.1 km로 현재 총량관리 목표수질이 고시된 9개 단위유역(영본A, 영본B, 영본C, 영본D, 영본E, 황룡A, 지석A, 탐진A, 탐진B)을 대상으로 하여 본 연구를 진행하였다(Fig. 1). 위 9개 단위 유역에는 광주광역시를 비롯하여 12개 지방자치단체가 포함되어있다.

Fig. 1.Unit watershed map of Youngsan·Tamjin river basin.

2.2. 부하지속곡선(LDC)을 이용한 목표수질 평가방법

2.2.1. 현행 목표수질 평가방법의 한계점

총량관리에서 적용하고 있는 과거 3년을 이용한 평균 수질법은 4대강 수계법에 따라 오염총량관리 시행계획 수립대상을 결정하기 위하여 평가하는 방법으로 총량관리 단위유역 목표수질지점의 8일 간격 수질측정 자료를 사용하여 다음 식 (1) ~ (3)에 의해 평가한다. 여기서, 측정수질은 산정시점으로부터 과거 3년간 측정한 것으로 하며, 2회 연속 목표수질을 초과하는 지역에서는 오염총량관리 시행계획을 수립하여 시행한다(MOE, 2013a).

현행 평가방법에 따른 평가결과(NIER, 2011) 영산강·섬진강수계의 9개 단위유역(영본B, 영본C, 영본D, 지석A, 탐진B, 섬본A, 추령A, 보성A, 동복A)에서 BOD 할당부하량은 초과하였으나 목표수질을 달성하는 현상이 발생하였으며, 3개 단위유역(섬본D, 섬본E, 요천B)의 경우 BOD 할당 부하량은 준수하였으나, 목표수질을 초과하는 현상이 발생하였다(Table 1).

Table 1.TWQ : Target Water Quality, mg/L EWQ : Estimation Water Quality, mg/L Evaluation : Evaluation of the Allocation and TWQ (Achieve is “○”, Not achieve is “×”

2.2.2. 유량지속곡선(FDC) 작성 방법

제2단계 기준유량은 1999~2008년까지 자료를 이용한 결과이므로, 최근 수질자료와 유량자료를 활용하기 위하여 단위 유역별 유황곡선은 영산강･섬진강수계 제3단계 수질오염총량관리 목표수질 설정연구(NIER, 2013a)시 사용된 10년간 일유량 자료(2002~2011)에 제2단계 기준유량값으로 보정하는 유량비(Table 2)를 곱하여 작성하였다(Fig. 2).

Table 2.Standard flow ratio of 2nd TMDLs and 3rd TMDLs

Fig. 2.Example of 2nd TMDLs FDC corrected from 3rd TMDLs FDC (YB-A)

유량지속곡선의 유황구분은 U. S. EPA (2007)의 유량 분류기준자료를 참고하였으며, 평가 결과의 원인 해석에 유량구간 등급별 오염원 기여도자료를 참고하였다(Table 3). 예를 들어 점오염원은 저유량(Low Flows) 상태에서, 제방침식은 고유량(High Flows) 상태에서 가장 영향을 미치는 구간임을 판별하는데 도움을 주는 것으로 알려져 있다.

Table 3.Example Source Area / Hydrologic Condition Considerations (Cleland, 2003; U. S. EPA, 2007)

2.2.3 부하지속곡선(LDC)을 이용한 목표수질 평가방법

단위유역별 유량지속곡선에 2단계 대상물질(BOD, T-P)에 대한 목표수질을 고려하여 부하지속곡선을 작성하였다. 단위유역별 목표수질 초과여부 평가를 위한 실측자료는 2011~2014년 8일 간격 유량 및 수질측정자료(NIER, 2014)를 이용하였다. 부하지속곡선에 실측부하량을 도시하여 초과율이 50% 이하이면 목표수질을 달성하는 것으로 평가하였다(Kim et al., 2015).

추가적으로 각 단위유역의 기준유량 조건에 해당되는 실측평균수질(기준유량의 ±20% 범위 내 실측유량에 해당되는 수질의 평균값)로 목표수질 달성여부를 평가하여 비교하였다.

3. Results and Discussion

3.1. 적용결과

유량지속곡선(FDC)은 Table 2와 같은 유량비를 일유량 자료(2002~2011년)에 곱하고 최대유량에서 최소유량 순으로 배열하여 특정유량을 초과하는 일수를 백분율로 계산한 결과를 도식화하여 Fig. 3과 같이 작성하였다.

Fig. 3.Results of FDC (Example).

작성된 일유량 자료와 총량관리 대상물질별(BOD, T-P) 목표수질을 이용하여 부하지속곡선을 작성한 후 목표수질 초과여부를 평가하기 위해 측정자료(2011년~2014년도 8일 간격 측정한 실측 유량과 수질농도)를 도식화한 결과 Fig. 4, Fig. 5와 같다. Fig. 4 ~ Fig. 5에 나타낸 바와 같이 LDC 곡선을 중심으로 곡선 위쪽에 표시된 부하량(수질×유량)은 목표수질을 초과하는 빈도를 나타내며, 곡선 아래쪽에 표시된 부하량은 목표수질을 만족하는 빈도를 나타내고 있으므로 유황구간별(x축) 목표수질 달성여부를 한 눈에 파악할 수 있다.

Fig. 4.Results of LDC (’11 ~ ’13, Example).

Fig. 5.Results of LDC (’12 ~ ’14, Example).

실측자료는 총량관리에서 적용하고 있는 과거 3년 평균 수질법에 따라 최근 3년 수질 2011~2013년(1회), 2012~2014년(2회) 자료를 사용하여 부하지속곡선에 도식화하여 목표수질 달성여부를 평가하였다. 일반적으로 부하지속곡선의 고유량(High Flows) 기간 동안에 나타나는 목표수질 초과 현상은 비점오염원에 의하여 발생되며, 저유량(Low Flows) 기간 동안에 나타나는 목표수질 초과현상은 점오염원에 의하여 발생되는 문제이다(Cleland, 2003; U. S. EPA, 2007).

일례로 영본A(YB-A) 단위유역은 T-P의 경우 현행방법 및 LDC방법 모두 목표수질을 만족하나 BOD의 경우 두 방법 모두 목표수질을 초과하는 것으로 나타났다(Table 4. Table 5). 이는 아래 Fig. 4(a)에서 보는 바와 같이 실측수질이 고유량 시기에서 목표수질 초과는 잠재적인 비점오염원의 기여를 나타내는 반면(Cleland, 2003; U. S. EPA, 2007), 아래 Fig. 5(a)에서 보는 바와 같이 실측수질이 오른쪽 저유량 시기에서 현저하게 목표수질을 초과하여 점오염원에 기인한 것으로 판단된다(Cleland, 2003; U. S. EPA, 2007). 추후 점/비점 오염원별 중심으로 수질관리를 해야 할 것으 로 보여지며, 삭감방안 또한 오염원별 대책이 필요할 것으로 판단된다.

Table 4.TWQ : Target Water Quality, mg/L SF : Standard Flow, m3/sec EWQ : Estimation Water Quality, mg/L Evaluation : Evaluation of the TWQ (Achieve is “○”, Not achieve is “×” )

Table 5.TWQ : Target Water Quality, mg/L SF : Standard Flow, m3/sec EWQ : Estimation Water Quality, mg/L Evaluation : Evaluation of the TWQ (Achieve is “○”, Not achieve is “×” )

이와 같이 LDC 적용 예인 Fig. 4와 Fig. 5의 LDC결과를 활용하면 목표수질이 어느 유황조건에서 초과하는지 판정이 가능하기 때문에 중점관리대상(점/비점오염원)의 선택이 가능해져 총량계획의 삭감계획 수립이나 이행평가시 할당 부하량 초과원인 분석 등에 사용될 수 있을 것으로 보인다.

3.2. 평가방법별 결과비교

현행 평가방법과 LDC 평가방법, 기준유량조건 평가방법의 결과를 비교하였다. 각 방법별로 다르게 나타났으나 LDC 평가방법에 의한 방법이 기존방법보다 목표수질 달성 단위 유역이 약 11%정도(1개 단위유역) 추가되는 것으로 나타났다(Table 4, Table 5). 지석A(JS-A) 단위유역의 경우 Table 4에서 보면 기존 평가방법에 의한 평가수질이 ’11~’13년 2.9 mg/L, ’12~’14년 2.8 mg/L로 평가되어 목표수질인 2.7 mg/L를 2회 연속 초과하여 현재 BOD 시행계획 추가 수립 중에 있다. 하지만, LDC 방법으로 평가할 경우 목표수질을 2회(’11~’13년 45%, ’12~’13년 48%) 연속 달성하는 것으로 평가되어 추가수립이 불필요해진다.

추가 시행계획 수립에 따른 각종 행정사항 및 비용 등을 고려한다면 LDC 평가방법 도입으로 총량제도의 유연성 확대에 기여될 것으로 판단되나 향후 한강수계(Kim et al., 2015)를 제외한 타 수계에도 적용의 타당성 검토가 추가적으로 추진되어야 할 것이다.

3.2.1. 전체단위유역의 평가방법별 목표수질 달성율

최근 3년 수질, 즉 2011~2013년(1회) 및 2012~2014년(2회)에 대하여 각각 평가하였으며, 2회 연속 목표수질 달성율 및 초과율에 대하여 평가 후 정리하였다.

평가결과 BOD의 달성율은 평가수질 66.7%, LDC 평가 77.8%, 기준유량조건 평가 56.3%로 나타났다. 반면, T-P의 달성율은 평가수질 100%, LDC 평가 100%, 기준유량조건 평가 100%로 나타났다(Table 6).

Table 6.Rate1 (%) : Consecutive achievement-rate for two times Rate2 (%) : Consecutive excess-rate for two times

2회 연속 달성율 평가에서도 T-P는 세 가지 방법 모두 100%로 높게 나타났으며, BOD는 LDC 평가에 의한 방법이 가장 높게 나타났다. 2회 연속 초과율은 BOD는 LDC 평가결과 22.2%로 가장 낮게 나타났으며, 평가수질 33.3%, 기준유량조건 37.5%로 유사한 결과를 나타냈다. T-P는 2회 연속 초과하는 단위유역은 없는 것으로 나타났다.

LDC 평가시 현행 평가방법보다 달성율은 높아지고 초과율은 낮아지는 효과가 발생하였으며, 이러한 결과는 한강수계 26개 단위유역을 대상으로 평가한 결과와 동일한 경향을 보이고 있다(Kim et al., 2015).

3.2.2. 본류 및 지류의 평가방법별 목표수질 달성율

본류 및 지류의 평가방법별 목표수질 달성율을 비교하였다. 영산강수계의 경우 본 연구에 적용된 9개의 단위유역 중 5개의 단위유역이 본류(영산강 및 탐진강 본류 단위유역)에 해당하며 나머지 4개는 지류로 구분하여 결과를 정리하였다(Table 7).

Table 7.Main : mainstream of Youngsan·Tamjin river (5 unit watersheds) Tri : tributary stream of Youngsan·Tamjin river (4 unit watersheds) Rate1 (%) : Consecutive achievement-rate for two times Rate2 (%) : Consecutive excess-rate for two times

평가결과 BOD의 경우 본류의 달성율은 평가수질 80.0%, LDC 평가 80.0%, 기준유량조건 평가 70.0%로 평가수질 및 LDC 평가 달성율이 가장 높게 나타났다. 지류의 달성율은 평가수질 50.0%, LDC 평가 75.0%, 기준유량조건 평가 33.3%로 LDC 평가에 의한 결과가 달성율이 가장 높은 것으로 나타났다. T-P의 경우 본류 및 지류에 상관없이 평가수질, LDC 평가, 기준유량 조건 평가 달성율이 100.0%로 나타났다.

2회 연속 달성율 평가에서도 BOD 및 T-P 모두 본류 및 지류에서도 위와 거의 유사한 경향의 달성율을 나타냈다. 전반적으로 BOD의 경우 본류 및 지류에서 LDC 평가에 의한 방법이 달성율이 높게 나타났으며, T-P의 경우는 3가지 평가방법에 상관없이 높은 달성율을 나타냈다. 2회 연속 BOD 초과율은 본류 및 지류에서 LDC 평가가 가장 낮게 나타났다. 2회 연속 T-P 초과율은 0.0%로 나타났다.

3.2.3. 유황구간별 목표수질 초과 단위유역 분석

각 단위유역별 대상물질별(BOD, T-P) 기준유량조건 상·하로 구분하여 목표수질 달성도를 평가한 결과 평가방법별로 큰 차이는 나타나지 않았다.

BOD의 초과율은 기준유량(저수기) 이상의 경우 평가수질은 35.1%, LDC 평가는 37.3%로 유사한 결과를 나타냈으며, 기준유량(저수기) 미만의 경우도 평가수질 42.7%, LDC 평가는 46.2%로 평가방법별 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.

T-P의 초과율은 기준유량(저수기) 이상의 경우 평가수질은 6.8%, LDC 평가는 7.2%로 유사하게 나타났으며, 기준 유량(저수기) 미만의 경우 평가수질 및 LDC 평가에서 15.1%로 동일한 결과를 나타냈다(Table 8).

Table 8.Result for the TWQ achievement rate in the Condition of SF

4. Conclusion

본 연구에서는 총량관리제 시행으로 축적된 8일 간격의 유량 및 수질을 이용하여 현행 목표수질 평가방법과 LDC를 이용한 목표수질 평가방법 등을 비교하여 그 적정성을 검토하고자 영산강·탐진강수계의 총량시행 단위유역 9개에 적용하였으며 연구결과를 요약하면 다음과 같다.