05.hwp

Size: px

Start display at page:

Download "05.hwp"

서겨 강전
4 years ago
Views:

1 , 35(9), 643~653, 2013 Original Paper ISSN An Analysis of First Flush Phenomenon of Non-point Source Pollution during Rainfall-Runoff Events from Impervious Area 안태웅 범봉수 * 김태훈 ** 최이송 *** 오종민 ***, Tae-Ung Ahn Bong-Su Bum* Tae-hoon Kim** I-Song Choi*** Jong-min Oh***, 성균관대학교무배출형환경기술센터 (ZEC) * 경인여자대학교식품영양과 ** 경희대학교환경응용과학과 *** 경희대학교환경학및환경공학과 Zero Emission Center (ZEC), Sungkyunkwan University *Department of Food Nutrition, Kyung-In Women s University **Department of Environmental and Applied Chemistry, Kyung Hee University ***Department of Environmental Science and Engineering, Kyung Hee University (2012 년 11 월 21 일접수, 2013 년 9 월 16 일채택 ) Abstract : In this study, trend analysis was performed by various runoff analysis method of Non-point Pollution Source(NPS) at the impervious area. The characteristics of rainfall at impervious area appeared to be influenced by rainfall strength and it appeared that first flush phenomenon occurs often if rainfall strength acts largely. It is judged that the measure is required to be prepared against that now that concentration difference of non-point pollution source appeared to be big by precedent number of days of no rainfall. As the result of calculating Decrease Rate (DR) by first flush of non-point pollution source, it is judged that it is important to prepare the measure against the pollutants about initial rain and it is necessary to calculate the capacity of non-point pollution source processing facilities regarding that now that the non-point pollution source integrated at impervious area showed the characteristics that are flowed out in high concentration by initial rain in case of non-rainfall considering the characteristics of non-point pollution source at impervious area. When taking 50% of non-point pollution source as the standard for decrease rate that was evaluated previously, it appeared as 15~60 min in case of TSS and it appeared as 30~90 min in case of organic compound, but the characteristic whose decrease rate is below 50% also appeared even till rainfall-runoff ends. Based on that, it is judged that it could be used as the reference when designing the structural BMPs facilities later. Key Words : Impervious Area, First Flush Phenomenon (FFP), Decrease Rate (DR), Non-point Pollution Source (NPS), Initial Rain, Structural BMPs 요약 : 본연구에서는불투수성지역에서강우시비점오염원유출특성을파악하고, 다양한해석방법을통하여비점오염물질의초기유출현상을규명하고자하였다. 불투수성지역에서의강우사상특성은강우강도의영향을많이받는것으로나타났으며, 강우강도가크면초기유출현상이뚜렷하게나타나는것으로나타났다. 또한선행무강우일수에의해서비점오염물질의농도차가큰것으로나타나, 이에대한대책마련이필요할것으로판단된다. 비점오염원의초기유출에의한감소율 (DR) 평가결과, 강우시불투수성지역에서의비점오염유출특성은건기시불투수면에집적되어있던비점오염물질이초기강우에의해높은농도로유출되는경향을보였기때문에초기강우로인한비점오염물질에대한대책을마련하는것은중요하고, 이와관련하여비점오염처리시설에대한용량산정에대한평가도필요할것으로판단된다. 초기유출에의한감소율 (DR) 경향분석은비점오염물질에대하여감소율 (DR) 50% 를기준으로조사지점별강우유출시간을분석하였는데, TSS 는 15~60 min 으로나타났으며, 유기물질은 30~90 min 으로나타나는경향을보였지만강우유출이끝날때까지도감소율 (DR) 이 50% 이하인특성도나타났다. 이를근거로하여향후구조적 BMPs 시설설계시참고자료로활용할수있을것으로판단된다. 주제어 : 불투수성지역, 초기유출현상, 감소율, 비점오염원, 초기강우, 구조적 BMPs 1. 서론 우리나라는인구에비해이용가능한수자원량이매우적은편이고, 하천수에대한이용률이높으며, 가뭄에대비한여유수량이부족한편이다. 또한, 다목적댐등에의해조성되는지표수를주요용수원으로사용하고있으나급속한산업발전과개발정책의가속화에비례하여필연적으로오염부하가가중되어왔다. 특히, 도시화의증대에따른투수성지역의감소에기인하여소량의강우에도강우유출이크 게영향을크게받게되어불투수성지역에서산적된각종 오염물질은쉽게유출됨으로서인근수계에심각한수질오 염을유발하고있는실정이다. 또한, 우리나라의수질오염 에대한규제는주로도시하수, 공장폐수등점오염원을중 심으로관리되어왔기때문에강우시비점오염원에서유출 되는오염물질은적절히관리되지못했다. 수질개선을위해 서는점오염원의규제와병행하여비점오염원에대한관리도시급한실정이다. 1,2) 수계환경의수질개선을위해서점오염원위주의관리가 Corresponding author jmoh@khu.ac.kr Tel: Fax:

644 안태웅 범봉수 김태훈 최이송 오종민 이루어져 왔으나, 여전히 호소 및 하천 등의 수질은 목표 결과, 교통관련 포장지역에서 강우유출수의 입자성 물질인 수준까지 개선되고 있지 않고 있다. 또한 상시 유출되는 점 TSS와 유기물질인 COD, 영양염류인 T-N이 초기농도가 높 오염원의 경우 오염발생부하의 정량화가 가능하여 하수도 은 것으로 보고하였다.

2 644 안태웅 범봉수 김태훈 최이송 오종민 이루어져 왔으나, 여전히 호소 및 하천 등의 수질은 목표 결과, 교통관련 포장지역에서 강우유출수의 입자성 물질인 수준까지 개선되고 있지 않고 있다. 또한 상시 유출되는 점 TSS와 유기물질인 COD, 영양염류인 T-N이 초기농도가 높 오염원의 경우 오염발생부하의 정량화가 가능하여 하수도 은 것으로 보고하였다.7) 손현근8,9)은 국도에서 발생하는 비 및 관련 수처리 시설 등 저류 처리시설을 운영함으로서 목 점오염물질의 유출특성 및 상관성에 관하여 연구하였는데, 표로 하는 오염저감이 가능하지만, 비점오염원은 토지이용 포장지역 중 도로는 많은 차량의 운행으로 건기시 각종 오 특성, 강우사상, 지역별 오수 우수관리시스템 등 다양한 요 염물질의 축적인 높은 토지이용이며, 불투수율이 높아 강 인에 따라 발생정도가 다르므로 시간적 공간적 특성에 따 우시 고농도의 비점오염물질의 유출이 발생한다고 하였다. 른 발생오염에 대한 정량화가 매우 어렵다. 또한 비점오염 비점오염물질간의 상관분석결과, 오염물질 중 TSS 항목이 물질의 발생이 많은 농경지, 도로, 주차장 등에 대한 관리 다른 오염물질과의 상관관계가 높은 것으로 분석되었고, 시 비점오염에 대한 인식과 고려 없이 추진됨에 따라, 비점 TSS 농도로부터 다른 오염물질의 농도의 산정이 가능하다 오염원으로 인한 오염부하도 지속적으로 증가되고 있다. 고 보고하였다. 이소영 등10)은 도로를 포함하는 교통관련 강우에 의한 도로 비점오염원 유출특성에 대한 연구에서 포장지역에서 발생하는 비점오염물질의 EMC를 산정하였 는 도시화로 인해 증가하고 있는 불투수층은 강우시 지표 는데, 그 결과를 보면, 포장지역에서의 EMC는 TSS가 94.9 면 유출수와 함께 유출되는 비점오염물질의 유출량을 증가 mg/l, COD 84.8 mg/l, T-N은 2.95 mg/l, T-P의 경우에는 3) 또한 좁은 면적에 다량의 오염물질 축 0.60 mg/l로 산정되었다. 포장지역에 포함된 고속도로, 교 적이 이루어지며, 높은 유출계수로 강우시 많은 양의 오염 량, 주차장 등에서 많은 농도의 차이가 나타나는 것으로 확 물질이 수계로 유출되는 고속도로 주차장 및 교량으로부터 인되었으며, 효율적인 비점오염원 관리를 위해서는 세부적 의 비점오염물질 유출특성을 파악하였는데, 대부분의 강우 인 토지이용의 분리를 제안하였다.11) 시킨다고 하였다. 사상에서 강우가 시작되고 유출이 시작된 이후 30~60분 이 따라서 본 연구에서는 불투수성 지역 중 도로, 주차장, 교 내에서 농도가 급격히 줄어들었으며, 이후로는 완만해지는 량을 선정하였으며, 이에 대한 비점오염원 유출특성을 분 것으로 나타났다고 하였다.4) 또한 유출 오염물질의 통계분석 석하기 위하여 초기세척비율(FFR, First Flush Ratio) 및 강우 결과, TSS는 154.7~257.1 mg/l, COD는 138.9~197.6 mg/l, 유출기준에 따른 비점오염부하율(NSPLR, Non-point Source T-N의 경우 6.3~9.2 mg/l, T-P의 경우는 2.3~3.31 mg/l의범 Pollutant Load Ratio) 산정하였다. 또한 비점오염원 처리시 4) 위로 나타났다고 보고하였다. 또한 Barrett 및 Becher 은 설의 설계 시 비점오염물질들에 대한 관계를 규명하고 적 도시화로 인한 도시지역의 불투수성 면적의 증가는 강우초 용하기 위하여 감소율(DR, Decrease Rate) 산정하였으며, 이 기에 대량의 오염물질이 유출되는 경향을 보이기 때문에 를 통해 불투수성 지역에 대한 비점오염원 유출특성을 파악 처리에 어려움이 있다고 하였다. 김태원7)은 교면포장의 비 하고자 하였다. 5) 6) 점오염물질 유출특성을 연구하였는데, 초기강우 기준 산정 Fig. 1. Location of sampling sites in the impervious area. Journal of KSEE Vol.35, No.9 September, 2013

3 연구방법 2.1. 모니터링지점 본연구에서는강우시불투수성지역을대상으로비점오염원유출특성을파악하기위하여불투수면으로되어있는지점을선정하였으며, 각지점별모니터링위치는 Fig. 1에나타내었다. 불투수성지역중도로 (RS, Road Stormwater) 는경기도용인시처인구부근 45번국도에위치하고있으며, 주차장 (PS, Parking lot Stormwater) 및교량 (BS, Bridge Stormwater) 은경기도광주시경안동부근으로, 모니터링지점을각각 2지점씩선정하였으며, 불투수율 (Impervious Rate) 은모든지점이 100% 이며, 각지점별불투수면은아스팔트 (Asphalt) 로포장되어있다 시료채취및분석방법불투수성지역에서각조사대상지점별시료채취는강우초기에고농도의오염물질이유출되는초기강우현상을고려하여강우가시작된직후첫번째수질샘플을채취하였고, 이후 60분까지는 5분, 15분, 30분, 45분, 60분에모니터링을수행하고, 1시간이후에는강우유출이끝날때까지 30 분간격으로모니터링을수행하였다. 이외에도강우강도, 총유출량, 총강우량, 평균강우강도, 강우지속시간, 강우전건기일수등을조사함으로써향후본자료의활용성을높이고자하였다. 본연구에서사용된분석방법은수질오염공정시험법에준하였으며, 동법에서규정하고있는수질오염물질의농도측정방법및기기는 Table 1에나타내었다 산정방법 비점오염물질의 EMCs 산정일반적으로평균농도를산정하는산술평균농도는시간간격이일정한경우, 타당한평균농도로서제시될수있을것으로판단되지만, 강우시발생하는비점오염원의유출은실시간으로변화되는유출량과농도의변화가있을뿐만아니라, 모니터링지점에대하여샘플채취가일정간격으로이루어지지않기때문에, 산술평균에의한평균농도는대표성을갖지못하는단점이있다. 12) 이러한이유로지역특성에따른모니터링을통한산술적인평균으로는강우시유출되는비점오염물질의대표성을가진평균농도를산정하는것에대하여불확실하기때문에확률통계학적방법을이용하여비점오염물질의농도과유출유량을이용하여유량가중 평균농도를산정하는것이바람직할것으로판단된다. 따 라서본연구에서는불투수성지역의비점오염원유출특성 을파악하기위하여비점오염물질의유출을평가하는데가 장적절한인자로판단되는 EMCs를산정하였다. EMCs는모니터링지역에서강우지속시간 T시간동안유 출된전체누적오염물질의양을전체누적유출유량으로 나누어계산할수있으며, 비점오염원에서의평균농도산 정시이용될수있으며, 향후지역특성을고려하여비점오 염원에대한제어방안을수립하기위한자료로활용가능 할것으로판단된다. 식 1 에서의 C(t) 와 Q(t) 는강우지속시 간 t 에대한오염물질의농도 (mg/l) 와유출유량 (m 3 /s) 을의 미하며, T 는전체유출시간을나타낸다 초기세척비율 (FFR, First Flush Ratio) 산정 불투수성지역에서비점오염원의초기유출현상을규명하 기위하여모니터링지점별유출유량과총오염부하량자료 를토대로초기세척비율을산정하였다. 초기강우에의한 세척의발생여부를판단하기위해서초기세척비율을산정 하였으며, 이는 MFF (Mass First Flush Ratio) 를이용하여 지역에따른비점오염물질과강우사상특성을이용하여수 치화함으로써확인할수있다. 13,14) MFFn 은식 (2) 에나타난 바와같이강우의어느시점에서유출된비점오염물질량을 나타낸다. 여기서, n 은 Event 기간동안의유출유량에대한일정시점 의유출유량을비율로나타내는지표로써, 범위는 0~100% 이다. M과 V는각각유출된총오염부하량과총유출유량의 부피를의미한다. 또한 C(t) 와 Q(t) 는 t 시간에서의오염물질 농도와유출유량부피를나타낸다. MFF 는강우가시작될 (1) (2) Table 1. Parameter and method of water analysis Parameter Method Preservation and pre-treatment Materials TSS Filtering method of GF/C - - BOD Winkler {(sodium) azide modification} method Modified winkler's azide method DO meter (YSI 95) COD Mn Acid digestion by KMnO 4 add H 2SO 4 conc. (<ph 2) preserved in low temperature - T-N Water autoanalyser (BRAN+LUEBBE) add H 2SO 4 conc. (<ph 2) preserved in low temperature Photometer (550 nm) T-P Water autoanalyser (BRAN+LUEBBE) add H 2SO 4 conc. (<ph 2) preserved in low temperature Photometer (800 nm) 대한환경공학회지제 35 권제 9 호 2013 년 9 월

4 646 안태웅 범봉수 김태훈 최이송 오종민 때를 0으로보고, 강우가종료될때에는 1의값을나타내며, 1보다크면초기세척을의미한다고할수있다. 예를들어, MFF 20 에서의 2.5는초기비율이 20% 인강우유출수에 50% 의비점오염물질부하량이포함되어있다는것을의미하는것으로해석할수있다. MFF 비율은초기세척과비점오염 물질유출특성을나타내는좋은매개체역할을할것으로 판단된다 강우유출기준에따른비점오염부하율 (NSPLR) 산정 본연구에서는불투수성지역에서강우시비점오염물질의 분석된결과와강우유출유량에대한분석결과를통해비점 오염부하율을산정하고자하였다. 비점오염부하율 (NSPLR, Non-point Source Pollutant Load Ratio) 이란, 강우유출유량 을 50% 로기준을설정하고, 항목별비점오염물질오염부하 량산정결과를토대로강우유출유량기준에따른비점오염 부하가비점오염원지역에서차지하는비율을산정하여수 치화하는것을말한다. 기존연구에서제시하고있는비점 오염부하량산정결과만으로비점오염원유출특성을해석하 는것과는차이가있다고할수있다. 하지만본연구에서 선정된불투수성지역에서의연구결과를통해산정식을 도출하였기때문에더많은비점오염원발생지역을대상 을적용하여야신뢰도가높은평가방법이될것으로판단 된다. 비점오염부하율산정식을식 (3) 에나타내었으며, X축은강우유출시간 (Runoff Time) 이며, Y축은누적비점오염부하율 (Accumulated Non-point Source Pollutant Load Ratio) 을나타내어그래프로표현하고자하였다. (3) 여기서, NSPLR (Non-point Source Pollutant Load Ratio) 은 비점오염부하율이며, 단위는 % 로나타내며, C (kg/m 3 ) 는강 우시비점오염물질에대한농도이며, Q (m 3 /day) 는유출유 량이다. 또한, C(t) 는유출유량 t 시간에서의비점오염물질농 도이며, Q(t) 는 t 시간에서의강우유출유량을나타낸다. 비 점오염부하율을산정한결과를통해누적비점오염부하율을 산정하여비점오염원유출특성을평가하고자하였다 비점오염물질의감소율 (DR, Decrease Rate) 해석 강우시불투수성지역의비점오염원유출특성에대한평 가는초기유출에대하여다양한방법들이제시되고있으며, 현재많은연구가진행중이다. 이에본연구에서는불투수 성지역을대상으로비점오염원의유출특성을평가하기위 해서감소율 (DR) 개념을제안하여해석하고자하였다. 감소 율 (DR, Decrease Rate) 이란, 비점오염물질중 TSS 를 50% 기 준으로하여초기강우에의한비점오염물질들의감소되는 비율을말한다. 감소율 (DR) 을적용하기위해서는초기유출 현상이뚜렷한지점을대상으로하는것이바람직할것으 로판단된다. 감소율 (DR) 을산정하게되면, 다른비점오염 물질들과의관계를해석할수있으며, TSS 가 50% 이상유 출되는시점의시간을파악할수있기때문에, 향후구조적 BMPs 시설에대한설계검토자료로도활용가능할것으로 판단된다. 3. 결과및고찰 3.1. 불투수성지역의강우사상 불투수성지역의경우, 유역면적의대부분이아스팔트나콘크리트같은불투수면으로되어있기때문에강우시강우유출이비교적신속히일어나는특징이있다. 또한불투수성지역을신뢰성있게모니터링하기위해서는불투수성지역에서의강우량, 누적강우량, 강우에대한유출시간등을고려하여종합적으로평가해야한다. 이에본연구에서는불투수성지역의조사대상지점에대한강우사상을 Table 2에나타내었으며, 모니터링시기별강우량및누적강우량그래프를 Fig. 2에나타내었다. 모니터링기간동안의강우사상은선행무강우일수 (ADD, Antecedent dry days) 가최소 3일이상인경우에만현장모 니터링을수행하였으며, ADD 는 3~7 일로나타났으며, 강우 지속시간 (Rainfall duration) 은 5~22 hr 로나타났다. 또한불 투수성지역에서의총강우량 (Total rainfall) 은 55.5~190.0 mm로나타나, 불투수성지역에서강우량의차이가모니터 링시기별로많이나는것으로나타났다. 또한평균강우강 도 (Average rainfall intensity) 의경우, 5.50~11.10 mm hr -1 로 나타났으며, 모니터링시기별강우강도에대한편차가크게 나타났다. 강우강도가크면강우시불투수성지역에서많 은양의비점오염물질들이유출되는것으로나타났으며, 강 우지속시간의경우에는초기유출에대한영향만있는것 으로나타났다 비점오염물질의 EMCs 산정결과 본연구에서는불투수성지역에서의모니터링을통해비 점오염물질에대한 EMCs 를산정하여비점오염원유출특 성을반영할수있도록하였다. 도시나도로지역과같은포 장지역의경우에는초기강우현상이일어나기때문에단수 시료샘플의평균농도가아니비점오염원의유출특성을잘 Table 2. Rainfall events at the impervious area Date (Event) Antecedent dry days (day) Rainfall duration (hr) Total rainfall (mm) Average rainfall intensity (mm/hr) 2011/4/30 (Event 1) /7/03 (Event 2) /7/07 (Event 3) /8/12 (Event 4) Journal of KSEE Vol.35, No.9 September, 2013

5 647 Fig. 2. Rainfall and accumulated rainfall at the impervious area. 반영할수있는강우유출량이고려된유량가중평균농도 (EMCs) 로산정되어야한다고보고하였다. 15,16) 도로지역은콘크리트및아스팔트등의불투수율이높고 차집되는유역면적단위가작기때문에유출율이다른토 지이용형태에비해매우크며, 차량에서발생되는타이어 분진, 중금속, 연료및각종오일류와같은오염물질의축적 이다른토지이용에비해높은특성을갖고있다. Table 3 을보면, 기존에연구자들에의해선행연구된중 소도시 의비점오염원유출수에서도강우시유출되는비점오염물 질의농도가높음을알수있다. Table 3. Concentration of organic matter for rainy days depending on land use Organics Land use SS (mg/l) BOD (mg/l) COD (mg/l) T-N (mg/l) T-P (mg/l) Road 15~5, ~285 26~1, ~ ~13.0 Roof 2~ ~ ~ ~ ~0.55 Combined sewer 28~ ~159 17~ ~ ~3.16 Storm sewer 22~ ~6.5 72~ ~ ~0.53 Rainfall 2.8~25 1~ ~48 1.5~ ~0.25 TSS는도로에서 15~5,960 mg/l로나타나, 매우범위가크게나타나는것으로조사되었으며, 다른지점에서도높게나타나는것으로조사되었다. 유기물질의경우에는 COD 가매우높게나타나는것으로조사되었으며, 영양물질은도로및합류식하수도에서도높게나타나는것으로조사되었다. 강우시불투수성지역에서의비점오염원유출특성을분석하기위하여비점오염물질의항목별 EMCs 산정결과를 Fig. 3에나타내었다. 불투수성지역에서의강우사상별 EMCs 산정결과, RS-1 지점에서는 TSS 59.9~122.2 mg/l, COD 14.0~18.0 mg/l로나타났다. 기존연구에의하면, 강우에의한도로면유출수의오염물질유출특성을파악하기위해 EMCs 산정결과, TSS 26.8~123.4 mg/l, COD 15.3~117.7 mg/l, TN 0.06~5.16 mg/l, T-P 0.05~0.49 mg/l로검출되었다고보고하였다. 3) 또한강우량에따라오염물질의초기유출이쉽게발생하는것으로조사되었으며, 대부분의오염물질들이 TSS와유출상관계수가 0.93 이상으로관찰된다고보고하였다. 3) RS-2 지점에서는 TSS 53.3~96.8 mg/l, BOD 4.7~12.4 mg/l, COD 10.5~24.2 mg/l, T-N 0.398~1.248 mg/l, T-P 0.092~0.139 mg/l로나타났다. PS-1 지점에서는 TSS 9.2~18.3 mg/l, T-N 0.095~0.113 mg/l, T-P 0.024~0.042 mg/l로나타났고, PS-2 지점에서는 TSS가 14.6~199.3 mg/l 대한환경공학회지제 35 권제 9 호 2013 년 9 월

6 648 안태웅 범봉수 김태훈 최이송 오종민 Fig. 3. Determination of monitored EMCs at the impervious area. 로나타났다. 김이형 15) 에의하면, 주차장지역에서의 TSS EMCs는 12.1~37.4 mg/l로나타나, 본연구결과와차이가나는것으로나타났는데, 이러한이유는조사대상지점의강우사상특성이다르고, 불투수면에집적되어있던오염물질의양이다르기때문인것으로판단된다. BS-1 지점에서의 EMCs 산정결과, TSS는 13.9~114.8 mg/l 로나타났고, T-N은 0.084~1.102 mg/l, T-P는 0.026~0.359 mg/l로나타났다. BS-2 지점에서는 TSS가 11.3~116.1 mg/l 로나타났는데, 교량지역의 EMCs 결과를기존연구와비교하면, TSS EMCs는 24.1~165.7 mg/l, COD는 91.2~178.4 mg/l, T-N은 2.9~8.9 mg/l로나타났다. 19) 본연구에서불투수성지역에대한비점오염원유출특성을분석한결과와기 존연구결과를비교해보면, 비점오염물질의 EMCs 농도는도로, 주차장, 교량에서강우시유출되는값과비슷한경향을보였으며, 특히 TSS가고농도로유출되는것으로나타나는것으로조사되었다 초기세척비율 (FFR, First Flush Ratio) 산정불투수성지역의모니터링지점을대상으로초기세척비율을산정하기위하여유출유량과총오염부하량자료를활용하였다. 이에대해기존연구를통하여초기세척의발생여부를판단하기위한방법으로선정한것은초기세척비율 (Mass First Flush Ratio, MFF) 이며, 이를산정하여수치화함으로써확인할수있다. Journal of KSEE Vol.35, No.9 September, 2013

7 649 Table 4. The estimating mass first flush ratio at the impervious area Event Parameter Event-1 Event-2 Event-3 Event-4 Average rainfall intensity (mm/hr) Peak flow (L/sec) TSS BOD COD T-N T-P Peak MFFn Ratio Peak MFFn Ratio Peak MFFn Ratio Peak MFFn Ratio Peak MFFn Ratio 불투수성지역은불투수면으로인한초기유출현상이일어남을알수있었으며, 초기세척비율은누적강우유출수의 비율이높아질수록비점오염물질의유출도커지는경향을 보였지만, 초기유출현상을평가하기위하여기존연구에서 는 20~60% 의초기세척비율을산정하여나타냈는데, 본연 구에서는초기세척비율산정을누적강우유출량에대하여 30% 내에포함된자료를근거로비점오염물질별누적오염 부하량의비율을이용하여초기세척비율산정하였으며, Table 4에산정결과를나타내었다. 불투수성지역에서의초기세척비율을산정한결과, Event- 1에서 TSS가 MFF 21.2 의비율이 3.35로나타났는데, 이는초 기 21.2% 의강우유출수에 71.2% 의비점오염물질이포함된 것으로나타났다. BOD 는 MFF 21.2 의비율이 2.66 으로나타 났는데, 이는초기 21.2% 의강우유출수에 56.5% 의비점오염 물질이포함된것으로나타났다. COD 는 MFF 21.2 의비율이 2.97 로 TSS 와비슷한경향을보였는데, 이는초기 21.2% 의 강우유출수에 63.0% 의비점오염물질이포함된것으로나타 났다. 영양물질인 T-N 은 MFF 21.2 의비율이 2.48 로나타났 는데, 이는초기 21.2% 의강우유출수에 52.6% 의비점오염 물질이포함된것으로나타났다. Event-2에서 TSS가 MFF 28.7 의비율이 3.29로나타났는데, 이는초기 28.7% 의강우유출수에 94.2% 의비점오염물질이 포함된것으로나타났는데, 이는초기강우유출이 30% 이내 를기준용량으로처리시설을설치한다면, 효율성이매우높 을것으로판단된다. 다른비점오염물질은대부분초기강우 에서 60~80% 의비점오염물질의농도가포함되어있는것으 로나타났다. Event-3에서 TSS가 MFF 16.9 의비율이 4.65로나타났는데, 이는초기 16.9% 의강우유출수에 78.8% 의비점오염물질이 포함되어있었으며, 다른비점오염물질은대부분초기강우 에서 50~55% 로비점오염물질의농도가포함되어있는것 으로나타났다. 또한 Event-4 에서 TSS 가 MFF 29.2 의비율이 1.69로나타났는데, 이는초기 29.2% 의강우유출수에 49.5% 의비점오염물질이포함되어있었으며, COD의경우에는 MFF 29.2 의비율이 1.58로나타났는데, 이는초기 29.2% 의강우유출수에 46.3% 의비점오염물질이포함되어있었다. 또한다른비점오염물질은대부분초기강우에서 42~47% 로비점오염물질의농도가포함되어있는것으로나타났다 강우유출기준에따른비점오염부하율 (NSPLR) 산정강우시불투수성지역에대하여모니터링지점별로비점오염부하율을산정하여 Fig. 4에나타내었다. RS-1 지점은 2 차강우시에는강우유출기준 50% 에대한누적비점오염부하율은 TSS가 93.3% 로높게나타났으며, BOD가 73.8%, COD가 69.9% 의순으로나타났으며, TSS의경우에는앞서초기유출현상에서도가장잘나타났지만, 누적비점오염부하율에서도강우유출유량대비 TSS 비율도매우높게나타나는것으로확인되었다. 또한강우유출유량이 50% 일때의강우유출시간을검토한결과, 90 min로나타났으며, 부유물질및유기물질이높게나타난것으로확인되었다. 본연구의결과로볼때, RS-1 지점의경우에는건기시고농도로축적된오염물질에대해강우시강우강도에의한영향으로인하여초기에많은양의비점오염물질들이유출되어서누적비점오염부하율이높아진것으로판단된다. RS-2 지점에서비점오염부하율산정결과, 강우유출기준 50% 에대한누적비점오염부하율은 TSS가 90.5% 로높게나타났으며, T-P가 69.3%, BOD가 68.1% 의순으로나타났다. 또한강우유출유량이 50% 일때의강우유출시간을검토한결과, 30 min로나타났고, 다른조사시기에서의 60~90 min 보다짧은시간에유출이일어난것으로나타났다. RS-2 지점은누적비점오염부하율이 TSS가 74.0~94.4% 로매우높게나타나는경향을보였으며, TSS에대한처리를위한시설을고려하여설치하는것이바람직할것으로판단된다. PS-1 지점에서비점오염부하율산정결과, 강우유출기준 50% 에대한누적비점오염부하율은 TSS가 85.2% 로높게나타났으며, COD가 81.6%, T-N이 80.6% 의순으로나타났다. 또한강우유출유량이 50% 일때가 60 min으로나타났고, 이는건기시주차장에서의입자성및영양물질이주차장표면에고농도로축적되어있었기때문에, 비점오염물질이강우에의해유출된영향으로인하여초기에많은양의비점오염물질들이유출되어서누적비점오염부하율이높아진것으로판단된다. PS-2 지점은건기시고농도로축적된오염물질에대해강우시강우강도에의한영향으로인하여초기에많은양의비점오염물질들이유출되어서누적비점오염부하율이높아진것으로판단된다. PS-2 지점의 TSS 누적비점오염부하율이 RS 지점보다는낮게나타났고영양물질은높게나타나는경향을보였는데, 이는입자성물질에포함되어있던영양물질이강우에의해유출된것으로판단된다. BS-1 지점은교량지역에서차량의이동에따른입자성물 대한환경공학회지제 35 권제 9 호 2013 년 9 월

8 650 안태웅 범봉수 김태훈 최이송 오종민 Fig. 4. Computation of accumulated non-point source pollutant loads at the impervious area. 질이많이집적되어있기때문에강우에의해유출되는현상을보였는데, 이는집적된비점오염물질들이강우강도에의해, 초기에많은양의비점오염물질들이유출되어서누적비점오염부하율이높아진것으로판단된다. BS-1 지점은영양물질이다른지점에비해높게나타나는경향을보였는데, 이는부유물질에포함되어있던영양물질이강우에의해유출된것으로판단되며, 부유성물질및영양물질에대한처리를고려하여구조적 BMPs 시설을설치하는것이바람직할것으로판단된다. BS-2 지점의강우시에대한불투수성지역의비점오염부하율을산정결과, 강우유출기준 50% 에대한누적비점오 염부하율은 TSS가 80.9% 로매우높게나타났으며, T-N이 79.4%, COD가 75.1% 의순으로나타났으며, 또한강우유출유량이 50% 일때의강우유출시간을검토한결과, 15 min 로나타났고, 다른조사시기에서의 45~60 min보다짧은시간에유출이일어난것으로나타났다. BS-2 지점은교량지역에서차량의이동에따른입자성물질이많이집적되어있기때문에강우에의해유출되는현상을보였으며, 초기에많은양의비점오염물질들이유출되어누적비점오염부하율이높아진것으로판단된다. 또한교통관련불투수면은배수시스템과직접적으로연결되어있기때문에수문학적및환경적으로큰영향을줄것으로판단된다. Journal of KSEE Vol.35, No.9 September, 2013

9 비점오염물질의감소율 (DR, Decrease Rate) 해석강우시불투수성지역의비점오염특성상비강우시에불투수면에집적되어있던비점오염물질이초기강우에의해높은농도로유출되기특성을나타내기때문에초기강우에대한오염물질에대한대책을마련하는것이중요하며, 이에대한비점오염처리시설의용량산정이필요하다. 본연구에서는비점오염원유출이시작되는시점의초기농도에서강우가지속됨에따른초기유출에의한감소율 (DR) 을산정하고자하였고, 모든모니터링지점을대상으로 50% 를기준으로하여분석하였으며, 이를 Fig. 5에나타내었다. 불투수성지역의 RS-1 지점의경우, 3차조사에서는다른 조사때와는다른경향을보였는데, 15 min 이내에 TSS 농도가 51.6% 이상이감소율 (DR) 을나타나고있고, 유기물질인 BOD의경우에는 54.3% 이상이 90 min 이내에감소하는경향이 TSS와비슷하게나타났으며, COD의경우에는 55.6% 로 60 min 이내에감소하는경향을보였다. 이는강우시초기유출현상에의해비점오염물질이다른조사때보다짧은시간에유출되는것을확인할수있었으며, 강우강도에대한고려를해야할것으로판단된다. 불투수성지역의 RS-2 지점의경우, 1차조사에서는 45 min 이내에 TSS 농도가 52.8% 이상이감소율 (DR) 을나타나고있고, 유기물질인 BOD의경우에는 60.3% 이상이 45 min 이내에감소 Fig. 5. The decrease rate of non-point sources pollutants according to the runoff period. 대한환경공학회지제 35 권제 9 호 2013 년 9 월

10 652 안태웅 범봉수 김태훈 최이송 오종민 하는경향이 TSS와비슷하게나타났으며, COD의경우에는 52.0% 로 45 min 이내에감소하는경향을보였다. 유기물질의경우, 오염물질의감소율 (DR) 이 45 min 이내에 50% 이상을감소하기때문에 TSS의관리가중요하게판단되며, 향후 RS-2 지점에서비점오염처리시설의용량을결정하는데필요한자료로활용될수있을것으로판단된다. 불투수성지역의 PS-1 지점의경우, 1차조사에서는 30 min 내에 TSS 농도가 67.6% 이상이감소율 (DR) 을나타나고있고, 유기물질인 BOD의경우에는 62.7% 이상이 90 min 이내에감소하는경향이 TSS 보다더길게나타났으며, COD의경우에는 52.2% 로 60 min 이내에감소하는경향을보였다. 유기물질의경우, 오염물질의감소율 (DR) 이 60 min 이내에 50% 이상을감소하기때문에 TSS의관리가중요하게판단되며, 향후 PS-1 지점에서비점오염처리시설의용량을결정하는데필요한자료로활용될수있을것으로판단된다. 따라서본연구대상지점에서 50% 이상의비점오염물질감소가일어나기때문에 PS-1 지점에서는 30 min을고려하여비점오염물질을처리할수있는비점오염처리시설에대한용량을산정하여설치한다면, 비점오염물질에대한제어가가능할것으로판단된다. 불투수성지역의 BS-1 지점의경우, 3차조사에서는 45 min 이내에 TSS 농도가 57.0% 이상이감소율 (DR) 을나타나고있고, 유기물질인 BOD의경우에는 57.4% 이상이 120 min 이내에감소하는경향이 TSS와다르게나타났으며, COD의경우에는 63.7% 로 120 min 이내에감소하는경향이나타나유기물질간비슷하였다. 이는강우시초기유출현상에의해비점오염물질이다른조사때보다긴시간에유출되는것을확인할수있었으며, 강우강도에대한고려를해야할것으로판단된다. 불투수성지역의 BS-2 지점의경우, 1차조사에서는 45 min 내에 TSS 농도가 54.2% 이상이감소율 (DR) 을나타나고있고, 유기물질인 BOD의경우에는 62.1% 이상이 90 min 이내에감소하는경향이 TSS보다 2배정도긴것으로나타났으며, COD의경우에는 64.4% 로 60 min 이내에감소하는경향을보였다. 유기물질의경우, 오염물질의감소율 (DR) 이 60 min 이내에 50% 이상을감소하기때문에 TSS의관리가중요하게판단되며, 향후 BS-2 지점에서비점오염처리시설의용량을결정하는데필요한자료로활용될수있을것으로판단된다. 따라서본연구대상지점인 50% 이상의비점오염물질의감소가일어나기때문에불투수성지역에서는 BS-2 지점의비점오염원유출특성상 45 min을고려하여비점오염원을처리가능한비점오염처리시설에대한용량을산정하여설치한다면, 비점오염물질에대한제어가가능할것으로판단된다. 본연구에서불투수성지역의비점오염원유출특성을분석하기위한방법으로비점오염원감소율 (DR) 산정결과를종합해보면, TSS는 15~120 min에서감소율 (DR) 이 50% 이상되는것으로나타났으며, 특히 TSS 감소율 (DR) 이 50% 이상이되는시간은 30 min이가장많은것으로나타났다. 또한각지점별로비점오염원에대한감소율 (DR) 이차이가 나는것으로분석되었는데, 이러한이유는각각의모니터링지점의강우사상특성및불투수면의형태, 주변토지이용현황등에의한것으로판단되며, 더많은연구가필요할것으로판단된다. 4. 결론 본연구에서는불투수성지역중도로, 주차장, 교량을선정하여비점오염원유출특성을분석하기위하여초기세척비율 (FFR), 강우유출기준에따른비점오염부하율 (NSPLR) 산정, 감소율 (DR) 산정하여불투수성지역에대한비점오염원유출특성을파악하고자하였으며, 다음과같은결론을도출하였다. 1) 불투수성지역의초기세척비율을산정한결과, 강우사상별다른특성을보였지만선행무강우일수가길수록초기세척효과가큰것으로나타났고, 또한강우강도가클수록초기세척효과가뚜렷한것으로나타났다. 대부분의지점에서 TSS가가장뚜렷한경향을보였으며, TSS > COD > BOD 순으로뚜렷하게나타나는것으로나타났다. 초기세척비율이큰지점은항목을고려하여구조적 BMPs를설치하는것이바람직하며, 이를통해비점오염물질을효율적으로처리한다면, 강우시수계의오염부하를줄일수있을것으로판단된다. 2) 불투수성지역에서누적비점오염부하율을분석한결과, 대부분의모니터링지점에서 TSS가높게나타나는것으로나타났는데, 향후에불투수성지역의비점오염원관리시 TSS를중점관리비점오염물질로선정하여관리하는방안을마련하는것이필요할것으로판단된다. 또한 TSS 외유기물질및영양물질은특정강우사상에의해서만나타나, 중점관리대상물질은아니지만, 비점오염원의원인인자로고려하는것이바람직할것으로판단된다. 각지점별로누적비점오염부하율이차이가나는것으로분석되었는데, 이는모니터링지점별강우사상특성및불투수면의형태, 주변토지이용현황등다양한변수가존재하고있기때문인것으로판단된다. 따라서본연구에서산정된누적비점오염부하율은더많은모니터링조사지점을선정하여, 도시및농업지역등다양한지역특성을고려하여산정하는것이바람직할것으로판단된다. 3) 불투수성지역에서감소율산정결과, TSS는 15~60 min 으로나타났으며, 유기물질은 30~90 min으로나타났다. 건기시불투수면에집적되어있던비점오염물질이초기강우에의해높은농도로유출되는특성을나타내기때문에초기강우현상이뚜렷하게나타난것으로판단된다. 감소율 (DR) 산정결과를토대로비점오염물질에대한관리, 구조적 BMPs 시설설치, 정확한설계용량산정시참고자료로활용할수있을것으로판단된다. 하지만본연구에서제시하는감소율 (DR) 해석방법에대한신뢰도를높이기위해 Journal of KSEE Vol.35, No.9 September, 2013

11 653 서는더많은비점오염원대상지점을선정하여많은연구 결과를도출할필요가있다고판단된다. 사사 본연구는국토교통부물관리연구사업의연구비지원 (12 기술혁신C02) 에의해수행되었습니다. 참고문헌 1. Kim, S. K., Kim, Y. I., Kang, S. W., Yun, S. L. and Kim, S. J., Runoff Characteristics of Non-Point Sources on the Stormwater, Kor. Soc. Environ. Eng., 28(1), 104~110(2006). 2. Gil, K. I., Wee, S. K. and Park, M. J. Determination of Pollutant EMCs and Loadings of Runoff in Paved Areas, Kor. Soc. Hazard Mitigat., 8(4), 119~122(2008). 3. Barrett, M. E., Irish, L. B., Malina, J. F. and Charbeneau, R. J., Characterization of Highway Runoff in Austin, Texas, Area, J. Environ. Eng., 124(2), 131~137(1998). 4. Becher, K. D., Schnoebelen, D. J. and Akers, K. K. B., Nutrients Discharged to the Mississippi River From Eastern lowa Watershed, , J. Am. Water Resour. Asspcia., 36(1), 161~173(2000). 5. Ahn, T. W., Choi, I. S. and Oh, J. M., Study on Water quality Purification Effect of Compact Wetland for Non-point Source Pollution Control, Kor. Soc. Water Sci. Technol., 17(2), 143~151(2009). 6. Son, H. G., Lee, S. Y., Lee, E. J. and Kim, L. H. Runoff Characteristics and Relationship between Non-point Source Pollutants from Road, Kor. Soc. Hazard Mitigat., 8(5), 59~ 64(2008). 7. Son, H. G., Lee, S. Y. and Kim, L. H. Characteristics of NPS Pollutants and Treatment of Stormwater Runoff in Paved Area during a Storm, Kor. Wetlands Soc., 11(2), 55~66 (2009). 8. Lee, S. Y., Lee, E. J., Marla C. M. and Kim, L. H. Determination of Pollutant Unit Loads from Various Transportation Landuses, Kor. Soc. Water Environ., 24(5), 543~549(2008). 9. Kim, C. M., Lee, S. Y., Lee, E. J. and Kim, L. H., Determination of Heavy Metal Unit Load from Transportation Landuses during a Storm, Kor. Soc. Hazard Mitigat., 8(6), 155~ 160(2008). 10. Kim, L. H., Lee, E. J., Lee, S. Y. and Ahn, W. Y. Development of Guidelines for Nonpoint Source Control in Roads, Kor. Soc. Water Environ., 23(4), 423~428(2007). 11. Kim, S. S., Kim, J. S., Bang, G. Y., Gwon, E. M. and Chung, W. J., The Estimation of the Unit Load and Chracteristics of Non-Point Source Discharge According to Rainfall in Kyongan Watershed, Kor. Soc. Environ. Eng., 24(11), 2019~ 2027(2002). 12. Lee, H. J., Lau, S.-L., Masoud, K. and Michael, K. S., Seasonal first flush phenomenon of urban stormwater discharges, Water Res., 38(19), 4153~4163(2004). 13. Edwin, D., Ongley, Z. and Xiaolan, Y. T., Current status of agricultural and rural non-point source Pollution assessment in China, Environ. Pollut., 158(5), 1159~1168(2010). 14. Kim, L. H. and Lee, S. H., Characteristics of Washed-off Pollutants and Dynamic EMCs in a Parking Lot and a Bridge during Storms, Kor. Soc. Water Environ., 21(3), 248~255 (2005). 15. Kim, L. H. and Kang, J. H., Determination of Event Mean Concentrations and Pollutant Loadings in Highway Storm Runoff, Kor. Soc. Water Environ., 20(6), 631~640(2004). 16. Kim, L. H., Lee, B. S. and Gwon, S. Y., Optimum Capacity of Retention Basin for Treating Nonpoint Pollutants and Its Removal Efficiency in Industrial Complex Areas, Kor. Wetlands Soc., 7(3), 75~85(2005). 17. Brigitte, H., Rita, H., Alexander, S. and Harald, H., Runoff pollutants of a highly trafficked urban road-correlation analysis and seasonal influences, Chemosphere, 80(9), 991~997 (2007). 18. Choi, J. Y., Lee, S. Y. and Kim, L. H., Wash-off Characteristics of NPS Pollutants from Forest Landuse, Kor. Soc. Hazard Mitigat., 9(4), 129~164(2009). 19. Jeong, K., Kang, H. M. and Ko, S. O., Characteristics of Collected Sediments from Road Sweeping and Reduction in the Nonpoint Source Pollutants Loading, Kor. Soc. Road Eng., 13(2), 187~193(2011). 대한환경공학회지제 35 권제 9 호 2013 년 9 월

10(3)-12.fm

10(3)-12.fm w y wz 10«3y 273~280 (2010.12.) Journal of Korean Society of Urban Environment p yá xá½k w y œw (2010 9 15, 2010 12 2 k) Analysis of Characteristics of Delivered Nonpoint Source Pollution at Forested Watershed