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찬기 경
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1 , 36(6), 411~420, 2014 Original Paper ISSN 강우시중랑천유역의수질 (T-P, T-N, COD Mn, SS, BOD 5 ) 변화특성 Characteristics of Temporal Variation on Water Quality (T-P, T-N, COD Mn, SS, BOD 5 ) in the Jungrang Stream during Rainfall Event 정재형 * 조우싱 이태진 권오열 Jaehyung Jung* Zhou Xing Taejin Lee O-Yul Kwon * 서울과학기술대학교에너지환경공학과 서울과학기술대학교환경공학과 *Department of Environmental Energy Engineering, Seoul National University of Science and Technology Department of Environmental Engineering, Seoul National University of Science and Technology (2014 년 1 월 8 일접수, 2014 년 5 월 23 일수정, 2014 년 6 월 11 일채택 ) Abstract : Water quality variations were investigated at 4 locations of Jungrang river (upper, middle and lower basins) during a period of 3 rainfall events. During the rainfall, concentrations of COD Mn, SS and BOD 5 significantly increased, while the concentration of T-N decreased and that of T-P remained relatively constant. This pattern became more apparent as the level of accumulative precipitation and rainfall intensity increased. Simple regression analysis showed that the accumulative precipitation was positively correlated with all water quality pollutants except for T-N. With increasing accumulative precipitation, the concentration of T-N decreased, while the others increased. R 2 of simple regressions of hourly average rainfall intensity and water quality pollutants, showed wider range of variation ranged from to 0.992, which indicated a strong correlation. The stronger the hourly average rainfall intensity, the more T-N and T-P in the upper basin, more COD Mn in the middle and lower basins, more SS with gradual increase from upper to lower areas, and more BOD 5 with gradual decrease from upper to lower region. Simple regression showed that water quality pollution in the upper basin was more sensitive to an increase of rainfall discharge than that in the middle and lower areas. Key Words : Jungrang River, Accumulative Rainfall, Rainfall Intensity, Discharge, Simple Regression 요약 : 중랑천상류에서하류방향으로 4 개지점을선정하여 3 회의강우사상에대하여수질변화특성을조사하였다. 강우시 COD Mn, SS 와 BOD 5 농도는증가하고, T-N 은감소하고, T-P 는경향성이뚜렷하게나타나지는않았으며, 경향성은강우량과강우강도증가에따라더욱뚜렷하게나타났다. 누적강우량과수질항목별단순회귀분석결과, T-N 을제외하고전체적으로양의상관성을갖는것으로나타나서 T-N 은누적강우량이커질수록농도가감소하는것으로나타났고, 다른항목들은농도가증가하는것으로나타났다. 시간당평균강우강도와수질항목별단순회귀분석결과, R 2 값이전체적으로약 0.483~0.992 범위의대체적으로폭넓은결정계수를나타났으며, 강우강도가강할수록, T-P 와 T-N 은상류유입, COD Mn 은중류및하류유입, SS 는상류에서하류방향으로의점진적증가유입, 그리고 BOD 5 는상류에서하류방향으로의점진적감소유입이되는것으로판단되었다. 유량과수질항목별단순회귀분석을실시한결과, 중랑천상류가유량의증가와함께수질오염도가민감하게반응하는것으로나타났다. 주제어 : 중랑천, 누적강우량, 강우강도, 유량, 단순회귀분석 1. 서론 중랑천은경기도양주시불국산에서그수원을발하여의 정부시와서울시를지나한강본류로유입하는하천으로행정 구역상경기도와서울시지역으로구분된다. 중랑천유역면 적은 km 2, 유로연장 34.8 km, 유역평균폭 8.53 km 로서서울시와의정부시가전체유역의 3/4을점하고있는 고밀도도심지및인구밀집지역이고농경지는중랑천상류 지역에약 6.4% 가분포하고, 도시지역이약 44.4%, 임야는약 43.0% 를점유하고있다. 1) 중랑천은한강의제 1 지류로서한강수질오염도에중요한 역할을담당하고있다. 특히중랑천에서지역별로발생하는 수질오염물질의특성파악이무엇보다중요하다. 이는중랑 천이지형적으로상류지역은자연형하천으로구성되어있 으며중 하류지역은전형적인도시형하천으로구성되어 있기때문이다 년기준중랑천상류지역의잠재오염원 현황은인구가 468,528 명, 가축은젖소 514 두, 한우 685 두, 돼지 973 두이며 2) 폐수발생량은 1 일 4,194m 3 그리고폐수방류량은 1 일 1,429 m 3 이다. 3) 폐수발생량은폐수배출시설 에서발생하여분리및집수시설로유입하는폐수의발생 량이며, 폐수방류량은방류수수질기준에적합하도록하수 및폐수종말처리시설에서처리후방류하는양을나타낸다. 강우시유출되는수질오염물질은유량이증가함에따라수질오염도가점점증가하며, 4) 발생하는수질오염물질은강 우에의해매우민감하게반응한다. 5,6) 또한강우유출수는 강우가시작되면서초기강우에의해수질오염도가높아지 는특성을지니고있으며, 7) 유출된수질오염물질은지역및시간적특성에따라다르게나타난다고보고되고있다. 8) Corresponding author oykwon@seoultech.ac.kr Tel: Fax:

2 강우시중랑천유역의수질 (T-P, T-N, COD Mn, SS, BOD 5) 변화특성 413 현재까지중랑천수질에관한주요연구를보면, 우선중 랑천유역의초기강우시발생하는비점오염원농도및부 하량을강우유출과수질부하특성으로해석하고각수질 성분과이에미치는인자들과의상관성을분석하였다. 9) 또 한도시하천에서초기강우에의한비점오염부하량의산정 을실시하였는데관측지점에대한정확한유량및수질등 의모니터링을통하여유출과수질과의특성을파악하여문 제점을개선하는데주안점을두고분석을실시하였다. 10) 그리고중랑천수계내강우에의한중랑천내수질오염의특성을시간적, 공간적변화에따라분석을하였다. 11) 최근 에는중랑천을계절별오염부하량의특성과부하지속곡선 을작성하여한강수계오염총량관리대상지점을대상으로 2008~2010 년까지의수질과유량자료를이용하여환경부 에서고시한목표수질과평균수질을이용하여유량변동에따른기준부하량과초과빈도를조사하였다. 12) 이상의연구자료를분석하여보면중랑천수질오염의 특성에관한연구는비점오염원과수질오염부하량에연구 가집중되어있다. 또한일부특정지역에서측정하여전체 적인수질오염발생특성을파악하기어렵다. 따라서본연 구는중랑천지역을대상으로다수의지점에서동시에측 정함으로써강우시중랑천지역전체의수질오염물질의시 간적변화특성을조사하였다. 또한누적강우량, 시간당평 균강우강도및유량과의통계분석을통하여지역별수질오 염발생인자들과의상관성을분석하고, 이를바탕으로중 랑천지역에서의수질오염저감방안을위한기초자료를구 축하고자하였다. 또한, 강우시의수질오염물질변화특성을 비교하기위하여비강우시에도동일한측정지점과방법을 적용하여조사하였다. 2. 연구방법 Fig. 1 에중랑천유역의수계현황과현장실측 4 개지점 ( 신 곡교, 상도교, 월계 1 교, 중랑교 ) 을나타내었다. 본연구는 비강우시 2 회와강우시 3 회총 5 회에걸쳐현장수질을실 측하였다. 수질측정항목은 T-P, T-N, COD Mn, SS, BOD 5 를 대상으로하였다. 실험은수질오염공정시험법과 Standard Methods 13,14) 에준하는방법으로진행하였으며, 그방법은 Table 1에나타내었다. 비강우시수질측정은 2012년 5월 17~ 18일, 6월 3~4일에실시하였으며 24시간기준 6시간간격 으로측정하였다. 강우시수질측정은 2012년 6월 29~30일, 7월 10~11일, 9월 4일에실시하였다. 중랑천의수위및유 량자료는한강홍수통제소에서신곡교와중랑교지점을대 상으로실시간으로제공하고있으며, 강우량자료는기상청 에서제공하는의정부지점의자료를이용하였다. 15,16) 선행 무강우일수는강우량이 5 mm 이상인강우사상을대상으로 산정하였다. 자료의해석은비강우시수질특성, 강우시수 질특성으로구분하였으며, 강우시수질특성은비강우시대 비강우시농도비교, 누적강우량, 평균강우강도, 유량과 Fig. 1. Sampling sites of this study : (a) Singok bridge, (b) Sangdo bridge, (c) Wolgae 1 bridge, (d) Jungrang bridge. Table 1. Analytical methods for water quality parameters Categories Methods T-P Ascorbic acid reduction method (UV spectrophotometer) T-N UV spectrophotometer COD Mn Potassium permanganate method SS Gravimetry method BOD 5 Diaphragm electrode process (YSI 550 DO meter) 수질항목별분석순으로행하였으며, SPSS Ver. 20 을이용하여통계분석을하였다. 17) 3. 연구결과 3.1. 비강우시측정결과 Table 2 에 1, 2 차비강우시항목별수질오염물질의분석 결과를나타내었으며, 비강우시평균농도는강우시분석 결과와비교자료로이용하였다. 비강우시측정결과수질오 염물질의위치별변동은대체적으로크지않은것으로나 타났다. 1 차비강우시상도교지점에서 T-N 과 BOD 5 농도 는각각 9.36 mg/l, 5.31 mg/l 로이외의측정지점대비상 대적으로농도가높은것으로나타났으며, 이는중랑천중 상류지역인상도교지점에서상대적으로유기물질의유입 이많다는것을유추할수있다. 또한 SS 는신곡교와중랑 교지점에서각각 34.6 mg/l, mg/l로상도교 (11.75 mg/l) 와월계1교 (12.13 mg/l) 에비하여높은농도로측정 되었다. SS 가신곡교지점과중랑교에서높다는것은중랑 천상류지역에서많은양의 SS 유입이있으며, 흐름에따 라 SS 의농도가저감되지만, 중랑교이전 SS 에영향을미 대한환경공학회지제 36 권제 6 호 2014 년 6 월

3 414 정재형 조우싱 이태진 권오열 Table 2. Pollutant concentrations measured at four locations with six hours interval for 24 hours during dry period and mean values calculated from dry event (unit : mg/l) Sites Singok Sangdo Wolgae 1 Jungrang Event 1 Event 2 Type T-P T-N COD Mn SS BOD 5 T-P T-N COD Mn SS BOD 5 Mean±SD 0.47± ± ± ± ± ± ± ± ± ±0.47 Max Min Mean±SD 0.63± ±1.46 6± ± ± ± ± ± ± ±1.65 Max Min Mean±SD 0.38± ±1.20 5± ± ± ± ± ± ± ±0.54 Max Min Mean±SD 0.48± ± ± ± ± ± ± ± ± ±0.55 Max Min Non-rainfall event Category T-P T-N COD Mn SS BOD 5 Singok Sangdo Wolgae 1 Mean value Jungrang Average 치는외부유입이있었음을추정할수있다. 2차비강우시에는 T-N과 T-P는상류지역인신곡교에서각각 8.87 mg/l, 0.68 mg/l, 그리고상도교는 8.43 mg/l, 0.51 mg/l로이외의측정지점대비높은수치를보였으며, SS는 1차비강우시와달리위치별 (9.25~ mg/l) 농도의차이는크지않은것으로나타났다. 전체적으로 1, 2차비강우시분석결과강우외에는수질오염을직접적으로유발시키는오염원이부재하여수질오염농도의변화폭이크지않게나타났다 강우시측정결과강우시중랑천 4개지점을대상으로총 3회에걸쳐수질을현장에서실측하였으며, 30분간격으로채수하였다. Table 3과 Fig. 2에강우사상별강우특성을나타내었으며, 선행무강우일수는 4.375~17.08일의범위를보였다. 측정기간동안의총강우량은 24~51 mm의범위로나타났으며, 강우지속시간은 7.5~14.83 hr로측정되었고, 평균강우강도는 1.62~ 6.8 mm/hr로나타났다. 15,16,18,19) Fig. 3에 1차강우시시간의경과에따른위치별수질오염의농도변화를나타내었다. 강우시간이지속됨에따라 BOD 5 는급격하게농도가증가하였으며, SS는지속적으로농도가증가하고, T-P와 COD Mn 은농도가완만히증가하다가일정시간 ( 약 3시간 ) 이후에는농도의변동폭이크지않은특성을보인반면, T-N은모든지점에서농도가저감되는특성을보였다. Kim 11) 의연구에서질소는수환경내다양한형태로존재하며, 특히 T-N은강우에의해농도가저감되는 Table 3. Event summary during rainfall event 1, 2 and 3 Event Total rainfall (mm) Rainfall duration (hr) Antecedent dry days (days) Avg. rainfall intensity (mm/hr) 희석효과로본연구와동일한특성을보였다. 2 차강우시 와 3 차강우시에는강우패턴이다른관계로다소다른양상 을보이나전체적으로 T-N 은강우에의해농도가저감되는 희석효과를보였으며, COD Mn, SS 와 BOD 5 는강우에의해 증가하는양상을보였다. 하지만 T-P 의경우는뚜렷한경향 성이보이지않았다. 또한 1 차강우시와같이강우가강할 수록전술한경향성은더욱뚜렷하게나타나고있다 비강우시대비강우시농도특성 Table 4 에비강우시대비강우시수질오염농도를표준 화하여제시하였으며, 자료의표준화는비강우시농도를 1 로하여강우시농도와비교하였다. 자료의표준화에따른 비강우시대비강우시농도특성은전체적으로강우시수 질오염농도는수질오염물질에따라, 또강우사상에따라다 르게나타났다. 1 차강우시의누적강우량 51 mm, 강우강 도 6.8 mm/hr, 2 차강우시의누적강우량 24 mm, 강우강도 1.62 mm/hr, 3 차강우시의누적강우량 24 mm, 강우강도 2.4 mm/hr 임을고려하면, 강우강도가강하고강우량이강 Journal of KSEE Vol.36, No.6 June, 2014

4 강우시중랑천유역의수질 (T-P, T-N, COD Mn, SS, BOD 5) 변화특성 415 Fig. 2. Hydrographs during rainfall event 1 (upper part), 2 (middle part) and 3 (lower part). 한 1차강우시에는 COD Mn, SS, BOD 5 가높은농도로나타나고있는반면, T-P의농도는완만하게상승하며, T-N은감소하는것으로나타났다. 그러나 2차강우시에는 BOD 5 가다소증가하는경향을보인반면, 상류인신곡에서 SS 가높은농도를보인것을제외하면모두지점에서비강우시대비농도가감소되었음을보여준다. 2차강우시와비교하여누적강우량은같으나강우강도가다소강한 3차강우시에는 SS와 BOD 5 가전반적으로증가하고있다. 따라 서강우량과강우강도가수질에미치는복합요인은 BOD 5 SS COD Mn T-P의순으로영향을미치는것으로추정되며, T-N은그영향정도가미미한것으로판단된다. 또한강우시상류에서하류로향하면서농도변화정도는강한누적강우량과강우강도를보인 1차강우시에 SS 농도는하류로내려갈수록증가하고, BOD 5 는감소하는경향을보이고있는점을제외하고 T-P, T-N, COD Mn 은상류에서하류로내려갈수록농도의변화가미미한것으로나타났다. 대한환경공학회지제 36 권제 6 호 2014 년 6 월

5 416 정재형 조우싱 이태진 권오열 Fig. 3. Variation of water quality parameters in the Jungrang river during rainfall event 1. Table 4. The normalization of rainfall event compared to dry event Sites Dry event Singok Sangdo Wolgae 1 Jungrang T-P T-N Rainfall event 1 Rainfall event 2 Rainfall event 3 COD Mn SS BOD 5 T-P T-N COD Mn SS BOD 5 T-P T-N COD Mn SS BOD (0.48) (7.35) (6.55) (23.8) (2.94) (0.48) (7.35) (6.55) (23.8) (2.94) (0.48) (7.35) (6.55) (23.8) (2.94) (0.64) (7.13) (9.13) (53.0) (12.5) (0.20) (3.35) (5.80) (36.3) (5.37) (0.16) (3.61) (5.06) (31.0) (2.47) (0.52) (6.16) (8.56) (68.9) (11.6) (0.31) (5.07) (5.63) (21.1) (5.88) (0.24) (4.73) (5.64) (34.4) (2.72) (0.39) (5.68) (10.03) (78.2) (9.07) (0.24) (4.85) (5.02) (9.84) (3.99) (0.17) (3.52) (7.02) (45.8) (3.57) (0.42) (6.30) (9.40) (92.6) (8.98) (0.27) (5.40) (5.03) (14.9) (5.11) (0.21) (4.32) (4.28) (16.5) (3.62) 1. ( ) : observed concentrations, 2. Normalized value = ( Rainfall value Nonrainfall value ) Journal of KSEE Vol.36, No.6 June, 2014

6 강우시중랑천유역의수질 (T-P, T-N, COD Mn, SS, BOD 5) 변화특성 누적강우량과수질항목별단순회귀분석 Fig. 4에강우시누적강우량과수질항목별단순회귀분석결과를나타내었으며, 누적강우량과수질항목별산정된회귀식의표준화를위해, 산정된식에서수질항목의평균값으로나누어줌으로써표준화하였다. 즉, 표준화식에서기울기가크게되면누적강우량과수질항목간의강한반응력 (response) 이존재하며, 기울기가작게되면누적강우량과수질항목들간의상호작용이작아지게된다. 따라서본연 구에서는단순회귀분석을통하여누적강우량과수질항목별정량화를통하여보다신뢰성있는분석을실시하였다. 또한 R 2 값을이용하여누적강우량과수질항목별적합성정도를동시에표현하였다. 강우시누적강우량과수질항목별단순회귀분석결과 T-N 을제외하고전체적으로양의상관성을갖는것으로나타났다. 또한 T-N은누적강우량이커질수록농도가감소하는것으로나타났고, 다른항목들은농도가증가하는것으로 Fig. 4. Simple regression analysis between accumulative precipitation and water quality parameters at each site during rainfall period. 대한환경공학회지제 36 권제 6 호 2014 년 6 월

7 418 정재형 조우싱 이태진 권오열 Table 5. Simple regression equations between hourly average rainfall intensity and water quality pollutant Type Singok Sangdo Wolgae 1 Jungrang T-P Equation y = 0.193x y = 0.099x y = 0.075x y = 0.074x R T-N Equation y = 0.102x y = 0.034x y = 0.036x y = 0.037x R COD Mn Equation y = 0.111x y = 0.092x y = 0.132x y = 0.146x R SS Equation y = 0.161x y = 0.366x y = 0.472x y = 0.662x R BOD 5 Equation y = 0.571x y = 0.481x y = 0.365x y = 0.307x R Fig. 5. Simple regression analysis between discharge and water quality parameters at Singok and Jungrang bridge during rainfall period. Journal of KSEE Vol.36, No.6 June, 2014

8 강우시중랑천유역의수질 (T-P, T-N, COD Mn, SS, BOD 5) 변화특성 419 나타났다. 누적강우량에따른농도의증가속도는앞절에서분석한바와유사하게나타나고있는데, 전반적으로 SS와 BOD 5 가강하게증가하는반면, COD Mn 과 T-P는증가가완만하게나타나고있다. 1, 2, 3차강우시별특징을살펴보면, 1차강우시에는 SS, 2차강우시에는 BOD 5 가두드러지게나타나고있으며, 3차강우시에는항목들사이에뚜렷한상관관계를보이지않았다. 또한강한증가속도를나타낼수록 R 2 값도크게증가해서, 누적강우량에잘반응을보이는수질오염물질은누적강우량과강한상관을갖는것으로분석되었다. 이는강우의형태에따라누적강우량또한다르게나타나며반응하는수질오염물질의반응도다르게나타남을의미한다. 예를들어, 1차강우는많은강우량과강한강우강도에의해 SS와높은상관성을보인반면, 2 차강우는적은강우량과약한강우강도에의해 BOD 5 와높은상관성이있는것으로나타났다 시간당평균강우강도와수질항목별단순회귀분석 Table 5는강우사상별시간당평균강우강도와수질항목별단순회귀분석결과로서, 앞서설명한표준화를동일하게적용하여분석하였다. 시간당평균강우강도와수질항목별단순회귀분석결과 R 2 값이전체적으로약 0.483~0.992 범위의대체적으로높은결정계수가나타나서시간당평균강우강도와수질항목간에는밀접한상관성이있다고판단되었다. 시간당평균강우강도에따른위치별기울기를보면 T-P, T-N은신곡교에서각각 0.193과 0.102의큰값을보인반면, 그이하에서는각각 0.074~0.099와 0.034~0.037의낮은기울기값을보이고있다. 이것은강우강도가강할수록상류에서 T-P와 T-N이많이유입되고하류에서는유량증가에상응하는정도의유입이있다는것을의미한다. 그러한관계로보면 COD Mn 은상도교아래중류에서하류로가면서지속적으로유입증가가이루어진다고할수있으며, SS는상류에서하류로가면서지속적으로유입이증가한다고할수있다. BOD 5 의경우는상류에서가장크고하류방향으로갈수록유입량이서서히감소함을보여주고있다. 4. 결론 본연구는중랑천지역을대상으로강우시수질오염물질의발생특성변화를조사하였으며, 단순회귀분석을통하여각지점별발생되는수질오염물질의발생특성을분석하였다. 1) 비강우시수질오염물질특성을분석한결과측정시기와위치별로다소간의농도차이는존재하나위치별수질오염농도의변동차이는크지않았다. 2) 강우시수질오염물질의특성을분석한결과강우와함께 COD Mn, SS와 BOD 5 농도는증가하고, T-N은감소하고, T-P는경향성은뚜렷하게나타나지않았다. 비강우시농도와대비하여볼때, 강우량과강우강도의복합요인은중랑천오염물질에대하여 BOD 5 SS COD Mn T-P의순으로영향을미치는것으로추정되며 T-N은그영향정도가미미한것으로판단되었다. 3) 강우시누적강우량과수질항목별단순회귀분석을실시한결과 T-N을제외하고전체적으로양의상관성을갖는것으로나타나서 T-N은누적강우량이커질수록농도가감소한것으로나타났으나, 다른항목들은농도가증가하는것으로나타났다. 누적강우량에따른농도의증가속도는전반적으로 SS와 BOD 5 가강하게증가하는반면, COD Mn 과 T-P는완만하게증가하였다. 4) 시간당평균강우강도와수질항목별단순회귀분석을실시한결과 R 2 값이전체적으로약 0.483~0.992 범위의대체적으로높은결정계수를나타났으며, 시간당평균강우강도에따른위치별기울기로판단할때강우강도가강할수록, T-P와 T-N은상류유입, COD Mn 은중류및하류유입, SS는상류에서하류방향으로의점진적증가유입, 그리고 BOD 5 는상류에서하류방향으로의점진적감소유입이존재하는것으로나타났다. 5) 강우시유량과수질항목별단순회귀분석을실시한결과신곡교지점이중랑교지점보다전체적으로기울기가크게나타나서중랑천상류가강우에의한유량의증가와함께수질오염도가민감하게반응하였다 유량과수질항목별단순회귀분석 Fig. 5에강우시유량과수질항목별단순회귀분석결과를나타내었으며, 이또한앞서설명한표준화를동일하게적용하여분석하였다. 강우시유량과수질항목별단순회귀분석을실시한결과신곡교지점이중랑교지점보다전체적으로기울기가크게나타나서, 중랑천상류가강우에의한유량의증가와함께수질오염도가민감하게반응하는것으로판단되었다. 그러나유량증가와함께의미있는증가를보이는 SS를제외하고, 유량증가로인한항목별, 위치별농도의증감속도는강우사상과관계없이나타나고, 또한 R 2 값도 0.002~0.948까지광범위하게나타나고있어서유량증가와오염물질농도변화의상관성은거의없는것으로판단되었다. 사사 본연구는 2012년도서울녹색환경지원센터 ( 과제번호 SG- EC ) 의연구비지원에의해수행되었으며이에 감사드립니다. Reference 1. Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, Han River basin water control project, Jungrang stream spatial zone (2008). 대한환경공학회지제 36 권제 6 호 2014 년 6 월

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THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2015 Nov.; 26(11), 985991. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2015.26.11.985 ISSN 1226-3133 (Print)ISSN 2288-226X (Online) Analysis