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ISSN : 1976-6769(Print)
ISSN : 2287-8122(Online)
Korean Journal of Nature Conservation Vol.6 No.2 pp.102-107
DOI : https://doi.org/10.11624/KJNC.2012.6.2.102

수질모델의 시스템 분석기법을 이용한 송지호의 수질관리방안 연구

이용석*, 김동진1
한림성심대학교 보건환경과

1환경부 원주지방환경청 측정분석과

A Water Quality Management Study of Songji Lagoon by using System Analysis Technique of the Water Quality Model

Yong-Seok Lee*, Dong-Jin Kim1
Department of Health and Environment, Hallym Polytechnic University, Chuncheon 200-711, Korea
1Department of Measurement and Analysis, Wonju Regional Environmental Office, Ministry of Environment, Wonju 220-708, Korea
(Received 15 June 2012; Revised 29 November 2012; Accepted 3 December 2012)

Abstract

Songji lagoon, one of the major lagoons located along the East coast, is considered to be worth preservingbecause of its good water quality. To consider ways to manage the water quality of Songji lagoon, this studywas conducted by employing the analysis technique for system analysis of the water quality model. This studyused WASP model which is a model with hydraulic part and water quality part combined. The model for Songjilagoon used the same value as the coefficients of water quality reaction used for Hwajinpo model. And it wasrevised and verified with the water quality measured in Songji lagoon. The spatial concentration of waterquality of Songji lagoon and Hwajin po exhibited different distribution respectively, yet showing a similarcharacteristic in physical and water side structure. The major water quality items used in system analysis areBOD, limiting nutrients (N, P). The principal conditions reflected the system analysis are an increase ordecrease of Allochthonous pollution load and removal of sediment. The study results show that the waterquality of Songji lagoon is considerably changed more in sediment than Allochthonous pollution load.Especially, the management of Nonpoint pollution due to a temporary rainfall is more important amongallochthonous pollution load.

1. 서 론

환경적 요인과 함께 수중 이화학적 물질은 그 성분과 량 그리고 구성 비율에 따라 수중 생태계의 구조와 생태적 안정성에 관여하는 주요 인자이며 수역의 수질평가항목 혹은 평가지표이기도 하다. 수질의 이화학적 특성에 관여된 오염물질들은 대부분 자연적 발생 혹은 인위적 유입과정으로 존재하며 복잡한 물리적, 생물화학적 반응에 의해 변화한다. 따라서 수중 이화학적 물질의 농도변화 특성을 이해하는 것은 수역의 수질과 생태 특징을 규명하는데 있어 기초분야이다.

동해안에는 여러 석호가 위치하며 이화학적 수질농도기준을 적용할 때 대다수의 경우 수질이 이미 심각한 악화상태에 있거나 일부 수질악화 속도가 빠르게 진행되고 있는 것으로 알려져 있다. 동해안 석호의 수질악화 문제는 석호가 지닌 가치성으로 인해 지역 주민과 관계 전문가의 관심사로 주목되고 있다. 특히 송지호는 동해안에 분포하는 석호중 가장 수질이 양호한 상태이며 유역관리를 통한 수질유지가 시급한 현안을 가진 수역이다. 

본 연구에서는 석호의 수질개선을 위해 수역이 가진 유역환경에 관한 조사와 생태적 보전 가치성을 고려하여 석호 수질변화의 주요 인자를 분석함으로서 수질관리 방안 수립을 위한 의사결정 자료를 제공하는데 목적을 두고 동해안 석호중 송지호를 대상으로 기 구축된 수질모델을 활용하여 수질변화 특성을 분석하고 수질관리의 주요 인자를 파악하고자 하였다. 

2. 연구 방법

2.1. 연구 대상 특성

송지호는 고성군 죽왕면 오호리에 위치하며 호의 출구는 동측 해변과 약 400 m 정도의 거리를 두고 접해있다. 송지호의 유역 면적은 약 5.4 km2이며, 유역의 대부분은 산지와 농지로 구성되어 있다. 호의수면적은 0.495 km2이며 남호의 수심은 0.48~0.8 m, 북호의 수심은 1.0~3.8 m의 범위로 각각 분포하며 석호의 하상은 비교적 완만한 경사를 지닌다. 송지호에는 호의 북서측에 형성된 계곡을 경유하는 유로연장 1.75 km의 인정천이 유입한다(Figure 1).

Figure 1. Water surface and basin boundary of Songji lagoon.

2.2. 송지호 적용 모델의 특성

송지호에서 구축된 수질모델은 미연방환경청(USEPA)에서 개발한 WASP모델이다. WASP의 EUTRO는 총 9종의 수질 항목을 중심으로 물질상호간 규명된 반응기작을 통해 시간별 수질항목별 농도 변화값을 계산한다. EUTRO는 수질변화를 계산하는 과정에는 수리이동 자료가 필요하며 수리모델인 DYNHYD의 수리계산결과를 사용한다. EUTRO와 DYNHYD의 적용에서는 실제 수역을 Figure 2와 같은 개념으로 구획해야 하며 이들 모델의 요구에 부합하는 형식으로 자료를 전산화해야 한다. 

Figure 2. System structure concept of WASP model.

EUTRO모델을 이용하면 수면 2차원 방향으로의 공간 수질농도 계산이 가능하며 표층과 하층으로 구분되는 2층 구조의 수층별 수질변화도 모의할 수 있다. 그러나 EUTRO의 수질계산에 앞서 선행돼야 할 수리계산 프로그램인 DYNHYD는 수층방향으로의 수리계산과정을 포함하지 않고 있다. 따라서 수층에 따른 수질변화 모델링을 위해서 EUTRO는 이류현상에 따른 물질이동을 확산현상에 포함해야 하는 구조적 제한성이 있다. 

2.3. 송지호 모델 구축 조건

송지호에 구축된 WASP모델은 대상 수역에 영향을 줄 기온, 광량, 강우, 해수면 변화 등 주변 물리환경 여건 자료를 포함하고 있다. 입력된 자료는 대상수역 인근의 속초기상대에서 1999년부터 2000년까지에 측정된 월별 평균 자료였으며, 국립수산진흥원의 거진연안 해역의 수질과 속초항의 수위자료가 경계조건 자료로 사용되었다. 송지호 모델의 보정은 과거 2년간(1999년~2000년) 2개월 간격으로 동시기의 조사에서 획득한 수역 수질자료로 보정되어졌다(원주지방환경관리청, 2001).

송지호 모델 보정과 검증에서 결정된 주요 수질반응계수는 화진포호 모델링에서 사용한 계수값과 동일한 값을 사용하고 있다. 이는 송지호가 비교적 완만한 수심변화와 수변 수초지대의 형성 등이 화진포호 와 유사하기에 동일 수중 반응이 이루어질 것으로 예상하였기 때문이다. 송지호 모델에 적용한 반응계수값중 주요 계수를 Table 1에 요약하여 제시하였다(Bowie et al., 1985).

Table 1. Applied major coefficients for Songji model with general range.

송지호를 대상으로 구축된 송지호 WASP모델은 대상 수역을 수층별로 구별하지 않고 WASP이 요구하는 모델구조에 적합한 수의 단위계산 수체로 구획되어 있다. 송지호의 구획구조에서 Figure 3의 A는 수리계산을 위한 DYNHYD의 구획 구조이며 B는 수질계산을 위한 EUTRO의 구획 구조이다. 각 구획구조에서 Segment 0은 경계조건으로 사용된다 

Figure 3. System segmentation of WASP for Songji lagoon.

4. 시스템 분석 조건 설정

수질모델을 이용한 수역의 수질변화 특성 파악에는 시스템 분석과 민감도 분석이 일반적으로 사용된다. 민감도 분석은 모델의 재현 특성을 분석하는 것으로 모델인자가 결과에 미치는 특성을 파악하는데 이용된다. 시스템 분석은 대상 수역에 미치는 영향인자의 분석에 사용되며 주 오염원 파악과 불분명한 오염원의 추적에 활용 가치가 있다. 

본 연구에서는 송지호의 수질변화 특성을 파악하는데 목적이 있으므로 시스템 분석을 실시하였다. 연구는 송지호의 수질변화에 기여하는 것으로 거론된 주요 인자로써 외부 유입 오염부하량과 침전물에 의한 영향를 고려하고자 하였다. 연구에서는 Table 2과 같은 분석조건을 설정하고 각 조건에 따른 송지호 수질모델 결과를 산출하여 수질변화를 비교분석하였다. 

Table 2. Prediction Case with input condition for system analysis.

5. 시스템 분석 결과

송지호의 시스템 분석 조건으로 설정한 내용에 따라 송지호 모델이 산출한 예측 결과중 중점 수질지표인 BOD 농도 변화를 Figure 4에 요약하였다. 송지호는 유입 오염부하의 증감에 대하여 매우 민감하며 특히 여름 시기에는 조류(Chl-a)의 다량 성장에 따른 내부생성 증가 효과가 수질변화의 주요인이 되는 것으로 나타났다. 또한 침전물 제거에 대한 수질변화는 유입 오염부하량 증가에 비하여 적으나 년중 지속적으로 영향을 주는 것으로 나타났다. 

Figure 4. Results of BOD concentration variation on prediction cases.

송지호에서 외부 오염부하는 구획(segment) 14번 인접 수역에서 이루어지며 구획 6번은 해역과 접한 수역에 위치한다. Table 3에 모델에 포함된 주요 수질항목들에 대한 시스템 분석 결과를 요약하였다. 이에 시스템 분석 결과중 구획(Segment) 6과 14에서 나타난 BOD 농도변화를 Figure 5에 비교하였다. BOD 변화 그림에서 알 수 있듯이, 구획 6에서 나타난 BOD 농도는 Case 1과 Case 2가 각각 2배 변화함에 따라 Case 1이 Case 2보다 약 0.5 mg/L 이상 증가할 것이 예측되었으며 구획 14에서는 동일 조건에서 BOD는 Case 1이 Case 2보다 5 mg/L 이상 높은 수준의 농도가 될 것으로 예측되었다. 수역내 침전층에서 용출하는 영양물질과 SOD에 의한 수질변화에 비하여 외부로부터 유입하는 오염물질(유기물, 질소 인)의 부하변화에 따른 수질변화 폭이 더욱 큰 것으로 나타났다.

Table 3. Summary of system analysis results at segment No. 6.

Figure 5. Cases comparition of BOD concentration results.

3. 결론 및 고찰

본 연구에서 수행한 수질모델링 결과에 따르면 송지호는 다른 석호에 비하여 비교적 수질이 양호한 상태의 석호이다. 이러한 송지호 모델의 시스템 분석결과에서는 수질변화 특성이 유입 오염부하량의 증감에 민감한 것으로 나타났다. 따라서 송지호 수질관리에서는 유입 오염부하량 관리방안 특히 일시적이기는 하지만 오염물질이 다량 유입할 수 있는 강우 집중기간에 대한 유입량 관리가 중요 사항으로 검토되어야 할 것으로 판단된다. 

WASP은 수체 바닥으로부터의 침투수량과 수변지역에 분포하는 수초지대에 의한 수질영향 등을 고려할 수 없다. 또한 모델 적용에서는 외부유입 부하량의 주요부분으로 지목되는 이벤트형의 강우 발생 유입 부하량을 고려하지 않았다. 이러한 조건에서 자연석호인 송지호에 WASP모델을 적용한 모델 결과로부터 송지호의 수질개선을 위해서는 호내 수질악화 수준에 따라 내부생성부하량과 강우시 오염부하량을 포함한 외부유입 오염부하량을 제어하는 방안에 기초하는 것이 보다 효과적인 방안으로 나타났으며 지속적인 수질유지를 위해 유역내 점오염원과 비점오염 등에 대한 유역관리 방안의 수립이 필요한 것으로 판단된다. 

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