2019 Convention Article

JOURNAL OF THE KOREAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS. February 2020. 127-133
https://doi.org/10.12652/Ksce.2020.40.1.0127


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 현장관측

  •   2.1 대상해역 현황

  •   2.2 수질 및 저질특성조사

  • 3. 수치모형실험

  • 4. 적용 결과

  •   4.1 평수시

  •   4.2 홍수시

  • 5. 결 론

1. 서 론

해안에 위치한 대부분의 하수 처리장의 처리수는 직접 또는 하천을 통해 해안으로 배출된다. 하수 처리장에서 배출되는 물은 수용 가능한 수질 표준을 충족시키기 위해 다양한 고도의 수처리 과정을 통해 배출되도록 설계되고 있지만, 하수 처리장에서 배출되는 처리수의 수질은 하천 및 해안으로 방류되는 수질에 영향을 미친다. 생활하수 처리장의 배출수와 같은 점원오염과 도시와 농경지 등의 비점오염원 그리고 오염된 저층 퇴적물로 인해 목포 주변해역의 수질이 악화되고 있는 실정이다(Yoon et al., 2008). 하수 처리장에서 배출되는 수질은 강에 영향을 미치면서 강을 통해 해안으로 유입 될 때 해안 서식지 및 해안 수질에 영향을 미친다(KMI, 2017).

동해안 하천의 하구는 토사퇴적이 현저하게 진행되는 곳으로 하천과 바다의 소통이 단절되는 하구폐색현상이 발생하는 곳이 많다. 하구폐색은 수역을 정체시켜 수질악화 및 홍수시 안전도를 위협하는 등 하천 환경적으로 위험지역을 형성한다. 따라서, 본 연구에서는 하구폐색이 발생한 하천에서 나타나는 연안표사에 의한 하구폐색 현상으로 하수처리시설로부터 방류된 처리수가 하천에서의 정체시간이 증가함에 따라 발생한 부영양화 현상이 연안 환경에 미치는 영향을 조사하기 위해 현장조사와 수치 시뮬레이션을 수행하였다.

2. 현장관측

2.1 대상해역 현황

대상해역은 강원도 고성군에 위치한 해안으로써 Fig. 1에 나타내는 바와 같이 토성면 공공하수처리장은 용촌천으로 처리수를 방류하고 있으며, 방류된 처리수는 용촌천 하구를 통해 해안으로 유입되도록 설계 및 시공되어있다. Fig. 1에 나타내는 바와 같이 시공이 완료된 2012년까지는 하구가 개방되어 있으나, 2013년 이후로는 하구의 폭이 좁아지고, 간헐적으로 폐쇄되거나, 일시적인 개방이 이루어지는 현상을 보이고 있다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_F1.jpg
Fig. 1.

Study Area and Shoreline

2.2 수질 및 저질특성조사

수질관측은 하수처리장으로 방류가 진행중인 하천 전면해역의 수질 특성을 파악하고, 수질영향예측실험의 입력자료를 제공하기 위해 수행되었다. 시료채취시 해수의 상황, 유속의 시간적 변동을 고려하여 채취지점별 해수의 성질을 대표할 수 있도록 주요 정점에서 표층과 저층에서 채수하였다. 금회 관측결과와 하수처리시설 운영전에 조사된 자료를 Table 1과 2에 비교한 바와 같이 하천수질등급이 저하됨을 확인할 수 있다. 특히, 하천 COD의 농도가 3미만이었던 2006년보다 상당히 증가됨을 알 수 있으며, 유기물질의 지표로 활용되는 T-N, T-P의 농도도 하수처리시설 운영전보다 증가한 것으로 확인되었다. 상류에서 유입된 하천수와 하수처리시설로부터 방류되는 방류수가 용촌천을 통해 해양으로 지속적으로 유출되어야하지만, 개방과 폐쇄가 반복되는 하구의 지형적인 영향으로 하구역에 정체로 인한 것이라고 사료된다. 따라서, 해양의 수질 및 저질에 대한 조사결과에서는 하천과 같이 급격한 증감은 나타나지 않고 있으나, 전반적으로 저질 COD로부터 용출되는 유기물에 의한 영향으로 해수의 수질에도 영향을 미치는 것으로 판단된다.

Table 1. Comparison of River – Water quality and Sediment Environment

Before (2006) After (2016) Water quality level
June (Morning) June (Afternoon) April August
Discharge Point Estuary Discharge Point Estuary
Water Quality BOD 1.6 1.4 7.8 8.0 12.1 8.0 Ⅱ ▸ Ⅳ~Ⅴ
      ▲6.4 ▲10.7 ▲0.2
COD 2.8 2.6 13.7 19.7 21.5 19.7 Ⅰ▸Ⅳ~Ⅵ
      ▲16.9 ▲18.9 ▲6.0
DO  7.8 8.4 7.2 5.9 4.7 5.9 Ⅰ▸Ⅱ~Ⅲ
      ▼-1.9 ▼-3.7 ▼-1.3
SS  10.0 16.0 12.6 20.0 19.8 20.0
      ▲10.0 ▲3.8 ▲7.4
T-N  1.157 1.773 14.333 20.587 22.109 20.587 -
      ▲19.4 ▲20.3 ▲6.3
T-P  0.143 0.132 1.568 0.732 0.814 0.732 Ⅰ▸Ⅱ~Ⅲ
      ▲0.6 ▲0.7 ▼-0.8
Sediment Environment Loss ignition 0.63 1.80 2.41 -
          ▲1.8
COD 0.12 1.30 1.70 -
▲1.58

Table 2. Comparison of Sea – Water quality and Sediment Environment

Before (2006) After (2016) Water quality level
June (Morning) June (Afternoon) April August
Water Quality COD   Surface 1.31 1.35 1.91 1.9
    ▲0.60 ▲0.55
Ⅱ▸Ⅱ~Ⅲ
Bottom 1.56 1.62 1.8 2.14
    ▲0.24 ▲0.52
DO   Surface 8.9 8.9 10.13 8.23
    ▲1.23 ▼-0.67
Bottom 8.9 8.4 9.05 8.9
    ▲0.15 ▲0.50
Ⅱ▸Ⅰ
T-N   Surface 0.34 0.35 0.22 0.15
    ▼-0.12 ▼-0.2
Bottom 0.53 0.55 0.26 0.27
    ▼-0.27 ▼-0.28
Ⅱ▸Ⅰ
T-P   Surface 0.04 0.04 0.02 0.01
    ▼-0.02 ▼-0.03
Ⅲ▸Ⅰ
Bottom 0.06 0.07 0.02 0.01
    ▼-0.04 ▼-0.06
Sediment Environment Loss ignition 1.14 1.05
COD 4,247.00 3,232.40

3. 수치모형실험

환경변화를 예측하는 방법으로는 수리모형실험과 수치모형실험의 두 가지 방법이 알려져 있으나 최근 컴퓨터 성능의 진전, 수치모델의 용이성 등으로 인하여 대부분의 경우 해양환경에 미치는 영향 예측은 수치모형실험에 의존하고 있다. 수치모형을 이용한 환경변화예측은 시·공간적인 물질수송 및 확산과정을 고려하여야하며, 이를 정확하게 계산하기 위해서는 생태학적 과정과 함께 유체의 유동과정이 동시에 해결될 수 있는 방정식이 필요하다.

본 연구에서는 우리나라의 동, 서, 남해안에서 이미 다수 사용되고 있으며, 그 효용성을 검증받고 있는 연안생태계모델(Nakata and Taguchi, 1982)과 생태-유체역학모델(Nakata et al., 1983)으로 이루어진 기본모형을 바탕으로 우리나라 연안에 적합하게 개발된 3차원 수질모델인 KSILT-3D W, Q, MODEL (Shin et al., 2005)을 이용하여 하수처리시설 건설에 따른 주변해역에 미치는 영향을 검토하였다. 본 모델은 해양의 수질예측에 많이 이용되는 있는 부영양화모델의 대표적인 모델로써 생물체와 무생물체를 일괄하여 무기물질과 유기물질로 나누고, 이들 상호간의 물질흐름을 취급하여 영양염류와 COD의 거동을 파악할 수 있는 장점이 있다(Shin et al., 2006).

수질예측모델은 해수유동모델의 계산결과에서 도출된 유속장을 입력자료로 한다. 하수처리장으로부터의 유입에 의한 오염확산의 재현을 위한 모델의 구성요들에 대한 각 수질항목 중 무기태 질소와 인은 I-N(Inorganic-Nitrogen)과 I-(Inorganic-Phosphorus)로 구분하여 비생물군으로 취급하였으며, 유기질 질소와 인은 O-N(Organic-Nitrogen)과 O-P(Organic-Phosphorus)로 생물군으로 나타내었다.

특히, 본 모델에서는 유입부하(육상기원), 저니로부터의 용출에 의한 COD (COD1)와 수역의 내부생산에 의한 COD (COD2)로 구분하여, 물질순환을 재현하였다.

모델에서는 아래의 2가지 외에 각 구성 요소의 생성·소실 과정을 고려하였다.

①해역경계와의 유출입, 육지로부터의 부하유입

②해역 내에서 생기는 수리적 과정(이류확산)

모델은 생태계 내 물질의 보존을 나타내는 미분방정식으로 구성되어 있지만, 순환경로의 하나하나가 실험이나 관측사실로부터 유도된 경험식에 따르고 있고, 메커니즘은 있어도 유체역학 모델과 같은 물리법칙에 근거한 모델과는 성격이 다르다. 생태계의 구성요소로서 4개의 유기태요소, 2개의 무기태 요소 및 2개의 수질요소가 있는데, 유기태의 구성요소에는 식물플랑크톤(P), 동물플랑크톤(Z), 현탁태비생물유기물(Detritus, POC) 및 용존유기물(DOC)이 있고 무기태의 구성요소에는 인산인(DIP)과 용존무기질소(DIN)가 있으며, 수질의 구성요소로서 용존산소(DO)와 화학적 산소요구량(COD)이 정의되어 있다. 저생생물이나 퇴적물 등으로 이루어진 해저계도 환경인자로서 취급하여 모델의 변수로 구성되어 있다(Nakata, 1993).

해역의 임의 지점에 있어 구성요소의 현존량(B)의 시간에 따른 농도변화는 다음과 같은 확산방정식에 의해서 기술된다.

$$\frac{\partial B}{\partial t}=-u\frac{\partial B}{\partial x}-v\frac{\partial B}{\partial y}-w\frac{\partial B}{\partial z}$$ (1)

(조석류 또는 잔차류에 의해서 운반되는 (이류)효과를 나타내는 항)

$$+\frac\partial{\partial x}\left[K_x\frac{\partial B}{\partial x}\right]+\frac\partial{\partial y}\left[K_y\frac{\partial B}{\partial y}\right]+\frac\partial{\partial z}\left[K_z\frac{\partial B}{\partial z}\right]$$ (2)

(난류확산(혼합)을 나타내는 항)

$$+\frac{\partial B}{dt}$$ (3)

(생물·화학적인 모든 과정을 포함하는 항)

여기서 x,y,z는 좌표변수, t는 시간, u,v,wx,y,z방향의 유속성분, Kx,Ky,Kzx,y,z방향의 와동확산계수, B는 구성요소의 현존량(또는 농도), ∂B/dt는 모든 생물·화학적 과정에 의한 단위시간당 구성요소의 변화량이다. 위의 확산방정식에는 해수유동(이류)에 의한 물질수송에 의한 물질수송을 계산하는 항이 포함되어 있어서 본 생태계모델은 다층 유동모델과 연결된다. 유동모델의 시뮬레이션에서 계산된 유속성분(u,v,w)을 생태계 모델에 입력하여 각 구성요소의 현존량의 시간적, 공간적인 변화를 계산한다.

4. 적용 결과

4.1 평수시

하구의 폐색현상이 발생한 2013년 이후의 수심 및 해안선 현황을 토대로, 하수처리시설 증설에 따른 유입부하량을 적용한 실험결과, Table 3에 나타내는 바와 같이 홍수시보다는 유량이 작게 유출되는 평수시에 다소 영향이 있는 것으로 예측되었다. 수질요소별로 분석한 결과, DO의 경우 표층에서는 감소하고 있으나, 저층에서는 0.08 mg/L 증가되는 것으로 예상된다. COD의 경우 저층보다는 표층의 수질은 개선되고 있으나, 그 영향은 0.2~0.3 mg/L로 매우 미약하다. 해역의 부영양화에 영향을 주는 T-N의 경우, 하수처리 증설로 인해 감소하는 것으로 나타나고 있으며, 표층에서는 0.5 mg/L, 저층에서는 0.1~0.2 mg/L의 범위로 감소하고, T-P의 경우는 0.15 mg/L 이내로 증가하게되어 증설로 인한 주변해역에 미치는 영향은 미미하다고 판단된다. 이상발생시, COD의 경우 저층보다는 표층의 변화가 크게 나타나는 것으로 나타나고 있으며, 하수처리시설기준보다 높은 유출수가 방류될 경우, 표층에서는 반경 1 km이내에서 0.05 mg/L로 미소한 영향이 미칠 것으로 예상되고, 저층에서는 해역으로의 영향은 나타나지 않고 있다. 아울러, 해역의 부영양화에 영향을 주는 T-N과 T-P 모두 경우는 이상 작동시에도 주변에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다. 아울러, 어패류에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 알려진 SS에 대한 검토결과, 유출처리기준인 4 ppm보다 높은 수질기준 10 ppm 발생시에도 하구 주변을 제외하고는 큰 영향이 나타나지 않을 것으로 분석되었다.

Table 3. Simulation Results of Water Quality : Dry Season

Normal Condition Abnormal Condition
DO Surface http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T3-1.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T3-2.jpg 0.00
Bottom http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T3-3.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T3-4.jpg
T-N Surface http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T3-5.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T3-6.jpg
Bottom http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T3-7.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T3-8.jpg
T-P Surface http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T3-9.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T3-10.jpg
Bottom http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T3-11.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T3-12.jpg

4.2 홍수시

Table 4에 나타내는 바와 같이 평수시 하천유량보다 상당히 큰 계획하수량(379 ㎥/sec)이 적용된 홍수시의 실험결과에서는 하수처리장의 방유량(4,700 ㎥/일)이 증설(8,500 ㎥/일)되므로, 주변해역으로의 영향은 하구주변에서 일시적으로 나타나며, 방류시에 홍수유량에 의해 대부분 희석되어 주변으로의 영향은 거의 없는 것으로 예측되었다. 실험결과에서는 표층과 저층에서 동일하게 0.01 mg/L이 증가될 것으로 예상되므로, 하수처리시설이 주변해역에 미치는 영향은 극히 미미하다. 정상가동시와 동일한 하천유량 및 계획하수량이 적용된 검토결과, 하수처리장의 정상작동시 나타나고 있는 하구주변에서 영향은 하천유량의 증가로 평수시보다는 주변에 미치는 영향이 작게 나타나고 있는 것으로 재현되었다.

Table 4. Simulation Results of Water Quality : Flood Season

Normal Condition Abnormal Condition
DO Surface http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T4-1.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T4-2.jpg 0.00
Bottom http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T4-3.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T4-4.jpg
T-N Surface http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T4-5.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T4-6.jpg
Bottom http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T4-7.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T4-8.jpg
T-P Surface http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T4-9.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T4-10.jpg
Bottom http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T4-11.jpghttp://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-01/N0110400115/images/Figure_KSCE_40_01_15_T4-12.jpg

5. 결 론

하구 주변의 하수처리시설 건설로 인한 해양생태계에 미치는 영향은 물리적 영향 및 생물학적 영향으로 나누어 생각할 수 있다. 이러한 두가지 영향은 전체적으로는 상호 밀접한 관련을 갖는 하나의 유기적 집합체로서 해양 생태계에 영향을 미칠 것으로 생각되지만, 이들간의 복합적인 상호관계까지를 화학적·생물학적으로 명확히 밝히기에는 현재의 기술로서는 많은 어려움이 있다. 금회 조사된 하천 및 해양의 수질 및 저질조건을 토대로 하구로부터 해양으로 방류가 원활하게 이루어질 경우, 공공하수처리시설에서 방류되는 유기물의 농도를 설계기준을 초과하는 이상조건에 대한 수치모형실험 결과에서도, 방류수에 의한 해양환경에 미치는 영향은 미미한 것으로 분석되었다.

그러나, 현재 대상하천 및 하구주변을 조사한 결과, 하구폐색으로 정체된 유기물의 영향으로 하천의 하구부분은 부영양화되어 있으며, 이러한 수질 및 저질조건으로 해양환경을 영향을 검토한 결과, 방류수의 정체가 하천 및 해양수질에 영향을 미치고 있는 것으로 확인되었다. 부영양화된 하천수가 일시적으로 외해로 방류하는 과정에서 해안선의 퇴적현상으로 인해 정체시간이 증가한 하천수의 배출이 부영양화되어 해양 생물의 영향에 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 향후, 해양으로 방류되는 하수처리시설을 계획 할 때 강을 통해 배출 할 때 강구 폐색과 같은 연안환경변화를 사전에 검토할 필요가 있을 것으로 판단된다.

향후 공공하수처리시설의 운영에 따른 수환경을 보호하기 위해서는 설계기준에 따른 방류수질, 정체현상을 해소하기 위한 체류시간 단축을 확보하여야 할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 논문은 2019 CONVENTION 논문을 수정·보완하여 작성되었습니다.

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