지난 20여 년간 하수처리장의 신설, 하수관거 정비, 공장 폐수관련 법률 강화 등과 같은 점오염원의 처리를 통한 하천 수질을 개선하려는 많은 노력들이 있었다. 이러한 노력들은 수질개선에 일부 효과를 거두기도 하였으나 보다 근본적인 수계의 오염 저감은 한계점이 노출되고 있다. 이는 점오염원 외에 “비점오염원”으로 불리는 불특정 오염물질이 하천 및 호소에 대거 유입되기 때문이다(Choi et al, 2012).

수질 및 수생태계 보전에 관한 법률(이하 수생태법)의 제2조 제2항에 따르면 비점오염원은 “도시, 도로, 농지, 산지, 공사장 등으로서 불특정장소에서 불특정하게 수질오염물질을 배출하는 오염원”으로 정의할 수 있으며(MOE, 2010) 지표면에 쌓여있던 물질들 중 강우 시 지표 유출수와 함께 쓸려 수계로 유입되는 오염물질을 의미한다. 비점오염 물질은 지표면에 쌓여있는 먼지, 쓰레기, 화석연료 부산물, 타이어 가루, 비료, 농약, 토양침식물, 대기오염물질 등을 포함한다. 이처럼 종류가 다양할 뿐만 아니라 광범위한 장소에서 불특정하게 발생하며, 일별 배출량의 차이가 크고 수집, 예측 및 정량화가 어려운 특징을 가지고 있다(Kim and Han, 2010).

제2차 비점오염원관리 종합대책(Relevant Government Ministries, 2012)에 따르면 4대강으로 유입되는 전체 수질오염물질 배출량 중 비점오염원이 차지하는 비율은 27% (1998년), 52.6% (2003년), 68.3% (2010년)로 증가하고 있으며, 2020년에는 72.1%에 도달할 것으로 예측하고 있다. 이는 점오염원의 감소 및 도시화로 인한 것으로 비점오염원이 하천의 수질악화에 미치는 영향이 점점 커지는 것을 의미한다. 이처럼 가파르게 증가하는 비점오염을 관리하기 위해 국내에서는 비점오염관리제도와 수질총량관리제도가 시행되고 있다. 그 중에서 비점오염관리제도는 10,000 m² 이상의 개발 사업이나 비점오염 물질 배출 가능성이 큰 사업장을 대상으로 비점오염원 신고 및 비점오염저감시설을 설치하여 이를 관리하는 제도이다(MOE, 2010).

비점오염저감시설의 평가, 즉 비점오염저감시설이 삭감하는 오염부하량의 산정은 수질오염총량관리기술지침(NIER, 2012) (이하 기술지침)에 제시된 방법을 통해 실시할 수 있으며, 그 과정은 다음과 같다. 1) 비점오염저감시설의 강우 처리비 계산, 2) 1)에서 계산된 강우처리비를 통하여 삭감부하비 계산, 3) 처리대상구역의 토지계 발생부하량과 2)에서 계산된 삭감부하비를 곱하여 삭감대상부하량 계산, 4) 3)에서 계산된 삭감대상부하량에 비점오염저감시설의 저감 효율을 반영하여 비점오염저감시설삭감부하량 계산.

위 과정에서 살펴볼 수 있듯이 삭감부하량 산정을 위해서는 강우처리비가 반드시 필요하며 이는 가장 우선적으로 요구되는 사항이다. 하지만 현재 기술지침 상의 강우처리비는 몇몇 문제점을 내포하고 있으며, 크게 3가지 개선사항이 필요할 것으로 판단된다.

첫 번째 개선사항은 “강우처리비” 용어이다. 기술지침 상에서 강우처리비에 대한 명확한 정의가 주어져 있지 않지만, 내용상으로 살펴볼 때 강우 발생 시 가동되는 비점오염저감시설이 처리하는 강우량과 해당지역에 발생하는 총 강우량의 비율로 정의되는 것으로 판단된다. 하지만 정확한 표현으로는 비점오염저감시설은 강우가 아닌 강우로 인해 발생하는 강우유출수(지표유출수)를 처리하는 시설이므로 강우처리비가 아닌 강우유출수 처리비 또는 강우유출수 포착비가 적절한 표현이 될 것이다.

두 번째 개선사항은 설계기준강우에 관한 사항이다. 강우 처리비는 식 (1)과 같이 설계기준강우를 로그함수로 표현된 경험식에 대입하여 산정되며, 이때 회귀계수 a, 회귀상수 b는 비점오염저감시설이 강우량(mm) 기준 또는 강우강도 (mm/hr) 기준 시설인지에 따라 결정된다.

여기서 만약 강우량 기준 설계시설의 경우 a는 0.2716, b는 -0.2425이다.

하지만 앞서 언급한 이유로 인해 설계기준은 강우가 아닌 강우유출수로 변경되어야 하며, 강우량 기준 시설은 누적유출고 기준 시설, 즉 WQV(Water Quality Volume, 수질처리용량) 기반의 비점오염저감시설로 정의되어야할 것이다. 참고로 실제 현업에서는 수생태법의 비점오염저감시설의 설치기준(제76조 제1항 관련 별표 17)에서 제시된 비점오염저감시설의 설계기준인 누적유출고 5 mm로 비점오염저감시설을 설계하고 있으며, 이에 따라 삭감부하량 산정을 위한 강우처리비 계산 시 누적유출고 5 mm를 설계기준강우량에 적용(정확하게 표현한다면 5 mm라는 수치만을 적용)하고 있는 실정이다.

마지막으로 제안하고자 하는 개선사항은 본 논문의 주요내용으로 식 (1)의 강우처리비 경험공식의 개선이다. 강우유출수는 강우 발생 후 지면에서 수문학적 전환과정을 거쳐 생성되는 수문요소로써 동일한 강우량이 발생하더라도 지역의 유출특성에 따라 그 양이 다르게 결정된다. 하지만 현재의 기술지침에서 제시된 강우처리비는 유출특성이 반영되지 않은 경험공식으로 인해 설계기준이 동일할 경우 어느 지역에서나 동일한 강우처리비가 계산되는 문제점을 내포하고 있다. 따라서 변경된 용어와 더불어 기존의 강우 처리비 경험공식 또한 유출특성이 반영된 강우유출수 처리비 경험공식으로 수정이 필요하다.

이에 본 연구에서는 기존의 경험공식을 개선하기 위해 우리나라 주요 7곳의 기상관측소(강릉, 광주, 대구, 대전, 부산, 서울, 제주)의 시간 단위 강우량 자료(자료기간: 1970 - 2012년, Fig. 1)를 이용하여 실제 강우유출수 처리비를 산정하고, 이로부터 유출특성을 반영할 수 있는 우리나라 대표 강우유출수 처리비 경험공식을 유도하고자 한다.

기술지침에서 제시된 강우처리비 경험공식은 비점오염부하량 평가기법 연구(III)(NIER, 2008)에서 제안된 공식이다. 강우처리비는 시설처리누적강우량과 연간 총강우량의 비로 정의되며, 여기서 시설처리누적강우량은 비점오염저감시설의 설계기준에 따라 설계기준 이하의 강우량은 전량 유입되고 초과 시에는 설계기준만큼 유입된다고 가정하여 산정된 값이다. 이 보고서에서는 4대강 수계의 대표 강우지점(한강수계: 양평, 낙동강수계: 대구, 금강수계: 대전, 영산강·섬진강수계: 광주)의 최근 30년간의 강우자료를 대상으로 설계기준강우량을 0 - 50 mm 사이로 설정하고 강우처리비를 산정한 뒤, 이를 바탕으로 로그함수 형태의 회귀공식(식 (1))을 작성하였다.

한편 본 연구에서 제안한 강우유출수 처리비는 비점오염저감시설에 포착되는 강우유출수의 양과 처리대상구역에서 발생한 강우유출수 총량의 비로 정의하고자 한다(식 (2)).

여기서 C_R은 강우유출수 처리비, R_i는 i번째 강우유출량(mm), R_c,i는 i번째 강우유출량에서 비점오염저감시설에 차집된 강우유출량(mm)이다.

비점오염저감시설의 처리대상구역은 대부분 소규모이므로 강우-유출 전환과정을 합리식 방법을 통해 구현하였으며, 이에 따라 강우유출량 R_i는 식 (3)와 같이 정의될 수 있다.

여기서 C는 유출계수, P_i는 i번째 강수량(mm)이다.

또한 비점오염저감시설에 차집된 강우유출량 R_c,i는 강우 유출량이 설계저류고 D보다 적을 경우(즉, R_i < D ) 발생된 강우유출량의 전량이 비점오염저감시설에 차집 되며, 발생된 강우유출량이 설계저류고보다 많을 경우에는(즉, R_i > D ) 설계저류고만큼 비점오염저감시설에 차집될 수 있다(식 (4)).

여기서 함수 min(A,B) 는 A 와 B 중에서 작은 값을 반환하는 함수이다.

보다 이해하기 쉽도록 전반적인 강우유출수 처리비 산정과정을 Fig. 2에 도시하였다.

WQV 기반 비점오염저감시설은 연속적으로 발생된 강우로부터 생성된 지표유출수를 차집하고 설계 체류시간동안 설계용량만큼 강우유출수의 오염물질을 저감하는 시설이다. 어느 특정 기간 동안 차집된 강우유출수는 설계 체류시간이 지난 후 방류되고, 추후 발생하는 강우로 인해 생성된 강우유출수를 차집할 것이다. 따라서 비점오염저감시설을 통해 차집된 강우유출수의 양을 산정하기 위해서는 비점오염저감시설의 설계 체류시간에 근거하여 강우사상을 분리하고 각 강우사상별 발생하는 강우유출수의 총량을 파악하여야 할 것이다.

강우사상 분리는 IETD(InterEvent Time Definition)를 통해 이루어진다. IETD는 장기간의 강우자료로부터 각각의 강우사상을 분리하는 최소한의 무강우시간을 의미한다(Kim and Jo, 2007). 본래 IETD는 자기상관분석법, 변동계수분석법, 연평균 강우사상 발생 개수의 변화율 분석법(Kim and Jo, 2007; Nix, 1994) 등 강우의 통계학적 특성을 통해 결정된다. 하지만 비점오염저감시설의 강우유출수 차집량을 산정함에 있어서는 강우의 통계학적인 특성보다는 비점오염저감시설의 설계 체류시간을 반영하여 IETD를 결정하는 것이 보다 적절할 것으로 판단된다.

앞서 언급하였듯이 기존 기술지침 상에 제시된 강우처리비 경험공식은 최근 30년간의 4대강 수계 대표 강우지점의 강우처리비를 이용하여 지수함수의 형태로 제시되었다(식 (1)). 하지만 강우처리비에서 강우유출수 처리비로의 용어변경에 따라 새롭게 강우유출수 처리비 경험공식을 유도할 필요가 있다. 강우유출수 처리비 경험공식이 기존의 지수함수 형태를 유지하되 유출특성을 동시에 반영할 수 있도록 경험공식을 제안하고자 한다. 식 (5)는 본 논문에서 제안한 강우유출수 처리비 경험공식의 형태이다. 기존의 지수함수로 표현된 경험공식의 형태를 유지하되 a와 b를 유출계수의 함수로 표현하여 유출특성이 반영될 수 있도록 작성하였다(식 (6)과 (7)).

이후 식 (5) - 식 (7)의 강우유출수 처리비 경험공식은 7곳의 우리나라 대표 강우지점의 실제 강우유출수 처리비를 이용하여 유도하였다.

우리나라 비점오염원 관리시설 설치 및 관리운영 매뉴얼(MOE, 2008)에 따르면, 수질처리용량(WQV)을 24시간 동안 체류시킬 수 있도록 그 크기를 설계할 것을 권고하고 있다. 본 연구에서는 이를 참고하여 IETD를 24시간으로 설정하여 지역별 연속적 강우자료로부터 개별 강우사상으로 분리하였다. IETD 24시간 적용에 따른 강우의 통계학적 특성은 Table 1과 같다.

우리나라 일곱 곳 강수관측지점의 시간 단위 강우자료에 대해 개별 강우사상으로 분리한 후 임의로 설계저류고를 1 - 300 mm, 유출계수를 0.2 - 1.0까지 적용하여 유출계수별 설계저류고에 따른 강우유출수 처리비를 산정하였다. Fig. 3은 여러 지점 중 부산 지점에 대한 대표 유출계수(0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0) 별 강우유출수 처리비 곡선이다. 모든 유출계수에서 설계저류고가 증가함에 따라 강우유출수 처리비가 증가하며 설계저류고 300 mm 정도에서 대부분 1에 수렴하는 것을 확인할 수 있다. 또한 설계저류고 1 - 50 mm 사이의 초기 구간에서는 유출계수에 따라서 강우유출수 처리비가 매우 다르며, 유출계수가 높을수록 강우유출수 처리비는 작은 것을 살펴볼 수 있다. 이는 강우 특성 및 설계 용량이 동일한 비점오염저감시설을 설치하였다고 가정하였을 때, 도시화된 지역일수록 총 발생된 강우유출수 대비 비점오염저감시설로 차집되는 강우유출수의 양의 비가 작아지게 됨을 의미한다.

본 연구에서는 이러한 정성적인 분석을 바탕으로, 유출계수별 기술지침의 경험공식과 동일한 형태를 갖는(식 (1) 참조) 강우유출수 처리비 경험공식을 유도하였다. 1 - 300 mm 구간을 반영하는 경험공식을 유도할 경우 실제 강우유출수 처리비를 왜곡된 형태로 표현하기 때문에 적절한 경험공식을 유도할 수 없으며, 현실적으로 수생태법에서 제시된 설계기준인 누적유출고 5 mm 정도에서 설계가 이루어지고 있기 때문에 본 논문에서는 대략적으로 설계저류고 범위를 1 - 15 mm로 설정하여 강우유출수 처리비 경험공식을 도출하였다. Table 2에 지점별로 식 (1)의 회귀계수 및 회귀상수를 제시하였으며, 그 중 제주 지점의 강우유출수 처리비 곡선을 Fig. 4에 도시하였다. 여기서 점은 각 유출계수 별 실제 강우유출수 처리비를 의미하며, 선은 유도된 경험공식으로 작성된 강우유출수 처리비 곡선이다.

한 가지 흥미로운 사실은 Table 2의 회귀계수 a와 회귀상수 b가 유출계수와 밀접한 관계를 보이고 있다는 것이다. Fig. 5를 살펴보면 유출계수에 따라 회귀계수 a는 1차 함수의 형태로 감소하며, 회귀상수 b는 지수함수의 형태로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 각 지역별로 회귀계수 a는 1차함수, 회귀상수 b는 지수함수로 적합시키고, 이들과 유출계수간의 관계 공식을 유도하였다(Table 3 and Table 4). 실제 유출계수 별 a, b 값과 관계 공식을 통해 산정된 a, b 값을 비교해보았을 때, 대부분 R² 0.9 이상으로 관계공식이 이들을 적절히 추정하는 것으로 나타났다(다만 부산지역의 경우 회귀상수 b는 R² 0.81으로 나타남).

이후 각 지역별로 유도된 a, b 관계 공식의 회귀계수(a₁, b₂, b₃) 및 회귀상수(a₂, b₁)에 대해 지점별 해당 값들을 평균하여 a, b의 대표 회귀 공식을 유도하였다(식 (8)과 (9)).

앞 절을 통해 유도된 강우유출수 처리비 경험공식에 대해 실용성 분석을 실시하였다. 실용성 분석은 경험공식이 관측소 지점 및 관측자료 기간의 변화에 따라서 계산된 강우유출수 처리비를 적절히 재현하는지에 대해 중점을 두었다.

3.4.1. 지점별

Fig. 6은 적용된 강우관측 지점들을 대상으로 실제 강우를 적용하여 계산된 유출계수별 강우유출수 처리비와 본 연구에서 제안한 강우유출수 처리비 경험공식, 그리고 기술 지침의 강우처리비 경험공식으로 작성된 곡선을 나타낸 것이다. 본 연구에서 제안한 경험공식은 유출특성이 반영되어 실제 강우유출수 처리비를 적절하게 재현하고 있는 것을 확인할 수 있다. 수생태법에서 제시된 저류기반 비점오염저감시설의 설계용량은 누적유출고 5 mm이며, 이를 기준으로 살펴볼 때, 기술지침에 명시된 경험공식은 유출계수 0.8정도의 범위에서 실제 강우를 적용하여 계산된 강우유출수 처리비를 비교적 잘 표현해주고 있으나, 그보다 유출계수가 낮을 경우 과소 산정되고 있으며, 높을 경우 과다하게 산정되고 있음을 살펴볼 수 있다. 이는 앞서 서론에서 제기한 기존공식이 지역의 유출특성을 반영하지 못하는 것을 확인시켜주는 결과이다.

3.4.2. 기간별

본 연구에서는 1970 - 2012년 (총 43년) 동안의 장기간으로 확보된 시간 단위 강우자료를 이용하여 유출계수가 반영된 강우유출수 처리비 경험공식을 유도하였다. 하지만 최근의 기후패턴은 연간 변동성이 매우 커짐에 따라서 어떤 해에는 매우 강도 높은 강우사상이 발생할 수 있으며, 연이은 해에는 비록 우기에 해당하는 기간일지라도 장기간의 무강우 기간이 존재하는 경우가 발생하기도 한다. 또한 우리나라 강우관측소들 중에는 시간 단위 강우자료를 5년 또는 10년 동안의 관측기록을 보유하고 있는 지점도 있다. 본 절에서는 이러한 이유로 인해 강우유출수 처리비 산정에 사용된 강우자료의 기간이 변경될 경우 제안된 강우유출수 경험곡선이 변경된 자료기간동안 산정된 실제 강우유출수 처리비와 어떠한 차이가 존재하는지를 살펴보고자 한다.

Fig. 7은 유출계수 0.8인 경우에 대해 대전과 광주 지점을 대상으로 최근 1년, 5년, 10년, 20년, 30년, 43년(모든 기간)간의 시간 단위 강우자료로부터 계산된 강우유출수 처리비와 본 논문에서 제안한 경험공식을 나타낸 그림이다. 적용된 강우자료의 기간이 짧은 경우에는 제안된 경험곡선에서 다소 이탈되는 모습을 확인할 수 있으며, 이는 본 연구에서 제안된 강우유출수 처리비 경험곡선이 우리나라를 대표할 수 있는 일반적인 강우유출수 처리비 경험식일 뿐 특정 지점의 특정 기상조건하에 저류기반 비점오염저감시설이 차집할 수 있는 강우유출수의 양을 정량적으로 도출하는데 이용하는 것은 적절하지 못함을 의미한다.

본 논문에서는 기술지침 상의 저류기반 비점오염저감시설의 삭감부하량 산정 시에 필요한 강우처리비의 개선안을 담고 있다. 강우처리비와 관련된 크게 3가지의 개선 사항을 제안하였다.

첫 번째, 강우처리비에서 강우유출수 처리비로의 용어 변경이다. 비점오염저감시설은 강우 시 발생하는 유출량과 이와 동반되어 유입되는 오염물질을 처리하는 시설이다. 강우 처리비에 대한 명확한 정의가 주어져 있지는 않지만, 이러한 비점오염저감시설의 목적을 생각해볼 때, 이는 강우 발생 후 지표면을 따라 흐르는 강우유출수의 총 발생량 중에서 비점오염저감시설로 차집될 수 있는 양의 비율로 판단된다. 따라서 강우처리비 보다는 강우유출수 처리비로 명하는 것이 보다 적절할 것으로 판단된다.

두 번째, 강우처리비 산정 시 필요한 설계기준강우에서 설계저류고로의 용어 변경이다. 기술지침상에서는 WQV 비점오염저감시설이라는 용어 대신 강우량 기준 설계 시설로 정의하고 있으며, 설계기준강우를 적용하여 강우처리비를 계산하고 있다. 하지만 비점오염저감시설은 강우유출수를 처리하는 시설이며, 또한 실제 현업에서는 강우량 기준 설계시설을 WQV 시설로 판단하여 수생태법에 제시된 누적 유출고 5 mm를 그대로 적용하고 있다. 이처럼 비점오염저감시설의 목적과 실제 설계기준 상에서는 강우량이 아닌 누적 유출고가 적용되고 있음을 생각해볼 때, 기술지침상의 설계기준강우량이라는 용어보다는 설계저류고가 적절할 것으로 판단된다.

마지막으로, 강우유출수 처리비 공식에 대한 개선이다. 기술지침의 강우처리비 경험공식은 유출특성이 반영되지 못함에 따라 설계기준이 동일할 경우 어느 지역에서나 동일한 강우처리비가 계산되는 문제점을 내포하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 일곱 곳의 강우관측소(강릉, 광주, 대구, 대전, 부산, 서울, 제주)에 대한 최근 43년간(1970 - 2012)의 시간단위 강우자료를 이용하여 유출계수의 변화에 따른 다양한 강우유출수 처리비를 산정하고, 이를 통해 강우유출수 처리비 경험공식을 제시하였으며, 이는 식 (10) - 식 (12)과 같다.

본 논문에서 제안한 강우유출수 처리비 경험공식은 기존 강우처리비 경험공식과 달리 설계저류고 뿐만 아니라 유출 특성이 반영된 공식이다. 본 경험공식을 적용할 경우 설계용량이 동일한 비점오염저감시설이라도 설치지역의 유출특성에 따라 강우유출수 처리비는 다르게 나타날 수 있으며, 이에 따라 삭감부하량이 기존 공식에 비해 과다 또는 과소 산정될 수 있다. 하지만 비점오염저감시설의 처리과정을 생각해볼 때, 본 논문에서 제기한 개선사항들은 반영되어야할 것으로 생각된다. 강우유출수 처리비 경험공식은 기존의 강우유출수 처리비 경험공식의 구조 하에서 회귀계수 a와 회귀상수 b를 유출계수의 함수로 추가 정의함으로써 기존 공식에서처럼 손쉽게 계산할 수 있으며, 이와 더불어 기존의 경험공식보다 정확한 강우유출수 처리비를 산정할 수 있을 것으로 판단된다. 이에 따라, 강우유출수 처리비를 통해 산정되는 비점오염저감시설의 삭감부하량 또한 이전 보다 정확하게 산정할 수 있게 되어 비점오염저감시설 평가에 도움이 될 수 있을 것으로 기대한다.