수질오염총량관리제도는 2004년 경기도 광주시를 대상으로 임의제 형태로 국내에 처음 도입되었으며, 3대강 수계에서는 의무제로 시행되었다. 그 후 용인시 등 팔당호 7개 시군과 진위천수계 8개 시군이 임의제 형태로 시행되었으며, 2013년에는 강원과 충북을 제외한 한강수계도 의무제로 전환되었고, 2020년부터는 해안가를 제외한 전 국토를 대상으로 의무제가 시행될 예정이다.

1단계 수질오염총량관리제 기간(2004-2010)에는 계획 기간 최종연도까지의 오염원 자연증감과 확정된 개발계획 및 삭감계획을 이용하여 배출부하량을 산정하고 QUAL2E 계열의 정적 수질모델을 통해 예측한 수질이 저수기 조건에서 현재수준보다 악화하지 않도록 목표수질을 결정･고시하였다.

1단계 배출부하량은 수질오염총량관리기술지침에 따라 점과 비점으로 구분하여 산정 후 안전율(10%)을 고려하여 각각 할당하고 관리할 예정이었으나, 총량제도가 처음 도입되는 시기로서 업무 담당자 수 및 전문지식 등의 부족으로 점과 비점을 구분하여 관리하는 데 한계가 있어 개발부하량 산정 및 할당부하량 평가에서는 점과 비점을 통합하여 관리할 수밖에 없었다.

2단계 기간(2011-2015)에는 1단계와 동일한 방법으로 관리목표를 설정하고 부하량을 할당, 점과 비점을 구분하여 관리 및 평가를 이행하고 있다. 그런데 현재까지는 기준유량 조건으로 설정된 목표수질과 각 수계 물관리 및 주민지원 등에 관한 법률에 따른 수질 평가 시 유량 조건이 달라 목표수질 달성 여부 판단 및 배출부하량을 점과 비점으로 구분하여 할당한 할당부하량의 적정성 평가에 연관성이 적은 것으로 평가되고 있다. 따라서, 향후에는 목표수질 설정 조건의 수질만으로 목표수질의 달성 여부를 평가하도록 관련 규정을 개정하고 목표수질과 배출부하량 할당의 적정성을 평가하거나, 주 단위 또는 일 단위 동적 모델을 이용한 관리목표의 설정 및 평가방법의 도입이 요구된다.

본 연구에서는 국내 수질오염총량제의 할당 및 평가기법의 문제점을 도출하고 외국의 할당기법 및 최적화 모델의 적용사례를 분석하여 관리목표 달성과 함께 저비용으로도 지속 가능한 개발이 가능한 최적 할당기법을 제안하고자 하였다. 이를 위해 지역 여건을 고려한 최적 할당 및 차기 단계에서 고려 중인 동적모델을 이용한 할당 방안을 검토하였다.

1단계 및 2단계 총량관리제도 시행 결과를 바탕으로 목표수질 설정과정과 관리목표 달성도 평가방법, 평가결과에 나타난 문제점 등의 분석을 통하여 시사점을 도출하고자 하였다.

미국 WARMF(Watershed Analysis Risk Management Framework) 등 8개 모델의 계산형태, 계산시간, 수문 성분, 수질 성분 등을 비교하여 대상유역에 적합한 동적 모델을 선택하고, 그 적용성을 검토하고자 하였다.

기 할당지역 중 할당부하량과 목표수질의 관계를 검토하여 연구 대상유역을 선정하고, 차기 단계부터 적용을 검토하고 있는 일변화 재현이 가능한 동적 모델을 활용하여 부하량을 할당하는 시나리오에 대한 수질 및 경제성 분석을 수행하고자 하였다.

미호천 유역은 경기도 안성시 일부, 충북 괴산군, 음성군, 증평군, 진천군, 청주시 및 청원군 일부 지역과 충남 연기군, 천안시 일부 지역이 해당하며 유역면적은 1,856 km², 54개 하천과 14개의 소권역으로 구성되어 있고, 북쪽으로 남한강 하류 유역 및 안성천유역과 접해 있고, 남쪽으로 대청댐유역, 대청댐 하류 유역 및 금강 공주유역, 동쪽으로 달천 유역, 서쪽으로 삽교천 유역과 인접해 있고 동서의 길이보다 남북의 길이가 길고 버섯 머리가 좌측으로 기울어진 형태로 남북의 최대 길이는 60.3 km이며, 동서는 48.3 km로 남북 및 동서 간 길이 비는 약 1.25이다(Geum River Environment Research Center, 2008).

금강물환경연구소에서 8일 간격으로 2008 ~ 2012년까지 측정한 유량 및 BOD 자료를 살펴보면 유량의 경우 미호A 단위유역은 연평균 유량이 2008년 4.07 m³/s로 가장 작았고, 2011년 29.3 m³/s로 가장 크게 조사되었다. 미호B 단위유역은 연평균 유량이 2008년 22.85 m³/s로 가장 작았고, 2011년 58.10 m³/s로 가장 크게 조사되었으며, 미호C 단위유역은 2008년 25.99 m³/s로 가장 작았고, 2011년 55.71 m³/s로 가장 크게 조사되었다.

BOD의 경우 조사 기간 미호A 단위유역은 평균 2.7 mg/L로 조사되었고 2009년이 3.0 mg/L로 가장 높게 나타났다. 미호B 단위유역은 평균 4.3 mg/L로 조사되었고 2008년 5.0 mg/L로 가장 높게 나타났으며, 미호C 단위유역은 평균 4.7 mg/L, 2008년 5.2 mg/L로 가장 높게 조사되었다.

본 연구에서 검토한 할당방법에 사용된 일변화 재현이 가능한 동적 모델과 해당 모델의 구성, 입력자료 구축, 보검정 과정, 시나리오 설정 및 결과의 해석 등에 대한 가이드라인을 마련하고 관계기관에 배포하여 지역 여건을 고려한 최적의 할당에 기여하고자 하였다.

3.1.1. 1, 2단계 할당방법 분석 및 개발？삭감 내역 분석

3.1.1.1. 수계별 할당방식 분석 및 문제점 도출

1단계 기간 동안 BOD에 대해 낙동강은 기본설정원칙(수계 대표지점에 수질목표를 정하고 이를 달성하기 위한 기준치를 산정 후 삭감률과 허용률을 고려하여 수계구간별 목표수질 설정), 금강･영산강은 악화방지원칙(수계 대표지점의 수질목표와 현재 수질을 고려하여 수계 구간별 목표수질 설정)에 따라 10년 평균 저수량 조건에서 목표수질을 정하고, 수치모델링을 통하여 목표수질을 만족하는 배출부하량에 안전율(10%)을 차감하여 부하량을 할당하였다.

2단계 기간도 BOD에 대해 1단계 방법을 적용하였으며, T-P는 기본설정원칙으로 10년 평균 저･평수량 양쪽 모두에서 만족할 수 있는 수질로 목표수질을 정하고, 수치모델링을 통하여 만족하는 배출부하량에 안전율(10%)을 차감하여 할당하였다.

목표수질 달성도 평가는 평균 8일 간격으로 조사된 3년간 측정자료를 바탕으로 평균수질을 이용함에 따라, 저수기 또는 저･평수기를 기준으로 설정한 목표수질과 유량 조건이 상이하여 할당부하량이 초과하여도 목표수질을 만족하거나 할당부하량을 만족하여도 목표수질이 초과하는 현상이 발생하는 사례가 존재하였다.

3.1.1.2. 할당방법에 따른 단위유역별 개발부하량 및 삭감실적

1단계 할당방법에 따라 부하량이 할당된 미호천을 중심으로 1단계 개발계획 및 삭감계획 부하량과 실제 이행된 부하량을 비교한 결과, 미호A와 미호B는 삭감 및 개발실적 모두가 저조한 것으로 나타났다. 이는 지자체의 무리한 지역개발부하량 확보와, 이를 위한 실현 가능성이 낮은 삭감계획의 추진이 초래한 결과이며 결국 국고 및 지자체 하수처리 등의 예산을 이월 또는 불용시키는 요인이 되었으며 다 른 주민지원 사업을 추진하는데 장애요인으로 작용하였다.

이러한 경험을 토대로 2단계 계획기간에는 1단계 계획기간보다 지역개발부하량 할당 및 삭감계획의 수립에 있어 왜곡이 다소 완화된 것으로 판단된다.

3.1.2. 1단계 계획 기간의 할당방법의 시사점 도출

기준유량 조건으로 설정된 목표수질과 각 수계 물관리 및 주민지원 등에 관한 법률에 따른 수질 평가 시 유량 조건이 달라 목표수질 달성 여부 판단에 연관성이 적고, 연평균 유량 조건으로 산정된 할당부하량의 달성 여부와 기준유량 조건으로 설정된 목표수질의 달성 여부 간에도 연관성이 적은 것으로 나타났다. 이는 할당부하량이 초과하여도 목표수질을 만족하거나 할당부하량을 만족하여도 목표수질이 초과하는 현상이 발생한 사례가 존재하는 것이 이를 반증하고 있다. 목표수질이 설정된 저수기 또는 평수기 자료를 이용한 목표수질 달성도 평가를 위해서는 연속측정을 통한 해당 유황에 대한 실측자료가 충분히 확보되어야 하나 현재 가용한 평균 8일 간격으로 조사된 3년간 측정자료만을 활용하여 목표수질 평가 및 부하량 할당의 적정성을 평가하기에는 어려움이 따른다. 따라서 이를 보완하기 위해서 계획 수립 시 주 단위 또는 일 단위 동적 모델을 이용한 관리목표 설정이 필요할 것으로 판단된다.

3.2.1. 국내에 소개된 동적 수치모델 검토

국내에 소개된 대부분의 동적 수치모델들은 흐름 형태에 대한 모의는 모델별로 큰 차이가 없지만, 개별 강우에 의한 유출 등 단기 예측이 필요할 경우 시간별 계산이 가능하도록 개발되었으며, 중장기 예측 시에는 일변화 재현이 가능하도록 개발되어 있었다.

3.2.2. 외국의 유사사례에 대한 할당원칙 분석

총량관리를 위한 목표수질 설정은 용수 목적에 따라 환경기준 또는 수생태 건강성을 기준으로 설정하고, 수질모델을 이용한 시나리오 분석을 통하여 기준유량 조건에서 만족할 수 있는 일최대 배출부하량을 결정하여 점과 비점 및 안전 부하량으로 할당하고 있다.

목표수질 설정을 위한 기준유량은 일본의 경우 하천의 경우 저수량 이상의 유량, 호소에서는 저수위 이상의 수위로, 미국의 경우 10년 빈도 7일 저유량(7Q10, 평균 10년마다 발생하는 최저 7일 유량), 10% 유량, 평균유량, 중앙값 중에서 해당유역의 용수이용 특성에 따라 선택하고 있다. 한편, 우리나라의 경우는 10년 평균 저수량 또는 10년 평균 평수량으로 설정하고 있다.

3.3.1. WARMF 모델 개요

WARMF 모델은 GIS 기반의 의사결정을 위한 유역모델이며, 물리기작 기반의 동적 모델로 유량, 영양물질, SS, 대장균, Chl-a 등의 모의가 가능하고 사용법이 쉽고 이해관계자 설득에 유리할 뿐만 아니라 TMDL 설계 과정에서 발생하는 문제점 해결에 적합한 것으로 평가되고 있다(Park et al., 2009).

WARMF 모델의 구성은 기존 모델의 알고리즘을 이용하고 (ANSWERS, SWIMM, WASP, CE-QUAL-W2), 수체를 완전혼합 연속 반응조로 가정(소유역, 하천격자, 호수), 기상 및 토지이용 자료를 이용한 일변화 재현 동적 유역모델로 구성되며 물질 및 열 수지는 이송, 확산, 소멸, 유입으로 계산 한다(Keller, 2007).

WARMF 모델은 지역개발이 수문과 수질에 미치는 영향분석, 하천에 허용 가능한 오염부하량 산정, 효과적인 비점오염원 삭감 방법 검토, 발전소가 수질에 미치는 영향 등을 파악하는데 활용할 수 있다.

3.3.2. WARMF 모델 적용을 위한 입력자료 구축

3.3.2.1. 세유역 구분

WARMF 모형을 구축하기 위해서는 수치고도 모델(Digital Elevation Model; DEM), 하천도, 토지피복도가 필요하다. DEM은 수치지도를 이용하여 30m×30m로 구축하였고(Fig. 3(a)), DEM과 하천도를 이용하여 Fig. 3(b)와 같이 총 25개의 집수 구역으로 구분하고 소유역은 다시 하천 및 유량측정망을 기준으로 5개 권역으로 구분하였다. 토지이용도는 국가 수자원관리종합정보 시스템(WAMIS)에서 제공되는 수치지형자료를 활용하여 WARMF에서 사용되는 방식으로 변환하여 사용하였다(Fig. 3(c))(Han River Flood Control Office, 2013). 기상데이터 구축을 위해 기상청에서 제공하는 청주측후소의 6가지(강수량, 최저기온, 최고기온, 이슬점 온도, 대기압, 평균풍속) 일별 기상자료를 이용하였다.

3.3.2.2. 점오염원 입력자료, 소유역별 배출부하량

미호천유역 내에 위치한 병천하수처리장, 조치원하수처리장, 증평하수처리장, 진천하수처리장, 청주하수처리장 등의 수질 및 유량 일 자료를 점오염원 입력 파일로 구성하였다(Table 6).

미호천유역 내 오염원에서 배출되는 오염원배출부하량은 단위면적당 부하량으로 환산하여 입력 파일을 구성하였다(Table 7).

Table 7에서 보는 바와 같이 WARMF 모델상에서는 집수구역에 따라 자동으로 catchment 가 구분되며, 유량이나 수질 실측지점, 즉 모델의 보정 포인트를 구분하는 개념으로 sub-watershed가 지정되도록 되어 있다.

3.3.3. WARMF 모형의 적용성 평가

모형의 적용성 평가를 위한 유량 및 수질 보･검정 시에는 금강물환경연구소에서 측정한 총량단위유역 말단지점의 유량 및 수질 자료를 이용하였다. 유량 및 수질(BOD, T-N, T-P) 보정 기간은 2010년 1월부터 2010년 12월까지이며, 검정기간은 2012년 1월부터 2012년 12월까지이다.

유량의 검보정시는 상관계수를 적용하였는데 이는 유량의 경우 피크유량과 저유량에 대한 검 보정에 초점을 맞추기보다는 연평균배출부하량을 고려하는 수질오염총량제의 특성상 검보정기간 전체의 상관성을 보기 위함이었다. 수질의 검보정에는 예측치가 실측치의 트렌드나 추세를 적정하게 반영하고 있는지를 판단하기 위해 RMSE 값을 적용하였다.

유량 보정 결과 유역의 말단지점인 미호C 지점에서 상관계수가 0.92로 높게 나타났으며, 검정 시에는 0.74로 산정되어 WARMF 모형의 유량 적용성 평가 결과 실측 유량을 적절히 반영할 수 있는 것으로 판단되었다.

수질보정 결과 유역 말단인 미호C 지점에서 BOD의 RMSE가 보정 시 1.39 ~ 2.45, 검정 시 2.19 ~ 4.43으로 양호하게 나타나 WARMF 모형의 수질 적용성 평가 결과 실측 수질을 적절히 반영할 수 있는 것으로 판단되었다.

3.3.4. 목표수질 달성을 위한 제반 사항

3.3.4.1. 1단계 목표수질 달성을 위한 삭감 수준

1단계 최종연도인 2010년에 대한 평가결과, 무심천 유역의 병천A, 미호B, 미호C 단위유역이 목표수질을 초과한 것으로 나타났다. 병천 A의 경우 목표수질 2.3 mg/L를 달성하기 위해서는 0.5 mg/L이상의 수질개선이 가능한 배출부하량삭감이 이루어져야 하며, 미호 B와 C의 경우 목표수질 4.3과 4.4 mg/L를 달성하기 위해 각각 0.3, 0.5 mg/L이상의 수질개선이 가능한 배출부하량 삭감이 요구된다.

3.3.4.2. BOD 삭감에 소요되는 저감시설 운영비

지자체가 부담하는 저감시설 건설비용은 국고보조율, 시설용량, 부지 면적 및 해당 지역 토지가격 등에 따라 달라지므로 본 연구에서는 검토하지 않았으며, 운영비는 기존 문헌조사 결과를 이용하여 분석하였다.

점오염원의 경우는 2013년 환경부의 환경기초시설 운영비 지원기준에 관한 지침을 살펴본 결과 BOD 1kg 삭감에 소요되는 저감시설의 운영비는 894.3원/일로 나타났으며(MOE, 2013), 비점오염원의 경우는 한국환경공단이 시범운영 중인 14개 비점오염 저감시실의 평균값 등을 통해 107원/일이 소요되는 것으로 조사되었다(Geum River Environment Research Center, 2009; MOE, 2005).

3.3.4.3. BOD 삭감에 따른 수질개선 효과 분석

2010년 병천A, 미호B 및 미호C 단위유역의 BOD 점 배출부하량(하수처리장의 BOD 배출부하량)과 해당 단위유역의 비점 배출부하량은 다음과 같이 조사되었다. 병천 A 단위유역은 병천하수처리장으로부터 점 29.5 kg/d, 비점 3,098.1 kg/d, 미호 B 단위유역은 청주하수처리장으로부터 점 1,178.8 kg/d, 비점 15,936.8 kg/d, 미호C 단위유역은 조치원하수처리장으로부터 점 128.4 kg/d, 비점 5,368.0 kg/d이 각각 배 출되었다(National Institute of Environmental Research･Geum River Watershed Management Committee, 2011).

점 및 비점 배출부하량을 각각 10%에서 100%까지 감소시키는 시나리오를 모델 입력자료에 적용하여 산출한 평균적인 수질개선 효과는 다음과 같다. 연평균 수질로 산정하였으므로 1단계 목표수질이 설정된 저수기 또는 평수기 조건과는 다르게 평가될 수 있으며, 풍수기보다는 갈수기에 개선 효과가 큰 것으로 재현되었다.

3.4.1. 총량관리 효율성 확보를 위한 할당방법

최근 5년간 미호천유역의 개발사업 협의 건수는 782건이며, 개발사업의 단위면적당 배출부하량을 살펴보면 점 배출부하량보다 비점 배출부하량이 약 2.7배 높게 나타났다. 한편, 청주시가 포함된 무심A의 경우는 비점 배출부하량이 점보다 19배 이상 높게 나타나는 것으로 조사되었다. 따라서 향후 3단계 총량관리계획을 수립시 에는 목표수질을 만족하는 할당 조건에서 비점오염부하량 할당을 가능한 최대로 하여야 지속가능한 개발이 가능할 것으로 판단된다.

3.4.2. 신규 할당방법에 따른 수질 개선 및 경제적 효과

2010년 배출부하량에 목표수질 달성에 필요한 삭감 목표율을 곱하여 삭감목표량을 산정하고, 삭감에 드는 저감시설 운영비를 곱하여 운영비 합계를 산출하였다(Lee and Park, 2004). 비점 삭감시설의 운영비는 점 삭감 시설의 운영비에 비해 8.3배 저렴하게 조사되었으나, 목표수질 달성을 위한 삭감 목표량이 크게 산정되어 오히려 점 삭감시설을 운영하는 것이 경제적인 것으로 나타났다.

하수처리장과 같은 점 삭감시설은 BOD 삭감효율이 97% 내외로 안정적으로 운영되고 있으나, 비점 삭감시설은 유역 상황 및 강우 조건 등에 따라 삭감효율이 불규칙하게 나타난다. 한국환경공단 등의 실측자료로 산출하여 수질오염총량관리기술지침에 수록한 비점오염 저감시설 전체의 평균 삭감효율은 50%에 불과한 실정이다.

그러나 향후 수질오염총량관리제의 대상 물질이 비점 저감시설의 삭감효율이 점 삭감효율에 버금가는 물질로 선정된다거나 한강유역환경청과 한국농어촌공사 농어촌연구원등에서 연구 중인 유지관리 비용이 거의 들지 않는 비구조적 비점 삭감기법이 개발･보급된다면 점 삭감이 항상 경제적이라고 평가할 수는 없을 것이다(Han River Watershed Management Committee, 2012; Rural Research Institute, 2012).

3.4.3. 제도 개선 및 활용 방안

연구대상 지역의 경우 목표수질을 달성하는 조건에서 지속가능한 개발을 추진하기 위해서는 비점오염의 할당부하량은 가능한 최대, 삭감수단과 삭감효율, 삭감시설 운영비용 등을 고려 하다면 점오염의 할당부하량은 최소로 하는 것이 지자체에 유리할 것으로 판단된다.

본 연구에서는 일변화 재현이 가능한 동적 모델을 활용한 할당방법을 검토하였으며, 모델의 구성과 입력자료 구축, 보검정 과정, 시나리오 설정 및 결과의 해석 등에 대한 가이드라인을 마련하여 관심 있는 관계기관에 배포한다면 지역 여건을 고려한 최적 할당 및 차기 단계에서 고려 중인 다양한 유황 조건에서의 총량관리에 대응하는데 기여할 수 있을 것으로 예상한다.

본 연구에서는 관리목표를 달성하면서도 저비용으로 지속가능한 개발이 가능하도록 현재 활용되고 있는 할당 기법을 조사하고 지역적 균등성 및 형평성을 고려한 할당 방안을 검토하여, 이에 따른 수질개선 및 경제적 가치를 비교 분석 후 최적 할당방법을 제안하고자 하였으며, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

1) 할당부하량과 목표수질 달성 여부 평가에 적합한 유역으로 선정된 미호천유역에 대하여 최적화 모델로 판단되는 WARMF 모델을 적용하여 보검정한 결과 해당 연도의 유량과 수질을 적절히 재현하는 것으로 판단되었다.

2) 점 삭감시설의 운영비용은 비점 삭감시설의 8.3배였으나 저감 효율이 일정하고 높아, BOD 1kg 삭감 시 연평균농도 개선 효과는 비점 삭감시설보다 25배 이상 큰 것으로 나타났다.

3) 최근 5년간 미호천 유역의 개발사업을 분석한 결과, 점보다는 비점의 배출부하량이 많았으므로 목표수질을 만족하는 조건이라면 비점에 더 할당하는 것이 지자체의 지속가능한 발전에 유리할 것으로 판단된다.

4) 동적 모델의 구성과 입력자료 구축, 보검정 과정, 시나리오 설정 및 결과의 해석 등에 대한 가이드라인을 마련하여 관심 있는 관계기관에 배포하면, 지역 여건을 고려한 최적 할당 및 차기 단계에서 고려 중인 동적 모델을 이용한 다양한 유황 조건에서의 총량관리에 대응하는데 기여할 것으로 예상한다.