도시유역 장기유출 배출부하량 산정모형을 이용한 유역관리에 따른 비점오염 배출부하량 저감효과분석

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 도시유역의 배출부하량 중 가장 높은 비중을 차지하고 있는 CSOs 배출부하량에 대한 배출부하량 산정방법을 개선하기 위한 모형을 개발하고, 개발된 모형을 이용하여 도시유역관리에 따른 배출오염부하량의 저감효과를 분석하고자 한다.
우리나라 하수관거의 과반수가 합류식 하수관거로 이루져 있는 실정이며, 인구가 밀집된 도시의 경우에는 지표면에 퇴적된 오염물질에 의한 영향보다 청천시에 퇴적된 하수관거의 오염물질에 의한 영향이 더 크기 때문에 배출부하량 산정을 위해서 강우의 영향과 하수관거의 오염물질 퇴적과 세척의 영향을 고려할 필요가 있다. 하지만, 현재 배출부하량 산정모형 중 장기모의 및 하수관거 내 오염물질의 퇴적 및 쓸림 상태를 모의할 수 있는 모형이 전무한 실정이다. 따라서, 하수관거내 퇴적 및 쓸림과 장기유출모의가 가능한 배출부하량 산정모형인 DLSS(Discharge Load considering Sewer Settlement) 모형을 개발하였다.
DLSS 모형은 강우량 및 증발량 자료 및 토양특성 자료를 이용하여 장기유출모의가 가능하기 때문에 배출부하량의 평균적인 월변화 모의가 가능하다. 또한, DLSS 모형은 생활계, 산업계, 축산계 및 토지계 오염원 자료를 이용하여 발생부하량을 산정하고 대상지역의 하수처리면적률 등의 자료를 이용하여 하수관거 유입유량 및 부하량 산정이 가능한 모형이다. 또한, 하수관거에서 무강우일 오염물질의 퇴적량과 강우일의 오염물질 쓸림량의 모의가 가능하며, 우수토실에서 CSOs(Combined Sewer Overflows)의 형태로 공공수역으로 배출되는 CSOs 배출유량 및 부하량 산정과 CSOs 배출수 수질기준에 대하여 필요한 저류량 즉 저류시설용량 산정이 가능하다.
배출오염부하량 산정이 가능한 유사모형인 SWMM, ILLUDAS-NPS(Illinois Urban Drainage Area Simulator-NonPoint Source) 및 HSPF 모형의 특성에 대해 조사하였고, 유사모형 조사를 통하여 CSOs 배출부하량 산정이 가능하며 도시유역관리에 따른 CSOs 배출부하량 저감효과모의가 가능한 모형의 개발방향을 제시하였다.
개발된 DLSS 모형의 유량 및 수질관련 매개변수 검보정으로 매개변수를 최적화하였으며, 구축된 DLSS 모형의 우수토실 내 하수량 및 하수수질농도를 모의하여 측정된 하수량 및 하수수질농도를 비교하여 DLSS 모형의 적용성을 검증하였다. 유출관련 매개변수 최적화에는 장기유출모형인 HSPF(Hydrologic Simulation Program - FORTRAN) 모형의 모의자료를 이용하였고, SWMM(Storm Water Management Model)을 이용하여 입력자료의 시간간격변화에 따른 첨두유출량 변화를 모의하였다. 적용성 검증과정에서 DLSS 모형이 하수처리장 유입수 자료를 유사하게 모의할 수 있는 것으로 분석되었으나, DLSS 모형는 공인된 시간단위 강우량 자료를 이용하여, SWMM을 이용하여 분석결과와 같이 첨두유출량의 모의값이 측정값보다 낮게 모의되는 것으로 나타났다. 특히 불연속적인 강우사상에서 오차는 커지는 것으로 나타났다. 따라서, 정확한 CSOs 배출부하량 산정을 위해서는 적절한 시간단위의 강우량 자료의 구축이나, 홍수사상이 아닌 CSOs 배출부하량에 큰 영향을 미치는 소강우사상에 대한 강우발생패턴연구를 통하여 시강우자료를 적절한 시간간격으로 모의할 수 있는 방법의 개발이 필요한 것으로 나타났다.
환경부 고시의 배출오염부하량 산정방법에 의하여 산정된 CSOs 배출부하량과 DLSS 모형을 이용하여 산정된 배출부하량 비교분석을 통하여 하수처리장(Sewag treatment plant)의 일평균 유입수(daily average inflow) 수질농도자료를 이용하여 배출부하량을 산정할 경우에 CSOs 배출부하량이 과대산정될 수 있는 것으로 분석되었다. 따라서, 환경부 고시에 따른 배출부하량 산정을 위해서는 일 간격이 아닌 적절한 시간 간격으로 측정된 하수처리장 유입유량, 유입수질, 배출유량 및 수질과 같은 자료가 필요한 것으로 나타났다.
최종적으로 DLSS 모형을 이용하여 우수유출저감시설, 하수관거 준설, 하수도정비사업 및 도로 물청소와 같은 도시유역관리에 따른 CSOs 배출부하량 변화에 대하여 분석하였다. 분석결과, 우수유출저감시설 설치와 하수관거 준설연장 확대실시에 따라 CSOs 배출부하량은 저감되지만, 하수관거 정비사업에 따른 불명수량 저감과 무강우일 물청소 도로면적 확대와 같은 도시유역관리는 하수관거내 유량감소 또는 하수관거유입부하량을 증가시킴으로써 무강우일 하수관거내 퇴적오염부하량을 증가시킬 수 있는 것으로 나타났다

핵심용어: 장기유출모형, 합류식하수관거, CSOs(Combined Sewer Overflows), 월류수, 비점오염원, 배출부하량, 도시유역관리, 비점오염 저감효과 분석, 도시유역

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study developed a model which improves estimating discharge load of CSOs(Combined Sewer Overflows), and using developed model, it was analyzed the reduction effects of discharge load according to urban basin management.
The majority of sewers are composed of combined sewer system and effects by pollutants piled up on clear weather are more greater than those by pollutants piled up on surface in case of a densely populated city. So, it is necessary to consider the effects of rainfall and pollutant sediment and wash of sewer to calculate discharge load. However, there is still no model among estimate models of discharge load which can simulates long-term estimate, deposited and washed condition of pollutants in sewer. Thus, this study developed the DLSS(Discharge Load considering Sewer Settlement) model which can simulates deposited and washed condition of pollutants in sewer and long-term discharge.
The DLSS model can simulate monthly changes of discharge load because it simulates long-term discharge using rainfall, evaporation data and soil properties. Also, it can calculate load using pollution sources of life, industry, livestock and land, in addition to inflow and load of sewer using area ratio of sewage treatment of target area. Moreover, it is able to simulate the quantities of deposited pollutant on clear days and washed pollutant on rainy days, and calculates outflow and load of CSOs which are emitted in the shape of CSOs from storm overflow chamber to public basin and capacity of stormwater detention facilities for water quality of CSOs discharge. The characteristics of SWMM(Storm Water Management Model), ILLUDAS-NPS(Illinois Urban Drainage Area Simulator-NonPoint Source) and HSPF(Hydrological Simulation Program-Fortran) model, similar model which can estimate discharge load, were investigated.
Then, through investigation of similar model, developing direction of new model which can estimate CSOs discharge load and simulate the reduction effects of discharge load according to urban basin management was suggested. Parameters were optimized through calibrating and validating parameters of developed the DLSS model associated with flow and water quality, and applicability of the DLSS model was verified through comparing simulated and gauged sewage flow and quality in stormwater detention facilities. Simulated results of HSPF, which is long-term runoff model, were used in optimizing parameters associated with flow, and SWMM was used for simulating changes of peak flow according to variation of interval. In the process of verifying applicability, it appeared that the DLSS model similarly simulated inflow data of sewage treatment plant. However, simulated peak flow was lower than gauged value because the DLSS model uses hourly rainfall data like SWMM. Especially, it appeared that error became larger in case of discontinuous rainfall event. Therefore, to accurately estimate discharge load of CSOs, it is necessary to develop methods which can simulate hourly rainfall data in appropriate interval through studying occurrence patterns of rainfall which largely affect discharge load of CSOs, not developing rainfall data of appropriate interval and flood events. In case of estimating discharge load using water quality data of daily average inflow at sewage treatment plant through comparing discharge load of CSOs which was calculated computational method according to announcement of the Ministry of Environment and that calculated by the DLSS model, it was analyzed that discharge load of CSOs can be overestimated. Thus, to estimate discharge load according to announcement of the Ministry of Environment, appropriate timely interval data are needed like inflow of sewage treatment plant, quality of inflow, outflow and quality of outflow, not daily interval data.
Finally, changes of CSOs discharge load according to urban basin management like stormwater runoff reduction facility, dredging of sewer, sewer improvement project, were analyzed using the DLSS model. In the results of analysis, CSOs discharge load can be deducted according to installing stormwater runoff reduction facility and expanding the dredging of sewer. However, urban basin management, like reduction of inflow/infiltration according to sewer improvement project and expanding road area on clear days, can increase sediment load in sewer on clear days as it decreases flow in sewer and increases inflow load of sewer.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 동향 2
• 1.3 연구 방법 및 범위 8
• 제2장 배출부하량 산정모형과 DLSS 모형개발 11
• 2.1 배출부하량 산정모형 11
• 2.1.1 SWMM 모형 11
• 2.1.2 ILLUDAS-NPS 모형 20
• 2.1.3 HSPF 모형 27
• 2.1.4 배출부하량 산정모형 특성분석 32
• 2.2 DLSS 모형개발 34
• 2.2.1 무강우일 관거유입유량 산정방법 38
• 2.2.2 강우일 유효강우량과 관거유입유량 및 부하량 산정방법 43
• 2.2.3 하수관거 상태 모의방법 58
• 2.2.4 우수토실 등 하수도시설 모의방법 64
• 2.2.5 도시유역관리에 따른 영향 모의방법 68
• 제3장 대상유역 74
• 3.1 지형특성 74
• 3.2 유역특성 및 배수계통 76
• 3.2.1 하천현황 76
• 3.2.2 하수도시설 현황 78
• 3.3 기상현황 82
• 3.3.1 강우량 82
• 3.3.2 기온 84
• 3.3.3 월별 강우특성 변화 85
• 3.4 오염원 현황 87
• 3.4.1 생활계오염원 88
• 3.4.2 산업계오염원 91
• 3.4.3 토지계오염원 94
• 3.5 도시유역관리 현황 95
• 3.5.1 하수관거 준설 현황 95
• 3.5.2 우수유출저감시설 현황 97
• 3.5.3 도로 물청소 현황 99
• 3.5.4 하수관거 정비 현황 99
• 제4장 DLSS 모형의 적용 101
• 4.1 유효강우량 산정과정의 적용성 분석 101
• 4.1.1 HSPF 모형에 의한 유효강우량 모의결과 101
• 4.1.2 DLSS 모형 유출관련 유역별 매개변수 검보정 결과 104
• 4.2 하수관거내 상태모의 과정의 적용성 분석 112
• 4.2.1 하수관거 퇴적량 산정을 위한 선형회귀분석결과 112
• 4.2.2 하수관거 쓸림량 모의관련 적용성 분석결과 132
• 4.3 우수토실 유역 유량 및 수질모의 적용성 분석결과 146
• 4.3.1 우수토실 유역 및 측정자료 현황 146
• 4.3.2 우수토실 대상유역 SWMM 유출량모의 결과 151
• 4.3.3 DLSS 모형의 우수토실 내 유량 및 수질모의 결과 156
• 제5장 DLSS 모형과 한강소권역의 CSOs 배출부하량 산정결과 비교분석 169
• 5.1 한강소권역 CSOs 배출부하량 현황 169
• 5.1.1 동북유역 169
• 5.1.2 동남유역 170
• 5.1.3 서남유역 172
• 5.1.4 서북유역 173
• 5.2 DLSS 모형의 CSOs 배출부하량 산정결과 175
• 5.2.1 동북유역 175
• 5.2.2 동남유역 177
• 5.2.3 서남유역 178
• 5.2.4 서북유역 180
• 5.3 DLSS 모형과 한강소권역의 CSOs 배출부하량 비교결과 181
• 5.3.1 동북유역 181
• 5.3.2 동남유역 185
• 5.3.3 서남유역 188
• 5.3.4 서북유역 191
• 제6장 유역관리에 따른 비점오염저감시설 용량변화 분석 194
• 6.1.1 우수유출저감시설 설치에 따른 효과 194
• 6.1.2 하수관거 준설연장 확대에 따른 비점오염저감시설 용량변화 195
• 6.1.3 하수관거 정비에 따른 비점오염저감시설 용량변화 198
• 6.1.4 도로물청소 확대실시에 따른 비점오염저감시설 용량변화 201
• 제7장 결론 205
• 참고문헌 209
• 부 록 213