1. 서 론
우리나라 대부분의 도시 소하천은 유역의 지속적인 개발에 따라 증가한 포장 면적 및 우수거 등의 영향으로 강우 시 하천으로 유입되는 오염물질의 전달 속도 및 전달률이 대폭 상승하였고 또한 유역의 빗물이 지하로 충진 될 기회가 감소됨에 따라 도시의 지하수위 감소에 따른 유지 유량의 감소에 따라 하천의 평상시 유량이 대폭 감소되어 심지어 건천화 되는 현상이 반복되기도 한다. 우리나라의 하천 및 하천 주변공간은 휴식 및 운동공간으로 활용되는 빈도가 증가하는 추세이며 주민들의 관심의 증가에 따라 하천환경 관리의 중요성 및 요구도가 증가하는 경향이다. 그러나 우리나라의 도시 하천에 대한 대책은 하천의 홍수 배제에 집중되어 있으며 계속적으로 제기되는 환경문제에 따라 식생 제방을 설치하거나 조경사업 수준의 대책으로서 하천의 질적 양적 관리에 대한 근본적인 대책을 수립하기 위한 노력은 제한적이라고 판단된다. 우리 나라에서는 한국건설기술연구원의 우효섭 박사의 주도로 “국내 여건에 맞는 자연형 하천 공법의 개발” (Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology 2002), “하천복원가이드라인” (Korea Institute of Civil Enginee-ring and Building Technology 2002) 그리고 “하천복원사례집” (River Restoration Research Society 2006) 등이 발간되면서 하천의 환경문제를 해결해 보고자 하는 선제적인 노력이 시도된 바 있다. 한편 Kim and Kim (1994), Kim (1996), Kim et al. (2003)은 하천에서의 수자원공학과 환경을 접목시키고 하천 복원에 대한 가이드라인을 제시하고자 노력한 바 있다. 위 연구들은 하천 환경의 바람직한 관리를 위해서 하천의 유량과 수질을 접목하는 시도를 통해 우리나라 하천환경관련 연구를 진일보 시킨 것으로 볼 수 있다. 그러나 하천 수자원의 질적 양적 문제의 원인은 하천 외부의 유역에 더 나아가서는 강우 조건에 따라 결정된다는 면에서 하천의 문제의 해법을 하천 내부에서 찾고자 하는 한계 또한 보여주고 있는 것으로 생각된다. 한편 Lee and Seo (2015)는 대전의 갑천의 수질 농도와 오염부하 특성을 대상으로 분석하고 및 BOD와 같이 하수처리장에서 제어가 가능한 오염물질과 같은 경우에서는 유역에서 유입되는 비점오염원의 제어가 더욱 중요하다는 것을 보고한 바 있다.
본 연구에서는 하천의 제외지 또는 유수지 등의 공간을 활용하여 하천의 물질순환 및 자연정화 능력을 고려하고 최소한의 에너지 및 비용을 이용하여 오염물질을 정화시키면서 건천화 현상을 저감할 수 있음으로 하천의 수질 및 수량 관리에 긍정적인 작용을 할 수 있는 장치와 시스템을 개발하고자 하였다. 본 연구는 첫째, 하천의 제방, 둔치의 지하 및 하도의 지하공간 등 소위 하천의 제외지 공간을 활용하여 하천의 오염물질 및 강우에 의해 유입되는 오염물질을 저감하는 장치를 설치하고 또한 처리수를 저류 하였다가 하천의 유량이 저하되는 시기에 방류하여 하천 건천화를 저감시킬 수 있는 지속 가능한 초기우수 관리 시스템 (SuFiR, Sustainable First Flush Runoff Management System)을 개발하였다 (Seo et al. 2016a, Seo et al. 2016b). 둘째, 일기예보의 정보에 따라 익일 또는 차기의 강우량이 알려지게 되면 이는 미리 보정된 도시 수문 모델 인 보정된 SWMM (Rossman et al. 2010)을 이용하여 시간 별 유량 및 수질 정보를 예측하고 이 정보를 가동하고 있는 빗물 처리장치의 관리에 적용하는 동시에 자동 모니터링 시스템과 연계하고 건천화 시 하천 방류 제어를 위한 종합관리시스템 ISTORMS(Integrated Stormwater Runoff Management System)을 개발하였다 (Seo et al. 2016c, Seo et al. 2016d).
2. 강우 유출 자동모니터링 시스템 ASTROMS (Automatic Stormwater Runoff Monitoring System)
Fig. 1은 대전 북부에 위치한 대덕테크노밸리의 유수지와 유역 면적의 위치를 나타내고 있으며 오른편의 그림은 유수지로 유입되는 우수관거 상단에 위치한 빗물의 유량 및 수질 자동 모니터링 장치가 설치된 것을 보여 주고 있다. 자동 모니터링 시스템 내부에는 Fig. 2에 나타난 바와 같이 수온, 용존산소, 수소이온농도, 전기전도도 및 탁도 등 간단한 수질 항목을 실시간으로 측정할 수 있는 센서와 현장에서 측정하기 어려운 항목을 실험실로 이송하여 측정하기 위한 자동채수기 그리고 실시간 자료 전송 시스템이 설치되어 있다. 자동채수기 및 펌프 등은 자동 및 원격 수동 제어가 가능하도록 설계되어 있으며 자동 채수 장치는 초기에는 10분, 20분, 30분등 짧은 시간 간격으로 강우가 지속되는 경우 1시간 이상 등의 간격으로 조정이 가능하다. 자동채수기는 냉장 기능이 있어서 시료를 일정 시간 보관할 수 있으며 Fig. 2의 왼쪽 하단은 자동채수기 내부의 1 리터 들이 24개의 채수병을 나타낸다. 또한 그림 우측 상단에 나타난 바와 같이 모니터링 시스템 외부에는 강우량계가 설치되어 있다.
Fig. 3은 빗물 자동 모니터링 시스템에 연결되어 있는 초음파 자동 수위계를 나타내며 실측을 통해 수위-유량 곡선을 작성하였으며 곡선과 실측 치의 상관관계는 Fig. 4에 나타난 바와 같다. 실측 유량과 자동수위계의 자료를 이용하여 산정한 유량의 상관관계는 0.86 이상으로서 매우 양호한 결과를 나타내고 있다. 이렇게 우리 나라의 지방 소규모 하천에서 강우량, 강우에 의한 유량 및 수질을 연속적으로 실측하고 관리하는 경우는 전국 및 국제적으로도 사례를 찾아보기 어려운 것으로 알고 있다.
Fig. 5는 본 자동빗물모니터링 시스템에 의해 연속적으로 측정된 유량, 수질을 나타낸다. 강우 유출에 의한 초기세척효과 (first flush effect)는 건기 시 유역에 누적되어있던 비점오염물질이 강우 초기의 표면 유출에 의해 지표수로 이동하는 현상으로서 강우 초기에 매우 높은 오염물질 농도를 나타낸다. 그림에 나타난 바와 같이 강우 초기에 모든 항목에서 높은 농도를 나타났다. TSS, BOD, COD, TN, TP는 강우 초기 각각 400 - 2,000, 20 - 100, 20 - 100, 10 - 40, 및 1.0 - 4.0 mg/L 의 농도 분포를 나타내고 있으며 최대 6시간 이내에 일정한 수준으로 감소되는 것을 알 수 있다. 이와 같은 자료를 토대로 초기 강우 처리 시설의 용량 설계 및 운영 방법에 참고할 수 있다. 한편 Fig. 6은 Fig. 5와 같은 자료를 2015년 7월부터 2016년 7월에 이르기 까지 연속적으로 도시한 것이다.
3. 지속가능한 초기우수 관리 시스템 (SuFiR, Sustainable First Flush Runoff Management System)의 개발
본 연구에서 초기 우수 관리 시스템 개발에 대한 가장 중요한 주제는 “친환경”이다. 여기서 친환경이라 함은 환경에 위해를 가하지 않는 물질 또는 과정이라고 불수 있다. 그러나 친환경의 가장 본래적인 의미는 “자연현상” 또는 “자정작용”을 이용하거나 복원하는 것을 의미하는 것이라 보는 것이 더 정확하다고 생각한다.
Fig. 7은 본 연구에서 개발한 침강 및 여과에 의한 초기 우수 제어시스템을 보여 주고 있다. 본 시스템은 초기의 약품이나 동력 없이 침강 또는 여과라는 단순하고 확실한 자정작용을 활용하는 것에 초점을 맞추고 있다. Fig. 5에서 나타난 바와 같이 연속적으로 측정된 각종 강우 이벤트에 대해 대략적으로 6시간 정도의 강우를 저류하고 처리하는 경우 강우 시 지표수로 유입되는 오염 부하의 상당 부분을 제어할 수 있다는 것을 알 수 있으며 이를 근거로 처리조의 저류 용량을 산정할 수 있다. 두 번째 산정이 필요한 것은 침강조 내에서 일정 제거 효율을 기대하기 위해 소요되는 시간을 산정하는 것이다. Fig. 8은 실제 강우 조건에서 초기 강우를 강우 초기 1 시간, 2 시간 및 3시간 후에 각각 채취하여 실시한 오염물질 제거 결과 중 하나를 보여주고 있다.
Fig. 8
Conceptual diagram and a picture of the settling column used in this study (a), removal of total suspended solid (TSS) concentrations in settling columns (b), removal of total nitrogen (TN) concentrations in settling columns (c), removal of total phosphorus (TP) concentrations in settling columns (d) (Seo and Kim 2016).
Table 1에 정리된 바와 같이 이 장치에서 24시간 처리하였을 경우 TSS, TN 및 TP 는 각각 84 - 95%, 31 - 46% 및 42 - 86%의 제거효율을 나타내고 있다. 오염물질의 제거 효율은 고형 물질과 용존 물질의 비율과 높은 관계가 있는데, 용존 물질의 비율이 비교적 높은 강우 후 일정시간이 흐른 후에 채취한 샘플 또는 지전 강우에 의해서 고형 물질의 축적이 비교적 높지 않은 경우에 해당된다고 추정된다.
Fig. 9는 Fig. 8의 실험에 사용된 시료에 대한 입도 분포 및 오염물질 별 고형 물질의 구성비율을 나타내고 있다. TP의 고형 물질 구성 비율은 65.9%에서 47.7%로 TN의 경우는 40.6%에서 9.3%로 강우 유출 시작 후 시간이 경과할수록 모두 감소되는 경향을 나타내고 있다. 또한 Fig. 9는 각 시료의 입도 분포를 나타내고 있다. 강우 초기의 입도는 수 - 수백 μm의 범위를 나타내면서 비교적 높은 반면, 강우 유출 시간이 경과할수록 점차 작아지는 특성을 나타내고 있다. 이러한 자료는 침강에 의해 또는 초기 강우를 여과로 처리할 경우 여과 장치는 100 m 이하의 입자를 제거할 수 있어야 한다는 등 여과에 의해서 제거 가능한 부분에 대한 정보를 제공하고 있다.
4. 강우 유출 종합 관리 시스템 ISTORMS (Integrated Stormwater Runoff Management System)
강우라는 사건은 일기예보를 통해 어느 정도는 예측할 수 있지만 실제로 현장에서 유량 또는 수질을 측정할 수 있기 위해서 인력, 장비 등 필요한 여건이 마련되어야 한다. 이러한 이유에서 빗물 관련 자료를 확보하기 위해서는 자동 모니터링 시스템이 반드시 필요하다. 초기우수 관리시스템 또한 예측하기 어려운 강우 상황에 대해 사용하는 것이므로 자동으로 자료를 처리하고 실시간 작동 등을 위한 컴퓨터 시스템이 필요하다. 예를 들어 강우의 예측은 일기예보 또는 기상청을 통해 매일 또는 매주 확보하고 예측되는 강우를 입력 자료로 SWMM 도시 유역 수문 모델을 실행하여 유량과 수질의 시간 별 변화를 예측하고 이 자료를 현재의 처리시스템의 상황과 비교가 되어야 한다. 수문 모델을 이용한 유량과 수질은 실제 상황과 차이가 있을 수 있으므로 실시간 자동 모니터링 시스템의 동시 사용이 바람직하고 여기에서 확보된 자료는 추후 모델의 결과를 개선하는 데에 사용될 수 있다 (Yin et al. 2015) (Fig. 10). Fig. 11은 강우 유출 종합 관리 시스템 ISTORMS (Integrated Stormwater Runoff Management System)의 사용자 편의 시스템 화면의 예시를 나타내고 있다.
5. 결 론
본 연구는 강우에 의해 하천에 전달되는 오염부하량을 최소화하고 하천의 건천화를 저감시킬 수 있는 지속 가능한 초기우수 관리 시스템 (SuFiR, Sustainable First Flush Runoff Management System) 을 개발하고 처리 시설을 종합적으로 관리할 수 있는 강우 유출 종합관리 시스템 ISTORMS (Integrated Stormwater Runoff Management System)를 개발하였다. 지면 관계상 본 연구에서는 침전에 의한 처리 시스템을 주로 거론 하였으나 추후의 기회에 추가로 수질을 개선할 수 있는 여과 장치에 대해서도 보고할 기회가 있기를 바란다. 본 연구의 주안점은 초기 강우가 도시 하천의 수질에 미치는 영향을 최소화하기 위해 침전 시설을 설치하는 데 있어서 설계 및 관리 기준을 개발하고 실험을 통해 효율을 검증하는 내용을 보고하고 있다. 여기에서는 모든 시료를 중력을 이용해 이동하도록 하여 시스템을 유지하는 데 있어서 최소한의 에너지 및 비용이 소요되도록 함을 물론 자연에 미치는 부작용을 최소화 할 수 있도록 하였다. 특히 일기예보 및 모델링을 통해 관리가 필요한 물량을 사전에 예측하고 시설의 운영에 참고하도록 하며 처리가 필요하지 않는 강우는 사전 예측과 실시간 모니터링 자료를 이용하여 하천으로 직접 방류하도록 하였다. 특히 초기 강우 처리에 모든 시설을 지하화 하여 미관 또는 하천 공간의 이용에 부작용이 또한 발생하지 않도록 고려하였으며 이 시설은 유수지 바닥 등의 공간에도 설치가 가능할 것으로 판단되며 특히 도시 하천의 수질 및 환경개선에 효율적으로 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
침전 장치는 저류 장치의 기능도 겸할 수 있으며 강우 후 처리수를 일정 기간 보관하였다가 하천의 수량 수질 모니터링 시스템과 연계하여 하천에서 필요로 하는 경우 방류할 수 있도록 설계할 수 있다. 각각의 시스템이 가지는 용량은 하천의 유량을 공급하기에 의미 있는 양은 되기 어려울 것으로 보이나 소하천의 우수거 유출구 곳곳에 다수 설치할 경우 강우 종료 후 발생할 수 있는 하천의 건천화 현상을 저감하는데 도움이 될 수 있다고 판단된다.
