QUAL2E 모형을이용한방류수계의목표수질에 부합한물류 ... _27 QUAL2E 모형을이용한방류수계의목표수질에부합한물류단지오수처리시설방류수질결정

유신기술회보 _ 기술자료

The water quality of rivers or streams depends on the pollution loading and the polluting

substances in rivers is changed by chemical, physical, or biological features of the pollution

loading, which may be estimated based on the water quality modelling.

The impact of wasted water flowed from the Logistics Complex on the water quality is

analyzed by applying the QUAL2E Model, which has been widely used for domestic river quality

analysis as a verified analysis tool.

The water quality estimated are corrected and verified by the Trial and Error Method and

the estimate margin of error is plus or minus 20%. The level of water density estimated is

similar to that one actually tested.

The discharge water quality is estimated lower than BOD 5 /L in consideration of diverse

matters including: i) locational features with nearby rivers joining into the Paldang Lake, Return

on Investment, and environmental impact.

QUAL2E 모형을이용한방류수계의목표수질에부합한물류단지오수처리시설방류수질결정

김순정1) 박광현2)

1. 서론

2. 연구방법

3. 결론

Determination of discharge water quality of sewage treatment plant to meet the goal water quality by using QUAL2E model

1) 환경부문 부장, 수질관리기술사([email protected])2) 환경부문 전무, 소음진동기술사, 박사([email protected])

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QUAL2E 모형을 이용한 방류수계의 목표수질에 부합한 물류단지 오수처리시설 방류수질 결정

1. 서론

수체환경은자체정화능력이있어어느정도외부

환경압력에 견딜 수 있으나 환경압력이 자정능력을

초과하면환경파괴현상이발생한다. 수계의오염문

제는농업·공업용수및음용수로의수자원이용가

치를 상실하여 수확량 및 생산성의 감소를 초래하

고, 사용 목적의 수질기준을 만족하기 위한 수처리

비용의증가로재정적부담으로작용하고있다.

따라서 수계의 오염정도를 파악하고 원인인자를

규명하는것은적절한수질보전대책및관리방안수

립을 위하여 필수적이다. 외부의 오염원 유입에 의

하여 야기되는 수계의 수질변화는 계량화가 가능한

수학적 모델을 이용하여 파악할 수 있다. 수질은 유

입 오염부하량의 크기에 따라 결정되며 수계 내 오

염물질은 이 물질의 화학·물리·생물학적 특성에

의하여 변화한다. 오염발생원으로부터 비롯하는 부

하량은 수질모델을 통하여 농도로 파악되며, 이는

수이용에 필요한 수질기준과 비교·검토하게 된다.

목표로하는수질기준을초과할경우다양한방법을

모색하여수질관리대책을수립할필요가있다. 검증

되어 사용되고 있는 모델은 이와 같은 현상을 규명

하고 대책을 수립하는 데 적절히 이용되고 있다

(Chapra, S. C. 1997).

최근 들어 하천의 수질관리를 위한 정책 수립과

운영그리고평가를위해수질모델의활용도는점차

증가하고 있다. 유역의 점오염원·비점오염원에 의

한 수용 수체의 수질 영향평가, 지역의 개발행위 및

오염삭감시설 설치에 따른 장래의 수질변화 추이분

석 등과 같이 비용과 시간적인 제약으로 인하여 실

험을통해수행하기힘든일을수치모델을적용함으

로써 극복하고자 노력한다. 특히, 최근 시행되고 있

는 수질오염총량관리를 위한 수계의 구간별 목표수

질 설정, 적정 오염부하량의 할당, 목표수질 달성여

부의평가과정에서수질모델은매우중요한역할을

차지하고있다(최정규등, 2007).

본 연구에서는 물류단지 조성으로 발생되는 오수

처리를 위한 적절한 방류수질을 제안하고자 하천수

질 모델을 선정하여 활용하고자 한다. 방류수질은

오수처리수 방류수계의 환경부 목표수질을 만족하

고사업자의경제적측면등을고려하여결정되어져

야 하며 또한 수용수계에 미치는 영향이 허용부하

이하로유지되어수계의자체정화능력에영향을미

치지말아야할것이다.

2. 연구방법

2.1 연구대상지

본연구의대상지는경기도일원에물류단지를조

성하는사업으로, 대상지인근에는소하천인하천-1

[그림 1] 수질모의 대상지

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과 하천-1이 합류하는 하천-2, 하천-3이 위치하고

있다. 단지 내 오수는 지체 오수처리시설을 설치하

여 처리하고, 인근 수계에 미치는 영향을 최소화할

수있는방류수질을도출하고자한다.

2.2 하천수질 모델의 선정

하천 수질 모의를 위한 수질 모델은 [표 1]에 나타

낸 바와 같으며, 이러한 모델은 정상상태 모델과 비

정상상태 모델로 구분될 수 있다. 이 중 미국 EPA

에서 개발한 정상상태의 하천 수질모델인

QUAL2E모델은 우리나라의 오염총량관리제 시행

을 위한 기본 계획을 위해 사용되고 있으며, 미국의

총량오염규제제도(TMDL : Total Maximum

Daily Loads)를 지원하기 위해 제작된 통합 모델

인 BASINS(Better Assessment Science

Integrating Point and Nonpoint Sources)

의하천수질모델로도사용되고있다.

본 연구에서는 오수처리시설의 방류수 유입으로

수용수계에 미치는 수질의 영향을 검토하기 위하여

국내에하천수질모의에대하여적용사례가많고이

미검증된QUAL2E 모델을선정하였다.

2.3 QUAL2E 모델의 개요

QUAL2E 모델은 하천을 동일한 지형과 수리특

성을가진구간(Reach)으로구분하고각구간은같

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[표 1] 수질예측 모델의 종류

QUAL2E USEPA

1 Headwater (H) 본류 및 지류의 최상류의 요소

2 Standard (S)가장 일반적인 소구간 요소로서다른 범위에 포함되지 않는 요소

3Upstream of ajunction (U)

지류와 합류점 바로 위의 본류상구간

4 Junction (J)지류와 합류되는 지점의 본류 소구간요소

5Most

downstream (E)하천의 최하류부 소구간 요소

6 Point source (P)본류상의 요소로서 점오염원이 존재하는 소구간 요소

7 Withdrawal (W)취수 등을 통하여 본류간에서 물이빠져나가는 소구간 요소

8 Dam (D) 댐이 위치하는 소구간 요소

•1차원 정상상태 모의•소구간 내 수리·지형학적 특성과 수질변수 등이 일정

•수온, 유량, NH3-N,NO3-N,PO4-P,BOD,DO,Organic-N,Organic-P 등

CE-QUAL-RIV1

USACE•1차원 동적 하천수질 모의•독립적인 2개의 Submodel(RIV1H,RIV1Q)로 구성

WASP USEPA

•다차원 하천, 저수지, 하구수질 모의•3개의 Submodel(DYNHYN, EUTRO,TOXI)로 구성

•NH3-N,NO3-N,PO4-P,Chl-a,CBOD,DO,Organic-N,Organic-P와 보존성물질과 독성물질 등

EFDC USEPA

•3차원 수리, 수질 모의•EFDC Full Version과 EFDC HydroVersion으로 구성

•일반수질항목, SS, 수온, 염분 등을 모의 가능

CE-QUAL-W2

USACE

•2차원 수리 및 수질 모형•저수지나 좁은 하구부 등의 성층화된수체에 적용

•수온, 탁도, DO, BOD, 영양물질 등 모의 가능

SMS(RMA-

4)USACE

•3차원 수리, 수질(탁수) 모의•모의 대상 구간격자 구성을 위한GFGEN모듈

•동수역학 모의를 위한 RMA-2 모듈•오염물질의 확산을 모의하기 위한RMA-4 모듈로 구성

[표 2] QUAL2E 모델에 기본 구성요소

특 징개발기관모델명

내 용구 분번호

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은 길이로 이루어진 계산요소(Element)들의 연결

로 세분화한다. 각 구간의 내부에서는 하상의 경사,

하천의 종단면적 그리고 마찰계수 등을 포함한 각

소구간의 수리학적 또는 지형학적 특성과 BOD 분

해율, 저층의 용출율, 조류의 침강속도 등을 포함한

화학적분해속도등이일정하다고가정한다.

QUAL2E 모델의구성요소는8개의요소로구성

된다.

수체 내의 수질항목에 대한 물질수지식은 확산,

유동, 생·화학적 변환, 외부로부터의 부하 등을 고

려하여표현된다.

여기서,

Ax = 하천의종단면적[L2]

C = 오염물질의농도[M/L3]

DL = 종방향확산계수[L2/t]

dx = 하천의미소구간[L]

M = 오염물질의질량= VC [M]

S = 오염부하유입또는반응에의한분해량[M/t]

유량이 시간에 대해 일정하고, 소구간의 체적이

시간에 따라 변하지 않는다고 보면 식 (1)은 다음의

식 (2)와 같이 정리되며, QUAL2E 모델은 각 소구

간의 물질수지식을 행렬식으로 변환한 후 풀이하여

수질농도를계산한다.

2.4 입력자료 구성

가) 대상유역 소구간 구분

수질예측 대상구간의 소구간은 최상류 하천의 교

량지점부터사업지구하류약10㎞까지약12㎞구

간에 대해 유입지류 등을 고려하여 직접수용수계(1

개 소구간), 오수처리수 합류수계의 본류(2개 소구

간), 오수처리수합류수계의대본류(2개소구간)구간

등총5개소구간(Reach)으로구분하였다.

[그림 2] QUAL2E 모델의 수질 항목 반응관계도

∂M∂t

∂C∂x dC

dt=∂x

dx +(A,dx) + (1)

∂ AxDL

∂C∂t

∂C∂t

∂C∂x dC

dtSV

=

=0

- + +Ax∂x Ax∂x

∂(Ax,UC)(2)

∂ AxDL

정상상태에서식(2) 의

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나) 경계조건

수질모의를 위한 경계조건은 실측자료를 활용하

되실측자료가부재할경우모의대상구간의문헌조

사등의자료를활용할수있다.

본연구에서는2회에걸쳐조사된자료중경계조

건에 해당되는 구간의 측정망 자료를 경계조건으로

입력하였다.

2.5 모델의 보정 및 검증

모델의보정은실측값을오차가없는기준치로가

정하고 모의 값에 영향을 주는 수질 반응계수를 조

정하여 오차를 최소화시키는 작업이며, 대상 하천

수질항목에 관계된 매개변수는 실험실 분석을 통해

서 적정한 값을 결정하는 것이 가장 합리적이다. 하

지만 비용이 많이 소요될 뿐만 아니라 하천환경과

실험실환경의차이등으로인하여정확한산정에어

려움이 따른다. 따라서 일반적으로 하천 수질모델

적용과정에서일부매개변수는실측수질자료를사

용한보정을통해결정된다.

본연구에서의보정및검증은모의치와실측치의

오차가 최소화 되도록 하는 시행착오법(Trial and

Error Method)을 이용하였다. 모델의 보정을 위

한 자료는 2차에 실측한 측정자료와 유량자료를 이

용하여실시하였으며, 본수질모의보정에서사용된

매개변수는[표3]과같이도출되었다.

[그림 3] 수질모의 대상구간 소구간 분할도

소구간의 분할은 유역특성, 유입지류, 환경기초시설(하수처리시설, 분뇨처리시설, 폐수처리시설, 오수처리시설, 매립시설 등), 취·양수장 입지 등을 고려하여 세분화 할 수 있다.

[표 3] 수질예측에 적용된 주요 수질 반응계수

구 분

BOD,DO 반응계수

N,P반응계수

정 의QUAL2E의적용범위*

QUAL2E의적용범위**

적용값

BOD Decay (1/day) 0～10 0.02～3.4 0.02

BOD Settling (1/day) 0～10 -0.36～0.36 0.01

O-N Hydrolysis (1/day) 0～10 0.02～0.4 0.02

O-N Settling (1/day) 0～10 0.001～0.1 0.01

NH3 Oxidation (1/day) 0～10 0.1～1.0 0.05

NO2 Oxidation (1/day) 0～10 0.2～2.0 1.00

Org-P Decay (1/day) 0～10 0.01～0.7 0.01

O-P Settling (1/day) 0～ 0.001～0.1 0.01

주) *EPA, QUAL2E Windows Interface User’s Guide, 1995**EPA, The Enhanced Stream Water Quality Models QUAL2E and QUAL2E-UNCAS : Documentation and User’smanual, 1987

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또한모델의검증은보정된매개변수를다른조건

에서수집한자료에적용하여모델의정확도를확인

하는과정이다. 모델의검증을위한자료는1차에실

시한측정자료와유량자료를이용하여실시하였다.

본연구의수질예측오차범위는20% 정도로예측

되어모의구간에대한전반적인실측수질농도변화

를 유사하게 따르고 있는 것으로 검토되었다. 「2단

계 수계오염총량관리기술지침, 2008. 9, 국립환경

연구원, p.p 83」에의하면“보정시사용한반응계수

의조건에서독립된다른실측변수를입력하여모델

의적용성을검증하여실측수질에대한모의치의오

차범위는 20%이내가 되어야 한다”보고되어 있으

며, 본수질예측오차범위가권장수치20% 내로검

토되어장래수질예측도구로적용하는데문제가없

을것으로판단된다.

* 환경부 수질측정망 자료임

[그림 4] 수질모의 보정결과(BOD, SS, T-N, T-P)

[표 4] 보정 및 검증지점의 수질농도

구 분BOD(㎎/ℓ)

SS(㎎/ℓ)

T-N(㎎/ℓ)

비 고

보정(1차 측정: ‘09.3)

검증(2차 측정: ‘09.2)

T-P(㎎/ℓ)

하천-1 W-2 1.1 2.4 2.035 0.098

하천-2 W-4 1.3 1.8 2.242 0.175

하천-3*하천-3 0.8 7.7 4.278 0.084

하천-1 W-2 1.4 1.2 2.426 0.070

하천-2 W-4 0.8 0.4 2.689 0.138

하천-3*하천-31 2.2 2.6 4.940 0.077

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2.6 시나리오 설정 및 장래 수질예측

가) 수질예측 시나리오

단지 내 오수는 전량 차집하여 자체오수처리시설

을설치하여사업지구인근하천-1로방류할계획이

다. 이러한 계획에 따른 수용 하천수질에 미치는 영

향을수질모델로검토하였다. 장래수질예측을위한

유황조건은 오수처리시설의 방류수로 하천의 영향

이 가장 클 것으로 예상되는 갈수기 조건과 추가적

으로평수기조건을선정하여실시하였다. 모의대상

하천중유량실측이불가한대상하천의경우대상하

천의 하천정비기본계획을 활용하여 유역면적에 대

한비유량방법으로평수기및갈수기유황을분석하

였다.

오수처리시설의 방류수질 시나리오는「하수도법」

시행규칙 제3조제1항제3호 관련 [별표 3] ‘개인하수

처리시설의방류수수질기준’보다강화된BOD 5㎎

/L, T-N 20㎎/L, T-P 2㎎/L로 설정하고, 수질

모의 대상의 목표수질(Ⅱ등급)을 설정한 환경부 고

[그림 5] 수질모의 검증결과(BOD, SS, T-N, T-P)

[표 5] 장래수질예측 모의대상 유황분석

하천-1 하천-2 지류-1 지류-2

3.95 21.30 5.35 2.75

평수기 0.0655 0.3530 0.0887 0.0457

갈수기 0.0349 0.1884 0.0473 0.0244

구 분

유역면적 (㎢)

유량(㎥/s)

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시 제91-35호‘수역별 환경기준 적용등급 및 달성

기간’을 고려하여 방류수질을 BOD 3㎎/L, T-N

10㎎/L, T-P 1㎎/L로설정하였다.

오수처리시설의 방류수로 인한 수용하천에 미치

는 영향에 대한 장래 수질예측 시나리오는 다음 표

와같이6개의안으로검토하였다.

나) 수질예측 결과

오수처리시설의 처리수가 하천-1로 방류될 경우

상대적으로 유량이 적은 수용하천인 하천-1의 영향

이 가장 큰 것으로 예측되었으며, 유량이 상대적으

[그림 6] 시나리오별 장래 수질 예측결과(BOD, SS, T-N, T-P)

구 분

방류조건 1

방류조건 2

용량(㎥/d)

2,100

방류농도 (㎎/L)

BOD

5

3 3 10 1

5 20 2

SS T-N T-P

[표 6] 오수처리시설 방류수질 계획농도

구 분

시나리오1-1

시나리오 1-2

시나리오 1-3

시나리오 2-1

시나리오 2-2

시나리오 2-3

사업시행 전

사업시행 후

갈수기조건의 수질농도

기본계획 방류수질 조건

금회계획 방류수질 조건

평수기조건의 수질농도

기본계획 방류수질 조건

금회계획 방류수질 조건

사업시행 후

사업시행 전

사업시행 후

사업시행 후

시나리오 1

시나리오 2

갈수기조건

평수기조건

모의 조건

[표 7] 장래 수질예측 시나리오 구성

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로 큰 하천-3의 경우는 충격부하가 다소 낮게 나타

났다.

모든 수질항목에서 갈수기 조건인 시나리오 1의

경우보다 평수기 조건인 시나리오 2의 경우가 수질

농도의증가율이낮게나타났으며, 대체적으로T-P

수질항목의 경우 다른 수질항목에 비해 가장 높은

증가율을 보이고 있어서 오수처리시설 방류수로 주

변 하천 수질에 미치는 영향이 가장 크게 검토되었

다. 이러한 영향은 방류수질의 T-P가 수용하천의

T-P보다월등히높은농도로배출되는것에기인한

다고판단된다.

3. 결론

물류단지 조성으로 발생되는 오수는 자체 오수처

리시설을 설치하여 수계환경에 미치는 영향을 줄이

고자한다.

오수처리시설의처리수방류로인한장래하천수

질 변화 예측과 수용하천의 목표수질(Ⅱ등급)을 달

성할 수 있는 방류수질 결정은 하천수질모형

(QUAL2E)을이용하여결정할수있다.

수질보정및검증결과특정지점을제외하면오차

범위가 20% 이내로 예측되어 대상수계에 대한 전

반적인 수질경향을 유사하게 반영하는 것으로 예측

되었다.

[그림 6](계속). 시나리오별 장래수질 예측결과(BOD, SS, T-N, T-P)

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연구대상지의인근수계는최종남한강으로유입

되어 팔당호로 흘러들어 간다. 이러한 입지적 특성

을 고려하여 방류수질 시나리오는 법적 방류수질보

다강화된조건2가지로구분하여검토하였다.

시나리오별 장래 예측결과에 의하면, 방류수질은

하수도법관련오수처리시설방류수질기준보다강

화된조건(1, 2)으로방류할경우대상하천의목표수

질에는모두부합하는것으로예측되었다.

방류수질조건은연구대상지의입지적특성과수

용수계의 목표수질 부합성, 투자비용 대비 효과 등

을고려하여방류조건1(BOD 5㎎/L 이하등)로결

정하였다.

이와 같이 수질모델은 환경적 측면, 경제적 측면,

입지적 측면, 상위 계획 등을 종합적으로 고려한 최

적의대안을마련하기위한의사결정도구로활용가

능하다.

참고문헌

1. Chapra, S. C., Surface Water-Quality

Modeling McBraw-Hill, New York(1997)

2. 최정규·정세웅·류재일, 부영양 하천의 수질

예측을 위한 QUAL2E와 QUAL-NIER 모

델의비교·평가(2007)

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Water Quailty Modeling, Lewis

Publishers, Florida(1999)

4. 정성수, 안양천에서QUAL2E와 QUAL2k모

델의 비교 연구, 한경대학교, 석사학위 논문

(2005)

5. 서동일·윤종욱·이재운, QUAL2E,

QUAL2K 및 CAP 모델을 이용한 금강 하류

하천구간 정상상태 수질모델링 결과 비교 분석

(2008)

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