工學博士學位論文

토지이용의 공간적 다양성에 따른

GIS 기반 오염부하 산정에 관한 연구

A Study of GIS-based Estimation of Pollutant Loads

in Accordance with Spatial Landuse Variation

2005年 8月

仁荷大學校 大學院

土木工學科 地理情報 專攻

金 敬 順

工學博士學位論文

토지이용의 공간적 다양성에 따른

GIS 기반 오염부하 산정방법에 관한 연구

A Study of GIS-based Estimation of Pollutant Loads

in Accordance with Spatial Landuse Variation

2005年 8月

指導敎授 金 桂 炫

이 論文을 工學博士學位 請求論文으로 提出함.

仁荷大學校 大學院

土木工學科 地理情報 專攻

金 敬 順

本 論文을 金敬順의 工學博士學位 論文으로 認定함.

2005年 8月

主審 印

副審 印

委員 印

委員 印

委員 印

- i -

요약

현재 수질오염원의 분류체계가 복잡하고, 조사항목이 방대한데 다 자료

수 집 또 한 현 실 적으로 어 려 운 상 황에서 수 학 적 계 산만으로 수 질오염부하

를 수계별로 산정할 경우 오염원의 위치정보와 토지이용의 특성 등 오염원

의 분포밀도가 고려되지 않고 일률적인 면적비로 산정하기 때문에 많은 오차

를 유발할 수 있다. 따라서 본 연구는 토지피복도 등의 공간분석을 통해 오염

원 분류체계를 보다 단순화하고, 오차유발의 난점 등을 해결할 수 있는 오

염부하 산정방안을 제시하고자 수행하였다.

본 연구에서는 생활계, 축산계, 산업계, 양식장, 토지계의 각 오염원별

오염부하를 산정하는데 필요한 시가비시가구분도, 하수처리구역도, 폐수배

출허용기준구분도, 토지피복도, 행정구역도, 유역도 등의 주제도를 도출하여

구축하였다. 구축된 주제도의 중첩 및 공간분석 기능을 이용하여 폴리곤

별로 오염부하를 산정하였는데, 이는 한 행정구역(리․동)에는 인구 등의

오염원이 등분포하게 존재한다는 기존의 방식에서 토지피복도 상의 주거

지역에는 생활계의 가정인구 및 축산계, 상업지역에는 생활계의 영업인구,

공업지역에는 산업계가 분포하는 것으로 가정함으로써 보다 정밀한 오염밀

도의 산정이 가능하였다.

본 연구방법과 기존의 방법을 이용하여 산정한 오염부하를 비교한 결

과 왕숙천유역 전체의 오염부하량은 토지피복도를 이용하여 산정한 토지

계를 제외하고는 많은 차이가 없었지만, 세부유역별로는 많은 차이가 있

었다. 이는 유역별 오염부하량 산정시 기존의 수학적 방법은 리동별로 계

산하여 오염원의 위치정보와 토지이용의 특성 등 오염원의 분포밀도를 고

려하지 않고 일률적인 면적비로 산정하기 때문에 많은 오차를 유발하게 되

지만 본 연구방법은 유역별 부하량 산정시 각 유역에 속한 리동의 점유율

을 구하지 않아도 각각의 폴리곤이 가지고 있는 유역정보를 이용하여 유

역별로 각 유역에 속한 폴리곤을 합산하여 유역별 부하량을 산정함으로

오염원의 분포와 위치를 그대로 나타낼 수 있어 훨씬 더 정확한 값을 산

정할 수 있었다.

- ii -

또한, 시가화․비시가화 구분, 하수처리구역․비하수처리구역 구분, 합

류식 하수도․분류식 하수도 구분, 폐수배출허용기준 지역구분 등의 지형

정보를 구축․응용함으로서 현행 생활계 및 토지계의 오염원 분류체계 및

조사항목을 보다 단순화할 수 있어 수질관리 업무의 효율성을 높일 수 있

을 것으로 판단된다. 생활 계 의 경 우 각 리 ․ 동 별 인 구만 수 집 하여 도 각

종 공간정보 를 이용할 경우 오염부하 산정에는 큰 어려움이 없을 것으로

판단된다. 또한 토지피복도를 이용하여 토지이용목적별 오염원단위에서

제시하고 있는 항목으로 분류하여 산정하면 리동별이 아닌 토지이용에 따

른 폴리곤별로 산정되므로 비점오염원의 발생위치를 파악할 수 있고, 특히

토지이용현황은 별도로 자료를 수집하지 않아도 될 것으로 판단된다.

본 연구에서 얻은 결과는 수질오염총량관리시행 등 수질관리계획 수립

시 오염부하 산정의 응용기술로 활용할 수 있을 뿐 아니라, 향후 오염물

질 발생으로부터 배출경로에 대한 정량적 유출과정 해석의 기초기술로서

활용이 기대된다.

그러나 해석의 정확도와 신뢰성을 보다 향상시키기 위하여 하수관망

및 맨홀 등에 대한 도형정보, 공장에 대한 위치정보 등과 연계함으로서

실제에 근접한 종합적인 오염부하 해석의 후속 연구가 필요하며, 또한 폴

리곤별 오염부하 산정에 따른 이점을 최대한 살리기 위해 오염부하에 대

한 유달율 산정 및 소하천에서의 오염물질 유출모형(수질예측 수행)에 대

한 적용 연구가 필요하다.

- iii -

Abstract

It is difficult to calculate the pollutant loads under unfavourable

conditions such as complicated distribution system of the pollutant

sources, the requirement of huge items for investigation and the

difficulties of data collection. Therefore the existing mathematical

method for load calculations can cause errors because of using a

uniform area ratio without considering distribution of pollutant sources.

In this study, the distribution system of the pollutant sources was

simplified by spatial analysis of landcover map and the method was found

to solve a problem of these errors.

In this study, various thematic map was constructed to calculate the

pollutant loads such as domestic discharge, livestock farming

discharge, industrial discharge, landuse discharge and so on..

The pollutant loads were calculated by the polygon using overlay

and spatial analysis of this while pollutant density can be calculated

more accurately by assuming distribution of i) domestic population and

livestock farm areas in a residential area, ii) business population in a

commercial area, iii) wastewater discharge facilities in an industrial

area although existing method assumes that pollutant sources in the

same administrative district with uniform distribution was usual.

There were wide differences between the calculated pollutant loads

by this study and what by existing method with sub-watershed in

Wang-Sook watershed as well as that from the land areas using

landcover map. The existing method of load calculation causes errors

because of using a uniform area ratio without considering distribution

- iv -

of pollutant sources. However, the load calculation in this study is

more accurate than the existing method due to spatial computation for

each watershed and considering distribution and location of pollutant

sources.

It may also improve efficiency for water quality management

according to simplifying classification system of the pollutant sources

by construction of various thematic map. The load calculation would

be simply estimated with various spatial information only collect

population data.

In this methodology, the pollutant source of nonpoint was calculated

by using landcover map and landuse polygon methodology. Besides, in

this above mentioned methodology no need using boundary data as a

result no need collecting landuse data.

When Total Water Pollution Load(TWPL) management system is

established, the result of this study not only can be used as the

application technology of pollutant loads calculation but also can be

used as the fundamental technology of quantitative discharge analysis.

However to improve accuracy and reliability of analysis, it is

necessary to research integrated analysis of pollutant loads using

linkage between geographic information such as manhole, sewer

network, positioning information of industrial facilities and this

methodology. And to maximize advantage of this methodology, it is

necessary to calculate the delivery ratio and also to apply this result

to runoff model of streams.

- v -

Ⅰ. 서 론 ·········································································································· 1

1.1 연구의 배경 ····························································································· 1

1.2 연구의 목표 ····························································································· 3

1.3 연구의 범위 및 방법 ············································································· 3

Ⅱ. 연구의 이론적 배 경 ················································································· 5

2.1 수질오염원 구조 및 수학적 오염부하 산정 ····································· 5

2.1.1 국내 수질오염원 조사․수집체계 ················································ 5

2.1.2 수질오염원 배출구조 ······································································ 6

2.1.3 수학적 오염부하 산정 ·································································· 12

2.2 GIS를 이용한 수질관리 적용사례 ···················································· 18

2.2.1 국내 ·································································································· 18

2.2.2 국외 ·································································································· 21

Ⅲ. 토지이용의 공간적 변이를 이용한 오염부하 산정방법 ·············· 23

3.1 연구 대상지역 ······················································································· 23

3.2 오염부하량 산정을 위한 데이터베이스 구축 ································· 25

3.2.1 도형 데이터베이스 ········································································ 25

3.2.2 속성 데이터베이스 ········································································ 53

3.3 수문․지형정보 추출 ··········································································· 67

3.3.1 유역경계 및 하천망 ······································································ 67

- vi -

3.3.2 대상유역의 지형분석 ···································································· 80

3.4 공간정보 분석을 이용한 오염부하량 산정방법 ····························· 83

3.4.1 공간정보와 오염원 등 속성정보와의 통합 ······························ 83

3.4.2 공간정보 분석에 의한 오염부하 산정 ······································ 87

Ⅳ. 공간정보 분 석 에 의한 오염부하 산정결 과 및 해 석 ···················· 93

4.1 오염원의 공간분포 해석 ····································································· 93

4.2 오염부하량 산정 및 평가 ································································· 107

4.3 수학적 오염부하량 산정과의 비교 분석 ······································· 119

Ⅴ. 결 론 ······································································································ 14 4

5.1 주요 결론 ····························································································· 144

5.2 주요 문제점 ························································································· 145

5.3 향후 연구과제 ····················································································· 146

참고 문 헌 ········································································································· 147

- vii -

오염원별 발생원단위 ·································································· 16

연구 대상지역의 행정구역 ························································ 24

도형DB 구축내역 ········································································ 31

토지피복도의 분류항목 ······························································ 35

구리시 이미지좌표와 기준점좌표 ············································ 38

남양주시1 이미지좌표와 기준점좌표 ······································ 39

남양주시2 이미지좌표와 기준점좌표 ······································ 40

포천시 이미지좌표와 기준점좌표 ············································ 41

구리시 이미지좌표와 기준점좌표 ············································ 46

남양주시 이미지좌표와 기준점좌표 ········································ 47

속성DB 구축내역 ······································································ 53

인구 ······························································································ 55

축산 ······························································································ 56

산업폐수배출업소 ···································································· 58

축산폐수배출업소 ···································································· 59

양식장 ·························································································· 60

토지이용 ······················································································ 61

오수처리시설 ·············································································· 62

분뇨처리시설 ·············································································· 63

하수종말처리시설 ······································································ 64

축산폐수공공처리시설 ······························································ 65

- viii -

수질측정지점 ·············································································· 66

DEM의 좌표값 ········································································ 69

지형변화점의 지형적 특성 ···················································· 72

유역별 경사도 ·········································································· 80

유역별 향분석 ·········································································· 81

유역별 평균 표고 ···································································· 82

인구밀도 비교 ············································································ 94

리동면적과 주거지역면적 비교 ·············································· 96

리동과 주거지역의 인구밀도 비교 ·········································· 99

유역의 점유율 비교 ································································ 101

주거지역의 폴리곤 정보 ························································ 112

인구 발생원단위 ········································································ 113

생활계 가정인구에 의한 오염부하량 ···································· 113

상업지역의 폴리곤 정보 ·························································· 114

생활계 영업인구에 의한 오염부하량 ···································· 115

산업에 의한 오염부하 산정을 위한 정보 ·························· 116

산업계 오염부하량 ·································································· 116

토지에 의한 오염부하 산정을 위한 정보 ·························· 117

토지계 오염부하량 ·································································· 118

시범지역의 유역정보 ······························································ 118

발생부하량 산정 결과 ···························································· 121

배출부하량 산정 결과 ···························································· 121

유역별 발생부하량(BOD) ······················································ 122

- ix -

유역별 발생부하량(BOD) 비교 ············································ 122

유역별 발생부하량(TN) ························································· 123

유역별 발생부하량(TN) 비교 ··············································· 123

유역별 발생부하량(TP) ························································· 124

유역별 발생부하량(TP) 비교 ··············································· 124

유역별 배출부하량(BOD) ······················································ 125

유역별 배출부하량(BOD) 비교 ············································ 125

유역별 배출부하량(TN) ························································· 126

유역별 배출부하량(TN) 비교 ··············································· 126

유역별 배출부하량(TP) ························································· 127

유역별 배출부하량(TP) 비교 ··············································· 127

유역별 부하량 비교지역 1 ···················································· 131

유역별 부하량 비교지역 2 ···················································· 133

유역별 부하량 비교지역 3, 4 ··············································· 136

유역별 구분 ·············································································· 139

5개 유역별 부하량 비교 ························································ 140

14개 유역별 부하량 비교 ······················································ 140

28개 유역별 부하량 비교 ······················································ 141

- x -

오염물질의 유출과정 ································································ 7

유역내 오염물질 발생 및 배출부하량 산정 흐름도 ········ 12

대상물질의 일반적 배출경로 ················································ 15

오염물질 처리시설의 방류수기준 및 배출허용기준 ········ 15

격자구조에서의 공간연산에 의한 오염부하량 산정 ········ 20

연구 대상지역의 행정경계 및 지형 ···································· 24

도형자료 구축을 위한 작업과정 ·········································· 26

격자구조의 좌표시스템 ·························································· 27

좌표계 변환 ·············································································· 28

레이어 추출방법 ······································································ 32

행정구역도(리동) ····································································· 32

하천도 ························································································ 32

토지피복도 도엽번호 ······························································ 34

모자이크 결과 ·········································································· 34

토지피복도의 중분류 ···························································· 36

토지피복도의 지목별분류 ···················································· 37

구리시 지상기준점과 참조자료 ·········································· 38

남양주시1 지상기준점 ·························································· 39

남양주시2 지상기준점 ·························································· 40

포천시 지상기준점 ································································ 41

구리시의 기하보정 전(좌)과 후(우) ·································· 42

- xi -

구리시 기하보정 결과 ·························································· 42

남양주시 기하보정 결과 ······················································ 43

포천시 기하보정 결과 ·························································· 43

하수처리구역 벡터라이징 ···················································· 44

하수처리구역도 ······································································ 44

구리시 지상기준점 ································································ 46

남양주시 지상기준점 ···························································· 47

구리시 기하보정 결과 ·························································· 48

남양주시 기하보정 결과 ······················································ 48

시가화지역 벡터라이징 ························································ 49

시가비시가구분도 ·································································· 49

폐수배출허용기준구분도 ······················································ 50

수질측정지점 ·········································································· 51

환경기초시설 ·········································································· 52

DEM의 SINK와 PEAK ······················································· 67

SINK와 PEAK가 보정된 DEM ········································· 68

왕숙천유역 도엽번호 ···························································· 69

모자이크 영상(좌)과 Bad Line 제거 전(중앙) 후(우) ·· 70

DEM 전처리 결과(좌)와 연구대상지역 Clip(우) ··········· 70

유역 및 하천망 추출과정 ···················································· 71

지형변화점 특징 그래프 ······················································ 73

SINK와 PEAK의 단면도 ···················································· 74

흐름방향 및 방향값 ······························································ 75

- xii -

Flow Direction 수행 결과 ·················································· 75

흐름의 누적값 ········································································ 76

Flow Accumulation 수행 결과 ·········································· 76

벡터화 과정(좌)과 일정값 이상의 누적 격자(우) ·········· 77

유역 및 하천망 추출과정 ···················································· 78

추출된 유역경계(좌)와 편집 후 유역경계(우) ················ 79

유역 및 하천망 ······································································ 79

유역의 위치(좌) 및 유역의 경사도분석 결과(우) ·········· 80

전체적인 향분포(좌)와 유역의 향분석 결과(우) ············ 81

전체적인 표고분포(좌)와 유역의 표고분석 결과(우) ···· 82

오염부하 산정을 위한 레이어 중첩과정 ·························· 85

리동별 인구(좌)와 리동별 인구밀도(우) ···························· 98

리동면적과 주거지역 분포 ···················································· 98

면적과 인구밀도 비교 ·························································· 100

점유율 비교지역 ···································································· 101

주거지역 분포 ········································································ 102

토지피복도에서의 주거지역 ················································ 102

주거지역 분포 ········································································ 103

상업지역 분포 ········································································ 104

공업지역 분포 ········································································ 105

토지피복도(6개항목) ··························································· 106

중첩레이어 ············································································ 108

주거․상업․공업지역 ························································ 109

- xiii -

시가․비시가지역 ································································ 109

하수처리구역 ········································································ 109

폐수배출허용기준 ································································ 109

토지피복도 ············································································ 110

유역 ························································································ 110

주거지역의 하수처리구역 정보 ········································ 111

주거지역의 시가․비시가 정보 ········································ 111

상업지역의 폴리곤 ······························································ 114

공업지역의 폴리곤 ······························································ 115

토지이용의 폴리곤 ······························································ 117

유역 ························································································ 121

유역별 부하량 비교지역 ···················································· 128

유역별 부하량 비교지역 1 ················································ 129

유역별 부하량 비교지역 2 ················································ 132

유역별 부하량 비교지역 3 ················································ 134

유역별 부하량 비교지역 4 ················································ 134

전체유역구분(좌)과 5개 유역구분(우) ···························· 138

14개 유역구분(좌)과 28개 유역구분(우) ························ 138

차이의 절대값의 합과 유역크기의 관계 ························ 143

- 1 -

Ⅰ. 서 론

1.1 연구의 배경

하천의 수질은 토지이용현황에 따른 오염원의 구성과 그 밀도, 처리시

설 등에 따라 달라진다. 즉, 토지이용 분류상 주거지역에서는 각 가정의

생활하수 및 분뇨 배출, 공업지역에서는 각 산업장의 폐수 배출, 상업지역

에서는 영업활동으로 인한 오염물질이 하천으로 배출되어 수질오염의 주

원인이 되고 있다.

이와 같은 수질오염을 효과적으로 개선하기 위해서는 오염원(Pollutant

Source)을 정량적으로 분석하고 분석의 결과를 바탕으로 그 지역에 적절

한 수질오염 방지대책을 마련할 수 있어야 한다.

적절한 수질오염 방지대책을 수립하기 위해서는 정확한 오염원의 위치

와 분포의 파악 및 체계적 관리가 필수적이라 할 수 있으나 수질관리에

필요한 유역환경정보는 다양한 오염원의 속성, 위치 및 시간으로 구성되

는 방대한 양의 관련정보를 동시에 관리해야 하므로 기존의 문자정보 처

리 방식으로는 정확도가 매우 떨어지고 관리에도 큰 어려움이 있다. 지금

까지 정부에서는 4대강수계 물관리종합대책 등 여러 수질관리대책이 수립되

었고, 이와 관련된 조사연구가 상당히 많이 수행되고 있지만 대부분의 오염원

분석과 오염부하 산정은 행정구역별로 일률적으로 이루어지기 때문에 오염원

의 위치정보와 토지이용의 특성이 충분히 반영되고 있지 못하며, 또한 행

정구역별 속성정보를 유역 또는 수계별로 적용할 경우 오염원의 분포밀도

가 고려되지 않고 일률적인 면적비로 구분하기 때문에 많은 오차를 유발하게

된다. 이는 중소수계의 수질관리대책 수립시는 수질예측치 산정 등에 있

어서 더욱 큰 영향을 미칠 수 있다.

- 2 -

따라서, 오염원의 분포와 현황을 정량적으로 분석할 수 있고, 분석결과를

효과적으로 처리할 수 있는 GIS를 이용한 수질환경정보 관리에 대한 요구가

높아지고 있다. 이는 현재 행정구역이 자주 변경되고 있고, 오염원자료의

조사항목이 방대한데다 현실적으로 수집이 어려운 자료가 많아 수질관리에

어려움이 있는 상황에서 GIS의 공간분석을 통한 수질관리는 오염부하의

정확도를 향상시킬 뿐 아니라 과거 자료의 해석이 용이하기 때문인 것으

로 판단된다. 아울러, 기 구축된 GIS 자료는 변경되는 도형부분만 보완하면

향후에도 해당년도의 오염원과 연계하여 사용할 수 있으므로 매우 효과적이다.

GIS는 공간상의 좌표체계를 기반으로 만들어진 도형자료와 관련되는

모든 속성자료들이 컴퓨터를 이용한 수치지도(digital map)의 형태로 저장

되고, 수치지도는 서로 다른 레이어(layer)와의 중첩기능을 통하여 새로운

레이어의 가공과 생성이 가능하다. 이러한 GIS 기법을 유역관리에서 적용할

경우 다양한 점오염원(point source) 및 비점오염원(non-point source)의

위치와 크기, 규모 등의 속성데이터를 행정구역도, 토지피복도, 유역․하천도

등의 각종 공간정보와 연계가 가능함으로 기존의 행정구역별 오염원 현황

분석에 의한 수질관리 적용보다는 오염원의 분포 분석이 정확히 이루어질

수 있어 결과적으로 수질관리대책 수립시 신뢰성을 높일 수 있을 것으로

판단된다.

이러한 측면에서 GIS를 이용한 오염부하의 해석은 오염원의 발생위치

및 오염 심화지역 분석에 따른 특별관리 대상수역의 설정, 하천에의 집적

과정과 오염물질 배출경로에 대한 효율적 관리에 활용이 가능하며, 나아가

도시의 산업화와 확산, 인구증가로 인한 수질오염을 정량적으로 분석하고,

분석의 결과를 바탕으로 해당지역에 적합한 수질오염 개선책 마련에 크게

기여할 수 있을 것으로 판단된다.

- 3 -

1.2 연구의 목표

본 연구의 목표는 유역관리시 가장 기본적으로 수행되어야 하는 오염

부하 산정에 필요한 각종 도형정보를 도출하여 수치지도로 제작하고, 이 주

제도들을 이용한 중첩분석을 통하여 오염부하 산정의 정확도를 보다 향상

시킬 수 있는 방안을 제시하는데 있다.

기존의 GIS를 이용한 오염부하 산정은 오염원 데이터를 이용하여 엑셀과

같은 상용 도구(tool)에서 오염부하를 산정한 후 행정구역도나 유역도에

등분포로 배분하여 디스플레이하는 정도이다. 하지만 본 연구에서는 벡터

자료를 중첩․분석하여 오염부하를 산정하므로 오염원의 위치와 오염원 밀도,

유역내 점유율을 좀 더 정확하게 나타낼 수 있을 것으로 판단된다.

이는 토지피복도 등의 GIS 공간분석을 통해 주거지역, 공업지역, 상업

지역 및 농업지역과 같은 토지이용별 폴리곤(polygon)으로 오염부하를 산

정하게 되므로 기존의 산정방법과 비교해 오차유발을 최소화 할 수 있다. 또한

오염원데이터의 수집이 어려운 현실을 고려할 때 도형정보에서 얻을 수

있는 자료는 오염원 데이터를 이용하지 않고 도형의 공간정보를 이용하게

되므로 오염원자료 수집시에 필요한 많은 행정력을 감소시킬 수 있다.

따라서 본 연구의 주요 목표는 GIS 공간분석의 결과를 통해 생활계

등의 오염원 분류체계를 보다 단순화하여 수질오염총량관리제 시행 등 유

역관리를 위한 오염부하량 산정방법의 개선방안을 제시하는 것이다.

1.3 연구의 범위 및 방법

본 연구는 GIS를 이용한 오염부하 산정관련 선행 연구의 고찰, 오염부하

산정에 필요한 주제도의 구축, 주제도의 중첩분석을 통한 수질오염부하

산정, 기존의 수학적 오염부하 산정방법과의 비교․분석을 통한 오차유발

요인 분석 등을 주요 연구범위로 한다.

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(1) 오염부하 산정에 필요한 주제도의 구축

현재 오염원의 최소 수집 단위인 리동 정보를 가지고 있는 행정구역도,

환경기초시설의 위치, 하천도 등은 구축이 되어있으나 생활계의 발생 및 배출

에 영향을 미치는 시가․비시가화 지역이나 합류식, 분류식의 하수처리방

식, 폐수배출 허용기준 등은 수치자료화 되어있지 않다. 그러므로 오염부

하 산정에 필요한 시가․비시가화 지역, 합류식, 분류식의 하수처리방식, 폐

수배출허용기준 구분도면과 기구축 되어있는 토지피복도를 오염부하 산정

에 이용할 수 있도록 재가공하고, DEM 자료를 이용하여 유역을 추출하

여 벡터자료 형태로 구축하였다.

(2) 주제도의 중첩분석을 통한 오염부하 산정

기존의 GIS를 이용한 오염부하 산정방법은 주로 수학적 오염부하 산정

방법에 의해 오염부하를 산정한 후 리동에 등분포하도록 배분하여 리동별

오염부하량을 산정하거나, 단순히 유역에 포함되는 각 리동의 점유율을

가지고 유역별 오염부하량을 산정하고 있다. 따라서 본 연구에서는 오염이

발생․배출되는 지역을 좀 더 정확히 알 수 있도록 여러 주제도들을 중첩

해서 만들어진 폴리곤별로 오염부하를 산정하였다.

(3) 기존의 수학적 오염부하 산정방법과의 비교

기존의 수학적 방법에 의해 산정된 값과 토지피복도 등의 주제도를 가

지고 중첩분석하여 산정한 값을 비교하였다. 리동별 오염부하 보다는 유

역별 오염부하에서의 차이를 보여주기 위하여 기존의 단순히 리동 점유율

에 의해 계산된 유역별 오염부하와 본 연구방법인 폴리곤이 속한 유역의

유역별 오염부하와의 차이를 비교하였다.

(4) 오염원 분류체계를 보다 단순화하는 방안제시

현재는 오염원 분류체계가 매우 복잡하고, 자료수집 또한 어렵다. 그러

므로 수치자료가 가진 정보를 이용하여 중첩분석하여 오염부하 산정시 오

염원의 수집체계를 단순화 할 수 있는 방안을 제시하였다.

- 5 -

Ⅱ. 연구의 이론적 배경

2.1 수질오염원 구조 및 수학적 오염부하 산정

2.1.1 국내 수질오염원 조사․수집체계

현재 수질관리를 위한 오염원 조사는 환경부 및 국립환경연구원에서

매년 실시 중인 전국오염원 조사계획에 의해 이루어지고 있다. 1999년까

지의 오염원 조사는 각 (지방)환경관리청 주관으로 해당 시․군의 협조하

에 수행되어 왔으며, 별도로 산업폐수와 오수․분뇨․축산 분야는 환경부

산업폐수과 및 생활오수과에서 (지방)환경관리청 등을 통해 조사․수집된

자료를 취합하여 그 분야의 오염원 통계자료로 사용하여 왔다. 그러나

2000년부터 오염원 자료의 표준화 및 조사업무의 효율화를 위해 환경부

(수질정책과)에서 한강권역을 포함한 전국 4대강권역의 오염원 조사를 총

괄적으로 주관하고 있으며, 자료의 검증 등 실무적인 총괄은 국립환경연

구원(수질화학과)에서 수행하고 있다. 여기에는 그 동안 환경부 산업폐수

과와 생활오수과에서 수행해 오던 분야의 오염원 조사도 포함되어 진행되

고 있으며, 조사․수집된 자료는 환경부의 물환경정보시스템에 탑재하여

매년 갱신되고 있어, 환경부 내부통신망(인트라넷)을 통해 본부 소속기관

에서 이용가능케 하고 있다. 또한, 지방자치단체 및 학계 등에서 구축자료

요청시 제공하고 있다.

한편, 행정자치부가 ‘98년부터 2002년까지 5개년 계획으로 추진한「시

군구 행정정보화사업」의 2단계 사업내용 중 “환경 및 상하수도” 분야에

서 일부분의 오염원 자료가 수집되고 있으며, 여기에 환경부가 「시군구

행정정보화사업」에 요청한 오염원 등의 자료에 대하여 시군구에서 행정

전산망을 통해 전송․수집되고 있으나 아직은 오염총량관리 등 수질관리

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계획에 이용하기에는 충분하지 못한 실정이다. 따라서, 지금은 환경부의

‘전국 오염원 조사’가 병행하여 수행되고 있으나「시군구 행정정보화사업」이

원활히 운영되어 충분한 자료가 전송․수집될 경우는 지금의 전국오염원

조사는「시군구 행정정보화사업」의 자료로 대체할 수 있을 것으로 판단된다.

2.1.2 수질오염원 배출구조

(1) 개 요

다음의 는 유역에서 발생한 오염물질이 하천 및 호소 등에

유입되는 유출과정을 정리한 것이다(정동일, 1998).

유역내 오염부하는 점오염원 부하와 비점오염원 부하로 구분되며 이들

의 유출경로는 큰 차이를 보이고 있다. 점오염원 부하는 발생된 오염물질

이 각각의 배출경로를 통하여 공공수역(하천)으로 배출되며, 이 과정에서

유역내에 설치된 하수종말처리장 등의 환경기초시설을 거치면서 오염부하

가 삭감된 후 하천에 유입되어 하천 자정작용의 영향을 받게 된다. 이러

한 자정작용은 희석, 확산과 미생물의 분해 작용에 의해 이루어지며, 각

하천마다 유입된 오염물질들을 하류로 유하하는 과정에서 깨끗하게 정화

시킬 수 있는 일정용량과 한계를 갖게 되며, 하천의 흐름상태, 계절, 강우

량, 수질 등의 요인과 유역오염원의 종류와 그 용량에 따라 크게 달라질

수 있다.

특히, 우리나라의 경우 강우의 극심한 편중으로 7～8월의 우기가 지나

면 10월에서 다음해 5～6월까지는 하천의 유량이 현저히 줄어들어 하천의

자정능력에 큰 영향을 주는 것으로 알려지고 있다.

점오염원 부하 유출의 이송방법은 하수도 또는 하천의 정상유량 규모

에 의해 좌우되므로 배출오염물질 농도가 급변하지 않는 이상 단시간 변

화는 크지 않을 것으로 판단된다. 이에 반하여, 비점오염원 부하는 오염물

질의 이송이 주로 강우에 의존한다. 즉, 비점오염원 부하는 발생원으로부

터 강우의 유출경로를 따라 하천에 배출되어지므로 유역의 사면 또는 소

수로상에 퇴적되어 제거되는 과정을 거치게 되며 결과적으로는 유달부하

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량의 형태로 하천에 배출된다. 하도상의 강우유출 상태는 비정상 유량변

동에 지배되므로, 일단 하천에 유입된 오염물질은 비정상 유출에 부유된

상태로 이류, 확산, 침강 및 소류 현상 등을 거치면서 하류측 수질관측지

점을 통하여 유출된다. 이때 강우는 단시간내의 급격한 유량변동으로 인

해 유출되므로 유출수 중의 오염부하량 변동 역시 큰 폭으로 변하게 되

며, 강우유출에 동반된 비점오염원 부하를 해석하기 위해서는 오염부하의

유출해석에 앞서 강우유출 현상(사면 및 하도 유출)에 대한 수리․수문학

적 해석이 선행되어야 한다.

이상과 같은 오염물질 유출해석을 위해서는 오염물질이 하천에 유입되

기 전의 배출부하량의 산정이 정밀하게 이루어져야 하므로 다음에서는 한

강유역통합관리시스템 구축 사업에서 제시하고 있는 오염원별 배출구조에

대하여 설명하고자 한다(한강수계관리위원회, 2001).

오염물질 유출과정

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(2) 오염물질 발생 및 배출구조

㈎ 생활계

생활계 오염물질의 발생 및 배출구조는 크게 하수처리구역과 하수미처

리구역으로 구분된다. 하수배출 및 분뇨처리 형태에 따라서는 재래식 변

소(수거식) 사용인구, 단독정화조 사용인구, 오수정화시설 사용인구, 분뇨

무처리 인구 및 분류식 하수관거 사용인구로 세분화 된다.

재래식 변소를 사용하는 인구로부터 배출되는 생활계 오염물질은 하수

처리구역의 경우 하수는 해당 하수(종말)처리장으로 차집되어 처리되고

있으며, 하수미처리구역은 하천 등 공공수계로 직접 배출된다. 분뇨는 재

래식 변소에서 일정기간 부숙과정을 통해 오염물질이 일부분 분해되고,

나머지는 수거되어 분뇨처리장으로 이송되어 처리된 후 공공수계에 방류

된다. 이때 재래식 변소의 상태에 따라 일부분은 지하로 침투되어 오염을

야기시키기도 하며 분뇨 수거가 어려운 지역에서는 농경지로 환원되기도

한다.

단독정화조 사용인구에 의한 오염물질은 분뇨의 경우 정화조에서 침전

및 생물학적 분해 등을 통해 일부분의 오염물질은 제거되고 상등액은 월

류되어 생활하수와 함께 하수처리장으로 이송되어 처리되거나 하수미처리

구역의 경우 하천으로 직접 방류되며, 정화조 폐액은 재래식 변소와 마찬

가지로 수거되어 분뇨처리장에서 처리된다.

오수정화시설 사용인구에 의한 오염물질은 분뇨와 생활하수가 동시에

활성슬러지공법과 같은 오수정화시설에서 처리되어 방류수가 하수처리장

으로 유입되거나 미처리구역의 경우 공공수계로 배출된다. 하수처리구역

내에서는 오수(하수․분뇨)가 전량 하수처리장으로 유입되고 있어 처리구

역으로 편입되기 전에 설치된 현재의 오수정화시설은 대부분 정상가동되

지 않고 오수가 거쳐 가는 정도의 시설로 운영되고 있다. 여기서도 정화

시설의 슬러지(폐액)는 분뇨처리장으로 수거되어 처리된다.

분뇨 무처리는 수세식 변기시설임에도 불구하고 정화조가 설치되지 않

은 불법시설을 말하며, 하수와 분뇨가 개별정화 없이 하수처리장으로 이

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송되거나 공공수역으로 직접 배출되는 유형이다.

분류식 하수관거를 사용하는 인구의 오염물질은 단독정화조나 오수정

화시설과 같은 중간처리시설을 거치지 않고 오수(하수․분뇨)가 직접 하

수처리장으로 유입되어 처리되나, 지선의 경우는 분류식이고 간선은 합류

식으로 구성되어 있는 경우가 대부분이어서 전체적인 오염물질의 물질수

지 관계를 해석하는데 어려움이 많다.

하수처리구역의 경우 하수에 의한 오염물질은 하수관거로 유입되어 일

부는 관거내 자정을 통해 없어지고 누수를 통해 배출되며, 강우시는 합류

식 관거월류수(CSOs, Combined Sewer Overflows) 또는 분류식 관거월

류수(SSOs, Sanitary Sewer Overflows) 및 하수처리장 용량부족 등으로

인한 배제에 의해 배출되거나 하수처리장으로 유입되어 처리된 후 하천

등 공공수계로 방류된다. 수거된 분뇨는 분뇨처리장에서 처리된 후 하수

처리장과 연계되어 재처리되는 경우도 있고 일부는 분뇨처리장에서 직접

수계로 방류된다.

㈏ 축산계

축산계 오염물질의 발생 및 배출구조는 크게 폐수화되는 부분과 고형

물화되는 부분으로 구분할 수 있다.

폐수는 가축의 뇨와 축사의 청소 등에 사용되는 세정수, 그리고 세정

수에 포함되는 가축의 분에 의해 발생된다. 이와 같이 각 축사에서 발생

된 폐수는 축산단지가 집단화된 지역의 경우 대부분 수거 또는 관로에 의

해 축산폐수공동처리장으로 유입되어 처리되며, 그 밖의 축산폐수는 축사

규모에 따라 방류수 기준에 적합토록 개별적으로 처리되어 수계로 방류된다.

고형물인 분의 경우는 세정수에 의해 폐수화되는 부분을 제외하고 일

부는 수거되어 축산폐수공동처리장에서 폐수와 함께 처리되며, 나머지는

폐수 개별처리장에서 발생되는 슬러지와 함께 자원화에 이용되는 것으로

조사되고 있다.

축산분뇨 자원화물의 오염부하는 퇴비화 과정 등을 통해 일정량 감소

하게 되며, 생산된 퇴비가 농지에 살포될 경우 식물의 흡수, 토양에서의

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축적 및 침출 등으로 오염부하가 삭감되고 나머지가 강우시 유출되어 하

천으로 유입하게 된다.

그러나 아직까지 고형물 수거율 및 자원화율에 대한 통계가 명확히 조

사되고 있지 않아 축산계 오염물질의 물질수지 관계를 해석하는데 어려움

이 많다.

㈐ 산업계

산업계 오염물질의 발생 및 배출구조는 공업단지를 중심으로 한 폐수

종말처리구역과 개별처리로 구분된다.

폐수종말처리구역의 경우 개별 폐수배출업소에서 일정수준까지의 전처

리 과정을 거친 배출수가 종말처리시설로 유입되며, 여기서 종말처리시설

방류수 수질기준까지 처리한 후 수계로 방류된다. 폐수종말처리장으로 유

입되는 과정에서 오염물질의 일부는 관거내 자정과 누수배출을 통해 없어

지고, 강우시에는 월류나 배제에 의해 배출되거나 하수처리장으로 유입되

어 처리된 후 하천 등 공공수계로 방류된다.

개별 폐수배출업소는 각 지역에 따라 달리 적용되는 배출허용기준까지

개별 방지시설을 통해 처리한 후 수계로 방류되며, 폐수종말처리시설은

아니지만 폐수공동처리장(대구 염색공단 처리장 등)의 경우는 처리수가

다시 하수종말처리장으로 유입되어 재처리 과정을 거쳐 수계로 방류된다.

각 처리장에서 폐수처리 후 발생되는 슬러지는 탈수 및 건조 등 슬러지

처리과정을 거쳐 매립된다.

㈑ 토지계

토지계 오염물질의 발생 및 배출구조는 토지계에서 발생되는 오염부하

는 발생범위가 매우 넓고 현실적으로 차집이 어렵기 때문에 아직까지는

정화시설의 설치가 구체화되지 못하고 계획수립 단계에 있는 실정이다.

그러나 도시지역에 있어서 초기강우시에 발생되는 토지계 오염부하는 하

천 수질에 큰 영향을 미치므로 기존의 유수지를 이용하거나 완충저류조

등을 설치하여 토지계 유출수를 일시적으로 저장한 후 청천시 하수종말처

리장에서 처리하는 방안이 강구되어야 할 것이다.

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도시지역과 같이 합류식 하수관거가 설치된 지역은 강우시 관거를 통

해 토지계 오염부하가 하수종말처리장으로 일부 유입되고 나머지는 생활

계에서 언급한 것과 마찬가지로 관거정화, 누수, 월류, 배제를 통해 정화

및 배출된다.

㈒ 양식계

양식계의 오염물질 발TOD 및 배출구조는 양식형태 및 양식어종에 따

라 오염부하의 배출양상이 크게 다르다. 일반적으로 양식장에서 발생되는

오염부하는 사료투여량과 배설량에 의해 좌우된다.

가두리 양식장에 투여된 사료는 양식조에서 어류의 호흡과 생산에 이

용되며, 어류의 배설물과 일부 이용되지 않은 사료에 의해 오염부하가 발

생하게 된다. 가두리 양식장은 별도의 오염물질 처리시설이 없기 때문에

과다한 사료투여는 그 만큼의 오염부하를 유발하게 된다. 이에반해 유수

식 양식장은 비록 침전지 정도이지만 처리시설의 설치를 의무화하고 있어

가두리 양식장에 비해서는 하천 및 호소에 미치는 오염부하가 상대적으로

적다.

양식계에서 배출되는 오염부하는 타 오염원과는 달리 하천 및 호소의

수질에 직접적인 영향을 미치게 되고, 부영양화의 발생요인으로 작용하므

로 상수원보호구역과 같은 주요 수계에서는 오염 방지대책이 철저히 이루

어져야 할 것으로 사료된다.

㈓ 매립장 침출수

매립장 침출수의 발생 및 배출구조는 생활계, 산업계 및 축산계 등에

서 발생된 폐기물에서는 매립 후 강우 등에 의해 고농도의 침출수가 발생

하게 되며, 침출수는 대규모 매립지의 경우 개별처리시설을 통해 처리 후

수계로 방류되고 있으며, 소규모 매립지는 대부분 전처리 과정을 거친 후

(하수)종말처리장과 연계하여 처리되고 있다. 그러나 대부분 처리시설을

갖추고 있지 않은 비위생 매립지는 하천 수질에 직접적인 영향을 미친다.

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2.1.3 수학적 오염부하 산정

(1) 기본개념

는 현재 우리나라에서 일반적으로 적용하는 유역의 오염부하

발생 및 배출부하량의 산정절차를 모식적으로 나타낸 것으로서(정동일,

1998), 오염부하 평가는 대상유역내의 사회․경제활동 및 토지이용의 권

역을 중심으로한 자연활동의 평가로부터 이루어질 수 있다.

따라서 오염부하의 산정은 배수구역내 오염원에 오염부하 원단위를 적용

하여 오염부하를 산정하고 있다. 그러나 일반적으로 유역의 분할은 임의

수질기준점(또는 수질측정지점)을 중심으로 구분된 경계인 반면, 오염원

등의 자료는 행정구역별(시․도, 시․군, 읍․면․동, 리)로 수집 및 정리

되고 있으므로 대상유역의 오염원을 일차적으로 행정구역을 중심으로 수집․

정리한 후 일련의 공학적 변환과정을 통하여 편집․정리하고 있다(Kelly

et al., 1987, Nakagami, 1987).

유역내 오염물질 발생 및 배출부하량 산정 흐름도

- 13 -

㈎ 행정구역별 오염원 형태 파악 및 발생부하량 산정

유역내 오염부하의 발생원인은 사회․경제활동과 그 규모에 의한 것으

로서, 이에 관한 정보는 행정구역별 오염원 형태로 수집된다. 즉, 유역으

로부터의 오염물질 발생은 크게 생활계, 가축계, 산업계, 토지이용계, 양식

계로 나누어지며, 이에 따른 각 행정구역 및 오염발생원별 발생부하량의

산정은 오염원별 규모에 발생부하 원단위(Unit Production Factor)를 곱함

으로써 산출된 것이 지금까지의 기준적인 평가방법이다.

그러나 실제 각 지역의 오염부하는 처리시설 설치정도와 처리율에 따

라 큰 차이를 보이며, 결과적으로 배출부하량의 지역적 차이를 유발시킨

다. 따라서 각 오염원은 ‘2.1.2 수질오염원의 배출구조’에서 제시된 것과

같이 배출구조별로 조사되어야 한다.

㈏ 행정구역별 배출부하량 산정

행정구역별 배출부하량은 해당지역의 오염원별 처리체계와 발생원 규

모에 수질항목별 오염부하 원단위 또는 처리효율을 고려하여 산정한다.

㈐ 유역별 배출부하량 산정

유역으로부터 배출되는 오염부하량은 행정구역 단위별로 산정된 배출

부하량 정보를 유역단위의 배출부하량 정보로 전환시켜야 한다. 이를 위

해서는 유역변환계수의 도입이 필요하다. 유역변환계수란 행정구역 단위

로 산출된 오염물질 배출부하량을 유역을 중심으로 환산하기 위한 기술계

수를 의미하는 것으로, 1차적으로 대상유역내에 포함된 각 행정구역별 오

염물질 배출부하량이 구역의 공간내에서 균등하게 분포한다고 가정하면

대상공간의 면적비로 산출이 가능하다.

산출된 유역변환계수를 행정구역단위의 오염물질 배출부하량에 곱하여

유역단위의 오염물질 배출부하량을 산출할 수 있다.

그러나 실제적으로는 인구, 축산 등 각 오염원이 행정구역에 균등하게

분포하고 있지 않기 때문에 현재의 방법으로 유역별 오염원이나 오염부하

를 산정할 경우 많은 오차를 유발하는 단점이 있다.

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(2) 수학적 오염부하 산정

오염부하량의 산정을 위해서는 적어도 오염원별로 발생된 대상물질이

어떤 처리경로를 거쳐 최종적으로 공공수역으로 방류되는지 파악되어야

한다. 일반적인 배출경로는「하수도법」(환경부, 2003) 및「오수분뇨및축

산폐수의처리에관한법률」(환경부, 2003)에 명시된 법적인 처리경로를 기

준으로 할 때 과 같이 정리할 수 있다.

즉, 대상물질이 발생원에서 처리되지 않고 직접 방류되는 경우, 발생원

에서 개별처리시설을 거쳐 방류되는 경우, 환경기초시설을 거쳐 방류되는

경우 등 여러 경로를 거쳐 공공수역으로 배출된다.

여기서 ‘처리시설’은 발생원에 설치된 처리시설로 단독정화조, 오수처리

시설(단독정화조와 오수처리시설은 통칭하여 이하 ‘정화시설’), 축산폐수처리

시설, 산업폐수처리시설 등이며 각 처리시설별로 처리시설의 특성과 운전

상태에 따라 삭감되는 처리율(β1)은 다를 수 있다.

‘이송시설’은 발생원에서 처리된 오염물질을 다른 처리시설로 이송하는

것으로 분류식, 합류식 하수관거 또는 탱크로리 등이며, 발생원 또는 처리

시설로부터 환경기초시설로 이송되는 동안 오염부하가 감소(γ)될 수 있다.

‘환경기초시설’은 하수종말처리시설, 마을하수도처리시설, 분뇨처리시설,

축산폐수공공처리시설, 산업폐수종말처리시설 등이며, 각 처리시설별로 처리

시설의 특성과 운전효율에 따라 삭감되는 처리율(β2)은 다를 수 있다.

‘연계처리’는 분뇨처리시설의 하수종말처리시설로의 연계처리, 축산폐수

처리시설의 하수종말처리시설로의 연계처리, 폐수종말처리시설의 하수종말

처리시설로의 연계처리 등이며 추가로 처리되는 단계별로 오염부하는 추가로

삭감된다.

각 처리시설의 오염부하는 실제 배출하는 농도를 적용하는 것이 원칙

이나 여의치 않은 경우 와 같은 각 시설의 배출기준을 적용한다.

현재 국내에서 수질관리를 위한 오염부하 산정은 한강수계의 경우 ‘한강

수계 오염총량관리계획수립지침(환경부 고시 1999-143호)’을 적용하고 있으며,

- 15 -

낙동강․금강․영산강수계는 수계오염총량관리기술지침(국립환경연구원, ‘04. 8)에

근거하여 산정하고 있다.

대상물질의 일반적 배출경로

오염물질 처리시설의 방류수기준 및 배출허용기준

본 연구에서는 대상수계가 한강수계의 지류인 왕숙천이므로 한강수계

오염총량관리계획수립지침을 적용하였다.

- 16 -

다음은 ‘한강수계 오염총량관리계획 수립지침’에 의한 각 오염원별 발

생부하 및 배출부하 산정과정을 개략적으로 서술한 것이다.

㈎ 발생부하량 산정

발생부하량은 다음 식과 같이 조사된 오염원 자료에 의 발생

원단위를 곱하여 산정하였다.

발생부하량 = Σ{(인구수, 사육두수 등)× 오염원별 발생원단위}

오염원별 발생원단위

오 염 원 BOD TN TP

인구(g/인․일)

시가화가정 50 10.5 1.2

영업 26 8.0 0.7

비시가화가정 49 13.2 1.5

영업 26 8.0 0.7

산업(g/㎥) 업종별 발생원단위 적용

축산(g/두․일)

젖소

합계 556.2 161.82 56.65

분 117.09 98.28 46.00

뇨 439.11 63.54 10.65

한우

합계 528.0 116.8 36.14

분 460.56 76.76 32.62

뇨 67.44 40.04 3.52

말

합계 259.2 77.6 23.98

분 229.14 50.92 21.64

뇨 30.06 26.68 2.34

돼지

합계 109.0 27.7 12.24

분 76.80 12.80 8.96

뇨 32.20 14.90 3.28

토지(㎏/㎢/일)

전(밭) 1.59 9.44 0.24

답(논) 2.30 6.56 0.61

임야 0.93 2.20 0.14

대지 85.90 13.69 2.10

기타 0.960 0.759 0.027

(목장) 35.1 5.37 1.72

양식(g/㎡)가두리 86.0 10.5 5.4

유수식 38.4 5.2 0.9

- 17 -

㈏ 배출부하량 산정

배출부하량은 오염물질 배출구조 및 처리특성에 따라 다음과 같이 구

분하여 산정한다.

o 인 구

인구에 대한 배출부하량은 하수처리구역과 하수미처리구역으로 구분하

여 산정하며, 또한 하수미처리구역은 수거식변소 사용인구, 오수정화시설

사용인구, 단독정화조 시용인구 등으로 구분하여 산정한다.

o 축 산

축산에 의한 배출부하량은 축종(젖소/한우/말/돼지/양/사슴/가금), 공공

처리/개별처리, 개별처리인 경우 법적규제 구분(허가/신고/신고미만)과 축

분 및 폐수처리 처리방법(폐수처리/자원화처리/미처리) 등을 고려하여 산

정한다.

o 산 업

산업폐수로부터의 배출부하량은 개별배출시설의 폐수처리시설 실적을

기초로 개별배출시설에서 직접 방류하는 경우와 환경기초시설을 통한 방

류로 구분하여 산정한다. 단, 폐수 중 관외의 처리시설을 통해 위탁처리

하는 양 및 하수종말처리시설로 연계되어 처리되는 양은 배출부하량 산정

에서 제외한다. 매립장 침출수에 의한 대상물질의 배출부하량은 별도로

산정하여 전체 배출량에 포함한다.

o 양 식

양식장으로부터 유발되는 배출부하량은 배출경로별로 처리시설을 거치지 않

고 직접 방류하는 경우와 처리시설을 거쳐 방류하는 경우로 구분하여 산정한다.

o 토 지

토지에 의한 배출부하량은 발생원단위가 토지이용에 따른 연간 10mm

이상 강우에 대한 실제 배출량을 기준으로 설정되었으므로 발생부하량에

기준유량인 저수기 동안 10mm이상의 강우빈도를 고려하여 산정한다.

- 18 -

2.2 GIS를 이용한 수질관리 적용사례

2.2.1 국 내

국내에서는 과학적인 수계관리 및 수질환경정책수립을 지원하기 위하

여 한강 등 4대강유역을 대상으로 오염원조사 및 데이터베이스 구축, 수

질모델 기법을 활용한 응용시스템을 개발하여 부분적으로는 사용하고 있

지만 아직까지는 자료검색 수준 정도로 이용되고 있다.

이 중에 수질관리를 위해 국내에서 처음으로 개발한 시스템은 1998년

구축된 한강수계 수질환경정책지원시스템으로 수계 오염원의 DB를 구축

하여 수질모델 프로그램과 연계하였으나(환경부, 1998), DB와 모델의 연

동구조가 취약하고 GIS와의 연계도 미약하여 정책결정에 바로 이용되기

에는 다소 미흡한 시스템으로 평가되고 있으며, 그 후에 구축된 금강․영

산강권역 수질예측모델링 및 4대강 통합 GIS 시스템은 GIS기반으로 DB

와 모델이 연동된 시스템으로 오염물질 삭감, 시나리오분석 등의 분석

Tool이 제공되고 있다(환경부, 1999).

농어촌 연구원(1999～2002)은 새만금유역 GIS 도입을 위한 DB구축을

통해 유역내에서 다양한 형태로 발생되는 대용량의 환경정보를 효율적으로

관리하기위한 GIS 응용 기법들을 적용하였다. 유역에서 발생되는 오염원

데이터베이스를 구축하고, 이를 수질 모델과 완전통합 방식으로 연결하여

정확도 높은 오염부하 예측이 가능하도록 오염원 DB와 수질모델인

WASP을 연계하는 통합관리시스템이 개발되었다.

김계현(2000～2004)은 육역에서 배출되는 오염물질에 의한 연안역 수질

모의를 위해 GIS기반의 연안역 수질관리시스템을 구축하였다. 연안역 수질에

영향을 미치는 육역의 경계를 설정하여 오염원의 수집 및 해석, 발생 및

배출부하량 산정, 유달부하량 산정, 연안해역 오염물질 확산모의 등 각 단계별

과정을 통해 효율적인 연안역 관리방안 도출과 오염부하 삭감계획시 기초

자료로 활용이 가능하도록 하였다.

- 19 -

서동일 등(2002)은 GIS 속성 및 공간정보를 활용하여 읍․면단위의 지

방자치단체에서의 지역의 오염원과 소수계에 대한 수질정보를 종합하여

유역에서 발생하는 오염부하를 원단위모델을 이용하여 산정하고, 이를 수질

모델에 연결하여 목표지점의 수질을 예측할 수 있도록 함으로써 유역관리

정책수립에 효과적으로 활용가능토록 하였다.

이들 시스템은 오염원, 오염물질 처리시설, 수질측정자료, 수리․수문

자료 등 수환경 관련자료를 데이터베이스로 구축하여 리․동 단위별로 발생/

배출부하량을 산정하였으며, 산정된 값을 배수구역별로 전환하여 유달부하량

산정과 수질예측모델에 이용하였다. 그러나 여기서 산정된 오염부하는 대부분

EXCEL 등 상용 통계Tool에서 사전에 계산된 값을 면적비로 배수구역에

할당된 값이기 때문에 토지이용의 특성을 충분히 반영하지 못한 단점이

있다. 즉, 오염원 등 대부분의 자료는 리․동별로 세분화 하였으나 실제자료는

그와 같은 공간적 해상도를 가지지 못하였기 때문에 단순한 지역 할당 등

으로 인하여 실제 값과는 오차가 발생될 확률이 높은 문제점을 갖고 있다.

또한 시스템에서 GIS의 적용은 대체로 오염부하 등 산정된 값을 디스플

레이하는 수준으로 이용되고 있어 공간분석에 의한 오염원 분포해석 등

GIS 적용에 대한 장점을 충분히 살리고 있지 못하고 있는 실정이다.

오염부하 산정을 위하여 공간분포 해석 등 GIS를 적용한 연구는 하성룡

(1998), 정동일(1998)에 의해 토지피복도를 이용하여 시도된 경우가 있는데,

여기서는 리․동별 오염원을 격자(GRID) 단위로 할당하고 해당 격자에 각

오염원의 부하원단위를 곱하여 오염부하량을 산정하는 등 기존의 오염부

하 산정방식과 비교하였을 때 오염원의 분포를 실제에 보다 가깝게 재현

하여 오염부하 산정에 대한 오차를 감소시키기 위한 과정을 시도하였다.

이 과정은 와 같이 생활계, 축산계, 산업계, 양식장, 토지계 등 각

오염원별로 레이어를 만들어 각 레이어에 오염원의 행정구역별 밀도를 계

산하여 저장한 후, 그 값을 오염원단위와 곱하여 부하량을 산정한다. 각

오염원별로 계산된 격자자료를 중첩하여 총 부하량을 나타내는 결과물은

최종적으로 하나의 레이어에 저장된다.

- 20 -

그러나 여기에서는 행정구역(리․동)별 오염원 분포의 파악 및 오염물

질 발생부하량 산정시 격자구조에 의한 공간자료 해석기법이 이용됨에 따

라 본 연구와 같이 벡터자료인 폴리곤(polygon)에 의한 현실세계를 충분

히 반영하지 못하는 단점이 있고, 하천 수질오염 해석시 가장 중요한 인

자인 오염물질 배출부하량은 EXCEL과 같은 상용 Tool에서 산정된 수학

적 계산결과를 행정구역별로 해당 격자에 일률적으로 할당함에 따라 정확

한 배출위치가 고려되지 않아 수질예측시 오차가 유발될 우려가 있다.

격자구조에서의 공간연산에 의한 오염부하량 산정

- 21 -

2.2.2 국 외

‘90년대 이후 미국의 수질 정보화에서 나타나는 새로운 경향 중 하나는

GIS와 유역모델 그리고 하천이나 호수 또는 하구 모델과 같은 수용수체

모델을 통합하는 시스템이다. 유역의 점오염원과 비점오염원 그리고 환경

기초시설에 관한 자료를 GIS로 표현하고 유역 모델과 수용수체 모델을

통하여 대상 유역의 오염원과 수질을 효과적으로 관리한다. 여기에 원격

탐사(Remote Sensing)를 이용하여 유역의 지형과 토지이용도 그리고 오염원에

관한 정보를 보다 정확하게 구하는 방법을 부가하여 사용하고 있다.

미국은 유역관리 및 수질오염총량관리(TMDL : Total Maximum

Daily Loads)를 위해 지역의 특징을 고려한 다양한 모델과 분석 Tool을

개발하고, 이를 다양한 지역에 상용화하기까지 장단점을 분석․보완하고

있으며, 수질, 수리, 수문과 유역내 오염원을 함께 다루는 BASINS,

LWMM, GISPLM, WDTT와 같은 통합모델링시스템을 개발하여 정책결정에

실질적으로 이용하고 있다.

이 중에 BASINS는 환경분석의 다양한 측면을 수행하기 위해 상호관

련 있는 컴포넌트 모음으로 구성되어 있다. 컴포넌트는 1) 국가에서 생산

된 데이터베이스, 데이터 추출(data extraction) 기능과 사업 구축(project

builder), 2) 평가 기능(Target, Assess, and data mining) 3) 데이터 조작과

평가를 위한 기능, 4) 유역생성을 위한 기능, 5) DEM, 토지이용, 토양 및

수질관측을 분류하기 위한 기능, 6) 유역서술 보고서, 7) 하천수질모델

(QUAL2E), 8) 두개의 유역 이동 및 부하모델(Hydrological Simulation

Program-Fortran, HSPF와 Soil and Water Assessment Tool, SWAT),

9) GIS 기능의 모델인 PLOAD로 구성되어 있다. PLOAD는 유역에 대한

오염물질 부하를 계산하기 위해 개발된 Arc View extension 이다. 이 기능은

사용자가 지정한 특정 오염물질에 대해 간략한 접근방법을 이용하여 우리

나라의 원단위법과 유사한 년평균 단위로 오염의 비점오염원을 추정하였다

(USEPA, 2001).

- 22 -

Jennifer Benaman 등(1996)은 지리정보시스템과 WASP5 모델을 연계하

여 점․비점오염부하로 인한 수질변화 평가를 위해 정상상태 조건에서의

간단한 BOD/DO 모형을 개발하였다. 이 연구에서는 DEM을 이용하여 하

천망 및 유역경계를 추출하였으며, 하천은 수문조건에 따라 여러개의 구획

(Segment)으로 분류하였으며, 여기에 GRID별 강우량자료와 강우유출인자

를 이용하여 각 구획 수질농도에 따른 비점오염부하를 산정하였다. 이때

의 오염부하는 GRID 단위로 적용하였으며, 오염부하의 산정은 토지이용

도와 점오염원의 위치정보를 이용하였다.

Eugenia Naranjo(1997)는 지리정보시스템을 도입하여 유역내 가정하수

및 산업 폐 수, 농 경지 등 에 의한 오염부하를 평 가 하기 위 해 DEM 자 료,

하천망, 강우유출, 토지이용 수치지도, GRID 단위 연평균 오염 부하를 이

용하였 다. 여기서 는 지리 정보시 스 템과 비 점 오염 모 델 을 통합 하였으며 ,

이 모델에서 사용된 오염부하는 연평균치로 비도시지역과 도시지역, 그리고

인구밀도가 높은 도심지, 주택지, 농경지, 산림지, 습지대, 불모지 등으로

구분하여 토지이용별 강우유출 부분을 추정하였으며, 여기에 점오염부하인

가정하수 및 산업폐수 등을 포함시켜 적용하였다.

한편, 최근에는 점오염원에 비하여 오염원의 위치 파악이 어려운 비점

오염원에 대한 오염부하의 집적 등에 대한 해석을 위해 위성영상을 이용한

원격탐사 등의 접근방법이 활발히 이용되고 있으며(Corbett et al. 1997,

Leon et al. 2001), 이는 GRID 형태의 지형정보를 기반으로 하는 AGNPS

등 비점오염 모델이 적용되고 있다.

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Ⅲ. 토지이용의 공간적 변이를 이용한 오염부하 산정방법

3.1 연구 대상지역

본 연구의 대상지역은 과 같이 우리나라 중서부에 있는 경

기도의 동북부지역에 위치한 왕숙천 유역으로 한강의 제1지류로서 경기도

포천시 내촌면 신팔리를 기점으로 하여 남양주시를 지나 구리시 토평동까

지 약 37km에 달한다. 10여개의 제1지류를 가지고 있고, 유역면적은

276.52㎢로 포천군이 66.21㎢, 남양주시가 192.41㎢, 구리시가 17.90㎢를 점

유하고 있다. 행정구역으로는 구리시 8개동 전체, 남양주시 중 화도읍, 수

동면, 조안면을 제외한 지역인 12개 읍면동, 포천시의 내촌면, 소홀읍의

일부 지역으로 과 같다.

왕숙천은 한강과 합류 후에는 서울특별시의 상수 취수원인 암사취수장

등 7개의 취수장(취수능력 6,366톤/일)이 위치하고 있어 왕숙천의 수질관

리문제는 포천시, 구리시, 남양주시 등 3개 지방자치단체 뿐만 아니라, 잠

실상수원을 취수원으로 이용하고 있는 서울특별시, 인천광역시까지 이해

관계가 얽혀 있는 곳으로 그 중요성을 더하고 있으며, 특히 팔당호하류～

잠실수중보 구간에는 왕숙천 이외에 특별한 오염원이 거의 없어 잠실수중

보의 수질은 상류 팔당호 수질과 왕숙천에 의해 결정된다고 해도 과언이

아닐 정도이다.

그러나 ‘98년 한강특별종합대책이 추진된 이후 남양주시의 택지개발

등으로 인해 인구가 급증함에 따라 왕숙천의 수질은 '02년 BOD 19.2㎎/

ℓ, '03년 BOD 24.2㎎/ℓ로 급격히 악화되어 ’05년 목표수질인 BOD 5.2

㎎/ℓ을 훨씬 초과하고 있어 정부에서는 왕숙천을 중점관리 대상수역으로

선정하여 세부 보완대책 등이 강구되고 있는 실정으로 정밀한 오염원 분

석이 필요한 유역이다.

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연구 대상지역의 행정구역

시군구 읍면동

구리시 갈매동, 교문1․2동, 동구동, 수택1․2․3동, 인창동

남양주시진접읍, 와부읍, 진건읍, 오남읍, 별내면, 퇴계원면, 호평동, 평내동,

지금동, 양정동, 도농동, 금곡동

포천시 내촌면, 소홀읍

연구 대상지역의 행정경계 및 지형

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3.2 오염부하량 산정을 위한 데이터베이스 구축

지리정보는 도형정보와 속성정보의 두 가지로 나눌 수 있는데 도형정

보는 공간객체의 형상을 2차원의 공간좌표 XY 혹은 3차원의 공간좌표

XYZ로 표현하며 시각적인 판단근거를 제공한다. 속성정보는 도형정보와

같이 시각적인 형태를 가지지는 않으나 지리적 객체와 연관된 다양한 관

련정보를 포함한다. 따라서 GIS에서 다루어지는 도형자료와 속성자료는

공간상에 존재하는 모든 객체에 의하여 발생되는 정보이므로 통칭하여 공

간정보라고 하며, 공간정보를 이용하여 공간상에 존재하는 객체들의 상호

연관관계를 분석하여 필요한 정보를 얻을 수 있다. 그러므로 XY나 XYZ

의 좌표값을 기준으로 오염원의 정확한 위치파악과 함께 오염원의 유형별

집적과정에 대한 정량적인 파악을 위하여 기구축된 자료를 이용하여 본

연구에 맞게 가공하고 편집하여 재구축하거나 오염부하 산정에 필요한 수

치자료가 전혀 존재하지 않는 경우에는 신규로 생성하여, 오염부하 산정

에 필요한 도형자료 및 속성자료를 구축하였다.

3.2.1 도형 데이터베이스

연구 대상지역의 특성을 파악하고 오염원의 배출경로를 파악하기 위해

도형자료를 벡터자료인 shapefile 형태로 구축하였으며, TM좌표계를 사용

하였고, 도형자료 구축을 위하여 ArcGIS 8.3, Imagine 8.4, GeoMania 2.4

등의 소프트웨어를 이용하였다. 본 연구를 위하여 구축된 도형데이터베이

스는 행정구역도 및 하천도의 기본도와 시가지역과 비시가지역을 구분한

시가비시가화구분도, 대상지역의 토지지목별 형태를 보여주는 토지피복도,

분류식, 합류식을 구분한 하수처리구역도, 폐수배출허용기준구분도, 하수

종말처리시설, 분뇨처리시설, 축산폐수공공처리시설의 환경기초시설과 수

질측정지점, DEM을 이용하여 추출한 유역도 등의 주제도이다.

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(1) 도형자료 구축 방법 및 작업과정

위의 도형 자료 중 오염부하 산정에 필요한 정보를 가진 기존의 수치

자료가 존재하는 경우 즉, 행정구역도, 하천도, 토지피복도, 환경기초시설

물의 위치 등은 원시자료를 이용하여 본 연구에 맞게 가공하고 편집하였

고, 폐수배출허용기준지역도와 같은 경우는 리동데이터를 기본으로 리동

별 폐수배출허용기준을 속성에 입력하여 구축하였다. 그러나 하수처리구

역도나 비시가화구분도와 같이 기존의 수치자료가 전혀 존재하지 않는 경

우에는 다음과 와 같은 과정을 거쳐 자료를 생성하였다.

도형자료 구축을 위한 작업과정

하수처리구역도나 시가비시가구분도 등은 수치자료가 존재하지 않으므

로 기존의 보고서 형태의 종이지도와 같은 자료를 수집하여 스캐닝하여

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이미지 자료를 획득하였다. 스캐닝에 의해 취득된 자료는 일정크기의 격

자에 사물을 나타내는 수치 값�