1. Introduction
하수관거시설은 하수처리구역에서 발생된 오수와 우수를 하수처리장 또는 수역으로 이송하는 매우 중요한 기능을 하고 있는 기반시설이다. 우리나라에서는 1980년대부터 본격적으로 하수처리장과 하수관거가 건설되기 시작하였다. 그러나 하수처리장이 건설된 이후 채 몇 년도 지나지 않아 하수관거가 균열되거나 단락되는 등 빠르게 노화되어 가고 있다(Jung and Park, 1999). 그러므로 적절한 시기에 하수관거의 정비 또는 개선이 수반되지 않고서는 하천의 수질개선, 처리장의 효율제고 및 생활환경 개선이라는 하수도의 궁극적인 목적을 달성하기가 매우 어렵게 된다(Park et al., 2005).
환경부는 2002년을 하수관거정비 원년으로 선포하고 이를 하수도 시책의 최우선 과제로 추진하고 있다. 특히 2005년부터는 BTL (Build-Transfer-Lease) 사업방식으로 본격적인 하수관거 정비를 시작하였다(Lee, 2007; Oh and Jung, 2008; Park, 2007).
하수관거 정비사업이 이루어진 지역에서 관거정비 효과를 적정하게 평가하기 위해서는, 공사 전･후를 비롯하여 공사기간에 대한 유량 및 수질 모니터링 자료를 수집하여 관거정비 구간에서 나타나는 실제 관거이송 현상을 바탕으로 하여 여러 가지 요인들에 의한 영향을 분석하고 이를 향후 운영지표 기준산정에 활용할 수 있도록 하여야 한다(Lee, 2007).
Ryeo et al. (2003)은 불확실성을 고려한 추계학적인 모형을 수립하여 하수관거 상태를 평가하는 기준으로 불명수의 발생량을 산정하였으며, Kim(2005)은 범용적인 수질예측모형인 QUAL2E 모형을 이용하여 하수관거 정비지역에 대한 수질개선효과를 평가하였다. 한강 등 4대강 수계에서는 도시수문모형(SWMM)을 적용하여 하수관거 정비지역에 대한 오염부하 삭감효과를 분석하였다(GRWMC/NIER GRERC, 2008; HRWMC/NIER HRERC, 2008; NRWMC/NIER NDRERC, 2008; YSRWMC/NIER YSRERC, 2008). 수질모형이나 수문모형 등을 사용하여 관거정비 효과를 분석할 경우에는, 모형에 포함된 여러 가지 가정인자 또는 불확실성 때문에 관거정비와 직접적으로 관계없는 수질변화 요인들이 영향을 미칠 수가 있다. Cho et al. (2009) 및 Jin (2010)은 하수관거 정비사업에 대한 효과분석 지표의 하나로서 하수처리장의 유입 하수량을 분석하였으나, 관거정비 효과 이외의 영향요인들에 대한 분석이 이루어지지 않았다.
따라서 본 연구에서는 관거정비 사업･전 후에 나타나는 관거이송 유량 및 수질 측정자료를 바탕으로 하여 관거이송에 직접적으로 영향을 미치는 요인들과 함께 관거이송 유량 및 수질특성을 분석함으로서, 하수관거 정비사업에 따른 관거정비 효과가 적정하게 평가될 수 있도록 하였다.
2. Materials and Methods
2.1. 관거이송 영향요인
관거로 유입된 하수(sewer influx)는 합류식 또는 분류식 관거를 통하여 하수처리장(sewage treatment plant, STP)으로 이송된다. 하수 배제방식이 합류식인 지역에서는 다음 Fig. 1과 같이 강우시(rain days)와 비강우시(dry days)의 관거유입이 뚜렷하게 구별된다. 비강우시에는 생활계 및 산업계 등의 점오염원으로부터 하폐수가 관거로 유입되나, 강우시에는 이에 더하여 비점오염원으로부터 강우유출수가 추가적으로 유입된다(Park and Oh, 2010). 관거로 이송되는 도중에는 침입수/유입수(I/I, infiltration/inflow)를 비롯하여 관거누수(exfiltration)나 또는 관거월류(overflow)가 발생한다. 분류식지역에서는 오수관과 우수관이 분리되어 있어 대체적으로 관거월류 현상이 잘 나타나지 않지만, 합류식 관거에서는, 하폐수를 이송하기 위한 관거용량 또는 통수능력이 부족하지 않을 경우에도 강우유출수(storm water)의 유입으로 인하여 관거월류(overflow)가 발생하게 된다(Park et al., 2010).
Fig. 1.Mass transfer path in combined sewer system (park et al., 2010).
하수 배제시스템이 분류식인 경우에는 이송과정 중에 I/I와 같은 불명수가 유입되며, 합류식인 경우에는 이에 더하여 강우시의 우수가 오수와 함께 혼입되고 있다. 다음 Table 1은 하수관거의 불명수 유형과 그 영향 요소를 나타낸 것이다(HRWMC/NIER HRERC, 2006).
Table 1.Types and influence factors of indefinite flow in the sewer systems
하수관거정비(sewer rehabilitation)란 하수관거가 외부요인에 의하여 훼손되어 구조적, 수리적으로 제 기능을 발휘하지 못하는 관거를 원래의 기능이 회복되도록 보수･보강하는 것을 말한다(Jung and Park, 1999). 하수관거정비의 1차적인 목적은 침입수/유입수의 양을 감소시키고 하수처리장으로 이송되는 도중에 나타나는 관거누수와 관거월류량을 감소시키는 것이라고 할 수 있다. BTL 사업은 우수와 오수의 완벽한 분리와 안정적인 이송을 비롯하여 선진적인 유지관리시스템을 구축함으로서 하수관거의 기능회복, 하수처리장의 운영효율 증대, 방류수역의 수질개선 및 생활환경을 쾌적하게 개선하는데 목적을 두고 있다(Park, 2007; Oh and Jung, 2008). 하수관거의 침입수/유입수는 관거이송에서 상당히 많은 양을 차지하고 있다. 북한강수계에 위치한 춘천 공지천 배수구역(합류식지역의 2지점 및 분류식지역의 2지점)에서 조사한 I/I 발생비율을 보면, 건기 일평균 하수량(m3/d)을 기준으로 17.8~54.7%의 범위를 보이고 있으며, 한강본류수계에 위치한 서울지역의 서남 하수처리구역(분류식 고밀도 주거지역의 1지점 및 합류식 저밀도 주거지역의 1지점)을 대상으로 조사한 바에 따르면 20.0~22.3%의 범위로 나타난 바 있다(HRWMC/NIER HRERC, 2007).
수질오염총량관리 기술지침(NIER, 2012)에서는 관거 유입인자와 하수처리장에서 실측된 관거이송량을 기준으로 하여 관거이송 물질수지를 분석하며, 생활계 및 토지계의 관거유입량은 다음 식 (1) 및 (2)와 같이 산정한다. 이 식에서 인구수와 강우조건은 하수처리구역의 관거이송량을 변화시키는 직접적인 요인이 된다.
2.2. 관거이송 유량 및 수질특성 분석
3대강수계에서 수질오염총량관리 제1단계인 2004년도에서 2010년도 사이에 관거정비 사업이 시작된 지역은 15개 시군이며(NIER, 2011a, 2011b, 2011c), 제2단계인 2011년부터 2015년 사에에 관거정비 사업이 계획된 지역은 20개 시군이다(Chungbuk, 2009; Chungnam, 2009; Daejeon, 2009; Gangwon, 2009; Gwangju, 2009; Gyeongbuk, 2009; Gyeongnam, 2009; Jeonbuk, 2009; Jeonnam, 2009a; Jeonnam, 2009b).
3대강수계에서 2012년말 현재 BTL 관거정비 사업이 준공된 지역은 충북 진천군, 경북 상주시 및 경북 김천시의 3개 지역이다. 본 연구에서는 BTL 사업이 완료된 이 3개 지역을 대상으로 관거정비 전후의 관거이송 유량 및 수질특성을 분석하였다(Table 2 참조).
Table 2.The outline of BTL sewer rehabilitation project in the study area
다음 Fig. 2는 각 조사대상 지역이 속하는 총량관리 단위유역 및 하수처리구역을 나타낸 것이다. S1지역은 금강수계의 미호A (Miho-A) 단위유역에 속해 있으며 하수처리구역 면적은 약 25.4 km2 이다. S2지역은 낙동강수계의 병성A (Byeongseong-A) 단위유역에 속해 있는 지역으로서 하수처리구역의 면적은 약 112.3 km2 이다. S3지역은 낙동강수계의 감천A (Gamcheon-A) 단위유역에 속해 있으며, 하수처리구역 면적은 약 153.4 km2 이다.
Fig. 2.The unit watershed and sewerage zone of study area.
하수관거 BTL 사업이 완료된 3개 지역을 대상으로 관거정비 실태와 관거정비 전후의 오염물질 배출조건을 조사하고 관거이송 유량 및 수질특성을 분석하였다. 관거정비 실태는 최근 10년간의 하수처리구역 자료(NIER, 2013)와 하수관거 시설자료를 이용하여 조사하였으며(MOE, 2004; 2005; 2006; 2007; 2008; 2009; 2010; 2011; 2012; 2013), 오염물질 배출조건은 최근 10년간에 대한 인구현황 자료(NIER, 2013)와 강우자료(KMA, 2013)를 이용하여 조사하였다. 관거이송 유량 및 수질특성은 패턴변화와 양적변화로 구분하여 분석하였다. 패턴변화는 일유량 및 일수질 그래프의 변동형태를 분석하고 변동계수(coefficient of variation, CV)를 산정하여 분석하였다. 일유량 및 일수질 자료는 BTL 사업의 준공시점을 기준으로 하여 과거 5년 전부터 최근까지 수집이 가능한 자료를 대상으로 하여 분석하였다. S1지역의 경우에는 2003년도부터 일별자료가 가능하였으나, S2지역에서는 2006년도부터, S3지역에서는 2007년도부터 일별자료가 가능하였다. 양적변화는 연평균 증가율과 건기기간 동안의 증가율을 비롯하여 계절별(하절기와 동절기) 증가율을 기준으로 하여 분석하였다. 관거정비 전과 후의 연평균 유량과 수질농도는 정비공사가 시작되기 전의 3년간에 대한 평균값과 정비공사가 완료된 후의 3년간에 대한 평균값으로 하였다. 관거정비 전후의 3년간에 대한 자료확보가 어려운 지역에서는 확보된 자료에 한정하여 분석하였다. S1지역과 S2지역의 경우에는 공사 전후의 3년간에 대한 자료확보가 가능하였으나, S3지역에서는 공사후의 3년간에 대한 자료확보가 어려워 1년간의 자료를 사용하여 분석하였다.
3. Results and Discussion
3.1. 관거정비 실태
관거정비 공사는 정비대상이 되는 관거시스템이 운영 중인 상태 하에서 진행되므로 처리구역 내의 모든 관거를 동시에 정비하거나 단기간에 교체하는 것은 매우 어려운 일이며, 일반적으로 공사를 완료하는 데는 상당한 기간이 소요되게 된다. 관거정비는 BTL 사업과 같은 대규모 정비사업을 통하여 집중적으로 추진되기도 하지만, 소규모 정비공사를 통하여 매년 지속적으로 이루어지는 경우도 있다.
관거정비를 통하여 관거이송 변화가 크게 유발되는 요인으로서는 기존 노후관의 교체 및 하수처리구역의 확장을 비롯하여 하수배제 시스템의 전환 등을 들 수 있다. 다음 Fig. 3은 조사대상 지역에 대한 최근 10년간의 연도별 하수처리구역 현황과 관거시설 연장을 나타낸 것이다. S1지역의 하수처리구역은 ’03년에 4개 리지역에서 ’05년에 8개 리지역으로 확장된 후, BTL 사업기간인 ’06~’08년에는 하수처리구역이 변경되지 않았으며, BTL 사업이 준공된 후인 ’10년에는 13개 리지역으로 하수처리구역이 대폭 확장되었다. 이 지역의 합류식 관거시설은 ’03년부터 ’09년까지 변동이 없었으나, ’10년 이후에는 점점 감소되고 있다. 분류식 관거시설은 ’03년 이후부터 ’07년까지 매년 10% 이내에서 소규모로 증가하였으나, BTL 사업기간 동안에는 사업 전에 비하여 약 73%가 증가하였다. BTL 사업기간 이후에도 분류식 관거는 크게 증가하여, ’10년에는 전년도에 비하여 약 2.4배로 증가하였다
Fig. 3.Changes in sewerage zone and sewer pipe length of study area.
S2지역의 하수처리구역은 ’03년에 13개 동･리지역에서 ’06년에 16개 동･리지역으로 확장된 후, BTL 사업 초기인 ’07년에는 20개 동･리지역으로 확장되었다. BTL 사업이 준공된 연도인 ’10년에는 38개 동･리지역으로 대폭 확장되었으며, ’12년에는 다시 50개 동･리지역으로 확장되었다. 이 지역의 합류식 관거시설은 ’04년에 대규모로 증가한 후 ’07년까지 일정하게 유지되다가 ’08년 이후에는 모두 분류식 관거시설로 교체되었다. 분류식 관거시설은 ’03년 이후부터 ’07년까지 소규모로 증가하다가 BTL 사업기간 중에는 대규모로 증가하였다. 또한, BTL 사업기간 이후에도 계속해서 증가하고 있는 것으로 나타났다.
S3지역은 ’04년부터 자료확보가 가능하여 ’04년부터 ’12년까지 연도별 하수처리구역 현황 및 관거시설 연장을 검토하였다. 이 지역의 하수처리구역은 ’04년부터 07년까지 19개 동･리지역으로 변동이 없었으나, ’08년에는 20개 동･리지역으로 확장되었으며, ’10년에는 다시 24개 동･리지역으로 확장되었다. 이 지역의 합류식 관거시설은 ’04년부터 ’05년까지 동일하게 유지하여 오다가 ’06년에 대규모로 감소한 후 계속해서 조금씩 감소하고 있으며, 분류식 관거시설은 ’06년에 대규모로 증가한 후, BTL 사업기간과 그 이후에도 계속해서 증가하고 있는 것으로 나타났다.
3.2. 오염물질 배출조건
하수처리구역에서는 관거정비가 이루어지지 않더라도 유역의 인구나 강우조건이 달라지면 관거이송량이 달라진다. 관거이송량이 달라지면 관거로부터의 누수량 및 월류량이 달라지며 이에 따라 하수처리구역으로부터 배출되는 오염물질의 양이 달라지게 된다.
관거정비 지역에 대한 최근 10년간 인구 및 강우변화 추이를 보면 다음 Fig. 4와 같다. 공사전과 후를 비롯하여 공사기간에 대한 3년간의 평균값도 함께 나타내었다. 단, S3지역에서는 공사후의 자료가 부족하여 자료확보가 가능한 범위내에서 나타내었다.
Fig. 4.Changes in water pollution sources and rainfall conditions.
S1지역의 최근 10년간 인구 증가율은 연평균 4.8%의 비율로서, 매우 높은 증가율을 보이고 있다. 관거정비 공사기간을 전후하여 각각 3년간의 평균 인구를 비교해 보면 관거정비 후에 약 19.9%가 증가하였다. 지난 10년간 연도별 강우량은 879.5~1,796.8 mm의 범위로서 연평균 1,354.8 mm로 나타났으며, 연도별 강우일수는 72~99일의 범위로서 연평균 86일로 나타났다. 연도별 최대/최소 강우량 비율은 약 2.0으로서 각각 2011년도와 2008년도에 출현하였다. 관거정비 공사기간을 전후하여 각각 3년간의 평균 강우량을 비교해 보면 관거정비 후에 약 6.1%가 감소한 것으로 나타났다. 이 지역에서는 관거정비 전에 비하여 관거정비 후에 인구가 증가하였으며, 이것은 관거정비와 더불어 관거정비 후에 직접적으로 관거이송 유량이 증가하는 요인으로 작용한다. 강우량은 관거정비 전에 비하여 관거정비 후에 감소하였으며, 이것은 관거정비 후에 하절기의 관거이송 유량이 감소되는 요인으로 작용할 수 있다.
S2지역의 최근 10년간 인구 증가율은 연평균 약 −0.7%의 비율로서, 다소 감소하는 경향을 나타내고 있다. 관거정비 공사기간을 전후하여 각각 3년간의 평균 인구를 비교해 보면 관거정비 후에 약 3.3%가 감소한 것으로 나타났다. 연도별 강우량을 보면, 지난 10년 동안 966.1~1,954.5 mm의 범위로서 연평균 1,416.1 mm로 나타났으며, 연도별 강우일수는 69~100일의 범위로서 연평균 83일로 나타났다. 연보별 최대/최소 강우량 비율은 약 2.0으로서 각각 2003년도와 2008년도에 출현하였다. 관거정비 공사기간을 전후하여 각각 3년간의 평균 강우량을 비교해 보면 관거정비 후에 약 2.0%가 감소한 것으로 나타났다. 이 지역에서는 관거정비 전에 비하여 관거정비 후에 인구가 다소 감소하였으며, 이것은 직접적으로 관거이송 유량이 감소하는 요인으로 작용한다. 또한, 강우량의 감소는 관거정비 후에 하절기의 관거이송 유량이 감소되는 요인으로 작용할 수 있다.
S3지역의 최근 10년간 인구 증가율은 연평균 약 −0.6%의 비율로서, 다소 감소하는 경향을 나타내고 있다. 관거정비 공사기간을 전후하여 평균 인구를 비교해 보면 약 0.7%가 감소하였다. 지난 10년 동안 연도별 강우량은 732.5~1,744.2 mm의 범위로서 연평균 1,190.5 mm로 나타났으며, 연도별 강우일수는 64~96일의 범위로서 연평균 78일로 나타났다. 연도별 최대/최소 강우량 비율은 약 2.4로서 각각 2003년도와 2009년도에 출현하였다. 관거정비 공사기간을 전후하여 평균 강우량을 비교해 보면 관거정비 후에 약 3.5%가 증가한 것으로 나타났다.
관거정비를 통하여 분류식 시스템으로 전환된 구간에서는 강우조건에 관계없이 하수만을 하수처리장으로 이송하고, 강우유출수는 우수관거를 통하여 방류수체로 배출되므로 강우량이 증가하여도 관거이송 유량변화에는 그다지 영향을 미치지 않는다. 그러나 합류식 하수관거 구간에서는 이와 같이 강우량이 증가하면 하절기의 관거이송 유량이 증가하는 요인으로 작용할 수 있다.
3.3. 관거정비 전･후의 유량 및 수질패턴 변화
다음 Fig. 5는 S1지역에 대한 관거정비 전·후의 관거이송 유량 및 수질패턴을 나타낸 것이다. 이 지역에서 관거정비 전과 후의 구분은 관거정비 공사가 완료된 시점인 2008년 11월을 기점으로 하여 구분하였다. 관거이송 일유량 변화형태를 보면, Fig. 5(a)에 나타난 바와 같이 관거정비 후에 매우 규칙적이고 일정한 형태로 변화되었다. 관거정비 전후의 일유량 변동계수는 각각 19.2%와 10.1%로서 관거정비 후에 9.1%P가 감소되었다. 건기기간(dry period)에 대한 일유량 변동계수는 각각 19.1%와 9.5%로 나타났다. 관거이송 일수질 변화형태를 보면, Fig. 5(b)에서 보는 바와 같이 관거정비 후에 비교적 규칙적으로 나타나고 있다. 관거정비 전후의 일수질 변동계수는 각각 36.5%와 23.1%로서 관거정비 후에 13.4%P가 감소되었다. 건기기간(dry period)에 대한 일수질 변동계수는 각각 21.3%와 18.7%로서 우기기간(rainy period)을 포함한 연중 변동계수보다는 매우 낮은 값을 나타내고 있다. 관거정비 후에 관거이송 일유량 및 일수질 변화형태가 비교적 일정해지고 변동폭이 감소한 것은 기존 노후관거가 교체되고 하수배제 시스템의 분류식화에 따른 효과와 관거정비 전의 미차집 하수나 불명수의 발생 및 관거누수 등과 같은 불특정한 유출입수의 양이 크게 감소되었기 때문인 것으로 판단된다.
Fig. 5.Patterns of the sewer flow and its BOD concentration in S1 area before and after sewer rehabilitation project.
다음 Fig. 6은 S2지역에 대한 관거정비 전후의 관거이송 유량 및 수질패턴을 나타낸 것이다. 이 지역에서 관거정비 전과 후는 관거정비 공사가 완료된 시점인 2010년 3월을 기점으로 하여 구분하였다. 관거이송 일유량 변화형태를 보면, Fig. 6(a)에 나타난 바와 같이 관거정비 전과 후가 거의 유사하며, 관거정비 전후의 일유량 변동계수는 각각 20.8%와 21.2%로서 일유량 변동폭도 거의 유사하게 나타나고 있다. 건기기간에 대한 일유량 변동계수는 각각 9.3%와 6.3%로서 관거정비 후에 다소 감소된 것으로 나타났다. 관거이송 일수질 변화형태를 보면 Fig. 6(b)에 나타난 바와 같이 관거정비 전에는 물론 관거정비 후에도 매우 불규칙적으로 나타나고 있다. 관거정비 전후의 일수질 변동계수는 각각 30.6%와 33.0%로서 일수질 변동폭 또한 거의 유사하게 나타난다고 볼 수 있다. 건기기간에 대한 일수질 변동계수는 각각 27.5%와 25.5%로 나타났으며, 관거정비 지역의 하수배제 시스템이 분류식으로 전환되었음에도 불구하고 여전히 합류식 형태와 유사하게 나타나고 있다. 이 지역에서는 일단위 수질자료에 대한 결측자료가 존재하여 자료이용에 다소 한계점을 내포하고 있다.
Fig. 6.Patterns of the sewer flow and its BOD concentration in S2 area before and after sewer rehabilitation project.
다음 Fig. 7은 S3지역에 대한 관거정비 전·후의 관거이송 유량 및 수질패턴을 나타낸 것이다. 이 지역에서 관거정비 전과 후는 관거정비 공사가 완료된 시점인 2011년 6월을 기점으로 하여 구분하였다. 관거이송 일유량 변화형태를 보면, Fig. 7(a)에 나타난 바와 같이 관거정비 전과 후에 거의 유사한 형태를 나타내고 있다. 관거정비 전후의 일유량 변동계수는 각각 31.4%와 40.2%로서 관거정비 후에 8.8%P가 증가된 것으로 나타났으며, 건기기간에 대한 일유량 변동계수는 각각 10.8%와 6.0%로서 관거정비 후에 다소 감소된 것으로 나타났다. 관거정비 후에 건기를 제외하고 관거이송 일유량 변동계수가 더 크게 나타났다는 것은 강우시에 관거 유출입수의 영향이 더욱 증가하였다는 것을 시사해주고 있다. 관거이송 일수질 변화형태를 보면, Fig. 7(b)에서 보는 바와 같이 관거정비 전과 후에 거의 유사하게 나타나고 있다. 관거정비 전후의 일수질 변동계수는 각각 19.8%와 18.7%이며, 건기기간에 대한 일수질 변동계수는 각각 15.4%와 18.8%로 나타났다. 이 지역에서도 분류식화 관거정비 사업이 진행되었음에도 불구하고 여전히 합류식지역과 유사한 형태로 나타나고 있다.
Fig. 7.Patterns of the sewer flow and its BOD concentration in S3 area before and after sewer rehabilitation project.
3.4. 관거정비 전･후의 유량 및 수질농도 변화
다음 Fig. 8은 S1지역에 대한 관거이송 유량 및 수질농도를 나타낸 것이다. Fig. 8의 (a-1)은 공사전, 공사중 및 공사후의 연평균 관거이송 유량을 나타낸 것으로서 관거정비 전에는 9,603 m3/d였으나, 관거정비 후에는 10,452 m3/d로서 약 8.8%가 증가되었다. 관거정비 전후의 건기기간 동안에 대한 관거이송 유량은 각각 9,414.8 m3/d와 9,635.7 m3/d로서 관거정비 후에 약 2.3%가 증가한 것으로 나타났다. Fig. 8의 (a-2)는 공사전, 공사중 및 공사후의 연평균 관거이송 수질을 나타낸 것으로서 관거정비 전에는 BOD 120.9 mg/L였으나 관거정비 후에는 232.6 mg/L로서 약 92.4%가 증가되었다. 관거정비 전후의 건기기간 동안에 대한 관거이송 수질은 각각 105.7 mg/L와 247.8 mg/L로서 약 134.4%가 증가한 것으로 나타났다. Fig. 8의 (b-1)은 정비전과 정비후의 계절별 관거이송 유량을 나타낸 것으로서 관거정비 전에는 하절기와 동절기의 유량 차이가 크게 나타났으나, 관거정비 후에는 그 차이가 상당히 감소되었다. 관거정비 전에 비하여 하절기 유량은 1.1%가 감소한 반면, 동절기 유량은 약 27.0%가 증가되었다. Fig. 8의 (b-2)는 정비전과 정비후의 계절별 관거이송 수질을 나타낸 것으로서 관거정비 후에 사계절 모두 관거이송 수질농도가 높아졌다. 이 지역에서 관거정비 후에 관거이송 유량이 증가된 것은 기존 노후관거의 교체에 따른 미차집 하수량의 감소 및 관거누수량의 감소와 인구 증가에 의한 유입량 증가분이 합류식지역의 분류식화 및 강우량 감소에 따른 강우 유입량의 감소분보다 더 크기 때문에 나타난 현상이라고 볼 수 있다. 유역의 인구증가에 의한 관거유입량이 증가하였음에도 불구하고 하절기의 관거이송 유량이 감소된 것은 강우의 유입량이 크게 감소된 것을 시사해 주고 있으며, 동절기의 관거이송 유량이 크게 증가된 것은 인구증가에 의한 관거유입량의 증가와 함께 일부 미차집된 하수량이 관거정비로 인하여 차집되고, 또한 관거누수량이 감소되어 이와 같은 현상이 나타난 것이라고 볼 수 있다. 또한, 관거정비가 이루어진 후에 관거이송 수질농도가 크게 증가된 것으로 볼 때, 불명수나 강우 유입량과 같이 희석작용을 하는 외부 유입수의 양이 현저하게 감소된 것으로 판단된다.
Fig. 8.The comparison of the sewer flow and its BOD concentration in S1 area before and after sewer rehabilitation project.
다음 Fig. 9는 S2지역에 대한 관거이송 유량 및 수질농도를 나타낸 것이다. Fig. 9의 (a-1)은 공사전, 공사중 및 공사후의 연평균 관거이송 유량을 나타낸 것으로서 관거정비 전에는 25,325 m3/d 및 관거정비 후에는 24,569 m3/d로서 약 3.0%가 감소된 것으로 나타났다. 관거정비 전후의 건기기간 동안에 대한 관거이송 유량은 각각 22,956.0 m3/d와 23,257.3 m3/d로서 약 1.3%가 증가한 것으로 나타났다. Fig. 9의 (a-2)는 공사전, 공사중 및 공사후의 연평균 관거이송 수질을 나타낸 것으로서 관거정비 전에는 BOD 74.3 mg/L였으나, 관거정비 후에는 137.8 mg/L로서 약 85.5%가 증가한 것으로 나타났다. 관거정비 전후의 건기기간 동안에 대한 관거이송 수질은 77.6 mg/L와 112.9 mg/L로서 약 45.5%가 증가한 것으로 나타났다. Fig. 9의 (b-1)은 정비전과 정비후의 계절별 관거이송 유량을 나타낸 것으로서 관거정비 전에는 다른 계절에 비하여 하절기 유량이 크게 높았으나, 관거정비 후에는 하절기 유량이 크게 감소되어 계절별 유량 차이가 비교적 작게 나타나고 있다. 관거정비 후에 하절기 유량은 8.5%가 감소한 반면, 다른 계절의 변동량은 1% 내외로서 거의 유사한 것으로 나타났다. Fig. 9의 (b-2)는 정비전과 정비후의 계절별 관거이송 수질을 나타낸 것으로서 관거정비 후에 사계절 모두 관거이송 수질농도가 높아진 것으로 나타났다. 건기기간 동안의 관거이송유량이 다소 증가한 것은 인구의 증가에 따른 것이라고 볼 수 있으며, 하절기의 관거이송유량이 다소 감소한 것은 분류식화에 따른 강우 유입량이 어느 정도 감소되었기 때문이라고 볼 수 있다. 또한, 하절기의 수질농도 증가율이 비교적 높은 것은 하절기의 강우 유입량이 비교적 큰 비율로 감소되었다는 것을 알 수 있다.
Fig. 9.The comparison of the sewer flow and its BOD concentration in S2 area before and after sewer rehabilitation project.
다음 Fig. 10은 S3지역에 대한 관거이송 유량 및 수질농도를 나타낸 것이다. Fig. 10의 (a-1)은 공사전, 공사중 및 공사후의 연평균 관거이송 유량을 나타낸 것으로서 관거정비 전에는 69,684 m3/d였으나 관거정비 후에는 70,128 m3/d로서 거의 유사한 수준으로 나타나고 있다. 관거정비 전후의 건기기간 동안에 대한 관거이송 유량은 각각 62,273.9 m3/d와 59,799.5 m3/d로서 약 4.0%가 감소한 것으로 나타났다. Fig. 10의 (a-2)은 공사전, 공사중 및 공사후의 연평균 관거이송 수질을 나타낸 것으로서 관거정비 전에는 BOD 121.5 mg/L였으나, 관거정비 후에는 135.2 mg/L로서 약 11.3%가 증가한 것으로 나타났다. 관거정비 전후의 건기기간 동안에 대한 관거이송 수질은 127.0 mg/L와 135.3 mg/L로서 약 6.5%가 증가한 것으로 나타났다. Fig. 10의 (b-1)는 정비전과 정비후의 계절별 관거이송 유량을 나타낸 것으로서 관거정비 전후에 거의 유사한 변동양상을 보이고 있다. 관거정비 전의 하절기에 관거이송 유량이 일시적으로 감소한 것은 그 시점의 강우량이 매우 적었기 때문에 나타난 현상이다. Fig. 10의 (b-2)는 정비전과 정비후의 계절별 관거이송 수질을 나타낸 것으로서 동절기에는 유사하나, 그 이외의 계절에는 관거정비 후에 약 11.4~19.1% 정도가 증가된 것으로 나타났다. 건기기간 동안의 관거이송 유량이 다소 감소한 것은 인구 감소에 따른 것이라고 볼 수 있으며, 하절기에 관거이송 유량이 유사하게 나타난 것은 합류식지역에서와 마찬가지로 강우시에 여전히 강우유입이 이루어지고 있다고 볼 수 있다.
Fig. 10.The comparison of the sewer flow and its BOD concentration in S3 area before and after sewer rehabilitation project.
3.5. 관거정비 사업에 따른 유량 및 수질특성 변화
관거정비가 이루어지면 불명수의 유입량이나 관거누수량이 감소하게 된다. 또한, 관거정비사업을 통하여 하수배제 방식이 합류식에서 분류식으로 전환된 지역에서는 다음과 같이 관거이송 유량 및 수질특성이 변화하게 된다. 관거이송 유량 측면에서는 일유량 변동형태의 규칙성은 증가하게 되며, 변동폭은 감소하게 된다. 또한, 하절기의 유량은 감소하게 되며, 동절기의 유량은 증가하게 된다. 관거이송 수질 측면을 보면 일수질 변동형태의 규칙성은 증가하게 되며, 변동폭은 감소하게 된다. 수질농도는 하절기나 동절기에 관계없이 모두 증가하게 된다. 또한, 단위유역의 인구 및 강우량이 증가하거나 감소하게 되면 관거이송량이 변하게 된다. 다음 Table 3은 관거정비 전후의 당해년도를 기준으로 하여 오염물질 배출조건과 관거이송 물질수지를 나타낸 것이다. S1지역에서는 인구가 약 1.1배로 증가하였으나, 하수배제 방식별로 보면, 일부 합류식지역이 분류식으로 전환됨에 따라 합류식지역의 인구는 감소하였고 분류식지역의 인구는 증가하였다. S2지역에서도 인구는 약 1.2배로 증가하였으나 합류식지역의 인구는 감소한 반면 분류식지역의 인구는 비교적 크게 증가하였다. S3지역에서는 인구가 약 0.9배로 약간 감소하였으며, 합류식지역에서는 감소하였고 분류식지역에서는 증가하였다. 강우량의 경우, S1지역에서는 약 33.1%가 감소하였으며, S2지역에서는 약 29.8%가 증가하였고 S3지역에서는 약 18.8%가 감소하였다. S1지역에서는 관거유입량과 관거이송량이 감소하는 것으로 나타났다. S2지역에서는 관거유입량은 증가하였으나 관거이송량은 감소하는 것으로 나타났으며, S3지역에서는 관거유입량과 관거이송량이 감소하는 것으로 나타났다.
Table 3.Pollution discharge conditions and mass balance for sewer network before and after sewer rehabilitation project
관거정비 후에 현상적으로 나타나는 관거이송 유량 및 수질은 관거정비사업으로 인한 관거이송 변화와 함께 관거정비 전후의 오염물질 배출조건에 따라 나타나는 관거이송 변화가 혼합되어 나타난 현상이다. 다음 Table 4는 관거정비 후에 나타날 것으로 예상되는 관거이송 유량 및 수질변화와 관거정비 후에 실제 관측된 관거이송 유량 및 수질변화를 비교한 것이다. 오염물질 배출조건들을 고려한 예상변화와 실제 관측된 변화가 일치할수록 관거정비 효과가 적절하게 나타난 것이라고 할 수 있다. Table에서 관측값이 1.0% 미만인 경우에는 변화가 없는 것으로 간주하였다.
Table 4.The comparison of the predicted and observed sewer flow changes after sewer rehabilitation project in three study areas
S1지역에서는 관거정비 후에 인구가 증가되었으므로 건기기간 동안의 관거이송 유량은 증가된다고 볼 수 있다. 이 지역에서는 일부 합류식지역이 분류식화 되고 관거정비 후에 강우량이 감소되었으므로 하절기의 관거이송 유량은 감소된다고 볼 수 있다. 이 지역에서는 관거정비로 인하여 나타날 수 있는 예상변화와 관거정비 사업 후에 실제 관측된 현상이 거의 일치하고 있다. S2지역에서는 관거정비 후에 인구가 증가되었으므로 건기기간 동안의 관거이송 유량은 증가된다고 볼 수 있다. 또한, 관거정비 후에 강우량이 증가되고 일부 합류식지역이 분류식지역으로 전환된 상태이므로 관거유입 증가량보다 강우유입 감소량이 클 경우에는 하절기의 관거이송유량은 감소하게 되고 관거유입 증가량보다 강우유입 감소량이 작을 경우에는 하절기의 관거이송유량은 증가하게 된다. 이 지역에서는 예상변화와 실제현상이 부분적으로 일치하고 있다. S3지역에서는 관거정비 후에 인구가 감소되었으므로 건기기간 동안의 관거이송 유량은 감소된다고 볼 수 있다. 또한, 이 지역은 관거정비 후에 강우량이 감소되고 일부 합류식지역이 분류식지역으로 전환된 지역이므로 하절기의 관거이송 유량은 감소된다고 볼 수 있다. 이 지역에서는 예상변화와 실제현상이 부분적으로 일치하고 있다.
관거정비 지역에서 나타나는 또 하나의 효과는 하수처리 효율의 증가이다. 관거이송 수질농도가 증가하게 되면 하수처리장의 유입수 농도가 높아지게 되고, 이에 따라 하수처리 효율이 증가하게 된다. S1 지역에서는 하수처리효율이 3.8%가 증가하였으며, S2 지역에서는 4.1% 및 S3 지역에서는 0.9%가 증가된 것으로 나타났다.
4. Conclusion
하수관거정비는 불명수의 양을 감소시키거나 하수의 누수율 등을 감소시킴으로서 하수관거 시스템의 효율화는 물론 오염물질 배출량을 저감할 수 있는 삭감방안이 될 수 있다.
관거정비 사업에 따른 관거이송 유량 및 수질특성을 분석할 경우에는 관거이송에 영향을 미치는 오염물질 배출조건들을 함께 고려하여 분석하여야 하며, 이와 같은 분석자료는 관거정비에 따른 오염물질 저감효과를 평가하는데 중요한 정보를 제공해 줄 수 있다. 본 연구는 3대강수계에서 하수관거 BTL 사업이 완료된 3개 지역에 대하여 관거정비사업 전후에 나타난 관거이송 유량 및 수질특성을 분석하였다.
S1지역에서는 관거정비로 인하여 일유량 변동형태는 규칙적으로 변화되었으며 변동폭은 감소되었다. 또한, 관거이송 일수질 변동형태도 규칙적으로 변화되었으며, 그 변동폭도 감소된 것으로 나타났다. 관거이송 수질농도는 크게 증가되었다. 이와 같은 변화는 관거의 교체 및 분류식화로 인하여 불명수의 유입이나 하수의 누수 및 강우의 유입 등과 같은 불특정한 유출입수가 크게 감소되었기 때문인 것으로 볼 수 있다. 이와 같은 결과로 볼 때, S1지역에서는 관거정비 효과가 매우 뚜렷하게 나타나는 지역이라고 볼 수 있다.
S2지역의 관거이송 일유량 변동형태와 변동폭 및 관거이송 일수질 변동형태와 변동폭은 관거정비 전후에 유사하게 나타나고 있다. 관거이송 유량은 약간 감소하였으며, 관거이송 수질농도는 비교적 크게 증가되었다. 지역에서는 분류식화에 따른 관거이송 형태는 그다지 뚜렷하게 나타나지 않으나, 관거정비지역에 대한 부분적인 효과는 나타나고 있는 지역이라고 볼 수 있다.
S3지역에서도 관거이송 일유량 변동형태와 변동폭 및 관거이송 일수질 변동형태와 변동폭은 관거정비 전후에 별다른 차이를 보이지 않고 있다. 관거이송 유량은 약간 감소하였으며, 관거이송 수질농도는 약간 증가하였다. 이 지역에서는 분류식화에 따른 관거이송 형태는 잘 나타나지 않고 있으며, 관거이송 수질농도의 증가율이 비교적 낮은 것으로 보아 관거정비 효과는 일부지역에서만 제한적으로 나타난다고 볼 수 있다. 그러므로 이와 같은 지역에 대해서는 향후 지속적인 모니터링을 통한 조사자료의 축적과 함께 현장조사를 바탕으로 한 원인분석이 이루어져야 할 것이다.