I. 제목

논으로부터 배출되는 오염부하 특성조사 및 오염부하 산정 범용식 개발

II. 조사연구의 목적 및 필요성

농경지로부터 배출되는 비점오염은 점오염원에 비해 저농도이지만 유출량이 막대하여 유역의 오염부하량 구성상 큰 비중을 차지하고 있으며 이로 인해 하천의 수질 저하나 호소의 부영양화에 큰 영향을 미치고 있다. 하천이나 호소의 수질환경을 양호하게 유지하기 위해서는 농경지 유출수로 인한 부하량에 대한 정량적인 평가가 선행되어야 하지만 농업비점오염은 그 속성의 복잡성 때문에 이를 정량화하기에 어려움이 있다. 최근 논 시비량과 물관리 관행 등 오염 배출에 영향을 미칠 수 있는 영농관행이 급격한 변화를 맞이하고 있다. 합리적인 오염총량제 적용에 의한 수질개선효과를 기대하기 위해서는 기상, 영농 및 물관리 여건 변화 등이 고려된 최신 논 오염배출부하 조사가 필요하다. 또한, 모든 지역의 논 오염배출부하를 실측하는 것은 불가능하기 때문에 미계측 지역의 특성을 반영할 수 있고 접근성이 용이하여 다양한 지역에 적용함으로써 합리적인 오염총량제 적용에 기여할 수 있는 논 오염부하 산정 범용식을 개발할 필요성도 제기된다. 본 연구에서는 영산강·섬진강 수계의 논유역을 대상으로 논 오염부하를 계측하여 수계의 기상조건 및 최근 영농 및 물관리 관행을 반영한 논 오염부하 원단위를 산정하고 논오염부하 관련 주요 인자 도출을 하여 논오염부하 추정을 위한 범용식을 개발하는 것을 목표로 한다.

III. 조사연구의 내용 및 범위

1. 영산강·섬진강 유역 내 시험대상 지구를 선정하고 관개면적, 수원공, 용배수 조직을 조사한다.

2. 우량계, 수위계, 증발계, 침투량계등을 설치하여 모니터링 계측망을 구성한다.

3. 설문조사를 통해 비료 종류, 시비량, 시비시기, 벼 품종, 이앙시기, 수확시기 등의 영농관행을 조사한다.

4. 강수량, 관개량, 침투량, 증발산량등 물수지 조사 및 분석을 실시하고 강수, 관개수, 논물, 배수 샘플링 및 수질분석을 실시한다.

5. 평상시와 강우시의 논 배출부하량을 산정하고 시기별 수질 특성 및 배출부하특성 고찰하여 논 오염부하 원단위를 재산정한다.

6. 오염부하와 관련인자의 상관관계 분석을 통해서 오염부하 영향 인자를 도출하고, 도출인자를 활용하여 오염부하산정 범용식을 강우시와 비장우시로 구분하여 개발한다.

7. 지역적 특성을 반영할 수 있는 시비계수, 관개계수, 토양계수를 개발하고 각계수의 기여정도를 반영하는 통합보정인자를 개발한다.

8. 통합보정인자와 개발 범용식을 이용하여 전라남도 및 전라북도 시·군별 미계측 지역에 적용하여 논오염부하량을 산정한다.

IV. 조사연구결과

1. 설문조사 가구를 대상으로 경작형태를 살펴보면 전체의 65%가 1모작을 한다고 응답하였으며, 35%는 2모작을 실시한다고 응답하였다. 논갈이의 경우 5월 중순에 44%로 가장 많이 실시한다고 응답하였으며, 전반적으로 5월에 가장 많은 논갈이를 실시하였다. 또한 써레질 시기를 살펴보면 5월에 59%, 6월 상순에 27%가 써레질을 한다고 응하였다. 모내기 시기는 5월 하순에 23%, 6월 상순에 50%가 모내기를 하는 것으로 조사되어 이 지방의 모내기는 5월 하순에 시작하여, 적어도 6월 상순이면 대부분의 모내기가 끝나는 것으로 조사되었다.

2. 시비시기 및 시비량 설문조사 결과 기비시기는 5월 하순 31%, 5월 중순 22%, 6월 상순 16% 등으로 조사되었고, 기비시 시용되는 비료양은 1마지기(200평)를 기준으로 1포대(복합비료, 20 kg)를 시비한 경우가 56%, 1포대 반을 시비한 경우가 17%, 기타 17%, 2포대가 10% 순으로 나타났다. 6%, 8월 상순 8%, 7월 중순 4%, 8월 중순 4% 순으로 나타났다. 분얼비 시기는 6월에 80% 7월에 12% 기타 8%순으로 조사되어 주로 6월에 분얼비가 시용됨을 알 수 있었다. 분얼비에 시용되는 비료양은 1마지기당 반포대가 66%, 1포대가 24%, 기타가 10%로 나타났다. 추비 시기는 주로 7월 하순부터 8월 상순까지 시용한다고 응답한 사람이 전체의 52%로 조사되었으며, 대체적으로 다양한 형태의 분포를 나타내었다. 수비(요소비료) 시용량은 1마지기당 반포대가 43%, 기타가 25% 1포대가 18%, 1/3 포대가 14% 순으로 나타났다.

3. 2004년 영산강 수계 논유출수 중 T-N 농도는 5월 하순에 기비의 영향으로 24.7 mg L-¹의 최고치를 나타낸 후 지속적으로 감소하는 경향을 나타내었으며, 7월 중순 이후부터는 2 mg L-¹ 이하의 낮은 농도를 유지하였다. 2005년 T-N 농도는 0.8~9.5 mg L-¹ 수준으로 분포하여 2004년에 비해 전반적으로 낮았으며, 시비 영향을 반영하는 경시적 변이는 나타나지 않았다. 이는 다양한 원인이 있겠지만, 2005년이 2004년에 비해 강우량이 훨씬 적었기 때문에 상대적으로 관개수 중 T-N 농도에 의해 더 많은 영향을 받은 결과로 생각된다. 2006년 유출수 T-N 농도는 6월 하순에 분얼비의 영향으로 최대값인 15.4 mg L-¹을 나타냈으며 최소값은 0.6 mg L-¹의 분포를 나타냈다.

4. 2004년 영산강 수계 논유출수 T-P 수질 농도는 6월 중순(분얼비 후)에 최대값인 0.62 mg L-¹ 를 나타내었으며, 최저 농도는 0.05 mg L-¹였다. 2005년의 T-P 수질 농도는 7월 상순에 최대값인 1.12 mg L-¹로 나타났는데, 이는 7월 상순의 집중강우로 많은 인이 토사와 함께 유출되었기 때문이라 판단된다. 2005년 7월 이후에는 T-P 농도가 지속적으로 감소하는 경향을 나타내었다. 2006년 유출수 T-P 농도는 7월 중순에 최대값인 0.52 mg L-¹를 나타냈으며 최소값은 0.04 mg L-¹의 분포를 나타냈다.

5. 2004년 영산강 수계 논유출수 SS 농도는 6월 중순에 최대값인 1095 mg L-¹이 관측되었으며, 최소값은 36.5 mg L-¹로 나타났다. 2005년의 경우 7월 상순에 최대값인 1034 mg L-¹이 기록되었으며, 최소값은 36 mg L-¹로 나타나 전반적으로 2004년과 유사한 경향이었다. 2006년 유출수 SS 농도는 강우의 영향으로 1~259 mg L-¹로 큰 폭으로 변화하였다.

6. 2004년 영산강 수계 논유출수 CODMn 농도는 6월 상순에 최대값인 28.0 mg L-¹을 나타냈으며 최소값은 2.8 mg L-¹로 조사되었다. 2005년의 경우는 6월 하순에 최대값인 30.6 mg L-¹이 관측되었으며 최소값은 2.6 mg L-¹로 나타났다. 2006년 유출수 CODMn 농도는 2.0~l5.4 mg L-1의 분포를 나타냈다.

7. BOD5는 2005년부터 측정항목에 포함시켰으며, 2005년 영산강 수계 논유출수 BOD5 농도는 7월 상순 8.0 mg L-¹로 조사되었고, 2006년도 역시 7월 상순에 최대값인 6.7 mg L-¹을 나타냈다. TOC 농도는 2006년부터 측정되었으며, 6월 상순에 최대값인 10.0 mg L-¹로 조사되었고 최소값은 1.5 mg L-¹로 조사되었다.

8. 2004년 영산강 수계의 영농기간 동안 T-N, T-P, CODMn, SS의 지표유출부하량은 20.8, 1.5, 68.5, 1800.4 kg ha-¹이며, 이중 강우시 부하량은 각각 77, 80, 76, 86%였으며, 비강우시 부하량은 각각 전체 부하량의 23, 20, 24, 14%를 차지하였다.

9. 2005년 영산강 수계의 영농기간 동안 T-N, T-P, CODMn, SS의 지표유출부하량은 16.9, 1.6, 49.5, 1616.1 kg ha-¹이며, 이중 강우시 부하량은 각각 49, 56, 50, 58%였으며, 비강우시 부하량은 각각 전체 부하량의 51, 44, 50, 42%를 차지하여 2004년에 비해 T-P를 제외하고는 비강우시 부하량의 비율이 증가하였는데, 이는 2005년의 강우량이 2004년에 비해 낮았기 때문으로 판단되었다.

10. 2006년 영산강 수계의 영농기간 동안 강우시 T-N, T-P, CODMn, SS, BOD5, TOC의 지표유출부하량은 각각 24.5, 1.00, 41.3, 239.0, 8.4, 17.9 kg ha-¹였으며, 비강우시의 부하량은 각각 10.7, 0.50, 21.3, 98.3, 2.3, 12.0 kg ha-¹로 계산되었다. 전체 부하량 중 강우시 부하량의 비율은 각각 70, 66, 66, 71, 79, 60%였으며, 비강우시 부하량은 각각 전체 부하량의 30, 34, 21.3, 29, 21, 40%를 차지하였다.

11. 2005년 섬진강 수계 논유출수 중 T-N, T-P, CODMn, SS 농도는 각각 0.6~20.3, 0.17~0.89, 3.7~25.9, 44~l,460 mg L-¹로 분포하였고, 2006년 논유출수 중 T-N, T-P, COD, SS, BOD TOC 농도 분포는 각각 0.8~11.1, 0.12~0.28, 0.4~2.4, 19~68, 2.5~4.4, 0.4~l.9 mg L-¹로 나타냈다

12. 2005년 섬진강 수계 영농기간 중 지표유출부하량은 T-N, T-P, CODMn, SS에 대해서 각각 11.4, 2.0, 57.5, 1369.1 kg ha-¹로 조사되었으며, 이중 강우시 비율은 각각 83, 86, 85, 86%였고, 비강우시 비율은 각각 전체 부하량의 17, 14, 15, 14% 였다.

13. 2006년 섬진강 수계의 영농기간 동안 강우시 T-N, T-P, CODMn, SS, BOD5, T-N의 지표유출부하량은 각각 14.7, 0.84, 9.2, 158.2, 25.0, 16.7 kg ha-¹였으며, 비강우시의 부하량은 각각 2.6, 0.21, 3.7, 46.5, 1.8, 4.6 kg ha-¹로 계산되었으며, 이중 강우시 부하량은 각각 85, 80, 71, 77, 93, 78%였으며, 비강우시 부하량은 각각 전체 부하량의 15, 20, 29, 23, 7, 22%를 차지하였다.

14. 영산강 수계의 T-N, T-P, CODMn 유출 부하량을 1995년 환경부 조사 원단위(T-N 16.7 kg ha-¹, T-P 1.5 kg ha-¹, CODMn 45.5 kg ha-¹)와 비교하면, T-P는 매우 유사 하였지만, TOC와 CODMn은 해당 연도의 강우량에 따라 차이를 보였다.

15. 논에서의 배출부하량과 관련된 여러 인자들과 상관관계를 분석해본 결과 강수량, 강우강도, 시비후 일수, 이앙후 일수등이 상관성이 높은 것으로 나타났기 때문에 이들을 주요매개변수로한 범용식을 개발할 수 있었다.

16. 비선형 회귀식을 통해 유량가중평균농도(EMC)식을 추정한 결과 T-N, T-P, CODMn, SS는 각각, EMCTN = 11.6 × 강우량0.035 × 질소시비 후 일수-0.58, EMCTP = 강우량-0.2 × 인산시비 후 일수-0.24, EMCCOD = 강우량0.05 × 이앙 후 일수0.45, EMCSS = 강우량-0.23 × 강우강도1.21로 나타났다.

17. 오염부하량을 직접 산정할수 있는 범용식을 영농기 전체, 영농기 전반-후반기, 그리고 영농기 전반-중반-후반기로 구분하여 개발 비교한 결과 영농기 전체를 반영하는 범용식의 정확성과 효율성의 측면에서 가장 우수한 것으로 나타났다. 영농기 전체 T-N, T-P, CODMn, SS에 대한 범용식은 각각 LOADTN = 0.038 × 강수량 × 질소시비 후 일수-0.35, LOADTP = 0.0015 × 강수량 × 인산시비후일수-0.1, LOADSS = 0.04 × 강수량 × 강우강도0.34, LOADCOD = 0.077 × 강수량 × 이앙 후 일수-0.13였다.

18. 강우시와 유사한 방식으로 비강우시 오염부하 산정 범용식을 개발한 결과 T-N, T-P, CODMn, SS에 대해 각각 LOADTN = 0.102 × 청정일수 × 질소시비 후 일수-0.17, LOADTP = 0.005 × 청정일수 × 인산시비후일수-0.01, LOADSS = 0.42 × 청정일수 × 이앙 후 일수-0.08, LOADCOD = 0.24 × 청정일수 × 이앙 후 일수-0.07로 나타났다.

19. 시비계수, 관개계수, 토양계수를 이용하여 T-N과 T-P의 통합 보정인자를 개발하였고, SS와 COD는 관련 문헌 자료가 부족하고, 강우인자에 의한 영향이 큰 것으로 나타났기 때문에 보정계수 개발에서 제외하였다. 강우시 T-N, T-P의 최종 범용식 형태는 각각 LOADTN = 시군별 통합보정계수 × 0.038 × 강수량 × 질소시비 후 일수-0.35, LOADTP = 시군별 통합보정계수 × 0.0015 × 강수량 × 인산시비 후 일수-0.1로 나타났다.

20. 비강우시 역시 통합 보정인자를 적용한 T-N, T의 최종 범용식 형태는 각각 LOADTN = 시군별 통합보정계수×0.102 × 청정일수 × 질소시비 후 일수-0.17, LOADTP = 시군별 통합보정계수 × 0.005 × 청정일수 × 인산시비 후 일수-0.01로 나타났다.

21. 영산강 및 섬진강 수계에 해당하는 전라남·북도 시군별 강우 자료를 취득하고, 보정계수(시비량, 관개수질, 토양)를 개발하여 개발 범용식을 적용하여 강우시 및 비강우시 T-N, T-P, COD, SS 부하량을 계산하여 영농기 전체 부하량을 산정하였다.

22. 전라남도의 T-N 부하량의 범위는 12.0~47.1 kg/ha의 범위로 나타났고 평균 27.7 kg/ha의 부하량이 발생되는 것으로 추정되었다. T-P 부하량은 0.90~2.65 kg/ha로 평균 1.58 kg/ha의 부하량이 발생되는 것으로 추정되었고, SS와 COD 부하량의 범위는 각각 8.6~121.1 kg/ha, 34.1~87.6 kg/ha로 분포하였고, SS와 COD의 평균 부하량은 각각 86.0, 68.6 kg/ha의 부하량이 발생되는 것으로 추정되었다.

23. 전라북도의 경우 T-N 부하량의 범위는 14.7~34.5 kg/ha의 범위로 나타났고 평균 25.8 kg/ha로 전라남도의 평균 부하량 보다 작았다. T-P 부하량의 범위는 0.99~2.88 kg/ha로 분포하였고, 평균 1.82 kg/ha의 부하량이 발생되는 것으로 추정되었다. 이는 전남의 1.58 kg/ha보다 큰 값이었다. SS와 COD 부하량의 범위는 각각 49.1~87.0 kg/ha, 37.8~70.6 kg/ha로 분포하였고, SS와 COD의 평균 부하량은 각각 70.6, 57.3 kg/ha의 부하량이 발생되는 것으로 추정되었다.

V. 결론

1. 논으로부터 배출되는 오염물질 부하량은 강우량에 크게 의존하는 것으로 나타났기 때문에, 강우시 오염물질 부하 저감 대책 수립이 필요한 것으로 판단되었다. 하지만, 강우량이 적은 시기에는 관개수의 유출에 의한 오염 부하도 큰 것으로 조사되었다.

2. 오염물질의 부하량은 동일 지역(영산강 수계)에서도 연도별 차이를 나타냈기 때문에 획일적인 원단위 적용이 부적합한 것으로 조사되었다.

3. 과거 환경부 원단위와 비교할 경우 T-P는 매우 유사하였지만, T-N과 CODMn은 차이를 보였으며, 환경부 원단위가 비영농기 동안 발생한 유출과 지표하 침투 유출량도 포함하는 것을 고려하면, 과거에 비해 현재의 논 오염부하량이 증가한 것으로 판단할 수 있었다.

4. 오염부하량이 강우인자와 시비인자와 높은 상관관계를 나타내었으며, 이들을 주요 매개변수로 한 오염부하 산정 범용식을 모의 EMC×모의 유량 범용식, 유량-부하량 범용식, 오염부하직접산정 범용식으로 구분하여 개발할 수 있었다. 개발 범용식 중 오염부하직접산정 범용식의 활용가치가 가장 높은 것으로 나타났다.

5. 개발 범용식을 실측 지역에 적용하여 비교 검토한 결과 토양, 시비량, 관개수질 등과 같은 지역 특이적 요인을 충분히 반영하지 못한 것으로 나타났다. 하지만, 범용식 개발 지역을 기준지역으로 하여 각 요인에 대한 보정계수를 개발하여 적용한 결과 범용식의 정확성이 제고 되었다.

6. 개발 범용식을 영산강 및 섬진강 수계에 해당하는 전라남북도 각 시군에 적용하여 2006년 기준 논 오염부하량을 추정할 수 있었다.

7. 향후 개발 범용식을 전국적으로 확대 적용하여 우리나라 전체 규모에서의 논 오염부하 원단위를 재산정할 수 있을 것으로 기대된다.

VI. 조사연구결과의 활용방안

1. 영산강·섬진강 수계의 기상조건 및 최근 농업 및 농촌 여건변화에 따른 영농관행을 반영한 논 오염부하 배출 특성 및 논배출 원단위를 제시함으로써, 수계내 소유역의 토지 이용별 오염부하 산정시 논 부하가 유역 오염부하에 미치는 기여율 산정에 활용.

2. 환경기초조사사업 논오염부하 산정 protocol 제시하여 이후에도 이루어질 논오염부하 조사사업 수행시 이용될 수 있는 조사체계와 정보 제공.

3. 미 계측 논유역의 기상 조건과 시비 조건을 반영할 수 있는 오염부하 산정 범용식을 개발하고 보급함으로써 정책 결정자, 연구자, 농업 경영자들이 오염부하량 산정에 활용 가능.

4. 시기별 수질과 부하 특성을 고찰하여, 시비 개선, 물관리 개선, 저류지, 습지 등 다양한 저감대책의 적용시 효과와 문제점 파악에 활용.

5. 연구 결과를 학회 및 다양한 매체에 홍보함으로써 개발 범용식의 활용성 제고

6. 향후 BOD와 TOC 부하산정 범용식 개발에 활용.