“녹조 저감 위한 장·단기 대책 연계 운영 필요”

댐-보 연계 운영 시 일시적 녹조 저감 효과…수질개선대책 등 장기대책과 연동해야

누적된 결과 활용해 향후 샘플 운영으로 녹조 저감 가이드라인 마련에 활용 가능

녹조는 수온과 햇빛, 영양염류 등 다양한 수환경 조건에 따라 남조류가 대량 증식해 발생하는 현상이다. 특히, 생활하수와 산업폐수, 농·축산폐수는 수체로 유입될 시 유기물과 영양염류를 증가시켜 녹조 발생에 영향을 미칠 수 있다. 

수환경 요인별 반응 기작(機作)은 크게 네 가지로, △기온·일사량 증가 △강수량 증가 △유속 증가 △수질개선대책 강화 등이다. 첫째, 기온·일사량은 증가 시 수온이 올라감에 따라 조류의 과성장을 야기하고 내부 생산량을 증가시킬 수 있다. 둘째, 강수량은 증가 시 체류시간이 줄어들어 조류를 배제하고, 오염물질 배경농도를 증가시킬 수 있다. 셋째, 빠른 유속은 체류시간을 단축시켜 내부 생산량을 감소시키고, 조류 및 오염물질을 하류로 신속히 배제할 수 있다. 넷째, 오염물질 삭감을 통한 수질개선대책 강화는 점·비점오염원 배출 부하량과 오염물질 배경농도를 감소시킬 수 있다. 

기온과 일사량, 강수량의 증감은 자연적으로 변동되는 반면, 유속이나 수질개선대책은 인위적으로 조절될 수 있다. 따라서 인위적인 요인 변화에 따른 본류 수질 및 녹조 변화를 파악하기 위해 녹조를 인위적으로 저감할 수 있는 유속 증가 대책과 수질개선대책을 기준으로 시나리오를 구성하고 효과를 비교했다.

낙동강 전 구간 대상 기반 모델 구축

낙동강 해평부터 물금·매리까지의 조류경보 ‘경계’ 단계 발령일수는 2019년 이후 전반적으로 감소하는 추세를 보였으나, 2022년에는 다시 증가한 것으로 나타났다. 이는 연 강수량에 따른 ‘경계’ 단계 발령일수 증감 변화로 이해할 수 있다. 2022년에는 연간 총 강수량 900㎜ 미만을 기록해 조류경보 ‘경계’ 단계 발령일수가 증가했다. 반면에 강수량이 많은 2023년에는 ‘경계’ 단계 발령일수가 대폭 줄었다. 이러한 기상 요건의 변동, 즉 자연적인 요인이 조류경보 ‘경계’ 단계 발령일수에 기여한 것으로 볼 수 있다. 

시나리오를 구성하기에 앞서 검토를 위해 미국에서 개발된 EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code) 모델에 국립환경과학원이 국내 주요 수역에 적합하도록 모델기능을 개선한 EFDC-NIER 모델을 활용했다. 이 모델은 국립환경과학원의 수질예보 기반 모델로, 16개 다기능 보의 운영방식이나 보별 관리 제원을 정확하게 입력할 수 있는 기능뿐 아니라 자료 첨부 시 수십 개의 내용을 동시에 모의할 수 있는 기능을 탑재하고 있다. EFDC-NIER 모델을 통해 녹조 개선을 위한 최적의 댐-보 연계 운영 시나리오를 수립하고, 오염부하량 삭감 영향을 검토했다.

낙동강 전(全) 구간을 대상으로 시나리오 모의를 위한 3차원 수리·수질 모델을 구축했다. 적용구간은 안동조정지댐부터 하굿둑까지며, 총 11개 층으로 구성했다. 층별로는 약 7천 개의 격자가 적용됐다. 실험 조건으로는 △유량 조건 △수온·수질 조건 △용출 조건 △기상 조건 등이 있다. 

유량 조건에서는 한국수자원공사(K-water) 댐 방류량(상류경계), 환경부 수질측정망 자료(지류유입), 환경부 용수시설 실적보고 자료(취·양수장), 한국환경공단 TMS 자료(하수처리장)를 활용했다. 수온·수질 조건에서는 환경부 수질측정망 자료(상류경계·지류유입), 한국환경공단 TMS 자료(하수처리장)를 활용했다. 또한, 바닥으로부터 영양염 용출 조건을 작동시켜 최근 관측된 자료를 입력했으며, 모델 영역 내 위치한 기상관측소에서 측정된 자료를 도표화(Mapping)해 입력했다.

최신 하상 관측자료와 위성사진을 참고해 수온 성층의 두께를 검토하고, 가용한 국가관측망 자료를 활용해 모델 초기·경계 조건을 설정했다. 모델에서 요구하는 항목 중 수질측정망에서 제공되지 않는 자료는 추산해 입력했다. 현지 관측자료와 모델을 비교해 모델의 재현성을 검증하고, 구축한 모델을 바탕으로 시나리오를 최종 구성했다.

시설별 최적 댐-보 운영방안 기초자료 마련

다양한 댐-보 운영 시나리오 가운데 창녕·함안보의 수질을 개선하기 위한 시나리오를 구성했다. 창녕·함안보로 유입되는 합천댐과 남강댐의 방류 특성을 고려해 하류댐(남강·합천댐) 운영 시나리오를 균등 방류와 가변 방류 시나리오로 구분했다. 

균등 방류는 3일 동안 100㎥/초로 방류하는 방안과 6일 동안 50㎥/초로 방류하는 방안으로 나뉘며, 가변 방류는 5일 동안 100㎥/초에서 50㎥/초로 방류량을 점차 줄이는 방안과 4일 동안 50㎥/초에서 75㎥/초, 100㎥/초로 방류량을 점차 늘리는 방안으로 나뉜다. 

보 운영 방안에는 순차운영과 동시운영 방법이 있다. 보 순차운영은 가장 아래에 있는 하류보를 내린 뒤 상류보의 용수를 이용해 하류보의 수위를 다시 회복하는 방법으로, 전체 하류로 흘려보내는 수량이 상대적으로 적고 수위가 기존 관리수위로 회복되는 시간이 짧다. 

보 동시운영은 대상 보의 수위를 모두 동시에 내려 녹조를 하류로 빠르게 배제하는 방법으로, 전체 하류로 흘려보내는 수량이 많고 보의 재담수를 위한 수위 회복 시간이 길다. 따라서 보 동시운영의 경우, 효과 지속시간이 짧고 재담수 기간이 길어 수질을 악화시킬 수 있으므로 댐-보 운영 시나리오 구성에서 제외했다. 

보 운영 시나리오는 3개의 하류 보를 순차 운영하는 방안과 모든 보를 순차 운영하는 방안으로 구분했다. 이때 직상류 보의 수량을 전부 하류 보의 수위 회복에 활용하는 방안과 직상류 보의 수량을 20%만 수위 회복에 활용하고 80%를 하류로 방류하는 방안으로 다시 나눴다.

적은 유량 장기간 방류 시 효과 지속 길어져

시나리오 결과에 따르면, 3일 동안 100㎥/초로 방류 시 조류경보 경계단계 유지일수는 3일 감소한 반면, 6일 동안 50㎥/초로 방류 시 조류경보 경계단계 유지일수는 1일 감소한 것으로 나타났다. 하지만 정량적인 결과보다 전체적인 패턴에 집중할 필요가 있다. 100㎥/초 3일 방류 방안에서는 조류 개체 수 감소가 약 10일 지속됐으나, 50㎥/초 6일 방안에서는 약 7일 지속됐다. 즉, 적은 유량으로 오랫동안 방류할 경우 저감 효과가 지속되는 기간이 더 길다는 것을 알 수 있다.

다음으로, 100㎥/초에서 50㎥/초로 방류량을 줄이는 방안과 50㎥/초에서 75㎥/초, 100㎥/초로 방류량을 늘리는 방안을 비교했다. 방류량 감소 방안에서는 조류경보 경계단계 유지일수가 4일 감소하고, 방류량 증가 방안에서는 5일 감소한 것으로 나타났다. 경계단계 유지일수 감소를 위해서는 방류량 증가 방안이 더 유리하지만, 저감 효과가 지속되는 기간은 방류량 감소 방안이 더 효과적인 것을 확인할 수 있다.

보 순차운영 시나리오 가운데 하류 3개 보 운영 방안을 비교했다. 직상류 보의 수량을 전부 하류 보의 수위 회복에 활용하는 방안에서는 녹조 저감 효과가 지속되는 기간이 약 열흘 소요됐다. 직상류 보의 수량을 20%만 수위 회복에 활용하고 80%를 하류로 방류하는 방안에서도 효과 지속 기간이 비슷했으나, 저감 효과가 더 큰 것으로 나타났다. 즉, 수위 회복에 적은 수량을 활용할 경우 재담수 기간이 더 길어져 조류 발생이 증가하는 것을 알 수 있다. 

모든 보 순차운영 방안에서도 하류 3개 보 운영 방안과 유사한 패턴이 나타났다. 직상류 보의 수량 20%를 수위 회복에 활용할 경우, 효과 지속 기간뿐 아니라 저감 효과 역시 증가하는 것으로 나타났다. 

수질개선대책 강화 시 BOD·TOC 등 농도 감소

댐 방류 방안과 보 운영 방안에 대한 시나리오를 각각 구성하고, 결과가 유리한 시나리오를 조합해 댐-보 연계 운영 시나리오를 완성했다. 50㎥/초에서 75㎥/초, 100㎥/초로 방류량을 점차 늘리는 댐 가변 방류와 모든 보 순차운영 방안을 연계했다. 댐-보 연계 운영 시나리오 분석 결과, 경계단계 발령일수는 칠서 지점에서 5일, 물금 지점에서 2일 감소했으며, 전체적으로 저감 기간이 약 보름 정도 지속되는 것으로 나타났다. 

댐-보 연계 운영 방안은 단기적인 대책으로 활용할 수 있으나, 장기적인 대책이 될 수 없다. 따라서 보다 근본적인 대책을 마련하기 위해 수질개선대책 강화 시나리오를 구성해 △장래 기본대책 △수질개선대책(안) △최대 수질개선대책(안) 등 세 가지로 구분했다. 장래 기본대책은 2030년 기준 자연증감 부하량과 개발 및 삭감을 고려했으며, 수질개선대책(안)은 장래 기본대책에 본류 수질개선 주요 대책을 함께 반영했다. 최대 수질개선대책(안)은 수질개선대책(안)에 소규모 처리시설 확대, 가축 분뇨 에너지화 등을 고려해 삭감 부하량을 증가시켰다. 

생물화학적 산소요구량(BOD), 총유기탄소량(TOC), 총인(T-P), 클로로필-a(CHl-a)를 기준으로 대책별 연평균 농도를 분석했다. 수질개선대책 강화 시 모든 지점에서 BOD, TOC, T-P, 클로로필-a 농도가 감소했으며, 금호강 합류 후 달성·논공 하류 구간에서 농도 감소폭이 증가했다. 

샘플 연계운영으로 녹조 저감 가이드라인 마련

여러 시설을 연계해 운영할 경우, 시설 운영 방안에 따라 결과가 다르게 나타나므로 최적 운영 시나리오를 찾는 데 이번 연구 결과를 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 댐-보 연계 운영 시 일시적인 저감 효과가 나타나는 것을 고려해 이를 단기대책으로 활용하고, 앞서 살펴본 수질개선대책 강화 등 장기 대책과 연동하는 것이 중요하다. 특히, 댐-보 운영 시나리오는 수치 모델이므로 △모델에서 직접 계산하지 않는 BOD 농도 포함 △남조류세포수 환산에 대한 오차 △수환경 변화에 따른 조류 적응 및 경쟁 기작 재현 부족 △모델 구조·모델 입력자료의 불확실성 등 여러 가지 한계를 지니고 있다.

아울러, 댐-보 운영 시나리오는 정량적인 수치 등 결과를 중심으로 활용하기보단, 다양한 대책을 어떻게 조합해 녹조를 저감하는 데 필요한 최적의 시나리오를 만들 수 있는지를 고민하는 과정과 방법론에 집중해 분석할 필요가 있다. 이러한 결과가 누적되면 향후 샘플 연계 운영을 통해 녹조를 저감할 수 있는 가이드라인을 만드는 데 활용할 수 있을 것이다. 

[『워터저널』 2024년 3월호에 게재]