2003년도『물관리정책토론회』연구발표보고서

Ⅰ. 호소 유역 점오염원 관리대책 

1.1. 하수처리장 방류수의 인, 질소 수질기준 

국내 하천 및 호수의 부영양화 현상을 방지하고 상수원의 수질보전을 위해서는 영양염류의 제거가 절실한 실정이다. 영양염류 중에서도 광합성 식물의 비료성분인 질소와 인의 제거인데, 국내의 자연수계에서는 외국과 달리 질소가 비교적 풍부하게 존재한다. 따라서 국내의 경우, 질소가 제한 영양염으로 작용하는 자연수계는 거의 없다. 자연수계에서 기본적으로 질소가 풍부하다는 것은, 하수처리에서 질소를 완벽하게 제거하여도 부영양화의 방지에 큰 의미가 없다. 그럼에도 불구하고, 국내하수처리의 현실은 인 제거에 대한 기술 연구보다는 질소 제거 기술개발에 초점을 두고 있는 실정이다. 이러하듯이 우리 나라 자연수계의 부영양화 방지를 위해서는 국내 자연수계의 실정에 적합한 인 제거에 초점을 두어야 할 것이다.

현재 우리나라의 하수처리장 방류수의 인 질소 농도기준은 미국이나 일본등 세계 여러 나라와 비교할 때 인질소 기준 농도가 매우 높으며 <표 1>, 

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앞으로 강화될 인농도기준도 처리장 방류수의 인농도보다 높게 책정되어 있어 하수의 인제거율 제고를 유도할 수 없으며 그 결과 호수의 수질이 개선되지 않고 있다 <그림 1>.

따라서 인 제거율을 높일 수 있도록 방류수의 인 농도 기준을 0.5 mg/l 이하로 강화하여야 한다. 일본 비와호의 예처럼 인의 기준을 현격히 강화하여 0.1 mg/l 이하 정도로 기준농도를 낮추어야 한다. 한편 하수처리장 방류수의 수질기준에서는 인과 

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질소를 동시에 강화하고 있는데 인보다도 질소의 제거에 더 중점을 두고 있다. 인의 기준농도는 현재 방류수의 인 농도보다 높게 책정되어 있으므로, 인의 추가 제거의 압박이 없으나, 질소농도는 일부 처리장의 방류수보다 낮게 책정되어 있어 추가설비가 필요한 실정이다.  팔당호의 부영양화를 좌우하는 인자는 인 농도이며 질소는

상대적으로 중요성이 작다.  우리 나라에서는 질소의 자연적인 배경농도가 1mg/l 이상으로 높은 편이므로 하수처리장에서 질소를 제거한다고 해도 팔당호의 조류 번성을 막을 수 있는 정도까지 질소 농도를 낮출 수 없다.  따라서 팔당호의 조류감소를 위해서는 질소보다는 인의 제거에 노력을 집중하여야 함에도 불구하고 현재의 방류수 수질기준에 의하면 오히려 질소제거에 주력하여야 하는 실정이다.  따라서 질소의 배출기준은 더 강화하지 말고 인 배출기준만을 더 강화하는 방안을 채택하여야 한다.

현재의 수질기준은 질소와 인의 비가 하수중의 농도비와 유사하게 규정되어 있어 생물학적처리의 결과에 맞추어 배출수 농도기준을 정한 것으로 보인다.  이는 호수의 수질을 개선하기 위하여 필요한 수준으로부터 농도를 규정한 것이 아니라, 현재 적용하는 생물학적 처리공법에서 배출되는 방류수의 수질을 대상으로 적용한 것으로서, 생물학적 처리 방법을 이용 가능한 기술로서 적용한 결과로부터 근거하여 규정하였다고 볼 수 있다. 그러나 조류성장 억제에 가장 영향력이 큰 인의 획기적인 감축을 위해서는 생물학적 처리효율에 근거하지 말고 화학적 인 제거에 근거를 둔 기준농도를 제정하여야 한다.  질소의 규제는 더 강화하지 말고 인의 제거를 더 강화하는 방향으로 전환하여야 한다.  2003년도부터 적용 예정인 방류수 수질 기준 가운데 질소와 인은 시행하지 않는 것이 낭비를 막는 길이다.  인의 기준농도는 화학적 처리의 가용기술을 근거로 하여 더 강화된 인 농도기준을 차후에 예고하여야 한다. 인제거 효율을 높이기 위하여 미국과 일본 등 에서 실시하고 있는 많은 화학적 처리 사례가 있다 <표 2>. 

이러한 질소처리 위주의 하수처리 방류수 수질기준으로 인하여  현재 대부분의 하수처리장이 인과 질소를 동시에 제거하기 위한 방법으로서 생물학적 공법 (BNR)을 계획하고 있다.  이 공법으로도 인의 제거율이 높아지기는 하겠지만 BNR은 인의 제거 효율이 완벽하지 않아서 방류수의 인의 농도가 처리 후에도 0.5 mgP/l 이하로 내려가기가 쉽지 않은 실정이다. 일부 실험실규모의 시설에서는 더 높은 인 제거율을 보이는 예도 있으나 아직 실용화된 시설에서는 화학적 처리에 비해 인 제거율이 낮다. 보다 개선된 호수수질을 얻기 위해서는 인의 제거율이 높은 화학적 처리공법

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의 도입을 유도하여야 한다.  이를 위하여 우선 하수처리장 방류수의 수질기준을 개선하여 인의 기준농도를 낮추어야 하며, 현재 기획단계에 있는 고도처리의 설비를 더 낮아진 인 기준농도에 적합한 고도처리 설비로 변환하여야 한다. 현재 계획중인 생물학적 인질소 제거 공법은 차후 인 기준 농도가 강화되어 화학적 처리공법이 도입될 때에는 무의미한 시설이 되어 경비를 이중으로 투자하는 낭비가 될 것이다. 따라서 생물학적 인질소제거 공법을 도입하는 현재의 계획을 조속히 중단하고, 계획을 수정하여 차제에 고도처리 공법을 화학적 인제거 공법으로 전환할 것을 검토하여야 한다.

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1.2 생활하수 처리공법의 검토 및 선진국과의 비교

우리나라의 생활하수처리는 1996년 처음으로 질소와 인이 규제의 대상이 되면서 우리 나라도 신설되는 처리장의 대부분이 고도처리 방식으로 설계, 시공되고 있다. 고도처리라고 하는 것은 할성오니법 등 통상의 2차 처리에서 얻는 수질보다도, 더욱 양호한 수질을 얻는 처리를 말한다. 구체적으로는 수질환경기준 달성 등을 위해 부유물질(SS)제거, 폐쇄성 수역의 부영양화방지를 위한 질소(N)와 인(P)제거, 처리수의 재이용을 위한 색도, 취기, 미생물제거 등이다. 우리나라의 현 실정으로는 고도처리의 대상물질 중에서도 인의 제거에 중점을 두어야만 할 것이다. 인은 휘발성 원소가 아니므로 폐수로부터 제거하기 위해서는 슬러지 형태로 제거해야만 한다. 수중의 용존인을 고형화하는 방법으로는 크게 분류하여 생물학적 방법과 물리화학적 방법이 있으며, 이중 대부분의 방법은 기술적으로 확립되어 있다. 

우리나라에서는 인질소의 농도의 규제가 강화되지 않았으므로 처리비용을 절감하기 위하여 생물학적 처리에 의한 인질소 동시제거 공법을 주로 사용하고 있다. 그에 비하여 선진외국에서는 화학적처리를 병용하여 인의 제거율을 크게 높이고 있다.  본 고에서는 하수의 인제거를 중심으로 호수의 녹조제어 대책으로서 하수의 처리공법을 고찰하였다.

1.2.1 생물학적 인 제거 기술

가. 생물학적 질소‧인의 동시제거

일반적으로, 질소와 인을 동시에 제거하는 대표적인 공정에는 공정의 배치에 따라 A/O, A₂/O, 수정 Bardenpho 및 UCT 공정과 같이 혐기조 탈질소 및 포기조가 직렬로 연결되는 공정과 PhoStrip 공정과 같이 혐기성 탈인조와 병렬로 연결되는 측류 공정이 있다. 이 공정을 사용하면 인제거는 비교적 안정적으로 얻어지지만 다음과 같은 문제점들이 있다. 질소와 인을 동시에 생물학적 방법으로 제거하고자 할 때에는 유기물 부족이라는 문제가 생긴다. 생물학적인 영양염 제거 과정에서는 일반적인(호기적인) 종속영양세균, 탈인세균, 탈질세균 각각 탄소원이 필요하다. 본래 탄소원은 BOD로 보면 처리대상 물질이 되지만 탈질세균이 질산을 환원하기 위해서, 또한 탈인세균이 polyphosphate를 축적하기 위해서는 필요불가피한 영양물질이기도 하다. 따라서 우리나라 하수의 대부분이 그러하듯이 이른바 C/N (탄소/질소) 비나 C/P (탄소/인) 비가 낮을 경우에는 탄소원이 제한이 되서 생물학적인 영양염제거의 능력이 충분히 발휘되지 않는 경우가 많다. 

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따라서 탄소원이 제한인자가 되는 경우, 부족한 탄소를 보충하기 위한 목적으로 메탄올 등을 첨가하지만, 첨가하는 탄소원의 양을 가능한 적게 하는 것이 하나의 과제이다. 또한 하수중의 탄소원을 탈질세균, 탈인세균에 적당한 효율로 공급하기 위한 기술개발이 처리능력의 향상이나 안정화을 위한 중요한 과제가 될 것이다. 예를 들면, 일차 침전지에서 상등수를 일부 혹은 전부를 반응 탱크에 직접 투입하는 것이다. 본래는 일차 침전지에서 제거한 오니를 반응 탱크에 투입하는 방법이다. 특히 생물학적인 탈인의 능력을 강화하고 싶을 때에는 탈인세균이 이용하기 쉬운 초산 등의 공급을 의도해서 일차침전 오니를 발효시켜 반응 탱크(혐기성)에 투입하는 방법도 있다. 이들의 기술은 반응 탱크의 유기물공급량을 늘리는 것에 의해서 유기물에 대한 경쟁관계를 완화하려고 하는 시도이다. 

또한 질산호흡에 의해 polyphosphate의 축적이 일어나는 탈질성 탈인세균의 존재가 알려져 있다. 탈질성 탈인세균의 특징은 혐기상태에서 섭취, 축적한 탄소원을 탈질과 탈인 작용에 중복해서 사용하는 것이다. 이 특징은 탄소원에 대하여 탈질과 탈인의 경쟁을 크게 완화시킬 수 있다. 즉 탈질성 탈인세균을 많이 축적할 수 있다면, 유입되는 유기물의 양에 큰 영향없이 보다 효율 좋은 질소와 인의 동시제거가 가능하다. 탈질성 탈인세균이 축적되기 쉬운 시스템으로는 A₂/0법이고, 더욱 적극적으로 이것을 이용하고 싶을 경우에는 혐기상태와 무산소상태의 오니순환에 의해 탈질성 탈인세균을 축적시키는 한편 별도의 호기상태에서 질화세균을 축적시키는 외부질화 혐기 무산소법이라는 방법이 최근 제안되어 있다. 

나. 생물학적 인질소 제거 공정 -  A/O 공정 

생물학적 인질소 제거 공법으로서 대표적인 A/O(Anaerobic- Oxic) 공정은 혐기공정과 호기공정의 교대로 이루어진다 <그림 2>. 혐기공정에 있어서 반송오니와 유입수가 접촉하는 것이 구조적인 특징이다.   이와 같은 조건으로 오니를 순환시키면 오니의 인함량이 상승하기 때문에 인제거율이 상승한다.

미생물 대사의 측면으로 보면, 혐기공정에서는 폐수중의 유기물이 오니로 되는 

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한편, 오니 중의 polyphosphate(다중인산염)의 분해에 의해 오니로부터 인산이 방출된다. 혐기조에서 방출된 인산은 다음의 포기조에서 오니에 polyphosphate로서 축적된다. 혐기공정의 도입에 의해 오니의 인함유율이 상승하는 이유는 다음과 같다. Polyphosphate를 축적하는 능력을 가진 미생물은 세포내에 축적한 polyphosphate를 가수분해함으로서 유기물 이용에 필요한 에너지를 무산소(anoxic)조건에서도 얻을 수 있다. 한편, 일반 호기성세균이나 탈질세균은 전자수용체(산소나 질산)가 없는 무산소조건에서는 유기물을 이용하여 에너지를 얻을 수 없기 때문에 polyphoshate을 축적하는 미생물과의 경쟁에서 뒤진다. 그 결과 polyphosphate을 축적하는 미생물이 우점하게 되며, 오니의 인 함유율이 높아지고 인의 제거효율은 상승한다.

이 방법은 인의 제거율이 일반 생물학적 처리공정보다는 높으나 화학적처리에 비해서는 낮아.  대개 방류수의 인의 최종농도는 0.5- 1.0 mgP/m³을 얻을 수 있으며 그 이하로 낮아지지는 않는다. 

1.2.2  화학적처리에 의한 인제거 기술

하수의 인제거 공법으로서 화학적 처리, 또는 생물화학적 병행 처리, 등이 높은 인제거율을 보이고 있다.  현재 개발된 공정들은 다음과 같다.  일반적으로 알루미늄을 첨가하여 인을 불활성화하는 방법을 포함하고 있다.

가. 응집제 첨가 활성오니법

활성오니법의 반응 탱크에 철염이나 알루미늄염을 응집제로 첨가하면 용액중의 인산이온은 불용성 인산염으로서 응집해 침전지에서 오니와 같이 침전시켜 하수로부터 제거한다. 응집제로서는 염화제이철, 폴리염화알루미늄 (PAC), 황산알루미늄 등이 일반적이다. 응집제 첨가법을 이용하면 처리수의 인농도를 0.5 ㎎/ℓ이하로 안정하게 유지시킬 수 있다.  그러나 응집제에 의해 고형화된 인은 오니로부터 용출되지 않는 장점을 가지는 반면에, 응집제 첨가를 위한 새로운 시설이 필요하게 되고, 오니 발생량의 증가에 따른 오니의 처리비용 증가, 경우에 따라서 응집제 (특히 알루미늄) 가 질화세균의 활성에 악영향을 주게되는 경우가 있으며, 오니의 탈수성이 악화할 경우가 있는 등의 문제점이 있다. 

나. MAP법

MAP법은 폐수에 마그네슘을 첨가하여  magnesium ammonium phosphate (MAP) 침전을 생성하게 하는 방법이다.  MAP법은 폐수 중에 인산이온 및 암모니움이온이 고농도로 포함되어 있는 경우에 마그네슘을 첨가하여 MAP을 생성하게 

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하는 것으로 인과 암모니아를 동시에 제거하는 기술이다. 그 생성반응은 다음과 같으며, 오니처리 반류수 중의 고농도 인을 제거하기 위해 개발되었다.

HPO₄^3-  + NH₄⁺ + Mg²⁺ + OH^-  + 5H₂O  → MgNH₄PO₄‧6H₂O ↓

이 MAP 분자는 직경이 2 ㎜정도의 입자로 되며, 비료 및 토양의 개량제로서 이용할 수 있다. 

폐수중 인과 암모니아 농도가 높지 않으면 효율적인 MAP 생성이 기대하기 어려우므로 하수에 대해서 직접 사용하는 것은 거의 없다. 이 방법은 하수의 인제거방법이라기 보다는 인의 농도가 높게 농축되어 있는 폐수, 또는 고농도의 인과 암모니아 함유되어 있는 폐수의 인회수법이라고 할 수 있다.  실질적으로는 오니탈리액이나 생물학적 탈인법의 잉여오니로부터 인을 유리시킨 고농도의 인함유 상등액에 사용되는 경우가 많으며, 앞으로 이 방법의 사용은 증가할 가능성이 높다. 

다. 접촉탈인법

물리화학적 방법에 의한 대표적인 인 제거기술로는 응집침전이 있는데, 폐수에 칼슘이온을 첨가하여 용해성 인산이온을 hydroxyapatite(Ca₁₀(OH)₂(PO₄)₆)라고 불리는 인산칼슘염으로 제거하는 방법이다. 화학반응은 다음과 같다.

  10Ca²⁺ + 6PO₄^3-  + 2OH^-  → Ca₁₀(OH)₂(PO₄)₆ ↓

이 방법은 오니의 발생량이 증가한다.  이에 비해 오니의 발생량이 적고, 보다 경제적인 방법으로 개발된 것이 접촉탈인법이다. 접촉탈인법의 기본적인 제거원리는 일본에서 고안되었으며, 거의 같은 시기에 미국의 Zoltek 등의 연구가 보고되었다. 그후 기술의 완성도 면에서 일본의 기술이 높은 평가를 받고 있다. 

폐수 중으로부터 인의 회수법으로 큰 주목을 받았으나, 사전에 탄산이온을 제거해야 하는 기술적인 어려움으로 현재는 그다지 사용되지 않고 있다. 그러나 이 방법의 이점으로서는 생성되는 히드록시아파타이트가 통상의 인광석과 같은 공업적인 인의 자원으로서 이용 가능하다는 것이다. 인은 고갈자원이라 하여 수 십 년 후에는 양질의 인광석을 얻을 수 없게 될 것이 예상되고 있다. 인의 재이용 자체는 여러 가지의 루트가 생각되어지며, 또한 기술적으로도 어려운 것은 없으나, 현재는 대부분 비료로서의 이용에만 쓰이고 있다. 그러나 현실적으로 부족되는 인자원은 비료로서의 이용보다는 오히려 공업용 인의 자원이다. 따라서 인의 재순환 이용이라는 관점에서 본 기술은 장래에 중요할 것으로 예상된다. 

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1.2.3 일본의 고도처리 및 초고도처리

가. 일본 시가현 

(1) 시가현의 현행 고도처리의 운전상황과 비와호 수질의 개선목표

<표 4>은 현행 고도처리장에 있어서 1998년의 처리상황을 나타낸 것이다. 

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생물반응조의 실제 체류시간은 설계체류시간보다 길기 때문에 생물분해 가능한 유기물은 거의 제거되어, BOD는 검출한계까지 처리되지만 COD는 생물분해가 곤란한 유기물이 많아서인지 90%정도의 제거율을 보이고 있다. 그 외에도 부유물질 및 총인은 99%이상의 제거율을 보이고 있다.

(2) 장래 초고도처리의 계획

전술과 같이 현행의 고도처리만으로도 처리수는 양호한 수질을 보이고 있지만, 처리수의 수질이 아직도 COD가 남호의 호수농도보다도 2배, 총질소는 20배, 총인은 수 배정도로 높은 상태이다. 비와호의 수질과 비교하면 처리수의 농도는 더욱 높기 때문에 시가현에서는 장래 초고도처리를 계획하고 있으며 이에 따르면 방류수의 인 농도는 0.02 mg/l 로서 호수의 수질과 비슷한 농도로 배출할 예정이다 <표 5>.  이 총인 기준농도와 비교하면 우리나라의 하수처리장 방류수의 인기준 농도인 6 mg/l (팔당특별대책지역에서는 2 mg/l)는 일본 시가현의 초고도처리에 비해 10- 300배의 높은 농도이다.

< 표  >. 일본 비와호 유역의 현재 수처리 수질기준 및 장래 초고도처리 목표 (단위 : ㎎/ℓ)

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1.3 점오염원 관리 대책 개선안

현행의 하수처리장 방류수 수질기준의 인농도가 방류수 농도보다 낮으므로, 하수처리장의 인제거율을 높이도록 유도할 수 없으며 하수처리가 호수의 녹조예방에 기여할 수 없다.   호수의 수질을 결정짓는 요인은 인의 농도이므로 현재의 하수처리계획을 유기물 뿐 아니라 인의 제거에도 효율을 높이는 설비를 추가하여야 한다. 또한 질소보다 인의 제거 효율증대에 더 역점을 주는 공법으로 전환하여야 한다.

인제거율 제고를 위하여 방류수 수질기준을 개정하여 인의 방류수 수질기준농도를 현재의 2 mg/l에서 일본 수준인 0.1 mg/l 이하로 강화하여야 한다 <표 6>.

질소는  호수부영양화의 제한요인이 아니면 기준을 강화할 필요가 없으며 다만 암모니아는 동물에 독성이 있으므로 규제를 하는 것이 타당하다. 

인의 수질기준 강화에 대비하여 인과 질소를 동시에 제거하는 생물학적 처리 (BNR) 공법의 설비계획을 중단하고, 인의 제거율이 높은 화학적 처리공법을 검토한 후에 장기적인 계획에 의거하여 설비투자를 하여야 중복 설비투자의 낭비를 막을 수 있을 것이다.

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Ⅱ. 농업지역 비점오염원 관리대책

2.1. 우리나라의 농경지역 비점오염 유출실태

2.1.1 우리나라 농업활동의 인, 질소 유출량 

농경지에 뿌려준 비료와 가축분뇨는 호소부영양화의 원인인 인성분을 함유하고 있다.  이 비료 성분의 질소와 인은 작물에 일부만 흡수되고 나머지는 대부분 유출된다.  우리 나라의 연도별 비료 사용량은 1999년도에 최고값을 보이고 점차 감소하는 추세에 있으며, 경지면적도 1968년에 2,319천 ha(답 1,289 , 전 1,030)에서 점차 감소하고 있다.

우리 나라의 비료사용량은 1999년도에 398 kg/ha 그리고 2000년도에 382 kg/ha로 감소하였지만 필리핀, 태국 및 미국의 비료사용량에 비해서는 현저히 많은 비료를 사용하고 있다. 우리 나라의 농약사용량은 1990년까지는 빠르게 증가하였으나 그 이후는 증가속도가 둔화되어 2000년도에는 경지 전체평균으로는 12.4 kg/ha, 그리고 논은 5.9 kg/ha를 보였다. 농약사용량은 환경농업을 지향하고 있음에도 오히려 점진적으로 증가하는 추세를 보이고 있다.

우리 나라의 질소 및 인 비료 사용량, 농지당 가축밀도 및 축분에 의한 인질소 발생량이 다른 OECD 회원국에 비해 많다 <표 7, 8>.  호소부영양화의 원인물질인 인비료의 사용량을 보면 연간 10.5 t/km2 으로서 OECD 평균치 0.9를 10배 이상 상회하고 있다.   그 결과 국내 인 발생량의 55%를 화학비료가  차지하고 있으며 이중 대부분이 작물에 흡수되지 못하고 유출되어 부영양화를 일으키고 있는 것으로 보고되었다.

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2.1.2. 농경지의 토양과 인흡착

인은 일반적으로 토양입자의 표면에 잘 흡착되는 성질을 가지고 있다.  따라서 토양유출이 없으면 농경지로부터의 인의 유출은 많지 않다.  그러나 장기간 지속된 비료 투여로 인하여 농경지의 표토는 인을 많이 함유하고 있으며 토사의 유출은 이에 흡착된 인을 함께 유출하는 결과를 가져온다.  토양표면에 흡착된 인은 수중 용존무기인과 평형을 이루게 되는데 토양중에서는 토양간극수중의 인농도가 높으므로 토양에 흡착되지만 반대로 호수에서는 수중의 인농도가 낮으므로 토양에서 수중으로 인을 용출시킨다. 

(토양)- (흡착된 인)  ↔  (토양) + (용존무기인) 

그러므로 농경지역의 토사유출은 곧 인의 유출을 의미하여 호소 부영양화의 주원인이다. 농경지역의 비점오염의 특징은 도시 생활하수보다는 오염도가 낮으나 다량이 배출된다는 점이다.  강의 하류지역에서는 강우시에 배출되어 즉시 바다로 흘러가지만 댐의 상류에서는 호수에 저류되어 부영양화를 일으킨다.  특히 북한강에는 많은 댐이 건설되어 있어 강우시 유출수가 저류되므로 비점오염유출이 한강 하류의 수질에 장시간 영향을 줄 수 있는 조건을 가지고 있다.  홍수기의 탁류가 저류되었다가 장기간 서서히 방출되므로 댐이 없는 경우에 비해 탁수가 장기화된다. 

2.1.3 농경지 토사유출의 생태학적 영향

농경지에서 토양유실과 유사의 발생은 토지생산성과 하천환경 측면에서 고찰해 볼 수 있다. 토양유실과 유사의 발생은 모든 토립자에 균등히 발생하지 않고 유실이 잘되는 작은 토양입자와 유기물을 선택적으로 제거한다. 토양에서 작은 토립자와 유기물은 농경지에 투입되는 비료 등의 화학물질을 흡착하고 물을 저장하는 역할을 하여 농경지 지력향상의 중추적인 역할을 한다. 이들의 유실은 지력감퇴와 보수량 감소로 인하여 가뭄에 대한 저항성이 약해지고 토지 생산성을 저하시킨다. 토양유실을 장기간 방치할 경우는 작물의 뿌리가 자랄 수 있는 능력을 확보할 수 없게 되어 궁극적으로는 경작지로서의 가치를 손실하게 된다. 

하천환경에서의 토양유실은 수질환경의 악화뿐만 아니라 하천의 이수 및 홍수관리에 심각한 영향을 준다. 농경지를 떠난 유사는 하천에서 퇴적과 운반을 반복하며 서서히 하류로 이동한다. 유사의 하상퇴적은 하천의 통수량을 줄이고 하상의 지반를 높여 홍수시 제방의 범람이나 붕괴를 초래한다. 경기도 여주지역의 경우는 남한강 하상이 유사퇴적에 의한 상승으로 큰 홍수시마다 범람의 위험이 있다. 수중

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의 부유유사는 수중의 햇빛 투과를 차단하여 광합성 작용을 방해하며 부착조류가 광합성을 하지 못한다. 부착조류가 적어지면 그것을 먹는 저서생물이 적어지고 저서생물을 먹는 물고기가 적어지게 되어 생물이 거의 없는 하천환경이 되는 결과를 가져오게 된다. 또한 하천의 어류는 대게 작은 자갈 사이나 돌 틈에 알을 낳는다. 그러나 토사가 흘러들어 자갈사이와 돌 틈을 메우면 산란장소가 없어지게 되며, 또한 돌 틈에 물이 흐르지 못하여 산소 부족으로 알이 부화하지 못한다. 부유유사에 흡착되어 유실되는 유기물과 영양염류는 하천과 호수의 부영양화에 원인이 된다. 또한 흙탕물을 상수원으로 이용할 경우에는 정수를 방해하고 약품의 사용량을 늘려야 하는 피해를 준다. 그에 따른 경제적인 손실뿐만 아니라 수돗물의 질적인 면에서도 좋지 않다.

모토양으로부터 토립자의 이탈은 기본적으로 빗방울의 충결능, 지표면흐름의 전단력, 토양입자의 이탈 용이성, 빗방울의 충결력과 지표면흐름의 전단력을 감소시킬 수 있는 물질의 존재 유무, 영농관리를 통한 토양의 보전력 향상 등에 영향을 받는다. 이탈된 토립자의 운반은 지표면 흐름의 운반력(transport forces), 토립자의 운반 용이성, 토립자의 운반을 억제할 수 있는 물질의 존재유무 등에 영향을 받는다. 토립자의 이탈은 많은데 이를 하류로 운반할 수 있는 운반능력(transport capacity)이 부족하면 운반능이 토양유실과 유사발생을 좌우하는 제한인자가 된다. 반면에 운반능력은 충분한데 토립자의 이탈이 작으면  토립자 이탈이 토양 유실과 유사발생을 좌우하는 제한인자가 된다. 토립자의 이탈과 유출수의 운반능력이 최소화가 되도록 경지를 관리하는 것이 표토유실을 방지하는 가장 중요한 핵심이 된다. 

2.1.4 북한강 상류의 비점오염원 유출실태

소양댐 유역의 면적은 2700 km2 이며 인구는 약 3만 5천명으로서 인구밀도가 낮고 삼림의 비율이 높은 곳이다. 그럼에도 불구하고 강우시 심한 탁수가 유출되고 있으며 <그림 4>, 이 때 총인의 농도가 1000 mg/m³ 이상의 고농도를 보이고 있다.  이 농도는 호소부영양화의 기준치인 20- 30  mg/m³를 50배이상 초과하는 것으로 하류의 호수에서 녹조발생의 원인이 될 것임이 자명하다.  이러한 높

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은 인 농도는 농경지역의 토양의 유출과 함께 유역으로부터 많은 양의 비료와 퇴비가 유출되고 있음을 시사하고 있다 <그림 5>.  북한강 상류에서 농업 비점오염이 주로 발생하고 있는 지역은 양구군 해안면, 홍천군 내면, 등이다.  이들 지역에서는 급경사 채소밭이 많고 고랭지 채소 재배가 활성화되어 있다.

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따라서 하천부지를 정확히 측량하여 하천부지내 경작지를 자연식생대와 하상으로 회복하여 하폭을 넓혀 유속을 감소시키고, 침식을 저감시켜야 한다.

2.1.6. 유기농업이 수질오염에 미치는 영향

전 세계적으로 추진되고 있는 지속 가능한 농업의 초점이 되는 것은 유기 농법 즉 환경친화적 농업이다. 대부분의 농경지에서 작물의 대량생산을 위한 화학비료의 남용으로 토양이 산성화되고, 환경오염이 심화됨에 따라 유기농법의 당위성이 더욱 강조되고 있다. 그러나 퇴비화된 가축분뇨는 토양구조 개선, 병충해 억제, 비료성분지지, 완충능력 증대, 유해물질 저지 등 긍정적 측면을 가지고 있으나 적정 용량을 초과한 경우에는 강우시 유출되어 호소 및 하천의 부영양화 원인이 된다.

현재까지 우리 나라에서는 농지의 축분 환원에 대해 환경오염원으로서의 분석이 이루어지지 않은 상태에서 모든 가축분뇨의 농지적용을 환경친화적 농업으로 보고, 토양에 환원시키는 양을 더욱 증가시키고 있으며 현재 전체 가축분뇨 발생량의 90% 이상이 농지로 투입되고 있다.

그러나 종합적으로 국가별 축산용량을 농지 면적과 비교하여 평가한다면 우리나라의 축산밀도가 세계 제일의 축산국인 네덜란드 다음으로 2위로 평가될 만큼 밀도가 높다.  그 결과  우리나라의 농지에 투입되는 비료 등 영양물질은 계속 증

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가하고 있으며, 모든 축분을 모두 퇴비화하여 사용한다고 해도 시비과잉으로 인하여 수질오염은 피할 수 없다 <표 9>.

한편 축분의 퇴비화도 완전하지 않으므로, 축분이 그대로 하천에 유출되는 양도 많다.  근본적으로 우리 나라의 국토여건을 고려한 환경용량의 설정과 이에 따른 적정항 규모의 가축사육 규제, 및 가축분뇨의 관리방안이 마련되어야 한다 (한국환경정책평가원 1999).

유기농업도 축분퇴비의 유기물과 인의 유출로 인하여 호수부영양화의 큰 원인이 되므로 유기농업이 저오염농업이라는 개념은 버려야 하며 퇴비의 과다 사용은 수질오염의 원인이므로 적정한 퇴비사용을 유도하기위해 노력하여야 한다. 

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2.2 농경지역 비점오염 유출 저감대책

2.2.1 농경지역 토사 및 비료유출에 영향을 주는 인자

가. 경지의 수문학적(hydrological) 특성 

강우와 강우유출은 토양유실이 발생하기 위한 가장 기본적인 필요조건이다.

나. 지형(topography) 경사도

토양유실은 경사장, 경사도 및 형상과 밀접한 관계가 있다.  지형인자는 경지의 수문특성을 바꿀 수 있다.  특히 경사도는 한강 상류 지역에서 가장 큰 요인이다. 

다. 토양의 침식성(erodibility) 

토양에 따라 유실이 잘되는 토양과 잘 안되는 토양이 있다. 토양의 침식성은 토양관리방법에 따라 증가하거나 감소하기 때문에 침식성을 작게 할 수 있는 방법으로 수행될 필요가 있다. 토양에 유기물이 많을 때는 침식성이 작아지고 경운을 자주 하면 흙이 잘게 부서지기 때문에 침식성이 커진다. 채소밭에서는 유기질 비료를 많이 사용하기 때문에 토양이 단단하지 않고 침식이 잘된다.  특히 경사도가 큰 밭에서 유기농업을 하게 되면 토양침식이 크게 증가한다.

라. 토양의 운반성(transportability)

토립자는 입자로 혹은 이들 입자들이 뭉친 덩어리 (aggregate) 상태로 모토양에서 이탈된다. 덩어리의 크기는 2～500 ㎛ 정도이고 비중은 1.8 정도이다. 토양의 운반성은 입자와 덩어리의 구성비에 따라 다를 수 있다. 

마. 지표피복(surface over) 

작물의 canopy, 멀칭, 작물 잔유물, 혹은 토양면과 접촉하며 자라는 밀식작물 등은 다른 인자에 비해 토양유실이 적다. 지면을 덮고 있는 잔유물은 빗방울의 충격력을 차단하여 토립자의 이탈을 막아주고 지표면 흐름의 유속을 감소시켜 유사 운반능력을 현저히 낮추며, 또한 세류의 발생을 억제하여 토양유실과 유사의 발생을 억제한다. 빠른 지표 피복의 방법으로 액상 섬유매트를 사용하면 효과적이다.  나무섬유로 만든 섬유를 액상의 매질에 풀고 여기에 접착성 고분자를 섞어 뿌리면 토양을 단단히 잡아 주어 수개월간 침식을 억제하는 방법이다.  풀씨나 작물의 씨앗을 함께 

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섞어 뿌리면 발아하여 식생이 발달할 때까지 토양 침식을 막을 수 있다.  미국에서 토목공사 현장에 많이 적용하는 방법이다. 

바. 지표피복물의 토양 혼합(Incorporated residue)

옥수수대 또는 콩대와 같은 비교적 큰 지표피복물이 토양과 혼합되어 있는 것을 incorporated residue라고 한다. 이들은 토양에 유기물을 공급하고 또한 세류의 형성을 막아 토양유실과 유사의 발생을 억제한다. 

사. 토지이용의 역사 

현 토지이용 직전의 토지이용도 토양유실과 관계가 있다. 목초지로 사용되던 땅을 갈아엎어 밭으로 만들었다면 이 토양은 매년 갈아엎어 경운을 하는 땅보다 침식성이 낮다. 목초의 작은 뿌리들이 토양 입자들을 구속하고 있고, 투수성이 높아 지표유출량이 적기 때문이다. 그러나 이와 같은 효과는 2～3년 후면 사라진다. 

아. 경운(tillage) 

경운은 토양을 부수고 심층토양을 위로 올리기 때문에 토양유실을 증가시키는 역할을 한다. 경운 직후에 가장 많은 토양유실이 일어날 수 있으며 시간이 지나며 토양 유실량은 다소 감소한다. 고랭지 채소밭 지역에서는 경운 뿐 아니라 새로운 토양을 첨가하는 부토 또는 객토를 자주 시행하므로 경운을 하는 것과 동일한 토양침식증가 원인을 제공한다.  특히 경사도가 큰 밭에서는 표토가 유실되므로 객토 주기가 짧고 더 많은 부토가 필요하며 그 만큼 비료와 토양이 침식된다.

자. 토양의 거칠기(roughness) 

토양면이 거칠면 이들 사이로 많은 양의 물이 저류될 수 있어 토양유실을 줄일 수 있으나 강우가 많을 경우는 유사의 발생이 많아질 수 있다. 

차. 경운방법(tillage marks) 

등고선과 평행한 경운(contour tillage)은 등고선과 직각방향경운(up- and- down tillage)에 비해 토양유실과 유사발생량을 현저히 줄일 수 있다. 강우가 많은 지역에서는 일정한 간격마다 고랑에 격막을 설치해 주는 furrow dam을 설치하여 고랑의 파괴로 나타날 수 있는 gully를 최소화 할 수 있다. 

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카. 난침식성층(nonerodible layer) 

경운이 되지 않은 작토층 하부의 토양은 침식에 강하다. 이 난침식성층의 위치에 따라 gully의 발생에 많은 차이가 있을 수 있다.

타. 밭고랑의 배치(channel alignment) 

밭고랑 침식의 하나의 중요한 원인은  산에서 흘러내려온 물이 밭을 지나게 배치되어 있는 경우이다.  토양침식은 유량에 비례하는 것인데 산에서 흘러내린 물이 밭을 우회하여 흐르지 않고 밭으로 흘러들어 올 경우 침식을 크게 증가시키다.  따라서 이런 곳에서는 빗물이 농경지를 우회하도록 우회 배수로를 설치하여야 한다.

물꼬나 밭두렁 같이 경작지 중간 중간에 세류나 작은 gully보다 높은 지역이 있으면 토양유실이 더 이상 발생하지 않고 퇴적이 일어난다. 또한 세류에 만곡부가 있으면 물이 굽이치는 만곡부의 최측벽으로 침식이 크게 일어나며 빠르게 gully를 형성할 수 있다. 

파. 밭고랑측벽의 안정성(channel sidewall stability) 

gully침식은 gullly 측벽이 무너지면서 증가된다. 따라서 토양의 점착력 등이 gully 발생 억제요인으로 작용할 수 있다.  밭고랑의 gully 생성의 주요 원인은 고랑과 하천의 폭을 좁게 만든 데에 있다.  원래 자연하천은 홍수기의 통수단면이 모두 하천으로 만들어지고, 유속이 빠른 하상은 바위와 자갈로 덮여 있고, 유속이 느린 천변은 식생으로 덮여 있는 것이 정상이다.  그러나 농지확장을 위하여 하천부지를 잠식하여 토양을 붓고 경작을 하기 때문에 강우시 유속이 빨라지고 하천변이 침식이 발생한다.  통수단면적이 감소할 수록 유속은 빨라지므로 침식이 증가하며, 천변식생이 정착하기 어렵다.  이에 대한 대책으로 하천 폭을 넓히는 대대적인 작업을 최상류부터 실시하여야 한다. 

2.2.2. 상류지천의 수변구역 확대에 의한 비점오염 저감대책

현재 수변구역은 서울 인근의 한강하류를 대상으로 적용하고 있다.  그러나 실제로 비점오염물이 발생하는 곳은 상류의 하천변의 침식이다. 따라서 수변구역의 개념을 상류하천으로 확대하여 원천적으로 토사와 비료의 침식이 발생하는 곳에서부터 저감하는 것이 가장 효율적일 것이다.  상류 지천의 하천부지를 하천통수단면으로 확보하고 양안의 일정부분을 수변구역으로 지정하여 토양침식을 억제하는 것이 토사와 인의 유출을 저감하는 절실히 필요한 대책이다.

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비점오염원의 발생지점은 무수히 많고 빗물과 함께 토지에서 하천으로 유출되므로 오염 발생원 관리만으로는 오염저감에 어느 정도 한계가 있다. 상수원수 보호구역 등 하천 수질목표가 높은 지역의 비점오염관리를 위해서는 하천연변(Riparian Area)에 대한 오염원 입지금지 등의 적극적인 관리형태를 생각할 수 있다.

수변지역관리는 크게 나누어 두 가지 방식으로 분류할 수 있다. 첫 번째 방식은 수변선의 양안을 따라 일정거리의 넓이를 가진 식생여과대, 인공습지와 같은 일종의 완충지대를 설치하는 것이며, 그 역할을 지표 유출수의 오염물질을 침전, 여과, 흡착하고 유입수를 일시 저지하여 지하침투를 촉진하는 기능을 갖게 하는 것이다. 선진 외국의 경우 최적관리기술(BMP)을 적용한 사례가 있는데 완충지대 식생의 자연 정화능력을 이용한 처리는 그 효과가 대단한 것으로 나타났으며, 이는 비점오염원의 배출특성에 적합한 처리방식이기도 하다. 

식생 여과대(vegetation strip)는 강우 유출수의 흐름을 여과대에서 감소시켜 오염물질이 여과, 침전, 흡착과정을 통해 제거시키는 것으로 대부분 침투조와 병행하여 시설한다. 따라서 식생 여과대는 농약과 같이 토양 입자에 부착된 오염물 제거에 효과적이다.

식생대에서 100% 오염물 제거효율이 나타나는 거리를 한계거리라고 하는데 이 한계거리는 모래 3m, 실트 15m, 진흙 122m로 토사의 종류에 따라 다양하다. 일반적으로 침식물은 진흙과 실트로 구성되어 있기 때문에 침식물의 한계거리는 30～120m로 볼 수 있다. 

두 번째 방식은 수변관리구역 (Riparian Management Area Zone)을 지정하여 완충지대 밖의 수변근접구역을 설치하여 토지이용규제를 할 수 있게 하여 오염원의 신규입지를 억제하는 방안이다. 이것은 직접적인 오염물질 처리 효과는 없지만 오염물질의 발생원을 수변지구 밖으로 입지시키는 효과가 있다. 다시 말해서 완충지대는 적극적인 비점오염원 관리를 위한 것이고, 수변관리구역은 토지를 통해 오염발생 및 유출을 저감시키는 방법이다.

수변구역의 식생복원에서 문제가 되는 것은 첫째 많은 상류의 지천들이 사유지라는 점이다.  특히 농경지의 구거는 사유지인 경우가 많으므로 지주가 임의로 유로를 변경하거나 하폭을 줄이는 사례가 흔히 있다.  그러므로 수변구역의 복원을 위해서는 우선 적절한 위치에 배수로를 만들고 하폭을 설정한 후 해당구역의 토지를 매입하여야 한다.  매입이 불가능한 곳에서는 직불제를 적용하여 하천을 복원할 수 있다.  이에 필요한 재원은  각 종 농업 보조금을 전환하여 친환경농업 지원의 형태로 충당할 수 있다.  또한 각 종 수질개선사업의 일환으로 지원하여야 한다.

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또 하나의 문제점은 하천이 국유지인 곳에서도 하천부지를 도로를 확장하는데 사용하거나 농지를 확장하기 위해 점유한 곳이 많다.  하천의 폭을 넓히고 하천을 복원하기 위해서는 이들 토지에 대해 측량작업이 이루어져야 하며 불법적인 하천점유에 대해 강한 규제 조치를 시행하여야 한다.  최상류의 농배수로의 폭을 넓히고 하천변의 침식을 막는 것이 토사유출을 막는 데에 가장 중요한 요소이다.

3 농경지 표토 유실 방지 대책

가. 토양표면 안정화

비점오염 관리방법 중 큰 비중을 차지하는 방법으로 표면 안정공법과 식생대를 조성하여 강우에 의한 지표면에의 충격을 감소시키는 공법이 있다. 표면안정공법으로는 표토층 보호, 식생 조성, 돌붙임, 잔디 식재, 진입로에 자갈깔기, 임시 식생 등이 있다. 표면보호방법은 짚단, 식물의 잔재물, 자갈 또는 합성수지로 만든 보호단을 사용하여 빗물이 떨어지는 충격을 완화시키고 강우로 인한 침식물의 유출을 최소화시키는 방법으로서 식생 조성을 지지해주는 역할을 한다. 보호단의 재료로는 짚, 나무조각, 나무껍질과 같은 유기성재료가 효과적인 것으로 알려져 있다. 짚을 사용할 때는 액상유제나, 네트를 이용한 고정이 필요하다. 특히 식생수로의 표면에 식생을 할 때도 표면 보호 기술을 적용하는 것이 효과적이다. 돌부침은 침식 우려가 있는 경사면, 또는 토양구조가 열악한 지역을 보호하고 안정화하기 위한 장치이다. 사석대는 식생이 조성 될 수 없는 경사면, 수로 경사와 바닥면 등에 설치된다. 식생 조성 방법은 토양의 투수성 개선과 오염물질 흡착 및 흡수 기능에 의한 수질 개선 효과가 있다. 식생 조성으로 인한 침식억제 효과는  속성식물을 식재한 경우 10배, 잔디를 식생한 경우 100배, 삼림을 식생한 경우 1000배의 효과가 있는 것으로 보고되어 있다 <표 10>.

나. 식생피복

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다. 침사지

이차적인 조치로는 유실된 유사들이 모토양을 떠나기 전에 차단할 수 있는 시설을 설치하는 것이다. 유사배출 억제시설은 유수의 유속을 완화시켜 부유유사가 침전하도록 만드는 시설이다. 일차적인 토양유실 방지 시설과는 달리 유사배출 억제시설은 토양유실을 차단하는 시설이 아니기 때문에 건설현장의 유사배출을 위한 기본시설로 간주되어서는 안 된다. 이차적인 유사배출 억제시설은 일차시설에 대한 보조조치로 사용되어야 한다. 일차적인 방제조치를 통해서 토양유실을 최소화하는 것이 이차적인 유사배출 억제시설을 통해 유사를 차단하는 것보다 훨씬 경제적이고 효과적이라는 점을 반드시 인식해야 한다.

저류시설에서 대부분의 침식물을 침전 제거시킬 수 있는 효과적인 방법이며, 오염물질 제거 효과는 50%까지 가능하다.

라. 우수의 토양침투

지표면 경사를 완만하게 하고, 우회 수로를 시설함으로서 강우에 의한 침식력을 약화시키고 불투수층 면적을 감소시켜 강우의 토양 침투를 촉진시키는 방법이다.  자연상태에서 강수는 평균 40%정도의 양이 증발되고, 10%는 지표유출, 50%는 지하로 침투한다. 그러나 도시지역의 경우 지표면 유출이 90%이상으로서 지하 침투는 거의 일어나지 않는다. 따라서 침투능력의 향상을 위해 도로에 침투성 재질의 사용을 확대하고 주차장이나 공원에 포장을 최대한 억제하고, 포장재를 투수성재로 하여 불투수층 면적을 감소시키는 방법으로 일본, 독일, 스위스 등이 사용하고 있다.

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마. 시비량 감축

OECD회원국으로서 우리나라의 질소 및 인 비료 사용량은 다른 회원국에 비해 우리 나라의 지표들이 대체로 높고 환경상태가 악화되는 추세로 나타났다. 우리 나라의 연도별 비료사용량은 1999년도에 398 kg/ha 그리고 2000년도에 382 kg/ha로 감소하였지만 필리핀, 태국 및 미국의 비료사용량에 비해서는 현저히 많은 비료를 사용하고 있다. 국토여건을 고려한 환경용량의 설정과 이에 따른 과학적인 시비량의 결정이 시급하다. 

2.4농업 비점오염 저감을 위한 농업 보조금 정책의 개선방향 

2.4.1 수질 오염을 가중시키는 보조금

다음의 농업 보조금은 수질오염을 부추기는 보조금이므로 이를 다른 형태로  전환하여야 한다. 

(가) 비료와 퇴비의 가격을 낮게 유지하기 위한 보조금

(나) 객토에 대한 보조금

(다) 유기질 비료를 과다하게 사용하는 유기농업(친환경농업)에 대한 보조금

2.4.2 저오염농업에 대한 보조금으로 전환하여야한다

농업 보조금의 지원대상을 수질오염을 가중시키는 방향에서 수질오염을 저감하는 방향으로 전환하여야 한다. 

가. 화학비료의 가격을 높게 유지한다.

질소와 칼리비료는 수질오염에 미치는 영향이 작으므로 기존의 저가격을 유지하고, 인비료 성분은 수질에 미치는 영향이 크므로 인을 함유하는 비료는 보조금을 중단하고 가격을 높여 인비료의 사용량 저감을 유도한다. 

나. 퇴비가격을 높인다.

퇴비는 유기물과 인의 함량이 높아 수질오염의 기여도가 크므로 저가유지를 위한 보조금을 중단하여 퇴비의 가격을 높여 사용량 저감을 유도한다. 

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다. 친환경농업의 규정에 유기질 비료사용량 규제도 포함시킨다.

현재의 친환경농업은 저농약농업이며 농작물의 농약오염을 줄이는 농업이기는 하나 수질오염을 저감하는 농업은 아니다. 친환경농업으로 불리는 유기농업은 유기질비료를 많이 사용하므로 유기물과 인의 유출이 많아 수질오염도가 크다.  그러므로 친환경농업의 정의를 수질오염을 저감하는 농업형태로 개선한다.

라. 저오염농업에 인센티브를 지급한다. 

토양침식을 억제하는 농법을 시행한 농가에 인센티브를 지불한다.  토양피복, 식생밭두렁, 밭고랑침식방지책, 등을 시행한 농가에 인센티브를 지불함으로써 농민 스스로 비점오염저감을 위해 노력 하도록 유도한다. 오염저감을 위한 시행비용에 대해 재료제공 등의 보조금을 지불한다. 기타 토사와 유기물 및 인의 유출을 저감한 농가에 인센티브를 제공할 수 있도록 제도를 개선한다. 

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Ⅲ. 호수내 수질개선대책

3.1 호수내 응집제 투여에 의한 수질개선 

3.1.1 응집제에 의한 호수수질 정화의 원리

국내에서 화학적 응집제는 정수처리공정에서 탁도를 제거하기 위하여 흔히 사용하고 있으며, 폐‧하수의 화학적 처리시에 사용 되고 있다. 알루미늄, 철, 칼슘 등은 인산이온과 결합하면 불용성 침전을 만들어 수처리에서 인의 제거제로 사용 되고 있다. 특히 알루미늄이온은 산성조건에서 용해도가 크고 Al³⁺ 이온으로 용해되지만 pH가 6이상으로 중화되면 Al(OH)₃ 의 floc을 만들어 침강하면서 수중의 부유물도 함께 침강시키는 성질을 가진다. 또한 알루미늄은 인산염과 결합하여 용해도가 낮고 안정한 AlPO₄ 침전을 형성하므로 수중의 용존무기인을 제거하는데 매우 효율적이므로 부영양호의 수질개선에 이용 되고 있다. 

화학적 응집제를 처리한 후 수년간 수질이 개선되는 효과를 얻은 경우가 많다. 외국의 화학적 응집제 처리의 경우는 대부분이 저질로부터 용출되는 내부 인부하를 제어하기 위한 것이다. 외국에서 사용한 인의 불활성화 방법은 호수의 저질로부터 용출되는 인을 영구적으로 묶어두는 방법이다. 알루미늄 응집제를 호수에 적용하면 저질층에 Al(OH)₃를 두껍게 덮어 수체로 확산되는 인을 흡착하여 내부부하를 감소시킨다. 이런 방법은 저질로부터 인의 용출을 장기간 제어할 수 있기 때문에 충분한 양의 응집제를 첨가하였다. 

많은 양의 알루미늄 응집제를 첨가할수록 장기간의 효과를 얻을 수 있지만, 황산알루미늄을 너무 많이 첨가하면 pH가 낮아지고 수중의 생물체에 독성을 나타낼 수도 있다.  따라서 pH가 6이하로 낮아지지 않는 범위내에서 적정량을 첨가한다.  과량을 첨가하는 경우에는 pH를 완충시키기 위해 사용하는 완충제를 사용하기도 한다.

호수에서 인을 침전시키는 방법은 스웨덴의 Långsjön 호수에서 처음으로 시도하였다. 응집제는 낟알 모양의 건조된 황산알루미늄으로 호수 표면에 직접 적용하였다(Jernelöv, 1971). Långsjön 호수에서는 호소수의 체류시간이 길어 그 효과가 2년 이상 유지되기도 하였다. 액체 황산알루미늄을 사용하였을 때 floc 형성이 더 잘된다는 보고가 있고, Peterson et al.(1973)은 미국에서 처음으로 Wisconsin의 Horseshoe 호수에 액체 황산알루미늄을 사용하였다(Cooke et al., 

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1993). 오늘날 미국과 캐나다에서는 전문적으로 호수에 응집제를 투입하는 시스템도 개발되었으나, 국내의 경우 화학적 응집제를 이용해 호수에 직접 투여하는 기법이 활용되지 않고 있으며 소수의 시험적 사례가 있다.

3.1.2 국외사례

가. East Twin과 West Twin 호수

미국 오하이오주에 위치한 East Twin과 West Twin 호수는 빙하호이고 주거지역과 숲으로 이루어진 유역 안에 있다. West Twin 호수로의 물의 유입은 고지의 연못과 강우, 지하수(유입의 약 40%)로부터이고, 100m 하류의 East Twin 호수로 들어간다. East Twin 호수는 강우의 영향을 약간 받으며 water budget의 약 40%는 지하수이고 약 50%는 West Twin 호수로부터의 유출수이다. 황산알루미늄 처리는 심층의 총인 농도를 낮추고 최소한 6년에서 길게는 14년까지 심층의 농도를 낮게 유지하였다 <그림 7>.

나. Mirror 호수와 Shadow 호수

미국 위스콘신주에 위치한 Mirror 호수와 Shadow 호수는 하수부화로 인해 연간 외부 인 부하는 각각 65%, 58%로 계산되었다 <그림 9>. 혐기성의 심층 저질로부터의 내부 인부하도 또한 주된 원인이었다. 유로변경으로 Mirror 호수는 

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0.34에서 0.12g‧m- 2‧y로, Shadow 호수는 0.24에서 0.10g‧m- 2‧y로 외부 인부하가 감소하였다 <그림 8, 9>. 유로변경은 표층수의 총인, 평균 총인, 용존 반응성 인의 농도를 즉시 감소시켰다. 그러나 인의 농도는 여전히 부영양한 호수에서 예상되는 농도 범위에 있었고, 내부부하는 호수의 개선을 방해한다고 가정하여 1978년 심층에 황산알루미늄을 처리하였다. 황산알루미늄 처리로 Mirror 호수에서 약 93㎍‧L- 1에서 약 20㎍‧L- 1로, Shadow 호수에서는 약 55㎍‧L- 1에서 23㎍‧L- 1로 평균 총인의 농도가 감소하였다. 이런 낮은 농도들은 일차적으로 심층에서의 인의 감소 때문에 최소한 3년간 지속하였다(Garrison and Knauer, 1983; Garrison and Ihm, 1991). 

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다. Eau Galle 저수지

미국 위스콘신주에 위치한 Eau Galle 저수지는 홍수를 조절하기 위하여 만든 인공호이다. 유역의 대부분은 농경지로 영양염류의 부하가 높고 조류와 수생식물의 성장이 과도하게 일어났다(Barko et al., 1990). 높은 외부부하와 지하수를 포함하는 내부부하에 의해 여름에 조류 번성이 발생하였다(Gaugush, 1984). 외부부하의 유로변경이 없이 저수지의 심층에 1986년 5월말 황산알루미늄을 처리하였다. 

황산알루미늄 처리는 1986년 여름 저질에서 인용출을 제어하는데 효과적이었지만, 실트와 영양염류의 높은 외부부하는 황산알루미늄의 효과를 낮추었다(James et al., 1991). 증가하는 외부부하와 표층에서의 총인과 엽록소 a 농도 증가는 매우 밀접한 관련이 있다 <그림 10, 11>. 처리 후 1년은 심층에서의 내부부하와 용존 반응성인의 농도가 대체적으로 낮았다. 그러나 1986년 성층 기간 동안 높은 외부부하는 표층에서의 총인과 엽록소 a 의 농도를 증가시켰다. 1987년과 1988년 여름동안 내부부하로 인한 황산알루미늄 처리의 영향은 본질적으로 무효가 되었고, 표층의 총인과 엽록소 a는 처리 전과 변화가 없었다(Barko et al., 1990). 황산알루미늄 처리가 실패한 이유는 지하수와 연안대를 포함하는 내부 인부하가 주된 원인이었다. 그러나 Eau Galle 저수지는 외부부하의 감소가 없이 황산알루미늄을 처리하여 실패한 사례로 설명할 수 있다. 

라. Morey 호수

미국 버몬트주에 위치한 Morey 호수는 초기에 여름 캠프, 리조트. 주거지와 같은 하수처리 시스템에 의한 높은 영양염류 부하량을 의심하였다. 1980년대 초에 조사한 자세한 인 농도는 내부 생성 부하량이 외부유입 부하량을 많이 초과한다는 것을 밝혔다. 결론적으로 내부 생성 인부하량은 호수의 영양상태를 증가시

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키는데 많은 영향을 주는 것으로 볼 수 있다. 1986년에 황산알루미늄과 완충제인 알루민산나트륨을 44 gAl‧m^{- 2}(11.7 ㎎Al‧L^{- 1})로 심층에 적용하였다. 

황산알루미늄의 효과는 최소 6년간 지속되었다. 11m(최대수심 = 13m)에서 총인농도는 여름 처리 전에 평균 200 ㎍P‧L^{- 1}이상에서 처리후인 1990～93년에는 범위  18～86 ㎍P‧L^{- 1}으로 감소하였다. 엽록소 a 농도도 처리 전에 번성 수치(31 ㎍P‧L^{- 1})였던 것이 1990～93년에는 1㎍P‧L^{- 1}로 감소하였다. 인용출의 제어에서 황산알루미늄의 효율성과 그 역할은 최소 13년 동안 지속적으로 수질을 향상시켰다 <표 11>. (Smeltzer, 1990). 

3.1.3 국내사례

가. 서울 롯데월드 석촌호

서울 잠실에 위치한 석촌호는 1970년 초에 한강개발공사시 지류를 매립하는 과정에서 한강 본류로부터 격리되면서 만들어졌다.  호수주변이 주택지 및 상가지역으로 개발되면서 공원으로 사용되고 있다. 지하로 물이 빠져나가는 호소의 

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수위를 유지하기 위해 성내천에서 물을 끌어들여서 수위를 조절한다. 호수는 연중 부영양상태에 있으며, 호수를 관리하고 있는 롯데월드에서는 수질개선을 위해 폭기장치를 설치하고 응집제를 투여하였다. 

석촌호는 폭 6m, 길이 100m의 수로로 동호와 서호로 나뉜다. 최대수심이 5.3m(평균 4.3m)이고, 평수수위기 저수량이 508,000㎥이다. 물의 유입은 강우, 지하수와 수위를 유지하기 위한 한강수이며, 유출은 증발과 지하수로 나가는 것이 전부이다. 한강수는 거의 10일 간격으로 유입되나, 정확한 유입량의 파악은 어렵다. 폭기장치는 3월부터 11월까지 작동되며, 서호의 일부분에서는 1년내내 작동되었다. 인의 응집 제거를 위하여 1995년 12월 13일～16일까지 황산반토 20ton(Al: 4.5%)이 투여되었고, 1996년 3월 27일에 PAC 10 ton(Al: 2.4%)이 투여되었다. 황산반토와 PAC의 투여량은 각각 1.77 ㎎Al‧L^{- 1}, 0.47 ㎎Al‧L^{- 1}이었다. 

황산반토를 투여한 후 총인, 엽록소 a 농도는 약 50%, 90%가 감소하였다 <그림 12>. PAC를 투여한 후 총인은 약 10%가 감소하였으나, 엽록소 a 농도는 계절적 요인으로 감소하지 않았다. 또한 높은 인농도를 가진 한강이 유입원이었다는 것이 감소하지 않은 이유로 사료된다. 

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나. 강원대학교 구내연못

연적지는 강원대학교 내에 있는 인공연못으로 여름에는 부엽수초가 발생하고 겨울에는 얼음이 어는 작은 연못이다. 조류의 현존량은 연중 높은 농도를 보여 투명도가 매우 낮으며(약 0.5m) 악취가 발생하는 등의 문제점이 있다. 제방을 사이에 두고 위연못과 아래연못으로 나뉘어져 있으며 주변은 수목으로 둘러싸여 있다. 위연못의 유입부에는 습지가 있고, 그 위에 폭포가 있다. 펌프를 이용해 아래연못의 물을 끌어올려 폭포로 유입시키고(30 ㎥‧day^{- 1}), 습지를 거쳐 위연못에서 아래연못으로 물이 이동하며 월류되는 물은 아래연못의 파이프에서 표면 방류되고 있다. 그 외에 갈수기에 수위가 낮을 때에는 지하수를 유입시키고 있으나 지하수 유입은 매우 간헐적이며, 아래연못에는 소량의 자연적인 지하수유입이 있다. 1998년 8월 중순부터는 지하수를 계속적으로 유입시켰다(180 ㎥‧day^{- 1}).

황산반토 투여 전 총인과 엽록소 a 농도는 60 ㎍‧L^{- 1}, 25㎍‧m^{- 3}으로 부영양수준에 속하였다. 1997년 11월 19일 St. 2에 10 ㎎Al‧L^{- 1}의 투여량으로 황산알루미늄을 처리하였다. 처리후 총인과 엽록소 a 농도가 각각 88%, 99% 정도 감소하였다 <그림 13, 14>. 그러나 장기간의 효과를 얻지 못한 것은 처리후 강우가 없었으므로 외부로부터의 인 유입보다는 내부 인으로부터의 재용출에 기인한 것으로 사료된다.

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3.2 인공폭기에 의한 수질개선

3.2.1 인공폭기의 수질개선 원리

일반적으로 호수의 성층파괴(destratification)을 파괴하는 방법으로 인공폭기(artificial aeration)와 심층폭기(hypolimnetic aeration)등의 방법이 있으며(Cooke et. al, 1993), 겨울철호수 표층의 결빙으로 인해 용존산소가 차단되어 물고기가 폐사하는 것을 막기 위한 방법으로도 인공폭기 방법은 사용되어 왔다 (Fast, 1994). 인공폭기(artificial aeration)는 호수 바닥에 설치된 공기주입선(air line)을 통하여 압축공기를 용출시켜 심층수가 상승(upwelling)하게 하여 표층까지 전체적으로 혼합이 이루어짐으로써 심층의 무산소 상태를 제거하는 방법이다. 심층폭기(hypolimnetic aeration)는 성층을 파괴하지 않고 무산소 상태의 심층에 직접 공기를 주입시켜 Fe, Mn등의 산화로 내부 인부하량을 줄이는 방법이다 (Fast et. al, 1973). 

Fast (1979)는 수중 폭기로 혼합수심(mixing depth)이 증가하면 광합성에 이용될 수 있는 빛이 제한되고, 정수압(hydrostatic pressure)이 급속하게 변하며, 

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CO₂ 농도와 pH 변화 등으로 조류의 천이가 일어나고 생체량이 감소된다고 보고하였다. 반면에 호수의 크기에 부적절한 폭기 장치를 설치하거나 위치 선정이 잘못되면 심층의 영양염류가 용출되어 중층의 DO minimum이 나타나거나 표층까지 영양염류가 공급되어 조류의 대량 번식이 발생되며, 심층의 수온 증가로 냉수어종의 서식지가 제한되는 것으로 알려져 있다 (McQueen and Lean, 1986; Lindenschmidt and Chorus, 1997). 

Kortmann (1994)은 남조류(Anabaena sp., Aphanizomenon sp.) bloom 이 폭기로 인해 감소되었다고 하였으며, 우점종도 남조류에서 녹조류와 규조류로 바뀌었다고 보고하였다. Australia에 있는 호수에서는 연중자동폭기(year- round automatic aeration)으로 남조류 bloom을 막을 수 있었다 (Burns, 1994).  독일의 Upper Bavaria에 있는 작은 호수의 연구에서 성층파괴 이후 남조류는 감소한 반면 녹조류와 규조류는 증가 하였다 (Steinberg, 1983). 그러나 은 호수 전체를 대상으로 장기간 실시한 수중폭기 연구에서 남조류가 2년간 출현하지 않았으나 3년째 되는 해에 다시 출현한 사례도 있다 (Steinbeg and Tille- Baejhaus, 1990)

3.2.2 국내 인공폭기 사례 -  달방댐

국내의 경우 수중폭기에 의한 수질변화에 관한 연구는 1995년부터 1997년 까지 약 3 년간에 걸쳐 강원도 동해시 위치한 달방댐을 중심으로 이루어진바 있다. 달방댐은 건설된지 약 10년 정도되는 인공 호수로 1994년 이후 남조류가 발생하는등 부영양화의 징후를 보였으며, 1995년에는 수돗물에서 심하게 악취를 발생시키기도 하였다. 따라서 한국수자원공사 태백사무소에서는 달방댐의 부영양화를 방지하기 위하여 1996년에 달방댐내에 수심 변동에 따라 본체의 높낮이 조절형 간헐식 수중폭기 장치를 설치하였다 <그림 15>. 폭기장치는 호수의 중심축을 따라 6기가 설치되었으며, 공기 주입은 35 마력짜리 air compressor 2대에 의해 공급되었다. 공기 주입량은 분당 약 8,500L 이며, 폭기장치 작동순서는 다음과 같이 요약할 수 있다. 작동순서: 공기주입 → 압축공기 형성 → 양수통내에 공기탄 형성 → 표층으로 공기탄 방출 → 양수통내로 심층수의 유입 → 심층수 표층으로 이동 → 심층수가 표층수와 혼합되면서 수평으로 이동. 폭기는 1996년과 1997년에 걸처 실시하였는데, 1996년에는 8월 10일부터 10월 31일까지 실시하였으며, 1997년에는 5월 10일부터 10월 31일까지 계속되었다. 수중폭기 장치의 설치에 따른 호수 수질의 변화를 알아보기 위하여 1995년 6월부터 1997년 12월까지 약 3년에 걸쳐 온도, 용존산소, 엽록소 a, 총인, 질산성질소, 탁도, pH 등의 환경요인과 조류의 변화를 비교‧조사하였다.

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실험결과 수중폭기 장치의 설치에 따라 여름철 호수의 성층이 파괴되었으며, 심층에 용존산소 농도가 증가 하였다. <그림 16>은  달방댐에서 용존산소의 수직적인 분포를 계절별로 보여주는 것으로 1995년부터 1997년까지 겨울 수직순환기에 12 mgO₂/L 로 매우 높았음을 알 수 있다. 1995년 여름에는 바닥부터 30m 까지 약 4- 6 mgO₂/L 로 낮은 값을 보였으나, 수중폭기 이후인 1996년과 1997년 여름에는 1995년보다 저농도(4- 6 mgO₂/L)의 수심이 점차 줄어들고 있는 것으로 나타났다. 또한 본 조사기간 동안 무산소 상태는 관찰되지 않았다. 

수체내의 총인(TP) 농도는 1995년에 15- 40 mgP/m³ 이었으나, 1997년에는 15- 30 mgP/m³로 다소 감소하였다. 또한 표층 평균(0- 5m 평균) 총인농도도 1995년에 비해 감소한 것으로 나타났다 <그림 17>. 총질소(TN) 농도는 조사기간 동안 약 0.8- 2.0 mgN/L 로 계절적으로 큰 변화는 없었다.

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한편 식물성플랑크톤의 경우 남조류의 밀도가 감소되었고 종 구성 또한 폭기이전 우점종인 남조류(Anabaena sp., Microcystis sp.)에서 폭기이후 규조류(Asterionella formosa, Melosira granulara)로 바뀌었다. 한편 폭기전에는 표층에만 나타나던 식물플랑크톤이 폭기후에는 식물플랑크톤의 생체량(엽록소 a)이 전 수심에

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서 일정하게 높았으며, 호수내 식물플랑크톤의 총량도 수중폭기 이후 증가하였다. 수중폭기에 따라 여름철 수돗물에서 발생하던 냄새가 사라져 뚜렷한 호수 수질개선효과 나타내었다.

3.2.3 인공폭기시설 적용의 개선

인공폭기에 의한 성층파괴는 조류의 빛 이용량을 감소시키는데 목적이 있다. 그럼으로써 조류의 성장을 억제하는 것이다.  그러므로 수심이 얕은 호수에서는 인공폭기가 조류 성장을 억제하지 못하며 오히려 수직순환에 의해 심층의 영양염류가 표수층으로 쉽게 공급되어 조류가 더 증가하는 사례가 많다.  호주에서 연구한 결과에 의하면 인공폭기 시설이 조류 감소 효과를 나타낸 경우는 50%에 불과하였다.

대개 평균 수심이 30 미터 이상되는 곳이라야 확실한 효과를 기대할 수 있다. 여기에는 수심 뿐 아니라 투명도도 관련이 되는데 (유광층)/(혼합층)의 비가 중요한 인자가 된다.  즉, 유광층/혼합층 비가 작아야 조류가 억제된다.

3.3 가압부상을 이용한 조류제거 

3.3.1 가압부상법의 원리

기체의 용해도는 압력에 비례하며 압력이 낮아지면 수중의 기체가 기포를 형성하는 성질을 이용하여 부유물질을 처리하는 방법이다. 호수물에 고압을 가하면 수중에 기체가 용해하여 농도가 증가한다.  이 물을 호수에 뿜어 주면 급격히 압력이 낮아지면서 수중의 용존기체가 미세기포를 형성한다.  이 미세 기포가 수중부유물질에 부착하여 부유물질을 부상하게 하며 부유 scum을 제거함으로써 부유물질을 제거하는 원리이다.  이 때 응집제를 함께 투여하면 응집제가 scum의 형성을 도와주며 수중의 인도 제거하는 효과를 가져 올 수 있다.

3.3.2 가압부상법의 장단점

수중의 조류 제거에도 사용할 수 있고 저질표면의 부드러운 유기퇴적물(ooze)를 제거하는 데에도 사용할 수 있다.  그러나 부유 scum을 모아서 탈수하여 처리하여야 하므로 비용이 많이 든다.

호수물에서 조류만 제거하는 것은 효과가 오래 지속할 수 없다. 조류의 비성

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장속도는 최대 2.0 day^{- 1} 에 이르므로 조류를 제거하여 밀도를 낮추기 위해서는 매일 호수부피의 10% 정도를 처리하여야만 한다.  그러므로 대형호수에서는 비경제적이므로 적용이 불가능하고 소형 관상용 연못에서만 사용가능하다.  알루미늄응집제를 함께 투여하여 조류와 함께 인도 제거하는 경우에는 좀 더 효과가 좋을 것이다.  그러나 이 경우에도 외부에서 계속 인이 유입된다면 수질개선효과는 오래 지속할 수가 없다.

3.3.3 가압부상처리의 사례

국내에서는 가압부상법으로 저니를 처리하는 회사들이 있다. 서울대공원의 관광용 연못에서 적용되고 있으며, 일산의 호수공원에서는 가압 부상시설을 설치하여  조류와 인을 제거한 후 호수로 재 유입시키고 있다.  1995년 경기도 일산 신도시내 택지개발사업과 함께 도시근린공원으로 조성된 일산 호수공원은 2개의 인공호(Zone I & Zone II)와 1개의 자연호(Zone III)로 구성되어 있다. 호수면적 30만m², 평균수심 0.5 -  3.0 m, 담수용량 약 45 만톤인 소규모 인공호수이다. 1995년 4월 호수담수가 시작된 이래 이듬해 1996년 호수내 녹조가 발생하여 수질관리의 문제점을 드러내었다. 따라서 호수내 최적의 수질관리를 위하여 목표수질관리와 수처리시설물의 적정성에 관한 연구검토결과 용수유입시설, 호수내 저면폭기시설, 순환수의 가압부상법을 이용한 처리시설등을 보강하여 수질개선효과를 이루고 있는 대표적인 사례이다. 일산호 수질관리를 위한 수 처리시설 현황 및 운영실태 그리고 공정도는 다음과 같다 <그림 18>. 

① 용수유입시설

용수처리시설에서 응집 침전시키고 청평지에서 2일간 체류시킨 후 상등수의 맑은 물만을 호수로 유입시키는 곳이 낙수교 옆의 작은 폭포이다. 바람에 의해 낙엽 및 곤충사체 등이 가장 많이 침적되거나 미세 플록이 유출되는 곳으로 1년에 3회 이상 바닥의 침적물 청소가 필요하다.

② 저면폭기시설

인공호수는 장기 체류기간으로 인하여 수류가 정체되고 여름철 수온이 상승하여 용존산소가 부족해지는 경우가 발생될 수 있다. 용존산소의 부족은 물속 생물들에게 악영향을 미치고 부영양화의 원인이므로 강제순환이나 산소의 공급이 필요해 진다. 호수공원에는 34개의 다공산소전이 방식의 저면폭기기가 설치되어 있다. 

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③ 순환처리시설

일산호 인공호인 Zone II 지역에 설치된 순환처리시설은 응집침전법, 직접여과법, 가압부상법 중 비교 검토하였고 호수내 부유하는 조류 및 유기물질의 낮은 침강성으로 인하여 폴리염화알미늄을 이용한 가압부상법이 선정되었다. 설계시 수질 변동에 따라 순환처리 수량을 2,000㎥/일～ 4,000㎥/일을 처리하여 12시간～24시간 가동하는 것으로 되어 있으나, 가압부상조의 특성상 가동 초기와 후기에 미세플록의 유출이 많으며 가압부상조가 정상상태에 이르기까지 시간이 소요되어 운영방식의 조정이 필요하였다. 

순환처리시설은 호수수질에 따라 3월 중순이나 4월초부터 11월까지 가동한다. 동절기에는 수 처리시설의  배관 동파 우려가 있으므로 가동을 미리 중단하고 보온을 해준다. 보통 11월부터는 수온이 낮아지며 호수내 발생조류가 거의 가라앉는 시기이므로 순환처리의 필요성은 적어진다.

호우기에는 순환취수 펌프의 전기 동력선로가 공원녹지 울타리 안쪽으로 매립되어 있어 배수가 잘 안되는 복토토양 특성과  공원조성 후 수목 추가 식재공사, 각종 중장비 차량의 진입과 터파기 등에 의한 선로가 손상되었을 우려가 있으므로 누전이나 감전사고의 예방을 위하여 가동을 중지하고있다. 장마가 끝나면 전기선로 맨홀의 배수 및 건조작업과 누전점검 후 순환처리 시설을 가동시킨다. 순환취수 펌프는 봄철 가동전과 호우기 가동중지 기간에 시설가동중 문제를 일으키지 않도록  주기적인 예비 정비점검에 철저를 기한다.

순환처리수는 인공폭포 가운데 폭포을 통하여 호수로 순환 유입되고 있으며, 폭포의 낙수비산시 미생물에 의한 건강상 위험문제를 해결하고 순환수의 녹조사멸과 ZoneⅠ지역의 침적물에 의한 혐기화를 예방을 목적으로 2000년 4월부터 이산화염소 발생기에 의한 고도수처리를 실시하고 있다.

④ 수 처리시설 운영결과

수 처리 시설은 호수의 맑은 수질관리를 위하여 최대한 가동하고, 유입용수는 호수의 증발 및 누수에 따른 손실량의 보충과 적정수위 확보에 필요한 수량만을 공급하여 용수공급비를 절감하였다. 순환처리 시설은 호수내 장기체류기간 동안 유입된 오염물을 제거하여 처리하는 시설이다. 순환수는 용수비가 들지 않으며 약품처리비와 전력료등의 최소한의 비용으로 맑은물을 공급할 수 있으므로 적정 호수수위가 확보되면 순환시설을 최대한 가동하는 것이 경제적이다. 순환수는 용수처리 시설을 통하여 총인과 같은 제한인자가 제거되어 호수의 영양염 총량 관리면에서 유리하다. 순환처리량은 4,000㎥/일로 유입용수 처리용량의 2배이며 1998년 홍수피해와 1999년 목교공사로 인한 수질악화를 회복하는 데 매우 중요한 역할을 하였다.

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3.4 인공습지에 의한 수질개선

3.4.1 개요

인공습지는 수중의 부유물질과 인을 침강시켜 하류의 부영양화를 경감하는 효과를 가지고 있으므로 근래 경비가 적게 드는 수질정화법으로 각광받고 있으며, 국내 여러 곳에서 건설되고 있다.  인공습지 또는 저류지는 물의 유속을 저하시켜 부유물질을 침강시키며, 수생식물과 저질 표면의 미생물막이 수중의 용존영양염류를 흡수하여 침강을 돕는 기작을 가지고 있다. 저질에 포함되어 있는 Ca, Al, Fe, 등의 금속이온은 인산염과 결합하여 불활성의 침전을 형성하기 때문에 인산염을 영구히 퇴적시키는 효과를 가진다.

습지를 수질개선에 이용할 경우 점오염원과 비점오염원의 모두에 대해 오염물질을 효과적으로 제거하는 것으로 알려져 있다. 지난 10년간 영국에서는 수질오염물 발생지역에서부터 오염물이 방출되는 것을 막기 위해 배출구에 인공습지를 만드는 연구가 많이 진행되었다.  이렇게 습지가 오염물질 정화 방법으로 주목을 받게 된 것은 비용이 적게 든다는 경제적인 장점과 더불어 그 방법 자체가 자연 생태계의 일부분을 쓰고 있으며 생물서식지를 제공한다는 장점 때문이다 (심과한, 1998).

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습지에서의 물질 제거는 크게 무생물학적 요인, 즉 물리학적 요인(흡착과 침전)과 생물학적 요인(생물에 의한 흡수)으로 구분된다. 침전과 흡착은 주로 외부에서 유입되는 입자형태의 물질이 저층으로 가라앉거나 식물체 표면에 부착하는 형태로 나타나며, 침강한 물질들은 대부분 직접적으로 동물에 의해 이용되지 않고 미생물에 의한 분해과정을 거친다.

또 수생 식물에 의한 수질 개선은 토양이라는 매질 속에서 식물과 미생물의 상호공생을 통한 물리‧생물‧화학적 반응에 의해 미루어진다.  즉, 식물의 뿌리가 미생물의 부착매질로 이용되며, 식물 근권의 통기조직을 통한 산소의 전달은 미생물의 분해활동을 촉진하여 질산화(nitrification)나 탈질(denitrification)작용을 유도하며, 식물은 미생물이 분해하는 유기물질을 영양염류로 흡수하고 식물은 유기물이나 대사산물을 미생물에게 제공한다. 습지에서 수생식물 그 자체는 수처리에 있어 그리 큰 기여를 하지 않으며 이들의 더 큰 기능은 수처리 능력을 향상 시키기 위한 침강 흡착기능과 미생물 부착장소의 제공에 있다.

자연습지를 이용한 수처리 효율은 계절과 습지의 형태, 습지에 발달된 식물 및 유입수의 수질 등에 따라 크게 따라진다. Nichols (1983)에 따르면 습지의 형태가 bog(3년)일 때 총인의 제거 효율은 43%를, swamp (20년)일 때는 87%를, cattail marsh(55년)일 때는 32%를, deepwater marsh(55년)의 경우에는 58%를 나타내 습지의 형태에 따라 처리효율이 다름을 알 수 있다.

수처리 효율은 유입수의 수질에 따라 달라지기도 한다. 유입수의 BOD와 부유물질의 농도가 각각 8.3, 11.7mg/L로 높았을 때에는 80% 이상의 제거율을 보였으나, 농도가 5 mg/L 보다 낮아졌을 때는 제거효율이 낮아지는 경향을 나타내 유입수의 농도에 따라서도 처리효율은 달라짐을 알 수 있다 (Knight et al., 1987). 이 밖에도 수리학적 부하, 수심에 의해 처리효율이 달라진다.

인공습지의 BOD와 SS의 제거 능력은 일반적으로 높고 안정적이지만, 인의 제거율은 크게 차이가 난다. 인의 제거는 주로 저질토의 흡착에 의존하기 때문에 Ca, Al, 등의 금속이온의 함량에 따라 달라진다. 비록 작동초기의 1～3년 동안은 제거율이 높더라도,  대부분의 습지 시스템은 작동 3～4년 후에는 인의 제거율이 낮아지며 7- 8년 후에는 축적되었던 인이 오히려 재용출되어 인의 제거율이 음의 값을 가지게 된다. (Mæhlum, 1998). 

3.4.2 인공습지를 이용한 수질개선 사례

수생식물에 의한 수처리 기술은 1960년대 중반 미국의 NASA와 독일의 MAX Plank 연구소에 의해 유기물처리를 목적으로 처음 시도되었다. NASA에 의한 일련의 연구는 폐쇄 생태학적 생명부양계 프로젝트 (Closed Ecological Life Support 

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System)을 통하여 위성의 수질과 대기질의 개선을 위한 부수식물 처리시스템 (Floating plant treatment systems)을 고안하면서 시작되었으며, 그 후 토양과 정수식물 근계의 여과처리 기능을 극대화한 토양- 정수식물여과처리시스템으로 이어졌다.

국내에서 수생식물을 이용한 수 처리 연구는 1980년대 이후 시작되었으며, 주로 중남미 원산의 부레옥잠이 활용되었다. 부레옥잠을 이용한 수 처리연구는 축산폐수, 군부대 생활하수의 유기물, 영양염류 및 중금속 제거실험이 수행되었으나 소형장치나 중규모 모형실험이 주를 이루고 있다. 부레옥잠 이외에는 생이가레에 의한 하수내 질소와 인의 제거, 미나리에 의한 영양염류제거 및 카드늄과 납의 제거, 물옥잠, 줄, 부들, 꽃창포, 토란등에 의한 축산폐수처리, 애기부들, 꽃창포, 미나리등에 의한 하수처리가 진행된 바 있으나 전반적으로 수종의 평가는 물론 현장적용규모의 연구는 빈약한 상태이다.

최근 호수의 관리에 있어 습지의 역할과 기능에 대한 관심이 증가되며 수질개선효과 및 생물서식처 제공을 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. 그러나 새로운 습지의 조성과 주변과 조화를 이루는 습지형성의 경우 매우 많은 비용이 들게 된다. 따라서 미국과 일본을 비롯한 선진국을 중심으로 새로운 부도개념의 인공습지조성을 검토하게 되었다 <그림 19>. 이러한 방법을 생태공학(Ecological engineering)또는 생태기술(Ecotechology)라고 하며, 수생관속식물 및 부착조류의 영양염류 제거능을 국내에서도 가능성을 검증한 바 있다.

인공습지를 이용한 수질개선은 호반침식의 방지 및 보호기능을 할 수 있으며, 각종 수생생물의 서식공간을 창출함으로서 수표면 위에 위치한 최소 규모의 BIO- TOPE의 기능을 할 수 있을 것이다. 또한 직사광선을 차단함으로서 나타나는 직접적인 효과로 녹조류의 증식을 억제하며, 인공식물섬 밑의 그늘 부위에 동물성플랑크톤이 늘어나고 이를 먹이로 하는 수서곤충이 모여들어 양서, 파충류의 서식처가 된다. 또한 이를 포식하는 어류, 갑각류가 많이 늘어나며 최종적으로 먹이사슬의 최상부에 있는 조류의 서식처를 제공하게 된다.

인공습지 위에 식재한 수생식물은 성장하며 식물체의 뿌리를 통하여 부영양화의 원인이 되는 무기 영양원소를 흡수하여 수체에서 영양염류를 제거한다. 또한 부유물질과 유기물을 흡착, 분해, 침전시키는 기능을 가짐으로서 유기물질을 제거하여 물의 탁도를 감소시킨다. 인공 습지 부체아래 설치된 미생물 접촉여재는 호수 내 서식 하고 있는 미생물을 부착시킴으로서 오염물질의 분해, 정화효과가 있으며, 시공 및 유지관리에 따른 경제성도 우수하다. 특히 설치된 미생물 접촉여재는 "Y" 단면의 나일론 특수섬유로 제조되어있어 초기 Seeding이 빠를 뿐 만 아니라, 표면적이 커서 작은 양을 설치하여도 처리효율이 매우 높은 특징을 가지고 있

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다.

인공습지의 적용은 일본 가스미 가우라호에 설치된 이후 1999년 까지 일본내 200여개 호수에 설치되었으며, 국내의 경우 1998년 충남 아산시 마산저수지에 줄, 갈대, 애기부들의 인공 습지가 최초로 설치되었다. 이후 전문적으로 인공 식물섬을 조성하는 기술을 보유한 기업들이 생기며 소규모의 저수지 및 골프장, 작은 연못등을 대상으로 인공습지가 설치되어 수질개선 및 주변경관 창출에 기여하고 있다. 그러나 아직 인공습지의 수질개선효과와 수질개선에 필요한 적정면적, 체류시간, 비용절감문제 측면은 연구는 과제로 남아있다. 

3.4.2 인공습지를 이용한 수질개선의 조건

① 습지의 인제거율 변동

습지의 인제거율은 습지의 나이에 따라 달라진다.  수년간 인이 축적되고 나면 더 이상 인의 흡착능력이 없어져 녹조제어에 효과가 없는 사례가 많이 있다.  따라서 습지 건설초기의 인제거율을 토대로 인제거 능력을 과대평가하지 말아야 한다.

② 습지의 체류시간이 길어야

인공습지가 수질개선효과를 가지기 위해서 갖추어야할 두 번째 조건은 적절한 면적과 충분한 체류시간이다.  강우시에도 체류시간이 12시간 정도 유지되어야 강우시 유출되는 비점오염원의 저감효과를 기대할 수 있다.  국내의 많은 인공습지들은 규모가 작아서 강우시 비점오염 저감 효과를 나타내지 못하고 있는데 그 주된 이유는 적절한 토지가 가용하지 않기 때문이다.  강우가 일시에 집중되고, 토지가격이 비싼 우리나라의 실정에서는 미국과 같이 토지가 많은 국가와 비교할 때 인공습지의 효과가 매우 떨어진다.

③ 유입수의 오염도가 높아야

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④ 생물서식지 제공을 목적으로 건설

네 번째 조건은 생물서식지 제공의 효과가 큰 곳을 우선으로 하여야 한다는 것이다. 인공습지는 수질개선의 효과도 있으나 생물서식지의 제공에 의한 생태계 복원의 효과가 더 중요한 곳이다.  그러므로 인공습지가 어류의 산란처 제공, 치어의 보육장소 등을 제공한다면 더욱 가치가 높아진다.

3.5 인공 수초섬에 의한 수질개선 

3.5.1 인공 수초섬의 원리

인공수초섬은 수생식물을 부유하게 하는 장치를 만들어 수중에 뿌리를 내리고 살게 하는 것이다.  수중의 뿌리는 미생물의 부착장소를 제공하여 유기물의 분해를 촉진하는 수질개선 효과를 가져올 수 있다.  그 원리는 인공습지와 유사하나 수심이 깊어 수생식물이 살 수 없는 곳에서 사용할 수 있다.

습지가 수질개선효과를 가지려면 호수면적의 1- 5% 정도 규모의 습지가 필요하다.  그러나 설치비가 많이 들기 때문에 대부분 충분한 규모로 만들지 못하고 있으며, 수면적에 비하여 설치면적이 작아서 수질개선효과는 크지 않다.  인공수초섬은 수질개선효과보다도 수중동물의 산란장 제공의 효과가 더 큰 것으로 보고

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되고 있다.  수위변동이 큰 대형 인공호에서는 수생식물이 살 수 없으므로 어류의 산란장이 부족하고 저서동물의 서식처가 부족하다.  인공식물섬의 뿌리는 수중으로 뻗어 나와 어류의 산란장소를 제공하며 수중동물의 피신처가 되며, 지상부는 조류의 서식지를 제공할 수 있어 수질개선효과보다 생물 서식지 제공에 더 큰 의미를 가진다.

3.5.2 국내외 사례

팔당호의 인공수초섬은 수생식물이 밀생한 곳에 만들어져 있으므로 식물을 추가하는 효과를 기대할 수 없는 입지조건을 가지고 있다.  동복댐의 경우에는 아직 식물이 정착하지 못한 단계이다.  파로호에 2003년도에 설치된 것은 수질개선보다는 어류의 산란지 제공의 목적을 가지고 설치되었으며 아직 식물이 정착하지 않았다. 

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3.5.3 개선안

인공수초섬은 투자액 대비 수질개선효과가 크지 않으나 일부 지역에서는 이 효과를 과신하여 적정규모 이하의 시설을 수질개선 목적으로 설치하고 있다.  수질개선을 위해서는 유역의 오염원을 제거하는데에 투자하는 것이 더 효과적일 것이다.

인공수초섬은 수질개선이 아니라 동물서식지 제공의 목적을 가지고 설치하여야하며 수위변동이 커서 수초가 살수 없는 인공호에 설치하여야 효과가 있다.  수초가 많은 호수에서는 인공수초섬을 설치할 필요가 없다.

일부 인공수초섬은 장기간 경과하면서 수초를 지탱하고 있던 식물섬유망이 분해되어 파손된 곳도 발생하고 있다.  장기간 지탱할 수 있는 강도를 가지도록 설계하여야 한다.

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Ⅳ. 조류예보제 개선안

4.1. 현행 조류 예보제

조류(藻類)예보제는 녹조류 발생을 쉽게 판별할 수 있는 엽록소(클로로필- a)의 농도와 독성을 함유하고 있는 것으로 알려진 남조류의 세포수를 기준으로 발생정도에 따라 주의보, 경보, 대발생, 해제 등 4단계로 구분해 발령한후 단계적인 대응조치를 하는 제도이다. 

조류예보제는 96년 처음 도입되었으며 97년 팔당호, 대청호, 충주호, 주암호 등 4개지역, 99년 운문호로 확대되었고, 2000년부터 한강에도 실시되었다. 한강을 상류부터 강동대교∼잠실대교, 잠실대교∼동작대교, 동작대교∼양화대교, 양화대교∼한강대교 등 4개 구간으로 나눠 시료를 분석, 엽록소농도와 남조류 세포수가 2회 이상 일정기준을 초과하면 구간별로경보를 발령한다. 

엽록소a 농도 15㎎/㎥이상, 남조류 ㎖당 500세포 이상이면 조류주의보가 발령되고, 엽록소a 농도 25㎎/㎥이상, 남조류가 ㎖당 5천 세포 이상이면 조류경보가, 엽록소a 농도 100㎎/㎥이상, 남조류가 ㎖당 100만 세포 이상이면 조류대발생 경보가 각각 발령된다. 발령은 클로로필- a 농도와 남조류 세포수가 모두 주의보 발령 기준에 연속 2차례 해당되면 이루어진다.

조류주의보가 발령되면 취수.정수장의 활성탄처리 등 수질관리가 강화되며 경보이상 발령시에는 독성물질 검사가 강화돼 급수중단 조치까지 내려진다. 

한강의 경우 주의보 발령시는 한강관리사업소에서 조류 제거 대책을 수립하고 한강과 하천에 대한 순찰을 강화하며 폐수배출업소에 대한 관리도 강화하게 된다.

또 경보 발령시는 취수시설 부근에 차단막이 설치되고 수상스키와 낚시 등 시민의 레저활동이 전면 금지되며 대발생 예보시에는 유람선 등 선박 운항이 중단되고 팔당댐 방류량을 늘리게 된다.

조류의 밀도가 과다하면 조류의 독소발생, 이취미 발생, 정수장 여과지폐색, 등의 해가 나타나므로 이를 막기 위하여 대비를 규정한 제도이다.  조류의 피해에 대비하지 않으면  수돗물의 수질저하를 가져올 수 있으므로 정수과정에서 이에 대비하도록 규정한 이 제도는 매우 필요하고 바람직한 제도이다.

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4.2 조류예보제 개선방안

4.2.1 남조류 이외의 조류에 확대

현행 조류 예보제는 남조류(cyanobacteria)만을 대상으로 발령하고 있다.  남조류는 독소를 생성하는 확률이 50% 정도이므로 (김범철 등, 1995) 위해성이 크며, 냄새도 많이 발생하므로 남조류에 초점을 맞추는 것은 타당하다.  그러나 남조류는 수온이 높은 여름에만 주로 발생하며 수온이 낮은 봄에는 발생하지 않는다.  한강 하류에서는 초봄의 갈수기에 유속이 느려질 때 규조류의 물꽃현상이 발생하며 수돗물의 이취미를 발생하고 있다.  그러나 이 때는 남조류가 아니므로 조류경보발령 대상이 아니다.

남조류 이외의 다른 조류는 독소는 생성하지 않지만, 여과지 폐색, 이취미 발생, 등의 피해는 동일하게 유발하므로 조류주의보와 조류 경보를 남조류만이 아니

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라 다른 조류에도 확대하는 것이 바람직하다.

4.2.2 조류발생 사전에 예측하여 예보발령 

현행 조류예보제는 사실상 주의보의 성격이며, 조류발생을 사전에 예보하지는 못하고 있다.  조류의 발생에 따른 정수장의 대비를 위해서는 일기예보와 같이 수일전에 조류 밀도를 예측하여 알려주는 예보시스템이 필요하다.  그래야만 취수지점의 변경, 활성탄 등의 약품준비, 여과지 준비, 등의 사전대비가 가능하다.

현재의 기술로도 약간의 연구를 통하여 각 종 부영양화 모델을 개발하면 수 일전에 예보가 가능하다.  기존의 mechanistic 호수수질모델과 신경망모델 등의 경험적 모델을 병용한다면 특정 지점에서의 조류밀도를 예보할 수 있다.   앞으로 예측기능을 보강한다면 조류 물꽃현상에 더욱 잘 대처할 수 있을 것이다. 

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Ⅴ. 호수의 오염총량관리제 운영방안 

5.1 현행 수질오염총량관리와 호수수질

우리나라에서는 수질오염총량관리제가 시행되기 시작하였다.  그러나 현행의 오염총량관리제는 호수의 녹조제어와 부영양화억제에는 효과적이지 않다.  우선 총량관리의 대상지표가 BOD 이며, 인규제는 차후 단계로 미루어져 있으므로 호수의 부영양화의 원인인 인을 통제하지 못하고 있다. 

점오염원 위주로 운영되고 있으며, 강우시 비점오염 유출량이 충분히 고려되지 않고 있다.  특히 인의 호수유입이 가져올 일차생산력 증가효과를 정량적으로 고려하지 못하고 있다.

5.2 호소관리를 위한 총량관리제

5.2.1 인 규제의 필요성

호수의 수질개선을 위하여 총량관리에 인규제를 조속히 포함시켜야 한다. 즉, BOD 뿐 아니라 TOC 및 인의 규제를 포함하여야 호수의 수질을 관리할 수 있다.

하천에서는 외부에서 유입하는 유기물이 대부분을 차지하므로 유입수의 BOD만을 통제하면 수질을 관리할 수 있다.  그러나 호수에서는 식물플랑크톤의 일차생산이 주요 유기물의 근원이 되므로 식물플랑크톤의 증식을 억제하지 못하면 수질개선을 기대할 수 없다.  현행 수질기준에 의하면 하수의 BOD를 제거하는 것만 의무화되어 있고 인의 제거는 규제하지 않고 있다.  하수처리장 방류수의 인 농도기준이 규정되어 있기는 하나 대부분의 하수의 인농도보다 높게 설정되어 있기 때문에 실질적으로 아무런 조치를 취하지 않고 있는 실정이다.

호수의 부영양화를 판가름하는 임계점이 0.02 mgP/m3 인데 비하여 하수처리장 방류수의 인농도는 2 mgP/l 정도 이므로 하수처리장 방류수가 1%만 포함되더라도 호수의 인농도는 부영양화임계점을 넘어가게 된다.  인농도 증가는 조류 증가, 일차생산량증가, BOD와 COD 증가, 호수심층의 산소부족, 이취미 발생, 등의 피해를 수반한다. 

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5.2.2 홍수시 비점오염 유출 위주의 관리

홍수기 비점오염원 유출의 기여도에 대해서도 댐에 따라 달리 평가하여야 한다.  체류시간이 짧은 팔당호나 의암호에서는 비점오염원의 강우시 유출물의 영향이 수주일이내에 소멸되겠지만 소양호와 같이 체류시간이 긴 호수에서는 수개월이상 저류되어 수질에 영향을 미치므로 오히려 갈수기의 오염물배출은 양으로 볼 때 기여도가 매우 작으며 홍수기의 유출량이 호수전체의 수질을 좌우한다.

5.2.3 호수를 수질오염총량관리의 단위로 설정

호수를 수질오염총량관리의 단위로 설정하여야 한다.  현행수질오염총량관리의 단위는 행정구역단위를 기본으로 설정되어 있다.  그러나 호수에서는 체류시간에 따라 유기물의 자정능력이 다르며, 인에 의한 유기물 생산 기여도가 다르므로 대형댐이 건설되어 있는 지역에서는 이를 좀더 세분하여 호수단위로 총량관리의 단위를 설정하여야 한다.  댐의 특성에 따라 유기물과 인의 기여도, 홍수기 유출량의 기여도, 등이 다르기 때문에 유기물과 인의 배출에 대해 호수별로 다른 계수를 적용하여 관리하여야 한다.

체류시간이 긴 호수에서는 외부에서 유입되는 유기물이 모두 분해되므로 BOD의 규제가 실효가 적으며 유기물의 내부생산을 촉진하는 인의 영향이 크다. 따라서 대형댐의 유역에서는 인에 관한 관리가 철저히 이루어져야 하며 BOD에 비해 상대적으로 난분해성 유기물과 인의 중요성을 크게 매겨야 한다.  총량을 산출할때에도 인의 유출량에 대해 더 큰 오염도계수를 적용하여야 한다.

이에 비하여 체류시간이 짧은 호수에서는 인보다는 외부유입 유기물의 중요성이 커지며 생분해성유기물 또는 BOD의 유출에 대해 더 큰 계수를 주어야 하고 인에 대해서는 상대적으로 작은 오염도 계수를 주어야 한다.

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2003년도『물관리정책토론회』연구발표보고서

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