The Ministry of Environment in Korea has introduced Total Pollution Load Management System (TPLMS) in major 4 large rivers to protect the water quality from possible pollutants. In order to successfully achieve the TPLMS, the nonpoint source should be controled by applying the best management practices in highly polluted areas. Of the various nonpoint sources, the highways are stormwater intensive landuses because of its high imperviousness and high pollutant mass emissions. The EMC (Event Mean Concentration) is an important parameter to correctly determine the pollutant mass loadings from nonpoint sources. However, it has wide ranges because of various reasons such as first flush phenomenon, rainfall and watershed characteristics. Even though the EMC is closely related to the first flush phenomenon, the relationship have not proven until present. Therefore, in this paper, the dynamic EMC method will be introduced to clearly make the relationship between EMC and first flush phenomenon. Also by applying the dynamic EMC method to monitored data, we found that the highly concentrated stormwater runoff was washed off within 20~50 minutes storm duration. The first flush criteria for economical treatment was also determined to 5~10 mm (mean=7.4 mm) as a cumulative rainfall.
본 연구는 하천 유역에 대한 수문분석의 대표적인 요소인 유출량과 오염부하량을 추정하는데 있어서 기존의 수문학적 모델링 방법과는 달리 GIS분석기법을 적용하였다. 분석을 위한 기본 자료로는 토양도, 토지이용도, 수계도, 강수량 등의 유역형태 및 기상학적 특성을 정량화한 지리정보자료와 수치표고모형과 같은 지형 자료를 이용하였다. 토양, 토지 이용 인자에 대한 기준값으로는 미국토양보존국(SCS)에서 제시하고 있는 토양 분류 기준 및 유출곡선지수(CN)와 환경부에서 제시하고 있는 토양의 기대평균농도(EMC)를 적용하였다. 고흥군 고읍천 유역의 2010년 7월~8윌의 9개 강우사상에 대하여 유출량 및 오염부하량의 추정값과 실측값을 비교한 결과, 유출량은 평균 3.86%의 차이를 갖으며, 오염부하량은 평균 5.67%의 차이를 갖는 것으로 분석되었다. 그러나 각 강우사상별 분석결과 추정 유출량은 강우량이 적을수록 그 오차가 매우 커지며, 추정 오염부하량은 강우량 및 계절의 변화에 따라 오차량에 차이가 있는 것으로 분석되었다. 향후 우리나라의 토양 및 토지이용에 적합한 배수 분류기준과 지역별 특성을 고려한 기대평균농도가 제시된다면 보다 정확한 유출량 및 오염부하량의 추정이 가능할 것으로 판단된다.
A monsoon season monitoring data from June to September, 2005 of a small forested watershed located at the upstream of the North Han River system in Korea was conducted to analyze the flow variations, the NPS pollutant concentrations, and the pollution load characteristics with respect to sampling frequencies. During the 4-month period, 1,423 mm or 79.2% of annual rainfall(1,797 mm) were occurred and more than 77%, 54% and 68% of annual T-N, $NO_3$-N and T-P loads discharged. Flow rate was continuously measured with automatic velocity and water level meters and 58 water quality samples were taken and analyzed. It was analyzed that the flow volume by random measurement varied very widely and ranged from 79% to 218% of that of continuous measurement. It was recommended that flow measurement of small forested watersheds should be continuously measured with automated flow meters to precisely measure flow rates. Flow-weighted mean concentrations of T-N, $NO_3$-N and T-P during the period were 2.114 mg/L, 0.836 mg/L, and 0.136 mg/L, respectively. T-N, $NO_3$-N and T-P loads were sensitive to the number of samples. And it was analyzed that in order to measure the pollution load within the error of 10% to the true load, the rate of sampling frequency should be higher than 89.7% of the sample numbers that were required to compute the true pollution load. If it is compared to selected foreign research results, about 10 water samples for each rainfall event were needed to compute the pollution load within 10% error. It is unlikely in Korea and recommended that thorough NPS pollution monitoring studies are required to develop the standard monitoring procedures for reliable NPS pollution quantification.
It has been well-known that the Nonpoint Source (NPS) pollutions are the primary contributors to water quality degradation in the receiving water bodies as well as the Point Source (PS) pollutions. To develop an effective management practice for water quality improvement, pollutant loads must be first estimated. In many studies, the Numeric Integration (NI) method has been used because of its ease of application, irrespective of the total number of samples collected for each storm event. Thus, there have been needs for more accurate pollutant load estimation with a limited number of water quality samples. In this study, NI method and regression method using the USGS ESTIMATOR model were comparatively used to calculate the pollutant loads for the Wolgokri watershed, Gangwon Province. The $NO_{3}$-N, T-N, and T-P loads using NI method and ESTIMATOR model were 13.85 kg/ha, 45.92 kg/ha, and 1.887 kg/ha, and 11.93 kg/ha,43.20 kg/ha, and 1.650 kg/ha, respectively. The estimated loads using ESTIMATOR model were lower than those using NI method by $86\%$, $94\%$, and $87\%$. These discrepancies in the estimated loads using a different load estimation method could be explained in that the total number of samples were not sufficient enough for NI method. Thus, ESTIMATOR model is recommended for the frequently stream discharge and less frequently measured water quality data.
유역관리모형은 유역내 비점원 오염부하를 예측하고, 서로 다른 오염원과 토지이용형태에 따른 영향을 판단하는데 사용 되어진다. 많은 모형들이 비점원오염의 예측이 가능하지만, 각기 서로 다른 한계를 갖고 있다. 모델의 선택의 연구목적과 축적된 가용자료에 부합해야 한다. 최근 한국에서는 SWAT모형이 농촌유역의 비점원오염 유출을 예측하기 위해서, 많이 이용되고 있다. 대부분의 자료들이 GIS를 이용하여 자동적으로 생성되지만, 일부 자료들은 농민들과 연구자들을 통해 직접 수집해야 한다. AvSWAT모형에 의해 시뮬레이션된 유량과 관측유출은 매우 좋은 결과를 나타내었다. 그러나 유출은 경향은 주로 강우와 물부족기간에 의해 그 경향을 따라간다. AvSWAT 모형을 농촌유역에 적용하여 유출을 평가한 결과 모델치는 1023.3 mm이고, 관측치는 967.4 mm인 것으로 나타났다. 또한 수질의 경우 모델치와 관측치의 결정계수는 인이 질소보다 더 높은 값(0.79)을 보여주고 있었다.
This study analyzed the characteristics of stormwater runoff by rainfall type in orchard areas for two years. Effluents were monitored to calculate the EMCs and runoff loads of each pollutant. The runoff characteristics for nonpoint sources from vineyards were also inspected based on independent variables that affect runoff such as rainfall and rainfall intensity. The average runoff loads of each pollutant from vineyard_A and vineyard_B were found as follows: BOD 39.13 mg/$m^2$, COD 112.13 mg/$m^2$, TOC 54.98 mg/$m^2$, SS 1,681.8 mg/$m^2$, TN 18.29 mg/$m^2$, and TP 4.06 mg/$m^2$, which indicates that the COD's runoff load was especially high. The average EMCs from vineyard_A and vineyard_B, which represents the quality of rainfall effluent, were also analyzed: BOD 3.5 mg/L, COD 11.5 mg/L, TOC 5.2 mg/L, SS 211.7 mg/L, TN 1.774 mg/L, and TP 0.324 mg/L. This suggested that the COD, as an indicator of organic pollutants, is high in terms of EMCs as well. As rainfall increased, the EMCs of BOD, COD, TOC and SS kept turning upward. At a point, however, the high rainfall brought about dilution effects and began to push down the EMCs. Higher rainfall intensities led to the increase in the EMCs that displays the convergence of rainfall. Low rainfall intensities also raised pollutant concentrations, although the concentrations themselves were slightly different among pollutants.
비점오염원에 의한 4대강의 오염부하증가율이 점점 증가하고 있어 비점오염원 관리의 필요성이 증대되고 있다. 따라서 환경부는 수질오염총량관리제를 도입하여 수생태계 입장에서 수질개선 정책을 펼치고 있으며, 한강 수계를 비롯한 4대강 유역에 비점저감시설을 설치하여 시범사업을 실시하고 있다. 그러나 현재 적용되어 운영되고 있는 비점오염저감시설은 대부분 외국의 기술을 그대로 이용한 것으로 처리성능 및 효율의 불확실성과 기후 및 유역특성을 반영하고 있지 않는 등 많은 문제점을 안고 있다. 따라서 본 연구는 고속도로내 톨게이트와 주차 장지점에 비점오염저감시설을 설치하여 2~3년 동안 운전하였으며, 비점오염물질의 유출특성과 저감시설의 오염 물질별 제거형태를 파악하였다. 이러한 결과는 비점오염물질 관리를 위한 토지이용별 비점저감시설의 적용, 운영 및 유지관리에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
The purpose of this study is to develop a system, which estimates watershed pollutant loading rate through the combination of GIS and computational mode. Also, the applicability of this study was estimated by the application of the above system for Chuncheon City. The detailed results of these studies are as follows; The pollutant loading estimation system was developed for more convenient estimation of pollutant loading rate in watershed, and the system load was minimized by the separation of estimation module for point and non-point source. This system on the basis of GIS is very economical and efficient because it can be applied to other watershed with the watershed map. System modification is not needed. The pollutant loading estimation system for point source was developed to estimate the pollutant loading rate in watershed through the extraction of the proper data from all districts and yearly data and the execution of spatial analysis which is main function of GIS. From the verification result of spatial analysis, real watershed area and the administrative districtarea extracted by spatial analysis were $1,114,893,340.15m^2$ and $1,114,878,683.68m^2$, respectively. It shows that the spatial analysis results were very exact with only 0.001% error. The pollutant loading estimation system for non-point source was developed to calculate the pollutant loading rate through the overlaying of land-use and watershed map after the construction of new land-use map using the land register database with most exact land use classification. Application result for Chuncheon City shows that the proposed system results in one percent land use error while the statistical method results in five percent. More exact nonpoint source pollutant loading was estimated from this system.
Unit load approach has been used to estimate the non-point pollutant load in Total Water Pollution Load Management System (TWPLMS). In this study, locally applicable unit loads for road and parking lot were developed based on the measurements of 9 rainfall events from 2007 to 2008 in Yongin city of Gyeongan stream watershed. Observations showed that stormwater runoff began at low precipitation (>1 mm) and peak pollutant concentration occurred at the beginning of the runoff because of impervious nature of the sites. Averaged event mean concentrations (EMCs) of road (parking lot) were estimated as COD 105.36(62.69) mg/L, BOD 15.94(13.20) mg/L, TSS 183.45(66.52) mg/L, T-N 4.63(3.28) mg/L, T-P 0.45(0.39) mg/L. Higher EMCs at the road than parking lot may reflect heavier traffic. Unit loads Estimated from the EMCs and 10 year average rainfall data were COD $331.17kg/km^2{\cdot}day$, BOD $50.20kg/km^2{\cdot}day$, TSS $580.13kg/km^2{\cdot}day$, T-N $14.68kg/km^2{\cdot}day$, T-P $1.43kg/km^2{\cdot}day$ in the road and COD $186.59kg/km^2{\cdot}day$, BOD $39.22kg/km^2{\cdot}day$, TSS $199.15kg/km^2{\cdot}day$, T-N $9.70kg/km^2{\cdot}day$, T-P $1.16kg/km^2{\cdot}day$ in the parking lot. The estimated unit loads are not so comparable to the ones listed in TWPLMS technical guideline and published data that locally developed unit loads should be used to estimate non-point pollutant loads.
In korea, TMDL is being implemented to manage nonpoint pollution sources as well as point pollution sources. LDC is being used for the planning of TMDL. In order to analyze the water quality using LDC, it is necessary to prepare FDC using the daily flow data. However, only the daily flow data is measured at the WAMIS branch, and 8days flow data and water quality data are measured at the monitoring Networks. So, in many researches, the water quality is being grasped by deriving the LDC using the 8days flow or the daily flow obtained by various methods. These fluctuations may lead to differences in determining whether the target load is achieved. In this study, each LDC was prepared using the 8day flow and the related daily flow. Then, the effect using different flow data on the achievement of target load was compared according to flow conditions. As a result, the difference ratio in the number of overloads under flow condition was showed 19% in high flows, 42% in moist conditions, 49% in mid-range flows, 41% in dry conditions, and 104% in low flows. In the top ten watershed with the highest difference ratio, the flow became lower the difference ration increases. These differences can cause uncertainty in assessing the achievement of target load using LDC. Therefore, in order to evaluate the water quality accurately and reliably using LDC, accurate daily flow data and water quality data should be secured through the installation of national nonpoint measurement network.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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