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Comparative Analysis of Nitrogen Concentration of Rainfall in South Korea for Nonpoint Source Pollution Model Application

Dong Ho Choi1, Min-Kyeong Kim2, Seung-Oh Hur1, Sung-Chang Hong1, Soon-Kun Choi1*

1 농촌진흥청 국립농업과학원 농업환경부 기후변화생태과 [Climate Change & Agroecology Division, Department of Agricultural Environment, National Institute of Agricultural Sciences, Rural Development Administration, Wanju 55365, Korea]
 2 농촌진흥청 기술협력국 국제기술협력과 [International Technology Cooperation Center (ITCC), Technical Cooperation Bureau, Rural Development Administration, Jeonju 54875, Korea]
2018. Vol.37 (3): pp.189-196 https://doi.org/10.5338/KJEA.2018.37.3.22

Abstract

BACKGROUND: Water quality management of river requires quantification of pollutant loads and implementation of measures through monitoring study, but it requires labour and costs. Therefore, many researchers are performing nonpoint source pollution analysis using computer models. However, calibration of model parameters needs observed data. Nitrogen concentration in rainfall is one of the factors to be considered when estimating the pollutant loads through application of the nonpoint source pollution model, but the default value provided by the model is used when there are no observed data. Therefore, this study aims to provide the representative nitrogen concentration of the rainfall for the administrative district ensuring rational modeling and reliable results. METHODS AND RESULTS: In this study, rainfall monitoring data from June 2015 to December 2017 were used to determine the nitrogen concentration in rainfall for each administrative district. Range of the NO3- and NH4+ concentrations were 0.41～6.05 mg/L, 0.39～2.27 mg/L, respectively, and T-N concentration was 0.80～7.71 mg/L. Furthermore, the national average of T-N concentration in this study was 2.84±1.42 mg/L, which was similar to the national average of T-N 3.03 mg/L presented by the Ministry of Environment in 2015. Therefore, the nitrogen concentrations suggested in this study can be considered to be resonable values. CONCLUSION: The nitrogen concentrations estimated in this study showed regional differences. Therefore, when estimating the pollutant loads through application of the nonpoint source pollution model, resonable parameter estimation of nitrogen concentration in rainfall is possible by reflecting the regional characteristics.

Keywords: Administrative district Nitrogen Nonpoint source model Rainfall

서 론

국내에서는 점오염의 저감을 위한 다양한 정책과 시설 설치를 통한 수질을 개선하고자 하였지만, 점오염원 관리만을 통한 수질개선은 한계점을 보였다. 따라서 수질개선을 위해서는 오염원의 발생위치 및 발생량 파악이 가능하고 처리가 가능한 점오염원 관리와 더불어 강우시에 다양한 토지이용에서 광범위하고 다량으로 유출되는 비점오염원의 관리의 중요함이 대두되었다. 비점오염원은 6개의 오염원(생활계, 축산계, 토지계, 산업계, 매립계 및 양식계)으로 구분되며, 이 중 토지계(대지, 논, 밭, 산림, 기타)의 오염부하량은 전체 오염부하량의 평균 63.5%를 차지하는 것으로 보고되었다(Relevant Ministerial Consortium, 2012).

하천으로 유입되는 비점오염물질의 저감을 위해서는 토지 이용별 발생하는 오염부하량 파악 및 유출경로 파악이 중요하다. 2014년 새롭게 발표된 토지피복별 발생 원단위는 대지의 원단위는 감소하고 논, 밭 등 농경지의 원단위는 증가하는 것으로 분석되었다. 토지피복별 오염부하량은 자연현상의 변화(강우량, 강우강도, 무강우일수), 사회적변화(불투수면적 증가, 영농활동의 변화), 토양특성 등 다양한 요인에 의해 변화화기 때문에 합리적인 하천의 수질관리를 위해서는 토지피복별 다양한 강우사상에서 배출되는 오염물질량 파악과 저감하기 위한 방안이 요구된다.

최근 오염물질의 정량화와 저감방안에 따른 저감량 평가 등 현장 중심의 연구가 수행되고 있지만, 유역의 특성별로 오염원의 배출경로가 다양하고 복합적으로 발생하기 때문에 모든 유역에 공통적으로 적용하여 평가하기에는 현실적으로 부적절하다(Shin, 2007; Oh et al., 2004; Lee et al., 2011; Jung et al., 2009). 따라서, 많은 연구자들은 모니터링을 통한 오염물질의 정량화에 대한 한계점을 극복하기 위해 강우시 및 비강우시 오염물질의 유출특성 모의가 가능한 모델을 이용하고 있다.

비점오염 유출 모의의 대표적인 모델로 EPIC (Environmental Policy Integrated Climate), CREAMS (Chemicals, Runoff and Erosion from Agricultural Systems), APEX (Agricultural Policy & Environmental eXtender Model), SWAT (Soil and Water Association Tool), HSPF (Hydrological Simulation Program-Fortran) 및 SWMM (Storm Water Management Model) 등 다양한 모델이 있으며(Jung et al., 2012; National Academy of Agricultural Science, 2014), 모델을 이용한 비점오염물질의 평가를 위해서는 적용지역의 오염원현황의 반영과 평가 목적에 부합하는 모델의 선정이 필요하며, 관측자료를 이용한 매개변수의 보정을 통한 모델 결과의 신뢰성을 확보가 필요하다(Kang et al., 2012; Lee et al,. 2016). 특히, 비점오염모델은 강우의 특성을 반영하여 수문학적 변화와 오염물질의 이동을 분석하기 때문에 강우의 특성 반영은 필요하다.

따라서, 본 연구에서는 비점오염 모델의 적용을 통한 신뢰성 있는 오염부하량 산정을 위해 국내 실정에 맞는 강우 내 질소 농도를 제시하고자 한다. 이를 위해 국내에서 강우량의 질소농도 조사가 수행된 논문과 보고서, 그리고 국립농업과학원(완주)에서 2015년 6월부터 2017년 12월까지 강우 채취 및 분석된 질소 농도를 이용하여 16개 행정구역별(1개시, 6개 광역시, 9개도)로 강우시 질소의 대표 농도를 산정하고 제시하였다.

재료 및 방법

선행 연구결과 수집 및 분석

선행 연구는 국내 빗물농도의 산성도 평가 및 원인규명, 각 지역의 시기별 강우 이온농도 특성 분석 등의 목적으로 수행되었다. 본 연구에서는 선행 연구결과에서 제시하고 있는 강우시의 NO3- 및 NH4+ 농도를 수집하고 지역별 농도를 분석하였다. 또한, 문헌에서 제시하고 있는 단위의 표시가 상이한 부분이 있어 수질농도에 적합하도록 mg/L 로 통일하였다(Table 1).

강우량 수집 및 수질분석

본 연구에서 강우량 관측은 전라북도 완주군 이서면 국립농업과학원(35°49′45″ N, 127°02′27″E) 내에 위치한 자동강우채취기를 이용하여 2015년 6월부터 2017년 6월까지 총 74회 수집하였다. 빗물의 채취는 bulk sampling 방식으로 매 강우마다 채수하였으며, 센서에 강우가 감지되면 자동으로 뚜껑이 열려 빗물을 채수하는 wet sampling 방식의 강우자동채취기(SL12021, Shinill Scicnce Co., Korea)를 사용하였다.

강우의 NH4+와 NO3- 농도는 국립농업과학원 농업용용수 수질분석 실무 매뉴얼(NAS, 2016) 준하여 UV-spectrophotometer 를 이용하여 분석하였다(UV/Vis spectrophotometer, Varian Cary 300, USA). NH4+는 차아염소산 이온의 공존하에서 페놀과 반응하여 생성되는 청색의 Indophenol을 640 nm에서 측정하는 Indophenol법, NO3-는 1N‐HCl로 hydroxide 와 carbonate에 의한 영향을 제거하고 220 nm에서 흡광도를 측정하는 자외선 흡광광도법으로 측정하였다(NAS, 2016). 대기중의 질소산화물은 강우와 반응하여 NO3-와 NH4+ 이온으로 형태가 변화되는 것으로 보고되고 있다. 따라서 본 연구에서 T-N 농도는 NH4+ 농도와 NO3- 농도의 합으로 산정하였다.

통계분석

본 연구에서 적용된 강우농도는 각 지역별로 분포가 다양하게 발생하기 때문에 변동계수를 산정하였다. 변동계수는 표준편차에 대한 평균값으로서 자료의 표준편차와 분포가 다른 대상을 상호 비교 때 활용이 되며, 10% 미만일 경우 큰 변화가 없음을 의미하며, 30%를 초과하면 자료의 변화가 큰 것을 의미한다.

CV=(Standard deviation/average) * 100(%)

결과 및 고찰

지역별 NH4+, NO3- 및 T-N 대표 농도 산정

연구에서 수집된 선행 연구결과를 종합하여 분석된 지역별 NO3-의 농도를 살펴보면, 대구광역시에서 0.41±0.28 mg/L로 가장 낮은 값을 보인 반면, 대전광역시에서 6.05±3.67 mg/L 로 가장 높은 수치를 보였다. NH4+의 경우 제주도에서 0.41±0.19 mg/L로 가장 낮았으며, 인천광역시에서 2.27±0.85 mg/L로 가장 높은 농도를 보였다.

각 지역의 NO3-농도와 NH4+를 평균하여 산정된 평균 농도는 각각 1.88±1.00 mg/L와 0.96±0.56 mg/L였으며, 이는 환경부에서 제시하고 있는 2015년 전국 NO3-와 NH4+ 의 평균 농도 1.98 mg/L와 1.05 mg/L와 비슷하였다. NO3- 농도와 NH4+ 농도의 합으로 구성된 T-N은 대구광역시에서 0.80±0.49 mg/L로 가장 낮았고, 대전광역시에서 7.71±4.23 mg/L로 가장 높았다. NH4+의 농도는 서에서 동으로 갈수록 상대적으로 감소하는 지형적 특성을 보였지만 NO3- 농도는 큰 차이를 보이지 않았다(Fig 2). 이와 같은 이유는 지형적 차이와 지역별 공업의 발달, 교통량, 난방 등 다양한 요인에 의한 영향으로 보고되고 있다(Bu et al., 2016).

본 연구 지역인 완주군에서 측정된 NO3-와 NH4+ 농도는 각각 1.11±0.92 mg/L와 0.81±0.74 mg/L 였다. 완주군의 차량등록수(30,290대→51,072대), 주택(27,391호→35,971호), 산업체수(4,241개→6,475개)로 지속적으로 증가하는 것으로 나타났다. 따라서, 향후 지속적인 강우모니터링을 통한 수질자료 구축과 사회적변화(인구수, 차량등록대수, 산업체수, 토지이용면적)에 따른 강우 농도변화 요인분석을 위한 연구가 필요하다.

강우에 의한 하천의 수질의 영향을 분석하기 위해서는 강우의 질적·양적 변화에 대한 분석이 중요하다(Seo와 Fang. 2012). SWAT 모델과 APEX 모델에서 제시되고 있는 강우의 질소 농도는 각각 1.0 mg/L와 0.77 mg/L로 본 연구결과에서 산정된 농도값과 큰 차이를 보였다. 국내의 10년 평균 강수량이 1446.3 mm 이고(Choi et al., 2015), 평균 T-N 농도가 2.84 mg/L이면 강우에서 지면으로 공급되는 질소부하량은 41.1 kg/ha가 공급되고 T-N 농도가 1.15 mg/L 이면 16.6 kg/ha가 공급이 된다. 따라서, 강우량과 T-N 농도의 차이로 인해 수계로 유입되는 T-N 부하량은 변화되므로 모델링 통한 강우 유출수의 T-N 부하량 평가시 관측 강우 농도 반영이 요구된다.

지역별 NH4+, NO3- 및 T-N 농도의 변동성 분석

NO3-, NH4+와 T-N 농도의 변동계수를 살펴보면, NO3-는 강원도에서 12.9%로 안정적인 변화를 보인 반면, 본 연구지역인 전라북도 완주군의 변동계수가 83.3%로 가장 크게 나타났다. NH4+의 경우 서울에서 133.1%로 변동계수가 가장 크게 나타났으며, 다른 행정구역에서는 30%이상의 변동계수를 보였다. T-N은 강원도가 20.1%, 충청북도 25.6%, 전라남도 29.9%, 부산 29.6%로 변동계수가 30% 이하로 안정적인 변화를 보였지만, 서울과 전라북도 완주군에서 80% 이상의 큰 변동을 보였다(Fig. 3). 일반적으로 변동계수가 10이하이면 안정적인 변화를 보이는 것으로 판단하며, 30 이상일 경우 국내/외의 다양한 원인으로 질소농도의 변화가 큰 것으로 판단할 수 있다. 국내의 질소농도 변화의 원인으로는 전라북도의 경우 NO3- 농도가 변동성이 큰 이유는 7개 시군에서 관측된 강우시 질소농도 자료로써 공장과 인구밀도가 높은 전주와 완주지역에서 농도가 높게 나타나며, 상대적으로 오염원이 적은 무주, 장수 등은 낮게 나타나기 때문으로 사료된다. 또한, 서울과 경기도의 경우 타 행정구역에 비해 자동차 등록 대수 및 통행량이 많기 때문에 대기 중의 NO2의 농도가 시기별로 다르게 나타나며(NIER, 2016) 대구광역시의 경우 고정배출원인 주거지역의 질소산화물 배출의 꾸준한 증가와 차량증가로 인한 교통량의 증가로 인한 이동 배출원이 증가했기 때문에 질소농도의 변동이 큰 것으로 사료된다(NIER, 2016). 또한, 국내의 대기 중 질소산화물은 중국 고비와 내몽골에서 유입되는 연무와 황사의 영향을 받는다. 황사 발생시에는 토양기원 염기성 물질과 질소산화물이 반응하여 NH4+는 낮아지는 현상을 보이는 반면, 연무 발생시에는 NO3-와 NH4+ 농도 모두 증가하는 것으로 나타났다(Ko et al., 2016).

Note

The authors declare no conflict of interest.

ACKNOWLEDGEMENT

This study was carried out with the support of “Research Program for Agricultural Science & Technology Development (Project No. PJ012549)”, National Institute of Agricultural Sciences, Rural Development Adminstration, Republic of Korea.

Tables & Figures

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Table 1. Previous study on the classification of nitrogen concentration in rainfall by the administrative district

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Fig. 1. Rainfall measurement and collection equipment located in national academy of agricultural science in wanju, Korea.

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Fig. 2. The NO3-, NH4+, T-N concentrations by administrative district in Korea.

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Table 2. Representative nitrogen concentration in Korea for nonpoint source model application

※ mean±SD
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Fig 3. The coefficient of variation by administrative district in Korea.

References

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Tables & Figures

Citation

Korean Journal of Environmental Agriculture

Comparative Analysis of Nitrogen Concentration of Rainfall in South Korea for Nonpoint Source Pollution Model Application

@article{HGNHB8_2018_v37n3_189,
author={Dong Ho. Choi and Min-Kyeong. Kim and Seung-Oh. Hur and Sung-Chang. Hong and Soon-Kun. Choi},
title={Comparative Analysis of Nitrogen Concentration of Rainfall in South Korea for Nonpoint Source Pollution Model Application},
journal={Korean Journal of Environmental Agriculture},
issn={1225-3537},
year={2018},
volume={37},
number={3},
pages={189-196},
doi={10.5338/KJEA.2018.37.3.22},
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