미국에서의 수질은 1972년에 「청정수법(Clean Water Act)」이 개정된 이래 많이 개선되었다. 그 시기에 연방정부는 폐수 처리를 위한 처리 시스템의 요구에 대하여 더욱 더 크게 인식하였고, 새로운 처리장 건설에 있어 경제적 지원과 함께 보다 나은 처리를 위한 야심적인 목표를 포함하는 방대한 법제화를 강력하게 추진하였다.
비록 이러한 시점의 초기에 중점적으로 다룬 부분은 점오염원(point sources)이었지만, 비점오염원(nonpoint sources)의 중요성을 크게 인식하였고, 계획수립 과 같은 다양한 활동 등이 향후 발생 가능한 비점오염원의 영향을 감소시키기 위하여 부각되었다. 또한 이 시기에 농업지역도 초기적인 비점오염원으로 고려되기 시작하였다.

 

미국, 비점오염원 중요성 인식

 

이러한 개정된 법률은 수질관리에 매우 효과적이었으며, 다양한 원인을 이해하는데 도움을 주었다. 또한 그 법률은 오염물질의 근원을 규정하는 방식을 바꾸었다. 법률의 가장 중요한 변화는 ‘하천 기준’에 반하여 ‘오염원 기준’을 만들어 냈다는 것이다. 오염원 기준은 최소한으로 필요한 폐수처리시설의 인식과 함께 미국 전역을 통해 일관성을 유지해야만 한다는 필요성 때문에 법제화되었다.
가정 하수를 위한 이러한 최소한의 시설은 2차 처리인데, 이것은 BOD5 와 TSS의 85% 처리효율 또는 30mg/L 농도로의 저감을 법적으로 명시한 것이며 더욱더 강화된 규정이다. 이러한 가정하수처리를 위한 정의는 관련 사람들에게 잘 鎌巒퓸珦만? 요구되는 처리기준을 맞추기 위한 증명된 기술이 존재하였기 때문에 적절하게 사용되었다.
이러한 개념은 처리에 대한 요구사항이 다양하고 잘 명시되어 있지 않은 산업폐수 처리에서도 적용되었다. 또한 이것은 ‘최적기술(BPT)’로 불리었으며, 후에 ‘현재 가장 유용한 최적기술(BPTCA)’ 또는 ‘비용 효율적으로 가장 유용한 기술(BATEA)’로 불리어졌다.
미국의 산업체와 EPA 및 주정부의 환경보호국은 이러한 처리목표와 이행을 위한 시기 등에 대한 새로운 규정을 상호 협력하여 개발하였다. 새로운 처리기술이 개발되고 오염물질의 영향에 관한 새로운 정보가 이용 가능하게 됨으로써 이러한 규정은 점점 개선되어졌다.
오염된 환경지역으로 오염물질의 유출이 있을 경우에는, 일반적으로 하천기준으로 알려져 있는 더욱더 엄격한 조건이 추가적으로 법제화되었다. 오늘날 이러한 추가적인 기준은 영양염류와 독성물질 관리를 위한 규제의 토대가 되었다. 이와 같은 전체적인 과정은 전미오염배출저감 시스템(NPDES)이라고 불리는 허가 시스템을 통해 모니터링 되고 있다.
오늘날 이와 같은 정책은 많은 도전이 있지만 잘 적용되고 있다. 이러한 프로그램은 큰 성공을 거두었으며, 현재 미국 내 극히 일부지역을 제외한 모든 도시와 소읍을 포함하여 전국에 걸쳐 많은 수의 처리장이 건설되었으며 대부분 최소한 2차 처리시설을 가지고 있다. 단지 캘리포니아주 샌디에이고(San Diego, California)와 같은 해안 도시의 일부만이 전체적인 2차 처리시설을 가지고 있지 않다.
연방정부의 이러한 프로그램은 매우 훌륭하게 정착되었는데, 그 이유는 주정부간의 고속도로 시스템이나 달 탐사를 위해 만들어진 아폴로 프로그램과 유사한 국가위원회를 만들어서 운용하기 때문이었으며, 이러한 연방정부의 적극적 참여는 매우 주효하였다. 최소한으로 쉽게 정의 가능하며, 국가 전역에 통용 가능한 처리목표(2차 처리)의 결과물은 이 프로그램의 성공에 매우 단순하지만 가장 중요한 것이었다고 할 수 있다.
이러한 프로그램의 성공은 오늘날 미국의 미래자원을 비점오염원 또는 강우 유출수 관리에 집중할 수 있도록 해주었다. 현재 환경 분야에서 가장 지속가능한 진보는 비점오염원 관리 분야가 되어야 한다. 그러나 불행하게도 비점오염원 관리는 점오염원 관리에 비해서 제도상으로 및 기술적으로 매우 어려운 실정이다.
본 논문의 많은 부분에서 저자는 개선된 강우 유출수 관리의 필요성, 수행되고 있는 과정들 그리고 성공과 실패에 대한 이유들에 대하여 언급하고자 한다. 전반적으로 본 저자는 산타모니카만(Santa Monica Bay) 유역과 남캘리포니아(Southern California)의 상황을 예로 들고자 한다.
본 저자는 과거 28년 동안 이 유역의 점오염원 관리와 연구에 참여하여 왔고, 최근 13년 동안은  강우유출수 관리에 대한 연구를 수행해오고 있기에 이 유역에 대한 모든 면에 매우 익숙하다. 
남캘리포니아 지역은 미국에서도 경제적으로 매우 중요하며 큰 지역이다. 면적으로 본다면 체코공화국(Czech Republic)의 크기와 비교될 정도다. 약 1천700만 명의 인구가 산타바바라(Santa Barbara) 남쪽의 8개 카운티에 살고 있다. 또한 이 지역은 한국 외 지역들 중에서 가장 큰 한국인 밀집지역을 포함하고 있다. 캘리포니아는 세계 국가들 기준으로 볼 때 6번째의 경제 규모를 가지고 있으며, 로스엔젤레스 카운티 단독으로 평가를 하더라도 세계 16번째의 경제규모를 자랑하고 있다. 이러한 경제규모는 러시아 경제 위에 위치하고 있을 정도이다(Micklethwait, 2004).
기후는 반건조성 및 사막 기후를 나타내고 있으며, 년간 강수량은 매우 다양한 분포를 보이고 있는데, 해안가를 따라서는 380mm 정도를 보이나 내륙지역은 100mm 이하의 값을 보이고 있다. 도시지역은 극히 일부를 제외하고는 하수도 시스템이 건설되어 있으며, 강우유출수와 하수가 분류되는 분류식 시스템을 가지고 있다.

 

LA지역 하수도 네트워크 형성

 

■ 점오염원   로스엔젤레스시(The City of Los Angeles)는 4개의 하수처리장을 운영하고 있으며, 그 중에서 가장 큰 규모는 로스엔젤레스 국제공항 인근의 플라야 델 레이(Playa del Rey)에 위치하고 있는 하이페리온(Hyperion) 처리장이며, 하루 평균 150만 톤을 처리하고 있다. 다른 처리장들은 내륙지방에 위치하고 있으며, 대부분 하루에 2만 톤에서 10만 톤 정도를 처리하는 소규모 처리장들이다.
로스엔젤레스 카운티의 하수도 관할구역은 소규모에서부터 큰 규모의 해안가 처리장까지 보유하고 있어 비교적 큰 네트워크를 형성하고 있다. 해안가에 위치하고 있는 처리장은 단지 탄소화합물을 제거하도록 설계되어 있으며, 영양소 제거공정은 설치되어 있지 않다. 내륙에 위치하고 있는 처리장들은 초기에는 탄소화합물만 제거하도록 설계되었으나, 최근에 대부분 영양소 제거공정을 도입하였으며 하수 재활용의 중요한 근원이다. 이러한 처리장과 인프라스트럭쳐(infrastructure)의 건설과 운영관리를 위해서 약 100억 달러 정도의 자금이 소요되었으며, 하이페리온 처리장의 경우만 하더라도 50억 달러가 소요되었다.
이러한 투자에도 불구하고 산타모니카 만을 포함하여 수계의 수질은 여전히 오염도가 심각하다. 여기에 관련되는 오염물질들은 쓰레기나 폐기물과 같은 비전통적인 오염물질 뿐만 아니라 DDT와 같은 오래된 오염물질들도 관련된다. 해안 연안수의 지표종 미생물은 매우 큰 문제이며, 이것에 관련된 문구들을 해안가에서 쉽게 접할 수 있다.
정부기관 뿐만 아니라 세금 지불자들을 위한 당면한 문제는 “가장 경제적으로 수질을 개선시킬 수 있는 작업을 어떻게 지속할 수 있을 것인가?” 하는 것이다.
수질 오염물질의 근원분석 결과를 살펴보면, 특히 해안가의 근해수질오염의 근원은 비점오염원으로 보고되고 있다. Wong 등(1997)은 그의 연구결과에서 몇몇 중금속 물질(납, 아연, 니켈, 구리), 부유물질 및 질소의 주요 근원은 비점오염원에서 기인한다고 보고하고 있다. 그러므로 수질개선을 위해 지속되어야할 비용효율적 전략은 비점오염원 관리이며 이의 관리에 전력을 쏟아야만 한다.

 

비점오염원 해결, 기술혁신 필요

 

■ 비점오염원   비점오염원 관리는 점오염원에 비해 수십배 이상의 도전을 받을 수 있는 기술적인 문제를 가지고 있다. 또한 비점오염원의 제도적인 면은 점오염원보다 극복하기 매우 어렵고 나쁜 것이 현실이다.
매우 단순한 질문, 즉 “강우 유출수는 누구의 소유인가?” 라는 질문에 대하여 어떠한 답도 없다. 개인 주거지역, 상업지역, 시·도(Local roads), 주도(State roads), 연방도로(Federal roads) 및 나대지 등에서 기인하는 강우유출수의 관리에는 누구의 책임이 있을까? 이러한 강우 유출수에 대하여 관리 및 경제적 책임을 가지고 있다고 하는 개인소유자, 법인 또는 기관은 전혀 없다. 부연한다면, 작은 소유역이라 할지라도 수백개 또는 수천개의 배출구가 존재할 수 있으며, 모니터링조차 힘들다.
이러한 이슈에 대한 해결책에는 기술혁신과 대안적 접근이 요구된다. 정부는 단순히 제도적 법률을 제정한다고 해서 그러한 문제가 해결되는 것은 아니다. 또한 토지소유주들은 그들이 얼마나 강우유출수에 기여를 하는지, 어떻게 저감을 해야 할 것인가 또는 얼마나 비용이 들것인가에 대하여 신경을 쓰지도 않을 것이다.
로스엔젤레스에서 수행된 최신 연구 결과(Gordon, et al, 2002)를 보면, 예상되는 강우 유출수 규제를 시행하기 위해서는 수백억 달러가 들 것으로 예상했다. 이 연구는 모든 소유역과 강우 배출지역에 진보된 처리가 필요하다는 가정 하에 수행되었으며, 점오염원 관리에 요구되는 비용에 추가적으로 천문학적인 비용이 들것으로 예상하였다. 이러한 연구는 문제를 해결하기보다 혼란과 두려움을 만들어내는데 오히려 일조하였다.
2005년 Devinny 등의 연구는 더욱더 합리적이면서 항변적인 연구 결과를 제시하였다. 그들의 연구에서는 모든 상황에서 수많은 해결책이 존재하며, 점오염원 관리를 위해 사용되는 비용과 유사한 비용으로 단순 강우유출수 관리를 넘어 큰 장점도 제공할 수 있다는 것을 보여주었다.

 

강우 유출율 모니터링 능력 미비

 

■ 규제 장치   1987년에 제정된 「청정수법(Clean Water Act)」에 대한 새로운 수정법안은 비점오염원에 대한 새로운 규제의 필요성을 인식하였으며, 기관들에게 성과를 이끌어내기 위한 적합한 규정이 법제화되었다. 현재 미국에 존재하는 규제장치는 개인사업자나 기관들에게 적용되고 있는 일최대부하량관리제(TMDL)에서 NPDES 허가 시스템 등과 같이 매우 방대하면서 시스템화 되어있다. 이러한 규제에 있어 가장 중요한 문제는 강우유출수 수질의 개선을 위한 방법과 경험이 미비하다는 것이다.
미국에서 오염물질 규제는 실질적이면서 성취 가능해야만 한다. 그러나 만약 경험이 부족하다면 제안된 규제가 실질적인지 또는 그렇지 않은지 조차 이해한다는 것이 쉽지 않다. 정보의 부족에 대처하기 위해서는 새로운 모니터링 프로그램이 법제화되어야 하고, 강우유출 오염을 저감시키기 위한 방법이 최적관리방안(BMPs)으로 개발되어야 한다.

 

① 모니터링 프로그램   미국에는 높은 오염물질 배출자를 확인하고 비점오염원 배출을 명확히 밝히기 위하여 몇가지 종류의 모니터링 프로그램이 개발되어져 있다. 일반적으로 모니터링 프로그램은 주(state)별 및 목적별로 다양하다. 예를 들어, 캘리포니아의 경우 산업지역 모니터링 프로그램과 더불어 분류식 도시 하수 시스템(MS4) 프로그램이 있다. 이러한 프로그램은 최근에 재검토(Lee and Stenstrom, 2005) 되었으며 많은 지역에서 적용되고 있다. 실제로 미국에는 많은 모니터링 문제점들이 있으며, 비용은 많은 문제들 중의 하나에 불과하다. 이러한 문제점들을 열거하면 다음과 같다.
(1) 강우 유출율(runoff flow rate)을 모니터링 할 수 있는 능력의 미비함과 유출 측정에 관련되는 수리학적 구조물 건설에 들어가는 높은 비용.
(2) 하나의 강우사상을 특징짓기 위한 한 개의 단순 시료채취(grab sample) 사용의 문제.
(3) 자가 모니터링(self-monitoring) 문제. 이 방법은 모니터링 프로그램에 흥미도 없으면서 모니터링 기술에 능숙하지 않은 한 개인이 샘플링을 수행함으로써 모니터링의 질적 수준과 결과에 악영향을 줌.
(4) 샘플 채취시간 문제. 로스엔젤레스의 경우 강우 사상별 초기강우 뿐만 아니라 계절적 초기강우를 가지고 있으며, 우기시즌 시작과 함께 채취된 샘플과 강우초기에 채취된 샘플들의 경우 모든 오염물질들에서 매우 큰 편차를 가지고 있음.
(5) 제한된 오염물질 지표인자 수. 일반적으로 모니터링 프로그램은 단지 오일과 기름(oil and grease), pH, 탁도, 전기전도도 등만을 요구하고 있는데, 이것은 일반적으로 수질문제와 일최대부하량관리제에 관련되는 수질지표 인자들이 아님.
캘리포니아 주정부는 주정부 차원의 모니터링 프로그램을 재검토하는 작업을 수행하고 있는데, 이러한 많은 문제들이 검토되고 부분적으로 개선될 것으로 기대된다. 성공적인 모니터링 프로그램은 배출자들이 규제 받기 이전에 제시되어져야 한다.

 

② 일최대부하량관리제   일최대부하량관리제란 방류수계로 유입되는 부하량을 조절하는 방법이며, 산타모니카 만이나 한국의 한강 어디든지 간에 방류수계는 최대자정능력을 가지고 있으며 오염물질 종류별로 그 능력은 다르다는 인식 하에 기초한다. 가장 명확한 예를 든다면 산소 요구량(oxygen demand)을 예로 들 수 있으며, 물고기 떼죽음에 관련되는 수질문제는 강이나 하천의 자정능력을 초과하는 전형적인 예이다.
TMDL은 캘리포니아를 비롯하여 모든 주에서 개발되어졌으며 적용되고 있다. 산타모니카만 유역에는 한 개의 TMDL이 존재하고 있는데, 이것은 강우에 의해 유출되는 쓰레기(litter)이며 중금속과 지표성미생물(coliforms 등) 등에 대한 TMDL이 곧 시행될 것이다. 많은 다른 오염물질 인자들은 가까운 장래에 제도화 될 것이다.
이론적으로 한 개의 TMDL로 다양한 오염물질 근원에 허용 부하량을 명시할 수 있으며, 처리할 수 있는 능력을 고려하여 부하량을 명시할 수 있다. 이러한 방식으로 가장 낮은 비용으로 최대 오염물질 저감을 수행할 수 있는 것이다. TMDL의 한가지 예를 들면 샌프란시스코만(San Francisco Bay)에 적용되고 있는 수은에 대한 TMDL이다. 샌프란시스코만 연구소는 TMDL과 다양한 오염원들 간의 연관성을 규명하는 가장 좋은 방법이 무엇인지를 연구하고 있으며, 관리방법도 연구 및 조사되고 있다.
이러한 오염원에는 폐 금광산으로부터 유출되는 토사 등과 같은 오래된 오염원들도 포함하고 있다. 또한 새롭게 또는 계속적으로 운영중인 오염원에는 대기침적, 처리시설로부터의 유출 및 형광등, 전지, 온도계 및 기압계 등과 같은 제조를 하고 있는 산업 및 산업시설 등을 포함하고 있다.
수은 TMDL의 도전은 저감하기에 쉽지 않은 오염원들이라는 것이다. 제품들로부터 수은의 제거는 20년 이상 중요한 사안이었다. 수은 전지는 더 이상 팔 수가 없으며, 형광등에서의 수은 함량은 과거 30년 동안 20배 이상 감소되었다. 수은의 저감 가능성은 현재까지 잘 알려져 있지 않지만, 토사 제거, 형광등, 온도계 및 수은을 함유하고 있는 기기의 재활용과 치과병원에서 종종 사용되는 수은이 함유된 아말감의 사전처리는 이러한 저감능력에 포함되어 질것이다. 아직도 많은 결과들이 명확하지 않을 수 있으나 TMDL을 이행하기 위한 연구는 좋은 결과를 도출할 것으로 판단된다.

 

③ 수치적 기준   현재까지 강우유출수 배출에 대한 NPDES 허가와 관련되는 수치적 기준은 매우 미미하다. 이것은 규제기관들이 수치적 기준을 수립하기 위해서 처리실무에 대한 충분한 증거를 확신하지 못하기 때문이다. 이러한 상황은 많은 정보들이 개발됨으로써 바뀔 것이며, 수치적 기준은 아마도 잘 개발되어진 TMDL이 시행되고 있는 지역에서 처음으로 시행될 것이다. TMDL과 잘 연계되는 배출요구기준이 제도적 기준으로 사용될 수 있을 것이다.
현재의 NPDES 강우 유출 허가의 제대로 된 시행은 허가자들이 강우유출오염을 방지하기 위한 좋은 방안들을 잘 사용할 때 가능하다. 이러한 방안은 강우 유입구 근처에 유입된 강우는 처리 없이 수계로 유출된다는 공공 경고문구 부착과 더불어 다양한 교육 프로그램 수립, 가정에서부터 오염물질 발생자체를 억제하는 방법, 거리청소와 부품교환(관련 오염물질이 포함된 부품의 사용을 피하는 방법 등)등과 같이 단순한 것부터 복잡한 것까지 다양하다.
두 개의 사례를 들면 금속 및 자동차 재활용 시설의 사례와 건설현장에서 건설기간 중 침식방지 사례 등을 들수 있다. 재활용 시설들은 강우 유출수에 의해 유출이 발생하지 않는 방향으로 적극적인 회사경영을 하여야 한다. 구체적으로 살펴보면, 이러한 시설에서는 제거된 전지와 가솔린으로부터 납이 접촉 가능한 다른 부품들이나 제거된 머플러에 가지 않도록 하여야 하며, 재활용되기 전에 자동차로부터 유출되는 윤활유나 부동액 등과 같은 유체가 강우와 접촉하지 않도록 덮개설비를 잘 갖추어야 한다.

 

불투수층 저감방법 사용 절실

 

■ 기술적 해결방안   강우유출수 오염을 처리하고 저감시키기 위한 기술적 해결방안은 30년 이상 개발과정 중에 있다. 관례대로 이러한 저감기술들이 정말 ‘최적’인지에 대한 어떠한 증거는 없지만 최적관리방안(Best Management Practices) 또는 BMPs라고 불리운다. 이러한 BMP의 의미는 처리방법을 명시하기 위해 존재하는 정보들이 불충분하기 때문에 사용되는 것이다. 이러한 정보의 부족은 단지 비점오염원 관리를 성가시게 하는 제도상의 문제들 중의 하나이며, 점오염원 방법에서는 발생하지 않았었다. 최적관리방안은 점점 개선되어 지고 있으며, ASCE(미국토목학회)-EPA(미국환경보호국)(2003)의 데이터베이스에서는 최적관리방안의 사용에 있어 잘 정리된 안내책자들이 예시로써 나타나 있다.
최적관리방안은 교육과 정책적 해결방안으로부터 기술과 공학적 건설 프로젝트에 이르기까지 다양한 범위를 가지고 있다. 강우유출수 관리뿐만 아니라 대기질 관리를 위한 성공적인 BMP의 한 예는 개솔린으로부터 4개의 에틸기가 붙어있는 납(tetraethyl lead)의 제거이다. 남캘리포니아 지역에서 사용되는 다른 예들은 다음과 같다.
(1) 강우 유출구에 오염물질이나 쓰레기를 버리지 않도록 학생들을 가리키는 다양한 교육 프로그램.
(2) 공공장소에 인적요소를 이용하여 오염 방지를 위해 주기적 조사(예를 들면, 만약 사람들이 공원이나 해수욕장을 방문할 때 쓰레기통이 적재적소에 잘 배치되어 있다면 쓰레기에 의한 오염저감에 효과를 줄 것이다).
(3) 쓰레기나 오일 및 기름과 오염물질이 부착된 토사가 강우 유출수와 함께 유출되기 이전에 유입되는 측구부에 용기를 설치.
(4) 중금속의 유출과 탄화수소의 발생을 저감시키기 위한 자동차 정비 프로그램.
(5) 중금속 함량이 낮은 브레이크 패드와 같은 부품으로의 교환 프로그램.
(6) 저류연못이나 침투지, 식생 수로, 습지 및 모래 여과지와 같은 처리시스템 적용. 이러한 시스템들은 사용되는 토지의 제한을 가지고 있지만 정말 필요한 지역인 도시지역에 적용해 볼만한 것들이며, 이러한 시설의 개발은 장래에 흥미 있고 활발하게 추진될 분야이다.
(7) 강우유출이 발생하는 측구에 적은 추가적인 면적을 사용하여 작은 부스러기나 침전 가능한 고형물을 스크린하기 위한 작은 용기. 현재 가장 인기 있는 용기는 연속적 분리 시스템 (Continuous Deflective Separation System)이 있다.
(8) 하수관으로부터 유출되는 하수의 빠른 감지 시스템.
(9) 하이브리드 하수도 시스템(Hybrid sewer systems).
남캘리포니아의 관계기관들은 CSO
(combined sewer overflows)의 월류 방지를 위하여 분리 하수시스템들을 건설하였다. 분리식 시스템의 한가지 기대하지 않았던 결과는 우수관거에 귀찮을 정도로 적게 흘러가는 유량이다. 남캘리포니아는 3월 내지 4월부터 10월 내지 11월까지 전혀 비가 내리지 않는 전형적인 지중해성 기후를 가지고 있다.
따라서 많은 우수관거가 여름동안에는 건조상태로 존재하고 있거나 어떤 관거에서는 전혀 흐르지 않는 경우도 있고, 일부에서는 지하수 유입이나 도시 유수(예를 들면, 잔디에서 흘러나오는 물, 자동차 세차수, 거리청소 후 유입수 등)등에 기인하는 매우 적은 유량이 흐르기도 하며, 간헐적으로 하수를 해안으로 운반하기도 한다.
이러한 흐름은 보기가 흉할 정도이며, 높은 농도의 지표성 미생물과 기타 오염물질들을 함유하여 흐르기도 한다. 따라서 이러한 유량이 환경으로의 유입을 방지하기 위하여 남캘리포니아의 관계기관들은 하수관거로의 이러한 유량을 전환시키고 있다. 스크린과 적은 펌프 시스템이 우수관거 주위에 건설되었으며, 우수관거의 낮은 유량을 하수처리장으로 펌프하고 있다. 하수처리장으로 가는 이러한 유량은 여름철에는 매우 적은데, 그 이유는 지하수의 침입이 적기 때문이다.
또한 처리장의 경우 이러한 낮은 유량을 소화할 수 있을 정도의 충분한 수리학적 용량을 가지고 있기에 효과적이다.

 

고속도로 유출수 등 연구중

 

■ 연 구   미국 캘리포니아주 로스엔젤레스에 자리 잡고 있는 UCLA의 본 저자 연구그룹에서는 다양한 강우 유출수 관련 프로젝트를 수행하고 있다. 여기서 두 가지의 일반적인 연구 분야에 대하여 서술하고자 한다. 첫 번째는 강우유출에 대한 토지이용의 영향을 다룬 분야이며, 나머지 하나는 고속도로 강우 유출수 분야이다.
환경에 대한 인간의 영향은 토지이용을 이해함으로써 예측될 수 있다. 인간의 활동은 자연의 표면을 포장하고 있으며, 오염물질들을 이러한 표면에 유출시키고 있기에 결과적으로 강우 유출수 오염의 원인을 제공하고 있다.

▲ <그림1>Ballona Creek 유역의 지도(윗쪽 왼쪽으로부터 오른쪽 방향으로 수리학적 토양그룹, 감소된 토지이용 형태, 디지털 고도위성 사진으로부터 산정된 경사와 종합적인 결과로 산정되어진 유출계수를 나타내고 있다).

오염물질의 양이나 율은 토지이용 형태의 방정식이라 할 수 있다. 도시 환경지역에서 공원이나 나대지는 자동차의 영향을 많이 받고 있는 주차장에 비하여 상당히 오염이 덜되어 있는 것이 현실이다. 토지의 오염 가능성을 분석하기 위해서는 두가지 요인이 많이 고려되고 있는데 그것은 유출을 발생시키는 불투수층과 각 오염물질별 강우사상별 유량가중평균농도(Event Mean Concentration, EMC)이다.
현재 진행중인 연구 중의 하나는 인공위성 사진을 활용하여 그것을 판독하여 더 나은 토지이용을 분류하는 연구인데, 여기서는 RC와 EMC를 더욱 더 명확하게 산정해 낼 수 있는 유역내 경사, 고도 및 토양형태 등의 여러 가지 정보를 얻을 수 있다. <그림 1>은 Ballona Creek 유역의 전형적인 토지이용도를 보이고 있다.
이러한 4가지의 지도는 보다 개선된 유출률 예측을 위하여 어떻게 토양형태, 토지이용 및 경사가 종합되는지를 보여주고 있다. 경사는 디지털 고도 지도로부터 산정될 수 있다. 이러한 과정은 강우유출 부하량 산정을 위해서 및 궁극적으로 BMP 적용에 대한 우선순위 파악을 위해서 EMC와 종합으로되어진다(Ha, 2005).
<그림2>는 유사한 연구결과를 보여주고 있 으나, 이 경우에는 다양한 종류의 오염물질(Park et al, 2005)의 부하량을 다양한 토지이용의 식으로 표현한 것이다. 이 지도에서는 고농도의 오염물질 부하량 가능지역은 적색으로, 중간정도의 오염부하량 가능지역은 황색으로, 그리고 낮은 정도의 오염부하량 가능지역은 녹색으로 표현하고 있다.
이러한 종류의 지도들은 오염물질의 최대한 저감을 위한 기회를 제공하며, 관련기관들에게는 특별한 TMDL을 수행하기 위한 그들의 노력에 우선순위를 제공하기 위하여 사용이 가능하다.
두 번째로 중점적으로 보여주고자 하는 연구결과는 고속도로 유출수 연구이다. 본 연

▲ <그림2> 다양한 오염물질에 대하여 농도의 크기로 분류한 오염물질 발생률 (COD=Chemical Oxygen Demand, TSS=Total Suspended Solids, TKN=Total Kjeldahl Nitrogen, TP=Total Phosphorus, O&G=Oil and Grease, Cu, Pb, Zn).

구그룹은 캘리포니아 교통국(California Department of Transportation)으로부터 수년간 많은 연구비를 수혜 받았으며, 고속도로에서의 강우 유출수와 관련된 입자크기 뿐만 아니라 초기강우의 존재에 대하여 많은 연구를 수행하였다.
미국 내 많은 주의 고속도로 부처에서 수행되었고 현재 수행중인 대부분의 BMP 연구는 경험적 현장조사이다. 이러한 연구에서는 적은 유역면적이나 소유역에서의 다양한 기술들의 예를 만들었으며, 효과와 영향을 파악하기 위하여 몇 개의 계절에 대하여 평가를 수행하였다. 본 연구그룹의 많은 연구들은 입자크기별 오염물질 분포현황뿐 아니라 유출되는 오염물질의 순간적인 다양성 및 변이성을 측정하는데 집중하였다.
중금속과 같은 많은 오염물질들은 미립자의 표면에 흡착되는데, 그 중에서도 납은 입자에 매우 잘 부착되는 것으로 알려져 있다. 따라서 강우유출수로부터 입자를 제거하는 것은 상수와 폐수처리에서 사용되는 입자 제거와 매우 유사하기 때문에 만약 입자의 크기와 특성들이 밝혀진다면 이미 존재하는 다양한 정보와 기술을 동원하여 사용될 수 있다.
본 연구그룹의 연구결과에 의하면, 고속도로에서 발생하는 대부분 오염물질들의 30∼50% 정도의 양이 강우유출수의 초기 20% 부피에서 유출되는 것으로 나타났다(Kim, et al, 2005). 이러한 초기강우는 수생생태계에 가장 독성이 강하다는 것은 익히 알려져 있다.

▲ <그림3> Phenanthrene과 Fluoranthene에 대한 MFF 비(여기서 V10은 초기 10% 부피, V20는 초기 20% 부피를 의미한다).

<그림3>은 고속도로 강우 유출수에서 전형적으로 발견되는 두 종류의 PAHs(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons)에 대하여 MFF(Mass First Flush)비를 나타내고 있다(Lau, et al, 2005). 그림에서 보듯이 초기 강우유출수(V10또는 V20)는 가장 많은 양의 PAHs를 함유하고 있는 것으로 나타났다. 그러므로 초기강우를 분류하여 처리하는 방식을 가진 BMP는 가장 비용효율적인 제거 방법이 될 것이다.
<그림4>는 입자의 무게뿐만 아니라 입자의 수를 나타내는 입자분포를 보여주고 있

▲ <그림4>입자의 수와 무게별로 나타내어진 전형적인 고속도로 강우유출수의 입자분포.

다(Li et al, 2005). 입자들 중 90% 이상은 20um보다 적은 것으로 나타났는데, 이것은 단순침전 방법이 효과적인 처리기술이 될 수 없다는 것을 보여주고 있다. 효과적인 침전법은 응집과 응결등과 같은 입자응집기술의 적용이 필요하다는 것을 의미한다.

 

효과적인 모니터링 수립 시급

 

■ 결  론    본 논문은 미국, 특히 캘리포니아에 중점을 두고 현재의 상황을 서술하였다. 미국의 대부분 지역에서 하수처리장 건설은 완료되었으며, 미래의 수질 개선은 일차적으로 비점오염원의 관리를 개선함으로써 가능하다. 아래의 제안사항 목록은 미국에서 사용되고 있는 항목들이며, 한국의 경우에도 효과적으로 적용될 수 있을 것이라 판단된다.
(1) 모니터링 프로그램. 비점오염원에 대한 법제화 및 저감에 대한 시행규칙 설정 이전에 효과적인 모니터링 프로그램에 대한 방안 수립이 절실히 필요하다. 현재 미국의 경우도 모니터링 프로그램이 부적합하여 개인별 모니터링 기술훈련과 유량과 오염물질 인자별 측정에 대한 더욱더 엄격한 기준 정립 및 복합적 샘플채취법의 사용 등의 개선이 절실히 요구된다.
(2) 일최대부하량관리제는 수계의 오염을 관리하기 위한 매우 바람직한 방안이다. 현재까지 미국은 오랜 기간의 성공적 사례는 가지고 있지 않지만 잘 계획된 TMDL은 수계의 오염을 제한하고 강우유출수 관리에 대한 제도적 장벽을 극복할 수 있는 성공적 장치임에는 틀림없다.
(3) 비점오염원 및 BMP에 관하여 대학 또는 연구기관에서 많은 연구 수행이 절실히 필요하다. 현재 BMP전략은 존재하지만, 불충분한 데이터는 높은 수준의 확신을 줄 수 있는 처리 시스템의 설계에 매우 불충분하다. 점진적인 연구가 진행되고 지식이 쌓임으로써 BMP 개념의 끝을 볼 수 있을 것이며, 상수 및 폐수처리공정에서 사용되고 있는 것과 같이 단위공정과 운영 설계 기술의 시작을 볼 수 있을 것으로 기대한다.
본 논문은 두 가지의 사례(다양한 토지이용과 오염물질 유출과의 상관성 및 고속도로 강우 유출수에서의 초기강우 기준과 입자 분포)를 통하여 보다 나은 과학이 보다 나은 설계를 어떻게 생산해 낼수 있는지를 보여주었다.
(4) 강우 유출수 오염문제를 우선시 하는 것은 매우 중요하다. 강우유출수 관리에 대한 비평가들은 문제해결을 위하여 엄청난 규모의 비용이 들것이라고 지적한다. 그러나 본 논문에서는 강우 유출 지도, 위성지도 및 공공 데이타베이스(토지이용)와 같은 공공자료를 이용하여 강우유출수 관리에 있어 우선순위를 산정하는 방식을 제공함으로써 그러한 문제들은 해결할 수 있다는 것을 보여주었다.
마지막으로, 본 논문의 주 저자(Prof. Michael K. Stenstrom)는 많은 한국 유학생들과 연구할 수 있는 좋은 기회를 가진 것은 행운이라고 생각한다. 또한  이러한 계기를 통하여 한국에 대하여 많은 것을 배웠으며, 한국의 환경문제 및 도전에 대하여 많은 것을 알게 되었다. 한국에서 가장 중요한 수자원인 한강의 경우 점오염원 및 비점오염원 문제에 의하여 도전을 받고 있는데, 본 논문에서 제안하는 사항들이 한강의 수질개선 사업에 의심 없이 적용되어 좋은 성과를 거둘 수있다면 본 저자는 만족한다.

 

고려대 토목환경공학과 학사·석사
미국 UCLA 토목환경공학과 박사
(현)국립 공주대학교 건설환경공학부 교수