지아 하이펑(JIA Haifeng) 중국 칭화대학교 교수

1980년 이전 중국의 도시하천은 자연상태 그대로였고 수질도 우수했다. 그러나 1980년 이후 하수 및 원자재 오염원들이 유입되면서 하천이 심각하게 오염되기 시작했다.

정부는 이러한 문제를 인식하고 여러 방법을 개발했다. 1990년경 하수처리장 건설을 시작했고, 이를 바탕으로 점차 수질이 향상되기 시작했다. 베이징 중심 지역에 건설된 14개의 하수처리장은 처리용량이 약 300만㎥/일이었으며, 2008년도 베이징 올림픽을 대비해 하수를 처리해야 했기 때문에 당시 처리율은 약 95%에 육박했다.

그 이후로 시커멓고 냄새나던 하천이 깨끗해졌으나 아직도 녹조가 발생하는 것을 볼 수 있다. 오염원들이 계속해서 발생하고 있는데, 하수처리장 건설만으로는 녹조를 전부 제거할 수 없기 때문에 문제이다.

도시에서는 하천 생태계를 복원하고 인공섬을 만들었다. 그 결과 경치가 아름다워지고 수질 또한 향상됐다. 이 시기 동안 집중했던 내용은 수자원 자체를 관리하는 생태복원에 관한 것이었다. 그 이전에는 자원을 관리하기 위해 슬러지 처리 프로세스를 사용했으나, 이 처리장치가 유기적인 것도 다 제거했기 때문에 조금 더 선진화된 MBR(Membrane Bio Reactor) 공법을 이용한 하수처리시설에 도입했다.

 

빗물을 어떻게 관리하고 활용할 수 있는지에 대해서도 고민하기 시작했다. 특히 물이 부족할 때 빗물을 이용해 깨끗한 물을 공급할 수 있도록 했고, 또 하수처리를 거친 물을 이용해 도시에 관개하거나 그밖에 필요한 부분에 공급했다. 옥상정원, 빗물정원, 풀이 무성한 저지대, 투수성 포장, 빗물통을 만드는 등 활용을 최적화할 수 있는 방법들을 고안해냈다.

그리고 이러한 방법들을 ‘올림픽 빌리지’에도 적용해 하수를 산업용·경관용·거리 청소용·화장실 관리용으로 다양하게 이용했다. ‘올림픽 빌리지’를 살펴보면, 중앙부 지역에 하수처리된 물을 저장하는 19개 저장소가 있으며 총량은 1.5㎥/일이다. 올림픽 개최 당시에는 이 물의 50%가 사용될 것으로 예상됐다.

중국은 1980년대 하수 및 원자재 오염원들이 유입되면서 심각하게 오염된 하천을 복원하기 위해 지속적으로 노력해왔다. 사진은 1980년대 이전, 1990년대, 2000년대(위부터) 베이징시의 하천 모습.

이와 함께 지표생태, 수중생태 및 습지생태 요건을 포함해 계획했다. 가장 먼저 사용한 것이 빗물이었고 다음으로 하수처리된 물, 상류에서 오는 하천수를 사용해 이 물들이 어떠한 적용 요건을 갖춰야 되는지를 계획하기 시작했다.

베이징 전 지역에 걸쳐서 이런 프로젝트를 통해 생태계를 복원함으로써 뛰어난 도시 경관이 조성됐다. 도시 지역 내에 어떠한 공간만 있으면 습지를 만들었다. 예를 들면, ‘관팅 저수지(Guanting reservoir)’가 있다. 1950년경 지어진 이 저수지는 북경시의 중요한 수원이다. 과거에는 상류 쪽에서 많은 산업폐수가 흘러 들어와 저수지가 상당히 오염됐다. 2000년경에는 다시 한 번 음용수로 사용하기를 원한 정부가 저수지를 복원하기 시작했다.

 

난샤강(南沙江, Nansha River)은 전체 길이 17㎞, 면적은 약 270㎢이며 하이디안 구 북쪽에 있는 도시하천으로, 이 지역에는 칭화대학교 뿐만 아니라 다른 고도의 기술산업이 집약되어 있어 매우 중요한 수원이라고 할 수 있다.

난샤강 복원 사례를 살펴보면, 난샤강의 물은 심각하게 오염되어 수질기준에 못 미치는 5급 정도였다. 중국에서는 수질을 5개 등급으로 구분하는데, 1급은 가장 좋은 수준이고 2급은 음용수 공급시설로 사용되는 지역, 그리고 희귀종 물고기가 사는 정도의 수준이다. 3급은 B등급 수자원, 4급은 산업용수, 5급은 농업용수로 사용될 수 있다. 5급보다도 낮다면 사용할 수 없는 물로 등급을 구분한다.

난샤강의 주 오염원은 BOD5, 암모니아, 총인(T-P)이었다. 하수가 전혀 처리되지 않고 방류됐고, 비점오염원들이 상당히 많았다. 난샤강의 수질을 4급까지 끌어올릴 것을 목표로 삼고 커플링 수리동력학 수질모델을 개발해 수질계획서를 작성하게 됐다.

먼저 조사를 하여 오염 부하량이 얼마나 되는지에 따라 계획을 세우고, 몇 가지 수리동력학 모델을 만들었다. 이를 통해 어느 정도 오염 부하량이 생길지 예측했고, 그 다음 시나리오를 분석해 수질 계획을 제시, 각 계획을 실행했다.

그 중 가장 중요한 것이 커플링 모델을 개발하는 것이었는데, EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code) 모델과 WASP(Water Quality Analysis Simulation Program) 모델을 사용했다.

 

난샤강의 경우 지류, 수문, 고무 댐(rubber dam)이 있으며, 폭은 40∼100m, 깊이는 2.5∼4m 정도이다. 폭 대비 길이 비율이 1-D 공간의 개념을 사용하기 적합했기에 강을 62개 셀(cell)로 나누고 각 셀의 길이는 300m로 했다.

공간 개념뿐만 아니라 시간적인 개념도 적용해봤다. 정확성과 효율, 시간대별로 달라지는 유입량과 부하량의 인풋(input) 빈도를 고려했다. 또, 매일 일어나는 바운더리(boundary), 싱크(sink), 소스(source) 항목의 인풋 시간을 계산했다. 각 단계의 시간을 계산하고 모델을 적용하기 시작했다.

관리를 위해 보다 인공적인 모델을 사용, 강의 수리동력을 고려한 모의실험을 통해 예측했다. 수리동력학 모델을 어떻게 사용할지를 고민하다가 수문과 댐 간 오염물질 교환 방해가 일어난다는 사실을 알게 됐다. 그래서 가상의 점오염원을 도입해 수질 모의실험을 했고, 그 결과 수리동력 파일을 다시 만들게 됐으며 접속장치를 개발해 EFDC 모델과 WASP 모델을 결합했다.

모든 필요한 데이터들이 수집해 이를 처리했는데, 기후데이터, 강수량, 증발량 등의 데이터를 고려했다. 특히 비가 많이 왔던 해, 평균적인 해, 갈수기 등을 고려했고, 점오염원 유입과 점오염 부하량을 분석했다. 또한, 비점오염 부하량도 RS(remote sensing)와 GIS(geographic information system)를 사용해 토질이용과 토지경관에 따라 계산하게 됐다.

 

이러한 방식으로 모델을 개발했지만, 모델을 검교정하는 과정도 필요했다. 난샤강 수질에 대해 조사한 데이터가 없어 창해강(Changhe River)의 2003∼2004년 월별 수질 데이터를 사용해 모델을 검증했다. 42가지 변수가 이 모델에 포함되어 있는데, 이 변수의 초기값을 이전 연구에서 가져와 사용했고 그 외 여러 가지 시행착오를 거친 방법들을 사용했다.

이 지역 계획에서 하수처리장에 대한 기본적인 시나리오를 분석해봤다. 지역의 생활·산업 하수량으로 보아 9개의 하수처리장이 건설돼야 할 것으로 예상했고 고도처리(A²O)공법이 적합한 것으로 나타났다.

기본 시나리오에서 이러한 커플링 모델에 의한 모의실험 결과, 대부분의 수질 지표가 4급에 이르지 못한다는 결론을 내렸다. 이러한 경우에 대비해 ‘시나리오Ⅱ’를 제안했고 MBR을 사용해서 역삼투공법으로 새롭게 계획 중인 하수처리장을 제안했다. 당시 3개의 하수처리장에서는 이미 고도처리공법을 사용하고 있는 것으로 알려졌다.

다시 오염 부하량을 점오염원과 비점오염원으로 계산했고 MBR 시나리오로 모의실험을 했다. 그 결과 건기에는 수질목표를 달성할 수 있었지만 우기에는 수질목표를 달성할 수 없다는 것을 알 수 있었다.

‘시나리오Ⅱ’에서도 비점오염원이 수질목표를 달성할 수 없게 하는 주요 원인이라는 것을 알게 됐고, ‘시나리오Ⅲ’에서 MBR과 습지 시나리오를 함께 사용해봤다. 7개 습지를 조성해 지표유출수에서 나오는 오염 부하량을 줄이고자 한 것이다.

여기서 또 한 번, 오염 부하량을 계산해봤다. 수질 정화기능이 12월, 1월, 2월에 부진한 것으로 나타났는데, 이것이 ‘시나리오Ⅲ’을 통해 달성되는 것을 볼 수 있었다. 어떤 지역에서는 1급까지 올라가기도 했다. 그래서 최종적으로 ‘시나리오Ⅲ’을 제안하게 됐고 난샤강에서는 ‘시나리오Ⅲ’을 적용하게 됐다.

이 지역의 도시경관 계획을 통해 난샤강을 4개 지역으로 나눴다. 첫 번째는 자연의 모습 그대로 유지시킨 지역이었고, 두 번째는 생태관광지, 세 번째는 수역 개발을 통해 인간과의 조화를 이루고자 한 지역, 네 번째는 녹지를 개발한 지역이었다.

첫 번째 지역은 상류에서부터 약 2.8㎞에 이르며 인구밀도가 낮은 지역이다. 그래서 자연환경을 계속해서 유지하도록 했고 농경지, 마을, 습지, 강둑, 자연공원도 조성했다. 두 번째 지역은 생태관광지구이다. 중상류에 위치하고 있으며 자연자원이 풍부하고 역사적인 유적지도 있는 곳이다.

이곳은 유명한 습지공원으로 개발됐고, 개발 목표는 공공교육과 뛰어난 자연환경을 보여줄 수 있는 모습이었다. 그래서 생태하천 시스템으로 이 지역을 개발해 관광지, 공원, 여러 가지 유속의 흐름을 보여주는 곳, 습지공원 등을 조성했다.

세 번째 지역은 ‘물과 인간이 조화를 이루는 지구’로 이름 지었다. 중하류 지역으로 6.7㎞에 이르며 상당히 많은 인구가 살고 있고 상업지와 주거지가 공존하는 곳이다. 이곳은 시민들이 요구하는 조건에 중점을 뒀다. 여가활동을 할 수 있고 자연환경뿐만 아니라 즐거움을 찾을 수 있는 곳으로 조성했다. 돌로 만든 어도(Fishway), 생태섬 및 공공장소도 만들었다.

네 번째 지역은 하류에 위치한 녹지대로, 신개발 지구이자 역사적인 문화유적지가 많은 곳이다. 역사적 건물인 궁화청(Gonghua)을 보존하면서 정원을 만드는 것에 개발의 초점을 맞췄다. 토지이용 현황을 보면 주거지, 역사유적지, 생물다양성을 보여주는 곳, 여가를 즐길 수 있는 강가, 인공섬으로 조성되어 있다.

결론적으로 칭화대가 개발한 커플링 모델은 일단 지역 환경을 먼저 고려하고 오염원을 계산한 것이다. 그리고 모의실험한 데이터와 수질목표를 비교해봤다. 그 다음 점오염원과 비점오염원을 관리할 것을 난샤 지역기관에 제안했다. 이렇게 해서 앞서 말씀드린 4개 지구 조성을 도시계획에 제안하게 됐고, 이 계획은 현재 북경시 정부의 승인을 받아 이행되고 있다.

 

                                                                                                 ※ 발표원문은 파일첨부 참조