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문제 정의
- 하류에 위치한 남지지역의 부영양화에 관련된 수질영향인자를 조사하기 위하여 1999년 1월부터 2001 년 9월까지 부영양화에 연관된 수질의 이화학적, 생물학적 환경요인의 변화를 측정하였고, 이들 환경요인의 변동에 따른 식물플랑크톤의 생장 정도 와이 들의 증식에 기여하는 수질 환경요인간의 관계를 다각도로 분석하였다. 또한 다양한 통계적 방법을 이용하여 부영양화와 관련 있는 인자를 산정하고 이의 변동에 따른 부영양화의 정도를 예측할 수 있는 모형을 유도하고자 하였다.
가설 설정
- *: Duration of dominant phytoplankton species7 dominance was less than 10 days.
- ii) Results of the Duncan's Multiple Comparision test: Different character means that the mean value is significantly different. a<b<c<d<e< f.
제안 방법
- 댐방류량이 낙동강 수질환경요인에 큰 영향을 미칠 것으로 생각되어 수량조절 및 수력발전 등 다목적댐으로 이용되고 있는 안동, 임호, 합천, 남강댐의 방류량을 1999년 1월부터 2001 년 9월까지 한국수자원공사의 수문자료 검색을 매일 이용하여 초당 평균방류량으로 구하였다.
- 매우 복잡하다. 따라서 요인분석 결과 각 요인을 주로 나타내는 변수만을 합해서 요인 변수를 만든 다음, 이 변수를 사용하여 회귀모형을 개발하였다. 이 때 변수들의 단위가 크게 다르기 때문에, 각 변수들을 표준화시켜서 만든 표준화변수 값을 사용하였다(원과 정 2001).
- 수질분석 조사항목 및 방법은 pH의 경우 pH meter (Istek750P), 탁도는 Turbidimeter(HACH 2100N), 전 기 전도도는 Conductivity meter (CM-20E) 를 이 용하여 측 정하였다. 질산성질소 농도(NO)는 lon/Liquid Chromatography (DIONEX LC20X 이 용하였고, 그 외 알카리도, KMnO4 소비량, COD, BOD, DO, 암모니아 성질소 농도(NHN), 총질소 농도 (T-N), 총인 농도 (TP), 인산염 인 농도(POj-P), chlorophyll a 농도는 수질 오염공정시험법주해(최 19), APHA(1989)의 Standard Method에 준하여 실시하였다.
- 식물플랑크톤 생체량(chi。농도)에 대한 예측모형올 개발하기 위해 종속변수를 식물플랑크톤 생체량으로 하고, 요인분석에서 얻은 5개의 요인점수(Table 6)를 독립 변수로 하여 선형회귀분석을 실시하였다.
- 우리나라의 하천이나 호수의 수질은 강수량이나 유량과도 밀접한 관계를 보이고 있기 때문에(전 1996), 유량에 영향을 미칠 것으로 판단되는 낙동강 수계의 상류지역 댐들의 방류량과 식 물플랑크톤생성 량을 조사하였다.
- 질산성질소 농도(NO)는 lon/Liquid Chromatography (DIONEX LC20X 이 용하였고, 그 외 알카리도, KMnO4 소비량, COD, BOD, DO, 암모니아 성질소 농도(NHN), 총질소 농도 (T-N), 총인 농도 (TP), 인산염 인 농도(POj-P), chlorophyll a 농도는 수질 오염공정시험법주해(최 19), APHA(1989)의 Standard Method에 준하여 실시하였다. 취수 수위는 압력식 수위 계로 실시간 측정하여 일별 산술평균을 이용하였다.
- 따라서 본 연구에서는 낙동강 중 . 하류에 위치한 남지지역의 부영양화에 관련된 수질영향인자를 조사하기 위하여 1999년 1월부터 2001 년 9월까지 부영양화에 연관된 수질의 이화학적, 생물학적 환경요인의 변화를 측정하였고, 이들 환경요인의 변동에 따른 식물플랑크톤의 생장 정도 와이 들의 증식에 기여하는 수질 환경요인간의 관계를 다각도로 분석하였다. 또한 다양한 통계적 방법을 이용하여 부영양화와 관련 있는 인자를 산정하고 이의 변동에 따른 부영양화의 정도를 예측할 수 있는 모형을 유도하고자 하였다.
- 낙동강 증. 하류에 위치한 칠서취수장의 취수정에서 매일 또는 매주 간격으로 채수한 것을 사용하였으며, 수질분석은 채수 즉시 실시하였다.
- 회귀분석을 실행한 결과, 독립변수들 간에 관련성이 있다고 판단되기 때문에 단계적 회귀분석 방법을 통하여 중요한 변수들만을 선택하였다. 분석결과 식물플랑크톤의 생체량을 나타내는 chia 농도의 추정 모형은 아래와 같다.
대상 데이터
- 낙동강 수계 남지 지점의 부영양화에 미치는 여러 가지 수질 환경요인 들의 영향을 종합적으로 분석하기 위하여 1999년 1월 1일부터 2000년 9월 30일까지 시료를 채취 . 분석하여 부영양화의 지표가 되는 chia 농도와의:관계를 통계적 방법으로 분석하였다.
- 본 연구에 사용된 시료는 1999년 1월부터 2001년 9월까지 낙동강 증. 하류에 위치한 칠서취수장의 취수정에서 매일 또는 매주 간격으로 채수한 것을 사용하였으며, 수질분석은 채수 즉시 실시하였다.
데이터처리
- 또한 부영양화 발생과 관련 있는 수질 환경요인을 찾기 위해 분산분석을 실시하였다. 조사한 시료를 부영양화 정도에 따라 6개의 그룹 (0-19.9 mg-m-3, 20.0-39.9 mg-m"3, 40.0-59.9 mg - m~3, 60.0-79.9 mg - m~3, 80.0-99.9 mg - m"3, 100mg m-3 이상)으로 나누어 각 그룹에서 수질 환경요인들 간의 평균차이를 알아보는 일원배치 분산분석을 하였으며 , 두 그룹간 차이의 유의성을 검증하기 위하여 Duncan의 다중비교 방법을 사용하였다(강과 김 2001).
- 남지 지점에서 조사된 19개의 수질환경요인에 대한 자료를 이 용하여 식 물플랑크톤에 관련되는 수질환경 요인들의 관계를 알기 위해 상관분석을 하였고(Table3), 부영양화 정도에 따라 수질환경요인들의 차이를 알기 위하여 분산분석을 실시하였다(Table 4).
- 0 mg・m「3 이상으로 Harper (1992)의 기준에 의하여 과영양 상태일 때 수질 환경요인과 chia 농도와 어떤 상관관계가 있는지 Pearson 의 상관계수를 이용하여 상관분석을 하였다. 또한 부영양화 발생과 관련 있는 수질 환경요인을 찾기 위해 분산분석을 실시하였다. 조사한 시료를 부영양화 정도에 따라 6개의 그룹 (0-19.
- 부영양화에 대한 모형의 개발을 위해서는 요인분석과 회귀 분석을 실시하였다. 요인추출방법으로는 주성분 추출 방법 (Principal Component Method) 을 사용하였 고, Varimax 회전방법으로 요인분석을 하였다(노 2001； 서 2001).
- 분석하여 부영양화의 지표가 되는 chia 농도와의:관계를 통계적 방법으로 분석하였다. chl« 농도와 유의성이 높은 수질 환경요인 인자를 산정하고 이의 변동에 따른 부영양화의 정도를 예측할 수 있는 모형을 유도하기 위해 수행한 본 연구의 결론은 다음과 같다.
- 요인추출방법으로는 주성분 추출 방법 (Principal Component Method) 을 사용하였 고, Varimax 회전방법으로 요인분석을 하였다(노 2001； 서 2001). 식물플랑크톤 생체량(chi a 농도)에 대한 예측모형을 개발하기 위해 종속변수를 식물플랑크톤 생체량으로 하고, 요인분석에서 얻은 5개의 요인점수를 독립변수로 하여 선형회귀분석을 실시하였다(정과 최 2001; 서 2001).
- 식물플랑크톤에 관련되는 수질환경요인들의 관계를 알기 위해서 남지 지점에서 조사된 19개의 수질 환경 요인에 대한 자료를 이용하여 chi a 농도가 25.0 mg・m「3 이상으로 Harper (1992)의 기준에 의하여 과영양 상태일 때 수질 환경요인과 chia 농도와 어떤 상관관계가 있는지 Pearson 의 상관계수를 이용하여 상관분석을 하였다. 또한 부영양화 발생과 관련 있는 수질 환경요인을 찾기 위해 분산분석을 실시하였다.
- 이를 위해 경상대학교 소재 통계상담실에 분석을 의뢰하였으며, 분석은 SPSS 10.0 한글판 통계패키지를 사용하였다.
이론/모형
- 부영양화에 대한 모형의 개발을 위해서는 요인분석과 회귀 분석을 실시하였다. 요인추출방법으로는 주성분 추출 방법 (Principal Component Method) 을 사용하였 고, Varimax 회전방법으로 요인분석을 하였다(노 2001； 서 2001). 식물플랑크톤 생체량(chi a 농도)에 대한 예측모형을 개발하기 위해 종속변수를 식물플랑크톤 생체량으로 하고, 요인분석에서 얻은 5개의 요인점수를 독립변수로 하여 선형회귀분석을 실시하였다(정과 최 2001; 서 2001).
- 조류의 조사 및 동정은 조류의 농도에 따라 원심분리기 또는 자연침강법을 이용하여 농축한 후 광학현미경 (Nikon, Japan) 하에서 Sedgwick Rafter Chamber를 사용 하여 검경하였다(이 1995). 종 동정은 Yamagishi and Akiyama(1988), 조 등(1991), 정(1993) 의 도감을 참고로 하였다.
- 조류의 조사 및 동정은 조류의 농도에 따라 원심분리기 또는 자연침강법을 이용하여 농축한 후 광학현미경 (Nikon, Japan) 하에서 Sedgwick Rafter Chamber를 사용 하여 검경하였다(이 1995). 종 동정은 Yamagishi and Akiyama(1988), 조 등(1991), 정(1993) 의 도감을 참고로 하였다.
- 수질분석 조사항목 및 방법은 pH의 경우 pH meter (Istek750P), 탁도는 Turbidimeter(HACH 2100N), 전 기 전도도는 Conductivity meter (CM-20E) 를 이 용하여 측 정하였다. 질산성질소 농도(NO)는 lon/Liquid Chromatography (DIONEX LC20X 이 용하였고, 그 외 알카리도, KMnO4 소비량, COD, BOD, DO, 암모니아 성질소 농도(NHN), 총질소 농도 (T-N), 총인 농도 (TP), 인산염 인 농도(POj-P), chlorophyll a 농도는 수질 오염공정시험법주해(최 19), APHA(1989)의 Standard Method에 준하여 실시하였다. 취수 수위는 압력식 수위 계로 실시간 측정하여 일별 산술평균을 이용하였다.
성능/효과
- 2. 변수들의 합으로 만든 요인변수에 의한 회귀모형: [chi a(mg . nr3) = 37.295 + (7.326 x 요인 3) + (-2.704 x Z 요인 1)+ (-2.341 xZ요인 5)]로 나타났다.
- CHa 농도와 수질 환경요인과의 상관분석 및 분산분석 을 실시한 결과 chia 농도와 양의 상관성이 높은 인자는 BOD >pH> COD > KMnO4 소비 량〉DO > 전기전도도 > 알카리도 순이었고, 음의 상관성이 높은 수질환경요인 은 PO/--P > 취수수위 > 남강댐 방류량 >NH「N> 안동 댐 방류량 > 합천댐 방류량 순이었다
- Chia 농도와 pH의 상관계수는 (+)0.744이며, 분산분석 결과 chia 농도는 20mg m-3 미만인 그룹에서 pH의 평균이 가장 낮았고, chi a 농도가 100 mg m-3 이 상인 그룹에서 pH의 평균이 가장 높은 것으로 나타나 (+)의 연관성이 유의하게 나타났다. 이는 대청호 조류증식과 pH 변화와 유사한 경향으로 식물플랑크톤이 증식함으로써 광합성작용에 의해 수중의 탄산염 및 중탄산염이 흡수되어 pH가 증가한 것으로 보여진다고 하였으며, 또한 pH가 높아짐으로써 금속류와 착물로 존재하던 인의 용출이 가속되어 식물플랑크톤의 성장이 촉진된다고 하였다(전과 박 1989; 금강 수질검사소 1995).
- Chia 농도와 영양염류 중 암모니아성질소(NHI-N) 농도와의 상관계수는 (-)0.239이며, 분산분석 결과 chia 농도가 20mg m-3 미만인 그룹에서 암모니아성질소 농도의 평균이 가장 높았으며, chia 농도가 100mg・m-3 이상인 그룹에서 암모니아성질소 농도의 평균이 가장 낮은 것으로 나타나 ㈠의 연관성이 유의하게 나타났다. 그러나 질산성 질소(NO「N) 농도는 chia 농도와 상관성이 없었으며, 분산분석 결과에서도 유의성을 나타내지 않았다.
- Chia 농도와 용존산소량과의 상관계수는 (+)0.3기 이였으며, 분산분석 결과 chia 농도가 20mg m-3 미만인 그룹에서 용존산소의 평균이 가장 낮았고, chia 농도가 100 mg-m-3 이상인 그룹에서 용존산소량의 평균이 가장 높은 것으로 나타나 (+)의 연관성이 유의하게 나타났다. 이러한 결과는 식물플랑크톤의 광합성 작용에 의해 수중의 용존산소량이 증가된 결과로 보여진다.
- Chia 농도와 전기전도도, 알카리도의 상관계수는 각각 (+)0.342, (+)0.209으로 상관성이 있었으며, 분산분석 결과에서도 chi a 농도가 20 mg-m-3 미만인 그룹에서 전기전도도, 알카리도의 평균값이 가장 낮았고, chia 농도가 100 mg m-3 이상인 그룹에서 전기전도도, 알카리도의 평균이 가장 높게 나타나 (+)의 연관성이 유의하게 나타났다. 이는 수계가 정체되고 갈수기일 때는 수량이 부족하여 용존성 물질이 증가되면서 전기전도도, 알카리도가 증가되고식물플랑크톤의 농도 또한 증가된 것으로 판단된다.
- Chia 농도와 총질소(r-N), 총인CT-P) 농도와의 상관성 은 없었으며, 분산분석 결과에서도 유의성이 없었다. 이는 낙동강 중 • 하류의 영양염류 농도가 이미 호수의 영양상 태 분류에서 과영양 상태 (hypereutrophic state) 인 총질소 l.
- Chia 농도와 취수 수위와의 상관계수는 (-)0.298이며, 분산분석 결과 chi a 농도가 20mg・m-3 미만인 그룹에서 수위 의 평균이 가장 높고, chi a 농도가 lOOmgFK 이상인 그룹에서 수위의 평균이 가장 낮은 것으로 나타나 (_) 의 연관성이 유의하게 나타났다. 이러한 결과는 여름 강우로 유량이 풍부해져서 취수 수위가 높아졌고, 영양물질, 식물플랑크톤의 양이 희석되었기 때문에 식물플랑크톤의 농도가 낮게 나타난 것으로 보인다.
- 228이며, chi a 농도가 20 mg m-3 미만인 그룹에서 안동댐 방류량의 평균이 가장 높게 나타났고 chia 농도가 100mg・m-3 이상인 그룹에서 안동댐 방류량의 평균값이 낮은 것으로 나타나 (-) 의 연관성이 유의하게 나타났다. 그러나 남강댐과 안동댐과는 달리 합천댐과 임하댐의 방류량은 chia 농도와 낮은 상관관계로서 임하댐 방류량과는 (-)0.089, 합천댐과는 (-)0.149이며, 분산분석 결과 chia 농도가 20mg・rr「3 미만인 그룹에서 합천댐 방류량과 임하댐 방류량의 평균이 가장 높게 나타났고, 그 외 집단에서는 유의성을 보이지 않았다.
- 영향을 주는 것으로 알려져 있다(신 1996b). 그러나 상관분석 결과 chia 농도와 탁도는 상관성이 없었으며, 분산분석 결과 chia 농도가 20 mg-m-3 미만인 그룹에서 탁도의 평균값이 가장 높았으나, 다른 농도 그룹에서는 유의한 차이를 보이지 않았다. 이는 탁도가 높은 경우에만 조류의 광합성에 필수적인 광량이 제한되어 식물플랑크톤의 농도가 낮게 나타난 것으로 보인다.
- 남강댐 방류량과 chia 농도와의 상관관계는 (-)0.2 이며, 분산분석 결과에서 chia 농도가 20 mg - m-3 미만인 그룹에서 남강댐 방류량의 평균이 높게 나타났고 그 외 집단에서는 유의성을 보이지 않았다. 안동댐 방류량과 chia 농도와의 상관계수는 (-)0.
- 05보다 작아 유의하였다. 베타계수로 본 독립변수들의 상대적인 영향력은 요인 3(유기물)이 가장 크고, 다음이 요인 1(수량수리), 요인 4(댐 방류량), 요인 5(영양염류) 순이었으며, 요인 1과 요인 4, 요인 5는 음의 방향으로 종속변수(chia 농도)에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 추정된 회귀모형의 타당성에 대해 분산 분석표를 통해 검정한 결과 F 통계량은 129.
- 748로서 높은 상관성을 보였다. 분산분석 결과 이들 각각의 평균값은 chi a 농도가 20 mg - m-3 미 만인 그룹에 서 이들 각각의 평균이 가장 낮았으며, chia 농도가 100 mg m-3 이상인 그룹에서 KMnO4 소비량, COD, BOD 의 평균이 가장 높은 것으로 나타나 (+)의 연관성이 유의 하게 나타났다. 이는 과량의 유기물질 유입에 의하여 식물 플랑크톤의 과다성장이 일어나게 되며, 이렇게 생성된 식 물플랑크톤 역시 유기물의 공급원이 되어 수계의 유기탄 소 (algal carbon) 농도가 증가한 것으로 생각된다(김 등 1996).
- 상관분석 결과 chia 농도와 수온과의 상관성은 없었으며 , 분산분석 결과는 chi a 농도가 100mg・m-3 이 상인 그룹에서 수온의 평균이 낮게 나타났으나, 다른 그룹에서는 유의성을 보이지 않았다. 일반적으로 식물플랑크톤의 chi a 농도는 수온이 상승할수록 비교적 증가하는 경향을 보인다고 하였으나 (Heinle 1969; 이 1999), 위의 결과로 볼 때 평균 수온 14℃ 정도의 저수온에서도 영양분 등의 조건이 맞으면 조류가 다량 번식할 수 있음을 알 수 있었다.
- 베타계수로 본 종속변수 (식물플랑크톤 생체량)에 대한 독립변수들의 상대적인 영향력은 요인 3(유기물)이 가장 크고, 다음이 요인 1(수량 수리), 요인 5(영양염류) 순이다. 수량수리인자와 영양염류 인자는 음의 방향으로 영향을 미치는 것으로 나타났다. 추정된 회귀모형의 타당성에 대한 검정으로 분산분 석 표를 통해 검정한 결과 F 통계량은 116.
- 1에 나타내었다. 수온은 전형적인 온대성 계절분포를 보였으며, 각 항목의 농도변화는 갈수기와 풍수기와는 상이한 분포현황을 보였다. 수중의 식물플랑크톤 생체량을 간접적으로 나타내는 엽록소 a (Chi a) 양은 저온기인 3, 4월에는 평균 66.
- 하류의 남지 지점은 이미 과영양 단계 (hyper- eutrophic state) 도달한 것으로 나타났다. 식물플랑크톤분포는 대부분 규조류에 속한 종 (Stmodiscus sp., Aulacoseira granulata var. angustissima) 이 전체 분류군 중에서 가장 큰 비율을 차지하는 것으로 나타났다.
- 2 이며, 분산분석 결과에서 chia 농도가 20 mg - m-3 미만인 그룹에서 남강댐 방류량의 평균이 높게 나타났고 그 외 집단에서는 유의성을 보이지 않았다. 안동댐 방류량과 chia 농도와의 상관계수는 (-)0.228이며, chi a 농도가 20 mg m-3 미만인 그룹에서 안동댐 방류량의 평균이 가장 높게 나타났고 chia 농도가 100mg・m-3 이상인 그룹에서 안동댐 방류량의 평균값이 낮은 것으로 나타나 (-) 의 연관성이 유의하게 나타났다. 그러나 남강댐과 안동댐과는 달리 합천댐과 임하댐의 방류량은 chia 농도와 낮은 상관관계로서 임하댐 방류량과는 (-)0.
- 위의 결과로 볼 때 상류댐 방류로 인하여 하천의 유량이증가되면 영양물질의 희석, 식물플랑크톤량의 희석 등으로 인해 식물플랑크톤의 농도가 낮아짐을 알 수 있었다. 특히, 남강댐, 안동댐 방류량은 낙동강 부영양화와 관계가 깊은 것으로 나타났다.
- 인산염인(PO/rP) 농도는 chia 농도와 (-)0.649의 높은 상관관계를 가지며, 분산분석 결과에서도 chi a의 농도가 20mg m-3 미만인 그룹에서 인산염인 농도의 평균이 가장 높았고, chia 농도가 100mg・m-3 이상인 그룹에서 인산염인 농도의 평균이 가장 낮은 것으로 나타나 (-) 의 상관성이 높았다. 이러한 결과는 인산염인이 식물플랑크톤증식 시 영양물질로 이용되어 감소한 것으로 판단되며, 조류의 지수적 증가로 암모니아성 질소와 인산염인이 조류 체내로 흡수되어 농도가 현저히 감소되었기 때문일 것으로 생각된다(조와 신 1996).
- 남지 지점에서 조사된 19개의 수질환경요인에 대한 자 료를 이용하여 요인분석을 실시하여 추출된 5개 요인과 수 질 환경요인의 관계를 설명하기 위해 회전시킨 결과는 Table 5와 같다. 저요인은 취수 수위, pH, 탁도, 전기전 도도, 알카리도, 남강댐 방류량과 높은 인자부하량을 보이 고 있으며, 이들은 취수 수위 （수량수리 인자） 와 관련 있는 특징을 보였다. 제2요인은 수온, DO, NH'-N, NO「N 과 높은 인자부하량으로 수온과 상관성이 높은 것으로 보 여지며, 제3요인은 KMnO4 소비량, COD, BOD와 높은 인자부하량으로 '유기물인자'와 상관성이 높은 것으로 보 여진다.
- 있었다. 특히, 남강댐, 안동댐 방류량은 낙동강 부영양화와 관계가 깊은 것으로 나타났다. 식물플랑크톤의 생물량이 현저히 증가하기 시작할 때 남강 및 안동댐의 방류량을 늘리는 것이 이들의 대발생을 감소 또는 중단시킬 수 있는 방안으로 여겨진다.
후속연구
- 추정할 수 있으리라 판단된다. 따라서 이 추정모형을 이용하여 어떤 환경요인이 낙동강 부영양화에 더 중요한 영향을 미치는가를 판별하여 부영양화 사전제어에 활용할 수 있을 것이다.
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