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문제 정의
- 본 연구는 금강 지류중의 하나인 유구천에서 하절기 집중 강우가 하천의 부영양화도, 이온변화양상 및 유기물 유입에 따른 산소요구량에 어떤 영향을 미치는가에 대한 평가 및 수질 변수들 간의 다각적 상호관계를 이해하고자 시도하였다.
- 본 연구는 하절기 집중강우가 하천의 부영양화도, 이온 변화, 산소요구량에 영향 평가로서 수질 변수들 간의 상호관계 를 분석하였다. 용존산소 (DO) 농도는 수온과 역상관 관계 (r = -0.
제안 방법
- 수온은 디지털온도계(Oregon Scientific), 수소이온농도 (pH)는 pH 측정기 (Hanna HI Model 92240), 전기전도도(Electric conductivity: EC, 2이에서 보정)는 전도도계 (Water quality Q checker)를 이용하여 현장에서 직접 측정 하였으며 , 용존산소 (dissolved oxygen: DO) 농도는 현장에서 시료를 고정한 후 실험실로 운반하여 분석하였다. 생물화학적산소요구량 (Biochemical oxygen demand : BOD)은 윙클러 아지드화나트륨법, 화학적산소요구량 (Chemical oxygen demand: COD)는 산성 100℃에서 고과망간산칼륨법을 이용하여 분석 하였고, 총부유물질 (total suspended solids: TSS)은 유리섬유 여지법을 이용하였다(APHA, 1985).
- 채수한 시료는 4L 무균 채수병 용기에 넣어 Ice Box를 이용, 실험실로 운반한 후 즉시 분석하였다. 시료 채취는 매일 아침 9시에서 11시 사이에 실시하였다.
- 5 이하의 최소값은 최대 강우를 보인 8월에 관측되었는데, 이는 강우에 의한 수소이온농도의 희석현상에 의한 것으로 사료되었다. 전기전도도 또한 강우분포를 반영하였다. 즉, EC 값은 다른 계절보다 하절기에 좀 더 높은 값을 보였으며, 강우와의 직접적 연관성을 보였다.
- 실시하였다. 채수한 시료는 4L 무균 채수병 용기에 넣어 Ice Box를 이용, 실험실로 운반한 후 즉시 분석하였다. 시료 채취는 매일 아침 9시에서 11시 사이에 실시하였다.
대상 데이터
- 본 연구는 2000년 1월 4일부터 12월 30일까지 1년 기간 동안 하천 중심부의 표면수를 채수하였으며, 채수 빈도는 1년 동안 일요일을 제외하고 총 305회 실시하였다. 채수한 시료는 4L 무균 채수병 용기에 넣어 Ice Box를 이용, 실험실로 운반한 후 즉시 분석하였다.
- 총질소 (total nitrogen: TN)와 총인 (total phosphorus: TP)은 자외선 흡광 광도법 및 아스코르빈산 환원법을 각각 이용하여 분석하였다. 월별 강우량은 본 하천 상류 4 km 지점에 설치된 자동 기상 관측실에서 측정한 기상청 자료(http://www. kma.go.kr/indexjsp)를 활용하였다.
- 조사를 위해 상류로부터 40km 지점에 위치한 지점을 선정하여 매일 이화학적 분석 (일요일 제외)을 실시하였으며 조사지점은 Fig. 1과 같다. 조사지점의 하단부에는 농수로용 보가 설치되어 있고, 하상은 자갈과 굵은 모래로 구성되어 있으며, 수변식생은 빈약하고 수심은 계절별로 큰 변이를 보이나 평균수심은 1m 내외이다.
이론/모형
- 하였으며 , 용존산소 (dissolved oxygen: DO) 농도는 현장에서 시료를 고정한 후 실험실로 운반하여 분석하였다. 생물화학적산소요구량 (Biochemical oxygen demand : BOD)은 윙클러 아지드화나트륨법, 화학적산소요구량 (Chemical oxygen demand: COD)는 산성 100℃에서 고과망간산칼륨법을 이용하여 분석 하였고, 총부유물질 (total suspended solids: TSS)은 유리섬유 여지법을 이용하였다(APHA, 1985). 총질소 (total nitrogen: TN)와 총인 (total phosphorus: TP)은 자외선 흡광 광도법 및 아스코르빈산 환원법을 각각 이용하여 분석하였다.
- 생물화학적산소요구량 (Biochemical oxygen demand : BOD)은 윙클러 아지드화나트륨법, 화학적산소요구량 (Chemical oxygen demand: COD)는 산성 100℃에서 고과망간산칼륨법을 이용하여 분석 하였고, 총부유물질 (total suspended solids: TSS)은 유리섬유 여지법을 이용하였다(APHA, 1985). 총질소 (total nitrogen: TN)와 총인 (total phosphorus: TP)은 자외선 흡광 광도법 및 아스코르빈산 환원법을 각각 이용하여 분석하였다. 월별 강우량은 본 하천 상류 4 km 지점에 설치된 자동 기상 관측실에서 측정한 기상청 자료(http://www.
성능/효과
- 4 로서 중성을 보였으며, 일부 하절기를 제외하고는 계절별로 차이를 보이지 않았다. BOD 및 COD의 연평균 농도는 각각 1.9 mg L-1 및 2.6 mg L-1 로서 (Table 2), 우리나라 현행하천 수질기준에 의거할 때 BOD는 2등급으로 평가되었다. 전기전도도의 경우 평균값은 183 μS cm-1 로서 4 계절 중 하절기에 최대치 (328 |1S cm-1)를 보였으며, 최소치 (153 μS cm-1) 또한 하절기에 나타나 동일계절에 이온 농도에서 2배 이상의 차이를 보였다 (Table 2).
- 총질소 (TN)는 총인 (TP)에 비해 변이 폭이 적었으며, 3월의 갈수기에 최소값을 보였다. 대조적으로, 총인 유입은 하절기 몬순동안에 주로 발생하였고, 총부유물 (TSS) 과 유사한 계절 변화 양상을 보여인 (P)의 증가가 수계에서 유발되는 무기성부유물과 밀접하게 연관성을 갖는 것으로 나타났다. 총인 : 총질소의 무게비는 질소 변이 (r = -0.
- 2). 따라서, 용존산소농도는 수온에 직접적인 영향을 주는 강우의 빈도분포에 의해 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 이런 결과는 수질자료에 대한 해석 시 전체자료를 이용한 결과와 평균한 결과를 이용한 변수들 간의 상관성 이 차이가 있을 수 있음을 시사하였다. 또한 총인은 총인:총질소 비율 (N : P ratio)과 높은 역 상관관계 (r = - 0.51, p<0.01)를 보였으나, 총질소와는 낮은 상관성 (r = -0.21)을 보여 TN:TP의 비가 총인의 변동 폭에 의해주로 조절되는 것으로 나타났다 (Fig. 3). 이리하여 봄과 겨울의 경우 TN : TP 비는 150 이상을 상회하여 Grim and Fisher (1986)의 기준에 의거할 때, 인 (P)이 하천생태계의 1차생산력에 제한요인으로 작용할 수 있는 잠재성을 보였다.
- 전기전도도의 경우 평균값은 183 μS cm-1 로서 4 계절 중 하절기에 최대치 (328 |1S cm-1)를 보였으며, 최소치 (153 μS cm-1) 또한 하절기에 나타나 동일계절에 이온 농도에서 2배 이상의 차이를 보였다 (Table 2). 또한 하절기의 평균 생물학적산소요구량, 화학적산소요구량, 총질소, 총인 및 총부유물 농도는 타 계절들에 비해 적게는 22%에서 460%까지 증가하는 것으로 나타나, 수질의 계절별 변이가 큰 것으로 나타났다. 총질소 및 총인의 경우 하천내 연평균 농도는 각각 1.
- 720mg L-1 범위에서 변했으며, 강우에 덜 민감한 것으로 나타났다. 또한, 총질소는 총인에 비해 강우 변동에 대한 기울기 (slope)값이 작아서 강우에 따른 총질소의 변동이 총인보다 낮은 것으로 나타났다 (Fig. 4). 이런 결과는 수질자료에 대한 해석 시 전체자료를 이용한 결과와 평균한 결과를 이용한 변수들 간의 상관성 이 차이가 있을 수 있음을 시사하였다.
- 외국의 하천 연구에 따르면, 농업 집약이 이루어지는 토지 이용지역에서의 이온변화 및 영양염류의 농도 변동이 산림지역에 비해 크게 증가하는 것으로 나타났다(Collins and Jenkins, 1996). 본 연구 기간 동안 pH에 있어서 6.5 이하의 최소값은 강수량이 최고조에 달한 8월 후반에 관찰되었는데, 이는 빗물의 일반적인 pH가 5.6인 점을 감안한다면 빗물에 의한 하천수 이온의 일시적인 산성화로서 빗물 희석효과로 판단된다. 반면, 총부유물질 농도는 연평균 3.
- 수질변수에 대한 일변화 특성은 온도 및 강우 특성에 따라 민감하게 반응하는 것으로 나타났다 (Fig. 2). 월평균 수온은 수온상승기 (2~6월: 2~23℃), 정점기 (7~8월: 25 ~26℃), 하강기 (21 ~3℃)로 대별되었다.
- 즉, EC 값은 다른 계절보다 하절기에 좀 더 높은 값을 보였으며, 강우와의 직접적 연관성을 보였다. 연구 결과에 따르면, 이온희석 현상은 강우 전의 하절기에는 높았지만, 집중강우 후 짧게는 4~5일 길게는 1~2주 후에 이온이 희석되는 것으로 나타나 강우와 하천수의 이온 농도 사이에 뚜렷한 반응시간의 지체현상을 보였다. COD의 계절적 변화 페턴은 BOD와 유사한 (r =0.
- (An, 2000a, b; An and Jones, 2000; An and Kim, 2003). 유구천에서의 Pearson 상관지수 분석에 따르면, 강우분포는 특히 전기전도도(EC), 총인 (TP), 총부유물(TSS)에 대하여 상관지수 값이 0.50 이상(p<0.01, n = 299)의 뚜렷한 상관성을 보였으며, 그 외에 6개 항목들에 대해서는 낮은 상관성을 보였으나, 유의(p<0.01, r<0.50)한 것으로 나타나, 강우가 수질의 이화학적 변이에 중요한 요소임이 재차 확인되었다(Table 1).
- 2, Table 1). 이런 특성은 BOD 및 COD가 DO의 상관성지수 분석에서 절대값이 0.65 이하인 점을 감안한다면 (Table 1), 유기물 오염에 의한 미생물 분해에 따른 산소감소현상 혹은 부착조류의 광합성에 의한 산소증가 현상에 의한 변이는 상대적으로 계절별 수온보다 낮은 상관성을 갖는 것으로 나타났다. 특히, 하절기 중 7월 초 및 8월말의 두 차례 집중강우는 각각의 기간 동안 강우 전에 비해 7℃ 이상까지 급격히 수온이 감소 효과를 가져왔다 (Fig.
- 55로서 총인의 변동이 총질소보다 강우와 더 밀접한 것으로 나타났다(Table 1). 일별 총인의 변동은 일별 전기전도도와 높은 상관관계 (r =0.80, p<0.01)를 보였고, 일별 총부유물의 농도와도 높은 상관성 (r =0.89, p<0.01)을 보여 총인의 하절기 증가는 강우에 따른 부유물 증가에 따른 것으로 사료되었다(Table 1). 한편, 동일 수질자료를 이용하여 월별 평균을 환산한 후 월 평균 강우에 대한 월평균 전기전도도, 총인, 총질소, 총 부유물에 대한 회귀분석 결과는 일부 다른 양상을 나타났다.
- 전기전도도 또한 강우분포를 반영하였다. 즉, EC 값은 다른 계절보다 하절기에 좀 더 높은 값을 보였으며, 강우와의 직접적 연관성을 보였다. 연구 결과에 따르면, 이온희석 현상은 강우 전의 하절기에는 높았지만, 집중강우 후 짧게는 4~5일 길게는 1~2주 후에 이온이 희석되는 것으로 나타나 강우와 하천수의 이온 농도 사이에 뚜렷한 반응시간의 지체현상을 보였다.
- 한편, 동일 수질자료를 이용하여 월별 평균을 환산한 후 월 평균 강우에 대한 월평균 전기전도도, 총인, 총질소, 총 부유물에 대한 회귀분석 결과는 일부 다른 양상을 나타났다. 즉, 강우 변이는 총인 및 총질소의 변이를 각각 98% (R2 = 0.98, p<0.0001, F= 104.1), 73% (R2 = 0.73, p<0.036, F = 4.8)까지 설명하는 것으로 나타나 일별 분석 자료에 비해 더 높은 상관성을 보였다. 또한, 강우에 대한 총부유물에 대한 회귀분석결과는 총인의 결과와 유사하게 r2 = 0.
- 01에서 유의한 것으로 나타났다. 즉, 분석된 상관지수에 따르면, 강우증가가 전기전도도 상승을 가져온 것으로 보이나 실제는 강우에 따른 이온농도의 시간 지연 현상 (time-lag)에 의해 이온농도를 감소시키는 것으로 확인되었다. 전기전도도의 일별 모니터링 자료에 따르면, 집중강우 후 짧게는 4~5일 후 길게는 1~2주 후에 전기전도도 값이 급격히 감소하는 반응 지연효과인 time-lag 현상을 보였다.
- 다르게 나타났다. 즉, 일별 강우에 대한 일변화 총질소 및 일변화 총인의 상관지수분석에 따르면, 각각 r =0.37 및 r =0.55로서 총인의 변동이 총질소보다 강우와 더 밀접한 것으로 나타났다(Table 1). 일별 총인의 변동은 일별 전기전도도와 높은 상관관계 (r =0.
- 총인 (TP)은 연중 변동 폭이 컸으며 연평균농도는 27 Ng L-1 인데 비해 하절기의 장마철 평균농도는 50 Ng L-1 로 연평균 농도보다 약 2배 정도 높았으며, 봄-겨울철 평균 농도 (10 Ng L-1) 및 가을철 평균농도 (32 Ng L-1) 에비해 높게 나타나 (Fig. 3) 수계내의 인 (P) 유입 은 주로 하절기에 발생하는 것으로 나타났다. 특히 총인의 농도변화는 강우의 시작과 함께 6월에 급격히 증가하여 8월에 최대값인 71 Ng L-1 를 보였으며, 다시 강우의 감소에 따라 총 인의 농도는 감소하는 경향을 보였다 (Fig.
- 대조적으로, 총인 유입은 하절기 몬순동안에 주로 발생하였고, 총부유물 (TSS) 과 유사한 계절 변화 양상을 보여인 (P)의 증가가 수계에서 유발되는 무기성부유물과 밀접하게 연관성을 갖는 것으로 나타났다. 총인 : 총질소의 무게비는 질소 변이 (r = -0.21, p<0.01)보다는 총인 (r = -0.51, p<0.01)의 변이에 의해 결정되었으며, 총인이 제한 요인으로 작용할 것으로 사료되었다. 본 계류형 하천에서 수질을 조절하는 1차 요인은 강우시기 및 강도로 사료 되었으며, 최대 변이는 하절기의 첨두강우와 일치하였다.
- 01)을 보여 총인의 하절기 증가는 강우에 따른 부유물 증가에 따른 것으로 사료되었다(Table 1). 한편, 동일 수질자료를 이용하여 월별 평균을 환산한 후 월 평균 강우에 대한 월평균 전기전도도, 총인, 총질소, 총 부유물에 대한 회귀분석 결과는 일부 다른 양상을 나타났다. 즉, 강우 변이는 총인 및 총질소의 변이를 각각 98% (R2 = 0.
후속연구
- 특성이 제시된 바 있다. 따라서, 이렇게 오염원이 거의 없는 계류형 수계에서 총질소의 농도가 왜 이렇게 높은가에 대한 이유는 좀 더 연구가 필요하다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.