본 연구에서는 국내 분포하고 있는 490개 저수지를 대상으로 유역특성과 수질과의 관계를 조사하였고, TSI편차분석을 통해 유형을 구분하여 영양염 측면에서의 각 유형별 특성을 조사하였다. 본 연구 대상저수지에서 수심이 얕을수록 부영양화 가능성이 높게 나타났다. 유역 내 논과 밭의 이용면적이 30%이상인 경우 수체 내 TP농도는 평균 0.1 mg $L^{-1}$ 이상이었다. TN 농도는 유역전체면적 중 논의 면적이 25% 이상인 경우에 평균 2.6 mg $L^{-1}$이상의 분포를 나타냈다. TSI편차를 통해 구분된 형태 중 TYPE III에 해당하는 저수지의 수질항목별 평균 농도는 다른 두 형태에 포함된 저수지에서 보다 2배 이상 높은 수준이었다. TYPE III에 포함된 저수지는 다른 두 유형에 포함된 저수지와 비교해 부영양상태이고, 수심이 얕으며, 수표면적에 대한 유역면적비 (DA/RA)가 작고, 논과 밭으로의 이용면적이 넓었다. TYPE I과 II에 포함된 저수지의 수질은 TYPE II에서 BOD와 엽록소${\alpha}$농도가 높은 것을 제외하고는 유사한 수준이었고, 형태학적 특성(평균수심, DA/RA)이나 토지이용형태 또한 유사하였다. TYPE I에 포함된 저수지들에서는 인이 조류성장에 대한 일차적인 제한요인은 아닌 것으로 나타났다. 본 연구에서 모든 대상저수지에서 인의 제한가능성이 나타났으며, 토지이용형태, 특히 유역 내 논과 밭으로의 이용면적은 저수지의 수질을 결정하는 매우 중요한 인자였다.
본 연구에서는 국내 분포하고 있는 490개 저수지를 대상으로 유역특성과 수질과의 관계를 조사하였고, TSI편차분석을 통해 유형을 구분하여 영양염 측면에서의 각 유형별 특성을 조사하였다. 본 연구 대상저수지에서 수심이 얕을수록 부영양화 가능성이 높게 나타났다. 유역 내 논과 밭의 이용면적이 30%이상인 경우 수체 내 TP농도는 평균 0.1 mg $L^{-1}$ 이상이었다. TN 농도는 유역전체면적 중 논의 면적이 25% 이상인 경우에 평균 2.6 mg $L^{-1}$이상의 분포를 나타냈다. TSI편차를 통해 구분된 형태 중 TYPE III에 해당하는 저수지의 수질항목별 평균 농도는 다른 두 형태에 포함된 저수지에서 보다 2배 이상 높은 수준이었다. TYPE III에 포함된 저수지는 다른 두 유형에 포함된 저수지와 비교해 부영양상태이고, 수심이 얕으며, 수표면적에 대한 유역면적비 (DA/RA)가 작고, 논과 밭으로의 이용면적이 넓었다. TYPE I과 II에 포함된 저수지의 수질은 TYPE II에서 BOD와 엽록소 ${\alpha}$농도가 높은 것을 제외하고는 유사한 수준이었고, 형태학적 특성(평균수심, DA/RA)이나 토지이용형태 또한 유사하였다. TYPE I에 포함된 저수지들에서는 인이 조류성장에 대한 일차적인 제한요인은 아닌 것으로 나타났다. 본 연구에서 모든 대상저수지에서 인의 제한가능성이 나타났으며, 토지이용형태, 특히 유역 내 논과 밭으로의 이용면적은 저수지의 수질을 결정하는 매우 중요한 인자였다.
This study was conducted to assay the relationship between the characteristics of watershed and water quality, and to evaluate water quality characteristics of the classified types by TSI deviation analysis with the collected data from 490 reservoir. Relatively shallow depth (<5m) reservoirs out of ...
This study was conducted to assay the relationship between the characteristics of watershed and water quality, and to evaluate water quality characteristics of the classified types by TSI deviation analysis with the collected data from 490 reservoir. Relatively shallow depth (<5m) reservoirs out of selected 490 appeared to be eutrophic. The mean TP concentration in reservoirs with the PFA+UFA/watershed area of above 30% was ${\geq}0.1$ mg $L^{-1}$. The mean TN concentration in reservoirs with the PFA/watershed area of above 25% was ${\geq}2.6$ mg $L^{-1}$. Based on the TSI deviation analysis, water quality parameters in TYPE III reservoirs were in high concentration compared to other reservoirs types. Characteristics of Type III generally showed eutrophic, small DA/RA ratio, shallow depth, and large paddy field and upland field to watershed ratio compared to other types of reservoirs. Both water quality and morpho-physical parameters, Type I and II reservoirs were similar with the exceptions of BOD and chi. ${\alpha}$ concentration. Phosphorus in Type I reservoirs was not the primary limiting factor on algal growth, but significant decrease chl. ${\alpha}$ concentration with the increasing TN/TP indicated that phosphorus was the possible secondary limiting factor. Overall results indicated that type of land use, such as PFA and UFA area in watershed, was important parameters for the assessment of water quality characteristics, and phosphorus was limiting nutrient on algal growth in 490 reservoirs.
This study was conducted to assay the relationship between the characteristics of watershed and water quality, and to evaluate water quality characteristics of the classified types by TSI deviation analysis with the collected data from 490 reservoir. Relatively shallow depth (<5m) reservoirs out of selected 490 appeared to be eutrophic. The mean TP concentration in reservoirs with the PFA+UFA/watershed area of above 30% was ${\geq}0.1$ mg $L^{-1}$. The mean TN concentration in reservoirs with the PFA/watershed area of above 25% was ${\geq}2.6$ mg $L^{-1}$. Based on the TSI deviation analysis, water quality parameters in TYPE III reservoirs were in high concentration compared to other reservoirs types. Characteristics of Type III generally showed eutrophic, small DA/RA ratio, shallow depth, and large paddy field and upland field to watershed ratio compared to other types of reservoirs. Both water quality and morpho-physical parameters, Type I and II reservoirs were similar with the exceptions of BOD and chi. ${\alpha}$ concentration. Phosphorus in Type I reservoirs was not the primary limiting factor on algal growth, but significant decrease chl. ${\alpha}$ concentration with the increasing TN/TP indicated that phosphorus was the possible secondary limiting factor. Overall results indicated that type of land use, such as PFA and UFA area in watershed, was important parameters for the assessment of water quality characteristics, and phosphorus was limiting nutrient on algal growth in 490 reservoirs.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
위한 중요한 정보로 활용될 수 있을 것이다. 본 연구에서는 국내 분포하고 있는 농업용 저수지를 대상으로 유역 환경 특성과 수질과의 관계를 규명하고자 하였다. 이를 위해 국내 분포하고 있는 490개 저수지를 대상으로 수집 된 유역환경과 수질자료를 분석하였고 TSI 편차 분석을 통해 구분된 각 유형별 저수지들의 수질과 연계된 유역 특성을 조사하였다.
제안 방법
TSI 지수 간의 편차분석은 엽록소 a 농도로부터 계산된 TSI 지수와 TP와 TN 농도로부터 계산된 지수간의 차이를 통해 조류 성장에 대한 인과 질소의 제한 유무를 평가하는 방법 이다. 본 연구에서는 TSI 지수간의 편차 분석을 통해 평가된 조류 성장에 대한 제한 영양염을 기준으로 연구대상 저수지를 4개의 유형으로 구분하였다.
조사대상저수지들의 수리 . 수문학적 인 특징으로서 유효저수량(WS: Water storage)과 만수면적 (RA: reservoir surface area)의 비 (z: Mean depth), 유역면적 ①A: Drainage area)과 만수 면적의 비 (DAA)를 비교하였다.
수질과의 연계성을 규명하기 위한 유역 내 인구밀도,한우, 젖소, 돼지의 사육두수 및 논(PFA: paddy field area), 밭 (UFA: upland field area), 산림 (FOA: forest area) 등의 토지 이용형태와 수질과의 관계를 조사하였다.
본 연구에서는 국내 분포하고 있는 농업용 저수지를 대상으로 유역 환경 특성과 수질과의 관계를 규명하고자 하였다. 이를 위해 국내 분포하고 있는 490개 저수지를 대상으로 수집 된 유역환경과 수질자료를 분석하였고 TSI 편차 분석을 통해 구분된 각 유형별 저수지들의 수질과 연계된 유역 특성을 조사하였다.
대상 데이터
본 연구는 수질측정망 중 농업기반공사에서 운영하고있는 490개 농업용저수지를 대상으로 하였다. 수질은 1998년부터 2003년까지 년 2회 측정된 농업기반공사에서 측정한 자료를 사용하였고, 유역현황은 2001년 조사된 자료를 활용하였다(농업 기 반공사, 2001).
수질은 1998년부터 2003년까지 년 2회 측정된 농업기반공사에서 측정한 자료를 사용하였고, 유역현황은 2001년 조사된 자료를 활용하였다(농업 기 반공사, 2001). 저 수지 내측정지점이 여러 개인 경우 방조제 앞 자료를 사용하였으며, 각 저수지에서의 수질 대표값은 1998년부터 2003년까지 자료의 평균값을 사용하였다.
수질은 1998년부터 2003년까지 년 2회 측정된 농업기반공사에서 측정한 자료를 사용하였고, 유역현황은 2001년 조사된 자료를 활용하였다(농업 기 반공사, 2001). 저 수지 내측정지점이 여러 개인 경우 방조제 앞 자료를 사용하였으며, 각 저수지에서의 수질 대표값은 1998년부터 2003년까지 자료의 평균값을 사용하였다. 조사대상저수지들의 수리 .
데이터처리
본 연구대상 저수지의 수질과 형태학적 특성 그리고 유역 내 오염 원과의 상관성 분석은 Pearson's correlation analysis를 이용하였다(SPSS 10.0). 저수지 유형간의 차이는 one-way ANOVA를 이용하여 평가하였으며, 통계적유의수준은 p<0.
0). 저수지 유형간의 차이는 one-way ANOVA를 이용하여 평가하였으며, 통계적유의수준은 p<0.05를 기준으로 하였다.
이론/모형
본 연구대상 저수지에서의 엽록소 a 농도와 총인 (TP) 농도를 이용한 부영 양화도지수 (TSI: Trophic state index) 는 Carlson (1977)이 제시한 방법에 따라 계산하였고 Kratzer and Brezonik(1981)7} 제시한 방법에 따라 총질 소 (TN) 농도를 이용한 부영양화도지수를 계산하였다. 부영양화도 지수를 이용한 영양상태 평가는 Kratzer and Brezonik(1981)7} 제시한 기준을 따랐다.
부영양화도 지수를 이용한 영양상태 평가는 Kratzer and Brezonik(1981)7} 제시한 기준을 따랐다.
성능/효과
TYPE Ⅲ에 포함된 저수지는 수표면적에 대한 유역면적의비 (DAA) 가 작고 수심이 상대적으로 낮은 형태학적 특성을 보였으며 (Fig. 4) 토지는 논과 밭으로의 이용형태가 많았다 (ANOVA, p< 0.05) (Fig. 5). 수질항목별 평균 농도도 다른 두 형태에 포함된 저수지에서보다 2배 이상 높은 수준이었다(ANOVA, p<0.
SS 농도와 토지 이용형태와의 낮은 상관성에도 불구하고 토지이용형태 중 논으로 이용하는 면적비가 수체 내 TP 농도와 상관성 이 높았다 (r=0.584, p < 0.001) (Table 1). 유역으로부터 수체로 유입되는 TP, TN 농도는 강우강도, 토양입자와의 결합력 차이로 유입시기나 유입형태가 다른 것으로 알려져 있다.
TYPE I과 II가 유사한 유역특성과 형태학적 특성을 가지고 있음에도 TSI 편차 분석에서 TYPE I에 포함된 저수지들은 인과 질소가 제한되지 않는 것으로 평가되었으나 (Fig. 3) TN/TP비와 엽록소 a 농도 관계에서는 인제 한 가능성이 제시되었다 (Fig. 6). TYPE I과 I[에 포함된 저수지의 수질은 TYPE H에서 BOD와 엽록소 a 농도가 높은 것을 제외하고는 유사한 수준이었고, 형태학적 특성 (평균수심, DAARA)이나 토지이용형태 또한 유사하였다(ANOVA, p>0.
6). TYPE I과 I[에 포함된 저수지의 수질은 TYPE H에서 BOD와 엽록소 a 농도가 높은 것을 제외하고는 유사한 수준이었고, 형태학적 특성 (평균수심, DAARA)이나 토지이용형태 또한 유사하였다(ANOVA, p>0.05). 또한, 유역내 오염원 중 TP 농도와 높은 상관성을 나타낸 인구밀도(r2=0.
4 and 5) (Table 3). TYPE Ⅲ에 포함된 저수지는 수표면적에 대한 유역면적의비 (DAA) 가 작고 수심이 상대적으로 낮은 형태학적 특성을 보였으며 (Fig. 4) 토지는 논과 밭으로의 이용형태가 많았다 (ANOVA, p< 0.
결론적으로 국내 중소규모 저수지의 형태, 오염원 분포 특성 등 유역환경특성과 수질과의 관계분석에서 부영양화된 저수지들은 수심이 얕고, 유역면적 대 수표면적이 작고, 유역 내 논과 밭으로의 이용면적 이 넓은 특성을 가지고 있었다. 국내 농업용저수지 대부분은 인이 조류 성장을 제한하는 중요한 인자였으며 수체 내 인 농도는 유역 내 논과 밭의 토지이용밀도와 밀접한 관련이 있었다.
pH와 용존산소농도는 담수생태계에서 일반적으로 조류 생물량과 관련된 것으로 이해될수 있으므로 TYPE I과 Ⅱ에 포함된 저수지에서 수질 차이의 직접적인 원인으로 판단되지는 않는다. 그러나 두 유형의 수질 항목 간 비교에서 상대적으로 엽록소 a 농도가 낮은 TYPE I에 포함된 저수지에서 SS 농도가 다소 높았다 (Table 3). 이는 TYPE I에 포함된 저수지에서 조류가 빛에 의해 성장이 제한을 될 수 있음을 시사한다.
본 연구 대상저수지는 TSI 편차분석 방법에 따라 구분된 4개의 유형 중 조류 성장이 인에 의해 제한될 수 있는 곳은 64%이며, 질소만 제한되는 저수지는 거의 없는 것으로 나타났다 (Fig. 3). TYPE Ⅲ에 포함된 저수지에서는 인과 질소 모두 조류 성장을 제한할 수 있는 인자로 제시되지만, 국내 대부분의 부영양호소에서 인에 비해 질소가 수체 내 용존형태로 많이 분포하고 있으므로(박, 2003; 김과 황, 2004b) 질소의 제한가능성은 상대적으로 적을 것으로 판단된다.
수체 내 N/P는 영양상태와 밀접하게 관련되어 있어,영양상태가 높을수록 비율이 감소하고 영양상태가 낮을수록 증가하는 경향을 보인다 (Downing and McCauley, 1992; Welch and Lindell, 1992; 공, 1997; 김 등, 2003). 본 연구에서 TYPE Ⅲ에 포함된 저수지에서의 TN/TP비범위는 11~42(평균 19)로 20 이상의 저수지들이 거의포함되어 있지 않았기 때문에 TN/TP 비와 엽록소 a 농도와의 상관성 이 적게 나타난 것으로 판단된다. 김과 황 (2004a)은 수체 내 TN/TP비에 따른 엽록소 a 농도의 현저한 감소가 엽록소 a 농도가 20 (ig L-1 이상인 부영양한저수지들에서는 TN/TP비가 20 이싱에서, 엽록소 a 농도가 20㎍L-1 이하인 저수지에서는 TN/TP비가 100 이상에서 나타남을 보고한 바 있다.
TYPE Ⅲ에 포함된 저수지에서는 인과 질소 모두 조류 성장을 제한할 수 있는 인자로 제시되지만, 국내 대부분의 부영양호소에서 인에 비해 질소가 수체 내 용존형태로 많이 분포하고 있으므로(박, 2003; 김과 황, 2004b) 질소의 제한가능성은 상대적으로 적을 것으로 판단된다. 본 연구에서도 엽록소 a 농도와 TP 농도의 상관성 이 (r2=0.83) TN 농도(r2=0.51)에 비해 높았고, 이는 인의 대부분이 입자성 형태로 존재하고 있음을 제시 한다. (Table 2).
얕은 수심과 수표면적에 비해 넓은 유역면적은 퇴적물로부터의 영양염 공급이 용이하고 유기물생산이 가능한 수층이 상대적으로 넓으며, 유역으로부터 저수지로 유입되는 오염물질의 양이 많아 부영양화가능성이 높은 것으로 알려져 있다(Fee, 1979; 김과 홍 1992; 박, 2003). 본 연구에서도 평균수심이 증가할수록엽록소 a 농도(r2=0.35, p<0.01), 화학적 산소요구량 (COD) (r2=0.41, p<0.01)-$- 감소하는 경향을 나타냈다. 엽록소 a 농도는 평균수심이 5m 미만인 경우에 평균 31.
, 1996;Sterner and Grover, 1998). 수온은 TYPE I과 II 저수지에서 유사하였고, pH와 DO는 TYPE Ⅱ에 포함된 저수지에서 높았다(Table 3). pH와 용존산소농도는 담수생태계에서 일반적으로 조류 생물량과 관련된 것으로 이해될수 있으므로 TYPE I과 Ⅱ에 포함된 저수지에서 수질 차이의 직접적인 원인으로 판단되지는 않는다.
5). 수질항목별 평균 농도도 다른 두 형태에 포함된 저수지에서보다 2배 이상 높은 수준이었다(ANOVA, p<0.05). 반면 TN/TP비는 TYPE Ⅲ에 해당하는 저수지에서 상대적으로 낮았고 엽록소 a 농도와 TP 농도 사이의 양의 상관성에도 불구하고, TN/TP비 증가에 따른 엽록소 Q 농도의 감소는 나타나지 않았다 (Fig.
2). 유역 내 인구밀도가 높고 논과 밭의 면적이 넓을수록 수질이 악화되는 경향을 보였다(Fig. 2) (Table 1). 유역에서의 높은인구밀도는 BOD (r2=0.
2) (Table 1). 유역에서의 높은인구밀도는 BOD (r2=0.45), TP(r2=0.45), COD(r2=0.42),엽록소 a 농도(r2=0.47)와 비교적 높은'상관성을 보였고,TN 농도(r2=0.35)와 부유물질 (SS)농도 (r2=0.25)와는 상대적으로 상관성이 낮았다. 반면에 유역 면적 내 축 종별가축 밀도는 수질항목과 상관성이 없었다3< 0.
저수용량, 수표면적, 수심 등의 형태학적 특성과 수질과의 관계규명에서 수심이 얕을수록 부영양화 가능성이 높게 나타났다(Fig. 1). 얕은 수심과 수표면적에 비해 넓은 유역면적은 퇴적물로부터의 영양염 공급이 용이하고 유기물생산이 가능한 수층이 상대적으로 넓으며, 유역으로부터 저수지로 유입되는 오염물질의 양이 많아 부영양화가능성이 높은 것으로 알려져 있다(Fee, 1979; 김과 홍 1992; 박, 2003).
저수지와 수질, 형태학적 특성, 토지이용형태에서 TYPE Ⅲ에 포함된 저수지들이 다른 두 유형의 저수지들과 차이를 보였다 (Figs. 4 and 5) (Table 3).
176). 토지이용 형태 중 논으로 이용되는 면적이 밭의 이용면적보다 수질과의 상관성이 높았고, 임야의 면적은 수질과 뚜렷한 음의 상관성을 보였다(Table 1). 수체 내 TP 농도는 유역 내 논과 밭의 이용면적 (r=0.
토지이용형태 중 논과 밭의 이용면적에 따라 수체 내 TP와 TN 농도의 뚜렷한 차이가 있었다(Fig. 2). 유역 내 인구밀도가 높고 논과 밭의 면적이 넓을수록 수질이 악화되는 경향을 보였다(Fig.
후속연구
국내 농업용저수지 대부분은 인이 조류 성장을 제한하는 중요한 인자였으며 수체 내 인 농도는 유역 내 논과 밭의 토지이용밀도와 밀접한 관련이 있었다. 이러한 결과들은 부영양화된 농업용저수지의 수질 개선 시 대상수체 선정 및 방법 등의 결정과정에 기초 자료로 활용이 가능할 것이다. 향후 TYPE I과 II가 유사한 특성을 가짐 에도 TSI 편차분석 에서 나타난 상반된 결과의 원인 규명과 오염원별 수체로의 유입특성을 고려한 분석이 진행될 필요가 있다.
이러한 결과들은 부영양화된 농업용저수지의 수질 개선 시 대상수체 선정 및 방법 등의 결정과정에 기초 자료로 활용이 가능할 것이다. 향후 TYPE I과 II가 유사한 특성을 가짐 에도 TSI 편차분석 에서 나타난 상반된 결과의 원인 규명과 오염원별 수체로의 유입특성을 고려한 분석이 진행될 필요가 있다.
효율적인 수질관리를 위해서는 수질과 생태계의 기능 악화를 초래하는 원인을 진단하고 그에 대한 메카니즘을파악하는 것을 기본으로 하며, 다양한 수체를 대상으로 유역환경과 수질과의 연계성을 규명하는 것은 수질 관리를 위한 중요한 정보로 활용될 수 있을 것이다. 본 연구에서는 국내 분포하고 있는 농업용 저수지를 대상으로 유역 환경 특성과 수질과의 관계를 규명하고자 하였다.
참고문헌 (31)
공동수. 1997. 국내 주요호소의 영양상태 판정기준에 관한 제고. 하천 . 호수의 수질보전과 유역관리에 관한 한 . 일 공동세미나. pp. 251-266
Carmack, E.C., C.B.J. Gray, C.H. Pharo and R.J. Daley. 1979. Importance of lake-river interactions on seasonal patterns in the general circulation of Kamloops Lake, British Columbia. Limnol. Oceanogr. 24: 634-644
EPA, 1992. National water quality inventory: 1992 Report to Congress. Washington, DC: United States Environmental Protection Agency, 1992: EPA 841-94-001
EPA, 1974. Lake restoration. US Environmental Protection Agency, Minneapolis, Minnesota
Fee, E.J. 1979. A relation between lake mophometry and primary productivity and its use in interpreting wholelake eutrophication experiment. Limnol. Oceanogr. 24: 401-406
Frenette, J.-J., S. Demers, L. Legendre and M. Boule. 1996. Size-related photosynthetic characteristics of phytoplankton during periods of seasonal mixing and stratification in an oligotrophic multibasin lake system. J. Plankton Res. 18: 45-61
Happer, D. 1992. Eutrophication of fresh water: principles, problems and restoration. Chapman and Hall. pp. 199-200
Havens, K.E. 2000. Using Trophic state index (TSI) values to draw inferences regrading phytoplankton limiting factors and seston composition from routine water quality monitoring data. Korean Journal of Limnology 33: 187-196
Krenkel, P.A. and N. Vladmir. 1980. Water quality management. p. 229
Lathrop, R.C. and S.R Carpenter. 1990. Zooplankton and their relationship to phytoplankton, p.127-150. In: Food Web management (J.F. Kitchell, ed.). Springer-Verlag, New York
Sterner, R.W. and J.P. Grover. 1998. Algal growth in warm temperate reservoirs: Kinetic examination of nitrogen, temperature, light, and other nutrients. Wat. Res. 32: 3539-3548
Tabuchi, T., K. Hisao, S. Hiroyuki, T. Keiko and M. Takashi. 1991. Nitrogen outflow during irrigation period from a small agricultural area-Research on outflow load from agricultural area without a point source (II), Trans. JSIDRE 154: 55-64
Vincent, W.F. 1992. The daily pattern of nitrogen uptake by phytoplankton in dynamic mixed layer environments. Hydrobiologia 238: 37-52
Vollenweider, R.A. 1968. The scientific basis of lake and stream eutrophication, with particular reference to phosphorus and nitrogen as eutrophication factors. Tech. Rep. OECD. Paris. DAS/CSI/68. 27: 1-182
Welch, E.B. and T. Lindell, 1992. Nutrient limitation. In: Ecological Effects of Wastewater (E.B. Welch and T. Lindell, eds.), pp. 134-135. Chapman & Hall press, London, Glasgow, New York, Tokyo, Melbourne, Madras
William, F.J., R.H. Kennedy and R.H. Montgomery. 1987. Seasonal and longitudinal variations in apparent deposition rates within an Arkansas reservoir. Limnol. Oceanogr. 32: 1169-1176
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.