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문제 정의
- 본 연구에서는 2002~2005년까지 측정된 한국농촌공사의 수질측정자료를 이용하여 계절별, 공간별 저수지의 부영양화 및 수질 특성을 분석하였다.TN에 의거하였을 때 대다수(전체의 88%)의 저수지는 부영양 상태로 나타났다.
- 따라서 국내 저수지의 수리수문학적 특성 및 계절적 강우의 영향을 고려한 경험적 모델 (Empirical model)의 개발이 시급하다. 본 연구의 목적은 첫째, 우리나라 저수지의영 양상태 (Trophic state) 및 수질특성 을 파악하고, 둘째 ,계절적 몬순 및 연별 강우분포에 따른 수질특성의 변이 및 경향성을 분석하는 것이며, 셋째, TP-CHL 및 TN- CHL의 경험적 모델의 분석을 통해 부영양화 변수 간의 특성을 분석하여 저수지의 수질관리를 위한 기초자료를 제공하는 것이다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 2003년을 집중 강우해 (Intense mon soon) 로 적 용하였으며 , 2005년을 가뭄해 (Weak monsoon) 로 적용하였다. 계절별 강우량에서는 장마 전(Premonsoon) 에는 241mm, 장마 후 (Postmonsoon)에는 169 mm로 나타나 장마 전기에 약 L5배의 강우량을 보여 장마 전에 강우에 의한 이화학적 수질 값의 희석효과가 장마 후 보다 클 것으로 예상되었다.
- 0) 통계패키지를 활용하여 수질항목별 상관관계 도의 분석 (Corelation analysis)을 실시하였고 PRIMER 5을 활용하여 유사도분석 (Similarity analysis)을 실시하였다. 유사도분석은 TN, TP, CHL의 자료를 이용하여 작성하였으며 TN:TP 비를 구하여 각 지점별 제한영양염을 결정한 후 자료를 분석하였다.
대상 데이터
- 강우자료는 기상청의 2002~2005년까지 각 지역별 해당 강우자료를 활용하였으며, 계절적 자료분석을 위해 정마전기 (5〜6월), 몬순장마기 (7~8월) 및 장마후기 (9~10월) 대별하여 자료를 처리하였다. 수질데이터는 SPSS (ver.
- 본 연구에서는 한국농촌공사로부터 제공받은 우리나라의 농업용 저수지 자료를 토대로 면적이 10, 000m2 이상인 수체를 가지는 34개를 농업용 저수지를 대상으로 하였다. 행정구역별로는 경기 3개 저수지 (S1: 오남저수지, S2: 길정저수지, S3: 이동저수지), 강원 1개 저수지 (S4: 오봉저수지), 충북 1개 저수지 (S5: 보청저수지), 충남 3개 저수지 (S6: 탑정저수지, S7: 반산저수지, S8: 신송저수지), 전북 8개 저수지점 (S9: 동화저수지, S10: 옥계저수지, S11 : 대산저수지, S12: 구이저수지, S13: 대아저수지, S14: 오성 저수지, S15: 입암저수지, S16: 장남저수지), 전남 7개저수지점 (S17: 임천저수지, S18: 대지저수지, S19: 내봉저수지, S20: 감동저수지, S21: 수동저수지, S22: 구산저수지, S23: 성양저수지), 경북 4개 저수지 (S24: 화매저수지, S25 : 순흥저수지, S26: 달창저수지, S27: 성주저수지), 경남 7 개 저수지 (S28: 칠곡저수지 , S29: 옥계 저수지 , S30: 웅양저수지, S31: 복곡저수지, S32: 삼화저수지, S33: 적량 저수지, S34: 하동저수지)이며, 각 대상저수지의 분포상황은 Fig.
데이터처리
- (5〜6월), 몬순장마기 (7~8월) 및 장마후기 (9~10월) 대별하여 자료를 처리하였다. 수질데이터는 SPSS (ver. 12.0) 통계패키지를 활용하여 수질항목별 상관관계 도의 분석 (Corelation analysis)을 실시하였고 PRIMER 5을 활용하여 유사도분석 (Similarity analysis)을 실시하였다. 유사도분석은 TN, TP, CHL의 자료를 이용하여 작성하였으며 TN:TP 비를 구하여 각 지점별 제한영양염을 결정한 후 자료를 분석하였다.
이론/모형
- solids, SS), 엽 록소-a (Chlorophyll-a, CHL)의 총6개 수질항목을 이용하였다. 각 수질항목 분석은 수질오염 공정시험법에 의하여 분석된 자료로서, COD는 과망간산칼륨법, TN은 흡광광도법, TP는 아스코르빈산 환원법, SS분석은 막여과 시험법, CHL은 흡광광도법을 이용하여분석되어졌다.
- 본 연구에서는 2002〜2005년까지 한국농촌공사에서 측정한 전기전도도 (Conductivity), 화학적 산소요구량(Chemical oxygen demand, COD), 총질소(Total nitro gen, TN), 총인 (Total phosphrous, TP), 부유물질 (Sus pended solids, SS), 엽 록소-a (Chlorophyll-a, CHL)의 총6개 수질항목을 이용하였다. 각 수질항목 분석은 수질오염 공정시험법에 의하여 분석된 자료로서, COD는 과망간산칼륨법, TN은 흡광광도법, TP는 아스코르빈산 환원법, SS분석은 막여과 시험법, CHL은 흡광광도법을 이용하여분석되어졌다.
성능/효과
- 2002년부터 2005년까지 측정된 수질자료의 전체적인 분포현황의 분석결과, 영 양염 (TN, TP) 측면에서 저수지의 영양상태는 부영양에서 빈영양순으로 빈도를 보이고있었다(Fig. 2). TN은 평균 1.
- 34개 저수지의 장마전기 및 장마후기의 일반 수질항목값은 전체 6개 항목(전기전도도, COD, TN, TP, SS, CHL) 모두 장마 전에 비하여 장마 후에 증가하는 경향을 보였다 (Fig. 4). 전기전도도는 장마 후에 약 20#cm1의 증가를 보여 장마 전에 비해 큰 변이는 보이지 않았다.
- TP 평균값에 따른 분류에서는 TN과는 달리 빈영양 저수지 1개, 중영양 저수지 12개, 부영양 저수지가 21개로 나타났다. CHL 평균 농도에 따른 분류에서는 빈영양 저수지 8개, 중영양 저수지 15개, 부영양 저수지 11개로 TN과 TP에 따른 분류보다는 다소 낮은 빈도의 부영양상태를 나타내었다. 이는 식물성 플랑크톤 내 축적된 인의 양이 이미 포화상태를 이루어 공급된 인의 양보다 1차생산력으로의 환원율이 낮아진 것으로 사료되 었다(Goldman etaZ.
- TP는 전기전도도와 COD 농도가 높은 저수지에서 높은 수준으로 나타나고 있었으며, TP의 증가에 따라 CHL의 농도도 함께 증가하는 것으로 나타났다. COD와 SS는 집중 강우해에 높은 수치를 기록하였으며, TP와 CHL은 가뭄해에 비하여 약 2배 정도 높은 수치를 기록하였다. 이는 인근 점 .
- 086) 를 보였다. TN, TP, CHL에 의거한 유사도 분석에서는 약 90%수준에서 염도가 높으면서 해양 인접 지역에 위치한 그룹, 염도가 낮으면서 내륙에 위치한 그룹, 그리고 뚜렷한 위치 특성을 보이지 않는 중간적인 그룹으로 분류되었다.
- 특히, 몇몇 저수지 (S3, Sil, S19, S21, S28)의 TP 농도는 약 5배에서 많게는 10배까지 높은 수치를 나타내고 있어 과영양상태로 사료되었다. TN:TP 비는 S13을 제외하고 모두 17 이상으로 나타나 인에 의한 제한효과가 매우 큰 것으로 나타났다.
- TN의 평균값으로 분석한 각 지점들의 부영양화 단계는 빈 영양 저수지는 1개, 중영양 저수지는 3개인 반면, 부영양 저수지는 30개로 부영양화가 매우 심각하게 진행되어 있다는 것을 알 수 있었다. TP 평균값에 따른 분류에서는 TN과는 달리 빈영양 저수지 1개, 중영양 저수지 12개, 부영양 저수지가 21개로 나타났다.
- TN의 평균값으로 분석한 각 지점들의 부영양화 단계는 빈 영양 저수지는 1개, 중영양 저수지는 3개인 반면, 부영양 저수지는 30개로 부영양화가 매우 심각하게 진행되어 있다는 것을 알 수 있었다. TP 평균값에 따른 분류에서는 TN과는 달리 빈영양 저수지 1개, 중영양 저수지 12개, 부영양 저수지가 21개로 나타났다. CHL 평균 농도에 따른 분류에서는 빈영양 저수지 8개, 중영양 저수지 15개, 부영양 저수지 11개로 TN과 TP에 따른 분류보다는 다소 낮은 빈도의 부영양상태를 나타내었다.
- 계절적 변이는 강우 집중기인 7월에서 8월 사이에 강하게 나타나고 있었으며, 전기전도도, COD, SS, TN, TP 및 CHL 값은강우 후에 증가하는 것으로 나타났다. TP는 전기전도도와 COD 농도가 높은 저수지에서 높은 수준으로 나타나고 있었으며, TP의 증가에 따라 CHL의 농도도 함께 증가하는 것으로 나타났다. COD와 SS는 집중 강우해에 높은 수치를 기록하였으며, TP와 CHL은 가뭄해에 비하여 약 2배 정도 높은 수치를 기록하였다.
- 086)를 보이고 있었으며, TP의 증가에 따라 조류 생산력이 증가함을 보였다. 계절별 결과에서도 TN:TP 비와 TP의 상관관계가 가장 높게 나타나고 있었으며 (장마전기: R2=0.84, p<0.0001, 장마후기: R2=0.84, p<0.0001), CHL과 TP의 상관관계는 장마 전보다 장마 후에 높게 나타나고 있었다 (Table 1).
- 계절별로 산정한 저수지의 부영양 상태는 연별 평균값으로 산정한 결과와 유사한 양상을 보였으며, 특히 장마 후에 저수지는 부영양화가 가속화 되는 것으로 나타났다 (Fig. 3). 이는 강우 집중기 동안 유입된 인이 1차 생산력 증가에 기인하는 것으로 판단되었으며, 식물성플랑크톤이 강우 후에 생체량이 증가하는 계절적 특성을 보인다(Hutchinson, 1957; 김 등, 1999)는 과거 연구결과와 일치하였다.
- OECD 기준에 의거하여 산정한 TP에 의한 영양 상태에서는 전체 저수지의 26%가 부영양 상태로 나타났고, 71%는 중영 양, 3%는 빈영 양 상태로 나타났다. 계절적 변이는 강우 집중기인 7월에서 8월 사이에 강하게 나타나고 있었으며, 전기전도도, COD, SS, TN, TP 및 CHL 값은강우 후에 증가하는 것으로 나타났다. TP는 전기전도도와 COD 농도가 높은 저수지에서 높은 수준으로 나타나고 있었으며, TP의 증가에 따라 CHL의 농도도 함께 증가하는 것으로 나타났다.
- 33 瞄 이로서 OECD (1982) 기준에 따르면 부영양 상태로 나타나고 있었다. 그러나 평균과는 달리 주요 분포 범위는 0〜10 昭 1 尸로나 타나 중영양에서 부영양 상태로 나타나고 있었으며, 1 차 생산력에 따른 영양상태는 영얌염에 따른 영양 상태보다 부영양화 정도가 낮은 것으로 나타났다. 한편 TN:TP 비는 대부분의 데이터에서 10 이상으로 나타나 인에 의한 제한효과가 기대될 것으로 사료되었다.
- 농업용 저수지별 COD 농도는 9개 저수지를 제외한 나머지 저수지에서 환경부 호소수질환경기준에 의거할 때, 3 등급 이상으로 나타났으며, Sil, S19는 5등급 이상으로나타났다(Fig. 5b). 전기전도도와 SS 농도가 높았던 저수지에서 높은 COD 농도를 나타냈으며, 이들 저수지는 모두 4등급 이상으로 나타나 저수지의 오염원 관리가 시급한 것으로 판단되었다.
- 한편 TN:TP 비는 대부분의 데이터에서 10 이상으로 나타나 인에 의한 제한효과가 기대될 것으로 사료되었다. 또한 TN:TP 비가 100 이상을 나타내는 데 이터도 60개 이상으로 나타났으며, 이는 연중 저수지 내 전반적으로 높은 수치의 질소의 양이 유지되는 것에 비하여 인의 양은 계절의 변화에 따라 그 양의 변동이 크게 나타나기 때문으로 판단되었다.
- 이는 강우 집중기 동안 유입된 인이 1차 생산력 증가에 기인하는 것으로 판단되었으며, 식물성플랑크톤이 강우 후에 생체량이 증가하는 계절적 특성을 보인다(Hutchinson, 1957; 김 등, 1999)는 과거 연구결과와 일치하였다. 본 결과에서는 CHL에 의한 부영양상태 분류에서는 부영양 저수지보다 중영양 저수지의 수가 높게 나타나고 있으나, 이들 중영양 저수지의 평균 CHL 농도값이 부영양 저수지 기준치에 근접하고 있고, 인에 의한 부영양 상태 분류에서 많은 수의 저수지가 부영양 상태로 나타나고 있어, 부영양 상태로 전환될 잠재적인 능력이 매우 큰 것으로 나타났다.
- 본 연구에 이용된 저수지에서 연평균 강우량은 1, 284 mm로 나타났으며, 해당 기간 중 최대 평균 강우량을 나타낸 연도는 2003년으로 1, 975 mm를 기록하였고, 최 소 평균 강우량을 나타낸 2005년으로 1, 336 mm를 기록하여, 최대치와 최소치의 차이는 639mm로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 2003년을 집중 강우해 (Intense mon soon) 로 적 용하였으며 , 2005년을 가뭄해 (Weak monsoon) 로 적용하였다.
- 알려져 있다(한 등, 1993; 안 등, 2001). 본 연구에서 농업용 저수지는 인의 증가가 1차생산력으로 직결되며, CHL 농도의 증가에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한 수체 내 N:P 비는 CHL의 생물량을 예측하거나, CHL에 대한 제한 영양염으로 무엇이 작용하고 있는지를 나타내는 간접 예측 지표로 활용되고 있어 (Smith,1983; Fugimoto & Sudo, 1997), N : P 비에 의거한 제한영양염류의 특성을 파악할 수 있었다.
- TP과 CHL 농도는 집중강우해에 약 2배 정도 높은 값을 나타냈으며, 이는 강우에 의해 인근 점 . 비점오염원(인근 농지, 축사, 생활하수) 으로부터 다량의 인이 유입되었기 때문인 것으로 판단되었으며, 유입된 인은 저수지내 장시간 체류하면서 1차 생산력을 높여 CHL 농도 증가에도 기여한 것으로 사료되었다. 계절에 따른 결과를 살펴보면, 장마 후에 TP과 CHL 농도가 모두 증가하는 것으로 나타났으며, 이전의 수질 변화 연구(김과 황, 2004)에서도 저수지의 강우가 집중되는 7월 이후부터 11월, 즉 장마 후에 인과 CHL 농도가 증가하는 것으로 보고한 바 있다.
- 이는 인근 점 . 비점오염원으로부터 장마 기간에 유기물 및 부유물, 영양염의 다량 유입 이 원인으로 작용하는 것으로 나타났다. 한편 회귀분석에서는 TN:TP 비와 TP가 매우 높은 상관관계 (R2=0.
- 에서 과영양 (Hypertrophy)의 4개 영양단계로 분류되었다. 염도가 높으면서 해양에 인접한 지역에 위치한 그룹은 모두 중영상 상태를 보이고 있었으며, 염도가 낮으면서 내륙에 위치한 그룹은 대부분 부영양 상태를 보이고 있었고, 중간적 인 그룹은 중영양 상태와 부영양 상태가 약 1:1 비율로 나타나고 있었다. 염도가 낮으면서 내륙에 위치한 그룹에 비하여 염도가 높으면서 해양에 인접한 지역에 위치한 그룹에서 비교적 부영얏상태가 덜한 것으로 나타났으며, 이러한 특성을 나타丄"는이유에 대한 명확한 근거 제시를 위해서는 향후 연구가 필요할 것으로 사료되었다.
- 타났다. 영양염류 (TN, TP)는 장마 후에 장마 전 농, 샀의 약 1.5배의 증가를 보였으며, 특히 TP의 경우 : 전 30# 1 #에서 강우 후 48# I/로 크게 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 TN은 강우 후 약 0.
- 저수지별 총인 (TP) 농도는 전기전도도, COD와 비슷한 경향을 보이고 있었으며, 전기전도도와 COD가 높은 저수지에서 TP의 농도도 높게 나타났다(Fig. 5d). 특히, 몇몇 저수지 (S3, Sil, S19, S21, S28)의 TP 농도는 약 5배에서 많게는 10배까지 높은 수치를 나타내고 있어 과영양상태로 사료되었다.
- 5b). 전기전도도와 SS 농도가 높았던 저수지에서 높은 COD 농도를 나타냈으며, 이들 저수지는 모두 4등급 이상으로 나타나 저수지의 오염원 관리가 시급한 것으로 판단되었다. 또한 전체 저수지의 수질등급이 3 등급이상을 나타내고 있어, 전체 저수지에서 전반적인 유기물 유입차단 및 오염원 관리가 필요할 것으로 사료되었다.
- 5a). 전기전도도의 평균치 인 200 3 cm-1 이상을 보인 저수지에서는 SS의 농도 또한 평균 이상을 나타내고 있었으며, 이들 저수지의 전기전도와 SS 농도의 증가는 비점오염원 뿐 아니라, 인근 점오염원으로 부터의 유기물 및 부유물 유입의 영향이 클 것으로 사료되었다. 그러나 S19의 높은 전기전도도 값은 인근에 위치한 점 .
- 전체 저수지에서 측정된 전기전도도의 평균값은 200 |is cmT로서 일반적으로 타 저수지와 큰 차이를 보이지 않았으나 일부저수지 (SU, S19, S28, S29)에서는 4배 정도까지 월등하게 높은 값을 보였다(Fig. 5a). 전기전도도의 평균치 인 200 3 cm-1 이상을 보인 저수지에서는 SS의 농도 또한 평균 이상을 나타내고 있었으며, 이들 저수지의 전기전도와 SS 농도의 증가는 비점오염원 뿐 아니라, 인근 점오염원으로 부터의 유기물 및 부유물 유입의 영향이 클 것으로 사료되었다.
- 조류생체량의 척도로서 분석된 엽록소-a(CHL) 농도 역시 TP의 농도 추이와 높은 t상관성을 보였으며, 특히S2, S6, S19, S22에서 CHL: TP 비 가 높은 수치 (N 0.6)를기록해 수화현상이 지속적으로 일어날 것으로 판단되었다(Fig 5e). 따라서 이들 저수지내 수화현상의 제거를 위하여 인의 유입 차단과 함께 수체 내 침적되어 있는 인의 양의 저감 방안이 강구되어야 할 것으로 생각되어진다.
- 이런 그룹은 일반적으로 해양에 인접한 지역적 특성, 즉 염도 및 전기전도도의 특성과 연관되는 것으로 나타났다. 첫째 그룹은 염도가 높으면서 해양 인접 지역에 위치한 저수지 (S2,S4, S17, S18, S22 - S24, S29, S32, S34), 둘째 그룹은 염도가 낮으면서 내륙에 위치한 그룹(S1, S3, S5, S6, S8, S12, S15, S16, S19, S25), 셋째 그룹은 뚜렷한 위치 특성을 보이지 않는 중간적인 그룹(S7, S9, S10, Sil, S13, S14, S20, S21, S26 - S28, S30, S33)으로 대별되어졌다.S31(복곡저수지)은 해안 인접부에 위치하여 염도가 높고 해양에 인접한 그룹으로 분류될 것으로 예상하였으나, 이들 그룹과는 유사성을 나타내지 않았으며 다른 그룹으로 분류되었다 (Fig.
- 001, n=31)< 설명하는 것으로 나타났다. 한편 CHL는 TP와 1차 함수관계 (Logi()T* P=0.5 LogioCHL+0.086)를 보이고 있었으며, TP의 증가에 따라 조류 생산력이 증가함을 보였다. 계절별 결과에서도 TN:TP 비와 TP의 상관관계가 가장 높게 나타나고 있었으며 (장마전기: R2=0.
- 비점오염원으로부터 장마 기간에 유기물 및 부유물, 영양염의 다량 유입 이 원인으로 작용하는 것으로 나타났다. 한편 회귀분석에서는 TN:TP 비와 TP가 매우 높은 상관관계 (R2=0.84, p<0.001, n=34)를 보였으며, CHL과 TP는 1차 함수관계 (*LLooggiowCTHPL=+0.05 .086) 를 보였다. TN, TP, CHL에 의거한 유사도 분석에서는 약 90%수준에서 염도가 높으면서 해양 인접 지역에 위치한 그룹, 염도가 낮으면서 내륙에 위치한 그룹, 그리고 뚜렷한 위치 특성을 보이지 않는 중간적인 그룹으로 분류되었다.
- 화학적 산소요구량 (COD) 및 부유물 (SS)은 집중 강우해에 높게 나타나고 있었으며, 계절별로는 장마 후에 모두 증가하여, 장마 기간에 유입된 유기물 및 부유물이 저수지 내 체류함으로써 증가한 것으로 판단되었다. TN은 전기전도도와 마찬가지로 일정한 농도를 나타내고 있었으며, 큰 변이를 보이지 않았다.
후속연구
- 염도가 높으면서 해양에 인접한 지역에 위치한 그룹은 모두 중영상 상태를 보이고 있었으며, 염도가 낮으면서 내륙에 위치한 그룹은 대부분 부영양 상태를 보이고 있었고, 중간적 인 그룹은 중영양 상태와 부영양 상태가 약 1:1 비율로 나타나고 있었다. 염도가 낮으면서 내륙에 위치한 그룹에 비하여 염도가 높으면서 해양에 인접한 지역에 위치한 그룹에서 비교적 부영얏상태가 덜한 것으로 나타났으며, 이러한 특성을 나타丄"는이유에 대한 명확한 근거 제시를 위해서는 향후 연구가 필요할 것으로 사료되었다.
- 전기전도도와 SS 농도가 높았던 저수지에서 높은 COD 농도를 나타냈으며, 이들 저수지는 모두 4등급 이상으로 나타나 저수지의 오염원 관리가 시급한 것으로 판단되었다. 또한 전체 저수지의 수질등급이 3 등급이상을 나타내고 있어, 전체 저수지에서 전반적인 유기물 유입차단 및 오염원 관리가 필요할 것으로 사료되었다.
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