대청호 수질오염 평가를 위한 부영양도 지수산정, 공간적 구배 특성 및 경험적 모델 Trophic State Index (TSI), Spatial Gradient Characteristics and the Empirical Models for Eutrophication Evaluations in Daecheong Reservoir원문보기
The objectives of this study were to analyze reservoir trophic state, based on Trophic State Index (TSI), spatial variation patterns of three zones (riverine, transition, and lacustrine zone), and empirical models through 20-years long-term data analysis. Trophic variables of TP and CHL-a were highe...
The objectives of this study were to analyze reservoir trophic state, based on Trophic State Index (TSI), spatial variation patterns of three zones (riverine, transition, and lacustrine zone), and empirical models through 20-years long-term data analysis. Trophic variables of TP and CHL-a were highest during the summer monsoon, and decreased along the main axis from the riverine to lacustrine zone. In the mean time, TN did not show the trend. Ratios of N:P and Secchi disc transparency (SD) increased from the riverine to lacustrine zone. The analysis of trophic state index (TSI) showed that mean TSI (TP) and TSI (CHL-a) were 62 and 57, respectively, and these values were highest in the transition zone during the summer. This zone should be managed well due to highest lake water pollution. The analysis of Trophic State Index Deviation (TSID) showed that algal growth was primarily limited by light penetration, and this was most pronounced in the monsoon season. The analysis of empirical models showed that the value of $R^2$, based on CHL-SD model, was 0.30 (p < 0.0001) in the transition zone and the $R^2$, based on TP-SD model, was 0.41 (p < 0.0001) in the transition zone.
The objectives of this study were to analyze reservoir trophic state, based on Trophic State Index (TSI), spatial variation patterns of three zones (riverine, transition, and lacustrine zone), and empirical models through 20-years long-term data analysis. Trophic variables of TP and CHL-a were highest during the summer monsoon, and decreased along the main axis from the riverine to lacustrine zone. In the mean time, TN did not show the trend. Ratios of N:P and Secchi disc transparency (SD) increased from the riverine to lacustrine zone. The analysis of trophic state index (TSI) showed that mean TSI (TP) and TSI (CHL-a) were 62 and 57, respectively, and these values were highest in the transition zone during the summer. This zone should be managed well due to highest lake water pollution. The analysis of Trophic State Index Deviation (TSID) showed that algal growth was primarily limited by light penetration, and this was most pronounced in the monsoon season. The analysis of empirical models showed that the value of $R^2$, based on CHL-SD model, was 0.30 (p < 0.0001) in the transition zone and the $R^2$, based on TP-SD model, was 0.41 (p < 0.0001) in the transition zone.
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문제 정의
본 연구의 목적은 형태적으로 길고 복잡한 대청호의 형태적 특성 (유수대, 전이대, 정수대)을 고려하여 20여년간의 장기적인 이화학적 수질특성에 대한 변화 분석을 통해 부영양화의 연별, 공간별 특성과 부영양화도 지수(Trophic State Index, TSI)를 이용한 영양상태 평가와 변이 분석(TSI Deviation), 부영양화 변수를 이용한 경험적 모델(Empirical model)의 분석을 통해 수질 변수들 간의 상호관계의 이해 및 변화를 분석하고자 하였다.
제안 방법
또한 1차 생산력에 대한 추정을 위하여 변수로서 CHL-a을 이용하였으며, CHL-a의 성장을 제한하는 제한요인이 빛인지 영양염류인지에 대하여 판단하기 위하여 TSI의 편차 분석(TSI Deviation)을 실시하였다(Havens, 2000). TSI(CHL-a)-TSI(SD) 및 TSI(CHL-a)-TSI(TP)를 산정하여 제한요인에 대한 특성을 분석하였다.
kr)로서 총질소(TN), 총인(TP), 엽록소-a(CHL-a) 및 투명도(Secchi depth, SD)를 이용하였다. 강우량 자료는 기상청(http://www.kma. go.kr)에서 측정된 자료를 이용하였고, 또한 장마에 대한 영향을 파악하기 위하여 1~6월을 장마 전기(Premonsoon, Pr), 7~8월을 장마기(Monsoon, Mo), 9~12월을 장마 후기(Postmonsoon, Po)으로 구분하여 분석하였다.
대청호에서 TN과 TP의 농도, N:P 비율, CHL-a 및 SD가 어떠한 관계가 있는지 알아보기 위하여 TN - CHL-a, TP - CHL-a, N:P 비율 - CHL-a, CHL-a SD 및 TP-SD간의 경험적 모델을 분석하였으며, 이를 통해 대청호의 영양상태 평가 및 예측을 실시하였다. 각 변수들을 지점별로 유수대, 전이대, 정수대로 구분한 뒤, Log로 전환하여 Log10(TN), Log10(TP), Log10(N:P 비율), Log10(CHL-a) 및 Log10(SD)을 이용하였으며, Pearson의 회귀분석을 실시하였다.
본 연구는 대전광역시, 청주시 등의 식수와 생활용수 등을 공급하는 대청호의 20년간 장기간 수질 분석에 대한 연구로서 부영양화 지수(TSI)를 이용하여 영양상태를 평가하였고, 공간적 특성 분석을 위해 3개의 구역(유수대, 전이대, 정수대)에 대해 변이 및 경험적 모델을 분석하였다. 총인(TP)과 엽록소(CHL-a) 농도는 하절기 증가하는 경향을 보였으며, 유수대에서 정수대로 갈수록 감소하였다.
본 연구에서는 대청호의 상류역에 위치한 유수대 (Riverine zone, Rz), 중류부에 위치한 전이대(Transition zone, Tz), 댐 근처의 정수대(Lacustrine zone, Lz)로 구분하여 수질특성 및 부영양화지수 분석을 실시하였으며, 연구대상 지점은 Fig. 1과 같으며 세부지점은 다음과 같다.
온대, 아열대 호소의 앞선 연구에서 여름철 CHL-a에 대한 TP의 영향을 설명해 주었다(Canfield과 Bachmann, 1981; Dillon과 Rigler, 1974; Forsberg과 Ryding, 1980; Nurnberg, 1996). 수질 변수 간의 상관관계를 알아보기 위하여 회귀 분석을 유수대, 전이대, 정수대로 구분하여 실시하였다. TN과 CHL-a는 상관관계를 거의 나타내지 않았다.
각 변수들을 지점별로 유수대, 전이대, 정수대로 구분한 뒤, Log로 전환하여 Log10(TN), Log10(TP), Log10(N:P 비율), Log10(CHL-a) 및 Log10(SD)을 이용하였으며, Pearson의 회귀분석을 실시하였다. 이를 통하여, 인공호에서 물의 유속 및 특징이 변함에 따라 수질측정 자료 변수에 미치는 영향 및 수질 변수 사이의 관계를 분석하였다. 또한 1차 생산력에 대한 추정을 위하여 변수로서 CHL-a을 이용하였으며, CHL-a의 성장을 제한하는 제한요인이 빛인지 영양염류인지에 대하여 판단하기 위하여 TSI의 편차 분석(TSI Deviation)을 실시하였다(Havens, 2000).
대상 데이터
본 연구 대상지인 대청호는 저수면적 72.8 km2, 저수용량 15억 ton 및 유역면적 4134 km2로서 우리나라 인공호중 3번째로 큰 규모의 호수이다. 1980년 대청댐이 완공되면서 대전광역시 및 청주시의 식수, 생활용수 및 공업용수를 공급하고 있어, 수질관리가 특히 요구되는 호수이다.
본 연구에 이용된 수질 자료는 지점별로 1993년부터 2012년까지의 20년간 월별로 측정된 환경부 수질측정망자료(http://water.nier.go.kr)로서 총질소(TN), 총인(TP), 엽록소-a(CHL-a) 및 투명도(Secchi depth, SD)를 이용하였다. 강우량 자료는 기상청(http://www.
데이터처리
대청호에서 TN과 TP의 농도, N:P 비율, CHL-a 및 SD가 어떠한 관계가 있는지 알아보기 위하여 TN - CHL-a, TP - CHL-a, N:P 비율 - CHL-a, CHL-a SD 및 TP-SD간의 경험적 모델을 분석하였으며, 이를 통해 대청호의 영양상태 평가 및 예측을 실시하였다. 각 변수들을 지점별로 유수대, 전이대, 정수대로 구분한 뒤, Log로 전환하여 Log10(TN), Log10(TP), Log10(N:P 비율), Log10(CHL-a) 및 Log10(SD)을 이용하였으며, Pearson의 회귀분석을 실시하였다. 이를 통하여, 인공호에서 물의 유속 및 특징이 변함에 따라 수질측정 자료 변수에 미치는 영향 및 수질 변수 사이의 관계를 분석하였다.
이를 통하여, 인공호에서 물의 유속 및 특징이 변함에 따라 수질측정 자료 변수에 미치는 영향 및 수질 변수 사이의 관계를 분석하였다. 또한 1차 생산력에 대한 추정을 위하여 변수로서 CHL-a을 이용하였으며, CHL-a의 성장을 제한하는 제한요인이 빛인지 영양염류인지에 대하여 판단하기 위하여 TSI의 편차 분석(TSI Deviation)을 실시하였다(Havens, 2000). TSI(CHL-a)-TSI(SD) 및 TSI(CHL-a)-TSI(TP)를 산정하여 제한요인에 대한 특성을 분석하였다.
이론/모형
호소의 부영양도를 평가하기 위하여 Carlson(1977)이 제시한 방법에 기초하여 CHL-a, TP 및 투명도(SD) 자료를 유수대, 전이대, 정수대로 구분하여 부영양화 지수(Trophic State Index)로 전환하여 대청호의 영양 상태를 지점별로 평가하였다. TN 자료는 Kratzer과 Brezonik(1981)의 기준에 기초해서 TSI로 전환하였다. 공식은 다음과 같다(An과 Park, 2002b).
부영양도 지수 변이분석법(TSI Deviation; Carlson, 1991)을 대청호에서 유수대, 전이대, 정수대에서 장마전기, 장마기, 장마후기로 구분하여 분석하였다. 유수대에서 조류생장에 TP 와 빛이 가장 큰 제한 요인인 것으로 사료된다.
호소의 부영양도를 평가하기 위하여 Carlson(1977)이 제시한 방법에 기초하여 CHL-a, TP 및 투명도(SD) 자료를 유수대, 전이대, 정수대로 구분하여 부영양화 지수(Trophic State Index)로 전환하여 대청호의 영양 상태를 지점별로 평가하였다. TN 자료는 Kratzer과 Brezonik(1981)의 기준에 기초해서 TSI로 전환하였다.
성능/효과
CHL-a SD 모델에 따르면 SD의 변이는 CHL-a에 의해 전이대에서 30%(R2=0.30, p < 0.0001)의 설명되는 것으로 나타났으며, TP SD 모델에 따르면 TP 변이에 따라 SD의 변화가 전이대에서 41%(R2=0.41, p <0.0001), 유수대에서 39%(R2=0.39, p < 0.0001)의 높은 설명력을 보여 TP와 CHL-a의 증가가 SD의 감소에큰 영향을 주는 것으로 나타났다(Table 1).
TP CHL-a 모델에 따르면 전이대에서 19%(R2=0.19, p < 0.0001) 설명하는 것으로 나타나 유수대, 정수대보다 상대적으로 높은 설명력을 가지는 것으로 나타났으며, TN CHL-a 모델과 비교하여 상대적으로 높은 상관성을 보이는 것으로 분석되었다.
총인(TP)과 엽록소(CHL-a) 농도는 하절기 증가하는 경향을 보였으며, 유수대에서 정수대로 갈수록 감소하였다. 반면, 총질소(TN)는 공간적 변이가 크지 않았고 수체의 N:P 비율과 투명도(SD)는 유수대에서 정수대로 갈수록 증가하는 경향을 보였다. 부영양화 지수인 TSI(TP)를 이용한 영양상태 평가에 의하면 하절기 최대 62로 모든 지점에서 부영양 상태로 나타났고, TSI(CHL-a)는 하절기 전이대에서 57로 가장 높은 부영양 상태를 보여 호수 수질오염에 대한 중요한 관리대상 지역으로 평가되었다.
부영양화 경험적 회귀모델분석에 따르면, CHL-a SD모델은 전이대에서 R2 = 0.30(p < 0.0001)을 보였고, TP SD모델은 R2 = 0.41(p < 0.0001)로 나타나 향후 유역으로부터 유입되는 인 부하(P-loading)를 줄여야 호수의 수질 회복에 기여할 것으로 평가되었다.
부영양화 및 1차생산력의 중요지표인 N:P 비율은 장마기인 하절기에 최저로 감소하는 경향을 보였다. N:P 비율은 유수대 80.
부영양화 지수 중 조류량을 직접적으로 표현하여 호소의 영양상태를 평가할 때 최적의 변수인 TSI(CHL-a)은 TSI(TP)와 전반적으로 유사한 경향을 보였으나, 8, 9월에는 전이대의 부영양화 지수가 57로 나타나 유수대의 54보다 부영양화 지수가 높게 나타났다. 이러한 양상은 Kimmel과 Groeger(1984)의 가설과 일치하는 결과로서, 상류 보다 유속이 느려 조류의 생장이 원활해지고, 장마기에 외부로부터 다량의 영양염류가 유수대로 유입되어 전이대에 충분한 영양염류를 공급하고, 전이대에 적절한 광투과 현상으로 인하여 장마기 이후 조류 생장이 증가한 것으로 사료된다.
반면, 총질소(TN)는 공간적 변이가 크지 않았고 수체의 N:P 비율과 투명도(SD)는 유수대에서 정수대로 갈수록 증가하는 경향을 보였다. 부영양화 지수인 TSI(TP)를 이용한 영양상태 평가에 의하면 하절기 최대 62로 모든 지점에서 부영양 상태로 나타났고, TSI(CHL-a)는 하절기 전이대에서 57로 가장 높은 부영양 상태를 보여 호수 수질오염에 대한 중요한 관리대상 지역으로 평가되었다. 부영양화 지수 변이 분석법(TSI Deviation)에 의하면 유수대에서는 광투과 요인이 큰 조류생장에 제한 요인이었고, 특히 장마기에 가장 심화되었다.
이는 여름철 강우량의 급격한 증가가 원인으로 사료된다. 수질변수 중 총질소(TN)의 평균 농도는 유수대 1.7 mg/L, 전이대 1.7 mg/L, 정수대 1.5 mg/L로 나타났고 특히 정수대에서 변이가 가장 적게 나타났다. 월 평균 변화가 세 지점에서 모두 크지 않은 것으로 나타나 강우의 영향이 상대적으로 적은 것으로 나타났다.
하절기에는 정수대를 제외한 유수대, 전이대에서 부영양 상태로 나타나 하절기에 부영양화가 가장 심한 것으로 나타났다. 유수대와 전이대의 부영양화 지수는 9월과 비교해 10월에 감소하는 것으로 나타났지만, 정수대는 9월에 비해 오히려 증가한 것으로 나타났고 가장 높은 부영양화 지수를 나타냈다. 정수대는 일반적으로 영양염이 제한요인으로 작용하며, 수층이 혼합되는 시기는 내부부하에 의한 부영양화가 발생한다고 한다(Kennedy과 Nix, 1987).
0 m를 부영양호의 경계로 본다(Park과 An, 2007). 조사 결과, 유수대는 1.9 m, 전이대 2.8 m, 정수대는 3.4 m의 평균 투명도를 보여 부영양 상태는 아닌 것으로 판단된다. 투명도의 감소는 1차 생산자인 조류에 광제한 효과를 가져와(Dodds 등, 1998) 1차 생산력이 감소할 것으로 추론되나, 장마기의 총인 농도의 증가의 영향으로 CHL-a의 농도는 증가하여 이전의 연구(Bae 등, 2007; Park 과 An, 2007) 와 일치하였다.
장마기간의 강우량은 전체 강우량에서 차지하는 비율은 기존의 연구(An 등, 2001)에서 나타난 것과 마찬가지로 평균 46%, 최대 70%까지 나타났다. 조사 시기에 강우 특성을 보면, 여름철 장마기에 강우가 집중되는 동아시아 몬순기후의 특성이 잘 드러났다. 우리나라의 강우 양상은 계절적으로 뚜렷한 특성을 보이며, 또한 영양염류 증가 및 감소, 조류증식으로 인한 녹조 현상, 부영양화 현상 및 1차 생산력의 변화를 야기할 것으로 사료된다(An, 2000a; An, 2003).
본 연구는 대전광역시, 청주시 등의 식수와 생활용수 등을 공급하는 대청호의 20년간 장기간 수질 분석에 대한 연구로서 부영양화 지수(TSI)를 이용하여 영양상태를 평가하였고, 공간적 특성 분석을 위해 3개의 구역(유수대, 전이대, 정수대)에 대해 변이 및 경험적 모델을 분석하였다. 총인(TP)과 엽록소(CHL-a) 농도는 하절기 증가하는 경향을 보였으며, 유수대에서 정수대로 갈수록 감소하였다. 반면, 총질소(TN)는 공간적 변이가 크지 않았고 수체의 N:P 비율과 투명도(SD)는 유수대에서 정수대로 갈수록 증가하는 경향을 보였다.
또한 각 지점의 최고치는 상류에서 하류로 갈수록 늦어지는 특성을 보여 이전의 연구 결과(Thornton 등, 1981; An, 2000b)와 일치하였다. 투명도에 의한 부영양화 지수인 TSI(SD)는 유수대 52, 전이대 47, 정수대 44로 상류에서 하류로 갈수록 감소하는 경향을 나타냈다. 유수대에서 장마기인 7월에 62로 가장 높은 부영양화 상태를 나타냈다.
후속연구
대청호의 경험적 모델 분석에 따르면, Vollenweider과 Kerekes(1980)의 이전의 연구모델과 마찬가지로 호소 속 인(P)은 조류 현존량을 설명하는데 가장 주요한 인자이고, 조류의 농도는 투명도의 크기에 의해 조절된다는 것을 입증하였다. 이런 경험적 모델은 대청호 및 다른인공호의 향후 수질 관리, 수환경 이용 및 부영양화 현상조절에 활용될 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우리나라 대형 인공호의 가장 큰 문제점은 무엇인가?
우리나라 대형 인공호의 가장 큰 문제점은 부영양화에 의한 수질 악화로서, 이런 물이 주로 음용수/식수로 이용된다는 측면에서 특히 효율적인 수질관리가 요구된다. 특히, 우리나라 대형 인공호의 부영양화는 대부분 점오염원 및 비점오염원으로부터 영양염류의 과다 유입에 의한 것으로 알려져 있으며, 부영양화를 조절하는 주요인자는 총인(TP)으로 보고되고 있다(An과 Park, 2002a; An, 2003).
대청호는 어느 지역에 식수, 생활용수 및 공업용수를 공급하고 있는가?
8 km2, 저수용량 15억 ton 및 유역면적 4134 km2로서 우리나라 인공호중 3번째로 큰 규모의 호수이다. 1980년 대청댐이 완공되면서 대전광역시 및 청주시의 식수, 생활용수 및 공업용수를 공급하고 있어, 수질관리가 특히 요구되는 호수이다. 대청호의 기존연구에 따르면, 대청호의 조류 생장은 다른 수계의 인공호들과 마찬가지로 인(P)이 중요한 핵심 제한요인으로(Kong 등, 2009; Lee과 Lee, 1987; Lee 등, 2006; Lee, 2010) 알려져 있고, 하절기 몬순강우의 강도, 빛, pH 역시 조류 생장에 주요한 요인인 것으로 나타나 있다(An과 Jones, 2000).
인공호의 부영양화에 영향을 미치는 요인은 무엇인가?
최근 국내·외의 인공호 연구에 따르면, 인공호의 부영양화는 수체의 수리수문학적 특성, 수계의 점오염원 및 비점오염의 분포, 수체 자체의 형태적 특성(Morphometry) 및 수계의 토지이용도(Landuse pattern)등에 의해 크게 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 우리나라는 연 총강수량 1,267억 m3로 충분한 수자원을 보유하나, 평균 이용량은 약 26%로 이용률이 낮다(Ministry of Construction & Transportation, 2001).
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