To study the influence of changes in river discharge on water quality of the main stem of the Geum River, we investigated variation of inflow load from tributaries with river discharge. We also studied the mixing behavior of pollutants during mixing of waters of the main stem and Gap Stream. For thi...
To study the influence of changes in river discharge on water quality of the main stem of the Geum River, we investigated variation of inflow load from tributaries with river discharge. We also studied the mixing behavior of pollutants during mixing of waters of the main stem and Gap Stream. For this study, we collected water quality data such as suspended solids (SS), biochemical oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD), total organic carbon (TOC), total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) representing pre-monsoon, monsoon, and post-monsoon events of 2013 from a website of Water Information System. Based on inflow load, the Gap and Miho streams may be ones of tributaries which may largely influence water quality of main stem in upper river region. The Suksung and Nonsan Streams seemed to further affect water quality downstream. Results of modified EMMA indicated SS and TP may have another source(besides Gap Stream) at pre-monsoon, monsoon, and post-monsoon period. In contrast, TN and organic matter (BOD, COD, TOC) were conservative at pre-monsoon and post-monsoon. However, when river discharge increased, these pollutants may also came from unspecified non-point sources. Therefore, we need to attempt to find non-point sources for the pollutants in the main channel of upper Geum River region.
To study the influence of changes in river discharge on water quality of the main stem of the Geum River, we investigated variation of inflow load from tributaries with river discharge. We also studied the mixing behavior of pollutants during mixing of waters of the main stem and Gap Stream. For this study, we collected water quality data such as suspended solids (SS), biochemical oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD), total organic carbon (TOC), total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) representing pre-monsoon, monsoon, and post-monsoon events of 2013 from a website of Water Information System. Based on inflow load, the Gap and Miho streams may be ones of tributaries which may largely influence water quality of main stem in upper river region. The Suksung and Nonsan Streams seemed to further affect water quality downstream. Results of modified EMMA indicated SS and TP may have another source(besides Gap Stream) at pre-monsoon, monsoon, and post-monsoon period. In contrast, TN and organic matter (BOD, COD, TOC) were conservative at pre-monsoon and post-monsoon. However, when river discharge increased, these pollutants may also came from unspecified non-point sources. Therefore, we need to attempt to find non-point sources for the pollutants in the main channel of upper Geum River region.
선택된 지류는 갑천, 미호천, 용수천, 정안천, 유구천, 금천, 석성천 및 논산천이다. 강수량 증가에 따른 유량증가가 본류 수질에 끼치는 영향을 알아보기 위하여 금강유역에 존재하는 대전, 청주와 부여의 2013년도를 포함한 이전 5년간(2009 ~ 2013) 월 평균 강수량을 조사하였다. Fig.
에 대해 정리하여 (2)식에 대입하여 본류와 갑천에서 흘러오는 각각의 유량비를 계산하였다. 계산된 유량비를 (3)식에 대입하고 현도와 갑천에서 분석된 오염물의 농도를 아래식에 대입하여 합류지점(청원)에서의 오염물의 예상농도를 구하였다.
유량변화에 따른 지류의 영향을 알아보기 위하여 장마철과 장마철 전 후 지류에서 유입되는 부하량을 계산하였다. 또한 갑천이 유입된 다음 오염물들의 거동을 예측하였다. 유입부하량으로 고려했을 때 부유물, 유기물, 총질소와 총인 모두 금강 상류에서는 갑천과 미호천의 영향이 가장 클 것으로 판단된다.
, 2011)에 이용되는 계산식을 변형해 예측하였다. 먼저 갑천이 유입되기 전 본류 지점은 현도이므로 현도와 갑천의 유량 비율을 보존성인 전기전도도를 이용해 아래와 같이 계산하였다.
예상농도와 실제 분석된 값을 비교하여 오염물의 지류혼합거동(mixing behavior)을 조사하였다. 먼저 예상값과 관측값이 비슷하거나 같으면 보존성(conservative)으로 간주하였고 관측값이 현저히 높거나 낮으면 비보존성(non-conservative)로 간주하였다. 만일 관측값이 현저히 높으면 지류이외에 다른 형태의 source가 존재한다는 뜻이며 현저히 낮으면 흡착(adsorption)이나 생물에 의한 흡취(uptake)와 같은 생지화학적 반응에 의해 제거됨을 뜻한다(Shim, 2011).
상류에서 오염물을 크게 유입하는 것으로 알려진 갑천이 본류와 혼합 후 오염물의 농도변화를 end-member mixing analysis(EMMA)(Frank et al., 2000; Kronholm and Capel, 2014; Mulholland and Hill, 1997; Neill et al., 2011)에 이용되는 계산식을 변형해 예측하였다. 먼저 갑천이 유입되기 전 본류 지점은 현도이므로 현도와 갑천의 유량 비율을 보존성인 전기전도도를 이용해 아래와 같이 계산하였다.
수리학적인 지류의 영향을 조사하기 위하여 위에서 언급한대로 EMMA의 계산식을 변형하여 이용하였다. 식 (1)과 (2)에 의해 계산된 본류와 갑천의 유량 비율을 계산한 결과 갑천 유량의 비중은 장마철 전(17%), 장마철(25%), 장마철 후(43%)로 갈수록 높아졌다.
예상농도와 실제 분석된 값을 비교하여 오염물의 지류혼합거동(mixing behavior)을 조사하였다. 먼저 예상값과 관측값이 비슷하거나 같으면 보존성(conservative)으로 간주하였고 관측값이 현저히 높거나 낮으면 비보존성(non-conservative)로 간주하였다.
유량변화에 따른 지류의 영향을 알아보기 위하여 장마철과 장마철 전 후 지류에서 유입되는 부하량을 계산하였다. 또한 갑천이 유입된 다음 오염물들의 거동을 예측하였다.
식 (1)과 (2)에 의해 계산된 본류와 갑천의 유량 비율을 계산한 결과 갑천 유량의 비중은 장마철 전(17%), 장마철(25%), 장마철 후(43%)로 갈수록 높아졌다. 이 결과를 토대로 갑천이 금강본류 수질에 끼치는 영향과 지류혼합 뒤 오염물의 거동을 알아보기 위하여 혼합 후 예상농도를 계산하였고 그 결과를 Table 1에 나타냈다. 청원에서 관측된(observed) 값이 갑천 유입 전 지점(현도)보다 높으면 갑천이 현도와 청원사이 유일한 유입지류이기 때문에 갑천의 영향을 받는 것으로 간주할 수 있다.
부하량(kg/day)은 농도에 유량을 곱하여 줌으로 계산하였다. 즉 갑천에서 유입되는 부하량과 현도의 부하량의 합을 청원에서의 부하량과 비교하였다. 갑천+현도의 부하량과 청원의 부하량의 비를 계산하여 EMMA방식에서의 관측값/예상값 비를 비교하였다.
특히 미호천 유량은 연기에서 측정되어진 유량의 26 ~ 57%로서 대청댐 이하 금강에서는 미호천이 금강 유량의 큰 비중을 차지하고 있다. 평균 유량을 이용하여 각 지류에서 유입되는 월 평균 오염물(BOD, COD TOC, SS, 총인, 총질소) 유입량을 계산하였다. 오염물 모두 상류에서는 미호천이 뚜렷이 높은 유입부하량을 보였고 다음으로는 갑천이었다(Fig.
대상 데이터
2에 도시된 대로 7월과 8월 강수량이 현저하게 높았으며 7월 강수량은 세 지역에서 연간 강수량의 23 ~ 25%를 차지함으로서 제일 높은 비중을 보였다. 따라서 장마철을 대표할 수 있는 자료로 2013년도 7월이 선택되었다. 4월과 10월은 세 지역에서 각각 5 ~ 6%와 2 ~ 3%를 차지하였기 때문에 장마철과 뚜렷이 구별되어 장마철 전과 후를 대표하는 시기로 선정되었다.
본 연구를 위해 선택된 본류와 지류의 지점은 대청댐에서부터 104 km 떨어진 하류까지 환경부가 운영하는 수질측정망 운영지점에서 선택되었으며 본류와 지류에서의 채수 지점을 Fig. 1에 나타냈다. 선택된 지류는 갑천, 미호천, 용수천, 정안천, 유구천, 금천, 석성천 및 논산천이다.
4월과 10월은 세 지역에서 각각 5 ~ 6%와 2 ~ 3%를 차지하였기 때문에 장마철과 뚜렷이 구별되어 장마철 전과 후를 대표하는 시기로 선정되었다. 선택된 시기의 월 평균 수질 전기전도도, 부유물질, biochemical oxygen demand(BOD), chemical oxygen demand(COD), 총유기탄소(total organic carbon, TOC), 총인(total phosphorus), 총질소(total nitrogen) 자료는 물환경정보시스템(http://water.nier.go.kr)에서 인용하였다. 본류와 지류에서는 Valeport 001유속계와 Price 유속계를 이용해 도섭법으로 유량을 측정하였다.
4). 따라서 미호천과 갑천이 가장 크게 대청댐 이하 금강 상류 유기물과 영양염 농도에 영향을 미칠 것으로 판단된다(Fig. 4). 반면 하류에서는 논산천과 석성천이 높은 유입량을 보여 하류 오염물 함량에 상대적으로 크게 영향을 미칠 것으로 생각된다(Fig.
그러나 지류혼합이 일어난 다음 혼합거동(mixing behavior)은 오염물별로 다르게 나타났다. 먼저 부유물질과 총인의 경우에는 모든 조사시기에서 청원에서 관측농도가 예상농도보다 높은 것으로 나타나 비보존성 경향을 나타냈다(Table 1). 특히 유량이 증가하는 장마철에 그 현상이 뚜렷이 나타났다.
그러나 장마철에는 갑천 이외에도 다른 비점오염원이 존재할 것으로 판단된다. 반면 부유물질과 총인은 장마철과 장마철 전 후에도 갑천 이외에 농도 증가의 원인이 되는 다른 오염원이 있을 것으로 나타났다. 특히 유량이 증가하는 장마철에 비점오염원 유입이 가장 증대하는 것으로 나타났다.
따라서 대청댐 이하 상류에서 오염물들에 대한 비점오염원에 대한 조사를 시행해야 할 것이다. 본 연구에서 적용된 EMMA의 변형된 계산식은 계절에 따른 지류혼합 뒤 오염물들의 거동을 이해하는데 도움이 되었으며 유량에 따라 비점오염원의 존재 가능성을 추정하는 데 유용하였다.
평균 유량을 이용하여 각 지류에서 유입되는 월 평균 오염물(BOD, COD TOC, SS, 총인, 총질소) 유입량을 계산하였다. 오염물 모두 상류에서는 미호천이 뚜렷이 높은 유입부하량을 보였고 다음으로는 갑천이었다(Fig. 4). 따라서 미호천과 갑천이 가장 크게 대청댐 이하 금강 상류 유기물과 영양염 농도에 영향을 미칠 것으로 판단된다(Fig.
또한 갑천이 유입된 다음 오염물들의 거동을 예측하였다. 유입부하량으로 고려했을 때 부유물, 유기물, 총질소와 총인 모두 금강 상류에서는 갑천과 미호천의 영향이 가장 클 것으로 판단된다. 반면 하류에서는 주로 논산 지역에 위치한 석성천과 논산천이 오염물 농도에 가장 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다.
그렇지만 장마철에는 청원에서의 부하량이 높은 것으로 나타나 조사되지 않는 비점오염원이 있을 것으로 나타냈다. 이와 같이 두 가지 방식이 유사한 결과를 보여줌에 따라 유량 측정을 하지 않아도 EMMA방식을 이용해 오염물들의 농도를 예상하여 미지의 오염원의 가능성을 추정할 수 있었다.
반면, 유기물과 총질소는 장마철 전 후에는 대체적으로 관측농도와 예상농도가 비슷하여 보존성 경향을 나타냈다(Table 1). 즉 현도에서 흘러오는 유기물과 질소는 농도가 높은 갑천을 만나 농도가 증가하였지만 갑천 이외의 숨겨진 source는 없는 것으로 간주되었다. 그러나 장마철에는 관측농도가 예상농도보다 뚜렷이 높아지는 경향을 보임으로서 유기물과 총질소 역시 장마철에는 갑천 이외에 비점 오염원의 소스를 가지는 것으로 판단된다.
반면 부유물질과 총인은 장마철과 장마철 전 후에도 갑천 이외에 농도 증가의 원인이 되는 다른 오염원이 있을 것으로 나타났다. 특히 유량이 증가하는 장마철에 비점오염원 유입이 가장 증대하는 것으로 나타났다. 따라서 대청댐 이하 상류에서 오염물들에 대한 비점오염원에 대한 조사를 시행해야 할 것이다.
후속연구
특히 유량이 증가하는 장마철에 비점오염원 유입이 가장 증대하는 것으로 나타났다. 따라서 대청댐 이하 상류에서 오염물들에 대한 비점오염원에 대한 조사를 시행해야 할 것이다. 본 연구에서 적용된 EMMA의 변형된 계산식은 계절에 따른 지류혼합 뒤 오염물들의 거동을 이해하는데 도움이 되었으며 유량에 따라 비점오염원의 존재 가능성을 추정하는 데 유용하였다.
따라서 갑천이 유입된 직후부터 청원 지점까지 미지의 오염원에 관한 조사가 필요하다. 또한 실험실에서의 믹싱실험을 통하여 지화학적 과정으로 농도가 증가하는지에 대한 연구 역시 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 연구에서 예상농도를 산정할 수 없었던 이유는 무엇인가?
하류에서 주 지류인 논산천과 석성천이 유입된 다음 예상농도를 계산하기 위하여 갑천에서 적용된 방식을 이용하려고 하였으나 유량 비율이 1보다 크거나 음의 값이 나옴으로서 예상농도를 산정할 수 없었다. 본류와 지류가 섞일때 각각의 유량 비중을 계산하기 위해 이용되는 보존성 원소로는 전기전도도 이외에도 Na, Ca, K, Mg, Cl, SO4 등이 있다(Frank et al.
하천 수질의 특징은 무엇인가?
하천 수질은 강수량 증가에 따른 유량 변화와 지류 혼합(tributary mixing) 그리고 두 변수의 동시작용에 의해 변화될 수 있다. 실례로 갑천에서 유량이 증가했을 때 희석효과로 인해 총인과 엽록소 a의 농도가 낮아졌음이 보고되었다(Choi et al.
토지이용도가 상이한 각각의 지류들은 하천의 수질이 다를 수 있다는 말을 통해 알 수 있는 것은 무엇인가?
토지이용도(land use)가 상이한 각각의 지류들은 하천의 수질이 다를 수 있다. 즉 도시를 관통하는 하천과 상대적으로 덜 개발된 지역을 관통하는 하천의 수질은 다르다(Bourgeios-Calvin, 2008). 이렇게 성격이 다른 지류들이 본류에 유입되어 혼합이 일어나면 본류의 수질이 변할 수 있다(Fortner, 2011; Shim, 2011).
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