[논문]온대지역 부영양 저수지의 이산화탄소 배출량 산정

정세웅; 유지수; 박형석

doi:10.15681/kswe.2016.32.5.433

온대지역 부영양 저수지의 이산화탄소 배출량 산정
Estimation of CO2 Emission from a Eutrophic Reservoir in Temperate Region 원문보기

한국물환경학회지 = Journal of Korean Society on Water Environment, v.32 no.5, 2016년, pp.433 - 441

정세웅 (충북대학교 환경공학과) , 유지수 (충북대학교 환경공학과) , 박형석 (충북대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Many large dams have been constructed for water supply, irrigation, flood control and hydropower in Korea for the last century. Meanwhile, recent studies indicated that the artificial reservoirs impounded by these dams are major sources of carbon dioxide (CO2) to the atmosphere and relevant to global budget of green house gases. However, limited information is available on the seasonal variations of CO2 evasion from the reservoirs located in the temperate monsoon regions including Korea. The objectives of this study were to estimate daily Net Atmospheric Flux (NAF) of CO2 in Daecheong Reservoir located in Geum River basin of Korea, and analyze the influencing parameters that characterize the variation of NAF. Daily pH and alkalinity (Alk) data collected in wet year (2012) and dry year (2013) were used for estimating the NAFs in the reservoir. The dissolved inorganic carbon (DIC) was computed using the pH and Alk measurements supposing an equilibrium state among the carbonate species. The results showed seasonal variations of NAF; negative NAFs from May to October when the primary production of the reservoir increased with water temperature increase, while positive NAF for the rest of the period. Overall the reservoir acted as sources of CO2 to the atmosphere. The estimated NAFs were 2,590 and 771 mg CO2 m-2d-1 in 2012 and 2013, respectively, indicating that the NAFs vary a large extent for different hydrological years. Statistical analysis indicated that the NAFs are negatively correlated to pH, water temperature, and Chl-a concentration of the reservoir.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 중위도 온대지역에 위치한 인공호수인 대청호를 대상으로 일별 CO₂ 배출량 및 흡수량을 산정하고, 비모수 통계기법과 다중회귀분석을 통해 CO₂ 배출량의 변동에 영향을 미치는 주요한 인자들을 규명하는데 있다. 본 연구결과는 국내 댐 저수지의 CO₂ NAF의 발생 특성과 배출량에 대한 정량적 기초자료를 제공하고, 다양한 국내 저수지와 하구에서의 탄소순환 해석을 위한 연구방법론으로 활용될 수 있다.

제안 방법

연간 탄소배출량 산정의 정확도를 높이기 위해 일별 저수지 수위와 수위-저수면적 관계식을 사용하여 저수지 수면적을 일별로 산정하였다. CO₂ 기체 전달속도는 대청 AWS에서 측정한 일별 풍속자료를 이용하여 산정하였다. CO₂의 배출량 및 흡수량은 일단위로 산정하고 다시 계절별 변동성을 분석하였다.
CO₂ 기체 전달속도는 대청 AWS에서 측정한 일별 풍속자료를 이용하여 산정하였다. CO₂의 배출량 및 흡수량은 일단위로 산정하고 다시 계절별 변동성을 분석하였다.
회귀분석은 2012년과 2013년에 대해 각각 실시하여 수문사상이 다른 두 해의 특성을 파악하고자 비교하였다. 다중회귀분석방법은 SPSS에서 제공하는 단계적 전진 방법을 사용하였으며, NAF를 종속변수로 하고 독립변수는 PRCP, WS, WT, pH, Alk, Chl-a를 포함하였다. 이 방법은 변수가 모형에 순차적으로 입력되는 단계별 변수 선택 방법을 사용하며, 방정식에 입력할 첫 번째 변수는 종속변수와 최대 양의 상관 또는 음의 상관관계에 있는 변수를 선택한다.
배출량 산정이 가능하다. 대청호의 일별 저수 면적 변화를 정확히 반영하기 위해 퇴사량측정보고서(K-water, 2006)를 바탕으로 대청호 수위-저수면적관계식을 작성하였으며, 국가수자원정보시스템(WAMIS)에서 제공하는 일별 저수위 자료를 적용하여 일별 저수면적을 산정하였다.
본 연구에서는 대청호를 대상으로 연 강수량이 서로 다른2012년(1, 522.3 mm, 평수년 이상)과 2013년(1, 125.9 mm, 평수년 이하)에 대해 각각 일별 CO₂ NAF를 산정하고, NAF 의 계절별 변동 특성에 영향을 미치는 요인들을 통계 분석하였다. 본 연구를 통해 도출된 주요 결론은 다음과 같다.
사용하였다. 산정기간은 2012년과 2013년이며, 일 단위로 측정된 pH와 알칼리도(Alk) 자료를 사용하여 용존무기탄소(DIC)의 농도를 산정하였다. 연간 탄소배출량 산정의 정확도를 높이기 위해 일별 저수지 수위와 수위-저수면적 관계식을 사용하여 저수지 수면적을 일별로 산정하였다.
산정기간은 2012년과 2013년이며, 일 단위로 측정된 pH와 알칼리도(Alk) 자료를 사용하여 용존무기탄소(DIC)의 농도를 산정하였다. 연간 탄소배출량 산정의 정확도를 높이기 위해 일별 저수지 수위와 수위-저수면적 관계식을 사용하여 저수지 수면적을 일별로 산정하였다. CO₂ 기체 전달속도는 대청 AWS에서 측정한 일별 풍속자료를 이용하여 산정하였다.
실시하였다. 회귀분석은 2012년과 2013년에 대해 각각 실시하여 수문사상이 다른 두 해의 특성을 파악하고자 비교하였다. 다중회귀분석방법은 SPSS에서 제공하는 단계적 전진 방법을 사용하였으며, NAF를 종속변수로 하고 독립변수는 PRCP, WS, WT, pH, Alk, Chl-a를 포함하였다.

대상 데이터

kr)에서 일평균 값으로 처리하여 제공하는 자료를 사용하였다. Alk 자료는 환경부 실시간 측정자료에 포함되어 있지 않아 대청호 내 문의취수탑(R3)과 조정지 내 현도취수탑에서 원수를 취수하는 K-water의 C 정수장에서 일별로 측정한 원수의 Alk 자료를 제공받아 사용하였다.
대청호 CO₂ 배출량 산정을 위해서 풍속(WS), 수온(WT), pH, Alk 자료를 수집하였으며, NAF에 영향을 미치는 요인분석과 다중회귀 모델 개발을 위해 강수량(PRCP)과 Chl-a 자료를 함께 수집하였다. 풍속 자료는 기상청(www.
본 연구에서는 대청호의 CO₂ 배출량 산정을 위해 환경부에서 수질자동측정망을 운영하고 있는 회남대교(R5) 지점을 대표지점으로 선정하였다. R5 지점은 비교적 수심이 깊고(최대수심 34 m) 수리학적으로 하천과 저수지의 천이부에 해당하여 유입수가 정체하는 특성을 보이며, 녹조가 자주 발생하여 조류경보제 지점으로 지정되어 있다.
본 연구의 대상인 대청호는 금강하구로부터 150 km 지점에 위치하고 있으며 1981년에 대청댐이 준공되면서 형성되었다. 총 유역면적은 3, 204 km²로써 금강수계 전체 면적 9, 886 km²의 32.
함께 수집하였다. 풍속 자료는 기상청(www.kma.go.kr) 자료를 사용하였으며, WT, pH, Chl-a 자료는 환경부 실시간 수질 정보시스템(water.nier.go.kr)에서 일평균 값으로 처리하여 제공하는 자료를 사용하였다. Alk 자료는 환경부 실시간 측정자료에 포함되어 있지 않아 대청호 내 문의취수탑(R3)과 조정지 내 현도취수탑에서 원수를 취수하는 K-water의 C 정수장에서 일별로 측정한 원수의 Alk 자료를 제공받아 사용하였다.

데이터처리

2012년과 2013년 일별 NAF 산정결과와 영향인자들 간의 관계를 파악하고 NAF 예측 모형을 개발하기 위해 다중 회귀분석을 실시하였다. 회귀분석은 2012년과 2013년에 대해 각각 실시하여 수문사상이 다른 두 해의 특성을 파악하고자 비교하였다.
모든 통계처리는 IBM SPSS Statistics (Version 24)를 사용하였다. 사용된 자료의 정규성 검정을 Kolmogorov-Smirnov 테스트로 수행한 결과, 모든 항목에서 귀무가설이 기각되어 모든 통계분석은 비모수 통계기법으로 처리하였다. 2012년은 2013 년과 비교하여 연 강수량이 396.

이론/모형

있다. 대기-수면 경계면을 통해 교환되는 CO₂의 NAF는 식 (4) 를이용하여 Fick의 1차 확산법칙으로 계산하였다. 물 속의 CO₂ 분압(#)이 #보다 큰 경우 배출이 일어나며 그 반대는 흡수가 일어난다.
대청호 수면을 통한 일별 CO₂ 배출량 및 흡수량의 산정은 Cole and Prairie(2009)이 제시한 방법을 사용하였다. 산정기간은 2012년과 2013년이며, 일 단위로 측정된 pH와 알칼리도(Alk) 자료를 사용하여 용존무기탄소(DIC)의 농도를 산정하였다.
풍속과 흐름의 상태에 영향을 받는다. 본 연구에서 기체전달 속도는 Wanninkhof and Knox(1996)가 제안한 식 (5)를 이용하여 계산하였다.

성능/효과

1) 대청호는 2012년과 2013년 모두 대기 중 CO₂의 배출원으로 밝혀졌으며, 강수량이 풍부했던 2012년 NAF(2590± 3127 mg-CO₂ m^-2day^-1)는 2013년 NAF(771±1624 mg-CO₂ m^-2day^-1)보다 평균은 3배 이상, 중위값은 16배 이상 높았다.
2) NAF는 연중 계절적인 변동성을 보였으며, 수온이 상승하고 조류가 성장하는 시기인 5월과 10월 사이에는 음의 값(대기 중 CO₂ 흡수)을 보인 반면, 나머지 기간에는 양의 값(대기로 CO₂ 배출)을 보였다.
2012년, 2013년, 2012-2013년 자료를 사용하여 산정한NAFs와 영양인자들 간의 이변량 상관분석을 실시한 결과는 Table 11과 같다. 2012년 NAFs는 WT, pH, Chl-a, WS와 통계적으로 유의할 만한 수준의 상관성이 있었으며, 2013년 NAFs 는 WS를 제외한 모든 요인과 유의할 만한 상관성을 보여 주었다. 반면, 2012-2013년 NAFs를 모두 사용한 경우에는 PRCP를 제외한 모든 요인과 상관성을 보였다.
이는 조류 성장에 따른 DIC 감소와 pH 증가가 원인으로 판단된다. 2012년과 2013년 NAF의 평균(±표준편차)는 각각 2590(±3127)과 771(±1624) mg-CO₂ m^-2day^-1로써 강수량이 풍부했던 2012년의 NAF 평균값이 2013년 보다 3배 이상, 중위값은 16배 이상 크게 산정되었다(Table 4). 반면, 연간 단위면적당 CO₂ 흡수량은 2013년이 -118.
PRCP를 제외한 대부분의 변수들 간의 상관성은 2012년과 2013년이 유사하였다. 2012년과 2013년 모두 수온은 조류 농도와 높은 상관성을 보였으며, 이에 따라 pH와도 높은 상관성을 보였다. 두 해 모두 강수량은 Alk 농도와 역상관성을 보였으며, Alk는 Chl-a와 역상관성을 보였다.
3) 단계적 다중회귀분석 결과, 2012년과 2013년의 NAFs는 PRCP를 제외한 5개 독립변수(WT, pH, Alk, Chl-a, WS)를 사용했을 때 가장 높은 결정계수와 작은 표준오차를 보였으며, 2012년과 2013년의 결정계수는 각각 0.757과 0.838로써 개발된 회귀식은 NAF의 일별 변동성에 대해 높은 설명력을 보였다.
반면, 2012-2013년 NAFs를 모두 사용한 경우에는 PRCP를 제외한 모든 요인과 상관성을 보였다. 3가지 경우 모두에서 WT와 pH, 그리고 Chl-a는 NAFs와 매우 큰 음의 상관성을 보였으며, 특히 pH는 가장 큰 역상관성을 보이고 있어 대청호의 CO₂ 배출량은 pH에 가장 민감한 것으로 판단된다.
4) 2012년, 2013년, 2012-2013년 자료를 사용하여 산정한 NAFs와 영양인자들 간의 이변량 상관분석 결과, NAF는 수온, pH, 그리고 Chl-a 농도와 매우 큰 음의 상관성을 보였으며, 특히 pH는 가장 큰 역상관성을 보여 대청호의 CO₂ 배출량은 pH에 가장 민감한 것으로 규명되었다. 본 연구에서는 CO₂ NAF 산정을 위해 무기 탄소 이온들 간의 화학평형이론을 가정하였으나, 향후에는 이에 대한 실험적 검증과 현장에서 CO₂ NAF를 직접 측정하여 이론적으로 산정한 NAF와 비교하는 연구가 필요하다.
성능 비교는 Table 7에 제시하였다. 5개 모델 중 독립변수 pH, Alk, WT, Chl-a, WS를 사용한 Model 5가 종속변수인 NAF의 변동성을 84.0%까지 설명하여 가장 우수한 것으로 평가되었다. 2013년 Model 5의 다중회귀식의 상수와 각 변수들의 기울기 값, 그리고 표준오차는 Table 8에 제시되었으며, 회귀식의 모든 매개변수는 유의수준 5%에서 통계적으로 유의한 것으로 판단되었다.
대한 표준오차를 보여준다. 5개 모델 중 독립변수 pH, WT, Chl-a, WS, Alk를 사용한 Model 5가 종속변수인 NAF의 변동성을 75.7%까지 가장 잘 재현하였다. 2012 년 자료로 개발한 Model 5 다중회귀식의 상수와 각 변수들의 기울기 값, 그리고 표준오차는 Table 6에 제시하였다.
Table 9와 10에 제시하였다. 5개 모델 중 역시 독립변수 pH, Alk, WS, Chl-a, WT를 사용한 Model 5가 가장좋은 성능을 보였으나, 종속변수의 변동에 대한 설명력은 68.3%로 하락하였다. 그러나, 다중회귀식의 모든 매개변수는 유의수준 5%에서 통계적으로 유의한 것으로 판단되었다.
3에 제시된 바와 같이 DIC 농도는 Alk 농도와 매우 높은 상관성을 보였으며, 강수량이 많았던 2012년이 2013년보다 더 큰 분산을 보이고 있다. Alk와 DIC 농도는 겨울과 봄철에 증가하였다가, 강우기부터 감소하는 경향을 보였다 (Fig. 4). DIC의 시계열 변동 특성은 Alk와 매우 유사하였으나, 여름철에 조류가 많이 발생하는 기간에는 광합성에 따른 수중 CO₂ 소모량이 증가하여 DIC 농도는 감소하고 pH는 증가하는 경향을 보인다.
3%로 하락하였다. 그러나, 다중회귀식의 모든 매개변수는 유의수준 5%에서 통계적으로 유의한 것으로 판단되었다. 두 해를 모두 포함한 다중회귀모델의 성능이 각각의 해에 대한 모델에 비해 성능이 떨어지는 이유는 2012년과 2013년의 NAF에 영향을 미치는 독립변수들의 영향력이 서로 상이하기 때문이며, 이는 강수량의 차이와 이에 따른 저수지의 이화학적 특성 변화가 원인으로 생각된다.
대청댐의 일별 저수면적을 고려하여 2012년과 2013년의 총 CO₂ 배출량을 산정한 결과, 각각 58.6×10⁶ kg-CO₂ yr^-1과 20.8×10⁶ kg-CO₂ yr^-1로써 2012년에 더 많은 CO₂를 배출하였고, 5월과 10월 사이 총 CO₂ 흡수량은 각각 -4.6×10⁶ kg-CO₂ yr^-1과 -5.5×10⁶ kg-CO₂ yr^-1로써 2013년에 더 많은 CO₂를 흡수하였다.
2012년과 2013년 모두 수온은 조류 농도와 높은 상관성을 보였으며, 이에 따라 pH와도 높은 상관성을 보였다. 두 해 모두 강수량은 Alk 농도와 역상관성을 보였으며, Alk는 Chl-a와 역상관성을 보였다. 대청호에서 Alk는 큰 강우가 발생한 경우 급격히 떨어지는 경향을 보였다.
, 2003). 여름철 저수지 표층의 pH는 조류 농도에 가장 큰 영향을 받는 것으로 보이며, 조류농도의 증가와 함께 pH도 증가하지만 집중호우 이후 일시적인 pH 저하를 일으키는 것으로 나타났다(Fig. 2(c)).
6으로써 산성이므로 강수량과 관계가 있을 것으로 유추된다. 이러한 가설을 확인하기 위해 대청호의 1992년부터 2005년까지(14년간) 연간 강수량과 연평균 pH의 상관분석을 실시한 결과, Spearman 상관계수가 -0.33 으로 역상관관계가 나타나 강수량이 많을수록 pH가 낮아지는 추세는 확인하였으나, 통계적 유의성은 없었다(유의수준 5%). Fig.
Lake Tahoe는 빈영양 호수로써 1차 생산성이 매우 낮아 대부분의 빈영양호와 같이 대청호 보다 NAF가 2배 정도 크게 산정되었다. 이러한 결과를 종합해 볼 때, 대청호와 같이 녹조가 자주 발생하는 부영양호는 빈영양호에 비해 수질 관리 측면에서는 어려움이 있으나, 수면으로부터 대기 중으로 CO₂ 배출을 억제하는 또 다른 측면이 있음을 알 수 있다.
총 유역면적은 3, 204 km²로써 금강수계 전체 면적 9, 886 km²의 32.4%를 점유한다. 상수만수위(EL.
2012 년 자료로 개발한 Model 5 다중회귀식의 상수와 각 변수들의 기울기 값, 그리고 표준오차는 Table 6에 제시하였다. 회귀식의 모든 매개변수는 유의수준 5%에서 통계적으로 유의한 것으로 판단되었다.

후속연구

있다. 본 연구결과는 국내 댐 저수지의 CO₂ NAF의 발생 특성과 배출량에 대한 정량적 기초자료를 제공하고, 다양한 국내 저수지와 하구에서의 탄소순환 해석을 위한 연구방법론으로 활용될 수 있다.
규명되었다. 본 연구에서는 CO₂ NAF 산정을 위해 무기 탄소 이온들 간의 화학평형이론을 가정하였으나, 향후에는 이에 대한 실험적 검증과 현장에서 CO₂ NAF를 직접 측정하여 이론적으로 산정한 NAF와 비교하는 연구가 필요하다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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