낙동강 중·하류 보 구간의 수질특성 및 Chl-a와 수질인자의 상관관계 분석 Analysis of Water Quality factor and Correlation between Water Quality and Chl-a in Middle and Downstream Weir Section of Nakdong River원문보기
본 연구는 보가 건설된 이후 분석되는 시기인 2012년 1월부터 2016년 10월까지의 낙동강 중 하류에 위치한 4개 보구간의 수질인자의 특성을 분석하고 다양한 통계분석 기법을 이용하여 Chlorophyll-a(Chl-a)와 수질인자간의 상관관계를 분석하였다. 연구결과, 달성보(DS)부터 창녕함안보(CH)까지의 영양염류와 Chl-a 농도가 강정고령보(GG)에 비해 높게 분석이 되었으며, 이는 DS 지점 상류에 위치한 금호강의 유입으로 인한 영향으로 판단된다. 수집한 전 시기의 상관분석결과, Chl-a와 대부분의 수질인자와 유의한 상관관계를 보였고, 각 연도별 하절기인 6월부터 9월까지 상관분석하여 비교한 결과, $PO_4-P$와 $NH_3-N$와의 상관성이 크게 증가하였다. 또한 비교적 적은 강수량과 높은 조류발생량이 기록된 2015년 하절기를 상관분석하여 비교한 결과, 모든 지점에서 $PO_4-P$와의 상관성이 증가하여 하절기에 인의 영향이 큰 것으로 판단된다. 전 시기를 요인분석한 결과, 공통적으로 제 1요인이 질소계열로 나타났으며, 각 연도별 하절기를 요인분석 결과 공통적으로 제 1요인은 인 계열이 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이는 중 하류 구간은 영양염류의 영향을 가장 많이 받는 것으로 판단되며, 하절기는 질소계열의 오염물질보다 인 계열의 오염물질에 영향을 받는 것으로 판단된다.
본 연구는 보가 건설된 이후 분석되는 시기인 2012년 1월부터 2016년 10월까지의 낙동강 중 하류에 위치한 4개 보구간의 수질인자의 특성을 분석하고 다양한 통계분석 기법을 이용하여 Chlorophyll-a(Chl-a)와 수질인자간의 상관관계를 분석하였다. 연구결과, 달성보(DS)부터 창녕함안보(CH)까지의 영양염류와 Chl-a 농도가 강정고령보(GG)에 비해 높게 분석이 되었으며, 이는 DS 지점 상류에 위치한 금호강의 유입으로 인한 영향으로 판단된다. 수집한 전 시기의 상관분석결과, Chl-a와 대부분의 수질인자와 유의한 상관관계를 보였고, 각 연도별 하절기인 6월부터 9월까지 상관분석하여 비교한 결과, $PO_4-P$와 $NH_3-N$와의 상관성이 크게 증가하였다. 또한 비교적 적은 강수량과 높은 조류발생량이 기록된 2015년 하절기를 상관분석하여 비교한 결과, 모든 지점에서 $PO_4-P$와의 상관성이 증가하여 하절기에 인의 영향이 큰 것으로 판단된다. 전 시기를 요인분석한 결과, 공통적으로 제 1요인이 질소계열로 나타났으며, 각 연도별 하절기를 요인분석 결과 공통적으로 제 1요인은 인 계열이 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이는 중 하류 구간은 영양염류의 영향을 가장 많이 받는 것으로 판단되며, 하절기는 질소계열의 오염물질보다 인 계열의 오염물질에 영향을 받는 것으로 판단된다.
This study analyzed the characteristics of water quality and the correlation between Chl-a and water quality factors among four weirs located in the middle and downstream of Nakdong River for five years. The concentration of nutrients and Chl-a from DS to CH was higher than that of GG, which is cons...
This study analyzed the characteristics of water quality and the correlation between Chl-a and water quality factors among four weirs located in the middle and downstream of Nakdong River for five years. The concentration of nutrients and Chl-a from DS to CH was higher than that of GG, which is considered to be due to the influx of Kumho River located at upstream of DS. There was a significant correlationship between Chl-a and most of the water quality factors for all season data. Based on the comparison results between all season data and summer season data, a negative correlation between Chl-a and nutrients ($PO_4-P$, $NH_3-N$) was increased. Based on analysis on summer in 2015 with relatively low precipitation and high algal blooms, the correlation between Chl-a and $PO_4-P$ at all sites were increased. Therefore phosphorus is an important factor in the river on summer season. And PCA results showed the first factor was classified as T-N, $NO_3-N$ for all seasons, and the first factor was classified as T-P, $PO_4-P$ for summer seasons. Consequently, the middle and downstream of Nakdong River were most affected by nutrients, especially it was affected by phosphorous pollutants rather than nitrogen pollutants during summer seasons.
This study analyzed the characteristics of water quality and the correlation between Chl-a and water quality factors among four weirs located in the middle and downstream of Nakdong River for five years. The concentration of nutrients and Chl-a from DS to CH was higher than that of GG, which is considered to be due to the influx of Kumho River located at upstream of DS. There was a significant correlationship between Chl-a and most of the water quality factors for all season data. Based on the comparison results between all season data and summer season data, a negative correlation between Chl-a and nutrients ($PO_4-P$, $NH_3-N$) was increased. Based on analysis on summer in 2015 with relatively low precipitation and high algal blooms, the correlation between Chl-a and $PO_4-P$ at all sites were increased. Therefore phosphorus is an important factor in the river on summer season. And PCA results showed the first factor was classified as T-N, $NO_3-N$ for all seasons, and the first factor was classified as T-P, $PO_4-P$ for summer seasons. Consequently, the middle and downstream of Nakdong River were most affected by nutrients, especially it was affected by phosphorous pollutants rather than nitrogen pollutants during summer seasons.
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문제 정의
조류 발생 영향인자에 대한 연구를 위한 다양한 분석 방법 중 다변량 통계분석은 복합적인 조류 발생과 수계의 특성 사이의 관계를 평가 및 해석하기 위한 유용한 방법이라고 할 수 있다.7) 본 연구에서는 낙동강 중․하류에 위치한 강정고령보부터 달성보, 합천창녕보, 창녕함안보 지점을 대상으로 다변량 통계분석을 통해 조류 발생정도를 측정할 수 있는 Chlorophyll-a와 수질인자 간의 특성과 대상 지점에 대한 수질 특성을 파악하고, 나아가 하절기 자료만 선별적으로 추출하여 Chlorophyll-a와 수질인자 간의 특성 및 대상 지점에 대한 수질 특성을 파악해보고자 한다.
제안 방법
낙동강 본류 구간의 보 설치로 인해 수심과 수량 증가 등 물리적 수환경과 영양물질의 희석과 축적 등 이화학적 수환경의 변화가 나타나고 있다. 그에 따라 4개 보의 지점별로 변화하는 수질특성을 파악하기 위해 연도별 평균을 구하여 제시하였다.
낙동강 중․하류에 위치한 4개의 보에서 2012년 1월부터 2016년 10월까지 관측한 수질항목을 대상으로 수질특성을 파악하기 위해 주성분분석과 요인분석을 실시하였다.
녹조가 다량으로 발생하는 시기인 하절기의 특성을 분석하기 위하여 각 연도별 하절기인 6월부터 9월까지의 자료를 추출하여 하절기의 수질특성을 파악해보았으며, Table 6에 결과를 나타내었다. 지점별로 산출된 요인은 모두 4요인으로 나타났으며, 각 구간 주성분의 누적 기여율은 (a) GG 77.
본 연구에서는 낙동강 중․하류에 위치하고 있는 4 개의 보 구간을 대상으로 2012년 1월부터 2016년 10월까지의 수질자료를 바탕으로 하여 각 지점별 특성을 분석하고 다변량 분석기법을 적용한 Chl-a와 수질인자 간의 상관분석과 요인분석을 수행한 결과는 다음과 같다.
05를 기준으로 하였으며, 그 이상일 경우 유의성이 낮으므로 상관계수가 높은 값이 도출되어도 상관관계를 가진다고 판단할 수 없다. 주성분 분석은 주성분 수를 결정하기 위해 요인을 설명하는 분산의 크기인 고유치(eigenvalue)가 1.0 이상인 값을 갖는 주성분 축만을 고려하였다. 고유치가 1.
대상 데이터
낙동강 중․하류에 위치한 강정고령보(GG), 달성보(DS), 합천창녕보(HC), 창녕함안보(CH) 지점의 수질자료를 환경부 물환경정보시스템(http://water.nier.go.kr)에서 제공하는 자료를 이용하였으며, 각 보의 특성은 Table 1에 나타내었다. 각 보 구간의 평균 구간길이는 29.
2 km 지점에 금호강이 유입되고 있으며, HC 지점의 경우 회천이 유입되고 있고, CH 지점의 경우 황강과 상류 12 km지점에 남강이 유입되고 있다. 수집 시기는 보가 설치되고 난 후 분석이 시작된 2012년 1월부터 2016년 10월까지 측정된 자료를 이용하였으며, 이 때 측정된 자료는 각 월별로 4회씩 분석하였고 때에 따라 5회 분석한 날도 있었다. 조사지점은 각각 보 상류 500m 지점인 다사(강정고령보, GG), 논공(달성보, DS), 덕곡(합천창녕보, HC), 함안(창녕함안보, CH)를 선정하였다.
수집 시기는 보가 설치되고 난 후 분석이 시작된 2012년 1월부터 2016년 10월까지 측정된 자료를 이용하였으며, 이 때 측정된 자료는 각 월별로 4회씩 분석하였고 때에 따라 5회 분석한 날도 있었다. 조사지점은 각각 보 상류 500m 지점인 다사(강정고령보, GG), 논공(달성보, DS), 덕곡(합천창녕보, HC), 함안(창녕함안보, CH)를 선정하였다. 낙동강 본류 구간의 보 설치로 인해 수심과 수량 증가 등 물리적 수환경과 영양물질의 희석과 축적 등 이화학적 수환경의 변화가 나타나고 있다.
데이터처리
낙동강 중․하류 수계에서는 높은 수온과 풍부한 영양염류로 남조류 세포수가 조류경보제 발령기준에서 관심단계인 1,000 cells/mL 이상이 분석이 되고 있으며, 특히 강수량이 적은 시기인 8월에 대량으로 발생하고 있다. 따라서 조사시간 중 각 연도별 남조류가 대량 증식하는 시기인 6월 부터 9월까지의 하절기 데이터만 추출하여 상관분석 결과를 Table 3(b)에 나타내었으며, Table 3(a)의 결과와 비교하였다. 대부분의 지점에서 대체적으로 수질인자와 Chl-a와의 상관성이 약간씩 감소하였지만 WT, NH3-N와 PO4-P의 상관성은 오히려 증가한 것을 볼 수 있었다.
각 지점의 Chl-a와 수질인자간의 변동 특성을 파악하기 위해 상관성 분석을 실시하였으며, 일반적으로 이용되는 Pearson’s correlation analysis를 이용하여 분석하였다.
9,10) 두 분석이 모두 만족하게 되면 요인분석 실행이 타당하게 된다. 주성분 분석으로 요인을 추출한 후 요인과 변수와의 상관계수에 따른 요인 구조 명확화를 위해 직교회전방식(Varimax) 방식을 적용하여 요인분석을 실시하였다. 요인분석은 많은 변수들을 소수의 공통요인으로 묶을 수 있어 복잡한 데이터를 간단하게 요약하여 설명할 수 있으며, 관측된 변수들에 영향을 미치고 있는 공통인자를 찾아내는 데 목적이 있으며 직교회전 이후 뚜렷하게 각 영향 요인을 규정할 수 있다.
이론/모형
통계에 사용할 변수가 요인분석에 적합한지에 대한 검증으로Kaiser-Meyer-Olkin (KMO) test와 Barlett’s test를 실행해야 한다.
성능/효과
(d) CH 0.698로 분석되었고 Bartlett’s test의 구형 검증을 실시한 결과, 변수들의 상관관계가 통계적으로 유의하게 나타나 전 시기의 요인분석이 타당한 것으로 분석되었다.
(d) CH 0.702로 분석되었고 Bartlett’s test의 구형 검증을 실시한 결과, 변수들의 상관관계가 통계적으로 유의하게 나타나 각 연도별 하절기의 요인분석이 타당한 것으로 분석되었다.
1) 낙동강 중․하류의 수질은 DS 지점 위에서 유입되고 있는 지류인 금호강과 CH 지점 위의 남강의 영향이 큰 것으로 볼 수 있으며, 특히 영양염류와 Chl-a의 농도가 비교적 높게 분석되어 본류뿐만 아니라 지류하천의 관리가 필요할 것으로 판단된다.
2008년에 4대강 사업을 시작하면서 본류의 수량 확보, 수질 개선 등의 목적으로 낙동강 본류에는 총 8개의 보가 건설되었다.1) 이에 따라 수심이 깊어지고 하천의 흐름을 정체시켜 체류시간을 증가시키게 하는 원인이 되었으며, 유입된 오염물질이 축적되는 폐쇄성 수역의 특징을 가지게 되어 하천의 자정능력이 떨어지게 되면서 하천 내의 수생태계 전반에 걸쳐 영향을 미치게 되었다.1,2) 또한, 몇몇 지점에서는 이러한 요인들이 조류의 대발생에 영향을 주는 것으로 보고되기도 하였다.
12) 낙동강 유역의 보가 설치되기 전과 후를 비교하면, 대부분의 영양염류의 농도가 보 설치 이후 전체적으로 감소하였다는 연구결과가 있다.13) 따라서 정확한 수질변화의 추세와 원인을 파악하기 위해서는 지속적인 모니터링이 중요하다고 판단되며 보 설치 이후인 2012년 1월부터 2016년 10월까지의 조사기간 동안 분석된 수질항목을 각 지점마다 연도별 평균을 구하여 Table 2에 나타내었다.
CH지점의 경우 황강과 남강 등의 비교적 오염부하량이 높은 지류들이 위치해 있으며,16) 특히 남강은 주변 축산농가와 공업지역이 하천 인근에 위치하는 특성을 가지고 있어 낙동강 하류에 직접적인 영향을 미칠 수 있고 비교적 높은 유량이 본류로 유입되어 본류의 유량 변화에 영향을 크게 미친다는 연구결과가 있다.17) HC 지점의 경우 본류에 비해 상대적으로 Chl-a 농도가 낮은 지류의 유입으로 본류에서 희석 효과가 발생하여 Chl-a의 농도가 낮아졌다는 연구결과 가 있다.18) 따라서 낙동강 중․하류에 연결되어 있는 금호강, 남강 등의 지류들의 지속적인 관리가 필요할 것으로 판단된다.
2) 2012년 1월부터 2016년 10월까지 관측된 모든 데이터를 이용하여 상관성을 분석한 결과, 4개 보 모든 지점에서 NH3-N와의 유의한 음의 상관성이 나타났으며 GG 지점과 CH 지점에서는 PO4-P와의 유의한 음의 상관성이 나타났다. 그러나 조류가 크게 발생하는 각 연도별 하절기 자료만 추출하여 상관성을 분석한 결과, 전 지점에서 NH3-N, PO4-P와의 음의 상관성이 증가한 것으로 나타났다.
3) 또한, 비교적 적은 강우량과 높은 조류 발생량을 기록한 2015년 하절기만을 추출하여 상관성을 분석한 결과, PO4-P의 경우 전 지점에서 높은 음의 상관성을 보였다. 이는 하절기에 인 계열의 오염물질이 과다 유입되었으며, 본 연구의 분석결과 질소 계열보다 인 계열의 오염물질이 조류성장에 영향을 크게 미치는 것으로 판단된다.
4) 관측된 모든 데이터를 이용하여 요인 분석한 결과에서 각 보 지점별로 4개의 주성분이 추출되었으며, 전 지점에서 공통적으로 제 1요인으로 TN, NO3-N, DO, WT가 포함되어 낙동강 중․하류는 생활하수와 축산폐수 등에 따른 질소계열의 오염물질이 많이 유출된 것으로 나타났다. 그러나 각 연도별 하절기 자료만을 추출하여 요인 분석한 결과, 전 지점에서 공통적으로 제 1요인이 TP, Cond.
4개의 보가 근접한 지역인 대구, 의령, 합천 지점의 기상청 자료를 이용하여 6월부터 9월까지의 여름철 강수량을 평균하여 비교해본 결과, 2015년이 135.8 mm로써 다른 해에 비해 비교적 낮은 강수량이 조사되었다. 이에 높은 수온과 강수량 부족에 따른 체류시간 증가 등 남조류가 대량 발생할 수 있는 조건을 충족하였으며, 2015년 낙동강에 조류가 크게 발생하면서 환경부 측정자료에 따르면, 8월에 창녕 함안보의 남조류의 개체수가 조류경보제 최고치인 556,740 cells/mL로 기록되었다.
1 Å~ 106 m3이다.8) 각 보 사이에는 많은 지류들이 있는데 지류들 중에서 유역면적이넓고 유량이 커 비교적 본류에 영향을 미치는 지류를 중심으로 DS 지점의 경우 상류 16.2 km 지점에 금호강이 유입되고 있으며, HC 지점의 경우 회천이 유입되고 있고, CH 지점의 경우 황강과 상류 12 km지점에 남강이 유입되고 있다. 수집 시기는 보가 설치되고 난 후 분석이 시작된 2012년 1월부터 2016년 10월까지 측정된 자료를 이용하였으며, 이 때 측정된 자료는 각 월별로 4회씩 분석하였고 때에 따라 5회 분석한 날도 있었다.
9) 영양염류인 질소와 인에서도 상관성이 나타났는데, TN, NH3-N, NO3-N의 경우 전 지점에서 작지만 통계적으로 유의한 상관성(p < 0.01)을 보였으며, TP는 GG 지점을 제외한 DS, HC, CH 지점에서 유의한 상관성을 보였고, PO4-P의 경우 GG, CH 지점에서 음의 상관성을 보였다.
PO4-P는 전 지점에서 뚜렷하게 음의 상관성(p < 0.01)이 증가하였으며, 특히 DS 지점과 HC 지점에서 다른 지점에 비해 상관성이 크게 증가하였는데, DS 지점의 경우 R값이 -0.024에서 -0.343로 상관성이 증가하였으며, HC지점의 경우 R값이 -0.102에서 -0.421로 상관성이 크게 증가하였다.
그 결과 4개의 보에서 Chl-a와 대부분의 수질인자 간의 상관성을 보였으며, 특히 pH와 BOD의 상관계수(R)가 0.5 이상으로써(p < 0.01) Chl-a와 비교적 유의한 상관관계를 나타내었다.
-P와의 유의한 음의 상관성이 나타났다. 그러나 조류가 크게 발생하는 각 연도별 하절기 자료만 추출하여 상관성을 분석한 결과, 전 지점에서 NH3-N, PO4-P와의 음의 상관성이 증가한 것으로 나타났다.
이는 하절기에 주로 발생하는 집중강우로 인해 유량이 증가하여 수중의 부유물질이 증가한 것으로 판단되며, DS 지점과 HC 지점의 경우 유입되는 지류들이 많이 분포해있어 SS 농도에 미치는 영향이 큰 것으로 판단된다. 또한 DS 지점과 HC 지점의 질소와 인 농도가 다른 보에 비해 높게 분석이 되었는데, 각각의 수질인자에 대한 평균 값은 DS 지점의 경우 T-N은 3.807 mg/L, NH3-N이 0.144mg/L, NO3-N이 2.809 mg/L를 보였으며, HC 지점의 경우 T-N은 3.495 mg/L, NH3-N이 0.113 mg/L, NO3-N이 2.580mg/L의 농도를 보였다. 마찬가지로 TP와 PO4-P도 높게 분석이 되었으며, DS 지점에서 각각 0.
또한 PO4-P의 경우 전 지점에서 음의 상관성이 유의하게 나타났고(p < 0.05) 그 중 GG 지점과 DS 지점에서의 상관성이 비교적 크게 증가하였다.
1에 나타내었다. 요인분석 결과, 4개의 보에서 영향을 받는 요인의 순서는 조금씩 다르나, 공통적으로 TN, NO3-N, DO, WT의 오염물질이 제 1 요인으로 작용하여, 낙동강 중․하류는 상류 도시지역의 생활하수가 하류 지역으로 도달함과 동시에 주변 농가의 축산폐수 등에 따른 질소계열의 오염물질의 유출이 수질관리에 있어 중요한 변수임을 알 수 있다.
-P의 경우 전 지점에서 높은 음의 상관성을 보였다. 이는 하절기에 인 계열의 오염물질이 과다 유입되었으며, 본 연구의 분석결과 질소 계열보다 인 계열의 오염물질이 조류성장에 영향을 크게 미치는 것으로 판단된다.
후속연구
18) 따라서 낙동강 중․하류에 연결되어 있는 금호강, 남강 등의 지류들의 지속적인 관리가 필요할 것으로 판단된다. 또한 식물성 플랑크톤의 발생원인은 과량의 영양염류 이외에도 다양한 기상, 수리, 환경인자들이 복합적으로 작용하여 발생하고9) 계절별로 하천의 수질, 기상조건, 수리특성 등이 변화하기 때문에 월별로 다양한 인자들과의 비교분석에 대한 추가 연구가 필요한 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
낙동강의 총 길이와 유역면적은 어떻게 되는가?
낙동강은 길이가 525 km이며, 유역면적이 23,384 km2에 이르는 국내에서 가장 긴 하천 중의 하나이다. 2008년에 4대강 사업을 시작하면서 본류의 수량 확보, 수질 개선 등의 목적으로 낙동강 본류에는 총 8개의 보가 건설되었다.
부영양화와 녹조현상에 크게 영향을 주는 요인은 무엇인가?
또한 낙동강은 하천 상류구간에서 유출되고 있는 축산폐수, 생활하수와 농경지 유출수 등의 비점오염원과 중․하류부에 집중되어 있는 구미, 대구와 같은 대도시와 산업단지로부터 배출되는 많은 오염물질이 본류로 직접 유입되거나 지류를 통해 하천에 유입되고 있어 부영양화 현상이 심화되고 있는 실정이다.4,5) 일반적인 부영양화와 녹조현상은 수중의 질소와 인의 농도에 큰 영향을 받는 것으로 보고되고 있다.5) 특히 하절기 부영양화 수계에서는 식물 플랑크톤의 대량 발생을 야기시키며 수온 상승에 따른 성층화 현상으로 인한 남조류의 발생을 촉진시킨다.
낙동강 본류에는 총 8개의 보가 건설됨으로 수생태계에 미친 영향은?
2008년에 4대강 사업을 시작하면서 본류의 수량 확보, 수질 개선 등의 목적으로 낙동강 본류에는 총 8개의 보가 건설되었다.1) 이에 따라 수심이 깊어지고 하천의 흐름을 정체시켜 체류시간을 증가시키게 하는 원인이 되었으며, 유입된 오염물질이 축적되는 폐쇄성 수역의 특징을 가지게 되어 하천의 자정능력이 떨어지게 되면서 하천 내의 수생태계 전반에 걸쳐 영향을 미치게 되었다.1,2) 또한, 몇몇 지점에서는 이러한 요인들이 조류의 대발생에 영향을 주는 것으로 보고되기도 하였다.
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