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문제 정의
- 본 연구는 의암호의 주요 지점에서 2012년부터 2015년까지 매월 모니터링 한 수질자료를 강수량, 유입량, 방류량 및 수위의 기상·수문학적 요인과 비교함으로써 수질의 시공간적 증감 동태를 분석하였다.
- 본 연구는 의암호의 주요 지점에서 2012년부터 2015년까지 매월 모니터링 한 수질자료를 강수량, 유입량, 방류량 및 수위의 기상·수문학적 요인과 비교함으로써 수질의 시공간적 증감 동태를 분석하였다. 이에 그 결과를 의암호의 수질 변동성뿐만 아니라 녹조현상과 그 영향에 대한 육수학적 이해를 돕는 데 유용한 기초자료로써 제공하고자 하였다.
제안 방법
- 수집한 기초자료는 요인별로 결측 또는 이상치를 검토하였고, 최종적으로 확인된 자료를 이용하여 분석하였다. 그리고 방류량은 수문(watergate)을 개방하여 여수로(spillway)로 넘어가는 월류량과 댐의 중저층 수심에서 배출하는 발전방류량으로 구분하였다. 국내·외적으로 대다수 인공댐 저수지는 발전방류가 기본으로 단속되고 있어서(Thornton et al.
- 배양온도는 25℃의 항온을 유지하였고, 광은 200 μmol m-2 s-1로서 연속 조사하였으며, 100~110rpm으로 회전 교반시켰다(Fig. 2).
- 2). 배양은 duplicate로 하였고, 접종한 시료는 7일 동안 배양한 후 흡광도계(Optizen2200, Mecasys, Korea)의 600 nm 파장에서 흡광도를 측정하였으며, 최종 건중량(mg dw L-1)으로 산출하였다(Shin,1998). 수질 및 수문자료의 시공간적 차이 분석을 위해 ANOVA의 사후분석법(post-hoc Tukey’s HSD test)을 이용하였으며, 각 변수들의 상관관계는 Spearman’s Rank의 분석법으로 수행하였다.
- 조사지점은 춘천하수종말처리장 방류구로부터 전방 약 180 m 정도 떨어진 지점(CWT), 공지천 하구에서 상류 약 100 m 지점(GON), 공지천 하구~댐구간의 중간지점 (SAM) 및 댐 (EUD)의 각 1개씩이었고,EUD는 상층(epilimnion: E), 중층(metalimnion: M) 및 하층 (hypolimnion: H)의 3개로서 총 6개이었다. 수온, DO,pH 및 conductivity는 다항목 수질 측정기 (Horiba U-50,Japan)를 이용하여 현장에서 직접 측정하였다. 수질분석을 위한 시료 채수는 각 지점의 표층수와 수층별로 VanDorn sampler (IS-tech, Korea)를 이용하였다.
- kr). 수집한 기초자료는 요인별로 결측 또는 이상치를 검토하였고, 최종적으로 확인된 자료를 이용하여 분석하였다. 그리고 방류량은 수문(watergate)을 개방하여 여수로(spillway)로 넘어가는 월류량과 댐의 중저층 수심에서 배출하는 발전방류량으로 구분하였다.
- 수질분석을 위한 시료 채수는 각 지점의 표층수와 수층별로 VanDorn sampler (IS-tech, Korea)를 이용하였다. 채수한 시료는 아이스박스에 담아 보관한 후 차량을 이용하여 12시간 이내에 실험실로 옮겼고, 즉시 전처리 및 분석하였다(APHA, 1995). BOD5 (biological oxygen demand), CODMn(chemical oxygen demand), T-N (total nitrogen) 및 T-P(total phosphorus)는 원수를 그대로 사용하였고, Ammonium(NH4), Nitrate (NO3) 및 Soluble reactive phosphorus (SRP,PO4)의 무기 영양염과 DTN (dissolved total nitrogen),DTP (dissolved total phosphorus)의 분석을 위한 시료는Whatman GF/F filter (Whatman, UK)로 여과한 후 사용하였다(Rump and Krist, 1988; APHA, 1995).
대상 데이터
- 채수한 시료는 아이스박스에 담아 보관한 후 차량을 이용하여 12시간 이내에 실험실로 옮겼고, 즉시 전처리 및 분석하였다(APHA, 1995). BOD5 (biological oxygen demand), CODMn(chemical oxygen demand), T-N (total nitrogen) 및 T-P(total phosphorus)는 원수를 그대로 사용하였고, Ammonium(NH4), Nitrate (NO3) 및 Soluble reactive phosphorus (SRP,PO4)의 무기 영양염과 DTN (dissolved total nitrogen),DTP (dissolved total phosphorus)의 분석을 위한 시료는Whatman GF/F filter (Whatman, UK)로 여과한 후 사용하였다(Rump and Krist, 1988; APHA, 1995). Chlorophyll-a(Chl-a) 농도는 시료를 Whatman GF/F로 여과한 후 90% ethanol 용매로 비등 추출하여 665 nm와 750 nm의 흡광도 값으로 계산하였다(Nusch, 1980).
- Schematic diagram illustrated the procedure of algal growth potential (AGP) test. Microcystis aeruginosa was collected in Paldang Reservoir and used as the test alga.
- 4. Seasonal variations of temperature, dissolved oxygen (DO),pH, conductivity and total suspended solids (TSS) in four stations of Euiam Reservoir from May 2012 to December 2015. CWT, Chuncheon wastewater treatment plant(WWTP); GON, Gongji Stream; SAM, Samcheon-dong;EUD, Euiam Reservoir dam; E, epilimnion; M, metalimnion; H, hypolimnion.
- 강수량은 의암호 유역에 위치하고 있는 기상청의 춘천기상대에서 관측한 일 자료를 사용하였다(http://www.kma.go.kr). 유입량, 방류량 및 수위의 수문자료는 국가수자원관리정보시스템 (Korea Water Management Information System, WAMIS)에 업로드 된 일 누적 또는 평균값을 이용하였다(http://www.
- 댐은 북한강 본류와 소양강의 합류점에서 하류 약 10 km 지점에 있는 콘크리트 중력식 잠언 둑으로서 제방 높이와 길이는 각각 23 m, 273 m이고, 14개의 수문(H13×W14.5 m)이 설치되어 있다 (Table 1) (http://www.kistec.or.kr).
- 본 연구는 2012년 5월부터 2015년 12월까지 북한강 상류에 위치하는 의암호의 4개 지점에서 시공간적 수질 변동성을 강우·수문인자와 비교 고찰하였다.
- 수온, DO,pH 및 conductivity는 다항목 수질 측정기 (Horiba U-50,Japan)를 이용하여 현장에서 직접 측정하였다. 수질분석을 위한 시료 채수는 각 지점의 표층수와 수층별로 VanDorn sampler (IS-tech, Korea)를 이용하였다. 채수한 시료는 아이스박스에 담아 보관한 후 차량을 이용하여 12시간 이내에 실험실로 옮겼고, 즉시 전처리 및 분석하였다(APHA, 1995).
- kr). 유입량, 방류량 및 수위의 수문자료는 국가수자원관리정보시스템 (Korea Water Management Information System, WAMIS)에 업로드 된 일 누적 또는 평균값을 이용하였다(http://www.wamis.go.kr). 수집한 기초자료는 요인별로 결측 또는 이상치를 검토하였고, 최종적으로 확인된 자료를 이용하여 분석하였다.
- 조류성장잠재력(algal growth potential, AGP) 측정은 국외에서 표준종으로 사용(APHA, 1995)되고 있을 뿐만 아니라 국내에서 녹조현상의 원인종의 하나로 잘 알려진 남조류 Microcystis aeruginosa를 시험조류로 사용하였다. M.
- 현장조사는 2012년 5월부터 2015년 12월까지 매월 1회씩 수행하였고, 평소에는 고무보트 또는 소형 선박을 이용하였으며, 수면이 결빙된 시기는 접근성과 안전 문제로 불가피하게 생략하였다. 조사지점은 춘천하수종말처리장 방류구로부터 전방 약 180 m 정도 떨어진 지점(CWT), 공지천 하구에서 상류 약 100 m 지점(GON), 공지천 하구~댐구간의 중간지점 (SAM) 및 댐 (EUD)의 각 1개씩이었고,EUD는 상층(epilimnion: E), 중층(metalimnion: M) 및 하층 (hypolimnion: H)의 3개로서 총 6개이었다. 수온, DO,pH 및 conductivity는 다항목 수질 측정기 (Horiba U-50,Japan)를 이용하여 현장에서 직접 측정하였다.
- 현장조사는 2012년 5월부터 2015년 12월까지 매월 1회씩 수행하였고, 평소에는 고무보트 또는 소형 선박을 이용하였으며, 수면이 결빙된 시기는 접근성과 안전 문제로 불가피하게 생략하였다. 조사지점은 춘천하수종말처리장 방류구로부터 전방 약 180 m 정도 떨어진 지점(CWT), 공지천 하구에서 상류 약 100 m 지점(GON), 공지천 하구~댐구간의 중간지점 (SAM) 및 댐 (EUD)의 각 1개씩이었고,EUD는 상층(epilimnion: E), 중층(metalimnion: M) 및 하층 (hypolimnion: H)의 3개로서 총 6개이었다.
데이터처리
- 수질 및 수문자료의 시공간적 차이 분석을 위해 ANOVA의 사후분석법(post-hoc Tukey’s HSD test)을 이용하였으며, 각 변수들의 상관관계는 Spearman’s Rank의 분석법으로 수행하였다.
- 자료의 통계처리는 SYSTAT® 8.0 통계프로그램 (SPSS, 1998)을 이용하였으며, 유의성은 p<0.05로 확인하였다.
성능/효과
- 3). 2012년과 2013~2015년의 강우 특성을 비교할 때 2012년에는 다른 계절에 비해 빈도와 강도가 모두 강하였으나, 그 외 연도에는 비교적 빈도만 우세하였다. 이것은 연속되는 태풍에 의한 독특성으로 볼 수가 있었고, 태풍 기간이 짧은 경우(예, Khanun과 Sanba)에 강우 영향이 크지 않을 수도 있었다.
- 001), CWT는 동절기를 제외하고 전반적으로 다른 지점에 비해 높지 않았다. CWT~GON 구간은 SAM과 EUDE~H보다 T-P 농도가 각각 1.4배, 1.8배 더 높았으나 (Table 4), 시기적으로 하류의 EUD에서 다소 높거나 폭증하는 경우도 관찰되었다 (Fig. 7). GON에서 2013년 3월~11월에 평균 농도가 87.
- Chla 농도의 시공간적 변이는 수위와 유의한 음의 상관성을 보였다(r= -0.422, p<0.01).
- DO는 강수량과는 음의상관성, 수위와는 양의 상관성을 보였다 (p<0.01).
- 001) 하수처리수의 영향으로 사료되었다(Table 4). NH4가 높은 농도를 유지하였던 시기는 고수위에서 강우가 장기화되거나 방류량이 적었을 때와 저수위일 때에 각각 해당하였으나(Fig. 3), 수문요인들과 유의한 상관성은 보이지 않았다. NO3는 총측정값의 93.
- SRP의 시공간적 변이는 T-P의 경우와 유사하게 강수량 및 방류량과 매우 밀접한 상관성을 보였다(p<0.01).
- T-N 농도 분포에서 CWT~GON 구간은 SAM과 EUDE~H보다 각각 1.5배, 1.7배 더 높았다 (p<0.001) (Table 4).
- 092). T-N 농도는 수위가 낮았다가 높아질 때 증가하였고, 수문 방류량이 많거나 고수위를 유지할 때 낮은 농도를 나타냈으며 (Fig. 3), 수문요인들과 유의한 상관성은 나타내지 않았다. 또한, 정점별 공간적 차이에서 2013년 8월에 강우와 수문 방류의 빈도가 많았을 때 가장 컸고, 2015년 1월에 그 변화가 거의 없었을 때 가장 작았다.
- T-P는 N 계열 영양염의 공간적 분포와 달리 GON에서가장 높았으며(p<0.001), CWT는 동절기를 제외하고 전반적으로 다른 지점에 비해 높지 않았다.
- T-P는 총 유입량(r=0.567, p<0.01)과 TSS(r=0.500, p<0.01)에서 유의한 양의 상관성을 나타내었고, 이러한 관계는 SRP에서도 동일하게 나타났다.
- 05). TSS는 2012년 7월~8월, 2013년 3월, 5월 및 11월에 GON에서 다소 높았고, 2013년 7월에 SAM을 제외한 전 지점에서 높은 값을 보였으며, 2013년 11월에 GON 이 EUDH보다 17.0 mg dw L-1 정도 더 높았다. 2013년 7월~8월에 EUDM에서 평균 22.
- TSS는 강수량, 유입량, 및 방류량이 커지면서 증가하였고(p<0.01), 수위 및 체류시간과는 반대되는 경향을 보였다(p<0.05).
- 05)을 보여 증가된 유량에 의해 희석된 영향으로 볼 수 있었으며, 특히 강수량과 유량이 적었던 가뭄 해(2014~2015년) 동안 CWT와 GON에서 농도 및 변동 폭의 증가는 이들 지점에 고농도로 유입되는 하천 또는 오염원의 기여도가 컸음을 시사하였다. 결과적으로 N 계열 영양염은 유량이 작을 때, P 계열은 유량이 늘거나 극심한 가뭄이 지속되었을 때에 각각 높은 농도를 유지하였다(Figs. 3, 6, 7 참고).
- 그 결과, 부영양(>10 mg dw L-1, Sudo, 1980) 수준을 넘어선 것은 1.7% (4회)이었고, 과영양(>20 mg dw L-1, Miller et al., 1974) 상태를 보인 경우는 관찰되지 않았다(Fig. 9).
- Chl-a의 평균값과 최대값을 보인 곳은 GON이었고, AGP의 고농도는 GON~SAM 구간에서 기록하였다. 그 다음으로 두 인자의 최대값을 보인 곳은 EUD로서 어느 정도 조류 증식과 성장 잠재력을 나타내었다. 따라서, 의암호에서 조류는 중·상류로부터 고농도의 영양염이 유입되는 지역에서 영양염을 충분히 흡수한 후 하류의 댐 부근으로 이송 및 확산되며, 댐에 의해 만들어지는 물리적 안정성(체류시간 증대)에 의해 더욱 발달하는 것으로 사료되었다.
- 9). 그리고 10 mg dwL-1를 기준으로 할 때, GON에서 2013년 3월, 7월과 2015년 11월에 각각 16.2 mg dw L-1, 13.8 mg dw L-1 및 18.2 mg dw L-1로서 비교적 높았고, SAM에서 2013년 7월에 19.2mg dw L-1로서 조사기간 동안 가장 높은 값을 기록하였다. 그 결과, 부영양(>10 mg dw L-1, Sudo, 1980) 수준을 넘어선 것은 1.
- CODMn의 증감 요인은 BOD5와 유사하였고, 발전방류가 클 때에 GON에서 증가하는 양상이었으나 다른 지점은 감소하는 경우가 빈번하였다. 그리고 CODMn은 BOD5와 달리 2012년부터 2015년으로 갈수록 연간 평균값과 peak 값이 조금 증가하는 변동 경향을 보였다 (Fig. 5). 이러한 결과는 다른 지점에 비해 GON에서 더욱 뚜렷하였다(p<0.
- 이 중에서 동계에는 지속적인 바람에 의한 수표면 재폭기 현상이 강하고, 하계에는 조류의 활발한 광합성에 의한 영향으로 볼 수 있었다. 그리고 DO가 상대적으로 낮은 값을 빈번하게 보인 곳은 GON과 EUDH이었으나 지점별로 유의한 차이는 없었다(p=0.242). DO는 강수량과는 음의상관성, 수위와는 양의 상관성을 보였다 (p<0.
- 01). 그리고 강수량이 클 때 유입량과 방류량은 동시에 첨예한 peak값을 보였고, 방류량은 수문방류를 제외하고 조절되는 양상이 뚜렷하였다(Fig. 3). 저수지의 유출 형태 중 수문개방에 의한 여수로 방류량은 0.
- 5%를 차지하였고, 거의 매일 방류되었다. 그리고 발전방류는 수문방류에 비해 양적 크기가 적었을 뿐만 아니라 변동 폭도 상대적으로 작았다.
- 따라서 공지천과 춘천하수처리장은 의암호의 최대 오염원이면서 유해조류 발생의 우심지(HWMC, 2015)이며, 그 영향은 유입·방류 패턴과 수위증감 양상에 따라 하류의 댐(EUD)까지 발생된 조류를 이송·확산 또는 폭증시킬 수 있는 가능성이 상존하게 되는 것으로 사료된다.
- 따라서, 의암호에서 조류는 중·상류로부터 고농도의 영양염이 유입되는 지역에서 영양염을 충분히 흡수한 후 하류의 댐 부근으로 이송 및 확산되며, 댐에 의해 만들어지는 물리적 안정성(체류시간 증대)에 의해 더욱 발달하는 것으로 사료되었다.
- 3). 또한, 몬순장마를 고려하여 거의 매년 6월 중순 또는 하순에 최저 수위로 낮아졌고, 이후 강우 양상에 의해 9월~10월 동안에 다시 수위가 높아지는 양상이 반복되었다. 수위 >EL.
- 3). 발전방류량은 총 방류량의 평균 77.5%를 차지하였고, 거의 매일 방류되었다. 그리고 발전방류는 수문방류에 비해 양적 크기가 적었을 뿐만 아니라 변동 폭도 상대적으로 작았다.
- 2012년과 2013년에 많았고, 2014년과 2015년에 상대적으로 적었다. 발전방류량의 변동 양상은 상류나 지류로부터 유입되는 유량과 밀접한 관련성을 보였고, 유입량이 큰 시기에 그 양도 많았다(Table 3). 2012년~2013년은 증감 폭이 매우 컸으나, 2014년~2015년은 조절 빈도가 소폭으로 촘촘하였다(Fig.
- 3,4 참고). 수온의 연 변동은 시공간적으로 차이가 있었으나상하류(GON~EUDE)의 종적 차이보다 수층(EUDE~H)의 수직적 차이가 더욱 컸다. 이것은 흐름에 의해 하류로 이송·확산되는 것에 비해 밀도 차이에 의한 상하층 혼합이 원활하지 않기 때문으로 사료되었다.
- Chl-a에 의한 부영양 수준을 초과하는 기간은 2012년, 2014년~2015년에 1~2개월이었으나 2013년에는 4개월 동안 지속되었다. 의암호의 수질 변동성은 댐 중앙부에 상하류로 이어진 하중도와 골재섬의 존재, 도시하천과 하수처리장 방류수 유입이라는 지형적 구조와 오염원의 기반 영향에 대하여, 상류 댐으로부터의 유입량과 의암댐의 방류량 및 방류형태(패턴)에 의한 수위 증감에서 직간접적 관련성과 영향을 찾을 수 있었다. 수질의 시공간적 변이 과정에서 기상(장마, 태풍, 이상강우 및 폭염 더위)·수문(유량과 수위)학적 작용에 기여하는 주요 인자는 펄스, 희석, 역류, 흡수 및 침전 등으로 볼 수 있었다.
- 01)에서 유의한 양의 상관성을 나타내었고, 이러한 관계는 SRP에서도 동일하게 나타났다. 이 결과,P 농도는 수문방류(즉, 홍수기) 동안 상류로부터 유입된 입자성 물질에 영향을 받았음을 시사하였다. 이에 반하여,N (예, NO3)의 변동은 강수량과 유의한 음의 상관성 (r=0.
- 이에 반하여,N (예, NO3)의 변동은 강수량과 유의한 음의 상관성 (r=0.314, p<0.05)을 보여 증가된 유량에 의해 희석된 영향으로 볼 수 있었으며, 특히 강수량과 유량이 적었던 가뭄 해(2014~2015년) 동안 CWT와 GON에서 농도 및 변동 폭의 증가는 이들 지점에 고농도로 유입되는 하천 또는 오염원의 기여도가 컸음을 시사하였다.
- 전 조사지점에서 4년간 자료를 종합할 때, 수온은 일사량과 강수량과는 양의 상관성(p<0.01), 강수량, 유입량, 체류시간과 유의한 음의 상관성(p<0.05)을 보였다.
- 전반적으로 T-P의 시공간적 변이는 수문요인과 밀접한 관계를 보였는데, 강수량,유입량(p<0.01) 및 수위, 체류시간(p<0.05)과 양의 상관관계를 보였다.
- CWT에서 T-N, NH4 및 NO3의 거동은 시공간적으로 다른 양상을 보여주었다. 전반적으로 질소의 농도는 2014년~2015년으로 갈수록 증가하였고, 증가 차이를 뚜렷하게 보였던 지점은 CWT이었다(Fig. 6). 이것은 강수량과 유입량의 감소로 인한 수중 영양염의 농축과 함께 농도와 유량에 대한 하수처리장 방류수의 기여도가 상대적으로 높아진 데에 기인하는 것으로 사료되었다.
- 본 연구는 2012년 5월부터 2015년 12월까지 북한강 상류에 위치하는 의암호의 4개 지점에서 시공간적 수질 변동성을 강우·수문인자와 비교 고찰하였다. 조사기간 동안 수온, DO, Conductivity 및 TSS 등 기초 수질요인의 변동은 계절적 영향이 컸다. 특히, 수온성층은 수심이 깊은 댐 부근에서 매년 관찰되었고, 소멸 시기는 8월~10월 사이에 있었다.
- 특히, 수온성층은 수심이 깊은 댐 부근에서 매년 관찰되었고, 소멸 시기는 8월~10월 사이에 있었다. 질소 계열 영양염의 증가는 유량이 빈약할 때이었고, 인의 증가는 초기 유량 증가와 극심한 가뭄이 지속될때이었다. Chl-a에 의한 부영양 수준을 초과하는 기간은 2012년, 2014년~2015년에 1~2개월이었으나 2013년에는 4개월 동안 지속되었다.
- 또한, 2012년~2013년에는 거의 고갈된 상태가 빈번하였고 장기화되었으나, 2014년~2015년에는 전혀 관찰되지 않았다. 특히, GON을 제외한 전 지점에서 SRP 농도의 최대값이 증가한 것은 유입량이 적고, 수위가 높은 상태에서 발전방류량을 상향 조정할 때이었고, GON~SAM구간에서 급증한 것은 강우에 의한 수문방류 초기와 수위가 저수위에서 고수위로 이행할 때에 해당하였다(Fig. 3).SRP의 시공간적 변이는 T-P의 경우와 유사하게 강수량 및 방류량과 매우 밀접한 상관성을 보였다(p<0.
- 특히, 수온 성층은 댐 지점(EUD)에서 길고 짧게 매년 관찰되었고, 다른 해에 비해 2012년과 2014년에 상·하층 차이가 비교적 컸다.
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