[논문]낙동강 백천 합류부 지점의 물환경측정망 대표성 검증

안정민; 임태효; 김성민; 김신; 김경훈; 권헌각; 신동석; 양득석

doi:10.5322/jesi.2018.27.6.371

문제 정의

도성교와 동암교에 압력식 수위계 설치 및 수위 관측, 시공간적 수질관측, LOcally Weighted Scatter plot Smoother (LOWESS) 기법을 이용한 수질추세 분석을 통해 다기능보 운영에 따른 수리·수문 특성 및 거동을 분석하고 기존 모니터링 지점의 타당성을 평가하여 적정 신규 모니터링 지점 개소 및 위치 재선정을 위한 기초자료를 제공하고자 하였다.
본 연구에서는 강정고령보의 관리수위인 EL.19.5m에서, 본류가 지류 말단부에 위치한 측정망 지점에 미치는 연구를 진행하는 것이 목표였으나, 국가정책에 의해 EL.18.25 m로 수위가 저하된 상태에서의 영향을 평가하였다. 평가 결과를 토대로 EL.
본 연구에서는 본류에서 운영중인 다기능보 운영에 따른 수위가 지류 수위에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 강정고령보 상류에 위치해 있는 낙동강 본류와 백천을 대상으로 시공간적 수위·수질 관측, LOWESS 기법을 이용한 추세 분석을 통해 백천(선원교) 지점에 위치해 있는 수질예보지점에 대한 대표성을 검증하였다.
본류에 위치해 있는 다기능보의 관리수위 운영과 이에 따른 수위상승은 본류 및 지류에 위치해 있는 기존 관측소들에 영향을 미칠 수 있기 때문에 본 연구에서는 강정고령보 상류에 위치해 있는 낙동강 본류와 백천을 대상으로 물환경측정망 대표성을 검증하였다. 도성교와 동암교에 압력식 수위계 설치 및 수위 관측, 시공간적 수질관측, LOcally Weighted Scatter plot Smoother (LOWESS) 기법을 이용한 수질추세 분석을 통해 다기능보 운영에 따른 수리·수문 특성 및 거동을 분석하고 기존 모니터링 지점의 타당성을 평가하여 적정 신규 모니터링 지점 개소 및 위치 재선정을 위한 기초자료를 제공하고자 하였다.
2와 같이 Research method에 제시된 방법으로 현장 수위·수질 모니터링 계획을 수립하였다. 이를 토대로 낙동강수계 중장기 계획의 기초자료 확보 및 모니터링 지점의 대표성 검증, 하천관리를 위한 모니터링 및 분석평가 가이드라인을 작성하고, 최종적으로는 물환경측정망 운영계획 고시 개정 등을 마련하여 측정망의 대표성과 정확성을 확보할 수 있는 연구결과를 얻고자 하였다.
본류 수위 변화에 따른 지류 배수위 영향으로 인한 물환경측정망 대표성에 대해서 검토한 기존 연구는 수행된 바 없으며, 현장 실측자료를 바탕으로 다각도로 검토할 필요성이 있다. 최근 물관리 일원화에 대한 논쟁이 지속되고 있으며, 이에 일환으로 수리 수문 수질 분야를 종합적으로 고려하기 위해 본 연구에서는 기존에 설치되어 있는 실시간 수위 수질 측정망에 대한 대표성을 검증하고자 한다.

제안 방법

하지만도성교 직하류에는 배수위 영향이 지속되고 있다. Fig. 10과 같이 백천 합류부의 공간적 수질관측을 위해 RTK-GPS, YSI 그리고 ADCP 장비를 이용하여 합류부의 전기전도도를 측정하였다. Fig.
Fig. 11과 같이 수질예보지점인 백천 지점에서 2004년부터 2017년까지 관측된 수질 관측 자료(Water Environment Information System, 2017)를LOWESS 기법으로 추세분석을 실시하였다. 강정고령보가 실제적으로 운영된 시기가 2012년 인 것을 감안할 때, 2012년 까지 관측결과는 일정하게 유지되다가 2012년을 기점으로 변동이 발생하는 것을 알 수 있었다.
공간적으로 수질 관측 및 수리량을 조사하기 위해YSI(Yellow Spring Instrument), ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler) 그리고 RTK(Real-Time Kinematic)-GPS를 이용하였다. YSI를 이용하여 전기전도도를 관측, ADCP를 이용하여 수리량 자료 조사, RTK-GPS를 이용하여 위치좌표를 취득하였다. 취득한 자료를 후처리하여 하천평면에 대한 수체혼합 조사 결과를 분석하였다.
강정고령보 상류에 위치해 있는 낙동강 본류와 백천을 대상으로 시공간적 수위·수질 관측, LOWESS 기법을 이용한 추세 분석을 통해 백천(선원교) 지점에 위치해 있는 수질예보지점에 대한 대표성을 검증하였다.
낙동강(성주대교, 강정고령보), 백천(선원교, 도성교, 동암교)을 대상으로 낙동강물환경연구소에서 자체 설치한 목자판 및 압력식 수위계를 이용하여 수위를 실측하였고, 선원 수위국 목자판 및 낙통강홍수통제소의 수위자료를 활용하였다. 다항목현장측정기(YSI)를 활용하여 전기전도도(EC), 수온, DO, pH 4개 항목을 실측하였고, RTK-GPS로 수위계의 영점표고를 측량하였다. 2017년 3월 도성교의 목자판 수위는 1.
본 연구 방법은 Fig. 2와 같이 Research method에 제시된 방법으로 현장 수위·수질 모니터링 계획을 수립하였다.
수위를 관측하는 수위계는 기포식, 압력식, 레이더,부자식 등 다양한 방식이 있으나, 본 연구에서는 압력식 수위계로 우리나라에서 많이 이용되고 있는 OTT Orpheus Mini를 채택하였다. Ministry of Agriculture and Forestry(2004)에서는 농업저수지 자동수위관측기 개발 연구를 통해 압력식 수위계의 적합성을 검증한 바 있다.
YSI를 이용하여 전기전도도를 관측, ADCP를 이용하여 수리량 자료 조사, RTK-GPS를 이용하여 위치좌표를 취득하였다. 취득한 자료를 후처리하여 하천평면에 대한 수체혼합 조사 결과를 분석하였다.
3에 도시된 바와 같이 도성교와 동암교에 압력식 수위계를 각각 1개 설치하였다. 측정항목은 수위와 수온, 측정시간단위는 10분으로 설정하고, 매주 월요일 저장된 데이터를 취득하였다.
4와 같이 선원교, 도성교, 동암교, 성주대교 4지점을 선정하여 현장수질을 1주일 간격으로 측정하였다. 측정항목은 현장수질측정기인 YSI를 이용하여, 전기전도도, 수온, DO, pH를 측정하였다. 이중 전기전도도는 물질에서 전류가 잘 흐르는 정도를 나타내는 물리량으로, 비저항의 역수다.
또한, 전기전도도는 유역의 기반암과 광물질 토양의 침식에 저항하는 정도도 표현할 수 있다. 특정 매질의 고유성을 판단하는 근거로는 안정동위원소 분석 등 다양한 기법이 있을 수 있지만, 본 연구에서는 하천의 고유성을 판단하는 매질로 수질측정망에서 운영 중인 전기전도도를 활용하였다. 전기전도도는 손쉽게 측정할 수 있는 수질측정 항목이기 때문에, 연구의 확장성을 고려했을 때 가장 적합하다고 판단하였다.
단위유역의 말단지점에서 측정되고 있는 수질을 정확하게 평가하는 것은 단위유역 및 낙동강 본류의 수질을 관리하기 위해 매우 중요하다. 하지만, 강정고령보의 관리수위 운영에 따른 수위 상승으로 낙동강의 물이 백천으로 역류하면 백천(선원교)지점의 수질이 백천을 대표하는 수질이 아닐 수 있기 때문에, Fig. 4와 같이 선원교, 도성교, 동암교, 성주대교 4지점을 선정하여 현장수질을 1주일 간격으로 측정하였다. 측정항목은 현장수질측정기인 YSI를 이용하여, 전기전도도, 수온, DO, pH를 측정하였다.

대상 데이터

1) 백천 말단부 수위관측 지점인 선원지점의 경우,지속적으로 강정고령보의 수위와 동일한 수위가 관측되었기 때문에 국토교통부에서 2017년 7월 21일에 상류에 위치해 있는 도성교로 지점을 이전하였다. 도성교의 경우, 강정고령보 보 개방에 따른 상시배수를 하지 않은 상황에서는 강정고령보의 수위 영향을 특정한 시기에 받았으나, 보 수위 저하 후에는 배수위 영향을 받지는 않았다.
백천(선원교) 지점은 수질예보지점으로서 국립환경과학원에서 운용하고 있는 수질예보시스템에서 주요 유입인자로 적용되고 있는 수질관측지점이다. 낙동강 본류에 합류하는 백천 말단부 지점에 수질예보지점인 백천(선원교) 지점이 위치해 있으며, 본 연구에서는 강정고령보의 관리수위 운영에 따른 배수위 영향을 파악하기 위해 Fig. 1(b)에 도시된 바와 같이 백천(선원교) 지점 상류에 위치해있는 도성교와 동암교에 신규 압력식 수위계를 설치하였다.
1°C 이다. 낙동강 본류에서 운영되고 있는 강정고령보의 관리수위 운영에 따라 지류에 미치는 배수위 영향을 측정하기 위해 Fig. 3에 도시된 바와 같이 도성교와 동암교에 압력식 수위계를 각각 1개 설치하였다. 측정항목은 수위와 수온, 측정시간단위는 10분으로 설정하고, 매주 월요일 저장된 데이터를 취득하였다.
낙동강(성주대교, 강정고령보), 백천(선원교, 도성교, 동암교)을 대상으로 낙동강물환경연구소에서 자체 설치한 목자판 및 압력식 수위계를 이용하여 수위를 실측하였고, 선원 수위국 목자판 및 낙통강홍수통제소의 수위자료를 활용하였다. 다항목현장측정기(YSI)를 활용하여 전기전도도(EC), 수온, DO, pH 4개 항목을 실측하였고, RTK-GPS로 수위계의 영점표고를 측량하였다.
강정고령보 상류에는 대구광역시의 주요취수원인 매곡취수장이 위치해 있으며, 대구광역시의 주민들의 식수로 이용되고 있다. 또한, Daegu Regional Environmental Office(2013)에서 백천을 우선 관리대상 지류로 선정하였기에 연구 대상유역으로 선정하였다. 백천은 성주군을 관통하고 있으며, 성주군의 주요 농작물은 참외로서 이를 재배하기 위한 하우스가 위치해 있다.

이론/모형

공간적으로 수질 관측 및 수리량을 조사하기 위해YSI(Yellow Spring Instrument), ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler) 그리고 RTK(Real-Time Kinematic)-GPS를 이용하였다. YSI를 이용하여 전기전도도를 관측, ADCP를 이용하여 수리량 자료 조사, RTK-GPS를 이용하여 위치좌표를 취득하였다.
평활기 너비 f를 크게 하면 회귀함수가 직선에 가까운 밋밋한 곡선이 되고(과소적합, under-fitting), 반대로 f를 작게 하면 회귀함수의 휜 정도가 큰 곡선이 된다(과다적합, over-fitting). 따라서 본 연구에서 사용된 평활 폭 f값은 1/2로 주어 실행하였다(Cleveland and Devlin, 1988; Rodriguez-Murillo and Filella, 2015).

성능/효과

2) 백천(선원교) 지점의 경우 수질예보 지점으로서, 시공간적인 수질관측결과 상시적으로 낙동강 본류와 백천의 수체가 혼합되어 있는 것으로 나타났다. 또한LOWESS 기법을 이용한 추세 분석에서 강정고령보 준공 이후 관리수위 운영을 시작한 2012년부터 수질 변화 추세가 달라진 것을 알 수 있었다.
5 m로 조사되었다. 2017년 6월 5일 진행된 강정고령보의 보 개방에 따른 상시배수로 보 수문 개방 후 낙동강 본류와 백천의 수위가 동시에 낮아지는 것을 확인할 수 있었으며, 선원교 지점의 경우 낙동강 본류에 의한 배수위의 영향을 받고 있다가 상시배수 후 본류의 영향이 상대적으로 미미하였으나 강정고령보의 수위가 일정하게 유지됨에 따라 다시 낙동강 본류와 혼합되어 배수위의 영향을 받고 있는 것으로 조사되었다. Fig.
3) 다기능보의 관리수위운영은 지류 말단부 지점에 배수위 영향을 미치고 있기 때문에 본류의 물이 역류할 경우 낙동강 수질의 영향을 받아 지류 말단부 지점의 수질이 지류의 수질을 대표하는 것이 아닐 수 있다. 수질오염총량제 및 수질예보제 등 말단지점에서의 수질을 정확하게 평가하는 것이 중요하기 때문에, 정책의 일환으로 추진중인 보개방에 따른 다기능보 관리 수위 저하를 고려하여, 주요 지류하천들에 대한 추가적인 연구가 진행될 필요가 있다.
특히, 8월 이후에는 변동치의 거동과 변동치의 값이 동일하게 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서, 백천(선원교)지점은 본래의 관리수위인 EL.19.5 m에서 1.25 m 저하된 수위로 운영하더라도 상시적으로 낙동강 본류의 역류로 인해서 낙동강과 백천의 수체가 혼합되고 있는 것으로 나타났으며, 수질측정 데이터에 영향을 받는 것을 알 수 있다.
2) 백천(선원교) 지점의 경우 수질예보 지점으로서, 시공간적인 수질관측결과 상시적으로 낙동강 본류와 백천의 수체가 혼합되어 있는 것으로 나타났다. 또한LOWESS 기법을 이용한 추세 분석에서 강정고령보 준공 이후 관리수위 운영을 시작한 2012년부터 수질 변화 추세가 달라진 것을 알 수 있었다. 이는 본류의 역류로 인한 영향으로 판단할 수 있으며, 이를 종합적으로 고려해 볼 때, 백천(선원교) 수질예보 지점은 선원교 상류에 위치해 있는 도성교로 이전하거나 상류 지점에 수질측정망 지점을 신설하는 것을 제안한다.
특정 매질의 고유성을 판단하는 근거로는 안정동위원소 분석 등 다양한 기법이 있을 수 있지만, 본 연구에서는 하천의 고유성을 판단하는 매질로 수질측정망에서 운영 중인 전기전도도를 활용하였다. 전기전도도는 손쉽게 측정할 수 있는 수질측정 항목이기 때문에, 연구의 확장성을 고려했을 때 가장 적합하다고 판단하였다.
25 m로 수위가 저하된 상태에서의 영향을 평가하였다. 평가 결과를 토대로 EL.18.25 m에서도 본류가 지류로 역류하고 있는 것을 알 수 있었으며, 일반적으로 판단했을 때 강정고령보 관리수위인 EL.19.5 m에서는 더 큰 영향이 있을 것으로 사료된다. 본 연구에서 취득된 자료는 Fig.

후속연구

8에 제시되어 있는 무 차원변동치 결과를 보더라도 성주대교와 선원교의 변동치는 5월 이전에도 거동이 동일한 것을 알 수 있다. 3월 중순부터 4월 초까지 전기전도도 값이 유사한 이유는 계절적인 변동치(낙동강(성주대교) : 175 ~ 403uS/cm, 백천(선원교): 193 ~ 379 uS/cm)이며, 본 연구에서 제시한 방법을 이용한 측정망 대표성 평가를 위해서는 6개월 이상의 장기적인 관측데이터를 토대로 종합적으로 판단할 필요가 있다.
3) 다기능보의 관리수위운영은 지류 말단부 지점에 배수위 영향을 미치고 있기 때문에 본류의 물이 역류할 경우 낙동강 수질의 영향을 받아 지류 말단부 지점의 수질이 지류의 수질을 대표하는 것이 아닐 수 있다. 수질오염총량제 및 수질예보제 등 말단지점에서의 수질을 정확하게 평가하는 것이 중요하기 때문에, 정책의 일환으로 추진중인 보개방에 따른 다기능보 관리 수위 저하를 고려하여, 주요 지류하천들에 대한 추가적인 연구가 진행될 필요가 있다.
도성교와 동암교에 압력식 수위계 설치 및 수위 관측, 시공간적 수질관측, LOcally Weighted Scatter plot Smoother (LOWESS) 기법을 이용한 수질추세 분석을 통해 다기능보 운영에 따른 수리·수문 특성 및 거동을 분석하고 기존 모니터링 지점의 타당성을 평가하여 적정 신규 모니터링 지점 개소 및 위치 재선정을 위한 기초자료를 제공하고자 하였다. 이러한 정보는 물관리 일원화와 더불어 물환경측정망 계획 고시 개정시 정보로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	물이 전류를 전달하는 정도를 결정하는 요인은 무엇인가?	물이 전류를 전달하는 정도를 결정하는 몇 가지 요인이 있다. 첫째는 이온의 농도 또는 수량, 두 번째는 이온의 이동성, 세 번째는 원자의 산화 상태, 네 번째는 물의 온도이다. 이온 농도가 증가함에 따라 전기전도도가 거의 선형적으로 증가하기 때문에 전기전도도 측정기를 이용하여 수체에서 이온 농도를 추정할 수 있다.
	낙동강의 유역면적은?	낙동강은 태백산 황지에서 발원하여 남해에 이르기까지 영남지역의 대부분과 강원도와 전라북도의 일부를 포함하여 유역면적 23,817km2, 유로연장 525 km로 우리나라 국토의 약 24%를 차지하는 제 2의 하천이다(Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, 2009). 또한 유역 내 안동, 구미, 대구, 부산 등 우리나라 주요 도시를 비롯하여 각종 산업이 발달해 있으며, 유역에 생활하고 있는 1,300 여만 명의 식수원인 각종생·공업용수(21.
	수위를 관측하는 수위계는 어떤 방식들이 있는가?	수위를 관측하는 수위계는 기포식, 압력식, 레이더,부자식 등 다양한 방식이 있으나, 본 연구에서는 압력식 수위계로 우리나라에서 많이 이용되고 있는 OTT Orpheus Mini를 채택하였다. Ministry of Agriculture and Forestry(2004)에서는 농업저수지 자동수위관측기 개발 연구를 통해 압력식 수위계의 적합성을 검증한 바 있다.

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