우리나라 저수지의 수질 특성과 이에 영향을 미치는 환경요인을 파악하기 위하여, 운영목적, 수위변동 및 지리적 분포가 다양한 73개 저수지를 선정하여 수질 요인으로 화학적산소요구량 (COD), 엽록소 a (Chl a), 총인 (TP), 총질소 (TN)를, 수문지형 요인으로 연수위변동폭, 총저수량, 댐의 고도, 유역 면적, 호안발달도 (shoreline development index)를, 토지피복 요인으로서 산림, 농경지 및 도시화지역의 면적비율을 조사하였다. 저수지 수질은 유역의 도시화지역과 농업지역의 면적 비율이 크고, 고도가 낮고 연수위변동폭과 유역면적이 좁으며 총저수량이 적고 원형에 가까운 형태의 저수지에서 더욱 부영양화가 심하였다. 저수지 운영목적에서는 농업용수용 저수지가 홍수조절용 저수지보다 수질이 좋지 않았다. 변수선택과 경로분석의 결과에서, TP에 의한 Chl a에 영향을 받는 COD는 수위변동폭과 호안발달도에 의하여 직접적으로 영향을 받았다. 또한 TP는 유역의 도시화면적에 의하여 직접적으로 영향을 받으며 토지이용은 저수지의 고도와 관련이 있었다. 한편 TP는 수위변동폭과 호안발달도에 영향을 받았다. 결론적으로 우리나라의 저수지 부영양화는 유역의 토지이용, 수문적, 지형적 특성에 의하여 영향을 받으며, 특히 저수지 운영목적에 따른 인위적인 물관리에 의한 수위변동과 저수지의 위치에 의하여 수질 특징이 결정된다고 생각된다.
우리나라 저수지의 수질 특성과 이에 영향을 미치는 환경요인을 파악하기 위하여, 운영목적, 수위변동 및 지리적 분포가 다양한 73개 저수지를 선정하여 수질 요인으로 화학적산소요구량 (COD), 엽록소 a (Chl a), 총인 (TP), 총질소 (TN)를, 수문지형 요인으로 연수위변동폭, 총저수량, 댐의 고도, 유역 면적, 호안발달도 (shoreline development index)를, 토지피복 요인으로서 산림, 농경지 및 도시화지역의 면적비율을 조사하였다. 저수지 수질은 유역의 도시화지역과 농업지역의 면적 비율이 크고, 고도가 낮고 연수위변동폭과 유역면적이 좁으며 총저수량이 적고 원형에 가까운 형태의 저수지에서 더욱 부영양화가 심하였다. 저수지 운영목적에서는 농업용수용 저수지가 홍수조절용 저수지보다 수질이 좋지 않았다. 변수선택과 경로분석의 결과에서, TP에 의한 Chl a에 영향을 받는 COD는 수위변동폭과 호안발달도에 의하여 직접적으로 영향을 받았다. 또한 TP는 유역의 도시화면적에 의하여 직접적으로 영향을 받으며 토지이용은 저수지의 고도와 관련이 있었다. 한편 TP는 수위변동폭과 호안발달도에 영향을 받았다. 결론적으로 우리나라의 저수지 부영양화는 유역의 토지이용, 수문적, 지형적 특성에 의하여 영향을 받으며, 특히 저수지 운영목적에 따른 인위적인 물관리에 의한 수위변동과 저수지의 위치에 의하여 수질 특징이 결정된다고 생각된다.
In order to study the water quality status and its causal environmental factors, the water quality variables of chemical oxygen demand (COD), chlorophyll a (Chl a), Total phosphorus (TP), and total nitrogen (TN), the hydrogeomorphologic variables of water level fluctuation, total water storage, dam ...
In order to study the water quality status and its causal environmental factors, the water quality variables of chemical oxygen demand (COD), chlorophyll a (Chl a), Total phosphorus (TP), and total nitrogen (TN), the hydrogeomorphologic variables of water level fluctuation, total water storage, dam elevation, watershed area, and shoreline development index, and the land cover variables of forest, agricultural area, and urbanized area in the watershed were investigated in total 73 reservoirs with various operational purposes, water level fluctuation and geographical distribution in South Korea. The water quality was more eutrophic in the reservoirs of the more urbanized and agricultural area in the watershed, the low altitude, the narrow water level fluctuation, the narrowed watershed area, and the more circular shape. In terms of the purposes of reservoir operation, the reservoirs for agricultural irrigation were more eutrophic than the reservoirs for flood control. The results of the variable selection and path analysis showed that COD determined by Chl a and TP was directly affected by water level fluctuation and the shoreline development of the reservoirs. TP was directly affected by the urbanized area of the watershed which was related to the elevation of the reservoir. TP was also influenced by the water level fluctuation and the shoreline development. In conclusion, the eutrophication of the reservoirs in Korea would be influenced by the land use of the watershed, hydrological and geographical characteristics of the reservoir, water level fluctuation by the anthropogenic management according to the reservoir operation purpose, and the location of the reservoirs.
In order to study the water quality status and its causal environmental factors, the water quality variables of chemical oxygen demand (COD), chlorophyll a (Chl a), Total phosphorus (TP), and total nitrogen (TN), the hydrogeomorphologic variables of water level fluctuation, total water storage, dam elevation, watershed area, and shoreline development index, and the land cover variables of forest, agricultural area, and urbanized area in the watershed were investigated in total 73 reservoirs with various operational purposes, water level fluctuation and geographical distribution in South Korea. The water quality was more eutrophic in the reservoirs of the more urbanized and agricultural area in the watershed, the low altitude, the narrow water level fluctuation, the narrowed watershed area, and the more circular shape. In terms of the purposes of reservoir operation, the reservoirs for agricultural irrigation were more eutrophic than the reservoirs for flood control. The results of the variable selection and path analysis showed that COD determined by Chl a and TP was directly affected by water level fluctuation and the shoreline development of the reservoirs. TP was directly affected by the urbanized area of the watershed which was related to the elevation of the reservoir. TP was also influenced by the water level fluctuation and the shoreline development. In conclusion, the eutrophication of the reservoirs in Korea would be influenced by the land use of the watershed, hydrological and geographical characteristics of the reservoir, water level fluctuation by the anthropogenic management according to the reservoir operation purpose, and the location of the reservoirs.
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문제 정의
그러나 저수지의 수질에 영향을미치는 유역의 토지이용, 지형, 수문, 형상 등의 환경요인을 여러 저수지에서 동시에 종합적으로 검토한 연구는 많지 않다. 따라서 본 연구에서는 우리나라 73개 저수지에서 운영목적 및 지역적 위치에 따른 수질 특성 차이를 비교하고, 수질 요인과 관련된 수문지형 특성과유역의 토지피복 특성의 상호관계를 파악하고자 하였으며, 이러한 환경요인이 저수지 수질에 기여하는 주요한 환경요인을 선별하고 이들 요인이 수질이 미치는 직접적, 간접적 영향을 파악하고자 하였다.
본 연구는 전국에 분포한 다양한 환경을 가진 73개 저수지에서 수질과 이와 관련된 유역의 토지피복과 수문지형 환경 특성의 관계를 다양한 통계기법을 적용하여 규명하였다. 조사대상 저수지의 평균 COD는 5.
제안 방법
2007, Cunha and Calijuri 2011). 따라서 본 연구에서 적용한 경로분석에서 TP가 Chl a에 영향을 미치는 요인으로 상정하였다.
또한 수질에 영향을 미치는 환경요인으로서 수문지형 요인으로서 고도, 연수위변동폭, 총저수량, 호안발달도를 유역 토지피복 요인으로 도시화지역 면적비율을 선정하였다.
조사대상 저수지의 환경자료는 수질, 수문-지형 및 저수지 유역의 토지피복으로 구분하고 총 12개 요인을 수집하였다. 수질 요인으로서 부영양화의 원인이 되는 영양소인 총인 (TP)과 총질소 (TN)를, 부영양화의 지표가 되는 엽록소a (Chl a)와 화학적산소요구량 (COD) 을 선정하였다. 저수지 수질과 관련이 있을 것으로 생각되고 실제 자료 취득이 가능한 수문지형 요인으로서 연수위변동폭 (GF), 총저수량 (GS), 댐 (제방)의 고도(GA), 유역 면적 (GW), 호안 발달도 (shoreline development index, GD)를, 부영양화 유발 오염물질의 부하량을 결정하는 유역의 토지피복 요인으로서 산림 (CF),농경지 (CA) 및 도시화지역 (CU)의 면적비율을 선정하였다.
우리나라의 전국에서 저수지의 수질과 수문지형 및 토지피복 환경요인 사이의 관계를 규명하기 위하여, 수질 및 환경 자료의 수집 상황과 전국적 분포를 고려하여 조사대상 저수지를 선정하였다. 한국농촌공사, 한국수자원공사 및 한국수력원자력에서 관리하는 저수지와댐 호 중에서 수질 및 수문 측정 자료가 모두 구비되어있고 수면적이 0.
수질 요인으로서 부영양화의 원인이 되는 영양소인 총인 (TP)과 총질소 (TN)를, 부영양화의 지표가 되는 엽록소a (Chl a)와 화학적산소요구량 (COD) 을 선정하였다. 저수지 수질과 관련이 있을 것으로 생각되고 실제 자료 취득이 가능한 수문지형 요인으로서 연수위변동폭 (GF), 총저수량 (GS), 댐 (제방)의 고도(GA), 유역 면적 (GW), 호안 발달도 (shoreline development index, GD)를, 부영양화 유발 오염물질의 부하량을 결정하는 유역의 토지피복 요인으로서 산림 (CF),농경지 (CA) 및 도시화지역 (CU)의 면적비율을 선정하였다. 수질 요인과 연수위변동폭, 총저수량, 고도는국가수자원관리종합정보시스템 (HRFCO 2019), 물환경정보시스템 (NIER 2019) 및 농촌용수종합정보시스템 (KRC 2019)에서 제공하는 2011년 1월 1일부터 2015년 12월 31일까지의 5년간 자료를 이용하였다.
호안 발달도가 1에 가까울수록 저수지의 모양이 원형에 가깝고, 이 값이 클수록 호안의 굴곡이 심하거나 저수지의 폭이 좁고 길이가 긴 하천 형태를 나타낸다. 저수지 유역의 토지피복 요인은 지리정보시스템 소프트웨어 (ArcGIS ver. 9.3.1 ESRI Inc.)를 이용하여 환경부에서 제공한 2013년 토지피복도에서 대분류 분류체계에서 수질과 관련이 있을 것으로 생각되는 산림, 농경지 및 도시화 지역의 면적 비율로 하였다.
1, Appendix 1). 저수지의 운영목적에 따라서 주요한 용도를 하나만을 선정하여 농업용수용 (n = 49), 홍수조절용 (n = 11), 생활·공업용수용 (n = 7), 수력발전용 (n = 6) 저수지로 구분하였다. 또한 조사 저수지의 행정 소재지에 따라서 구분하면 전북 (n = 12), 인천을 포함한 경기 (n = 11),경북 (n = 11), 전남 (n = 11), 충남 (n = 9), 경남 (n = 8),충북 (n = 6), 강원 (n = 5)이었다.
수질 요인과 연수위변동폭, 총저수량, 고도는국가수자원관리종합정보시스템 (HRFCO 2019), 물환경정보시스템 (NIER 2019) 및 농촌용수종합정보시스템 (KRC 2019)에서 제공하는 2011년 1월 1일부터 2015년 12월 31일까지의 5년간 자료를 이용하였다. 저수지의 유역 면적은 물환경정보시스템에서 제공하는 표준유역 자료를 이용하여 지리정보시스템 소프트웨어 (ArcGIS ver. 9.3.1 ESRI Inc.)를 이용하여 산출하였다. 호안발달도 (GD)는 카카오 지도 (http://map.
조사대상 저수지의 환경자료는 수질, 수문-지형 및 저수지 유역의 토지피복으로 구분하고 총 12개 요인을 수집하였다. 수질 요인으로서 부영양화의 원인이 되는 영양소인 총인 (TP)과 총질소 (TN)를, 부영양화의 지표가 되는 엽록소a (Chl a)와 화학적산소요구량 (COD) 을 선정하였다.
환경요인에 따른 저수지 사이의 관계를 파악하기위하여 R 환경에서 vegan 패키지 (Oksanen et al. 2019)의 ‘rda’ 함수를 이용하여 자료를 표준화한 후에 주요인분석 (principal component analysis, PCA)을 실시하였다.
대상 데이터
저수지 수질과 관련이 있을 것으로 생각되고 실제 자료 취득이 가능한 수문지형 요인으로서 연수위변동폭 (GF), 총저수량 (GS), 댐 (제방)의 고도(GA), 유역 면적 (GW), 호안 발달도 (shoreline development index, GD)를, 부영양화 유발 오염물질의 부하량을 결정하는 유역의 토지피복 요인으로서 산림 (CF),농경지 (CA) 및 도시화지역 (CU)의 면적비율을 선정하였다. 수질 요인과 연수위변동폭, 총저수량, 고도는국가수자원관리종합정보시스템 (HRFCO 2019), 물환경정보시스템 (NIER 2019) 및 농촌용수종합정보시스템 (KRC 2019)에서 제공하는 2011년 1월 1일부터 2015년 12월 31일까지의 5년간 자료를 이용하였다. 저수지의 유역 면적은 물환경정보시스템에서 제공하는 표준유역 자료를 이용하여 지리정보시스템 소프트웨어 (ArcGIS ver.
5 km2 이상인 곳을 예비 조사후보지로 선정하였다. 이 중에서 저수지 주요 수문 환경요인인연수위변동폭과 지역적 분포를 고려하여 총 73개의 저수지를 조사대상 저수지로 선정하였다 (Fig. 1, Appendix 1). 저수지의 운영목적에 따라서 주요한 용도를 하나만을 선정하여 농업용수용 (n = 49), 홍수조절용 (n = 11), 생활·공업용수용 (n = 7), 수력발전용 (n = 6) 저수지로 구분하였다.
우리나라의 전국에서 저수지의 수질과 수문지형 및 토지피복 환경요인 사이의 관계를 규명하기 위하여, 수질 및 환경 자료의 수집 상황과 전국적 분포를 고려하여 조사대상 저수지를 선정하였다. 한국농촌공사, 한국수자원공사 및 한국수력원자력에서 관리하는 저수지와댐 호 중에서 수질 및 수문 측정 자료가 모두 구비되어있고 수면적이 0.5 km2 이상인 곳을 예비 조사후보지로 선정하였다. 이 중에서 저수지 주요 수문 환경요인인연수위변동폭과 지역적 분포를 고려하여 총 73개의 저수지를 조사대상 저수지로 선정하였다 (Fig.
)를 이용하여 산출하였다. 호안발달도 (GD)는 카카오 지도 (http://map.kakao.com)에서 제공하는 1/256 또는 1/512 축적의 항공사진을 이용하여 둘레길이를 측정하여 Eq. 1에 의하여 산출하였다 (Hutchinson 1957).
데이터처리
또한 저수지 수질과 이와 관련된 환경요인사이의 관계를 파악하기 위하여 R환경에서 ‘cor.test’함수를 이용하여 Spearman 순위 상관 분석을 실시하였다
변수선택법은 R환경에서 ‘step’ 함수를 이용하여 여러 변수 중에서 자동으로 예측변수를 선택하는 회귀모형의 적합방법인 단계별 회귀(stepwise regression)를 실시하였는데,AIC (Akaike information criterion)이 가장 낮은 변수의 조합을 선택하였다.
저수지 수질에 영향을 미치는 환경요인의 직접, 간접적 영향을 파악하기 위하여 R 환경에서 lavaan 패키지 (Yves et al. 2018)의 ‘sem’ 함수를 이용하여 변수 조합 간에 직접적인 관계를 묘사하는 경로분석(path analysis)을 실시하였다.
저수지의 운영목적과 지역적 위치에 따른 수질의 차이를 파악하기 위하여, 저수지 수질 환경 변수의 평균값을 R에서 ‘aov’와 ‘TukeyHSD’ 함수를 이용하여 분산분석과 Tukey의 정직유의차(honest significant difference, HSD) 분석을 실시하였다.
이론/모형
본 연구에서 획득된 자료처리는 통계 계산과 그래픽을 위한 무료 소프트웨어를 제공하는 R (R Core team 2019)을 이용하였다. 저수지의 운영목적과 지역적 위치에 따른 수질의 차이를 파악하기 위하여, 저수지 수질 환경 변수의 평균값을 R에서 ‘aov’와 ‘TukeyHSD’ 함수를 이용하여 분산분석과 Tukey의 정직유의차(honest significant difference, HSD) 분석을 실시하였다.
저수지 수질과 관련이 있는 주요한 환경요인을 선별하기 위하여 변수선택법을 실시하였다. 변수선택법은 R환경에서 ‘step’ 함수를 이용하여 여러 변수 중에서 자동으로 예측변수를 선택하는 회귀모형의 적합방법인 단계별 회귀(stepwise regression)를 실시하였는데,AIC (Akaike information criterion)이 가장 낮은 변수의 조합을 선택하였다.
성능/효과
한편 수질에 영향을 미치는 환경요인 간의 관계를 살펴보면 고도가 높은 곳에서 도시화지역 비율이 낮고 연수위변동폭이 컸다. 또한 총저수량은 연수위변동폭과 호안발달도에 양의 영향을 미쳤다.
농업용 저수지에서도 COD가 댐 또는 보 높이인 수심과 음의 상관이 있었다(Choi and Park 2011). 변수선택법에 의하여 부영양화 정도를 나타내는 COD는 도시화지역과 농경지가 넓고 수위변동폭과 호안발달도가 적은 저수지에서 낮았다.
변수선택법에 의하여 선정한 저수지의 COD에 영향을 미치는 주요한 환경요인은 유역의 도시화지역와 농경지, 호안발달도, 연수위변동폭이었고, Chl a에는 도시화지역와 농경지, 호안발달도가 선택되었다 (Table 5). 주요한 영양소인 TP에는 도시화지역, 호안발달도, 연수위변동폭이, TN에는 도시화지역과 산림이 유의한 영향인자로 선정되었다.
TP는 Chl a와 COD에 양의 영향을 미쳤다. 부영영화 정도를 나타나 내는 COD에는 수문지형 요인 중에서 연수위변동폭과 호안발달도가 음의 영향을 미쳤다. 한편 수질에 영향을 미치는 환경요인 간의 관계를 살펴보면 고도가 높은 곳에서 도시화지역 비율이 낮고 연수위변동폭이 컸다.
TN은 도시화지역과 양의 상관이 있었다. 수질과 수문지형 환경요인의 관계에서 저수용량, 연수위변동폭, 고도, 호안발달도 및 유역면적은 COD, Chl a 및 TP과 음의 상관이 있는 경우가 많았고 TN과는 유의한 상관이 나타나지 않았다.
저수지의 수질 요인 사이의 관계를 살펴보면, TP가 COD, Chl a와 유의한 양의 상관을 보였으나 TN은 다른 수질 요인과 유의한 상관이 없었다. 수질과 유역의 토지피복 요인과의 관계를 살펴보면, COD, Chl a 및 TP는 산림면적과 음의 상관이 농경지, 도시화지역과 양의 상관이 있었다. TN은 도시화지역과 양의 상관이 있었다.
수질에 미치는 환경요인의 직접, 간접적 경로에서 저수지의 수문적 특성인 수위변동폭과 호안발달도가 COD에 직접적으로 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이러한 이유는 주로 호안발달도가 높은 하천형 저수지에서 연중 수위변화가 큰 경우에 수체의 교환율이 높기 때문일 것으로 생각된다 (Kõiv et al.
3). 이들 저수지는 환경 특성에 따라 고도(GA)가 낮은 곳에 위치하고 연수위변동폭 (GF)이 좁으며 저수지 모양 (GD)이 원형에 가까웠고, 유역의 농경지 (CA)와 도시화지역 (CU)의 비율이 높아서 저수지의 수질이 부영양인 경향을 보였다. PC 1 축의 왼쪽에 배열된 저수지는 주로 홍수조절용 저수지 (약자 F)로서 고도가 높은 산림지역에 위치하고 연수위변동폭(GF)이 큰 하천형 저수지이었다.
이상의 결과를 종합하면 우리나라의 저수지 부영양화는 유역의 토지이용, 수문적, 지형적 특성에 의하여 영향을 받으며, 특히 저수지 운영목적에 따른 인위적인 물관리에 의한 수위변동과 저수지의 위치에 의하여 수질적 특징이 결정된다고 생각된다. 따라서, 저수지 운영목적에 따라서 수문적 조건을 파악하고 부영양화 방지를 위한 수문조절을 고려하고 (Molina-Navarro et al.
저수지의 수질 요인 사이의 관계를 살펴보면, TP가 COD, Chl a와 유의한 양의 상관을 보였으나 TN은 다른 수질 요인과 유의한 상관이 없었다. 수질과 유역의 토지피복 요인과의 관계를 살펴보면, COD, Chl a 및 TP는 산림면적과 음의 상관이 농경지, 도시화지역과 양의 상관이 있었다.
특히 COD는 농업용 저수지가 수질환경기준의 ‘약간 나쁨’(5 mg/L - 8 mg/L) 등급으로서 ‘약간 좋음’ (3 mg/L - 4mg/L) 또는 ‘좋음’ (2 mg/L - 3 mg/L) 등급의 수력발전용, 용수용 및 홍수조절용 저수지와 유의한 차가 있었다.
유역의 토지피복뿐만 아니라 저수지의 수문지형 특성이 수질에 영향을 미친다. 특히 연수위변동폭, 저수용량, 호안발달도가 COD, Chl a 및 TP와 음의 상관이 있었다. 일반적으로 하천 상류에 위치한 홍수조절용 및 용수공급용 저수지에서 수위변동이 심하고 대규모의 하천형 저수지이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
주요인분석이란?
2019)의 ‘rda’ 함수를 이용하여 자료를 표준화한 후에 주요인분석(principal component analysis, PCA)을 실시하였다. 주요인분석은 서로 상관관계에 있는 많은 변수를 선형적으로 비상관 변수로 바꾸어 이들 변수 사이의 관계를 이해하기 쉽게 나타내는 서열법(ordination)의 한 방법이다. 또한 저수지 수질과 이와 관련된 환경요인 사이의 관계를 파악하기 위하여 R환경에서 ‘cor.
우리나라에 저수지는 몇개가 존재하는가?
몬순기후의 우리나라는 여름철에 강우가 집중되어 수자원을 확보하고 홍수재해를 방지하기 위하여 하천을 가로막아 댐을 건설하거나 용수공급의 목적으로 소규모 저수지를 조성하여 많은 저수지를 보유하고 있다. 수자원의 시공간적인 불균일 분포를 극복하기 위하여 건설한 저수지는 전국에 17,289개가 존재하며 이중 경상도 (8,651개)와 전라도 (5,445개)에 81%가 분포하고 있다 (KRC 2019). 이들 저수지는 수자원의 이용 목적에 따라서 농업용수용, 수력발전용, 생활·공업용수용 및 홍수조절용 저수지로 구분되어 그 운영용도에 따라 저수지의 규모와 환경특성이 다양하다 (Cho and Cho 2013).
수위변동폭과 호안발달도가 COD에 직접적으로 영향을 미치는 이유는?
수질에 미치는 환경요인의 직접, 간접적 경로에서 저수지의 수문적 특성인 수위변동폭과 호안발달도가 COD에 직접적으로 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이러한 이유는 주로 호안발달도가 높은 하천형 저수지에서 연중 수위변화가 큰 경우에 수체의 교환율이 높기 때문일 것으로 생각된다 (Kõiv et al. 2011).
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