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문제 정의
- 본 연구의 목적은 금강 유역의 백제보 건설로 인한 하천의 수질 환경 변동 특성을 분석하는 것이며, 수질 환경 변동 특성을 분석하기 위해 백제보 인근 수질 조사지점에서의 총인, 총질소 및 클로로필 농도 등의 변화를 분석하였다. 본 연구는 향후 상시방류를 정부에서 수행할 경우 금강의 수질개선 및 관리를 위한 대책마련에 중요한 기초자료로 활용될 것으로 사료된다.
제안 방법
- 자료 분석에 이용된 수질변수는 용존산소량(Dissolved Oxygen; DO), 생화학적 산소요구량(Biochemical Oxygen Demand; BOD), 화학적 산소요구량 (Chemical Oxygen Demand; COD), 총인(Total Phosphorus; TP), 전기전도도 (Electric Conductivity; EC), 총질소(Total Nitrogen; TN), 총부유물(Total Suspended Solids; TSS)이며 각 수치의 시간적 변화양상을 분석하였다. 금강 유역의 강수량은 2004 년부터 2017년까지 부여군의 강수량 데이터를 분석하였으며, 강우의 하절기 특성을 고려하여 수질자료는 장마전기 (Premonsoon; PRE: 5~6월), 장마기 (Monsoon; MON: 7~8월), 장마후기(Postmonsoon; POS: 9~10월)로 나누어 분석하였다. 조사 기간 (2004~2017년) 내에 백제보가 건설되어 건설 전후로 수질의 변화가 있을 것을 기대하여, 보 건설 전(2004~2009년, B wc)과 건설 후(2012~2017년, A wc)로 나누어 수질특성 및 변화를 분석하였다.
- 백제보는 건설 전(Before Weir Construction; B wc)에는 유수생태계였으나, 건설 후(After Weir Construction; A wc)에는 정수 및 유수생태계의 교잡형 시스템으로 전환되어 이에 따른 수질특성 변화를 분석하였다.
- 백제보에서 수질 변수들 간의 관계분석을 위해 1차 회귀 경험적 모델을 이용하여, 보 건설 전과 건설 후로 대별 하여 인자를 분석하였다. 백제보 건설 전에 대한 부영양화 변수의 경험적 모델의 분석에 따르면, TP와 CHL-α의 상관관계는 유의성이 없는 것으로 나타났는데(R2 = 0.
- 백제보에서의 질소와 인의 농도 및 조류의 생산이 양적으로 어떠한 관계가 있는지 해석하기 위해 TN-CHL, TP-CHL, TN:TP-CHL 간의 회귀분석을 통해 경험적 모델(Empirical model)을 구축하여 영양상태 평가 및 예측에 이용하다. 수질 자료를 계절별로 나누어 Log로 전환한 Log10 (TN), Log10 (TP), Log10 (TN:TP), Log10 (CHL)을 가지고 Pearson 상관도 분석법(correlation analysis)과 회귀분석(regression analysis)을 하였다.
- 본 연구는 2004~2017년 동안 금강수계에서 백제보 건설 전·후의 화학적 수질 특성 및 경험적 모델 분석을 실시하였다.
- 수질 자료를 계절별로 나누어 Log로 전환한 Log10 (TN), Log10 (TP), Log10 (TN:TP), Log10 (CHL)을 가지고 Pearson 상관도 분석법(correlation analysis)과 회귀분석(regression analysis)을 하였다. 이를 통해 백제보의 부영 양화의 특성과 부영양화의 주요 인자인 CHL에 영향을 주는 요인을 분석하였다.
- 이·화학적 수질 자료를 분석하기 위하여 2004년 1월부터 2017년 9월까지 측정된 환경부의 월별자료를 이용하였다. 자료 분석에 이용된 수질변수는 용존산소량(Dissolved Oxygen; DO), 생화학적 산소요구량(Biochemical Oxygen Demand; BOD), 화학적 산소요구량 (Chemical Oxygen Demand; COD), 총인(Total Phosphorus; TP), 전기전도도 (Electric Conductivity; EC), 총질소(Total Nitrogen; TN), 총부유물(Total Suspended Solids; TSS)이며 각 수치의 시간적 변화양상을 분석하였다. 금강 유역의 강수량은 2004 년부터 2017년까지 부여군의 강수량 데이터를 분석하였으며, 강우의 하절기 특성을 고려하여 수질자료는 장마전기 (Premonsoon; PRE: 5~6월), 장마기 (Monsoon; MON: 7~8월), 장마후기(Postmonsoon; POS: 9~10월)로 나누어 분석하였다.
- 금강 유역의 강수량은 2004 년부터 2017년까지 부여군의 강수량 데이터를 분석하였으며, 강우의 하절기 특성을 고려하여 수질자료는 장마전기 (Premonsoon; PRE: 5~6월), 장마기 (Monsoon; MON: 7~8월), 장마후기(Postmonsoon; POS: 9~10월)로 나누어 분석하였다. 조사 기간 (2004~2017년) 내에 백제보가 건설되어 건설 전후로 수질의 변화가 있을 것을 기대하여, 보 건설 전(2004~2009년, B wc)과 건설 후(2012~2017년, A wc)로 나누어 수질특성 및 변화를 분석하였다.
- 조사 기간(2004~2017년) 동안 집중 강우의 해(2011년) 와 가뭄의 해(2015년)의 14년간의 월평균 강우량과 수질 변수의 관계를 비교·분석하였다.
대상 데이터
- 백제보는 충청남도 공주시 탄천면 분강리(N36°34ʹ00.37ʺ, E126°98ʹ48.59ʺ)에 위치하고 있다(Fig. 1).
- 2014), 이 일환으로 한강, 낙동강, 금강, 영산강 수계에 16개 보(Weir)를 건설하였다. 본 연구 대상지역인 금강 수계에는 본류에 세종보, 공주보, 백제보등 3개 보를 건설하였고 이를 위해 대규모 준설이 이루어 졌다(Yu 2013). 현재 우리나라의 상수원 지표수 의존율이 97%로 매우 높아 하천의 수질오염관리가 매우 중요한 실정이다.
- 본 연구의 대상은 4대강 건설사업의 일환으로 만들어진 백제보로서 충남 부여군 부여읍 자왕리에 위치해 있으며, 상류 20 km 부근에는 공주보가 있고, 하류 60 km 부근에는 금강하구언이 있다. 백제보의 유역면적은 7,976km2 로 금강 총 유역면적의 약 80%에 해당하고, 총저수용량 23.
- 이·화학적 수질 자료를 분석하기 위하여 2004년 1월부터 2017년 9월까지 측정된 환경부의 월별자료를 이용하였다.
데이터처리
- 수질 자료를 계절별로 나누어 Log로 전환한 Log10 (TN), Log10 (TP), Log10 (TN:TP), Log10 (CHL)을 가지고 Pearson 상관도 분석법(correlation analysis)과 회귀분석(regression analysis)을 하였다.
성능/효과
- 본 연구는 2004~2017년 동안 금강수계에서 백제보 건설 전·후의 화학적 수질 특성 및 경험적 모델 분석을 실시하였다. 4대강 사업 전후의 표층수의 수질에 대한 비교평가에 따르면, TP의 농도는 보 건설 후 급격히 감소하는 현상을 보였고, 총질소 역시 감소하는 것으로 나타났다. 반면, 식물성 플랑크톤의 1차 생산력의 지표인 CHL-α 농도와 EC는 보 건설 후 증가한 것으로 나타났다.
- 4대강 정비사업 이후, 현재 하천에서 발생하고 있는 녹조 문제에 비해, CHL-α는 15~90 μg L-1 (B wc)의 범위 내 분포에서 20~50 μg L-1 (Awc)의 범위 내 분포로 CHL-α 값이 감소하는 것으로 나타났다 (Fig. 5).
- 이는 보 건설 후에 호소화되어 표층의 인과 질소가 가라앉아 표층의 농도는 낮게 나온 것으로 사료된다. DO은 보 건설 전과 후의 농도에 큰 차이가 없는 것으로 나타나며, 두 기간 모두 장마기에 감소하며 장마후기에 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 6). TSS은 보 건설 전의 농도가 건설 후보다 높게 나타났으며, 장마기인 8월에 최댓값을 보였다.
- TN 및 이온희석 현상의 지표로 이용된 EC는 계절별 분석에서 장마기에 크게 감소하는 현상을 보이며 강우와 역상관관계(r = 0.5378, p0.40, p<0.01, n = 163)를 보였다.
- 0 mg L-1 )를 나타냈으며, 이후 장마기까지 급격히 하강하였다. 갈수기인 1월에서 5월까지 BOD가 증가한 것은 유량이 적은 갈수기에 유기물질이 농축되기 때문에 BOD 가 증가되는 것으로 보였고, 반면 장마기에는 유량이 급격히 많아져 유기물질이 희석되는 효과를 가져와 BOD가 감소한 것으로 나타났다(Fig. 6). EC는 모든 계절에 건설 전의 농도보다 건설 후의 농도가 높게 나타났다.
- 보 건설 전·후 TN은 CHL-α와 유의한 상관관계를 보이지 않았으며, 이는 TN 농도가 수계 내에 이미 필요 이상 존재하며 인 (P)이 제한요인(limited factor)으로 작용한 것으로 나타났다. 따라서 백제보는 4대강 사업 후 호수형 수체가 되면서 인(P) 에 의해 식물성 플랑크톤의 1차 생산력이 조절되는 것으로 나타났고, 인(P) 증가에 따라 녹조의 농도 및 수화현상의 빈도가 증가되는 것으로 사료되었다. 한편 TN의 농도는 CHL-α의 농도에 결정인자로 작용하지 않는 것으로 나타났다.
- 반면, 식물성 플랑크톤의 1차 생산력의 지표인 CHL-α 농도와 EC는 보 건설 후 증가한 것으로 나타났다.
- 백제보 건설 후에 대한 경험적 모델의 분석에 따르면, TP에 대한 CHL의 회귀분석에 따르면 CHL-α의 변이는 TP의 변이에 의해 조절되는 것으로 나타났고(p<0.05, n = 56), CHL-α는 TP 와 1차 함수관계(Log (CHL)=0.8373=×Log (TP)-0.0587)를 보여, TP의 증가에 따라 조류의 1차 생산력이 증가함을 보였다(Fig. 8).
- 백제보 구간의 인과 질소의 농도는 상류에 위치한 공주보의 방류량 및 빈도 및 강우량에 의해 직접적으로 영향 받는 것으로 나타났다. 보의 방류량은 백제보가 건설된 2012년 이후에 2012년 8월에 처음 방류가 시작했다.
- 보 건설 전·후 TN은 CHL-α와 유의한 상관관계를 보이지 않았으며, 이는 TN 농도가 수계 내에 이미 필요 이상 존재하며 인 (P)이 제한요인(limited factor)으로 작용한 것으로 나타났다.
- 보 건설 전(Bwc, 2004~2009년)과 후(Awc, 2012~2017년) 로 나누어 분석한 수질변수의 계절적 변화양상에 따르면, TP과 TN, CHL-α, BOD, TSS 농도는 보 건설 전에 비해 건설 후에 낮게 나타났고, EC는 건설 전보다 건설 후가 높게 나타났다(Fig. 6).
- 보 건설 전과 후에 모두 장마기까지 급격히 감소하는 양상을 보였고, 장마후기부터 다시 증가하는 양상을 보였다(Fig. 6).
- 이러한 결과는 보 건설로 인해 하천이 호소화되었다는 것을 의미한다. 보가 건설되기 전, 유수생 태계 일 때에는 TP이 유입되면 TP은 washing 되어 녹조 생산에 직접적인 영향을 주지 못하지만, 보를 건설함으로써 하천이 호소화되면서 정수생태계의 시스템을 나타내어 washing 효과가 약해져 TP의 유입은 녹조 생산에 직접 적인 영향을 미치는 것으로 보였다. 보 건설 전·후 TN은 CHL-α와 유의한 상관관계를 보이지 않았으며, 이는 TN 농도가 수계 내에 이미 필요 이상 존재하며 인 (P)이 제한요인(limited factor)으로 작용한 것으로 나타났다.
- 반면, 식물성 플랑크톤의 1차 생산력의 지표인 CHL-α 농도와 EC는 보 건설 후 증가한 것으로 나타났다. 즉, 보 구간 에서 수체류 시간의 증가로 인해 N, P의 농도는 감소하였지만, CHL/TP 비는 크게 증가하였고, 이로 인해 단위 인 (P) 농도 대비 1차생산력은 증가한 것으로 나타났다. 경험적 모델의 회귀분석에 따르면, 보 건설 전 기간에 CHL-α 농도는 TP와 유의한 관계를 보이지 않았으나 (r = 0.
- 이는 장마기에 증가된 강우에 의하여 유기물이 희석된 것으로 사료된다(An and Yang 2007). 집중 강우의 해(2011년)와 가뭄의 해(2015년)의 TP의 농도는 장마기를 제외하고는 큰 차이를 보이지 않았으며, 가뭄의 해의 TP 농도는 계절 변화폭이 집중 강우의 해에 비해 완만하게 나타났다.
후속연구
- 본 연구의 목적은 금강 유역의 백제보 건설로 인한 하천의 수질 환경 변동 특성을 분석하는 것이며, 수질 환경 변동 특성을 분석하기 위해 백제보 인근 수질 조사지점에서의 총인, 총질소 및 클로로필 농도 등의 변화를 분석하였다. 본 연구는 향후 상시방류를 정부에서 수행할 경우 금강의 수질개선 및 관리를 위한 대책마련에 중요한 기초자료로 활용될 것으로 사료된다.
- 한편 TN의 농도는 CHL-α의 농도에 결정인자로 작용하지 않는 것으로 나타났다. 이러한 경험적 모델은 백제보의 향후 부영양화 현상 저감 및 수 환경 관리에 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
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