[논문]팔당호의 계절별 열적 및 화학적 층화 특성

손주연; 박진락; 노혜란; 유순주; 임종권

doi:10.15681/kswe.2020.36.1.1

[국내논문] 팔당호의 계절별 열적 및 화학적 층화 특성
Seasonal characteristics of thermal and chemical stratification in Lake Paldang 원문보기

한국물환경학회지 = Journal of Korean Society on Water Environment, v.36 no.1, 2020년, pp.1 - 13

손주연 (국립환경과학원 한강물환경연구소) , 박진락 (국립환경과학원 한강물환경연구소) , 노혜란 (국립환경과학원 한강물환경연구소) , 유순주 (국립환경과학원 한강물환경연구소) , 임종권 (국립환경과학원 한강물환경연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study was to investigate the thermal and chemical stratification in Lake Paldang 2013-2018 weekly using Schmidt's stability index (SSI) and the index of chemical stratification (IC-i). The annual average for SSI was 19.1 g cm/㎠ with the maximum value of 45.3 g cm/㎠ in the summer and the minimum value of 4.8 g cm/㎠ in fall-winter showing seasonal differences as well as increased vertical mixing in the summer. The lake stability increased higher in 2016 as compared with the other period. The most influential factors of thermal stratification were temperature and heavy rainfall. Especially, high water temperature and a prolonged residence duration caused by reduced rainfall and inflows could result in an increase of the stratification period. While decreasing inflow and outflow at the end of the rainfall, the thermal stratification was restrengthened within 7-14 days, and then stabilized rapidly before the rainfall. IC-DO increased with high air temperature in the spring and fall-winter. However increasing sunshine duration and residence time and decreasing rate of outflow caused an increase of IC-DO in the summer. Rainfall (less than 800 mm/year) and discharge (less than 200 CMS) significantly declined in 2015 resulting in IC-DO (0.77) increased more than three times over the other years and bottom water hypoxia occurred. The SSI and IC-i used in this study could be applied to other lakes to understand changes in stratification and mixing dynamics.

주제어

표/그림 (17)

표 Table 1. Location and morphometric characteristics in lake Paldang
그림 Fig. 1. Location of Paldang Lake, Korea.
그림 Fig. 2. Daily and yearly fluctuations of outflow, hydraulic retention time, precipitation and air temperature in Lake Paldang 2013-2018.
그림 Fig. 3. Seasonal variation of water temperature (℃) in Lake Paldang.
그림 Fig. 4. Seasonal variation of dissolved oxygen in Lake Paldang.
그림 Fig. 5. IC-DO, outflow and hypoxia occurrence periods
표 Table 2. Hypoxia occurrence at the hypolimnion
그림 Fig. 6. Time series of Schmidt’s stability index(SSI) and outflow.
그림 Fig. 7. Yearly Schmidt’s stability index(SSI) and outflow
그림 Fig. 8. Seasonal changes in Schmidt’s stability index(SSI)
표 Table 3. Relationships between Schmidt’s stability index(SSI) and air temperature, wind speed, sunshine, outflow and hydraulic retention time
그림 Fig. 9. Correlation concept map between Schmidt’s stability index (SSI) and the index of chemical (IC-i), (Yu et al., 2010).
그림 Fig. 10. Relationships between Schmidt’s stability index(SSI) and chemical stratification strength(IC-i)
표 Table 4. Relationships between Schmidt’s stability index(SSI) and indices of chemical(IC-i)
그림 Fig. 11. Seasonal vertical profiles of water temperature and dissolved oxygen in Lake Paldang
그림 Fig. 12. Water temperature and dissolved oxygen before and after the summer rainfall in Lake Paldang.
표 Table 5. Relationships between IC-DO and air temperature, wind speed, sunshine, outflow and hydraulic retention time

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 장기적인 팔당호의 계절적 층화 변화를 관찰하기 위해 팔당호의 대상지점에서 열적 층화(SSI)와 화학적 층화(IC-i) 수치를 각각 제시하고 그 상관성을 파악하여 수질인자들의 변화 특성을 조사하는 것이며, 더불어 강수량과 댐 방류량이 층화에 미치는 영향을 관찰하는 것이다.

가설 설정

3으로 차이를 보였고 다른 해에 비해 2016년에 열적 층화가 강했다. 열적 층화의 가장 큰 요인은 기온이었고, 여름에는 기온 외에도 강수량, 방류량 및 체류시간이 영향을 미쳤다. 여름철 강우기에 강수량의 증가는 유입수 증가와 체류시간의 감소를 일으켰고 이는 수직 혼합을 유발시켜 열적 층화를 약화시켰다.

제안 방법

5 m, 17 m, 20 m)에서 채수하였다. 시료는 아이스박스를 이용하여 4 ℃ 이하의 상태로 실험실로 옮겼고 총유기탄소(TOC), 클로로필-a(Chl-a), 총질소(TN), 총인(TP)을 수질오염공정시험기준에 따라 분석하였다. 환경요인과 SSI 또는 IC-i의 상관분석은 SPSS 20(IBM Corp.
팔당호 대상지점의 표층과 심층의 수질 분석결과를 토대로 IC-i를 계산하여 화학적 층화를 평가하였으며 각 수질항목에 대한 SSI와 IC-i의 관계는 Fig. 10에 나타냈다.
팔당호의 대상지점에서의 연직 수온분포와 수체의 구조적 정보를 토대로 SSI를 산출하여 열적 층화를 평가하였으며 그 결과는 Fig. 6와 같다.

대상 데이터

6 m)였다. 기온과 강수량은 기상청(KMA, 2019) 양평기상대에서 관측한 일 자료를 사용하였고, 유입량, 방류량, 저수위 등의 수문자료는 국가수자원관리정보시스템(HRFCO, 2019)을 이용하였다. 수온 및 용존산소(DO)는 현장 수질측정기(YSI 6600D, YSI Inc.
, Yellow Springs, OH, USA)를 이용하여 현장에서 수심 1 m 간격으로 측정하였다. 수질 분석을 위한 시료는 Van Dorn 채수기를 이용하여 5개 수심(0.5 m, 4 m, 10.5 m, 17 m, 20 m)에서 채수하였다. 시료는 아이스박스를 이용하여 4 ℃ 이하의 상태로 실험실로 옮겼고 총유기탄소(TOC), 클로로필-a(Chl-a), 총질소(TN), 총인(TP)을 수질오염공정시험기준에 따라 분석하였다.
팔당호 조사는 댐 상류 400 m 중앙지점을 대상으로 하였으며 2013년부터 2018년까지 결빙기를 제외한 3월 ~ 12월에 주 1회 조사하였다. 팔당호의 총저수량은 2억 4,400만 톤이고, 유효저수량은 1,800만 톤이며, 홍수위는 EL(+)27.

데이터처리

시료는 아이스박스를 이용하여 4 ℃ 이하의 상태로 실험실로 옮겼고 총유기탄소(TOC), 클로로필-a(Chl-a), 총질소(TN), 총인(TP)을 수질오염공정시험기준에 따라 분석하였다. 환경요인과 SSI 또는 IC-i의 상관분석은 SPSS 20(IBM Corp., Armonk, NY, USA)을 이용하여 Person’s correlation test를 하였고, 유의성은 P<0.01 또는 P<0.05로 확인하였다.

이론/모형

열적 층화의 정도는 SSI를 이용하여 평가하였다. SSI는 수체의 안정성 지표이며 호수를 등온 조건으로 혼합하는데 필요한 물리적 작업량을 나타낸다(Bertone et al.

성능/효과

강우 종료시에는 유입량 및 방류량이 감소하면서 7일 ~ 14일 이내로 열적 층화가 강화되어 강우이전의 상태로 빠르게 변하였다. SSI가 증가할 때 DO 농도는 감소하였고, IC-DO는 SSI가 증가하는 여름(0.65)에 증가하고 봄(0.17)과 가을 및 겨울(0.21)에 감소하는 것으로 나타났다. 봄과 가을 및 겨울에는 기온이 높을수록 IC-DO가 증가하였고, 여름에는 일조시간이 길고 방류량이 적으며 체류시간이 길수록 IC-i가 증가하였다.
SSI는 연도별 및 계절별로 유의한 차이를 보였다. 연평균 방류량이 감소한 해인 2014년(20.
3으로 감소하였다. SSI와 IC-DO의 관계를 도식화해보면 봄에는 SSI가 0 ~ 50의 범위로 증가할수록 IC-DO는 0 ~ 0.8의 범위로 증가하는 것을 볼 수 있으며 이는 열적 층화와 DO의 화학적 층화가 약하고 심층보다 표층의 DO가 더 높다는 것을 의미한다(Fig. 10).
이 결과는 화학적 층화가 열적 층화에 의해 결정된다는 것을 의미하는 것으로 열적 층화가 강해지면 화학적 층화가 강해졌다. SSI와 IC-DO의 상관관계를 계절별로 분석한 결과 봄(r=0.635, P<0.01, n=73)과 가을 및 겨울(r=0.506, P<0.01, n=96)에 유의한 상관관계를 나타낸 반면, 여름에는 유의한 상관성이 나타나지 않았다. 이는 봄, 가을 및 겨울에는 열적 층화로 인한 수체 안정화가 DO 분포에 영향을 주는 반면, 여름의 DO 분포는 열적 층화보다는 식물성 플랑크톤의 성장과 유기물 분해에 의해 결정되기 때문에 IC-DO 값과 SSI 사이의 상관관계가 명확하지 않았던 것으로 판단된다(Yu et al.
이는 집중강우시에 유입량과 방류량이 급증하면서 열적층화가 파괴되는 현상도 이유가 될 것이다. SSI와 IC-TOC의 상관관계는 전 계절에 유의하게 나타났다(r=0.569, P<0.01, n=247)(Table 4). SSI와 IC-Chl.
, 2010). SSI와 IC-TP의 상관관계는 봄(r=0.303, P<0.01, n=73), 여름(r=0.261, P<0.01, n=78)에는 유의하게 나타났지만, 가을 및 겨울에는 유의한 상관성이 나타나지 않았는데 이는 봄, 가을 및 겨울에는 화학적 층화가 열적 층화의 영향을 크게 받지만 여름에는 열적 층화 외의 다른 요인의 영향을 받는 것으로 사료된다.
SSI와 기상, 수문자료와의 관계를 분석한 결과 전 기간 동안 열적 층화는 기온이 높고(r=0.689, P<0.01, n=247), 일조량이 많을수록 강화되고(r=0.138, P<0.05, n=247), 특히 여름철 강우기 때는 기온과 일조량 외에도 방류량이 감소하고 (r=-0.527, P<0.01, n=62), 체류시간이 길어질수록(r=0.381, P<0.01, n=62) 안정되었다(Table 3). 팔당호의 대상지점에서 열적 층화와 혼합은 기온과 밀접하게 관련이 있고 여름에는 강우로 인한 방류량 증가가 수체의 안정성을 감소시킬 수 있다.
연평균 IC-TOC는 0.2(0.1 ~ 0.2)로 2014년에 최대, 2017년에 최소를 나타냈고 전 계절에 SSI가 증가할수록 IC-TOC는 -0.3 ~ 0.7의 범위로 열적 층화가 강해져도 TOC의 화학적 층화는 약하게 증가하였다. 연평균 IC-TN는 0.
팔당호 대상지점의 SSI와 IC-i 수치를 이용하여 열적 층화와 화학적 층화의 변화를 관찰한 결과 대상지점의 SSI(g cm/cm² )는 0.00 ~ 115.85의 범위로 연평균 SSI는 19.1이었고 봄에는 11.9, 여름에는 45.3, 가을 및 겨울에는 4.8로 계절별로 차이가 있었으며, 봄, 가을 및 겨울에 혼합되고 여름에 열적 층화가 강화되어 안정되었다. 연도별로는 14.

후속연구

77)는 다른 해의 3배 이상으로 증가했고 심층에서는 빈산소층이 나타났다. 본 연구에서 사용한 SSI 및 IC-i는 호수의 층화 및 층별 혼합을 이해하기 위해 여러 호수에 적용 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	팔당호는 무엇인가?	팔당호는 1973년에 홍수방제와 취수를 목적으로 건설된 팔당댐에 의해 이루어진 인공호수이며, 평균 저수위는 약 EL(+)25 m로 상류의 댐들과 보에 의해 유속과 유량이 크게 영향을 받고 유역환경 영향을 직접적으로 받는 하천형 호수의 특징을 갖는 호수이다(HRERC, 2016; Kim and Hong, 1992; Kim et al., 2002; Kong et al.
	열적 층화가 발생하는 지역과 시기는 무엇인가?	호수의 물리적 층화 작용 중 하나인 열적 층화는 중위도 및 고위도 지역에서 여름에 주로 발생하며 특히 부영양화된 호수에서의 수심별 수질 분포에 영향을 준다(Yu et al., 2010).
	호수에서 나타날 수 있는 성층 현상이 수생태계에 부정적 영향을 야기할 수 있는 이유는?	대부분의 호수는 수온의 변화와 깊이에 따라 성층 현상이 나타날 수 있다. 이와 같은 현상은 수층별로 수질의 이화학적 특성이 다르게 나타날 수 있어 수생태계에 부정적인 영향을 야기할 수 있다. 따라서 호수의 층화 현상에 대한 특성파악을 통한 적절한 관리가 요구된다.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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