[논문]기온 변화에 따른 팔당호 수온 영향 및 이력현상

유순주; 임종권; 이보미

doi:10.14249/eia.2020.29.5.323

기온 변화에 따른 팔당호 수온 영향 및 이력현상
Effect of Air Temperature Changes on Water Temperature and Hysteresis Phenomenon in Lake Paldang 원문보기

환경영향평가 = Journal of environmental impact assessment, v.29 no.5, 2020년, pp.323 - 337

유순주 (국립환경과학원 한강물환경연구소) , 임종권 (국립환경과학원 한강물환경연구소) , 이보미 (국립환경과학원 한강물환경연구소)

초록
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국내 최대 상수원인 팔당호를 대상으로 기온과 수온의 변화를 살펴보고 장기간 기온과 수온의 연속 자료를 활용하여 이력 현상을 살펴보았다. 계절 Mann-Kendall을 적용한 팔당호 인근 양평의 기온 변화 추세는 지난 47년간(1973~2019) 증가(0.048 ℃/yr)에 비하여 최근 27년간(1993~2019) 기온의 증가(0.060 ℃/yr)가 컸다. 팔당호와 유입 하천에서 수온은 기온과의 상관성이 높으나(R > 0.9, p < 0.005) 호소인 팔당댐앞 지점에서의 수온은 하천 수온 상승에 비하여 느리고 기온 하강기에 들어서 수온이 서서히 감소하였고 수심 평균 수온도 상승기와 하강기 모두 호소 표층보다 변화가 더디게 나타났다. 이는 호소가 하천보다 수체 규모 면에서 크고 체류시간이 길기 때문에 열에너지를 흡수하고 감소하는데 시간이 걸리는 수온의 이력 현상이 크게 작용하는 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Long-term continuous data were used to investigate changes in air and water temperature and temperature hysteresis at Lake Paldang, the largest source of drinking water in South Korea. Based on the temperatures at Yangpyeong, near Lake Paldang, using a seasonal Mann-Kendall test, the rate of change of increase in temperature over the last 27 years (0.060℃/yr, 1993-2019) was higher than that of during 47 years (0.048℃/yr, 1973-2019). The air and water temperatures in Lake Paldang and its influent rivers had a high correlation (R > 0.9, p < 0.005); however, the water temperature increased at rate slower than the river water temperature, and the water temperature decreased slowly as the air temperature fell. The depth-averaged water temperature also changed more slowly than the surface water of the lake both when the air temperature was high and when it was low. This is likely because the lake has a larger area and a longer heat retention time than rivers, resulting in a greater hysteresis of water temperature at lake.

주제어

표/그림 (12)

표 Table 1. Real time water quality monitoring stations located in the main streams of Lake Paldang
그림 Figure 1. Location of real time water quality monitoring stations and major influent streams to Lake Paldang.
그림 Figure 2. Conceptual diagram of automated real-time measurement equipment in water.
그림 Figure 3. Annual average air temperature trend (a: mean, b: min, c: max) in Yangpyeong based on the data from Yangpyeong weather station (1973~2019).
그림 Figure 4. Seasonal comparison of monthly air temperature in Yangpyeong based on the data from Yangpyeong weather station (1973~2019), (a) spring, (b) summer, (c) autumn, (d) winter.on the data from Yangpyeong weather station (1973~2019).
표 Table 2. The results of air temperature trend in Yangpyeong(1973-2019) using seasonal Mann-Kendall test and Mann-Kendall test
그림 Figure 5. Seasonal average temperature of air and water(surface and depth average) in Lake Paldang (a) spring, (b) summer, (c) fall, (d) winter.
표 Table 3. The results of air and water temperature in Lake Paldang (1993-2019) using seasonal Mann-Kendall test and Mann-Kendall test
그림 Figure 6. Air and water temperature variations in the main streams and in front of Dam in Lake Paldang.
그림 Figure 7. The comparison between air and surface water temperature and hysteresis in the main streams and Lake Paldang (surface water).
표 Table 4. The correlation coefficients between air and water temperature according to rising limb and falling limb in the main stream and Lake Paldang
표 Table 5. The result of regression analysis between air and water temperature according to rising limb and falling limb in the main stream and Lake Paldang

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 수온은 수질과 수생태계의 기본적인 영향 요소이므로 기온 변화와 그에 따른 수온의 변화를 지속적으로 평가할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 국내 최대 상수원인 팔당호를 대상으로 계절 맨-켄달(Seasonal Mann-Kendall) 방법을 적용하여 장기간의 기온 및 수온 변화와 함께 기온 상승과 하강에 따른 수온과의 관계성을 규명하고자 하였다.

제안 방법

기온 변화가 수온에 미치는 영향을 정확히 알아보기 위해서는 연속적으로 기온과 수온이 동시 측정된 자료로 비교하는 것이 중요하나 수질자동측정소에서 기온이 함께 측정되지 않기 때문에 팔당호 인근 양평 기상관측소의 기온 자료로 비교하였고 연속 수온 자료는 팔당호 유입 하천의 경우 남한강(양평 측정소), 북한강(가평 측정소), 경안천(경안천 측정소)의 일 평균 수온을 사용하였다. 측정소별 수온 측정 위치는 하천 구조와 시료 채취 및 유지 관리의 용이성에 따라 양평, 경안천은 수심 약 2 m 부근이고 가평 측정소는 수심 4 m에 있다.
하천과 호소와 같이 수체의 규모가 다른 경우에 기온과 수온과의 관계는 다르게 나타나며 기온이 상승하는 시기와 하강하는 시기에 따라서도 달라진다. 본 연구에서는 국내 최대 상수원인 팔당호를 대상으로 시계열 분석방법인 맨-켄달 방법과 계절 맨-켄달 방법을 적용하여 장기간 기온 및 수온의 증가를 확인하고 수온의 연속 자료를 활용하여 팔당호 유입 하천과 호소에서 기온과의 관계를 분석하고 각각의 이력 현상에 따른 수온의 증가 요인을 살펴보았다.
호소 내 연속 수온은 팔당댐앞에서 실시간 측정 장비를 설치하여 2016년 5월 13일부터 6월 16일, 2018년 4월 5일부터 7월 3일, 2019년 4월부터 12월까지 측정하였다(Figure 2). 수온계(HOBO Water Temp Pro onset, MA, USA)는 수심 1 m간격에서 10분마다 수온을 측정하였고, 일 평균 수온은 표층 수온과 수심 평균 수온으로 구분하여 산정하였다.
팔당호 유입 하천과 호소에서 연속 기온 및 수온 자료를 토대로 2015~2019년 10일 간격으로 매년 기온이 하강하는 시기를 비교하였다. 기온이 하강하는 시기를 기준으로 상승기와 하강기로 구분하여 Pearson 상관분석을 실시한 후 회귀분석을 통하여 관계를 살펴보았다.

대상 데이터

기온 자료는 팔당호에 가장 인접한 양평기상관측소의 1973부터 2019년까지 일 평균 기온을 이용하였다(KMA, 2020). 기온의 장기 변동 추세는 월 평균 기온으로 계절 맨-켄달 방법을 적용하였다.
측정소별 수온 측정 위치는 Figure 1과 같다. 최근 설치된 양평 측정소를 기준으로 2015년부터 2019년까지 5분 단위 측정자료를 일 평균 수온으로 환산하여 사용하였으며 자료의 전처리는 공개하기 전에 이상치에 대한 선별과 확정을 검토하였기 때문에 별도로 하지 않았다. 호소 내 연속 수온은 팔당댐앞에서 실시간 측정 장비를 설치하여 2016년 5월 13일부터 6월 16일, 2018년 4월 5일부터 7월 3일, 2019년 4월부터 12월까지 측정하였다(Figure 2).
측정 주기는 1992년부터 1993년까지 격월이었고 1994년부터 2003년까지 매월, 2004년 이후에는 매주로 기온과 달리 주간에 측정된 불연속적인 관측값이다. 측정 위치도 2003년까지는 표층, 2004년부터 수심별로 5개의 층에서 측정되었다. 또한 대부분 1월과 2월에 결빙되기 때문에 이 시기의 수온은 수변에서 측정된 값이다.
물환경정보시스템(MOE, 2020)에서 제공하는 팔당댐앞 지점의 수온은 1994년부터 측정되었으나 측정 주기와 측정 위치가 변화하였다. 측정 주기는 1992년부터 1993년까지 격월이었고 1994년부터 2003년까지 매월, 2004년 이후에는 매주로 기온과 달리 주간에 측정된 불연속적인 관측값이다. 측정 위치도 2003년까지는 표층, 2004년부터 수심별로 5개의 층에서 측정되었다.
팔당호 유입 하천과 호소에서 연속 측정 자료를 토대로 기온과 수온의 관계를 살펴보기 위하여 하천은 연속적으로 수온을 측정하는 남한강(양평 측정소), 북한강(가평 측정소), 경안천(경안천 측정소)에 설치된 수질자동측정소 자료를 각각 이용하였다(MOE, 2020). 측정소별 수온 측정 위치는 Figure 1과 같다.
최근 설치된 양평 측정소를 기준으로 2015년부터 2019년까지 5분 단위 측정자료를 일 평균 수온으로 환산하여 사용하였으며 자료의 전처리는 공개하기 전에 이상치에 대한 선별과 확정을 검토하였기 때문에 별도로 하지 않았다. 호소 내 연속 수온은 팔당댐앞에서 실시간 측정 장비를 설치하여 2016년 5월 13일부터 6월 16일, 2018년 4월 5일부터 7월 3일, 2019년 4월부터 12월까지 측정하였다(Figure 2). 수온계(HOBO Water Temp Pro onset, MA, USA)는 수심 1 m간격에서 10분마다 수온을 측정하였고, 일 평균 수온은 표층 수온과 수심 평균 수온으로 구분하여 산정하였다.

데이터처리

계절 맨-켄달법 및 맨-켄달 방법에 따른 경향성을 파악하기 위해 월 평균값과 계절 평균값으로 계절 Sen’s slope 및 Sen’s slope(Sen 1968; Hirsch et al. 1982; Yu et al. 1993; Choi et al. 2008)를 산정하였다.
팔당호 유입 하천과 호소에서 연속 기온 및 수온 자료를 토대로 2015~2019년 10일 간격으로 매년 기온이 하강하는 시기를 비교하였다. 기온이 하강하는 시기를 기준으로 상승기와 하강기로 구분하여 Pearson 상관분석을 실시한 후 회귀분석을 통하여 관계를 살펴보았다. 본 연구에서 통계 분석은 R 프로그램(ver.
기온이 하강하는 시기를 기준으로 상승기와 하강기로 구분하여 Pearson 상관분석을 실시한 후 회귀분석을 통하여 관계를 살펴보았다. 본 연구에서 통계 분석은 R 프로그램(ver. 3. 6. 1)을 이용하였다.
기온의 장기 변동 추세는 월 평균 기온으로 계절 맨-켄달 방법을 적용하였다. 팔당호 수온의 변동 추세는 물환경정보시스템(MOE 2020)에서 제공하는 1993년부터 2019년까지 팔당댐앞 지점의 월 평균값을 이용하여 계절 맨-켄달 방법으로 통계 분석하였다. 2004년부터 관측되기 시작한 수심 별 수온은 동절기 결빙으로 인한 결측이 많아 증가율을 산정하지 않았다.

이론/모형

05 미만이면 통계적 경향성이 있는 것을 의미하며, 켄달의 통계치(S)가 양의 값이면 증가, 음의 값이면 감소 추세를 나타낸다. 계절에 따른 기온 및 수온 변화는 봄(3월~5월), 여름(6월~8월), 가을(9월~11월), 겨울(12월~다음해 2월)의 각 계절 기온과 계절 수온 평균값을 구하여 맨-켄달 방법를 적용하여 시계열 분석을 하였다. 계절 맨-켄달법 및 맨-켄달 방법에 따른 경향성을 파악하기 위해 월 평균값과 계절 평균값으로 계절 Sen’s slope 및 Sen’s slope(Sen 1968; Hirsch et al.
기온 자료는 팔당호에 가장 인접한 양평기상관측소의 1973부터 2019년까지 일 평균 기온을 이용하였다(KMA, 2020). 기온의 장기 변동 추세는 월 평균 기온으로 계절 맨-켄달 방법을 적용하였다. 팔당호 수온의 변동 추세는 물환경정보시스템(MOE 2020)에서 제공하는 1993년부터 2019년까지 팔당댐앞 지점의 월 평균값을 이용하여 계절 맨-켄달 방법으로 통계 분석하였다.

성능/효과

결론적으로 수온의 이력 현상은 하천보다는 호소에서 크기 때문에 기온 증가로 인한 수온 증가는 장기간 지속될 수 있으며 이는 수질과 수생태 반응에 영향을 미칠 것으로 판단된다. 보다 정확한 평가와 예측을 위해서는 기온과 수온의 연속적인 관측이 필요하며 수심별 공간적인 관측도 요구된다.
수온 증가를 통계적으로 확인하기 위해 표층의 수온 변화는 1993년부터 2019년, 수심 평균 수온은 2004년부터 2019년까지 월 평균 수온을 계절 맨-켄달 방법에 따라 분석한 결과 Table 3과 같이 수온 증가가 뚜렷이 나타났다. 1993년부터 27년간 기온은 계절 Sen’s slope로 볼 때 0.
연도별 계절 평균 기온을 구하여 맨-켄달 방법을 적용한 결과 사계절 모두 통계적 유의성이 있게 기온이 증가하는 것으로 나타났다. Sen’s slope는 봄(3월~5월)에 0.
팔당호 유입 하천인 남한강(양평측정소 지점), 북한강(가평측정소 지점), 경안천과 호소인 팔당댐앞 지점의 연속 측정된 수온과 기온 자료를 토대로 수온과의 상관분석 및 회귀분석을 실시한 결과 모두 상관계수 0.9 이상이고 통계적 유의성(p ＜ 0.005)이 있는 것으로 나타나 대부분 기온과의 상관성이 높았다. 2016년부터 2019년까지 기온과 수온과의 관계에서 기울기(a)는 평균적으로 경안천과 남한강, 북한강 모두 상승기와 하강기 모두 기온과 수온의 비가 동일하지만 하천 규모가 작고 체류 시간이 짧을수록 수온은 기온에 민감하며 그 변화가 매년 다르면 관계성도 달라질 수 있다.
059)보다 높았다. 표층 수온 증가폭은 봄에만 통계적 유의성을 갖는 0.087의 높은 경향을 보이고, 2004년부터 수심 평균 수온은 여름에 0.115로 증가하여 봄에는 표층의 수온이 증가 폭이 크고, 여름에는 수심 평균 수온 증가가 큰 것으로 나타났다. 호소는 상류 하천의 수온과 유입량의 차이, 체류 시간 등 물리적 요소가 수체 열에너지의 전달 및 축적에 매우 큰 영향을 주며(Martin & McCutcheon 1999; Wetzel 2001), 팔당호는 시기에 따라 수온이 다른 남한강과 북한강의 유입으로 팔당호 내부에서 복잡한 혼합이 발생하기(NIER 2008; Kong 2019) 때문에 표층과 수심 평균 수온 변화 경향성이 단순하지 않을 것으로 판단된다.
033 ℃/yr의 기울기로 기온 증가에 비하여 낮았다. 하지만 연도별 계절 평균 온도로 맨-켄달 방법에 의한 계절별 기온 증가는 전반적으로 봄, 여름 그리고 가을에 통계적으로 유의성을 갖는 0.063~0.067로, 45년간의 기온 증가 폭(0.038~0.059)보다 높았다. 표층 수온 증가폭은 봄에만 통계적 유의성을 갖는 0.

후속연구

낙동강 수계에서 대표적남조류인 Microcystis sp.가 수온이 25℃ 이상에서 10,000 cells/mL를 초과하기 시작하여 28℃ 이상에서 현저히 증가하는 수화현상이 나타나(Yu et al. 2014) 한강 수계에서도 장기간의 기온 및 수온 상승이 성층화를 형성하는 조건과 남조류 번성과의 관계를 좀 더 심도 있게 연구할 필요가 있다.
이 시기는 수온이 낮은 북한강과 수온이 높은 남한강이 팔당호에서 만나 수온 차에 의한 수온 밀도가 형성되며 팔당호 하류인 댐앞 지점 표층부에서는 비교적 수온 차로 인한 비중이 높은 남한강의 물이 차지하기 때문이다. 호소와 같이 수심이 깊고 수온이 다른 수체가 합류하는 팔당호는 수온 밀도류로 인한 수심별 수온 차이가 발생하여 성층을 형성하고 수체 혼합에도 영향을 미치므로 좀 더 정확한 해석을 위해서는 수심별 연속 자료 확보가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	계절 Mann-Kendall을 적용한 팔당호 인근 양평의 기온 변화 추세는 어떠한가?	국내 최대 상수원인 팔당호를 대상으로 기온과 수온의 변화를 살펴보고 장기간 기온과 수온의 연속 자료를 활용하여 이력 현상을 살펴보았다. 계절 Mann-Kendall을 적용한 팔당호 인근 양평의 기온 변화 추세는 지난 47년간(1973~2019) 증가(0.048 ℃/yr)에 비하여 최근 27년간(1993~2019) 기온의 증가(0.060 ℃/yr)가 컸다. 팔당호와 유입 하천에서 수온은 기온과의 상관성이 높으나(R > 0.
	106년간 측정된 연평균 기온에 대해 설명하시오.	우리나라도 1973년 이후 2016년의 기온이 가장 높았고, 2015년이 세 번째, 2017년은 일곱 번째로 기록되어, 최근 온난화가 더욱 심해지고 있다(NIMS, 2018). 1912년부터 관측된 6개 지점(서울, 인천, 강릉, 대구, 목포, 부산)의 106년간(1912~2017년) 연평균 기온은 0.18℃/10년으로 상승하였고 과거 30년(1912~1941년)에 비하여 최근 30년(1988~2017년)의 연평균 기온이 1.4℃ 더 높게 상승하여 점차 기온 상승률이 증가하고 있다(NIMS, 2018).
	호소가 하천보다 수체 규모 면에서 크고 체류시간이 길기 때문에 나타난 결과는 무엇인가?	060 ℃/yr)가 컸다. 팔당호와 유입 하천에서 수온은 기온과의 상관성이 높으나(R > 0.9, p < 0.005) 호소인 팔당댐앞 지점에서의 수온은 하천 수온 상승에 비하여 느리고 기온 하강기에 들어서 수온이 서서히 감소하였고 수심 평균 수온도 상승기와 하강기 모두 호소 표층보다 변화가 더디게 나타났다. 이는 호소가 하천보다 수체 규모 면에서 크고 체류시간이 길기 때문에 열에너지를 흡수하고 감소하는데 시간이 걸리는 수온의 이력 현상이 크게 작용하는 것으로 판단된다.

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Yun YJ, Park HS, Chung SW, Kim YD, Ohn IS, Lee SR. 2020. Long-term simulation and uncertainty quantification of water temperature in Soyanggang reservoir due to climate change. Journal of Korean Society on Water Environment. 36(1): 14-28. [Korean Literature]

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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