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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.31 No.1 pp.83-91
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2017.31.1.083

Analysis of the water quality and correlation of impact factors during summer season in changnyeong-haman weir section

Jung Sun-Young, Kim Il-Kyu*
Department of Environmental Engineering, Pukyoug National University
Corresponding author : Il-Kyu, Kim (ikkim@pknu.ac.kr)
December 9, 2016 January 31, 2017 February 16, 2017

Abstract

This study analyzed the correlation between Chl-a and water quality factors using characteristics of climate data, water quality factors, and various statistical analysis techniques during the summer season in the Nakdong River during the 2-year period. The purpose of this study is to provide the basic data for establishing water quality management policy in the Changnyeong-Haman weir section. From the end of July to the middle of August when algae mainly occur, both the years 2015 and 2016 are in the temperature range of 25 ~ 30 °C, and the total precipitation of 2015 is less than that of 2016 in this period. As a result of comparing the concentration of Chl-a, the average Chl-a concentration of 2015 was higher than that of 2016, which seems to be related to the total precipitation in the occurrence of algae. The results of the correlation analysis showed that the correlation with PO4-P was significant at most points. As a result of the factor analysis, the first principal factor group classified PO4-P, NH3-N, TP, pH, flow rate, TN and this section seems to be influenced by phosphorus and nitrogen and flow rate.


하절기 낙동강 창녕함안보 구간에서의 수질특성 및 영향인자의 상관관계 분석

정 선영, 김 일규*
부경대학교 환경공학과

초록


    Pukyong National University

    1.서 론

    낙동강은 총길이가 525 km에 달하는 국내 최대의 하천 중의 하나이며, 4대강(한강, 낙동강, 영산강, 금 강) 중에서 연중 부영양화 발생 빈도가 높은 편이다 (Hwang et al. 2007; Lim et al., 2015). 산업화와 도시화 의 과정을 거치면서 인위적인 압력에 의한 시간적, 공 간적 환경조건이 자주 변해왔으며, 특히 2012년에 8개 의 보가 설치되면서(Yu et al., 2014) 수심이 깊어지고 물의 흐름을 느리게 하며 체류 시간을 증가시켜 영양 염류 증가 등 수체 변화에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다(Noh et al., 2015). 뿐만 아니라 최근 부 영양화는 유역으로부터 유입되는 영양물질과 호수의 증발로 인한 자연적인 발생보다 생활하수, 공장폐수, 인분, 가축분뇨 등의 오폐수 및 비료가 살포된 농경지 의 유출수 등에 포함된 영양물질에 의해 발생하며, 이 중 특히 인의 유입이 부영양화에 영향을 많이 끼친다 고 하였다(Oh et al., 1999; Kim, 2016). 이렇게 설치된 보에 의해 하천은 인위적인 호소의 형태를 띄게 되는 데, 이러한 호소는 정체 수역에 따른 영향으로 인해 하계에 집중적으로 조류가 발생하게 되는 원인이 된 다(Lee and Kim, 2015). 조류 발생은 수질, 수리, 기상 등 다양한 영향인자들에 의해 영향을 받을 뿐만 아니 라 이들 영향인자들도 상호 영향을 미치므로 Chl-a와 의 상관관계를 해석하기 위해서는 수질, 수리 기상인 자들을 복합영향인자로써 동시에 적용해야할 필요가 있다(Lim et al., 2015).

    최근 하천의 수질평가에 대해 통계분석을 이용한 연구가 진행되고 있으며 통계분석법을 이용해 수질 관리를 보다 쉽게 수행해야 할 것이다. 조류 발생 영 향 인자에 대한 연구를 위한 많은 분석 방법 중 다변 량 통계분석은 복합적인 조류발생과 수계의 특성사이 의 관계를 평가하고 해석하기 위한 유용한 방법이라 고 할 수 있다(Jeong et al., 2010; Lim et al., 2015). 본 연구에서는 창녕함안보 구간의 수질을 대상으로 다변 량 통계분석을 통해 수질 특성을 파악하였으며, 향후 창녕함안보 구간의 수질관리정책 수립을 위한 기초 자료를 제공하는데 목적이 있다.

    2.연구내용 및 방법

    2.1.조사지점 및 시기

    본 연구에서는 각 년도별 조류가 번성하는 여름철 을 중심으로 2015년 6월부터 10월까지 총 15회와 2016년 7월부터 9월까지 총 8회 실시하였고, 조사지점 은 기존의 수질과 유량 측정 지점 등을 고려하여 창 녕함안보 구간의 본류와 주요 지류를 중심으로 본류 에 해당하는 율지교, 박진교, 함안보 3개 지점과 지류 에 해당하는 청덕교(황강), 송도교(남강) 2개 지점으로 총 5개 지점을 선정하였으며, 관측지점별 수위, 유량, 수질측정소명과 측정기관에 대한 정보를 나타내었다 (Fig. 1.). 또한 각 지점에서 표층(수표면으로부터 0.5m) 과 중층(수표면으로부터 3m)에서 조사를 실시했으며, 청덕교 지점의 경우 수심이 얕아 표층만 조사하였다.

    2.2.자료 수집 및 수질 특성 분석

    수질항목 중 수온, pH, 전기전도도(EC), DO(Dissolved Oxygen) 등은 현장에서 측정하였으며(Horiba U-51, Japan), 총질소(TN), 질산성질소(NO3-N), 암모니아성질소(NH3-N), 총인(TP), 인산염인(PO4-P), 화학적산소요구량(COD), 부 유물질(SS), 클로로필-a(Chl-a), 총유기탄소(TOC), 총실 리카(T-Silica), 용존실리카(D-Silica)를 수질공정시험기 준에 따라 분석하였다. 기상인자로 사용된 평균기온, 일조시간, 일사량, 강수량과 수리인자로 사용한 유량 은 국가 수자원관리 종합정보 홈페이지(http://www. wamis.go.kr)자료를 활용하였다. 기상인자는 조사지점 인근에 위치한 대구, 합천, 의령 세 지점의 측정자료를 평균하여 이용하였으며, 수리인자는 측정지점 인근에 위치한 이방(율지교), 죽고(청덕교), 적포교(박진교), 거 룡강(송도교), 진동(함안보) 지역의 자료를 이용하였다.

    본 연구에서의 모든 통계분석은 SPSS(ver. 18.0) 프 로그램을 이용하였다. 각 유역의 Chl-a와 수질인자간 의 변동 특성을 파악하기 위해 상관성 분석을 실시하 였으며, 일반적으로 이용되는 Pearson's correlation analysis를 이용하여 분석하였다. 주성분 분석은 주성 분 수를 결정하기 위해 요인을 설명하는 분산의 크기 인 고유치(eigenvalue)가 1.0 이상인 값을 갖는 주성분 축만을 고려하였다. 고유치가 1.0 이하인 경우는 1개 의 요인이 변수 1개의 분산을 설명할 수 없으므로 요 인으로서 의미가 없기 때문에 제외하였다. 주성분 분 석으로 요인을 추출한 후 요인과 변수와의 상관계수 에 따른 요인 구조 명확화를 위해 직교회전방식 (Varimax) 방식을 적용하여 요인분석을 실시하였다.

    3.결과 및 고찰

    3.1.기상변화

    담수에서 조류의 성장은 기상과 수체의 물리·화학 적 요인의 영향을 받는다(Yu et al., 2014). 조사기간 동안 낙동강 수계의 일평균 기온과 강수량은 Fig. 2.와 같으며, 점선을 기준으로 2015년과 2016년 하절기의 기온과 강수량을 나타내었다.

    2016년은 2015년에 비해 평균기온이 높았지만 대체 적으로 각 년도마다 7월부터 8월까지의 온도가 상승한 후 9월에 점점 감소하는 패턴을 보여 각 년도의 월별 변동성이 뚜렷하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 또한 조사기간 중 2015년과 2016년 모두 조류가 주로 발생하는 시기인 7월 말부터 8월 중순까지 25 ~ 30℃ 범위를 나타내었으며, 이 때 측정한 수온이 이와 유사 한 온도 범위를 보이고 있어 여름철에 대량 발생하는 남조류의 생육에 적정한 수온과 유사하므로(Yeon et al., 2010) 조류가 성장하기에 적합한 온도라고 판단된다.

    2015년과 2016년 하절기의 강수량 패턴을 비교해보 면, 총강수량의 경우 2015년이 2016년에 비해 적게 보 고되었다. Chl-a 농도의 경우에는 2015년이 2016년보 다 높게 분석되었다. 2015년의 경우, 특히 최근 기후 변화로 인한 여름철 강수량 감소와 고온현상을 나타 내는 것으로 추정된다. 따라서 이러한 현상들이 유량 뿐 아니라, 조류의 발생과 성장에 영향을 미친 것으로 판단된다.

    3.2.대상 유역의 수질특성

    낙동강 창녕함안보 구간의 수질특성을 알아보기 위 하여 각 지점별 수질인자를 Fig. 3.에 나타내었다. 각 지점에 대한 수질인자를 살펴보면, 수온은 수심이 얕 은 지류보다 본류에서 높게 나타났고 지점별 표층과 중층간의 수온차이는 크게 나타나지 않았다. pH의 경 우는 6.4 ~ 9.9의 범위로 전 지점에서 중층보다 표층 의 pH 농도가 모두 높게 나타났다. 이는 표층에 있는 조류가 광합성으로 CO2를 소모하게 되면 그에 따라 pH가 증가한다는 연구결과와 일치하며(Cheong, 2010), Na(2015) 등은 하절기에는 수표면을 중심으로 증가한 조류의 광합성 영향으로 표층에서 pH가 크게 증가한 다고 보고하였다. DO의 경우에도 중층에 비해 표층의 농도가 더 높게 나타났다. 이는 표층에서는 조류 광합 성의 영향으로 산소가 생성되는 반면 저층에서는 수 중 유기물과 함께 바닥에 침강된 유기물의 분해로 산 소가 소비되기 때문인 것으로 판단된다(Na et al., 2015). EC의 경우, 본류에서는 평균 0.3 dS/m, 지류에 서는 0.15 dS/m의 값을 나타내어 본류가 더 높은 것으 로 나타났으며, 지점별 표층과 중층간의 뚜렷한 차이 는 보이지 않았다. TP와 PO4-P의 경우 각각 0.002 ~ 0.161 mg/L, 0.001 ~ 0.064 mg/L의 범위를 나타내었고, 송도교(이하 SD) 지점의 PO4-P 농도가 가장 낮게 나타 났다. TN의 경우 0.5 ~ 5.5 mg/L의 범위로 지류에 비 해 본류의 농도가 높았으며, NO3-N, NH3-N의 경우 각 각 0.25 ~ 2.2 mg/L, 0.01 ~ 0.24 mg/L의 범위를 보이며 TN과 마찬가지로 본류의 농도가 높게 나타났다. SS의 경우에는 1 ~ 37 mg/L의 범위를 보이고 있으며 지류 지점의 편차가 큰 것으로 나타났는데, 이는 지류가 본 류에 비해 수심이 얕고 강우와 유속의 영향을 받기 때문에 SS의 편차가 크게 나타난 것으로 판단된다. COD와 TOC의 경우 지류에 비해 본류의 농도가 높게 나타났으며, 표층과 중층간의 농도 차이는 크게 나타 나지 않았다. Chl-a의 경우 다른 지점에 비해 SD 지점 의 농도가 비교적 높게 분석이 되었는데, 이는 SD 지 점이 위치한 남강은 낙동강 수계에 유입되는 주요 지 류 중 비교적 많은 오염물질을 배출하고 있으며(Kim et al., 2013), 주변 축산농가와 공업지역이 하천 인근 에 위치하는 특성을 가지고 있어 식물성 플랑크톤 생 산에 영향을 미치는 것으로 판단된다. T-Silica와 D-Silica의 경우 CD 지점이 다른 지점에 비해 평균 농 도가 각각 7.4 mg/L, 6.5 mg/L로 가장 높았다. 전반적 으로 YJ 지점과 PJ 지점에서 TN, COD 등의 수질인자 들의 농도가 높게 나타났다. YJ 지점의 경우 합천창녕 보 상류에 위치하여 유속이 상당히 느려지는 구간의 특성을 가지고 있으며 PJ 지점은 하천 인근에 축산농 가 등이 위치해 과량의 영양염류 유입을 예상할 수 있고, 작은 지류들이 본류로 유입되는 특성을 가진다. CD 지점은 황강 지류에 속하며 지점의 특성상 수심 이 매우 얕고 유속이 빠른 지점으로써 월별 농도 차 이가 크지 않은 것으로 판단된다. 그러나 SD 지점의 경우 Chl-a, TP, COD의 수질인자 농도가 비교적 높게 나타났는데, 이는 남강 하류지역에 위치한 농가로부 터 축산폐수, 유기오염물질, 영양염류 등이 지속적으 로 배출되고 있기 때문인 것으로 판단된다. 또한 Lee(2015) 등은 남강 지점에서 비교적 높은 유량이 본 류로 유입되어 본류의 유량 변화에 영향을 크게 미친 다는 연구결과가 있어 본류에 영향을 미칠 수 있는 남강 지류에 대한 지속적인 관리가 필요한 것으로 판 단된다. 이와 관련하여 남강댐 추가방류에 따라 Chl-a 가 감소한다는 연구결과가 있으며(K-water, 2015), 남 강댐 증가방류 실시 전·후 창녕함안보의 Chl-a 농도가 저감되었다는 연구결과가 있어(K-water, 2013) 수질관 리의 측면에서 남강댐의 추가방류를 통해 식물성 플 랑크톤을 저감시킬 수 있을 것으로 판단된다.

    3.3.수질항목별 상관분석 결과

    각 지점별 표층은 S, 중층은 D로 나타냈으며, 수질 인자와 Chl-a와의 상호관계는 Pearson Correlation을 이 용하여 평가하였고, 그에 따른 상관계수는 Table 1과 같다.

    상관성을 살펴보면, PO4-P가 CD 지점을 제외한 모 든 지점에서 높은 음의 상관성을 보였는데, PO4-P는 식물성 플랑크톤 증식 시 영양물질로 이용된 것으로 판단되며(Jo and Sin, 1996; Kim et al., 2002), 다른 영 양염류와 달리 음의 상관성을 보이는 것은 식물성 플 랑크톤 증식과정에서 우선적으로 소비되어 식물성 플 랑크톤 현존량이 많은 시기에 PO4-P가 급격히 소모되 어 낮은 농도를 보이게 되고 그 결과 음의 상관성을 나타나는 것으로 판단된다(Park et al., 2008).

    또한 CD 지점과 SD 지점에서는 수온과의 상관성이 유의하게 나타났는데, 이는 지류가 본류에 비해 수심 이 얕기 때문에 수온이 조류성장에 영향을 미친 것으 로 판단된다. Chl-a와 일사량은 모두 p-value가 0.05 이 상으로 Chl-a와 유의한 상관관계를 보이지 않았다. 이 는 하절기에 따른 집중강우와 유량 증대, 탁수의 유입 등으로 인해 광투과도가 감소했기 때문인 것으로 판 단되며(Jeong et al., 2010), Park(2002) 등은 낙동강 하 류지역에서는 장마의 영향으로 일부 일사량 감소로 인한 일차생산력의 감소 효과가 조류생체량 감소에 영향을 미치는 것으로 보고하였다. 또한 일조시간과 일사량은 대체로 비례하지만, 구름으로 인해 일조시 간에 포함되지 않는 경우라도 일사량을 측정할 수 있 기 때문에 상관성이 다르게 나타난 것으로 판단된다. 이에 따라 일조시간은 본류의 표층지점을 제외한 모 든 지점에서 상관성이 유의하게 나타났는데, 이는 기 온이 증가함에 따라 중층의 수온이 함께 올라가 영향 을 미친 것으로 판단되며, 표층에서의 상관성이 나타 나지 않은 이유는 풍속이나 표층에 영향을 미칠 수 있는 다른 영향에 의한 것으로 판단된다(Yu et al., 2014).

    대부분의 지점에서 pH와의 연관성이 유의하게 나 타났는데 이는 식물성 플랑크톤이 증식함으로써 광합 성 작용에 의해 수중의 탄산염 및 중탄산염이 흡수되 어 pH가 증가한 것으로 보고하였으며, 또한 pH가 높아 짐으로써 금속류와 착물로 존재하던 인의 용출이 가속 되어 식물성 플랑크톤의 성장이 촉진된다고 하였다 (Jeon and Park, 1989; Geum River Environment Research Center, 1995; Kim et al., 2002). 또한 Lim(2014) 등은 조류의 광합성으로 인해 pH가 증가되고, 이는 조류의 생장에 영향을 미친 것으로 보고하였다. 수중의 탁도 유발 물질은 물의 투명도와 빛의 수중 투과 깊이에 영향을 미치며 조류의 성장에 필수적인 햇빛의 양에 영향을 주는 것으로 알려져 있지만(Sin 1996b; Kim et al., 2002), 상관분석 결과 전 지점에서 탁도와의 상관 성은 크게 나타나지 않았으며, SD_D에서 강한 양의 상관성을 보였다.

    Silica의 경우 PJ_D부터 HA_D까지 상관성이 나타 났는데, 이는 PJ 지점에서부터 하절기에 주로 성장하 는 남조류뿐 아니라 규조류의 성장도 함께 일어난 것 으로 판단되며 SS가 함께 관찰되어 강한 바람이나 물 의 유동으로 저토의 휴면 규조류가 수중으로 상승하 여 증가했을 가능성이 있다(Cho et al., 1998).

    각 지점별로 Chl-a의 농도와 다른 인자간의 상관성 이 다른 이유는, Chl-a의 농도에 수질, 수리 및 기상인 자들이 복합적으로 영향을 미치기 때문인 것으로 판단 된다. 그러나 창녕함안보 구간은 낙동강 하류지역으로 서 영양염류가 풍부하고(Son, 2013), 대부분의 지점에 서 Chl-a와 PO4-P와의 상관성이 유의하게 나타나 식물 성 플랑크톤 성장에 중요하게 작용하는 요인은 인 (Phosphorus)으로 판단되며, 그에 따라 낙동강 하류지 역의 다양한 오염원으로부터 발생되는 인의 농도에 대한 집중적인 수질관리가 필요할 것으로 판단된다.

    3.4.주성분 및 요인분석 결과

    전체 조사지점에서 수질인자를 대상으로 수질특성 을 파악하고 구성요인을 추출하기 위해 주성분 분석 (Principle Component Analysis)을 사용하여 Table 2에 나타내었다. 그 결과 5개의 주성분이 추출되었고, 제 1요인의 고유치는 3.637로써 20.206%, 제 2요인이 3.029로써 16.828%, 제 3요인이 14.665%, 제 4요인이 12.129%, 제 5요인이 9.318%를 기여하고 있다. 전체 분산은 제 1요인부터 5요인까지 73.146%를 설명해주 고 있다. 통계에 사용할 변수가 요인분석에 적합한지 에 대한 검증으로 Kaiser-meyer-olkin(KMO) test를 실 행한 결과 0.669로 분석되었고 Bartlett’s test의 구형 검 증치 또한 0.000(p<0.05)을 나타내어 변수들의 상관관 계가 통계적으로 유의하여 요인분석 실행이 타당한 것 으로 분석되었다. 이 때 KMO test는 최소 0.5는 되어야 요인분석이 가능하며, Bartlett’s test는 사용된 변수가 대각행렬인지를 검증하는 방법으로 p값이 0.05보다 작으면 대각행렬임을 기각하여 요인분석을 할 수 있 다는 것을 의미한다(Jung et al., 2016). 따라서 두 분석 모두 조건에 만족하여 요인분석이 가능함을 설명해주 고 있다. 요인분석(Factor Analysis)을 한 결과를 Table 3 와 Fig. 4.에 나타냈다. 제 1요인은 PO4-P, NH3-N, TP, pH, 유량, TN으로 분류되어 낙동강으로 유입되는 영양 염류와 유량에 관련된 오염물질의 유입과 관련이 있 음을 보여주고 있으며, 제 2요인의 경우 COD, TOC, 전도도, Chl-a로 분류되어 유기물 및 조류 증식에 따 른 물질대사 요인이 큰 영향을 미치고 있다고 해석할 수 있다(Jung et al., 2012). 제 3요인은 기온, 수온, DO, 제 4요인은 일사량, NO3-N, 일조시간으로 계절에 영 향을 받는 요인들이다. 제 5요인은 SS, 탁도로 분류되 었으며, 이는 조류의 발생과 강우의 영향과 관련 있는 것으로 보인다. 따라서 낙동강 창녕함안보 구간의 수 질 특성은 영양염류 및 유기물과 계절적 요인에 의한 영향이 가장 큰 것으로 판단된다.

    4.결 론

    본 연구에서 창녕함안보 구간의 본류 3지점과 지류 2지점의 하절기일 때 기상, 수리, 수질인자에 대한 2 년 동안의 조사결과를 바탕으로 수질 특성 및 수질인 자와 Chl-a와의 상관성에 대해 연구하였으며, 그 결과 는 다음과 같다.

    • 1) 조사지점 인근 평균기온은 2015년과 2016년 모 두 조류가 주로 발생하는 시기인 7월 말부터 8월 중 순까지 25 ~ 30℃ 범위를 보이고 있으며 이 시기 총강 수량의 경우 2016년에 비해 2015년이 적은 것으로 보 고되었다. 이에 따라 Chl-a의 농도를 비교해본 결과, 평균적으로 강수량이 적은 2015년의 Chl-a의 농도가 2016년에 비해 높게 분석이 되었다. 이는 조류 성장과 발생에 있어 총강수량과 연관성이 있는 것으로 추정 된다.

    • 2) 창녕함안보 구간의 Chl-a의 경우 SD 지점이 높 게 분석되었는데, 이는 SD 지점이 낙동강의 주요 지 류 중 오염물질 발생이 비교적 높은 남강에 위치하고 있으며, Chl-a의 농도가 본류에 비해 높게 나타난 것 으로 보아, 하류 HA 지점의 Chl-a 농도에 영향을 미친 것으로 판단된다. 따라서 남강 지류에 대한 지속적인 관리가 필요할 것으로 판단된다.

    • 3) Chl-a와 수질인자간의 상관분석 결과, 영양염류 와 유기물에 유의한 상관관계가 있는 것으로 나타났 다. 그 중 대부분의 지점에서 조류발생에 가장 큰 영 향을 미치는 PO4-P과의 강한 상관성이 나타나 낙동강 에서의 제한요소로는 인이 보다 중요한 것으로 판단 된다.

    • 4) 요인분석 결과, 전체 수질을 대상으로 5개의 주 성분이 추출되었으며, 전체 분산은 제 1요인부터 제 5 요인까지 73.146%를 설명해주고 있다. 제 1요인은 PO4-P, NH3-N, TP, pH, 유량, TN으로 구분되었으며 제 2요인은 COD, TOC, 전도도, Chl-a로 분류되었고 제 3 요인은 기온, 수온, DO와 제 4요인은 일사량, NO3-N, 일조시간으로 분류되었다. 결과를 종합하였을 때, 창 녕함안보 구간의 대상 지점은 영양염류인 인과 질소 그리고 유량의 영향을 비교적 크게 받는 것으로 판단 된다.

    사 사

    본 연구는 “부경대학교 자율창의학술연구비 지원사업 (2016)”의 일환으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

    Figure

    JKSWW-31-83_F1.gif

    Sampling sites in the Nakdong River.

    JKSWW-31-83_F2.gif

    Daily variation of atmospheric temperature and precipitation in the Nakdong River, 2015~2016 summer season.

    JKSWW-31-83_F3.gif

    Box plot major water quality parameters in Changnyeong-Haman weir section.

    JKSWW-31-83_F4.gif

    Component plot in rotated space

    Table

    Pearson Correlation coefficients between parameters

    **: p < 0.01,
    *: p < 0.05

    Eigen values and Cumulative percentage of factors

    Rotated component matrix by factor analysis.

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