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ISSN : 2288-1115(Print)
ISSN : 2288-1123(Online)
Korean Journal of Ecology and Environment Vol.46 No.1 pp.128-134
DOI : https://doi.org/10.11614/KSL.2013.46.1.128

도암호에서 하절기 수질의 장기적인 경향

곽성진, 발데브, 이창근, 허우명*
강원대학교 환경공학과

Long-term Trends of Summer Season of Water Quality in Lake Doam.

Woomyung Heo*, Sungjin Kwak, Bal Dev Bhattrai, Changkeun Lee
Department of Environmental Engineering, Kangwon National University, Samcheok 245-711, Korea
Manuscript received 11 January 2013, Revised 4 March 2013, Revision accepted 6 March 2013

Abstract

In the summer season (June~August) during the study period of Lake Doam, averageconcentrations of major water quality parameters, COD, SS, TN, and TP were 4.0,16.2, 3.129 and 0.077 mg L-1, respectively, and Chl-a was 11.8 mg m-3. The result hasindicated that Lake Doam was a meso-eutrotrophic lake. Lake Doam data from thesummer season (June~August), precipitation from 2001 to 2012, and water quality(COD, SS, TN, TP, Chl-a etc.) of seven years (2001, 2002, 2004 and 2009~2012), werestatistically analyzed for long-term trends by Mann-Kendall test and Sen’s slopeestimator methods. The statistical results showed that precipitation, SD, COD, TN,NO3-N, NH3-N and Chl-a had decreasing trends, and EC, turbidity, SS, TP and DIPhad increasing trends. Suspended solids and total phosphorus were directly affectedby precipitation. In the case of suspended solids, more aggressive and constructiveplans need to be implemented than the current turbidity reduction project to achievethe targeted water quality (5 mg L-1 of SS) in Lake Doam. In particular, we need tospecify a project that considers the steep topographic characteristics of high, landfarming areas and precipitation conditions of the Lake Doam watershed, which canincrease the efficiency of a turbidity reduction project.

15-13-1_도암호(NY).155422.pdf272.3KB

서 론

 호수에서 수질자료의 장기적인 경향 분석은 호수관리 및 정책을 위한 중요한 정보를 얻을 수 있으며, 특히 영양염류와 생산성의 관계와 같은 호수의 생태학적 과정을 과학적으로 이해하는 데 중요하다 (Bekele and McFarland, 2004; Casey, 2011). 보통 자연수계에서 측정되는 수질자료는 강수 등의 변수 때문에 특정분포를 따르지 않으며 결측치도 종종 발생하므로 통계적 기법을 이용하여 분석하고 해석하는 것이 필요하다 (Hirsch and Slack, 1984; Drapela and Drapelova, 2011). 멘-켄달 검정법(Mann-Kendall test)은 월별 자료 수가 ≤40일 때 종종 사용된다(Gilbert 1987; Reckhow et al., 1993). 센 기울기검정법(Sen’s slope test)은 수질자료에 대한 경향의 크기를 반영하며 신뢰한계에 따른 유의수준의 경향성을 결정한다.

 도암호 상류는 고랭지 농업이 발달해 있으며, 축산 및 리조트(용평리조트, 알펜시아 등) 시설 등이 입지해 있다. 고랭지 경작면적은 전체 유역면적의 35.3%인 42.1 km2 이며 객토 등의 영향으로 증가 추세에 있다(Park, 2006;Wonju Regional Environmental office, 2012). 따라서 주오염원은 농경지에서 발생하는 비점오염물질 (탁수, 영양염류 등)이며, 축산폐수 및 생활하수가 그 다음을 차지하고 있다. BOD, TN 및 TP의 오염원별 배출부하량은 토지계가 각각 75.3, 75.8 및 67.3%, 축산계가 각각 19.9, 17.7 및 23.3%로 대부분 농경지에서 발생하고 있다 (Wonju Regional Environmental office, 2012). Kwak et al. (2012)은 도암호 유역의 경작지 면적당 유출부하량이 COD, SS, TN 및 TP가 각각 34,263, 1,250,254, 2,673 및 933 kg yr-1km-2으로 국내 다른 지역(Moon et al., 1999; Park et al., 2005; Won et al., 2009, 2011)에 비해 많다고 하였다. 도암호는 여름철에 5m 내외의 수심에서 수온약층이 강하게 형성되며 표층과 심층의 혼합이 일어나는 겨울철에 파괴된다. 여름철 강우시에 경작지로부터 유출된 탁수가 호수내의 중층으로 유입되어 중층 탁수층을 형성하고 늦가을 혼합시기에 전층에 영향을 미친다 (Kim et al., 1995;KHNP, 2002; Wonju Regional Environmental office, 2009~2012). 여름철 성층이 형성되면 표층에서는 광합성 증가로 식물플랑크톤이 대량 증가하게 되어 수질을 악화시키며, 심층에서는 용존산소 부족으로 탈질화 및 인의 용출과 같은 수환경의 변화가 일어난다 (Nurnberg, 1994; Wetzel, 2001; Liboriussen et al., 2009). 도암호 유역의 강수량은 조사기간 동안 연간 1,217.3~2,697.6mm로 연간 변이가 크며, 하절기 (6~8월)의 강수량은 평균 50% 이상으로 이시기에 유역으로부터 많은 양의 오염부하가 발생하는 것으로 사료된다(Kwak et al., 2012).

 따라서 본 연구에서는 도암호 수질의 장기적인 경향을 파악하고자 하였다. 이를 위하여 2001, 2002, 2004 및 2009~2012년 하절기 (6~8월)에 조사된 COD, SS, EC, 영양염류(TN, TP 등) 및 Chl-a 등의 표층(0~5m 평균)자료를 이용하였으며, 멘-켄달 검정법 (Mann-Kendall test)과 센 기울기 검정법 (Sen’s slope test)을 적용하여 통계적 수치를 제시하였다.

재료 및 방법

1. 연구대상지역 및 자료

도암호는 국내에서 제일 표고가 높은 (EL. 712.0 m) 지역인 남한강 최상류인 송천에 위치하고 있으며, 행전구역상 강원도 평창군 대관령면 수하리에 속한다 (Fig. 1). 도암호는 1987년 5월부터 축조를 시작하여 1990년 5월에 완공하였으며, 8월에 담수를 완료하고 12월부터 발전을 개시하였다. 도암호의 유역면적은 144.9 km2, 만수면적은 2.2 km2, 최대수심은 62 m, 댐 길이는 300 m, 댐 높이는 72 m, 총 저수용량은 5,140만톤, 유효저수량은 3,970만톤이다. 발전은 670m에 위치한 총연장 15.649 km의 터널을 통과하여 강릉남대천으로 유역변경한 후 최대 낙차 640 m를 이용하여 이루어지고 있으며, 총 발전용량은 1억 8천만kWh yr-1이다 (Gangwon Province & KHNP, 2005). 도암호는 탁수 및 수질오염문제 등으로 인해 2001년 3월부터 발전이 중단되었으며, 방류는 현재 댐체의 수문을 통해 송천 하류수계로 만 이루어지고 있다.

Fig. 1. Map showing the watershed area and sampling site in Lake Doam.

 수질조사 지점은 Fig. 1에서 제시한 댐 앞 (최심점)을 선정하여 2001년과 2002년, 2004년 그리고 2009년부터 2012년까지의 6, 7, 8월에 실시하였다. 채수는 고무보트를 이용하여 최심점으로 이동하여 PVC Van Dorn 채수기를 사용하였다. 채수된 시료는 냉장보관하여 가능한 빠르게 실험실로 운반하여 전처리를 걸친 후 수질분석에 이용하였다.

 시료는 Standard method (APHA, 1992)와 수질오염공정시험법 (NIER, 1999)을 이용하여 분석하였다. TP는 시료를 persulfate 분해 후에 ascorbic acid 법으로 측정하였고, DIP는 여과한 시료를 ascorbic acid 법으로 측정하였다. TN은 원시료를 alkaline persulfate 분해 후에 cadmium reduction법, NO3-N은 cadmium reduction법, NH3-N는 phenate법을 이용하여 분석하였다. SS는 GF/C로 여과 후 105℃에서 2시간 건조하여 건조 전후무게차로 계산하였다. COD는 과망간산칼륨법 (산성)으로 분석하였다. Turbidity는 HACH 2100N으로, EC는 Multiprobe(YSI-556MPS)로 측정하였다.

 강수량은 기상청 대관령기상관측소의 자료를 이용하였다. 수질과 강수량의 관계를 분석하기 위해서 수질조사일자에서 10일 전까지의 강수량을 사용하였다. 이는 강수에 의해 발생된 탁류는 도암호 상층과 중층으로 유입되며, 이중에서 상층의 탁류는 수문을 통해 방류되기 때문이다. 한수원 강릉수력발전소의 자료에 의하면 조사기간 동안 매일 수문 방류를 하였다.

2. 통계분석

1) Sen’s Slope Test

 Sen (1968)에 의해서 제한된 비매개변수적 방법으로, 특이값에 영향을 받지 않고, 자료가 누락된 경우에도 분석이 가능하다. Yt  (t=1, 2,……, N)에 대하여 다음과 같이 새로운 변수 Zk 를 정의한다.

 여기서 모든 i와 j에 대해서 j>i이고, Zk 를 다시 크기순으로 정렬한 값을 Xk 로 정의하면 Sen’s slope에 대한 검정통계량은 다음과 같이 주어진다(Gilbet, 1987).
M이 홀수일 때,
M이 짝수일 때,

여기서 로 위 식에서 구한 검정통계량이 다음의 신뢰한계 안에 있게 되면 유의수준 α에서 경향을 갖는다고 할 수 있다.
[XML +XMU ]                                                      (2) 

 여기서,

이고, V(S)는 다음과 같다.

 그러므로 하 한계 XML은 X값 중에서 가장 작은 값으로부터 ML번째 값이고, 상 한계 XMU는 MU번째 값이 된다.

2) Mann-Kendall Test

 Mann-Kendall Test는 Non-parametric Test의 하나로 장기적인 시계열자료의 경향성을 분석하는 데 이용된다(Mann, 1945; Kendall, 1975). 표본자료의 특성에 민감하지 않고 결측치나 분석한계를 벗어나는 자료에 대해서도 적용이 가능하다.

 자료 Yt (t=1, 2,……, N)에 대하여 Yt (t=1, 2,……, N-1)과 Yt (t=t+1, 2,……, N)의 크기를 비교하여 다음과 같이 정의한다.
Zk=1      if      Yt >Yt'
Zk=0      if      Yt = Yt'
Zk=-1     if      Yt < Yt'

 여기서 k=(t′-1) (2N-t′)+(t-t′)라 하면 Mann-Kendall test의 검정통계량은 다음과 같이 주어진다(Hirsch et al., 1982).

 여기서,

S<1     if     j=1,
S=1     if     j=0,
S>1     if     j=-1,

 G는 같은 값을 갖는 자료군의 총수이며, Ej 는 i번째 자료군에 속하는 같은 값을 갖는 자료의 수이다. 아래 식으로 조건이 만족되면 유의수준 α에서 주어진 자료가 상향(upward trend) 또는 하향(downward trend)을 갖는다고 할 수 있다.

결과 및 고찰

 도암호의 장기적인 수질자료의 경향을 분석하기 위하여 2001, 2002, 2004 및 2009~2012년 하절기(6~8월)에 조사된 표층(0~5m 평균)자료를 이용하였다. 7년간 24개월에 걸쳐 조사한 COD, SS, EC, 영양염류(TN, TP 등) 및 Chl.a 등의 수질자료는 Table 1로 요약 정리하였다. 하절기 강수량 및 주요 수질인자(COD, SS, TN, TP, Chl.a)의 연도별 변화는 Fig. 2와 같다. COD의 평균 농도는 4.0 mg L-1, 범위는 1.3~13.9 mg L-1로서 약간의 변이를 보였으며 2012년에 높았다. SS는 평균 16.2 mg L-1, 범위는 0.8~124.0 mg L-1로서 큰 변이를 보였으며 2004년에 가장 높았는데 이시기에 강수량도 많았다. SS는 주로 강수시 발생되어 호수로 다량 유입되며 (Baca, 2002; Saal, 2005), Kwak et al. (2012)은 도암댐 유역의 고랭지 밭의 경사도가 비교적 가파른 지형적 특성 때문에 적은 양의 강수에도 많은 부유물질이 발생한다고 하였다. EC는 평균 108 μS cm-1, 범위는 66~696 μS cm-1으로 비교적 큰변이를 보였다. 이는 SS와 마찬가지로 강수에 의한 영향으로 판단된다. TP는 평균 0.077 mg m-3, 범위는 0.008~0.358 mg m-3로서 2004년에 가장 높았으며 이 시기에 강수량도 많았다. 일반적으로 TP는 SS와 마찬가지로 강수시 높은 농도를 보인다 (Lee and Jones-Lee, 2001; Lee et al., 2002). Baca (2002)는 작은 농업지역에서 강수에 의한 유량과 부유퇴적물의 일시적 변화를 연구한 결과 유량이 증가할 때 부유퇴적물이 급격히 증가한다고 하였다. TN은 평균 3.129 mg L-1, 범위는 1.614~7.365 mg L-1로 큰 변이를 보이지는 않았으며 2009년에 높았다. Chla는 평균 11.8 mg m-3, 범위는 0.3~60.5 mg m-3로서 2001년 이후 점차 감소하였으나 2012년에는 다소 증가하였다.

Table 1. The range of precipitation and water quality parameters in Lake Doam (2001~2012).

Fig. 2. Seasonal variations in precipitation and water quality parameters of Lake Doam during the study period.

 도암호에서 2001년부터 2012년까지 하절기 (6~8월) 강수량 자료와 7년간의 하절기 수질자료에 대한 정량적 경향분석을 Mann-Kendall test와 Sen’s slope test를 이용하여 실시하였으며 그 결과는 Table 2와 같다. 통계분석 결과 유역으로부터 오염물질의 유입에 직접적으로 영향을 주는 강수량은 기울기가 -0.371, Tau (Kendall’s correlation coefficient)는 -0.028, p값은 0.810으로 감소 경향을 보였다. 강수시 유역의 토양유실 및 호 내 탁수 유입에 의해 영향을 받는 부유물질 및 탁도는 기울기가 각각 0.141 및 0.301, Tau는 각각 0.111 및 0.261, p값은 0.534 및 0.079로 다소 증가하는 경향을 보였다. 그러나 최근 진행되고 있는 비점저감사업에 의한 효과로 부유물질 농도가 2009년 이후 점차 감소하고 있는 것으로 보고되고 있다 (Wonju Regional Environmental office, 2012). 수계내 지질의 이온 농도와 관련이 있는 EC는 기울기가 0.641, Tau 0.211, p값 0.157로 증가 경향을 보였다. 호수의 영양조건과 관련이 있는 TP, Chl-a, 및 SD는 기울기가 각각 0.004, -0.344 및 -0.011, Tau는 각각 0.493, -0.214 및 0.457, p값은 0.001, 0.150 및 0.457로 Chl-a는 감소, TP는 미약한 증가, SD는 Turbidity와 SS로 인해 약간 증가 경향을 보였다. 도암호는 2008년 이후 최근까지 흙탕물저감 사업을 진행하고 있으며 향후 2017년까지 부유물질 5 mg L-1 의 목표수질을 달성하기 위해 계속해서 사업을 추진될 것으로 사료된다 (Gangwon Province, 2005). Choi et al. (2012)은 강수조건에 따른 도암호 부유물질 거동평가에서 대규모 강수빈도가 발생할 경우 유역내의 토양유실을 관리하는 데 한계가 있으며, 토양유실저감시설 설치시 강수조건에 대한 고려가 필요하다고 하였다. 유입 및 내부기원유기물로 표현되는 COD는 기울기 -0.012, Tau -0.017 및 p값 0.965로 미약한 감소 경향을 보였다. TN도 기울기가 -0.012로 미약한 감소 경향을 나타냈으며 NO3-N와 NH3-N도 유사한 경향을 보였다.

Table 2. Statistical analyses of Sen’s Slope Test and Mann-Kendall Test in Lake Doam (2001~2012).

결 론

 도암호에서 2001, 2002, 2004 및 2009~2012년 하절기(6~8월)에 EC, Turbidity, SD 및 영양염류(TN, TP 등)를 조사하였다. 주요 수질인자인 COD, SS, TN 및 TP의 평균농도는 각각 4.0, 16.2, 3.129 및 0.077 mg L-1, Chl-a는 11.8 mg m-3이었으며, 이들 결과에 비추어 볼 때 도암호는 중-부영양양호 수준인 것으로 판단된다.

 도암호에서 2001년부터 2012년까지 하절기 (6~8월) 강수량 자료와 7년 (2001, 2002, 2004, 2009~2012)간의 하절기 수질자료에 대한 장기적인 경향을 Mann-Kendall test와 Sen’s slpoe test를 이용하여 통계분석 하였다. 통계분석 결과 강수량, SD, COD, TN, NO3-N, NH3-N 및 Chl-a는 감소, EC, Turbidity, SS, TP 및 DIP는 증가하는 경향을 보였다.

 SS과 TP은 강수량에 의한 영향을 직접 받는 것으로 나타났다. SS의 경우 도암호의 목표수질(5 mg L-1)을 달성하기 위해서는 현재 추진하고 있는 흙탕물저감 사업을 보다 적극적으로 추진할 필요가 있다. 특히 도암호 유역의 고랭지 밭 경작지의 가파른 지형특성 및 강수조건을 고려하여 흙탕물 저감사업의 효율을 높일 수 있는 사업들의 발굴이 요구된다.

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