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ISSN : 2288-1115(Print)
ISSN : 2288-1123(Online)
Korean Journal of Ecology and Environment Vol.51 No.4 pp.268-286
DOI : https://doi.org/10.11614/KSL.2018.51.4.268

Spatiotemporal and Longitudinal Variability of Hydro-meteorology, Basic Water Quality and Dominant Algal Assemblages in the Eight Weir Pools of Regulated River (Nakdong)

Jae-Ki Shin*, Yongeun Park1*
Office for Busan Region Management of the Nakdong River, Korea Water Resources Corporation (K-water), Busan 49300, Republic of Korea
1School of Civil and Environmental Engineering, Konkuk University, Seoul 05029, Republic of Korea
Corresponding author: Tel: +82-2-2049-6106, Fax: +82-2-457-8895, E-mail: yepark@konkuk.ac.kr Tel: +82-51-200-2531, Fax: +82-504-424-6121, E-mail: shinjaeki@gmail.com
16/09/2018 04/12/2018 04/12/2018

Abstract


The eutrophication and algal blooms by harmful cyanobacteria (CyanoHAs) and freshwater redtide (FRT) that severely experiencing in typical regulated weir system of the Nakdong River are one of the most rapidly expanding water quality problems in Korea and worldwide. To compare with the factors of rainfall, hydrology, and dominant algae, this study explored spatiotemporal variability of the major water environmental factors by weekly intervals in eight weir pools of the Nakdong River from January 2013 to July 2017. There was a distinct difference in rainfall distribution between upstream and downstream regions. Outflow discharge using small-scale hydropower generation, overflow and fish-ways accounted for 37.4%, 60.1% and 2.5%, respectively. Excluding the flood season, the outflow was mainly due to the hydropower release through year-round. These have been associated with the drawdown of water level, water exchange rate, and the significant impact on change of dominant algae. The mean concentration (maximum value) of chlorophyll-a was 17.6 mg m-3 (98.2 mg m-3) in the SAJ~GAJ and 29.6 mg m-3 (193.6 mg m-3) in the DAS~HAA weir pools reaches, respectively. It has increased significantly in the downstream part where the influence of treated wastewater effluents (TWEs) is high. Indeed, very high values (>50 or >100 mg m-3) of chlorophyll-a concentration were observed at low flow rates and water levels. Algal assemblages that caused the blooms of CyanoHAs and FRT were the cyanobacteria Microcystis and the diatom Stephanodiscus populations, respectively. In conclusion, appropriate hydrological management practices in terms of each weir pool may need to be developed.



낙동강 8개 보에서 기상수문·기초수질 및 우 점조류의 시공간 종 적 변동성

신 재기*, 박 용은1*
한국수자원공사 부 산권지사
1건국대학교 사회환경공학부

초록


    Ministry of Environment
    2018000200001Konkuk University

    서 론

    부영양화 (eutrophication)는 우리나라를 포함하여 세계적 으로 가장 광범위하게 치솟고 있는 수질문제이다 (Schindler, 2012;Paerl, 2014;Niamien-Ebrottie et al., 2015;Shin et al., 2016). 하천, 보 (洑) pool과 저수지에서 증가하는 P·N 영양염 농도가 수생태계의 생물군집에 직접적으로 영향을 주게 되어 조류 (藻類) 대발생은 아주 보편 또는 만성화되었 고, 부영양화에 의해 야기되는 심각한 부정적 문제점 (예, 독 소, 이취물질, 빈산소 및 생물폐사 등)들로 인해 학계, 행정 (관련 공무원)·정치가, NGO 및 일반인에게까지 깊은 관 심을 가지게 하고 있다 (Reynolds and Walsby, 1975;OECD, 1982;Watanabe et al., 1996;WHO, 2011;Park, 2012;Paerl, 2014). 낙동강도 과거 (1960년대 말)부터 인위적인 무기영 양염의 오염이 날로 심화되어 지표성 조류의 번무로부터 자유롭지 않아 현재까지 고심하는 실정에 있으며 (Cho et al., 1998), 물 이용의 기반시설과 공급 우선순위에 의해 구 조적 (예, 댐 (둑) 및 보) 또는 비구조적 (예, 하수처리수, 방류 및 취수량) 취약성은 수질을 더욱 악화시키는 요인으로 작 용하고 있다 (Shin, 1998;Nichols et al., 2006).

    고온기 (하계)와 저온기 (동계)에 낙동강에서 장기간 양 극화로 전개되고 있는 N2-비고정 유해 남조 Microcystis의 녹조현상 (green-tide, cyanobacterial harmful algal blooms (CyanoHABs))과 소형 규조 Stephanodiscus의 담수적조 (freshwater red-tide)는 1990년대 이전 또는 초반부터 수질 환경의 사회적 문제로 부각되었다 (Cho et al., 1998). 무엇 보다도 생태학적 측면에서 부영양화의 전형적인 극상 형태 로 지적되었으며, 4대강과 기타 수계의 담수생태계에서 연 중 겪고 있는 수질오염의 공통적 결과에 해당하였다 (Cho et al., 1998;Shin, 1998;Shin et al., 2016). 이들이 대발생하 는 시기에 기본적으로 짙은 수색 (청록색 또는 적갈색) 변 화 이외에 유해 남조는 조류막 (scum, algal mat) 형성, 잠재 독소 (cyanotoxins)의 친수활동 방해 및 이취물질 (geosmin, 2-MIB) 배출에 의한 수돗물 이용을 위협하고 있으며 (Kim et al., 2015a;Shin and Hwang, 2018), 담수적조는 정수과 정의 응집·침전불량과 여과폐색 장애를 유발하는 등 환 경보건과 사회·경제의 유·무형적 잠재 피해영향은 매우 방대하다 (Cho and Shin, 1998a;Hwang et al., 2016;Shin et al., 2016).

    특히, 2009~2012년 동안 4대강살리기국책사업 (4 major rivers restoration project, 4MRRP)이 뜻밖에 추진되어 하천 의 침수역 확대로 인해 물 관리는 더욱 복잡한 양상을 갖게 되었다 (MOLIT, 2009; Cha et al., 2011;Jun and Kim, 2011). 그 결과, 낙동강은 국내에서 인공 구조물 (11개 댐, 11개 보) 이 가장 많은 형태를 띠게 되어, 유황의 인위적 조절은 이 전보다 극도로 심화된 상태에 있다. 2012~2013년 이전에 하천 수질은 본류에 유입된 P·N 무기영양염이 유하하면 서 조류에 흡수·이용된 후 성장 조체가 하류 (구)역에 집 적되는 양상이었으나, 이와 달리 하도에 계단식 대형 연계 보 (cascade serial weirs)가 14.9~42.9 km 범위마다 건설되 면서 이상수질 현상은 보 구간에 분산·집중되는 형태로 변화되었다. 따라서 시공간적 조류 발생패턴도 하구형에서 유역의 최대 오염원 (예, 금호강, 구미하수처리장)과 가까운 중·상류형으로 변형되었으며, 이를 대응하는 관리체계도 조류발생 영역이 다변화 또는 확대된 만큼 다중 복합 성향 으로 귀결되었다.

    낙동강을 포함한 4대강의 중·하류에서 녹조현상은 4MRRP 후 더욱 광역화 또는 장기화되어 날로 극심해짐에 따라 하천 수질에서 차지하는 중요도가 과거보다 증폭된 위치에 있다 (Park, 2012). 낙동강은 팔당호 (한강), 대청호 (금강)와 더불어 조류 연구를 가장 많이 시도한 대상 중 하 나이었다. 보 pool을 담수하기 전에는 중·하류 또는 하구 호 (서낙동강 포함) 구간에서 수질·퇴적층의 부영양화 관 리와 오염도 분석 (Choi and Park, 1986;Yang et al., 1990;Kwon, 1991;Lee et al., 1993, 1994;Cho and Shin, 1995a, b, 1997, 1998a;Heo et al., 1995;Kim et al., 1996, 2002, 2005;Shin et al., 1996, 2000, 2002, 2003; Shin, 1998;Park et al., 1999, 2002;Shin and Cho, 1999;Jung and Cho, 2003;Seo et al., 2003;Jeon and Cho, 2004;Hwang et al., 2006;Kwon et al., 2006;Choi et al., 2011, 2012; Kang et al., 2011;Baek, 2013;Ahn et al., 2016), 담수적조 원인생물 (Aulacoseira, Cyclotella, Stephanodiscus)의 형태학적 분류 (Cho, 1995, 1996, 1999), 조류 군집 (개체군) 분포 (Cho, 1991;Kim and Lee, 1991;Cho et al., 1993, 1998;Seo and Chung, 1994;Cho and Shin, 1995b, 1998a, 1999;Shin and Cho, 1997;Shin, 1998;Moon et al., 2001;Lee et al., 2002;Kim, 2004;NRWMC, 2007;Hur et al., 2013;Son, 2013;Hong et al., 2016), 생리·생태 (Cho and Shin, 1995a, b, 1996, 1998a;Song et al., 1995;Lim et al., 1997;Shin, 1998;Ha et al., 1999;Shin and Cho, 1999;Choi et al., 2002, 2007;Yang et al., 2003, 2004;Son et al., 2005;Hwang et al., 2006, 2007; Park et al., 2011;Joung et al., 2013) 및 독소·이취물질 (Kim et al., 2013;Lee et al., 2013)에 대한 다각적인 선행 연구가 있었다. 1986년부터 2012년까지 낙동강에서 수행 된 부영양화와 조류 연구는 상·중류보다 하류지역의 연 구가 절대적인 우위를 차지하였다. 이 중에서 중·하류와 하구의 녹조현상과 담수적조를 월 (계절) 조사 또는 일 모니 터링한 결과들로부터 특정 구간과 단일 지역의 만성적 조 류 대발생에 대한 오염 전개 특성 및 경감 방안이 구체적 으로 언급되기도 하였다 (Cho and Shin, 1997, 1998a;Shin and Cho, 1997, 1999b).

    신규 보를 동시에 가동한 2012년 9월부터 5년이 경과되 는 시점인 현재까지 선행연구는 물리·화학 및 통계학적 수질과 퇴적층 (용출)의 특성분석 (Kim and Kim, 2013;Im et al., 2014;Lee et al., 2014;Gwak and Kim, 2015;Kim et al., 2015a, b;Lee and Kim, 2015;Lim et al., 2015;Na et al., 2015a, b;NRWMC, 2015;Kim, 2016;NIER, 2016;Park et al., 2016;Choi et al., 2017a;Jung and Kim, 2017), 조류 군 집 분포, 발생 (모델링 포함), 천이 양상 (Choi et al., 2014;Yu et al., 2014a, b, 2015;Na et al., 2015a;Noh et al., 2015, 2017;Park et al., 2015, 2016; Min et al., 2016;Ryu et al., 2016;Kim et al., 2017;Lee and Kim, 2017) 및 독소·이취 물질 분포 (K-water, 2015;Park et al., 2017) 등이 수행되었 다. 이들 연구는 8개 보 중 단일 또는 2~3개 보 구간에 국 한되었거나 여전히 하류지역을 대상으로 하였으며, 조류 대발생과 이송·확산에 대한 근원적인 조사 분석은 아니 었다.

    본 연구는 2013년 1월부터 2017년 7월까지 1주 간격으 로 제한된 보 구간이 아닌 낙동강의 8개 보의 하류부에서 수질 (수온, DO, pH 및 Chlorophyll-a (Chl-a))을 모니터링 한 자료와 환경부 공공데이터의 우점조류 현황 자료를 통 해 그 특성을 분석하였다. 또한 기상·수문자료와 비교 분 석하여 낙동강 보에서 매년 만성적으로 전개되고 있는 유 해남조 및 담수적조 등의 시공간적 변화 양상을 종합적으 로 고찰하였다.

    재료 및 방 법

    1. 조사지 개황

    낙동강 (洛東江, Nakdong River)은 한반도의 동남부 (N 34°59ʹ41ʺ~N 37°12ʹ52ʺ, E 127°29ʹ19ʺ~E 129°18ʹ00ʺ)에 위치하며 (Fig. 1), 유역면적과 유로연장이 각각 23,384 km2, 521.5 km로서 우리나라에서 제2의 국가하천이다 (MOLIT, 2012). 유역 평균 표고와 경사는 각각 EL. 291.2 m, 32.3% 로서 상류는 가파르고, 중하류는 완만해지는 지형이다 (MOLIT, 2012). 낙동강의 발원지는 경북 태백시의 황지연 못 (최장 발원지는 매봉산 (천의봉) 너들샘)이고, 본류·지류 의 상 (안동)·하류 (부산)에 댐과 둑으로 닫힌 상태에 있으 며, 다목적·용수 댐 (저수량)들이 본류 (안동댐 1,248.0× 106 m3, 하굿둑 380.0×106 m3)와 주요 지천 (임하 595.0× 106 m3, 성덕 27.9×106 m3, 영주 181.1×106 m3, 군위 48.7× 106 m3, 부항 54.3×106 m3, 영천 103.2×106 m3, 보현 22.1 ×106 m3, 합천 790.0×106 m3, 남강 309.2×106 m3, 운문 160.3×106 m3, 밀양댐 73.6×106 m3)에 분산되어 직렬 또 는 병렬로 건설되었다 (Fig. 1) (MOLIT, 2009). 이 중에서 안동~임하, 합천 및 남강댐 (진양호) 저수지의 저수량은 강 유역의 대댐 (농업용 댐저수지 제외) 수자원 중 73.7%를 차지한다. 안동~임하댐 (저수지간 연결, 1.9 km, 2015년 완 공)과 임하~영천댐 (저수지·하천간 연결, 51.3 km, 25.9× 104 m3, 2001년 완공)은 도수로 (transbasin diversion tunnel) 에 의해 각각 연결되어 있으며, 4MRRP의 일환으로 수자 원 이용의 효율성 제고와 낙동강 페놀유출사고 (1991년)의 후속대책으로 수질사고 희석수 (비상용수) 확보 및 포항권 용수공급을 위해 각각 추진되었다 (MOLIT, 2009).

    낙동강의 유황은 강우사상의 크기에 따라 유량이 다목 적+용수+농업용 댐+보에 의해 인위적으로 조절되는 특 성을 갖고 있으며, 본류의 유량은 댐의 하천 유지수 공급 외에 사계절 동안 댐 하류역에 내린 강우와 하수처리수가 대부분을 차지한다. 특히 강우기를 제외하고는 연중 하수 처리수의 비중이 절대적이며 (Shin, 1998), 장마기 또는 평 소 강우시에도 합류식 하수관로의 월류수 (combined sewer overflows, CSOs)에 의한 축적 오염된 고농도의 영양염 펄 스가 매우 큰 것으로 평가되고 있다 (Shin, 1998). 유역에 댐 과 보의 수공 구조물이 많은 것은 그 만큼 양적 요구도가 큰 것으로 볼 수 있겠으나, 동시에 다양한 하·폐수와 오염 수의 실제 발생량이 많아지는 잠재력을 의미하기도 한다. 유역에 분포하고 있는 하수처리장 (>500 m3 d-1)은 총 83 개로서 총량은 3,500×103 m3 d-1 규모이며, 대구 (1,874× 103 m3 d-1), 구미 (458×103 m3 d-1) 및 진주 (201×103 m3 d-1) 지역의 하수가 72.7% (2,533×103 m3 d-1)를 차지하여 수질 부영양화에 대한 대도시의 기여 영향이 매우 큼을 짐 작할 수 있다. 그리고 공단 및 군소 도시지역의 산업·생 활·축산계의 하·폐수까지 추가하면 잠재 영향력은 더욱 커지게 된다. 하수처리장은 행정구역상 그 지역 소하천 (강) 의 최하류 말단에 위치해 있으며 (K-water, 2007), 하수처리 수는 대부분 지류하천을 통해 방류되나 일부는 본류에 직 접 유입되는 형태 (예, 구미하수처리장)를 가지기도 한다. 따라서 하천생태계는 연중 이들 하·폐수에 포함된 고농 도의 P·N 영양염과 잔류 유해미량 (화학)오염물질의 노출 에 취약할 수밖에 없었다.

    6년전에 낙동강 본류 (안동·임하댐~하굿둑) 하도에는 4MRRP에 의해 상류로부터 고정보 3개 (안동보 (Andong, AND), 수하보 (Suha, SUH), 구담보 (Gudam, GUD)), 가동· 고정보 8개 (상주보 (Sangju, SAJ), 낙단보 (Nakdan, NAD), 구미보 (Gumi, GUM), 칠곡보 (Chilgok, CHG), 강정고령보 (Gangjeong·Goryeong, GAJ), 달성보 (Dalseong, DAS), 합 천창녕보 (Hapcheon·Changnyeong, HAC) 및 창녕함안보 (Changnyeong·Haman Weir Pool, HAA))의 총 11개 보가 현재 제 위치에 각각 건설되어 댐 (보) 방류수와 지류 유입 수가 모여 보 pool을 이루었다가 그 봇물은 유량 증감 변동 에 따라 순차적으로 보 (가동, 고정), 소수력 발전방류구 및 어도를 통해 하류로 조절 유하되고 있다 (Fig. 1, Table 1). 특히 SAJ~HAA구간에 놓인 보의 평균 높이와 저수량은 각각 11.1 m, 64.0×106 m3로서 상류의 고정보 (AND, SUH 및 GUD)와 달리 소형 댐에 가까운 형태를 취하고 있다 (Table 1) (MOE-KEI, 2009).

    SAJ~HAA구간에는 4MRRP 이전에도 생활·농업용수 의 취수구를 중심으로 직하류에 돌 또는 고무보 (예, 강정 취수보 (2000년))가 여러 군데 설치되었고, 이것 외에 하천 을 횡단하는 고속 또는 지방 국도의 대교 (grand bridge)들 이 놓이면서 교각의 세굴방지를 위한 인공 돌 보가 축조되 었다. 이로 인해 상류부는 얕은 pool을 이루었으며 구간에 따라 오염하천수 (예, 금호강)의 유입에 의해 하류부 수질 은 악화되는 양상을 띠었다 (Shin, 1998). 낙동강 유역에서 대구, 영천 및 경산지역의 배수로에 해당하는 최대 오염원 인 금호강은 DAS의 최상류에서 유입되고, 진주지역의 남 강은 HAA의 중하류에서 합류된다. 그리고 구미하수처리 장 방류수 (80×103 m3 d-1)는 CHG의 중·상류 좌안에서 표층으로 직접 배출되며, 평소 방류 유속에 의해 하류의 개 방수역으로 넓게 확산되는 형태를 띠기도 하였다.

    2. 강우·수문 자료 분석

    2013년 1월부터 2017년 7월까지 강수량과 수문 (유입량, 방류량, 수위 및 저수량) 자료는 기상청 (http://www.kma.go. kr)과 국가수자원관리정보시스템 (Korea Water Resources Management Information System, WAMIS, http://www. wamis.go.kr)에 각각 업로드된 일 누적 또는 평균값을 이 용하였다. 강수량은 보 별 집수역에서 내린 값을 이용하였 으며, 기상청 자료는 강우사상 양상을 비교하는 데 참고하 였다. 수집한 기초자료는 요인별로 결측 또는 이상치를 검 토하였고, 최종적으로 확인된 자료를 이용하였다. 국내 4대 강 본류의 16개 보 pool은 소수력 발전 (small-scale hydropower) 을 기본적으로 채택하여 운영되고 있으며, 발전 낙 차 (예, penstock level)를 고려한 설계에서 대부분 바닥부의 비교적 맑은 하층수를 방류하고 있다 (Table 1). 참고로, 보 pool 내의 상수원수 취수도 조체 (藻 体) 유입 영향을 최소 화하거나 수처리 공정효율을 높이기 위해 이와 유사한 형 태 (예, 저층 취수)를 띠고 있다.

    3. 현장 조사 및 실험 분석

    현장 조사는 2013년 1월부터 2017년 7월까지 주 1회씩 고무보트를 이용하여 수행되었고, 수면이 결빙된 시기는 접근성과 안전 문제로 불가피하게 생략하였다. 조사지점은 상주보 (SAJ), 낙단보 (NAD), 구미보 (GUD), 칠곡보 (CHG), 강정·고령보 (GAJ), 달성보 (DAS), 합천·창녕보 (HAC) 및 창녕·함안보 (HAA)의 보 직상류 0.3~1.0 km로서 총 8개 지점이었다 (Fig. 1). 수온, DO 및 pH는 휴대용 YSI-550A 와 6600UPG meter (YSI Instrument, USA)를 이용하여 현 장에서 직접 측정하였고, 빈산소 (hypoxia) 발생의 유무 또 는 정도를 확인하기 위하여 수층별 조사도 병행하였다. 측 정기 probe는 사용매뉴얼을 참고하여 매번 조사 직전에 보 정하였다. 수질조사 분석을 위한 시료는 Van-Dorn sampler (Wildcore, USA)를 이용하여 각 지점의 표층수 (0.3~0.5 m depth)를 채수하였고, 수표면에 조체가 집적되어 얇은 층을 형성한 경우 과대 측정값을 피하기 위해 상하로 가볍게 혼 합하여 채수하였다. 현장에서 육안으로 조류 농도가 높을 경우 하천 양안과 보 직상류의 수질 상태도 동시에 관찰 기 록하였다. 시료는 얼음 팩을 채운 아이스박스에 담아 보관 한 후 차량을 이용하여 12시간 이내에 실험실로 옮겼고, 즉 시 전 처리한 후 분석하였다 (APHA, 1995). Chl-a 농도는 일정량의 시료를 Whatman GF/F로 여과한 후 90% ethanol 용매로 비등 추출하여 665 nm와 750 nm의 흡광도 값으로 계산하였다 (Nusch, 1980;APHA, 1995). 우점조류 조성은 환경부 물환경정보시스템에 업로드된 공개자료 (www.nier. water.go.kr)의 주간 또는 평균값을 이용하였다.

    자료의 주요 요인에 대한 상관분석은 Pearson’s Rank 법 을 이용하였고, 시공간적 차이 분석을 위해 ANOVA의 사 후분석법 (host-hoc Tukey’s HSD test)으로 수행하였다. 통 계처리는 SYSTAT® 8.0 프로그램 (SPSS, 1998)을 이용하였 으며, 유의성은 p<0.05로 확인하였다.

    결과 및 고 찰

    1. 강우·수문학적 요인의 일 변동

    낙동강의 8개 보 수역에서 2013년 1월부터 2017년 7월 까지 관측된 강수량과 수문요인 (유량, 수위 및 저수량)의 기술 통계값을 정리한 것은 Table 2와 같고, 방류량과 수위 의 일 변동을 나타낸 것은 Fig. 2와 같다. 조사기간 동안 연 중 강수일의 범위는 80~179일로서 HAA에서 비교적 많 았고, SAJ에서 적었다. 연간 <10 mm, >10 mm 및 >30 mm를 보인 평균 횟수는 각각 144회, 24회, 5회로서 DAS~ HAA구간에서 조금 더 빈번하였으나, 통계적으로 유의한 차이는 아니었다 (p>0.05). >100 mm는 SAJ에서만 2회 있 었다. 무강수일을 제외한 강수량의 범위와 평균값은 각각 0.1~117.0 mm, 5.1 mm이었다 (Table 2). 총강수량의 범위 와 평균값은 각각 600.5~1,027.1 mm, 854.4 mm이었으며, 2016년 (보 pool 평균 940.7 mm)에 많았고, 2015년 (672.8 mm)에 적었다 (Table 2). 장마·폭염기 (6~9월) 강우는 2013 년 363.8 mm (41.6%), 2014년 528.0 mm (56.8%), 2015년 288.9 mm (42.9%) 및 2016년에 486.2 mm (51.2%)로서 총 강수량의 48.1%이었고, 2017년은 7월 초에 SAJ에서 72.8 mm를 기록하여 상·하류간에 차이가 컸고, 그 영향은 하 류까지 장기간 전달되었다.

    방류량은 0.0~3,761.0 m3 s-1 범위이었고, 평균값은 139.3 m3 s-1이었다 (Fig. 2, Table 2). 상류 (SAJ)에서 하류 (HAA) 로 내려 올 수록 크게 증가하는 양상이었으며 (Kang et al., 2011), 장마기를 전·후로 하계에 많아지는 계절성이 현저 하였다 (Fig. 2) (p<0.01). 전 구간에서 >250 m3 s-1는 10.7% (봄철 2.2%, 여름철 5.4%, 가을철 2.6% 및 겨울철 0.5%)를 차지하였고, >1,000 m3 s-1는 1.4% (여름철 1.1%, 가을철 0.3%)를 기록하였다. >1,000 m3 s-1의 평균 빈도 (범위)는 2013년 3.6회 (1~10회), 2014년 9.3회 (2~21회), 2015년 0.9회 (0~4회), 2016년 7.7회 (3~17회)이었고, 2017년 7월 까지 2.4회 (1~4회)이었으며, SAJ에서 7회, HAC에서 32회, HAA에서 56회 관찰되었다 (Fig. 2). 총방류량 중 소수력 발 전, 가동보, 월류, 전도수문 및 어도가 차지하는 평균 방류 량은 각각 37.4% (52.7 m3 s-1), 34.6% (51.9 m3 s-1), 14.1% (18.2 m3 s-1), 11.4% (13.4 m3 s-1), 2.5% (3.0 m3 s-1)로서 홍수 기 (가동보, 월류, 전도수문 방류)를 제외하고 연중 소수력 발전에 의한 저층방류 비중이 매우 컸다 (Table 2). 보 pool 에서 유속은 보에 근접할수록 점진적으로 감소하고, 월류 (홍수)사상 이후 유량 감소는 체류시간을 증가시키며, 수온 성층화의 잠재력 (예, △일 성층화, 기간, 최대 온도차 (범위)) 도 높아지게 된다 (Whiterod et al., 2004).

    수위의 변동 범위 (평균값)는 1.4~3.9 m (2.4 m)이었다 (Fig. 2, Table 2). 담수 초기에 해당하는 2013~2014년에 수 위가 감소하는 빈도와 기간이 많았거나 길었고, 2015년 이 후에는 일부 보 (GAJ)를 제외하고 대부분 관리수위 (maintenance water level, MWL)를 유지하는 양상이었다 (Fig. 2). 이러한 양상은 유황 변동에서도 파악될 수 있었다. 각 보에 서 유입량 (+)과 방류량 (- )의 차이를 나타낸 것은 Fig. 3 과 같다. 방류량은 대부분 유입량에 비례하여 유지되고 있 었으나, GUM, CHG, GAJ 및 HAA에서는 상대적으로 방류 량이 적은 양상을 보였다 (Fig. 3). 이 중에서 GAJ가 가장 현저하였는데, 이것은 다른 보에 비해 취수량 (1,354×103 m3 d-1)이 월등히 많았기 때문이었다. 그리고 보마다 MWL 을 기준으로 그 변동성은 매우 복잡한 형태를 보였다. GAJ 와 같이 장기간 강하 (drawdown)되는 경우도 있었는데 겨 울철~봄철의 갈수기에 취수량 (예, 매곡, 강정 및 고령취수 장)이 많은 보 중 하나의 특성으로 볼 수 있었고, GUM, CHG와 HAA에서도 이와 유사한 소폭 경향을 관찰할 수 있었다 (Fig. 2).

    최근 2017년 2~3월에 DAS~HAA구간에서 수위 강하 를 보인 것은 여름철 녹조현상 경감을 위한 보~보 연계 펄스유량의 시험방류 조작에 의한 것이었다 (unpublished data). 그리고 2017년 6월 초에 GAJ~HAA구간에서 수위 가 감소된 것은 새로운 정부가 출범하면서 녹조현상 대응 책인 보 개방과 4MRRP의 사후평가 일환으로 MWL을 인 위적으로 조정 (- 0.25~ - 1.25 m)한 것이었다 (unpublished data). 또한 수위 강하와 함께 어도 기능은 인위적으로 폐 색 또는 단절되었고, 그와 더불어 표층수의 월류 흐름 촉 진과 수위조절의 효율성을 제고하기 위해 소수력 발전을 동시에 정지 (HAC 제외)시켰다. 수위 감소는 지류하천의 오염부하를 빠르게 전달하고, 퇴적층과 가까워져 그 영향 에 민감해질 뿐만 아니라 유해 남조류의 재입 (recruitment) 전략을 촉진하는 취약성을 가지고 있다 (Yamamoto, 2009;Yang et al., 2016;Shin et al., 2017).

    2. 수온, DO 및 pH의 시공간적 변동성

    SAJ~HAA구간에서 수온의 범위와 평균값은 각각 0.7~ 34.3°C, 17.8°C이었으며, 여름철에 높고 겨울철에 낮은 계 절성이 뚜렷하였다 (Table 2). 수온의 최고 및 최저값은 시기 적으로 각각 1~2월과 8월이 해당하였으며, 1~2월에 SAJ~ CHG구간에서 수표면이 결빙되는 시기도 다수 관찰되었 다. 연중 수온이 <10°C, >25°C 및 >30°C인 기간 (연도 별)은 각각 2013년에 22.7%, 41.1%, 13.4%, 2014년에 23.2%, 20.0%, 0.0%, 2015년에 18.6%, 18.0%, 1.0%, 2016 년에 27.3%, 20.8%, 3.8%이었고, 2017년은 7월까지 31.6%, 20.5%, 0.0%이었다. 봄철~가을철에 증감 패턴이 다른 시기 에 비해 불규칙하였는데 이것은 강우 빈도와 유황 변동에 의한 기상·수문학적 영향이 지배적이었다 (Hwang et al., 2016, 2017; Shin et al., 2016, 2017). 강우기에 대체로 수온 이 하강하는 일시적 특성을 보였으며 (Shin et al., 2016), 그 기간이 길어질 수록 감소 폭은 커졌다.

    보 구간별 표층 DO의 범위 (평균값)는 SAJ~GUM, HAA 와 CHG~HAC구간에서 각각 5.0~17.0 mg O2 L-1 (10.6 mg O2 L-1), 2.9~17.4 mg O2 L-1 (10.3 mg O2 L-1)이었다 (Fig. 4). 연중 증감 양상은 수온과 상반되는 구조 (r= - 0.800, p< 0.01)로서 매우 불규칙하였고, 변동 폭은 보 구간에 따라 다소 상이하여 (p<0.05) 상류에서 작고 중·하류로 갈수록 커지는 경향이었다 (Fig. 4). 그리고 연중 DO 농도의 변동 폭이 컸던 구간은 CHG~HAC이었고, 그 중 GAJ에서 가장 현저하였다 (Fig. 4). 이것은 조류 광합성과 빈산소에 의해 야기되는 증감 차이에 기인하는 변동성 때문이었다 (Wetzel, 2001;Jung and Cho, 2003). 또한 주요 보에 따라 순간 적으로 DO가 급격하게 증가하는 경향이 다수 관찰되었는 데, 이것은 유량의 변동이 클 때 주로 나타났으며 (Hwang et al., 2016), 상·하류의 수질 연계성으로 볼 때 하류에 전 이된 형태로 사료되었다.

    조사기간 동안 6~10월에 NAD, CHG~HAC구간의 표 층에서 <5.0 mg O2 L-1 (Wetzel, 2001;OSTP, 2016)인 빈 산소 시기가 다수 관찰되었는데 (Im et al., 2014;NRWMC, 2015;Shin and Hwang, 2018), GAJ에서 2014~2017년에 빈번하였고 기간 (최장 1개월)도 길었다 (Fig. 4). 담수 초기 인 2013년에는 전 구간에서 형성되지 않았고, 2014년부터 시작하여 2017년으로 이행하면서 다소 강해지는 양상을 띠 었다 (p<0.05) (NRWMC, 2015). 2014년 7~9월과 2015년 6~10월에 CHG~HAC구간에서 3.1~5.0 mg O2 L-1, 2016 년 8~10월에 NAD~HAC구간에서 2.9~5.0 mg O2 L-1이었 고, 2017년 6월 하순~7월 초하순에 GAJ에서 3.2~4.7 mg O2 L-1 범위로 악화되었다. 수층에서 빈산소가 발생하는 것 은 저유량, 저수위 및 고온 폭염과 관련성이 있었고 (OSTP, 2016), 고유량에 의해 일시적으로 소멸되기도 하였으나 곧 바로 재발하기도 하였다 (Fig. 2 참고) (Hwang et al., 2017). 2014년 7월 초순에 GAJ에서 표층 수온이 29.3°C일 때 수 심 6~10 m (17.9~26.9°C)에서 거의 무산소 상태 (<0.1 mg O2 L-1)에 가까웠으며, 2015년 8월에 표층에서 <5 mg O2 L-1일 때 수심 <2 m 하층에서도 동일한 경향을 보여 연직 DO 결핍현상이 급격하게 강화됨을 알 수 있었다.

    수중 pH의 범위와 평균값은 각각 6.3~9.7, 8.2이었고 (Table 3), 기초수질 중 변동성이 가장 불규칙하였다. 계절 적으로는 여름철과 겨울철에 높았고 봄철과 가을철에 낮 았으며, 증감 형태는 DO보다 시간적으로 다소 후행하는 분포패턴을 나타냈다. 이것은 수온, DO 이외에 녹조현상과 담수적조가 번성하는 동하계의 시기와 관련성이 있었다 (Cho and Shin, 1997, 1998a;Shin, 1998). 2016년 7월 초순 에 GAJ와 DAS에서 <7.0 (약산성)인 시기가 관찰되었는 데, 일시적인 현상으로서 연중 장마 강우가 가장 많았던 시 기 (55.4~112.1 mm, 15회)의 직후에 해당하였다.

    3. Chlorophyll-a 농도 분포 및 종적 변동성

    2013년 1월부터 2017년 7월까지 보 별 Chl-a 농도 분포 및 변동을 나타낸 것은 Fig. 5와 같다. 전 구간에서 Chl-a 농 도의 범위와 평균값은 각각 0.4~193.6 mg m-3, 22.0 mg m-3 이었다 (Table 3). 연도별 평균값 (범위)은 2013년에 26.9 mg m-3 (0.4~132.8 mg m-3)이었고, 2014년, 2015년 및 2016년 에 각각 22.9 mg m-3 (1.1~98.2 mg m-3), 19.0 mg m-3 (1.0~ 173.9 mg m-3), 19.6 mg m-3 (1.1~193.6 mg m-3)이었으며, 2017년은 7월까지 17.9 mg m-3 (1.0~87.5 mg m-3)이었다. 2013년은 전 구간에서 높은 농도를 유지하였고, 2014~ 2017년은 DAS~HAA구간에서 비교적 고농도 (27.2 mg m-3, 최대 193.6 mg m-3)를 나타냈다. 계절별로 보면, 여름 철~가을철에 SAJ~GAJ와 DAS~HAA구간에서 각각 평 균값이 19.3 mg m-3 (1.0~96.9 mg m-3), 30.8 mg m-3 (1.3~ 193.6 mg m-3)로서 봄철 (15.1 mg m-3 (0.4~98.2 mg m-3)) 과 겨울철 (26.4 mg m-3 (1.0~132.8 mg m-3))에 비해 각각 21.8%, 14.3% 더 높았다. 또한, SAJ~GAJ와 DAS~HAA 구간에서 평균 농도 (범위)는 각각 17.6 mg m-3 (0.4~98.2 mg m-3), 29.6 mg m-3 (1.0~193.6 mg m-3)이었고, 상류부보 다 하류부에서 다소 증가 (1.7배)하는 경향이 현저하였다 (p<0.05) (Table 3). Chl-a 농도가 >50 또는 >100 mg m-3 수준으로 증가한 것은 저유량 (예, DAS~HAA <500 m3 s-1), 저수위 시기에 해당하였으며, 유량이 빈약한 해 (예, 2015년)와 수위가 MWL보다 훨씬 낮았거나 다시 회복 (상 승)된 직후에 주로 관찰되었다.

    OECD (1982)에 의해 제시되고 있는 부영양 기준 (>25 mg m-3)을 적용할 때, 조사기간 동안 그 값을 초과한 빈도 (연평균 횟수)는 SAJ에서 11.9% (28회), NAD 16.7% (41회), GUM 16.5% (41회), CHG 18.0% (48회), GAJ 24.3% (68회), DAS 30.9% (94회) 및 HAC에서 36.4% (111회)이었고, HAA 는 38.9% (121회)를 차지하였으며, 특히 GAJ, DAS~HAA 구간에서 >20~30%이었고, 하류로 갈수록 그 유지기간도 장기화되었다 (Fig. 5). 그리고 >75 mg m-3의 과영양 수준 을 초과한 것은 SAJ~GUM, CHG~GAJ 및 DAS~HAA구 간에서 각각 평균 2회, 5회, 12회를 기록하였다 (Fig. 5). 또 한 DAS, HAC 및 HAA에서 >100 mg m-3인 경우가 각각 2~3회씩 관찰되었는데 그 시기는 달랐으나 상·하류의 보 사이에 다소 높은 농도를 유지하는 연계성도 찾아 볼 수 있 었다 (Fig. 5).

    4. 주요 우점조류의 시공간적 분포 및 천이 특성

    8개 보에서 55개월 동안 매주 관찰된 우점조류의 분류군 조성은 총 48속이었다 (Fig. 6). 이 중에서 규조 14속, 남조 8속, 녹조 18속 및 편모조 (은편모, 착편모 및 와편모 등)가 8속으로 각각 구성되었고 (Table 3), 기존 선행연구에서 보 고된 분류군들과 상이하지 않았다 (Cho, 1991;Cho et al., 1993, 1998;Cho and Shin, 1995b, 1998a, 1999;Shin and Cho, 1997;Shin, 1998;Moon et al., 2001;NRWMC, 2007;Yu et al., 2014a, b, 2015). 이들 속은 군체 (colony), 사상체 (trichom) 및 단·다세포의 편모체를 가진 운동성 또는 비 운동성 조류가 대부분을 차지하였다. 각 보에서 >10% 출 현빈도를 보인 것은 규조 Aulacoseira, Fragilaria, Stephanodiscus, 남조 Merismopedia, Microcystis 및 은편모조 Rhodomona 개체군이었다. 전체 보 구간에서 시공간적으로 빈 번하게 관찰된 최우점 속은 규조 Stephanodiscus (STEP, No. 13 in Fig. 6), 남조 Microcystis (MICR, No. 21) 및 은편 모조 Rhodomonas (RHOD, No. 47)가 해당하였다 (Fig. 6). STEP와 MICR은 외형적 그 크기가 각각 소형과 대형이며, 동계의 저온·저광 및 하계의 고온·고광을 선호하는 분 류군으로서 전형적인 부 (과)영양 상태의 계절적 오염지표 그룹으로 잘 알려져 있다 (Cho, 1995;Cho and Shin, 1995b, 1998a;Shin and Cho, 1997;Cho et al., 1998). 그 외 Aulacoseira (AULA, No. 3)와 Fragilaria (FRAG, No. 7)는 보 별 출현에서 다소 상이한 면이 있었는데, AULA는 GUM, GAJ 및 HAA에서, FRAG는 CHG에서 각각 우세하였고, DAS~HAC구간에서는 두 개체군이 혼재된 형태가 강하 였다 (Fig. 6). RHOD는 STEP와 MICR이 소강 상태를 보이 는 시기에 우점하는 특성을 보여 광온·기회성 분류군에 해당하였다 (Cho et al., 1993). 낙동강의 보 pool에서 RHOD 는 상류에서 하류로 갈수록 관찰 빈도가 적었을 뿐만 아니 라 2017년으로 갈수록 빈약한 경향을 나타냈다. 또한 이들 3속이 출현하지 않는 틈에 나머지 45속 개체군이 단기 관 찰되는 천이 양상을 보였다 (Fig. 6).

    각 보 별 최우점 및 이취물질 생성원인 분류군의 출현빈 도 양상을 요약하여 나타낸 것은 Fig. 7과 같다. 규조 STEP 는 SAJ~DAS구간에서 평균 24.9% (23.2~26.5% 범위)를 유지하다가 HAC와 HAA에서 각각 20.6%, 15.9%로 감소 하였다. 은편모조 RHOD는 SAJ~GUM구간에서 20.2% (19.9~20.6%)이었다가 CHG~HAA구간에서 8.8% (6.2~ 11.8%)로서 급감하였다. 반면에, 남조 MICR은 SAJ에서 5.0%로 시작하여 HAC에서 34.9%로서 지수적인 증가가 있었고, HAA (33.4%)에서 포화 수준을 나타냈다 (Fig. 7). MICR은 STEP와 RHOD가 감소하거나 변동이 미약한 구 간에서 증가하는 경향이 현저하였다 (p<0.05). 이취물질 원 인 조류군은 다른 분류군에 비해 높은 비중은 아니었지만 연중 관찰되었다 (Fig. 7). SAJ~GUM구간에서 상대적으로 적은 상태 (7.4%)이었다가 CHG~GAJ구간에서 31.5%로 크게 증가하였으며, DAS (8.6%)에서 조금 감소되었다가 HAC~HAA구간에서 다시 13.1%로 증가하는 반복적인 증 감 변동성을 보였다.

    적 요

    조절하천의 낙동강에서 겪고 있는 부영양화와 조류 대발 생 (유해남조의 녹조현상 및 담수적조)은 국내외적으로 가 장 급속하게 확대되고 있는 수질문제이며, 다양한 집단에 서 지대한 관심을 가지게 한 분야 중 하나이다. 본 연구는 2013년 1월부터 2017년 7월까지 낙동강의 8개 보 pools에 서 주요 수질 환경요인을 주 간격으로 조사하였고, 우점조 류와 상호 관련성을 비교 분석하였다. 연강수량은 2016년 (보 평균 940.7 mm)에 많았고, 2015년 (672.8 mm)에 적었 다. 장마·폭염기 (6~9월) 강우는 총강수량의 48.1%이었 고, 상·하류간에 차이가 컸다. 총방류량 중 소수력발전, 월 류 및 어도가 차지하는 비율은 각각 37.4%, 60.1%, 2.5%로 서 홍수기를 제외하고 발전방류에 의한 비중이 매우 컸다. 방류량은 대부분 유입량에 비례하였으나, 취수량이 집중되 는 보에서 다른 양상도 관찰되었다. 이것은 수위강하, 물 교 환율과 연관되었고, 유해남조와 담수적조의 대발생에 심각 한 영향을 초래하였다. 수온과 DO 농도의 변화는 기상·수 문학적 영향이 지배적이었는데, 온도변화 뿐만 아니라 강 우의 특성에 따라 변화 양상이 포착되었다. Chl-a의 평균 농도 (최대값)는 SAJ~GAJ와 DAS~HAA구간에서 각각 17.6 mg m-3 (98.2 mg m-3), 29.6 mg m-3 (193.6 mg m-3)이었 고, 하수의 영향이 절대적인 하류부에서 증가하는 경향이 현저하였다. 우점조류의 분류군 조성은 총 48속으로 규조 14속, 남조 8속, 녹조 18속 및 편모조 8속으로 각각 구성되 었다. 유해 녹조현상과 담수적조의 주요 원인조류는 각각 남조 Microcystis와 규조 Stephanodiscus 개체군이었다.

    사 사

    본 논문은 환경부의 재원으로 한국환경산업기술원의 환 경정책기반 공공기술개발사업 (2018000200001) 및 2018년 도 건국대학교 KU학술연구비의 지원을 받아 연구되었습 니다.

    Figure

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    Map showing the weekly monitoring stations for water quality and algal assemblage in the eight weir (SAJ~HAA) pools of the Nakdong River, Korea from January 2013 to July 2017. AND, Andong Weir Pool; SUH, Suha Weir Pool; GUD, Gudam Weir Pool; SAJ, Sangju Weir Pool; NAD, Nakdan Weir Pool; CHG, Chilgok Weir Pool; GAJ, Gangjeong-Goryeong Weir Pool; DAS, Dalseong Weir Pool; HAC, Hapcheon- Changnyeong Weir Pool; HAA, Changnyeong-Haman Weir Pool. Hatched circle symbols indicate regions vulnerable to amplification of CyanoHABs occurrence. Andong-Imha Reservoirs and Imha-Yeongcheon Reservoirs are connected by the transbasin diversion channel (dotted red lines), respectively.

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    Daily fluctuations of outflow discharge and water level in the eight weir pools of the Nakdong River from January 2013 to July 2017. Horizontal lines on the water level indicate normal maintenance state in each weir, respectively. See Fig. 1 and site description for names on each weir.

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    Daily fluctuations of difference in flow rate (inflow minus outflow) in the eight weir pools of the Nakdong River from January 2013 to July 2017. Up (plus) and down (minus) bars are relative increase values, respectively. See Fig. 1 and site description for names on each weir.

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    Spatial and temporal fluctuations of surface-water dissolved oxygen concentration in the eight weir pools of the Nakdong River from January 2013 to July 2017. Underlined bars on the Nakdan, Chilgok, Gangjeong, Dalseong and Hapcheon-Changnyeong Weir Pools indicate early hypoxia level (<5.0 mg O2 L-1, OSTP, 2016). See Fig. 1 and site description for names on each weir.

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    Spatial and temporal fluctuations of chlorophyll-a concentration in the eight weir pools of the Nakdong River from January 2013 to July 2017. See Fig. 1 and site description for names on each weir.

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    Weekly distribution patterns of major dominant algal assemblage observed in the eight weir pools of the Nakdong River from January 2013 to July 2017. Data obtained from the Water Environmental Information System, Ministry of Environment, Republic of Korea. For reference, a horizontal line means one algal population, and each of which is as follows: Bacillariophyceae (1-14), 1. Acanthoceras (ACAN); 2. Asterionella (ASTE); 3. Aulacoseira (AULA); 4. Cyclostephanos (CYST); 5. Cyclotella (CYCL); 6. Cymbella (CYMB); 7. Fragilaria (FRAG); 8. Melosira (MELO); 9. Navicula (NAVI); 10. Nitzschia (NITZ); 11. Rhizosolenia (RHIZ); 12. Skeletonema (SKEL); 13. Stephanodiscus (STEP); 14. Synedra (SYNE); Cyanophyceae (15-22), 15. Anabaena (ANAB); 16. Aphanizomenon (APHA); 17. Aphanocapsa (APCA); 18. Geotlerinema (GEIT); 19. Limnothrix (LIMN); 20. Merismopedium (MERI); 21. Microcystis (MICR); 22. Pseudoanabaena (PSAN); Chlorophyceae (23-40), 23. Actinastrum (ACTI); 24. Ankyra (ANKY); 25. Chlamydomonas (CHLA); 26. Coelastrum (COEL); 27. Coenochloris (COEN); 28. Crucigenia (CRUC); 29. Dictyosphaerium (DICT); 30. Eudorina (EUDO); 31. Eutetramorus (EUTE); 32. Micractinium (MICA); 33. Monoraphidium (MONO); 34. Mougeotia (MOUG); 35. Pandorina (PAND); 36. Pediastrum (PEDI); 37. Scenedesmus (SCEN); 38. Schroederia (SCHR); 39. Sphaerocystis (SPHA); 40. Volvox (VOLV); Fragellates (41-48), 41. Chroomonas (CHRO); 42. Cryptomonas (CRYP); 43. Dinobryon (DINO); 44. Lagynion (LAGY); 45. Mallomonas (MALL); 46. Peridinium (PERI); 47. Rhodomonas (RHOD); 48. Synura (SYNU). See Fig. 1 and site description for names on each weir.

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    Relative frequency of pre-dominant algal assemblages and causative off-flavor groups in the eight weir pools of the Nakdong River from January 2013 to July 2017. The causative groups responsible for off-flavor materials are the sum of genus Anabaena, Aphanizomenon, Aphanocapsa and Pseudoanabaena. See Fig. 1 for abbreviations.

    Table

    General geographic and limnological features of eight man-made weirs constructed along the main stream of the Nakdong River through the four major rivers restoration project in 2012. Data collected from MOLIT (2009), K-water (2012).

    Descriptive statistics of rainfall and hydrological factors in the eight weir pools of the Nakdong River from January 2013 to July 2017. The values indicate mean, standard deviation, minimum and maximum, respectively.

    Descriptive statistics of basic water quality and algal biological factors in the eight weir pools of the Nakdong River from January 2013 to July 2017. The values indicate mean, standard deviation, minimum and maximum, respectively.

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