1. 서 론
2. 연구 방법
2.1 연구대상지역
2.2 수리 및 수질 동역학 모델 구축
2.3 가동보 수문 운영 시나리오 구축
3. 결과 및 토의
3.1 수리 및 수질 모델 보정
3.2 보 수문 개방으로 인한 수질 및 녹조 변화
3.3 수위 감소로 인한 조류 변화 요인 분석
4. 요약 및 결론
1. 서 론
인간의 활동영역과 영향의 증가로 하천과 호소 등 수계에 다량의 영양염류가 유입되어 부영양화 상태가 빈번히 발생하고, 이로 인해 독성 남조류의 심각한 번성 또는 HABs 라는 현상을 유발한다(Smith, 2003). 남조류에 의한 독성물질들은 수생태계 뿐만 아니라 인간의 건강에 피해를 줄 수 있으며, 정수처리과정에도 많은 비용을 발생시킨다(Codd et al., 2005; Srinivasan and Sorial, 2011). 지속적인 오염물질 유입에 따라 하천 현장에서는 녹조현상을 관리 및 제어하기 위해서 응집제, 제초제, 소석회 또는 과산화수소수 와 같은 약품이나(Chen and Pan, 2012; Cooke et al., 2016; Zhou et al., 2018) 인공폭기조 또는 가압부상 등과 같은 기계적 시설(Heo and Kim, 2004; Schönach et al., 2017; Rao et al., 2018) 또는 생물학적인 방법(Chapra et al., 2017) 등을 포함한 다양한 방법이 시도되기도 하였다. 그러나 하천 현장에서 사용하는 어떠한 방법도 유역에서 유입되는 오염부하량이 계속 존재하는 한 근본적인 해결책이 될 수는 없다.
우리나라는 2009 ~ 2012년 동안 4대강에 16개 보를 건설하였으나, 이 보들은 완공 이후 현재까지도 그 효용성 및 존재가치가 첨예한 관심의 대상이 되고 있다. 국내외 다수의 연구자들은 하천내에서 저수지나 보가 건설되는 경우 유속저하, 수리학적 체류시간의 증가 등으로 조류의 성장을 촉진할 수 있다는 것을 보고한 바 있다(Gore and Pettis, 1989; Joo and Jeong, 2005; Kim et al., 2018). 특히 Seo et al. (2012)은 Environmental Fluid Dynamics Code (EFDC) (Hamrick, 1992)와 Water Quality Analysis Simulation Program (WASP) (Wool et al., 2006) 모델을 연계하여 낙동강 보 건설에 따른 수질 변화를 예측하였으며, 낙동강의 최상류에서는 큰 변화가 없으나 대부분의 보에서는 Chl-a 농도가 증가하고 최하류 지역에서는 오히려 감소할 수 있다고 예측한 바 있다. Bae and Seo (2018)는 낙동강 보가 건설되기 전과 후의 상황에 대해 EFDC를 적용하고 Chl-a 보정 정확도 개선을 위해서는 식물성 플랑크톤을 녹조류, 남조류 및 규조류로 구분하여 모델을 구축하는 것이 중요하다고 보고한 바 있다. 미국의 경우에도 부영양화 현상을 보이는 하천에서 녹조현상이 빈번하게 발생하고, 특히 수문에 의하여 유량이 조절되는 하천에 대해서 녹조현상이 심화된다고 보고한 바 있다(Graham et al., 2020).
환경부는 2017년부터 16개 보의 개방 모니터링을 통해 각 보의 존치 여부 및 개방 가능성을 조사한 바 있다(ME, 2019). 그러나 4대강의 수질은 기후 조건에 따라 유역에서 강우에 의한 유량 유입, 보 건설로 인한 각종 물리적인 현상의 변화, 오염물질 유입 및 반응으로 인한 이화학적인 수질변화 그리고 서식 조건과 먹이사슬에 따라 발생하는 미생물학적인 녹조현상이 복합적으로 작용한 결과로 나타나는 현상이다. 따라서 단기간의 전후 비교 또는 제한된 항목의 단순 비교를 통해 보가 수질에 미치는 영향을 결정하는 것은 매우 신중을 기해야 할 일이다.
본 연구에서는 낙동강과 금강 그리고 영산강 상·하류의 주요 지점을 대상으로 가동보를 통해 일정 수위를 유지하는 관리 수위로 운영했을 경우와 가동보를 전면 개방했을 경우에 대해 상류와 하류의 각 분석 지점에서 발생하는 수질 및 녹조현상의 변화 추이를 분석하고자 하는 데에 있다. 이 연구는 연구 대상 지역의 수질 및 녹조문제에 국한하여 제한된 시간과 공간에 대한 모의 결과를 나타내고 있으므로 실제적으로 적용되기 위해서는 인문 사회분야를 포함한 더욱 다양한 부분에 대한 심도 있는 연구가 필요할 것으로 예상된다. 그러나 본 연구는 수질과 녹조현상의 변화에 대해 4대강의 각종 시설물에 대한 효용성을 평가할 시에 개괄적인 예측과 향후 연구 방향을 제시하는 데에는 의미 있는 도움이 될 것으로 기대한다.
2. 연구 방법
2.1 연구대상지역
본 연구는 Fig. 1에 나타난 바와 같이 낙동강의 강정고령보에서 창녕함안보까지 약 90.5 km, 금강의 대청조정지 댐에서 백제보까지 약 67.4 km, 그리고 영산강의 광주1 하수처리장이 유입되기 전인 어등대교에서 죽산보까지 약 32 km 구간을 대상으로 수행되었다. 각 연구대상지역에는 다양한 소규모 하천과 배수문 등이 존재하나, 자료 취득의 한계에 따라 환경부의 물환경정보시스템(water.nier.go.kr)에서 수질 자료를 제공하는 지류만을 유입지천으로 보고 분석을 진행하였다. 한편, 각 유역에서 존재하는 주요 하수처리장 중 처리수가 본류로 직접 유입되는 시설은 Fig. 1에 표기된 바와 같으며, 유역의 비점오염물질은 각 지천을 통하여 유입되는 것으로 가정하였다.
2.2 수리 및 수질 동역학 모델 구축
2.2.1 Environmental Fluid Dynamics Code
3차원 수치 모델인 EFDC는 수리, 수질, 퇴적물, 독성물질 이동 및 Lagrangian Particle Tracking 등 다양한 종류의 모의 분석을 할 수 있으며, 지형변화현상도 고려할 수 있음에 따라 전 세계의 하천, 호소, 하구 및 해양 등 다양한 수계에서 사용되고 있다. 우리 나라에서도 이 모델은 활발하게 사용되고 있으며(Kim et al., 2016; Kim and Kim, 2018; Yun et al., 2018; Shin et al., 2019; Kim et al., 2020), 국립환경과학원에서는 EFDC를 변형한 EFDC-NIER 모델(NIER, 2011; 2014)을 개발하여 우리나라의 녹조예보 및 경보에 사용하고 있다. 본 연구에서는 가동보의 불규칙적인 수문 운영을 시계열로 반영할 수 있는 Dynamic Solutions-International, LLC에서 개발한 EFDC Explorer Modeling System (EEMS) 8.5 버전의 Hydrodynamics, Temperature 및 Water Quality 모듈을 사용하였다.
EFDC의 수질 모듈은 조류 3종, 탄소 계열 3종, 인 계열 4종, 질소 계열 5종, 실리카 계열 2종, 화학적 산소 요구량, 용존 산소, 총 활성 금속, 대장균 및 대형조류까지 22개의 수질 변수를 모의할 수 있으며, 각 변수 간의 상호작용은 Fig. 2에 나타난 바와 같다. 본 연구에서는 실리카 계열, 화학적 산소 요구량, 총 활성 금속, 대장균 및 대형 조류(Macroalgae)를 제외한 16개의 수질 변수에 대해 모의를 수행하였다. 총 활성 금속, 대장균 및 대형 조류의 경우 본 연구의 분석 대상이 아니며, 실리카의 경우 충분한 자료가 존재하지 않음에 따라 모의에 제외되었다. EFDC의 화학적 산소 요구량은 퇴적층에서 용출되는 메탄이나 황화물 등이 산화될 때 사용되는 산소의 양을 의미하며, 일반적으로 담수계에서 측정하는 화학적 산소 요구량과 다른 개념으로서 본 모의에서 제외하였다.
2.2.2 격자 및 경계조건 구축
각 세부 연구대상지역에서 사용되는 격자는 형상이 복잡한 지형과 함께 하천의 굴곡 등을 유연하게 재현하기 위해 Curvilinear-Orthogonal coordinate 방식으로 구축되었다. 수직 방향 격자 구성은 Standard Sigma Method를 기반으로, 5개의 수직층을 구성하였다. 낙동강의 격자는 수평 2,351개, 수직 5개로 총 11,755개, 금강은 수평 6,698개, 수직 5개로 총 33,490개 그리고, 영산강은 수평 1,581개, 수직 5개로 총 7,905개의 격자로 구성하였다.
모의에 사용되는 경계조건은 2018년 1월 1일부터 2018년 12월 31일에 측정된 국가 측정망 자료가 사용되었다. 유량은 일 단위 자료를 국가수자원관리종합정보시스템(wamis.go.kr)에서 수집하였으며, 일부 유량이 존재하지 않은 지류의 경우 유량 자료가 존재하는 지류의 유량과 해당 유역면적 비를 이용하여 산정하였다. 단, 유역 면적을 이용한 유량 계산은 하수처리장이나 취수장과 같은 인위적인 유량이 제외된, 자연 발생된 유량만을 먼저 산정한 후 인위적인 유량을 추가하여 최종 유량을 산정하였다. 기상 자료는 시간 단위 자료를 기상자료개방포털(data.kma.go.kr)에서 수집하였으며, 취수장 및 하수처리장의 자료는 환경부의 국가 상 ․ 하수도 정보시스템(waternow.go.kr, hasudoinfo.or.kr) 자료를 사용하였다. 수질 자료는 물환경정보시스템에서 수집하였으며, 해당 자료의 경우 일 단위 자료가 아니기 때문에 선형 보간하여 자료를 구성하였다. 또한, 본 연구에서는 K-water의 4대강 보 별 월간 조류종 발생 자료를 인용하여 모의하는 조류를 남조류, 규조류 및 기타조류(녹조류 및 편모조류 포함)로 구분하였다. Table 1은 본 연구에서 보정에 사용된 수질 매개변수를 나타내고 있으며, 기존 문헌의 값(Bowie et al., 1985; Cole and Wells, 2006; Shin et al., 2008)을 활용함과 동시에 시행오차를 통해 매개변수를 설정하였다.
Table 1.
Summary of kinetic coefficients employed in the present model application
2.3 가동보 수문 운영 시나리오 구축
4대강 보의 수문 개방(혹은 부분 개방) 실험은 수문 개방으로 인한 수체의 체류시간 변화가 수중의 수질 및 녹조 현상에 미치는 영향을 파악하기 위해 실시된 바 있다(ME, 2019). 보 개방으로 인한 물환경의 영향 분석은 수문 운영 조건, 유역의 유량 및 오염부하 변화, 그리고 이로 인한 물리, 화학 및 생물 특성을 함께 고려하여 해석하는 것이 필요하다. 그러나 실제 상황에서는 모든 경우를 고려한 표본을 얻을 수 없는 한계가 존재하기 때문에 이러한 상황에서 객관적인 분석을 위해 수질 모델을 이용하여 분석하는 것이 바람직하다. 본 연구에서는 모델링을 통해 2018년 한 해의 각 하천의 외부 조건을 동일하게 가정한 후 가동보 수문 운영 방법을 적용한 시나리오를 수립하여 모의를 수행하였다. 시나리오는 Table 2에 나타난 바와 같이 가동 수문을 모두 닫은 상태로 관리수위를 유지하는 경우(CLOSED), 가동보의 수문을 모두 개방한 경우(OPEN), 그리고 실제로 2018년 운영한 수위 기록을 사용한 경우(FIELD)로 구성하였다. 수문개방에 따른 녹조현상의 비교는 낙동강의 경우 달성보와 함안보, 금강의 경우 세종보와 백제보, 영산강에서는 승촌보와 죽산보에서 실시하였다.
3. 결과 및 토의
3.1 수리 및 수질 모델 보정
EFDC 모델 보정은 2018년 각 연구대상지역의 수위, 수온 및 수질자료를 이용하여 실시하였다. 낙동강에서는 총 11 개의 지점에서, 금강의 경우 9 지점에서, 그리고 영산강의 경우 6 지점에서 보정이 수행되었다. 수질 보정은 엽록소-a (Chlorophyll-a, 이후부터 Chl-a), 총유기탄소(Total Organic Carbon, 이후부터 TOC), 총질소(Total Nitrogen, 이후부터 TN), 총인(Total Phosphorus, 이후부터 TP), 암모니아성 질소(Ammonium Nitrogen, 이후부터 NH4-N), 질산성 질소(Nitrate Nitrogen, 이후부터 NO3-N), 용존성 무기인(Dissolved Inorganic Phosphate, 이후부터 DIP), 용존산소(Dissolved Oxygen, 이후부터 DO) 등의 항목에 대해서 실시되었다. Fig. 3은 세부 연구대상지역의 마지막 지점에서 보정 결과를 나타낸 것이며, Table 3은 수질 보정 결과를 Root Mean Square Error (RMSE)와 R-Square (R2) 로 나타낸 것이다.
수위 및 수온 보정 결과는 전반적으로 실측값을 잘 재현하는 것으로 나타났다. 수질 보정 결과는 상류에서 상대적으로 관측 값을 잘 재현되고 있는 반면, 하류로 갈수록 오차가 증가하는 경향을 보였다. 이러한 오차는 기존의 수질 모델에서도 항상 문제가 되어온 사항이며 중요한 원인은 입력자료의 불확실성에 기인하는 것으로 분석된다. 그 중 첫째로 중소규모의 지류 등에 의해 유입되는 오염부하량 및 기타 비점오염부하량 등이 부재하거나 정확하지 않으며, 둘째 수질 모델링에 반영된 지천의 수질자료가 월단위로만 확보 가능하여 선형 보간하여 일단위로 환산하는 과정에서 발생한 불확실성, 그리고 셋째 매개변수를 각 구간별로 구별하지 않고 일정하게 가정하는 것이 오차 발생의 주요한 요인으로 추정된다.
Table 3.
Performance statistics of calibration results. [Min∼Max (Site of Fig. 3)]
3.2 보 수문 개방으로 인한 수질 및 녹조 변화
Table 4는 본 연구의 대상 주요지점에서 보 수문 운영에 따른 연평균 본류 수위와 수질 변화를 나타내고 있다. 먼저 수위의 저하는 각 보 내부에 저류되는 수체적의 감소를 의미하며, 유량조건이 동일한 경우 수체 내의 체류시간이 감소한다는 것을 의미한다.
Table 4.
Water level and water quality changes for different water gate operation scenarios
수질 변화 분석은 각 분석 지점에서 횡단 및 수직 방향으로 25개의 격자를 대상으로 부피를 고려한 가중 평균으로 수행되었다. 보 수문 개방으로 인한 각 지점의 연평균 TN 농도는 5% 이내에서 증가하는 죽산보를 제외하고는 거의 변화가 없는 것으로 분석되었다. 반면 TP 농도는 세종보에서 약 1% 감소한 것을 제외하고 전지역에서 최대 25% 까지 증가하는 경향을 나타냈다. DIP의 경우, 함안보에서 감소하는 경향을 나타내지만, 다른 지역에서는 모두 증가하는 경향을 보이고 있다. 특히, 금강의 백제보와 영산강의 승촌보에서 각각 404% 및 307% 로 크게 증가한 것으로 나타났다.
식물성 플랑크톤의 생장은 영양염류 농도 뿐만 아니라 수온 및 광량에 영향을 받는다. 즉, 계절 및 날씨와 같은 기상 조건과 밀접한 관계를 가지며, 특히 기온 및 수온이 높은 하절기에 성장이 심화되는 경향이 있다. 따라서 연평균 농도나 일부 제한된 시기의 자료를 이용하여 분석할 경우, 하절기 녹조현상에 대한 분석이 적절하게 이루어 지지 못할 가능성이 있다. 따라서 전체적인 경향 변화와 함께 계절적인 변화특성도 고려하는 것이 반드시 필요하다. Table 5는 연구대상지역의 주요 지점에 대해 연평균 및 하절기 Chl-a와 남조류 농도(Cyanobacteria, 이후부터 Cyano)를 나타낸다. 하절기 평균 농도는 6월 1일과 9월 30일 사이 4개월간의 결과를 이용하여 계산하였다. 낙동강에서는 수문을 개방함에 따라 연평균과 하절기 평균에 대해서 Chl-a와 Cyano 가 모두 증가하는 경향을 보이고 있다. 반면 금강에서는 연평균의 경우 Chl-a와 Cyano가 세종보와 백제보에서 모두 감소하고, 하절기에 세종보에서도 감소하였다. 그러나, 백제보에서는 Chl-a와 Cyano 농도가 증가하는 것으로 나타났다. 영산강에서는 상류인 승촌보에서 연평균 및 하절기 평균이 모두 감소하였으나 하류의 죽산보에서는 연평균과 하절기 평균 모두가 증가하는 경향을 나타냈다.
Fig. 4는 각 하천의 주요지점에서 각 시나리오에 대해 시간에 따른 수질 변화 예측 결과를 나타내고 있다. 앞서 토론한 바와 같이 낙동강에서는 수문을 개방한 경우, 대부분 Chl-a와 Cyano 농도가 증가한 것을 알 수 있다. 반면, 금강의 세종보와 영산강의 승촌보에서 수문이 개방됨에 따라 Chl-a와 Cyano 농도가 모두 감소하였다. 그러나 백제보와 죽산보에서 하절기 Chl-a와 Cyano 가 모두 증가하는 경향을 보이고 있다. 한편 수문이 개방되어 운영되는 경우 하절기 Cyano의 최대 농도는 세종보와 승촌보에서 감소하지만, 낙동강의 달성보에서 220일경 +61.6 mg/m3차이로서 약 3.5배, 금강 백제보에서는 205일에 +45.9 mg/m3로 약 1.9배, 그리고 영산강의 죽산보에서는 220일에 +62.9 mg/m3로 약 3.2배 증가하는 것으로 분석되었다.
Fig. 4에서 수문이 닫힌 상태에서는 백제보와 죽산보의 DIP가 낮게 유지되지만, 수문 개방 후 현저히 증가하는 것을 알 수 있다. 수문 개방 후 상류의 DIP는 빠르게 하류로 이동하여 조류의 성장에 이용될 수 있으며, 결과적으로 하류에서 DIP 증가는 녹조현상 악화에 영향을 미치는 것으로 분석된다. 즉, 조류 성장에 이용되는 DIP가 체류시간이 감소함에 따라 상대적으로 이용되지 못하여 발생한 현상으로 분석된다.
한편, 각 분석지점에서는 현장 조건을 반영한 FIELD 시나리오에서 Cyano의 연평균 및 하절기 평균 농도가 완전 개방 시와 유사하거나 더 낮게 나타났다. 이는 조류의 성장요인이 다양하게 작용하는 가운데 수문을 적절하게 운영함으로써 녹조현상을 제어할 수 있다는 가능성을 보여주며, 이는 매우 흥미로운 결과로 판단된다. Table 5에 나타난 바와 같이 낙동강 달성보의 경우 완전개방과 현장 조건을 비교해 보았을 때 Chl-a와 Cyano 농도의 증가폭이 1 ~ 2% 정도로서 크지 않은 것으로 관찰되며, 이 지역에서도 적절한 수문 운영을 통해 녹조현상 제어 효과를 기대할 수 있다고 판단된다.
Table 5.
Chlorophyll-a and cyanobacteria concentration changes for different water gate operation scenarios (S.: Summer season)
3.3 수위 감소로 인한 조류 변화 요인 분석
본 연구의 수질모의에 사용된 EFDC모델에서 조류의 성장은 Eq. (1)과 같이 영양염류, 수온, 광량 및 염분에 의해 영향을 받는 것으로 가정된다(Di Toro et al., 1971).
| $$\mu=\mu_\max\cdot F(N)\cdot F(L)\cdot F(T)\cdot F(S)$$ | (1) |
여기서 μ는 조류의 성장률(day-1), μmax (day-1)는 조류의 최대성장률, F(N), F(L), F(T)와 F(S)는 영양염류, 빛, 수온과 염분에 의한 제한인자(0 ~ 1)를 의미한다. 본 연구대상지역은 염분농도가 우려되지 않는 담수 하천이기 때문에 염분농도는 조류 성장에 대한 제한 요소로 작용하지 않는다. 수온의 경우 또한 수위 변화에 따라 의미있는 변화를 나타내지 않는 것으로 분석된다. 수문의 운영에 따라 조류 성장에 중요한 영향을 미칠 것으로 추정되는 요소는 먹이가 되는 영양염류 농도의 변화, 수체적의 감소에 따른 체류시간의 감소와 수위 저하에 따른 수심평균 광량의 변화 등으로 판단된다.
영양염류에 의한 영향은 Eq. (2)에 나타난 식과 같이 Liebig의 최소율의 법칙(Liebig’s Law of Minimum) 과 Monod 식을 조합한 수식으로 표현된다(Odum and Barrett, 1971). 광량 변화에 따른 조류 성장을 제한하는 정량적 지표는 Steele의 함수(Steele, 1965)를 수직방향으로 적분한 Eq. (3)을 이용하여 산정하였다.
| $$F(N)=\min\;\left(\frac{{NH}_{\mathit4}+NO_3}{KHN+{NH}_4+NO_3},\;\frac{PO_{\mathit4}d}{KHP+PO_{\mathit4}d}\right)$$ | (2) |
| $$F(L)=\frac{\exp(1)\ast FD}{Ke\ast(\mathit\triangle z)}\left[\exp\left(-\alpha_{\mathit b}\right)-\exp\left(-\alpha_{\mathit t}\right)\right]$$ | (3) |
여기서, Eq. (2)의 NH4, NO3와 PO4d는 각각 암모니아성 질소(g N m-3), 질산성 질소(g N m-3)와 DIP (g P m-3) 농도를 의미하며, KHN과 KHP는 각각 조류의 질소와 인 섭취에 대한 반포화 상수(g N m-3, g P m-3)를 의미한다. Eq. (3) 에서 FD는 24시간에 대한 낮 시간의 길이 분률(0 ~ 1) 이며, Ke는 빛의 총 광소멸계수(m-1), ∆z는 수심(m), 와 는 FD와 광량 및 수심에 의해 계산되는 무차원 값이다.
영양염류로 인한 조류의 성장 제한 영향은 하천의 질소와 인의 비(N/P Ratio)를 통해 간략히 구분할 수 있다(Thomann and Mueller, 1987). 일반적으로 조류 생체 내의 원소구성비가 일정한 경향이 있는 것으로 보는 Redfield Ratio (Redfield et al., 1963)를 고려하여 N/P 비가 10보다 크면 조류의 성장은 인에 의해 조절되고, 반면 10 보다 작으면 질소에 의해 통제되는 것으로 보는 경향이다(Chapra, 1997). 본 연구대상지역에서 산정된 N/P비는 최소 35.8 이상으로서 조류의 성장은 인 성분에 의해 지배적인 영향을 받는 것으로 나타났다.
한편, 조류 성장에 대해 광량이 미치는 효과는 Eq. (3)에 따라 수심과 광소멸 계수에 따라 결정된다. 총 광소멸 계수는 Eq. (4)에 나타난 바와 같이 순수한 물속에서의 광소멸 계수(Keb), 부유물질 농도(TSS) 과 총 조류 농도(Chl-a)의 함수로서 계산되며, 조류 농도가 높아질수록 그늘(Shading)을 형성하는 효과가 발생하여 자체의 성장을 방해할 수 있다(Thomann and Mueller, 1987). 반면, 수문의 개방에 따라 본류의 수심이 낮아지게 되는 경우 수심평균 광량이 증가되는 것을 의미하여 이는 조류의 성장을 증가시키는 요소로 작용하게 된다.
| $$Ke=Ke_b+Ke_{TSS}\ast TSS+Ke_{Chl}\ast Chl$$ | (4) |
Table 6은 각 수문 운영 시나리오별 조류 성장에 대한 DIP 제한(P limitation)과 광량 제한 효과(L limitation)를 나타내며, Eq. (1)의 F(N)과 F(L)을 의미한다. 조류 성장에 대한 제한인자는 1이 되면 성장속도에 전혀 영향이 없는 것이며, 0에 가까워질수록 조류 성장에 방해되는 영향이 커지는 것을 의미한다. 수문 개방으로 인해 조류의 성장제한 요소는 함안보에서 P limitation을 제외하고는 모두 증가하였으며, 특히 수심 감소로 인한 광량제한 효과가 대폭 증가한 것을 알 수 있다. 앞선 분석에서 수문 개방으로 인해 낙동강 달성보 및 함안보에서 모두 녹조현상이 심화된 것은, 비록 함안보에서 P limitation이 감소하였으나 달성보에서 함안보까지 L limitation이 2.4 ~ 3.8배까지 증가한 것이 주요한 원인으로 판단된다. 따라서 이 지역은 영양염류의 변화 영향 보다는 수위저하에 따른 광량의 증가가 조류성장에 더 큰 영향을 미치고 있는 것으로 판단된다.
Table 6.
Estimated phosphorus and light limiting factor for algal growth
4. 요약 및 결론
본 연구는 EFDC 모델을 이용하여 낙동강, 금강 및 영산강에서 가동보 수문운영 방식에 따라 위치 및 시기별에 따른 수질 변화와 녹조발생 특성을 분석하기 위해 수행되었다. 수문 운영 방법은 가동보를 닫아 관리수위를 유지하는 상태, 가동보 수문을 완전 개방한 상태, 그리고 2018년의 실제 수문 운영 상황으로 구성하였다. 수문개방에 따른 수질과 녹조현상 변화 특성 분석은 낙동강의 달성보와 함안보, 금강의 세종보와 백제보, 영산강의 승촌보와 죽산보를 대상으로 실시하였다.
보 개방에 따라 보 내에서는 수위저하로 인한 수체적 감소와 유속 증가로 인한 수리학적 체류시간의 감소가 발생한다. 이는 수심별 광량의 증가와 영양염류 농도 등을 변화시켜 조류의 성장여건을 변화시킨다. 영양염류 중 용존성 무기인 농도 변화에 따라 조류의 성장이 민감하게 반응하는 것으로 분석되었으며, 연구대상 하천의 질소농도는 매우 높은 수준으로 유지되고 있어 조류 성장의 결정적 제한인자로서 작용하지 않는 것 판단된다.
가동보 개방에 따라 금강과 영산강의 경우, 상류의 세종보와 승촌보에서 녹조 현상이 감소되는 것으로 예측되었으나, 하류의 백제보와 죽산보에서는 하절기 녹조현상이 악화되는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 수위 감소로 인한 조류의 광량 이용 증가 효과와 함께 상류에서 유속 증가로 인해 조류 성장에 사용되어야 할 용존성 무기인이 충분히 섭취되지 않은 상태에서 하류로 이동하고, 이전보다 먹이가 풍부한 상태가 된 하류에서 조류 성장에 유리한 조건이 형성되는 것이 중요한 원인으로 해석된다.
낙동강의 달성보 및 함안보에서는 두 지역 모두 보 개방에 따라 녹조현상이 심화되는 것으로 나타났다. 2018년 낙동강의 두 연구대상지점에서 DIP 농도는 금강과 영산강의 경우와 다르게 보 수문 개방여부에 크게 영향을 받지 않거나 감소하는 것으로 분석되었다. 오히려 수문개방에 따른 수위감소가 수심평균 광량의 제한인자를 최대 3.8배 증가시키면서 조류성장속도 증가에 크게 기여했기 때문으로 분석된다.
한편, 현장 수문 운영을 반영한 조건에서 남조류 연평균 및 하절기 평균 농도가 완전 개방 시보다 더 낮게 나타나는 것을 관찰할 수 있다. 이는 조류의 성장요인이 다양하게 작용하는 가운데 수문을 적절하게 조작함으로써 하절기 녹조현상을 제어할 수 있는 가능성을 보여준다.
본 연구는 낙동강, 금강 및 영산강에서 보 수문 개방으로 인한 녹조 현상 개선 효과가 시기와 지역에 따라 다르게 나타날 수 있다는 것을 분명하게 보여주고 있다. 수문 개방에 따른 녹조현상의 변화는 단순한 물리적인 변화로만 판단하는 것은 무리가 있으며, 이화학적인 수질변화 및 생물학적인 조류의 성장특성을 계절적 및 공간적 특성과 함께 분석하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 추후 합리적인 가동보 운영 또는 존폐의 문제는 각 수계별 및 보 위치별로 면밀하게 그리고 다양한 사회적 요소와 함께 종합적인 검토를 통해 결정되어야 할 것으로 판단된다.
