1. 서 론
2. 연구 방법
2.1 연구 대상 유역
2.2 조사 지점 및 수질 분석
2.3 통계 분석
3. 결과 및 고찰
3.1 오수천 농업용 보 상하류 수질 특성
3.2 요천 농업용 보 상하류 수질 특성
3.3 계절별 수질 변화 패턴
3.4 수질 항목 간 상관관계
4. 결 론
1. 서 론
하천에 설치된 농업용 보는 우리나라 농업생산 기반시설의 핵심 요소로서, 전국에 약 18,286개소가 설치되어 관개용수 공급, 수위 유지, 토사 유출 방지 등의 순기능을 담당하고 있다(MAFRA and KRC, 2024). 그러나 이러한 횡단구조물은 하천의 자연적 흐름을 차단하여 수체의 물리적, 화학적, 생물학적 특성을 변화시킴으로써 하천생태계에 부정적 영향을 미칠 수 있다(Ward and Stanford, 1995; Gleick, 2001).
농업용 보가 하천 수질에 미치는 영향의 메커니즘은 주로 유속 감소와 체류시간 증가에 기인한다. 보 상류에 형성되는 정체수역은 유기물과 영양염류의 체류시간을 증가시켜 부영양화를 촉진하며, 퇴적물 축적으로 인한 수질 악화를 초래할 수 있다(Hart and Finelli, 1999; Mueller et al., 2016). Stanford and Ward (2001)는 이러한 하천 연속성의 차단이 물리적 환경뿐만 아니라 생물군집 구조에도 불연속성을 야기한다고 보고하였으며, 최근 Munzhelele et al. (2024)의 연구에서도 보가 저서생물군집 구조를 현저히 변화시킨다는 것이 확인되었다.
국내·외에서 보 및 댐과 같은 하천 횡단구조물이 수질에 미치는 영향에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. Shih et al. (2023)은 인공구조물 건설이 수질과 수문환경에 복합적 영향을 미친다고 보고하였으며, Kim and Chung (2024)은 영산강 죽산보 개방이 기대했던 남조류 억제 효과를 나타내지 못했음을 확인하였으며, 이는 보 개방 기간의 제약, 높은 수온(≥30 °C), 낮은 유량(<37 m3/s), 규조류·녹조류의 증식 등 복합적 수생태 요인에 기인한다고 주장하였다. 국내 주요 하천을 대상으로 한 연구에서도 Kim et al. (2024)이 보 설치에 따른 수질 변화를 정량적으로 분석하였고, Kwon et al. (2024)은 영산강의 녹조 발생과 보 건설 간의 직접적 연관성을 제시하였다.
농업지역 하천의 특성과 관련하여 Ahearn et al. (2005)는 토지이용 패턴이 하천 수질에 미치는 영향을 분석하였으며, Shih et al. (2023)는 하천 내 수리구조물의 지속가능한 관리를 위한 위험 평가 프레임워크를 개발하여 체계적인 영향 평가의 필요성을 강조하였다. 그러나 이러한 연구들은 대부분 4대강 사업으로 건설된 '대규모 다기능 보'에 집중되어 있거나, '소규모 댐 저수지(small dam reservoir)' 내부의 변화를 다루고 있어, 전국에 산재하며 지속적인 월류 특성을 보이는 '소규모 농업용 보(agricultural weir)'가 하천의 종방향 연속성에 미치는 영향에 대한 직접적인 비교 연구는 상대적으로 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구의 목적은 섬진강수계 오수천과 요천에 설치된 농업용 보를 대상으로 (1) 농업용 보 상·하류 구간의 수질 농도 차이를 통계적으로 검정하여 보의 영향을 정량화하고, (2) 계절별 수질 변화 패턴을 분석하여 농업용 보의 시기별 영향 특성을 규명하며, (3) 이를 통해 농업용 보의 효율적 관리방안 수립을 위한 과학적 근거를 제시하는데 있다.
2. 연구 방법
2.1 연구 대상 유역
본 연구는 섬진강 수계에 위치한 두 개의 주요 지류인 오수천과 요천을 대상 유역으로 선정하였다. 오수천은 섬진강 하구로부터 상류 약 110.9 km 지점에서 본류의 좌안으로 유입되는 제1지류로서, 370.95 km2의 유역면적과 36.42 km의 유로연장을 가진 지방하천이다. 본 하천의 유역은 전라북도 장수군, 임실군, 순창군 및 남원시의 4개 시·군에 걸쳐 분포하고 있다. 요천은 전라북도 장수군 장수읍 대성리 마령산(표고 800 m) 기슭에서 발원하는 섬진강의 또 다른 제1지류로서, 485.70 km2의 유역면적과 60.0 km의 유로연장을 보유하고 있다. 요천은 8.10 km의 유역평균폭과 0.13의 형상계수를 나타내는 수문학적 특성을 지니며, 유역은 전라북도 장수군과 남원시에 걸쳐 형성되어 있다. 오수천과 요천의 토지이용 현황을 분석한 결과 오수천은 농업지역이 32.8%, 요천은 18.1%로 나타나(Table 1, Fig. 1) 두 하천 모두 전형적인 농촌유역으로 농업용수 공급을 위한 다수의 농업용 보가 설치되어 있다.
Table 1.
Land use status of Osucheon and Yocheon watershed (Unit: km2)
2.2 조사 지점 및 수질 분석
각 하천에서 5개의 농업용 보를 선정하여 총 10개 보를 대상으로 조사를 수행하였다(Fig. 2). 각 보마다 직상류 지점과 직하류 지점을 조사 지점으로 설정하여 총 20개 지점에서 수질 모니터링을 실시하였다.
수질 분석 항목은 BOD, COD, TOC, SS, T-N, T-P, 클로로필-a 등 7개 항목이며, 시료 채취는 2019년 5월부터 10월까지 6개월간 매월 1회, 비슷한 간격을 두고 정기적으로 실시하여 분석하였다. 수질 분석은 환경부 수질오염공정시험기준에 준하여 수행하였다.
2.3 통계 분석
농업용 보 상류와 하류 간 수질 농도 차이의 통계적 유의성을 검정하기 위해 비모수 통계 기법인 Mann-Whitney U 검정을 수행하였다. 수질 데이터는 일반적으로 특정 사건(강우 등)의 영향을 크게 받아 정규분포를 따르지 않는 경우가 많다. 본 연구 데이터 역시 Shapiro-Wilk test를 통해 각 수질 항목의 정규성을 검정한 결과 대부분의 항목이 정규분포를 따르지 않는 것으로 나타나(p<0.05) 비모수 검정법을 적용하였다. Mann-Whitney U 검정은 두 독립적인 집단의 중앙값을 비교하는 방법으로, 데이터의 정규성이나 등분산성을 가정하지 않아 수질 데이터 분석에 적합하다. 또한, 수질 항목 간의 상관성을 분석하기 위해 변수들의 선형적 관계를 가정하지 않고 순위(rank)를 기반으로 단조 관계를 측정하는 Spearman 순위 상관분석을 사용하였다. 유의수준은 α=0.05로 설정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 오수천 농업용 보 상하류 수질 특성
오수천에 설치된 5개 농업용 보의 상하류 수질 측정 결과 및 통계분석 결과는 Table 2와 같다. BOD 농도는 보 상류에서 평균 1.59±0.73 mg/L, 보 하류에서 1.48±0.72 mg/L로 나타나 하류에서 약간 낮은 경향을 보였으나 통계적으로 유의한 차이는 없었다(U=432, p=0.421). COD는 상류 5.36±1.58 mg/L, 하류 5.19±1.62 mg/L로 유사한 수준을 보였다(p=0.523). 영양염류인 T-N과 T-P도 상하류 간 유의한 차이가 없었다. T-N은 상류 1.93±0.48 mg/L, 하류 1.92±0.45 mg/L (p=0.856), T-P는 상류 0.071±0.038 mg/L, 하류 0.073±0.039 mg/L (p=0.692)로 나타났다. 클로로필-a 농도는 상류 9.74±11.23 mg/m3, 하류 9.66±10.85 mg/m3로 매우 유사한 수준을 보였다(p=0.912).
Table 2.
Comparison of water quality concentrations between upstream and downstream of agricultural weirs in Osucheon (mean±SD)
이러한 결과는 농업용 보가 종방향 하천 수질에 미치는 영향이 통계적으로 유의하지 않다는 것을 의미한다. 이는 대규모 다기능 보에서 상하류 간 뚜렷한 수질 차이를 보고한 선행연구들(Kim et al., 2024)과는 대조적이다. 농업용 보의 영향이 제한적인 이유로는 보의 규모가 상대적으로 작아 체류시간 증가가 크지 않고, 관개기에 지속적으로 월류가 발생하여 정체 정도가 심하지 않기 때문으로 판단된다.
3.2 요천 농업용 보 상하류 수질 특성
요천의 5개 농업용 보 상하류 수질 측정 결과 및 통계분석 결과는 Table 3과 같다. BOD는 보 상류에서 평균 1.19±0.68 mg/L, 보 하류에서 1.14±0.66 mg/L로 오수천보다 전반적으로 낮은 농도를 보였으며, 상하류 간 통계적 유의차는 없었다(U=425, p=0.678). COD는 상류 3.84±1.42 mg/L, 하류 3.61± 1.38 mg/L로 오수천보다 낮은 농도를 보였으며, 상하류 간 차이는 통계적으로 유의하지 않았다(p=0.342). T-P는 상류 0.032±0.018 mg/L, 하류 0.034±0.017 mg/L로 오수천(상류 평균 0.071) 대비 절반 이하 수준의 낮은 농도를 보였다(p=0.567). 이는 부영양화의 핵심 제한인자인 인(P)의 농도가 두 하천의 유역 특성에 따라 명백한 차이를 보임을 시사한다. 이는 두 하천의 유역 특성과 오염원 분포의 차이를 반영하는 것으로 판단된다. 오수천 유역은 집약적 농업지역이 많고 축산시설이 산재해 있어 비점오염 부하가 상대적으로 높은 반면, 요천 유역은 산림 비율이 높고 오염원 밀도가 낮아 더 양호한 수질을 유지하는 것으로 분석된다.
Table 3.
Comparison of water quality concentrations between upstream and downstream of agricultural weirs in Yocheon (mean±SD)
3.3 계절별 수질 변화 패턴
Fig. 3은 조사 기간 동안 오수천과 요천의 농업용 보 상류와 하류 지점에서 측정된 수질 항목별 월별 변화를 나타낸다. 각 하천의 5개 보에서 측정된 상류 지점들의 평균값과 하류 지점들의 평균값을 산정하여 계절적 변동 패턴을 분석하였다. BOD의 경우, 오수천은 5월 상류 2.2±0.47 mg/L, 하류 2.2± 0.60 mg/L로 시작하여 농도의 증감이 반복되다가 10월에는 상류 1.0±0.49 mg/L, 하류 0.8±0.42 mg/L로 나타났다. 요천은 전체적으로 오수천 보다 낮은 농도를 보였으며, 8월에 증가하는 경향을 보였다(5월 상류 1.14±0.52 mg/L → 8월 1.48± 1.01 mg/L → 10월 0.90±0.16 mg/L). 두 하천 모두에서 상하류 간 농도 차이는 0.2 mg/L 이내로 큰 차이를 보이지 않았다. COD는 하천별로 상이한 경향을 보였다. 오수천은 지속적인 감소 경향(5월 상류 6.80±0.20 mg/L → 10월 3.92±1.69 mg/L)을 보인 반면, 요천은 6월과 8월에 증가하는 경향을 나타냈다(6월 상류 4.38±2.06 mg/L, 8월 4.24±1.80 mg/L). 그러나 두 하천 모두에서 상류와 하류가 동일한 변화 경향을 보였으며, 상하류 간 농도 차이는 통계적으로 유의하지 않았다. 영양염류의 계절 변화를 보면, T-N은 두 하천 모두 여름철 감소 경향을 보였다. 오수천은 5월 상류 2.55±0.12 mg/L에서 8월 1.29± 0.72 mg/L로 감소 후 10월 2.01±0.09 mg/L로 다시 증가하는 경향을 보였다. 요천도 유사한 경향(5월 상류 2.18±0.66 mg/L → 8월 1.16±0.62 mg/L → 10월 1.36±0.57 mg/L)을 보였으며, 두 하천 모두에서 상하류 차이는 0.1 mg/L 이내로 큰 차이를 보이진 않았다. T-P는 두 하천 모두 5월부터 10월까지 감소하는 경향을 보였으나, 농도 수준에는 뚜렷한 차이가 있었다. 오수천은 5월 0.11±0.01 mg/L에서 10월 0.04±0.01 mg/L로 감소하였고, 요천은 5월 0.04±0.04 mg/L에서 10월 0.01±0.01 mg/L로 감소하여 전 기간 오수천이 요천보다 높은 농도를 유지하였다. 이러한 차이는 토지이용 특성에 기인하는 것으로 판단되는데, 오수천 유역의 농경지 면적이 전체의 약 32.8%를 차지하는 반면 요천은 18.1%에 불과하여, 오수천 유역의 집약적 농업활동과 퇴비시용에 따른 인 부하가 요천보다 높았기 때문으로 판단된다. SS는 두 하천 모두 높은 변동성을 보였다. 오수천은 5월 상류 18.28±7.64 mg/L에서 9월 2.78±0.92 mg/L로 급격히 감소한 반면, 요천은 상대적으로 낮은 농도(상류 3.14-6.64 mg/L)를 유지하였다. 특히 요천은 7월에 일시적 증가(상류 6.64±3.67 mg/L)를 보였으나, 상하류 간 큰 차이를 보이진 않았다. Chl-a는 두 하천 모두 7-8월에 급격한 증가를 보였다. 오수천은 7월 상류 22.20±23.21 mg/m3, 하류 20.96±21.31 mg/m3로 최고값을 기록하였고, 요천도 7월에 상류 16.84±25.55 mg/m3, 하류 15.12±26.52 mg/m3로 증가하였다. 월별 Chl-a의 높은 표준편차는 조류 성장이 수온, 일사량, 강우 등 기상 조건에 큰 영향을 받았기 때문으로 판단된다.
본 연구에서 분석된 모든 수질 항목은 보 상하류에서 유사한 계절 변화 경향을 나타내었으며, Mann-Whitney U 검정 결과 상하류 간 농도 차이가 통계적으로 유의하지 않은 것으로 확인되었다(p>0.05). 이는 농업용 보가 하천 수질의 계절적 변동 양상을 변화시키지 않으며, 종방향 수질 분포에 미치는 영향이 크지 않았음을 의미한다. 한편, 두 하천 간 관찰된 수질 농도의 차이는 유역의 토지이용 특성을 반영하는 것으로, 오수천의 상대적으로 높은 영양염류 농도는 농경지 우세 유역(32.8%)의 특성을, 요천의 낮은 SS 농도는 임야 우세 유역(>80%)의 특성을 각각 나타내었다. 그러나 이러한 유역 특성에 따른 기저 수질의 차이에도 불구하고, 두 하천 모두에서 보 전후 구간의 수질이 일관되게 유사한 것은 농업용 보가 하천의 종방향 수질 연속성을 훼손하지 않음을 의미한다.
본 연구에서 소규모 농업용 보의 상·하류 간 수질 농도 차이가 통계적으로 유의하지 않다는 결과는, 보와 같은 횡단구조물이 하천 수질에 미치는 영향이 구조물의 '규모'와 '특성'에 따라 질적으로 달라질 수 있음을 의미한다. 이는 국내외에서 주로 다루어온 대규모 다기능 보의 영향과는 명백히 구분되는 결과이다. 대규모 보의 수질 영향에 관한 대표적 연구로, Kwon et al. (2024)은 4대강 사업으로 건설된 영산강의 대형 보를 대상으로 보 건설 이후 유속이 통계적으로 유의하게 감소하였으며, 그 결과 클로로필-a와 박테리아 수치가 악화되었음을 보고하였다. 이는 대규모 보가 유수의 정체를 심화시켜 조류 발생에 직접적 영향을 미친다는 것을 명확히 보여준다. 반면, 본 연구의 소규모 농업용 보 구간에서는 이러한 변화가 관찰되지 않았다. 이는 구조물의 규모가 작아 유속 감소 및 체류시간 증가 효과가 제한적이었기 때문으로 해석된다. 즉, 보의 수질 영향을 평가할 때 ‘규모(scale)’가 중요한 변수임을 확인한 결과로, 본 연구는 기존 대규모 보 연구의 결론을 소규모 구조물에 직접 적용할 수 없음을 보여준다. 그러나 대규모 보(Weir)로 인한 유속 감소가 항상 수질 악화라는 단순한 인과관계로만 귀결되는 것은 아니다. Kim and Chung (2024)은 영산강 죽산보의 개방을 통해 유속을 인위적으로 증가시켰을 때의 효과를 분석하였다. 이 분석에서 예상과는 달리 남조류 밀도와 클로로필-a (Chl-a) 농도가 유의하게 증가하는 결과가 도출되었다. 연구진은 이러한 결과를 보 개방 기간의 제약, 높은 수온, 그리고 유속 증가가 다른 조류(규조류, 녹조류)의 성장에도 유리한 환경을 제공했기 때문으로 해석하였다. 이 연구는 보의 단순한 유무나 개방 여부만으로는 수질 변화를 충분히 설명하기 어려우며, 수온, 유량, 유역의 영양염류 부하등 다른 환경 요인이 복합적으로 더 큰 영향을 미칠 수 있음을 시사한다. 본 연구의 결론 역시 이러한 맥락과 일치한다. 분석 결과, 소규모 보의 영향보다는 계절별 수온 변화와 비점오염원 등의 오염원 유입이 수질 변동성을 설명하는 주요 요인으로 나타났다. 이는 보의 영향을 평가할 때 구조물 자체뿐만 아니라 수문·기상 조건오염원 유입과의 상호작용을 필수적으로 고려해야 함을 의미한다.
3.4 수질 항목 간 상관관계
농업용 보가 수질 항목 간 상관관계에 미치는 영향을 평가하기 위해 상류와 하류 지점별로 Spearman 상관분석을 수행하였다(Tables 4 and 5). 상관관계 패턴의 변화는 보가 수질 변수 간 상호작용을 변화시키는지를 나타내는 중요한 지표가 된다. 두 하천 모두에서 BOD와 COD 간 높은 양의 상관관계가 상류(오수천 r=0.785, 요천 r=0.818)와 하류(오수천 r= 0.779, 요천 r=0.812)에서 유사하게 나타났다. 상하류 간 상관계수 차이는 0.006-0.012로 매우 낮았으며, 이는 보가 유기물 지표 간 관계를 변화시키지 않았음을 의미한다. T-P와 클로로필-a 간 상관관계도 상류(오수천 r=0.521, 요천 r=0.615)와 하류(오수천 r=0.525, 요천 r=0.609)에서 유사한 상관계수를 보였다. 이는 보 설치에도 불구하고 인이 조류 성장의 제한인자로 작용하는 기본적인 수질 메커니즘이 변화하지 않음을 의미한다. 특히 주목할 점은 SS와 다른 수질 항목 간 낮은 상관관계(r=0.145-0.234)가 상하류 모두에서 일관되게 나타난 것이다. 이론적으로 보에 의한 유속 감소는 SS의 침전을 촉진하여 다른 수질 변수와의 관계를 변화시킬 수 있으나, 본 연구에서는 이러한 변화가 관찰되지 않았다. 이는 농업용 보의 규모가 작아 침전 효과가 미미함을 시사한다. 상하류 간 상관관계 패턴의 일치는 농업용 보가 수질 변수 간 상호작용 메커니즘을 교란하지 않으며, 하천의 자연적인 수질 프로세스가 보 전후 구간에서 동일하게 유지됨을 의미한다. 이는 농업용 보가 단순히 물리적 장벽으로만 작용할 뿐, 생화학적 수질 과정에는 영향을 미치지 않음을 의미한다.
Table 4.
Spearman correlation coefficients between water quality parameters in Osucheon
Table 5.
Spearman correlation coefficients between water quality parameters in Yocheon
4. 결 론
본 연구는 섬진강수계 오수천과 요천에 설치된 농업용 보가 상·하류(종방향) 하천 수질에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다. 연구 결과, 농업용 보 상하류 간 BOD, COD, TOC, T-N, T-P, SS, Chl-a 등 모든 수질 항목이 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다(p>0.05). 이는 농업용 보가 하천의 종방향 수질 변화에 미치는 영향이 크지 않음을 의미한다. 또한, 계절별 수질 변화를 분석한 결과, 여름철 강우 이후에는 수질이 개선되는 반면, 봄·가을 갈수기에는 수질이 악화되는 경향이 확인되었다. 이러한 결과는 하천 수질의 경우 농업용 보의 영향보다는 비점오염 유입 등 외부 환경 요인이 수질 변화에 더 큰 영향을 미쳤음을 의미한다. 본 연구 결과는 소규모 농업용 보가 대규모 다기능 보와는 달리 하천의 상·하류 수질에 미치는 부정적 영향이 뚜렷하지 않음을 규명하였다. 그러나 본 연구는 종방향 수질 비교에 국한된 분석으로, 농업용 보의 영향을 종합적으로 규명하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하다. 향후 보 구간의 횡방향 수질 분포를 조사하여 수질 특성을 정밀하게 파악하고, 수리학적 모델과 수질 모델을 통합한 정량적 예측 연구가 수행되어야 한다. 이러한 후속 연구는 농업용수 공급 기능을 유지하면서도 하천 생태계의 건강성을 보전할 수 있는 지속가능한 농업용 보 관리 방안 마련을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
