─ 153 ─ ISSN: 2288-1115 (Print), 2288-1123 (Online)
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대청호 조류경보제의 녹조현상 동태와 강우 -수문학적 영향
신재기*·강복규
1
·황순진2,
*한국수자원공사 낙동강통합물관리센터,
1
환경부 수생태보전과,2
건국대학교 보건환경과학과Water-Blooms (Green-Tide) Dynamics of Algae Alert System and Rainfall-Hydrological Effects in Daecheong Reservoir, Korea. Shin, Jae-Ki* (0000-0002-5380-5078), Bok-Gyoo Kang
1(0000-0003-1947-2043) and Soon-Jin Hwang
2,* (0000-0001-7083-5036) (Center for Integrate Water Management of the Nakdong River, Korea Water Resources Corporation (K-water), Busan 49300, Republic of Korea;
1Aquatic Ecosystem Conservation Division, Water Environment Management Bureau, Ministry of Environment, Sejong 30130, Republic of Korea;
2
Department of Environmental Health Science, Konkuk University, Seoul 05029, Republic of Korea)
Abstract Daecheong Reservoir has suffered eutrophication and water-blooms by blue-green algae from
initial impoundment, and algae alert system(AAS) was introduced in 1997. The purpose of this study was to investigate the effect of rainfall and hydrological factors in increase or decrease variability of green-tide and prolonged AAS, studied and analyzed the current situation of AAS has been operating for 19 years(1997~2015) in Daecheong Reservoir. The total issued number of AAS was 46 times, the most frequent period in August and September were 22 times(752 days) and 16 times(431 days), respectively, it accounted for 82.6%. Many number and frequency during this period were significantly associated with rainfall, various discharge and water level. Rainfall and hydrological events are associated with the rainy season of monsoon-Changma and the typhoon, it was concentrated in June~September, total rainfall in this period accounted for 69.9% of the annual rainfall. An increase in inflows was dependent on the intensity, frequency and the amount of rainfall.Accounted for 68.4% of the total annual inflow, it was a time when the most rapidly changing hydrological variability in the reservoir. The total outflow was closely related to rainfall, and compared the distinctive characteristics of hydropower generation and watergate-spillway discharge. In addition, the upreservoir zone of Daecheong Reservoir could be vulnerable to green-tide by regulating discharge of the upstream dam. The issue of AAS was strongly related to the with and without of watergate-spillway discharge. The watergate-spillway discharge had a total of 25 times, it was maximum 17 days from July to September in the year. And the opening times and each duration of the watergate were 1~4 times and the range of 3~37 days, respectively.
When the watergate opened, the issue of AAS was maintained to 13 years and the movement of water bodies and green-tide was great about five times than that of non-open, had a profound effect on prolonged AAS within reservoir. In Daecheong Reservoir, Chusori(CHU) area of the So-ok Stream was still showing serious symptoms green-tide levels in the summer, but Janggye(JAN) waters of the main reservoir was pointed out that more important. AAS will be operated by an absolutely consider the rainfall and hydrological effects
Manuscript received 12 July 2016, revised 29 September 2016, revision accepted 30 September 2016
* Corresponding author: Tel: +82-10-3870-6121, Fax: +82-51-529-3168, E-mail: [email protected]
* Co-corresponding author: Tel: +82-2-450-3748, Fax: +82-2-456-5062,
E-mail: [email protected]
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서 론
육수의 부영양화와 녹조현상의 인과관계는 과거부터 오랫동안 전 세계적으로 많은 관심과 연구의 대상이었고 (Reynolds and Walsby, 1975; OECD, 1982; Reynolds, 1987;
Watanabe et al., 1994; WHO, 2003; Parel, 2014), 우리나라 의 하천과 저수지에서도 심각한 수질환경 문제 중의 하나 로써 현재까지 고심거리에 해당한다(MOE, 2012; Yoo et al., 2013). 이러한 문제의 원인에는 여러 가지를 들 수가 있다. 수질 부영양화는 유역의 급속한 산업화, 도시화 및 인 구집중 현상에 의해 버려지는 오염수량이 집중화되고 농 축되는 인위적 영향이 가속화되었기 때문이다(Shin, 1998;
Shin et al., 2003a). 저수지로 유입되는 오염물질은 각종 생 활오수, 축산폐수 및 산업폐수가 시공간적으로 처리 후 또 는 미처리된 상태로 연중 배출되고 있으며, 무엇보다도 조 류 성장의 필수 영양염에 의한 수질악화 비중이 날로 증가 하고 있어 이에 대한 저감 노력이 시급한 실정에 있다(Lee, 1998; Shin et al., 2003a). 특히, 유역의 다양한 개별 오염원 으로부터 하수를 집수하여 최종 처리하는 하수처리장의 배 출수는 고농도의 영양염을 함유하고 있으며, 그 유입 영향 은 동계~춘계에 저수지의 본류와 지류의 상류에서 규조류 가 번성하고, 하계~추계에 저수지 전체에서 남조류의 녹조 생물량을 폭증시키는 주된 요인이 되고 있다(Shin et al., 1999; Shin and Cho, 2000; Shin et al., 2003a). 그러나 이러 한 실태에 대한 심각성의 이해는 실제로 녹조나 담수적조 의 대응관리에 제대로 반영되고 있지 못한 것이 현실이다. 또한, 우리나라는 기후학적으로 여름과 겨울에 기온 차 가 크고 사계절이 뚜렷한 온대몬순 기후대에 속하여 수질 은 강수량에 의한 영향이 매우 크다(Shin, 1998). 여름에는 집중호우를 동반한 장마와 태풍이 빈번하고, 겨울에는 잦 은 강한 바람을 수반한 한냉 건조한 기후의 영향이 크다. 계절적으로 볼 때, 여름은 풍수기(water abundant season) 이고 겨울은 갈수기(water scarce season)에 해당한다(Park et al., 2015c). 강수량이 많은 하계에는 저수지 수체의 상 하층 간 수온 차가 크고 성층현상이 뚜렷하다(Chung et al., 2009; Lee et al., 2010; Yu et al., 2010). 이 시기에 유
입량의 증가는 유무기 영양염을 풍부하게 공급(Groeger and Kim mel, 1984; Thornton et al., 1990; An, 2000a, d; An and Jones, 2000a)할 뿐만 아니라 토양침식과 유실에 의한 탁도의 증가(Groeger and Kimmel, 1984; Thornton et al., 1990)와 밀도류의 형성 등 물환경 전반에 걸쳐 다양하고 복잡한 영향을 미치게 되며(Baxter, 1985; Kennedy et al., 1985), 저수지에서 연중 가장 큰 육수학적 변화를 겪는 시 기에 해당한다(Kennedy et al., 1985; Shin, 2003b). 따라서 하계에는 전술한 하폐수의 점오염원 영향을 포함하는 총 체적인 비점오염원의 강우-수문 영향이 크게 작용하는 것 으로 볼 수가 있겠다(Lee et al., 1993; Han and Kim, 1999;
Kim et al., 2012a).
대청호에서 유입하천에 근접된 비교적 얕은 수심의 저 수지 상류부 또는 반폐쇄성 만곡부와 수심이 최대인 하류 부의 수질은 저수지의 형태와 수문학의 구조적 차이에 의 해 대비가 된다(Shin et al., 1999; Shin et al., 2003; K-water, 2007). 하천을 통해 외부로부터 유입되는 영양염은 갈수 기에 저수지 내에서 유속이 급감하는 상류의 하천성향 구 간(riverine zone)과 그 하류의 중류 전이대 구간(transition zone)에서 만성적인 식물플랑크톤의 생물량 증가에 기여 한다(Kennedy et al., 1985; Shin and Cho, 2000). 특히, 만 곡부는 우기를 제외하고 장기간 반폐쇄적으로 정체되어 인(phosphorus, P)과 질소(nitrogen, N)를 포함한 오염물질 의 큰 저장고가 될 수 있고 본류의 수질과는 다소 이질적 이다(Shin and Cho, 2000; Shin et al., 2003a). 또한, 연중 질 소(N)가 풍부한 반면 인(P)이 상대적으로 부족하여 인(P) 이 식물플랑크톤 생장을 조절할 수 있는 중요한 제한인자 가 되고 있다(Shin et al., 1999; Shin and Cho, 2000). 인(P) 의 주요 공급원은 하수처리장의 배출수를 포함한 유역으 로부터 공급되는 외적 부하량과 저수지 내 수층의 빈산소 (hypoxia)에 의한 저질토로부터 용출되는 내적 부하량이 대부분을 차지한다(Lee et al., 1993; Shin and Cho, 2001;
Hur et al., 2009).
과거에 형성된 대다수 다목적댐 저수지의 수심은 상류 에서 중류까지 점진적으로 증가하나 하류로 가면서 급격 하게 깊어지는 형태를 가지고 있다. 또한, 이들은 심층에서 around the watergate-spillway discharge. The measures of green-tide will be included in the limnological studies more suited to the characteristics of the watershed and reservoir of the our country. Finally, from now on, we will prepare the systematic management and guidelines for vulnerable zone water-blooms that are the source within the reservoir before the monsoon rather than waiting for the arrival of green-tide on the operating stations of AAS.
Key words: algae alert system, water-blooms, blue-green algae, hydrology, Daecheong Reservoir
발전방류가 기본으로 단속 조작되고 있어서 댐에는 수문 과 연결된 여수로(spillway)뿐만 아니라 댐의 하부에 방수 로(penstock)가 설치되어 있다(K-water, 1998). 수문개방에 의한 여수로의 월류는 제한홍수위 상태에서 유입량이 저 수량을 초과하는 경우에만 단속 운영되고, 방수로를 통한 방류는 수력발전을 통해 연중 지속적으로 유지되고 있다 (K-water, 1998). 방류구의 수심은 중류 전이대(transition zoon)의 최대수심과 일치하여 우기에는 상류로부터 많은 양의 유량이 일시적으로 유입되고, 전이대부터 댐까지 일 정 수심(27m)에서 수평 경사판 형태의 밀도류(density current)가 형성되고 있으며(Shin et al., 2003a; Chung et al., 2009; Lee et al., 2010), 이러한 밀도류는 최종적으로 방류구를 통해 댐의 하류 하천으로 배출된다. 이때, 탁수 성분과 내부부하 영양염이 다량 배출되는 특성을 가지고 있다(Lee et al., 2010).
대청호는 저수면적에 비해 유역면적이 매우 넓어서 1980 년에 담수 후 초기부터 수질 부영양화가 심각하여 녹조현 상(algal toxin(microcystin), geosmin, 2-MIB 포함)으로부 터 자유롭지 못하였고(Shin et al., 1999; Oh et al., 2001;
Kim et al., 2006; Lee et al., 2008; Lee et al., 2011; Kim et al., 2015), 현재에도 이를 해결하기 위해 다각적인 노력 을 기울이고 있는 상태에 있다. 특히, 충남북과 대전의 중 부 내륙에 생활과 농공용수를 공급하는 데 결정적인 역할 을 하고 있어서 녹조현상과 같은 이상 수질에 대한 관심은 국내 최대 규모의 상수원인 수도권 팔당호에 버금가는 수 준으로 민감하다. 이렇듯 대청호에서 남조류의 녹조현상 에 관한 선행연구(학술지 중심)에는 저수지의 역사만큼이 나 부영양화, 환경요인 및 생태계와 연계하여 다양한 분야 (Cho et al., 1991; Kim et al., 1994; Kim et al., 1995; Oh et al., 1995; Kim and Kim, 1997; Kim et al., 1998; Lee, 1998;
Oh et al., 1998; Park et al., 1998; Shin et al., 1999; An and Jones, 2000a; Cheon et al., 2000; Kim and Lee, 2000; Shin and Cho, 2000; Mun et al., 2001; Ahn et al., 2002, 2004;
Ko et al., 2004; Joung et al., 2005; Kim et al., 2005; Lee et al., 2005; Park, 2005; Kim et al., 2006; Oh et al., 2007;
Chung and Lee, 2011; Joung et al., 2011; Srivas tava et al., 2013; Oh and Cho, 2015; Oh et al., 2015; Park et al., 2015a)에서 많은 내용이 꾸준히 소개되었고, 수질모델링에 의한 녹조현상의 거동(이송 및 확산)에 관한 분석(Yu et al., 2006b; Chung and Lee, 2011; Cho et al., 2012; Chung et al., 2014)도 소수가 포함되었다. 대다수의 연구가 저수 지의 중하류, 지류 및 만곡부 수역에서 국지적으로 수행되 었고, 모델링은 측정 및 예측결과에서 녹조현상의 생리생 태 특성을 기초하는 육수학적 분석이 미흡하였다. 그리고
강우-수문학적 요인과 관련된 결과해석 및 기술(記述)은 공통적으로 구체적이지 못하였다. 어쨌든 이러한 연구들이 진행되었다는 것은 무엇보다도 그만큼 녹조현상의 심각한 실태와 함께 물 이용의 총체적 안전성을 근심하는 내용으 로 이해할 수가 있겠다.
대청호는 부영양화로 인해 만성적인 녹조현상을 보이는 특성을 가지고 있기 때문에 정부는 1997년에 조류경보제 의 시범운영을 시작으로 1998년에 국내에서 처음으로 도 입하게 되었다(MOE, 1999). 지금까지 20년간 운영하면 서 막대한 재원을 투입하였고 힘겨운 저감 노력을 하였음 에도 불구하고 조류경보제의 발령빈도와 기간은 여전히 제자리걸음을 하거나 연도에 따라 오히려 증가하는 실정 인 것으로 볼 수 있다(Shin et al., 2009; Jeong et al., 2011;
Lee et al., 2013; Oh et al., 2013; Yoo et al., 2013; Shin et al., 2014). 따라서 이 시점에 그동안 운영해 온 장기성과에 대하여 세밀한 분석이 필요한 것으로 판단된다.
국내에서 조류경보제에 관한 선행연구는 그리 많지가 않다. Jeong et al.(2011)은 대청호에서 조류경보제의 불필 요한 운영수역 축소와 발생 단계별 항목기준의 개선점에 대해 고찰하였고, Kim et al.(2014)은 댐 방류기준에 남조 류 개체수를 도입하여 사전 제어에 도움이 되도록 하는 것 과 보조지표 항목으로써 TN/TP비의 필요성을 언급하였다.
Ahn et al.(2007), Park et al.(2011), Jin et al.(2014), You et al.(2014) 및 Park et al.(2015a)은 세포수의 현존량 산정방 법, 현행 항목(phycocianin, toxin)과 기준에 대한 개선안과 이에 대한 검토 연구를 각각 수행하였다. Yoo et al.(2013) 은 녹조의 조절에 강수량과 방류량이 중요함을 통계처리 결과로써 설명하였다. 그러나 대다수 단기 또는 단편적인 연구에 치중되었고, 저수지 전체를 대상으로 조류경보제의 장기 자료를 이용한 자세한 분석과 깊이 있는 해석은 없었 다.
본 연구의 목적은 대청호에서 19년간 운영해 온 조류경 보제의 결과를 가지고 시공간적 발령 특성을 고려하여 패 턴을 분류하고, 강우-수문생태학적 관점에서 그 유형을 종 합적으로 분석하는 것이다. 그렇게 하여 향후, 대청호와 같 은 대댐 저수지와 4대강 보의 녹조현상에 대한 육수학적 이해를 돕는 데 유용한 기초자료로 제공하고자 하였다.
재료 및 방법
1. 조사지 개황
우리나라에서 세 번째로 큰 인공호수인 대청호(Dae- cheong Reservoir)는 금강의 중상류에 위치하며 1975년 3
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월부터 1981년 6월의 기간 동안 공사하여 만들어진 주요 국가기반산업시설에 해당한다(Fig. 1). 전북 장수군 신무산 의 뜸봉샘에서 발원하여 유역면적이 4,134km
2
로써 이 중 에 산림은 3,076.3km2
(74.4%), 농경지는 695.5km2
(16.9%), 주거면적은 42.2km
2
(1.0%)이고 도로를 포함한 기 타 면적은 320.0km2
(7.7%)를 차지하고 있다(Table 1). 저 수면적은 72.8km2
로써 유역면적/저수면적의 비는 57(용 담호의 930km2
를 제외하면 약 44) 정도였고(Kim et al., 2012), 유로연장은 251km, 저수지 최대길이는 86km, 수변 의 총 길이는 300km이다. 댐은 금강 하구로부터 상류 약 150km 지점에 축조되었고 1980년 12월에 대하천 유역종 합개발계획의 일환으로 수자원(총저수량 1,490×106
m3
, 유효저수량 790×106
m3
)을 개발하여 홍수조절, 수력발전, 각종 생공용수 및 하천유지용수 공급 등 다목적 이용 목 적으로 건설 완공되었다(K-water, 1999, 2000; Chung et al., 2008; Ahn et al., 2014). 충남, 충북과 대전광역시의 광 역 수원으로써 국가의 수자원 확보와 이용 측면에서 기능 적으로 중요하다. 상류 150km 지점에는 용담호가, 하류 2 km 지점에는 조정지호가 각각 위치하고 있다(Noh, 2004;Lim et al., 2007). 「대청호」라는 이름은 인근 도시지역인 대 전광역시와 충남 청주시의 첫 자를 따서 지어졌다.
대청호로 유입되는 주요하천은 금강 본류를 포함하여 상류로부터 영동천, 초강천, 보청천, 옥천천, 회인천, 주원 천, 품곡천 및 등동천이 해당하며 하계(6월~9월)를 제외 하고는 유량이 그리 풍부한 편은 아니다. 또한, 이들 지류 에는 소집수역의 오폐수를 처리하는 하수처리장이 하천 의 하류부에 각각 위치해 있고 처리된 배출수는 전량이 대 청호로 유입되고 있다(K-water, 1999). 호소의 형태는 본 류를 중심으로 수지형이고 수리학적 체류시간은 121일 정 도인 전형적인 하천형 호소이다. 실측한 조사지점의 수심 은 7~50m 범위로 최대수심은 하류의 댐부근이었고 평균 수심은 27m이다(Table 1). 소옥천은 대청호의 중상류에서 금강 본류로 유입하는 주요 지류이다(Fig. 1). 그중 추소리 는 지리지형적으로 지류 하천의 하류와 댐 저수지의 최상 류부에 위치한 지역으로써 댐 운영의 수위변동에 따라 유 수역과 정수역의 상태로 변화를 반복하는 전형적인 전이 대 구간에 해당한다. 따라서 시공간적으로 수질과 생태계 의 구조와 기능을 달리할 수 있을 뿐만 아니라 유역의 오 염 상황과 강우-유출 패턴에 따라 추소리의 녹조현상이 변동하는 독특한 지역으로 볼 수 있다(Shin et al., 2003a;
Oh et al., 2004; Kim et al., 2006; Jeong et al., 2012; Oh et al., 2015; Park et al., 2015a; Shim et al., 2015; Shin et al., 2016). 이것은 본류의 상류와 각 지류에서 나타나는 공통 적인 특성이다.
2. 현장 조사
기후·수문요인의 변동에 따른 대청호의 지리지형적 현 황 및 특성을 파악하고자 2007년 1월부터 2016년 6월까 지 매월 1~2회씩 현장조사를 수행하였다. 장마 기간 전후 와 집중호우가 있은 직후에는 매일 또는 주 단위로 관찰하 였다. 조사지점은 조류경보제의 운영지점 3개(회남(HOI), 추동(CHD) 및 문의(MUN))와 관찰지점 3개(장계(JAN), 추소(CHU) 및 댐앞(DAM))로써 총 6개였다(Fig. 1). 저수 지의 수문사상에 따른 지형 형태학적 변동을 직접 관찰하 였고, 주요 내용을 메모하여 기록하였다. 특히, 대청호에 서 녹조가 매년 만성적으로 대발생하는 소옥천의 추소리 (CHU) 수역을 정밀하게 조사하였고, 본류의 장계, 회남과 만곡부의 추동 및 문의 지점에 대한 실태를 매번 상류에서 하류로 이동하면서 차례로 파악하였다.
3. 기후·수문 및 조류경보제 운영 자료분석
1997년부터 2015년까지(19년간) 강수량의 기후자료와
Fig. 1. Map showing the main river, tributaries systems and intake
tower locality of watershed and major stations of algae alert system (three operation stations of HOI, CHD and MUN, and three watching stations of JAN, CHU and DAM) in Daecheong Reservoir. Abbreviations indicate JAN: Janggye bridge, CHU: Chusori, HOI: Hoinam grand bridge, CHD:
Chudong, DAM: Daecheong dam, MUN: Muneui and HG:
hydropower generation, respectively.
유입량, 방류량, 취수량 및 수위의 수문현황 자료는 기상 청과 한국수자원원공사(대청댐관리단)로부터 제공받았다.
조류경보제 운영결과는 환경부 금강유역환경청(수계관리 위원회)으로부터 제공받았다. 수집한 기초자료는 먼저 요 인별로 결측 또는 이상치를 검토하였고, 그런 후 확인된 자료를 가지고서 최종적으로 분석하였다. 검토 과정에서 미흡하거나 이해가 되지 않는 부분은 직접 방문하여 재확 인을 거쳤다. 자료의 기초 통계처리는 Systat 8.0 프로그램 을 이용하여 분석하였다.
결과 및 고찰
1. 대청호의 조류경보제 운영
1997년부터 대청호에서 현재까지 운영되고 있는 조류경 보제(algae alert system)는 1997년부터 2007년까지 조류예 보제(algae forecast system)라는 명칭으로 시작하였고, 실
제 운영은 예보보다 현장 모니터링 후 결과를 알리는 형태 에 더 가까웠기 때문에 2008년부터 지금의 명칭으로 변경 되었다(Shin et al., 2016). 그러나 명칭만 바뀌었을 뿐 그 내용은 동일하였다. 조류경보제의 목적은 상수원으로 이용 하는 저수지에 조류가 대량으로 증식하는 경우 정수장의 수처리 기능저하와 일부 유해 남조류(harmful blue-green algae)에 의한 생물독소(microcystin)와 이취미(geosmin, 2-MIB) 물질들의 생성 가능성이 있어 상시 모니터링을 통 해 사전에 발생현황을 파악하고 그 결과를 관계기관에 통 보함으로써 유역, 내수면, 상수원수 및 정수관리 등에 대응 방안을 추진하여 직간접적인 피해영향을 최소화하기 위하 여 시행하고 있는 정책적 제도이다(MOE, 2011). 녹조현 상은 전 세계적으로 유명한 수질문제로써(Watanabe et al., 1996; WHO, 2003), 세계보건기구(World Health Organiza- tion, WHO)는 음용수의 안전성을 제고하기 위하여 조류 독소를 근간으로 발령기준체계를 마련하여 권고하고 있으 며, 이러한 기준은 우리나라를 포함하여 주요 국가에서 독 립적 형태로 사용하기도 하였다(Fig. 2). 따라서 매우 복잡
Table 1. General geographic and limnological features of the Daecheong Reservoir. Average records from 1997 to 2015.
Attribute Daecheong Reservoir
Origin recession
Latitude 36°50′N
Longitude 127°50′E
Elevation (m) 83.0
Functions Flood control
Hydropower electric generation Water supply in dry season
Shape type Dendritic
Circulation type Monomictic/dimictic
Trophic state Meso (downreservoir)-eutrophic (upreservoir and tributary)
Yearly average precipitation (mm) 9.0
Yearly average inflow (m
3s
-1) 114.8
Yearly average outflow (m
3s
-1) 105.1
Watershed area (km
2) 4,134.0
Agricuture area (km
2) 684.0
Forest area (km
2) 3,047.0
Urban area (km
2) 399.0
Reservoir area (km
2) 72.8
Mean depth (m) 27.0
Maximum depth (m) 50.0
Length of longitudinal main axis (km) 86.0
Reservoir shoreline (km) 300.0
Reservoir volume (km
3) 1,490×10
6Hydraulic residence time (days) 51.0~231.0 (Average 144.9)
Population density (km
-2) 78.6
Dam hight (m) 72.0
Dam length (m) 495.0
Dam width (m) 16 (upper), 35 (bottom)
Penstock position from bottom (m) 29.0
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한 형태를 갖추고 있으며 국가마다 녹조의 발생특성에서 다소 차이가 있음을 간접적으로 시사하는 것으로 볼 수가 있었다. 우리나라(3단계)는 chl-a와 남조류 세포수를 사용 하고 있는데, WHO(3단계)는 생체량을 추가하고 있으며 (Chorus and Bartram, 1999), 호주(4단계)는 남조류의 생 체량과 Microcystis aeruginosa의 세포수를 이용하고 있 다(Newcombe et al., 2010). WHO는 상수원수의 경보체 계(alert level framework)를 먹는 물 수질기준에서 micro- cystin-LR의
<
1.0μgL-1
에 준하여 제안하였고, WHO와 호주는 각각 남조류와 M. aeruginosa 세포수를>
2,000 cellsmL- 1
로 하고 있다.대청호에서 조류경보제는 유해 남조류의 발생이 우려 되는 시기인 4월부터 11월까지 운영하고 있으며 평상시에 는 주 1회 이상, 경보 또는 대발생시에는 주 2회 이상 조사 및 측정하고 있다. 조사 측정항목은 수온, DO, pH, chloro- phyll-a 및 유해 남조류 세포수를 중점적으로 하고 있으며, 남조류 세포수의 측정 때 출현 조류종을 남조류, 규조류, 녹조류 및 기타 조류를 각각 구분하여 우점종을 명시하도 록 하고 있다. 측정 및 조사방법은 환경부의 수질오염공 정시험기준에 준하고 있다. 일반적으로 남조류 중에서 유 해하다고 알려져 있는 4종류(Anabaena, Aphanizomenon, Microcystis 및 Oscillatoria)를 지정하였고, 그들 세포수의 합을 발령지표 중 하나로써 활용하고 있다(MOE, 2011).
조류경보제의 발령단계는 주의보(caution), 경보(alarm) 및 대발생(outbreak)에서 관심(warning), 경계(alert) 및 대발 생(bloom)으로 부분적으로 명칭만 바뀌었다(MOE, 2012).
본 논문에서는 변경된 명칭을 중심으로 하였다. 관심, 경 계 및 대발생 단계는 각각 Chlorophyll-a(15~25, 25~100,
>
100mgm-3
)와 남조류 현존량(세포수)(500~5,000, 5,000~1,000,000,>
1,000,000cellsmL-1
)의 두 항목을 동 시에 모두 포함하고 있으나, 해제 단계에서는 두 항목 중 한 항목만 미만에 해당(<
15mgm-3
,<
500cellsmL-1
)하 여도 곧바로 발령사항을 전환하는 것으로 하고 있다(Fig.2). 이때 유지기간은 2주를 연속하는 경우이다.
현행 발령기준은 초기에 국외의 기준을 참고하였기 때 문에 국내의 현황 실태를 기초한 과학적 근거는 매우 부족 하였고, 특히 조류독소에 관한 우리나라의 기준이 제대로 설정되지 않은 상태에서 출발되었다. WHO의 음용수 가이 드라인에 제시하고 있는 microcystin-LR 1μgL
-1
을 기준 (Chorus and Bartram, 1999)으로 이에 상응하는 Microcystis 개체군의 현존량 5,000cellsmL-1
(Falconer et al., 1994)을 경보 단계로 설정하였고, 1/10 수준인 500cellsmL-1
을 주 의보 단계의 기준으로 하였다. 항목, 기준 및 방법 등에 대 해서 초기부터 현재까지 논란이 끊이질 않고 있는 실정 에 있다. 그리고 1997년~2015년까지는 각 운영지점의 수 심 0.5m의 표층수를 채수하여 측정시료로 하였으나, 2016 년부터는 상-중-하층의 시료를 채수한 후 혼합하는 방법 을 변경하여 사용하고 있으며, 항목은 남조류 세포수(관 심>
10,000, 경계>
100,000 및 대발생>
1,000,000cells mL-1
)의 현존량만 적용된다(Fig. 2). 참고로, 기존에는 상 수원 호소만 대상으로 하였으나 2013년 이후부터 낙동강 과 한강(친수)의 하천구간에서 일부 지점도 추가하여 대Fig. 2. A criteria of chlorophyll-a concentration and standing crops of blue-green algae used in algae alert system of Daecheong Reservoir.
상을 확대시켰다. 국내에서 조류경보제의 영어는 algae alert system(MOE homepage), algae bloom alert system, algae bloom warning system, alert system for algal bloom, harmful algal bloom alert system 및 cyanobacterial bloom alert system을 혼용하고 있다(Ahn et al., 2007; Jeong et al., 2011; Yoo et al., 2013; Jin et al., 2014; Kim et al., 2014;
You et al., 2014; Park et al., 2015b). 사소한 것이지만 향후 이에 대한 국제적 공식어의 통일성도 필요하겠다.
2. 강수량과 수문학적 요인의 계절적 변동 분석
1997년부터 2015년까지 대청호 유역에서 관측된 일 강 수량과 주요 수문학적 인자들의 연도별 계절적 변동을 나 타낸 것은 Figs. 3~5이고, 이를 연도별로 요약하여 정리 한 것은 Appendix 1과 같다. 1997년~2015년 동안에 무강 수일을 제외한 일강수량의 범위는 각각 0.1~187.7mm였 고, 평균값은 8.1mm였다(Fig. 3). 연도별 일 최대강수량 의 최대값과 최소값을 보인 해는 각각 2002년(187.7mm) 과 2015년(52.9mm)으로써 그 차이가 매우 컸고, 최대강 수량은 총강수량의 14.1%에 해당하였다. 일 최대강수량이 100mm를 초과하였던 해는 1997년, 1998년, 2000년, 2002 년~2004년, 2007년, 2011년 및 2012년으로써 47.4%를 차
지하였다. 일 평균강수량이 10mm를 넘은 해는 2003년과 2011년이었다. 매년 최대강수량은 6월~9월 사이에 분포 하였고, 대부분 열대성 저기압의 장마철(changma season) 집중 호우와 태풍 상륙 등 기상특보 인자가 가장 큰 영향 이었다. 30mm 이상 강수는 연도별로 4~19회 범위였으 며, 평균값은 10.5회로써 2003년에 가장 많았고, 2015년 에 가장 적었다. 이 중에서 호우주의보(70mm/6hrs, 110 mm/12hrs) 또는 호우경보(110mm/6hrs, 180mm/12hrs) 가 예보 발령된 시점으로써 100mm 이상의 범위와 평균 값은 각각 1~3회와 0.79회로써 1998년에 많았고, 1999년, 2001년, 2005년, 2006년, 2008년, 2010년 및 2013~2015년 에는 단 1회도 없었다. 6월~9월의 연도별 총강수량의 범 위(평균값)는 343.7~1,287.0mm(854.0mm)였고, 연강수 량의 69.9%를 차지하였다. 우리나라에서 수자원이 풍부 한 기간을 7월 2일부터 12월 25일까지로 제시하고 있으나 (Park et al., 2015c), 저수지에서 유입량이 유출량을 초과하 는 시기를 기준으로 할 때, 6월~9월은 최대강수량의 평균 값이 101.2mm(52.9~187.7mm 범위)로서 풍수기에 해당 하였고, 11월~2월은 평균값이 2.9mm(0.1~48.0mm 범위) 로서 상대적으로 수량이 적었던 갈수기로 구분되었다(Fig.
3). 강수의 연중 변동은 계절적인 편차가 심하여 여름철에 풍부하고 겨울철에 빈약한 현상이 매우 뚜렷하였다(An,
Fig. 3. Daily fluctuations of rainfall, total inflow, inside basin inflow and upstream dam discharge in the watershed of Daecheong Reservoir
from January 1997 to December 2015. The name listed above the graph are the typhoon landed in Korea. Data are obtained from
Korea Meteorological Agency (KMA) and Office of Daecheong dam management of Korea Water Resources Corporation (K-water),
respectively.
신재기·강복규·황순진 160
2000c; An and Jones, 2000a, b; An and Park, 2002, 2003;
Park et al., 2015c).
대청호로 유입되는 유량은 저수지의 유역에서 들어오는 것으로써 유역에는 내부유역과 상류댐 유역의 두 가지로 구분할 수 있다. 총유입량의 증감은 강우의 직접적인 영향 이 커서 강우가 있은 직후에 급증하는 경향이 현저하였다 (Jeong et al., 2011). 이러한 양상은 강수량이 30mm 이상 일 때 두드러졌다(Shin et al., 2003b; Shin et al., 2016). 일 총유입량, 내부유역 유입량 및 상류댐 방류량의 범위는 각 각 0.3~5,321.2m
3
s-1
, 284.7~5,316.4m3
s-1
및 2.3~698.3m
3
s- 1
이었고, 평균 유입량은 각각 83.4m3
s- 1
, 73.1m3
s- 1
및 13.9m3
s-1
이었다(Fig. 3). 또한, 유입량의 증가는 강우 의 강도, 빈도 및 그 양에 의존적이었고, 6월~9월 사이에 뚜렷하게 집중되었다. 이 시기에 유입량의 범위와 평균값 은 각각 0.1~5,321.2m3
s-1
와 181.4m3
s-1
이었고, 연중 총 유입량의 33.1~89.4%(평균값 68.4%) 범위를 차지하여 저 수지에서 수문변화가 가장 급변하는 시기라고 볼 수 있었 다. 총유입량에는 내부유역의 유입량이 87.6%로써 많은 부 분을 차지하였고, 상류댐 방류량은 수문 개방에 따른 여수 로 방류를 제외하고 큰 차이가 없이 거의 일정한 양(13.9Fig. 5. Daily fluctuations of water level, impoundment and impoundment rate in Daecheong Reservoir from January 1997 to December
2015. It underline the year in the x-axis indicate the year of the typhoon landing in our country. White circles on Y axis of graph are FWL: flood water level (EL. 80.0 m), NHWL: normal high water level (EL. 76.5 m), RWL: restricted water level (EL. 72.0 m) and LWL: low water level (EL. 60.0 m), respectively. Data are obtained from Office of Daecheong dam management of Korea Water Re- sources Corporation (K-water).
Fig. 4. Daily fluctuations of total outflow, hydropower generation and watergate spillway discharge in Daecheong Reservoir from January
1997 to December 2015. It underline the year in the x-axis indicate the year of the typhoon landing in our country. Data are obtained
from Office of Daecheong dam management of Korea Water Resources Corporation (K-water).
m
3
s-1
)으로 조절되고 있었다. 2001년부터 상류댐의 방류 가 시작되었고, 총유입량과 내부유역 유입량의 16.7%와 19.0% 수준이었다. 2000년까지는 용담댐이 완공되기 전으 로써 대청호의 저수지 내부유역과 상류댐 방류 유입이 구 분되지 않았으나, 2001년부터는 구분되어 유량이 조절되 었고 그래서 유입량이 현저하게 감소된 것으로 나타났다 (Fig. 3). 그러나 용담댐 유역에서 강수량이 매우 많아서 수 문방류를 할 때에는 그 영향으로 대청호에 유입되는 유량 이 큰 폭으로 증가하였다(Fig. 3). 그리고 용담댐의 조절 방 류로 인해 대청호의 상류 수역은 기존보다 녹조현상에 다 소 취약할 수 있을 것으로 예상되었다. 또한, 2001년을 기 준으로 할 때, 대청호에서 조류경보제 발령일수가 그 이전 과 이후에 평균값이 각각 57.7일과 96.6일(Δ38.9일)로써 증가한 이유 중의 하나가 충분히 될 수도 있었다.일 총방류량은 11.3~2,492.5m
3
s-1
범위였고, 평균 방류 량은 84.0m3
s-1
이었다(Fig. 4). 총방류량은 강우량과 밀 접한 관련성이 있었다. 저수지의 유출은 크게 세 부분으 로 구분할 수가 있다. 최하류의 댐에 위치한 수문여수로 와 수력발전 및 각종 용수의 취수에 의한 방류가 이에 해 당한다. 수력발전에 의한 일 방류량은 0~291.7m3
s- 1
범 위로써 평균 방류량은 58.4m3
s-1
이었다. 발전방류량의 변 동양상은 상류나 유입지류로부터 유입되는 유량과 밀접 한 관련성을 가졌다. 유입량이 큰 시기에 발전방류량도 많 았고, 다른 계절보다도 봄철~가을철 사이에 평균 방류량 을 초과하였다. 발전방류량은 총방류량의 69.5% 수준이었 고, 거의 매일 방류되었다. 이것은 저수지 하류하천에 위 치하고 있는 보의 수질개선 및 환경유지용수로 이용되고 있다(Chung et al., 2008; Ahn et al., 2014). 수문조작에 의 한 여수로 방류량은 13.5~2,260.1m3
s-1
범위로써 평균값 은 72.5m3
s- 1
이었다. 연도별 수문방류량의 차이가 매우 컸 다. 1997년~2015년 동안에 수문방류는 총 25회가 이루어 졌고, 저수지의 제한수위에 도달하게 되면 인위적으로 조 절되는 것으로써 시기는 연중 7월~9월에 17일로써 최대 였다. 개방횟수와 기간은 유입량과 수위변동에 따라 각각 1회~4회와 3일~37일 범위였다(Fig. 4). 수문개방과 여수 로 방류의 단속은 선행강우가 100mm 이상일 때와 그 이 하일 때로 구분할 수 있었는데, 100mm 이상은 호우주의 보나 호우경보에 따른 강우강도에 의존적이었고, 100mm 이하일 때는 제한수위에 근접한 상태에서 강우빈도가 촘 촘하게 많았을 때로 분석되었다. 취수량은 대전과 청주도 수로 및 농업, 환경용수로 구성되어 있고, 범위와 평균값은 각각 0.5~11.8m3
s-1
, 6.2m3
s-1
, 0.5~11.8m3
s-1
, 4.6m3
s-1
및 0~18.2m3
s-1
, 1.8m3
s-1
로써 다른 방류량에 비해 변동 폭이 크지 않았다.1997~2015년 동안 수문개방은 총 14년에 걸쳐 이루어 졌는데 국내에 상륙한 태풍은 10년에 걸쳐 총 19개(1~4 개/년)로써 상호 관련성이 컸고, 태풍에 의한 수문개방 영 향은 71.4%를 차지하였다. 그 외는 비 상륙한 태풍 기상 의 간접적인 영향이었거나 몬순장마의 국지적 집중호우에 의한 것과 연중 다수 빈도의 강수가 내렸던 영향으로 볼 수 있었다. 특히, 강수패턴에 따른 수문개방(연속방류, 단 속방류(비연속, 간헐))의 시기와 유형이 매우 중요하였는 데 7월에 개방한 경우는 8회였고, 8월에 9회 및 9월에 8회 였다. 이때, 연속(1998년, 1999년, 2002년, 2005년, 2009년, 2011년), 비연속(2006년, 2007년, 2010년, 2012년) 및 간헐 (1997년, 2000년, 2003년, 2004년)적 단속방류에 따라 제 각기 특성을 달리하였다. 2001년, 2008년 및 2013년~2015 년에는 수문-여수로 방류가 전혀 없었다.
발전방류는 댐축의 수심 27m(EL. 52.0m) 부근에서 이 루어지므로 표층의 녹조현상에 미치는 영향은 그리 크지 않는 것으로 볼 수 있다. 그러나 심수층의 비교적 맑은 물 을 지속적으로 빼내게 되면 상대적으로 표층수나 상층수는 더욱 고립되어 인위적인 안정화를 가져오게 되고 시기에 따라 녹조현상은 장기화될 수 있는 가능성이 있다. 따라서 상류에서는 영양염 농도(부영양 이상)가 높고 하류로 갈수 록 낮아지는데(빈영양~중영양), 강수와 유입량 급증에 의 한 녹조의 이동현상은 상류에서 필수 영양염인 인(P)을 체 내에 충분히 섭취 저장한 뒤 하류로 유하 이송되면서 이 를 성장에 이용하는 형태로 볼 수 있었다(Shin, 1998; Shin and Cho, 2000). 조류는 용존 무기인의 저장능력이 우수하 기 때문에 그 이용성이 더욱 현저할 것으로 예상된다. 수 온 성층화가 장기적으로 뚜렷할 때 연속적인 발전방류는 수체의 중저층에서 풍부한 인(P) 영양염을 상부층으로 공 급하는 것을 차단시키는 중요한 역할을 한다(unpublished data). 특히, 하계에 성층화가 강화될 때 저층의 빈산소로 인한 저질층에서 인(P) 용출이 증가하게 되는데 대부분 발 전방류구를 통해서 하류로 배출되기 때문이다.
총저수량은 487.6~1,379.1×10
6
m3
범위였고, 평균 저수 량은 832.6×106
m3
였다(Fig. 5). 저수율은 범위와 평균값 이 각각 32.7~92.6%, 55.9%였다. 이때 저수지 수위는 EL.62.5~78.5m 범위로 변동하였고, 평균값은 EL. 69.5m였다 (Fig. 5). 저수지에서 수위 변동은 유입량과 방류량의 상호 크거나 작은 차이에 의해서 조절되어진다. 저수지의 특성 상 강우기에 저장하고 비강우기에 배출하는 조절 패턴을 보였다. 또한, 몬순장마와 홍수조절을 고려하여 거의 매년 6월 중하순까지 최저 상태로 낮추었고, 이후 강우에 의해 다시 수위를 높이는 경향성이 반복되었다(Fig. 5). 저수지 의 수위를 낮춘 상태에서 지속되는 가뭄(예, 장마나 태풍
신재기·강복규·황순진 162
상륙 전후의 폭염주의보 또는 경보발령기간)으로 인해 저 수지의 수위를 회복하는 것은 쉽지 않을 수 있으나, 이를 위해서는 비교적 큰 강우의 빈도가 많거나 장마기 또는 태 풍에 의한 집중호우와 같이 양적으로 매우 풍부해야 저수 량에 도움이 될 수 있다. 일기예보 중 기상특보의 상황에 따라 태풍 진로의 유동성 변화와 같이 간혹 예외적인 경우 (예, 2015년)도 있었다.
수위 변동은 유입량에 의해 증가하게 되고, 수문, 발전방 류 및 취수량에 의해 감소하게 된다. 수문방류는 일정 수 위(제한홍수위)를 초과할 때 단속되므로 실제 최고 수위 변동과는 큰 차이가 없으나 발전과 취수는 수면 아래에서 이루어지기 때문에 지속적으로 방류 또는 취수를 하는 만 큼 수위가 감소하게 된다. 유입량이 300m
3
s-1
이면 약 1m 정도 수위가 상승하게 된다(Jung and Hwang, 2003). 2002 년과 2003년에는 증감 형태가 가장 복잡하였는데 태풍 (Rusa와 Maemi)의 영향이 지배적이었고, 2003년의 경우 연속되는 태풍이 2회(6월 Rammasun, 8월 Rusa) 상륙하였 기 때문이었다. 저수지 내에서 초기 녹조현상이 극대를 가 질 때는 장마 전에 수위가 최저로 감소하였다가 장마 중 또는 후에 다시 최대로 이행할 때이다(Shin et al., 2016).수위가 최대에 도달하게 되면 수문방류를 제외하고는 고 일사량, 고온 및 충분한 영양상태에서 수체의 안정성까지 제공되므로 장소에 따라 관심 수준 이상으로 번성하게 된 다(Shin et al., 2016). 2001년 및 2015년과 같이 수위를 떨 어뜨렸는데 예상과 달리 후행하는 강우사상이 없거나 다 른 연유에 의해 물을 채울 수 없었을 때는 저수지 내 물의 흐름 유동이 미약하여 수체의 이동이 느리게 된다(Jung and Hwang, 2013). 이때, 녹조의 발생이 국지적 또는 산발 적으로 일어날 수가 있고, 지류의 경우 유역 영향과 저수 지의 지형적 조건에 따라 그 수준 차이가 매우 클 수도 있 다(Wagner and Zalewski, 2000). 연도별로 볼 때 태풍이 똑 같이 상륙하여 영향을 미쳤는데도 저수지의 방류형태와 녹조현상이 다르게 나타나는 것은 태풍의 상륙시기에 관 련될 수 있겠으나 그보다도 수위 변동에서 원인을 둘 수 있었다. 2002년은 태풍이 동반한 강우 직전에 수위가 EL.
74.7m로 높아진 상태였고, 2003년은 EL. 64.7m로 낮아진 상태여서 담수와 배출의 유형을 각기 달리하였다.
3. 대청호 하류수역의 조류경보제 현황분석
1997년부터 2015년까지 운영한 조류경보제의 기준 단 계별 발령 현황은 Fig. 6과 같다. 경보 발령시기 및 기간의 범위는 6월 21일~11월 29일이었다. 이 중에서 최장 기간 은 1997년에 전 지점에서 발령되었던 96일이었고, 최단 기
간은 2003년에 MUN에서 6일이었다. 총 발령횟수는 46회 였고, 운영지점 간에 중복되는 일자를 고려하지 않은 각 지점별 발령기간을 모두 합한 것은 1,526일(약 4.2년)이었 다. 관심(주의보)단계의 발령횟수와 기간(일)은 각각 40회, 1,350일이었고, 경계(경보)는 각각 6회, 169일, 대발생은 각각 1회, 7일이었다(Fig. 6). 그리고 조류경보가 울리지 않 았던 연도는 1999년과 2014년의 단지 2년만 해당하였다.
1997년을 시작으로 19년 동안 운영한 결과에서 발령 경향 은 시공간적으로 매우 복잡하였으나 증감 양상은 뚜렷하 였고, 2001년, 2003년, 2005~2006년 및 2010년~2012년 을 중심으로 넓고 좁은 주기성을 나타냈다(Fig. 6). 그러나 이에 대한 사후 원인분석은 매우 미흡하였고, 대부분 상류 와 지류 및 유역의 점 또는 비점오염원의 영향으로만 일관 하고 결론을 짓는 실정에 머물렀다. 1997년부터 2000년까 지는 8월~10월에 전 지점에서 관심(주의보)~경계(경보) 단계의 수준이었다. 대발생 단계는 2001년에 HOI에서 유 일하게 7일간 있었다. 이것은 짧은 기간이었지만 태풍과 집중호우가 없는 상태에서 강수량이 적었고, 수문방류가 없었으며, 오직 발전방류로만 조절되어 수체의 유동이 거 의 없는 배양장(culturing reservoir)과 유사한 조건이었기 때문이었다. 이후 주의보가 대다수 우세하였으나 경보가 군데군데 혼재되어 분포하였다. 조류발생의 증감을 통해 시기를 달리하면서 선행 1회 발령 후 해제되었다가 재발 령되는 형태도 7회나 있었다(Fig. 7). 조류경보제가 발령되 지 않았던 두 해 중 1999년은 4개의 태풍(Neil, Olga, Paul
Fig. 6. Yearly temporal and spatial distribution of the results of
algae alert system operation in major stations of the lower
part of Daecheong Reservoir from April 1997 to November
2015. A symbol (numerics, first and second letter) and ×
indicate pre occurrence-month, station (HOI (H), CHD (C),
MUN (M) and all (T) stations), alarm level (post occur-
rence-month) and no alarm, respectively. The three issue
level of algae alert system composed C (caution), A (alarm),
and O (outbreak), respectively.
및 Wendy)이 연이어서 내륙을 관통하면서 영향을 주었고 지속적인 수문-여수로 방류를 하였기 때문이었다. 2014년 은 대청호에서 조류 대발생 우심수역인 소옥천의 CHU에 서 사전 예방적 녹조제거 테스트가 있었던 해로써 그 영향 이 다소 있었던 것으로 볼 수가 있었다(Shin et al., 2016).
조류경보제 운영지점별로 발령기간을 10일 간격으로 구분하여 횟수를 나타낸 것은 Fig. 7과 같다. 11~20일 범 위에서 48회(32.7%)로써 가장 많았고, 21~30일, 31~40 일 및 41~50일은 각각 9회(16.4%), 10회(18.2%) 및 7회 (12.7%)로써 이들은 전체(1~100일 범위 횟수)의 80%에 해당하였다. 그 외 나머지는 1~4회(1.8~7.3%) 범위였다.
또한, 11~20일 범위 중에서 HOI는 10회(55.6%)를 기록하 여 가장 빈번함을 알 수 있었고, HOI는 운영지점 중에서 상류에 위치하여 본류를 중심으로 상류와 하류의 전이구 간으로써 녹조의 발생에 다소 취약한 특성을 보였다. 그리 고 조류경보제 운영에서 연간 평균 발령횟수는 2.4회 yr
-1
이었고, 1회당 32.5일이 발령되었다. 따라서 조류경보는 평 균적으로 약 2.6개월 정도 유지되었다.조류경보제는 4월부터 11월까지 운영되고 있으나 실제 경보가 발령되었던 기간은 6월부터 11월이었다. 이 기간을 중심으로 월별로 발령 일수를 나타낸 것은 Fig. 8 및 Table 2와 같다. 경보 횟수가 가장 많았던 시기와 기간은 각각 8 월로써 22회(752일)였고, 9월에 16회(431일), 10월에 12 회(230일)로써 10회를 초과하였다. 그 외 6월과 7월은 각 각 1회(12일)와 5회(101일)였다. 시기적으로 8월과 9월에 조류경보제의 발령빈도와 일수가 많았던 것은 계절적으로 유입량이 가장 많았고, 수위가 최대로 상승한 시기와 정확 하게 일치하였다(Fig. 8). 또한, 방류시스템이 모두 최하류
에 위치하고 있어서 이 시기에 녹조가 하류로 이동되어 수 체의 물리적 안정성까지 제공받은 영향으로 볼 수가 있었 다. 또한, 대청호에서 운영되었던 조류경보제의 발령횟수 와 기간은 HOI와 CHD의 결과 영향에 의존적이었다(Fig.
8). HOI는 유일하게 6월부터 시작되었다. 6월~7월에 점 진적으로 증가하다가 7월~8월과 8월~9월에 각각 급격한 증가와 감소하는 양상을 보였고, 9월~10월에는 완만하게 감소하였다. CHD는 HOI와 유사하게 7월~8월에 크게 증 가하였고, 8월~10월에 지속적으로 감소하였는데 그 경사 가 증가할 때보다 현저하게 작았다(Fig. 8). MUN은 8월부 터 발령되었고, 9월~10월에 급감하였다. 이 시기는 6월 하 순경에 몬순 우기의 장마를 대비하여 일정 수위까지 저수 지의 물을 방류한 상태에서 7월~8월 동안 강우-유입사상 에 의해 빠르게 물을 다시 채운 시기로써 다소 정체기로 볼 수가 있다. 그리고 이후 10월로 가면서 수온이 점차 감 소하는 계절적 영향에 의해 남조류의 생물량이 감소하였 을 것으로 사료된다(An et al., 2001). 그러나 수온이 낮아 지더라도 잔존하는 남조류의 생물량이 많을수록 국지적으 로 ‘가을녹조’나 ‘겨울녹조’를 전개할 수 있는 가능성은 얼 마든지 상존한다고 하겠다.
4. 조류경보제 운영수역에서 녹조현상 동태와 강우-수문학적 영향
1997년~2015년 동안에 대청호에서 각 항목의 연도별
Fig. 7. Spatial distribution of total issued number arranged by ten-
days interval from raw data collected in algae alert system operated in each stations of Daecheong Reservoir during 1997 to 2015.
Fig. 8. Spatial and temporal distribution of total issued duration in major stations of the lower part of Daecheong Reservoir from April 1997 to November 2015. Vertical arranged symbols indicate HOI (H), CHD (C), MUN (M) and all (T) stations (first letter) and alarm levels of algae alert system (second letter), respectively. The three level of algae alert system composed C (caution), A (alarm), and O (outbreak), respectively. Abbreviations are as follows: HOI, Hoinam;
CHD, Chudong; MUN, Muneui, and ALLs: all stations
(HOI+CHD+MUN), respectively.
신재기·강복규·황순진 164
총량과 변동차이를 나타낸 것은 Fig. 9와 같다. 조류경보제 의 경보기간과 평균값은 각각 14~217일과 89.9일이었고, 발령되지 않았던 해는 전술한 바와 같이 1999년과 2014 년이었다. 이 중에서 100일을 초과하는 것은 6회로써 각
각 2003년, 2005년, 2006년, 2010년, 2011년 및 2012년이 었다. 연도별 경보발령 양상은 큰 차이를 보였고, 이에 대 한 원인을 종합적으로 분석하는 것은 매우 중요한 내용이 라고 하겠다. 총강수량은 평균값과 범위가 각각 1,221.3
Table 2. Basic statistics for the results of algae alert system (AAS) operated in major stations of Daecheong Reservoir from 1997 to 2015.
The value of all stations included that of each station.
Stations and item/Month June July August September October
Total
Issued duration of AAS (days) 12.0 101.0 752.0 431.0 230.0
Mean (±SD, n) (days) 12.0 (-, 1) 20.2 (12.2, 5) 39.6 (26.0, 19) 33.2 (13.9, 13) 25.6 (9.6, 9)
Maximum (days) 12.0 42.0 96.0 63.0 40.0
Minimum (days) 12.0 14.0 6.0 14.0 14.0
Hoinam (HOI)
Issued duration of AAS (days) 12.0 87.0 446.0 123.0 102.0
Mean (±SD, n) (days) 12.0 (-, 1) 21.8 (13.5, 4) 40.6 (28.4, 11) 30.8 (12.2, 4) 25.5 (8.1, 4)
Maximum (days) 12.0 42.0 96.0 43.0 33.0
Minimum (days) 12.0 14.0 7.0 14.0 14.0
Chudong (CHD)
Issued duration of AAS (days) · 14.0 285.0 167.0 115.0
Mean (±SD, n) (days) · 14.0 (-, 1) 57.0 (32.9, 11) 41.8 (15.4, 4) 28.7 (11.0, 4)
Maximum (days) · 14.0 96.0 63.0 40.0
Minimum (days) · 14.0 18.0 30.0 14.0
Muneui (MUN)
Issued duration of AAS (days) · · 249.0 203.0 69.0
Mean (±SD, n) (days) · · 35.6 (30.1, 7) 29.0 (11.0, 7) 23.0 (7.8, 3)
Maximum (days) · · 96.0 44.0 28.0
Minimum (days) · · 6.0 14.0 14.0
All stations
(HOI+CHU+MUN)
Issued duration of AAS (days) · · 114.0 31.0 28.0
Mean (±SD, n) (days) · · 57.0 (-, 2) 31.0 (-, 1) 28.0 (-, 1)
Maximum (days) · · 96.0 31.0 28.0
Minimum (days) · · 18.0 31.0 28.0
Fig. 9. Yearly variations of total rainfall, inflow, outflow, water level difference and issued duration of algae alert system (AAS) in Dae-
cheong Reservoir from January 1997 to December 2015. It underline the year in the x-axis indicate the year of the typhoon landing
in our country.
mm, 735.8~1,821.8mm였고, 2003년에 가장 풍부하였고, 2001년과 2015년에 각각 796.6mm, 735.8mm로써 상대 적으로 낮은 값을 기록하였다(Fig. 9). 총유입량과 총방류 량은 범위가 각각 12,620.9~65,066.9m
3
s-1
, 14,430.5~65,303.3m
3
s-1
이었고, 평균값은 30,734.8m3
s-1
, 30,675.7 m3
s-1
이었다. 두 요인의 연도별 양상은 거의 유사한 형태 를 나타내었다(Fig. 9). 또한, 총유입량과 총방류량의 비교 에서 어느 쪽이던 다소 크게 관찰되는 차이를 보였는데 방 류량이 유입량보다 컸던 것은 기존에 저수하고 있던 수량 과 수위변동 조절에 의해 나타나는 것이었다. 총유입량과 총방류량이 동시에 컸던 해는 1998년, 2000년, 2003년 및 2011년이었고, 작았던 해는 2001년, 2008년, 2009년, 2014 년 및 2015년이었다(Fig. 9).총 방 류 량 중 수 력 발 전 방 류 량 의 범 위(평균값)는 10,090.9~40,197.4m
3
s-1
(21,315.3m3
s-1
)이었다. 발전방 류량은 기존 수위상태에서 강수패턴과 총유입량에 의존이 었는데 평균값에 의해 총방류량의 69.5%를 차지하였다.수문방류량은 범위와 평균값이 각각 795.8~20,572.5m
3
s-1
, 7,139.8m3
s-1
이었고, 발전방류량과 달리 방류되지 않 은 해도 5회나 관찰되었다. 수문개방에 의한 크고 작은 방 류는 총유입량이 비교적 클 때로써 1997년~2000년, 2002 년~2007년 및 2009~2012년에 이루어졌고, 무방류는 수 위차가 10m 이하로 작고, 강수량이 1,000mm 이하로 적은 해(2001년, 2008년 및 2013년~2015년)에 있었다. 수위 차 이의 범위는 5.2~15.4m였고, 평균값은 11.7m였다. 이 중 에서 10m 이하였던 해는 2001년, 2008년, 2013년 및 2015 년이 해당하였다. 따라서 이상과 같이 연도별 강우패턴과 주요 수문학적 인자의 증감변동 양상 및 상호 관련성은 매 우 복잡한 것으로 볼 수 있었다. 특히 하천과 달리 저수지 내 수체의 안정성을 고려할 때, 조류경보제 발령일수가 연 도별로 차이를 보이는 것은 기존에 유역의 오염원 영향 (예, 소옥천)에 대한 관점 이외에 또 다른 원인이 관여되고 있음을 암시하는 것이었다. 조류경보제를 약 20년간 운영 해 온 현 시점에 제도의 과학적 향상 측면에서 이에 대한 중간점검이 반드시 필요할 것으로 보여진다. 그리고 최근 들어 조류경보제가 녹조현상의 해결에 대한 심층적 접근 이기보다 세계적으로 공인되지 않은 조사방법(예, 표층 채 수 → 상중하 혼합채수)의 도입도 오히려 의문과 혼란만 가 중시킬 우려가 있다. 또한, 이러한 변법의 문제점으로써 표 층에는 녹조가 매우 많은데 조류경보제는 낮은 단계를 유 지하거나 발령되지 않을 가능성도 있다. 따라서 수생태계 에서 녹조의 생리생태학적 특성을 제대로 고려한 제도적 정책이 수립 및 실행되어야 할 것으로 사료된다.대청호에서 녹조발생의 유형은 크게 두 가지로 구분할
수가 있었는데, 상류와 중류 및 하류에서 각각 독립적으 로 발생하거나 상류나 중류에서 초기 번성을 이룬 후 인위 적인 조절 방류에 의해 이송확산을 통해 하류로 옮겨지는 것이다(Shin et al., 2016). 특히, 조류경보 발령은 저수지 의 수문(watergate) 개방 유무와 관련성이 컸다. 수문을 열 었을 때와 닫아 놓았을 때는 19년 중 각각 14년(73.7%)과 5년(26.3%)이었다(Table 3). 이 중에서 경보를 울린 해와 울리지 않은 해는 각각 13년(68.4%)과 4년(21.1%)이었 다. 그리고 수문을 개방하였을 때 경보를 울린 해는 13년 (92.9%)이었고, 조류경보제를 운영하는 전 지점에서 울린 해는 9년(64.3%)에 해당되었다. 반면에, 수문을 닫아 놓은 상태에서 경보가 울린 해는 4년으로써 80%를 차지하였고, 전 지점에서 발령되었던 것은 겨우 1년(20%)이었다(Table 3). 수문을 열었을 때, 전 지점에서 발령되었던 경우를 제 외하고 한 개 또는 두 개 지점에서 울린 것은 각각 HOI에 서 1회(2009년), HOI와 CHD에서 1회(2007년) 및 MUN 에서 2회(2002년, 2004년)였다. 반대로, 수문을 닫아 놓았 을 때는 HOI에서 2회(2001년, 2008년)와 HOI와 CHD에 서 1회(2013년)였다. 결과적으로, 수문을 열었을 때가 닫 아 놓았을 때보다 조류경보 발령이 월등히 빈번하였고, 영 향 범위도 넓었다. 수문을 열었거나 닫았거나에 관계없이 발령되지 않았던 것은 각각 1회씩(1999년, 2014년)이었다.
대청호의 유입(inflow)과 유출(outflow)에 대한 수문학 (水文學)적 구조는 복잡한 것 같으면서도 비교적 단순하 였다. 그러나 녹조현상과 연관시키게 되면 매우 복잡한 양 상으로 전개되었다(Fig. 10). 따라서 수체가 아주 큰 대댐 저수지의 하류에서 나타나는 녹조현상을 이해하는 데 이 에 대한 유형적 분류는 반드시 필요하였다. 저수지의 수면 상에 내리는 강수 영향을 제외하고 상류와 중류에서 저수
Table 3. The operating results of algae alert system due to the con- dition of with and without watergate-spillway discharge in Daecheong Reservoir from 1997 to 2015.
Item
Watergate-spillway discharge
With Without
Times Year Times Year
Issued All stations 9 1997, 1998, 2000, 2003, 2005, 2006, 2010, 2011,
2012
1 2015
HOI only 1 2009 2 2001, 2008
HOI and CHD 1 2007 1 2013
MUN only 2 2002, 2004 - -
Not issued 1 1999 1 2014
Total 14 5
신재기·강복규·황순진 166
지의 본류(main reservoir)나 지류(tributary)로부터 유량이 유입되는 요인들만 있었고, 하류에는 댐(dam)에 위치한 수문-여수로(watergate-spillway)와 수력발전(hydropower generation) 방류 및 취수(intake)의 유출되는 요인들만 위 치하고 있었다(Fig. 10). 하천 성향이 강한 대청호의 상류 (riverine zone)는 수심이 얕고, 호수 성향이 큰 하류(lacus- trine zone)는 매우 깊다. 따라서 상류는 강-저수지 혼합체 (hybrid) 성격의 전이대(transition zone)가 시공간적으로 폭넓게 전개되었고, 중하류에서는 여름철에 수온성층화가 세게 발달하여 상하층이 뚜렷하게 구분되는 특성을 보이 고 있다(Lee et al., 2010). 대청호에서 녹조(water-blooms) 는 본류의 상류나 지류에서 초기 번성을 매년 유지하는 것 으로 잘 알려져 있다(Shin et al., 2016). 조류경보제 운영 지점 중 HOI는 저수지의 특성을 고려할 때 상류와 하류의 중간적 경계지점으로 볼 수 있겠다(Jeong et al., 2011).
본류와 지류의 유량 조건에서 본류가 지류보다 많을 때 에는 지류(만곡부 포함)에서 수위 상승과 함께 역류(back- flow)가 발생하게 되고, 그 반대는 본류의 하류를 향해 지 류의 유입이 순조롭게 이루어진다. 그러나 저수지의 수위 가 최고점으로 상승하여 댐 지점에서 수문을 개방하게 되 면 본류와 지류 둘 다 육안으로 확인될 정도로 하류(댐)를 향해 급격한 흐름을 보이게 된다(Jung and Hwang, 2003).
따라서 수문을 통해 여수로 방류(발전방류와 취수도 포함) 때 저수지의 전체 수체가 크게 유동하는 대변화의 시기로
이해하면 되겠고, 이 시기에 상류에서 번성하였던 녹조가 하류 쪽으로 원거리를 이송되어 확산되는 것이다. 이것은 수리수문학적 분석과 규명이 뒤따라야 하기 때문에 결코 간단한 문제는 아니었다. 그러나 수문방류량과 빈도에 따 라 이동되는 거리가 결정될 수 있다. 개방하는 수문의 문 비 수를 늘리거나 장기간 대 방류를 하게 되면 저수지의 표층수를 상당량 댐 하류로 흘려서 내보낼 수가 있다(Fig.
10의 A형). 그러나 이외에 수문방류의 조건에 따라 수체가 중하류(HOI, CHD) 구간과 댐 부근에 각각 도달하였을 때 방류를 멈추게 되면, 녹조의 생육 장소를 상류에서 중하류 로 이동시킨 형태가 되는 것이다(Fig. 10의 B, C, E형).
수문방류가 없을 때에는 발전방류와 취수로써 저수된 물을 내보내게 되는데 발전방류량은 증감을 다소 조절(최 대 291.7m
3
s- 1
)할 수 있으나, 취수는 물 사용량을 이미 정 해 놓고 있기 때문에 새로운 이용계획이 반영되지 않는 한 급격한 변동은 드물었고 평균값이 4.6~6.2m3
s-1
(최대값 11.8m3
s-1
) 범위로써 거의 일정하게 이루어지고 있다. 따 라서 발전방류를 통해 유출하는 형태에 의존적이고, 그만 큼 수체의 유동이 반영되는 것이다. 이 경우는 수문방류에 비해 적은 양으로 조절되므로 제한성을 가지고 있으며 시 간과 양적 규모에서 많은 차이를 보인다. 따라서 발전방류 에 의한 수체의 이동거리는 그 양만큼 단속되어 적용되므 로 수문방류에 비해 비교적 짧은 특성을 가진다(Fig. 10의 D, F형). 또한, 발전방류는 중저층에서 이루어지므로 상대Fig. 10. Schematic diagram showing the movement trend of green-tide according to with and without watergate-spillway discharge in Dae-
cheong Reservoir. Abbreviations are as follows: JAN, Janggye; CHU, Chusori; HOI, Hoinam; CHD, Chudong; DAM, dam barrage
and MUN, Muneui, respectively.
적으로 심층수를 유출하게 되어 표층 또는 상층의 물 유 동에 직접적인 그 영향은 크지 않다고 하겠다. Fig. 10의 A~F형 중 A, B 및 E형이 녹조의 이송확산에 가장 큰 영 향을 미치는 최악의 조건으로 볼 수가 있었다. 수문을 개 방하였을 때, 조류경보가 전 지점에서 발령된 것은 A와 E 에 해당하였고, HOI는 C형, HOI와 CHD는 B형 및 MUN 은 A와 D형으로 구분할 수가 있었다. 그리고 수문방류를 하였는데도 경보가 발령되지 않았던 1999년은 강력한 A 형에 속하였다. 반면에, 수문을 전혀 개방하지 않았을 때 전 지점과 HOI 및 HOI와 CHD에서 경보가 울린 것은 F형 이었고, 경보가 울리지 않았던 2014년은 인위적 조절에 의 한 D형으로 분류되었다.
동일한 유형에 속하는 A형의 경우, 전 지점에서 경보가 발령된 것은 댐 부근까지 수체가 이동한 후 방류를 정지한 것이었고, MUN은 수문방류를 할 때 본류로부터 밀려서 들어왔다가 폐문 후 고립된 영향으로 볼 수 있었으며(Yu et al., 2006b), 일정량의 지속되는 취수(Cheongju intake) 와 수중폭기장치의 가동도 일조했을 것으로 사료된다. 이 것은 MUN에서 수문개방 및 폐문 직후에 녹조현상이 단 기간 동안 발생하였기 때문이었고(Jeong et al., 2011), 다 른 이유로는 해석되기가 어려웠다(Figs. 4, 6 참조). 그리 고 1999년과 같이 경보가 울리지 않았던 것은 수위가 최 저로 낮아지면서 상류에서 연중 초기에 번성하였던 녹조 가 연이어 상륙하는 태풍 호우로써 지속적인 대규모 수문 방류가 있었고, 이로 인해 표층수가 거의 대부분 댐 하류 로 흘러가(pulsed-flow) 유실되었기 때문이었다(Yoo et al., 2013; Kim et al., 2014). 수문이 닫혀져 있었는데 전 지점 에서 경보가 울렸던 2015년은 상류로부터 이송되는 영향 이 크지 않았고 다름 아닌 여름 불볕더위의 반짝 가뭄에 따른 국지성 동시다발 형태의 독립적으로 발생되는 현상 이었다(Yu et al., 2006a). 이때 평균농도는 6.5~8.9mgm
-3
범위였고, 발령기간은 14(~40)일로써 CHD를 제외하고 HOI와 MUN에서는 그리 길지 않았다. 2001년과 2008년 은 발전방류와 취수의 복합적인 작용에 의해 각각 HOI와 CHD까지 서서히 이송된 것으로 추정되었다. 2014년은 강 우가 적절하게 있어서 녹조가 최소한 HOI의 하류로 이동될 수 있는 가능성은 충분하였는데도 불구하고 조류경보 제의 운영지점까지 도착되지 않았던 것은 특이하고 이례 적인 사례였다. 이것은 후행하는 장마 전에 조류경보의 경 감을 위하여 사전 예방적 차원에서 지류의 만성적 대발생 수역(CHU)을 대상으로 녹조 제거실험을 장기간 선행하였 던 것으로 확인되었다. 수문의 비개방과 함께 하류로의 이 송확산 방지에 양적 또는 질적으로 상당히 기여하였을 것 으로 사료된다.
수문개방 유무에 따른 저수지 수체와 녹조의 이동 양상 은 Jung and Hwang(2003)과 Yu et al.(2006b)이 제시하고 있는 수리모델의 계산값을 이용하여 유하거리를 추정한 결 과에서, JAN~HOI, JAN~CHD 및 JAN~DAM 구간은 각 각 2.7일, 3.9일 및 4.9일과 13.4일, 19.4일 및 24.2일이었고, CHU~HOI, CHU~CHD 및 CHU~DAM 구간은 각각 1.5 일, 2.7일 및 3.6일과 7.2일, 13.2일 및 18.0일이 소요되었다 (Table 4). 수문개방에 의한 수체 및 녹조의 이동은 비개방 때보다 약 5배 정도 빨랐음을 알 수 있었고, 저수지 내의 그 파급영향도 무척 컸을 것으로 짐작되었다. 무엇보다도 조류경보제 발령에 있어서 촉각이 곤두서게 되고 갑작스런 녹조 증식에 혼란을 초래하게 될 것으로 사료되었다. 또한, 저수지의 연평균 체류시간은 51~231일 범위였고, 평균값 은 144.9일이었다. 체류시간은 저수량에 대한 유입량과 유 출량의 비율로써 결정되어지는데 그 차이가 연도별로 매우 컸다. 유입량이 클수록 그 시간이 짧아지는 경향을 보였다.
이것은 남조류에 의한 녹조는 대부분 군체나 사상체 분류 군이 주류를 이루고 있는데 그 우점 양상과도 다소 관련 성이 있어서. Microcystis는 116~231일(평균값 180.4일), Oscillatoria 106~205일(155.5일), Aphanizomenon 51~
205일(145.0) 및 Anabaena 102~205일(141.0일)의 순이었 다. 그러나 조류경보제의 발령 일수와는 그 반대이거나 관 련성이 적었는데, 체류시간과 남조류의 관계에서 또 다른 작용 요인이 있는 것으로 볼 수가 있었다.
대청호에서 녹조현상의 시공간적인 전개양상에 대한 시 스템적 구조와 그 기능을 요약하여 정리한 것은 Figs. 11, 12와 같다. 녹조현상의 초기 발생 시작은 JAN의 본류구 간과 CHU의 지류 만곡부에서 각각 우심수역으로써 취약
Table 4. Estimated values for the travel distance of water bodies and green-tide toward lower part of reservoir by condition with and with-
out the watergate-spillway discharge in Daecheong Reservoir.
Item/Zone Upreservoir Mid-downreservoir Remark
Without Current (m s
-1) 0.040~0.100 0.019∼0.026 Jung and Hwang (2003), Yu et al. (2006)
Distance (km day
-1) 7.43 1.94 This study
With Current (m s
-1) 0.220~1.200 0.110 Jung and Hwang (2003), Yu et al. (2006)
Distance (km day
-1) 19.00 9.50 This study
신재기·강복규·황순진 168
하다. 이때는 저수지의 수위가 최저 하한으로 하강되었거 나 진행될 때로써 연중 매우 짧은 기간이며 다양한 육수학 적 요인이 순차적으로 복잡하게 관련되어 있다(Shin et al.,
2016). 장마 또는 태풍이 동반하는 강한 호우에 의해 유입 량이 급증하게 되고, 발전방류가 지속 또는 강화되면서 저 수지 내 흐름 유속에 의해 녹조가 하류로 서서히 이동하
