Seasonal Variation of Water Temperature and Dissolved Oxygen in the Youngsan Reservoir

영산호 수온과 용존산소의 계절적 변화에 관한 연구

박용우^†ᆞ조기안^*ᆞ조 철^**

군산대학교 새만금 연안 해양환경팀 BK21

*초당대학교 환경보건학과

**전남대학교 해양학과

Seasonal Variation of Water Temperature and Dissolved Oxygen in the Youngsan Reservoir

Yongwoo Park^†⋅Kian Cho^*⋅Cheol Cho^**

Brain Korea 21 Team, Kunsan National University

*

Department of Environmental Health, Chodang University

**

Department of Oceanography, Chonnam National University (Received 27 September 2007, Accepted 19 November 2007)

Abstract

To recognize the spatial and temporal variability of water temperature and dissolved oxygen in the Youngsan reservoir formed after dike construction, water temperature and dissolved oxygen data have been observed and analyzed from April, 2002 until March, 2003. As the results, certain stratifications were not distinctly observed in the Youngsan reservoir during summer, which was estimated due to the drainage characteristic from the Youngsan water gates. The yearly variation of water temperature in the Youngsan reservoir is shown seasonally ups and downs by the heat exchange between the atmosphere and the reservoir. On the other hand, dissolved oxygen and water temperature in the Youngsan reservoir have been shown inversed proportional correlation. As the calculation results of residence time and water exchange rate, it is considered that the feature of oxygen distribution is determined by the drainage characteristics caused the shortest residence time during summer, which also disturbed the formation of stratification in the Youngsan reservoir.

keywords : Dissolved oxygen, Heat exchange, Residence time, Water exchange rate, Water temperature, Youngsan reservoir

1. 서 론

¹⁾

우리나라는 그동안 하천, 저수지 및 호소의 개발과 보전 에 관한 정책의 결정은 수자원 확보, 홍수 및 범람의 예방 과 같은 방재 등을 목적으로 이루어져 왔으나, 다양한 시 대적 요구에 의해 근래에는 개발보다는 환경 및 생태의 보 존에 관한 많은 노력과 연구 등이 이루어지고 있다. 수자 원의 이용이라는 측면에서도 과거에는 농업에의 이용을 목 적으로 하는 농업용수 개발에서부터 산업화에 따른 공업용 수와 인구 집중 지역 및 새로 개발되어지는 신도시에 필요 한 생활용수의 개발에 따라서 새로운 수자원의 개발이 끊 임없이 요구되고 있다. 이러한 요구에 따라 최근에는 많은 수자원 정책 및 그와 관련된 수질 개선 방법 등이 활발하 게 연구되고 있다(건설교통부와 한국수자원공사, 1999; 윤 석영, 2004).

수자원의 개발에 있어서 우리나라의 내륙 산간지역에서 는 홍수 조절, 용수 공급 및 수력 발전 등을 목적으로 대

†

To whom correspondence should be addressed.

[email protected]

청댐, 용담댐, 소양강댐, 주암댐 등 크고 작은 많은 인공 댐들이 건설되었고, 그에 따라 부수적으로 많은 인공 호소 들이 생겨났다. 또한 해안지역에서는 식량 생산을 위한 농 업용지, 산업 단지 개발을 위한 공업용지 등의 개발과 새 로운 용수 개발을 목적으로 수심이 얕은 조간대와 하구 지 역을 연결하는 방조제의 건설이 낙동강, 영산강, 금강 등에 서 실시되었다. 하지만 연안 및 하구 지역에 조성된 거대 한 인공 담수호는 수자원의 이용과 수질관리에 있어서 여 러 가지 문제점을 노출하였고, 이를 해결하기 위한 새로운 대책들이 재조명되고 있다(한국환경정책평가연구원, 2004, 2005, 2006).

일반적으로 호수 및 저수지와 같이 닫힌 수환경 시스템

에서 기온이 높은 하계에는 호소 내부에서 온도차가 크게

변화하는 수온약층이 발생하는 것으로 알려져 있다. 이러한

성층화로 인해 수온약층이 발달하는 동안에는 표층수와 저

층수간에 산소 교환이 거의 이루어지지 않게 되고, 저층에

서는 용존산소가 소모됨에 따라 발생하는 빈산소 수괴가

형성된다. 이러한 현상에 대해서는 많은 연구가 이루어져

있다(이흥수 등, 2005; Takasaki, 1982). 하계에 발생하는

성층현상이 추계와 동계 동안에는 기온이 낮아지면서 대기

Fig. 1. Study area of the Youngsan reservoir (●: Sampling station).

와의 열교환에 의해 표층수가 냉각되어 밀도가 높아지게 된다. 이때 높아진 밀도로 인해 무거워진 표층수가 저층으 로 침강하는 대류현상이 발생하고, 이러한 대류현상은 저층 으로 산소를 공급하는 역할을 하게 된다(선연종 등, 2003).

호소와 같은 수환경에서 저층의 용존산소가 고갈되는 원 인으로는 생물체의 사체나 배설물 등이 저층으로 침전하여 미생물 등에 의한 분해작용으로 저층의 산소를 소모하는 것이 주원인으로 알려져 있으며, 저산소층의 지속기간은 수 심에 따른 수온약층의 지속기간과 기타 생물활동에 따른 산소소모 등에 의한 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 또 한 태양복사량, 기온, 바람 및 강우의 빈도 및 형태에 따른 물리적인 요인과, 저수지의 형태, 방류구의 형태 및 위치에 따라 발생하는 수온 약층에 의해 호수의 화학적, 생물학적 특성의 영향을 받기도 한다(안광국, 2000; 이흥수 등, 2005;

Harper, 1992; Kalff, 2002).

따라서 호소 환경과 같이 닫혀있는 수환경 시스템에서는 수온의 공간분포와 시간변화에 따른 수온약층의 발생 메카 니즘을 정확하게 파악하는 것이 호소 환경의 수질 및 생태 를 이해하는데 매우 중요하다.

본 연구는 영산호에서 2002년 4월부터 2003년 3월까지 관측된 수온 및 용존 산소 자료의 분석을 통해, 계절에 따 른 수온의 수평․수직 구조와 빈산소층의 변화 특성을 파 악하였고, 영산호내의 수온변화와 체류시간 및 열수지의 상 호관계를 파악하여 방조제 건설에 따라 형성된 인공 담수 호의 수질 및 생태계 변화 연구에 기초자료로 제공함을 목 적으로 한다.

2. 연구방법

한반도 서남단에 위치한 인공 담수호인 영산호는 전라남 도 서남부 연안개발을 하여, 식량 생산 경작지의 확대, 이 에 따른 농업용수 및 공업용수 확보를 목적으로 하는 영산

지칭하며, 총 34.6 km 의 면적과 하구둑 만수위 기준으로 2.536×108 m

의 저수량을 갖는 인공 담수호이다(농업진흥 공사, 1984).

영산호 내부의 수리구조를 파악하기 위하여 2002년 4월 부터 2003년 3월까지 영산호 방조제 내측에서 상류 방향으 로 6개 정점을 선정하여 관측을 실시하였다. 수심의 변화 가 다양한 영산호 특성을 고려하여 하구호의 좌안과 우안 을 기준으로 수심이 가장 깊은 곳에서 Seabird 회사의 SBE19를 이용하여 표층부터 저층까지 수온을 연속적으로 측정하였고, 용존산소는 채수기를 사용하여 표층과 수심 2, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16 m에서 채수하여 실험실에서 적 정법(Winkler법)을 사용하여 용존산소 농도를 측정하였다.

SBE19에서 관측된 수심 연속 수온 자료를 용존산소를 측 정한 수심별로 분리하여 자료 해석에 사용하였다.

관측한 수온자료는 동기간 목포기상대에서 관측한 기온, 운량, 증기압, 풍속, 습도 등의 기상자료와 함께 열수지 계 산에 이용하였고, 체류시간 계산시 영산호 방조제 배수갑문 의 배출량은 한국농촌공사 영산강 사업단에서 제공한 자료 를 이용하였다.

3. 결과 및 고찰

계절에 따른 수심별 수온 및 용존산소의 변화특성을 파 악하기 위해 영산호에서 12개월 동안 관측된 수온과 용존 산소 시․공간적인 분포를 다음과 같이 살펴보았다.

3.1. 계절별 수온의 수직․수평 구조

Fig. 2는 정점 YSL 6에서 2002년 4월부터 2003년 3월까

지 월별 수심에 따른 수온 수직 분포를 나타낸다. 2002년

4월의 표층 수온은 15.2°C, 저층 수온은 12.0°C로 표층과

저층간의 온도차는 3.2°C로 나타났다. 5월에는 표층 수온이

19.5°C, 저층이 15.1°C로 4.4°C의 수직적인 수온차를 보였

으며, 6월의 수온은 표층과 수심 2 m인 곳의 수온차는

3.0°C로 나타났으며, 표층과 저층 수온차는 4.4°C로, 표층

부근에서의 수온의 상승이 급격하게 나타났다. 7월에는 표

층 수온이 25.3°C, 저층에서는 21.2°C로 수온차가 4.1°C였

으며, 8월에는 표층에서 수온이 28.5°C까지 상승하였고, 표

층과 저층의 수온차는 6.3°C였다. 표층에서 수심 5 m까지

의 수온 변화가 크게 나타나지 않았고, 수심 5~7 m 사이

에서는 부분적으로 수온 약층이 나타났으나 뚜렷하지 않았

다. 표층과 저층의 수온차는 4월에서 8월까지 3.2~6.3°C로

서 수온 약층이 충분히 발달하지 않는 특징을 보였고, 표

Fig. 2. Vertical profiles of water temperature ( ) and dissolved oxygen ( ) at YSL 6.

층에서 가열이 일어나는 동안 저층에서도 수온이 상승하여 수층 전체의 수온이 동시에 올라가는 경향을 보였다.

수온이 가장 높은 8월을 지나면서 이후에는 점차적으로 수온이 하강하는 경향을 보였고, 9월에는 수심별 수온변화 가 표층부터 수심 4 m까지 상대적으로 작았지만, 표층과 저층간 수온차는 2.5°C로 나타났다. 10월에 들어서면 수온 분포는 수직적으로 균일한 등온상태를 나타냈으며, 표층 수 온은 21.1°C, 저층 21.5°C로 표층과 저층의 수온차는 매우 작았다. 11월에도 계속해서 수온이 하강하였고, 수심 8 m 이하에서는 수온이 다소 상승하는 일시적인 수온 역전 현

상도 나타났으며, 12월의 수직 수온분포는 10.0°C미만의

구조를 보였다. 2003년 1월 수온의 수직 구조는 수심 12

m와 15 m 사이에서 수온이 역전되는 현상이 나타나는데,

표층부터 수심 10 m까지 수온은 4.0°C이하이나, 수심 12

m에서는 4.7°C, 14 m에서는 7.2°C로 수심이 증가함에 따

라 수온이 높아졌다. 이것은 2002년 12월에서 1월 사이에

유입된 담수가 하구언 방조제를 통해서 목포연안으로 방류

되지 못함으로서 이 기간 동안 표층 냉각에 따른 대류 과

정에서 저층에 영향을 주는 것으로 판단된다. 2월에는 표

층수온이 7.0°C, 저층수온은 5.8°C로 수온차가 1.2°C였으

Fig. 3. Vertical section of water temperature from Apr. 2002 to Mar 2003, left side is sea dike (YSL 6) and right is upper stream of Youngsan reservoir (YSL 1).

저층까지 12개월 동안 수온변화는 표층에서 3.8~28.5°C, 저 층에서 5.8~24.3°C로 나타났다. 수직 수온의 변화 폭이 가 장 큰 때는 2003년 8월에 수온차가 6.3°C로 나타났으며, 반면에 가장 낮을 때는 2003년 1월이었다. 수온의 상승 및 하강은 표층에만 집중되어있지 않고 표층에서 저층까지 일 정한 온도 범위로 연속적으로 상승과 하강을 하는 것을 알 수 있는데, 이는 월별 수온 수직 구조에서 볼 수 있듯이 영산호에서는 연중 뚜렷한 수온 약층과 성층 현상이 나타 나지 않고 있었으며, 겨울철에는 표면 냉각 등에 의해 수 직 대류 작용이 활발하게 일어나기 때문인 것으로 사료된 다.

Fig. 3은 영산호 하구언 방조제에서 상류방향 6개의 정점 에서 2002년 4월부터 2003년 3월까지 수온의 수평․수직 구조를 나타낸다. 4월부터 표층이 가열되면서 수심이 얕은 영산호 상류가 수심이 깊은 하류에 비해 수온이 높게 나타

층과 같은 모습이 나타났다. 9월부터 영산호 전체가 수온 이 낮아지기 시작하였고, 10월부터는 영산호 하류인 하구 언 부근보다 낮은 수온을 가지는 물의 유입이 영산호 상류 지역에서 나타났다. 11월과 12월의 수온구조는 영산호 상 류 지역의 낮은 수온을 가지는 담수가 하류 방조제 부근으 로 유입되는 모습이 뚜렷하게 나타나는데, 이것은 수면을 통한 대기와의 열교환 작용에 의해 상대적으로 수심이 얕 은 지역이 수심이 깊은 지역보다 수층 전체에서 대류에 의 한 수온의 하강이 빠르게 이루어지기 때문인 것으로 사료 된다.

2003년 1월에는 저층 수온이 표층보다 높은 수온 역전현

상이 나타나는데, 하구언 방조제 부근 저층의 높은 수온은

12월에 만들어진 수괴가 대류에 의해 완전히 희석되지 않

고 남아 있는 것으로 판단된다. 2003년 2월의 수온 구조는

표층과 저층간의 수온차가 매우 작은 완전 혼합형태의 수

온분포를 보이는데, 이는 수직적인 대류가 활발하게 나타났 기 때문인 것으로 판단된다. 3월에는 상류지역으로부터 영 산호보다 수온이 높은 물이 유입되는 특징을 보였고, 수심 이 깊은 하구언 방조제 부근에서는 수심이 얕은 상류와 비 교해 수온의 변화가 빠르게 일어나지 않지만, 표층에서 저 층까지 월별 수온 변화는 균일하게 상승과 하강이 이루어 지고 있다는 것을 알 수 있다.

3.2. 계절별 용존산소의 수평․수직 구조

Fig. 2는 정점 YSL 6에서 2002년 4월부터 2003년 3월까 지 월별 수심에 따른 용존산소 수직 분포를 나타낸다. 용 존 산소의 수직 구조는 4월에 표층에서 8.3 mg/L, 저층에 서 2.7 mg/L로, 저층으로 갈수록 농도가 감소되었다. 5월의 용존 산소 분포는 4월과 비슷한 구조를 보이지만 저층의 용존 산소는 2.2 mg/L로 더 낮아졌다. 6월에는 표층에서 수심 4 m까지를 제외한 전 층에서 용존 산소가 3.0 mg/L 이하로 나타났고, 표층부터 저층까지 낮은 농도를 보였다.

7월의 용존 산소는 더욱 낮아져 표층에서 저층까지 3.8~0.3 mg/L였고, 수심 14 m이하의 저층에서는 용존 산소 농도가 0.5 mg/L이하의 빈산소층이 형성되었다. 8월의 용존 산소 는 저층에서 0.5 mg/L로 빈산소층이 형성되어 있었으나, 표층은 7.2 mg/L로 용존 산소 농도가 다시 높아졌는데, 이 는 우기인 8월의 특성으로 상류로부터 담수가 대량 공급되 었거나, 대기로부터 공급되어 대류되지 못한 특성에 기인한 것으로 판단된다. 9월에는 용존 산소의 농도가 점차 증가 하여 전수층에서 4.7 mg/L이상으로 나타났고, 표층에서 용 존 산소의 농도는 7.3 mg/L였다. 10월에는 저층에서 용존 산소의 농도가 다소 낮아지나 표층부터 저층까지의 용존 산소 농도 범위는 8.2~3.5 mg/L였다. 11월에는 표층에서 저층까지 8.1~9.7 mg/L로 비교적 용존 산소가 높은 수직 구조를 보였다. 12월에는 11월에 비해서 용존 산소 농도가 다소 낮게 나타났으며, 표층에서 저층까지 8.0~8.6 mg/L였 다. 2003년 1월의 용존 산소는 표층에서 10.7 mg/L로 가장 낮게 나타났고, 수심 8 m에서 15.9 mg/L로 가장 높은 농 도를 보였으며, 저층에서 약간 낮아지는 특징을 보였다. 이 것은 표층에서 형성된 높은 용존 산소층이 대류에 의해서 침강하여 중층에서 나타나기 때문인 것으로 판단된다(半谷 高久와 小倉紀雄, 1985; 松尾直規, 1992). 2월의 용존 산 소 구조는 표층부터 저층까지 비교적 높은 농도인 11.2~13.9 mg/L로 나타났다. 3월에는 수온이 조금씩 높아지면서 반대 로 용존 산소 농도는 점차 낮아졌고, 저층에서는 9.1 mg/L, 표층에서는 11.5 mg/L로 관측되었다.

정점 YSL 6에서 2002년 4월부터 2003년 3월까지 표층 부터 저층까지 용존산소 수직 구조를 시간에 따른 변화를 나타내는 것은 Fig. 4(b)와 같다. 용존 산소 농도가 높은 시기는 2002년 10월부터 2003년 3월이었으며, 수온이 상승 하는 시기에 용존 산소 농도가 낮아지는 경향을 나타냈다.

2002년 4월부터 저층에서 4.0 mg/L 이하 용존 산소가 관 측되었고, 수온이 올라감에 따라 용존 산소의 농도가 감소 하면서 2002년 7월과 8월에는 수층 전체에서 용존산소 농

(a)

(b)

Fig. 4. Seasonal variation of water temperature. (a) and dis- solved oxygen (b) profile at YSL 6

도가 낮아졌다. 용존 산소가 높은 시기는 2002년 12월부터 2003년 2월로 나타났으며, 표층보다는 수심 5~10 m 지점 에서 15.0 mg/L이상의 높은 농도를 나타내었다.

하구언 방조제로부터 상류 방향 6개 정점에서 2002년 4 월부터 2003년 3월까지 관측된 용존산소의 수평․수직 구 조를 Fig. 5에 나타내었다. 2002년 4월의 용존 산소 분포는 상류에서 담수가 유입되는 지점이 용존 산소의 농도가 높 았으나, 정점 YSL 4, 5, 6의 저층에서는 5.0 mg/L이하의 낮은 용존 산소농도가 관측되었다. 5월에는 수심이 깊은 지 역의 용존 산소가 낮았으며, 저층에서 4.0 mg/L이하 빈산소 층이 형성되는 것을 볼 수 있다. 6월의 용존 산소는 영산호 의 상류 지역과 표층에서 높은 농도 분포를 보이고, 5월과 비슷한 공간분포를 보이나 수심이 깊은 정점 YSL 6의 저 층에서는 2.0 mg/L이하의 용존산소가 지속적으로 유지되고 있다. 또한 수심이 깊어짐에 따라 대기와의 혼합작용이 표 층에서만 이루어져 저층까지 용존산소가 충분히 전달되지 않고 있음을 알 수 있다. 7월에는 용존 산소 농도 4.0 mg/L 이상은 수심 5 m이하보다 얕은 곳에서 관찰되며, 수심 5 m 이상의 수심에서는 용존 산소가 거의 존재하지 않는 빈산 소 환경이 발생하였다. 8월에 4.0 mg/L이상의 용존 산소 농 도는 수심 8 m이하에서 나타났고, 수심 10 m이상에서는 빈산소 환경이 지속적으로 유지되고 있는 것으로 나타났다.

9월에는 수평․수직적으로 용존 산소 농도가 낮았던 8월과 비교해 전수층에서 용존 산소가 높아졌으며, 특히 수심이 깊은 곳의 용존 산소 농도가 4.0 mg/L이상으로 증가하였다.

10월에는 하구언 방조제 부근 수심이 깊은 곳에서 4.0 mg/L이하의 용존 산소 농도가 관측되었고, 표층부근과 담 수가 유입되는 상류에서는 10.0 mg/L이상의 용존 산소 농 도가 관측되었다. 11월에는 상류지역을 포함한 영산호 전체 에서 9.0 mg/L이상의 높은 용존 산소 농도가 관측되었다.

이것은 조사기간 동안 상류 쪽에서는 낮아진 기온에 의한

Fig. 5. Vertical section of dissolved oxygen from Apr. 2002 to Mar 2003, left side is sea dike (YSL 6) and right is upper stream of Youngsan reservoir (YSL 1).

수온의 냉각과 바람에 의한 혼합에 의해서 수온이 하구호 보다 크게 낮아지며 용존산소 농도가 급격히 증가하게 되 는데, 특히 수온이 낮을수록 물속에 포화될 수 있는 용존 산소가 많아지기 때문인 것으로 판단된다. 12월은 11월과 비슷한 용존산소 농도의 공간분포를 보이고, 상류쪽에서 유 입되는 것보다 높은 용존 산소를 포함하고 있는데, 이는 수 온의 하강효과에 의해서 나타나는 것으로 판단된다. 2003년 1월에는 정점 YSL 1부터 6의 표층부터 저층까지 상대적으 로 높은 용존 산소 농도를 보이고 저층이 표층보다 높은 농도를 보이는데, 이는 표층냉각에 따른 대류 효과에 의한 영향으로 판단된다. 2월은 1월보다 전체적으로 용존산소 농 도는 낮아졌으나 대제로 비슷한 수직구조를 보였다. 3월에 는 표층 용존 산소 농도가 다시 낮아지고, 저층에서 용존 산소 농도는 8.0 mg/L 이상으로 관측되었다.

3.3. 수온과 용존산소 관계

호소와 같은 닫힌 시스템 내에서 용존 산소 농도에 영향 을 미치는 요인으로는 대기로부터 공급과 수체 내에서의 성층화, 생화학적인 반응 등으로 알려져 있다. 특히, 주암 호나 용담호와 같은 산간지역에 만들어진 인공 호수에서는 대기로부터 공급된 산소가 성층의 발달에 따라 차단됨으로 서 용존 산소의 최소층이 형성되는 것으로 알려져 있다(선 연종 등 2003; 이흥수 등, 2005).

Fig. 6. Correlation between water temperature and dissolved oxygen at YSL 6.

2002 년 4월부터 2003년 3월까지 정점 YSL 6 지점에서 월별로 관측된 수온과 용존 산소농도의 상관관계는 반비례 관계를 나타냈으며, 결정계수(R

) 는 0.70으로 나타났다(Fig.

6). 인공 담수호인 영산호에서 성층과 수온약층이 뚜렷하지

않은 기간 동안에도, 낮은 용존 산소 층이 형성되는 것은

용존 산소량이 수온과 반비례 관계로 수온이 상승함에 따

라 용존 산소량이 감소하고, 수온이 하강함에 따라 용존

산소량이 증가하는 것이 높은 상관관계가 있음을 의미한다.

호소환경 내에서 용존산소는 비생물적인 산화, 생물체의 산소호흡 등에 의해 소모되며, 수면의 대기로부터 바람에 의한 교란에 의해 녹아드는 산소, 수중식물의 광합성 중 방출되는 산소가 용해되어 공급되어진다고 알려져 있다. 비 생물적인 산화 및 생물체 호흡 이외의 것으로 증류수에서 수온 증감에 따라 산소와 반비례 관계로 나타나는데, 상기 결과는 여러 가지 반응에 의해서 공급되는 산소가 포화량 에 도달하기까지 물에 충분히 녹지만, 수온 상승에 따라 감소되고 수온 하강에 따라 증가된다는 기존 연구 결과와 잘 일치한다(半谷高久와 小倉紀雄, 1985).

이와 같은 영산호에서 수온과 용존 산소 분포의 반비례 관계를 통해서 다음 두 가지의 원인을 다시 생각해 볼 필 요가 있다. 1)영산호의 수온 상승과 하강을 결정하는 요인, 2)계절에 따른 수온 성층이 뚜렷하게 발달하지 않으면서 수층 전체의 수온이 상승과 하강을 하는 이유.

따라서 영산호 내부의 수온을 좌우할 것으로 생각되는 대기와 호수 표면을 통한 열교환을 다음과 같이 계산해 보 았다.

3.4. 영산호와 대기간의 열교환

영산호의 열변화가 수표면을 통해서만 이루어진다고 가 정하면, 영산호 내부의 열 변화량은 다음과 같이 표현할 수 있다.



 

 

 

 

 (1)

여기서, 

는 수표면에서 대기와의 상호 작용으로 잃거 나 얻은 열교환량, 

는 수표면을 통해 대기로부터 유입되 는 태양 단파 복사량, 

는 수표면을 통해 대기로 방출되 는 장파복사량, 

는 수표면과 대기 사이에서 수증기압 차 이에 의해서 물이 증발하면서 수표면이 열에너지를 잃는 잠열량, 

는 수표면의 수온과 대기간의 온도 차이에 의한 현열량을 나타낸다. 식 (1)에서 

가 양의 부호이면 대기 에서 수표면을 통해 영산호 내부로 열이 유입되어 수온이 상승함을 의미하고, 부호가 반대이면 수표면을 통해 열을 빼앗겨 수온이 하강한다고 할 수 있다. 또한 이때에는 수 온이 표층에서부터 낮아지면서 표층과 저층간의 수직적인 대류가 발생하게 된다.

수표면과 대기 경계면에서 발생하는 열 교환 과정은 식 (2), (3), (4), (5)에 의해 표현이 가능하다(Smith and Dobson, 1984).



   

(2)

여기서, 

는 목포 기상대에서 관측한 일사량 자료로, 월 평균값으로 자료를 변환하여 사용하였다. 는 호소 표 면의 반사도로, 입사각과 파장에 따라 다르나, 물의 경우에 는 0.05~0.15의 범위를 가지며, 평균 0.10이 적용된다. 본 연구에서는 Tailing(1957)이 제시한 0.10을 사용하였으며,

선연종 등(2003)이 주암호의 열수지 교환에서 사용한 것을 참고하였다.

호소 표면에서 장파 복사량은 다음과 같이 나타낼 수 있 다(선연종 등, 2003; Budyko, 1974; Kraus and Rooth, 1961).



 

  

  

  



 

 (3)

여기서 는 수표면 발산율로 0.985, 는 Stefan-Boltzman 상수 (5.6705×10

W/m

․K

), 

는 수표면의 절대 온도 (K), 

는 대기 절대온도(K), 

는 수표면 위 대기 수증기 압(hPa), 그리고 는 운량을 나타낸다.

현열량은 다음과 같이 나타낼 수 있다(Businger, 1973;

Guarini et al., 1997; Stathers et al., 1988).



 







  

 

 (4)

여기서 

는 공기의 밀도(1.2929 kg/m

), 



는 공기의 정압비열(1003.0 J/kg․K), 

는 열전도에 관한 무차원수 (0.0014), 그리고 는 풍속(m/s)을 나타낸다.

잠열량은 다음과 같이 나타낼 수 있다(van Bavel and Hillel, 1976).



 





  

 

 (5)

여기에서 

는 단위 질량당 증발잠열(J/kg), 

는 증발 에 관한 무차원수(0.0014), 

는 호소표면에서의 비습, 

는 대기의 비습을 나타낸다.

3.5. 열교환량

2002년 1월부터 2003년 8월까지 월별 평균한 태양 복사 량(

), 장파복사량(

), 현열량(

), 잠열량(

), 대기와 영산호 사이 순 열교환량(

)를 계산하였다(Fig. 7). 태양 으로부터 입사되는 태양 복사량은 2002년 6월에 228.2 W/m

로 최대를 보였으며, 2002년 12월에 78.5 W/m

로 최 소였다. 태양으로부터 입사되는 단파복사량은 2002년 6월 에 가장 높게 나타나는 것은 운량과 관계가 높은 것으로 알려져 있으며, 2002년 6월의 운량은 0.46으로 연중 가장 낮게 나타난다.

장파복사량은 2002년 10월과 11월에 112.6 W/m

와 112.3 W/m

로 가장 높은 값을 보였고, 수증기압이 높은 2002년 7월과 8월에는 각각 49.1 W/m

과 59.7 W/m

로 낮 게 나타났다. 이때에는 태양복사량과 장파복사량이 크기가 비슷해지면서 영산호 수표면과 대기간의 가열과 냉각이 미 세하게 교차로 일어나게 된다.

풍속, 수온과 기온의 차이에 의해 결정되는 현열량은

2002년 10월과 11월 그리고 2003년 3월에 각각 45.6

W/m

, 47.2 W/m

과 40.1 W/m

로 높은 값을 나타냈고, 최

Fig. 7. Monthly heat flux from Apr. 2002 to Mar. 2003. Qs:solar radiation flux (a), Qb:back radiation flux (b), Qh:sensible flux (c), Qe:latent flux (d) and QT:total net heat flux (e)

소값은 2002년 7월에 1.43 W/m

로 나타났다. 춘계와 추계 에는 대기와 호수간의 높은 수온차로 인해 현열량이 최대 로 나타났으며, 대기로부터의 많은 태양복사에 의해서 수온 이 올라가는 하계의 7월과 8월에는 대기와 수표면간의 온 도차가 작기 때문에 최소로 나타났다.

잠열량은 2002년 7월에 3.9 W/m

로 최소값, 2002년 8월 에 60.6 W/m

로 최대값이 계산되었다. 잠열량은 대기 중 상대 습도가 낮고, 풍속이 커질수록, 수표면과 대기 온도차 가 커질수록 높게 나타났다.

태양복사량으로부터 장파복사량, 현열량, 잠열량을 뺀 순 열 교환량은 2002년 6월에 148.3 W/m

로 최대값을 보였 다. 순열량이 양의 값을 가지는 2002년 4월부터 9월까지는 수면을 통해 대기로부터 열에너지가 공급되어 영산호를 가 열시키고, 반대로 순열 교환량이 음의 값이 되는 2002년 10월부터 2003년 3월까지는 영산호를 냉각시킨다. 월별 순 열 교환량의 변화는 Fig. 4(a)와 같이 월별 수온 분포의 변 화와 비슷한 경향을 보인다.

따라서 대기로부터 열을 얻는 기간 동안에는 영산호 전 체 온도가 상승하게 되고, 대기로 열을 잃게 되는 10월부 터는 영산호 전체 온도가 하강하게 되는 것을 알 수 있다.

선연종 등(2003)의 연구에서도 대기와 주암호의 열교환을 계산하였는데, 주암호의 경우 계절에 따라 수층 전체에 걸 쳐 수온이 상승 또는 하강하지 않고 표층과 저층 사이에 계절적인 수온 약층이 형섬됨을 보여 주었다. 영산호는 산 간 지역에 만들어진 인공 호수와는 달리 수층 전체가 수온 의 상승과 하강이 이루어지는데, 이에 따라 용존 산소와

반비례적 상관관계가 뚜렷하게 나타나는 특징을 보인다. 또 한 4월에 저층에서 빈산소 환경이 발생하는 것이 관측되는 데 이는 산간 지역의 인공 담수호와는 다른 기작에 의해서 나타나는 것으로 판단된다. 따라서 영산호의 물리적 특성에 많은 영향을 줄 것으로 판단되는 하구둑 방류구의 특성 및 방류량에 따른 영산호 내부의 체류시간을 다음과 같이 검 토하였다.

3.6. 방류구 특성 및 체류시간

영산호 내에서 수온 약층과 성층이 뚜렷하게 발달하지 않 고, 수층 전체가 가열되는 현상은 영산호의 물리적 특성에 영향을 줄 것으로 판단되는 하구둑 방류량과 영산호의 체적 을 이용하여 체류시간과 교환율을 계산하여 알아보았다.

영산호는 영산강 하류 지역에 해수의 역류를 막기 위해

건설된 하구둑에 의해 생성된 인공 담수호이다. 영산호의

배수갑문 조작은 산간지역에 형성된 담수호와는 달리 방조

제 외측 해수면 수위와 내측 수위의 변화에 따라 방류량의

조작이 이루어지는 특징을 보인다. 이는 홍수 관리 및 담

수호 방조제 제방안전을 위해 안전 수위를 유지 목적으로

방류가 이루어지기 때문이지만, 방류시기는 방조제 외측 조

위의 변화에 의해 결정되는 구조로 장시간 동안의 방류가

어렵다는 단점이 있다. 또한, 배수갑문이 sluice형의 수문으

로 저층부터 표층까지 전층의 담수가 바다로 동시에 방류

되는 수문구조를 가지고 있다. 따라서 영산호는 주암호나

용담호와 같이 방류구가 특정한 위치에 만들어져 있기 때

문에 형성되는 1차, 2차 수온 약층과 같은 물리적인 현상

Fig. 8. Mean (a) and standard deviation (b) of discharge and discharge frequency from 1997 to 2006. Dicharge (c), dicharge frequency (d), exchange rate (e), residence time (f) from Apr. 2002 to Mar. 2003 in Youngsan reservoir.

과는 다른 순환체계를 가질 것으로 판단된다.

호소는 하천보다 상대적으로 체류시간이 길기 때문에 호 소 내부로 유입된 오염 물질 또한 긴 체류시간을 갖게 된 다. 따라서 호소의 체류 특성은 그 호소의 생물 생산, 수질 상태, 부영양화와 밀접한 관계를 갖게 된다(류일광과 이치 영, 2000). 이러한 체류 특성을 이용하여 호소를 성층의 강 도에 따라 분류하면, 전 계절 동안에 수온 성층이 발생하 지 않고 전 층에서 대류의 순환이 발생하는 특징을 갖는 수심이 얕은 호수나 저수지에 나타나는 혼합형(⍺>20, ⍺

>

5), 여름철에 단기간 동안 약한 수온성층이 발달하나 방류 나 바람 등에 의해서 혼합되어 성층이 소멸되는 중간형(⍺

=10~20, ⍺

=1~5), 안정한 수온 성층이 년 중 형성되는 성 층형(⍺<10, ⍺

<1)으로 분류를 할 수 있다. 분류의 기준은 유출량이 많은 7월이나 8월이다(日本土木学会編, 1999; 松 尾直規, 1992).

영산호의 체류 시간은 다음 식으로 계산하였다.



  

 × 

  

 (6)

여기서 T

: 월별 체류시간, V: 영산호 저수량, Q

: 월별 유출량(유입량), D

: 월별 일수, ⍺

: 월별 영산호 교환율,

⍺는 연 교환율이다. 월별 유출량은 영산호 상류로부터 유 입되는 유입량, 용수 취수량, 강수량 및 증발량이 포함되어 야 하나, 배출량에 비해서 용수 취수량과 강수량, 증발량이 상대적으로 작은 값이므로 영산호 방조제 배수 갑문에서의 배출량으로 단순화하였고, 이를 이용해 영산호 내에서 체류

시간과 교환율을 산정하였다.

Fig. 8(a)와 Fig. 8(b)는 1997년부터 2005년까지 영산강 방조제 배수갑문에서 방류된 월별 방류량과 월별 평균 방 류 횟수의 평균과 표준 편차를 나타내었다. 우기인 8월에 영산호 방조제 배수 갑문을 통한 방류가 가장 많이 이루어 졌고, 최대 방류 회수는 7월에 기록되었다. 이것은 영산호 의 수위가 일정 수준에 이르면 방류하는 것이 아니라 영산 호 외부의 조위와 상류로부터 유입량 등을 예상하는 것에 따른 차이로 판단된다. 관측 시기 동안의 방류량을 나타내 는 Fig. 8(c)와 Fig. 8(d)에서 볼 수 있듯이 7월, 8월, 9월의 방류량이 전체 방류량의 80%이상을 차지하고 있으나, 방류 횟수는 4월부터 10월 사이에 90%로 이 기간 동안 배수 갑 문이 집중적으로 개방되었다는 것을 알 수 있다.

2002년 4월부터 2003년 3월 사이의 1년간 체류시간(T)과 교환율(⍺)은 T=33.21일과 ⍺=10.99이다. 영산호는 하계동 안 방류량이 증가함에 따라 교환율이 높아지고(7월: ⍺

=1.36, 8월: ⍺

=5.03, 9월: ⍺

=1.97), 체류 시간이 짧아진 다(7월: T

=22.78일, 8월: T

=6.16일, T월: T

=15.21일). 춘 계, 추계, 동계에는 반대로 교환율이 낮아지면서 체류 시간 이 길어지게 된다(Fig. 8(e), Fig. 8(f)). 이것은 영산호가 체 류 시간과 그에 따른 교환율 변화에 의해서 하계에 단기간 동안 수온 성층이 발생하지만 방류와 바람 등에 의한 영향 이 영산호 내부의 혼합을 일으켜 성층이 소멸되어지는 중 간형의 특징을 갖는다는 것을 의미한다.

따라서 영산호에서 연중 뚜렷한 수온 약층과 장기간 수

온 성층이 발달되지 않고, 수층 전체를 가열하는 것은 여

름철 상류로부터 많은 양의 유입수와 하구호 배수 갑문 많

저층 퇴적물 부유 및 이동과 그에 따른 여러 가지 용존 물 질이 저층으로부터 유출되어 비생물학적 산화 반응 등에 의해 용존산소가 소모됨으로서 저산소 환경이 형성되는 것 으로 생각되어지나, 계절에 따른 배수 갑문을 통한 방류에 의한 유속 증가와 저층 퇴적물의 화학적 반응은 아직까지 충분하게 파악되지 못하고 있다. 따라서 보다 정확한 수질 및 수온, 용존 산소의 시공간적인 변화 양상을 파악하기 위해서는 영산호 배수 갑문의 개폐 시간 및 방류량에 따른 퇴적물의 이동 및 수질 변화에 대해서 많은 관측과 수치 모형실험을 통한 수리 역학적인 특성을 파악하는 연구가 필요할 것으로 사료된다.

4. 결 론

영산호 내부의 수온이 상승하면 용존 산소량이 감소하고, 수온이 하강함에 따라 용존 산소가 증가하는 반비례의 강 한 상관관계를 갖는 것으로 나타났고, 이는 수온의 상승과 하강에 따른 포화 용존산소량의 변화 때문인 것으로 판단 된다. 방조제 건설로 형성되어진 영산호 수온의 시공간적 분포 특성은 수면을 통한 열교환량 계산결과 주로 대기와 의 열교환을 통해서 가열과 냉각이 이루어지나 계절적으로 뚜렷한 성층이 형성되지는 않았다. 이는 일반적인 호소환경 과는 다른 형태의 순환 특성을 가짐을 의미하는데 영산호 의 순환은 주로 하구둑 배수갑문의 방류구 형태 및 체류시 간에 의해 결정되는 것으로 판단된다.

영산호의 하구둑 배수갑문의 방류는 전 층 방류의 형태 로 이루어지고, 평균 체류 시간은 33.21일, 연간 교환율은 10.99로 나타났으며, 하계인 8월의 교환율이 연간 교환율의 절반인 5.03으로 계산되었다. 이와 같은 방류 특성과 짧은 체류시간은 영산호 내부의 수심이 깊은 저층에 존재하는 저수온의 물을 하구호 밖으로 이류시키게 됨으로서 표층과 저층 간의 수온차가 크지 않고 성층의 발생을 억제하는 역 할을 하는 것으로 사료된다.

참고문헌

건설교통부, 한국수자원공사(1999).

수자원정책관리개선방안 연구

농업진흥공사(1984).

영산강 2 단계 농업종합개발 사업 하구

pp. 70-76.

이흥수, 정선아, 정남정(2005). 용담호에서 용조산소의 시․

공간적 분포. 2005

공동추계학술발표회 논문집

한국환경정책․평가연구원(2004).

지속가능한 하구역 관리 방안 I.

한국환경정책․평가연구원(2005).

지속가능한 하구역 관리 방안 II.

한국환경정책․평가연구원(2006).

지속가능한 하구역 관리 방안 III.

半谷高久, 小倉紀雄(1985).

水質調査法

日本土木学会編(1999).

水理公式集

松尾直規(1992). ダム貯水池の水質問題.

電力土木

3-18.

Budyko, M. I. (1974). Climate and life. Academic press, Baltimore.

Businger, J. A. (1973). Turbulent transfer in the atmospheric surface layer, D. A. Haugen (ed), Workshop on micro- meteorology. America Meteorology Society, Boston, MA, pp. 67-100.

Guarini, J. M., Blanchard, G. F., Gros, Ph. and Harrison, S. J.

(1997). Modelling the mud surface temperature on intertidal flats to investigate the spatio-temporal dynamics of the benthic microalgal photosynthetic capacity. Marine ecology

progress series, 53, pp. 25-36.

Harper, D. (1992). Eutrophication of freshwaters-Principles,

problems and restoration, Chapman & Hall, London.

Kalff, J. (2002). Limnology, Prentice-Hall, Inc, New Jersey.

Kraus, E. B. and Rooth, C. (1961). Temperature and steady state vertical heat flux in the ocean surface layers. Tellus,

13, pp. 231-238.

Smith, S. D. and Dobson, F. W. (1984). The heat budget at ocean weather station bravo. ATMOSPHERE-OCEAN, 22(1), pp. 1-22.

Stathers, R. J., Black, T. A., Bailey, W. G. and Novak, M. D.

(1988). Modeling surface energy fluxes and temperature in dry and wet bare soils. ATMOSPHERE-OCEAN, 26(1), pp.

59-73.

Takasaki, M. (1982). A study on dissolved oxygen balance in a eutrophic lake, 5th Asia Pacific Regional Water Supply

Conference, Session 3, p. 61.

van Bavel, C. H. M. and Hillel, D. I. (1976). Calculating potential and actual evaporation from a bare soil surface by simulation of concurrent flow of water and heat. Agricul-

tural Meteorology, 17(6), pp. 453-476.