Journal of Korean Society on Water Environment, Vol. 31, No. 5, pp. 533-542 (September, 2015) pissn 2289-0971 eissn 2289-098X http://dx.doi.org/10.15681/kswe.2015.31.5.533 대청호추소리수역의퇴적물이조류성장에미치는영향 오경희 김용준 조영철 충북대학교환경공학과 Effects of Sediments on the Growth of Algae at Chusori Area in Daechung Reservoir Kyoung-Hee Oh Yong-Jun Kim Young-Cheol Cho Department of Environmental Engineering, Chungbuk National University (Received 7 July 2015, Revised 6 September 2015, Accepted 9 September 2015) Abstract In order to investigate the effect of internal loading from sediment on algal blooming at Chusori area in Daechung Reservoir, the amount and contamination level of sediment and the release rate of total phosphorus were analyzed. The sedimentary layer was consisted with two layers, and the average depth of upper and lower ones were 0.35 and 1.44 m, respectively. The fraction of inorganic phosphorus in the sediment was higher than that of organic phosphorus, and the fractions of phosphorus which responsible for internal loading were very high as in the range of 72.7 and 80.2% of inorganic phosphorus. The C/N ratio of sediment taken with core sampler indicated the organic compounds are originated from settled algae from water body. The average release rate of total phosphorus from sediment was 6.74 (±0.50) mg/m 2 /day. These results indicated that the internal loading from sediment contributes the excessive algal growth at Churosi area, and the countermeasures to improve the quality of sediments are required to manage algal blooming in Daechung Reservoir. Key words : Chusori, Daechung reservoir, Internal loading, Nutrient release rate, Sediment 1. Introduction 1) 호소에서일어나는조류의과다증식은질소 (nitrogen) 와인 (phosphorus) 과같은영양염류의농도가높아지는부영양화에의해발생한다 (Paerl, 1988). 수체로의영양염류의증가는외부부하 (external loading) 또는내부부하 (internal loading) 에의해일어난다 (Ahn et al., 2013; Kim, 2002). 외부부하는외부의점오염원또는비점오염원으로부터유입되는영양염류에의해발생하며, 내부부하는호소내의퇴적물로부터영양염류의용출에의해발생한다. 저수지나인공호수와같이정체성수역에서는퇴적되는오염물질의양이상대적으로많으며, 단위면적당수용량이적기때문에저층퇴적물로부터용출되는영양염류에의한내부부하가수질변화에큰영향을미치는것으로알려져있다 (Kim, 2002). 퇴적물로부터영양염류의용출은수온, ph, 용존산소, 유속등과같은물리화학적환경요인과저서미생물등의생물학적요인에의해영향을받는다 (Bostrὅm and Pettersson, 1982). 퇴적물에의한내부부하기여도를평가하기위하여퇴적물의오염도와영양염류의용출속도를분석하는것은매우 To whom correspondence should be addressed. choy@chungbuk.ac.kr This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/ licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 중요하다. 따라서호소수질관리측면에서유역의지형학적, 구조적인특성과더불어주변환경여건의변화에따라퇴적물로부터용출될수있는오염물질을정량적으로파악하는것은매우중요하며, 이러한결과는호수전체의수질을검토하기위한기초자료로활용될수있다 (Cho and Chung, 2007). 대청호는 1981년에대전시대덕구와충북청원군사이에건설된복합형댐에의해형성된호소로서 3,204 km 2 ( 용담호포함 4,134 km 2 ) 의유역면적과 1,490 10 6 m 3 의총저수용량을가지는다목적댐이다 (Jeong et al., ). 대청호에서는상류지천으로부터영양염류의유입과곳곳에정체수역을형성하는지형적특성으로인해조류대발생이빈번하게일어나고있다. 대청호에서조류는주로초여름에출현하여초가을까지빛이충분히전달되는유광층에서대량발생하며, 이들중 Microcystis 와 Anabaena 와같은남조류가주로우점한다 (Cho et al., 2012; Park et al., 2006). Anabaena spp. 를비롯한일부남조류는물속에녹아있는질소 (N 2) 를고정하여사용하기때문에인보다남조류의성장제한요인으로의기능이낮으며, 질소부하를줄이는것만으로는남조류의성장을조절하기어려운것으로알려져있다 (Schindler et al., 2008). 특히대청호의경우총질소의년평균농도는 1.5~1.7 mg/l (2005~2010년; MOE, 2015) 로총인의농도에비해매우높기때문에조류의성장을제한하지않으며, 인이가장중요한제한요인으로여겨진다. Journal of Korean Society on Water Environment, Vol. 31, No. 5, 2015
534 오경희 김용준 조영철 대청호의추소리수역에서는상류의점오염원과비점오염원으로부터많은양의인이유입되고있어해마다조류대발생이일어나고있다. 추소리수역으로유입되는지천인소옥천은유역면적이 198.4 km 2 로대청호유입지천중가장크며, 상류에 18,000 m 3 /day 규모의옥천하수처리장과다수의축산시설이있어, 대청호지천의전체총인발생부하량의 72% 를차지한다 (Oh and Cho, 2015). 따라서추소리수역의수질이대청호조류경보제대상지점인회남지점의조류성장에큰영향을미치고있으며, 추소리수역에서생성된조류가강우-유출과바람에의해확산 이송되어대청호본류의조류증식에큰영향을미치는것으로알려져있다 (Chae et al., 2006; Cheon et al., 2006; Chung and Lee, ; Lee et al., 2012). 대청호를대상으로유역의하수처리장과같은점오염원이나강우시비점오염원으로부터영양염류의유입에대한연구는많이진행되었으나, 내부퇴적물로부터의부하에대한연구는많이이루어지지않았다. 하지만, 대청댐이건설된이후유입된영양염류와매년발생하는조류의사체로인한퇴적물의오염에의하여내부부하정도가심각할것으로예상된다. 호소에서일어나는조류대발생에대하여퇴적물로부터의내부부하가미치는정도를평가하려면퇴적물중영양염류의농도, 퇴적물로부터영양염류의용출속도, 대상지역의오염퇴적물의양, 및조류의성장에필요한영양염류의양에대한자료가필요하다. 본연구에서는대청호의추소리수역의퇴적물의양, 채취된퇴적물의오염도와총인의용출속도분석결과를활용하여추소리수역의퇴적물이조류대발생에미치는기여도를분석하였다. 2. Materials and Methods 2.1. Sampling Site and Sediment Exploration 조사지점은대청호추소리에위치하고있으며소옥천과대청호의경계지점에서대청호방향으로약 800 m 떨어진지점 (36 21'32.4"N, 127 34'02.1"E) 이다 (Fig. 1). 이지점의비강우시유속은평균 0.05 m/s로하천보다는호소의특성을나타낸다 (Oh and Cho, 2015). 또한조사지점에서는매년심각한수준의조류대발생이관찰되기때문에금강물환경연구소에서조류경보제의관찰지점으로선정하여주기적인모니터링을실시하고있다 (Cheon et al., 2006; NIER, ). 조사대상지역의퇴적물분포및양을조사하기위하여 년 11월 18일에퇴적물에대한지층탐사를실시하였으며, 이를위해비선형지층탐사기 (Parametric Profiler, Hydra Sonar Co., Russia) 를사용하였다. 탐사지역의면적은 623,754 m 2 이었으며, 호수의중심부와만곡부를포함하여 50 m 간격으로측선을설정하여조사하였다. 계획된경로를따라얻어진모든결과 ( 음향결과및 GPS 결과 ) 를동기화한후 Hyview 프로그램을활용하여퇴적물의깊이와양을분석하였다. Fig. 1. Map of sampling site. Shaded area in the boxed map indicates the zone of exploration to measure amount and depth for sediment. 2.2. Collection of Water and Sediment Samples 수시료는대상지점바닥층의직상부 0.5 m 이내의수심에서반돈채수기 (Van Dorn Sampler; WildCo, FL, USA) 를사용하여채취한후, 2L 크기의채수병 (polyethylene 재질 ) 에옮겼다. 퇴적물시료는 Grab sampler (WildCo) 또는 Core sampler (WildCo) 를사용하여채취하였다. Grab sampler를사용하여채취된시료는 6L 크기의사각플라스틱통에옮겼으며, Core sampler 시료는채취된후 core의상부와하부를밀봉하였다. 수시료는 2010년 9월 17일, 년 3월 30일, 4월 25일, 5월 16일, 5월 30일, 6월 13일에채취되었고, Grab sampler를사용한퇴적물시료는 2010년 9월 17일, 년 3월 30일, 4월 25일, 5월 30일에채취되었으며, Core sampler 시료는 2012년 9월 27일에채취되었다. 채취된시료는 4 C 냉장상태를유지하여실험실로옮긴후전처리를거쳐분석하였다. 퇴적물시료를채취할때, 같은지점에서지형에의한유속차이로인해퇴적물량및오염도차이가나는것을보완하기위해좌안과우안에서각각시료를채취하여분석하였다. 2.3. Analysis of Samples 수시료에서는총인의농도및엽록소 a의농도를측정하였으며, 이는수질오염공정시험기준에따라분석하였다. Grab sampler를사용하여채집된퇴적물시료는풍건한후에가볍게분쇄하여육안으로구분가능한유기물을제거한후에 2 mm 체로체가름을하였으며, 체를통과한시료를실험에사용하였다. 전처리된건식시료는유기인의성상별분석을제외한이화학적항목의분석에사용되었다. 퇴적물에서유기인의성상별분석에는습식시료를사용하였다. 이를위하여건조되지않은퇴적물을 2 mm 체로체가름하여굵은입자와유기물을제거한것을사용하였다 (Hedley et al., 1982). Core sampler를사용하여채취된퇴적물은상부부터하부방향으로 3 cm 간격으로자른후, Grab sampler 시료와동일한방법으로전처리한후에사용하였다. 한국물환경학회지제 31 권제 5 호, 2015
대청호추소리수역의퇴적물이조류성장에미치는영향 535 입자분포, 강열감량 (ignition loss), 총인, 및총질소농도의분석에는전처리된건식시료를사용하여분석하였다. 퇴적물의입자분포는입자의크기에따라표준체분석법과기기분석법을병행하여분석하였다 (Oh et al., 2015). 입자분석자료를이용하여미국농무부토양분류법 (U.S. Department of Agriculture, Textural Classification) 에따라퇴적물입자를 Sand (2~0.05 mm), Silt (0.05~0.002 mm), Clay (0.002 mm 이하 ) 로나눈후, 이들각각의함량으로토성을분석하였다. 강열감량은 105 C에서 1 시간건조시킨시료를 700 C의전기로에서 1 시간동안가열한후가열전후의질량차이로부터구하였다. 총질소는전처리된시료를 Kjeldahl flask에넣고황산염혼합분말과황산을가하여분해시킨후정량하였다 (Oh et al., 2015). 퇴적물중총인의농도는전처리된시료를과염소산으로처리하여퇴적물중에포함된유기물을완전분해한후유리된무기인의농도를몰리브덴산암모니움- 아스코르빈산법 (880 nm) 을사용하여구하였다 (Leytem and Kpomblekou-A, 2009). 퇴적물에포함된무기인 (inorganic phosphorus) 과유기인 (organic phosphorus) 의성상별농도는전처리된퇴적물시료에여러종류의용매를순차적으로처리하여분별한후각각의용출액에포함된무기인의농도를몰리브덴산암모니움-아스코르빈산법 (880 nm) 을사용하여구하였다 (Oh and Cho, 2015; Zhang and Kovar, 2009). 무기인의성상별분석을위하여, 전처리된건식시료를원심분리관에넣고 NH 4Cl (1M), NH 4F (0.5M), NaOH (0.1M), reductant 용액 (0.3M Na 3C 3H 6O 7, 1M NaHCO 3, Na 2S 2O 4 의혼합용액 ), H 2SO 4 (0.25M) 을순서대로처리하여용출된인을정량한후, 실험에사용된퇴적물의양과인의농도로부터퇴적물중의무기인을 soluble and loosely bound-p (SLB-P), Al-P, Fe-P, reductant soluble-p (RS-P) 및 Ca-P로구분하여구하였다. 유기인은습식퇴적물시료를원심분리관에넣고, NaHCO 3 (0.5M), HCl (1M), NaOH (0.5M), H 2SO 4 (1M) 을각각순서대로처리하여용출액중의무기인과총인을측정한후 non-biomass labile-p o, biomass-p o, moderately labile-p o, fulvic acid-p o, humic acid-p o, 및 nonlabile-p o 로분류하였다. Nonbiomass labile-p o 와 biomass-p o 는 labile pool로분류하였으며, moderately labile-p o 와 fulvic acid-p o 는 moderately labile pool로분류하였다. 또한 humic acid-p o 와 nonlabile-p o 는 nonlabile pool로분류하였다 (Zhang and Kovar, 2009). 2.4. Release Rate of Total Phosphorus 대상지점에서채취된퇴적물을사용하여총인의용출률을측정하였다. 용출실험은아크릴재질의원통형반응조 (ø150 mm 500 mm) 를사용하였으며, 실험대상퇴적물을 70 mm 높이 (~3.1 kg of dry sediment) 로채우고대상지점에서채취된현장수 (7 L) 를채운후호기조건 (oxic) 과무산소조건 (anoxic) 을유지하여수행하였다 (Cho and Chung, 2007). 시료당 4개의반응조를사용하여각각 2 개씩호기조건과무산소조건실험을수행하였다. 반응조에현장수를채우는과정에서물리적인충격에의한영양염류의용출을최소화 하기위하여반응조의벽면을따라 20 ml/min의속도로물을채웠다. 호기조건과무산소조건은밀폐한반응조에각각공기와질소가스 (99.9%, v/v) 를지속적으로공급함으로써유지하였다. 용출실험중질소가스를공급한반응조내퇴적물의상태를관찰한결과황환원세균에의해생성된 S 2- 와 Fe 2+ 의반응물인황화철 (FeS) 로인해검은색이되는것을확인하였으며, 이에따라질소가스를공급한반응조에서무산소조건이유지되고있는것으로판단되었다. 광합성에의한산소조건변화를방지하기위하여암실에서실험을수행하였고, 암실의온도는 25 C를유지하였다. 시료는퇴적물상부약 1 cm 위치에서 30일동안 1~2일간격으로채취되었으며, 채취된시료에서총인의농도는수질오염공정시험기준의방법에따라분석되었다. 퇴적물로부터총인의용출률은다음과같은식으로부터산출되었다. 식에서 C I 는총인의초기농도이며, C A 는총인의나중농도이다. V는반응조내상등수의용량 (L) 이며, T는용출시간 (day), A는반응조의면적 (m 2 ) 이다. 용출률 3. Results and Discussion 3.1. Estimation of Sediment Amount 대청호추소리지역에서비선형지층탐사기를사용하여퇴적물의분포를조사한결과, 탐사구역의수중바닥표면에는기반층위에밀도가낮은상부층과상대적으로밀도가큰하부층이존재하였으며, 이들두개의층은탐사구역전체에분포하였다 (Fig. 2). 상부층와하부층의평균두께는각각 0.35 m와 1.44 m이었으며, 대체적으로수체의유통이원활하지않은만곡부에서퇴적물두께및단위면적당퇴적물량이많은것으로조사되었다. 탐사구역의넓이와두께로부터계산된퇴적물량은상층부의경우 219,845 m 3 이며, 하층부에는 897,984 m 3 의퇴적물이존재하는것으로나타났다. 호소생태계에서퇴적물의평균밀도 (2.65 g/cm 3 ; Kim, 2007) 를활용하여퇴적물의질량을계산하면, 제곱미터당 4,744 kg의건조퇴적물이있는것으로판단된다. 본연구에서는퇴적물의기반층까지 core 시료를채취하지않고비선형탐사기를사용한간접적인방법으로분석한것이기때문에하부층이댐축조이후에쌓인퇴적물인지확인할수없었다. 1996년에 Piston core를사용하여대청호의문의지점, 회남지점, 및내탑지점 ( 추동수역인근댐본류 ) 에서측정한퇴적물의두께는지역에따라차이가있었으나 0.35~0.90 m의범위로조사되었다 (Lee and Lee, 2004). 선행연구는주로호수의본류지역을대상으로실시된것으로본연구의지점과달라연구결과를직접적으로비교하기는어렵다. 하지만본연구는선행연구이후약 15년후에실시되었으며, 대청호에서외부로부터지속적으로입자성물질이유입되고있기때문에 (Lee and Lee, 2004), 퇴적물의두께가 0.35 m 이상일것으로예상된다. 따라서본 (1) Journal of Korean Society on Water Environment, Vol. 31, No. 5, 2015
오경희 김용준 조영철 536 Fig. 2. Distribution of sediment at the Chusori area (a) and three dimensional model of sediment (b). 연구의 탐사지역에서 측정된 상층부와 하층부의 퇴적물은 모두 댐 축조 후 형성된 퇴적물인 것으로 판단된다. 퇴적물 시료의 강열감량은 평균 8.96(±0.3)%로 국립환경 과학원의 하천 호소 퇴적물 오염평가 기준(국립환경과학원 예규 제575호)에서 퇴적물 중 완전연소 가능량(강열감량)에 3.2. Physicochemical Characteristics of Sediment Samples 대하여 명백하거나 심각하게 오염된 상태 로 판단되는 13% 2010년 9월부터 년 5월까지 4회에 걸쳐 채집된 퇴 를 넘지 않았다(Table 1). 하지만 총질소의 농도는 8,182 적물 시료의 입자 크기를 측정한 결과 실트 크기의 입자가 (±655) mg/kg으로 모든 시료에서 하천 호소 퇴적물 오염평 62.6~82.5%로 가장 높은 비율을 차지하였으며, 특히 실트 가 기준인 5,600 mg/kg을 초과한 것으로 측정되어, 대상 중 10~20 μm 크기의 입자가 23.3% (2010년 9월 17일) ~ 지역의 퇴적물이 총질소에 대하여 명백하거나 심각하게 34.6% (년 5월 30일)의 범위로 가장 높았다(Table 1, 2). 오염된 상태 인 것으로 판단되었다(Table 2). 퇴적물의 오 점토와 미세실트 등 크기가 작은 입자는 암모니아성 질소 염물질의 농도와 대상 지역의 퇴적물량으로부터 단위 면적 및 인의 흡착능이 크다고 알려져 있기 때문에(Yu et al., 당 오염물질의 양을 계산하면, 강열감량으로부터 계산된 유 2006), 대상 지점 퇴적물의 오염도가 높을 것으로 판단된 기물의 양은 425 kg/m2이며, 총질소의 양은 38.8 kg/m2으로 다. 채집된 시료의 모래, 실트, 점토의 입자 비율로 구한 나타났다. 토성은 년 5월 30일 시료가 silt(미사)에 속하였으며, 팔당호의 40개 지점에서 1999년에 분석된 퇴적물 중 총 나머지 시료는 silt loam(미사질 양토)로 분류되었다(Table 2). 질소의 농도는 20~2,200 mg/kg 범위였으며, 상층에서 평균 채취 시기에 따라 실트 입자 비율의 차이가 큰 것은 대상 790 mg/kg, 중층에서 평균 660 mg/kg, 하층에서 430 mg/kg 지점이 소옥천의 말단과 인접하여 집중 강우시 상류로부터 이었다(Jung, 2006). 보령호의 퇴적물에서 총질소의 농도 토사가 유입되어 입자의 분포가 변하는 것으로 추정된다. 범위는 105.3~385.3 mg/kg으로 나타났다(Ryu, 2001). 따라서 하지만 이러한 원인을 파악하기 위하여 상류로부터 유입되 팔당호와 보령호와 같은 다른 상수원에 비해 본 연구 대상 는 토사를 수확하여 입자 분포에 대한 분석이 필요하다. 지점의 퇴적물 중 총질소 오염이 심각한 것으로 보인다. Table 1. Particle size distribution in the grabbed sediment samples Date Sep. Mar. Apr. May 17, 30, 25, 30, 2010 500~2,000 200~500 0.0 0.6 0.0 0.2 0.0 0.7 0.0 0.0 150~200 7.4 3.3 7.3 1.1 Size of particles (μm, %) 50~100 20~50 10~20 13.7 19.5 23.3 13.3 23.5 28.4 13.0 23.5 26.1 8.1 25.1 34.6 100~150 11.8 8.5 10.6 4.7 5~10 12.5 13.0 11.0 15.3 2~5 7.4 6.7 5.4 7.5 1~2 2.8 2.2 1.9 2.5 <1 1.1 0.9 0.6 1.1 Table 2. Classification and the concentration of ignition loss, total nitrogen, and total phosphorus in the grabbed sediment samples Particle (%) Date Sep. Mar. Apr. May 17, 30, 25, 30, 2010 Sand Silt Clay 33.5 25.3 31.5 13.9 62.6 71.6 66.1 82.5 3.9 3.1 2.4 3.6 한국물환경학회지 제31 권 제5 호, 2015 Classification Ignition loss (%) T-N (mg/kg) T-P (mg/kg) SILT LOAM SILT LOAM SILT LOAM SILT 8.8 8.7 9.0 9.4 7,294 8,241 8,323 8,872 853 1,001 949 1,110
대청호추소리수역의퇴적물이조류성장에미치는영향 537 이러한결과는소옥천상류에위치한축산시설과같은질소오염원으로부터유입된오염물질이축적되었기때문인것으로판단되며, 이에대한추가조사가필요하다. 금강하류의퇴적물을대상으로 2005년에분석된결과에따르면총질소의농도는 9,739~9,988 mg/kg으로매우높았다 (Lee et al., 2005). 또한 2010년부터 2014년까지대청호의수질측정망지점 6개에서분석된수체중총질소의평균농도는 1.68 (±0.20) mg/l이었으며 (MOE, 2015), 측정값을환경정책기본법시행령의생활수질환경기준에서정한총질소의기준과비교하였을때대부분의시료가매우나쁨 (VI) 등급 (1.5 mg/l) 을초과하고있어대청호의총질소오염이심각한것으로나타났다. 퇴적물중총인농도는 853~1,110 mg/kg의범위였으며평균농도는 978 (±107) mg/kg이었다 (Table 2). 이러한농도범위는하천 호소퇴적물오염평가기준 ( 국립환경과학원예규제575호 ) 인 1,600 mg/kg 보다낮았다. 하지만모든시료에서팔당호의퇴적물준설기준에포함된총인의기준인 800 mg/kg을초과하였으며, 2개의시료에서한강하류퇴적물의준설기준인 1,000 mg/kg을초과하였다 (RRI, 2005). 이들기준은팔당호와한강의수질개선을위한퇴적물준설사업계획을수립할때제시된기준으로법으로정해진것은아니지만국내호소및하천퇴적물의오염도를판단할때널리사용된다 (Kim et al., 2012; Oh et al., 2015; Yang et al., 2004). 이러한기준으로판단하였을때대청호추소리수역퇴적물의총인오염도는높은것으로판단된다. 퇴적물중총인의농도와대상지역의퇴적물량으로부터퇴적물의단위면적당총인의양을계산한결과, 4.64 kg/m 2 으로나타났다. Core sampler로채집된퇴적물시료에서깊이별오염도를보면대체적으로상부층에비해하부층의오염도가낮았으며, 깊이에따라농도의주기성이있는것으로관찰되 었다 (Fig. 3). 강열감량의경우 8.1~10.1% 의범위로변동폭이크지않았으나, 상층에서 12 cm 깊이층까지감소하다가 12~15 cm 깊이에서증가하였으며, 이후다시감소하는주기성을나타내었다. 퇴적물에포함된유기물은외부로부터의유입보다수층에서과다증식된조류가침강되어형성되는것으로알려져있다 (Woo et al., 2014). C/N 비는퇴적물에포함된유기물의기원을규명하는데많이사용되는지표로, C/N 비가 12 이상인경우육상기원유기물을나타내며, 6~9일경우에는식물플랑크톤기원유기물로판단된다 (Woo et al., 2014). Core 시료에서 C/N 비는 6.89~ 7.88의범위로퇴적물의유기물기원이수층에서과다증식된조류에의한것임을의미한다. 퇴적물의깊이에따른총인과총질소의농도는유기물의농도와같은경향을나타내었다 (Spearman Rank Correlation, p<0.05). 퇴적물의깊이에따른영양염류의농도경향이유기물과유사한것은퇴적물중영양염류가조류의사체에의해기인된것임을의미한다. 깊이에따른유기물의농도변화를비교한결과, 0~3, 12~15, 24~27 cm의층에서농도가높게나타났으며, 이는이들층이수층에서과다증식된조류가사멸하여침강된시기에형성되었음을의미한다. 추소리수역에서매년하절기에주기적으로조류의과다증식이일어나는것과 core sampler로채취된퇴적물에서유기물농도변화의주기가약 12 cm 인것으로부터, 대상지점에서퇴적속도는년간약 12 cm 인것으로추정된다. 하지만대청댐이축조된 1981년이후토사가일정한속도로퇴적되었다고가정하였을때, 본연구에서비선형지층탐사기를사용하여구한대상지점의퇴적물두께 ( 평균 1.79 m; 상부층 0.35 m와하부층 1.44 m) 와퇴적속도 ( 약 12 cm/ 년 ) 으로부터계산된퇴적물두께는큰차이가있다. 이는본연구에서는 30 cm 깊이의퇴적물분석결과로부터퇴적속도를추정한것으로, 시간에따른퇴적물의압축또는댐의급격한방류로인한퇴적물의이동을고려하지않았기때문인것으로추정된다. 따라서대상수역에서퇴적속도를정확히구하려면유사트랩설치를통한퇴적물침강률을측정하거나 (Oh et al., 2015), 분자생물학적방법을활용하여퇴적층깊이별조류의군집구조분석이수행되어야한다 (De La Escalera et al., 2014). Fig. 3. Concentrations of ignition loss, total nitrogen, and total phosphorus according to the depth in the cored sediment samples. 3.3. Phosphorus Fractionation in Sediment Samples 퇴적물중에존재하는인을성상별로분석하면, 용출가능한인의양을예측하고평가할수있다. 무기인은 SLB-P, Al-P, Fe-P, RS-P, Ca-P로나눌수있다 (Zhang and Kovar, 2009). SLB-P는간극수에용존되어있거나퇴적물입자와전기적으로흡착되어있어물리적충격에의하여쉽게용출될수있는인이다. Al-P와 Fe-P는각각알루미늄 (Al) 과철 (Fe) 과결합되어있는인으로생물학적작용에의한퇴적물의 ph 변화등에의해용출될수있는부분이며, RS-P 는산화환원전위의변화등으로용출될수있는인이다. Al-P, Fe-P, RS-P는내부에서순환 (autochthonous) 하는인이주종을이루며활성도가높아용출될가능성이매우높은부분 Journal of Korean Society on Water Environment, Vol. 31, No. 5, 2015
538 오경희 김용준 조영철 으로, 이들의농도가높을경우내부부하에의한수체내인의유입이큰것으로알려져있다. Ca-P는외부로부터유입 (allochthonous) 된인으로분류되며다른무기인에비해상대적으로용출이어려운부분이다. 유기인은 non-biomass labile-p o, biomass-p o, moderately labile-p o, fulvic acid-p o, humic acid-p o, 및 nonlabile-p o 로분류되며용출되기쉬운정도에따라 labile pool, moderately labile pool, nonlabile pool로나뉜다 (Zhang and Kovar, 2009). Labile pool에속하는유기인은생물체에의한가수분해에의해쉽게용출가능한인이며, moderately labile pool에속하는유기인은 labile pool의유기인에비해상대적으로안정하지만세균의분해에의해활용가능한인이다. Nonlabile pool에속하는유기인은생물체에의해가장활용이어려운인에속한다. 본연구에서는채취된퇴적물에있는총인을무기인과유기인으로나누어성상별분석을수행한결과, 대상지점에서채취된 4개의퇴적물시료에서총인중무기인과유기인의비율은비슷한양상을나타내었으며, 유기인에비해무기인의함량이높았다 (Table 3). 무기인의성상별분석결과를보면모든시료에서같은경향을나타내었다. 쉽게용출가능한무기인 (SLB-P) 의비율은 1% 이하로낮았으나, 내부부하에큰기여를하는것으로알려진 Al-P, Fe-P, RS-P의합은 72.7~80.2% 의범위로매우높았다. 또한 Ca-P 의비율은 18.8~26.3% 의범위이었다. 따라서대상퇴적물에는외부기원성인 (Ca-P) 에비해내부기원성인 (Al-P, Fe-P, RS-P의합 ) 의비율이높은것으로판단된다. 유기인의분석결과에서도모든시료의유기인종류별특성이거의유사하였다. 퇴적물중미생물의분해작용에의해쉽게용출가능한 labile pool에속하는인의함량은전체유기인중평균 3.9(±0.4)% 로낮았다. 하지만 moderately labile pool에속하는 fulvic acid-p o 의함량이 59.9~63.1% 로 nonlabile pool 유기인에비해매우높은비율을차지하였다 (Table 3). 이러한결과로부터대상지점에는환경변화에따른 ph의변화또는미생물의활성도증가에따라비교적쉽게용출가능한인의비율이높았으며, 추소리수역 의부영양화에퇴적물로부터의내부부하가큰기여를하고있는것으로판단되었다. 3.4. Release Rates of Total Phosphorus from Sediments 퇴적물내에있는영양염류의수층이동은다양한기작의복합적작용에의해일어나는것이기때문에어떤조건이크게작용했는지정량적으로밝히기는어렵다. 그러나실험실내에서인위적으로용출조건을변화시킬때일어나는영양염류의거동을관찰함으로써영양염류의용출과정및용출률을추정할수있다 (Cho and Chung, 2007). 퇴적물로부터의영양염류의용출률은 ph, 수온, 용존산소, 퇴적물과직상수의혼합정도, 퇴적물과직상수계면사이의농도경사, 퇴적물의화학적조성, 지하수의유입상황등과같은물리화학적요인에따라달라지며, 영양염류의용출에직접적으로관여하는미생물의활성도에의해영향을받는다 (KEI, 2007). 특히저서층과접한수층의산소농도가영양염류의용출정도에가장중요한역할을한다. 질소의용출은용존산소의영향을덜받는것으로보고되고있으나, 인의경우용존산소에대한의존도가크며혐기상태와높은 ph에서인의용출이활발한것으로알려져있다 (Istvanovices, 1994). 대상지역에서채집된퇴적물을넣은용출실험장치에서시간에따른수체중총인의농도를측정한결과, 산소조건에따라총인의농도변화양상이다르게나타났다. 무산소조에서총인의농도는약 10일동안비례적으로증가하였으며, 이후증가속도가느려지는양상을나타낸반면, 공기를공급한호기조에서는총인의농도변화가거의없었다 (Fig. 4(a)). 선행연구의결과에서도호기성조건보다무산소조건에서더많은영양염류의용출이일어나는것으로알려져있다 (KEI, 2007; Yoon et al., 2007). 무산소조건에서영양염류의용출률이높은이유는미생물에의한유기물분해과정에서생성된산 (acid) 에의해퇴적물중에존재하는인이해리되어용존성이증가되었기때문인것으로알려져있다 (Cho et al., ; Yoon et al., 2007). Table 3. Fraction of inorganic and organic phosphorus in the grabbed sediment samples Category Fraction to total phosphorus Fraction to inorganic phosphorus Fraction to organic phosphorus Phosphorus fraction Sampling date Sep. 17, 2010 Mar. 30, Apr. 25, May 30, Inorganic P 65.0 67.5 67.3 68.0 Organic P 35.0 32.5 32.7 32.0 Soluble and loosely bound P 1.0 1.0 0.7 0.5 Al-P 14.8 9.6 10.2 9.9 Fe-P 32.6 33.5 34.3 37.0 Reductant soluble P 32.8 29.6 29.9 29.6 Ca-P 18.8 26.3 25.0 23.0 Labile pool Moderately labile pool Nonlabile pool Non-biomass labile P o 3.6 3.4 4.2 4.2 Biomass P o 0.0 0.0 0.0 0.0 Moderately labile P o 0.0 0.0 0.0 0.0 Fulvic acid P o 63.1 62.7 59.9 59.2 Humic acid P o 6.1 1.3 7.0 6.1 Nonlabile P o 27.2 32.5 28.9 30.5 한국물환경학회지제 31 권제 5 호, 2015
대청호추소리수역의퇴적물이조류성장에미치는영향 539 Fig. 4. Time course of total phosphorus concentrations in the water samples at the oxic or anoxic conditions with the sediment taken on Sep. 17, 2010 (a), and the release rates of total phosphorus (b). 용출실험에서수층중총인의농도가증가하는기간동안에계산된총인의용출률은 6.06~7.11 mg/m 2 /day의범위로시료에따른차이가크지않았으며, 평균 6.74(±0.50) mg/m 2 / day이었다 (Fig. 4(b)). 이러한결과는대청호의회남지역퇴적물을대상으로 2002년에실시된연구에서측정된총인의용출속도인 4.70~7.36 mg/m 2 /day와유사한범위였으며, 안동댐에서측정된총인의용출률인 3.59~3.82 mg/m 2 /day과비교하면높은값으로판단되었다 (Lee and Lee, 2004). 대청호의회남지역에서채취된퇴적물을사용하여수온에따른총인의용출률을측정한실험에따르면, 25, 20, 10 C에서용출률은각각 6.9, 3.6, 0.003 mg/m 2 /day로수온에따라차이가큰것으로나타났다 (Lee and Lee, 2004). 본연구에서는 25 C 항온조건에서총인의용출률을측정하였기때문에대상지역의수온에따라실제용출률은차이가있을것으로판단된다. 년 3월 30일부터 6월 13 일까지 5회에걸쳐대상지점의바닥층에서 50 cm의수 심에서수시료를채취하여총인의농도를분석한결과, 수온이 15 C 이하일경우총인의농도가낮았으나수온이약 20 C가되었을때총인의농도가 15 C 이하일때의평균보다약 6.2배상승하였다 (Fig. 5). 6월 13일에채취된시료에서엽록소 a의농도는 2.10 mg/m 3 이었으며, 이는조체에포함된입자성인보다는용존성인이총인의주요구성성분임을의미한다. 따라서대청호추소리수역의퇴적물내에쉽게용출가능한인의함량이높으며, 퇴적물로부터총인의용출률이높게나타났고, 수온이상승한시기에퇴적물직상수의총인농도가급격히상승되는것이관찰되었기때문에, 대상지역의부영양화및조류의대발생에퇴적물로부터의내부부하가일정정도의기여를하고있는것으로판단되었다. 3.5. Contribution of Total Phosphorus from Sediments on Algal Growth 대청호추소리수역의퇴적물로부터용출가능한총인이수체에있는조류의성장에미치는정도를계산하였다. 수체에서총인과엽록소 a의농도는양의상관관계를나타내기때문에, 이의상관식을사용하여총인의농도를엽록소 a의농도로환산할수있다 (Dillon and Rigler, 1974; McCauley et al., 1989). 본연구에서는국가수자원관리종합정보시스템 (WAMIS, www.wamis.go.kr) 에서 2000년부터 2014년까지대청호의회남, 문의, 추동지점에서측정된총인과엽록소 a의농도결과를내려받아총인과엽록소 a의상관식을도출하였다 ( 회귀분석, R 2 = 0.599, p<0.001). (2) Fig. 5. Concentrations of total phosphorus in the water samples taken from near the surface of sediment. The values on the bars are the water temperature. 본연구에서대청호추소리수역에서퇴적물로부터총인의용출률은평균 6.74(±0.50) mg/m 2 /day로측정되었으며, 식 (2) 로부터총인 1 mg이생산가능한엽록소 a의양은 Journal of Korean Society on Water Environment, Vol. 31, No. 5, 2015
540 오경희 김용준 조영철 0.4187 mg으로추정되었다. 이러한결과를사용하여추소리수역의퇴적물 1 m 2 로부터용출된총인을사용하여생성가능한엽록소 a의양은 2.82 (±0.21) mg/day로추정되었다. 여름철추소리수역의평균수심은약 15 m이므로, 생성된엽록소 a가수체의전층에골고루분포한다면엽록소 a의농도는 0.188 (±0.014) mg/m 3 이될수있다. 추소리수역의퇴적물에서지속적으로총인이용출되며이들이조류의성장에기여한다고가정하면, 조류경보제의조류주의보발령기준중엽록소 a의농도 (15 mg/m 3 ) 에도달하는데걸리는시간은약 80일이다. 이러한기간은수체가정체되어유출이없으며외부로부터오염물질의유입이없는것을가정하여계산된것으로, 이러한기간은증가하거나감소될수있다. 또한이는퇴적물로부터용출된인이표층부터심층까지고른농도로분포한다고가정하였을때계산된것으로, Microcystis 와같이상하이동이가능한남조류가번성할경우저층으로부터용출된인이표층으로이동할수있다 (Carmichael, 1994; Park et al., 2006). 하절기에성장하는남조류는주로수심 5 m까지번성하며 1 m 이내에서최대값을나타낸다 (Park et al., 2006). 만일퇴적물로부터용출된총인에의해생성된엽록소 a가최대수심 1 m 이내에모이게된다면약 5.3일정도의기간동안용출된총인에의해조류주의보의발령에충분한엽록소 a가생성될수있을것이다. 대청호추소리수역에서발생하는조류의과다증식에대한내부부하의기여도를평가하기위하여외부부하량에대한고려가필요하다. 하지만본연구에서추소리수역의퇴적물양및총인의용출률을구한결과, 외부로부터인의공급이없다하더라도높은농도의조류성장이가능할정도로퇴적물로부터많은양의인이용출되고있음에주목하여야하며, 이에대한대책이필요할것으로사료된다. 4. Conclusion 대청호추소리수역의퇴적물이조류의성장에미치는영향을분석하기위하여, 대상지역의퇴적물의양, 퇴적물의오염도및총인의용출률을분석한결과, 다음과같은결론을얻었다. 1) 추소리수역의퇴적물은두개의층으로구성되어있으며, 상부층와하부층의평균두께는각각 0.35 m와 1.44 m 이었다. 퇴적물의평균밀도를활용하여계산된퇴적물의질량은평균 4,744 kg/m 2 인것으로산출되었다. 2) 퇴적물시료의강열감량은평균 8.96 (±0.3)% 이었으며, 총인과총질소의평균농도는각각 978 (±107) mg/kg과 8,182 (±655) mg/kg이었다. 강열감량과총인의오염도가심각하지않았으나, 총질소의오염도가매우높은상태인것으로판단되었다. 3) Core sampler로채취된퇴적물시료에서깊이별오염도를보면대체적으로상부층에비해하부층의오염도가낮았으며, 깊이에따라농도의주기성이있었다. C/N 비는 6.89~7.88의범위였으며, 이로부터퇴적물중유기물 은수층에서과다증식된조류로부터유래된것으로판단되었다. 4) 퇴적물중에존재하는인을성상별로분석한결과, 유기인에비해무기인의함량이높았으며, 무기인중내부부하에큰기여를하는것으로알려진형태의인의비율이 72.7~80.2% 의범위로매우높았다. 5) 퇴적물로부터총인의용출률은평균 6.74 (±0.50) mg/m 2 / day이었다. 총인과엽록소 a의상관식을구한결과, 이었으며, 1 m 2 의퇴적물에서 1일동안용출되는총인에의해생산가능한엽록소 a의양은 2.82 (±0.21) mg이었다. 생산된엽록소 a가수체의표층 1 m 이내에축적될경우조류경보제의조류주의보발령기준인 15 mg Chl. a/m 3 에도달하는데필요한최소기간은약 5.3일로계산되었다. 6) 이러한결과로부터대청호추소리수역의부영양화와조류의대발생에퇴적물로부터내부부하가일정정도의기여를하고있는것으로판단되며, 조류대발생을억제하기위하여퇴적물에대한대책이필요할것으로사료된다. Acknowledgement 이논문은금강수계관리위원회의환경기초조사사업과 2014년도충북대학교학술연구지원사업의연구비지원에의하여연구되었으며, 이에감사드립니다. References Ahn, S. R., Kim, S. H., Yoon, S. W., and Kim, S. J. (2013). Evaluation of Suspended Solids and Eutrophication in Chungju Lake Using CE-QUAL-W2, Journal of Korea Water Resources Association, 46(11), pp. 1115-1128. [Korean Literature] Bostrὅm, B. and Pettersson, K. (1982). Different Patterns of Phosphorus Release from Lake Sediments in Laboratory Experiments, Hydrobiologia, 92, pp. 415-429. Carmichael, W. W. (1994). The Toxins of Cyanobacteria, Scientific American, 270, pp. 64-72. Chae, M. H., Yu, S. J., Hwang, J. Y., Cheon, S. U., and Lee, J. H. (2006). Mitigation of Algal Bloom in Daecheong Reservoir by Considering Tributary Inflow Character, Proceeding of the 2006 Autumn Co-Conference of the Korean Society of Water and Wastewater and Korean Society on Water Environment, Korean Society of Water and Wastewater and Korean Society on Water Environment, pp. 509-514. [Korean Literature] Cheon, S. U., Lee, J. A., Lee, J. J., Yoo, Y. B., Bang, K. C., and Lee, Y. J. (2006). Relationship among Inflow Volume, Water Quality and Algal Growth in the Daecheong Lake, Journal of Korean Society on Water Environment, 22(2), pp. 342-348. [Korean Literature] Cho, D., Lee, E. M., Park, B., and Kwon, S. H. (). Correlation of Releases of Nutrient Salts in Sediment with Vicinal Oxic Conditions, Journal of Environmental Sciences, 한국물환경학회지제 31 권제 5 호, 2015
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