Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 2288-1115(Print)
ISSN : 2288-1123(Online)
Korean Journal of Ecology and Environment Vol.50 No.1 pp.1-15
DOI : https://doi.org/10.11614/KSL.2017.50.1.001

Dynamics of Phosphorus-Turbid Water Outflow and Limno-Hydrological Effects on Hypolimnetic Effluents Discharging by Hydropower Electric Generation in a Large Dam Reservoir (Daecheong), Korea.

Jae-Ki Shin*, Soon-Jin Hwang1*
Office for Southern Region Management of the Nakdong River, Korea Water Resources Corporation (K-water), Busan 49300, Republic of Korea
1Department of Environmental Health Science, Konkuk University, Seoul 05029, Republic of Korea
Corresponding author : +82-10-3870-6121, +82-51-529-3168, shinjaeki@gmail.com+82-2-450-3748, +82-2-456-5062, sjhwang@konkuk.ac.kr
October 12, 2016 February 1, 2017 February 7, 2017

Abstract

Daecheong Reservoir was made by the construction of a large dam (>15 m in height) on the middle to downstream of the Geum River and the discharge systems have the watergate-spillway (WS), a hydropower penstock (HPP), and two intake towers. The purpose of this study was to investigate the limnological anomalies of turbid water reduction, green algae phenomenon, and oligotrophic state in the lower part of reservoir dam site, and compared with hydro-meteorological factors. Field surveys were conducted in two stations of near dam and the outlet of HPP with one week intervals from January to December 2000. Rainfall was closely related to the fluctuations of inflow, outflow and water level. The rainfall pattern was depended on the storm of monsoon and typhoon, and the increase of discharge and turbidity responded more strongly to the intensity than the frequency. Water temperature and DO fluctuations within the reservoir water layer were influenced by meteorological and hydrological events, and these were mainly caused by water level fluctuation based on temperature stratification, density current and discharge types. The discharges of WS and HPP induced to the flow of water bodies and the outflows of turbid water and nutrients such as nitrogen and phosphorus, respectively. Especially, when hypoxic or low-oxygen condition was present in the bottom water, the discharge through HPP has contributed significantly to the outflow of phosphorus released from the sediment into the downstream of dam. In addition, HPP effluent which be continuously operated throughout the year, was the main factor that could change to a low trophic level in the downreservoir (lacustrine zone). And water-bloom (green-tide) occurring in the lower part of reservoir was the result that the water body of upreservoir being transported and diffused toward the downreseroir, when discharging through the WS. Finally, the hydropower effluent was included the importance and dynamics that could have a temporal and spatial impacts on the physical, chemical and biological factors of the reservoir ecosystem.


대청호 발전방류수의 인 · 탁수 배출 역동성과 육수 · 수문학적 영향

신 재기*, 황 순진1*
한국수자원공사 낙동강남부권관리단
1건국대학교 환경보건과학과

초록


    서 론

    대청호는 우리나라에서 대댐 저수지 중 하나로서 소양 호와 충주호에 이어 세 번째로 크고, 연령도 36년이나 되 었다. 담수 초기부터 내외적 복합 영향 (유역의 점 또는 비 점오염원, 내수면가두리양식장 사료·배설물 및 저질토 용 출)에 의해 시공간적으로 수질 부영양화가 극심하여 몸살 을 앓았었고 (Cho et al., 1991; Lee et al., 1993; Kim et al., 1994), 이러한 내용은 1997년부터 19년 동안 운영해 온 조 류경보제의 결과에서 역력히 드러나듯이 조류독소 및 이 취미의 원인을 제공하는 녹조현상이 만성적으로 지속되었 다 (Shin et al., 2016a). 부영양화와 녹조현상은 원인과 결 과의 관계 (Reynolds and Walsby, 1975; Paerl, 2014)로서 저수지의 상류나 지류 및 만곡부에서 시작되어 중하류에 이송·확산되는 패턴을 보이는데 이것은 크던 작던 인공 호가 가지고 있는 공통적 특성으로 볼 수가 있고 (Baxter, 1977; Shin et al., 2016a, b), 다름 아닌 유역의 도시화, 인 구증가 및 토지이용의 건전성 미확보에 따른 오염원과 영 양염의 관리가 엄격하게 통제되지 못하였기 때문이었다 (Wagner and Zalewski, 2000; Shin et al., 2003b).

    우리나라는 기후학적으로 여름과 겨울의 기온차가 크 고 사계절이 뚜렷한 온대 몬순기후대에 속하여 수문과 수 질은 강수량에 의한 영향이 매우 크다 (Shin, 1998; Shin et al., 2016a). 여름철 풍수기에는 집중호우를 동반하는 장마 와 함께 태풍이 내습하고, 겨울철 갈수기에는 강한 바람 을 수반한 건조기후 영향이 크다 (Shin, 1998; Park et al., 2015). 강수량이 풍부한 하계에는 수체의 상하층 수온 차 가 크고 성층현상이 뚜렷하다 (Chung et al., 2009a; Lee et al., 2010; Yu et al., 2010). 이 시기에 유입량의 증가는 수 위상승에 의한 수체 유동성 제공과 풍부한 유·무기 영양 염 공급 (Thornton et al., 1981; Groeger and Kimmel, 1984; Thornton et al., 1990; An, 2000a, b; An and Jones, 2000), 토양 교란 (예, 침식과 유실)에 의한 탁도의 증가 (Groeger and Kimmel, 1984; Thornton et al., 1990) 및 밀도류의 형 성 (Chung et al., 2009b) 등 물 환경 전반에 걸쳐 다양하고 복잡한 영향을 미치게 되고 (Baxter, 1985; Kennedy et al., 1985), 저수지에서 물리, 화학 및 생물학적 변화를 가장 크 게 하는 원동력에 해당한다 (Kennedy et al., 1985; Shin and Cho, 1999; An et al., 2001; Shin, 2003c).

    대청호의 상류부 (만곡부) 수질은 저수지의 형태와 수문 (水文)의 구조적 차이에 의해 수심이 최대인 하류부와 대 비가 된다 (Shin et al., 1999, 2003b; K-water, 2007). 하천 을 통해 외부로부터 유입되는 영양염은 갈수기에 저수 지 내에서 유속이 급감하는 상류 (riverine zone)와 중류 (transition zone) 구간에서 조류의 생물량을 증가시키게 된 다 (Kennedy et al., 1985; Shin and Cho, 2000). 특히, 만곡 부는 장기간 반폐쇄적으로 정체되어 질소 (N)와 인 (P)을 포함하는 비교적 고영양염의 저장고가 될 수 있고, 본류의 수질과는 다소 이질적이다 (Shin et al., 1999, 2003b; Shin and Cho, 2000). 또한, 연중 N은 풍부한 반면 P가 상대적으 로 부족하여 성장조절에 제한인자가 되고 있다 (Shin et al., 1999; Shin and Cho, 2000). 이러한 P의 주요 공급원은 토 지 이용도에 따른 지역별 차이는 있으나 하수처리장 방류 수와 비점오염 요인을 포함하는 유역 기반 유입의 외적 부 하와 저수지 내 저질층 용출의 내적 부하가 거의 대부분을 차지한다 (Lee et al., 1993; Shin and Cho, 2001; Hur et al., 2009).

    일반적으로, 온대지역 저수지에서 춘계~추계 동안에 수 온과 DO의 성층화가 형성된다 (Wetzel, 2001). 이때 저수 지의 저질층으로부터 용출되는 인은 수체에 미칠 수 있 는 내적 잠재 영향력이 매우 크다. 수심이 얕은 상류나 중 류에서는 바람의 영향으로 상부 수층에 쉽게 이송 확산될 수 있으나 (Ishikawa and Tanaka, 1993), 이와 달리 수심이 깊은 하류에서는 늦가을~겨울 중반의 전도 (turn-over) 시 기에만 제한적으로 이루어질 수가 있다 (Mackenthun and Stefan, 1998; Wetzel, 2001). 그러나 이 시기를 전·후로 댐 부근의 표층수는 평균 <3.0 μg P L-1로서 수중에서 P가 결핍된 상태를 보여 저수지 하류의 생산성에 미치는 영향 은 크지 않은 것으로 볼 수 있었다 (Shin et al., 1999). 따라 서 심수층에서 빈산소 (hypoxia) 또는 무산소 (anoxia) 상태 가 장기화될 때 저질층에서 용출되는 P 영양염의 동태가 의문점으로 제시될 수 있었다.

    우리나라에 형성된 대다수 댐 저수지는 수심이 상류에 서 중류까지 점진적으로 증가하나 하류로 갈수록 급격하 게 깊어지는 형태를 가지고 있다. 또한, 이들은 발전방류 가 기본으로 가동되고 있어서 댐에는 수문-여수로 (watergates- spillway)뿐만 아니라 그 하부에 방수로 (penstock)가 갖추어져 있다 (K-water, 1998; Shin et al., 2016a). 여수로 의 월류는 저수지의 수위가 최고점에 도달하였을 때 유입 량이 저수량을 초과하면 조작되고, 방수로를 통한 방류는 수력발전에 의해 연중 지속적으로 유지되고 있다 (K-water, 1998; Shin et al., 2016a). 또한, 방류구의 수심은 중류 전 이대 (transition zoon)의 최대 수심과 일치하여 우기에 유 입수는 이 구간에서 밀도류 (density current)를 형성하고 (Shin et al., 2003a; Chung et al., 2009b; Lee et al., 2010), 전이대부터 댐까지 일정 수심 (약 27 m)에서 저수지를 통 과한 후 최종적으로 발전 방류구를 통해 댐 하류 하천으로 유출된다 (Lee et al., 2010; Shin et al., 2016a).

    저수지는 최하류의 댐에서 상시 연속적으로 발전방류를 하고 있기 때문에 방류구의 상부보다는 하부의 수질에 영 향이 클 수 있다 (Soltero et al., 1974; Kennedy et al., 1985). 특히 상하층 사이에 수온 (4월~10월)과 DO (6월~11월)의 차이가 큰 시기에 중층 이하의 저층에서는 혐기화가 빠르 게 진행되어 치환성 영양염의 용출이 급격하게 야기될 수 있다 (Matthews and Effler, 2006; Gantzer et al., 2009). 따라 서 이 시기에 용출되는 P와 N 영양염의 동태를 파악하는 것은 저수지의 수질과 녹조관리에 매우 중요하며, 저수지 내부의 P 순환 이해에 필수적이라 할 수 있다. 국외에서 중 층 또는 심층방류에 관한 연구는 과거 댐 건설 이후 선택 취수 (1940s 초반)의 이론과 실험을 통해 활발히 수행되었 다 (Ackermann et al., 1973; Lu et al., 2013). 저수지 내 부 유토사의 배사 (排沙) (Mahmood, 1987; USSD, 2015), 탁 수 밀도류의 배제 (Phillips and Nelson, 1981; Ford and Johnson, 1983; Commandeur, 2015) 및 수질관리 (Ford and Johnson, 1983) 등 다각적인 내용으로 소개되었다. 반면에, 국내에서는 발전방류수에 의한 하류 하천의 수온 (예, 냉 해) (Lee et al., 2015)과 이취미 물질 (Bae et al., 2008) 영향 외에는 그리 많지가 않았다.

    본 연구의 목적은 대청호에서 강우, 유량, 수온 및 DO의 계절적 동태와 발전방류수의 수질 특성을 조사하여 상호 관련성을 파악함과 동시에 하계 성층화 시기에 중층 탁수 밀도류의 이동과 저층수의 빈산소 시기에 용출되는 P의 동태를 관련시켜 그 역동성을 고찰하는 것이었다. 육수· 수문학적 관점에서 저수지의 물 환경 구조와 기능을 이해 하는 데 기초자료로서 제공하고자 하였다.

    재료 및 방 법

    1.조사지 개황

    우리나라에서 세 번째로 큰 인공호수인 대청호 (Daecheong Reservoir)는 금강의 중·상류에 위치하며 1975 년 3월부터 1981년 6월의 기간 동안 공사하여 형성된 주 요 국가기반산업시설에 해당한다 (Fig. 1). 전북 장수군 신 무산의 뜸봉샘에서 발원하여 유역면적이 4,134 km2로서 이 중에 산림은 3,076.3 km2 (74.4%), 농경지는 695.5 km2 (16.9%), 주거면적은 42.2 km2 (1.0%)이고 도로를 포함한 기타 면적은 320.0 km2 (7.7%)를 차지하고 있다 (Table 1). 저수면적은 72.8 km2로서 유역면적/저수면적의 비는 57 (용담호의 930 km2를 제외하면 약 44) 정도이었고, 유로연 장은 251 km, 저수지 최대길이는 86 km, 수변의 총 길이는 300 km이다 (Shin et al., 2016a). 댐은 금강 하구로부터 상 류 약 150 km 지점에 축조되었고, 1980년 12월에 대하천 유역종합개발계획의 일환으로 수자원 (총 저수량 1,490× 106 m3, 유효저수량 790×106 m3)을 개발하여 홍수조절, 수 력발전, 각종 생공용수 및 하천유지용수 공급 등 다목적 이용으로 건설 완공되었다 ( (Shin et al., 2016a). 특히 충남, 충북과 대전광역시의 광역 수원으로서 국가의 수자원 확 보와 이용 측면에서 기능적으로 중요하다. 상류 150 km 지 점에는 용담호가, 하류 2 km 지점에는 조정지호가 각각 위 치하고 있다. 대청호로 유입되는 주요하천은 금강 본류를 포함하여 상류로부터 영동천, 초강천, 보청천, 옥천천, 회인 천, 주원천, 품곡천 및 등동천이 해당하며 하계 (6월~9월) 를 제외하고는 유량이 그리 풍부한 편은 아니다 (Shin et al., 2016a). 또한, 이들 지류에는 소집수역의 오폐수를 처 리하는 하수처리장이 하천의 하류부에 각각 위치해 있고 처리된 배출수는 전량이 대청호로 유입되고 있다. 저수지 의 형태는 본류를 중심으로 수지형이고 수리학적 체류시 간은 145일 정도로서 전형적인 하천형 저수지에 가깝다 (Table 1). 실측한 수심은 7~50 m 범위로서 최대 수심은 하 류의 댐 부근이었고, 평균수심은 27 m이다.

    2.수문기상학적 요인 분석

    강수량은 대청호 유역에 위치하고 있는 기상측후소에 서 관측된 일 평균값 자료를 이용하였고, 태풍 자료는 기 상청의 홈페이지 (www.kma.go.kr) 자료를 활용하였다. 수 문자료는 한국수자원공사 대청댐관리단에서 관측한 일 누 적자료 (K-water, 2000)와 국가수자원관리종합정보시스템 (water management information system, WAMIS)의 공개 자료를 이용하였다. 유량은 유입량과 유출량으로 구분하였 다. 유입량은 본류와 지류로부터 들어오는 총량으로 보았 다. 유출량은 수문 개방에 의한 여수로 방류량과 발전방류 에 의한 방수로의 배출량을 각각 나누어서 분석하였고, 취 수량은 상대적으로 소량이어서 구분하지 않았으며, 총량에 만 포함시켰다. 저수지의 제원은 한국수자원공사에서 발간 된 대청댐관리연보 (K-water, 2000)를 참고하였다. 수심은 조사지점에 미리 설치해 놓은 측심자의 눈금을 읽었고 동 시에 Sona 측심기 (Speedtech Instruments, USA)를 이용하 여 확인하였다.

    3.저수지 물 환경 및 방류수 조사

    현장조사는 2000년 1월부터 12월까지 1주 간격으로 수 행하였다. 저수지는 댐 부근 본류의 중심에 부위 고정점을 설치한 후 동일한 지점에서 모니터링하였고, 발전방류수 는 방류구로부터 물이 배출되는 혼합지점을 택하였다 (Fig. 1). 댐 지점은 수문기상학적 요인의 변동에 따른 저수지 내 의 연중 수온과 DO의 변동을 중점적으로 파악하기 위한 것이었고, 발전방류수는 연중 탁수와 인의 배출 특성을 분 석하기 위한 것이었다. 수온과 DO는 YSI 59 meter (YSI 5795A submersible stirrer and YSI 5739 probe), 탁도는 Lamotte model BH-I 또는 HACH-230 meter를 이용하여 현장에서 측정하였다. 투명도는 Secchi white disc (20 cm size)를 이용하였고 오차를 줄이기 위해 직사광선을 피하 여 관측하였다. 이 중에서 수온과 DO는 표층, 중충 및 저 층에서 각각 측정하였고, 다른 인자는 표층에서만 측정하 였다. 수질분석을 위한 시료는 Van Dorn sampler를 이용하 여 저수지 내 표층 (0.3 m depth)에서, 방류수는 하루 중 정 오에 각각 채수하였다. 채수한 시료는 산 (酸) 세척한 4 liter polypropylene bottle에 담아 아이스박스 (4℃ cooling box) 를 이용하여 즉시 실험실로 운반하였다.

    총질소 (total nitrogen, T-N)와 총인 (total phosphorus, T-P) 분석은 시료를 그대로 사용하였으나 무기영양염 은 GF/F filter paper로 여과 후 즉시 분석하였다. T-N은 persulfate digestion method로, T-P는 alkaline persulfate autocalve digestion method로 각각 측정하였다 (APHA, 1995). Ammonium은 salicylate-citrate reaction method, soluble reactive phosphorus (SRP)는 ascorbic acid methods 로 각각 분석하였다 (Rump and Krist, 1988). 모든 시료는 채수 후 1시간 이내에 분석하였고 duplicate로 측정하였다.

    결과 및 고 찰

    1.강수량 및 수문학적 요인의 변동

    강수량, 유입량 및 유출량의 분포 및 변동결과를 나타낸 것은 Fig. 2 및 Table 2와 같다. 무강수일을 제외한 일 강수 량의 범위와 평균값은 각각 0.1~156.7 mm, 9.2 mm이었고, 연강수량은 1,345.1 mm이었다. 저수지의 유입량이 방류량 을 초과하는 시기를 기준으로 할 때, 6월~9월에 내린 강수 량의 평균값 (범위)은 15.4 mm (0.1~156.7 mm)로서 풍수기 에 해당하였고, 11월~2월에 평균값 (범위)은 1.5 mm (0.1~ 15.7 mm)로서 상대적으로 수량이 적었던 갈수기로 구분되 었다 (Fig. 2). 강수의 연중 변동은 계절적인 편차가 심하여 여름철에 풍부하고 겨울철에 빈약한 현상이 매우 뚜렷하 였다 (Shin et al., 2003c, 2016a; Park et al., 2015). 2000년에 총 강수일은 146일 (40.0% yr-1)이었고 이 중에서 >1 mm 는 87일로서 59.6%를 차지하였다. >30 mm는 15일, >50 mm는 5일 및 >100 mm는 1일이었다.

    또한, 6월~9월에 내린 강수일은 총 75일 (총 강수일의 51.4%)이었고, >30 mm는 14일, >50 mm는 4일 및 > 100 mm는 1일이었다. 연중 >30 mm 강우는 대부분 이 시 기에 포함 (86.2%)되었다. 일 강수량의 범위와 평균값은 각 각 0.1~156.7 mm, 15.4 mm이었고, 총 강수량 (6월~9월) 은 1,156.3 mm으로서 연강수량의 86.7%이었다. 이 중에 서 <30 mm는 402.9 mm로서 34.8%이었고, >30 mm는 753.4 mm로서 65.2%이었다. 여름철에 강우가 많았던 것 은 장마와 태풍에 의한 것이었다 (Fig. 2). 장맛비는 6월 하 순에 총 334.3 mm (최고 62.4 mm, >10 mm 5일)를 내렸 고, 태풍의 상륙에 의한 것은 총 3회 (7월 하순 (Bolaven), 8 월 하순 (Bilis) 및 9월 중순 (Saomai))로서 강수량 (범위, 강 우일수)은 각각 156.7 mm (n=1일), 197.7 mm (41.8~62.4 mm, n=4일) 및 202.7 mm (41.2~67.9 mm, n=4일)가 내 렸다. 강우 강도가 큰 단일 집중호우 (>100 mm) 또는 빈 도가 잦은 연속 중강우의 특성적 차이가 관찰되었다. 저수 지의 기상 영향은 수체의 지리적 위치와 주변 지형에 따라 다르다 (Thornton et al., 1990). 대부분 대기와 수체의 경계 면에서 작용하고, 수표면적, 형태 및 주변 지형에 의존적이 다. 주요 인자에는 태양복사에너지, 구름, 바람 및 강우 등 이 포함된다. 이에 대한 영향으로 수온의 계절적 변화는 기본적으로 sin 곡선 형태를 띠고, 일주기성이 관찰되기도 한다 (Thornton et al., 1990). 또한, 저수지에서 수층혼합과 수류이동을 야기하는 바람과 강우의 영향력은 그 변동성 이 시공간적으로 매우 크다.

    유입량의 범위와 평균값은 각각 2.0~2,778.4 m3 s-1, 113.3 m3 s-1이었고 (Fig. 2, Table 2), 연중 총 유입량은 41,454.0 m3 s-1이었다. 유입량은 강우의 직접적인 영향이 커서 강우가 있은 직후에 급증하는 경향이 현저하였다. 이러한 양상은 강수량이 >30 mm일 때 더욱 두드러졌다 (Shin et al., 2003c, 2016a). 6월 하순에 714.5 m3 s-1로 증 가하였고, 7월 하순에 2,201.6 m3 s-1, 2,578.5 m3 s-1, 8월 하 순에 2,778.4 m3 s-1 및 9월 중순에 2,633.6 m3 s-1 수준으로 각각 급증하였다. 유입량의 증가는 강우 강도, 빈도 및 그 양에 의해 6월~9월 사이에 집중되어 있음이 뚜렷하였다 (Fig. 2). 이 시기의 유입량은 2.2~2,778.4 m3 s-1 범위 (평 균값 303.8 m3 s-1)이었고, 연중 총 유입량의 89.4%를 차 지하여 저수지에서 수문학적 변화가 가장 격변하는 시기 로 볼 수 있었다 (Shin et al., 2016a). 또한, 연속되는 태풍 (Bolaven, Bilis 및 Saomai)에 의한 유입량의 평균값 (범위) 은 각각 1,833.8 m3 s-1 (721.4~2,578.5 m3 s-1), 1,529.6 m3 s-1 (583.4~2,778.4 m3 s-1) 및 1,833.7 m3 s-1 (564.5~2,633.6 m3 s-1)이었고, 누적 유입량은 각각 5,501.5 m3 s-1 (n=3일), 7,648.0 m3 s-1 (n=5일) 및 9,168.5 m3 s-1 (n=5일)이었다 (Fig. 2). 또한, 이 시기의 유입량은 총 유입량의 53.8%에 해당하여 단기간 (3일~5일)에 흘러 듦을 알 수 있었다.

    저수지의 유출은 크게 두 부분 (취수량은 상대적으로 적 어서 제외함)으로 구분할 수가 있다. 하류의 댐에 위치한 수문조작 개방에 의한 여수로 방류와 수력발전에 의한 방 수로 방류가 이에 해당한다 (Fig. 2). 방류량의 범위와 평균 값은 각각 15.8~2,132.2 m3 s-1, 111.5 m3 s-1이었고 (Table 2), 총 방류량은 40,711.3 m3 s-1이었으며, 유입량의 82.2% 를 차지하였다. 방류량도 유입량과 마찬가지로 강우량과 밀접한 관련성이 있었다. 여수로 방류량은 228.5~1,910.7 m3 s-1 범위로서 평균값은 1,001.5 m3 s-1이었다 (Fig. 2). 여 수로의 조작 시기는 연중 8월과 9월에 각각 1회씩 있었 고 개방기간은 4일~5일 범위이었다. 이때 방류량 (범위)은 각각 4,027.8 m3 s-1 (252.2~1,216.6 m3 s-1), 4,985.8 m3 s-1 (228.5~1,910.7 m3 s-1)이었다. 여수로를 통한 월류량은 연 간 방류량의 22.1%에 해당하였고, 평균 방류량보다 80.8배 컸다. 수력발전 방류량은 15.8~247.6 m3 s-1 범위로서 평 균값은 86.8 m3 s-1이었다 (Fig. 2). 1월 초순에 44.3 m3 s-1로 시작하여 6월 하순에 122.2 m3 s-1로 증가하였고, 10월 초 순까지 120.9 m3 s-1를 유지하다가 이후 증감을 소폭 반복 하면서 12월 말에 27.1 m3 s-1로 감량되었다. 발전방류량의 변동양상은 저수지의 상류나 지류로부터 들어오는 유입량 과 밀접한 관련성을 가졌다. 유입량이 큰 시기에 발전방류 량도 많았고, 다른 계절보다도 여름~가을철 사이에 평균 방류량을 초과하였다. 발전방류량은 총 방류량의 77.9% 수 준이었고, 거의 매일 방류되었으며, 이것은 저수지의 하류 하천에 유지용수 또는 수질개선을 위한 환경용수로 이용 되고 있다 (Shin et al., 2016a).

    수위와 수심의 연중 변동 범위는 각각 EL. 65.5~78.2 m, 38.0~50.0 m이었고, 평균값은 각각 EL. 71.0 m, 43.6 m이 었다 (Fig. 3, Table 2). 두 요인의 변동 경향은 거의 유사하 였다. 수위는 1월에 EL. 73.0 m에서 7월 중순에 EL. 65.5 m까지 7.5 m가 하강하였고 (a.), 이후 9월 중순까지 EL. 78.2 m까지 12.7 m를 급격하게 증가 (b.)시킨 후 12월 말까 지 EL. 67.9 m로 10.3 m를 다시 감소 (c.)시켰다 (Fig. 3). 6 월 하순의 장맛비에 의해서 2.5 m (EL. 66.4 m → EL. 68.3 m, 750 m3 s-1 정도 유입)를 증가시켰고, 이내 EL. 65.5 m로 감소되었다. 이때부터 태풍 Bolaven의 영향으로 EL. 73.6 m로 급증하였고, EL. 71.3 m로 소폭 감소하였다가 Bilis에 의해 EL. 76.8 m로 증가하였으며, EL. 74.5 m로 다시 감소 하였다가 Saomai에 의해 EL. 78.2 m로서 최고로 높아졌다. 최소 EL. 65.5 m에서 최대 EL. 78.2 m까지의 변동 (약 13 m)은 이 시기에 이루어졌다 (Fig. 3). 그리고 증감구간 a., b. 및 c.의 소요기간은 각각 196일, 62일 및 100일이 걸렸고, 변동 경사도 매우 급하였으며, 태풍 Bolaven의 영향이었던 EL. 65.5 m에서 EL. 73.6 m에 도달 (8.1 m 차이, 총 변동 폭 의 63.8%)한 기간은 14일 정도 걸렸다. 대청호의 수위와 유입량 관계에서 평균적으로 300 m3 s-1 정도 유입이 되면 약 1 m 상승한다는 선행 연구결과 (Jung and Hwang, 2003) 와 비슷하였다. 저수지의 수위는 유입량에 의존적이나 강 우 강도와 패턴에 따라 그 증가 폭을 달리하기도 하였다 (Shin et al., 2016a).

    저수지의 유입량은 대부분 상류와 지류의 물꼬리에서 들어오게 된다. 유역의 크기와 형태, 선행 유입량의 정도 및 강우 분포에 의존적이다 (Thornton et al., 1990). 따라서 각 저수지마다 유역에 내린 강우를 통해 들어오는 각 유 입량은 저수지의 물 수지를 결정하는 주요 변수가 될 수 있다 (Shin et al., 2016a). 이론적으로 수리학적 체류시간 이 길다고 하더라도 홍수기에 유입량은 수일 내의 단기간 에 저수지를 빠져나가기도 하여 저수지의 물질거동에 미 치는 영향을 파악하고자 할 때에 매우 중요한 변수가 된다 (Thornton et al., 1990). 그래서 저수지에서 수문 또는 발전 방류 조작은 방류 수심과 방류대에 영향을 미칠 뿐만 아니 라 각종 물질의 분포에도 변화를 주게 된다. 홍수조절, 수 력발전 및 용수공급의 이용은 수위변동에 주요한 영향을 주게 된다. 이것은 저수지의 형태, 혼합체계, 수역 및 수층 간 물 교환, 체류시간 및 각종 환경요인 변화 양상에도 영 향을 주게 될 뿐만 아니라 생태계에 대한 무생물적 스트레 스로써 작용할 수도 있다 (Thornton et al., 1990). 홍수조절 을 위한 저수지는 일정량의 물을 저장하기 위해 수위를 유 지해야 하고, 수위는 추가적인 홍수에 대비하기 위해 계절 에 따라 변동한다 (Shin et al., 2016a). 수위 상승 또는 하강 시기 및 그 정도는 물 이용과 내부 시설물 관리 측면 (저수 위 이하로 이행)에서 조절될 수 있다. 저수지의 수위가 증 가할 때 물의 흐름은 지류의 만입부에서 역류하게 되고, 유입수와 영양염의 부하는 수위가 하강할 때까지 갇혀 있 게 된다. 반면에 수위가 하강할 때 개방수역으로 운반되고, 영양염도 동반 이동하게 된다. 따라서 수위 변동은 상하류 간에 물질이송 기작의 기초가 될 수 있다.

    온대지역 담수에서 기후의 계절적 편차는 저수지의 유 량, 수위뿐만 아니라 수질의 변동에도 매우 중요하다 (Shin et al., 2003c, 2016a). 우리나라의 강우패턴을 볼 때, 6월~9 월 사이의 강수량이 연간 총 강수량의 대부분을 차지하였 다. 저수지 수문관측 결과의 월 평균값을 기초로 한 수리 학적 경향은 6월~10월 기간에 강우-유입수를 저수한 후, 11월~5월 동안에 각종 생활, 공업 및 농업환경 용수로 이 용되고 있었다 (Shin et al., 2016a). 그 결과, 이 기간은 풍 수기로서 외부로부터 갈수기에 축적되었던 제한 영양염을 비롯하여 다양한 오염물질을 저수지에 대량 유입시키는 시기이었다 (Shin et al., 2016b). 저수지 내에서 결핍되었던 영양염을 공급해 주는 것은 부영양화와 녹조현상 등 수질 을 악화시킬 수 있는 주된 요인으로 볼 수 있으며 최종적 으로 저수지의 영양상태를 부영양 또는 과영양화를 초래 할 수 있는 잠재력을 지니고 있었다 (Shin and Cho, 2000; Shin et al., 2016b).

    2.댐 지점에서 수층별 수온과 DO의 변동 특성

    표층, 중층 및 저층의 수온 범위와 평균값은 각각 4.7~ 30.4℃, 16.5℃, 4.4~22.2℃, 11.4℃ 및 4.3~13.6℃, 7.7℃ 이었다 (Fig. 4, Table 2). 2월 하순에 전층의 수온이 5.0℃ 정도로 동일한 수준을 유지하였고, 이후부터 차이가 나기 시작하였다. 표층 수온은 4월 하순까지 11.7℃로 증가하였 고, 5월 중하순에 17.0~18.8℃, 6월 초순에 23.8℃까지 증 가 하였으며, 8월 초순에 30.4℃ (△25.4℃)로서 최고값을 기록하였다 (Fig. 4). 중층 수온은 6월 하순까지 평균 6.2℃ 의 낮은 값을 유지하다가 7월 중순에 11.4℃, 7월 하순에 20.7℃까지 올라갔는데 이 시기는 저수지의 수위 (수심)가 최저 상태이었고, 이후 8월 하순에 22.2℃ (△17.2℃)로서 최고값을 나타냈다. 저층 수온은 8월 말까지 6.1℃ 정도 증가하였고, 10월초에 13.6℃ (△8.6℃)로서 최고값을 기 록하였다. 표층의 수온이 최고값을 보인 시점을 기준으로, 중층은 21일, 저층은 63일 정도 후행하였고, 중층의 수온을 기준으로 할 때, 저층은 42일 정도 늦게 관찰되었다 (Fig. 4). 또한, 표층 수온이 25℃가 되었을 때, 표층~중층, 표층~저 층 및 중층~저층의 온도 차이가 커졌고, 저층의 빈산소가 시작되었다 (Fig. 4). 표층 수온은 77일 (6월 19일~9월 4일) 간 유지되었고, 저층 빈산소는 126일 (7월 18일~11월 21일) 간 존재하였다. 수체의 층별로 10℃ 이상 차이를 보인 기 간은 표층~중층의 경우 84일 (5월 15일~8월 7일), 표층~ 저층은 142일 (5월 15일~10월 4일) 및 중층~저층은 42일 (7월 24일~9월 4일)로서 층간 온도차이는 순차적으로 발 생함이 역력하였다 (Fig. 5). 층별 수온이 동일한 값으로 합쳐지는 시기와 온도는 각각 표층~중층은 11월 초순에 18.0℃이었고, 표층 (중층)~저층은 11월 하순에 14.0℃이 었다 (Figs. 4, 5). 이 값은 1월~2월의 5.0℃와 비교하면 각 각 13.0℃와 9.0℃ 차이였으며, 수층 간에 혼합된 후 점진 적으로 하강하는 양상으로 볼 수 있었다.

    DO는 표층, 중층 및 저층에서 범위와 평균값이 각각 7.4~14.3 mg O2 L-1, 10.6 mg O2 L-1, 2.3~13.1 mg O2 L-1, 9.6 mg O2 L-1 및 0.3~13.4 mg O2 L-1, 6.8 mg O2 L-1이었다 (Fig. 4s, Table 2). 수온이 낮을 때 높고, 높을 때 낮은 일반 적인 경향이 뚜렷하였으나, 예외적인 경우도 관찰되었다. 표층 DO는 수온이 급증하는 시기와 기간 동안에 증감 변 동이 매우 활발하여 역동적이었고, 다른 층들과 비교가 되 었으며, 7월 하순과 9월 하순에 각각 최소 및 최대값을 나 타냈다. 8월 초순, 9월 초순 및 9월 하순에 각각 10.2 mg O2 L-1, 11.4 mg O2 L-1 및 13.1 mg O2 L-1로서 직선적으로 증감 을 반복하였는데 이것은 태풍이 상륙하여 도래한 시점과 정확하게 일치하였다 (Fig. 4). 8월 초순에는 저수지의 수위 가 최저로 하강하였다가 다시 높아진 직후에 해당하였고, 태풍의 바람에 의해 수층의 혼합 및 폭기된 것으로 볼 수 있었다. 9월 초순과 하순에는 태풍과 수문 방류의 복합적 인 영향이었는데 수위가 최고로 높아지면서 수문 방류가 이루어져 상류의 수체가 하류 댐으로 이동한 영향이 더욱 역력하였다 (Shin et al., 2016a). 이것은 chl-a의 농도 증가 로도 설명이 되었다. 중층은 7월 하순에 8.8 mg O2 L-1에서 2.3 mg O2 L-1까지 크게 감소하여 빈산소 (hypoxia, <5.0 mg O2 L-1) 상태이었고, 이후 8월 하순에 5.0 mg O2 L-1까지 다시 증가하는 양상을 보였다. 저층은 4월 하순부터 감소 하기 시작하여 7월 중순에 3.0 mg O2 L-1까지 떨어졌다가 8월 중순~9월 초순 (20일간)과 10월 초순~11월 초순 (28 일간) 동안에 각각 0.4 mg O2 L-1 수준의 저산소 (<1.0 mg O2 L-1) 상태를 2회 보였다 (Fig. 4). 9월 중하순에 2~3 mg O2 L-1를 보였던 것은 태풍 Saomai의 내습으로 인해 저수 지의 수위가 최고값에 치달았던 시기이었다. 그리고 만수 위가 되면서 수문-여수로를 통해 5일 동안 방류를 시켜 수 체의 유동이 매우 컸었다 (Fig. 2 참고). 그러나 DO의 증가 는 일시적이었고 수문 방류를 그치자 말자 이내 다시 저 산소 상태로 떨어졌다. 중층에서 빈산소를 보인 기간은 35 일 (7월 24일~8월 28일)이었고, 저층에서는 126일 (7월 18 일~11월 21일)이었다 (Fig. 4). 또한, 수체의 층별로 5.0 mg O2 L-1 이상 차이를 보인 기간은 각각 표층~중층에서 22일 (7월 24일~8월 15일), 중층~하층에서 126일 (7월 18일~ 11월 21일) 및 표층~하층에서 139일 (7월 18일~12월 4일) 이었다 (Fig. 5). 9월 중순에 전 수층에서 동시에 DO가 감 소하였던 것은 수문 방류에 의해 수체 이동의 물리적 작용 이 강하게 일어난 결과로 볼 수가 있었다. 표층수의 DO 차 이는 중층과 저층수의 차이를 합한 값과 유사하여 전 수체 가 유동하였음을 간접적으로 시사하였다. 이것은 수온의 층별 분포에서도 그대로 관찰되었다.

    저수지에서 물의 유입과 유출은 에너지의 주요한 공급 과 손실원이고, 성층화의 유형에 영향을 미치게 되며, 그 현상은 해마다 변동 폭이 크고 저수지의 형태에 따라 일반 화되기가 쉽지 않다 (Thornton et al., 1990). 또한, 성층화에 미치는 주요 영향 인자는 저수지의 형태, 기상학적 영향, 유입, 유출 및 수문조작 등이 포함된다 (Shin et al., 2016a). 성층이 형성되면 심층수의 수온은 수체의 전도현상이 발 생하기 전까지 조금만 증가하게 된다. 수체의 전도현상은 표층과 심층의 수온이 유사할 때 일어난다 (Wetzel, 2001). 저수지에서 혼합과 유인현상 (entrainment)은 점진적 또는 연속적으로 일어나는 것이 아니라 비교적 급속하게 일어 나는 현상이며, 수온 분포의 역동적 변화는 태양복사열, 풍 량, 유입량, 방류량 및 수문조작 등의 변동과 이들 간의 상 호작용에 의해 형성되게 된다 (Thornton et al., 1990). 수온 분포의 변동은 저수지의 크기와 수심에 의해 결정되며, 수 평적 분포 차이는 수체의 온도 분포와 다른 열원의 유입과 혼합에 의해 일어난다. 따라서 저수지마다 각기 다른 수온 층 (thermal bar)이 형성되는 것이다 (Wetzel, 2001). 표층수 의 물을 방류하는 저수지는 영양염의 배출은 작고 열을 분 산시키는 반면에 중저층에서 방류하는 저수지는 그 반대 이다 (Thornton et al., 1990). 성층화된 저수지에서 밀도류 는 수중 영양염의 분포에 영향을 미친다. 따라서 수층의 성층화는 유입수의 수직적 위치와 영양염의 수층 분포를 결정하게 된다.

    저수지에서 물 환경 요인 중 DO는 수온의 변동에 매우 민감하였고, 특히 중층과 저층의 경우가 더욱 현저하였다 (Fig. 4). 수온이 상승하면서 DO는 급감하는 양상을 나타 냈다. 하계에 강수에 의한 유입량이 급증하는 시기에 중층 의 DO 성층은 갑자기 소멸되었는데 이것은 지속되는 발 전방류를 통해 밀도류 (density current)의 침입에 의한 영 향이 지배적이었다. 따라서 중층의 DO 변동은 밀도류의 형성 시기와 크기에 의해 좌우될 수 있었다 (Fischer and Smith, 1983). 수문 방류 시 수체 전체가 유동됨으로써 저 수지 하류의 물이 상류의 물로 대체되었고, 중층 방류는 중층수가 상층수나 저층수 및 상류 중층수에 의해 대체되 는 효과가 있었다. 따라서 저수지의 방류 기작과 작용은 수온, DO 및 영양염 등의 분포와 동태에 직접적인 영향을 미치게 되는 것으로 파악되었다. 또한, 저층에서 산소의 결핍은 저질층의 환원을 유도하여 치환성 영양염의 용출 을 촉진시키는 주요한 원인이 될 수 있었다 (Gantzer et al., 2009). 수체에서 수충별 수온과 DO의 값이 일치되는 것은 12월~1월로서 이 때를 전도 (turn-over)현상이 발달하는 시기로 볼 수가 있었다 (Soltero et al., 1974).

    3.발전방류수의 탁수 및 인 (P) 배출 동태

    대청호의 최하류에 위치한 댐에서 수력발전을 할 때, 저 수지의 하류 하천으로 배출되는 방류수의 주간 수질변동 을 나타낸 것은 Fig. 6과 같다. 탁도의 변동 범위와 평균 값은 각각 1.0~80.2 NTU, 7.6 NTU이었다. 10 NTU 이상 의 탁도 값을 보인 기간은 76일 (7월 24일~10월 6일)이었 다. 6월 하순에 2.0 NTU이었는데 7월 하순에 27.3 NTU (선 행 장마영향), 80.2 NTU (후행 1차 태풍영향)의 높은 값을 2회 보였고, 8월 하순과 9월 중순에 각각 30.2 NTU, 27.2 NTU (후행 2차, 3차 태풍영향)를 기록하였다. 방류수에서 최대 탁도 값을 보인 시기는 장마 강우사상의 영향은 작 았고, 연이어지는 1차 상륙한 태풍 Bolaven에 의한 집중호 우 영향이 더욱 컸던 것으로 볼 수가 있었다 (Fig. 2 참고). 또한, 고강도 강수량 (157 mm)과 유입량 (2,579 m3 s-1)이 급 증한 시기와 비교해 볼 때, 고탁도는 각각 4일~5일 정도 후행하는 시간적 차이가 있었고, 수문을 개방하여 여수로 를 통해 대량 월류시킨 시기보다는 30일 선행되었다 (Fig. 6). 또한, 발전방류가 연속적으로 가동되고 평균 강수량이 >77 mm일 때, 방류수의 배출 탁도값 자료로부터 중층 밀 도류의 이동속도를 계산한 결과 약 0.25 m s-1로 추정되었 다.

    T-N의 변동 범위와 평균값은 각각 1,118~2,386 μg N L-1, 1,644 μg N L-1이었다 (Fig. 6, Table 2). 1월에서 6월까 지는 비교적 낮은 농도이었고, 7월에서 9월까지 평균값은 1,942 μg N L-1로서 비교적 높은 경향이었으며, 이후 10 월에서 12월까지는 다시 감소하는 양상이었다. NH4의 변 동 범위와 평균값은 각각 0~70 μg N L-1, 34.2 μg N L-1로 서 T-N 평균농도의 2%를 차지하였다. NH4는 5월 초순에 43.0 μg N L-1를 시작으로 증가하였고, 7월~8월에 탁도가 높았던 시기에 일시적으로 감소하였다. 이후 9월까지 평균 농도는 67.3 μg N L-1로서 연중 가장 높은 농도 수준을 나 타냈다. 이 시기는 탁도가 가장 높았던 시점보다 23일 후 이었고 약 29일 동안 유지되었다. NH4가 가장 높았던 시 기는 SRP의 최대 시기와도 일치하였다 (Fig. 6). NH4가 5 월 초순에 급격하게 증가하였던 것은 수온의 증가로 인해 저층 DO가 감소하기 시작한 시기와 장마를 대비하여 수 위를 조절하는 목적으로 발전 방류량을 증가시킨 시기에 해당하였다.

    T-P의 변동 범위와 평균값은 각각 6.0~87.0 μg P L-1, 31.0 μg P L-1이었고 (Fig. 6, Table 2), 탁도가 가장 높았던 7 월 하순에 급증하여 75.0 μg P L-1를 기록하였고 9월 중순 이후 점차 감소하는 양상을 보였다. 반면에, SRP 변동의 범 위와 평균농도는 각각 0~36.0 μg P L-1, 9.6 μg P L-1로서 최 대 및 최소의 차이가 컸으며 증감 양상이 다른 요인에 비 해 뚜렷하였다. SRP는 탁도가 최대를 보인 시점이었던 7 월 하순 이후부터 10.0 μg P L-1에서 증가하기 시작하여 9 월 중순에 36 μg P L-1로서 최대값을 보였다 (Fig. 6). 이 시 점은 탁도의 최대를 보인 시기보다 51일 후에 해당하였고, NH4가 높았던 시점보다 약 1개월 정도 후행하였다. 발전 방류수를 통해 SRP의 농도가 >10 μg P L-1로서 배출된 기 간은 총 92일이었다.

    대청호에서 수중 영양염의 유입원은 지류를 통한 금 강 본류와 저수지 내의 저질층이 해당한다 (Shin and Cho, 2000; Shin and Cho, 2001). 본류의 유입은 하수처리장의 배출수가 차지하는 비중이 크고 저질층은 심수층의 DO 농 도가 낮을 때 문제가 된다. K-water (2007)는 하수처리장 의 배출수에 의한 유입 부하량은 저수지 내의 평균 농도보 다 극도로 높기 때문에 점오염원에 의한 영향이 가장 심 각한 것으로 보았다. 또한, Shin and Cho (2001)는 대청호 의 중류와 하류의 저질층은 유기물이 매우 풍부하여 부영 양 상태로 평가하였고, 퇴적층은 조류 등 유기물의 침강축 적과 용출 잠재력으로서 영양염의 sink와 source로 보았다. 대청호에서 T-N과 T-P 중에서 식물플랑크톤의 대발생 시 기에 더욱 큰 변화를 보인 것은 T-P로서 이것은 식물플랑 크톤의 세포 내 저장된 P에 따른 것으로 해석될 수가 있었 다. T-N과 T-P의 농도가 급격하게 감소하는 시기는 지속적 인 강우에 의해 유입량이 크게 증가하였던 시기로서 유입 량이 최대가 될 때 더욱 뚜렷하였다 (Fig. 2 참고). Chl-a의 증가와 투명도의 저하는 수온이 25℃ 이상을 유지할 때 현저하였다 (K-water, 2007). 하계에 chl-a 농도를 증가시키 는 데 기여하는 식물플랑크톤의 분류군은 대부분 남조류 계열로서 Anabaena spiroides var. crassa, Aphanizomenon flos-aquae, Microcystis aeruginosaOscillatoria limosa 등이 주종을 이루었고, 이 중에서 Microcystis aeruginosa 가 가장 우점하였다 (Shin et al., 1999; K-water, 2007). 저수 지의 댐 부근 하류에서 연중 투명도의 변동은 동물플랑크 톤과 남조류의 식물플랑크톤 밀도가 최대일 때 각각 최대 값과 최저값을 나타냈다. 또한, 투명도는 T-N 및 T-P 변동 과 반대 경향이었고, 이것은 내적 오염부하 영향이 적었음 을 반영하였다. Shin and Cho (2001)는 수층과 저질층에서 DO가 급격히 감소할 때 N이 P보다 먼저 증가함을 보고하 였다. Soltero et al. (1974)은 Washington의 Spokane River 에 위치하고 있는 Long호에서 밀도류가 형성되었을 때 심 수층은 무산소 상태이었고 이 시기에 P의 농도가 가장 높 았다고 하였다. 이것은 발전방류수에 많은 양이 포함되어 유출되었으며 하류 하천의 생산성에 영향을 주었다고 하 였다. 이러한 현상은 중저층에 발전방류 구조를 갖춘 저수 지에서 나타나는 일반적인 것으로 이해가 될 수 있었다.

    4.심층에 발전방류구 시스템을 갖춘 댐 저수지 (대청호) 에서 P의 동적 모형

    대청호를 포함한 우리나라의 대댐 저수지에서 수질의 연중 변동은 유사한 패턴을 보이고, 이러한 양상은 유입과 방류 구조를 고려할 때 상류에서 하류까지 연속적인 현상 으로 나타난다 (Fig. 7). 수온 성층화 (stratification)는 4월~ 5월에 상류 (수심 5 m 이내)부터 형성되기 시작하여 하류 로 확산되었고, 12월~1월에 수체가 완전혼합 (complete mixing)되기 전까지 하류로 갈수록 그 두께는 두껍게 분 포하였다 (unpublished data). 한편, 6월~7월 이후 온대 몬 순기후 영향으로 여름철 장마가 시작하여 강우량에 따른 유입량이 증가하면서 많은 영양염을 포함하고 있는 하· 폐수뿐만 아니라 산림, 농경지 등의 표층 토양을 침식 후 유실시켜 저수지 내부로 탁수 (turbid water)가 대량 유입 된다. 이러한 탁수는 유입하천수의 수온과 거의 일치하 는 수온 층을 타고 밀도류 (density current)를 형성하게 되 며 전술한 바와 같이 수온성층의 두께만큼 밀도류가 발 달하게 된다 (Wetzel, 2001). 이러한 기작은 태풍의 상륙 유무에 따라 그 영향이 커질 때 더욱 뚜렷하게 펼쳐진다 (Commandeur, 2015).

    이러한 밀도류는 저수지의 상류~중류부에 발달된 DO 성층을 일시에 파괴시키는 직접적인 영향인자로 작용하기 도 하였다. 또한, 하류로 유하하면서 탁수 성분 중 일부 토 양 근간의 입자성 물질은 침강하게 되고 용존 영양염은 유 광층인 상부 수층으로 확산 및 공급되어 식물플랑크톤의 생장을 촉진시키는 주요 원인이 될 수가 있다 (Fig. 7). 전 이대 구간의 중류와 댐 부근의 하류에서 상층부는 여수로 의 수문을 조작하는 시기에 영양염과 chl-a 농도가 증가하 는 것으로 보아 상류로부터 유입된 영향으로 볼 수가 있었 다 (Shin et al., 2016a). 중층에 폭 넓게 발달된 탁수 밀도류 는 수력발전 방류구의 수심과 일치하여 장기간 방류되었 다. 이때 저수지 내의 심층은 DO가 거의 고갈된 무산소층 을 이루고 있어 저질층에서 다량의 N과 P가 용출되는 과 정을 수반하였다 (Fig. 7). 용출된 P는 물리적 작용에 의해 상부 수체로 점차 확산되거나 수체가 완전히 혼합되는 전 도 (turn-over)시기에 표층으로 일시에 공급될 수 있는 잠 재력을 지니고 있다 (Shin and Cho, 2001). 그러나 하계에 저수지 심층에서 생성되는 N과 P는 상부 수층으로 전달되 는 것보다 발전방류에 의해 하류 하천으로 유출되는 경향 이 더욱 큰 것으로 본 연구에서 확인되었고 (Fig. 7), 댐 하 류 하천의 물질생산에 펄스 영향을 미칠 수가 있었다.

    저수지의 상류에서 하류까지 구배적 특성은 육수학적 과정들과 수체의 반응 및 그 특성에 중심적 역할을 한다 (Kennedy et al., 1982, 1985). 강 유입부로부터 댐까지의 연속성을 따라 발생하는 종적구배 (longitudinal gradients) 는 유수대, 전이대 및 정수대의 뚜렷한 특징을 가진 구역 으로 구분되고, 각 구역은 서로 상이한 물리, 화학 및 생물 학적 특성을 가진다 (Thornton et al., 1981). 전이대는 상당 한 양의 유기물과 무기물의 침전이 일어나고 (Fig. 7), 수층 내에 광 투과가 증가하는 구역이다 (Kennedy et al., 1982). 또한, 무기입자의 침전율은 낮고 광투과는 1차 생산력을 촉진시키기에 충분하나 시기에 따라서 영양염이 조류성장 의 잠재적 제한요인으로 작용할 수도 있으며, 혼합층에서 유기물 생산율은 분해율을 초과할 수도 있다.

    일반적으로, 유역하천으로부터 들어오는 유입수의 밀 도는 저수지의 표층수 밀도와 다르기 때문에 대개 밀도류 로 유입되고 저수지를 통과하여 빠져 나가게 된다 (Fischer and Smith, 1983). 밀도의 차이는 수온, 총용존물질 및 부유 물질에 의해 야기될 수 있으나, 주로 수온에 의한 것이 대 부분이다 (Thornton et al., 1990). 부유물질의 농도는 유량 증가에 따라 상승하는 경향을 보인다 (Shin et al., 2003a). 유입수는 저수지 내의 밀도 차이에 의존하여 크게 표층, 중층 및 저층으로 유입된다 (Commendeur, 2015). 이때 유 입수의 밀도가 저수지 표층수의 밀도보다 작을 경우 표층 (overflow)으로 흐르고, 그와 반대로 클 경우는 수표면 아 래 (interflow, underflow)로 가라앉는다.

    저수지에서 전이대는 실제로 분기점 (plunge point)이 발 생하는 구역으로 볼 수가 있다 (Fischer and Smith, 1983). 분기점의 위치는 매우 가변적이고, 유입량과 밀도에 따라 역동적으로 변한다. 홍수 기간에는 하루에 10 km 또는 그 이상 이동할 수 있고, 유입수와 저수지 내 표층수의 밀도 차이에 따른 것보다 유량의 변동에 더욱 민감하다 (Ford and Johnson, 1983). 유입수에 포함된 각종 다양한 물질들 이 분기점에서 모여지는 현상은 저수지의 수질에 중대한 영향을 미친다. 분기점은 상류 (하천 유입부)와 하류 (댐) 방 향으로 시시각각 전진 또는 후퇴를 하기 때문에 각종 물질 들의 역동성에 관한 설명은 쉽지가 않다 (Thornton et al., 1980). 그러나 일반적으로 이 지점에서 용존물질은 표층수 에 많이 분포한다 (Fig. 7).

    중층류 또는 침입류 현상은 저수지에서 일반적으로 발 생하는 현상이다 (Thornton et al., 1990). 밀도가 높은 유입 수가 강바닥을 떠나 성층화된 수체 속에서 수평적으로 퍼 져 나갈 때 생긴다. 대개 유입수의 온도가 표층의 수온보 다 낮고 심층수의 수온보다 높은 여름철의 중·후반에 발 생한다 (Fig. 7). 중층 유입수는 표층과 저층 유입과는 다른 데 이것은 유입수와 저수지의 밀도가 비슷할 때 저수지 내 의 일정 수심을 통해 이동하기 때문이다 (Shin et al., 2016a). 중층 유입수가 이동하기 위해서는 연속적인 유입과 방류 가 필요조건이며, 그렇지 않을 경우 특정 지역에 정체되거 나 소멸된다 (Ford and Johnson, 1981). 또한, 중층에서의 밀 도차이는 수층 혼합을 방해하는 강한 부력을 형성하기도 한다. 중층 유입수는 댐 담수 전 기존 강 (江)의 수로를 따 라 저수지 내에서 이동하고 측면 방향으로는 이동하지 않 는다 (Thornton et al., 1990). 이동 특성은 부분적으로 저수 지 형태, 수지상의 특성, 바닥층 굴곡도 및 잔존물 제거 유 무 등에 의해 결정된다. 유입수가 일단 하부에 가라앉은 후에 중층류 또는 저층류를 형성하게 되면 수층 내 물질 부하는 표층수로부터 고립되기도 한다 (Ackermann et al., 1973; Thornton et al., 1990).

    유입수의 수온과 밀도는 계속적으로 변화하기 때문에 저수지를 통해 이동하는 중층류의 이동수심도 변하게 된 다 (Ford and Johnson, 1983). 이런 현상은 홍수기에 현저하 고 유입량 증가, 수온분포 및 부유물질 부하에 의해 급격하 게 변하게 된다. 홍수 유입수는 짧은 시간동안 수로를 따 라 이동하여 수일 내에 저수지를 통과하게 되며, 홍수 1회 에 의해 저수지 내에서 유입수의 수직적 위치가 5 m 이상 변동하기도 한다 (Ford and Johnson, 1983). 이때 유입되는 P 농도는 전형적으로 수문곡선의 상승점과 동시에 증가하 고, N 농도는 하강점에서 증가하기 때문에 저수지에서 두 영양염의 유입농도 변동성에 다소 차이가 있다.

    저수지는 유량조절을 안정화시키기 위하여 건설되었다. 유량이 적을 때 이용할 목적으로 또는 하류에서의 범람에 의한 피해를 막기 위해 물을 강우기 동안 저장하는 것이 다. 댐에서 수문조작과 방류구 구조의 형태는 저수지의 용 도에 따라 다르고, 저수지의 물이 댐에서 방류될 때 에너 지 (잠재 → 운동+혼합)의 변화가 일어난다 (Thorntron et al., 1990). 따라서 수체의 혼합은 물이 방류되는 영역으로 제한되고 방류량에 비례한다. 홍수조절용 대댐 저수지는 대량의 홍수 물을 방류하고 댐의 피해를 줄이기 위하여 별 도의 방류구를 갖추고 있다. 이러한 방류구는 방류속도를 조절하는 수문을 통해 조절될 수도 있고 수문 아래의 방수 로를 통해서 이루어질 수가 있다 (Thorntron et al., 1990). 이 중에서 저수지의 심층수를 방류하는 것은 일반적인 방 식이고, 방류구역은 심층에 제한되며 (Cho and Kim, 2010), 물이 잘 혼합되는 표층의 수심증가, 심층 수온상승 및 수 층 간의 밀도차이를 약화시킬 수도 있다 (Fig. 7).

    수문조작은 수위변동곡선, 유입량 및 하류 하천의 수용 력의 상황 조건에 의해 이루어지고 있다 (Thornton et al., 1990). 그리고 평상시 댐 하류 하천에서 일정 수량을 유지 하기 위하여 저수지는 발전을 통해 최소량을 방류하고 있 다 (Shin et al., 2016a). 지속적인 발전방류는 심층에서의 혼 합을 증가시키고 무산소 상태일 때 심층으로부터 영양염 의 배출을 촉진시키게 되며, 수층의 혼합뿐만 아니라 수온 과 DO의 분포 구조에 미치는 영향 효과를 크게 할 수 있 다 (Thornton et al., 1990). 저수지에서 심층방류로 인한 심 층수 혼합현상은 상당히 광범위하며, 심층수 및 심층 내의 영양염을 제거하고 중층 또는 저층 유입 흐름현상을 촉진 하게 된다 (Thornton et al., 1991). 결과적으로 저수지의 수 체 내에서 입자성 및 용존성 물질의 이동과 혼합은 매우 복합적이고 상호 의존적인 물리적 운반기작에 의해 조절되 며 (Dunalska et al., 2014), 이러한 기작은 수중 생물이 분포 하는 생태계에 지대한 영향 (Wetzel, 2001)을 미치게 된다.

    적 요

    대청호는 금강의 중·하류에 대댐 (>15 m 높이) 건설로 만들어진 저수지이며, 방류시스템은 수문-여수로, 수력발 전 방수로 및 취수탑을 가지고 있다. 본 연구의 목적은 저 수지의 하류 댐에서 발생하는 탁수 감소, 녹조현상 및 빈 영양 상태에 대한 육수학적 의문점을 파악하기 위한 것이 었고, 수문·기상학적 요인을 중심으로 비교분석 하였다. 현장조사는 2000년 1월부터 12월까지 댐과 발전방류구 지 점에서 1주 간격으로 수행하였다. 강수량은 유입량, 방류 량 및 수위변동과 밀접한 관련성을 보였다. 강우패턴은 장 마와 태풍호우에 의존적이었고, 유량, 탁도의 증가는 강우 빈도보다 강도에 더욱 중요하게 반응하였다. 저수지의 수 층별 수온과 DO 변동은 기상·수문학적 영향이 컸고, 수 온성층, 밀도류 및 방류에 기초 한 수위변동이 주요한 원 인으로 작용하였다. 수문 및 발전방류는 각각 수체의 유동 과 탁수·영양염의 배출을 유도하였다. 특히, 저층수에서 저산소 또는 빈산소일 때, 발전방류는 저질층에서 용출되 는 인 (P)을 댐 하류 하천으로 유출하는 데 크게 기여하였 다. 또한, 연중 지속적으로 가동되는 발전방류수는 저수지 의 하류 (정수대)를 저영양 상태로 만들 수 있는 주된 요인 이었다. 그리고 저수지의 하류에서 발생하는 녹조현상은 수문-여수로 방류 때 상류의 수체가 하류로 이송 및 확산 된 결과이었다. 발전방류수는 저수지 생태계의 물리, 화학 및 생물학적 요인에 시공간적 영향을 광역적으로 미칠 수 있는 중요성과 역동성을 포함하고 있었다.

    Figure

    KSL-50-1_F1.gif

    Map showing the main river, tributaries systems and intake tower locality of in the watershed of Daecheong Reservoir.

    KSL-50-1_F2.gif

    Daily fluctuations of rainfall, total inflow, total outflow, spillway discharge and Hydropower discharge in the watershed of Daecheong Reservoir from January to December 2000. 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.

    KSL-50-1_F3.gif

    Daily fluctuations of water level and water depth in Daecheong Reservoir from January to December 2000. 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 Resources Corporation (K-water).

    KSL-50-1_F4.gif

    Weekly variations of water temperature and dissolved oxygen concentration in near dam of Daecheong Reservoir from January to December 2000.

    KSL-50-1_F5.gif

    Weekly variations of water temperature and dissolved oxygen concentration difference between water layer in near dam of Daecheong Reservoir from January to December 2000.

    KSL-50-1_F6.gif

    Weekly fluctuations of turbidity, total nitrogen, ammonium, total phosphorus and soluble reactive phosphorus (SRP) concentration in hydropower generation effluents of Daecheong Reservoir from January to December 2000.

    KSL-50-1_F7.gif

    Schematic representation of the turbid-water, phosphorus outflow dynamics and hydrometeorological effects of the hypolimnetic effluents discharging by hydropower electric generation in Daecheong Reservoir. 1: Inflow turbidity water from upreservoir or tributaries, 2: Reservoir sedimentation (sand>clay>silt), 3: Available nutrients supply to epilimnion layer, 4: Nutrient regeneration and recycling, and 5: Phosphorus (P) release when hypoxic or anoxic condition in a hypolimnion, and then most released P is discharge by hydropower generation effluents.

    Table

    General geographic and limnological features of Daecheong Reservoir constructed on the midstream of the Geum River in 1980.

    Descriptive statistics for daily or weekly interval data of hydrological and limnological factors and hydropower generation effluents determined in near dam and the hydropower penstock outlet of Daecheong Reservoir from January to December 2000.

    Reference

    1. Ackermann W.C. , White G.F. , Worthington E.B. (1973) Man-Made Lakes: Their Problems and Environmental Effects, American Geophysical Union,
    2. An K.G. (2000) Monsoon inflow as a major source of in-lake phosphorus , Han-gug Hacheon Hosu Haghoeji, Vol.33 ; pp.222-229a
    3. An K.G. (2000) An influence of point source and flow events on inorganic nitrogen fractions in a large artificial reservoir , Han-gug Hacheon Hosu Haghoeji, Vol.33 ; pp.350-357b
    4. An K.G. , Jones J.R. (2000) Temporal and spatial patterns in salinity and suspended solids in a reservoir influenced by the Asian monsoon , Hydrobiologia, Vol.436 ; pp.179-189
    5. An K.G. , Seo J. , Park S.S. (2001) Influences of seasonal rainfall on physical, chemical and biological conditions near the intake tower of Taechung Reservoir , Han-gug Hacheon Hosu Haghoeji, Vol.34 ; pp.327-336
    6. (1995) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, American Public Health Association,
    7. Bae B.U. , Lee Y.J. , Lim M.G. (2008) Comparison of taste and odor in raw water from the main Daecheong Reservoir and its regulating reservoir downstream , Journal of Korean Society on Water Quality, Vol.24 ; pp.598-602
    8. Baxter R.M. (1977) Environmental effects of dams and impoundments , Annu. Rev. Ecol. Syst, Vol.8 ; pp.255-283
    9. Baxter R.M. Gunnison D. (1985) Environmental effects of reservoir , Microbial Processes in Reservoirs, Dr W. Junk Publishers, ; pp.1-26
    10. Cho K.S. , Byeon H.K. , Kim Y.K. , Lee E.J. (1991) The plankton communities and the eutrophication of Lake Daechung , Environmental Research (Environmental Research Institute, Kangwon National University), Vol.8 ; pp.21-44
    11. Cho Y. , Kim Y.Y. (2010) Inflow patterns around a water intake tower for selective withdrawal depth. The KSFM (Korean Society for Fluid Machinery) , J. Fluid Mech, Vol.13 ; pp.63-70
    12. Chung S.W. , Lee H.S. , Choi J.K. , Ryu I.G. (2009) Simulations of thermal stratification of Daecheong Reservoir using three-dimensional ELCOM model , Journal of Korean Society on Water Quality, Vol.25 ; pp.922-934a
    13. Chung S.W. , Hipsey M.R. , Imberger J. (2009) Modelling the propagation of turbid density inflows into a stratified lake: Daecheong Reservoir, Korea , Environ. Model. Softw, Vol.24 ; pp.1467-1482b
    14. Commandeur A.S. (2015) Turbidity Currents in Reservoirs. Master of Science Thesis, Delft University of Technology,
    15. Dunalska J.A. , Staehr P.A. , Jaworska B. , Gorniak D. , Gomulka P. (2014) Ecosystem metabolism in a lake restored by hypolimnetic withdrawal , Ecol. Eng, Vol.73 ; pp.616-623
    16. Fischer H.B. , Smith R.D. (1983) Observations of transport to surface waters from a plunging inflow to Lake Mead , Limnol. Oceanogr, Vol.28 ; pp.258-272
    17. Ford D.E. , Johnson M.C. Stefan H.G. (1981) Field observation of density currents in impoundments , Proceedings of the symposium on surface water impoundments, American Society of Civil Engineer, ; pp.1239-1248
    18. Ford D.E. , Johnson M.C. (1983) An Assessment of Reservoir Density Currents and Inflow Processes. Technical Report E-83-7, U.S. Army,
    19. Gantzer P.A. , Bryant L.D. , Little J.C. (2009) Effect of hypolimnetic oxygenation on oxygen depletion rates in two water supply reservoirs , Water Res, Vol.43 ; pp.1700-1710
    20. Groeger A.W. , Kimmel B.L. (1984) Organic matter supply and processing in lakes and reservoirs , Lake and Reservoir Management. EPA 440/5/84-001, U.S. Environmental Protection Agency, ; pp.282-285
    21. Hur J. , Lee D.H. , Shin H.S. (2009) Comparison of the structural, spectroscopic and phenanthrene binding characteristics of humic acids from soils and lake sediments , Org. Geochem, Vol.40 ; pp.1091-1099
    22. Ishikawa T. , Tanaka M. (1993) Diurnal stratification and its effects on wind-induced currents and water qualities in Lake Kasumigaura, Japan , J. Hydraul. Res, Vol.31 ; pp.307-322
    23. Jung T.S. , Hwang J.H. (2003) Modeling of water circulation and suspended sediment transport in Lake Daecheong , Journal of the Korean Society for Marine Environmental Engineering, Vol.6 ; pp.67-82
    24. Kennedy R.H. , Thornton K.W. , Ford D.E. Gunnison D. (1985) Characteristics of the reservoir ecosystem , Microbial Processes in Reservoirs, Dr. W. Junk Publishers, ; pp.27-38
    25. Kennedy R.H. , Thornton K.W. , Gunkel R.C. (1982) The establishment of water quality gradients in reservoirs , Can. Water Resour. J, Vol.7 ; pp.71-87
    26. Kim M.W. , Kim M. , Kim S.J. (1994) Microbial activity and microbial loop in Daechung Reservoir , Han-gug Hacheon Hosu Haghoeji, Vol.27 ; pp.155-168
    27. Korea water Resources Corporation (K-water) (1998) Annual Report of Dam Operation Management. Daejeon, Korea,
    28. Korea water Resources Corporation (K-water) (2000) Annual Report of Dam Operation Management. Daejeon, Korea,
    29. Korea water Resources Corporation (K-water) (2007) A Study on the Development Mechanisms and Reduction Technology of Water-Bloom in the River-Reservoir System. Interim Report No. KIWE-WERC-2007-03. Daejeon, Korea,
    30. Lee H.N. , Jung J.K. , Cheon G.H. , Hur Y.T. (2015) An investigation and analysis of water temperature by Juam regulation dam outflow in downstream and Suncheon bay , Hangug Sujaweon Haghoe Nonmunjib, Vol.48 ; pp.501-509
    31. Lee J.Y. , Ha S.R. , Park I.H. , Lee S.C. , Cho J.H. (2010) Characteristics of DOC concentration with storm density flows in a stratified dam reservoir , Water Sci. Technol, Vol.62 ; pp.2467-2476
    32. Lee K.J. , Heo W.M. , Kim B. (1993) Phosphorus loadings from watershed and fishfarms into Lake Daechung and the phosphorus budget , Journal of Korean Society on Water Quality, Vol.9 ; pp.80-85
    33. Lu J. , Zhang W. , Guo X. (2013) Extensive selective withdrawal theory and verification using CFD simulation , Eng. Appl. Comput. Fluid Mech, Vol.7 ; pp.433-440
    34. Mackenthun A.A. , Stefan H.G. (1998) Effect of flow velocity on sediment oxygen demand: Experiments , J. Environ. Eng, Vol.124 ; pp.222-230
    35. Mahmood K. (1987) Reservoir Sedimentation: Impact, Extent, and Mitigation. World Bank Technical Paper No. 71, The World Bank,
    36. Matthews D.A. , Effler S.W. (2006) Long-term changes in the areal hypolimnetic oxygen deficit (AHOD) of Onondaga Lake: Evidence of sediment feedback , Limnol. Oceanogr, Vol.51 ; pp.702-714
    37. Paerl H.W. (2014) Mitigating harmful cyanobacterial blooms in a human- and climatically-impacted world , Life, Vol.4 ; pp.988-1012
    38. Park S.R. , Oh S.B. , Byun H.R. (2015) Definition and characteristics of the water abundant season in Korea , Theor. Appl. Climatol, Vol.120 ; pp.249-258
    39. Phillips C.J. , Nelson C.S. (1981) Sedimentation in an artificial lake- Lake Matahina, Bay of Plenty , N. Z. J. Mar. Freshw. Res, Vol.15 ; pp.459-473
    40. Reynolds C.S. , Walsby A.E. (1975) Water-blooms , Biol. Rev. Camb. Philos. Soc, Vol.50 ; pp.437-481
    41. Rump H.H. , Krist H. (1988) Laboratory Manual for the Examination of Water, Wastewater, and Soil, VCH Verlagsgesellschaft, Publisher,
    42. Shin J.K. (1998) Eutrophication and Ecological Characteristics of Algal Population in the Freshwater Zone of the Naktong River, Korea. Ph.D. of Science Thesis, Inje University,
    43. Shin J.K. , Cho K.J. (2000) The impact on water quality from blue-green algae Microcystis of natural phytoplankton by algal assay , Journal of the Korean Environmental Science Society, Vol.9 ; pp.267-273
    44. Shin J.K. , Cho K.J. (2001) The contents of nitrogen, phosphorus, silicon nutrient and algal growth potential (AGP) in the sediment of Taechong Reservoir , Han-gug Hacheon Hosu Haghoeji, Vol.34 ; pp.106-118
    45. Shin J.K. , Kang B.G. , Hwang S.J. (2016) Water-blooms (Green-tide) dynamics of algae alert system and rainfallhydrological effects in Daecheong Reservoir, Korea , Korean Journal of Ecology and Environment, Vol.49 ; pp.153-175a
    46. Shin J.K. , Kang C.K. , Hwang S.J. (2003) Daily variations of water turbidity and particle distribution of high turbidwater in Paldang Reservoir, Korea , Han-gug Hacheon Hosu Haghoeji, Vol.36 ; pp.257-268a
    47. Shin J.K. , Kim D.S. , Lee H.K. , Maeng S.J. , Hwang S.J. (2003) An evaluation of aquatic environment in the Okchon Stream-embayment watershed, Korea , Han-gug Hacheon Hosu Haghoeji, Vol.36 ; pp.181-190b
    48. Shin J.K. , Cho K.J. , Oh I.H. (1999) Dynamics of water environmental factors and phytoplankton in Taechong Reservoir , Korean Journal of Environmental Biology, Vol.17 ; pp.529-541
    49. Shin J.K. , Hwang S.J. , Kang C.K. , Kim H.S. (2003) Hydrological and environmental factors: Limnological characteristics of the Korea , Han-gug Hacheon Hosu Haghoeji, Vol.36 ; pp.242-256c
    50. Shin J.K. , Kim Y. , Noh J. , Kim J.M. , Hwang S.J. (2016) Application testing and comparative effectiveness of green-tide mitigation technique in the lower part (Chusori) of the So-ok Stream (Daecheong Reservoir), Korea , Korean Journal of Ecology and Environment, Vol.49 ; pp.258-270b
    51. Soltero R.A. , Gasperino A.F. , Graham W.G. (1974) Chemical and physical characteristics of a eutrophic reservoir and its tributaries: Long Lake, Washington , Water Res, Vol.8 ; pp.419-431
    52. Thornton K.W. , Kimmel B.L. , Payne F.E. (1990) Reservoir Limnology: Ecological Perspectives. A Wiley-Interscience Publication, John Wiley & Sons, Inc.,
    53. Thornton K.W. , Nix J.F. , Bragg J.D. (1980) Coliforms and water quality: Use of data in project design and operation , Water Resour. Bull, Vol.16 ; pp.86-92
    54. Thornton K.W. , Kennedy R.H. , Carroll J.H. , Walker W.W. , Gunkel R.C. , Ashby S. Stefan H.G. (1981) Reservoir sedimentation and water quality: an heuristic model , Proceedings of the symposium on surface water impoundments, American Society of Civil Engineer,
    55. (2015) Modeling Sediment Movement in Reservoirs,
    56. Wagner I. , Zalewski M. (2000) Effect of hydrological patterns of tributaries on biotic processes in a lowland reservoir: consequences for restoration , Ecol. Eng, Vol.16 ; pp.79-90
    57. Wetzel R.G. (2001) Limnology: Lake and River Ecosystems, Academic Press,
    58. Yu S.J. , Lee J.Y. , Ha S.R. (2010) Effect of seasonal pollution migration on natural organic matter behavior in a stratified dam reservoir , J. Environ. Sci. (China), Vol.22 ; pp.908-914