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ISSN : 2288-1115(Print)
ISSN : 2288-1123(Online)
Korean Journal of Ecology and Environment Vol.50 No.1 pp.96-115
DOI : https://doi.org/10.11614/KSL.2017.50.1.096

Effects of Thermal Wastewater Effluent and Hydrogen Ion Potential (pH) on Water Quality and Periphyton Biomass in a Small Stream (Buso) of Pocheon Area, Korea.

Gyeonghye Jeon, Hyun Soo Eum, Jinho Jung1, Soon-Jin Hwang*, Jae-Ki Shin2*
Department of Environmental Health Science, Konkuk University, Seoul 05029, Republic of Korea
1Division of Environmental Science and Ecological Engineering, Korea University, Seoul 02841, Republic of Korea
2Office for Southern Region Management of the Nakdong River, Korea Water Resources Corporation (K-water), Busan 49300, Republic of Korea
Corresponding author : +82-2-450-3748, +82-2-456-5062, sjhwang@konkuk.ac.kr+82-10-3870-6121, +82-51-529-3168, shinjaeki@gmail.com
January 10, 2017 March 6, 2017 March 9, 2017

Abstract

Understanding effects of thermal pollution and acidification has long been a concern of aquatic ecologists, but it remains largely unknown in Korea. This study was performed to elucidate the effects of thermal wastewater effluent (TWE) and acid rain on water quality and attached algae in a small mountain stream, the Buso Stream, a tributary located in the Hantan River basin. A total of five study sites were selected in the upstream area including the inflowing point of hot-spring wastewater (HSW), one upstream site (BSU), and three sites below thermal effluent merged into the stream (1 m, 10 m and 300 m for BSD1, BSD2, and BSD3, respectively). Field surveys and laboratory analyses were carried out every month from December 2015 to September 2016. Water temperature ranged 1.7~28.8°C with a mean of 15.0°C among all sites. Due to the effect of thermal effluent, water temperature at HSW site was sustained at high level during the study period from 17.5°C (January) to 28.8°C (September) with a mean of 24.2±3.7°C, which was significantly higher than other sites. Thermal wastewater effluent also brought in high concentration of nutrients (N, P). The effect of TWE was particularly apparent during dry season and low temperature period (December~March). Temperature effect of TWE did not last toward downstream, while nutrient effect seemed to maintain in longer distance. pH ranged 5.1~8.4 with a mean of 6.9 among all sites during the study period. The pH decrease was attributed to seasonal acid rain and snow fall, and their effects was identified by acidophilic diatoms dominated mainly by Eunotia pectinalis and Tabellaria flocculosa during March and August. These findings indicated that water quality and periphyton assemblages in the upstream region of Buso Stream were affected by thermal pollution, eutrophication, and acidification, and their confounding effects were seasonally variable.


포천지역 계류 (부소천)의 수 질과 부 착조류 생물량에 온배수와 수소이온농도 (pH) 영향

전 경혜, 엄 현수, 정 진호1, 황 순진*, 신 재기2*
건국대학교 환경보건과학과
1고려대학교 환경생태공학부
2한국수자원공사 낙동강남부권관리단

초록


    서 론

    경기도 포천지역에 위치한 부소천은 산지에서 발원하는 원류성 계류 (溪流)로서 남북공유하천 임진강의 제1지류 인 한탄강 (댐) 상류에 유입되는 지천이다 (MOLIT, 2012). 계류성 소하천은 본래 산림구역에 인접하여 오염원과 인 위적 교란이 거의 없는 청정지역에 속하며, 수온이 비교적 차고 연중 유수환경이 유지되어 1차 생산자 중 식물플랑크 톤보다 부착조류 생태계가 우세하다 (Shin and Cho, 1998; Kim, 2004a). 부착조류는 서식지로서 하천을 이용하는 가 장 성공적인 생물군이며 (Stevenson et al., 1996), 무기 영 양염을 흡수하여 수질정화 기능도 탁월하나, 물리적 안정 성과 과영양 조건에 의해 과잉 번성하게 되면 물 이용 또 는 관리에 어려움을 가중시키기도 한다 (Stock and Ward, 1991; Biggs, 1996; Warnaars et al., 2007). 그리고 하천 환 경변화에 민감하게 반응하여 수질의 생물지표로 활용되기 도 한다 (Allan and Castillo, 2007).

    계류의 수질은 삼림과 지역적 특수성 (예, 지질과 대기환 경)을 제외하고 유역의 강우 (설) 유출량을 기반으로 하는 빈영양의 자연수 수준을 보이게 된다 (Kim, 2004a). 그러 나 포천은 온천이 넓게 발달한 지대로서 그 영향에 직·간 접적으로 노출되어 있으며 (Kim, 2007a), 부소천 유역의 발 원지 인근에도 산정호수와 온천 리조트가 결합된 특구 관 광지로 지정되어 인간활동에 의한 온배수의 발생과 배출 피해는 불가피한 실정에 있다. 그리고 강우사상에 의한 삼 림 유출이 시작되는 곳에 해당하여 대기오염의 영향을 최 초로 온전하게 수용해야 하는 취약한 조건을 가지고 있다 (Kim, 2005).

    국내외에서 온배수는 각종 발전·제철소 냉각수, 하·폐 수처리장 방류수 및 온천 배출수가 주로 관심의 대상이 되 어왔다 (USEPA, 1992; MOE, 2014, 2016). 이들 중 냉각수 는 연안과 호소에서, 하·폐수와 온천수는 주로 크고 작은 하천과 강 수역에서 열 오염 (thermal pollution) 또는 부영 양화 (eutrophication) 현상으로서 수질문제를 야기하였다 (Lamberti and Resh, 1983, 1985b). 온도는 수중과 수변 공 간에, 영양염은 물과 하상토양에서 다양한 미소 동·식물, 미생물 및 고등식물의 생리생태에 급성 (acute; 예, 열 충격) 또는 만성 (chronic; 예, 내성)적 교란을 가하게 된다 (Stevenson et al., 1996). 특히, 온천배수는 열뿐만 아니라 영양염 과부하도 관련성이 있어 수생태계의 생물군집 구조와 물 질대사 기능을 시공간적으로 변화시키게 된다 (Wilde and Tilly, 1981; Lamberti and Resh, 1985a). 또한, 피해 (누적) 영향은 온도, 유량 및 지속성 (빈도)의 양적 또는 질적 크기 에 의존적이다 (Brock, 1967b, 1970). 따라서 국외의 경우, 다양한 대상에 따라 규정 (예, National Pollutant Discharge Elimination System: NPDES) 또는 지침 (예, Canadian Water Quality Guideline: CWQG)을 법률로서 엄격하게 갖 추고 있으며 (USEPA, 1992; ENCA, 2014), 국내는 ‘수질 및 수생태계 보전에 관한 법률’에서 온도 (<40℃)와 오염 방지 차원의 비교적 단순한 규칙을 포함하고 있다 (MOE, 2016).

    수중에서 수소이온농도 (pH)는 산도를 측정하는 수질 항목으로서 중성 (neutral, pH 7.0)을 기준으로 이산화탄소 (Free CO2)-중탄산염 (HCO3-)-탄산염 (CO32-) 관계에서 무 기탄소 종의 상대비율을 파악하는 데 유용하다 (Wetzel, 2001). 일반적으로, pH는 수온, 광합성 (식물), 호흡 (동물) 및 분해 (미생물)작용 그리고 오염도 (예, 생활계, 산업계 (광산 포함)의 하·폐수 또는 산림, 토양의 부식질)에 따 른 수중 CO2 양에 의해 하루 중 또는 경시적인 증감 변화 가 일어난다 (Wetzel, 2001; Park, 2010). 이 외에 인간 생 활권에서 산업화, 도시화 및 현대화에 따른 대기오염 기원 산성강하물의 영향이 날로 가중되고 있는 실정에 있으며, 그 형태는 습성 (예, 눈과 비)과 건성 (예, 미세먼지 (PM)) 으로 구분된다 (NIER, 2004). 강우 (산성비)와 강설은 초기 에 고농도를 나타내고, 하천수는 차수 (stream order)가 증 가할수록 다양한 환경 변수 (예, 유량)가 관여되어 그 영향 이 줄어드는 특성을 보인다 (Stevenson et al., 1996; Choi et al., 2015). 따라서 산지하천에서 평지하천으로 갈수록 수질 측면의 산성강하물 영향은 작아진다 (Kim, 2004a; Park, 2010; Cho et al., 2016). 수체가 산성화되면 수중생물 의 서식환경을 악화시키게 되며, 종수와 다양성이 급감하 고 최종적으로 그 가치를 상실하는 상태까지 이를 수 있다 (Olaveson and Nalewajko, 1994; Stevenson et al., 1996). 이 러한 결과는 대기와 육상의 순환에서 비롯되는 거시적 오 염의 인과관계 또는 흐름체계에서 비롯된다고 하겠다 (Cho et al., 2016).

    국외에서 하천의 수질과 수생태계에 대한 온배수 (Waring, 1965; Brock, 1967a, b, 1970; Stockner, 1968; Wiegert and Fraleigh, 1972; Ward, 1978; Squires et al., 1979; Tuchman and Blinn, 1979; Kullberg, 1982; Lamberti and Resh, 1983, 1985b; Nalewajko and Dunstall, 1994; Sompong et al., 2005; Owen et al., 2008; Vijver and Cocquyt, 2009; Cox et al., 2011; Nikulina and Kociolek, 2011; Madden et al., 2013; Zivic et al., 2013; Lo et al., 2016)와 산성화 (Muller, 1980; Charlson and Rodhe, 1982; Tease and Coler, 1984; Likens, 1989; Collier and Winterbourn, 1990; Havens and Heath, 1990; Turner et al., 1991; Fairchild and Sherman, 1993; Olaveson and Nalewajko, 1994; Niyogi et al., 1999; zArancibia-Avila et al., 2000)의 영향 연구는 과거부터 꾸 준히 이루어졌으며, 그에 대한 대책 수립 및 실행에 많은 기여를 해왔다. 반면에, 국내에서 온배수는 연안에 위치 한 원자력·화력발전소 및 제철소 냉각수의 어업 피해 영 향 조사 (Shim and Yeo, 1992; Yeo and Shim, 1993; KIOST, 2007; Choi et al., 2012)가 다수 있었고, 열 오염의 생태계 교란 중심으로 주요 결과가 제시되었다. 온천배수에 관한 것은 1941년에 북한 함경도의 주을온천에서 조사한 것이 효시이었고 (Jung, 1986), 충청북도 (Her et al., 1998)와 전 라남·북도 (Choi et al., 1997; Kim, 1998, 1999; Jeong et al., 1999; Kil and Yoo, 1999; Jeon et al., 2001) 지역을 대상 으로 수질, 온도 구배 및 토양의 이화학적 요인과 수생식 물, 사상체 조류의 생태환경 요인에 관한 내용들을 소개한 바 있다. 주요 내용으로서 온천배수에 의한 수온, 영양염, 부착조류 생물량 증가 및 토양오염 영향은 비교적 장거리 유지되었으나, 하류로 갈수록 지천의 희석효과를 기술하였 다. 또한, 산성화 연구는 1980년 이후부터 육상생태계를 중 심으로 다양하게 접근 시도되었으나 (Chang and Lee, 1999; Kim, 2004a, 2005), 수중생태계에 관한 것은 극소수에 불 과하다. 철원지역 토교저수지의 방형 격리계 (mesocosm)에 서 관찰한 것 (Han et al., 1995; Lee et al., 1996)과 충북지 역 하천수의 산도에 따른 해캄 (Spirogyra) 분포조사 (Kim and Choi, 2000)를 제외하면 대부분 인공 산성화에 의한 실험적 연구 (Chae and Kim, 1997; Kim and Choi, 2000)이 었다.

    또한, 포천지역에서 Jeong et al. (2009)은 온천수의 수질 화학적 특성을 설명하였고, Kim (2001, 2004b, 2007b)은 한탄강과 주요 지천 (신천, 포천천, 영평천)에서 돌 부착규 조 군집의 계절적 분포 특성을 조사하면서 기초수질을 언 급하였다. 포천은 6개의 온천이 분산되어 국내의 단일지역 에서 최대 온천지구를 이루고 있으며 (Kim, 2007a), 산성비 의 농도가 해를 거듭하면서 심각한 수준 (NIER, 2004)임에 도 불구하고 이에 대한 하천수질 및 수생태계 영향에 대한 체계적인 조사연구는 거의 없었으며, 특히 산지성 계류의 수환경에 대한 온배수와 수소이온농도 (pH)의 영향을 동시 에 다룬 연구는 전무하다.

    본 연구는 2015년 12월부터 2016년 9월 동안 경기도 포 천에 위치하고 있는 한탄강의 지류인 부소천 최상류 온천 배수의 영향을 받는 구간에서 수질 및 부착조류 생물량을 매월 모니터링하였고, 기초 기상·수문, 수질환경요인 및 수생태 자료를 상호 비교분석함으로써 계류의 물환경에 대한 온천폐수와 대기 산성강하물의 시공간적 영향을 이 해하는 데 기여하고자 하였다.

    재료 및 방 법

    1.조사지 개황

    본 연구의 대상 하천인 부소천 (釜沼川, Buso Stream, 일 명, 가마소천)은 경기도 포천에 위치 (N 38°04ʹ12ʺ~E 127° 19ʹ30ʺ)해 있고 (Fig. 1), 한탄강의 상류에 유입되는 작은 지 류 중 하나이다 (MOLIT, 2012). 또한, 서울로부터 약 70 km 정도 떨어진 산정호수 (경기도 포천 소재, 명성산 (EL. 921.1 m), 망봉산 (EL. 363.1 m) 및 망무봉 (EL. 445.9 m)의 집수지)에서 발원한 계류이며, 지방 2급 하천에 해당한다. 유역면적은 39.9 km2이고, 유로연장은 13.4 km이며, 하폭은 30~90 m로서 (Table 1) 시험유역 수준의 규모이다 (MOLIT, 2012). 그리고 하류로 가면서 용암대지가 형성되어 있고, 현무암의 침식하천 구조를 보이고 있다 (http://www.pcmh. or.kr). 발원지인 산정호수는 1925년에 조성 (포천 영북농 지개량조합)된 저수지로서 하류의 관개면적은 3.8 km2이 다 (http://www.rims.ekr.or.kr). 또한, 풍경이 수려하여 1977 년에 정부 (당시 건설교통부)는 국민관광지로 지정하였으 며, 현재 저수지의 물은 관개용으로 쓰지 않고, 신설 관로 를 통해 한탄강의 물을 직접 취수하여 사용하고 있다. 따 라서 저수지의 수위 변동은 비교적 크지 않고, 매년 동계 에는 결빙된다. 유역면적은 15.4 km2, 저수면적은 0.25 km2 이고 총저수량 및 유효저수량은 각각 1,923.4×103 m3, 1,921.9×103 m3이며 (Table 1), 최고 수심은 23.5 m, 둘레는 약 2.1 km이다 (http://www.rims.ekr.or.kr). 부소천은 상류의 자연암반지형 산정폭포 (30 (H)×15 (W) m)에서 월류되는 물로서 평소 하천 유량을 유지하고 있다. 온천수 시설용량 은 4,750 m3 d-1이고 (Table 1), 지하 700 m 깊이에서 취수한 지하수 (42~43℃)는 대부분 수영과 목욕용으로 사용되며 (MOE, 2016), 온배수는 H 리조트 단지로부터 매일 일정 시간대 (10시~12시)에 대량 방류 (평균 20.0×103 m3 d-1)되 고 있다.

    본 연구 하천 구간의 해발고도는 EL. 164~178 m범위이 고, 하류로 가면서 경사가 급하며, 거리는 약 1.5 km로서 전형적인 산간 계류형 하천이다 (Fig. 1). 조사지점은 온배 수 배출지점 (HSW)을 기준으로 상류 (BSU)와 하류 (BSD) 로 구분하였다. 이 중 BSU는 하폭 (5.5 m)이 좁고, 유속이 빠르며, 큰 돌 (51%), 작은 돌 및 자갈 등이 혼재된 하상 구 조이었다 (Table 2). HSW는 상류 하천수의 영향을 직접적 으로 받지 않으며, 방류관 (직경 0.6 m, 콘크리트 박스형)을 통해 온배수가 배출 (평균 0.5 m3 s-1)되고 있다. BSD1과 BSD2는 하폭 (10.0 m)이 넓고, 하도 사면은 콘크리트로 직 강화 되었다. 또한, 이 구간은 하도의 말단을 돌로서 보 (weir) 형태의 작은 물막이를 해 놓았다. 그래서 갈수기에 유속이 거의 없는 반정체 수역을 이루고, 작은 돌 (31%)과 자갈이 혼재되어 있다. BSD3은 BSU와 비슷한 하상구조 를 이루고 있다. 저수지 주변 산림은 소나무 (적송), 참나무 및 단풍나무가 주요 수종이었고, 하도의 퇴적 모래톱에 갯 버들, 달뿌리풀 및 억새가 고착하였으며, 이 중에서 초본류 는 장마기 돌발홍수 (flash flood)의 고유량 (유속)과 탁수에 의해 덮쳐지고 눕혀진 후 서서히 사멸하는 개체가 대부분 이었다.

    2.기상 · 수문자료 조사 및 현장 모니터링

    기온과 강수 (설)량은 기상청의 지역 측후소에서 관측한 일 자료를 사용하였으며, 기온과 적설량 측정은 매월 현 장조사 시기에 병행하였다. 수집한 기초자료는 요인별로 결측 또는 이상치를 검토하였고, 최종적으로 확인된 자료 를 이용하였다. 하상단면, 하도구조, 유속 및 유량은 각 지 점에서 실측하였다. 이때 해발고도는 GPSmap-62s meter (Garmin, USA), 유속은 M3000 meter (Swoffer Instruments, USA)를 사용하였다.

    3.수질분석 및 부착조류 생물량 조사

    현장조사는 2015년 12월부터 2016년 9월까지 매월 초 순에 1회씩 수행하였고, 몬순홍수 시기 (7월)는 3회 시도하 였으나 매번 계속되는 풍수량으로 인해 수심과 유속을 고 려하여 접근성과 안전 문제로 불가피하게 생략하였다. 조 사지점은 산정호수로부터 하류 0.8 km 지점 (BSU), 온배수 방류지점 (HSW), BSU-HSW 합류점에서 하류 1 m (BSD1), 10 m (BSD2) 및 300 m (BSD3) 지점에 각 1개 지점씩을 선 정하여 총 5개이었다 (Fig. 1). 수온, DO, pH 및 Conductivity 는 다항목 수질측정기 (Horiba U-52, Japan)를 이용하여 현 장에서 직접 측정하였다. 수질분석을 위한 시료는 각 지점 의 중앙에서 채수하였다. 시료는 아이스박스에 담아 보관 한 후 차량을 이용하여 12시간 이내에 실험실로 옮겼고, 즉시 전처리한 후 분석하였다 (APHA, 2012).

    BOD5 (biological oxygen demand), CODMn (chemical oxygen demand), T-N (total nitrogen) 및 T-P (total phosphorus) 는 원수를 그대로 사용하였고, Ammonium (NH4), Nitrate (NO3) 및 Soluble reactive phosphorus (SRP, PO4)의 무기 영 양염 분석은 GF/F filter (Whatman, UK)로 여과한 후 사용 하였다 (Rump and Krist, 1988; APHA, 2012). Chlorophyll-a (Chl-a) 농도는 일정량의 시료를 Whatman GF/F filter에 여 과한 후, 90% Acetone 용매로 광합성 색소를 추출하였고, UV/VIS spectrophotometer (Model OPTIZEN 3220UV, Mecasys, Korea)의 630 nm, 645 nm, 663 nm 및 750 nm 파 장에서 측정한 흡광도 값으로 계산하였다 (Lorenzen, 1967; APHA, 2012).

    부착조류 채집은 각 지점의 여울 (riffle, 유속 10~50 cm s-1)에서 상부면이 편평한 돌 (기질)을 선택하였고, 일정 면 적 (>5×5 cm2)을 도구 (솔)를 이용하여 깨끗하게 긁었으 며, 50 mL 이상의 양으로 정용하였다. Chl-a와 AFDM (ashfree dry matter) 함량을 분석하기 위한 시료는 냉장 상태 (4℃)를 유지하여 실험실로 운반하였고, 종조성 검경과 세 포밀도 (현존량) 계수를 위한 시료는 현장에서 Lugolʼs 또 는 4% 중성 formalin 용액으로 고정하였다. 부착성 Chl-a (periphytic Chl-a)는 부유성 Chl-a와 동일한 방법으로 분 석하였고, 최종 단위 면적 (cm2)당 함량으로 산정하였다 (Lorenzen, 1967; APHA, 2012). AFDM은 105℃ dry oven (Model VS-1202D3, Vision Scientific Co. Ltd., Korea)에 서 전 처리한 Whatman GF/F filter에 일정량의 시료를 여 과한 후 건조시킨 무게 (DW)와 500℃ 전기로 (Model HY- 8000S, Yuyu Scientific, Korea)에서 2시간 태운 후 무게 (AW)의 차이 (DW-AW)로 계산하였다 (APHA, 2012).

    규조류는 질산 (HNO3)과 중크롬산칼륨 (K2Cr2O7)을 이 용하여 산처리 과정을 거친 후 (Patrick and Reimer, 1966), 봉입제 (Naphrax)로 영구표본을 제작하였다 (Barbour et al., 1999). 광학현미경 (Zeiss Axioskop2, Germany)의 ×1,000 배율 하에서 시료당 >500개의 피각을 계수한 후 출현 종 별 상대밀도 (%)를 계산하였다. 또한, 분류군별 현존량은 도립현미경 (Zeiss Axiovert-A1, Germany)의 ×200~400 배율 하에서 Sedgwick-Rafter chamber를 이용하여 시료당 세포수가 500개 이상이 되도록 계수한 후 세포밀도 (cells cm-2)를 산정하였다. 규조류는 Patrick and Reimer (1966, 1975), Krammer and Lange-Bertalot (1986, 1988, 1991a, b) 및 Watanabe (2005)를, 그 외 분류군은 Mizuno (1964)Hirose (1977)Chung (1993)의 도감문헌을 참고하여 동 정하였다. 군집의 우점종은 최대 현존량을 나타내는 분류 군으로 선정하였다. 실험분석 및 조사자료의 시공간적인 차이 분석을 위해 ANOVA의 사후분석법 (host-hoc Tukey’s HSD Test)을 이용하였으며, 요인별 상관분석은 Pearson’s Rank Correlation의 분석법으로 수행하였다. 전체 자료의 통계처리는 SYSTAT® 8.0 프로그램을 이용하였으며 (SPSS, 1998), 유의성은 p<0.05로 확인하였다.

    결과 및 고 찰

    1.기상 및 수문요인의 월 변동 특성

    2015년 12월부터 2016년 9월까지 부소천에서 관측된 기온, 강수량 및 유량 변동을 나타낸 것은 Fig. 2와 같다. 기온 분포는 -19.2~34.9℃ 범위이었고, 평균값은 12.2℃ 이었다 (Table 2). 평균기온 (0℃ 기준)이 영상과 영하이었 던 일수는 각각 237일 (77.7%)과 68일 (22.3%)이었고, 12 월~2월 사이에 영하의 일수는 64일로서 94.1%를 차지하 여 편중되었다 (Fig. 2). 또한, >25도씨를 보인 기간은 7월 초순~8월 하순이었다 (Fig. 2). 따라서 기온은 겨울철에서 봄·여름철을 거쳐 가을철로 이행하면서 전형적인 계절적 특성을 보였으며, 겨울~봄철 초반과 여름철 중반~가을철 초반에 비교적 변동 폭이 컸다. 일 최고 및 최저기온의 차 이에서 >10도씨는 12월~6월에, >15도씨는 2월, 4월~5 월에 많았다 (Fig. 2). 일 또는 월 중 기온 변동은 일조시간 (량), 운량, 바람 및 강우의 기상인자 영향이 중요하게 작용 하였으며, 특히 온대지역 겨울철과 여름철의 몬순 기후특 성이 주효하게 반영되었다.

    조사기간 중 무강수일을 제외한 강수일은 66일이었고, 강수량의 범위 (평균값)와 총강수량은 각각 0.0~161.0 mm (16.0 mm), 1,051.0 mm이었다 (Fig. 2). 이 중에서 일 강수 량이 30 mm, 80 mm 이상은 각각 11일, 2일이었으며, 150 mm 이상도 1일을 포함하였다. 강우빈도와 양은 4월~5월 과 7월~8월에 각각 16일, 278.5 mm와 26일, 562.5 mm로 서 비교적 풍부하였고, 전체의 26.5%, 53.5%를 차지하여 대비되었다. 그리고 영하의 기온으로 인해 강우 형태가 다 른 강설 (降雪) 기간은 12월~2월이었고 (Fig. 2), 이때 누적 최심신적설량은 >15.4 cm (12월 7.5 cm, 1월 1.4 cm, 2월 6.5 cm)이었다. 유량의 범위와 평균값은 각각 0.1~5.5 m3 s-1, 1.1 m3 s-1이었다. BSU (○)와 BSD3 (×)에서 범위 (평 균값)는 각각 0.1~5.2 m3 s-1 (1.3 m3 s-1), 0.4~5.5 m3 s-1 (1.6 m3 s-1)이었고, HSW (●)에서 0.2~0.3 m3 s-1 (0.3 m3 s-1)이 었다. BSU와 BSD3에서 유량은 12월을 시작으로 1월~2 월에 빈약하였고, 8월~9월에 풍부하였으며 (Fig. 2), 특히 7 월에는 돌발홍수 (flash flood)에 의한 하천 범람이 빈번하 였을 뿐만 아니라 현장조사가 어려울 정도로 유량이 급증 하여 장기간 (약 1개월) 유지되었다.

    2.기초 수질환경 요인의 계절적 변동

    하천수와 온배수의 수온 범위와 평균값은 각각 1.7~ 28.8℃이었고, 15.0℃이었다 (Fig. 3, Table 3). 수온은 겨울 철에 낮고, 여름철에 높은 계절적 영향이 컸다. 조사지점 중에서 BSU의 수온은 매월 가장 낮은 값을 유지하다가 8 월에 최고값으로 전환되었고, HSW의 온배수 영향은 12 월~6월까지 지속되었으며, 8월~9월에는 하천수와 큰 차 이가 없었다 (Fig. 3). HSW에서 1월과 5월에 2회 감소가 있었는데 이것은 각각 최저기온과 연속되는 봄 강우의 영 향이었다. BSU와 합류 후 2월, 4월에는 하류 지점 간 온 도 구배가 관찰되었으나 그 외 시기는 차이가 크지 않았다 (Fig. 3). 또한, 12월~1월, 3월 및 6월에 BSD1~3구간의 수 온은 BSU와 HSW의 중간 정도이었으며, 불규칙한 증감은 상류 유입수와 온배수의 혼합에 의한 영향이었고, 그 변동 성은 하류로 갈수록 약화되었다 (p<0.001). 12월과 2월~4 월에 기온이 낮았음에도 불구하고 온배수의 유입에 의해 BSD1 하류의 수온은 높았고, 방류패턴 (예, 2시간 집중배 출)과 돌 보 (weir)에 의한 일시적 저류작용에도 다소 관련 성이 있었다. BSU는 1월~3월에 완전 결빙되어 계절성이 현저하였고, 4월~5월에 급격하게 증가하다가 6월에 갑자 기 감소한 것은 연속되는 강우에 의해 유량이 증가하면서 생긴 것이었으며 (Winston and Criss, 2002), 이후 8월에 다 시 높아졌다 (Fig. 3).

    DO 농도의 범위와 평균값은 각각 6.5~16.7 mg O2 L-1, 10.9 mg O2 L-1이었다 (Fig. 3, Table 3). DO의 최고값은 1월 에 BSU에서, 최저값은 3월에 HSW에서 각각 관찰되었다. BSU의 경우, 겨울에 높고 여름에 낮은 경향을 보였으나, BSD1~3구간은 HSW의 직·간접적 영향으로 증감을 반 복하였다. 4월에 BSU와 BSD1~3구간의 전 지점에서 급 감하는 양상이었고, 이와 반대로 6월에 HSW를 포함한 전 지점에서 급증하는 형태를 보였다 (Fig. 3) (p<0.001). 그 리고 여름철에는 지점 간 간격이 좁아지나, 겨울철에는 넓 어지는 구조로서 수온의 변동성과 비슷하였다 (r=0.684, p<0.01). 갈수기와 해빙기 이후에 하천유량이 증가하면서 농도가 다소 감소하였고, 정점 간 차이도 작아지는 양상이 었으며, 수온이 급증하면서 저서동물군의 생육이 활발해 지고 그로 인한 호흡량이 증가한 영향도 연관될 수 있었다 (Stevenson et al., 1996; Zivic et al., 2013).

    pH의 범위와 평균값은 각각 5.1~8.4, 6.9이었다 (Fig. 3, Table 3). 전 지점에서 중성 (pH 7.0) 이상을 보인 시기는 1 월과 5월이었고, 지점 간에 차이는 크지 않았다 (p>0.05). 또한, 2월~3월과 8월~9월에 급감하였으며, 8월에는 전 지 점에서 <6.0까지 하강하였다. DO의 증감 변동과 다소 관 련성을 보였으나 유의성은 없었으며 (p>0.05), 3월~4월과 8월~9월에 지점 간 순위에서 선행 또는 후행하는 차이가 있었다. 3월은 12월~2월에 내린 강설이 지속되는 영하의 기온에 의해 즉시 녹지 않고 축적되어 쌓였다가 해빙되면 서 융설되어 유출된 영향이었고 (Stevenson et al., 1996), 8 월은 몬순 강우에 의한 영향으로서 (Stevenson et al., 1996; Park, 2010) 눈보다 비에 의한 작용이 더욱 강한 것으로 볼 수 있었으며, 이것은 다름 아닌 대기의 산성강하물 (acid deposites)에 의한 영향이었다 (Lee et al., 1996). 포천지역 의 강우는 pH 4.4~4.8 범위로서 전국에서 산도가 가장 낮 은 것으로 평가되고 있다 (NIER, 2004). 이러한 결과는 한 탄강 수계의 부착조류 군집 조사를 계절별로 4회 수행한 선행연구 (Kim, 2004b)에서 다른 시기에 비해 여름철에 낮 은 pH 값 (6.2, 최대값과 차이 3.3)을 기록하였다. 그리고 HSW가 BSU, BSD와 변동성을 유사하게 가지는 것은 온 배수의 수로가 개방형 (∪자) 합류식이기 때문에 융설 또는 강우 시 지표수의 유출 영향을 직접적으로 받는 구조를 하 고 있기 때문이었다.

    Conductivity의 범위와 평균값은 각각 60.0~444.0 μS cm-1, 167.6 μS cm-1이었다 (Fig. 3, Table 3). BSU에서 가장 낮은 값으로 유하하다가 HSW와 합류하면서 다소 큰 폭으 로 증가하기 시작하였고, 하류로 가면서 감소하는 양상이 현저하였다 (Fig. 3). BSD1~3구간은 HSW의 영향이 절대 적이었고, BSD1에서 증감이 컸던 것은 HSW의 방류패턴 에 의한 차이였으며, 그 영향은 BSD3까지 미미하게 반영 되었다. 또한, 이러한 결과는 8월~9월에도 관찰되었는데 유량이 클 때 그 값이 작았고, 반대로 작을 때 커지는 형태 이었으며, HSW로부터 유하 거리가 멀어질수록 BSU의 수 준에 가까웠다 (Fig. 3). Conductivity가 <96.5, 96.5~188.5 및 >188.5 μS cm-1이면 각각 빈영양, 중영양 및 부영양으 로 분류하는 기준 (Biggs, 1996)에 평균값을 적용한 결과, BSU는 빈영양, BSD2, BSD3은 중영양 그리고 HSW, BSD1 은 부영양 상태이었다.

    Turbidity의 범위와 평균값은 각각 0.0~12.0 NTU, 2.3 NTU이었다 (Fig. 3, Table 3). 조사기간 동안 5 NTU를 초과 한 것은 총 8회로서 12월~2월과 5월에만 측정되었으며, 부착조류 물질생산에 영향을 끼칠 수 있는 10 NTU (Wilcock et al., 2007)를 넘어선 것은 5월에 BSU와 BSD2에서 만 관찰되었는데 (Fig. 3), 공간적 차이에서 유의성은 없었 다 (p>0.05). 그리고 4월과 8월에 전 지점에서 0.6 NTU로 서 급감하였고, 6월과 9월에는 더 낮아져 0.2 NTU를 기록 하였다 (Fig. 3). 그리고 시간대에 따라 HSW의 온배수 방 류량이 많을수록 본류와 만나는 합류점 주변에서 하천수 와 혼합되면서 일시적으로 혼탁한 수질 상태를 형성하였 다. TSS의 범위와 평균값은 0.3~22.0 mg dw L-1, 4.6 mg dw L-1이었다 (Fig. 3, Table 3). TSS가 >10 mg dw L-1를 보인 것은 총 5회 관찰되었는데 BSU와 BSD2에서 5월에 각 1회씩, BSD1에서 12월, 2월 및 6월에 1회씩 있었다. 그 리고 전 지점에서 <5 mg dw L-1를 보인 시기는 4월, 6월 및 9월만 해당하였다 (Fig. 3). TSS는 강수량, 유량 및 탁도 (r=0.792, p<0.01)와 관련성이 컸으며, 다른 시기에 비해 5월에 더욱 밀접한 양상을 보였다.

    3.유기물, 질소·인 및 Chlorophyll-a의 증감 변동

    BOD5의 범위와 평균값은 각각 0.4~4.3 mg O2 L-1, 1.2 mg O2 L-1이었다 (Fig. 4, Table 3). BSU와 BSD구간은 시공 간적으로 차이가 크지 않았다 (p=0.000). 그러나 BSD1은 HSW의 유량이 클 때 그 영향으로 다소 높은 농도를 보였 는데 1월, 3월 및 8월에 각각 0.4 mg O2 L-1, 1.7 mg O2 L-1, 2.3 mg O2 L-1를 나타냈다 (Fig. 3). 그리고 3월은 BSD1 이 외에 BSU, BSD2~3구간도 동반 증가가 있었는데 겨울철 갈수기에 축적되었던 유기물이 기온 상승과 봄 강우에 의 해 유입되었던 것으로 사료되었다. 또한, 8월에 HSW에서 4.3 mg O2 L-1로서 크게 증가하였는데 이는 여름철에 잦은 강우와 유량 증가에 의한 기상·수문요인 영향으로 볼 수 있었다 (Fig. 4). CODMn의 범위와 평균값은 각각 0.9~7.9 mg O2 L-1, 3.2 mg O2 L-1이었다 (Fig. 4, Table 3). COD는 12 월부터 6월에 이행하면서 증가하는 양상이었는데, BSU와 HSW는 12월~4월 또는 6월까지 점진적으로 증가하였으 나 BSD1~3은 증감을 반복하였다 (Fig. 4). 또한, 8월~9월 은 감소하는 형태로서, BSD1~3구간에서 HSW와 BSU의 복합적 영향이 반영되었으며 지점 간 농도 구배도 현저하 였다. BOD/COD 비율에서 12월부터 8월~9월로 가면서 그 값이 낮아져서 유량이 풍부해지는 여름철로 갈수록 생 물학적으로 분해 가능한 물질보다 난분해성 유기물의 기 여도가 증가 (Shin et al., 2016b)하는 것으로 분석되었다.

    T-N의 범위와 평균값은 각각 1,294.3~9,411.2 μg N L-1, 3,642.6 μg N L-1이었다 (Fig. 4, Table 3). BSU는 시간적으로 큰 차이가 없었으나, BSD1은 HSW와 근접하여 그 영향이 컸으며 BSD2~3은 HSW와 BSU의 복합적 영향이 작용한 것으로 볼 수 있었다. 그리고 T-N 농도 (평균값)에 의한 영 양단계는 전 지점에서 부영양 (>1,500 μg N L-1) 수준을 초 과한 상태이었다 (USEPA, 2000; Dodds, 2006; Dodds and Smith, 2016). NH4의 범위와 평균값은 각각 7.4~2,172.2 μg N L-1, 132.1 μg N L-1이었고 (Fig. 4, Table 3), 8월을 제 외하고 높은 농도는 아니었다. 1월~4월에 BSU의 평균 농 도가 99.5 μg N L-1로서 다른 지점에 비해 높은 값을 유지 하였으나, 8월은 HSW와 BSD1에서 각각 2,172.2 μg N L-1, 1,722.9 μg N L-1로서 급증하였다. 그리고 전 지점에서 가장 낮은 값을 보인 시기는 6월에 9.9 μg N L-1이었고, 그 다음 은 9월에 13.0 μg N L-1이었다. NO3의 범위와 평균값은 각 각 1,066.0~8,003.1 μg N L-1, 3,130.8 μg N L-1이었다 (Fig. 4, Table 3). NO3의 변동성은 T-N과 유사하여 (r=0.948, p<0.01) BSU에서 증감 폭이 크지 않았으나, HSW는 변 동량이 매우 컸다. BSD1~3구간은 HSW의 영향이 주효하 여 BSU와 HSW가 합류한 이후 하류로 가면서 감소하였 다 (Fig. 4). 5월~6월에 BSU와 BSD1~3구간의 차이가 작 았고, 8월에는 전 지점에서 농도 차가 크지 않았으며, 9월 은 HSW와 BSD1에서 급증하는 현상이 관찰되었다 (Fig. 4). T-N 중에서 NH4, NO3가 차지하는 비율의 평균값 (범위) 은 각각 3.1% (0.1~32.8%), 85.7% (43.8~98.7%)로서 2월 에 HSW에서 높았고, 6월에 BSD1에서 낮았다. 또한, DIN 중에서 NH4, NO3가 차지하는 비율의 평균값 (범위)은 각각 3.8% (0.2~41.0%), 96.2% (59.0~99.8%)로서 4월과 6월 및 9월에 HSW와 BSD1에서 높았고, 8월에 BSD1에서 낮 았다. N 계열 영양염은 수온, Conductivity, BOD 및 COD 항목과 높은 양의 상관성을 나타냈다 (p<0.01).

    T-P의 범위와 평균값은 각각 4.5~900.0 μg P L-1, 200.9 μg P L-1이었다 (Fig. 4, Table 3). 조사기간 동안 BSU는 큰 차이를 보이지 않았지만, BSD1~3구간은 HSW의 영향으 로 증감이 컸다 (Fig. 4). HSW는 12월~1월에 243.9 μg P L-1로서 낮았고, 2월부터 시작하여 3월~4월에 841.9 μg P L-1로서 큰 폭으로 증가하였으며, 5월에 감소 (292.7 μg P L-1)하였다가 6월에 다시 증가 (543.9 μg P L-1)한 후 9월까 지 (900.0 μg P L-1) 상승세를 유지하였다 (Fig. 4). BSD1~3 구간은 12월~1월에 비해 2월~4월에 크게 증가하였고, 5 월~6월에는 31.8 μg P L-1 수준으로 감소하였다가 8월~9 월에 BSD1은 다시 급증하였으나 BSD2~3구간은 낮은 농 도를 기록하였다 (Fig. 4). T-P 농도 (평균값)에 의한 영양단 계는 BSU에서 빈영양 (<25 μg P L-1)이었고, HSW와 BSD 에서 부영양 (>75 μg P L-1)을 초과한 수준이었다 (USEPA, 2000; Dodds, 2006; Dodds and Smith, 2016). SRP의 범위 와 평균값은 1.3~856.5 μg P L-1, 170.6 μg P L-1이었다 (Fig. 4, Table 3). 조사기간 동안 T-P와 마찬가지로 BSU는 차이 가 크지 않았으나 BSD1~3은 HSW의 영향이 지배적이었 다. 12월~6월 사이에 T-P는 4월에 가장 높았으나 SRP는 3월에 높았고, 그 외 시공간적 경향은 유사하였다 (Fig. 4) (r=0.991, p<0.01). T-P 중에서 SRP가 차지하는 비율의 평균값 (범위)은 72.1% (16.5~98.5%)로서 3월에 HSW에 서 컸고, 1월에 BSD2에서 작았다. 또한, TN/TP 비의 평균 값은 66.5이었고, DIN/SRP 비는 125.6이었다 (Table 3). N/ P 비는 BSU에서 높았고, BSD에서 낮았는데 이것은 HSW 의 고농도 P 부하에 의한 것이었다. P 계열 영양염은 수온, Conductivity, BOD 및 COD 이 외에 T-N, NO3와 높은 양 의 상관성을 나타냈다 (p<0.01).

    Chl-a의 범위와 평균값은 0.0~17.1 mg m-3, 2.6 mg m-3 이었고 (Fig. 4, Table 3), 1월~3월과 6월에 다소 높은 농도 를 보였다. 그리고 Chl-a 농도가 5 mg m-3를 초과한 것은 총 8회이었고, BSD1~3구간에서만 관찰되었으며, 10 mg m-3 이상은 2월에 BSD1에서 유일하였다 (Fig. 4). BSD1에 서 상대적으로 높은 농도를 보인 것은 HSW가 본류에 유 입할 때 배출되는 높이가 달라서 낙수 (impinging jets)에 의해 하상이 교란되었고 (Shin et al., 2016a), 이에 의한 부 착조류의 탈리가 강화되었기 때문이었으며, 그 후속 영향 은 BSD2 또는 BSD3 지점까지 유하하면서 순차적으로 미 치게 되었다. 이러한 양상은 BSU의 농도와 비교할 때 지 속적인 것으로 볼 수 있었고, 이것 외에도 Chl-a 농도의 증 감 변화에서 BSD1~3구간은 물 흐름 (유속)에 의한 기질 의 탈리 (scouring) 현상 (Shin et al., 2016a)도 포함되는 것 으로 사료되었다. 그리고 몬순 우기에는 전 지점에서 낮은 값 (평균 1.6 mg m-3)을 보였다. 부소천에서 부유성 Chl-a 농도 (평균값)에 의한 영양단계는 빈영양 (<10 mg m-3) 수 준으로 평가되었다 (USEPA, 2000; Dodds, 2006; Dodds and Smith, 2016).

    4.부착조류 생물량의 시공간적 변동

    2015년 12월~2016년 9월 동안에 부소천 상류수역에 서 조사된 부착조류 Chl-a 농도의 범위와 평균값은 각각 0.3~55.2 μg cm-2, 9.7 μg cm-2이었다 (Fig. 5, Table 3). BSU 는 12월~4월에 완만하게 증가 (3.1 μg cm-2)하였으나 5 월~6월에 1.4 μg cm-2로 감소하였고, 8월~9월에는 0.3 μg cm-2로서 거의 바닥상태를 보였다 (Fig. 5). 반면에, HSW 는 2월, 5월~6월을 제외하고 평균 30.7 μg cm-2로서 높은 값을 보였고, 특히 3월에 최대값 (55.2 μg cm-2)을 기록하 였다 (Fig. 5). BSD1은 1월, 3월, 5월 및 9월에 17.7 μg cm-2 로서 높았고, 다른 시기에는 10 μg cm-2 이하이었다 (Fig. 5). HSW의 변동 형태와 유사하게 증감하였으나 8월~9월 에는 반대 양상을 나타냈다. BSD2는 1월과 5월에 8.2 μg cm-2로서 조금 높았고, HSW와 BSD1에 비해 변동 폭은 크지 않았다 (Fig. 5). BSD3은 1월~3월에 10.5 μg cm-2로 서 증가하였고, 이후 9월까지 지속적으로 감소하는 형태를 나타냈다.

    결과적으로, HSW는 연중 높은 생물량 수준을, BSU는 낮은 수준을 각각 유지하여 대비되었으나, BSD1~3은 온 도와 영양염 구배에 따른 시공간적 변동성을 보였다 (p< 0.01). 12월~1월, 3월 및 8월에 HSW에서 상대적으로 고 농도를 보인 것은 저온·갈수기 (온배수 배출의 안정성), 해빙·융설기 (pH 하강) 및 장마기 (강우 강도와 빈도 증가) 의 기상·수문요인 영향이 각각 작용하였으며, 이에 따른 부착조류의 시공간적 종조성 변화 (규조류 → 남조류 또는 남조류·규조류 → 녹조류, 남조류)뿐만 아니라 현존량도 컸기 때문이었다 (Table 4). 또한, Chl-a 함량에서 <2 μg cm-2 (빈영양, unenriched), 2~6 μg cm-2 (중영양, moderate) 및 >6 μg cm-2 (부영양, enriched)의 제안 기준 (Biggs, 1996, 2000; Dodds et al., 1998)을 본 조사결과 (n=45)에 적용할 때 각각 22.2%, 28.9% 및 48.9%이었으며, 지점별 비교에서 BSU는 모두 빈영양에 해당하였으나 이와 반대 로 HSW와 BSD1은 부영양 또는 그 이상 상태이었다. 부착 조류 Chl-a는 수온, Conductivity, 유기물 및 N·P 영양염 과 양의 상관성을, DO와 음의 상관성을 보였다 (p<0.01).

    AFDM의 범위와 평균값은 각각 0.1~16.2 mg cm-2, 2.4 mg cm-2이었다 (Fig. 5, Table 3). AFDM은 Chl-a와 달리 HSW를 제외한 전 지점에서 증감 변동 폭이 크지 않았 으나, 경향은 2월~4월 이외에 유사하였고 (r=0.527, p< 0.01), 지점별로 농도 차이 (HSW>BSD1~3>BSU)는 분 명한 형태이었다 (p<0.01). 그리고 6월은 전 지점의 평균 값이 0.8 mg cm-2로서 비교적 낮은 값에 수렴하는 양상을 보였고, 8월~9월에 BSU, BSD2~3구간은 Chl-a와 마찬 가지로 최저값을 보였다 (Fig. 5). HSW는 3월에 급증하여 최고값을 보였고, 이후 4월에 급감하였으나 >5 mg cm-2 를 유지하였다 (Fig. 5). 이 정도는 하상 기질에 부착조류가 매우 번성한 상태로 볼 수 있는 수준이었다 (Biggs, 1996, 2000; Dodds et al., 1998; Dodds, 2007).

    5.계류 수환경에 온배수와 pH의 영향 특성

    계류는 산림과 강을 연결하는 중간에 위치하여 평지하 천에 비해 경사가 급하고, 하상계수는 크나 유량이 마르지 않으며, 물 흐름이 빨라서 부착조류를 포함하는 다양한 저 서성 생물들의 성장, 축적 및 탈리 작용이 비교적 활발한 역동적인 생태계이다 (Stevenson et al., 1996). 또한, 상류에 서 하류로 가면서 구간별 지형에 따라 여울 (riffle)과 반정 체성 풀 (pool)이 반복되고, 다양한 돌 크기의 하상재료가 풍부한 구조를 이루고 있으며, 홍수기를 제외하고 계절적 으로 유량이 적을 때 사행형 하도를 보이기도 한다.

    삼림수가 집수된 저수지 (산정호수)를 발원지로 하는 부 소천 상류구간에서 관찰된 수질과 부착조류 생물량에 대 한 온배수와 수소이온농도 (pH)의 시공간적 영향을 요약한 것은 Fig. 6과 같다. 본 연구대상 계류는 최상류와 지류에 농업용 저수지와 온천을 각각 두고 있는 특이성을 가지고 있다. 온배수가 배출되는 지점 (HSW~BSD1)의 상하류 0.1 km 구간은 사면이 콘크리트 옹벽으로 직강화 되어 있고, 바닥은 경사가 미약하여 하루 중 온배수가 집중 방류되는 시간 이외에 반정체성 저류 상태와 같아서 연중 사상체 조 류가 번무하는 실태를 갖고 있다. 온배수 방류구 (HSW)는 소하천 (BSU~BSD1)과 높낮이 차이 (1.7 m)가 있어 일반 하천의 합류 형태와 다른 구조로 유입된다 (Fig. 6). 따라서 방류 시에 하상이 심하게 교란될 뿐만 아니라 상류 (BSU) 의 하천수와 만나면서 유량 차이로 인한 불완전 혼합 (incomplete mixing)을 이루며 일정 거리를 유하한 후 하류 (BSD3)의 또 다른 여울 구간에서 완전 혼합 (well-mixing) 되는 시스템을 가지고 있다 (Fig. 6).

    부소천의 유량은 상류 저수지의 월류량으로서 조절되고 있으며, 그 양은 건기 (12월~6월)에 적고, 우기 (7월~9월)에 급증하는 계절적 수문특성을 보인다 (Fig. 2 참고). 그리고 하천의 상류 인근에 온천이 개발되어 (Kim, 2007a; Jeong et al., 2009) 사용 후 발생하는 폐수는 미처리된 채 배출되 고 있어 열과 영양염을 지속적으로 제공하는 오염현상이 심각한 상태에 있다. 이 중에서 온배수는 기온과 수온의 관계로부터 하천 수온이 낮은 기간에 온도 상승 인자로서 작용하게 되고, 수온이 점진적으로 같아지는 시기 (3월~6 월) 이후에 그 영향이 격감하거나 소멸되는 특성을 보였다 (Figs. 2~3 참고). 그리고 영양염은 P와 N의 펄스 (pulse) 형태로서 공급되며, 그 유형은 크게 세 가지 형태 (하천수 와 온배수의 상호 양적관계; < (갈수기), = (평수기), > (풍 수기))로 구분될 수 있었다. 특히 온배수가 집중 방류되는 시간대에 부하가 짧게 발생하지만, 계절에 따라 국지적 충 격 (교란)과 영향 범위의 차이가 매우 큼을 알 수 있었다.

    하루 중 하천 유량과 온배수 방류량을 월별로 비교한 결 과에서 온배수에 의한 열 상승과 영양염 증가는 유량이 빈 약한 12월~6월 (0.1~1.2 m3 s-1)에 매일 짧은 시간 동안 반 복적으로 가하게 되고, 7월~9월 (>3.0 m3 s-1)은 그 영향이 미미하거나 거의 없는 것으로 볼 수 있었다 (Fig. 7). 따라 서 온배수에 의한 물리·화학적 교란은 주기적으로 가해 지지만 생물학적 누적영향 (예, 사상체 녹조류, 남조류의 만 성적 번성)은 방류지점으로부터 근거리에만 나타날 수 있 었고, 그 증감 변동은 강우·수문패턴에 의해 계절성을 가 지는 것으로 파악되었으며, 특히 유량이 적을 때 BSD1~2 구간에서 그 심각성을 관찰할 수 있었다.

    포천은 우리나라 중북부에 위치하여 다른 (중남부 또는 남부) 지역에 비해 동계 (저온·건조)와 하계 (고온·다습) 의 몬순기후가 더욱 뚜렷한 특성을 가지고 있다. 이로 인 해 강설량 (12월~2월)과 강우량 (7월~8월)이 많은 편에 속 한다. 본 연구 결과, 이 시기에 공통적으로 pH 값이 낮은 수질 상태를 보였는데, 그것은 기존에 계류수의 pH 감소 요인으로 잘 알려진 폐탄광 침출수에 의한 영향 (Cho et al., 1996; Kim et al., 2005; Ryu et al., 2014)과 달리 대기 의 산성강하물 영향 (Kim, 2004a, 2005; NIER, 2004; Cho et al., 2015, 2016)에 원인을 둘 수 있었다. 부소천은 전술 한 바와 같이 산림지대를 발원지로 하는 자연암반 계곡으 로서 강우 이후 곧바로 유출되는 수역에 해당하여 그 특성 을 관찰하기에 매우 용이한 곳이었다.

    12월~2월에 강설 또는 폭설 (>8 cm, http://www.kma. or.kr)이 내려 지표면에 쌓인 후 3월에 해빙과 융설 과정 을 통해 지표수 유출로서 그 영향이 나타나 시간적으로 다 소 차이가 있었고 (Stevenson et al., 1996), 7월~8월에 강우 가 내린 후에 곧바로 급감하는 경향을 나타냈다 (Fig. 2 참 고) (Stevenson et al., 1996). 최근 국내 33개 지역에서 관측 된 산성강하물 분포 결과로부터 포천지역은 가장 악화된 수준 (pH 4.4)으로 보고되었고, 그 원인은 수도권과 중국발 대기오염 때문으로 평가하였다 (NIER, 2004). 산성비를 pH 5.6 이하인 강우로서 정의하고 있어 (Kim, 2004a, 2005) 그 심각성을 가히 짐작할 수 있었다. 이러한 영향 사례는 선 행 연구결과에서 소수 제시되었는데, Wui et al. (1991)은 주암댐과 이사천댐 개발 초기에 pH 5.2를, Han et al. (1995)Lee et al. (1996)은 부소천에서 약 30 km 정도 떨어진 철원북방지역의 토교저수지에서 pH 5.3~6.0의 값을 보고 하였다. Kim and Choi (2000)는 충북 영동지역의 하천에서 pH 5.6을, Kim (2004b)은 한탄강 수계의 상류에서 pH 6.3 을, 그리고 Park (2010)은 월악산 계류 (하늘재)에서 pH 5.8 의 약산성 수준을 각각 언급하였다.

    pH는 하천의 상류에서 낮고 하류로 갈수록 높아지는 특성을 보이고 있는데 (Cho et al., 1996, 2016; Kim et al., 1996, 2005; Yang, 2006; Park, 2010), 본 연구 대상지는 최 상류에 위치하여 더욱 낮은 값을 관찰할 수 있었다. 실제 로 물리·화학적 현상뿐만 아니라 생물학적으로도 그 단 기 영향을 관찰할 수 있었는데 이 시기에 규조류의 종조 성에서 엿볼 수 있었다. 12월~4월에 Tabellaria floculosa (472~1,600 cells cm-2)가, 8월에 Eunotia pectinalis (114~ 466 cells cm-2)가 각각 출현하여 호산성 (acidophilic) 지표 종 (Stevenson et al., 1996)을 관찰함으로써 산성화에 의한 pH 감소 영향이 다소 뒷받침될 수 있었다. 그리고 강설과 강우의 비교에서, pH가 감소하는 정도는 강우의 형태가 더욱 빠르고 강하게 작용하는 것으로 볼 수 있었으며 (Fig. 6), 초기 강우와 건성 강하물 (dry deposite) 농도가 클수록 하천수의 산성화 영향과 수생태계의 피해도 더욱 커지게 된다 (Rosseland et al., 1986; Kulp, 1990; Wondyfraw, 2014; Choi et al., 2015). 또한, 수질항목 중에서 BOD, COD 및 NH4는 8월에 증가한 반면에 T-N, NO3, T-P 및 SRP는 9월 에 증가하는 시간적 차이가 있었는데 이들 변동성도 산성 비와 무관하지 않을 것 (Charlson and Rodhe, 1982; Cho et al., 2016)으로 사료된다.

    국내 하천에서 온배수와 산성화에 관한 육수·생태학 적 영향 조사연구는 현재까지 극소수에 불과하며 (NIER, 2004; MOE, 2014, 2016), 현장 사례를 자세하게 기술한 것 은 전무한 실정에 있다. 따라서 아직까지 이에 대한 영향 을 구체적으로 논의하기에는 기초자료가 매우 부족할 뿐 만 아니라 지극히 초보적 단계에 있다. 특히 계류, 강 그리 고 저수지의 수질문제 (부영양화, 녹조현상 등)를 해결하기 위한 또 다른 환경 변수로서 열과 대기오염의 기여도 분석 및 실태 평가가 필요한 것으로 제기된다.

    적 요

    온배수와 산성화는 오래 전부터 전 세계를 통해 육수학 과 수생태학에서 많은 관심을 갖게 한 분야이었다. 그러나 우리나라는 아직까지 초보적이거나 접근 조차 미진한 실 정에 있다. 본 연구는 2015년 12월부터 2016년 9월까지 경 기도 포천에 위치한 계류 (부소천)의 최상류 구간 5개 지점 (BSU (상류), HSW (온천폐수 방류구), BSD1~3 (하류))에 서 수질환경과 부착조류 생태계에 온배수와 산성비의 시공 간적 영향을 파악하고자 매월 조사하였다. 조사기간 동안 수온의 범위 (평균값)는 1.7~28.8℃ (15.0℃)이었다. 특히 HSW의 범위와 평균값은 17.5 (1월)~28.8℃ (9월), 24.2± 3.7℃로서 고온을 유지하였고, 다른 지점에 비해 월등히 높았다. 온배수는 하천수의 수온 증가와 영양염 펄스로서 작용하였으며, 그 영향은 갈수기와 저온기 (12월~3월)에 우세하였다. 그리고 온도의 영향권은 유하 거리에 따라 멀 지 않았으나, P·N 영양염은 다소 원거리까지 미칠 수 있 는 잠재력을 갖고 있었다. pH는 5.1~8.4 (6.9)이었다. 수중 pH 감소의 원인은 계절적으로 강설과 산성비의 습윤 산성 강하물에 있었고, 그 영향은 부착 규조류 중 호산성 종조성 (Eunotia pectinalis, Tabellaria flocculosa)의 생물학적 분포 에서 간헐적 (3월과 8월)으로 확인되었다. 부소천의 수질과 부착조류 생태계는 열 오염, 부영양화 및 산성화에 의한 역동적인 상태이었고, 계류, 온배수 및 대기오염과 같은 지 리·지역적 특성에 기반한 인위적 영향이 지배적이었다.

    Figure

    KSL-50-96_F1.gif

    Map showing the sampling stations in the upstream reach of the Buso Stream basin. BSU: upstream of the Buso Stream, HSW: thermal wastewater effluent of a hot-spring, BSD: downstream of the Buso Stream.

    KSL-50-96_F2.gif

    Daily or monthly fluctuations of air temperature, temperature difference (maximum minus minimum), rainfall and discharge in the upstream reach of the Buso Stream from December 2015 to September 2016. Three symbols in discharge factor are ○: BSU, ●: HSW, and ×: BSD3. See Fig. 1 for the abbreviations.

    KSL-50-96_F3.gif

    Monthly fluctuations of basic water quality factors in the upstream reach of the Buso Stream from December 2015 to September 2016. See Fig. 1 for the abbreviations.

    KSL-50-96_F4.gif

    Monthly fluctuations of organic matter, N·P nutrients and chlorophyll-a concentration in the upstream reach of the Buso Stream from December 2015 to September 2016. See Fig. 1 for the abbreviations.

    KSL-50-96_F5.gif

    Monthly fluctuations of periphytic Chl-a and ash-free dry matter (AFDM) concentration in the upstream reach of the Buso Stream from December 2015 to September 2016. See Fig. 1 for the abbreviations.

    KSL-50-96_F6.gif

    Conceptual diagram illustrating spatial and temporal effects of thermal wastewater effluent and water acidification with meteorological factors on water quality and periphytic algae biomass in the Buso Stream. Numbers (①~③) shown in the right side of the figure indicate events or phenomena which are feasible to occur in this study area from December 2015 to September 2016. See Fig. 1 for the abbreviations.

    KSL-50-96_F7.gif

    Diurnal (TWE only) or monthly distributions of discharge on stream water and thermal wastewater effluent in the upstream reach of the Buso Stream from December 2015 to September 2016.

    Table

    General geographic and limnological features of Sanjeong Reservoir, the Buso Stream and hot-spring resort located in the Hantan River basin.

    References: MOLIT (2012), MOE (2016), http://www.rims.ekr.or.kr; U: upstream, M: midstream, D: downstream.

    Descriptive statistics of geomorphological and hydrological components and bed-material composition surveyed in the upstream reach of the Buso Stream from December 2015 to September 2016. The values indicate mean, standard deviation, and range (maximum and minimum). See Fig. 1 for thr abbreviations. Air temperature and rainfall data obtained from Korea Meteorological Agency (KMA).

    Descriptive statistics of the basic water quality surveyed in the upstream reach of the Buso Stream from December 2015 to September 2016. The values indicate mean, standard deviation, and range (maximum and minimum). See Fig. 1 for the abbreviations.

    DO, dissolved oxygen; TSS, total suspended solids; BOD, biological oxygen demand; COD, chemical oxygen demand; T-N, total nitrogen; T-P, total phosphorus and SRP, soluble reactive phosphorus; Chl-a, Chlorophyll-a; AFDM, ash-free dry matter; DIN, dissolved inorganic nitrogen.

    A list of spatio-temporal dominant (D) and subdominant (S) species identified in the upstream reach of the Buso Stream from December 2015 to September 2016. Numerics within parenthesis are relative abundance (%) and standing crops (×103 cells mL-1), respectively.

    Correlation coefficient between channel morphology, hydrometeorological factors and water quality factors tested by Spearman s Rank Correlation. Statistical values were computed among mean of five stations (BSU, HSW, BSD1, BSD2 and BSD3).

    *p<0.05
    **p<0.01
    WID, channel width; DEP, water depth; CUR, current; DIS, discharge; ELE, elevation; ATE, air temperature; WTE, water temperature; DO, dissolved oxygen; CON, conductivity; TUR, turbidity; TSS, total suspended solids; BOD, biochemical oxygen demand; COD, chemical oxygen demand; T-N, total nitrogen; NH4, ammonium; NO3, nitrate; TP, total phosphorus; SRP, soluble reactive phosphorus; CHLW, planktonic chlorophyll-a; CHLB, benthic algae chlorophyll-a; AFDB, benthic ash-free dry matter.

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