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ISSN : 2288-1115(Print)
ISSN : 2288-1123(Online)
Korean Journal of Ecology and Environment Vol.32 No.3 pp.189-199
DOI :

Variation of Water Quality and Algal Population in Lake Okjeong

Yo-Sang Lee*, Byeong-Soo Kang, Jae-Ki Shin
Water Resources Research Institute, KOWACO, 305-390, Korea
*Corresponding author: Tel: 042) 860-0351, Fax: 042) 860-0368, E-mail: yslee@kowaco.or.kr

Abstract


Horizental and vertical distributions of monthly water quality were investigated from February 1998 to January 1999 in the upstream of Lake Okjeong. Water quality parameters were measured at three major incoming tributaries. The results of this investigation showed that water quality of the Imshil stream was worse than other streams. Most of nutrients loading in lake occurred during the rainy season. T-N and T-P loadings were 8.9×104 kg and 4.4×103 kg for 3 days (11th to 13th August), respectively. The thermal stratification was presented from May to October. The metalimnetic oxygen minima occurred at 18 m depth in September. Storm runoff was fallen down with high turbidity and flowed into metalimnion along the 10 m depth layer of the same density. The turbidity was 5 to 25 NTU on 2 July. The trends of COD and T-N concentrations were seemed to increase, but SS, T-P and Secchi depth were become better or similar in 1998. Based on these results, the water quality of Lake Okjeong was evaluated to be similar to that of the past. Seasonal variations of chl-a concentration and algal standing crops also provided its evidents. During the blooming season, blue-green algae (Microcystis, Oscillatoria) and green algae (Scenedesmus, Selenastrum) occured in high abandance and it estimated to be maximum average 30 mg chl-a/m3 or 2.3×105 cells/ml. The population of Microcystis exponentially increased from June to September, and algal density was more than 105 cells/ml. Though chl-a and nutrients concentration varied with seasons, the trophic state of Lake Okjeong appeared to be in the range of mesoeutrophic status, being reflected by trophic state index (TSI : 30~65).



옥정호의 수질 및 담수조류 변화

이 요 상*, 강 병 수, 신 재 기
한국수자원공사 수자원연구소, 대전 305-390

초록


    서 론

    우리 나라는 기후 특성상 여름철에 집중적인 강우로 인해 물의 유출속도가 높아 수자원 확보를 위하여 하천 에 대형 댐을 건설하여 많은 물을 저장하고 있다. 그러 나 물의 양적인 충족을 위하여 건설된 인공호수에서는 물의 체류시간이 길어지게 되고, 댐 상류유역에서의 수 질관리 부족으로 다량의 오염물질 유입으로 부영양화가 일어날 우려가 있다.

    섬진강 상류에 위치한 옥정호는 1994년 이후 부영양 화 현상이 발생하는 등 수질문제가 야기되고 있으나, 옥 정호에 대한 연구실적은 그리 많지 않은 편이다. 예를들 면, 옥정호에 서식하는 어류에 관한 연구(이충열, 김익 수, 1981), 옥정호의 육수생물학적 연구(송형호, 1982) 등 호내에 서식하는 생물에 대한 연구와 섬진강 다목적댐 관리연보 (한국수자원공사, 1985~1997), 내수면 양식업 이 수질오염 영향에 관한 연구(조규송 등, 1990), 전국호 소환경현황조사 및 주요 호소 영향 권역 설정 최종보고 서(환경처, 1994), 국내 주요호수의 육수학적 조사(김범 철 등, 1997) 등 수질환경과 연관된 연구들이 보고 되었 다. 그러나 호소수질 개선과 관리 관점에서의 연구는 거 의 없는 실정이다. 본 연구에서는 수질개선을 위한 방안 으로 하천을 통한 유입오염원 현황을 강우기와 비강우 기로 나누어 조사하고, 오염물질의 유입특성 및 호소 수 질특성 등을 종합적으로 연구 검토하여 호소수질 개선 을 위한 자료로 활용하고자 한다.

    재료 및 방법

    1. 조사지점 및 시기

    옥정호는 전북 장수, 임실, 진안군 등 3개군의 경계를 이루는 팔공산에서 발원하여 약 84.2 km를 남서류하는 섬진강을 본류로 하는 인공호수로 유역면적은 763 km2 이고, 저수면적은 26.5 km2이며 총저수용량은 466×106 m3이다.

    옥정호의 수리학적 특성은 Table 1과 같다.

    옥정호의 수질조사는 호내에서 댐앞(st. 1), 사승(st. 2), 운암(st. 3), 흰바위(st. 4), 입석(st. 5) 등 5개 지점을 대상 으로 하였다(Fig. 1). 수질조사는 수심이 낮은 입석지점 만 상∙하층으로 조사하였고 다른 4개 지점은 수층을 상∙중∙하층으로 나누어 실시하였다. 특히 입석지점을 상∙하층으로만 구분한 것은 기초수질조사를 실시한 결 과 수심이 낮아(10 m 이하) 중∙하층간에 수질차이가 나 지 않아 둘로 구분하였다. 유입하천은 관촌 유역에서 성 수, 관촌, 용산, 덕암 등 4개 지점을 대상으로 하였고 쌍 치 유역에서는 쌍치, 매죽 등 2개 지점으로 하였으며 주 기적으로 월 1회 측정하였다. 그러나 강우발생후와 같이 수질변동을 면밀히 조사하여야 하는 시기에는 유출수의 수질을 4시간 간격으로 측정하였다. 상류 유입 하천으로 부터의 유입부하를 측정하기 위한 조사지점은 상류하천 유역의 3지점(관촌, 용산, 쌍치)으로 강우발생후 유출이 시작되면 연속적으로 유출 완료 시까지 수온, pH, DO, 전기전도도, COD, SS, BOD, PO4-P, T-P, T-N, chl-a 등 11개 수질항목에 대하여 조사를 실시하였다. 수질조사는 현장에서 potable 수질측정기인 YSI-6000을 이용하여 pH, 수온, 수심, DO, 전기전도도, 탁도 등을 수심 30~50 cm 간격으로 직접 측정하였으며, 투명도는 Secchi disk를 이용하여 측정하였다. 그 이외의 수질항목인 COD, BOD, SS, PO4-P, T-N, T-P, chl-a 등은 시료를 실험실 로 옮겨와 수질오염공정시험법에 따라 측정하였다.

    결과 및 고찰

    1. 상류 유입하천 수질 변화 특성

    유입 오염부하는 유입하천의 수량에 따라 큰 차이를 나타내므로 강우기와 비강우기로 나누어 조사하였다. 비 강우기시에 조사된 유입하천의 각 조사 지점별 수질항 목별 농도를 살펴보면 관촌유역에서는 인구가 많은 임 실군을 관통하여 흐르는 임실천의 용산지점 수질이 Fig. 2에 나타난 바와 같이 가장 오염된 것으로 나타났다. 반 면 대조지점으로 설정한 성수산 지점이 가장 수질상태 가 좋은 것으로 나타났으며 특히 총질소의 경우에는 인 간의 활동에 의해 부하되는 오염을 뚜렷이 나타내고 있 다.

    강우사상 5회에 걸쳐 조사한 자료는 강우에 의한 오 염부하를 산정하는데 유효한 자료로 사용할 수 있을 것 으로 판단되나, 9월 21일부터 23일까지 측정한 자료와 9월 28일부터 29일까지 측정한 결과는 유출부하량이 상 대적으로 적어 peak 부하를 확인하기로는 조금 부족한 것으로 보인다 (Table 2). 수질측정 결과에 의하면 각 수 질항목의 농도는 갈수기에 비해 강우기가 총인은 약 3~20배, PO4-P는 약 2~4배 이상 증가하는 것으로 측 정되어 강우기에 다량의 오염물질이 하천을 통해 댐저 수지로 유입되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 조사는 일년중 몇 차례의 강우조사로 그 유역의 강우-유출현상 과 유출에 따른 오염부하를 결정한다는 것은 매우 불확 실하므로 수년에 걸쳐 동일한 조사를 실시하여 보다 정 확한 결과를 도출할 계획이다.

    2. 댐저수지 수질변화 특성

    수온은 Fig. 3에 나타난 바와 같이 대체적으로 매년 동절기에 상∙중∙하 전 지점에 걸쳐 10°C 이하로 균일 하게 나타난 반면 여름철인 7, 8월경에는 상층부에서 큰 폭의 온도변화를 나타냈다. 98년 조사에서는 수심이 깊 은 댐앞, 사승, 운암 지점의 25 m 이하 하층수온은 연중 거의 변화가 없었으나 수심이 얕은 흰바위와 입석지점 에서는 하층에서도 변화가 컸다. Fig. 3에서 3월에는 상 하층의 수온이 약 8°C 상층 의 온도가 상승하기 시작하여 9월에 최대를 보였다. pH 는 급격한 변화를 보이진 않았다(Fig. 4).

    95~97년까지 3년간 용존산소 측정자료에 의하면(한 국수자원공사, 1994, 1995, 1996, 1997) 각 지점마다 동절 기에는 용존산소 값이 크며 상∙하층간의 차이가 적게 나타나는 반면 하절기에는 용존산소 값이 상∙하층간에 큰 차이를 나타내는 거의 일정한 경향을 나타내었다 (Fig. 5).

    98년에는 2월까지 용존산소가 상∙하층이 일정한 농 도를 보이다 3월부터 수표면의 온도가 상승하면서 용존 산소가 감소하였다. 4월부터 5개 지점 모두 상∙하층간 에 큰 차이를 나타내기 시작했으며 9월에 수심 약 20m 까지는 용존산소량이 급격히 감소하는 경향을 나타냈고 그 아래에서는 다시 회복되는 경향을 나타냈다. 특히 수 심이 50 m 이상 되는 댐앞지점에서 조사한 결과에 의하 면 용존산소 변화량이 가장 크게 나타난 9월에는 상층 에서 용존산소량이 약 12 mg/l의 과포화 상태를 나타낸 반면 수심 18 m 부근에서는 약 2 mg/l로 매우 낮은 용존 산소 농도를 나타내었다. 이 지점은 Wetzel (1983)이 설 명한 전이층 산소 최저점(Metalimnion oxygen minima) 에 해당하는 것으로 이번 조사에서 확인할 수 있었다. 또한 수중의 용존산소량이 회복되는 추동기에는 전이층 산소최저점에 해당하는 수심 18 m 부근은 용존산소량이 빨리 증가하는 반면 수심 30 m 이상 지점은 용존산소량 이 12월까지 계속 감소하는 현상을 나타내었다. 이러한 현상은 대청댐이나 충주댐에서도 동일하게 나타났으며 (한국수자원공사, 1996, 1997) 이듬해 1, 2월경에 완벽한 turnover가 이루어지는 것으로 조사되었다.

    각각의 수질항목 추이 분석에 앞서서 저수위 변화를 살펴보면 95년의 큰 가뭄으로 인하여 6월에서 8월까지 165 m의 기록적인 수위저하를 나타내었다. 이에 따른 저수량을 비교하면 저수위 190 m 일 때의 저수량은 240.52×106 m3이나 165 m일 때는 16.67×106 m3으로 190 m 일 때의 6.93%에 해당되는 양이므로 그때의 수질 상태는 매우 좋지 않을 것으로 판단된다. 따라서 수질추 이 분석시 95년의 경우는 특별한 경우로 취급하였다.(Fig. 6

    COD는 저수량이 매우 낮았던 95년에는 수질상태가 매우 악화되어 섬진강댐의 평균수질로 평가하기는 적절 치 않으므로 96년부터 98년까지의 자료만으로 분석하였 다. 96년과 97년의 COD는 댐앞, 사승, 운암이 평균 3.0 mg/l 이하로 나타났으나, 98년에는 댐앞, 사승, 운암지점 에서 평균 3.9 mg/l로 높게 나타났으며 흰바위는 4.4 mg/l, 입석은 5.0 mg/l로 나타나 저수지 상류지점의 수질 상태가 하류보다 더 오염된 것으로 나타났다. 또한 Fig. 7에서 나타난 바와 같이 댐앞지점의 COD값이 매년 조 금씩 증가함으로 시급한 수질관리가 필요한 것으로 판 단되었고 특히 상류 유입하천중 임실군을 통하여 흐르 는 임실천의 COD는 평균 5.5 mg/l를 나타내 수질오염 의 주요인으로 작용하는 것으로 판단되었다.

    BOD는 95년 하절기를 제외하고는 전 지점에 걸쳐 3.0 mg/l 이하를 나타냈으며 ’98년 조사에서 댐앞, 사승, 운암 등 3개지점의 BOD 수심별 분포는 대부분 상층이 중, 하층보다 약간 높게 나타났으며 중증과 하층의 농도 는 거의 비슷한 것으로 조사되었다. 95년부터 98년까지 측정된 댐앞, 사승, 운암 지점의 수질상태는 유역상류에 서 유입되는 오염물질로부터 멀리 떨어져 있는 관계로 BOD 변화가 크지는 않으나 흰바위와 입석 지점은 상류 하천의 수질에 영향을 받으므로 조금 큰 수질변화를 나 타냈으며 다른 지점보다 높은 BOD값을 나타내었다.

    부유물질 (SS) 농도는 외부의 물리적인 영향에 많이 지배되는데, 95년도에는 저수량이 적어 유하거리가 짧은 사승, 운암지점에서 강우 발생후 SS가 매우 높게 측정 되었다. 96년과 97년에는 저수량이 풍부하여 95년에 비 해 강우량이 더 많았음에도 하절기에 SS가 그리 높지 않은 것으로 나타났다(Fig. 8). 98년에 댐앞, 사승, 운암 지점의 하절기 SS는 예년과 유사하게 나타났으나 유입 하천에 가까운 지점인 흰바위와 입석은 중∙하층에서 아주 높은 농도를 보였다. 흰바위와 입석지점의 SS농도 가 다른 지점에 비해 높은 것은 유하거리가 짧아서 나 타난 현상이며 상층에 비하여 중∙하층의 농도가 높은 것은 강우 발생후 유입수가 밀도류를 형성하기 때문이 다. 98년 6월 30일(24.8 mm)과 7월 1일(16.9 mm) 강우 발생후 7월 2일에 호수내 7개 지점에서 수심별로 유입 탁수가 밀도류를 형성하는 것을 확인하였다(Fig. 9).

    옥정호는 95년에 저수위가 185 m 이상을 회복한 9월 이전에 대부분 수질항목의 측정값이 높게 나타난 것과 마찬가지로 T-N 역시 매우 높게 나타났다. 특히 수위가 165 m 이하로 떨어진 6, 7월에는 댐앞, 사승, 운암지점 모 두 3 mg/l 정도의 높은 값을 나타내 댐저수지 전체가 극 심하게 오염된 것으로 판단할 수 있다. 그 이후 저수량 이 증가하면서 수질은 개선되었으나 96년이후 부터 98 년까지 오염도가 꾸준히 높아지는 것으로 나타나 시급 히 대응방안을 마련해야 할 것으로 나타났다(Fig. 10).

    98년 조사에서 옥정호 수질측정망 지점 3군데중 댐앞 지점이 운암이나 사승지점 보다 약간 낮았는데 이는 영 양물질이 외부의 점오염원과 비점오염원으로부터 기인 하고 있음을 시사하고 있으며 운암이 사승지점보다 약 간 높은 이유는 유역의 특성상 운암지점에 점오염원이 더 많이 산재되어 있어 외부의 점 오염원이 옥정호의 수질에 영향을 미치고 있음을 알 수 있다.

    98년도 총인의 농도는 댐축, 사승, 운암지점에서는 각 각 0.024 mg/l, 0.023 mg/l, 0.027 mg/l로 과거자료와 비슷 한 경향을 나타냈으나 보다 상류지점인 흰바위와 입석 지점은 각각 0.041 mg/l와 0.054 mg/l로 앞의 3지점에 비해 상당히 높게 나타났다. 상류하천 조사에서도 관촌 유역의 최하류지점인 덕암교지점에서 연평균 0.058 mg/l 을 나타냈으며 쌍치 유역에서는 0.031 mg/l을 나타내 임 실천을 끼고 있는 관촌유역이 더 오염된 것을 알 수 있 다. 이로 인하여 저수지에서 유입하천에 가장 가까운 정 점 5의 T-P 농도가 가장 높고 하류 쪽으로 내려 갈수록 T-P값이 낮아지는 경향을 나타내었다(Fig. 11). 또한 대 조지점으로 선정한 성수산의 평균 T-P농도는 0.01 mg/l 로 나타나 인간활동에 의한 부하가 매우 큰 부분을 차 지하는 것을 확인할 수 있다. 98년 조사에서 용존인의 대표물질인 PO4-P의 농도를 측정한 결과 저수지 하류 지점 보다 상류지점에 높은 농도를 나타냈다. 유입하천 의 PO4-P 농도를 살펴보면 임실군을 통해 흐르는 임실 천은 0.051 mg/l로 매우 높은 값을 나타냈으며 관촌교와 쌍치 지점도 각각 0.018 mg/l, 0.016 mg/l을 나타내 무엇 보다도 임실천의 오염문제가 심각한 것으로 평가되었다. 반면 대조지점인 성수산의 PO4-P 농도는 0.004 mg/l로 나타났다.

    투명도는 하절기보다 동절기에 대부분 높은 값을 나 타내는데 과거자료를 토대로 분석해 본 결과 투명도는 1차적으로 3, 4월경에 감소하고 하절기에 다시 감소하는 현상을 보였다. 특히 옥정호에서는 흰바위와 입석 지점 이 98년 4월에 각각 0.5 m, 0.25m로 매우 투명도가 낮 게 나타나는 현상을 보여주었으며 다른 결과와 마찬가 지로 댐앞, 사승, 운암지점 보다 흰바위, 입석지점의 투명 도가 더 낮게 나타났다(Fig. 12). 투명도는 수질오염 상 태를 파악하는 좋은 지표로 사용되며 총인이나 chl-a 등과 상관성을 찾아볼 수 있을 것으로 판단되어 상관성 조사를 해본 결과 98년 일년치 자료로는 상관성이 낮게 나타났다. 그러나 지속적인 조사를 통하여 많은 자료를 수집∙분석하면 수질인자와의 상관성을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

    Fig. 13에서와 같이 98년도 자료에서 발생 조류총량과 chl-a간에는 상당한 상관성이 있는 것을 알 수 있으며 대부분의 현존량이 남조류에 속하는 것을 알 수 있다. 옥정호에서 chl-a 농도 변동은 본류(운암)와 지류(사승) 에서 다소 차이가 있었다. 두 지점에서 chl-a 연평균 농 도는 각각 13.0, 9.7 mg/m3로서 본류가 다소 높았다(Fig. 13). 하계에 본류에서는 8~10월에 평균 33.4 mg/m3이었 고 지류에서는 8~9월에 25.7 mg/m3으로 본류의 77% 수준을 나타냈다. 또한 8~10월을 제외한 다른 시기의 평균값이 각각 6.1, 6.5 mg/m3으로 하계의 수온상승으로 인한 조류 생물량이 증가된 시기와 비교해 볼 때 18~ 25%에 해당하였다. 이러한 결과는 조류의 현존량에서도 잘 반영되었다. 본류와 지류에서 하계에 chl-a 농도가 증가한 기간의 조류 종조성은 큰 차이가 없었다. 반면에 최대 현존량 변동양상은 유사하였으나 그 수준은 9월에 각각 2.4×105 cells/ml과 2.1×105 cells/ml로 본류의 운 암에서 조금 컸다 (Fig. 13). 이때 우점한 조류는 녹조 Scenedesmus ecornis v. ecornis, Selenastrum capricornutum와 남조 Microcystis aeruginosa, M. ichthyoblabe, Oscillatoria. amphibia, Oscillatoria sp.가 해당되었다. 특히 남조 Microcystis는 4월에 출현하여 6월부터 지수 적 증가를 보였고 7월~10월사이에 수표면을 짙은 녹색 으로 물들였다. 이러한 수화현상은 육안으로도 확인이 가능한 정도였다.

    chl-a의 변화를 살펴보면 Fig. 14에서 보는 바와 같이 95년 7, 8월에는 수온의 영향과 유량감소로 정점 3 지점 은 높은 농도를 나타냈으며 96년도에는 댐앞, 사승, 운암 지점의 농도가 0.1~8.8 mg/m3의 분포를 보였다. 98년 조사 결과에 의하면 하절기에 높은 값을 나타내었으며 지점별로는 저수지 내에서 유입하천에 가깝고 수심이 낮은 입석과 흰바위지점의 농도가 매우 높게 나타났다.

    옥정호의 연중 chl-a와 총인과의 상관성을 분석한 결 과 댐저수지 최상류인 입석지점은 상관성이 전혀 없는 것으로 나타났으나 댐하류로 내려 갈수록 조금씩 상관 성이 커져 사승과 댐앞 지점에서는 0.74와 0.65로 비교 적 상관성이 큰 것으로 나타났다(Fig. 15). 그런데 이 자 료는 일년간의 자료이므로 상관성이 그다지 높지 않으 나, 몇 년간 자료를 모아서 대상항목별로 분석해 본다면 보다 높은 상관성을 찾아볼 수 있을 것으로 판단되었다.

    영양상태를 평가하는 여러 가지 기준 중에서 수정 Carlson (1977) 지수법에 의해 영양상태를 평가해 보면 총인과 chl-a를 기준으로는 중∙부영양상태를 나타냈고 투명도를 기준으로는 약 2~3개월을 제외하고는 부영양 상태로 평가되었다(Fig. 16). 또다른 기준 중에 하나인 Vollenweider가 연구 제시한 OECD의 기준에 의하면 총인을 기준으로는 부영양상태이고 chl-a와 Secchi depth를 기준으로는 중영양상태를 나타냈다. 이와 같이 옥정호는 시기에 따라 또는 기준에 따라 약간의 차이를 보이기는 하나 대체로 중영양상태와 부영양상태를 나타 내는 것으로 평가되었다.

    적 요

    옥정호는 1994년이후 가두리 양식장이 감소하기 시작 하여 98년도에 모두 철거되었으며 현재 상수원 보호구 역 지정검토등 많은 노력을 기울임으로 수질개선에 노 력하고 있으나 상류하천으로부터 오염물질이 계속 유입 되고 있어 수질상태가 현격히 좋아질 것으로 기대되기 는 어려운 실정이다. 1998년도에 조사한 옥정호 수질자 료를 분석한 결과에서 COD, T-N 값은 조금 높아지는 경향을 나타냈으며 SS, T-P, 투명도 등은 예년과 비슷 하거나 경우에 따라서는 조금 낮은 수준으로 평가되어 전반적으로 예년과 유사한 것으로 평가되었다. 그러나 영양상태를 평가하는 여러 가지 기준에 따라 수질상태 를 평가해보면 옥정호는 시기에 따라 또는 기준에 따라 약간의 차이를 보이기는 하나 대체로 중영양상태와 부 영양상태를 나타내는 것으로 평가되어 조속한 대책을 수립 시행하여야 할 것으로 판단되며, 특히 유입하천 조 사에서는 임실천의 수질상태가 다른 조사지점에 비해 오염도가 높게 조사되어 임실천에 대해서는 확실한 오 염원대책이 강구되어야 할 것으로 평가되었다.

    Figure

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    Map of sampling sites in Lake Okjeong.

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    Monthly variation of inflowing water quality at normal flow (1998).

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    Monthly variation of temperature at st. 1 (1998).

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    Monthly variation of pH in Lake Okjeong (1998).

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    Monthly variation of DO at st. 1 (1998).

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    Variation of water level in Lake Okjeong (1995~1998).

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    Monthly variation of COD and BOD in Lake Okjeong (1995~1998).

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    Monthly variation of SS in Lake Okjeong (1995~1998).

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    The profile of turbidity (NTU) of Lake Okjeong showing the inflow of highly turbid water into the mid-layer after heavy rain (July 2, 1998).

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    Monthly variation of T-N in Lake Okjeong (1995~1998).

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    Variation of T-P in Lake Okjeong, from June to August 1998.

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    Monthly variation of Secchi depth in Lake Okjeong (1995~1998).

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    Monthly variation of algae population in Lake Okjeong. D (diatom), G (green algae), BG (blue-green algae).

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    Monthly and site variation of Chl-a in Lake Okjeong (1998).

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    Relationship between Chl-a and T-P in Lake Okjeong (1998).

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    TSI of Lake Okjeong (▲ : st. 1 ■ : st. 2 ◆ : st. 3).

    Table

    Hydrological characteristics of drainage basin of Lake Okjeong. Yearly average records from 1985 to 1994 (KOWACO, 1985~1994).

    Pollutant loading of inf lowing water to Lake Okjeong during the storm event (1998).

    Reference

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