2.1. 수질자료의 분석

국내에서 다목적댐과 용수댐의 수질을 관리하는 기관은 한국수자원공사로서 호수수질관리에 필요한 일반수질항목 에 대한 수질조사를 정기적으로 실시하여 그 자료를 체계 적으로 관리하고 있으며 수자원공사 홈페이지에 그 자료를 공개하고 있다. 2003년부터 2012년까지 10년간의 이루어진 수질조사자료를 수자원공사로부터 입수하였다. 본 연구에서 는 알칼리도와 경도가 chlorophyll-α의 농도에 미치는 영향 을 규명하고자 하는 것이지만 호수수질관리를 위한 일반적 인 수질조사항목에는 알칼리도와 경도가 포함되어 있지 않 아 그 호수들의 물을 원수로 사용하는 정수장에서 확보한 알칼리도와 경도를 역시 관리주체인 한국수자원공사로부터 입수하였다. 이들 10년간 자료를 평균한 결과를 분석하여 연구목적에 부합하는 정보를 제시하였다.

2.2. MINTEQ 모델을 이용한 계산

지금까지 개발된 지구화학평형모델 중에서 MINTEQ 모 델이 가장 다양한 적용이 가능하다. MINTEQ는 미국환경 보호청(U.S.EPA)이 보급한 지구화학평형을 이루는 계의 화 학종의 농도를 산출하는 모델로서 수환경중에 존재하는 용 해성 물질, 흡착된 물질, 기체상 물질, 그리고 고체상 물질 상호간에 이루어지는 평형조성을 계산할 수 있다. MINTEQ 에는 계산 전에 입력화일을 생산하기 위해 연동되는 프로 그램 PRODEF에 이용되는 신뢰성 높은 열역학적 데이터를 포함하고 있다. MINTEQ는 사용자가 입력한 자료를 포함 하여 자세한 계산결과를 제시한다. 계산결과에는 고려대상 시스템 내에 존재하는 모든 화학종의 농도와 고체상들의 포화된 정도가 포함된다.

3.1. 다목적댐과 용수전용댐의 수질자료분석

Table 2에는 한국수자원공사에서 관리하는 다목적댐과 용수전용댐의 지난 10년간의 수질조사 결과를 요약하여 수 록하였다. 조사기간은 2003년 1월부터 2012년 12월까지였 다. pH, TN, TP, chlorophyll-α는 각 댐관리사업소에서 월 별로 측정한 값의 평균치이고 알칼리도와 경도는 각 댐에 서 취수한 물을 원수로 하여 정수를 생산하는 정수장의 측 정값 평균치이다. 알칼리도는 매일1회, 그리고 경도는 매주 1회의 주기로 측정된다.

3.2. 알칼리도와 경도, 그리고 chlorophyll-α 함량과의 상관관계

Fig. 1에 알칼리도와 경도의 관계를 도시하였다. 알칼리 도와 경도 사이에는 좋은 선형관계(R²=0.9857)가 있음을 알 수 있다.

Fig. 1. Correlation between alkalinity and hardness.

Fig. 2와 3에는 각각 (Alkalinity, Chl-α)관계와 (Hardness, Chl-α)관계를 도표로 제시하였으며, 각 변수사이에 선형관 계와 2차식으로 추정한 추세선과 수식을 함께 표시하였다. 두 경우 모두 두 변수들 사이에 선형방정식보다는 2차방정 식을 따르는 상관관계가 훨씬 높게 나타났다. 두 그래프로 부터 주목할 만한 정보는 알칼리도를 기준으로는 44 mg/L as CaCO₃ 그리고 경도를 기준으로는 63 mg/L as CaCO₃에 서 chlorophyll-α의 농도가 최대를 나타낸다는 것이다. 이를 일반적으로 이야기하면 호수의 알칼리도를 44 mg/L as CaCO₃, 그리고 경도를 63 mg/L as CaCO₃ 보다 높게 유지 하면 chlorophyll-α의 농도를 최대점 이하로 낮출 수 있는 가능성이 크다는 뜻이다.

Fig. 2. Correlation between alkalinity and chlorophyll-α.

Fig. 3. Correlation between hardness and chlorophyll-α.

대청호는 해마다 조류주의보 등의 경보가 발령되어 중점 관리대상이 되는 호수중 하나로서 그 알칼리도와 경도가 각각 34 mg/L as CaCO₃과 48 mg/L as CaCO₃정도다. 따 라서 알칼리도를 10 mg/L as CaCO₃, 그리고 동시에 경도 를 15 mg/L as CaCO₃ 정도 이상으로 증가시키는 방법을 찾아 적용한다면 조류의 번성에 따른 수질악화를 방지할 수 있을 것을 조심스럽게 예상할 수 있다.

3.3. 알칼리도와 경도가 용존 인의 농도에 미치는 영향

전술한 다목적댐과 용수전용댐의 수질분석에서 알칼리도 와 경도가 조류의 생장에 영향을 미칠 수 있다는 개연성이 있음을 알게 되었다. 그렇다면 과연 알칼리도와 경도가 어 떻게 조류의 생장에 영향을 줄 수 있는 지를 알아보기 위해서 Table 2에 제시한 충주호의 대청호의 총인자료를 MINTEQ 모델에 입력하여 계산하고 그 결과로부터 알칼리도, 경도, 용존 인, 총탄산농도등을 구하여 비교하여 보았다. 경도는 Ca²⁺에 의해서만 나타나는 것으로 가정하였다. 충주호의 경 우 경도가 104 mg/L as CaCO₃이므로 Ca²⁺의 일부가 인산 과 결합하여 침전물을 생성하는 것을 가정하여 그보다 조 금 큰 값인 1.08 mM을 초기값으로 하였다. 이때 알칼리도 와 경도의 차이 즉 비탄산경도에 대응하는 농도에 대응하 는 Cl^-를 추가하여 전하균형을 맞추는 것으로 하였다. 대기 중 CO₂의 분압은 default값 0.00038 atm을 사용하였고 Cl^- 의 농도는 일정간격으로 증가하는 것으로 설정하여 sweep 계산을 하였다. 이와 같이 해서 얻은 결과의 한 예를 Table 3에 나타내었다. 여기에서 알칼리도와 경도는 sweep 계산 에서 얻은 결과를 식 (2)와 (5)를 이용하여 산출한 것이다. Table 2에 어두운 바탕으로 표시한 결과가 충주호에 실측 값과 근접한 결과다. 예를 들어 충주호의 경우 총인이 0.024 mg/L로서 0.000774 mM에 해당한다. Table 2에 따르면 충 주호와 유사한 알칼리도와 경도 조건에서 용존 인과 아파 타이트에 함유된 인성분 농도의 합은 0.000773 mM로서 인의 거의 대부분이 아파타이트형태로 침전되는 것을 알 수 있다. 또 한가지 주목할 만한 것은 이론적 계산에 의하 면 경도가 비교적 높은 충주호에서도 Ca₃(PO₄)₂ 형태의 침 전물은 형성되지 않는다는 것이다. 대청호의 경우에 대한 결과는 생략하였지만 충주호와 마찬가지로 현장실측자료와 잘 부합하는 결과를 얻었다.

Table 3의 내용 중 알칼리도 변화에 따른 총탄산(C_T)과 용존인의 농도를 그림으로 표현한 것이 Fig. 4와 5다. 알칼 리도가 증가하면 총탄산은 증가하고 용존인은 감소하는 것 으로 나타났다. 이 두 가지 서로 다른 경향은 매우 중요한 의미를 가진다. Fig. 2에서 알칼리도가 증가함에 따라 chlorophyll-α의 농도가 포물선을 따라 변하는 것으로 나타 났는데 이는 알칼리도의 변화에 따른 총탄산과 용존인의 변화경향이 상반되는 데 기인하는 것으로 설명할 수 있다. 즉 조류가 생장하기 위해서는 탄산가스와 용존인이 필요하 다. 그런데 알칼리도가 증가하면서 탄산가스의 농도는 증가 하지만 용존인의 농도는 감소하므로 이 서로 다른 두 경향 이 타협하여 극대점을 갖는 포물선이 나타나게 되는 것으 로 이해할 수 있다.

Fig. 4. Total carbonate variations as a function of alkalinity.

Fig. 5. Soluble P variations as a function of alkalinity.

또한 Fig. 1에서 볼 수 있듯이 알칼리도와 경도는 선형관 계에 있다. 그러므로 알칼리도가 증가함에 따라 chlorophyll-α 의 농도가 포물선을 따라 변화(Fig. 2)하듯이 경도가 증가 함에 따라 chlorophyll-α의 농도가 포물선을 따라 변화하는 것(Fig. 3)은 당연한 일이라고 할 수 있다.

경도를 나타내는 주성분인 Ca²⁺ 와 Mg²⁺는 생물체내 생리 작용에도 큰 역할을 하는 것으로 알려져 있다(^{Cotruvo and Bartram, 2009}). Ca²⁺의 경우는 식물의 생장에도 영향을 미 친다(^{Helper, 2005}; ^{Simon, 1978}). 따라서 Ca²⁺은 수체에서 식물의 일종인 조류의 생장과 세포내 생리작용에도 영향을 줄 것이다(^{Pu and Robinson, 1998}; ^{Williamson and Ashley, 1982}). 식물의 광합성반응에서 광에너지를 직접 흡수하는 역할을 하는 chlorophyll-α의 분자식은 C₅₅H₇₂MgN₄O₅로 알 려져 있다(^{McKee, 2003}). 분자식으로부터 알 수 있듯이 조 류는 마그네슘을 필요로 한다. Ca²⁺와 Mg²⁺는 필수영양소 이므로 결핍되면 조류가 잘 자라지 못할 것이다(^{Tucker, 1999}). 그러나 경도가 높으면 Ca²⁺ 농도가 높아지고 이는 식 (8) 반 응에 의해 인을 난용성 인산염 hydroxyapatite로 전환 침전 시켜 생태계에서 격리시킴으로 인이 수생태계에서 재이용 되는 기회를 감소시킬 것이다. 이와 같은 이유로 경도가 증가하면 탄산종의 농도가 증가하여 조류의 생육이 좋아지 지만 경도가 어느 정도 이상이 되어 용존인의 농도가 감소 되어 이 두 가지 서로 다른 경향이 타협하여 경도증가에 따른 chlorophyll-α의 농도는 극대점을 갖는 포물선을 따르 게 된다.