2.1. 연구 대상 지역 및 분석 자료

본 연구대상인 금강유역은 금강 수역, 만경강 수역, 동진 강 수역으로 이루어져 있다(Fig. 1). 금강 유역은 한반도 중 서부에 위치하며, 충청남북도의 약 절반과 전라북도의 대략 1/4정도를 차지하고, 경상남북도 일부와 경기도 일부를 포 함하고 있으며 유역면적으로 볼 때 우리나라에서 3번째에 해당하는 유역이다. 금강수역의 유역면적은 9,912.15 km²이고, 유로연장은 397.79 km이며 만경강 유역은 유역면적 1,601.7 km², 유로연장 98.5 km, 동진강 유역은 유역면적 1,129.3 km², 유로연장 46.0 km이다(^{NIER, 2011}).

Fig. 1. Study area and monitoring stations.

금강 유역 상류(대청댐 상류)는 비교적 수질이 양호한 편 이나 중류부터 대전시를 관통하는 갑천과 청주시를 지나는 미호천이 합류되고 공주, 부여 등의 중소도시 및 농촌지역 에서 발생한 각종 오염물질들을 함유한 지류가 유입되어 금강 본류의 수질을 크게 악화시키고 있다(^{Han et al., 2010}; ^{Kim, 2002}; ^{Yang and Kim, 1990}; ^{You et al., 1999}). 만경강과 동진강 유역은 새만금의 수질에 직접적인 영향을 미치는 유역이다. 만경강 상류 유역은 수질이 양호한 편이 나, 미처리된 축산폐수로 오염된 익산천 유입 후 하류로 갈수록 수질이 악화되는 경향을 보인다. 동진강 유역은 만 경강보다는 양호한 수질을 보이고 있으며, 상류의 수질은 양호하나 정읍시와 신태인읍을 통과하며 생활하수 및 공장 폐수로 오염된 정읍천의 유입으로 하류 수질이 악화되고 있다(^{Lee et al., 2004}; ^{Oh et al., 2004}).

수질오염총량제에서 금강수계는 금강유역 22개 단위유역과 만경강과 동진강 유역 10개 단위유역 등 총 32개의 단위유역 으로 구성되며, 각 유역은 서로 다른 독립적인 배수구역이다.

수질자료를 분석하기 위하여 2004년부터 2012년까지 환경 부 수질총량측정망에서 8일 간격으로 측정하고 있는 자료를 수집하였으며, 이 중 1단계 수질오염 총량제의 대상물질인 BOD 농도에 대해서 분석을 시행하였다. 분석 대상 지점은 금강유역의 단위유역말단에 위치하는 수질총량측정망 전체 22개소와 만경강·동진강 유역의 수질총량측정망 중 만경C 와 동진B를 제외한 8개 지점을 대상으로 하였다(Fig. 1).

2.2. 통계분석 방법

금강 수계 수질의 변화 경향을 정량적으로 분석하기 위 하여 계절 맨-켄달 검정법(Seasonal Mann-Kendall test)을 적용하였다. 계절 맨-켄달 검정법은 관측치들간의 상관 측 정치를 통해 경향을 분석하는 비모수 통계방법으로 사용자 가 정의한 각 계절에 대해 켄달 검정을 독립적으로 시행한 후, 각 결과들의 가중합을 구하여 하나의 경향분석 결과를 도출해냄으로써 계절성을 배제하는 분석법이다(^{Hirsch et al., 1982}). 계절 맨-켄달 검정법에서 상관계수인 Kendall’s tau를 구하여 그 유의성을 검증함으로써 경향성의 유무를 파악하고, 이에 수반되는 계절 켄달 기울기 통계량(Seasonal Kendall Slope estimator)을 구하여 경향의 정도를 판단할 수 있다(^{Gilbert, 1987}; ^{Helsel and Hirsch 1992}; ^{Lee and Park, 2009}).

본 연구에서는 월별로 계절을 구분하였고, 2004년~2010 년까지 8일 간격 BOD 농도 자료에 대해서 월별로 중간값 을 구하여 계절 맨-켄달 검정법을 적용하였으며, SPSS 17.0 통계 패키지를 이용하여 5% 유의수준으로 양측검정 을 수행하였다. 또한 계절 켄달 기울기 통계량을 구하여 변화의 크기를 분석하였다.

계절 맨-켄달 검정법은 연구대상 기간 동안의 선형 경향 을 기본 가정으로 하기 때문에 특정기간 내에 변화하는 경 향성을 파악하기 어렵다(^{Lee and park, 2008}, ²⁰⁰⁹) 따라서 장기간 수질 변화의 경향성과 더불어 단기간 변화하는 수 질 변화의 경향성을 파악하기 위해 LOWESS 기법을 함께 적용하였다. LOWESS는 1차 또는 2차의 특정 회귀모델을 가정하지 않고 이동직선에 대한 데이터 점들을 통해 회귀 모델을 적합시키는 방법으로 특정기간 내 변화하는 경향성 을 파악할 수 있으며 평활상수는 f =0.5로 수행하였다(^{Cleveland, 1979}; ^{Cleveland and Devlin, 1988}; ^{Hirsch et al, 1982}).

3.1. 단위유역별 BOD 농도 변화 경향성 분석

금강수계에서 1단계 수질오염총량제 기간인 2004년부터 2010년까지 7년 동안의 BOD 농도에 대한 경향 분석을 계 절 맨-켄달 검정법과 LOWESS 분석을 이용해 실시하였으 며 그 결과는 다음과 같다(Table 1, Fig. 2, Fig. 4, Fig. 5). 계절 맨-켄달 검정결과에서 Z value는 관측치간의 차이를 통해 구해진 켄달 통계치에 대하여 표준정규분포화한 표준 정규변량이고 Z를 기초로 구해진 p값을 이용하여 경향성이 통계적으로 유의한지(95% 신뢰수준에서) 판단하게 되며, 결과로 나타난 경향성분석 결과를 up, down, no trend로 구 분하여 제시하였다. Slope는 계절 켄달 기울기 통계량을 계 산한 것으로 변화의 크기를 의미한다.

Fig. 2. Results of trend analysis of BOD in Geum River mainstream.

Fig. 4. Results of trend analysis of BOD in Geum River tributaries.

Fig. 5. Results of trend analysis of BOD in Mangyung and Dongjin River.

금강 본류의 경우 12개 단위유역 중 금본 D, 금본 F, 금 본 G, 금본 H, 금본 L 등 5개 단위유역에서 95% 신뢰수 준으로 유의한 변화경향이 발견되었다.

금강 본류 중 상류에 해당하는 금본 A, 금본 B, 금본 C, 금본 E에서는 2004년부터 2006년경까지는 농도가 감소하 였으나 2007년경부터 증가하여 그 효과가 상쇄됨에 따라 경향성이 없는 것으로 나타났다(Table 1, Fig. 2(a),(b),(c),(e)). 그러나 이들 지점은 BOD 농도가 높지 않으며 2004년~2005 년을 제외한 기간에서 대부분이 목표수질 이하로 유지되었다. 반면 금본 D와 금본 F는 기울기가 각각 0.041 mgL^-1y^-1 과 0.025 mgL^-1y^-1 로 증가 경향을 보였는데 ^{Park et al. (2012)} 이 제시한 바와 같이 단위유역내 오염원 증가에 의한 것으 로 판단된다(Table 1, Fig. 2(d),(f)).

대청댐 하류에 위치하는 금본 G, 금본 H, 금본 L에서는 기울기가 각각 -0.150 mgL^-1y^-1, -0.181 mgL^-1y^-1, -0.150 mgL^-1y^-1 으로 감소하는 경향을 보였다. 상류(금본 F)에서의 수질이 증가경향이 있는데 비하여 금본 G에서 감소하는 이유는 갑천 A에서 수질이 지속적으로 감소했기 때문으로 판단된다(Table 1, Fig. 2(g)). 금본 H에서 감소경향이 나타 난 것은 상류(금본 G)와 미호천으로부터의 유입농도 감소 로 인한 영향도 있으며, 해당 단위유역에서의 배출부하량에 도 감소가 있는 것으로 보아(^{NIER, 2011}) 이로 인한 영향 도 포함된 것으로 판단된다(Table 1, Fig. 2(h)). 금본 L의 경우 LOWESS 분석결과 초기에 감소했다가 중반기에 약간 증가하는 상류(금본K)와 달리 꾸준한 감소가 이루어져 맨- 켄달 분석결과도 감소경향을 나타냈다. 금본 I, 금본 J, 금 본 K의 경우 2008년경의 농도 증가로 인해 변화 경향이 없는 것으로 분석되었으나, LOWESS 그래프를 보면 2009 년 이후 농도가 감소하는 것으로 나타났다(Table 1, Fig. 2(i),(j),(k)). 이는 해당 단위유역 면적이 상류 단위유역(금본 G, 금본 H)보다 넓으며 갑천, 미호천으로부터 상대적으로 떨어져 있어 이들 지류에서의 농도감소 영향을 적게 받았 기 때문으로 판단된다. 또한 이들 지점들은 조류 성장이 잘 일어나는 곳으로 내부생산의 영향으로 인해 금본 G 및 금본 H와 같은 정도의 감소효과는 나타나지 않은 것으로 판단된다(^{Shin et al., 2012}).

금강본류에서의 시·공간적인 농도 분포특성을 파악하기 위해 단위유역별 LOWESS 결과를 상류부터 하류까지 나열 하여 Fig. 3에 제시하였다. 분석 결과 금강수계 본류는 갑 천 유입 이후의 금본 G와 미호천 유입 이후의 금본 H부터 농도가 크게 상승하는 것을 볼 수 있어 이들 유역을 농도 상승 유발 유역으로 판단할 수 있다. 그러나 금본 G 이하 유역에서 후반기에 전반적으로 농도가 감소하는 경향을 보 이므로 총량제 시행에 따른 수질 개선효과도 나타난 것으 로 판단된다.

Fig. 3. Temporal-spatial map of BOD in Geum River mainstream.

금강유역 지류에 위치하는 10개의 단위유역 중 갑천 A, 미호 B, 미호 C, 병천 A, 무심 A의 5개 유역에서 유의한 감소 경향이 관찰되었다. 특히 갑천 A와 미호 B, 미호 C는 초기부터 꾸준히 농도가 감소하며 각각의 감소율은 -0.400 mgL^-1y^-1, -0.381 mgL^-1y^-1, -0.318 mgL^-1y^-1로 나타났다(Table 1, Fig. 4(d),(f),(g)). 금강 상류에 유입되는 초강 A, 보청 A 그 리고 유등 A에서는 총량제 시행기 초반과 2009년 이후 농 도가 감소하는 것으로 보이나 중간에 농도가 증가되는 기 간이 있어 전반적인 경향성은 없는 것으로 나타났으며, 미 호 A와 논산 A 역시 증가와 감소 구간이 반복되어 경향성 이 없는 것으로 나타났다(Table 1, Fig. 4(a),(b),(c),(e),(j)).

만경강 유역에 위치하는 만경 A와 만경 B에서는 2009년 중반기 이후로 농도가 감소하는 경향을 보이기는 하지만 전 기간 경향성 분석결과, 각각 0.050 mgL^-1y^-1과 0.456 mgL^-1y^-1의 기울기로 증가경향을 보였다(Table 1, Fig. 5(a),(b)). 만경 A는 유역내 배출부하량이 증가하여 2009년 중반기 이전까지 농도가 상승하였기 때문이며, 만경 B는 전주 A에서의 농도감소 기간 동안에도 농도가 증가한 것 으로 보아 전주천 유입의 영향 보다는 만경 B유역 내에 위 치하는 익산천을 비롯한 다른 오염원들에 의한 영향인 것 으로 판단된다(^{NIER, 2011}). 만경강 유입 지류인 전주 A와 탑천 A는 농도 증감이 반복되어 경향성이 없는 것으로 나 타났다(Table 1, Fig. 5(c),(d)). 동진강 유역의 경우 정읍 A 가 거의 전 기간 내 꾸준한 농도 감소가 이루어졌으며, 고 부 A는 2007년~2008년을 제외하고 전 기간에서 농도 감소 가 크게 이루어져 각각 -0.183 mgL^-1y^-1과 -0.400 mgL^-1y^-1 의 기울기로 감소경향을 보였다 (Table 1, Fig. 5(f),(i)).

계절 맨-켄달 검정결과 1단계 수질오염총량제 기간 동안 금강수계 전체 단위유역중 농도 변화가 일어난 곳은 14개 지점이었으며, 각 지점에 대한 변화율을 도시하여 서로 비 교하였다(Fig. 6). 금강 수계에서 농도 감소폭이 가장 큰 단 위유역은 고부 A와 갑천 A로 나타났으며, 무심 A의 감소 폭이 가장 작은 것으로 나타났다. 만경강 본류에 위치하는 만경 B에서 농도 변화가 가장 크게 일어났으며 가장 큰 증 가폭을 보였다.

Fig. 6. Comparison of trend slopes at each unit watershed in which changes of BOD concentrations are statistically significant.

3.2. 수질오염총량제 시행지역 분류에 따른 수질개선 효과 분석

1단계 수질오염총량제기간 동안 수질변화 경향의 공간적 분포를 분석하기 위해서 앞선 계절 맨-켄달 검정법에 따른 분석결과를 금강수계의 유역도와 함께 Fig. 7에 제시하였 다. 유역도에 금강 수계의 주요 하천과 수질오염총량제 단 위유역경계를 표시하였고, 각 단위유역은 시행계획 지역과 수질개선계획 지역으로 구분하였다.

Fig. 7. Results of Seasonal Mann-Kendall trend of BOD concentrations in Geum, Mangyung and Dongjin River.

금강수계의 경우 대청댐 상류는 모두 수질개선계획 지역 으로 이루어져 있는데, 2개 단위유역에서 증가 경향을, 나 머지 유역은 무변화 경향을 보였다. 대청댐 하류에서는 미 호천 유역, 갑천 유역과 주변 본류의 단위유역(금본 G, 금 본 H)에서 감소 경향이 관찰되었고, 미호천과 갑천의 상류 에 해당하는 수질개선계획 지역에서는 변화 경향이 없는 것으로 나타났다. 금강수계 나머지 단위유역 중 시행계획 지역인 금본 I, 금본 J, 금본 K, 논산 A는 수질변화가 없는 것으로 나타났으며, 수질개선계획 지역인 금본 L은 감소 추세를 보였다. 만경강 유역은 농도가 감소된 유역이 없었 으며 오히려 농도가 증가된 유역이 2개나 존재한다. 더구 나 만경 B는 가장 높은 증가율을 보여 엄격한 수질관리가 필요한 것으로 판단된다. 동진강 유역은 동진 B를 제외한 전체가 시행계획 지역으로 구성되어 있으며 유입 지류인 고부 A와 정읍 A에서 농도감소 경향을 보였으나 나머지 유역은 변화가 없는 것으로 나타났다.

시행조건에 따른 수질오염총량제의 효과를 분석하기 위 해서, 분석 지점의 단위유역이 본류 또는 지류인지, 시행계 획지역 또는 수질개선계획 지역인지 여부에 따라 경향성의 변화를 분석하였다. 이를 위해 각각에 대한 비율을 조사하 였으며 그 결과를 Fig. 8에 제시하였다.

분석결과 각 분석 지점의 단위유역이 지류일 때는 증가 경향이 나타나지 않는 반면에 본류일 때 증가 비율이 27% 로 더 높게 났으며, 본류인지 지류인지에 상관없이 경향성 이 없는 비율은 같게 나타났다(Fig. 8(a),(b)). 상대적으로 감소경향 비율은 지류일 때가 47%로 본류일 때의 20%보 다 더 높았다. 한편 시행계획지역 단위유역은 감소경향이 50%로 수질개선계획 지역의 8%보다 높았으며, 증가경향과 무경향 비율은 각각 6%와 44%로 수질개선계획 지역의 25%, 67%보다 낮았다(Fig. 8(c),(d)). 이를 통해 1단계 시행 기간 동안 본류 보다는 지류 단위유역에서, 그리고 수질개 선 단위유역보다는 시행계획 단위유역에서 수질개선이 더 많이 일어났다고 판단할 수 있다.

Fig. 8. Distribution of the proportion of BOD trend in (a) mainstream, (b) tributaries, (c) water quality improvement plan unit watershed, and (d) implementation plan unit watershed.

위의 분류 조건에 따른 BOD 농도변화 경향성의 비율을 세분화하여 분석하기 위하여 전 지점을 본류이면서 수질개 선계획지역, 본류이면서 시행계획지역, 지류이면서 수질개 선계획지역, 지류이면서 시행계획지역의 4가지 조건으로 나 누어 각 조건에서의 경향성 비율을 비교하였다(Fig. 9).

Fig. 9. Distribution of the proportion of BOD trend (a) mainstream and water quality improvement plan unit watersheds, (b) mainstream and implementation plan unit watersheds, (c) tributaries and water quality improvement plan unit watershed and (d) tributaries and implementation plan unit watershed.

분석 결과 농도감소 경향은 지류이면서 시행계획지역이 64%로 가장 컸으며, 농도증가 경향은 본류이면서 수질개선 계획지역이 50%로 가장 크게 나타났다. 본류이면서 수질개 선계획지역에서 수질이 개선된 비율이 13%이긴 하나 전반 적인 감소경향과 증가경향의 비율로 볼 때 수질개선의 정 도는 지류-시행계획지역 > 본류–시행계획지역 > 지류–수질 개선계획지역 > 본류–수질개선계획지역 순이라고 판단된다.

1단계 수질오염총량제 시행 기간 동안 금강수계에서 BOD농도 감소가 일어난 단위유역은 10개, 증가는 4개, 그 리고 변화가 없는 것으로 나타난 단위유역은 16개로, 33.3%에서 농도감소, 13.3%에서 농도증가, 나머지에서 무 변화경향의 비율로 나타났다. 증가 또는 감소폭을 비교하였 을 때(Fig. 6), 농도 증가가 일어난 단위유역 중 만경 B를 제외한 전 지점(금본 D, 금본 F, 만경 A)에서의 증가폭은 상대적으로 작으며 이들 지점에서는 모두 목표수질을 달성 하고 있으므로 농도증가의 의미가 크지 않다고 볼 수 있다. 또한 변화가 없는 것으로 분석된 유역 중 전주 A를 제외 하고는 시행계획지역에서는 후반기에 농도감소가 이루어지 고 있다(Fig. 2, Fig. 4, Fig. 5).

따라서 BOD를 기준으로 볼 때 1단계 수질오염총량제 기 간 동안 금강수계에서는 전반적으로 수질 개선이 일어났으 며, 이는 수질오염총량제 시행으로 인해 오염원 관리가 영 향을 미쳤기 때문으로 판단된다. 일반적으로 하천에서의 BOD 변화는 유역의 오염원으로부터의 배출부하량 변화와 더불어 유량, 수온, 조류 성장 등의 변화의 영향도 함께 받 으나 장기적인 변화경향성은 수질오염총량제 시행으로 인 한 배출부하량 감소에 의한 영향이 작용하였을 것이라 사 료된다.

또한 수질개선의 효과는 시행계획지역에서 주로 일어났 으며 본류보다는 지류 지점에서 더 많은 비율로 발생했다. 시행계획지역은 매년 이행평가가 이루어져 그렇지 못한 수 질개선계획지역에 비하여 오염원 변동에 대한 신속한 대처 가 이루어진 것이 그 원인이라 판단된다. 수질개선지역은 모두 목표수질을 만족하고 있으므로 수질개선의 필요성은 적다고 할 수 있으나, 하류 시행계획지역에 미치는 영향을 고려할 때 수질이 악화되지는 않는 수준으로 관리할 필요 가 있다고 판단된다. 한편 시행계획지역 중 본류보다 지류 에서 수질개선이 더 일어난 이유는 본류에서는 지류 보다 유량이 많으며 조류 등 내부생산성 증가의 영향을 받기 때 문에 배출부하량 감소로 인한 효과가 지류보다 적게 나타 났기 때문이라고 사료된다.