2.1. 연구 대상 유역

연구 대상 유역은 영산강 수계의 중류로 유입되는 지석A 유역으로 유역면적은 412.5 km², 20개의 소유역으로 구성 되어 있다(Fig. 1). 토지이용도는 임야 69.8%, 논 11.7%, 밭 7.0%를 차지하고 있는 것으로 조사되었다(Table 1).

Fig. 1. Location of Jiseok A watershed in Yeongsan river basin.

2.2. 자료조사 및 수질 특성 분석

수질 및 유량 조사는 3년(2014-2016)간 평균 8일 간격으 로 실시하였으며, 대상유역 말단 지점에서 유량을 측정하고 동시에 수질시료를 채취하였다. 시료 채취와 분석은 수질오 염공정시험기준(^{ME, 2014})에 준하여 실하였으며, 수온(Water Temperature, WT), pH(Hydrogen Ion Exponent), 전기전도도 (Electric Conductivity, EC), 용존산소(Dissolved Oxygen, DO) 는 YSI 650MDS를 이용하여 현장에서 직접 측정하였다.

하천유량은 수문관측 매뉴얼(^{MOLT, 2004})에 준하여 유 속-면적법(Velocity-Area Method)으로 측정하였으며, 그 결 과를 상자 그림(Box-plot)을 이용하여 최대값, 최소값, 중앙 값, 사분편차로 표현하였다. 이러한 분석은 자료의 측정값 들이 어떠한 모양으로 분포되어 있는지 동일 항목의 공간 적 비교와 더불어 다양한 실험 결과를 비교할 때 자주 사 용하는 방법이다(^{Park et al., 2014}).

2.3. 유량 지속곡선(Flow Duration Curve, FDC)

실측된 평균 8일 간격의 유량 자료를 토대로 수위-유량 관계식을 작성하기 위하여 영산강홍수통제소에서 제공하는 능주 관측소의 일평균 수위를 적용하여(^{MOLT, 2017}), 연구 기간에 해당하는 일단위 유량을 산정한 후 하천의 전체적인 유량 조건을 확률적으로 파악하기 위해 연도별로 각각 유량 지속곡선을 작성하였다. 연구 유역의 풍수량, 평수량, 저수 량, 갈수량에 해당하는 확률을 각각 26%, 51%, 75%, 97% 로 적용하였으며, 이와 같은 방법은 ^{Jung et al. (2009)}의 연 구에서 보고된 바 있으며, Eq. (1)은 유량 배열순을 백분율 로 나타내는 식이다.

2.4. 유량-부하량 관계식(Streamflow-Load Rating Curve, QLRC)

하천 유량에 따른 수질의 변동을 파악하기 위해 비교적 간 단한 거듭제곱 회귀식 Eq. (2)를 이용하였다. 하천 유량과 부 하량은 경험적으로 Eq. (2)의 관계를 가지며, 이를 변환하면 Eq. (3)이 된다. 계수 b의 값이 1보다 크면 유량증가와 함께 농도의 증가, b가 1이면 농도변화가 없는 것으로 보며, b가 1보다 작으면 유량증가에 따른 농도의 감소로 해석할 수 있 다.(^{Kim et al., 2001}; ^{Lee et al., 2007}).

여기서, L은 유달 부하량(kg/day), Q는 하천 유량(m³/day), a 와 b는 계수이다.

2.5. 부하지속곡선(Load Duration Curve, LDC)

연도별로 유량 지속곡선이 작성되고 나면, 3년간의 유량 자료를 고유량에서 저유량으로 한번 더 내림차순으로 정렬 한 후에 목표수질을 곱하여 유량을 부하량으로 전환함으로 써 3년간의 기준 부하지속곡선(Standard LDC)을 작성할 수 있다. 또한 하천 유량과 부하량 관계식에 의해 산정된 일단위의 유달 부하량과 실측된 8일 간격의 유달 부하량을 이용하여 각각 부하지속곡선 위에 도식함으로써 해당 유역의 목표수질 달성 여부에 대한 평가가 가능하게 된다. 본 연구에 서는 ^{Cleland (2003)}이 제안한 초과유량 확률에서 0 ~ 10%는 홍수구간(High-flow), 10 ~ 40%는 풍수구간(Moist-conditions), 40 ~ 60%는 평수구간(Mid-range-flow), 60~90%는 저수조건 (Dry-conditions), 90 ~ 100%는 갈수구간(Low-flow)으로 구분 하여 해석하였으며, 부하지속곡선은 일유량 자료와 수질 기 준 자료를 이용하여 Eq. (4)에 의해 작성한다.

2.6. 시계열부하곡선(Time Series Load Curve, TSLC)

시계열부하곡선의 작성 절차는 수위-유량 관계식에 의해 산정된 각각의 연도별 일유량 자료(365일)에 기준 수질을 곱 하고, 계절에 따른 초과 유량 확률을 봄(3~5월), 여름(6 ~ 8 월), 가을(9 ~ 11월), 겨울(1 ~ 2월, 12월)로 구분하여 시계열부 하곡선을 작성할 수 있다. 또한 여기에 실측된 8일 간격의 유달 부하량을 도식함으로써 해당 유역의 계절별 기준 수질 의 달성도에 대한 개략적인 평가가 가능하게 된다. 이러한 방법은 부하지속곡선의 각각의 유량 조건에 섞여있는 다양 한 시점(실측자료)을 실제 우리가 사용하는 달력과 같은 시 점으로 볼 수 있게 되기 때문에 누구나 쉽게 초과 빈도를 구분할 수 있게 된다. 또한 기준 수질의 달성도 평가는 도 식된 실측부하량의 초과율이 50% 이하이면 준수한 것으로 평가하였다.

2.7. 주성분 및 요인분석

주성분분석(Principal Component Analysis)은 통계기법 중 에서도 가장 기본이 되는 분석방법으로 변수 간 정보의 손 실 없이 요약 표현이 가능하며, 자료를 간단히 하여 추후 에 추가적인 다른 통계적 절차를 적용하기 위한 사전분석 단계로 볼 수 있다(^{Kim et al., 2007}). 또한 요인분석(Factor Analysis)의 경우 변수들 간에 상관관계가 높은 변수들이 가지고 있는 공통성을 중심으로 하나의 동질적인 요인으로 묶어주는 방법이다(^{Jung et al., 2013}). 본 연구에서는 시계 열부하곡선에서 초과된 계절별 실측자료에 대해서 공동으 로 관리되어야 할 대상 수질항목을 분류하기 위해 통계분 석 프로그램인 SPSS(ver. 18.0)를 이용하였다.

3.1. 강수 특성

지석A 유역의 강수량 자료는 광주지방기상청에서 관측된 자료를 이용하였으며(^{KMA, 2017}), 연구기간(2014 ~ 2016)에 해당하는 강수량 자료와 30년 평균(1982 ~ 2013) 자료를 Fig. 2에 나타내었다. 연구기간 동안의 연간 총 강수량은 2014년 1,288.8 mm, 2015년 1,100.1 mm, 2016년 1,482.3 mm였으며, 30년 평균 총 강수량은 1,392.6 mm로 관측되었다. 30년 평균 총 강수량과 비교해 보면 2016년 총 강수량은 89.7 mm 증가 하였고, 2014년과 2015년은 각각 103.8 mm와 292.5 mm 감 소한 것으로 나타났다.

Fig. 2. Characteristics of monthly precipitation in the Jiseok A watershed.

한편 풍수기(6 ~ 8월)에 해당하는 연도별 월평균 최대 강수 량 분포는 7월과 8월에 나타났으며, 2014년은 8월에 370.2 mm, 2015년과 2016년은 7월에 각각 164.3 mm와 301.3 mm 로서 연중 가장 큰 강우강도를 나타내어 유역의 유출에 큰 영향을 줄 것으로 보인다. 반면 강수량 분포가 가장 적은 시 기는 2014년과 2015년은 2월에 각각 8.6 mm와 23.9 mm, 2016년은 11월에 31.5 mm를 나타내어 유역의 유출에 적은 영향을 줄 것으로 판단된다.

3.2. 수질 특성

연구 유역의 수질 특성을 알아보기 위해서 Box plot을 이 용한 조사 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 전체 기간에 대한 수질 농도는 유기물에 대한 오염도를 나타내는 지표인 BOD 의 월별 추이의 경우 1월부터 6월까지 증가하다가 강수량이 집중되는 7월부터 9월까지 급격히 감소하는 것으로 나타났 으며, 전 기간의 농도 범위는 0.6~6.0 mg/L, 평균 2.6 mg/L 로 하천 생활환경기준 II등급(약간 좋음)에 해당한다. 난분해 성 유기물 지표인 COD의 경우 BOD와 유사한 추이를 보였 으나 6월에 급격히 증가하는 것을 볼 수 있는데, 이는 6월 의 유량이 낮게 조사된 것으로 볼 때 유출의 영향보다는 특 정 배출시설에 의한 점오염원의 영향일 것으로 판단되며, 농 도 범위는 2.7~11.1 mg/L, 평균 5.1 mg/L로 III등급(보통)에 해당한다. 수중의 유기물 성분의 총량을 정량적으로 측정하 는 지표인 TOC의 경우 월별 추이는 COD와 유사하였으며, 농도 범위가 1.0~7.8 mg/L, 평균 3.9 mg/L로 II등급(약간 좋 음)에 해당한다.

Fig. 3. Box plot of major water quality parameters in Jiseok A watershed.

다양한 오염물질과 연관되어 있는 SS의 경우 4월에 가장 높은 추이를 보였으며 해당 월의 평균 강수량이 131.0 mm로 기록되어, 봄에 오는 초기 강우의 영향으로 대부분 토양에서 발생되어 높게 나타난 것으로 볼 수 있으며(^{Oh et al., 2009}), 농도 범위는 1.5~24.5 mg/L, 평균 7.9 mg/L로 조사되었다. 또한 T-N의 농도 범위는 1.29 ~ 8.46 mg/L이며, 평균 2.91 mg/L로 조사되었으며, T-P의 경우 0.051 ~ 0.510 mg/L, 평균 0.127 mg/L로 III등급(보통)에 해당한다. 유량의 경우 0.530 ~ 78.661 m³/sec, 평균 3.725 m³/sec로 조사되었다. 유량과 T-P 의 추이에서 T-P의 경우 강우에 의한 유출은 미미 한 것으로 볼 수 있다. T-N의 경우 1월과 2월에 높은 농도를 나타내는 데 이는 낮은 온도에 의한 탈질작용의 감소와 함께 2월 중순 이후에는 하천변과 하상에 축적되어 있던 질소가 융설이 일 어나면서 유출이 발생되어 높은 농도를 나타낸 것으로 볼 수 있다(^{Kim et al., 2003}). 그 밖에 수온과 용존산소 그리고 pH 의 경우 계절변화에 의한 추이를 보였으며, 전기전도도의 경 우 수량이 줄어드는 시기에는 높아지고 우기인 여름철에는 수량이 증가함에 따라 대부분 낮아지는 것으로 알려져 있으 며(^{Park, 2015}), 본 연구 지점에서도 유사한 추이를 보였다. 유량은 강수량에 따라 변동이 있었으며, 강우강도가 가장 크 게 기록된 8월에 가장 높은 추이를 보였다.

3.3. 유량 지속곡선 작성 결과

실측된 8일 간격의 유량자료를 일유량으로 확장하기 위하 여 수위-유량 관계식을 작성하였다. 관계식에 사용된 자료는 14년부터 16년의 매월 평균 3 ~ 4회의 유량과 영산강홍수통 제소의 능주수위국에서 실시간으로 제공받은 수위 자료를 이용하여 3년간의 관계식을 개발하였다(Table 2). 또한 연구 지점은 능주 수위국과 동일한 곳에서 측정되고 능주 수위국 에 설치된 목자판 수위표를 활용하기 때문에 관계 곡선식 개발에 있어서 최적의 연구 지점으로 설정할 수 있었다. 그 러나 하상 변화와 이에 따른 주기적인 하상 측정에 대한 자 료 부족으로 단일한 수위-유량 관계식이 사용된 한계점은 고려되어야 할 것이다.

산정된 3년간의 일 단위 유량을 이용하여 최대유량에서 최 소유량 순으로 데이터를 배열하고 초과하는 일수를 백분율로 계산하여 연도별로 각각 유량 지속곡선을 작성하였으며(Fig. 4), 그 결과를 바탕으로 해당 유역의 유출 특성을 파악하기 위해 산정된 유황별 유량의 결과를 Table 3에 제시하였다.

Fig. 4. Flow duration curve at the Jiseok A watershed. (a) 2014, (b) 2015, (c) 2016.

3.4. 유량-부하량 관계식 작성 결과

연구 지점의 유량(Discharge)과 부하량(Load)의 관계로부 터 BOD와 T-P의 유출 특성을 나타내었다(Fig. 5). 관계식 의 결정 계수(Coefficient of Determination, R²)가 모두 0.7 이상으로 나타나 하천유량과 해당 수질의 부하량에 대한 관계가 높은 것으로 판단할 수 있으며, ^{Park et al. (2012)} 의 연구에서도 유량-부하량 관계식에서 결정 계수가 0.7 이 상이면 상관성이 높다고 보고한 바 있다.

Fig. 5. Relationship between discharge and pollutants load at Jiseok A watershed. (a) BOD, (b) T-P.

작성 결과에서 BOD와 T-P의 유량 지수가 각각 0.73과 0.83으로 1보다 작게 나타나 유량 증가에 따른 농도의 증 가 현상은 보이지 않고, 오히려 농도가 감소하는 것으로 나타났다. 또한 점오염원 지표인 BOD에서 유량 지수가 더 낮은 것으로 나타났으며, 이는 평상시 점오염원에 의해 오 염되어 있는 하천에 유량이 증가할 때 비점오염원의 유입 영향보다 유량 증가에 따른 희석 영향이 더 크게 반영된 결과이며, 연구 유역은 점오염원의 영향이 크다고 할 수 있다.(^{Choi et al. 2012}; ^{Jang et al. 2010}).

3.5. 부하지속곡선 작성 결과

연구 대상 유역의 부하지속곡선을 작성하기 위한 기준 수질은 수질오염 총량관리 기본계획 3단계에서 기준유량(10 년 평균 저수량) 조건에서 BOD는 목표수질을 2.7 mg/L, T-P의 경우(10년 평균 저수량 및 평수량) 조건에서 목표수 질을 0.162 mg/L로 설정하여 관리하고 있으며(^{Jeollanam-do, 2015}), 이에 대한 부하지속곡선을 작성한 결과를 Fig. 6과 Table 4에 나타내었다. BOD(8일 간격)의 전체 초과 유량 확률에서 초과율이 37.2%로 나타나 기준 수질을 준수한 것으 로 볼 수 있다. 그러나 유량 조건별로 분석해 보면 High-flow 의 경우 10개의 실측자료 중 8개는 준수하고 2개는 초과하 여 초과율이 20.0%에 해당하며, Moist-conditions는 초과율이 16.3%, Mid-range-flow는 57.1%, Dry-conditions은 42.0% 그리고 Low-flow는 69.2%로 평가되었으며, Mid-range-flow와 Low-flow 에서 구간별 기준을 초과한 것으로 볼 수 있다. T-P(8일 간격) 의 경우 전체 조건에서 초과율이 20.4%로 기준 수질을 준수한 것으로 볼 수 있으며, High-flow에서 초과율이 20.0%, Moistconditions는 4.9%, Mid-range-flow는 23.8%, Dry-conditions 은 28.0% 그리고 Low-flow는 38.5%로 평가되어 구간별 기 준도 모두 준수한 것으로 볼 수 있다.

Fig. 6. Load duration curve at the Jiseok A watershed. (a) BOD, (b) T-P.

유량-부하량 관계식에 의해 산정된 1일 간격 부하량의 평가에서는 BOD의 경우 Dry-conditions와 Low-flow에서 각각 48.5%와 100%의 초과를 보였으며, T-P의 경우 Lowflow에서 2.7% 초과하는 것으로 나타났다. 이에 지석A 유 역을 체계적으로 관리하기 위해서는 ^{U. S. EPA (2006)}에서 제시한 최적관리기법(Best Management Practices, BMPs)에 따라 High-flow 및 Moist conditions에서 초과율을 보이는 경우 하안 침식, 농경지에서 발생되는 유출수를 비롯하여 토양 유실에 대한 비점오염원 관리가 필요하며, Moist conditions 및 Mid-range flow에서 초과할 경우 수변림 조 성, 불투수 지역에 해당하면 유출수 관리 등이 필요하고, Dry conditions 및 Low flow의 유량이 저하되는 시기에 초 과하는 경우 환경기초시설 등 점오염원에 대한 관리가 집 중적으로 이루어져야 한다. 또한 이러한 방법들을 사계절이 뚜렷한 우리나라 시계열 추세에 맞게 부하지속곡선을 작성 하여 계절별 추세에 따라 BMPs를 적용한다면 좀 더 세부 적인 관리가 이루어질 것으로 사료된다.

3.6. 시계열 부하곡선 작성 결과

부하지속곡선에 나타낸 3년간의 자료를 연도별로 구분하 고 계절별로 나타낸 시계열 부하곡선의 결과를 Fig. 7과 Table 5에 나타내었다. BOD와 T-P의 전체 초과 유량 확률 에서 초과율이 각각 37.2%와 20.4%로 부하지속곡선의 결과 와 같이 기준 수질을 준수한 것으로 볼 수 있다. 그러나 계 절별로 분석해 보면 BOD의 경우 3년간 봄에서 실측된 39 개의 자료 중 16개는 준수하고 23개는 초과하여 초과율이 59.0%에 해당하므로 봄은 기준을 초과하는 것으로 나타났 다. 여름의 경우 초과율이 40.5%, 가을은 14.7% 그리고 겨 울은 29.6%로 평가되어 준수하는 것으로 볼 수 있으며, 초 과 기여율에 따른 계절적 영향은 봄 > 여름 > 겨울 > 가을 의 순서로 연구 유역에 영향을 주는 것으로 나타났다. 반면 T-P의 경우 봄에서 초과율이 30.8%, 여름은 27.0%, 가을과 겨울은 각각 14.7%와 3.7%로 평가되어 모든 계절에서 기준 을 준수하는 것으로 볼 수 있으며, 초과 기여율에 따른 계 절적 영향은 봄 > 여름 > 가을 > 겨울의 순서로 나타났다.

Fig. 7. Time series load curve at the Jiseok A watershed. (a) 2014, (b) 2015, (c) 2016.

한편 강수량의 영향을 알아보기 위해서 간단한 방법으로 각각의 연강수량과 초과율을 비교해 보면 다음과 같다. 앞 서 Fig. 2에 나타낸 강수량의 경우 2015년의 강수량이 1,100.1 mm로 가장 낮게 관측되었으며, 2014년은 1,288.8 mm, 2016 년은 1,482.3 mm의 순의로 크게 관측되었다. 이에 BOD와 T-P에 대한 초과율의 경우 강수량에 반비례하는 2015년 > 2014년 > 2016년의 순서로 초과 비율이 높은 것을 알 수 있었다. 강우 조건에 따라 해석이 달라질 수 있으나, 본 저 자는 설정된 시계열 부하곡선에 초점을 맞추어 수체 손상 정도를 해석해 보면 전반적으로 오염원이 집중되는 시기인 봄과 여름에 대한 일정량의 강수량은 수체 손상을 악화시 키지만 강우 강도가 커질수록 추가되는 오염보다는 희석 효과에 대한 영향력이 크게 발휘되는 것으로 판단하였다. 또한 상대적으로 오염원 유입이 낮을 것으로 예상되는 가 을과 겨울에는 일정량의 강수량이 수체 손상을 저감시키는 것으로 해석하였다.

3.7. 주성분 및 요인분석 결과

시계열 부하곡선에서 기준 수질을 초과하는 수질과 유량 자료에 대해서 계절별로 구분하여 주성분과 요인을 분석하 였다. 주성분의 수를 결정하기 위해서 고유치(Eigen Value) 1 이상인 성분 축만을 고려하였으며, 이는 하나의 요인이 변수 1개 이상의 분산을 설명하기 위한 기준이 되는 것이 다. 또한 요인과 변량과의 관계를 명확하게 하기 위해서 직 각 회전 방식인 Varimax 방식을 적용하여 Fig. 8과 Table 6 에 나타내었다.

Fig. 8. Scree plot of total sampling stations (a) Spring, (b) Summer, (c) Autumn, (d) Winter.

그 결과 봄과 여름은 4개의 주성분이 추출되었고, 고유치 1 이상의 분산결과에 따른 봄의 누적 기여율은 86.3%, 여 름은 82.5%를 설명해 주고 있다. 가을과 겨울은 3개의 주 성분이 추출되었으며, 각각 86.7%와 90.4%의 수질 변동을 설명해 주는 것으로 나타났다. 계절별 수질의 제1요인은 사계절에서 공통적으로 유기물 지표인 BOD, COD, TOC로 분류되고, 여기에 T-N, T-P, EC, SS가 계절별로 추가되어 바뀌는 것을 알 수 있었다. 특히 여름에서 저유량 시점인 겨울로 갈수록 1요인의 기여율이 높아지는 것에 관심을 두 어야 할 것이다. 반면 제2요인은 전반적으로 유량과 WT, SS로 분류되어 유량 증가에 따른 수온 감소와 더불어 토사 가 하천으로 유입되는 것을 알 수 있었다. 기존의 연구들 에 의하면 임야의 토지이용 점유율이 낮고 논과 밭의 점유 율이 상대적으로 클 때 T-P의 경우 토양 입자와 결합되어 평소 유출이 일어나지 않지만 강우 시 토양입자의 이탈과 함께 수계로 다량 유출된다고 보고되어 점오염원보다는 비 점오염원의 영향이 크다는 것으로 해석되어 왔으며, 이러한 영향은 해당 지역의 토지이용 점유율과 깊은 관계가 있다 는 것을 알 수 있었다(^{Jung et al., 2012}; ^{Park et al., 2012}, ^{Park et al., 2014}).

본 연구 지점은 유량 증가에 따른 토사 유출과 함께 T-P 의 영향은 미미한 것으로 나타났으며, 지석A 유역의 토지 이용 점유율의 경우 유역면적의 약 70%가 임야에 해당하 며, 논과 밭의 점유율은 각각 11.7%와 7.0%로 산림형 하천 으로 볼 수 있다. 즉, 강우 유출에 의해서 발생되는 오염물 질을 산림에서 대부분 막아주는 역할을 하고 영양염류를 식물과 토양에서 흡수하여 수질을 정화시키는 것으로 볼 수 있다(^{Baker, 2003}; ^{Ngoye and Machiwa, 2004}). 또한 임 야에서는 토사를 제외하고 오염원의 영향이 미미하기 때문 에 평상시 점오염원에 의해 높은 농도를 유지하다가 유량 증가에 따른 농도 증가가 아닌 희석효과를 나타낸 것으로 해석할 수 있다(^{Park, Jung et al., 2013}). 하지만 가을에 T-P와 SS가 1요인에 함께 분류되었는데 이는 유출에 의한 영향이 아닌 하천 정비와 같은 인위적 오염원의 영향으로 해석할 수 있다. 또한 T-N의 경우 2요인에서 유량과 함께 음의 상관관계를 높게 나타내고 있는 것을 볼 수 있는데, ^{Kim et al. (2004)}에 의하면 T-N의 경우 기저 유출에 의한 영향을 받아 비강우 시에 높은 농도를 보이게 되며 비교적 강우 시에는 영향이 미미한 것으로 해석하였다.

지석A 유역은 비점오염원의 영향을 받지만 점오염원의 영향이 크므로 상대적으로 그 영향이 미미하다고 할 수 있 으며, 자연현상에 의한 영향 보다는 인위적 오염 발생에 의한 영향이 더 클 것으로 판단되며, 이러한 영향은 하천 유지 용량 을 늘리거나 배출시설의 방류수 수질 기준을 강화시킨다면 점 오염원에 의한 수체 손상을 저감할 수 있을 것으로 사료된다.