3.1. 한강권역 유역 특성

한강권역을 남한강 유역, 북한강 유역 및 한강하류 유역 으로 구분하여 토지이용 현황을 살펴보았다. 남한강 유역에 경안천 유역과 팔당댐 유역을 포함하였으며 한강하류 유역 에는 팔당댐 하류부터 한강고양 유역까지 대상으로 하였다. 유역별 면적은 남한강이 13,012 km², 북한강 10,744 km², 한강하류 2,385 km²이며 토지이용 현황은 Fig. 2와 같이 남 한강 유역은 산림이 78.3 %이고 논과 밭이 15.5 %, 시가지 는 1.6 % 정도이다. 북한강 유역은 산림이 87.0 %, 논과 밭 이 9.4 %, 시가지가 0.8 %를 차지하여 산림의 비율이 가장 높다. 한강하류 유역은 산림이 41.3 %이고 논과 밭이 17.6 %, 시가지가 27.1 %로 시가지의 비율이 상대적으로 매우 높다. 특히 Fig. 3과 같이 한강하류 유역 중 영등포 지점까 지 시가지의 면적은 486.4 km²로 전체 면적의 31.6 %를 차 지한다. 따라서 한강하류는 면적당 인구밀도가 높고 서울특 별시를 중심으로 수도권 밖으로 축산업과 산업단지가 집중 되어 있으며 하류에 대규모 환경기초시설의 방류구가 위치 하고 있다(^{Choi et al., 2017}). 2008년부터 2016년까지 연도 별 연평균 기온 및 강우량 변화는 양평관측소를 중심으로 살펴본 결과 Fig. 4와 같이 9년간 연평균 강우량은 1,426.7 mm이고 2011년이 2,198.5 mm로 가장 높고 여름철의 강우 량이 많은 비중을 차지하였다. 최근 2014년에서 2016년까 지 연평균에 크게 못 미치는 것으로 나타났는데 2014년 790.1 mm, 2015년 801.5 mm, 2016년은 935.9 mm이고 평균 기온도 2014년 12.5 °C에서 2016년 13.0 °C로 3년간 연속 한 가뭄으로 기온도 높았다.

Fig. 2. Land use status of each watershed in the Han River basin.

Fig. 3. The area of unit watershed in the Han River basin.

Fig. 4. Annual variation of mean temperature and annual precipitation at the Yangpyeong station.

3.2. 한강수계 지점별 수질 분포

2008년부터 2016년까지 각 수계별 중권역 대표지점의 BOD, COD, TOC, TN, TP 및 Chl-a 월평균 농도는 Table 2와 같다. Fig. 1과 같이 남한강 수계는 본류인 영월1에서 평창강(평창강3-1)이 유입되어 목행대교를 흘러 달천(달천 4)이 유입된다. 본류 원주지점을 거쳐 섬강(섬강4-1)이 유 입되며 강상을 흘러 팔당호로 유입된다. 인근 경안천(경안 천5)은 남한강 수계에 포함하였다. Table 2의 지점별 평균 BOD 농도는 달천 유입 전 본류인 목행대교에서 0.7 mg/L 이고 달천(1.0 mg/L)이 유입한 원주지점에서 BOD 0.9 mg/L 로 약간 증가를 하였으나 섬강(1.6 mg/L) 유입 후 강상지점 에서 1.6 mg/L로 크게 증가하였다. 섬강 이후 BOD 뿐 아 니라 TOC 등 모든 항목에서 농도가 증가하는 경향을 보이 고 있다. 경안천(경안천5)은 BOD 2.8 mg/L이고 다른 항목도 다른 지점에 비하여 가장 높은 농도 분포를 보이고 있다.

북한강 수계에서는 인북천(인북천2)과 소양강(소양강2)이 합류하여 본류인 화천지점에서 춘천-1지점까지 BOD 1 mg/L 이하로 약간의 농도 증가를 보였으나 북한강 하류 지점 삼 봉리에서 0.9 mg/L로 BOD 농도 변화는 크지 않았다. TOC 도 유사한 경향을 보이며 삼봉리 1.6 mg/L로 나타났다. 한 강하류 수계에서는 영등포지점과 파주지점을 지나면서 급 격한 농도 증가를 보이고 있다. 파주지점에서 BOD는 4.3 mg/L, COD 7.7 mg/L, TOC 3.5 mg/L, TN 6.000 mg/L, TP 0.305 mg/L, Chl-a 28.7 mg/m³로 한강 수계에서 가장 높은 수치를 보여주고 있다.

중권역 대상지점의 시기별 BOD, COD와 TOC의 농도변 화를 토대로 계절적 변동성과 항목간의 간격을 살펴보면 Fig. 5와 같이 남한강 수계에서는 평창강지점(b)에서 모든 항목이 계절별 변화를 뚜렷하게 보이고 농도의 변화 폭도 일정한 경향을 보이는데 이 유역은 남한강 상류로 산림이 87.6 % 이상을 차지하여 오염원의 영향이 상대적으로 적고 강우 등 계절적 요인이 주로 영향을 미치기 때문으로 판단 된다. 지천인 달천(d)은 논과 밭, 시가지 등의 토지 이용도 가 상류에 비하여 증가하며 수질의 계절적 변동이 뚜렷하 지 않고 안정적이지 않다. 섬강(f)은 토지이용도면에서 산림 이 52.4 %로 낮으며 상대적으로 논과 밭, 시가지의 비율이 높은 유역으로 수질의 계절적 변동성이 있으나 시기별 농 도의 증가폭이 크다. 섬강 합류 후 본류 강상지점(g)은 계 절적 변동성을 보이며, 상류 본류인 원주(e)에 비하여 TOC 와 BOD가 증가하고 다소 농도의 변화폭은 크며 유기물 항 목간의 농도가 유사하게 반응하고 있다. 경안천지점(h)은 계절적 수질의 변동폭이 크고 BOD에 비하여 COD와 TOC 농도가 높은 특징이 있다.

Fig. 5. Water quality variation of BOD, COD and TOC at mid-watershed in the Namhan River during 9 years (2008 ~ 2016).

북한강 수계는 유역의 토지 이용면에서 소유역별 산림이 80 % 이상을 차지하고 수질은 계절적 변동을 보이며 남한 강 수질에 비하여 비교적 안정적으로 낮고 항목별 일정한 간격을 유지하고 있다(Fig. 6). 소양강(b)은 토지이용도 중 산림의 비율이 91.3 %로 매우 높아 BOD 농도가 1 mg/L 이하의 낮은 농도이고 TOC 농도도 연중 2 mg/L 이하이며 계절적인 변화도 작다. 춘천지점(d)은 전체적인 수질농도는 높지 않으나 2014년부터 그 농도가 증가하고 항목간의 변 동이 불안정한 경향을 보인다. 또한 여러 지류의 영향과 여러 유기물 유입의 영향을 받는 본류로서 지류에 비해 계절적인 특성이 비교적 두드러지게 나타나지 않는다. 특 히 본류 하류 구간인 삼봉지점(g)은 계절적 요인에 의한 변동은 상대적으로 크지 않고 항목간의 변동 폭도 안정적 이다.

Fig. 6. Water quality variation of BOD, COD and TOC at mid-watershed in the Bukhan River during 9 years (2008 ~ 2016).

남한강과 북한강의 계절적 영향의 크기가 산림이 주를 이루는 지류와 비교적 복잡한 토지이용도를 가지는 본류에 서 다르게 나타나지만, 전체적인 수질 특성은 수계별로 유 사한 분포를 보이는 것으로 나타났다. 반면 한강하류 수계 는 전체적으로 농도가 높고 Fig. 7과 같이 잠실지점에서는 '15년과 '16년에 수질이 불안정한 경향을 보이며 영등포 지 점을 지나면서 수질 변동이 매우 급격히 변화하고 계절적 경향이 나타나지 않는다. 파주지점에서는 수질농도가 높고 수질변화가 크다. 한강하류로 갈수록 BOD와 TOC의 농도 분포가 유사한 수준을 나타내고 있다.

Fig. 7. Water quality variation of the BOD, COD and TOC at the downstream of the Han River during 9 years (2008 ~ 2016).

따라서 점오염원이 비교적 적은 경우, 강우로 인한 비점 오염물질의 유입 또는 조류가 과다 발생할 때 계절적 영향 과 유기물 항목간의 변동이 유사하게 나타나고 있으나 '14 년부터 '16년과 같이 평년 강우량에 못 미치는 갈수해의 경우 계절적 특성이 두드러지지 않는다. 점오염원의 영향이 큰 도시하천의 경우 계절적인 영향이 상대적으로 작아지고 유기물 항목간의 변동이 일정하지 않다.

3.3. 남한강, 북한강 및 한강하류 수질변화

수질평가 시 강우 등 기후적인 요소에 따라 초기 강우의 영향으로 수질 농도가 증가할 경우 연평균 수질 농도도 증 가한다. 본 연구에서는 유기물 농도별 추세 경향을 비교하 기 위하여 평균농도와 퍼센타일 농도를 함께 비교하였다. 퍼센타일에 의한 수질평가는 일본 등 외국에서 유기물질 달 성도 평가 시 적용되고 있다. 일본의 경우 75퍼센타일 수준 이 기준을 만족하면 수질기준을 달성한 것으로 간주하며 우리나라는 TOC기준 설정 시 등급별 BOD와 COD 기준값 에 해당하는 퍼센타일을 구하여 해당 TOC의 농도로 검토 한 바 있다(^{Choi and Han, 2011}). 유기물의 수질 변화 추 세를 장기간의 5퍼센타일, 50퍼센타일, 90퍼센타일 농도로 구하여 평균값과 비교하였다(Fig. 8).

Fig. 8. Water quality variation in each watershed of the Han River basin.

남한강 수계에서 BOD의 분위수 농도는 연도별 '14년 이 후 증가하고 '16년에 감소하는 경향을 보이고 있으며 대부 분 퍼센타일별 농도 변화가 유사하다. 평균 농도는 50퍼센 타일 농도보다 높은 것으로 나타나 고농도 수질이 평균 수 질에 영향을 주고 있다. COD는 BOD에 비하여 년도별 농 도 변화가 크지 않으나 '14년 증가하여 16년에 감소하는 패턴과 중앙값과 평균값이 유사하다. TOC는 년도별 변동 이 BOD와 COD에 비하여 크고 '12년, '14년과 '16년에 증 가하는 경향을 보인다. TOC는 중앙값과 평균값이 유사하 여 고농도 또는 저농도의 수질이 평균값에 영향을 주지 않 음을 알 수 있다.

북한강 수계에서는 유기물 농도가 세 개의 수계 중 가장 낮고 년도별 변화가 크게 나타나지 않았다. 유기물의 중앙 값과 평균값의 차이가 거의 없으나 TOC는 '14년부터 5퍼 센타일 농도 뿐 아니라 90퍼센타일 농도에 이르기까지 증 가하는 경향을 보이고 있어 비점오염원 등에 의한 난분해 성유기물의 영향이 TOC 농도에 영향을 미치나 BOD와 COD에는 영향을 미치지 못하는 것으로 판단된다.

한강하류는 년도별 수질변화가 상대적으로 크며, BOD는 5퍼센타일 농도 수준은 유지되고 있으며 평균값이 중앙값 보다 높아 고농도 수질이 영향을 미치며 COD는 각 분위수 별 '14년 이후 증가하는 경향을 보이고, TOC는 '14년에 증 가하다가 '16년에 감소 경향을 보이고 있다. 한강하류는 대 부분 평균값이 중앙값보다 높아 고농도 수질의 영향이 있 으며 고농도 뿐 아니라 저농도 수준의 수질도 북한강과 남 한강에 비하여 높다.

3.4. 한강수계 유기물 지표의 산화율 비교

산화율은 유기물의 생분해도 및 구조, 기원에 따라 다양 하게 나타나는 것으로 알려져 있다(^{Lai et al., 2011}). 따라 서 산화율 비교를 통해서도 유역으로 유입된 유기물의 개 략적인 특성을 비교할 수 있어 매우 유용하다. 전체 유기 물에 대한 BOD와 COD에 의한 산화율을 계산하기 위해서 ^{Kim, Jung et al. (2007)}은 유기물 산화 시 소비되는 산소 (O₂)와 산화되는 탄소(C)의 몰 비인 1.1을 이용하여 호소와 하천에서 BOD와 COD를 탄소의 양으로 환산하여 BOD-C, COD-C로 산정하였다. 하지만 최근 487개 유기화합물질을 대상으로 이론적인 산소요구량과 이론적 총유기탄소를 구 하여 산소/탄소의 몰 비를 구한 결과 평균 1.24(^{Choi et al., 2015})로 제시하고 있어 본 연구에서는 총유기탄소를 기준 으로 총산소요구량을 구하여 BOD와 COD의 산화율로 계 산하였다.

BOD의 산화율은 Fig. 9에서와 같이 남한강 수계는 14.1 ~ 21.8 %, 평균은 16.8 % 정도이고, 북한강은 11.6 ~ 14.4 % 으로 평균은 13.4 %, 한강하류 수계는 23.6 ~ 29.7 %, 평균 26.1 % 였다. 대부분 30 % 미만의 비율을 보이고 있으나 북한강이 15 % 미만으로 가장 낮고 다음이 남한강, 한강하 류가 26.1 %로 가장 높게 나타나고 있다. 북한강 수계는 토지 이용 면에서 산림지역의 비중이 크기 때문에 산림기 원 유기물의 영향으로 생물학적 분해면에서 난분해 경향을 보이며 난분해성유기물이 많은 경우 BOD에 의한 산화가 충분하지 못함을 알 수 있다. 난분해성물질은 기원별로 다 양한 분포를 보이는데 ^{Jung et al. (2009)}은 기원별로 난분 해성 물질이 8 ~ 100 %의 분포를 보이며 계곡, 퇴적물, 논 토양, 밭 토양, 방류수 기원의 시료는 80% 이상이고 생물 학적 기원을 갖는 축산, 갈대, 잡초, 조류, 부착조류 기원의 시료에서는 20% 정도의 낮은 분포를 갖는다고 하여 산림 또는 토양 기원의 유기물이 난분해 경향을 보인다.

Fig. 9. Annual variation of oxidation rate in each watershed of the Han River basin.

연도별로 볼 때 남한강과 한강하류에서 산화율의 변동 폭이 다소 크게 나타나지만 북한강은 변동 폭이 크지 않다. 이전 연구(^{Kim, Jung et al., 2007})에서는 한강수계 일부 하 천과 호소에서 BOD 산화율이 20 %정도 내외로 낮다고 하 였고, 국내 몇 개 호수에서도 약 18 % 정도로 보고하였으 나 본 조사결과 한강하류에서는 20% 이상을 보이고 있어 유역 특성에 따라 BOD 산화율에 차이가 있음을 알 수 있 다. 한강하류는 대규모 하수처리시설이 위치하고 있으며 도 로망의 발달과 많은 교통량 등으로 생활계 하수 및 도로 비점오염원 등 다양한 경로로부터 생물학적 분해가능한 오 염물질이 상대적으로 증가하여 BOD 산화율 증가에 기여하 는 것으로 판단된다. ^{Jeong et al. (2016)}은 하수처리시설 처리용량 500 m³/일 이상 311개소 방류수의 BOD 산화율이 11.8 %이고 COD 산화율은 35.4 %로 통계적 상관성은 낮지 만 BOD 산화율이 낮은 것으로 보고하고 있으나 미처리 하 수 또는 폐수 등 오염물질이 유입될 경우 산화율은 상대적 으로 커질 수 있다. 대도시 차량 운행에 따른 배기가스, 타 이어 등에서 배출의 영향으로 입자상 오염물질, 중금속, 오 일류 등과 같은 도시 비점오염물질의 함량이 높은 특징이 있기 때문에(^{Kim and Kang., 2004}) 강우 초기에 이들이 매 우 높은 농도로 유출될 수 있다. 차량 등에 배출되는 오염 물질 중 탄화수소류는 이론적탄소량에 대한 이론적산소요 구량의 비가 다른 화학물질 그룹에 비하여 높은 편에 속하 여(^{Choi et al., 2015}) 이들 물질이 비교적 많이 함유할 경 우 BOD 또는 COD 산화율은 높게 나타날 수 있다. ^{Yu et al. (2005)}도 금강 수계를 대상으로 상류 호소와 하류 하천 에서 이분해성 유기탄소와 난분해성 유기탄소의 비율 변화 에서 하류로 갈수록 하류 유입지천 등으로부터의 도시생활 계의 영향으로 분해성 유기물이 증가하는 것으로 보고한 것과 유사하다. 즉 도시하천의 경우 분해성 유기물질이 증 가하여 상대적으로 BOD에 의한 산소요구량도 증가하는 것 으로 생각할 수 있다. 이와 같이 BOD가 절대적인 유기물 의 양을 판단하는 데는 과소평가될 수 있는 지표이지만 생 물분해 가능한 수준 또는 인위적인 오염원의 유입 영향을 알려주는 정보로서 유용하다고 판단된다.

COD에 의한 산화율은 남한강은 47.5 ~ 67.9 %이고 평균 54.8 % 정도였으며, 북한강은 47.6 ~ 60.2 %이고 평균 54.5 %, 한강하류는 58.1 ~ 69.5 %, 평균 63.2 %로 북한강과 남 한강이 유사한 값을 보이며 한강하류로 갈수록 높게 나타 나고 있다. ^{Kim, Shin et al. (2007)}은 한강 수계 일부 지점 의 COD 산화율이 하천에서 약 30 ~ 75 %, 호수에서도 30 ~ 50 % 정도로 보고하여 본 결과보다 일부 높게 보고되었다. 북한강과 남한강이 합류하는 팔당호의 댐 앞 지점에서 COD 산화율이 59.2 ± 9.5 %로 보고하여(^{Hwang et al., 2016}) 북 한강과 남한강의 범위에 포함된다. 팔당호는 체류시간이 비 교적 짧은 하천형 호수로 남한강과 북한강의 수질 특성에 직접적으로 영향 받기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 10(a)에서와 같이 남한강은 갈수기 또는 건기에 해 당하는 3월에서 6월까지 BOD 산화율이 증가하다가 강우 기인 7월부터 감소하는 것으로 나타나고 있다. Chl-a 증가 패턴으로 볼 때 내부생산에 의한 유기물은 생물학적 분해 가 용이한 반면 강우에 의한 난분해성 유기물에 의한 영향 은 생물학적 분해가 쉽지 않아 BOD로 반영되지 않고 있 다. ^{Park et al. (2008)}은 남한강을 구간별로 BOD와 Chl-a 간의 상관관계에서 유속이 느린 전이대 구간과 호수 구간 에서 높은 상관관계를 보여 식물플랑크톤의 현존량 즉 내 부유기물 생산이 수역의 유기물 오염의 주요 기원이며 연 간 BOD가 높은 봄철 갈수기에 BOD와 Chl-a의 상관관계 가 높게 나타난다고 하였다. ^{Gil et al. (2011)}은 건기 시 남한강의 난분해성 용존유기탄소가 전제 중 약 73 %를 차 지하나 강우기에 증가하는 것으로 보고한 바와 같이 조사 결과 강우기에도 BOD에 의한 산화율이 감소되는 것으로 나타나 외부 기인에 의한 난분해성 유기물의 증가가 BOD 로 잘 반영되지 않음을 알 수 있다.

Fig. 10. Averaged monthly variation of oxidation rate in the Han River basin.

Fig. 10(b)에서와 같이 북한강에서 유기물의 산화율을 월 별로 살펴보면 BOD의 산화율이 가장 높은 시기에도 20 % 를 넘지 않으나 Chl-a 농도에 따라 변화하고 있다. 남한강 과 마찬가지로 BOD 산화율은 계절별 변동을 보이며 COD 산화율은 계절적 특징을 남한강에 비하여 잘 보여주고 있 다. 오히려 갈수기 조류의 현존량이 높지 않은 시기에 COD 산화율이 증가하는 경향은 난분해성 유기물의 비율이 남한 강에 비하여 높기 때문으로 사료된다.

한강하류의 경우(Fig. 10(c))는 Chl-a 농도가 10 mg/m³ 이 상이고 오염물질 농도가 상대적으로 높아 BOD 산화율 뿐 만 아니라 COD의 산화율도 증가하였다. 여름 강우뿐 아니 라 도시 하천으로부터 오염 배출량이 지속적으로 유입되기 때문에 남한강과 북한강의 양상과는 다르게 BOD와 COD 의 경향이 유사하게 변화한다.

3.5. TOC, COD, BOD의 비율과 상관관계

한강의 수계별 수질인자 간의 상관성을 살펴본 결과를 Table 3과 Fig. 11에 나타내었다. 남한강 수계에의 유기물 (BOD, COD, TOC)간 상관계수는 0.562 ~ 0.803으로 북한강 수계의 0.454 ~ 0.658에 비해 높게 나타났다(Table 3). 이는 Fig. 11에서 보는바와 같이 남한강에 비해 북한강의 수질농 도가 낮고 하천특성 상 호소가 많아 일반적 하천과 호소의 영향을 함께 받기 때문으로 사료된다. 한강 하류의 경우 0.776 ~ 0.890으로 상류인 남한강과 북한강에 비해 높게 관 찰되었으며, 상류 수계에서는 낮게 나타났던 BOD와 TOC 의 상관계수가 0.776으로 높게 나타났다. 또한 영양염류와 유기물과의 상관계수를 살펴보면 남한강은 TN이 0.127 ~ 0.266, TP가 0.474 ~ 0.594이고, 북한강은 TN이 0.102 ~ 0.142, TP가 0.165 ~ 0.432로 유기물의 상관계수와 마찬가 지로 북한강이 낮게 관찰되었다. 한강하류의 경우 TN이 0.587 ~ 0.725, TP가 0.665 ~ 0.692로 상류 수계에 비해 높 게 나타났다. 이는 한강하류 유입 하천의 특성이 비교적 생물분해 가능한 유기물의 비중이 높고 영양염류도 고농도 로 포함되기 때문인 것으로 사료된다. 따라서 동일한 수계 에서도 유기물 배출 특성이 다른 하천 또는 호소를 함께 상관분석을 할 경우 항목간의 상관성이 낮아질 수 있다.

Fig. 11. Scatter plot of BOD, COD and TOC in each watershed.

TOC에 대한 BOD와 COD의 비는 Table 4 및 Fig. 12와 같이 남한강 수계에서는 각각 0.55(0.44 ~ 0.72), 1.78(1.57 ~ 2.09)이고 북한강 수계에서는 각각 0.44(0.38 ~ 0.48), 1.80(1.57 ~ 1.99)이며 한강하류에서는 0.86(0.78 ~ 0.98), 2.09(1.92 ~ 2.30)로 나타났다. 순서로 보면 BOD/TOC 비는 북한강(0.44) <남한강(0.55) <한강하류(0.86)이고, COD/TOC 비는 남한 강(1.78) <북한강(1.80) <한강하류(2.09)의 순이다. 이때 남 한강과 북한강, 남한강과 경안천, 북한강과 경안천을 t-test 하였을 때, BOD/TOC와 COD/TOC 각각의 p-값은 남한강 과 북한강의 COD/TOC(0.08)를 제외하면 모두 0.001 이하 로 통계적으로 다름을 확인하였다. COD/TOC 비는 수계에 서 유사한 편이지만 BOD/TOC 비는 수계별 차이가 크게 나타나는데 난분해성 유기물의 비중이 큰 북한강에 비하여 한강하류에서 BOD/TOC 비가 약 2배 정도 증가하는 것으 로 나타났다. ^{Kim, Shin et al. (2007)}의 결과에서도 부영양 할수록 내부생산에 의한 영향으로 BOD/TOC의 비가 높은 것으로 밝히고 있어 BOD/TOC의 비가 높은 한강하류도 도시하천이 유입되고 말단에 대규모 하수처리시설이 위치 하며, 도시 비점에 의한 영향으로 부영양화 된 상태라 할 수 있다. 또한 ^{Choi et al. (2015)}의 산업폐수 방류수 대상 으로 BOD/TOC가 0.7, COD/TOC는 1.9라는 것과 비교할 때 BOD/TOC비는 오염원 특성에 따라 다르게 나타나지만 COD/TOC는 차이는 크지 않음을 알 수 있다. 일반적으로 과망간산칼륨을 이용하여 유기물을 분해하는 COD는 총유 기물을 산화하는 데 충분하지 못하지만 공공수역에서 TOC 와의 상관성이 높고 TOC와의 비가 수계별로 큰 차이가 나 지 않음을 고려할 때 COD를 TOC로 대체 적용하는 데 무 리는 없을 것으로 사료된다.

Fig. 12. Box plot of (a) BOD/TOC and (b) COD/TOC in each watershed.