2.1. 연구대상지역

수심별 수중 광량 및 수질 측정은 낙동강수계 달성보와 합천창녕보 사이 도동서원 인근 낙동강 본류 구간에서 수 행되었다(Fig. 1). 연구대상지역 내 낙동강 우안은 행정구역 상으로 경상북도 고령군 개진면, 좌안은 대구광역시 달성군 현풍면과 구지면에 속한다. 낙동강 중류의 유하방향은 기본 적으로 남북방향이나 본 연구대상지역은 사행하는 낙동강 의 특성 상 동서방향으로 흐르는 직선구간에 해당한다. 수 심별 수중 광량 측정 지점 두 곳의 위치는 Fig. 1에 제시 되었는데, HCUI-1은 달성보 하류 약 8.3 km 부근이며 낙 동강 본류 직선 구간의 중앙에 위치하였고 수심은 합천창 녕보 관리수위(10.5 EL.m) 기준 약 8 m에 달하였다. 한편 HCUI-2는 HCUI-1으로부터 하류 방향으로 약 3 km 떨어진 만곡부 우안지점으로 수심은 관리수위 기준 약 9 m이다. 연구지역 인근 달성 AWS 관측 자료에 따르면 이 지역 최 근 10년 간(2007 ~ 2016년) 연강수량합의 평균은 1,132 mm 이며 그 변동 폭은 797 ~ 1,453 mm로 연간 내리는 강우량 의 편차가 비교적 크게 나타났다(^{KMA, 2017}).

Fig. 1. Location maps showing the study area, including the monitoring stations.

2.2. 현장조사

수심별 수중 광량 관측 및 수질 조사는 2016년 5월 24일 부터 10월 18일까지 주 1회 간격으로 총 18회 수행되었다. 이 기간 중 7월과 9월 많은 강우가 내린 직후에는 안전을 고려하여 현장조사를 실시하지 않았고 나머지 기간에는 조 사가 규칙적으로 이루어졌다. 수중 광량은 선상에서 수중광 도계(LI-192, 미국 LI-COR사)를 물속으로 천천히 내리면서 수표면 아래 0.5 m 지점을 시작으로 수심 0.5 m 간격으로 수심별 광합성유효광량(photosynthetically active radiation, PAR)을 직접 계측하였다.

또한 수중 광량 관측과 동시에 조류 모니터링도 함께 수행되었다. 표층 시료의 경우, 수표면으로부터 수심 0.5 m 깊이까지 혼합 시료를 대상으로 하였고 이후 수심 2 m 간격으로 각각의 깊이마다 Van Dorn 샘플러를 이용하여 클로로필-a(Chl-a) 농도 측정용 시료와 Microcystis 속의 현존량을 동정하기 위한 시료를 1 L씩 현장에서 각각 채 수하였다. 획득된 시료들은 냉암소 조건을 유지한 채 실험 실까지 최대한 빠르게 운반되었다. Chl-a 농도는 수질오염 공정시험기준에 따라 측정하였고 Microcystis 속의 개체수 는 정량 채집된 시료를 24 ~ 48시간 이상 침강시킨 후 상 등액을 제거하고 적정한 비율로 농축된 시료를 잘 혼합하 여 1 mL를 취해 S-R chamber에 넣어 10분 간 침전시킨 뒤 광학현미경(Zeiss Axioskop 2)을 이용하여 계수하였다. 한편 부유물질(SS) 농도는 인근 환경부 수질측정망 현풍 지점에서 주 1회 간격으로 측정된 값을 사용하였다(^{ME, 2016}).

2.3. 유광 수심 및 소광계수 산정

수표면에 도달한 빛의 일부는 표층에서 반사되고 물속에 유입된 빛은 다시 흡수와 산란을 통해 수심이 깊어질수록 광량은 감소된다. 육수학에서는 빛이 도달하는 수심에 따라 호소를 유광층(photic zone)과 무광층(aphotic zone)으로 분 류하는데 일반적으로 유광 수심(z_eu)은 입사된 빛의 1 %가 도달하는 수심으로 정의된다(^{Ji, 2008}; ^{Wetzel, 2001}). Fig. 2는 이러한 과정을 도식화한 것으로 일반적으로 수심별 수 중 광량의 감소는 식 (1)과 같이 표현된다.

Fig. 2. Schematic diagrams showing key processes causing light attenuation at water surface layer and impact of light on photosynthesis in water column as a function of light attenuation (modified fromDodds and Whiles, 2010, Fig. 3.5).

여기서, I_(z)는 수심별 수중 광량, I₍₀₎는 수표면 직하 입사 광량, Ke는 소광계수, z는 수심이다. I₍₀₎와 Ke는 수심별로 관측된 수중 광량을 대수 변환한 후 수심과의 선형회귀를 통해 각각 산정되었다. 또한 유광 수심(z_eu)은 I_(z)/I₍₀₎=0.01 이 되는 조건에서의 z값으로 계산하였다.

서론에서 언급한 바와 같이, Ke는 소광에 영향을 미치는 개별 요소별(수립자, 색도, 조류 및 부유물질 등)로 세분화 하여 다양하게 표현이 가능하다(^{Lee and Rast, 1997}; ^{Schanz, 1985}). 이와 같은 접근법은 수질예측모델링 연구에서도 많 이 적용되고 있다(^{Li et al. 2012}; ^{Park et al., 1995}). 일반 적으로 담수 환경에서 소광에 가장 큰 영향을 미치는 주요 요소들을 고려할 때, Ke는 식 (2)와 같이 표현될 수 있다.

여기서, Ke_b는 배경소광계수, Ke_tss는 부유물질에 의한 소광 계수, TSS는 부유물질 농도, Ke_chl는 조류에 의한 소광계수, Chl-a는 클로로필-a 농도이다. 수중 광량과 수질 측정이 모두 수행된 14회 관측값들에 대하여(Ke는 식 (1)에서 산 정되었고, TSS 및 Chl-a 농도는 현장에서 실측된 수심 평 균값 사용) 각각의 소광계수들(Ke_b, Ke_tss, Ke_chl)은 다중선 형회귀분석을 통해 결정되었다.

3.1. 수심별 수중 광량 변화

수심별 수중 광량 조사는 HCUI-1 지점에서 총 18회, HCUI-2 지점에서는 총 14회 실시되었고 이를 수심 1 m 간격으로 도시한 결과는 Fig. 3(a), (c)와 같다. 수중 광량 은 측정 당시의 기상 조건과 물의 특성(탁수 및 남조류 발생 여부 등)에 따라 수표면 부근에서의 차이가 매우 크 게 나타났다. 수중 광량의 시·공간적 차이를 단적으로 보 여주는 사례로 2016년 6월 14일 관측 결과를 들 수 있다. 이날 오전 HCUI-1 수심 1 m 지점에서 수중 광량은 150 μmol·m^-2·s^-1로 관측되었다. 그로부터 약 1.5시간 후 HCUI-2 지점으로 이동한 뒤 동일한 깊이에서 관측된 수중 광량은 74 μmol·m^-2·s^-1로, HCUI-1 지점에 비해 2배 이상 감소된 것으로 나타났다.

Fig. 3. Vertical variations of underwater irradiance andI/IoatHCUI-1andHCUI-2. The black circles and horizontal bars represent the mean and standard deviation values at specific water depth, respectively.

시·공간적 변화에도 불구하고 수심이 증가함에 따라 수중 광량이 감소하는 소광 패턴은 두 지점에서 거의 유사하였 다. 이러한 경향성을 상대적으로 비교 가능하도록 두 지점 에서 수심별로 관측된 수중 광량 값을 식 (1)에서 산정된 I₍₀₎로 나누어 수심별 I_(z)/I₍₀₎(%)의 값을 구하고 그 평균값 과 표준편차를 Fig. 3(b), (d)에 도시하였다. I_(z)/I₍₀₎값은 수 표면에 근접할수록 급격하게 변화하였다. 수심 1 m에서는 평균적으로 수표면 직하 입사 광량의 약 30% 내외만 존재 하는 것으로 나타났고 2 m까지 수심이 깊어지면 입사 광량 의 약 90 %가 감소하는 것으로 나타났다. 이후 수심 증가 에 따른 I_(z)/I₍₀₎의 감소폭은 크게 둔화되었고, 대체로 수심 4 ~ 5 m 사이 구간에서 유광 수심(z_eu, I₍₀₎의 1 %에 해당하 는 수심)이 형성되는 것으로 나타났다.

3.2. 유광 수심 및 소광계수 산정

조사기간 동안 두 관측지점에서 산정된 Ke와 z_eu값은 Table 1에 정리되었다. 이 값들은 매 측정일마다 수심별로 관측된 수중 광량을 대수변환한 후 수심과의 선형회귀를 통 해 결정되었다. 낙동강 본류 직선부 중앙에 위치한 HCUI-1 지점(수심 약 8 m)에서의 하절기(5 ~ 10월) Ke 평균값은 1.4(±0.7) m^-1, z_eu 평균값은 3.9(±1.4) m, 한편 만곡부 우안에 위치한 HCUI-2 지점(수심 약 9 m)에서의 동 기간 Ke 평균 값은 1.2(±0.4) m^-1, z_eu 평균값은 4.3(±1.4) m로 나타났다. 두 지점에서 산정된 Ke와 z_eu 값들의 평균 간 차이가 통계학적 으로 유의미한지 평가하기 위하여 두 곳 모두 채수된 시료 들을 대상으로 자료의 정규성을 확인하고 t-test 분석을 각각 시행하였다. 분석 결과 두 지점에서의 Ke 및 z_eu 평균값의 차이는 95 % 신뢰수준에서 동일한 것으로 나타났다(유의확 률, p-value = 0.188, 0.086). 이는 현장에서 측정된 수중 광 량의 절대값이 공간적으로 차이가 있을지라도 수직적 소광 특성의 차이는 지점 간 유사하다는 것을 의미한다. 따라서 연구대상지역에서 하절기 Ke와 z_eu 평균값은 각각 1.3(±0.7) m^-1, 4.0(±1.5) m로 산정되었다. 아울러 소광 특성의 편차가 갖는 의미에 대해서는 3.3절에서 보다 자세히 논의하였다.

3.3. 소광 특성의 시간적 변화

조사기간 중 대하천 본류 소광 특성에 영향을 미치는 환 경 변화는 집중 호우에 따른 탁수 발생과 남조류 우점에 따른 식물플랑크톤 표층 집적 현상이 있었다. 장마와 집중 호우가 내린 시기는 각각 7월 초·중순과 9월 중·하순이며, 이 시기 동안 유량이 증가하면서 표·저층 간 수온 차가 감 소하는 등 수체가 혼합되고 부유물질(SS) 농도 또한 평소 보다 상당히 높았다(Fig. 4). 탁도 증가에 따른 효과는 1 ~ 2주 정도 지속되다가 사라졌다. 한편 5월 하순부터 6월 중 순, 8월 초·중순에는 무강우 일수가 길어지고 유량이 감소 하면서 유해남조류가 우점하였다. 특히 Microcystis 속이 수 표면에 우점하는 수화현상이 나타난 시기는 표·저층 간 수 온차가 최대 5 °C 이상 관측되는 등 수체의 물리적 안정도 가 높은 기간과 대체로 일치하였다(Fig. 4).

Fig. 4. Temporal variation of euphotic depths estimated atHCUI-1/2, including the related physico-chemical conditions such as stage, flow, wind speed, rainfall, thermal stratification, SS, Chl-aconcentrations andMicrocystisabundance.

소광 특성의 시간적 변화를 주요 환경적 이벤트와 관련 하여 분석하기 위하여 총 18회 관측기간을 대규모 강우 이 후 탁수 영향이 지배적인 기간(Phase I), 유해남조류가 급 증하여 수화현상이 관측된 기간(Phase II), 위 현상이 나타 나지 않은 기타 기간(Phase III)으로 크게 분류하였다(Table 2). Phase I 분류 기준은 현풍 지점 SS 농도가 10 mg/L 이 상인 경우로 정의하였고, Phase II 해당 여부는 두 지점 표 층 Microcystis 속의 세포수가 평균 10,000 cells/mL 이상(조 류경보제 ‘경계’ 발령 기준에 해당)으로 규정하였다. 기간별 Ke와 z_eu값과 함께 수질·조류 측정값에 대한 기초 통계량 은 Table 2에 제시되었다.

Phase I의 SS 평균 농도는 18.5 mg/L로 다른 두 Phase 기간보다 약 3배 정도 높았으나, 조류 현존량은 상대적으 로 낮았다. 특히 이 기간 중 z_eu값은 다른 두 Phase와 비교 할 때 거의 절반 수준으로 낮아진 반면 Ke값은 오히려 약 2배 증가하였다. 이는 탁수 발생이 낙동강 본류 소광 특성 에 미치는 영향이 지대함을 의미한다. 반면 수표면에 Microcystis 속의 우점에 따른 수화현상 기간(Phase II) 중 소광 특성은 Phase III과 비교할 때 큰 차이가 없었다. 본 연구 결과는 조류 자체소광(self-shading) 효과가 탁수 발생 에 따른 영향에 비해 크지 않음을 의미한다. 다만, Phase II 에 해당하는 6회 조사 일자 동안 Microcystis 속의 현존량 범위가 다양하므로 고농도 시료를 포함하여 보다 장기적인 모니터링을 통해 남조류 표층 우점이 소광 특성에 미치는 영향을 추가적으로 분석·검증할 필요가 있다.

3.4. 소광계수의 세분화 및 비교

식 (2)에서 정의된 세분화된 소광계수들(Ke_b, Ke_tss, Ke_chl) 은 현장에서 관측된 수중 광량 및 수질 측정 결과를 바탕 으로 다중선형회귀분석을 통해 결정되었다. 그 결과, Ke_b는 0.305 m^-1, Ke_tss는 0.090 m^-1/mg·L^-1, Ke_chl은 0.013 m^-1/μg·L^-1 로 산정되었다. 본 연구에서 제시된 소광계수들과 유광 수 심은 국내·외 주요 하천과 수심이 얕은 호수에서 보고된 문헌값들과 유사 또는 변화 범위 내에 대부분 존재하였다 (Table 3). 본 연구에서 산정된 Ke_b 값의 경우, ^{Chung et al. (2009)}의 대청호 탁수 유입 모델링 연구에서 사용한 값 (0.25 m^-1)과 유사하였고 중국의 주요 하천과 호수를 대상으 로 최근 발표된 논문들(^{Gong et al., 2016}; ^{Li et al., 2012}; ^{Wang et al., 2014})에서 적용된 값들의 범위(0.16 ~ 0.45 m^-1) 내에 위치하였다. Ke_tss는 Table 3에서 제시된 국내·외 주 요 문헌값 범위(0.02 ~ 0.232 m^-1/mg·L^-1)의 중간 수준에 해 당하며 특히, 최근 의암호 수심별 수중 광량 조사에서 보 고된 값(0.083 m^-1/mg·L^-1; ^{NIER, 2014})과 비슷하였다. 문헌 조사에서 Ke_chl의 범위는 0.012 ~ 0.087 m^-1/μg·L^-1로 다른 소 광계수들에 비해 변화의 폭이 작았으며 본 연구에서 산정 된 Ke_chl값도 유사한 수준으로 나타났다.

최근 팔당호에서 봄철 관측된 투명도로부터 추정된 소광 계수에 관한 연구 결과가 잇따라 보고되었다(^{Kong, 2017}; ^{Kong et al., 2018}). 먼저 ^{Kong (2017)}은 소광계수 세분화를 위하여 조류와 조류 이외의 요인들로 크게 구분하였고 각각 의 영향을 산정하였다. 여기서 조류에 의한 소광계수로 적용 된 값(0.02 m^-1/μg·L^-1)은 본 연구에서 제시된 값(0.013 m^-1/μg·L^-1)보다 약간 크지만, 자료의 생성 시기와 방법 및 대상 구간 등의 차이를 고려할 때 유사한 수준으로 볼 수 있다. 또한 ^{Kong et al. (2018)}의 연구에 따르면, 소광을 제 어하는 핵심적인 두 요소(TSS와 Chl-a 농도)의 상관성을 정 량적으로 분석한 바 있다. 특히 큰 강우에 의한 탁수의 영 향이 없고 조류 농도가 높은 시기의 경우, 두 요인의 영향 은 상당 부분 중복될 수 있기 때문에 이를 정밀하게 구분하 는 것이 필요하다. 이를 위해서는 Chl-a에 대한 건조중량 비 등이 함께 조사되어야하나, 본 연구에서는 수행되지 않았다. 향후 이와 같은 정밀 분석을 통해 고형 물질과 조류의 영향 을 보다 분명하게 구분하는 연구도 필요할 것으로 판단된다.

한편 3.2절에서 제시한 바와 같이 수중 광량 관측값으로 부터 산정된 Ke값과 위에서 제시된 세분화된 소광계수들을 사용하여 모의된 Ke값을 비교한 결과, 두 지점 모두 상당 한 양의 상관관계를 보였다(Fig. 5). 모의값들의 평균제곱 근오차(RMSE)는 두 지점(HCUI-1, HCUI-2)에서 각각 0.33, 0.25 m^-1로 각 지점 평균 Ke값의 약 21 ~ 24%에 해당하였 다. 이는 미국 휴스턴 호에서 색도와 탁도의 함수로 소광 계수 산정식을 제안하고 약 13%의 예측 오차를 보고한 ^{Lee and Rast (1997)}의 연구 결과에 비해 약간 높은 수준 이나, 환경 조건이 상이한 두 수체의 특성과 조사 기간 등 을 고려할 때 큰 차이가 있다고 보기는 어렵다. 오히려 중 요한 사실은 이와 같은 연구들을 통해 수중 광량을 현장에 서 직접 측정할 수 없을 때 환경 인자들로부터 소광 특성 을 간접적으로 산정할 수 있는 방법을 제시하였다는 것이 다. 연구대상지역과 유사한 국내 대하천 본류 구간에서 Chl-a, SS 농도가 주어진다면 식 (2)를 통해 소광계수를 추 정하거나 수심별 소광 변화를 효과적으로 모의할 수 있다.

Fig. 5. Comparison between the observed and expected light extinction coefficients.

Fig. 3에서 제시된 바와 같이 수중 광량 관측으로부터 산 정된 I/I_o 값을 3.3절에서 분류한 세 가지 phase별로 나누어 도시한 후, 앞서 제시된 세분화된 소광계수를 바탕으로 지 점 및 시기별로 모의한 결과는 Fig. 6에 제시되었다. 모의된 수심별 소광 특성은 두 지점에서 다양한 시기동안 실제 측 정으로부터 산정된 범위 내에 대부분 위치하여 수중 소광 특성을 재현하는데 활용성이 높은 것으로 판단된다. 아울러 대하천 본류 구간에서 유광층 규모 등을 산정하는 육수학 연구에도 본 연구 결과가 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

Fig. 6. Comparison between the observed and modeledI/Io.