2.1. 조사지점 및 시기

북한강의 수질과 식물플랑크톤 군집의 특성을 평가하기 위해 북한강에 위치한 청평(CP), 삼봉(SB)과 북한강이 합류 하는 팔당댐2(PD)를 대상으로 하였다. 또한 북한강으로 합 류하는 유입천의 수질을 평가하기 위해 수질측정망지점을 기준으로 조종천3(JJ), 묵현천(MH), 벽계천(BG), 구운천 (GW)을 선정하였다. 수질 자료는 결빙기를 제외하고 2015 년 3월~ 2015년 11월까지의 자료를 사용하였으며, 식물플 랑크톤 군집은 2015년 1월부터 2015년 11월까지 본류 구 간에 대해 조사하였다.

2.2. 수질 및 식물플랑크톤 분석

수온, pH, 용존산소(DO), 전기전도도(EC), 부유물질(SS), Chl-a, 생물학적 산소요구량(BOD), 화학적 산소요구량(COD), 총질소(TN), 용존총질소(DTN), 암모니아성 질소(NH₃-N), 질산성 질소(NO₃-N), 총인(TP), 용존총인(DTP), 인산염인 (PO₄-P)은 물환경정보시스템(http:/water.nier.go.kr)의 자료를 이용하였다.

식물플랑크톤의 채집은 PD, SB, CP 지점을 대상으로 하 였으며, 채수한 시료는 냉장하여 실험실로 운반한 후 일정 량을 취해 Lugol's solution을 최종농도 1 %가 되도록 첨가 하여 고정하였다. 고정된 시료는 1 mL를 Sedgwick-Rafter Chamber에 넣고 15분간 정치시켜 침전시키고 광학현미경 에서 200 ~ 1,000 배율 하에서 10칸 이상 반복 계수하여 mL당 식물플랑크톤 세포수를 계산하였다. 각 지점에서 출 현한 식물플랑크톤 분류군의 동정 및 분류는 ^{Chung (1993)}, ^{Hirose et al. (1977)}, ^{John et al. (2002)}, Patrick and Reimer (¹⁹⁶⁶, ¹⁹⁷⁵), ^{Prescott (1962)}, Prescott et al. (¹⁹⁸¹, ¹⁹⁸²) 을 참조하였다.

2.3. 통계분석

통계분석은 SPSS(ver. 20.0) 프로그램을 이용 하였으며, 상관분석은 변수간의 관련성을 분석하기 위해 Pearson's correlation analysis를 사용하였다. 주성분 분석은 다변량 분석의 여러 기법 중에서 기본이 되는 분석법으로 여러 종 류의 변수들의 정보를 요약하여 표현하며, 상호관련이 있는 요인들 간의 변화양상으로부터 고유의 패턴을 도출하여 축 소된 차원의 자료를 통해 다변량 자료의 경향을 분석할 수 있다(^{Park and Rhee, 2012}). 요인분석은 변수들 간의 상관 성을 간결하게 표현하며, 상관성이 높은 변수들 간의 공통 성을 중심으로 통합해주는 분석 방법이며(^{Park et al., 2014}), 이를 통해 추출된 고유치(Eigen Value)는 요인과 변수와의 상관계수에 따른 요인 구조 명확화를 위해 직교회전방식 (Varimax)을 적용하였다. 다변량 분석방법은 주성분 분석 및 요인분석을 사용하여 분석하였다. Fig. 1.

Fig. 1. Study area with sampling location.

3.1. 북한강 및 유입지천의 수질특성

2015년 3월~ 2015년 11월까지 북한강 하류 및 유입지천 의 수질특성을 Fig. 2에 나타내었다. 수온은 2.4 ~ 30.1 °C의 범위로, 중앙값은 JJ 지점에서 21.5 °C로 가장 높았다. 수온 은 대부분의 지점에서 큰 차이를 보이지 않았으나, MH 지 점에서 10.2 °C ~ 27.2 °C의 범위로 사분위수범위(IQR)가 작 게 나타났다. 이는 묵현천 하류에 위치한 화도푸른물센터 방류수의 영향으로 수온의 편차가 크지 않은 것으로 판단 된다(^{Hwang et al., 2016}; ^{Kim et al., 2005}). pH와 DO의 범위는 각각 pH 6.9 ~ 9.1, 6.2 ~ 17.2 mg/L로 지점별 유사하 였다. EC는 평균 208 μS/cm (68 ~ 503 μS/cm)로 나타났으 며, MH 지점을 제외하면 68 ~ 267 μS/cm의 범위를 보였으 나, MH 지점에서는 289 ~ 531 μS/cm의 범위를 보여 다른 지점과 비교했을 때 높은 값을 나타냈다. ^{Cho et al. (2017)} 에 의하면 처리장으로 유입되는 하수는 순수하수가 아닌 음식물처리수 및 공단폐수가 혼합되어 있을 경우 전기전도 도가 높다고 보고하였으며, ^{Kaviraj and Satyawati (2003)}는 하수슬러지 분해시 PO₄^3-, NH₄⁺, K⁺염이 방출되면서 전기전 도도가 높아진다고 보고하였다. 또한 경안천과 팔당호의 연 구(^{Shin et al., 2001})에서 하수처리장 방류수의 EC는 평균 952 μS/cm로 높은 값을 보여, MH 지점과 유사한 결과를 나타냈다. SS는 0.3 ~ 67.0 mg/L의 범위였고, MH 지점에서 비교적 높은 평균값(10.4 mg/L)을 보였다. Chl-a의 평균은 6.3 mg/m³(0.1 ~ 55.8 mg/m³)로 유입지천보다 북한강 본류 지점에서 중앙값이 크고 사분위수범위가 넓었으며, 특히 PD에서 중앙값이 가장 크게 나타났다. 유입지천 중에서는 GW 지점이 Chl-a가 가장 높았다.

Fig. 2. Water quality parameters at different locations from Mar. to Nov. 2015.

BOD와 COD의 평균은 각각 1.1 mg/L (0.3 ~ 7.8 mg/L), 3.6 mg/L (1.3 ~ 8.3 mg/L)으로 두 항목 모두 MH 지점에서 높은 경향을 보였는데 이는 ^{Shin et al. (2000)}의 연구결과 와 같이 묵현천 수질이 잠재적 유기오염도가 큰 것으로 판 단되며, 다른 지점과 비교하여 상대적으로 BOD보다 COD 의 편차가 큰 이유는 묵현천 상류에 위치한 주거 밀집지역 과 산업단지의 영향을 받아 미생물분해가 어려운 고분자 유기물의 함량이 높은 것으로 추정된다(^{Hwang and Park, 2018}; ^{Imai et al., 2002}).

T-N, DTN, NO₃-N, NH₃-N의 범위는 각각 0.441 ~ 15.005 mg/L, 0.417 ~ 14.675 mg/L, 0.170 ~ 6.013 mg/L, 0.001 ~ 10.477 mg/L로 나타났다. 질소농도도 다른 항목과 같이 MH 지점 에서 매우 높은 경향을 보였는데, 전체 지점의 평균이 각 각 2.723 mg/L, 2.630 mg/L, 1.885 mg/L, 0.297 mg/L인데 반 해, MH 지점의 평균은 7.503 mg/L, 7.220 mg/L, 4.410 mg/L, 1.718 mg/L로 큰 차이를 보였다. T-P, DTP, PO₄-P의 범위 는 각각 0.006 ~ 0.450 mg/L, 0.003 ~ 0.250 mg/L, 0.000 ~ 0.234 mg/L로 인 농도의 경우도 각각의 항목에서 MH 지점 이 상대적으로 높게 나타났다.

질소와 인 관련 수질항목들의 각 지점에 대한 월별 변화 에서 상대적으로 MH 지점에서 높은 경향이 나타났다(Fig. 3). MH 지점은 묵현천 상류에 주거 밀집지역과 산업단지 가 위치하여 영양물질 부하가 크며, 하류에는 화도푸른물센 터가 위치하여 방류수의 수질에 직접적인 영향을 받는다. 일반적으로 방류수에 존재하는 질소와 인은 미생물을 통한 생물학적 처리를 이용하는데, 생물반응조 내 미생물의 활성 은 특히 온도에 영향을 많이 받으며, 겨울철에는 생물학적 처리의 효율이 감소한다고 보고되고 있다(^{Kim, 2010}). MH 지점의 영양물질 농도는 저수온기 뿐만 아니라 전 계절 항 상 높은 것으로 나타나, 하수처리장 방류수의 영향을 직접 적으로 받는 것으로 생각된다.

Fig. 3. Monthly variations of nitrogen and phosphorus from Mar. to Nov. 2015.

3.2. 식물플랑크톤 세포수 및 우점조류 변화

각 지점의 식물플랑크톤 세포수 및 분류군별 우점도를 Fig. 4에 나타내었다. PD의 식물플랑크톤 세포수는 평균 6,397 cells/mL (939 ~ 34,035 cells/mL)로 가장 많았고, SB는 평균 3,759 cells/mL(1,050 ~ 11,217 cells/mL)였으며, CP는 2,788 cells/mL (650 ~ 5,360 cells/mL)로 가장 적은 세포수를 나타냈다. 각 지점에서는 수온이 높아지는 6월부터 유해남 조류가 출현하였으며, PD 지점에서는 8월에 최대 27,860 cells/mL의 세포수를 기록하였고, SB 지점은 최대 4,221 cells/mL, CP 지점의 유해남조류는 최대 411 cells/mL로 나 타났다.

Fig. 4. Changes of phytoplankton communities from Mar. to Nov. 2015.

세 지점 중 상류에 위치한 CP 지점은 식물플랑크톤 세포 수가 적었으며, 여러 유입천을 지나 SB 지점에 이르러 세 포수가 증가하였다. 일반적으로 팔당호로 유입되는 유량은 남한강이 52.7 % 북한강이 44.4 %로 알려져 있으며(^{Kong, 1996}), PD 지점에서는 북한강에서 유입되는 식물플랑크톤 뿐만 아니라 영양염 부하가 높은 경안천의 유입(^{Shin et al., 2000}; ^{Shin et al., 2001}; ^{Yi and Park, 2004})과 남한강 에서 유입되는 Stephanodiscus hantzschii 및 Merismopedia glauca 등과 같은 세포크기가 작고 증식이 빠른 식물플랑 크톤의 영향, 체류시간 증가(^{Kim et al., 2014}; ^{Song et al., 2015})로 인한 여름철 유해남조류의 증가 등의 영향으로 식 물플랑크톤 세포수가 크게 증가한 것으로 판단된다.

PD의 우점종 천이는 3월~ 4월에 크기가 작고 증식이 빠 른 규조류인 Stephanodiscus hantzschii가 성장하면서 규조 류의 우점도가 각각 94.2 %와 79.0 %로 높았고, 5월~ 6월 에 녹조류의 점유율이 서서히 증가하다가 고수온기인 7월 ~ 9월에 남조류가 증가하면서 최대 67.4 %의 점유율을 보 였다. 이후 수온의 감소에 따라 규조류와 기타조류가 우점하 는 전형적인 온대기후의 천이 과정이 나타났다(^{Hutchinson, 1967}). SB도 수온이 증가하는 시기(늦봄)에 녹조류의 증가 와 고수온기(여름~초가을)에 남조류가 증가하는 유사한 천 이과정을 보였다. 하지만, 저수온기(겨울~봄철)에 규조류의 점유율은 높았으나, 식물플랑크톤 총세포수는 적어 PD 지 점과는 다른 양상을 보였다. PD와 달리 SB는 비교적 세포 크기가 큰 Synedra속 및 Asterionella속, 그리고 Fragilaria 속이 우점 하였다(^{NIER, 2016}). CP 지점은 강우 후 세포수 가 낮은 가운데 남조류의 점유율이 증가하는 경향을 보였 고 8월에 Mougeotia속의 증가로 녹조류가 일시적으로 우점 하였으나 전체적으로 낮은 세포수를 보였다(Table 1).

3.3. 수질항목별 상관분석 결과

수질인자간의 상관분석 결과를 Table 2에 나타내었다. 수 온과 DO의 상관계수는 -0.645로 온도가 상승할수록 DO가 낮아지는 일반적인 경향을 나타났으며, 질소 화합물인 TN, DTN, NO₃-N, NH₃-N과 높은 음의 상관관계를 나타났다. 이는 앞서 언급하였듯이 전 지점 저수온기에 상대적으로 높은 질소 농도 및 하수처리장 방류수의 영향을 받은 MH 지 점에서 높게 나타났기 때문인 것으로 판단된다(^{Kim, 2010}). SS는 BOD, COD, 그리고 인 화합물(TP, DTP, PO₄-P)과 높은 상관관계를 보였으며, 강우 시 상류 및 각 유역의 유입 에 의한 것으로 보인다. Chl-a는 NH₃-N와 상관계수 -0.339 로 음의 상관관계를 나타냈다. ^{Kappers (1980)}에 따르면 NH₃-N은 식물플랑크톤의 성장 시 쉽게 이용할 수 있는 질 소의 형태로 알려져 있으며, 식물플랑크톤 증가로 인해 음 의 상관관계가 보인 것으로 판단된다.

3.4. 수질과 식물플랑크톤의 상관성 분석

조류와 각각의 수질인자와의 상관관계를 Table 3에 나타 내었다. 수온은 총세포수와 유의한 상관성을 보이지 않았으 나, 각 분류군별로 규조류(-0.406)와 음의 상관관계를 나타 냈으며 녹조류(0.324), 남조류(0.364)와는 양의 상관관계를 보여 ^{Yu et al. (2014)}의 연구와 유사한 경향을 보였다. SS 는 계수 값이 0.541로 총세포수와 양의 상관성을 나타냈으 며, 녹조류보다는 규조류(0.293)와 남조류(0.448), 기타조류 (0.349)와 상관성이 있는 것으로 나타났다. Chl-a와 총세포 수는 0.679로 높은 관련성을 보였으며, 남조류(0.742)와 높 은 상관관계를 보여 남조류 우점과 Chl-a의 관련을 설명한 대청호(^{Shin et al., 1999}), Chl-a와 총세포수 및 유해남조류 의 관계를 설명한 수원 일월저수지의 연구(^{Kim et al., 2013})와 유사한 결과를 나타내었다. BOD와 COD는 상관계 수가 각각 0.759, 0.638로 총세포수와 강한 양의 상관관계 를 나타냈으며, 분류군별로도 남조류 및 기타조류와 관련이 높아 서로 유사한 패턴을 보였다. 질소는 TN, DTN이 총세 포수와 약한 양의 상관성을 보였으며, 다른 분류군 보다 규조류와 상관성(TN: 0.569, DTN: 0.571)이 높았다. NO₃-N 은 계수 값이 0.449로 규조류와 양의 상관성을 보였으며, NH₃-N은 녹조류 및 남조류와 관련이 있었다. 인 항목 중 TP, DTP가 전체세포수와 약한 양의 상관관계를 보여 질소 와 유사한 결과를 보였으나, 질소와는 달리 규조류 보다는 남조류와 상관성이 있는 것으로 나타났다.

3.5. 주성분 분석 및 요인분석

북한강에서의 수질항목을 대상으로 주성분분석 및 요인 분석을 실시하였다. 주성분을 결정하기 위해서 15개의 요 인 중 고유치의 값이 1 이상인 요인만을 추출하는 방식을 사용하였으며(^{Kim et al., 2007}), 전체 수질에 대한 주성분 분석 결과 4개의 주성분이 추출되었다(Table 4). 제 1요인 의 고유치는 4.733으로 31.566 %를 기여하고, 제 2요인의 고유치는 4.031로 26.875 %를 기여하였다. 나머지 제 3요인 과 제 4요인은 고유치가 각각 2.410 (16.064 %), 1.162 (7.745 %)를 나타냈다. 제 1요인~ 제 4요인은 전체 분산의 82.240 %를 설명하며, 우리나라 주요 수계의 주성분분석 결과 를 비교해 보면, 낙동강의 연구(^{Gwak and Kim, 2015})는 81.071 %로 유사하였고, 섬진강의 연구(^{Park et al., 2014})는 68.990 %로 북한강 보다 주성분이 차지하는 비중이 낮게 나타났다.

요인분석 결과는 변량과의 상관계수에 따른 요인 구조를 명확하게 나타내주는 Varimax 방식을 적용하였다(Table 5). 제 1요인은 T-N, DTN, DO, NO₃-N, 수온이었고, 제 2요인은 PO₄-P, T-P, DTP, SS였다. 제 3요인은 Chl-a, COD, BOD, NH₃-N, pH로 나타났으며, 제 4요인은 EC였다. 요인분석 결과 제 1요인에서는 질소항목이 대부분을 차지하였고, 이 는 대상지점에서의 질소 부하량이 높은 것으로 사료되며, 제 2요인은 인과 부유물질 항목으로 낙동강의 연구(^{Gwak and Kim, 2015})와 같이 유량의 변동에 의한 유입이 원인인 것으로 판단된다. 제 3요인은 Chl-a, COD, BOD 등의 유기 물 항목이 주를 이루었는데, 이는 난분해성 유기물질이 포 함된 하수의 유입이 원인인 것으로 사료된다.

^{Kim et al. (2005)}의 연구에 따르면 팔당호의 수질관리를 위해서는 각 유역에 위치한 하수처리장 방류수의 관리가 필요한 것으로 언급하였으며, ^{Hwang et al. (2016)}의 연구 에 따르면 팔당호의 부영양화를 결정짓는 원인으로 유역에 서 발생하는 하수 처리수의 영향이 크다고 하였다. 본 연 구에서도 수질에 영향을 주는 제 1요인~ 제 3요인은 영양 염(질소, 인)과 유기물 항목이었으며 이는 상류 및 각 지천 에서 유입되는 점오염원 및 비점오염원이 영향을 준 것으 로 판단된다(^{Hwang et al., 2016}; ^{Kim et al., 2005}, ²⁰⁰⁷). 따라서 각 유입지천에서 유입되는 수질 및 유량 패턴에 대 한 지속적인 모니터링 및 본류에 미치는 영향평가가 필요 할 것으로 생각된다.