2.1. 조사지점 및 조사방법

팔당호 조사는 댐 상류 400 m 중앙지점을 대상으로 하였으 며 2013년부터 2018년까지 결빙기를 제외한 3월 ~ 12월에 주 1회 조사하였다. 팔당호의 총저수량은 2억 4,400만 톤이고, 유효저수량은 1,800만 톤이며, 홍수위는 EL(+)27.0 m, 상시 만수위는 EL(+)25.5 m, 저수위는 EL(+)25.0 m이다(Table 1, Fig. 1). 조사기간 동안 대상지점의 수심은 평균 21.6 m(20.0 m ~ 23.6 m)였다. 기온과 강수량은 기상청(^{KMA, 2019}) 양평 기상대에서 관측한 일 자료를 사용하였고, 유입량, 방류량, 저 수위 등의 수문자료는 국가수자원관리정보시스템(^{HRFCO, 2019})을 이용하였다. 수온 및 용존산소(DO)는 현장 수질측정 기(YSI 6600D, YSI Inc., Yellow Springs, OH, USA)를 이용 하여 현장에서 수심 1 m 간격으로 측정하였다. 수질 분석을 위한 시료는 Van Dorn 채수기를 이용하여 5개 수심(0.5 m, 4 m, 10.5 m, 17 m, 20 m)에서 채수하였다. 시료는 아이스박스 를 이용하여 4 °C 이하의 상태로 실험실로 옮겼고 총유기탄 소(TOC), 클로로필-a(Chl-a), 총질소(TN), 총인(TP)을 수질오 염공정시험기준에 따라 분석하였다. 환경요인과 SSI 또는 IC-i의 상관분석은 SPSS 20(IBM Corp., Armonk, NY, USA)을 이용하여 Person’s correlation test를 하였고, 유의성은 P<0.01 또는 P<0.05로 확인하였다.

Fig. 1. Location of Paldang Lake, Korea. The sampling site is shown in the black dot.

2.2. 열적 층화 평가

열적 층화의 정도는 SSI를 이용하여 평가하였다. SSI는 수 체의 안정성 지표이며 호수를 등온 조건으로 혼합하는데 필 요한 물리적 작업량을 나타낸다(^{Bertone et al., 2015}; ^{Idso, 1973}; ^{Yu et al., 2010}). 수심별로 수온이 같을 때 SSI는 0이 고 층화가 강해질수록 큰 값을 나타낸다. 이 지수는 수심별 온도 자료 및 호수의 구조에 대한 자료 등 호수의 전체적인 조건을 포함하므로 열적 층화를 논의하는 데 적합한 변수가 될 수 있다.

여기서, ρ는 물 밀도(kg/m³), A₀는 호수의 표면적(m²), z는 수표면부터의 거리(m), z_m은 총수심(m), z₀는 수표면(0m), A(z) 는 깊이 z에서의 호수 수평면적(m²), ρ(z)는 깊이 z에서의 물 밀도(kg/m³), ρ_g는 z_g에서의 밀도(kg/m³), z_g는 수표면부터 호수 무게중심까지 거리(m)로 z_g는 다음과 같이 계산된다.

2.3. 화학적 층화 평가

수질 항목과 관련된 화학적 층화의 강도는 표층수와 심층 수 사이의 농도 차이로 정의된다(^{Yu et al., 2010}). 그러나 농 도 차이는 각 호수의 부영양화 상태 및 각 항목 값에 따라 항목의 농도 수준에 영향을 받는다. 이러한 요인을 고려하여, 수질 ‘i’에 대한 무차원 화학적 계층화 지수 IC-i가 제안되었 다. 이것은 표층수와 심층수의 평균 농도에 대한 농도 차이 의 비율이다.

여기서, CU-i 및 CL-i는 표층수 및 심층수의 수질 항목 ‘i’ 의 농도이다.

3.1. 기상, 수문 요인과 수온 및 DO의 연중 변화

6년간(2013년 ~ 2018년) 팔당호의 강수량, 기온, 방류량, 체 류시간을 Fig. 2에 나타내었다. 조사기간 동안 팔당호 유역의 연평균 강수량은 1,125.8 mm이었으며, 2014년(790.1 mm)과 2013년(1,684.9 mm)에 각각 최소와 최고치를 나타내 연도별 로 그 차이가 매우 컸다(Fig. 3). 무강우일을 제외한 일강수량 은 0.1 mm/day ~ 174.5 mm/day, 평균 10.7 mm/day이었다. 연 도별로는 2015년에 7.7 mm/day(0.1 mm/day ~ 69.5 mm/day) 로 최소, 2013년 13.3 mm/day(0.1 mm/day ~ 174.5 mm/day) 과 2018년에 13.3 mm/day(0.1 mm/day ~ 130.5 mm/day)로 최고치로 나타내며 연간 차이가 컸고, 최대 일강수량은 연평 균 강수량의 16.3배에 해당하였다. 계절별로는 강수량의 47 % 이상이 여름(6월 ~ 8월)에 집중되어 온대 몬순기후의 특징 을 보였다(^{Park et al., 2015}; ^{Shin et al., 2016}).

Fig. 2. Daily and yearly fluctuations of outflow, hydraulic retention time, precipitation and air temperature in Lake Paldang 2013-2018.

연평균 유입량과 방류량은 각각 366.0 CMS(176.2 CMS ~ 607.2 CMS), 365.7 CMS(176.6 CMS ~ 606.8 CMS)로 유입 량과 방류량 모두 2015년에 최소, 2013년에 최대를 나타냈 고, 강수량과 밀접한 관련성이 있었다(r=0.776, P<0.01).

연평균 체류시간은 12.2일이었으며 2013년에 8.2일로 최 소, 2015년에 16.5일로 최대를 나타냈고, 계절별로는 봄 10.6 일, 여름 9.2일, 가을 및 겨울에 14.0일로 여름에 가장 짧은 체류시간을 나타냈는데 특히 1,000 mm/년 이상의 강우가 있 었던 2013년 여름에 3.6일로 최소를 나타냈고, 2015년 겨울 에 20.8일로 최대를 나타냈다. ^{Hwang et al. (2016)}은 강수량 이 30 mm 이상일 때 유입량이 급증하는 경향이 현저했다고 보고하였는데 본 연구 기간에도 일강수량이 30 mm 이하일 때의 일평균 체류시간은 12.4일, 30 mm 이상일 때의 일평균 체류시간은 3.9일로 일강수량 30 mm 이상일 때 체류시간이 크게 감소하는 것으로 나타났다.

Fig. 3에 2013년부터 2018년까지의 3월 ~ 12월 동안 팔당 호의 수심에 따른 수온 변화를 나타내었다. 봄철 평균 수온 은 11.5 °C이었고 표층 수온은 13.0 °C, 심층 수온은 10.5 °C 로 표층-심층의 수온차(Δt)는 약 2.8 °C이었다. 5월 이후부터 기온 상승으로 인해 표층의 수온이 점차 증가하고 심층으로 갈수록 감소하였다. 기온이 지속적으로 상승함에 따라 수층 이 점차 안정화되어 여름 평균 수온은 22.4 °C로 상승하였고 표층 수온은 25.3 °C, 심층 수온은 19.8 °C로 수층이 수직적 으로 층화되었다(Δt = 5.5 °C). 이 기간 동안 강수량이 30 mm 이하인 날의 Δt는 7.1 °C이었던 반면, 30 mm 이상인 날 은 3.0 °C로 강우시 표층-심층의 수온차가 감소하였다. 강수 량이 30 mm 이상이었던 날은 체류시간이 평균 4.8일로 강수 량이 30 mm 이하였던 기간의 체류시간인 11.5일 보다 2.4배 감소한 것으로 보아 강우로 인해 유입량과 방류량이 증가함 에 따라 체류시간이 짧아져 수층별 물리적인 혼합이 일어난 것으로 보인다. 가을 및 겨울에는 평균 수온이 14.4 °C로 다 시 감소하였고, 표층 수온 14.7 °C, 심층 수온 14.1 °C로 표층 -심층의 수온차(Δt)도 약 0.8 °C로 감소하였다.

Fig. 3.

Seasonal variation of water temperature (°C) in Lake Paldang.

(a) 2013, (b) 2014, (c) 2015, (d) 2016, (e) 2017, (f) 2018.

각 계절의 평균 및 표층과 심층의 수온은 연도별로 각각 비슷한 범위를 보였지만 2013년, 2018년 봄과 2013년, 2017 년 여름의 Δt는 다른 해 동기간에 비해 감소했는데 이 기간 은 다른 해의 동일 기간보다 방류량이 증가했던 기간으로 방 류량 증가에 따른 수체의 물리적 혼합이 수온의 층화에 영향 을 미친 것으로 보인다.

수심별 용존산소(DO) 변화는 Fig. 4에 제시하였다. 봄철 평균 DO는 11.1 mg/L, 표층 DO는 12.1 mg/L, 심층 DO는 10.4 mg/L로 표층-심층의 DO차(ΔDO)는 약 1.7 mg/L이었고, 여름철 평균 DO는 7.7 mg/L, 표층 DO는 9.8 mg/L, 심층 DO는 5.9 mg/L로 심층으로 갈수록 DO가 감소하여 ΔDO는 약 4.1 mg/L로 증가하였다. 가을 및 겨울철의 평균 DO는 9.6 mg/L, 표층 DO는 10.4 mg/L, 심층 DO는 8.9 mg/L로 ΔDO는 다시 감소하여 약 1.5 mg/L가 되었다. 대체로 봄, 가 을 및 겨울에는 표층-심층간 DO 농도 차이가 작으나, 여름 에는 수심이 깊어질수록 DO농도가 감소하여 표층-심층간의 농도 차이가 커지는 경향을 보였다. 이는 여름에 표층에서는 조류의 광합성 영향으로 산소가 발생되어 DO 농도가 높아 지는 반면 심층에서는 수중 유기물과 함께 바닥에 침강된 유 기물의 분해로 산소가 소비되고, 수온성층의 형성으로 인해 물질적인 수직혼합과 분자확산에 의한 저층으로의 DO공급 이 제한된 결과로 판단된다(^{Kim et al., 2002}). 또한 이 시기 에는 높은 수온의 영향으로 분해속도가 빨라지는 것도 심층 의 빈산소(DO농도 2 mg/L 이하) 상태를 발생시키는 요인이 될 것이다(^{Song et al., 2015}). 2015년 여름에는 일부 기간 동 안 ΔDO가 12 mg/L 이상으로 증가하였고, 6월부터 9월까지 심층에서 최대 7 m 두께로 빈산소 상태가 관찰되었는데 이 는 다른 해에 비해 현저히 감소한 여름철 강수에 의해(여름 철 강수량 : 2013년 ~ 2018년 661 mm, 2015년 377 mm) 방 류량이 줄어들었고(여름철 방류량 : 2013년 ~ 2018년 평균 723 m³/s, 2015년 평균 215 m³/s) 그로 인해 물리적인 수직 혼합의 감소에 의한 것으로 판단된다(Table 2, Fig. 5).

Fig. 4.

Seasonal variation of dissolved oxygen in Lake Paldang.

(a) 2013, (b) 2014, (c) 2015, (d) 2016, (e) 2017, (f) 2018.

Fig. 5. IC-DO, outflow and hypoxia occurrence periods

3.2. 열적 층화 평가

팔당호의 대상지점에서의 연직 수온분포와 수체의 구조적 정보를 토대로 SSI를 산출하여 열적 층화를 평가하였으며 그 결과는 Fig. 6와 같다.

Fig. 6.

Time series of Schmidt’s stability index(SSI) and outflow.

(a) 2013 ~ 2018. (b) 2013, (c) 2014, (d) 2015, (e) 2016, (f) 2017, (g) 2018.

팔당호 대상지점의 연평균 SSI(g cm/cm²)는 조사기간 동 안 14.2 ~ 24.3으로 나타났고 이는 팔당호(표면적 : 37 km², 수심 : 25 m)보다 큰 규모인 주암호(표면적 : 33 km², 수심 : 85 m)의 2011년 평균 240보다 10배 ~ 17배 작은 값이었다 (^{Yoon et al., 2014}). 팔당호는 주암호에 비해 수심이 얕고 체 류시간이 짧기 때문에 주암호보다 작은 SSI를 나타낸 것으 로 판단된다.

SSI는 연도별 및 계절별로 유의한 차이를 보였다. 연평균 방류량이 감소한 해인 2014년(20.9), 2018년(19.5)에 전년대 비 증가하였고, 방류량이 증가했던 해인 2013년(17.3), 2016 년(24.3), 2017년(14.2)에 전년과 비교해 감소하였다. 2015년 (18.3)은 방류량이 감소했음에도 SSI가 감소하였다(Fig. 7). 계절별로는 여름(45.3)에 증가하고, 봄(11.9), 가을 및 겨울 (4.8)에 감소하였다. 여름 중에도 강우로 인해 유입량 및 방 류량이 증가했던 날에는 SSI 지수가 15.4로 감소하였다(Fig. 6, Fig. 8).

Fig. 7. Yearly Schmidt’s stability index(SSI) and outflow

Fig. 8. Seasonal changes in Schmidt’s stability index(SSI)

SSI와 기상, 수문자료와의 관계를 분석한 결과 전 기간 동 안 열적 층화는 기온이 높고(r=0.689, P<0.01, n=247), 일조 량이 많을수록 강화되고(r=0.138, P<0.05, n=247), 특히 여름 철 강우기 때는 기온과 일조량 외에도 방류량이 감소하고 (r=-0.527, P<0.01, n=62), 체류시간이 길어질수록(r=0.381, P<0.01, n=62) 안정되었다(Table 3). 팔당호의 대상지점에서 열적 층화와 혼합은 기온과 밀접하게 관련이 있고 여름에는 강우로 인한 방류량 증가가 수체의 안정성을 감소시킬 수 있 다. 반면 열적 층화와 풍속의 관계는 유의하게 나타나지 않 았는데 이는 대상지점에서 조사기간 중에 열적 층화에 영향 을 크게 미칠만한 풍속이 발생하지 않았기 때문으로 판단된 다. 또한 바람은 열적 층화의 주간 변화에 영향을 미치지만 그 규모가 작고 표면부에 한정된 현상이라 본 연구에서처럼 주간 변화가 아닌 일간 변화 및 계절별 변화와의 관계는 낮 게 나타날 수 있다(^{Bertone et al., 2015}, ^{Tuan et al., 2009}, ^{Yang and Arai, 2003}).

3.3. 화학적 층화 평가

팔당호 대상지점의 표층과 심층의 수질 분석결과를 토대로 IC-i를 계산하여 화학적 층화를 평가하였으며 각 수질항목에 대한 SSI와 IC-i의 관계는 Fig. 10에 나타냈다. 호수의 화학 적 층화는 열적 층화 외에도 생화학 반응 및 물리적 작용에 의해 일어난다. IC-i 값은 표층수의 농도가 0일 때 최소값 -2 를 나타내고, 심층수의 농도가 0일 때 최대값 +2를 나타내 며, 표층수와 심층수의 농도가 같을 때는 0으로 계산된다. 또 한 0보다 큰 IC-i는 심층수 농도보다 표층수 농도가 더 높은 층화를 의미하고 0보다 작은 IC-i는 심층수 농도보다 표층수 농도가 더 낮은 층화를 의미한다. 열적 층화 및 화학적 층화 사이의 관계 개념은 Fig. 9와 같다. SSI의 감소는 수체가 수 직적으로 안정되었다는 뜻이므로 IC-i도 감소해야 하는데, SSI가 감소할 때 IC-i가 증가했다면 표층수와 심층수의 물리 적 혼합 외에 다른 생화학 반응 효과가 있었음을 의미한다 (^{Yu et al., 2010}).

Fig. 9. Correlation concept map between Schmidt’s stability index (SSI) and the index of chemical (IC-i), (Yu et al., 2010).

연평균 IC-DO는 0.33(0.13 ~ 0.77)으로 대체로 방류량이 감소한 해에 증가하였고, 특히 2014년에 이어 연 강수량이 800 mm로 크게 감소한 2015년에는 연평균 방류량도 175 CMS로 크게 감소하면서 IC-DO가 0.8로 다른 해에 비해 2 배 ~ 6배 증가하였다. 계절별로는 여름에 증가(0.7)하였고, 봄(0.2), 가을 및 겨울(0.2)에 감소하였다. 여름 중에도 강우 량이 30 mm 이상이었던 날에는 IC-DO가 0.3으로 감소하였 다. SSI와 IC-DO의 관계를 도식화해보면 봄에는 SSI가 0 ~ 50의 범위로 증가할수록 IC-DO는 0 ~ 0.8의 범위로 증가하 는 것을 볼 수 있으며 이는 열적 층화와 DO의 화학적 층화 가 약하고 심층보다 표층의 DO가 더 높다는 것을 의미한다 (Fig. 10). 가을 및 겨울의 열적 층화 변화 범위는 봄철과 비 슷하지만 IC-DO는 -0.1 ~ 1.8로 봄철과 비교하면 화학적 층 화의 강도가 더 큰 것을 알 수 있다. 여름에는 SSI가 1 ~ 120의 범위로 다른 계절과 비교해 열적 층화가 강했고, 이때 IC-DO는 -0.2 ~ 1.9의 범위로 열적 층화가 강해질수록 DO 의 화학적 층화가 강해졌으며 심층보다 표층의 DO가 더 높 았다.

Fig. 10. Relationships between Schmidt’s stability index(SSI) and chemical stratification strength(IC-i)

연평균 IC-TOC는 0.2(0.1 ~ 0.2)로 2014년에 최대, 2017 년에 최소를 나타냈고 전 계절에 SSI가 증가할수록 IC-TOC 는 -0.3 ~ 0.7의 범위로 열적 층화가 강해져도 TOC의 화학 적 층화는 약하게 증가하였다. 연평균 IC-TN는 0.1(0.07 ~ 0.09)로 2015년에 최소, 2018년에 최대를 나타냈지만 큰 차 이는 없었고, 전 계절 동안 -0.4 ~ 0.4의 범위로 열적 층화 가 강해질수록 TN의 화학적 층화가 증가하였지만 그 정도 는 매우 약하였다. 연평균 IC-TP는 0.3(0.2 ~ 0.3)으로 2013 년에 최소, 2014년에 최대를 나타냈고 전 계절에 걸쳐 -1.2 ~ 0.7의 범위로 표층보다 심층의 농도가 높은 경우가 많았 으며 열적 층화가 강해질수록 DO의 화학적 층화는 약하게 증가하였다.

연평균 IC-Chl.a는 0.3(0.2 ~ 0.3)로 2018년에 최소, 2014 년에 최대를 나타냈고, 봄철에는 -1.0 ~ 1.2의 범위로 SSI가 증가할수록 Chl.a의 화학적 층화가 약하게 증가하였고 열적 안정화가 강해질수록 표층보다 심층의 Chl.a가 더 높아지는 경향을 보였다. 여름에는 -0.8 ~ 1.7의 범위로 나타났고 열적 층화와의 관계는 뚜렷하지 않았다. 가을 및 겨울에는 -0.8 ~ 1.6로 열적 층화가 강해질수록 Chl.a의 화학적 층화가 약하 게 증가하였고 열적 층화가 강해질수록 표층의 농도가 심층 보다 높아졌다. ^{Yu et al. (2010)}는 열적 층화 현상의 초기 단계(SSI 0 ~ 50 g cm/cm²)에서 IC-Chl.a가 0 ~ 2의 범위로 증가하는 경향을 보였고 이는 열적 층화의 초기 단계에서 열적 층화가 조류를 성장시키는데 영향을 미친다는 것을 의 미한다고 하였다. 이는 본 연구에서 가을 및 겨울의 결과와 유사하고, 봄의 결과는 이와 유사하나 열적 층화가 강화될수 록 심층의 Chl.a 농도가 표층보다 높아지는 경향을 나타낸다 는 차이점이 있다. 이는 본 연구에서는 제외된 겨울철 결빙 기간(1월 ~ 2월)에 표층에서 조류의 성장이 제한되고, 부유 성이 없어 물의 흐름이 약할 때 침강하는 특성의 규조류가 봄철 팔당호의 우점 조류라는 것이 상대적으로 심층의 Chl.a 농도가 높은 원인으로 설명될 수 있다(^{Liu et al., 2019}). IC 는 열적 층화가 강해지는 여름에 증가하고, 봄, 가을 및 겨 울에 감소하였지만 DO를 제외한 다른 항목은 그 차이가 크 지 않았다.

3.4. SSI와 IC-i의 상관관계 및 강우, 계절에 따른 수 직적 변화

SSI와 IC-i의 상관관계는 모든 항목이 유의하게(p<0.01) 분 석되었다(Table 4). 이 결과는 화학적 층화가 열적 층화에 의 해 결정된다는 것을 의미하는 것으로 열적 층화가 강해지면 화학적 층화가 강해졌다. SSI와 IC-DO의 상관관계를 계절별 로 분석한 결과 봄(r=0.635, P<0.01, n=73)과 가을 및 겨울 (r=0.506, P<0.01, n=96)에 유의한 상관관계를 나타낸 반면, 여름에는 유의한 상관성이 나타나지 않았다. 이는 봄, 가을 및 겨울에는 열적 층화로 인한 수체 안정화가 DO 분포에 영 향을 주는 반면, 여름의 DO 분포는 열적 층화보다는 식물성 플랑크톤의 성장과 유기물 분해에 의해 결정되기 때문에 IC-DO 값과 SSI 사이의 상관관계가 명확하지 않았던 것으로 판단된다(^{Yu et al., 2010}). 이는 집중강우시에 유입량과 방류 량이 급증하면서 열적층화가 파괴되는 현상도 이유가 될 것 이다. SSI와 IC-TOC의 상관관계는 전 계절에 유의하게 나타 났다(r=0.569, P<0.01, n=247)(Table 4). SSI와 IC-Chl.a의 상 관관계는 봄(r=0.300, P<0.01, n=73), 가을 및 겨울(r=0.406, P<0.01, n=96)에는 유의하게 나타났지만, 여름에는 유의한 상관성이 나타나지 않았다. SSI와 IC-TN의 상관관계는 봄 (r=-0.233, P<0.01, n=73), 가을 및 겨울(r=0.275, P<0.01, n=96)에는 유의하게 나타났지만, 여름에는 유의한 상관성이 나타나지 않았는데 여름에 IC-TN은 열적 층화보다 표층에서 의 식물성 플랑크톤 생산에 의한 질소 소비가 TN의 층화에 영향을 더 크게 미치는 것으로 판단된다(^{Yu et al., 2010}). SSI와 IC-TP의 상관관계는 봄(r=0.303, P<0.01, n=73), 여름 (r=0.261, P<0.01, n=78)에는 유의하게 나타났지만, 가을 및 겨울에는 유의한 상관성이 나타나지 않았는데 이는 봄, 가을 및 겨울에는 화학적 층화가 열적 층화의 영향을 크게 받지만 여름에는 열적 층화 외의 다른 요인의 영향을 받는 것으로 사료된다.

IC-DO와 기상, 수문자료와의 관계를 분석한 결과 봄 (r=0.453, P<0.01, n=73)과 가을 및 겨울(r=0.535, P<0.01, n=96)에는 기온이 높을수록 DO의 수심별 층화가 강화되었 고, 여름에는 일조시간(r=0.343, P<0.01, n=78)과 체류시간 (r=0.799, P<0.01, n=78)이 길고 방류량(r=-0.487, P<0.01, n=78)이 작을수록 안정되었다(Table 5). 봄, 가을 및 겨울에 는 수직적으로 잘 혼합되었고 여름에는 수온과 DO가 표층 이 높고, 심층으로 갈수록 낮아졌으나 여름철 강우시에는 빠 르게 혼합되었고, 강우가 종료되면 7일 ~ 14일(조사주기 : 7 일) 이내로 다시 수직적으로 층화되어 심층에 빈산소층을 형 성했다(Fig. 11, Fig. 12).

Fig. 11. Seasonal vertical profiles of water temperature and dissolved oxygen in Lake Paldang

Fig. 12. Water temperature and dissolved oxygen before and after the summer rainfall in Lake Paldang.