2.1 연구지역 및 자료수집

연구지역은 북한강과 임진강 유역의 본류를 중심으로 북한강 4개 지점(BW-A, BW-B, BW-C, BW-D), 임진강 2개 지점(IW-A, IW-B)을 선정하였다(Fig. 2). 각 지점은 한강수계 수질오염총량관리제도로 운영하는 총량측정망 지점에 해당하며 각각 북한강과 임진강의 본류에 위치한다. 북한강의 BW-A는 북한강 발원지에서 화천댐까지, BW-B는 화천댐부터 춘천댐까지, BW-C는 춘천댐에서 가평천 합류점까지, BW-D는 가평천 합류점에서 청평댐까지, 임진강의 IW-A는 임진강 발원지부터 한탄강 합류점, IW-B는 한탄강 합류점부터 한강 합류점까지의 수질을 대표한다. 연구지역에 해당하는 국내 유역 면적은 북한강이 4,766.59 km², 임진강 유역이 2,986.70 km²다.

Fig. 2.Location of station for long-term monitoring of water quality in the Bukhan and Imjin river basins.

북한강 유역과 임진강 유역의 도시화 및 산업화 정도를 판단할 수 있는 불투수 면적률, 토지이용 면적, 인구, 산업폐수 방류량을 조사하여 비교하였다. 중권역 평균 불투수 면적률은 북한강 유역의 춘천댐이 2.0%, 소양강이 2.0%, 의암댐이 6.5%, 청평댐이 4.4%이며 임진강 유역의 한탄강이 7.0%, 임진강 하류가 6.3%로 임진강 유역이 더 높다. 토지이용 면적은 북한강 유역이 산림 80.57%, 대지 3.23%, 농지 8.26%, 임진강은 산림 57.99%, 대지 6.81%, 농지 22.22%로 임진강의 대지 및 농지 이용 비율이 더 높다(^{NIER, 2019b}). 대지 면적은 북한강이 2008년 122 km²에서 2017년 154 km²로 32 km² 증가하였고, 임진강은 2008년 160 km²에서 2017년 205 km²로 45 km² 중가했다(^{NIER, 2020}).

유역별 총인구는 북한강이 2008년 487,204명에서 2017년 549,415명으로 62,211명 증가하였고, 임진강은 2008년 603,102명에서 2017년 649,615명으로 46,513명 증가하였다. 산업폐수 방류량의 경우 북한강은 2008년 8,183 m³/day에서 2017년 6,315 m³/day로 1,868 m³/day 감소하였으나 임진강은 2008년 157,484 m³/day에서 2017년 204,019 m³/day로 46,535 m³/day 증가하였다(NIER, 2020).

북한강 유역과 임진강 유역의 중권역별 가축 사육두수 변화량과 해당 유역 시ㆍ군의 가축분뇨 발생량을 조사하였다(ME, 2020). 북한강 유역 총 사육두수는 2008년 118,373두에서 2017년 119,844두로 총 1,471두가 증가하였다. 중권역 중 가축 사육두수가 가장 많은 곳은 춘천댐 유역이며 2008년 46,281두에서 2017년에는 52,126두로 증가하였다. 북한강 유역에 해당하는 7개 시ㆍ군은 춘천, 가평, 화천, 인제, 남양주, 양구, 양평이며 이 지역의 가축분뇨 발생량은 2008년 3,789 m³/day에서 2017년 3,321 m³/day로 감소하였다. 임진강 유역 중권역 중 가축두수가 가장 많은 곳은 한탄강 유역이며 2008년 410,206두에서 2010년 834,658두로 급격히 증가하였다가 이후 감소하였고 2017년에는 총 689,566두였다. 임진강 유역 6개 시ㆍ군은 철원, 동두천, 파주, 포천, 양주, 연천이며 가축분뇨 발생량은 2008년 5,956 m³/day에서 2017년 11,871 m³/day로 증가하였다(Fig. 3).

Fig. 3.Status of heads of livestock and manure production (2008~2017) in (a) Bukhan river basin and (b) Imjin river basin (ME 2020).

북한강 유역과 임진강 유역에 해당하는 시ㆍ군 지역의 연간 가축분뇨 발생량과 각 가축분뇨 처리 방법을 이용하는 농가 수를 비교하였다(ME, 2020; Fig. 4). 북한강 유역의 전체 가축분뇨 처리 농가 수는 2008년에 1,890개소였으며 2011년에는 11,062개소로 증가했고 이후 감소하여 2017년에는 6,847개소였다. 가축분뇨 처리 방법은 개별 자원화 처리 방법이 2008년 2,061개소, 2017년 6,760개소로 가장 많고 공공처리 및 위탁처리는 2008년 79개소에서 2017년 311개소로 다음으로 많았다. 2017년 북한강 유역 총 가축분뇨 처리량은 1,950.4 m³/day이며 자원화 처리 방법은 1,604.7 m³/day로 가장 많고 공공처리 및 위탁처리는 279.0 m³/day, 정화처리는 66.7 m³/day였다(ME, 2020).

Fig. 4.Status of manure production and livestock manure treatment (2008~2017) in (a) Bukhan river basin (7 cities) and (b) Imjin river basin (6 cities) (ME 2020).

임진강 유역의 전체 가축분뇨 처리 농가 수는 2008년 1,983개소에서 이후 증가하였으나 2015년 대규모 농장 증가와 소규모 농가의 폐업 때문에 2,298개소로 감소하였다. 2016년에는 수도권의 축사들이 주변 민원으로 경기 북부 지역 등으로 이전하고 무허가축사적법화로 인한 무허가 농장들이 포함됨에 따라 11,871개소로 증가하였다. 가축분뇨 처리 방법은 개별 자원화 처리 방법이 2008년 1,610개소에서 2017년 8,088개소로 가장 많았으며 공공처리 및 위탁처리는 2008년 236개소에서 2017년 3,332개소로 다음으로 많았다. 임진강 유역 2017년 총 가축분뇨 처리량은 11,558.9 m³/day이며 자원화 처리 방법은 7,810.1 m³/day, 공공처리 및 위탁처리가 3,301.6 m³/day, 정화처리가 447.2 m³/day였다(ME, 2020).

국립환경과학원에서 산정한 2015년도 전국 시군별 양분수지 중에서 연구지역 유역에 해당하는 시군의 양분수지를 표로 정리하였다(NIER, 2018; Table 1). 북한강 유역 7개 시ㆍ군의 질소수지는 168∼431 kg-N/ha, 인수지는 37∼86 kg-P/ha 범위로 산정되었다. 임진강 유역 6개 시ㆍ군은 질소수지가 304∼819 kg-N/ha, 인수지가 59∼165 kg-P/ha 범위로 산정되었으며 북한강 유역보다 각 양분수지가 높았다. 전국 154개 시군의 평균은 질소수지가 240 kg-N/ha, 인수지가 38 kg-P/ha이며 OECD가 발표한 우리나라 2017년 양분수지인 질소수지 212 kg-N/ha, 인수지 46 kg-P/ha와 비슷하다.

위 유역별 환경 현황조사 결과 북한강 유역은 임진강 유역보다 면적은 넓으나, 불투수 면적률, 대지 면적, 인구, 산업폐수 방류량이 적으므로 임진강 유역보다 도시화 및 산업화로 인한 수질 영향은 미미하다. 유역별 가축 사육두수 또한 임진강 유역이 북한강보다 2017년 기준 5.7배 이상 많으며 가축분뇨 발생량도 3.5배 이상 많다. 따라서 유역 환경이 다른 두 유역 간의 해양투기 금지 전후 수질 경향성을 비교하면 가축분뇨 발생량 증가와 처리 방법으로 인한 수질 변화의 유의미한 결과를 도출할 수 있을 것으로 판단하여 두 유역을 연구지역으로 선정하였다.

연구 대상 수질항목은 대표적인 현장수질 항목 및 농업 비점오염원 항목인 EC(전기전도도), T-N(총질소), T-P(총인), BOD(생물화학적 산소요구량)로 선정하였다. 각 지점의 수질 자료는 환경부 물환경정보시스템에서 수집하였다. 자료수집 기간은 해양투기가 금지된 2012년 말을 기준으로 전후 각각 5년으로 하여 이전(2008∼2012년)과 이후(2013∼2018년)의 수질 변동 경향성을 비교하였다. 수질 자료는 해당 지점에서 평균 8일 간격으로 채수하여 수질 분석하였으며 모든 분석에는 월평균 값을 사용하였다. 결측 자료의 경우 전후 자료의 평균값을 대입하여 결측으로 인한 영향을 최소화하였다.

2.2 경향성 분석

먼저 해양투기 금지 이전과 이후의 각 수질 항목의 단조증가 혹은 단조감소 경향성을 분석하였다. 선형회귀분석(linear regression)은 대표적인 모수적 경향성 분석 방법으로서 자료에 부합하는 직선식의 기울기를 이용하는 방법인데 이 회귀직선과 자료와의 부합 정도는 결정계수(r²)로 판단한다. 여기에서 결정계수는 1에 가까울수록 직선식이 자료와 잘 부합되었음을 의미한다. 그러나 결측값과 이상값에 의한 영향이 크게 나타나는 방법이므로 분석을 시작하기 전에 자료의 적절한 검토 및 처리가 필요하다(^{Choi and Lee, 2009}). 또한 해양투기 금지 이전과 이후의 수질 항목별 평균값과 중앙값을 비교하여 그 변동을 검토하였다. 선형회귀직선의 기울기 값은 음의 값(negative)의 경우 해당 수질 항목이 감소 경향성, 양의 값(positive)의 경우 증가 경향성인 것으로 분석하였다.

비모수적 경향성 분석 방법인 MK (Mann-Kendall)과 SMK (Seasonal Mann-Kendall) 경향성 분석을 이용하여 선형회귀분석과 마찬가지로 해양투기 금지 이전과 이후의 경향성을 분석하여 비교하였다. MK과 SMK 경향성 분석은 선형회귀분석과 달리 자료의 서열 혹은 변동 기울기를 이용하기 때문에 결측값과 이상값의 영향이 적고 비정규분포를 따르는 자료도 오차를 줄여 분석할 수 있다(^{Meals et al., 2011}). SMK 경향성 분석의 기본 분석 원리는 MK 경향성 분석법과 같으나 자료의 계절성을 배제하므로 우리나라와 같이 사계절의 강수량과 기온 및 수온 변화가 뚜렷한 지역의 경우 계절 변동에 의한 변동오차를 줄여 추세 분석 능력을 높일 수 있다(Choi and Lee, 2009; ^{Hirsch et al., 1991}; ^{Kendall, 1975}; ^{Mann, 1945}; ^{Yu et al., 2010}). MK과 SMK 경향성 분석에서는 신뢰수준(confidence level)은 95%, 유의수준(p)은 0.05 미만으로 기준을 설정하여 유의미한 경향성을 파악하였다. 또한 증가와 감소 경향성은 Z값으로 판단하며 Z가 음의 값(negative)의 경우 감소 경향성, 양의 값(positive)의 경우 증가 경향성으로 분석하였다.

그러나 MK과 SMK 경향성 분석법 또한 결과적으로 단조 증가 및 감소 경향성만을 보여주기 때문에 이를 보완하기 위해 LOWESS (LOcally WEighted Scatter plot Smoother) 분석을 적용하였다. LOWESS 분석은 회귀선이 곡선으로 반영되는데 경향성 변동사항에 대한 선형 경향을 적절하게 조절할 수 있다. 회귀곡선은 평활상수(f) 값이 커질수록 직선에 가까워지고(과소적합), 평활상수(f) 값이 작으면 곡선의 휘는 정도가 커져 과다적합 하게 된다(^{Cleveland, 1979}). 따라서 적절한 회귀곡선을 얻기 위해 f값은 0.5로 설정하였다.

2.3 상관관계 분석

유역별 수질 변동과 자연적 원인(강수량)과 가축분뇨 발생량, 가축분뇨 처리 방법의 변화와 어떠한 상관관계가 있는지 분석하기 위해 비모수적 상관분석 방법인 스피어만 상관분석(Spearman’s correlation analysis)를 이용하였다. 지점별 강수량 자료의 경우 북한강 유역은 춘천 기상대, 임진강 유역은 파주기상대의 자료를 기상청 홈페이지에서 수집하였다. 분석에 이용한 자료들은 표준화 변수로 변환(정규화)하여 각 자료의 단위 차이 영향을 최소화하였다. 상관분석 결과는 유의수준(p)이 0.05 미만이며 상관계수가 ±0.5 이상인 값을 통계적으로 유의한 것으로 하였다.

3.1 선형회귀분석 및 평균값과 중앙값 비교

해양투기 금지 이전(2008∼2012년)과 이후(2013∼2017년)에 대한 선형회귀분석을 실시한 결과 EC의 경우 BW-A, BW-B, BW-C, BW-D와 IW-A 지점이 해양투기 금지 이전에 음의 기울기(negative)에서 이후에 양의 기울기(positive)로 변동하였다(Table 2; Fig. 5). 기울기 값 범위는 해양투기 금지 이전에 -3.E-03∼-1.E-03로 감소하였다가, 해양투기 금지 이후에는 1.E-02∼2.E-02로 EC가 급격히 상승한 것으로 나타났다. IW-B의 EC 기울기 값은 이전 4.E-02에서 이후 3.E-02으로 감소하였지만 다른 지점과 비교했을 때 EC의 양의 기울기 값이 크고 전후 모두 양의 기울기 값을 갖고 있으므로 해양투기 금지 이후에도 EC가 꾸준히 상승하고 있는 것으로 해석하였다.

Fig. 5.Linear regression results for EC and T-N (examples) at the sites (BW-D, IW-A, and IW-B) and monthly precipitation. (blue dotted line: before the prohibition of ocean dumping, red solid line: after the prohibition of ocean dumping).

T-N의 경우 해양투기 금지 이전에는 전 지점이 양의 기울기(2.E-05∼5.E-04)였으나 이후에는 BW-B, BW-D, IW-B은 음의 기울기 값(-7.E-05∼-1.E-05), BW-A, BW-C, IW-A는 양의 기울기 값(4.E-05∼2.E-04)으로 나타났다(Table 2; Fig. 5). T-P는 해양투기 금지 이전에 전 지점이 음의 기울기 값에서 이후에는 음 또는 양의 기울기 값으로 변동하였지만 모두 소수점 아래 4자리 미만이었다. BOD는 해양투기 금지 이전에는 BW-A, BW-B, BW-C, BW-D가 음의 기울기, IW-A, IW-B가 양의 기울기 값이었으나 이후에는 BW-A, BW-B, BW-C가 양의 기울기, BW-D, IW-A, IW-B가 음의 기울기 값으로 각각 변동하였다. 그러나 EC와 비교했을 때 T-N, T-P, BOD의 기울기 값과 변동 폭이 작아서 단순 기울기의 증가ㆍ감소로 변동 경향을 분석하기는 어렵다.

각 지점 수질 항목의 해양투기 금지 이전과 이후 평균값과 중앙값을 산정하여 비교하였다(Table 3, 4). 각 지점의 평균값과 중앙값은 서로 비슷하고 이전과 이후의 증가감소 경향도 BW-B의 BOD를 제외하고 모두 일치하였으며 각 지점의 수질 농도는 상류에서 하류로 갈수록 증가하였다. EC의 경우 평균값과 중앙값 모두 전 지점이 이전에 평균값 84∼313 µS/cm, 중앙값 84∼292 µS/cm이었으나 이후 평균값 100∼489 µS/cm, 중앙값 96∼443 µS/cm로 증가하였다. T-N은 BW-A, BW-B, BW-C, BW-D, IW-B가 이전에 평균값 1.156∼2.758 µS/cm, 중앙값 1.051∼2.650 µS/cm에서 이후 평균값 1.279∼3.364 µS/cm, 중앙값 1.173∼2.973 µS/cm로 증가하였고 IW-A는 반대로 이전 평균값 1.051 µS/cm, 중앙값 0.992 µS/cm에서 이후 평균값 0.891 µS/cm, 중앙값 0.868 µS/cm로 감소하였다.

T-P의 경우 BW-A, BW-B, BW-C, BW-D는 이전 평균값 0.015∼0.030 mg/L, 중앙값 0.011∼0.026 mg/L에서 이후 평균값 0.010∼0.017 mg/L, 중앙값 0.008∼0.014 mg/L로 감소하였으나 IW-A, IW-B는 이전 평균값 0.020∼0.063 mg/L, 중앙값 0.015∼0.056 mg/L에서 이후 평균값 0.021∼0.079 mg/L, 중앙값 0.017∼0.070 mg/L로 증가하였다. BOD의 경우 BW-A는 이전과 이후의 평균값과 중앙값이 모두 0.5 mg/L로 변동하지 않았다. BW-B는 평균값의 경우 이전과 이후 0.6 mg/L로 변동이 없었으나 중앙값은 이전 0.6 mg/L에서 이후 0.5 mg/L로 감소하였다. BW-C, BW-D는 이전 평균값 1.1 mg/L, 중앙값 1.0∼1.1 mg/L에서 이후 평균값 0.9 mg/L, 중앙값 0.8∼0.9 mg/L로 감소하였으며 IW-A, IW-B는 이전 평균값 0.7∼1.5 mg/L, 중앙값 0.7∼1.2 mg/L에서 이후 평균값 0.9∼2.0 mg/L, 중앙값 0.8∼1.9 mg/L로 증가하였다.

3.2 Mann-Kendall 경향성 분석

MK 분석 결과 각 지점의 변동 경향성은 선형회귀분석 결과와 유사하게 나타났다(Table 5). EC의 Z값의 경우 해양투기 금지 이전에는 BW-A, BW-B, BW-C, BW-D와 IW-A가 음의 값, IW-B이 양의 값, 이후에는 전 지점이 양의 값으로 나타나 선형회귀분석 결과와 일치하였다. 유의수준(p) 0.05 미만에 해당하는 유의미한 경향성을 판단한 결과 해양투기 이전에는 전 지점이 유의미한 경향성이 없었으며 이후에는 BW-A, BW-B, BW-C, BW-D와 IW-A에서 유의미한 증가 경향성이 있는 것으로 나타났다. 통계적으로 유의미한 경향성이 나타난 분석 결과는 증가 경향성과 감소 경향성에 따라 증가는 ‘U (upward)’, 감소는 ‘D (downward)’로 Table 5에 표기하였고, 통계적 유의미성이 없는 경우 ‘-’로 표시하였다. T-N의 Z값은 해양투기 금지 이전에는 전 지점에서 양의 값으로 나타나 선형회귀분석 결과와 일치하였고 이후에는 BW-A, BW-B는 음의 값, BW-C, BW-D, IW-A, IW-B가 양의 값으로 나타나 선형회귀분석 결과와 일부 일치하였다. 유의수준(p) 0.05 미만에 해당하는 지점은 해양투기 금지 이전의 BW-A, BW-B, BW-C, BW-D, IW-A이며 모두 유의미한 증가 경향성이 나타났다. 반면 해양투기 금지 이후에는 전 지점이 유의미한 경향성이 없는 것으로 분석되었다.

T-P의 Z값은 해양투기 금지 이전에는 BW-A, BW-B, IW-A가 양의 값, BW-C, BW-D, IW-B가 음의 값으로 나타났고 이후에는 BW-A, BW-B, BW-C가 양의 값, BW-D, IW-A, IW-B가 음의 값으로 나타나 선형회귀분석 결과와 일부 일치하였다. 유의수준(p) 0.05 미만에 해당한 지점은 해양투기 금지 이전의 BW-C가 유일하며 유의미한 감소 경향성이 있는 것으로 나타났으며 나머지는 모두 유의미한 경향성이 없었다. BOD의 Z값은 해양투기 금지 이전에는 BW-A, BW-B, BW-C, BW-D가 음의 값, IW-A, IW-B가 양의 값, 해양투기 금지 이후에는 BW-A, BW-B, BW-C가 양의 값, BW-D, IW-A, IW-B가 음의 값으로 나타나 선형회귀분석 결과와 일치하였다. 그러나 전 지점이 유의수준(p) 0.05를 초과하여 모두 유의미한 경향성이 없는 것으로 분석하였다.

3.3 Seasonal Mann-Kendall 경향성 분석

SMK 분석을 통해 계절의 영향으로 발생하는 주기적 수질 변동 영향을 최소화하여 주변 환경 변화에 의한 수질 변동 경향성이 있는 지점을 파악하였다(Table 6). EC의 경우 해양투기 금지 이후에 BW-A와 BW-C에서 유의수준(p) 0.05 미만의 유의미한 증가 경향성이 있었으며 BW-A와 BW-C에서 EC를 높이는 외부 환경 요인이 작용한 것으로 해석하였다. MK 분석에서는 해양투기 금지 이후에 BW-A, BW-B, BW-C, BW-D와 IW-A에서 뚜렷한 증가 경향성이 나타났으나 SMK 분석에서는 BW-B, BW-D, IW-A는 경향성이 없는 것으로 나타났다. 따라서 BW-B, BW-D, IW-A는 계절적 영향에 의하여 EC가 변동하는 것으로 분석하였다.

T-N은 해양투기 금지 이전에 BW-A, BW-B, BW-D, IW-B에서 유의수준(p) 0.05 미만의 유의미한 증가 경향성이 있었으며 이후에는 IW-A에서 유의미한 증가 경향성이 나타났다. 즉 BW-A, BW-B, BW-D, IW-B는 해양투기 금지 이전에 외부 T-N의 유입으로 증가하고 있었으나 해양투기 금지 이후에는 경향성이 없어진 것으로 해석하였다. BW-C는 해양투기 금지 이전에 MK 분석에서 유의미한 증가 경향성이 있었으나 SMK 분석에서는 경향성이 없으므로 주요 T-N 농도 변동 원인이 계절적인 영향으로 변동한 것으로 해석하였다. IW-A는 해양투기 금지 이후에 MK 분석에서 유의미한 경향성이 없었으나 SMK 분석에서는 유의미한 증가 경향성이 나타났다. 따라서 IW-A는 주기적인 계절적 영향이 아닌 외부 환경 요인에 의하여 T-N이 증가한 것으로 해석하였다.

T-P는 BW-C에서 MK 분석과 SMK 분석 결과 모두 해양투기 금지 이전에 유의수준(p) 0.05 미만의 유의미한 감소 경향성이 나타났고 나머지 지점 및 해양투기 금지 이후에는 유의미한 경향성이 없었다. 즉 BW-C의 경우 해양투기 금지 이전에 외부 환경 변화 요인에 의하여 T-P가 감소하고 있었으나 해양투기 금지 이후 어떠한 원인으로 인하여 감소 경향성이 없어진 것으로 해석하였다. BOD는 모든 지점에서 MK 분석과 SMK 분석 모두 유의미한 경향성이 없는 것으로 나타났으며 계절적 및 외부 환경 변화에 의한 변동 경향성이 없는 것으로 해석하였다.

3.4 LOWESS 분석

선형회귀분석, MK 분석, SMK 분석 모두 결과적으로 단조증가 및 단조감소로 결과가 나타나므로 이를 보완하기 위해 변동 경향성을 곡선으로 나타낼 수 있는 LOWESS 분석을 수행하였다. LOWESS 분석 결과는 도표상에서 SMK 분석 결과와 함께 도시하여 비교하였다. EC의 LOWESS 곡선은 6개 지점 모두 해양투기 금지 이전인 2008년부터 2012년까지 완만하게 감소하였고 북한강 유역인 BW-A, BW-B, BW-C, BW-D는 2012년 말부터, 임진강 유역인 IW-A, IW-B는 2012년 초부터 해양투기 금지 이후인 2015년까지 급격히 증가했다가 다시 감소하였다(Fig. 6). T-N의 LOWESS 곡선은 북한강 유역 BW-A, BW-B, BW-C, BW-D와 임진강 유역 IW-B의 변동 경향성이 서로 유사하게 나타났다. 각 지점은 해양투기 금지 전인 2008년부터 2012년 말까지 완만하게 증가하였고 해양투기가 금지된 2013년 이후 경향성 없이 일정한 직선으로 나타났다. 반면 IW-A의 경우 경향성이 없는 직선을 이루다가 2012년 초부터 2015년까지 감소한 뒤 2015년부터 증가하는 경향성이 나타났다(Fig. 7).

Fig. 6.LOWESS curve of EC (black dotted line: SMK of before the prohibition of ocean dumping, black solid line: SMK of after the prohibition of ocean dumping).

Fig. 7.LOWESS curve of T-N (black dotted line: SMK of before the prohibition of ocean dumping, black solid line: SMK of after the prohibition of ocean dumping).

[TG_FP]T-P의 LOWESS 곡선은 대부분 지점이 완만하게 감소하며 변동 경향성이 없는 직선으로 나타났다. 반면 BW-C의 경우 해양투기가 금지되기 전부터 2014년까지 감소 경향성이 나타났고 이후에는 경향성이 나타나지 않았다(Fig. 8). BOD의 LOWESS 곡선은 북한강 유역과 임진강 유역의 결과가 서로 다르게 나타났다. 북한강 유역의 BW-A, BW-B, BW-C, BW-D는 해양투기가 금지되기 전부터 2013년까지 감소하다가 이후 2015년까지 상승하고 다시 감소하는 경향성이 나타났다. 반면 임진강 유역의 IW-A, IW-B는 2012년 초부터 해양투기 금지 이후인 2015년까지 증가했다가 이후 다시 감소하였는데 이러한 경향성은 EC의 LOWESS 곡선과 변동 경향이 같다(Fig. 9).

Fig. 8. LOWESS curve of T-P (black dotted line: SMK of before the prohibition of ocean dumping, black solid line: SMK of after the prohibition of ocean dumping).

Fig. 9. LOWESS curve of BOD (black dotted line: SMK of before the prohibition of ocean dumping, black solid line: SMK of after the prohibition of ocean dumping).

3.5 상관관계 분석

스피어만 상관분석을 이용하여 유역별 수질과 강수량, 가축두수, 가축분뇨 발생량, 가축분뇨 처리 방법별 농가 수의 변화가 어떠한 상관관계가 있는지 분석하였으며, 상관계수가 ±0.5 이상, 유의확률이 0.05 미만인 결과에 대해서 상관성이 있는 것으로 해석했다(Table 7). 강수량의 경우 북한강 유역은 EC는 음의 상관계수, T-P는 양의 상관계수가 나타났다. 강수량이 증가하는 경우 강수의 유입으로 인한 희석효과로 EC는 감소, T-P는 비점오염원 등의 원인으로 증가한 것으로 해석했다. 임진강 유역 또한 EC는 음의 상관계수가 나타나 강수량 증가로 인한 EC 감소로 해석하였다. 반면 IW-A는 T-N이 양의 상관계수, BOD가 음의 상관계수, IW-B는 T-P와 BOD가 음의 상관계수로 분석되었다. 이는 IW-A의 경우 강수량 증가 시 T-N은 비점오염원 등의 영향으로 증가하나, BOD는 강수로 인해 희석되어 감소하며, IW-B는 T-P와 BOD 모두 감소한 것으로 해석하였다.

가축 사육두수와 양의 상관계수가 나타난 수질 항목은 BW-B의 T-P, BW-C의 T-P, BW-D의 T-P와 BOD, IW-A의 EC, BOD, IW-B의 BOD였으며, 가축 사육두수 증가 시 북한강은 주로 T-P가, 임진강은 BOD가 증가한 것으로 나타났다. 가축분뇨 발생량의 경우 임진강 유역에서는 통계적 유의미한 상관계수가 나타나지 않았다. 북한강의 경우 BW-A는 T-P, BW-B는 T-N, T-P, BW-C는 T-N, T-P, BW-D는 EC, T-N, T-P가 통계적 상관성이 있었으며 T-N과 EC는 양의 상관계수, T-P는 음의 상관계수로 나타나 가축두수 증가 시 T-N과 EC는 증가하나, T-P는 반대로 감소한 것으로 분석하였다.

가축분뇨 처리 방법 중 개별 정화처리와 자원화 처리는 임진강에서 상관성이 나타나지 않았다. 북한강의 경우 T-N이 양의 상관계수로 나타났으며 이는 개별 정화처리와 자원화 처리 방법을 이용하는 농가 수가 증가할수록 T-N이 증가한 것으로 해석하였다. 공공처리 및 위탁처리 방법의 경우 북한강은 T-N, T-P, BOD는 양의 상관계수, EC는 음의 상관계수가 나타났다. 이는 공공처리 및 위탁처리 방법을 이용하는 농가 수가 증가하는 경우 T-N, T-P, BOD는 증가하고 EC는 감소한 것으로 해석하였다. 반면 임진강은 EC, T-N, BOD가 음의 상관계수로 나타나 공공처리 및 위탁처리 방법을 이용하는 농가 수가 증가하는 경우 EC, T-N, BOD가 감소한 것으로 분석하였다. 해양투기 방법은 BW-A 지점에서만 통계적 상관성이 있었으며 EC는 음의 상관계수, T-P는 양의 상관계수로 나타나 해양투기 방법이 증가하는 경우 EC는 감소하고, T-P는 증가한 것으로 해석하였다.

3.6 해양투기 금지 이후 가축분뇨 처리 방안

북한강과 임진강 유역 수질의 경향성 분석 결과 각 지점의 수질은 가축분뇨의 해양투기 금지 이후 심각한 오염이나 증가추세가 나타나지는 않았다. 그러나 북한강과 임진강 유역을 비롯하여 전국의 가축두수와 가축분뇨 배출량은 매년 증가하고 있으며, 해양투기가 금지된 이후 개별농가에서의 자원화처리와 공공처리하는 가축분뇨 처리량이 증가하였으므로 이에 대한 대책이 필요하다. 가축두수와 가축분뇨 발생량이 증가하면서 나타나는 가축분뇨의 처리 방법 문제점과 대책 방안은 크게 2가지다. 첫째, 가축분뇨의 발생량과 처리량을 정확히 관리하여 가축분뇨로 인한 오염 발생을 방지해야 한다. 현재 가장 보편적으로 활용되고 있는 개별 농장에서의 퇴비화와 액비화 등의 자원화 처리 방법은 가축분뇨 발생량이 증가하는 경우 퇴비와 액체비료가 실수요량보다 과다 생산될 우려가 있다. 실제 사례로 과다하게 생산된 퇴비는 농경지에 과잉 시비 되거나 노천에 적치되었으며 이는 수계오염으로 이어졌다(KEPA, 2019). 이러한 과잉 생산되는 퇴비로 인한 수계오염을 방지하기 위해서는 먼저 농민들을 대상으로 하는 가축분뇨 및 퇴비 관리 교육을 통하여 과잉 시비 및 부적정 보관을 방지하는 것이 우선이다. 또한 정확한 가축분뇨의 발생량과 처리량 현황을 확인하여 잉여ㆍ방치되는 가축분뇨 없이 모두 적절하게 처리되어야 한다. 이러한 과정을 위해서는 가축분뇨 전자인계관리시스템(www.lsns.or.kr)이 적극적으로 활용되어야 한다.

둘째, 가축분뇨 발생량 증가에 따른 가축분뇨 공공처리 시설의 확충이 필요하다. 현재 자원화 처리 방법 다음으로 많은 처리 비중을 차지하는 것이 공공처리 및 위탁처리 방법이다. 특히 임진강 유역의 경우 공공처리 및 위탁처리로 처리하고 있는 농가 수가 2007년 235개소에서 2017년 3,332개소로 약 14배 증가하였으며 2017년 공공처리 및 위탁처리량은 3,301.6 m³/day에 달했다. 문제는 소규모 축산농가의 경우 분뇨 수집과 운반의 어려움으로 공공처리 시설 이용률이 저조하고, 공공처리 시설에서 처리 가능한 양 이상으로 생산된 가축분뇨는 마땅한 처리 방법이 없다는 점이다(Jeong, Kim et al. 2013).

현재 북한강과 임진강 유역에서 운영 중인 가축분뇨 공공처리 시설은 북한강이 3개소, 임진강이 6개소이며 시설별 제원은 Table 8에 정리하였다(^{KEITI, 2021}; ME, 2020; ^{HRFCO, 2021}). 이중 방류수를 하천으로 바로 방류하는 시설은 총 4개소(GP, P1, CW, PC)이며 연평균 방류 유량과 방류수 수질을 조사한 결과 공공처리 시설의 방류수 수질 기준인 BOD 30 mg/L, T-N 60 mg/L, T-P 8 mg/L 이내를 만족하고 있다(Table 9; Fig. 10).

Fig. 10. Change of effluent discharge, T-N, T-P and BOD of public livestock manure treatment facilities in Bukhan and Imjin river basin (ME, 2020; HRFCO, 2021).

반면 방류량의 경우 대부분의 처리시설이 기존 설계용량보다 많은 양을 방류하고 있으며 일부 시설은 방류량이 증가하고 있다. 앞서 수행한 상관분석에서 공공처리와 위탁처리를 하는 농가 개소 수가 증가함에 따라 북한강은 T-N, T-P, BOD가 증가하였다. 이는 도시화의 영향이 미미하여 오염도가 낮은 북한강의 경우 방류수 수질기준을 만족하더라도 방류수의 양이 증가한다면 수질 영향 가능성이 있음을 나타낸다. 반면 임진강은 상관분석에서 공공처리와 위탁처리를 하는 농가 개소 수가 증가함에 따라 EC, T-N, BOD가 감소하는 상관관계가 나타났다. 이는 기존 공공처리의 이용이 어려웠던 소규모 축산농가는 폐업하고 공공처리를 이용하는 대규모 농장이 증가하면서 가축분뇨의 처리가 원활해졌기 때문으로 판단하였다. 즉 가축분뇨의 공공처리 시설을 이용률을 높이고 방류수의 유량과 수질을 제대로 관리한다면 가축분뇨 발생량이 증가하더라도 환경 오염 영향을 최소화할 수 있을 것으로 기대한다.