2.1 연구 대상 지점

본 연구 대상 지점인 풍영정천은 전라남도 장성군 진원면에서 발원하여 영산강으로 합류하는 하천으로 유역면적은 68.93 km²이며, 유로연장은 16.11 km이다. 풍영정천 유역은 상류에 주로 농경지가 많이 분포되어 있으며 중류는 광주광역시 도심을 지나 도시의 특징도 파악할 수 있어 토지이용별 유기물 특성을 잘 파악하기에 적합한 지점이다.

조사지점은 영산강 상류인 농촌 소유역 1지점, 도시 소유역 1지점, 풍영정천 말단 1지점의 총 3지점을 대상으로 모니터링을 수행하였고 각각의 소유역별 토지이용 현황은 Table.1과 같다. 농촌 소유역인 풍영정천 상류(Woljeong, WJ)는 월정교에 위치해 있으며 산정천과 평산천이 양쪽에서 유입되고 농경지 비율이 62.1%로 농촌 유역이 가장 많은 지점이다. 도시 소유역인 장수천(Jangsucheon, JS)은 도시지역과 농경지역 비율이 각각 36%와 29%로 도시유역의 특성을 잘 반영하고 있는 지점이다. 마지막으로 풍영정천 말단(Pungyeongjeongcheon, PYJ)은 도시지역 26%, 농경지 비율이 47%로 나타났다.

Fig. 1. Location of the study sites.

2.2 강수량 자료 수집

본 연구에서의 강수량 특성에 따른 수질 변화를 분석하기 위해 기상자료개방포털(www.data.kma.go.kr)을 통해 수집하였고 광주기상대 기준으로 2015년부터 2021년의 월별 및 연평균 강수량을 분석하였다.

2.3 수질 모니터링

본 연구의 자료 수집은 2015년 2월부터 2021년 11월까지 진행되었으며 BOD와 COD, TOC의 경우 풍영정천 상류(월정교)는 20개의 강우사상(n = 333회), 비강우 75회, 장수천은 18개의 강우사상(n = 318회), 비강우 75회 풍영정천 말단은 19개 강우사상(n = 333회), 비강우 74회의 모니터링을 수행하였다. 또한, 2020년부터 2021년 기간 동안 DOC와 POC를 추가적으로 분석하여 풍영정천 상류(월정교)는 6개 강우사상 (n = 42회), 비강우 13회, 장수천은 4개 강우사상(n = 41회), 비강우 13회, 풍영정천 말단은 5개 강우사상(n = 35회), 비강우 12회의 모니터링을 수행하였다.

수질은 강우시와 무강우시를 조사하였고 강우시 모니터링은 자동채수기(ISCO6712, Automatic Sampler, USA)를 설치하여 모니터링을 수행하였으며 비강우시 모니터링은 grab샘플링을 하였다. 채수 방법은 강우유출수 조사방법(^{NIER, 2012})에 준하여 강우시 모니터링의 경우 초기 24시간동안에는 1시간씩 등 간격으로, 24시간을 초과하는 경우에는 6시간 간격으로, 48시간을 초과하는 경우 조사 간격을 임의로 조정하여 채수하였다. 비강우 모니터링의 경우 수질오염공정시험기준(^{ME, 2019})에 준하여 샘플링하였다.

2.4 유기물 분석 방법

수질조사 항목은 BOD, COD, TOC, DOC, POC로 수질오염공정시험기준(^{ME, 2014}; ²⁰¹⁷; ²⁰¹⁹)에 준하여 수질 분석하였다. BOD는 수중에 존재하는 호기성 미생물이 유기물을 산화시키는데 소비하는 용존 산소의 양을 측정하여 유기물의 양을 산정하는 것으로 20℃의 인큐베이터에 5일간 배양하여 소비된 산소의 양을 격막전극법으로 분석하였고 COD는 산성 과망간산칼륨법으로 분석하였다. 산성 과망간산칼륨법은 산성하에서 시료에 과망간산칼륨을 일정량 첨가하여 100℃ 수욕조에서 30분간 가열 중탕하고 산화된 시료를 역적정을 통해 소비된 산소의 양을 측정하는 분석법이다. TOC는 금속촉매를 이용한 고온연소장치로 유기물을 완전히 산화시킨 다음 발생하는 이산화탄소를 비분산형 적외선 감지기로 측정한 고온산화방식을 이용하여 측정하였다. DOC는 여과한 후, TOC와 같은 방법으로 분석하였으며 POC는 TOC 농도에서 DOC 농도를 뺀 값으로 산정하였다.

2.5 통계분석

2.5.3 적용성 평가

회귀모형의 적용성 평가를 위해 2021년 6월부터 2021년 11월의 모니터링 자료를 활용하였으며 결정계수(R²)와 Nash-Sutcliffe model efficiency coefficient (NSE, Nash Sutcliffe 모델 효율 계수)를 활용하였다. 결정계수(R²)는 독립변수가 종속변수를 얼마나 잘 설명하는지에 대한 척도로 0.8 이상 Very Good, 0.65 이상 0.80 이하 Good, 0.40 초과 0.65 미만 Satisfactory, 0.50 이하 Not Satisfactory로 평가한다(^{Moriasi et. al, 2015}). NSE는 Nash Sutcliffe 모델 효율 계수로 실측값과 추정값이 1:1로 어느정도 적합한지를 보여주는 정규화된 통계방법으로 측정된 데이터 분산과 비교하여 잔류 분산의 상대적 크기를 결정한다(^{Nash and Sutcliffe, 1970}). 일반적으로 NSE 값이 0.8을 초과하면 Very Good, 0.6 이상 0.8 이하일 때 Good, 0.5 초과 0.6 미만일 때 Satisfactory, 0.5 이하일 때 Not Satisfactory로 평가한다(^{Moriasi et. al, 2015}).

Table 4. Monthly precipitation amount (2015-2021)

Month	2015	2016	2017	2018	2019	2020	2021
Jan	47.2	49.7	11.7	38.8	16.4	74.9	33.0
Feb	23.9	45.2	41.9	22.0	37.0	47.8	31.1
Mar	36.5	55.2	33.2	115.8	33.9	43.5	122.4
Apr	145.5	185	60.6	127.4	84.7	55.3	34.2
May	48.6	104.5	30.2	85.4	78.8	96.8	139.4
Jun	96.1	116.1	42.1	222.4	158.0	199.9	118.1
Jul	164.3	301.3	211.6	84.5	242.2	533.3	227.6
Aug	148.9	81.0	280.5	397.1	64.8	738.1	338.7
Sep	66.6	251.2	108.8	129.7	165.8	178.3	131.1
Oct	90.9	216.7	85.4	125.2	149.9	12.1	35.3
Nov	121.9	31.5	2.1	47.2	22.8	28.3	85.8
Dec	59.2	44.9	28.5	32.4	31.6	18.7	7.1
Sum	1,049.6	1,482.3	936.6	1,427.9	1,085.9	2,027.0	1,303.8

Fig. 2. Monthly precipitation amount (2015-2021).

3.1 강수량 조사 결과

광주기상대 기준 2015년부터 2021년까지의 연평균 강수량은 1,330 mm로 나타났으며 가장 적은 강수량은 2017년도로 937 mm, 가장 많은 강수량은 2020년도인 2,027 mm로 나타났다. 월별 강수량은 홍수기인 6월부터 9월 사이의 강수량이 많았으며 기상청 기준의 계절을 구분하여 계절별 강수량을 분석한 결과, 7개년 평균 봄(3월, 4월, 5월) 245.3 mm, 여름(6월, 7월, 8월) 680.9 mm, 가을(9월, 10월, 11월) 298.1 mm, 겨울(12월, 1월, 2월) 106.1 mm로 나타났다.

3.2 풍영정천 유역의 공간적 수질 특성

2015년 2월부터 2019년 12월까지의 풍영정천 상류(WJ)의 수질항목별 평균 농도는 BOD 4.9 mg/L, COD 8.6 mg/L, TOC 6.4 mg/L로 나타났으며 2020년 9월부터 2021년 11월까지의 수질항목별 평균 농도는 BOD 3.6 mg/L, COD 4.8 mg/L, TOC 4.5 mg/ L, DOC 4.2 mg/L, POC 0.2 mg/L로 나타났고 2020년 이전 수질 농도에 비해 2020년 이후 수질 농도가 감소하는 경향을 보였다. 풍영정천 상류는 BOD 평균 농도가 중권역 물환경 목표기준(영산강 상류 : Ⅲ등급)을 만족하였고 TOC 평균 농도는 목표기준을 초과하는 것으로 나타났다.

장수천(JS)의 수질항목별 평균 농도는 BOD 8.0 mg/L, COD 9.4 mg/L, TOC 7.2 mg/L로 나타났으며 2020년 9월부터 2021년 11월까지의 수질항목별 평균 농도는 BOD 4.0 mg/L, COD 5.0 mg/L, TOC 4.5 mg/L, DOC 3.9 mg/L, POC 0.6 mg/L로 나타났고 2020년 이전 수질농도에 비해 2020년 이후 수질농도가 감소하는 경향을 보였다. 장수천은 BOD, TOC 평균 농도가 중권역 목표기준을 초과하였고 2017년에 BOD, COD, TOC의 평균 농도가 가장 높았으며 2018년을 기준으로 수질이 개선되는 양상을 보였다. 이는 ^{ME (2016)}에서 수행한 수질개선 통합⋅집중사업에 의해 하수관거를 합류식에서 분류식으로 교체하고, 하천정비사업을 통해 수질이 개선된 것으로 판단된다.

풍영정천 유역 말단(PYJ)은 2015년 2월부터 2019년 12월까지의 수질항목별 평균 농도는 BOD 7.6 mg/L, COD 10.0 mg/L, TOC 7.3 mg/L로 나타났으며 2020년 9월부터 2021년 11월까지의 수질항목별 평균 농도는 BOD 7.2 mg/L, COD 6.6 mg/L, TOC 4.9 mg/L, DOC 4.3 mg/L, POC 0.6 mg/L로 나타났고 풍영정천 상류와 장수천과 동일하게 2020년 이전 수질농도에 비해 2020년 이후 수질농도가 감소하는 경향을 보였다. 풍영정천 말단에서도 장수천과 동일하게 BOD, TOC 평균 농도가 중권역 목표기준을 초과하였고 2017년에 BOD, COD, TOC의 농도가 가장 높았으며 BOD와 TOC는 2019년, COD는 2020년에 농도가 가장 낮았다. 농촌 소유역인 풍영정천 상류는 장수천(도시 소유역)과 유역 말단에 비해 수질 농도가 낮았으며, 풍영정천 말단은 풍영정천 상류와 유사한 수질 패턴을 보였으며, 장수천과 유사하게 2020년부터 농도가 낮아지는 양상을 보였다. ^{Beom et al. (2021)}은 풍영정천 말단은 풍영정천 상류와 장수천의 특성을 모두 보이지만, 풍영정천 상류 면적이 전체 면적에 비해 큰 비중을 차지하기 때문에 풍영정천 상류의 특징을 더 잘 반영한다고 하였으며, 본 연구 결과와 유사한 양상을 보였다. 모든 지점에서 2017년에 가장 높은 수질 농도를 보였으며, 예년 평균에 비해 적은 강우로 인하여 수질 농도가 높게 나타난 것으로 판단된다.

3.3 수질항목별 상관분석

풍영정천 유역의 각 지점별 상관분석을 위해 모니터링한 결과를 이용하여 상관분석한 결과를 Table 6에 나타내었다. 모든 지점에서 DOC와 가장 높은 상관성을 보이는 수질항목은 풍영정천 상류 0.951, 장수천 0.862, 풍영정천 말단 0.816으로 TOC에서 가장 높은 양의 상관성(p<0.01)을 나타냈고, 그 중 풍영정천 상류에서 가장 높은 상관성을 보였다. 또한, 풍영정천 상류를 제외한 장수천과 풍영정천 말단은 TOC와 POC 상관계수가 각각 0.750, 0.696으로 높은 양의 상관성(p<0.01)을보였다. 이는 풍영정천 상류에서 전반적으로 용존성 유기물질로 존재하는 것을 의미하며 장수천과 풍영정천 말단 지점은 용존성과 입자성 유기물질이 공존해 있다는 것을 말한다.

Fig. 3. Comparison of concentration of the organic matter indices between 2015-2019 and 2020-2021.

풍영정천 상류는 BOD와 TOC에서 0.450로 보통의 양의 상관성(p<0.05)을 보였으며, 장수천에서는 BOD와 DOC간 보통의 양의 상관성(p<0.05)을 보였다. 풍영정천 말단의 경우 BOD와 COD간 보통의 양의 상관성(p<0.05)을 보였고, TOC와 BOD, TOC와 COD, DOC와 BOD, COD에서 높은 양의 상관성(p<0.01)을 보였다. ^{Jung et al. (2015)} 금호강 난분해성 유기오염물질에 관한 연구와 ^{Kim et al. (2020)} 대청호 유입 소하천 유기물질 유출 특성에 관한 연구에서는 BOD보다 COD가 TOC와 상관성이 높게 나타났지만, 본 연구에서는 Lee et al. (2013)의 농업배수의 유기물 지표간 상관분석과 유사한 결과를 보였다. 금호강 말단은 대구광역시를 관통하고 있어 수질에 많은 영향을 끼치고 있고, 대청호 유입 소하천은 주로 산림지역으로 풍영정천 유역의 토지이용과 다르며, 풍영정천 말단은 농촌유역이 약 47%를 차지하고 있어 농촌유역의 특성이 두드러지기 때문에 이러한 결과가 나온 것으로 판단된다.

3.4 단일 및 다중 회귀모형 개발

단일 회귀모형은 상관분석에서 DOC와 상관성이 가장 높은 TOC를 활용하여 개발하였고, 다중 회귀모형은 두 가지 모형으로 BOD, COD, TOC를 모두 반영한 모형과 BOD와 COD만을 반영한 모형으로 개발하였다.

단일 회귀모형과 다중 회귀모형1(BOD, COD, TOC), 다중 회귀모형2(BOD, COD)를 개발하여 도출한 회귀식과 결정계수는 Table 7와 같다. 단일회귀 모형의 결정계수(R²) 값은 풍영정천 말단(0.665) < 장수천(0.743) < 풍영정천 상류(월정교)(0.905) 순으로 높게 나타났다. 풍영정천 상류(월정교)는 용존성 유기성 유기물질을 대부분 차지하고 있지만 장수천과 풍영정천 말단은 용존성과 입자성 유기물질이 공존하고 있기 때문에 풍영정천 상류(월정교) 지점에서 타 지점에 비해 가장 높은 결정계수(R²) 값을 보인 것으로 판단된다. 결정계수(R²) 값이 높다는 것은 회귀식의 정확도가 높다는 것으로 독립변수인 TOC가 종속변수인 DOC를 잘 설명한다는 것을 의미한다.

다중 회귀모형1은 모든 수질항목을 적용하여 종속변수 DOC 농도, 독립변수 BOD, COD, TOC 농도를 적용하여 다중 회귀모형을 개발하였으며 POC는 이론상으로 TOC와 DOC 농도의 차이값으로 계산됨에 따라 모형 구축 시 제외하였다. 다중 회귀 모형1의 결정계수(R²) 값은 장수천(0.794) < 풍영정천 말단(0.839) < 풍영정천 상류(월정교)(0.912) 순으로 높게 나타났다. 단일 회귀모형과 달리 장수천에서 타 지점에 비해 낮은 결정계수(R²) 값을 보였으며 모든 지점에서 단일 회귀모형에 비해 높은 결정계수(R²) 값을 보였다.

다중 회귀모형2는 TOC 값이 없을 경우 BOD와 COD만으로도 DOC 농도를 추정하기 위해 BOD와 COD만을 반영한 다중 회귀모형을 개발하였다. 종속변수 DOC 농도, 독립변수 BOD, COD 농도를 적용하여 회귀식과 결정계수(R²) 값을 도출하였으며 풍영정천 상류(월정교)(0.127) < 장수천(0.471) < 풍영정천 말단(0.765) 순으로 나타났다. 세 가지 모형 중 가장 낮은 결정계수(R²) 값을 보였으며 특히, 풍영정천 상류(월정교)와 장수천의 결정계수는 0.5 이하로 나타나 회귀식을 신뢰하기에는 어려울 것으로 판단된다.

3.5 회귀모형 적용성 평가

2021년 6월부터 2021년 11월 실측 DOC 농도와 회귀모형을 통해 추정한 DOC 농도를 활용하여 개발한 회귀모형의 적용성 평가를 수행하였다. 적용성 평가는 회귀식에 따른 결정계수(R²)와 NSE 값으로 두 가지 방법을 통해 수행하였으며, Table 8과 같다.

결정계수(R²)로 적용성 평가 결과, 모든 지점에서 단일 회귀모형 R²가 0.9 이상(Very Good)으로 나타났고 다중 회귀모형2에서는 0.5 이하(Not Satisfactory)를 보였다. 다중 회귀모형1에서는 풍영정천 상류와 장수천은 0.8 이상(Very Good)을 보였지만 풍영정천 말단은 0.571(Satisfactory)를 보였다. 단일 회귀모형은 DOC와 상관성이 가장 높은 TOC 항목을 활용하여 개발하였고 다중 회귀모형1은 유기물질을 측정할 수 있는 BOD, COD, TOC 항목을 반영하여 개발하였기 때문에 단일 회귀모형의 결정계수(R²)가 높게 나타난 것으로 판단된다. ^{Jung et al. (2013)}의 TOC 농도 추정을 위해 단일 회귀모형과 다중 회귀모형을 구축한 연구에서는 BOD와 COD를 이용하여 TOC 농도를 추정한 다중 회귀모형의 적합성이 높게 나타났지만 본 연구에서는 DOC 농도 추정으로 DOC는 TOC와 더 밀접한 관계를 가지기 때문에 단일 회귀모형이 더 유의미한 결과를 보인 것으로 판단된다.

NSE로 적용성 평가 결과, 단일 회귀모형과 두 가지 다중 회귀모형을 비교하였을 때, 단일 회귀모형의 NSE 값이 높은 것으로 나타났고 단일 회귀모형에서 풍영정천 상류(월정교)와 장수천은 0.8 이상(Very Good), 풍영정천 말단은 0.428 (Not Satisfactory)로 평가되었다. 또한, 다중 회귀모형1의 풍영정천 말단과 다중 회귀모형2의 풍영정천 상류와 풍영정천 말단 2지점이 NSE 값이 음수값으로 나타났다. 이는 실측 DOC 농도에 비해 추정한 DOC 농도가 과소 산정되어 음수값이 나온 것으로 판단된다.

Fig. 4. Results of R2and NSE through Talor diagram.

회귀식에 따른 결정계수(R²)와 NSE 값을 통해 회귀모형의 적용성 평가를 수행한 결과, 모든 지점과 방법에서 단일 회귀모형의 정확도가 가장 높은 것으로 나타났다. Taylor diagram을 통해 결정계수(R²)와 NSE 값을 분석하였을 때 다중 회귀모형2 < 다중 회귀모형1 < 단일 회귀모형 순으로 정확도가 높은 것으로 나타났다. 하천의 수질은 기상 및 유량 등 다양한 조건의 영향을 받기 때문에 변동성이 크다(^{GRI, 2007}). 이에 따라 하천으로 유입되는 유기물질의 형태에 따라 유기물 지표 간의 상관성은 있지만 DOC는 TOC와 동일한 방법으로 측정하여 유리섬유여과지를 통해 용존성 유기물질만을 측정하는 유기물질이기 때문에 타 지표에 비해 TOC와 더 밀접한 관계를 갖는다. 이러한 이유로 TOC를 활용해 개발한 단일 회귀모형의 정확도가 높게 나타난 것으로 판단된다.

3.6 미측정 기간의 DOC 농도 추정

적용성 평가에서 세 가지 모형 중 가장 높은 정확성을 보인 단일 회귀모형으로 2015년부터 2019년까지의 DOC 농도는 풍영정천 상류는 평균(범위) 6.1(1.3~27.2) mg/L, 장수천 7.2(1.5~57.5) mg/L, 풍영정천 말단 6.9(1.6~29.7) mg/L로 추정되었다. 모든 지점에서 추정한 DOC 농도(2020년 이전)에 비해 관측된 DOC 농도(2020년 이후)가 감소하는 경향을 보였다. 이는 장수천의 경우 2017년 이후 하천정비사업과 수질개선 통합⋅집중형 사업으로 인한 수질개선으로 보이며, 이러한 수질개선 효과는 풍영정천 말단에도 영향을 미친 것으로 판단된다.

다만, 앞서 언급한 대로 수질개선 사업에 의해 2020년 이후 수질이 개선되어 2020년 이전과 2020년 이후의 DOC 평균값은 차이가 있는 것으로 보아 2020년 이후의 BOD, COD, TOC 농도를 활용하여 개발한 모형으로 2020년 이전의 높은 DOC 농도를 추정하는 데에 한계가 있을 것으로 보이며 향후, 지속적인 모니터링을 통하여 많은 데이터 축적으로 미계측 기간의 유기물질 농도를 추정한다면, 추정된 값의 신뢰성이 높아질 것으로 판단된다.

Fig. 5. Time series of DOC including predicted and observed values.