2.1 현장 조사 및 샘플링

낙동강 구미보 구간에서 2021년 하절기 8~9월 기간에 수질과 부유 입자상 물질 거동 변화 추적을 위한 현장 샘플링 및 관측을 수행하였다(Cha et al., 2011)(Fig. 1). 연구 현장에서는 7월부터 남조류 또는 녹조류가 증식하기 시작하여 8월에 정점에 도달한 후 9월에 집중 강우 후 녹조가 완화되었다(^{Wilhelm et al., 2020}). 본 연구 기간 동안 수온은 22~28°C로 변화하였으며, 8월, 9월 2회 현장 관측에서 평균 유량은 각각 75.62, 160.69m³/s으로 나타났다(Fig. 2).

Fig. 1. Study area. Gumi reservoir is a section of Nakdong River located in Gyeongsangbuk, South Korea (Cha et al., 2011). L, C, and R indicate the locations of the sampling points, which are Left, Centerline, and Right streamlines, respectively.

Fig. 2. Respectively conducted in August and September 2021. The national monitoring data can be freely obtained from the corresponding public websites (www.wamis.go.kr and water.nier.go.kr).

MIDAS Surveyor (Valeport, Totnes, United Kingdom) 이중 채널 음향측심기를 사용하여 녹조(8월) 및 집중 강우 직후(9월) 시기에 각각 하상 유동상 퇴적층을 관측하였다. MIDAS Surveyor의 이중 주파수를 적용하여 각 유동상 퇴적층과 하부 기반 퇴적층의 경계면 수심을 관측하였다(^{Gardel et al., 2021}; ^{Jolivet et al., 2022}; ^{Le Nguyen and Luong, 2019}). 210kHz의 고주파수는 물-유동상 퇴적층 경계면을 감지하는 반면, 33kHz의 저주파는 유동상 퇴적층과 압밀된 기반 퇴적층의 경계를 구별할 수 있는 것으로 보고되었다(^{Balan et al., 2013}; ^{Kirichek et al., 2018}). 현장 조사 중에는 수면 아래 1.5m 깊이로 측심기를 선박에 부착시켜 유동상 퇴적층을 관측하였다(^{Becker, 2011}).

2.2 하천 수체 및 퇴적물 시료 분석

현장 조사에서 채수된 하천 시료는 0.45 μm 폴리에테르 설폰 필터(Sartorius, Göttingen, Germany)로 여과하여 후속 유기물 분석 실험에 사용되었다. 액체 크로마토그래피-유기 탄소 검출(LC-OCD) 시스템(DOC-LABOR, Germany)을 사용하여 하천 여과 시료의 용존 유기물(Organic Matter)을 분자량별로 분획하고 성상을 분석하였다(^{Ho, Fettweis, Hur et al., 2022}; ^{Huber et al., 2011}). 액체 크로마토그래피-유기 탄소 검출 시스템 분석 결과는 International Humic Substances Society (IHSS)에서 획득한 스와니 강(Suwannee River)의 Humic, Fulvic 산을 활용하여 보정되었으며, ChromCALC 소프트웨어(DOC-LABOR, Germany)를 사용하여 분석하였다(^{Huber et al., 2011}; ^{Lee et al., 2019}). 또한, 하상 퇴적물 특성 분석를 위하여 퇴적물 시료의 광물 조성을 분석하였다. Rigaku Ultima IV diffractometer (Rigaku Corporation, Tokyo, Japan) X선 회절 (X-Ray Diffraction, XRD) 분석장비를 활용하여 하상 퇴적물 시료의 결정상을 정량화하였고, JADE^®(Materials Data Inc, California, USA) 소프트웨어를 활용하여 하상 퇴적물의 광물 구성을 파악하였다.

2.3 하천 수체 응집능 평가 실험

하천 시료를 GFC 1.2 µm 유리 필터(HYUNDAI Micro, Korea)로 여과한 후 표준 쟈테스터(Phipps and Bird, VA, USA)를 활용하여 하천 시료의 응집능을 평가하였다(^{Huynh et al., 2023}; ^{Lee et al., 2019}). 20 mL의 10 g/L Kaolinite 저장용액을 하천 여과 시료에 첨가하여 응집 실험을 수행하였다. 하천 여과 시료 및 Kaolinite 현탁액을 200rpm(G=250/s)으로 2분간 급속 교반하여 입자상 물질을 균질화한 후, 응집 실험 종료까지 50rpm(G=45/s)으로 완속 교반하였다(^{Ho, Fettweis, Hur et al., 2022}; ^{Lee et al., 2019}; ^{Mietta et al., 2009}). 정량펌프로 구동되는 샘플 순환 시스템을 활용하여 반응조 내 현탁액을 광산란식 입도 분석기(LISTT-200X, Sequoia Scientific Inc., WA, USA)로 이송하여 입자/응집체 크기 분포를 실시간 모니터링하였다(^{Ho, Fettweis, Hur et al., 2022}). 입자/응집체 크기 분포는 정상 상태에 도달할 때까지 지속적으로 모니터링되었으며, 응집체 성장 속도 및 정상상태 응집체 크기를 하천 시료의 응집능 평가의 지표로 활용하였다(Fig. 3).

Fig. 3. Schematic diagram of the flocculation kinetic test.

3.1 기상⋅수문 조건에 따른 유기물 성상 변화

액체 크로마토그래피-유기 탄소 검출 시스템(Fig. 4)으로 분획된 용존 유기물은 일반적으로 생체고분자물질(Biopolymer), 휴믹 물질(Humics Sustances), Building Blocks 및 Low Molecular Weight 유기산의 4개 분율로 구성된다. 집중 강우 전후 기간의 용존 유기물 성상의 변화는 Fig. 4과 같이 상당한 변화를 나타내었다. 강우 전 녹조 기간(8월 말) 그리고 집중 강우 직후 기간(9월 초)을 거치면서, Biopolymer 분율은 3.7%에서 1.9%로 감소하였고, 휴믹물질 분율은 43.5에서 53%로 상당량 증가하였다. Building Block 및 Low Molecular Weight 유기산의 분율은 큰 변화를 나타내지 않았다. 집중 강우 전 녹조 기간은 생체고분자물질 생산에 유리한 조건으로 판단되며, 집중 강우 시 토양 유출수는 다량의 휴믹물질을 하천으로 공급한 것으로 판단된다. 생체고분자물질은 응집을 증진시키는 데 반하여, 휴믹물질은 안정화를 도모하는 것으로 알려져 있다(^{Huynh et al., 2023}; ^{Lee et al., 2019}).

Fig. 4. Chromatograms measured by the (top) organic carbon detection (OCD) and (bottom) ultraviolet detection (UVD) devices. Peaks A, B, C, D, and E are assigned to biopolymers (MW > 20,000 Da), humic substances (1,000 < MW < 20,000 Da), building blocks (300 < MW < 500 Da), low molecular weight organic acids (MW < 350 Da), and neutrals, respectively.

3.2 하상 퇴적물 성상 분포 및 변화

X선 회절 분석법을 통하여 집중 강우 전후 하상 퇴적물 샘플의 광물학적 구성의 변화를 추적하였다(Fig. 5). X선 회절 분석법 분석 결과는 하천 중심과 좌안 퇴적물 샘플의 광물 조성은 집중 강우 전후 상당한 변화를 나타내었다. 모래의 주요 결정광물인 Quartz과 Albite의 분율은 집중 강우 이후 기간에 각각 17.4%, 4.3% 증가한 반면, Illite와 Chlorite(점토질 광물)은 분율은 10.7%, 11% 급격하게 감소하였다. 이에 반하여, 하천 우안의 광물성분은 각각 30.9, 29.1, 25, 15%로 일정하게 유지되었다. 집중 강우 직후 하천 좌안 및 중심 지점의 실리카/점토 광물 분율의 증가는 집중 강우에 의하여 점토 광물이 싵트질과 모래로 대체되었음을 나타낸다. 집중 강우에 의한 강우 유출량의 증가는 하천 물흐름과 난류를 증대하여 하상에 쌓인 점착성 유사(점토질)의 침식-재부유를 초래한 것으로 판단된다.

Fig. 5. Seasonal changes in mineral composition. Aug (Pre-flood) shows the analyzed samples taken at the peak of algal bloom whereas Sep (Post-flood) presents the sediment samples collected after the high rainfall and algal collapse.

3.3 하천 수체 응집능 변화

집중 강우 전후 기간의 하천 시료에 대한 각각의 응집능을 평가하기 위해 응집실험을 수행하였으며, 응집실험 진행 동안의 입자/응집체 크기 분포의 시간적 변화를 획득하여 후속 분석에 활용하였다(^{Ho, Fettweis, Hur et al., 2022}; ^{Huynh et al., 2023}; ^{Lee et al., 2019}). 집중 강우 전 조류 번성 기간 하천 시료에 대한 응집실험을 수행한 결과, 응집체 평균 크기(D₅₀)가 또한 빠르게 성장하여 5시간 후에 평형 상태에 도달하였으며, 최대 50μm 크기로 성장하였고, 또다른 응집능 지표인 입자 총량 대비 응집체 부피 분율(V_F)은 0.8 이상으로 나타났다. 하지만, 집중 강우 이후 기간에는 정상상태 응집체 평균 크기(D₅₀)가 18μm로 감소했고, 응집체 부피 분율(V_F)은 평형 상태에서 0.1 이하로 나타났다(Fig. 6). 강우 직후 휴믹물질 증가는 부유 입자의 안정화-분산을 기여하므로, D₅₀ 및 V_F의 감소를 유발한 것으로 판단된다. 하천 시료에 대한 응집 실험 결과, 계절에 따른 하천의 생지화학적 조건 변화가 응집 및 안정화-분산 과정에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 집중 강우 전 조류 번성 기간 동안 생체고분자물질이 과량 생산되며 응집에 유리한 조건을 제공하여 부유 입자상 물질 침강-퇴적을 증가시키게 된다. 반면, 집중 강우 직후 유역으로부터 유출된 휴믹물질은 입자 분산-안정화제로써의 역할을 하여 응집능을 감소시킨다(^{Fettweis and Lee, 2017}; ^{Huynh et al., 2023}; ^{Lee et al., 2019}).

Fig. 6. Results from flocculation potential tests with the water samples obtained during the pre-flood algae bloom (top) and post-flood washout periods (bottom). From the left, the sub figures indicate the evolution of the floc mean diameter (D50) and the flocs volumetric fraction (VF), and the floc size distribution at the equilibrium.

3.4 하상 유동상 퇴적층 분포

MIDAS Surveyor 이중 채널 음향측심기를 활용하여 하상 퇴적층을 조사한 결과, 연구 대상 하천의 하상은 다양한 모래 언덕과 웅덩이로 구성된 불규칙한 형태로 나타났으며, 수심 분포는 8~12m로 나타났다. MIDAS Surveyor 이중 채널 음향측심기의 고주파 210kHz와 저주파 33kHz 반사파로 관측된 두 개 수심의 차이는 하천 전 영역 걸쳐 0.2~0.4m로 나타났으며, 해당 장비의 음파 관측 매개변수의 미세조정이 불가하여 유동상 퇴적층 두께의 정확한 산출은 불가능하였으나, 하천의 서로 다른 영역에서 유동상 퇴적층 두께의 상대적인 차이와 계절적 변화는 관측할 수 있었다. 녹조 번성 기간 동안 유동상 퇴적층의 평균 두께는 0.4m로 관측되었으나 집중 강우 직후에는 0.32m로 감소하였다(Fig. 7). 집중 강우 이후 기간의 높은 유속과 난류 조건은 유동상 퇴적층의 침식-재부유를 증대시킨 것으로 판단된다. 또한, 집중 강우 이후에는 하천의 얕은 영역에 쌓인 유동상 퇴적층이 보다 깊은 영역으로 이동하는 것이 관찰되었다(Fig. 8).

Fig. 7. Longitudinal topography profile of the algal bloom (August 12th, 2021) and after high rainfall (September 23rd, 2021). The acquisition data was obtained by moving the on-board echosounder surveyor in a zig-zag configuration. The light blue line indicates the response of the high frequency on the fluid mud-water interface whereas the dashed red line illustrates the interface of the fluid mud and the consolidated mud layer. The penetration of the high and low frequency indicates the thickness of the fluid mud layer (Becker, 2011;Kirichek et al., 2018).

Fig. 8. Cross-sectional fluid mud layer observed on September 23rd, 2021 using the dual frequency echosounder surveyor.

하상 유동상 퇴적층의 공간적 분포와 관련하여, 유동상 퇴적층이 하천 좌안에 더 두껍게 분포한 것으로 나타났으며, 이는 하천 좌안이 보다 활발한 퇴적 지역임을 나타낸다(Fig. 8). 앞서 언급한 바와 같이, 하상 유동상 퇴적물은 하천의 얕은 영역에서 이동하여 "퇴적물 트랩" 역할을 하는 더 깊은 영역으로 퇴적하는 경향이 있다(^{Becker, 2011}). 이와 같은 유동상 퇴적층의 수평 이동은 장기적으로 작용할 경우, 하천 형상이 새로운 평형 상태에 도달할 수 있다(^{Deguchi and Sawaragi, 1989}; ^{Demir et al., 2004}; ^{Foster et al., 1994}).

3.5 하천 유동상 퇴적층 거동의 중요성

하천수 유기물 성상은 생지화학적 조건 변화와 함께 응집 또는 분산-안정화 기작을 촉진하는 역할을 한다. 액체 크로마토그래피-유기 탄소 검출 시스템 결과를 살펴보면, 하천수는 녹조 기간 동안 생체고분자물질(Biopolymers)의 생산이 활발하며, 집중 강우 이후에는 강우유출에 따른 휴믹물질(Humic Substances)의 과량 유입이 발생하는 것으로 나타났다. 일반적으로 생체고분자물질은 하천 수체의 응집능을 향상시키고, 휴믹물질은 입자 분산-안정화를 증대시키는 것으로 알려져 있다(^{Fettweis and Baeye, 2015}; ^{Fettweis and Lee, 2017}; ^{Huynh et al., 2023}; ^{Ho, Fettweis, Spencer et al., 2022}; ^{Lee et al., 2019}). 본 연구의 응집실험을 통하여 하천수 유기물 조성과 응집능이 밀접한 상관관계가 있음을 규명하였으며, 강우 전 녹조 기간에 생체고분자물질에 의해 응집이 증대되었고 집중 강우 이후에는 휴믹물질을 매개로 한 입자 분산-안정화가 나타났다.

이중 채널 음향측심기를 활용하여 유무기 복합 응집체의 하상 침전-퇴적에 따른 유동상 퇴적층의 형성을 식별하였다(^{Becker et al., 2019}). 조류 번성 기간 동안 과량 생산된 생체고분자물질은 부유 입자상 물질응집-침강-퇴적을 증진하여 유동상 퇴적층 두께를 증대시킨 것으로 나타났다(^{Fettweis and Baeye, 2015}). 더불어 구미보 구조물은 하천 흐름을 감소시켜 호수(Lacustrine) 특성을 가지게 함으로써 조류 번성을 증진시키며, 난류 및 하상 전단응력을 감소시켜 부유 입자상 물질의 응집-침전-퇴적을 증대시킨다. Huynh et al. (2021)에 따르면, 구미보 상류 구간 수체흐름이 약한 하천 좌우안에 유동상 퇴적층(Fluid mud)이 형성됨을 관측하였다. 그러나 집중호우 이후 기간에는 휴믹물질에 의한 부유 입자상 물질 분산-안정화와 함께 유동상 퇴적층 침식-재부유로 인해 그 두께가 감소하였다. 높은 유속과 난류 조건은 하상의 전단 속도와 응력을 증가시키면서 하상 퇴적층 침식-재부유를 증대시킬 수 있다(^{Debnath et al., 2007}; ^{Nelson et al., 1995}). 생체고분자물질 또는 휴믹물질에 의해 매개되는 응집 또는 분산-안정화는 궁극적으로 하천 부유 입자상 물질의 응집, 침전, 퇴적 및 재부유 기작에 영향을 미칠 수 있다(^{Droppo et al., 1997}; ^{Dyer, 1989}; ^{Eisma, 1986}; ^{Huynh et al., 2023}; ^{Lee et al., 2019}; ^{Son and Hsu, 2011}).

효율적인 수자원 관리를 위해서는 수리⋅수문학적 구조물(보, 댐, 준설 등) 건설은 불가피하다(^{Saravanan et al., 2009}; ^{Yevjevich, 1991}). 그러나 수리⋅수문학적 구조물들은 수환경과 수생태계에 부정적인 영향을 미칠 수 있다(^{Feng et al., 2014}; ^{Im et al., 2020}). 수문학 구조물의 건설은 하천 형상을 바꾸며 물흐름과 난류 체계를 교란할 수 있다(^{García-Oliva et al., 2018}; ^{Saad and Habib, 2021}). 특히 둑이나 댐 구조물의 건설과 운영은 하천의 물흐름과 생지화학적 조건을 제어하여 점진적으로 하천을 호수와 같은 환경으로 변화시킨다(^{Ho, Fettweis, Spencer et al., 2022}; ^{Huynh et al., 2023}; ^{Ibraheem, 2020}; ^{Im et al., 2020}; ^{Lee et al., 2019}). 이러한 호수와 같은 환경에서 미세조류에 의한 응집 및 퇴적의 증대는 다양한 유기-무기 입자상 물질을 강바닥에 매몰시켜 수질 및 저서 환경을 저하시킬 수 있다.

향후 기후변화와 인간개입에 의하여 물환경 변화의 양상은 더욱 복잡해진 것으로 예상되며, 수질 및 저서환경의 물리-생물-화학적 현상들을 통합한 융합 연구가 수행되어야 할 것으로 사료된다. 더불어, 과거 수자원 개발 사업들이 수량 확보에 중점을 두어 생태-수질 문제를 야기한 사례들을 고려하면, 물환경에 일어나는 다양한 물리-생물-화학적 현상들을 고려한 융합 연구가 필요하다. 기후변화 및 인간개입의 영향에 반응하는 물환경 미생물 군집, 유기물 성상, 부유입자 응집-침강-퇴적 특성의 변화를 최신 생화학 분석 기법(미생물 유전자분석, 유기물 형광분석, 핵자기공명분석(NMR), 퓨리에변환 이온싸이클로트론 공명 질량분석기(FT-ICR) 등) 및 현장관측 기법(음향/지진파(Acoustic/Seismic) 퇴적층 관측장비, 광/음향 산란(Light/Acoustic Scattering) 부유입자 관측장비 등)을 적용하여 장기적으로 모니터링한다면, 기후변화 시대의 물환경 관리 방안이 도출될 것으로 기대된다.