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ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.28 No.3 pp.303-320
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2019.28.3.303

Statistical Analysis of the Spatio-temporal Water Quality Characteristics of the Nakdong River

Mijin Seo, Changdae Cho, Taehyo Im, Sanghun Kim, Hyunjeong Yoon, Yongseok Kim, Gyeonghoon Kim*
Nakdong River Environment Research Center, Goryeong 40103, Korea
Corresponding author: Gyeonghoon Kim, Nakdong River Environ-ment Research Center, Goryeong 40103, Korea Phone: +82-54-950-9750 E-mail: dahong@korea.kr
27/06/2018 19/12/2018 26/02/2019

Abstract


Water quality is characterized by various complex factors. Therefore, a systematic understanding of water quality trends is required to carry out a proper evaluation. In this study, we analyzed the spatio-temporal water quality characteristics of the Nakdong River using five-year data from 2012 to 2016. Data was collected on the pH, DO, BOD, COD, SS, TN, TP, TOC, WT, EC, NH3-N, NO3-N, PO4-P, Chl-a, rainfall, and total and fecal coliforms. A total of 38 water quality measurement stations, from Andong1 to Gupo, were considered. Statistical analyses including trend, cluster, and factor analyses were conducted to identify the dominant water quality components affecting the Nakdong River. The Nakdong River was spatially classified into three groups for up-stream (Andong1 to Sangju1), mid/up-stream (Donam to Dalseong), and mid/down-stream (Hwawonnaru to Gupo) data collection, and temporally into two groups for summer/fall (7~10), and the rest of the season (11~6) data. The water quality of the entire Nakdong River showed trends similar to the mid/down-stream section, which indicates the importance of water quality management in this section. Suspended solids, phosphorus, and coliform groups were established as important factors to be considered in the summer/fall season across the river, especially in the mid/down-stream section. Nitrogen and organic matter were identified as important factors to be considered in the rest of the season, especially in the mid/up-stream section. This study could help determine the water quality components that should be intensively monitored in the Nakdong River.



낙동강수계 수질의 시·공간적 특성에 대한 통계학적 분석

서 미진, 조 창대, 임 태효, 김 상훈, 윤 현정, 김 용석, 김 경훈*
국립환경과학원 낙동강물환경연구소
    Ministry of Environment
    NIER-2018-05-01-006

    1. 서 론

    낙동강은 도시·농촌지역, 산업·공업단지 등 다양한 점 오염원과 비점오염원으로부터 영향을 받아 왔으며, 본류 로의 높은 오염 부하(NRERC, 2009;Yu et al., 2012)와 그에 따른 빈번한 부영양화 현상이 언급되어온 하천이다 (Kim, 2005). 이에 국가와 지방자치단체들은 하천환경 개선 대책으로 오염총량관리제를 도입하여 BOD와 TP 항목을 기준으로 지속적인 수질개선에 많은 노력을 기울 여 왔다. 하지만 수계는 다양하고 복합적인 요인에 의해 영향을 받으므로 다양한 수질 항목을 이용하여 변화하는 수질을 평가할 필요가 있다. 특히, 낙동강은 하천을 따라 분포한 많은 산업·공업 단지와 대도시 지역에 의한 공간 적 변화가 큰 특징이 있으며, 시간적 변화에 따른 수리· 기상학적 특성도 크게 변화하므로 이에 대한 영향을 고 려한 수질 평가가 요구된다.

    더욱이 낙동강수계는 2012년 8개 보가 본류 200 km 구간에 걸쳐 완공되었으며 수심과 유량 증가 등 물리적 변화를 겪었다. 보 건설에 따른 인위적 방류량 제한은 정 체 수역을 형성하며 이화학적, 생물학적 하천 수질의 변 화를 초래할 수 있다(Kim et al., 2013). 하천 환경의 변 화에 따른 적절한 수질관리를 위해서는 변화시점부터의 모니터링 자료를 이용한 지속적인 수질 변화 파악이 필 요하다. 이에 낙동강의 수질을 결정하는 요인을 제대로 파악하기 위해 다변량 분석과 같은 통계적인 분석이 많 이 행해져 왔다. 통계분석법을 통해 다양하고 복합적인 수질의 특성을 쉽게 해석할 수 있으며(Lee and Kim, 2007), 정책 제안과 방향설정에 대한 의사결정을 보다 효율적으로 할 수 있기 때문이다. 하지만 하천 환경 변화 후의 낙동강 수질 특성 분석 연구는 몇몇에 의해서만 이 루어졌다(Gwak and Kim, 2015, 2016;Seo et al., 2016;Jung and Kim, 2017). 또한, 대부분의 연구가 낙 동강 일부 또는 한 지점에 대한 분석이었고(Kim et al., 2002;Kim et al., 2007;Kim et al., 2010;Kim et al., 2013), 낙동강 구간 전체에 대한 분석은 미흡했다. Cho (2011)가 낙동강 전체를 대상으로 연구한 바 있지만 상· 중·하 구간에 3 지점만을 대상으로 한 연구였다. Park et al.(2010)은 낙동강 본류 12개 지점을 대상으로 했지만 BOD 항목만을 군집으로 분류하였고, 단지 두 지점에 대 해서만 강우시와 비강우시의 수질 항목들의 상관 분석을 수행하였다. Kim et al.(2008)은 낙동강 본류 34개 지점 에 대해 다변량 분석을 한 바 있지만 주된 영향 인자 도출 에 시·공간적 변화를 모두 고려한 연구는 아니었다.

    따라서 본 연구에서는 낙동강 본류 전체를 대상으로 최근 5년간(2012~2016)의 수질 자료를 이용하여 낙동 강수계 수질의 시·공간적 특성을 분석하고 군집 분석과 요인 분석의 다변량 통계 기법을 활용하여 시·공간적 수 질 결정인자를 도출하고자 하였다. 이러한 연구는 향후 낙동강의 효율적인 수질관리 및 정책개발을 위한 자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

    2. 재료 및 방법

    2.1. 연구대상 지역

    강원도 태백산 황지를 발원지로 경상북도와 경상남도 를 통과하여 남해로 유입하는 낙동강은 우리나라 남동쪽 에 위치하는 제 2의 하천이다. 낙동강은 총 유로 연장이 약 525 km로 가장 길며, 유역 면적은 약 23,384 km2로 전체 국토의 약 25%를 차지한다. 낙동강의 상류에는 반 변천, 내성천, 영강, 중류에는 금호강, 황강, 하류에는 남 강, 밀양강 등 주요 지류가 합류하고 있으며, 유역 내의 안동, 구미, 대구, 부산 등의 지역에 상수원으로서의 역할 을 하고 있는 중요한 수계이다. 낙동강 상류 유역은 대체 적으로 임야의 비율이 크며, 주요 대도시와 산업·공업 단 지, 환경기초처리시설은 주로 중 하류 유역에 분포한다.

    2.2. 자료 수집

    본 연구는 2012년부터 2016년까지 총 5년 동안 안동 1부터 구포 지점까지 낙동강 본류 총 38개 측정소를 대 상으로 하였다(Fig. 1). 수질 항목은 pH, 용존산소(DO), 생물학적 산소요구량(BOD), 화학적 산소요구량(COD), 부유물질(SS), 총질소(TN), 총인(TP), 총유기탄소(TOC), 수온(WT), 전기전도도(EC), 암모니아성 질소(NH3-N), 질산성질소(NO3-N), 인산염인(PO4-P), 클로로필-a (Chl-a), 강우, 총대장균군(Total Coliform; TC), 분원성 대장균군(Fecal Coliform; FC)을 포함하여 총 17개 항 목을 고려하였으며, 환경부 물환경정보시스템(http:// water.nier.go.kr) 월평균 자료를 이용하였다. 대장균군 항목은 다른 수질 인자와 다르게 기하급수적으로 증가하 는 것을 고려하여 일 자료를 바탕으로 기하평균으로 산 출된 월평균 자료를 이용하였다. 강우 자료는 낙동강 유 역 대표 5지점(상주, 구미, 대구, 합천, 부산)의 월평균 자 료를 이용하였다.

    2.3. 자료 분석 방법

    낙동강수계의 시·공간적 수질 특성을 파악하고 영향 인자를 도출하기 위해 널리 이용되고 있는 계절 맨-켄달 (Seasonal Mann-Kendall Test), LOWESS (LOcally WEighted Scatter plot Smoother) 경향 분석과 군집 · 요 인 분석의 다변량 통계 분석을 실시하였다. 계절 맨-켄달 법은 각 계절에 대한 독립적 켄달 검정 결과의 가중합으 로 경향성을 도출해내는 방법이며 계절성이 배제되는 방법이다. 경향성은 p-value가 0.05 이상이면 경향성이 없으며 0.05 미만이면 경향성이 있는 것을 의미하며, S 는 켄달 통계 추정치로써 양의 값은 증가추세를, 음의 값 은 감소추세를 나타낸다. 본 연구에서는 95% 신뢰수준 을 적용하여 분석하였다. LOWESS 분석법은 x값에 대 한 이동선과 이에 대한 y의 평활값으로부터 가중최소제 곱법을 이용하여 직선으로 연결한 분석법이다. 시간의 흐름에 따른 변화 경향성을 알아보기 위해 LOWESS 추 세선을 도식화 하였으며, 평활상수 f는 0.5를 적용하였 다.

    군집 분석은 데이터의 유사성을 바탕으로 시·공간적 으로 동질적인 군집으로 분류하기 위해 순차적으로 군집 화가 일어나는 계층적 군집분석을 실행하였다. 군집간 거리는 군집간 정보의 손실을 최소화 할 수 있는 Ward’s Method를 이용하였으며, 지점별·시기별 유사성이 높은 집단들로 각각 분류하였다. 요인 분석은 군집 분석 결과 를 바탕으로 수질 변수 사이의 복잡한 관계를 축소하여 주요 요인들로 추출하기 위해 실행하였다. 요인 추출은 주성분 분석(Principal Component Analysis) 방법을 이 용하였으며, 요인을 설명하는 분산의 크기를 나타내는 고유값(Eigenvalue)은 1.0 이상의 값만을 고려하였다. 요인 회전은 요인간 상관관계를 0으로 가정하여 요인간 독립성을 유지하며 회전시키는 직각 회전 방법인 Varimax 방법을 적용하였다. 요인 분석 수행시 추출된 요인들에 의해서 변수들을 설명하는 분산을 나타내는 공 통성(Communality)의 값은 0.4 미만일 경우 그 변수는 제외하며 분석을 실행하였다. 요인 분석에 사용할 변수 들의 수의 적합성 여부를 나타내는 Kaiser-Meyer-Olkin (KMO) 검정은 0.5 이상을, 변수의 대각 행렬 여부를 검 증하는 Bartlett 검정은 p-value 0.05이하에 대해 분석의 타당성을 판단하였다. 요인 분석 결과로 나타나는 성분 행렬의 요인적재량(Factor Loading)은 0.4 이상의 값만 을 추출하였다. 자료는 모두 표준화하여 이용하였으며, SPSS(ver. 12.0)로 분석하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1. 군집 분석 결과

    시·공간적 군집 분석 결과는 지점별로 3군집, 시기별 로 2군집으로 분류할 수 있었다(Fig. 2). 공간적 군집 분 석은 안동1부터 상주1 지점, 도남부터 달성 지점, 화원나 루부터 구포 지점까지 분류되었다. 이러한 공간적 분류 는 안동댐하류부터 내성천과 영강 유입 후까지 서쪽에 서 동쪽으로 흐르는 낙동강 상류 구간, 금호강 유입 직전 까지 북쪽에서 남쪽으로 흐르는 낙동강 중·상류 구간, 금 호강과 남강, 밀양강 등 주요 지류들을 다수 포함하는 낙 동강 중·하류 구간으로 낙동강 상류부터 하류까지 흐름 에 따른 지점들의 분류였다(Fig. 1). 이는 비슷한 유역 특 성 내에 위치하는 측정 지점들 사이에 유사한 수질 특성 을 나타내기 때문이며, Kim et al.(2010)과 Park et al. (2010)도 수질 측정소별 가까운 측정소들 사이의 높은 상관성을 언급한 바 있다. 시간적 군집 분석은 강우가 집 중된 여름과 초가을을 포함하는 여름/가을철(7~10월)과 그 외 시기(11~6월)로 분류되었다. 이와 같은 시 공간적 분류는 강우, 주요 지류, 오염원의 분포 등 유역 특성과 수리 수문 특성이 반영되어 나타난 결과로 보였다. 군집 분석을 통해 얻어진 결과는 수질 특성 분석과 요인 분석 을 위한 시·공간적 분류 집단으로 이용되었다.

    3.2. 시·공간적 수질 특성 분석

    낙동강 본류의 지점별 수질 현황은 상류 구간이 수질 항목별 농도가 다소 낮았으며, 하류로 갈수록 수질 인자 들의 농도와 그 변화 범위가 전반적으로 커지는 경향을 나타냈다(Fig. 3). BOD, COD, TOC의 유기물질 항목 들은 하류 방향으로 서서히 증가 경향을 나타냈으며, 질 소 계열(TN, NO3-N)과 EC는 중·하류 구간의 시작 지점 인 화원나루 지점을 기점으로 상류와 하류 사이에 뚜렷한 농도 차이를 나타냈다. TP, SS와 Chl-a도 하류 방향으로 갈수록 농도 범위가 뚜렷하게 커졌으며, 기하급수적으로 증가하는 대장균군도 중·하류 구간에서 큰 변화 범위를 나타냈다. 중·하류 구간의 오염도는 전반적으로 상류에 비하여 1.2배 이상 높은 경향을 보였으며, TP는 3배, Chl-a는 5배, 총대장균군은 4배 이상이었다. 낙동강 중· 하류 구간에는 금호강, 황강, 남강, 밀양강 등 큰 지류들 이 다수 속해 있으며, 상류 지역에 비하여 인구와 산업· 공업 단지가 밀집되어 있는 특징이 있다. 이로 인한 하· 폐수 등 점오염원의 유입, 유역에 다수 분포되어 있는 농 업 지역으로부터의 비점오염원의 유입, 그리고 상류로부 터의 오염물질 누적 등 다양한 원인이 중·하류 구간의 높 은 오염도를 야기한 것으로 판단된다.

    낙동강 전 지점의 5년간 월평균 수질 경향은 질소 계 열(TN, NO3-N)의 오염도가 3월경부터 차차 감소하여 10월경 다시 서서히 증가하는 경향을 나타냈다(Fig. 4). 이는 강우에 의한 유량 증가가 오염물질의 희석에 영향 을 미친 것으로 판단되었으며, Kim et al.(2007)의 연구 에서도 강우의 오염물질 희석에 의한 강우와 유기물 사 이의 음의 상관성을 언급한 바 있다. 지점별 분석과 유사 하게 EC는 질소 계열과 같은 경향을 나타내었으며, 이는 EC와 TN의 높은 양의 상관성을 언급한 Gwak and Kim (2015)과 비슷한 결과였다. 반면, TP, PO4-P, SS는 강 우와 유사한 패턴으로 7월에 급격히 증가하여 서서히 감 소하는 경향을 나타냈다. 인 성분은 점토질 토양 또는 토 양유기물에 흡착이 쉬우며(Jung et al., 2006) 따라서 SS 와 비슷한 패턴을 보이는 것으로 판단되었으며, 강우에 의한 비점오염원의 영향이 주된 원인으로 보였다. 미생 물 항목인 총대장균군과 분원성대장균군도 7월부터 9월 사이에 높은 경향을 보였으며, 강우에 의해 비점이 증가 하고 수온이 높게 유지되는 기간과 일치하는 경향을 보 였다.

    낙동강 전 지점의 시간별 월평균 수질은 계절 맨-켄달 검정에 의해 DO, COD, SS, TP, TOC, WT, EC, NO3-N, TC 항목에서 경향성을 나타냈으며, 이 중 DO, SS, TP, NO3-N는 시간별 감소 경향을, COD, TOC, WT, EC, TC은 시간별 증가 경향을 드러냈다(Table 1). 특히, DO, SS, TP의 감소 경향과 COD, TOC, EC의 증 가 경향은 중·상류 구간과 중·하류 구간에서 공통적으로 나타났으며, 중·하류 구간의 결과는 전 지점의 결과와 매 우 유사했다. 이는 오염물질이 누적되는 중류 이하의 구 간이 낙동강의 수질을 전반적으로 대변할 수 있음을 의 미하는 것으로 보인다. 시간별 COD, TOC의 증가와 SS, TP의 감소 경향에 대해 LOWESS 분석은 2015년 이후 모두 증가 현상을 나타냈다(Fig. 5). TOC의 경우 2015 년 중반까지 거의 변화를 나타내지 않다가 그 이후로 급 격한 증가를 나타냈으며, 이로 인해 계절 맨-켄달 분석에 서 증가 경향에 영향을 미친 것으로 보였다. COD도 2013년 중반 이후로 약간의 증가를 보였지만 2015년 이 후로 증가가 점차 심화되어 나타나는 경향을 나타냈다. 반면, 계절 맨-켄달 분석에 의해 감소 경향을 나타낸 비 점 수질 항목들과 경향성을 나타내지 않은 수질 항목들 도 2015년 이후로 공통적으로 증가 현상을 나타냈다. 오 염총량관리제, 비점오염 저감 대책 등 점·비점오염원의 관리가 지속적으로 행해지고 있는 상황에서 오염총량관 리제의 목표수질 달성과 본 연구와 같은 점차적인 수질 항목들의 감소 경향 등은 관리가 제대로 이루어지고 있 음을 반영한다 할 수 있다. 하지만 기후변화와 보의 건설 등 인위적 영향의 결과가 하천 환경에 변화를 초래할 수 있을 것으로 판단되었다. 기후변화에 따른 강우 패턴은 점차적으로 낮은 빈도의 높은 강우 강도로 변화하고 있 으며, 2015년에는 평년 대비 25% 정도 낮은 강수량을, 2016년에는 년간 강수량에 큰 차이를 나타내진 않았지 만 높은 강우 강도의 분포를 빈번히 드러냈다. 이런 강우 패턴은 수량이 적은 저·갈수기를 오랫동안 유지하게 하 여 수질을 악화시킬 수 있을 것으로 보인다(Kim et al., 2014). 또한, 보의 인위적 방류량 제어에 따른 오염물질 축적의 가능성도 추정해 볼 수 있다. 중·상류 구간에서는 보(5개 지점)와 보 외 지점들의 수질 평균값 비교 결과 보 외 지점들에서 전반적으로 높은 평균값을 보이며 보 의 영향을 크게 드러내지 않은 반면, 중·하류 구간에서는 주요 수질 항목들에 대해 보 지점들(3개 지점)에서 더 높 은 평균값을 나타냈다(Table 2). 이런 경향은 2015년 이 전과 이후 모두에서 나타났으며, 이는 수심이 깊어지고 유속이 느려져 오염물질이 누적되는 중·하류 구간의 영 향과 보의 영향이 함께 2015년을 기준으로 전반적인 수 질 증가 현상을 발현시킨 것이 아닌지 추정해 볼 수 있었 다. 본 연구는 2016년까지를 대상으로 분석하였으며 보 개방이 점차적으로 이루어지고 있는 상황에서 추후 연장 된 기간을 대상으로 연구를 확장해 볼 필요성이 있을 것 으로 판단되었다.

    3.3. 요인 분석 결과

    낙동강 본류의 수질 특성을 파악하기 위해 군집 결과 를 바탕으로 주성분 분석을 실시한 결과 Table 3~6와 같이 나타났다. 요인 분석 모형에 대한 KMO 검정 결과 모든 결과치가 0.5 이상을 나타냈으며, Bartlett 검정의 p-value도 모두 0.05 이하를 나타내며 요인 분석의 타당 성을 드러냈다. 고유값 1.0 이상을 나타내는 요인은 낙동 강 본류 구간별로 전 시기에 대해 모두 4개 요인이 추출 되었으며, 시기별로는 상류에서 여름/가을철과 그 외 시 기에 5개 요인, 중·상류와 중·하류에서 여름/가을철에 4 개 요인, 그 외 시기에 5개 요인이 각각 추출되었다 (Table 3~5). 요인의 누적기여율은 모든 경우에 제 1 요 인이 20% 이상의 설명력을 나타내며 총 70% 이상의 높 은 설명력을 나타냈다. Varimax 회전을 통한 성분 행렬 의 결과 낙동강 본류의 수질이 전체적으로 영양염류와 유기물질에 의해 결정됨을 보여주었다(Table 6). 영양염 류가 제 1,2 요인으로, 유기물질이 제 3,4 요인으로 나타 났으며, 중·상류와 중·하류 구간에는 대장균군 항목이 인 계열 항목과 함께 제 1,2 요인으로 크게 영향을 끼치고 있는 것으로 나타났다. Table 4

    시기별 본류의 수질은 여름/가을철 외 시기(11~6월) 에 상류부터 하류 전 구간에 공통적으로 질소 계열(TN, NO3-N) 항목이 제 1 요인으로써 영향력 있는 수질 항목 으로 추출되었다(Table 6). 이는 Fig. 4의 월별 질소의 경향과 유사한 결과였으며, 강우에 의한 비점보다 점오 염원에 의한 영향을 크게 받기 때문으로 판단되었다. 낙동강은 하천을 따라 많은 산업·공업 단지가 분포하고 있으며, 특히 중·상류 지역에는 구미, 왜관 공단 등 대규 모 단지가 존재한다. 금호강 유역은 하수처리장의 방류 수가 금호강 하류 하천유지수량의 40% 이상을 차지할 만큼 하수처리장 영양염류의 낙동강 본류에 대한 영향이 언급되어 왔다(Jeon, 2012;Jung et al., 2016;Jung and Kim, 2017). 조류 발생 정도를 나타내는 Chl-a와 유기 성 오염물질인 BOD, COD, TOC가 제 2,3 요인으로 중· 상류와 중·하류 구간에 공통적으로 나타난 것도 이러한 점오염원의 영향이 크다는 것을 증명하는 것으로 보였다 (Table 6). 하수처리장 방류수 또는 불명수 등 인위적 점 오염원에 의한 외래성 유기물의 유입은 Chl-a의 성장을 촉진하며, 증가된 Chl-a 역시 자생유기물로 외래성 유기 물과 자생유기물의 증가(Kim et al., 2008)는 TOC의 증 가로 이어질 수 있을 것으로 보였다. Kim and Lee (2001)도 식물플랑크톤의 증식에 따른 BOD, COD의 증가를 언급한 바 있다. 이와 같이 유기성 오염물질과 질 소 계열의 영향력은 여름/가을철 외 시기 동안의 점오염 원 관리의 필요성을 드러내며, 특히, 전 시기의 제 1 요인 의 결과와 동일한 결과를 나타낸 중·상류 구간에서 관리 의 필요성이 부각되었다.

    여름/가을철 시기(7~10월)에는 영양염류, 부유물질, 대장균군 항목이 제 1,2 요인으로 상류부터 하류 전 구간 에 걸쳐 공통적으로 추출되었으며, 부유물질(SS)과 인 계열(TP, PO4-P)의 항목이 제 1 요인으로 추출되었다 (Table 6). 이런 결과는 낙동강 중·하류에 위치한 4개 보 를 대상으로 요인 분석을 실시한 결과 계절에 상관없이 TN, NO3-N, DO, WT를 제 1 요인으로, 여름철에는 EC, SS, TP, PO4-P를 제 1 요인으로 추출한 Jung and Kim(2017)의 연구와도 비슷한 결과였다. 낙동강 유역의 경우 상류 지역은 임야가 큰 비중을 차지하며, 중류 이남 에는 대도시 지역과 대단위 농경 지역의 영향권에 있는 큰 지류들이 본류로 다수 유입하고 있다. 유입 지천 중 유 로 연장과 유역 면적이 두 번째로 큰 금호강 유역은 높은 농경지 비율로 본류로의 높은 영양염류 유입이 언급되어 왔다(Jung et al., 2016). Lee(2015)도 남강댐 하류 하천 주변으로 축산 농가와 공업 지역 등이 다수 분포되어 있 어 본류로의 오염물질 유입이 낙동강 하류에 미치는 영 향을 언급한 바 있다. 연구기간 동안의 7~10월의 월평균 강우는 전체 강우량의 60% 이상을 차지하며, 본 연구 결 과는 여름/가을철 집중된 강우로 인한 비점오염원의 본 류로의 유입이 증가함에 따른 결과로 판단되었다(Park et al., 2014). 또한, 여름철 높은 수온에 의해 침전되어 있던 PO4-P 용출의 증가도 이유가 될 수 있을 것으로 보 였다(Min et al., 2011).

    특히, 상류, 중·상류 구간에 대장균군이 제 2 요인, 중· 하류 구간에 제 1 요인으로 추출되면서 부유물질, 영양염 류, 특히 인과 함께 여름/가을철 중요한 변수로 작용하고 있는 수질 항목임을 알 수 있었다(Table 6). 대장균군은 상수에서 중요한 병원성 미생물 오염 지표로, 여름철 증 가된 수온과 그 온도가 유지되는 가을 시기까지 공급된 영양물질 하에 증식하여 수체에 문제를 야기한 것으로 보였다. Ramteke et al.(1992)과 Baek(2014)은 대장균 군 발생에 수온 증가의 영향을 언급한 바 있으며, 많은 연 구들이 대장균군과 유기물질 농도와의 정의 상관성을 나 타낸 바 있다(Arai and Ikejima, 1980;Hiraishi, 1984;Araujo et al., 1989;Canosa and Pinilla, 1999;Beck and Sohn, 2006). 유기성 오염물질인 BOD, COD, TOC가 제 3 요인으로 추출된 것도 대장균군과의 정의 상관관계로 설명될 수 있을 것으로 보였다(Table 6). 특 히, COD는 여름/가을철 전 구간에 공통적으로 추출되었 으며, Kim et al.(2004)과 Park et al.(2010)은 강우시 수 질 인자들의 상관 분석 결과 COD와 SS, COD와 TP 사 이에 높은 상관성을 밝힌 바 있다. 인과 부유물질의 영향 을 제 1 요인으로 가장 크게 받는 여름/가을철에 이러한 현상이 나타난 것으로 판단되었다.

    여름/가을철 시기의 연구 결과로부터 강우 시기에는 비점 오염물질들(제 1,2 요인)과 유기성 오염물질들(제 3 요인)이 상·중·하류 구간에 유사하게 영향력을 나타냄을 알 수 있었다. 이를 통해 경향 분석으로부터 비점 수질 항 목인 SS와 TP가 시간별 감소 경향을 나타냈을 지라도 여름/가을철 시기에는 비점오염원의 관리와 그 영향을 최소화할 수 있는 대책 마련이 필요함을 여실히 드러냈 다고 볼 수 있다. 또한, 여름/가을철 시기의 연구 결과는 다른 구간에 비하여 중·하류 구간에서 전 시기에 영향을 미치는 수질 항목과 매우 유사한 결과를 나타냄을 알 수 있었다. 중·하류 구간은 유량이 증가하고 유속이 감소하 며 상류로부터의 오염물질이 누적되는 구간으로, 이런 결과로부터 여름/가을철 수질관리가 전 시기 동안 지배 적일 수 있으며 따라서 관리의 필요성이 매우 큰 구간임 을 시사했다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 안동1 지점부터 구포 지점까지 낙동강 본류를 대상으로 시·공간적 수질 특성 분석과 주요 수질 인자들을 도출하였다. 낙동강은 수질 특성에 따라 공간 적으로 상류(~상주1), 중·상류(~달성), 중·하류(~구포) 구간으로 분류되었으며, 시간적으로 여름/가을철(7~10 월)과 그 외 시기(11~6월)로 분류되었다. 전체적인 낙동 강의 수질은 영양염류(N, P)와 유기물질(BOD, COD), 대장균군(TC, FC) 항목에 의해 결정되었으며, 중·하류 구간과 유사한 경향성을 보이며 중·하류 구간의 수질 관 리에 대한 중요성을 드러냈다. 비점 수질 항목인 SS와 TP는 경향 분석 결과 감소 경향을 나타내긴 했지만 여름/ 가을철 시기에는 전 구간에 걸쳐 비점 오염물질들의 영 향을 주목해야 하며, 특히, 오염물의 저장소가 되는 중· 하류 구간에서의 여름/가을철 비점오염원 관리의 필요성 을 시사했다. 또한, 여름/가을철 외 시기와는 달리 대장균 군에 의한 영향도 중요하게 고려해야 함을 알 수 있었다. 반면, 여름/가을철 외 시기에는 전 구간에 걸쳐 질소 계열 과 유기성 오염물질의 영향이 중요한 인자로 작용함을 알 수 있었으며, 특히, 전 시기의 제 1 요인의 결과와 동 일한 결과를 나타낸 중·상류 구간에서의 점오염원 관리 의 중요성을 알 수 있었다. 시간별 경향성 또한 질소 계열 의 경우 서로 일정한 경향성을 나타내진 않았지만, 유기 물질(COD, TOC)은 시간별 증가 경향을 나타내면서 점 오염원의 제어에 대한 필요성을 드러냈다.

    본 연구 결과는 낙동강수계에서 시기별, 구간별로 관 리해야 하는 우선적인 수질 항목에 대한 정보를 제공했 다. 기상변화, 보의 영향 등 하천 환경의 변화는 우선 관 리해야 하는 수질 항목을 변화시킬 수 있으며, 수심이 깊 어지고 유속이 느려지며 오염물질이 누적되는 하류 구간 으로 갈수록 이러한 하천 환경의 변화에 의해 수계는 크 게 영향을 받을 수 있다. 따라서 장기간의 누적된 데이터 를 이용하여 수계에 지배적인 영향을 미치는 수질 인자 들을 지속적으로 추적하는 것이 필요하며, 이는 변화하 는 하천 환경에 대해 수계를 제대로 관리할 수 있는 토대 를 제공할 것이다. 또한 이러한 연구를 통해 낙동강 유역 에서 본류로 배출되는 관리대상에 대한 정보를 파악할 수 있으며, 오염총량관리제 등 수질관리 정책을 위한 의 사결정 토대를 마련할 수 있을 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 논문은 낙동강수계 단위유역 모니터링사업의 지원 을 받아 수행하였습니다(NIER-2018-05-01-006).

    Figure

    JESI-28-3-303_F1.gif

    Water quality measurement stations in the Nakdong River.

    JESI-28-3-303_F2.gif

    Dendrogram by spatio-temporal cluster analysis. Left one is the spatial result for water quality measurement stations and right one is the temporal result for months. The numbers of the spatial result indicate the stations in Fig. 1.

    JESI-28-3-303_F3.gif

    Spatial water quality distribution with a trend line (blue solid line) from Andong1 (upper station) to Gupo (lower station).

    JESI-28-3-303_F4.gif

    Temporal trends of 5-year monthly average water quality.

    JESI-28-3-303_F5.gif

    Temporal LOWESS trends of monthly average water quality (2012~2016).

    Table

    Results of Seasonal Mann-Kendall trend at each stream section

    Comparison between weir stations and non-weir stations (stations except for weir stations) at each stream section

    Initial eigenvalue and rotation sum of squared loadings at the upstream section

    Initial eigenvalue and rotation sum of squared loadings at the mid/up-stream section

    Initial eigenvalue and rotation sum of squared loadings at the mid/down-stream section

    Results of rotated component matrix by factor analysis

    Reference

    1. Arai, T. , Ikejima, N. , 1980, A Survey of Plesiomonas shigelloides from aquatic environments, domestic animals, pets and humans, J. Hyg., 84(2), 203-211.
    2. Araujo, R. M. , Arribas, R. , Lucena, F., Pares, R., 1989, Relation between Aeromonas and fecal coliforms in fresh waters, J. Appl. Bacteriol., 67(2), 213-217.
    3. Baek, S. , 2014, Distribution characteristics of chemical oxygen demand and Escherichia coli based on pollutant sources at Gwangyang Bay of South Sea in Korea, Journal of Korea Academia-Industrial cooperation Society (JKAIS), 15(5), 3279-3285.
    4. Beck, Y. S. , Sohn, J. S. , 2006, Studies on the effect of water quality parameters on total coliform concentration in sewage effluents, J. Korean Soc. Water Qual., 22(1), 166-171.
    5. Canosa, A. , Pinilla, G. , 1999, Bacteriological eutrophication indicators in four Colombian water bodies (South America), Lakes Reserv. Res. Manag., 4, 23-27.
    6. Cho, H. K. , 2011, A Study on the related characteristics of discharge-water quality in Nakdong river, Journal of Environmental Science International (JESI), 20(3), 373-384.
    7. Gwak, B. R. , Kim, I. K. , 2015, The evaluation of water quality using a multivariate analysis in Changnyeong -Haman weir section, Journal of the Korean Society of Water and Wastewater (JKSWW), 29(6), 625-632.
    8. Gwak, B. R. , Kim, I. K. , 2016, Characterization of water quality in Changnyeong-Haman weir section using statistical analyses, Journal of Korean Society of Environmental Engineers (KSEE), 38(2), 71-78.
    9. Hiraishi, A. , Saheki, K. , Horie, S., 1984, Relationships of total coliform, fecal coliform, and organic pollution levels in Tamagawa River, Bull. Japan. Soc. Sci. Fish., 50(6), 991-997.
    10. Jeon, Y. I. , 2012, The assessment of the quality of Nakdong River and the analysis of correlationship according to the items of water quality, Yeungnam University, Korea.
    11. Jung, K. W. , Yoon, C. G. , Jang, J. H., Jeon, J. H., 2006, Water quality and correlation analysis between water quality parameters in the Hwaong watershed, J. Korean Soc. Agric. Eng., 48(1), 91-102.
    12. Jung, K. Y. , Ahn, J. M. , Kim, K. S., Lee, I. J., Yang, D. S., 2016, Evaluation of water quality characteristics and water quality improvement grade classification of Geumho River tributaries, Journal of Environmental Science International (JESI), 25(6), 767-787.
    13. Jung, S. Y. , Kim, I. K. , 2017, Analysis of water quality factor and correlation between water quality and Chl-a in middle and downstream weir section of Nakdong River, Journal of Korean Society Environmental Engineers (KSEE), 39(2), 89-96.
    14. Kim, G. H. , Jung, K. Y. , Yoon, J. S., Cheon, S. U., 2013, Temporal and spatial analysis of water quality data observed in lower watershed of Nam river dam, J. Korean Soc. Hazard Mitig., 13(6), 429-437.
    15. Kim, G. H. , Jung, K. Y. , Lee, I. J., Lee, K. L., Cheon, S. U., Im, T. H., Yoon, J. S., 2014, A Study on instream flow for water quality improvement in lower watershed of Nam River dam, J. Korean Soc. Water Environ., 30(1), 44-59.
    16. Kim, H. C. , Lee, S. B. , Jung, K. W., Han, J. Y., 2004, Analysis of correlation among the pollutant concentrations in stream to the estuary reservoir, Journal of the Korea Society of Water and Wastewater (JKSWW), 62-71.
    17. Kim, J. G. , Lee, J. Y. , 2001, Application of QUAL2E model for water quality management in the Keum River(I) Estimation of model input parameter and autochthonous BOD-, Journal of the Korean Environmental Sciences Society, 10(2), 119-127.
    18. Kim, K. A. , Kim, Y. J. , Song, M. J., Ji, K. W., Yu, P. J., Kim, C. W., 2007, Evaluation of water quality characteristics in the Nakdong River using multivariate analysis, J. Korean Soc. Water Qual., 23, 814-821.
    19. Kim, K. M. , Lee, I. R. , Kim, J. T., 2008, Factor analysis of the trend of stream quality in Nakdong River, Journal of the Korean Data and Information Science Society (JKDIS), 19(4), 1201-1210.
    20. Kim, M. S. , Chung, Y. R. , Suh, E. H., Song, W. S., 2002, Eutrophication of Nakdong River and statistical analysis of environmental factors, Algae, 17(2), 105-115.
    21. Kim, O. S. , 2005, A Study on the application of total maximum daily loads management in lower watershed of Nam River, Doctoral thesis, Gyeongsang National University, 90-158.
    22. Kim, S. M. , Kim, S. M. , Park, T. Y., 2010, Spatial analysis of BOD data in Namgang-Dam watershed for TMDLs, J. Korean Soc. Agric. Eng., 52(3), 81-88.
    23. Lee, N. D. , Kim, J. G. , 2007, The evaluation of water quality in coastal sea of Kunsan using statistic analysis, Jounal of the Korean Environmental Sciences Society, 16(3), 369-376.
    24. Lee, S. H. , 2015, A Study on mass balance analysis and water quality management of weir segments, Nakdong River Watershed Management Committee, 36-37.
    25. Min, Y. H. , Hyun, D. Y. , Eum, C. H., Chung, N. H., Kang, S. W., Lee, S. H., 2011, A Study on relationship of concentration of phosphorus, turbidity and pH with temperature in water and soil, Journal of Analytical Science and Technology (JAST), 24(5), 378-386.
    26. NRERC, 2009, '08 management report of target water quality monitoring system in Nakdong River basin, Nakdong River Environment Research Center, 142-163.
    27. Park, J. H. , Moon, M. J. , Lee, H. J., Kim, K. S., 2014, A Study on characteristics of water quality using multivariate analysis in Sumjin River basin. J. Korean Soc. Water Environ., 30(2), 119-127.
    28. Park, T. Y. , Kim, S. J. , Kim, S. M., Kim, S. M., 2010, Temporal and spatial analysis of water quality data observed from major water quality stations in Nakdonggang watershed, J. Agric. Life Sci., 44(5), 117-127.
    29. Ramteke, P. W. , Bhattacharjee, J. W. , Pathak, S. P., Kaira, N., 1992, Evaluation of coliforms as indicators of water quality in India. J. Appl. Bacteriol., 72, 352-356.
    30. Seo, Y. J. , Kwak, S. H. , Lee, K. S., Lyu, S. W., 2016, Multi-variate analysis for water quality characteristics at lower reach of Geumho River confluence in Nakdong River, 2016 Korean Society of Civil Engineers Annual Meeting, Jeju, 304-305.
    31. Yu, J. J. , Shin, S. H. , Yoon, Y. S., Kang, D. K., 2012, Water quality prediction and forecast of pollution source in Namgang mid-watershed each reduction scenario, Korean Society of Environmental Impact Assessment, 21(4), 543-552.