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A Study on the Water Quality Changes of TMDL Unit Watershed in Guem River Basin Using a Nonparametric Trend Analysis
A Study on the Water Quality Changes of TMDL Unit Watershed in Guem River Basin Using a Nonparametric Trend Analysis
Journal of Korean Society on Water Environment. 2014. Mar, 30(2): 148-158
Copyright © 2014, Korean Society on Water Environment
  • Received : January 15, 2014
  • Accepted : February 14, 2014
  • Published : March 30, 2014
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About the Authors
은정 김
용석 김
덕희 류
지철 류
배경 박
bkpark67@korea.kr

Abstract
In order to assess the effect of TMDLs management and improve that in the future, it is necessary to analyze long-term changes in water quality during management period. Therefore, long term trend analysis of BOD was performed on thirty monitoring stations in Geum River TMDL unit watersheds. Nonparametric trend analysis method was used for analysis as the water quality data are generally not in normal distribution. The monthly median values of BOD during 2004~2010 were analyzed by Seasonal Mann-Kendall test and LOWESS(LOcally WEighted Scatter plot Smoother). And the effect of Total Maximum Daily Loads(TMDLs) management on water quality changes at each unit watershed was analyzed with the result of trend analysis. The Seasonal Mann-Kendall test results showed that BOD concentrations had the downward trend at 10 unit watersheds, upward trend at 4 unit watersheds and no significant trend at 16 unit watersheds. And the LOWESS analysis showed that BOD concentration began to decrease after mid-2009 at almost all of unit watersheds having no trend in implementation plan watershed. It was estimated that TMDLs improved water quality in Geum River water system and the improvement of water quality was made mainly in implementation plan unit watershed and tributaries.
Keywords
1. Introduction
금강수계는 수계 중앙부에 대청호가 위치하여 지역내 식수원으로 중요한 역할을 하고, 최말단 금강하구언 및 새만금지역에 이르기까지 개발사업 및 토지이용도 변화에 따른 오염원 증가가 단기간에 진행되어 효율적인 유역 및 수질관리의 필요성이 높은 지역이다. 이에 정부에서도 안정적인 수질관리를 위해 수계를 단위유역으로 구분하여 목표수질을 설정하고, 이를 달성・유지할 수 있는 오염물질의 허용총량을 설정하여 관리하는 수질오염총량관리제도를 금강수계에서도 시행하였다( Park et al., 2012 ). 1단계 수질오염총 량제는 관리대상물질을 Biochemical Oxygen Demand (BOD)로 하여 2004년부터 2010년까지 시행되었으며, 2011년부터 대청호 상류지역에 Total Phosporus (TP)를 추가하여 현재 2단계 수질오염총량제가 시행중에 있다.
수질오염총량제와 같은 수질정책의 효과적인 운영과 향후 정책의 보완・수정을 위해서는 과학적인 방법을 통해 장기적인 수질 변화 경향을 분석하는 것이 중요하다( Bekele and McFarland, 2004 ; Lee and Park, 2009 ). 수체의 수질은 외부 오염원의 변동, 강우 등의 기후요인, 내부 하천환경 변화 등 복합적인 요인에 의해 영향을 받기 때문에 수질 변화의 명확한 원인분석에는 한계가 있다. 그러나 장기적인 수질변화 경향은 여러 가지 요인을 종합적으로 고려하여 전반적인 정책 효과를 분석하는데 있어서 중요한 지표로 작용할 것이므로, 수질오염총량제의 효과를 분석하고 향후 발전방안을 모색하기 위해서는 선행적으로 수질오염총량제 기간 동안의 수질 변화 경향성을 분석하는 것이 필요하다.
금강수계에서 1단계 수질오염총량제 시행에 따른 평가연구가 몇몇 연구자들을 통해 이루어져 왔다. Park et al. (2012) 은 금강수계의 목표수질 및 할당부하량 달성도를 분석하여 1단계 제도시행 성과를 평가하였으며 할당부하량 초과원인, 목표수질과 할당부하량의 상관성 등을 분석하였다. Park and Oh (2012) 는 금강수계 목표수질 초과지역에 대한 유황별 목표수질 초과율 및 초과기여도를 분석하여 하천유량 조건에 따른 목표수질 초과현상을 분석하는 연구를 수행하였다. 그 외 Park et al. (2013) 은 3대강 수계에 대하여 1단계 수질오염총량제 기간의 할당부하량 초과 현황 및 원인 분석과 함께 할당초과 지역의 페널티 적용방안을 제안하였다. 그러나 이들 연구는 할당부하량과 목표수질 대비 달성율 평가를 중심으로 이루어졌으며, 1단계 수질오염총량제 기간을 거치면서 단위유역별로 수질이 어떠한 추세를 가지고 변화해 왔는지에 대한 구체적인 분석은 지금까지 이루어지지 않았다.
현재 4대강 물환경연구소에서는 총량관리 단위유역별로 최소 8일 간격의 수질자료가 생성되고 있으며 본 자료는 3년치 변환평균농도를 통한 시행대상지역 판정 및 업무관련자의 이해도 편의를 위한 산술평균(년평균)농도 산정에 활용되고 있다. 그러나 자연수체에서 관측되는 수질 자료는 계절변이가 심하고 결측치와 이상치가 존재하기 때문에 적절한 통계기법의 적용 및 분석이 필요하다. 잘 알려진 바와 같이, 수질은 일반적으로 정규분포 형태를 가지지 않는 경우가 많으며 이 경우 관측치의 정규분포에 대한 가정 없이 분석이 가능한 비모수적 통계기법을 적용하면 해석의 오차를 줄일 수 있다. ( Hirsch and Slack, 1984 ; Lee and Park, 2008 ; Lettenmaier, 1988 ; Montomery and Reckhow, 1984 ; Sokal and Rohlf, 1995 ). 비정규 분포를 가지는 자료에 대해 모수적 방법을 적용함으로써 발생하는 문제를 해결하기 위하여 로그변환과 같이 자료를 변환하여 분석하는 방법도 있으나, 이러한 경우 결과의 해석이 어려울 수도 있다. 수질 경향성 분석에 적용되고 있는 비모수적 통계분석 기법으로는 계절 맨-켄달 검정법(Seasonal Mann-Kendall Test)이 많이 활용되고 있으며, 선형 경향을 기본 가정으로 하는 단점을 보완하기 위하여 LOWESS(LOcally WEighted Scatter plot Smoother) 경향 분석이 함께 사용되고 있다 ( Kim and Park, 2004 ; Lee and Park, 2008 , 2009 ; Song et al., 2012 ). 계절 맨-켄달 검정법은 일반적으로 모수적 경향분석에 사용되는 선형회귀분석과는 달리 계절에 따른 변화를 고려할 수 있으며 정규분포를 띠지 않는 자료에 대해서도 불확실성이 적게 경향성을 분석할 수 있는 장점이 있다.
본 연구에서는 비모수 경향분석법을 이용하여 금강수계에서 1단계 수질오염총량제 기간 동안의 BOD 농도 변화 경향성을 분석하였다. 계절 맨-켄달 검정법을 이용하여 총량기간 동안의 수질 개선도를 평가하였으며 LOWESS 분석법을 통해 대상기간동안의 구체적인 변화 특성을 분석하였다. 또한 경향성 분석결과를 단위유역의 공간적 위치, 수질오염총량제 시행조건(시행대상지역, 수질개선계획지역)과 함께 분석하여 수질오염총량제의 시행에 따른 효과를 평가하고자 하였다. 본 연구를 통해 도출된 결과는 총량관리 단위유역별로 구체적인 시・공간적 수질변화 특성을 제공하여 향후 제도효과 분석 및 개선방향 마련의 기초자료로 제공될 것으로 기대된다.
2. Materials and Methods
- 2.1. 연구 대상 지역 및 분석 자료
본 연구대상인 금강유역은 금강 수역, 만경강 수역, 동진강 수역으로 이루어져 있다( Fig. 1 ). 금강 유역은 한반도 중서부에 위치하며, 충청남북도의 약 절반과 전라북도의 대략 1/4정도를 차지하고, 경상남북도 일부와 경기도 일부를 포함하고 있으며 유역면적으로 볼 때 우리나라에서 3번째에 해당하는 유역이다. 금강수역의 유역면적은 9,912.15 km 2 이고, 유로연장은 397.79 km이며 만경강 유역은 유역면적 1,601.7 km 2 , 유로연장 98.5 km, 동진강 유역은 유역면적 1,129.3 km 2 , 유로연장 46.0 km이다( NIER, 2011 ).
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Study area and monitoring stations.
금강 유역 상류(대청댐 상류)는 비교적 수질이 양호한 편이나 중류부터 대전시를 관통하는 갑천과 청주시를 지나는 미호천이 합류되고 공주, 부여 등의 중소도시 및 농촌지역에서 발생한 각종 오염물질들을 함유한 지류가 유입되어 금강 본류의 수질을 크게 악화시키고 있다( Han et al., 2010 ; Kim, 2002 ; Yang and Kim, 1990 ; You et al., 1999 ). 만경강과 동진강 유역은 새만금의 수질에 직접적인 영향을 미치는 유역이다. 만경강 상류 유역은 수질이 양호한 편이나, 미처리된 축산폐수로 오염된 익산천 유입 후 하류로 갈수록 수질이 악화되는 경향을 보인다. 동진강 유역은 만경강보다는 양호한 수질을 보이고 있으며, 상류의 수질은 양호하나 정읍시와 신태인읍을 통과하며 생활하수 및 공장폐수로 오염된 정읍천의 유입으로 하류 수질이 악화되고 있다( Oh et al., 2004 ; Lee et al., 2004 ).
수질오염총량제에서 금강수계는 금강유역 22개 단위유역과 만경강과 동진강 유역 10개 단위유역 등 총 32개의 단위유역으로 구성되며, 각 유역은 서로 다른 독립적인 배수구역이다.
수질자료를 분석하기 위하여 2004년부터 2012년까지 환경부 수질총량측정망에서 8일 간격으로 측정하고 있는 자료를 수집하였으며, 이 중 1단계 수질오염 총량제의 대상물질인 BOD 농도에 대해서 분석을 시행하였다. 분석 대상 지점은 금강유역의 단위유역말단에 위치하는 수질총량측정망 전체 22개소와 만경강・동진강 유역의 수질총량측정망 중 만경C와 동진B를 제외한 8개 지점을 대상으로 하였다( Fig. 1 ).
- 2.2. 통계분석 방법
금강 수계 수질의 변화 경향을 정량적으로 분석하기 위하여 계절 맨-켄달 검정법(Seasonal Mann-Kendall test)을 적용하였다. 계절 맨-켄달 검정법은 관측치들간의 상관 측정치를 통해 경향을 분석하는 비모수 통계방법으로 사용자가 정의한 각 계절에 대해 켄달 검정을 독립적으로 시행한 후, 각 결과들의 가중합을 구하여 하나의 경향분석 결과를 도출해냄으로써 계절성을 배제하는 분석법이다( Hirsch et al., 1982 ). 계절 맨-켄달 검정법에서 상관계수인 Kendall’s tau를 구하여 그 유의성을 검증함으로써 경향성의 유무를 파악하고, 이에 수반되는 계절 켄달 기울기 통계량(Seasonal Kendall Slope estimator)을 구하여 경향의 정도를 판단할 수 있다( Gilbert, 1987 ; Helsel and Hirsch 1992 ; Lee and Park, 2009 ).
본 연구에서는 월별로 계절을 구분하였고, 2004년~2010년까지 8일 간격 BOD 농도 자료에 대해서 월별로 중간값을 구하여 계절 맨-켄달 검정법을 적용하였으며, SPSS 17.0 통계 패키지를 이용하여 5% 유의수준으로 양측검정을 수행하였다. 또한 계절 켄달 기울기 통계량을 구하여 변화의 크기를 분석하였다.
계절 맨-켄달 검정법은 연구대상 기간 동안의 선형 경향을 기본 가정으로 하기 때문에 특정기간 내에 변화하는 경향성을 파악하기 어렵다( Lee and park, 2008 , 2009 ) 따라서 장기간 수질 변화의 경향성과 더불어 단기간 변화하는 수질 변화의 경향성을 파악하기 위해 LOWESS 기법을 함께 적용하였다. LOWESS는 1차 또는 2차의 특정 회귀모델을 가정하지 않고 이동직선에 대한 데이터 점들을 통해 회귀모델을 적합시키는 방법으로 특정기간 내 변화하는 경향성을 파악할 수 있으며 평활상수는 f =0.5로 수행하였다( Cleveland, 1979 ; Cleveland and Devlin, 1988 ; Hirsch et al, 1982 ).
3. Results and Discussion
- 3.1. 단위유역별 BOD 농도 변화 경향성 분석
금강수계에서 1단계 수질오염총량제 기간인 2004년부터 2010년까지 7년 동안의 BOD 농도에 대한 경향 분석을 계절 맨-켄달 검정법과 LOWESS 분석을 이용해 실시하였으며 그 결과는 다음과 같다( Table 1 , Fig. 2 , Fig. 4 , Fig. 5 ). 계절 맨-켄달 검정결과에서 Z value는 관측치간의 차이를 통해 구해진 켄달 통계치에 대하여 표준정규분포화한 표준정규변량이고 Z를 기초로 구해진 p값을 이용하여 경향성이 통계적으로 유의한지(95% 신뢰수준에서) 판단하게 되며, 결과로 나타난 경향성분석 결과를 up, down, no trend로 구분하여 제시하였다. Slope는 계절 켄달 기울기 통계량을 계산한 것으로 변화의 크기를 의미한다.
Results of Seasonal Mann-Kendall test for BOD data in Geum, Mangyung and Dongjn River TMDL unit watershed during 2004-2010
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Results of Seasonal Mann-Kendall test for BOD data in Geum, Mangyung and Dongjn River TMDL unit watershed during 2004-2010
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Results of trend analysis of BOD in Geum River mainstream.
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Results of trend analysis of BOD in Geum River tributaries.
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Results of trend analysis of BOD in Mangyung and Dongjin River.
금강 본류의 경우 12개 단위유역 중 금본 D, 금본 F, 금본 G, 금본 H, 금본 L 등 5개 단위유역에서 95% 신뢰수준으로 유의한 변화경향이 발견되었다.
금강 본류 중 상류에 해당하는 금본 A, 금본 B, 금본 C, 금본 E에서는 2004년부터 2006년경까지는 농도가 감소하였으나 2007년경부터 증가하여 그 효과가 상쇄됨에 따라 경향성이 없는 것으로 나타났다( Table 1 , Fig. 2(a) , (b) , (c) , (e) ). 그러나 이들 지점은 BOD 농도가 높지 않으며 2004년~2005년을 제외한 기간에서 대부분이 목표수질 이하로 유지되었다. 반면 금본 D와 금본 F는 기울기가 각각 0.041 mgL −1 y −1 과 0.025 mgL −1 y −1 로 증가 경향을 보였는데 Park et al. (2012) 이 제시한 바와 같이 단위유역내 오염원 증가에 의한 것으로 판단된다( Table 1 , Fig. 2(d) , (f) ).
대청댐 하류에 위치하는 금본 G, 금본 H, 금본 L에서는 기울기가 각각 −0.150 mgL −1 y −1 , −0.181 mgL −1 y −1 , −0.150 mgL −1 y −1 으로 감소하는 경향을 보였다. 상류(금본 F)에서의 수질이 증가경향이 있는데 비하여 금본 G에서 감소하는 이유는 갑천 A에서 수질이 지속적으로 감소했기 때문으로 판단된다( Table 1 , Fig. 2(g) ). 금본 H에서 감소경향이 나타난 것은 상류(금본 G)와 미호천으로부터의 유입농도 감소로 인한 영향도 있으며, 해당 단위유역에서의 배출부하량에도 감소가 있는 것으로 보아( NIER, 2011 ) 이로 인한 영향 도 포함된 것으로 판단된다( Table 1 , Fig. 2(h) ). 금본 L의 경우 LOWESS 분석결과 초기에 감소했다가 중반기에 약간 증가하는 상류(금본K)와 달리 꾸준한 감소가 이루어져 맨-켄달 분석결과도 감소경향을 나타냈다. 금본 I, 금본 J, 금본 K의 경우 2008년경의 농도 증가로 인해 변화 경향이 없는 것으로 분석되었으나, LOWESS 그래프를 보면 2009년 이후 농도가 감소하는 것으로 나타났다( Table 1 , Fig. 2(i) , (j) , (k) ). 이는 해당 단위유역 면적이 상류 단위유역(금본 G, 금본 H)보다 넓으며 갑천, 미호천으로부터 상대적으로 떨어져 있어 이들 지류에서의 농도감소 영향을 적게 받았기 때문으로 판단된다. 또한 이들 지점들은 조류 성장이 잘 일어나는 곳으로 내부생산의 영향으로 인해 금본 G 및 금본 H와 같은 정도의 감소효과는 나타나지 않은 것으로 판단된다( Shin et al., 2012 ).
금강본류에서의 시・공간적인 농도 분포특성을 파악하기 위해 단위유역별 LOWESS 결과를 상류부터 하류까지 나열하여 Fig. 3 에 제시하였다. 분석 결과 금강수계 본류는 갑천 유입 이후의 금본 G와 미호천 유입 이후의 금본 H부터 농도가 크게 상승하는 것을 볼 수 있어 이들 유역을 농도상승 유발 유역으로 판단할 수 있다. 그러나 금본 G 이하 유역에서 후반기에 전반적으로 농도가 감소하는 경향을 보이므로 총량제 시행에 따른 수질 개선효과도 나타난 것으로 판단된다.
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Temporal-spatial map of BOD in Geum River mainstream.
금강유역 지류에 위치하는 10개의 단위유역 중 갑천 A, 미호 B, 미호 C, 병천 A, 무심 A의 5개 유역에서 유의한 감소 경향이 관찰되었다. 특히 갑천 A와 미호 B, 미호 C는 초기부터 꾸준히 농도가 감소하며 각각의 감소율은 −0.400 mgL −1 y −1 , −0.381 mgL −1 y −1 , −0.318 mgL −1 y −1 로 나타났다( Table 1 , Fig. 4(d) , (f) , (g) ). 금강 상류에 유입되는 초강 A, 보청 A 그리고 유등 A에서는 총량제 시행기 초반과 2009년 이후 농도가 감소하는 것으로 보이나 중간에 농도가 증가되는 기간이 있어 전반적인 경향성은 없는 것으로 나타났으며, 미호 A와 논산 A 역시 증가와 감소 구간이 반복되어 경향성이 없는 것으로 나타났다( Table 1 , Fig. 4(a) , (b) , (c) , (e) , (j) ).
만경강 유역에 위치하는 만경 A와 만경 B에서는 2009년 중반기 이후로 농도가 감소하는 경향을 보이기는 하지만 전 기간 경향성 분석결과, 각각 0.050 mgL −1 y −1 과 0.456 mgL −1 y −1 의 기울기로 증가경향을 보였다( Table 1 , Fig. 5(a) , (b) ). 만경 A는 유역내 배출부하량이 증가하여 2009년 중반기 이전까지 농도가 상승하였기 때문이며, 만경 B는 전주 A에서의 농도감소 기간 동안에도 농도가 증가한 것으로 보아 전주천 유입의 영향 보다는 만경 B유역 내에 위치하는 익산천을 비롯한 다른 오염원들에 의한 영향인 것으로 판단된다( NIER, 2011 ). 만경강 유입 지류인 전주 A와 탑천 A는 농도 증감이 반복되어 경향성이 없는 것으로 나타났다( Table 1 , Fig. 5(c) , (d) ). 동진강 유역의 경우 정읍 A가 거의 전 기간 내 꾸준한 농도 감소가 이루어졌으며, 고부 A는 2007년~2008년을 제외하고 전 기간에서 농도 감소가 크게 이루어져 각각 −0.183 mgL −1 y −1 과 −0.400 mgL −1 y −1 의 기울기로 감소경향을 보였다 ( Table 1 , Fig. 5(f) , (i) ).
계절 맨-켄달 검정결과 1단계 수질오염총량제 기간 동안 금강수계 전체 단위유역중 농도 변화가 일어난 곳은 14개 지점이었으며, 각 지점에 대한 변화율을 도시하여 서로 비교하였다( Fig. 6 ). 금강 수계에서 농도 감소폭이 가장 큰 단위유역은 고부 A와 갑천 A로 나타났으며, 무심 A의 감소폭이 가장 작은 것으로 나타났다. 만경강 본류에 위치하는 만경 B에서 농도 변화가 가장 크게 일어났으며 가장 큰 증가폭을 보였다.
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Comparison of trend slopes at each unit watershed in which changes of BOD concentrations are statistically significant.
- 3.2. 수질오염총량제 시행지역 분류에 따른 수질개선 효과 분석
1단계 수질오염총량제기간 동안 수질변화 경향의 공간적 분포를 분석하기 위해서 앞선 계절 맨-켄달 검정법에 따른 분석결과를 금강수계의 유역도와 함께 Fig. 7 에 제시하였다. 유역도에 금강 수계의 주요 하천과 수질오염총량제 단위유역경계를 표시하였고, 각 단위유역은 시행계획 지역과 수질개선계획 지역으로 구분하였다.
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Results of Seasonal Mann-Kendall trend of BOD concentrations in Geum, Mangyung and Dongjin River.
금강수계의 경우 대청댐 상류는 모두 수질개선계획 지역으로 이루어져 있는데, 2개 단위유역에서 증가 경향을, 나머지 유역은 무변화 경향을 보였다. 대청댐 하류에서는 미호천 유역, 갑천 유역과 주변 본류의 단위유역(금본 G, 금본 H)에서 감소 경향이 관찰되었고, 미호천과 갑천의 상류에 해당하는 수질개선계획 지역에서는 변화 경향이 없는 것으로 나타났다. 금강수계 나머지 단위유역 중 시행계획 지역인 금본 I, 금본 J, 금본 K, 논산 A는 수질변화가 없는 것으로 나타났으며, 수질개선계획 지역인 금본 L은 감소 추세를 보였다. 만경강 유역은 농도가 감소된 유역이 없었으며 오히려 농도가 증가된 유역이 2개나 존재한다. 더구나 만경 B는 가장 높은 증가율을 보여 엄격한 수질관리가 필요한 것으로 판단된다. 동진강 유역은 동진 B를 제외한 전체가 시행계획 지역으로 구성되어 있으며 유입 지류인 고부 A와 정읍 A에서 농도감소 경향을 보였으나 나머지 유역은 변화가 없는 것으로 나타났다.
시행조건에 따른 수질오염총량제의 효과를 분석하기 위해서, 분석 지점의 단위유역이 본류 또는 지류인지, 시행계획지역 또는 수질개선계획 지역인지 여부에 따라 경향성의 변화를 분석하였다. 이를 위해 각각에 대한 비율을 조사하였으며 그 결과를 Fig. 8 에 제시하였다.
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Distribution of the proportion of BOD trend in (a) mainstream, (b) tributaries, (c) water quality improvement plan unit watershed, and (d) implementation plan unit watershed.
분석결과 각 분석 지점의 단위유역이 지류일 때는 증가 경향이 나타나지 않는 반면에 본류일 때 증가 비율이 27%로 더 높게 났으며, 본류인지 지류인지에 상관없이 경향성이 없는 비율은 같게 나타났다( Fig. 8(a) , (b) ). 상대적으로 감소경향 비율은 지류일 때가 47%로 본류일 때의 20%보다 더 높았다. 한편 시행계획지역 단위유역은 감소경향이 50%로 수질개선계획 지역의 8%보다 높았으며, 증가경향과 무경향 비율은 각각 6%와 44%로 수질개선계획 지역의 25%, 67%보다 낮았다( Fig. 8(c) , (d) ). 이를 통해 1단계 시행기간 동안 본류 보다는 지류 단위유역에서, 그리고 수질개선 단위유역보다는 시행계획 단위유역에서 수질개선이 더 많이 일어났다고 판단할 수 있다.
위의 분류 조건에 따른 BOD 농도변화 경향성의 비율을 세분화하여 분석하기 위하여 전 지점을 본류이면서 수질개선계획지역, 본류이면서 시행계획지역, 지류이면서 수질개선계획지역, 지류이면서 시행계획지역의 4가지 조건으로 나누어 각 조건에서의 경향성 비율을 비교하였다( Fig. 9 ).
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Distribution of the proportion of BOD trend (a) mainstream and water quality improvement plan unit watersheds, (b) mainstream and implementation plan unit watersheds, (c) tributaries and water quality improvement plan unit watershed and (d) tributaries and implementation plan unit watershed.
분석 결과 농도감소 경향은 지류이면서 시행계획지역이 64%로 가장 컸으며, 농도증가 경향은 본류이면서 수질개선계획지역이 50%로 가장 크게 나타났다. 본류이면서 수질개선계획지역에서 수질이 개선된 비율이 13%이긴 하나 전반적인 감소경향과 증가경향의 비율로 볼 때 수질개선의 정도는 지류-시행계획지역 > 본류–시행계획지역 > 지류–수질개선계획지역 > 본류–수질개선계획지역 순이라고 판단된다.
1단계 수질오염총량제 시행 기간 동안 금강수계에서 BOD농도 감소가 일어난 단위유역은 10개, 증가는 4개, 그리고 변화가 없는 것으로 나타난 단위유역은 16개로, 33.3%에서 농도감소, 13.3%에서 농도증가, 나머지에서 무변화경향의 비율로 나타났다. 증가 또는 감소폭을 비교하였을 때( Fig. 6 ), 농도 증가가 일어난 단위유역 중 만경 B를 제외한 전 지점(금본 D, 금본 F, 만경 A)에서의 증가폭은 상대적으로 작으며 이들 지점에서는 모두 목표수질을 달성하고 있으므로 농도증가의 의미가 크지 않다고 볼 수 있다. 또한 변화가 없는 것으로 분석된 유역 중 전주 A를 제외하고는 시행계획지역에서는 후반기에 농도감소가 이루어지 고 있다( Fig. 2 , Fig. 4 , Fig. 5 ).
따라서 BOD를 기준으로 볼 때 1단계 수질오염총량제 기간 동안 금강수계에서는 전반적으로 수질 개선이 일어났으며, 이는 수질오염총량제 시행으로 인해 오염원 관리가 영향을 미쳤기 때문으로 판단된다. 일반적으로 하천에서의 BOD 변화는 유역의 오염원으로부터의 배출부하량 변화와 더불어 유량, 수온, 조류 성장 등의 변화의 영향도 함께 받으나 장기적인 변화경향성은 수질오염총량제 시행으로 인한 배출부하량 감소에 의한 영향이 작용하였을 것이라 사료된다
또한 수질개선의 효과는 시행계획지역에서 주로 일어났으며 본류보다는 지류 지점에서 더 많은 비율로 발생했다. 시행계획지역은 매년 이행평가가 이루어져 그렇지 못한 수질개선계획지역에 비하여 오염원 변동에 대한 신속한 대처가 이루어진 것이 그 원인이라 판단된다. 수질개선지역은 모두 목표수질을 만족하고 있으므로 수질개선의 필요성은 적다고 할 수 있으나, 하류 시행계획지역에 미치는 영향을 고려할 때 수질이 악화되지는 않는 수준으로 관리할 필요가 있다고 판단된다. 한편 시행계획지역 중 본류보다 지류에서 수질개선이 더 일어난 이유는 본류에서는 지류 보다 유량이 많으며 조류 등 내부생산성 증가의 영향을 받기 때문에 배출부하량 감소로 인한 효과가 지류보다 적게 나타났기 때문이라고 사료된다.
4. Conclusion
본 연구에서는 계절 맨-켄달 검정법과 LOWESS 분석법을 적용하여 금강수계에서의 1단계 수질오염총량제 기간동안의 BOD 농도 변화 경향성을 정량・정성적으로 분석하였다.
분석결과 1단계 수질오염총량제 시행 기간 동안 BOD농도 감소가 일어난 단위유역은 10개, 증가는 4개, 변화가 없는 단위유역은 16개였다. 감소경향을 보이는 단위유역중 농도 감소폭이 가장 큰 유역은 고부 A와 갑천 A이며, 만경강 유역 만경 B는 농도 증가가 가장 크게 나타났다.
수질변화 경향의 공간적 분포를 분석한 결과 전체가 수질개선지역인 금강수역의 대청댐 상류에서는 2개 유역이 증가 경향을, 대청댐 하류에서는 미호천 유역, 갑천 유역과 주변 본류의 단위유역들에서 감소 경향을 보였다. 미호천과 갑천의 상류 단위유역과 금본 L를 제외한 대청댐 하류의 나머지 유역들은 모두 경향성이 없는 것으로 나타났다.
수질오염총량제 시행조건에 따른 효과를 분석한 결과, 수질개선계획지역보다는 시행계획지역에서, 본류보다는 지류에서 수질개선 효과가 잘 나타났다. 1단계 수질오염총량제 시행 기간 동안 전 지점의 33.3%에서 농도감소가 일어났으며, 13.3%에서 농도 증가가 일어났으나 만경 B를 제외한 전 유역의 증가폭은 상대적으로 작았다. 또한 변화가 없는 유역 중 전주 A를 제외하고는 시행계획지역에서는 후반기에 농도감소가 이루어졌다. 따라서 금강수계에서 수질오염총량제는 오염원 관리를 통해 시행계획지역을 중심으로 수질을 개선시키는 역할을 한 것으로 판단되며, 앞으로의 2단계 총량제 시행 기간 동안에도 목표수질을 달성할 정도로 꾸준한 수질관리가 필요하다고 생각된다. 수질개선계획 지역은 목표수질을 만족하는 유역이므로 수질 개선 필요성이 약하지만, 하류에 미치는 영향을 생각할 때 적어도 수질이 악화되지는 않는 수준으로 관리가 이루어져야 한다고 사료된다.
본 연구에서는 금강수계의 1단계 수질오염총량제로 인한 수질변화 경향성을 정량・정성적 분석을 통하여 과학적으로 제시하였다. 이러한 방법은 금강 수계 이외의 다른 수계에 대해서도 수질오염총량제 시행으로 인한 수질개선 효과를 평가하는데 있어서 유용하게 활용될 수 있을 것이며, 이를 통해 향후 총량제 관리방안 등을 결정할 때 기본 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 다만, 총량제 시행으로 인한 수질개선효과의 명확한 인과관계 분석을 위해서는 본 연구에서 고려되지 못한 유량의 증감에 의한 영향과 단위유역별 배출부하량의 변화에 의한 영향을 종합적으로 분석하는 것이 필요하며 향후 연구에서는 이러한 분석이 보완 되어야 할 것으로 사료된다.
Acknowledgements
본 연구는 2013년도 국립환경과학원 박사후연수과정 지원사업에 의해 수행되었습니다.
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