고빈도 모니터링을 이용한 호수 및 하천들의 단기 수질변동 연구 = A study on water quality variations based on high-frequency monitoring in Lakes and streams
저자
발행사항
춘천 : 강원대학교 대학원, 2020
학위논문사항
학위논문(석사)-- 강원대학교 대학원 : 환경학과 2020. 2
발행연도
2020
작성언어
한국어
주제어
KDC
454.9 판사항(6)
발행국(도시)
강원특별자치도
형태사항
Ⅷ, 113 L. : 삽도 ; 30 cm
일반주기명
강원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다
지도교수:김범철
참고문헌 : L.104~111
UCI식별코드
I804:42002-000000030958
소장기관
Recently, The study based on high frequency water quality monitoring using sensor has been increased due to limitation of conventional monitoring. In overseas, high frequency monitoring research is already active, including reporting on high frequency monitoring results in various water bodies, verifying model simulation results, and calculating, analyzing and simulating total primary production and respiration using them. However, there is a lack of high frequency monitoring and research applying these results of water bodies in Korea. In this study, the water quality of large lakes (Soyang Lake), urban rivers (Anyangcheon, Gwangjucheon, Jungnangcheon), combined watershed streams(Hongreung) and downstream weir(Haman weir) were monitored using high frequency sensors.
Dissolved oxygen sudden drop by rainfall and the dissolved oxygen supersaturation during summer occurred in large lake(Lake Soyang). The supersaturation of dissolved oxygen has been reported in the literature, but daily fluctuations of conductivity and its decrease by rainfall event has not been reported previously. The cause of the daily fluctuation of conductivity is difficult to identify, but it is assumed that the phenomenon is caused by fluctuating water temperature. In urban rivers, runoff has occurred due to first-flush effects during rainfall, as reported in many literatures. As a result, dissolved oxygen was depleted and water temperature, conductivity, and pH decreased. In Anyang stream and Gwangju stream, the daily fluctuation of electric conductivity appeared, but in the same urban stream, Jungnang stream could not find the daily fluctuation.
The annual fluctuations of chlorophyll-a showed a sudden change in concentration in a short time. This phenomenon is seen in the three years of data for 2016, 2018 and 2019 and occurred in spring or summer. In order to analyze the sudden change of Chl-a, four scenarios were progressed and analyzed by adding / adjusting withdrawal, wind speed, cloud cover, and zooplankton using two-dimensional water quality model (CE-QUAL-W2). As a result, increased withdrawal and cloud cover could not explain the Chl-a drop phenomenon. Two factors, wind speed and zooplankton, were found to have some effect. The effect of turning on zooplankton function was found to be influential, but the effect was negligible when adjusted to the biomass reported in the literature. The Chl-a short-term simulations showed that the daily fluctuations were simulated due to the mixing depth fluctuations that differed from the intra-surface surface temperature fluctuations.
In urban streams, daytime DO was oversaturated by more than 110%. In Hongneung stream, a complex watershed, DO depletion due to rainfall did not occur, and DO oversaturation occurred day by day, exceeding 150%.
In Haman weir, the downstream in Nakdong river, stratification was formed, DO difference between surface and hypolimnion occurred. In daytime, DO measured above the 20 mgO2·L-1. on the other hand, DO in the night time was decreased to 6 mgO2·L-1.
As a result of comparing the tide level of Incheon Bay, the water level of Han river( Haengju Bridge) and the water quality of Anyang stream, it was found that if the tides occurred and the water level of Han river increased, it also affected the water quality of Anyang stream. DO and conductivity decreased, and it seems that Han River water flowed back into Anyang stream for some time. Sometime, in the case of a large amount of backflow in the Han River, DO increased. Since fluctuations in the Han River level affected the flow of the river, turbidity also fluctuated accordingly. This decrease in dissolved oxygen occurred at a time when the water level rose regardless of the season, and then recovered as soon as the flow was restored.
최근 기후변화나 그에 따른 집중호우 등 단기적인 기상급변현상들이 나타나며 기존 수질 모니터링의 한계점이 드러나고 있다. 이와 함께 센서 기술이 발달하며 센서를 활용한 하루 이하 빈도로 측정하는 고빈도 수질 연구의 필요성이 증대하고 있다. 국외에서는 이미 여러 수체에서의 고빈도 모니터링 결과에 대한 보고, 모델 모의 결과에 대한 검증, 이를 이용한 총 일차생산 및 호흡 등을 계산, 분석하고 모의하는 등 고빈도 모니터링 연구가 활발하다. 그러나 국내에서는 수체의 고빈도 모니터링 자체가 부족하며, 이러한 결과를 응용하는 연구 또한 많이 부족한 실정이다. 고빈도 모니터링을 진행하면 이전의 모니터링에서 확인할 수 없는 수질의 단기 변동을 확인할 수 있으며, 탁도 등을 통하여 부유물질이나 총인 등의 간접 모니터링 등을 기대할 수 있다. 본 연구에서는 센서를 활용하여 대형호(소양호), 도시하천(안양천, 광주천, 중랑천), 복합하천 및 하류보 지점 등의 수질을 고빈도로 모니터링 하였다.
대형호인 소양호에서 강우에 의한 용존산소 급감현상과 여름철 용존산소 과포화 현상이 나타났다. 용존산소의 과포화 현상은 선행문헌에서도 보고된 바 있으나 전기전도도의 일주기변동 현상과 강우시 감소현상과 같은 기존에 보고되지 않은 현상이 나타났다. 일주기변동 현상의 정확한 원인은 파악하기 어려우나 수온 변동에 따른 현상으로 추측된다.
엽록소-a의 연간 변동을 살펴본 결과, 단기간에 농도의 급등락이 나타나는 급변 현상이 나타났다. 이 현상은 2016년과 2018, 2019년 3년의 데이터에서 모두 나타났다. 계절적으로는 여름철에 반복하여 나타났다. Chl-a의 급변 현상을 해석하기 위해 2차원 수질 모델(CE-QUAL-W2)를 이용하여 방류량, 풍속, 운량, 동물플랑크톤 등을 추가/조정하여 4개의 시나리오를 진행, 분석하였다. 그 결과 방류량과 운량의 증가는 Chl-a drop 현상을 설명할 수 없었으며 풍속과 동물플랑크톤 2가지 요소는 일부 영향이 있는 것으로 나타났다. 동물플랑크톤 기능을 on 한 결과로는 영향이 있는 것으로 나타났으나 문헌에 보고된 생체량으로 조정하여 모의하면 그 영향이 미비한 것으로 나타났다. Chl-a 단기 모의결과, 일주기 변동이 모의되었는데, 이는 일중 표층 수온 변동에 다른 mixing depth 변동에 의한 것으로 판단된다.
도시하천에서는 많은 문헌에서 보고된 바와 같이 강우시 초기유출효과(first-flush effect)에 따른 유출이 발생하였다. 그에 따라 용존산소가 고갈되었으며 수온, 전기전도도, pH등이 감소하였다. 안양천, 광주천에서는 전기전도도의 일주기변동 현상이 나타났으나 같은 도시하천인 중랑천에서는 일주기 현상을 발견할 수 없었다.
도시하천에서는 낮시간 DO가 110% 이상 과포화 되는 경우가 많았다. 복합유역하천인 홍릉천에서는 강우에 의한 DO고갈은 발생하지 않았으나 150% 이상의 DO과포화 현상은 매일 발생하였다. 하류보인 창녕함안보에서는 수온에 따라 성층이 형성되어 표층과 심층의 DO차이가 발생하였으며, 표층에서는 낮시간 DO가 최대 측정값인 20 mgO2·L-1 이상으로 치솟았다. 밤시간 DO는 mgO2·L-1 까지 감소하였다. 일주일 내내 포화도가 110% 이상을 나타내었다.
인천만의 조위, 행주대교의 수위와 안양천의 수질을 서로 비교해본 결과, 조석이 발생하여 행주대교의 수위가 상승하면 안양천의 수질에도 영향을 미치는 것으로 나타났다. DO와 전기전도도는 감소하는 것으로 나타났는데, 일부기간 한강물이 안양천으로 일부 역류하여 들어오는 것으로 판단된다. 역류량이 많을 경우 DO가 오히려 증가하는 경우도 나타났다. 하천의 흐름에 영향을 미치기 때문에 탁도 또한 그에 따른 변동이 있었다. 이러한 용존산소의 감소 현상은 계절에 관계없이 수위가 상승하면 일시에 발생하였다가 흐름이 회복되자마자 바로 회복되었다.
이처럼 고빈도 모니터링을 통해 기존에 알려지지 않은 여러 현상을 확인할 수 있었다. 대형호에서의 DO변동, Chl-a 급변현상, 전기전도도의 변동 등이 있었으며, 하천에서는 강우시 단기 수질변동, 조석에 따른 단기 수질변동을 확인할 수 있었다.
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