Spatial and Temporal Variability of Water Quality in Geum-River Watershed and Their Influences by Landuse Pattern

금강 수계의 시.공간적 수질특성과 토지이용도의 영향

  • Han, Jeong-Ho (Department of Bioscience and Biotechnology, College of Biological Science and Biotechnology, Chungnam National University) ;
  • Bae, Young-Ju (Department of Bioscience and Biotechnology, College of Biological Science and Biotechnology, Chungnam National University) ;
  • An, Kwang-Guk (Department of Bioscience and Biotechnology, College of Biological Science and Biotechnology, Chungnam National University)
  • Received : 2010.08.15
  • Accepted : 2010.09.15
  • Published : 2010.09.30

Abstract

The objective of this study was to analyze long term temporal trends of water chemistry and spatial heterogeneity for 83 sampling sites of Geum-River watershed using water quality dataset during 2003~2007 (obtained from the Ministry of Environment, Korea). The water quality, based on multi-parameters of temperature, dissolved oxygen (DO), biochemical oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD), suspended solids (SS), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), and electric conductivity (EC), largely varied depending on the landuse patterns, years and seasons. The watershed was classified into three different landuse types: forest stream (Fo), agricultural stream (Ag), and urban stream (Ur). Largest seasonal variabilities in most parameters occurred during the two months of July to August and these were closely associated with large spate of summer monsoon rain. Conductivity, used as a key indicator for an ionic dilution during rainy season, and nutrients of TN and TP had inverse functions of precipitation. BOD, COD decrease during the rainy season. Minimum values in the conductivity, TN, and TP were observed during the summer monsoon, indicating an ionic and nutrient dilution of river water by the rainwater. In contrast, major inputs of suspended solids (SS) occurred during the period of summer monsoon. The landuse patterns analyses, based on the variables of BOD, COD, TN, TP and SS, showed that the values were greater in the agricultural stream (Ag) than in the forest stream (Fo) and urban stream (Ur) and that water quality was worst in the urban stream (Ur). The overall dataset suggest that efficient water quality management, especially in Gap-Stream and Miho-Stream, which showed worst water quality is required along with some of urban stream (Ur), based on the analysis of landuse patterns.

본 연구는 금강 수계의 83개 하천 지점에서 이 화학적 수질의 시 공간적 변이를 파악하기 위하여 2003~2007년까지 측정된 환경부의 수질자료를 분석하였다. 이용된 수질 변수는 수온, 용존산소량(DO), 생물학적 산소요구량(BOD), 화학적 산소요구량(COD), 부유물(SS), 총질소(TN), 총인(TP) 및 전기전도도(EC)의 8개 항목으로 이들의 수질특성은 토지이용도, 연별, 계절별, 조사지점별로 큰 변이를 보였다. 각 지점들은 토지이용도에 따라 크게 산림형 하천(Forest stream, Fo), 농지형 하천(Agricultural stream, Ag), 도심형 하천(Urban stream, Ur)의 3가지 유형으로 구분하였다. 대부분의 수질변수들은 장마기인 7~8월 동안 접종강우로 인하여 계절적 변이 폭이 큰 것으로 나타났다. 장마기에 이온 희석현상의 지표로 이용되는 전기전도도와 영양염류인 총질소와 총인은 장마기 강우량과 역상관관계를 보이는 것으로 나타났다. BOD와 COD는 장마기에 크게 감소하는 것으로 나타났으며, 전기전도도, TN, TP 농도의 최소값도 여름철 장마기에 나타났는데, 이는 집중강우로 하천 유량이 증가하여 이온 및 영양염류가 희석되었기 때문으로 사료된다. 이에 반하여 계절별 SS의 농도는 여름철 강우기 동안에 주로 유입되는 것으로 나타났다. 토지이용도에 따른 계절별 수질 특성을 분석한 결과, BOD, COD, TN, TP 및 SS의 농도에서는 괄목할만한 차이를 보였으며, 농지형 하천(Ag)이 산림형 하천(Fo)과 도심형 하천(Ur)에 비하여 BOD, COD, SS의 농도가 더 높은 것으로 나타났으며, 도심형 하천에서 TN, TP의 농도가 더 높게 나타나 수질악화가 심각한 것으로 나타났다. 수계의 수질과 밀접한 상관성을 보이는 것으로 나타났으며, 또한 대전 및 청주의 도심에서 흘러나오는 지천인 갑천과 미호천 등 도심형 하천이 금강 수계 하류의 수질악화에 큰 영향을 주는 것으로 나타나 이런 지류부에서의 효율적인 수질관리가 시급한 것으로 사료되었다.

Keywords

References

  1. 강선아, 안광국. 2006. 영산강 수계의 이화학적 수질에 관한 시공간적 변이 분석. 한국육수학회지 39(1): 73-84.
  2. 김종구, 윤선재, 권정노. 1998b. 금강하구둑 건설 후의 수질변화. 한국수산학회지 31(5): 685-694.
  3. 김종구. 2002. 통계분석 기법을 이용한 금강수계의 수질평가. 한국환경과학회지 11(12): 1281-1289.
  4. 김진호, 최절만, 김원일, 이종식, 정구복, 한국헌, 류종수, 이정택, 권순국. 2007. 농촌유역의 수질평가를 위한 다변량분석 기법의 이용. 한국환경과학회지 26(1): 17-24.
  5. 김태철, 서동일, 강 호, 이상명, 오희목, 홍영표, 안승락, 백운기, 김광식, 김재철. 1998a. 금강유역 수질환경 및 자연생태. 도서출판 이화 pp. 22-37
  6. 박경훈. 2003. 금호강 유역의 환경특성이 하천수질에 미치는 영향. 한국지리정보학회지 6(4): 58-98
  7. 박석순, 박배경, 이상호. 1994. 한강유역의 토지이용도에 따른 지천 수질 비교. 한국수질보전학회지 10(1): 10-16.
  8. 배대열, 양은찬, 정승현, 이재훈, 안광국. 2007. 대청호에서 종적 구배에 따른 영양염류 및 엽록소의 역동. 한국수학회지 40(2): 285-293.
  9. 신재기, 조경제. 2000. 금강 하구호에서 수질의 계절변동과 오염도. 한국육수학회지 33(3): 251-259.
  10. 안광국, 신일철. 2005. 산간 계류성 하천의 계절적 수질 변동에 대한 몬순 강우의 영향. 한국육수학회지 38(1): 54-62.
  11. 안광국, 양우미. 2007. 금강수계의 수질 특성. 한국육수학회지 40(1): 110-120.
  12. 안광국. 2001. 대형 인공호에서 양이온, 음이온 및 전기전도도의 연 변화에 대한 수리수문학적 중요성. 한국육수학회지 36(1): 38-47.
  13. 양한섭, 김성수. 1990. 금강 하류역에서 수질의 시공간적 변화 특성. 한국수산학회지 23(3):225-237.
  14. 오강호, 고영구. 2003. 광주광역시 하천수의 수질 및 오염. 한국환경학회지 12(3): 287-297.
  15. 유병철, 유션재, 조주환. 1994. 금강하구에 나타나는 황색수색대의 환경특성. 한국수산학회지 27(1): 97-105.
  16. 유선재, 김종구, 권태연, 이석모. 1999. 금강의 부영양화 현상에 관한 연구. 한국환경과학회지 8(2): 155-160.
  17. 유순주, 김창수, 하성룡, 황종연, 채민희. 2005. 금강 수계 자연 유기물 특성 분석. 한국물환경학회지 21(2): 125-131.
  18. 윤춘경, 이새봄, 정광욱, 한정윤. 2007. 농업용저수지 유역의 토지이용과 수질항목 간의 상관관계 분석. 한국육수학회지 40(1): 31-39.
  19. 이상득, 이길연, 박정규. 2005. 금강 하구의 수리 및 수질 특성에 관한 연구. 한국환경관리학회지 11(3): 199-208.
  20. 이재운, 김지연, 현길수. 2010. 시공간적 금강 유역의 수질변동 분석. 한국수처리학회지 18(3): 79-86.
  21. 이종태, 이진일, 남운규, 한규홍. 1999. 금강 수계 농업용수의 수질. 한국환경농학회지 18(2) :122-125.
  22. 임창수. 1999. 금강유역 14개 관측점의 수질자료를 이용한 수질의 다변량 분석. 한국환경과학회지 8(3): 331-336.
  23. 정광욱, 윤충경, 장재호, 김형철. 2006. 유역의 토지이용과 오염원 현황이 수질특성에 미치는 영향 분석. 한국육수학회지 39(1): 41-45.
  24. 정종배, 김목진, 김정국. 1997. 낙동강 수계 주요 농업지대 소유역의 수질 오염. 한국환경농학회지 16(2):187-192.
  25. 최병현. 1993. 금강하류부 수질변동에 관한 연구. 전북대학교. 환경공학과 석사학위논문.
  26. 최창현, 한강완, 조재영, 전재철, 김성조. 2000 금강 수계 남대천유역의 수질변화와 오염부하량. 한국환경농학회지 19(1): 26-31.
  27. 한강완, 조재영, 김성조. 1997. 금강유역 농업지대의 토양 및 수질 오염. 한국환경농학회지 16(1): 19-24.
  28. An, K-G. 2001. Hydrological significance on interannual variability of cations, anions, and conductivity in a large reservoir ecosystem. Korean Journal of Limnology 34: 1-8.
  29. An, K-G. and D.S. Kim. 2003. Response of lake water quality to nutrient inputs from various streams and in-lake fishfarms. Water, Air and Soil Pollution 149(1-4): 27-49.
  30. An, K-G. and J.R. Jones. 2000. Temporal and spatial patterns in ionic salinity and suspended solids in s reservoir influenced by the Asian monsoon. Hydrobiologia 436: 179-189. https://doi.org/10.1023/A:1026578117878
  31. Arheimer, B. and R. Liden. 2000. Nitrogen and phosphorus concentrations for agricultural catchment; influence of spatial and temporal variables. Journal of Hydrology 227(1-4): 140-159. https://doi.org/10.1016/S0022-1694(99)00177-8
  32. Bolstad, P.V. and W.T. Swank. 1997. Cumulative impacts of land use on water quality in a Southern Appalachian Watershed. Journal of American Water Research Association 33(3): 519-534. https://doi.org/10.1111/j.1752-1688.1997.tb03529.x
  33. Cameron, E.M. 1996. Hydrogeochemistry of Fraser River, British Columbia: seasonal variation in major and minor components. Journal of Hydrology 182: 209-225. https://doi.org/10.1016/0022-1694(95)02924-9
  34. Collins, R. and A Jenkins. 1996. The impact of agricultural land use on stream chemistry in the middle Hills of the himalayas. Journal of Hydrology 185: 71-86. https://doi.org/10.1016/0022-1694(95)03008-5
  35. Fisher, D.S., J.L. Steiner, D.M. Endale, J.A. Stuedemann, H.H. Schomberg, A.J. Franzluebbers and S.R. Wilkinson. 2000. The relationship of land use practices to surface water quality in the Upper Oconee Watershed of Georgia. Forest Ecology and Management 128: 39-48. https://doi.org/10.1016/S0378-1127(99)00270-4
  36. Gburek, W.J. and G.J. Folmar. 1999. Flow and chemical contributions to stream flow in an upland watershed: a base flow survey. Journal of Hydrology 214: 1-18. https://doi.org/10.1016/S0022-1694(98)00220-0
  37. Haith, D.A. 1976. Land use and water quality in New York River. Journal of Environmental Engineering Division, ASCE 102: 1-15.
  38. Lenat, D.R. and J.K. Crawford. 1994. Effects of land use on water quality and aquatic biota of three North Carolina Piedmont Streams, Hydrobiologia 294(3): 185-200. https://doi.org/10.1007/BF00021291
  39. McCune, B. and M.J. Mefford. 1999. PC-ORD. Multivariate analysis of ecological data. Version 4.25. MjM Software, Gleneden Beach, Oregon, USA.
  40. Novotny, V. and H. Olem. 1994. Water quality: prevention, identification and management of diffuse pollution. Van Nostrand Reinold, New York, pp. 1054.
  41. Osborne, L.L. and M.J. Wiley. 1988. Empirical relationships between land use/cover and stream water quality in an agricultural watershed. Journal of Environmental Management 26: 9-27.
  42. Smart, R.P., C. Soulsby, C. Neal, A Wade, M.S. Cresser, M.F. Billett, S.J. Langan, A.C. Edwards, H.P. Jarvie and R. Owen. 1998. Factors regulating the spatial and temporal distribution of solute concentrations in a major river system in NE Scotland. The Science of the Total Environment 221(2-3): 93-110. https://doi.org/10.1016/S0048-9697(98)00196-X
  43. Tong, S.T.Y. and W. Chen. 2002. Modeling the relationship between land and surface water quality. Journal of Environmental Management 66(4): 377-393. https://doi.org/10.1006/jema.2002.0593
  44. Turner, R.E. and N.N. Rabalais. 2003. Linking landscape and water quality in the Mississippi River Basin for 200 years. BioScience 53(6): 563-572. https://doi.org/10.1641/0006-3568(2003)053[0563:LLAWQI]2.0.CO;2
  45. Zalidis, G., S. Stamatiadis, W. Takavakoglou, K. Eskridgr and N. Misopolinos. 2002. Impacts of agricultural practices on soil and water quality in the Mediterranean region and proposed assessment methodology. Agriculture, Ecosystem and Environment 88(2): 137-146. https://doi.org/10.1016/S0167-8809(01)00249-3