• Korean Journal of Ecology and Environment
• /
• v.53 no.1
• /
• pp.46-54
• /
• 2020

Artificial and natural changes such as weir construction and climate change often cause abnormal blooming of organism. Therefore, variations in species community of organisms have been actively investigated to identify influential environmental changes on the fresh water ecosystem. In this study, we investigated Chironomidae community and environmental factors at 5 representative weirs (Ipo, IP; Sejong, SJ; Juksan, JS; Gangjeong-goryung, GG; and Dalsung weir) in 4 Korean major rivers to figure out relationship between Chironomidae community and environmental factors. Environmental factors indicating organic matter (total organic carbon, TOC and Chlorophyll-a, Chl-a) showed lower concentration in IP and SJ compared with other sites(JS, GG and DS). 3 sub-family 18 genus 25 species of Chironomidae community were found in this study. Among them, Chironominae was dominant in JS (Tanytarsus sp.1), GG (Polypedilum scalaenum) and DS (Polypedilum scalaenum), while different sub-family were dominant in IP (Orthcladinae, Tokunagayusurika akamushi) and SJ (Tanypodinae, Tanypus punctipennis). Moreover, based on the dominant species of Chironomidae community and environmental factors, the cluster analysis classified our study sites into 3 groups. These results imply that the diet resource is the most important factor for dominance of Chironomidae in Korean rivers. We also suggest that further study on the identification of diet resources for each Chironomidae specie is required for better understating of distribution in species community of Chironomidae at various ecosystems.

• Journal of Korean Society of Environmental Engineers
• /
• v.39 no.2
• /
• pp.89-96
• /
• 2017

This study analyzed the characteristics of water quality and the correlation between Chl-a and water quality factors among four weirs located in the middle and downstream of Nakdong River for five years. The concentration of nutrients and Chl-a from DS to CH was higher than that of GG, which is considered to be due to the influx of Kumho River located at upstream of DS. There was a significant correlationship between Chl-a and most of the water quality factors for all season data. Based on the comparison results between all season data and summer season data, a negative correlation between Chl-a and nutrients ($PO_4-P$, $NH_3-N$) was increased. Based on analysis on summer in 2015 with relatively low precipitation and high algal blooms, the correlation between Chl-a and $PO_4-P$ at all sites were increased. Therefore phosphorus is an important factor in the river on summer season. And PCA results showed the first factor was classified as T-N, $NO_3-N$ for all seasons, and the first factor was classified as T-P, $PO_4-P$ for summer seasons. Consequently, the middle and downstream of Nakdong River were most affected by nutrients, especially it was affected by phosphorous pollutants rather than nitrogen pollutants during summer seasons.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
• /
• 2018.05a
• /
• pp.488-488
• /
• 2018

본 연구는 보 구간에서 조류와 조류 발생원인 물질의 거동해석 및 조류예측모델의 입력 자료로 활용하기 위하여 부유물질의 침강량과 침강속도를 조사하였다. 낙동강 수계 4개보(달성보, 강정고령보, 합천창녕보, 창녕함안보)를 대상으로 2017년 6월, 7월, 11월, 12월에 조사하였으며, Sediment trap을 이용하여 포집한 침강물질에 대해 seston, POC, PON, POP, Chl-a, Pheo-a의 침강량, 침강속도 및 물질의 함량비를 분석하였다. 조사기간 동안 낙동강수계 4개보 지점에서 seston, POC, PON, POP, Chl-a, Pheo-a 의 침강량은 각각 $322.7{\sim}58,011.5mg/m^2/day$, $33.8{\sim}1,127.2mg/m^2/day$, $4.2{\sim}150.6mg/m^2/day$, $0.667{\sim}10.634mg/m^2/day$, $0.3{\sim}18.7mg/m^2/day$, $0.3{\sim}14.7mg/m^2/day$의 범위로 나타났으며, seston, POC, PN, PP, Chl-a의 침강속도는 각각 0.02~1.46m/day, 0.02~1.36m/day, 0.03~3.18m/day, 0.01~1.18m/day, 0.02~0.60 m/day의 범위로 나타났다. 조사기간 동안 4개보 지점의 평균 침강속도는 seston 0.94m/day, POC 0.44m/day, PON 0.52m/day, POP 0.21m/day, Chl-a 0.22m/day로 보 건설 전인 2004년도 낙동강 본류 지점에서의 침강속도(seston 14.54 m/day, POC 18.32m/day, PON 1.64m/day, POP 5.96m/day, Chl-a 0.29m/day)에 비해 적은 것으로 나타났다. 한편 활성을 잃은 식물플랑크톤을 나타내는 Pheo-a의 농도와 살아있는 식물플랑크톤의 현존량의 지표 Chl-a의 농도 비교결과 죽거나 활성을 잃은 식물플랑크톤의 양이 평균 1.5배 많은 것으로 나타났다. 조사기간 동안 4개 보 지점의 Sediment trap 포집된 침강물 내 C:N비는 2.0~7.4 범위로, N;P비는 14.2~52.5 범위로, C/Chl-a비는 14.4~253.3의 범위로 나타났다. 일반적으로 조류의 C/Chl-a 비가 40으로 볼 때 본 연구에서 조사된 보 지점에서의 침강물은 외부로부터 유입된 유기물이 많은 것으로 판단된다. 본 연구에서는 조류의 침강속도는 조류의 종을 구분하지 않은 총 조류에 대한 것으로, 향후 보 구간에서 종 조성을 고려한 조류예측 모델을 향상시키기 위해서는 조류 종별에 대한 침강속도에 대한 연구할 필요가 있다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
• /
• 2019.05a
• /
• pp.416-416
• /
• 2019

육상 담수는 대기중 이산화탄소($CO_2$) 배출의 중요한 발생원으로 주목되고 있다. 하천 및 강에서 대기중으로 배출되는 $CO_2$는 전 세계 탄소순환의 핵심요소이며, 대부분의 하천과 강은 $CO_2$로 과포화 되어있다. 세계적으로 하천 및 강의 $CO_2$ 배출량은 호수 및 저수지의 배출량보다 약 5배 많은 것으로 보고되고 있으나, 국내연구에서는 연구사례가 드물다. 따라서 본 연구의 목적은 낙동강 중하류에 위치해있는 강정고령보(GGW), 달성보(DSW), 합천창녕보(HCW), 창녕함안보(CHW)에서 발생되는 순 대기 배출 플럭스(Net Atmospheric Flux, NAF)의 동적 변동 특성을 분석하고, 데이터마이닝 기법을 적용하여 쉽게 수집할 수 있는 물리적 및 수질 변수로 $CO_2$ NAF를 추정하는데 사용할 수 있는 간략한 예측 모델을 개발하는데 있다. $CO_2$ NAF는 대기-수면 경계면에서의 $CO_2$ 부분압($pCO_2$)의 차에 기체전달속도를 곱하여 산정하였으며, 기체전달속도는 Cole and Caraco(1998)가 제안한 식을 사용하였다. 담수와 해수의 탄산염 시스템에서 열역학적 화학평형을 모두 고려한 $CO_2$SYS 프로그램을 사용하여 수중의 $pCO_2$를 산정하였고, $CO_2$ NAF는 Henry의 법칙과 Fick의 1차 확산법칙을 사용하여 계산하였다. $CO_2$ NAF의 시간적 변동성에 영향을 미치는 환경요인을 평가하기 위해서 상관분석, 주성분분석(Principal Component Analysis; PCA), 단계적다중회귀모델(Step-wise Multiple Linear Regression; SMLR), 랜덤포레스트(Random Forest; RF)방법을 사용하였다. SMLR 모델은 R package인 olsrr, RF 모델은 R package인 caret, randomForest를 이용하여 분석하였다. 연구 결과, 4개 보 상류 하천구간은 조류의 성장이 활발한 일부 기간을 제외한 대부분의 기간에서 $CO_2$를 대기로 배출하는 종속영양시스템(Heterotrophic system)을 보였다. $CO_2$ NAF의 중위값은 HCW에서 최소 $391.5mg-CO_2/m^2day$, DSW에서 최대 $1472.7mg-CO_2/m^2day$였다. 모든 보에서 NAF는 pH와 강한 음의 상관관계를 보였으며, $pCO_2$와 Chl-a도 음의 상관관계를 보였다. 이는 조류가 수중에서 $CO_2$를 소비하고 pH를 증가시키기 때문이다. PCA 분석 결과, NAF와 $pCO_2$가 높은 공분산을 보였으며, pH와 Chl-a는 반대 방향으로 군집되어 상관분석과 동일한 결과를 보였다. 이 연구를 통해 개발된 SMLR 모델과 RF 모델의 Adj. $R^2$ 값은 모든 보에서 0.77 이상으로 나왔으며, $pCO_2$ 측정 데이터가 없더라도 하천의 $CO_2$ NAF를 추정하는 방법으로 사용될 수 있을 것으로 평가된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
• /
• 2015.05a
• /
• pp.103-103
• /
• 2015

유류유출사고와 같이 하천 수표면의 흐름에 따라 이동 확산하는 부유성 오염물질의 혼합해석을 위해 많은 연구자들은 입자추적모형을 사용한 혼합모의를 수행해왔다. 입자추적모형에서 오염물질의 혼합은 평균 유속 분포에 의한 결정론적인 이동과 난류유동에 의한 무작위적인 혼합으로 나타내며, 난류혼합에 의한 수평확산은 난류확산계수로 조절한다. 따라서 표면흐름에 의한 난류확산계수의 산정을 위해 많은 연구자들은 부유성 입자를 이용한 실내실험을 수행하여 수평확산계수를 산정했고(Engelund, 1969; Cederwall, 1971), 최근에는 GPS의 발전으로 인해 해양영역에서 GPS를 장착한 표면부자를 활용한 확산실험을 통해 수평확산계수를 산정한 바 있다(Kjellson and $D{\ddot{o}}{\ddot{o}}s$, 2012; Alpers 등, 2013). 하천수질오염사고의 약 43.5%가 유류유출에 의한 것이며(환경부, 2013), 이에 따라 표면흐름에 의한 오염물질 혼합해석이 필요하나, 하천에서 수평확산계수 산정을 위한 현장실험연구는 부족한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 낙동강 본류에서 GPS부자를 이용한 입자추적실험을 수행하여 표면흐름에 의한 확산계수를 산정했다. GPS부자를 이용한 입자추적실험은 낙동강의 강정고령보 하류와 구미보 하류의 각각 세 지점에서 수행되었다. GPS부자는 바람에 의한 교란을 최소화하기 위해 지름 10 cm의 구형으로 제작하였으며 시범테스트를 통해 입자의 주 궤적 변화가 크지 않은 지점에 GPS부자를 투입했다. GPS부자는 오염물질의 사고유출을 가정하여 한 지점에 투입했고 GPS부자 사이의 간섭을 최소화하기 위해 25 ~ 35개의 GPS부자를 이용했다. 표면흐름에 의해 이동하는 부자의 위치는 GPS에 시계열로 저장됐고 ADCP를 이용하여 실험당시의 수리량을 측정했다. 입자위치의 시계열자료로부터 GPS부자의 확산범위의 시간변화를 계산했고 단순 모멘트법을 이용하여 종, 횡 방향 확산계수를 계산했다. 그 결과, 종 방향 확산계수는 $0.003{\sim}0.041m^2/s$로 계산되었고 횡 방향 확산 계수는 $0.001{\sim}0.012m^2/s$로 계산되어, 흐름방향의 유속성분에 의한 확산이 지배적인 것으로 나타났다. 지류 합류부에서는 이송이 지배적인 혼합이 발생되었고(Pe>1) Pe의 증가에 따라 수평확산계수가 감소되었다. 25~35개 GPS부자 궤적의 앙상블 평균으로부터 계산한 Integral time scale은 모멘트법으로부터 계산한 종, 횡 방향 확산계수와 비례하는 것으로 나타나, Taylor(1921)의 이론과 일치했다. 또한 실험수로에서 수행된 기존연구결과와 비교한 결과, 하폭 대 수심비, 마찰항의 증가에 따라 수평확산계수가 증가하는 경향을 나타내었다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
• /
• 2017.05a
• /
• pp.92-92
• /
• 2017

본 연구에서는 수치모델을 이용하여 대하천서 발생되는 조류의 공간적 농도 분포를 예측하였고, 현장실험을 통해 모델을 검증하였다. 국내하천은 다수의 지류가 본류로 유입됨에 따라 오염물질의 생산과 공급이 지속적으로 발생하고, 하천의 유로연장과 하폭에 비해 수심이 낮은 지형학적 특성을 지닌다. 따라서 지류 유입 이후 발생되는 조류의 거동 특성을 분석하기 위해 수심 적분된 2차원 이송-확산 모델을 사용하였다. 광합성 성장을 이루는 조류의 성장속도 계산을 위해 영양염류, 수온, 일사량과 수심 등을 변수로 하는 성장속도 함수들을 위의 모델과 결합하였다. 본 연구의 대상구간은 낙동강과 금호강 합류부를 포함한 강정고령보 하류 약 9.2 km 구간으로 모델 검증을 위한 현장실험을 수행하였다. 2차원 이송-확산 모델의 입력 값인 유속 및 수심을 계산하는 수리동역학 모델 검증을 위해 미국 Sontek사의 M9을 이용하여 낙동강과 금호강 각각 32개, 12개 측선에 대하여 수리량을 측정하였다. 수리량 측정결과, 금호강과 낙동강의 평균 유량은 각각 $240m^3/s$, $60m^3/s$로 측정되었고 측정된 유량을 모델의 상류단 경계조건으로 사용하여 측정 유속 및 수심과 유사한 결과를 모델로부터 취득할 수 있었다. 조류 농도 측정을 위해 독일 bbe사의 AlgaeTorch 10을 사용하였으며, 수리량 측정과 동일한 측선서 총 조류 세포수(cells/ml)를 측정하였다. 농도 측정결과, 하류로 내려감에 따라 조류의 농도가 증가하는 경향이 나타났고 금호강 합류 후 최대농도는 측정구간 최하류 우안서 4,460 cells/ml로 나타났다. 주 흐름이 발생하는 하천 중앙부에 비해 유속이 느린 하안서 상대적으로 높은 농도가 측정되었으며, 이와 같은 경향은 하류로 내려감에 따라 강하게 나타났다. 측정된 조류 농도를 이용한 2차원 이송-확산 모델 검증결과, 합류부 최상류 측선서 MAPE = 10.5 %의 최대오차가 발생하였고 최하류 측선서 MAPE = 6.7 %의 최소오차가 발생하였다. 인과 질소와 같은 영양염류의 농도가 높고 횡 방향 수온 분포가 균일한 대상구간의 특성상 영양염류 함수와 수온 함수로부터 계산된 성장속도 가중치 범위는 각각 0.8~1.0, 0.91~1.09로 공간적 변동성이 크게 나타나지 않은 반면, 수심을 변수로 하는 일사량 함수의 성장속도 가중치 범위는 0.05~1.00으로 상대적으로 매우 높은 공간적 변동성이 나타났다. 수심이 4 m 이하인 하천 양안서 0.8 이상의 가중치가 나타났으며, 수심이 7 m 이상인 하천 중앙서 0.4 이하의 가중치가 나타났다. 본 연구의 수치모의 결과, 수리동역학 모델로부터 계산된 수심이 모델 결과 값에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
• /
• 2019.05a
• /
• pp.413-413
• /
• 2019

하천과 호수에서 남조류의 이상 과잉증식 문제(이하 녹조문제)는 담수생태계의 생물다양성을 감소시키며, 음용수의 이취미 원인물질을 발생시켜 물 이용에 장해가 된다. 또한 독소를 생산하는 유해남조류가 대량 증식할 경우에는 가축이나 인간의 건강에 치명적 해를 끼치기도 한다. 그 동안 국내에서 녹조문제는 댐 저수지와 하구호와 같은 정체수역에서 간헐적으로 문제를 일으켰으나, 4대강사업(2010-2011)으로 16개의 보가 설치된 이후 낙동강, 금강, 영산강 등 대하천에서도 광범위하게 발생되고 있어 중요한 사회적 환경적 이슈로 대두되었다. 한편, 대하천에 설치된 보 구간에서 빈번히 발생하는 녹조현상의 원인에 대해서는 전 지구적 기온상승에 따른 기후변화의 영향이라는 주장과 유역으로부터 영양염류의 과도한 유입, 가뭄에 따른 유량감소, 보 설치에 따른 체류시간 증가 등 다양한 의견이 제시되고 있으나, 대상 유역과 수체의 특성에 따라 녹조 발생의 원인이 상이하거나 또는 다양한 요인이 복합적으로 작용하기 때문에 보편적 해석(universal interpretation)이 어려운 것이 현실이다. 따라서 각 수계별, 보별 녹조현상에 대한 정확한 원인분석과 효과적인 대책 마련을 위해서는 집중된 실험자료와 데이터마이닝 기법에 근거로 한 보다 과학적이고 객관적인 접근이 이루어져야 한다. 본 연구에서는 2012년 보 설치 이후 남조류에 의한 녹조현상이 빈번히 발생하고 있는 낙동강 4개보(강정고령보, 달성보, 합천창녕보, 창녕함안보)를 대상으로 집중적인 현장조사와 실험분석을 수행하고, 수집된 기상, 수문, 수질, 조류 자료에 대해 통계분석과 다양한 데이터모델링 기법을 적용하여 보별 남조류 우점 환경조건과 이를 제어하기 위한 주요 조절변수를 규명하는데 있다. 연구대상 보 별 수질과 식물플랑크톤의 정성 및 정량 실험은 2017년 5월부터 2018년 11월까지 2년에 걸쳐 실시하였으며, 남조류 세포수 밀도와 환경요인과의 상관성 분석을 실시하고, 단계적 다중회귀모델(Step-wise Multiple Linear Regressions, SMLR), 랜덤포레스트(Random Forests, RF) 모델과 재귀적 변수 제거 기법(Recursive Feature Elimination using Random Forest, RFE-RF)을 이용한 변수중요도 평가, 의사결정나무(Decision Tree, DT), 주성분분석(Principal Component Analysis, PCA) 기법 등 다양한 모수적 및 비모수적 데이터마이닝 결과를 바탕으로 각 보별 남 조류 우점 환경요인을 종합적으로 해석하였다.

• Journal of Korea Water Resources Association
• /
• v.52 no.2
• /
• pp.163-172
• /
• 2019

The linear and cross-sectional shapes of the natural river channel are subjected to continuous changes in time and space due to the interaction with the flow of water and sediment transport. This study aims to investigate the morphological characteristics and change patterns of river channel quantitatively for the middle reach of Nakdong River, which has undergone large scale riverbed dredging and construction work, as Four Major River Restoration Project. A series of bathymetry and near-river survey has been conducted to obtain the detailed terrain information for the study area. The properties related to the linear and cross-sectional characteristics of river channel have been calculated based on the filed survey data and analyzed with comparing the survey data obtained in 2012 for the project completion. Since there has not been enough time for meaningful terrain change to take place, it was not possible to extract special tendency in the degree and aspect of terrain change. However, it is necessary to make regular examinations to the patterns and degree of river channel change using the proposed methodology.

• Korean Journal of Ecology and Environment
• /
• v.52 no.1
• /
• pp.50-64
• /
• 2019

Recently, quantitative analyses of food web structure based on carbon and nitrogen stable isotopes are widely applied to environmental assessments as well as ecological researches of various ecosystems, particularly rivers and streams. In the present study, we analyzed carbon and nitrogen stable isotope ratios of POM (both planktonic and attached forms), zooplankton, benthic macroinvertebrates and fish collected from 6 sites located at Nakdong River. Samples were collected from upstream areas of 5 weirs (Sangju, Gangjeong-Goryeong, Dalseong, Hapcheon-Changnyeong, and Changnyeong-Haman Weirs) and one downstream area of Hapcheon-Changnyeong Weir in dry season (June) and after rainy season (September). We suggested ranges of their carbon and nitrogen stable isotope ratios and calculated their trophic levels in the food web to compare their temporal and spatial variations. Trophic levels of organisms were relatively higher in Sangju Weir located at upper part of Nakdong River, and decreased thereafter. However, the trophic levels were recovered at the Changnyeong-Haman Weir, the lowest weir in the river. The trophic level calculated by nitrogen stable isotope ratios showed more reliable ranges when they were calculated based on zooplankton than POM used as baseline. The suggested quantitative ecological information of the majority of biological communities in Nakdong River would be helpful to understand the response of river food web to environmental disturbances and can be applied to various further researches regarding the quantitative approaches for the understanding food web structure and function of river ecosystems as well as restoration.

• Korean Journal of Environment and Ecology
• /
• v.36 no.2
• /
• pp.150-164
• /
• 2022

The objective of this study is to analyze the biodiversity changes and characteristics of the benthic macroinvertebrate community in the Nakdong River with eight weirs, which was constructed as one of the Four Major River Restoration Projects from May to October 2020. The study also includes the analysis of changes in the major groups of benthic macroinvertebrates for about ten years, from 2010 to 2020. The surveys collected 97 species of benthic macroinvertebrates belonging to 83 genera, 52 families, 18 orders, five classes, three phyla, and 128.1 individuals/m². Chironomidae sp. and Tubificidae spp., which are pollutant indicators, dominated throughout the sections. The community analysis result shows the average dominant index and the diversity index of 0.62±0.20 and 1.87±0.63, respectively, and indicated the most stability of the freshwater ecosystem in the upper stream of the Nakdong River. The survey showed dominance by Chironomidae sp. at the center of the Nakdong River weir and the most unstable community in Chilgok and Gangjeong Goryeong weirs. The results of the community stability analysis showed a high distribution of the characteristic group I with high resilience and resistance and small distribution of characteristic group III with low resistance and resilience, indicating a very unstable condition of communities in the Nakdong River weir section. Predators were relatively abundant among the functional feeding groups (FFGs), whereas shredders, gathering-collectors, and filtering-collectors were relatively lower. Among the habitat orientation groups (HOGs), burrowers and climbers were dominant, indicating a wide distribution of groups in ecosystems with low dissolved oxygen. An endangered species level II of Macromia daimoji was found in Sangju and Nakdan weirs. The analysis results for 10 years from 2010 showed that the number of species and populations increased immediately after the dam construction but plummeted in 2016 and are now stabilizing. Chironomidae spp. has been dominant in all sections over the past 10 years, and they are currently maintained at a rate of about 50%. The EPT groups have decreased significantly since 2011, and the Plecoptera and Trichoptera of the group have not yet been restored. The population of Tubificidae spp. showed an increase after construction was completed in 2012 and drastically increased in 2015 and 2020. The species of Cristaria plicata, designated as endangered species level I, has not been observed since 2011 in Hapcheon Changnyeong weir. Moreover, Macromia daimoji was rarely observed in seven weirs until 2015, and it has been confirmed that the current distribution habitat has decreased rapidly.