Ⅰ. 서 론
수질은 수자원의 이용 가능성과 직결되는 핵심 환경요소로서, 생활⋅농업⋅산업용수의 안정성과 수생태계 건강성을 동시에 좌우한다. 따라서 현대의 수질 관리는 단순한 오염물질 농도 기존 초과 여부를 판단하는 것을 넘어, 수리⋅수문학적 변화와 연계하여 대상 수역의 상태를 종합적으로 진단하고 관리 방향을 설정하는 과정으로 인식될 필요가 있다. 최근 연구들은 수질의 복잡한 정보를 종합화하는 수질지수 (Water Quality Index, WQI)를 활용하거나 (Lee et al., 2022), 장기 모니터링 자료에 계절 Mann-Kendall 검정과 같은 통계적 기법을 적용하여 수질의 시⋅공간적 변동성을 파악하는 데 주력하고 있다 (Yeom et al., 2024). 이러한 접근은 수질 상태를 단편적인 점 (Point)이 아닌, 시간에 따른 흐름 (Trend)으로 해석해야 함을 시사한다.
우리나라는 수자원 확보와 홍수 대응, 수질 개선을 목적으로 추진된 4대강 사업의 일환으로 2012년 영산강 본류에 승촌보와 죽산보를 완공하였다. 보 건설은 수위 상승과 체류시간 증가를 유발하여 하천의 유황 (Flow regime)을 변화시켰으며, 이로 인해 영산강 일부 구간은 유수형 하천보다는 정체된 호소형 수역에 가까운 특성을 갖게 되었다 (Seo et al., 2018). 선행 연구에 따르면, 보 건설 이후 영산강에서는 총질소 (T-N), 총인 (T-P)과 같은 영양염류 농도가 감소하는 경향이 나타난 반면, 클로로필-a 농도는 증가하여 조류 발생 위험성이 증대된 것으로 보고되었다 (Kim and Lee, 2022).
보 건설 전⋅후 수질 변화를 비교한 기존 연구들 (Jo et al., 2022; Kim and Lee, 2022; Son et al., 2018; Shin et al., 2015; Jeon, 2019; Cho et al., 2018; Cha et al., 2015)은 보 설치로 인한 체류시간 증가, 유속 저하 등 수리⋅수문 조건 변화가 영양염류 및 조류 지표에 영향을 미칠 수 있음을 제시하며, 보 운영 이후의 수질 특성 변화를 다각도로 분석해왔다. 그러나 대다수의 연구는 분석 기간이 짧아 장기적인 기후 변동성을 배제하지 못하거나, 보 공사 기간 및 운영 초기 안정화 이전 시기의 자료를 일부 포함하여 보의 영향을 명확히 분리해내는 데 한계가 있었다. 또한, Mann-Kendall 검정 등을 활용한 경향 분석 연구들 (Jo et al., 2022; Atique and An, 2019; Kim et al., 2025; Song et al., 2012; Yun et al., 2015; Jung et al., 2018; Jeong et al., 2024)은 수질의 증감 추세를 파악하는 데는 기여했으나, 구조물 설치로 인한 평균적인 수질 수준의 변화와 장기적인 추세 (Trend)를 동시에 고려한 입체적인 분석은 상대적으로 부족하였다. 수질은 계절성, 유량, 유역 오염원 변화에 따라 변동폭이 크기 때문에, 단기간의 비교나 단순한 경향 분석만으로는 보 건설이라는 인위적 교란의 장기적 영향을 정확히 규명하기 어렵다.
따라서 본 연구에서는 영산강 유역을 대상으로 2000년부터 2024년까지 총 25년의 장기 수질 관측 자료를 활용하여, 수질 변화에 영향을 미친 복합적인 요인을 체계적으로 분석하고자 한다. 연구 기간은 보 건설이라는 수리⋅수문학적 변화와 환경기초시설 확충 및 총인 처리 강화 등 강력한 유역 관리 정책이 병행 추진된 시기이다. 본 연구는 이러한 복합적인 변화 속에서 보 건설 전 9년 (2000-2008)과 건설 후 9년 (2016-2024)의 데이터를 명확히 구분하고, 통계적 유의성 검정 (T-test)과 장기 경향 분석 (Mann-Kendall)을 병행하여, 외부오염원의 저감과 내부오염원의 증가라는 영산강 수질의 상반된 변화의 원인을 종합적으로 고찰하고자 한다.
Ⅱ. 재료 및 방법
1. 대상 유역
본 연구의 대상인 영산강 유역은 전라남도와 광주광역시를 관통하는 우리나라 4대강 수계 중 하나로, 유역면적은 약 3,371.4 km2, 하천연장은 1,472 km, 본류의 유로연장은 136.7 km이다. 영산강 본류에는 황룡강, 지석천 등 주요 지류가 합류하며, 이러한 지류 유입은 본류의 수질 및 유량 변동에 직접적인 영향을 미친다. 지형적으로 본 연구에서 분석한 구간에 포함되어 있는 영산대교부터 하천 종점까지의 구간의 평균 하상경사는 1/5,390~1/6,150 수준으로 매우 완만하여 (MOCT, 2004), 하류로 갈수록 유속이 감소하고 체류시간이 증가하는 특성을 보인다. 특히, 영산강 유역의 하상계수 (coefficient of river regime)는 약 682로, 한강 (390)이나 낙동강 (372)에 비해 매우 높아 유량 변동성이 크고 갈수기 하천 유지유량 확보에 취약한 구조적 한계를 지니고 있다 (Gwangju Institute, 2024).
토지이용 현황을 살펴보면, 유역 전반에 걸쳐 산림 (50.6%)과 농경지 (33.6%)가 주를 이루고 있다 (MLTM, 2009). 특히 나주 평야를 중심으로 한 중⋅하류 구간은 논과 밭의 비율이 높아 강우 시 비점오염원의 유출 잠재성이 크다. 상류에는 장성댐, 담양댐, 광주댐, 나주댐 등 다수의 수리시설이 위치하여 수자원의 약 97%가 농업용수로 활용될 만큼 농업 의존도가 높다 (Shin et al., 2015; Kim et al., 2022). 반면, 중류에 위치한 광주광역시와 같은 인구 밀집 지역에서는 생활하수 및 하수처리장 방류수가 지속적으로 유입되어, 영산강 수질은 농업 비점오염원과 도시 점오염원이 복합적으로 작용하는 특성을 보인다.
본 연구의 주요 분석 대상인 승촌보 (Seungchon Weir)와 죽산보 (Juksan Weir)는 4대강 사업의 일환으로 건설되어 2012년부터 운영되고 있다 (Fig. 1). 승촌보는 광주광역시 남구와 전남 나주시의 경계에, 죽산보는 전남 나주시 다시면에 위치하고 있으며, 두 보는 하천의 수위를 유지하고 농업용수를 확보하는 기능을 수행한다. 그러나 보 건설 이후 체류시간 증가와 같은 물리적 환경 변화는 유역 내 오염원 유입과 맞물려 수질 변화의 주요한 인자로 작용하고 있다.
2. 입력자료
가. 수문자료
수문 특성을 반영하기 위한 유량 자료는 국가수자원정보시스템 (WAMIS, https://www.wamis.go.kr/)에서 구축하였다. 영산강 본류에 위치한 극락교 (GR, 승촌보 상류), 나주대교 (NJ, 승촌보 하류-죽산보 상류), 동강교 (DG, 죽산보 하류) 관측지점을 대상으로 2000년부터 2024년까지의 일 단위 유량 자료를 수집하였다. 구축된 자료는 보 건설 전⋅후의 유황 변화와 체류시간 증감에 따른 수리적 특성 변화를 분석하는 기초 자료로 사용하였다 (Table 1).
Table 1
Location and characteristics of streamflow gauging stations in the Yeongsan River Basin
나. 수질자료
수질자료는 환경부 물환경정보시스템 (Water Environment Information System, https://water.nier.go.kr/web)에서 제공하는 측정망 자료를 활용하였다. 승촌보 및 죽산보의 상⋅하류에 위치한 광주2 (GJ2, 승촌보 상류), 영산포1 (YSP1, 승촌보 하류-죽산보 상류), 함평 (HP, 죽산보 하류) 지점을 선정하여 (Table 2), 수온 (Water Temperature, WT), 용존산소 (DO), 생화학적 산소요구량 (BOD), 화학적 산소요구량 (COD), 부유물질 (SS), 총질소 (T-N), 총인 (T-P), 클로로필-a (Chl-a) 등 총 8개 항목을 수집하였다. 해당 자료는 시기에 따라 월 1회 또는 주 1회로 측정 빈도가 상이하므로, 장기 경향 분석 및 구간별 비교의 통계적 일관성을 확보하기 위해 월별 산술 평균값으로 재가공하여 분석에 적용하였다.
Table 2
Location and characteristics of water quality stations in the Yeongsan River Basin
다. 기상자료
기상자료는 기상청 기상자료개방포털 (https://data.kma.go.kr/)에서 제공하는 광주 (156) 및 목포 (165) 기상관측소의 일강수량 자료를 2000년부터 2024년까지 수집하였다. 수집된 강수량 자료는 부하지속곡선 (load duration curve, LDC) 및 유황곡선 (flow duration curve, FDC) 작성을 위한 유량 구간 해석의 보조 자료로 활용되었다 (Table 3).
Table 3
Location and characteristics of weather stations in the Yeongsan River Basin
3. 연구방법
본 연구는 보 건설이 수질에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위해 전체 연구 기간을 보 건설 전 (A기간, 2000-2008, 총 9년)과 보 건설 후 (B기간, 2016-2024, 총 9년)로 구분하고, 물리적 교란이 심했던 공사 및 안정화 시기 (2009-2015년)는 분석에서 제외하였다. 수집된 수문⋅수질⋅기상 자료는 장기적인 변화 추세를 파악하기 위한 경향성 분석 (Mann-Kendall Test)과 건설 전⋅후의 수질 수준 차이를 규명하기 위한 평균 차이 검정 (Welch’s T-test)을 단계적으로 적용하였다. 또한, 통계적 검정 결과의 해석을 보완하고 계절적 변동성을 시각적으로 파악하기 위해 시계열 분석을 병행하였으며, 조류 발생 특성을 심층적으로 해석하기 위하여 클로로필-a와 영양염류 비율 (T-N:T-P) 관계 분석, 부하지속곡선 및 유황곡선 분석을 추가로 수행하였다.
가. 경향성 분석 (Mann-Kendall Test)
Mann-Kendall 검정 (Mann, 1945; Kendall, 1975)은 세계기상기구 (World Meteorological Organization, WMO)가 수문 및 기상 자료의 장기 경향성을 분석할 때 권장하는 비모수적 통계 기법이다 (Jin et al., 2021). 이 방법은 자료가 정규분포를 따라야 한다는 가정을 필요로 하지 않으며, 결측치나 이상치에 민감하지 않아 환경 데이터 분석에 널리 활용된다. 시계열 자료 
에 대하여, 서로 다른 두 시점 
와 
의 관측값을 비교하여 다음과 같은 부호함수 (sign function)를 정의한다.
식 (1)을 이용하여 Kendall 통계량 
는 다음과 같이 정의된다.
통계량 
의 분산 
는 자료 내 동일한 값 (ties)이 존재하는 경우를 고려하여 다음과 같이 계산된다.
여기서 
은 전체 자료의 개수, 
은 동일한 값을 갖는 그룹 (tied groups)의 수, 
는 
번째 그룹에 포함된 자료의 개수를 의미한다. 표본의 수 
이 10 이상일 때 통계량 
는 근사적으로 정규분포를 따르며, 이를 표준화한 검정통계량 
는 다음과 같다.
산정된 
값의 부호가 양 (+)이면 증가 경향, 음 (-)이면 감소 경향을 나타낸다. 본 연구에서는 유의수준 
(95% 신뢰수준)에서 통계적 유의성을 검정하였으며, 유의한 경향성이 확인된 항목을 중심으로 보 건설의 영향 및 장기적 수질 변화 특성을 해석하였다.
또한, 경향성의 크기를 정량적으로 파악하기 위해 Sen’s Slope Estimator (Sen, 1968)를 적용하였다. Sen’s Slope (
)는 모든 데이터 쌍의 기울기 중 중앙값 (median)으로 정의되며, 이상치의 영향을 배제하고 경향의 강도를 추정하는 데 효과적이다.
여기서, 산정된 
값은 단위 시간당 변화량을 의미하며, 본 연구에서는 연 단위 자료 분석을 통해 수질 항목별 연간 변화율 (mg/L/year, 단, Chl-a는 mg/m3/year)을 도출하였다.
나. 평균 차이 검정 (Welch’s T-test)
보 건설 전⋅후의 수질 농도 평균 차이를 분석하기 위해 Welch의 T-검정 (Welch’s two-sample T-test)을 적용하였다. 이는 두 집단의 분산이 동일하다는 가정 (등분산성)을 요구하지 않는 검정 방법으로 (Welch, 1947), 본 연구와 같이 분석 기간별 측정 주기의 변화로 인해 표본 수와 분산의 차이가 발생할 가능성이 높은 자료에 적합하다. 두 기간의 평균을 각각 
와 
, 분산을 
와 
, 표본 수를 
와 
라 할 때, 
통계량은 다음과 같이 산정하였다.
산정된 
통계량을 바탕으로 유의수준 
에서 양측검정을 수행하였으며, p-value가 0.05 미만인 경우 보 건설 전⋅후 수질 차이가 통계적으로 유의미한 것으로 판단하였다. 이를 통해 단순한 시계열적 변화를 넘어, 보 건설이라는 구조적 변화 전후의 수질 수준이 통계적으로 유의하게 달라졌는지를 정량적으로 규명하고자 하였다.
다. 클로로필-a와 영양염류 비율 (T-N:T-P) 관계 분석
보 건설 이후의 물리적 환경 변화가 조류 발생 기작에 미친 영향을 규명하기 위해, 조류 성장의 1차 생산자인 클로로필-a (Chl-a) 농도와 영양염류 비율 (T-N:T-P) 간의 상호관계를 분석하였다. 총질소 (T-N)와 총인 (T-P)의 비율은 수체 내 식물성 플랑크톤 성장을 제한하는 영양염 (limiting nutrient)을 판단하는 핵심 지표로 활용된다. 일반적으로 T-N:T-P 중량비 (weight ratio)가 20 이하인 경우 질소 제한 상태, 50 이상인 경우 인 제한 상태, 그 사이인 경우 두 영양염이 동시에 영향을 미치는 구간으로 해석된다 (Guildford and Hecky, 2000). 본 연구에서는 이러한 기준을 적용하여 보 건설 전 (A기간)과 후 (B기간)의 영양염 제한 특성 변화를 비교⋅분석하였다. 또한, 각 제한 조건에 따른 클로로필-a 농도의 반응 특성을 시공간적으로 고찰함으로써, 보 건설 이후 변화된 영양염류 조성비가 조류 발생 패턴에 미친 영향을 종합적으로 해석하고자 하였다.
라. 유황곡선 및 부하지속곡선 분석
영산강 유역의 유량 변동에 따른 수질 및 오염 부하 특성을 평가하기 위해 유황곡선 (FDC)과 부하지속곡선 (LDC)을 적용하였다. 유황곡선은 특정 기간 동안의 일 유량 자료를 크기순으로 나열하여, 해당 유량이 1년 중 며칠 동안 유지 또는 초과되는지를 나타낸 곡선이다. 우리나라 하천설계기준에서는 1년 365일 중 95일간 유지되는 유량을 풍수량 (Q95), 185일간 유지되는 유량을 평수량 (Q185), 275일간 유지되는 유량을 저수량 (Q275), 355일간 유지되는 유량을 갈수량 (Q355)으로 정의하여 하천의 유황 상태를 대표하는 지표로 활용하고 있다.
본 연구에서는 이러한 유황 특성을 바탕으로 FDC의 유량 값에 목표 수질 농도 (T-P 0.1 mg/L)를 결합하여 부하지속곡선 (LDC)을 작성하였다. 이때 분석 대상인 T-P의 목표 수질은 하천 생활환경 기준 II등급에 해당하는 0.1 mg/L를 기준 농도로 적용하여 유량 조건별 허용 부하량을 산정하였다. 분석 구간은 전체 유량의 초과 확률 (exceedance probability)을 기준으로 홍수기 (0~10%), 풍수기 (10~40%), 평수기 (40~60%), 저수기 (60~90%), 갈수기 (90~100%)의 5개 구간으로 구분하였으며 (Cleland, 2003), 각 구간별 실측 부하량과 기준 부하량을 비교하였다. 이를 통해 보 건설 전⋅후의 수질 개선 효과가 유량이 풍부한 시기 (풍수량 이상)와 부족한 시기 (갈수량 부근) 중 어느 조건에서 뚜렷하게 나타나는지를 정량적으로 규명하였다.
Ⅲ. 결 과
1. 시계열⋅경향성 분석 결과
가. Mann-Kendall 검정 결과
전체 분석 기간 (2000~2024년)에 대한 Mann-Kendall 검정 결과, 세 지점 (GJ2, YSP1, HP) 모두에서 T-N, T-P 등 영양염류 농도가 통계적으로 유의한 감소 추세를 보이는 것으로 나타났다 (Table 4). 해당 표에는 통계적으로 유의한 (p<0.05) 경향성이 나타난 항목만을 제시하였으며, 표에 언급되지 않은 항목들은 유의미한 증감 추세가 관측되지 않았다. 지점별 상세 분석 결과, 승촌보 상류에 위치한 GJ2 지점에서는 BOD, T-N, T-P의 Sen’s slope가 각각 –0.126, -0.206, -0.031로 뚜렷한 감소 경향을 보였으며, 특히 T-N의 감소 폭이 가장 크게 나타났다. 반면 DO의 slope는 0.05으로 완만한 증가 추세를 보여, 상류 구간에서는 전반적인 유기물 저감 및 수질 개선 경향이 나타났다.
Table 4
Mann-Kendall test results for water quality parameters from 2000 to 2024
보의 영향을 직접적으로 받는 YSP1 (승촌보 하류-죽산보 상류) 지점에서는 상류와 구별되는 특징적인 변화 양상이 관찰되었다. 해당 구간에서는 T-N과 T-P가 각각 –0.151, -0.018로 감소하는 경향을 보였음에도 불구하고, 조류의 지표인 Chl-a는 slope 1.718로 매우 가파른 증가 추세를 나타냈다. 또한, 난분해성 유기물을 포함하는 COD 역시 slope 0.191로 유의한 증가 경향을 보였다. 이는 유입되는 영양염류 농도가 감소했음에도 보 건설로 인한 유속 저하와 체류시간 증가가 조류 성장에 유리한 정체수역 환경이 형성된 결과로 해석된다. 즉, BOD는 감소했으나 조류 발생 증가로 인해 내부 생산 유기물 (COD)이 증가하는 수질 특성 변화가 확인되었다.
죽산보 하류 구간인 HP에서도 T-N (-0.156)과 T-P (-0.013)는 감소 추세를 유지하였으나, DO는 slope –0.074로 유의한 감소 경향을, COD는 0.085로 증가 경향을 보였다. 이는 상류에서 전달된 조류 및 유기물의 영향이 지속되거나, 하류 구간의 유속 정체 특성이 복합적으로 작용하여 산소 소비가 증가하고 유기물 오염도가 상승한 결과로 해석된다.
종합하면, 본 연구에서 분석한 승촌보 상류부터 죽산보 하류까지의 구간에서는 전반적으로 외부 유입 영양염류는 감소하였으나, 보가 위치한 중⋅하류 구간에서는 조류 증식과 난분해성 유기물 증가라는 구조적인 수질 변화가 진행되고 있음을 알 수 있다.
나. 평균 차이 검정 (T-test) 결과
보 건설 전 (A기간)⋅후 (B기간)의 수질 농도 평균 차이를 분석한 T-검정 결과, 세 지점 (GJ2, YSP1, HP) 모두에서 T-N과 T-P의 t-value가 각각 –7.557과 –12.952, -8.084과 –13.726, -12.377과 -16.012로 산정되어 통계적으로 매우 유의한 감소를 보였다 (Table 5). 이는 앞선 Mann-Kendall 검정에서 확인된 장기적인 영양염류 감소 경향과 일치하는 결과이다. BOD 역시 모든 지점에서 유의한 감소를 보여 생분해성 유기물 오염도는 전반적으로 개선된 것으로 판단된다.
Table 5
T-test results for water quality parameters between 2000-2008 and 2016-2024
반면, 난분해성 물질을 포함하는 COD는 세 지점 모두에서 유의하게 증가하는 상반된 경향을 나타냈다. 보의 직접적인 영향을 받지 않는 상류 (GJ2)에서도 COD가 증가하였는데, 이는 유역 전반에서 난분해성 유기물질의 유입 비중이 높아지고 있음을 의미한다. 특히 보 구간인 YSP1에서는 가장 높은 t-value (10.087)을 기록하였는데, 이는 유속 저하에 따른 체류시간 증가와 이에 따른 조류의 광합성 활동으로 내부 생산 유기물이 가중된 결과로 해석된다.
DO는 GJ2, YSP1에서 유의하게 증가한 반면, 하류인 HP에서는 통계적인 차이가 나타나지 않았다. 특히, YSP1에서의 DO 증가는 해당 구간의 활발한 광합성 작용에 의한 산소 과포화 현상이 반영된 것으로 판단된다. 실제로 식물성 플랑크톤 지표인 Chl-a는 승촌보와 죽산보 사이 구간인 YSP1에서만 유일하게 유의한 증가 (t-value 6.739)세를 보였다. 이는 영양염류 (T-N, T-P) 농도가 감소했음에도 물리적 환경 변화 (정체수역 형성)가 조류 증식의 지배적인 인자로 작용하여 수질 오염 형태가 유기물 중심에서 조류 중심으로 전이되었음을 시사한다.
한편, SS는 GJ2와 HP에서는 유의한 감소를 보였으나, YSP1에서는 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았다. 이는 YSP1 구간에서 두 가지 상반된 기작이 동시에 작용한 결과로 해석된다. 첫째, 보 건설로 인한 유속 저하 및 정체 효과는 토사 등 무기 입자의 침전을 촉진하여 SS 농도를 감소시키는 요인으로 작용한다. 이러한 물리적 침전 효과는 조류 증식이 활발하지 않았던 GJ2와 HP 지점에서 SS 농도가 뚜렷하게 감소한 결과로 나타났다. 둘째, YSP1 구간에서는 Chl-a의 t-value (6.739)가 크게 증가하며 조류 기원의 새로운 입자성 유기물이 대량으로 생성되었다. 결국 YSP1에서는 보의 물리적 침전 효과 (SS 감소 요인)와 조류의 내부 생산 효과 (SS 증가 요인)가 서로 상쇄되면서, 통계적으로 유의미한 농도 변화가 관측되지 않은 것으로 판단된다.
다. 시계열 분석 결과
승촌보 상류 지점 (GJ2)의 수질 항목별 시계열 변화는 Fig. 2와 같으며, 보 건설 전⋅후의 평균 농도 변화율은 Table 6에 제시하였다. 수온은 보 건설 후 17.3 ℃에서 17.9 ℃로 약 3.6% 소폭 상승하였다. DO는 시계열 전반에서 뚜렷한 증가세를 보이며 평균값이 8.75 mg/L에서 9.96 mg/L로 약 13.9% 증가해 수질이 개선되었음을 보였다. 유기물 지표인 BOD는 평균 농도가 32.5% 감소하여 뚜렷한 개선 효과를 보인 반면, COD는 오히려 약 15.0% 증가하는 상반된 거동을 나타냈다. SS는 고농도 피크 발생 빈도가 현저히 줄어들며 평균값 기준 약 27.2% 감소하였다. 영양염류인 T-N과 T-P는 보 건설 이후 각각 약 32.8%, 79.5%의 높은 감소율을 보였다. Chl-a는 평균값이 약 16.1% 증가하였으나, 시계열상 변동 폭 내에 있어 뚜렷한 경향성은 관찰되지 않았다.
Table 6
Summary of descriptive statistics and percentage changes of water quality parameters at the upstream of Seungchon Weir (GJ2)
Fig. 2
Time series of water quality parameters at the upstream of Seungchon Weir (GJ2) before (A:2000-2008) and after (B:2016-2024) weir construction. The blue and red lines indicate the trends for Period A and Period B, respectively
승촌보와 죽산보 사이에 위치하여 보의 영향을 직접적으로 받는 YSP1 지점은 상류와는 확연히 다른 시계열 특성을 보였다 (Fig. 3). 수온은 보 건설 이후 평균 약 5.0% 증가하였으나, 계절적 변동성은 유지되었다. 주목할 점은 DO와 Chl-a의 변화이다. Chl-a는 보 건설 이후 빈번한 고농도 피크가 관찰되며 평균값이 약 106.4% 급증하였는데 (Table 7), 이에 따른 활발한 광합성 작용의 영향으로 DO 농도 또한 약 21.6% 증가한 것으로 해석된다. 유기물 항목에서는 BOD가 28.9% 감소한 것과 대조적으로 COD는 46.0%나 증가하여, 상류 구간보다 난분해성 유기물 증가 폭이 훨씬 크게 나타났다. 영양염류 (T-N, T-P)는 각각 약 35.9%, 72.5% 감소하여 상류와 유사한 저감 경향을 보였음에도 불구하고, 정체된 수역 특성으로 인해 조류 (Chl-a) 성장은 오히려 가속화되는 현상이 확인되었다.
Table 7
Summary of descriptive statistics and percentage changes of water quality parameters at the reach between Seungchon and Juksan Weirs (YSP1)
Fig. 3
Time series of water quality parameters at the reach between Seungchon and Juksan Weirs (YSP1) before (A:2000-2008) and after (B:2016-2024) weir construction. The blue and red lines indicate the trends for Period A and Period B, respectively
죽산보 하류 지점 (HP)의 시계열 분석 결과 (Fig. 4), 수온은 약 3.3% 증가하였으나, DO는 다른 지점들과 달리 평균 6.4% 감소하는 경향을 보였다 (Table 8). 이는 하류 구간의 유속 정체와 퇴적물 산소 소비 등이 복합적으로 작용한 결과로 추정된다. BOD는 18.0% 감소, COD는 25.9% 증가하여 유기물 성상의 변화 (난분해성 증가) 패턴은 상류와 동일하게 유지되었다. SS는 평균 17.2% 감소하였으며, T-N과 T-P는 각각 45.4%, 71.9% 감소하여 유역 전반에 걸친 영양염류 저감 효과가 하류까지 지속되고 있음을 확인하였다. Chl-a는 평균값이 4.8% 소폭 증가하였으나, 시계열상의 변동 폭은 제한적으로 나타나 승촌보 하류 (YSP1) 구간과 같은 급격한 조류 증식 현상은 관찰되지 않았다.
Table 8
Summary of descriptive statistics and percentage changes of water quality parameters at the downstream of Juksan Weir (HP)
2. 클로로필-a와 영양염류 비율 (T-N:T-P) 관계 분석 결과
보 건설 이후 영산강 유역에서는 전반적으로 T-N과 T-P 농도가 크게 감소하여 수질이 개선되는 경향을 보였다. 그러나, 보의 영향을 가장 크게 받는 승촌보 하류 (YSP1) 구간에서는 이러한 영양염류의 저감에도 불구하고, Chl-a 농도가 오히려 급증하는 상반된 결과가 나타났다.
Fig. 5에서 제시된 바와 같이, 보 건설 전 기간 (A기간, 2000-2008)을 나타내는 파란색 실선은 전 지점에서 T-N:T-P 비율이 주로 20 이하에 분포하여, 해당 시기 영산강 수계는 질소 (N) 제한 또는 N과 P가 동시에 영향을 미치는 상태였음을 보여준다. 반면, 보 건설 후 기간 (B기간, 2016-2024)을 나타내는 빨간색 실선은 대부분의 구간에서 50 내외의 높은 값을 나타내어, 인 (P) 제한 경향으로의 뚜렷한 전환이 확인되었다. 이러한 영양염류 조성의 변화는 앞선 수질 분석에서 확인된 바와 같이, T-P 농도 (70~80%)가 T-N 농도 (30~40%)에 비해 상대적으로 더 큰 폭으로 감소했기 때문이다.
Fig. 5
Temporal variations in the N:P ratio (lines, left axis) and Chl-a concentrations (shaded area, right axis) before (2000-2008) and after (2016-2024) weir construction at three monitoring stations in the Yeongsan River Basin: (a) Upstream of Seungchon Weir (GJ2), (b) Downstream of Seungchon Weir & Upstream of Juksan Weir (YSP1), and (c) Downstream of Juksan Weir (HP)
승촌보 하류 (YSP1) 구간은 T-N:T-P 비율이 조류 성장에 불리한 P 제한 영역으로 이동했음에도, Chl-a 농도 (회색 음영)는 A기간에 비해 뚜렷하게 증가하는 양상을 보였다. 일반적으로 P 제한 상태로의 전환은 조류 증식을 억제하는 요인으로 작용해야 하나, 본 연구 결과는 보 건설로 인한 체류시간 증가 등 물리적 환경의 변화가 영양염류 제한 효과를 상쇄하고 조류 발생을 주도하는 지배적 인자로 작용했음을 시사한다. 또한, 보 건설 후 기간 (B기간)의 시계열 변화를 세부적으로 살펴보면, 최근 (2021~2024년)으로 올수록 T-N:T-P 비율이 다시 점차 감소하는 경향이 관찰된다. 이는 향후 P 제한 강도가 약화될 가능성을 시사하므로, 영양염류 관리 정책 수립 시 영양염류 비율 변화에 대한 지속적인 모니터링이 필요할 것으로 판단된다.
종합하면, 보 건설은 영산강 본류의 영양염류 조성을 N 제한에서 P 제한 특성으로 변화시켰으나, 정체 수역이 형성된 구간에서는 이러한 화학적 조성보다 수리⋅수문학적 변화가 조류 발생에 더 큰 영향을 미치고 있는 것으로 판단된다.
3. 유황곡선 및 부하지속곡선 분석 결과
보 건설 전⋅후 유량 조건에 따른 T-P 오염 부하 특성을 정량적으로 평가하기 위해, 유량지속곡선 (flow duration curve, FDC)의 초과확률 개념을 적용한 부하지속곡선 (load duration curve, LDC)을 작성하였다 (Fig. 6). 분석 대상인 T-P 기준 농도는 하천 생활환경 기준 II등급에 해당하는 0.1mg/L를 기준 농도로 적용하여 유량 조건별 허용 부하량을 산정하였다. 제시된 LDC에서 실선은 설정된 수질 기준을 만족하기 위한 허용 부하량을, 점 표식은 실제 관측된 T-P 부하량을 나타내며, 회색 막대는 동일 초과확률 구간에서의 강우량 분포를 의미한다.
Fig. 6
Load Duration Curves (LDC) for T-P at (a) Upstream of Seungchon Weir (GR), (b) Downstream of Seungchon Weir (NJ), and (c) Downstream of Juksan Weir (DG) comparing before (A: 2000-2008) and after (B: 2016-2024) weir construction. The solid lines represent the allowable loads based on the T-P water quality standard (0.1 mg/L)
보 건설 전 기간 (A기간)의 LDC 분석 결과, GR, NJ, DG 세 지점 모두에서 실측 부하량이 허용 부하량을 상회하는 초과 현상이 전 유량 구간에서 뚜렷하게 나타났다. 특히 강우의 영향으로 유량이 풍부한 고유량 구간 (초과확률 0~40%)에서 실측 부하량의 산포가 매우 크고 기준치를 크게 초과하는 양상을 보였는데, 이는 강우 시 유역에서 유입되는 비점오염원의 영향으로 판단된다. 또한, 갈수기를 포함한 저유량 구간 (초과확률 60~100%)에서도 허용 부하량을 초과하는 사례가 다수 관측되어 하수처리장 등 점오염원에 의한 부하 영향 또한 지속적이었던 것으로 판단된다.
반면, 보 건설 후 기간 (B기간)에는 세 지점 모두에서 실측 T-P 부하량이 전반적으로 감소하여 대부분의 점들이 허용 부하량 곡선 (실선) 이하에 분포하거나 근접하는 경향을 보였다. 이러한 개선은 고유량 및 저유량 구간을 포함한 전 구간에서 공통적으로 관측되었으며, 부하량 데이터의 분포 범위 또한 A기간에 비해 현저히 축소되어 수질 변동성이 안정화되었음을 보여준다.
강우량 분포를 보면, 보 건설 전⋅후 모두 유량이 높은 구간 (0~10%)에서 높은 강우량이 관측되는 일반적인 경향은 동일하게 유지되었다. 이는 B기간의 부하량 감소가 단순히 강수량 감소와 같은 기상학적 요인에 기인한 것이 아님을 나타낸다. 즉, 유사한 강우 조건에서도 유입되는 T-P 부하량이 감소했다는 것은 유역 내 오염원 관리 체계가 구조적으로 개선되었음을 의미한다.
Ⅳ. 고 찰
Mann-Kendall 검정과 LDC 분석 결과, 영산강 유역의 T-N과 T-P는 전 지점에서 통계적으로 유의한 감소 추세를 보였다. 특히 LDC 분석에서 고유량 및 저유량 구간 모두 실측 부하량이 감소하여 허용 부하량 이내로 진입한 것은 강수량 변화와 같은 기상학적 요인보다는 하수처리시설 확충 및 총인 처리 강화 등 인위적인 유역 관리 정책이 실효를 거두었음을 시사한다. 이를 더욱 명확히 뒷받침하는 것은 저수기 (60~90%) 및 갈수기 (90~100%) 구간에서의 부하량 변화이다. 유량의 영향이 적은 시기에는 점오염원의 영향이 지배적이므로, 이 구간에서 T-P 부하량이 목표수질을 초과하는 빈도와 양이 크게 감소했다는 것은 연구 기간 동안 지속된 유역 오염원 관리 정책이 실질적인 부하량 저감으로 이어졌음을 의미한다. 이는 T-검정에서 확인된 영양염류 ‘농도’의 유의한 감소가 단순한 희석 효과가 아닌, 오염원 관리의 성과임을 보여주는 핵심적인 증거이다. 이러한 경향은 국내 주요 하천을 대상으로 수행된 선행 연구들 (Han et al., 2014; Mamun and An, 2021; Kim, 2025)과도 일치하는 결과로, 점⋅비점 오염원 관리가 영양염류 저감에 결정적인 역할을 했음을 뒷받침한다. 그러나 이러한 외부 부하 저감에도 불구하고, 보 구간 (YSP1)에서의 유기물 및 조류 증가는 외부 오염원 관리만으로는 수질 개선에 한계가 있음을 보여준다.
보 구간 (YSP1)에서 T-test 결과 확인된 BOD의 감소와 COD의 증가는 영산강 수계의 오염 특성이 외부 기원 중심에서 조류 증식에 의한 내부 생산 중심으로 전환되었음을 의미한다. 이는 보 건설로 인한 유속 저하와 체류시간 증가가 물리적 정체 수역을 형성하여 조류 성장에 유리한 환경을 조성했기 때문이다 (Seo et al., 2018; Kim et al., 2024). 또한, 죽산보 하류 (HP)에서 유일하게 DO 농도가 유의한 감소 경향을 보인 현상은, 상류 보 구간에서의 오염 특성 변화가 하류로 전이된 연쇄 효과로 해석할 수 있다. 즉, 상류의 정체 수역 (YSP1)에서 광합성을 통해 과다 증식한 조류와 여기서 비롯된 유기물이 하류인 HP 구간으로 이송된 후, 자연 사멸 및 미생물에 의해 분해되는 과정에서 수중의 용존산소를 다량으로 소비하기 때문으로 판단된다. 더불어, 하류 구간의 상대적으로 완만해진 유속은 이 유기물들의 퇴적을 촉진하고, 이로 인한 퇴적물 산소 요구 (sediment oxygen demand, SOD)가 저층수의 산소 고갈을 가중시키는 추가적인 요인으로 작용했을 가능성이 높다. 이는 보 건설의 영향이 단순히 해당 구간에 국한되는 것이 아니라, 생성된 오염 물질의 거동을 통해 하천 생태계의 종단 연결성을 따라 하류까지 연쇄적으로 영향을 미치는 구조적 문제임을 명확히 보여준다 (Kim, 2025).
본 연구에서 나타난 COD 증가는 지점별로 그 원인을 구분하여 해석할 필요가 있다. 보의 직접적인 영향이 없는 상류 (GJ2) 지점에서는 COD가 약 14.99% (t-value 4.193) 증가한 반면, 보 구간인 YSP1 지점에서는 COD 증가율이 46.04% (t-value 10.087)로 상류에 비해 3배 이상 높게 나타나, 두 지점 간의 COD 증가 원인이 상이함을 시사한다. 이를 뒷받침하는 핵심 근거는 BOD/COD 비율의 변화와 Chl-a와의 상관성이다. 보 건설 후 YSP1 지점에서는 BOD가 유의미하게 감소했음에도 COD가 급증하여, 생분해성 유기물 지표인 BOD/COD 비율이 0.92에서 0.45로 크게 감소하였다. 이는 외부에서 유입되는 생분해성 유기물 (BOD)의 영향은 줄어든 반면, 조류와 같은 내부 기원의 난분해성 유기물 (COD)이 우세해졌음을 의미한다. 실제로 두 인자 간의 관계를 피어슨 상관분석으로 확인한 결과, 보 건설 이후 YSP1 지점에서 Chl-a와 COD는 유의한 양의 상관관계 (r=0.57, p<0.01)를 보였다. 종합하면, YSP1의 COD 급증은 보 건설로 폭증한 Chl-a, 즉 조류의 내부 생산이 결정적인 원인으로 작용했음을 강력히 뒷받침한다. 반면, 상류 GJ2의 COD 증가는 유역 전반에 걸친 점⋅비점오염원으로부터의 외부 유입 증가에 기인한 것으로 판단된다.
영양염류 비율 (T-N:T-P) 분석 결과, 보 건설 이후의 T-P의 획기적인 저감으로 인해 수계 환경이 N 제한에서 P 제한 상태로 전환되었음이 확인되었다. 통상적으로 P 제한 강화는 조류 성장을 억제하는 요인으로 작용해야 하나, YSP1 구간에서는 오히려 클로로필-a가 급증하는 역설적 현상이 나타났다. 이에 대한 원인은 다음 두 가지로 해석할 수 있다. 첫째, 조류 성장의 주도 인자가 화학적 요인에서 물리적 요인으로 전환되었을 가능성이다. 본 연구 결과는 정체된 수역에서는 영양염류 농도 (화학적 조건)보다 긴 체류시간, 안정된 수층, 개선된 광투과율과 같은 물리적 조건이 조류 발생을 결정짓는 더 지배적인 인자로 작용함을 시사한다. 둘째, T-P 농도의 절대적 수준이 조류 성장을 억제할 만큼 낮지 않았을 가능성이다. 보 건설 후 YSP1 지점의 평균 T-P 농도는 0.128 mg/L로, 과거 (0.464 mg/L)에 비해 크게 감소했으나, 여전히 부영양화 임계 농도인 0.03~0.05 mg/L를 상회하는 수준이다. 즉, T-P가 T-N에 비해 상대적으로 부족해졌을 뿐, 조류 증식을 지탱하기에는 절대적으로 충분한 양이 존재했던 것이다. 결국 보 건설은 조류가 성장하기에 최적의 물리적 환경을 제공함으로써, 여전히 충분한 수준의 잔류 인 (P)을 이용하여 폭발적으로 성장할 수 있는 조건을 만든 것으로 판단된다.
Ⅴ. 결 론
본 연구에서는 장기 모니터링 자료와 다각적인 통계기법 (Mann-Kendall, T-test, LDC 등)을 활용하여 승촌보와 죽산보 건설 전⋅후의 수질 변화 특성을 종합적으로 분석하였다. 주요 연구 결과는 다음과 같다.
1) 보 건설 이후 환경기초시설 확충 등 유역 관리 정책의 효과로 T-N과 T-P 농도 및 오염 부하량은 전 유량 구간에서 통계적으로 유의하게 감소하였다.
2) 생분해성 유기물 (BOD)는 감소한 반면, 난분해성 유기물 (COD)과 클로로필-a는 보 구간을 중심으로 유의하게 증가하였다. 이는 수질 오염의 주 원인이 외부 유입 부하에서 정체 수역 내 조류 기원의 내부 생산 부하로 전환되었음을 입증한다.
3) 보 건설 이후 수계가 P 제한 상태로 전환되었음에도 불구하고 조류가 급증한 현상은 영양염류 농도보다 체류시간 증가와 같은 물리적 환경 변화가 수질을 결정하는 우선 인자로 작용하고 있음을 시사한다.
종합하면, 영산강 유역은 보 건설 이후 외부 오염 부하 감소라는 긍정적 성과와 수리⋅수문학적 변화에 따른 조류 중심의 수질 악화라는 이중적 현상이 공존하고 있다. 따라서 향후 영산강의 수질 관리는 단순한 농도 저감 중심의 접근을 넘어, 하천의 물리적 구조와 체류시간을 고려한 보 운영 최적화 및 생태적 유량 확보 방안이 포함된 통합적인 관리 전략이 필요할 것으로 판단된다.
