Research Paper

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Econ. Environ. Geol. 2023; 56(2): 139-153

Published online April 30, 2023

https://doi.org/10.9719/EEG.2023.56.2.139

© THE KOREAN SOCIETY OF ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL GEOLOGY

Study of Spatiotemporal Variations and Origin of Nitrogen Content in Gyeongan Stream

Jonghoon Park1, Sinyoung Kim1, Soomin Seo1, Hyun A Lee2, Nam C. Woo1,*

1Department of Earth System Sciences, Yonsei University
2Groundwater Research Center, Jeju Research Institute

Correspondence to : *ncwoo@yonsei.ac.kr

Received: March 22, 2023; Revised: April 12, 2023; Accepted: April 13, 2023

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided original work is properly cited.

Abstract

This study aimed to understand the spatiotemporal variations in nitrogen content in the Gyeongan stream along the main stream and at the discharge points of the sub-basins, and to identify the origin of the nitrogen. Field surveys and laboratory analyses, including chemical compositions and isotope ratios of nitrate and boron, were performed from November 2021 to November 2022. Based on the flow duration curve (FDC) derived for the Gyeongan stream, the dry season (mid-December 2021 to mid-June 2022) and wet season (mid-June to early November 2022) were established.
In the dry season, most samples had the highest total nitrogen(T-N) concentrations, specifically in January and February, and the concentrations continued to decrease until May and June. However, after the flood season from July to September, the uppermost sub-basin points (Group 1: MS-0, OS-0, GS-0) where T-N concentrations continually decreased were separated from the main stream and lower sub-basin points (Group 2: MS-1~8, OS-1, GS-1) where concentrations increased. Along the main stream, the T-N concentration showed an increasing trend from the upper to the lower reaches. However, it was affected by those of the Osan-cheon and Gonjiamcheon, the tributaries that flow into the main stream, resulting in respective increases or decreases in T-N concentration in the main stream. The nitrate and boron isotope ratios indicated that the nitrogen in all samples originated from manure. Mechanisms for nitrogen inflow from manure-related sources to the stream were suggested, including (1) manure from livestock wastes and rainfall runoff, (2) inflow through the discharge of wastewater treatment plants, and (3) inflow through the groundwater discharge (baseflow) of accumulated nitrogen during agricultural activities.
Ultimately, water quality management of the Gyeongan stream basin requires pollution source management at the sub-basin level, including its tributaries, from a regional context. To manage the pollution load effectively, it is necessary to separate the hydrological components of the stream discharge and establish a monitoring system to track the flow and water quality of each component.

Keywords Gyeongan stream, nitrogen sources, spatiotemporal variations, environmental isotopes, groundwater discharge

경안천 내 질소 함량의 시공간적 변화와 기원 연구

박종훈1 · 김신영1 · 서수민1 · 이현아2 · 우남칠1,*

1연세대학교 지구시스템과학과
2제주연구원 지하수연구센터

요 약

이 연구는 경안천 유역의 상류로부터 하류까지 본류와 하위 소유역의 배출 지점에서 관측되는 경안천 내 질소함량의 시공간적 변화를 이해하고, 이러한 질소류의 기원을 확인하고자 수행되었다. 2021년 11월부터 2022년 11월까지, 분기별 현장 조사와 실내 수질분석, 질산염과 붕소의 환경동위원소 분석을 수행하였다. 경안천의 유량지속곡선을 도출하여, 건조 기간(2021년 12월 중순부터 2022년 6월 중순)과 습윤 기간(2022년 6월 중순부터 11월 초까지)을 설정하였다.
연구 지역에서의 총 질소(T-N) 농도는 월단위 시간적 변동을 기준으로 할 때, 건조 기간에 속하는 1~2월에 농도가 가장 높았다가 5~6월까지 지속적으로 낮아진다. 홍수기인 7~9월 이후 T-N의 농도가 낮아지는 소유역 단위 최상류 지점들(Group 1: MS-0, OS-0, GS-0)과, 반대로 높아지는 경안천 본류와 소유역 하류 지점들(Group 2: MS-1~8, OS-1, GS-1)이 분리된다. 공간적으로, 경안천 본류의 T-N 농도는 상류에서 하류로 갈수록 증가하는 경향성을 보이지만, 소유역인 오산천과 곤지암천이 각각 합류되는 지점에서는 이들의 유입에 의해 본류의 T-N 농도 값에 의해 본류의 농도가 높아지거나 낮아지는 영향을 받고 있다.
환경동위원소비를 통해 모든 시료의 질소가 분뇨(manure) 기원으로 규명되었고, 수리화학적 특성의 변화와 T-N 농도의 변화에서 경안천으로 분뇨 기원의 질소가 유입될 수 있는 기작으로, (1) 축산단지의 분뇨, 폐수의 강우에 의한 유입, (2) 환경기초시설 방류수를 통한 유입, (3) 농업 활동 과정에서 축적된 질소류의 지하수 기저유출을 통한 유입 등이 제시되었다.
궁극적으로 경안천 유역의 수질관리는, 공간적 관점에서 지류를 포함하는 소유역 단위의 오염원 관리가 필요하며, 오염총량 관리 측면에서는 하천 유량의 수문성분을 구분하고, 각각 성분의 유량과 수질을 모니터링 할 수 있는 시스템의 구축과 운용이 선결되어야 한다.

주요어 경안천, 질소 기원, 시공간적 변화, 환경동위원소, 지하수 유출

  • T-N contents in the Gyeongan stream varies in space and in time.

  • Nitrogen in the stream was originated from manure and its related products.

  • Nitrogen sources are transported through the direct runoff, WWTP discharge and groundwater baseflow.

  • Water-quality management warrants the systematic monitoring of hydrologic components at the sub-basin scale.

경기도 용인시 호동의 문수봉에서 발원하는 경안천(Fig. 1)은 용인시와 광주시를 관통하여 수도권의 상수원인 팔당호로 직접 유입되는 국가하천이다. 1990년 이후 경안천 수변을 중심으로 급격한 도시화 및 산업화를 위한 개발과 지속적인 인구 유입으로 인하여 도시 및 주거지 면적이 수변구역을 따라 증가하고 있으며, 결과적으로 불투수성 면적의 증가와 다양한 잠재오염원의 수질오염에 대한 영향이 증가하고 있다 (Jang et al., 2009). 구체적으로는, 경안천 중권역의 인구변화는 2015년에서 2019년까지 500,630 명에서 580,146 명으로 약 16% 증가하였으며, 오산천 소유역과 경안수위표 소유역에서 각각 25%와 23%로 가장 크게 증가한 것으로 나타났다(HRBEO, 2021). Lee and Park(2010)에 의하면, 2008년 팔당호의 질소 수지의 유입에서 하천이 대부분을 차지하는 것으로 나타났으며, 이 중 경안천의 총질소(Total Nitrogen; T-N) 부하량이 약 4%를 차지했다. 팔당호로 유입되는 총 유량 중 경안천의 유입량이 2%인 것을 볼 때(NIER, 2016), T-N 부하량의 기여도는 약 2배 정도 크게 나타난다. 특히 경안천 지역은 축산과 농업의 비율이 높아 다른 수계에 비해 질소류의 오염도가 높은 편임을 고려하면(Son et al., 2018), 수도권의 주요 급수원인 팔당호의 수질을 관리하기 위해서는, 총 유량에 대해서는 상대적으로 적은 유량을 보이나 팔당호의 수질에는 상대적으로 큰 영향을 미치는 경안천의 질소류 수질관리가 매우 중요하다.

Fig. 1. (a) The study area, Gyeongan stream basin, and (b) its geology with the locations of water sampling points.

환경부에서는 도시화 및 산업화로 인해 오염원이 급증하면서 부하량의 양적 증가, 오염원의 밀집 및 비점오염 물질의 증대가 발생하게 되어, 수계의 환경기준을 달성하고 수질개선을 시키기 위하여, 수질오염 총량관리제(Total Maximum Daily Load; TMDL)를 통해 하천으로 배출되는 오염물질의 총량을 관리하고 있다(NIER, 2006). 그러나 현재 관리대상을 수질 오염물질 중 생화학적산소요구량(Biochemical Oxygen Demand, BOD)과 총인(Total Phosphorus, T-P)만을 다루고 있어, 대표적인 수질오염 인자로서 질소 성분이 빠져있으며, 이로 인해 오염물질의 다양성에 대한 한계를 내포하고 있다. 또한 목표수질 관리를 위한 모니터링 지점을 경안천 본류에 설정함으로서, 지류에서의 오염과 오염수 유입에 의해 본류의 수질 개선에 한계가 있다(NIER, 2020).

물 환경에 포함된 질소는 부영양화를 일으키는 주요 원인 물질로서, 하천이나 호수 등의 담수 환경으로의 질소류유입 증가의 주요 원인은 대부분이 인간의 활동임이 제기된 바 있다(Lee et al., 2008). 질소 유입으로 발생한 부영양화는 녹조나 적조 등의 현상을 발생시킬 수 있고, 궁극적으로는 지표수의 용존 산소량을 감소시킴으로 물 생태계 전반에 심각한 영향을 초래하게 된다. 대표적으로, 질소류 오염물질 중 하나인 암모니아는 어류에게 독소로 작용하며, 유아와 노약자들이 질산염의 농도가 높은 물을 음용하게 되면 청색증(methemoglobinemia)을 유발하는 등 인체유해성도 일찌기 보고된 바 있다 (Maxcy, 1950).

물 환경의 질소류는 축산분뇨, 산업폐수, 생활하수 등의 점오염원(point sources)과 토양의 침식, 농경지에서의 비료 사용, 대기로부터의 침전 등의 비점오염원(non-point sources)으로부터 유래한다. 그 중 농촌 지역에서 질산염오염은 일반적으로 화학비료 혹은 축산분뇨 등이 주요 원인이다 (Smil, 1999). 대도시 주변의 교외 지역에서는 농업과 관련이 없이 하수도 누수, 산업체 유출, 쓰레기 매립지, 정화조, 수처리 시설 등으로부터 발생하기도 한다 (Williamson et al., 1998). 질소류 중에서 질산염(NO3)은 물 환경에서 안정적(conservative)이라서 이동성이 매우 높고, 따라서 지표수와 지하수의 흐름을 통해서 광범위하게 이동할 수 있다.

이와 같이 여러 경로로 유입되는 질소류 물질을 효율적으로 관리하기 위해서는, 우선적으로 이들의 오염원을 추적·확인하여야 한다. 이를 위해서 수리화학적 인자들의 분석과 질소류와 관련된 다양한 환경동위원소(δ2H, δ18O, δ18O-NO3, δ15N-NO3, δ11B)를 이용한 오염원 규명 연구들이 보고된 바 있다 (Freyer and Aly, 1974; Heaton, 1986; Karr et al., 2007; Kim and Woo, 2003; Kruk et al., 2020; Tamborski et al., 2020). 특히 최근에는 동위원소 분석기술이 발전하면서 그동안 명확히 구분이 되지 않던 하수와 분뇨 등 유기질 오염원 기원의 질소류를 δ15NNO3과 δ11B 의 비교를 통해 명확히 구분할 수 있게 되었다 (Briand et al., 2013, 2017; Kruk et al., 2020). 이렇게 원인이 규명된 오염물질에 대해서는, 물질 수지에 기반한 통계 모형 및 유입 모델 등을 활용하여 체계적인 관리방안을 제시할 수 있다 (Blessing et al., 2009).

연구 지역인 경안천 유역의 질소류에 의한 수질오염 현상은 여러 연구자들에 의해 보고된 바 있다. Kwon et al.(2017)은, 경안천의 10년 수질 변화 특성을 분석하고 유량과 오염부하량의 관계를 고찰한 결과, 경안천의 수질을 결정하는 요인으로 유기물 지표항목과 계절변화에 따른 질소류에 의한 요인 및 유량 증가에 의한 부유물질의 유입을 들었다. Kim et al.(2001)은 양돈축산단지와 시설원예단지가 집중된 용인시 포곡면에서 천층 지하수의 수질와 오염특성을 연구한 결과, 조사지점의 28%에서 질산염의 농업용수 수질기준(20 mg/L NO3-N)을 초과하였음을 보고하였다. Yoo and Park(2003)은 GWLF(Generalized Watershed Loading Functions) 모델을 사용하여 경안천의 질소 부하량을 점오염원, 비점오염원 및 지하수(기저유출)의 구분으로 산정한 결과, 강우가 적은 갈수기에는 비점오염원과 지하수 기저유출로부터의 오염부하가 적었으나, 풍수기인 8월에는 강우에 의한 비점오염원과 지하수 기저유출을 통한 질소부하량의 증가 현상이 나타남을 보고하면서, 강우 발생 시 오염물질 유입에 대한 관리가 필요함을 제시하였다. 나아가 오염원별 연간 부하량에서도, 지하수의 기저유출을 통한 질소류 오염부하가 전 기간에 걸쳐 가장 높게 나타나고 있어, 지하수에 대한 체계적인 모니터링과 관리가 시급함을 알 수 있다.

한편, 한강유역환경청의 보고서(HRBEO, 2021)에서는 선행 무강우일수와 질소 항목의 높은 상관성을 보고하면서, 무강우 기간에 의해 하천의 유량이 감소하여 상대적으로 질소 부하량이 증가하는 현상으로 이해하였다. 따라서 갈수기에 증가하는 하천의 질소 부하에 대해서는, 명확한 질소류의 기원(지하수 또는 수처리시설 배출수)이 경안천의 질소류 수질관리를 위해서 선결되어야 한다.

따라서 이 연구는, 경안천과 인접 소유역에서의 수문환경변화에 따른 질소류 거동을 이해하고 질소류의 기원을 규명하여, 장기적인 경안천 유역의 질소류에 의한 수질오염 관리 방안의 기초자료를 제공하고자 수행되었다. 이를 위해, 경안천의 상류로부터 하류의 팔당호에 진입하기 전까지의 본류와 인접한 오산천 및 곤지암천의 지류, 주변 지점의 지하수 및 수처리시설로부터 배출되어 경안천으로 유입되는 방류수 등을 분기별로 조사/분석하였다.

경안천은 유역면적 561.17 km2, 유로연장 47.38 km의 중규모 하천이며, 유역 평균경사는 30.76(%)로 용인시에 위치한 산지로부터 경사진 지형이다. 경안천 본류의 수계는 남남서-북북동 방향이며, 곤지암천과 오산천을 비롯해 지류들은 북서-남동, 남동-북서 등으로 다양하다. 유역의 관점에서 경안천 중권역은 한강 대권역에 속하며, 상류로부터 경안천상류, 오산천, 경안수위표, 곤지암천, 경안천하류의 5개 표준유역(소권역)으로 구성된다 (Fig. 1a; Water Resources Management Information System (WAMIS), accessed on March 10, 2023).

경안천 유역의 지질은, 선캄브리아기의 변성암류인 흑운모 편마암(biotite gneiss)과 흑운모 호상 편마암(banded biotite gneiss)이 전 유역에 넓게 분포하며, 수계 및 산지를 따라 신생대 제4기 충적층에 의해 부정합으로 피복된다. 국지적으로는, 용인시 처인구 양지면 부근에서 중생대 쥐라기의 흑운모 화강암이 관입하고 있으며, 석영운모편암을 비롯한 편암도 광주시 도척면과 처인구(경안천 상류와 곤지암천 유역 일부) 일부에서 남서-북동 방향으로 분포하고 있다 (Fig. 1b; KIGAM, accessed on March 10, 2023).

경안천 유역에 위치한 경기광주와 용인 방재기상관측소에서 측정된 2010년부터 2022년까지의 월 강수량의 변화와 연 강수량을 표시하였다 (Fig. 2). 과거 13년간의 자료에서 보이듯이 월 강수량의 변화는 갈수기와 풍수기의 명확한 변화가 반복되고 있음을 보여주며, 이는 몬순기후대의 대표적인 현상으로 설명된다. 또한 이 기간의 연평균 강수량은 각각 평균 1,427 mm(±419 mm)와 1,319mm(±340 mm)이고, 두 관측소에서 모두 2022년에 최대 강수량인 2,183mm와 1,709mm를 기록하였다. 이 연구가 수행된 2021년 11월부터 2022년 10월까지 12개월 동안에는 총 강수량이 각각 2211 mm, 1786.5 mm로서, 2010년 이후 평균강수량에 비해 각각 55%와 35% 정도 증가한 것으로 관측되었으며, 월별 강수량의 분포는 Fig. 3a 와 같이 평년과 동일한 갈수기와 풍수기의 변동을 보여준다(KMA, accessed on February 14, 2023).

Fig. 2. Monthly precipitation records at (a) GyeonggiGwangju and (b) Yongin weather stations, and (c) the annual precipitation amount from 2010 to 2022.
Fig. 3. (a) The precipitation in the Gyeongan stream basin, and (b) the flow rate at Gyeongan bridge during the study period along with the hydrological conditions. The red and blue dotted lines indicate the threshold rates for dry and moist conditions, respectively, and the red and blue boxes indicate the dry and wet periods.

경안천에 위치한 경안교에서 관측된 1년 동안의 일평균 유량을 도시한 유량 곡선은 Fig. 3b와 같으며, 이로부터 계절적인 강수 영향에 의한 유량 변화를 명확히 확인할 수 있다. 경안천 본류에서의 유량은, 유량 관측망이 없는 오산천을 제외하면, 경안천상류로부터 경안수위표, 곤지암천, 경안천하류의 하류로 가면서 유량이 8.84 < 12.62 < 9.10 < 26.47 m3/s 로 위치에 따라 증가하거나 감소하는 국지적인 변동을 보인다(HRFCO, accessed on March, 2023). 이러한 국지적 유량변화는 궁극적으로 경안천 본류의 질소 오염부하량 역시 국지적 변동이 발생할 수 있음을 지시한다.

경안천 중권역에는 전술한 바와 같은 질소에 대한 다양한 비점오염원과 점오염원이 산재한다 (Fig. 4). 특히, 축산시설 중에서 돼지의 경우 경안천상류 소유역의 하류지점에, 소의 경우 곤지암천 소유역 상류지점에서 밀집되어 분포한다. 경안천 유역 내 각 소유역의 토지이용도에서 농지면적과 전체 유역면적 대비 농지면적 비율을 보면, 경안천 상류와 곤지암천 소유역에서 유역 내 농업 토지이용도가 상대적으로 높게 나타난다 (Table 1, HRBEO, 2021). 농업 활동의 경우, 시설과 노지 재배, 시기별 작목 등에 따른 비료 시비가 상이하므로, 하천 수질에 대한 농업 활동의 영향은 다양한 시간적 변동으로 나타날 수 있으며 (Kim and Lee, 2009), 나아가 비점오염원의 특성 상 광범위한 지역에서 질소류 오염물질의 발생도 가능하다. 또한 유역 내 환경기초시설로서 공공하수처리시설을 비롯해 소규모 하수처리시설, 분뇨처리시설, 가축분뇨 처리시설 등이 분포한다 (Yongin and Gwangju city hall; Gyeonggi Data Dream, accessed on March, 2023). 이와 같은 연구 지역 내 잠재오염원의 특성은, 잠재오염원의 분포에 의한 공간적 분포 요인과 오염물질 유발 활동에 따른 시간적 변동 요인에 의해, 경안천 질소류의 수질오염 현상도 시공간적 변화가 동시에 발생할 수 있음을 지시한다.

Table 1 Agricultural land-use of Gyeongan stream basin and its sub-basins with pollutant loads

Sub-basins of Gyeongan streamArea (km2)Agricultural area (km2)Ratio of agricultural area1 (%)Land Pollutant Load2 (kg/day)Livestock Pollutant Load (kg/day)
Gyeongan upstream149.9026.194.67641.8329.7
Osan stream48.475.530.99232.16.7
Gyeongan watermark90.3812.522.23442.514.9
Gonjiam stream158.5023.404.17677.2232.3
Gyeongancheon downstream113.8614.212.53538.428.7
Gyeongan stream basin561.1181.8514.592532612

1The ratio of the agricultural area of sub-basin to the total area of Gyeongan stream basin.

2Pollutant load indicates that for nitrogen.


Fig. 4. Potential sources of nitrogen in the Gyeongan stream basin.

경안천 본류와 인접한 지류에서의 질소류 오염 특성과 이들의 시공간적 변화를 이해하기 위하여, 현장에서 물시료의 채취와 실내분석을 위한 보존 및 현장 인자의 관측 등이 2021년 11월부터 2022년 11월까지 분기별로 수행되었다. 또한 단기적 강우의 영향을 파악하기 위하여 5월과 6월에 각 1회와 2회씩 추가 조사가 진행되었다. 하천수는 경안천 본류를 따라 경안천 상류 소유역 3개 지점 (MS-1~MS-3), 중류에 해당하는 경안수위표 소유역 3개 지점 (MS-4~MS-6), 경안천 하류 유역 2개 지점 (MS-7과 MS-8), 경안천으로 유입되는 지류인 오산천 소유역 2개 지점 (OS-0과 OS-1)과 곤지암천 소유역 2개 지점(GS-0과 GS-1) 등 총 12개 지점에서 시료 채취하였으며, 팔당호로부터 경안천 본류의 시료채취 지점까지의 거리는 7.9~36.4 km 이다. 지하수는 경안천 상류 소유역 1개 지점 (MG), 오산천 소유역 4개 지점 (OG-1~OG-4), 곤지암천 소유역 3개 지점 (GG-1~GG-3) 등 총 8개 지점에서 시료 채취하였다. 지하수 시료를 채취한 OG-1~4, GG-1~4 시료들은 모두 반경 100 m 이내의 지점들에서 채취하여, 시료채취 위치는 Fig. 1에서 단일 지점 OG와 GG로 표시하였다. 지하수 시료를 채취한 관정 MG의 심도는 6 m, OG는 4~5 m, GG는 6~30 m이다. 또한, 경안천으로 직접 유입되고 있는 상류 유역(WWTP-1)과 하류 유역(WWTP-2)의 하수처리시설 방류수도 함께 채취하여 분석하였다 (Fig. 1).

시료 채취 현장에서는, 현장측정 항목인 수소이온농도(pH), 전기전도도 (EC), 용존산소 (DO), 산화환원전위(ORP), 수온을 현장 수질측정 장비(Orion Star A329; Thermo Fisher Scientific)를 이용하여 관측하였다. 이온성분 분석을 위한 시료는 0.45 μm 여과지에 여과한 후 폴리에틸렌병에 4℃ 이하에서 보관하였다. 음이온 분석을 위한 시료는 빈 공간(head space)을 최소화하였으며, 양이온 분석용 시료는, 침전을 방지하기 위해 60% 질산을 이용하여 pH 2 이하로 산성화시켰다. 총 질소(T-N), 질산성 질소 (NO3-N), 암모니아성 질소 (NH3-N) 분석을 위한 시료는 1L 무균채수병에 채수하였다. 주음이온 (Cl, NO3, SO4)과 주양이온 (Na, K, Ca, Mg)은 연세대학교 지하수연구실의 이온크로마토그래피 (883 Basic IC plus; Metrohm AG)와 유도결합 플라즈마 분광분석기 (ICAP 7000; Thermo Fisher Scientific)를 사용하여 분석하였고, HCO3는 HCl를 이용한 산-적정법을 통해 분석하였다. 분석한 결과들은 전하균형도(charge balance error)가 10% 이하로, 결과의 신뢰성을 검증하였다. 채취된 시료의 총 질소(T-N), 질산성 질소(NO3-N) 그리고 암모니아성 질소(NH3-N) 분석은 국가공인시험기관인 (주)청룡환경에 의뢰하였다. 이 연구에서는 직접 모니터링한 자료를 최우선으로 하여 수질 특성을 분석하였으며, 경안천의 유량변화와 주기적 수질관측 자료 등은 물환경정보시스템(water.nier.go.kr)에서 제공하는 자료를 활용하였다. 이 연구의 현장 조사 지점과 시기가 물환경정보시스템에서 제공하는 주기적 관측자료와 동일한 경우에는, 자체 분석자료와 물환경정보시스템에서 획득한 자료의 평균값을 사용하였다.

4.1. 하천 유량의 계절 변동 특성

우리나라는 몬순 기후 지역에 속하므로, 하천 수질의 변동성은 강우와 하천 유량 변동에 민감하게 반응한다. 따라서 경안천 내 질소류의 시·공간적 변동성을 이해하기 위해서는, 경안천 유역의 수문 환경과 하천의 유량 변동 특성을 함께 고려하여야 한다 (Lee et al., 2018; Kim et al., 2021). 이를 위해, 경안천에서 직접 관측된 하천 유량 데이터를 활용하여 유량지속곡선(Flow Duration Curve; FDC)을 작성하였다. 이 연구에서는 경안천 본류 중 중류에 위치하고 다년간의 데이터가 누적된 광주시(경안교)지점을 선정하여, 결측된 데이터(2020년 12월 22일~2021년 2월 19일)를 제외한 2018년부터 2022년까지 5 년간의 실시간 수위 관측자료를 수집하여 유량지속곡선을 작성하였다 (Fig. 5; HRFCO, accessed on Feb., 2023).

Fig. 5. Classification of the hydrologic conditions of the Gyeongan stream basin based on the flow duration curve.

유량지속곡선은 유량 데이터를 내림차순으로 정렬한 후 식 (1)을 통해 작성될 수 있으며, 수문 조건은 홍수기(0~10%), 풍수기 (10~40%), 평수기 (40~60%), 저수기(60~90%) 그리고 갈수기 (90~100%)로 나눌 수 있다(Cleland, 2003). 이를 근거로, 이 연구에서는 풍수기와 홍수기를 습윤 기간(wet periods)으로, 저수기와 갈수기를 건조 기간(dry periods)으로 구분하였다.

Percent of Days Flow Exceeded (%) = Rank / Number of data × 100

유량지속곡선을 통해 산정된 경안천 유역의 습윤 기간과 건조 기간의 기준 유량은 각각 4.21 m3/sec 와 3.20 m3/sec이다. 이 기준 유량을 토대로, 건조 기간은 2021년 12월 중순부터 2022년 6월 중순이었으며, 습윤 기간은 그 이후부터 11월 초로 산정되었다 (Fig. 3(b)).

4.2. 총 질소(T-N)의 시·공간적 변동 특성

하천 내 T-N의 농도변화는 하천으로 유입되는 유수의 양과 유수 내에 포함된 T-N의 함량 간의 관계에서 결정된다. 예를 들면, 빗물과 같이 T-N의 함량이 낮은 물이 하천으로 다량 유입되는 경우에는 하천의 T-N 농도(mg/L)는 낮아지고, 하천 유량이 감소하면서 지하수의 기저유출이나 하천으로의 직접 방류수 등과 같이 지속적으로 하천으로 유입되는 유수 내 농도가 높은 경우에는 하천의 T-N 농도 역시 높아지게 된다. 따라서 경안천의 T-N 농도의 변화는 경안천으로 유입되는 수문 성분과 이들에 포함된 T-N의 농도에 의해 결정되며, 결과적으로 T-N 농도의 시공간적 변화는 경안천의 수문 성분에 대한 구분과 이들에 대한 질소류 농도 분석이 선행되어야 한다.

4.2.1. 하천 유량의 변동

경안천으로 유입되는 유수는 강우의 지표유출과 지하수의 기저유출 및 유역 내 운용 중인 하폐수처리시설의 방류수를 들 수 있다. 강우로부터의 지표 유출량은 강우현상과 계절 영향에 주로 좌우되며, 결과적으로 건조 기간에는 낮아지고 습윤 기간에는 높아지는 특성을 보인다(Fig. 3a).

지하수 기저유출의 경우, 경안천은 항상 유량이 존재하여 수문학적 분류에서는 영구하천으로 구분할 수 있다. 그러나 지표수(경안천)와 지하수의 상호관계에서는 이러한 관계의 설정이 하천으로의 지하수 유출 내지는 지하수로의 하천 유입에 따라서 각각 이득(gaining) 하천과 손실(losing) 하천으로 결정된다. 따라서 지하수위가 하천수보다 높은 시기에는 자연적인 수리경사도에 따라 지속적으로 기저유출에 의해 지하수가 경안천으로 유입되며, 경안천은 이득하천으로서 기저유출을 통해 유입되는 지하수의 질소류 오염에 노출된다. 그러나 농업 활동이 활발해지는 시기에는 하천 주변의 시설재배지에서 지하수를 사용하면서, 충적층 지하수의 하천 유출이 감소되고, 지하수 사용량의 증가에 따라서는 오히려 하천수가 충적대수층으로 역유입될 수도 있다. 이때에는 하천수 중의 질소류가 지하수환경으로 유입되므로, 더 이상의 지하수 중질소류의 하천 유출은 발생하지 않는다.

경안천의 경우, 경안교 상류에 위치한 수처리시설 WWTP-1의 방류량은 건조 시기인 1월에 높아지며 2월에는 거의 경안교에서 관측된 하천유량의 95% 이상을 감당한다. 이 시기에는 생활 및 산업 하폐수의 처리 등으로 인해 수처리시설에서의 방류량은 비교적 일정하나, 강우에 의한 하천유출량이 아주 적으므로, 결과적으로 하천 유량에 대한 상대적 기여도는 높게 나타난다. 풍수기인 7~9월에는 강우에 의한 직접 유출을 통해 하천으로 유입되는 유량이 상대적으로 크기 때문에, 하천 유량에 대한 상대적 기여도는 10% 이하로 낮아진다. 경안천 하류부의 수처리시설 WTTP-2 에서의 방류량은, 근접한 서하교에서 관측된 하천 유량이 상류에 비하여 크게 나타나므로, 하천 유량에 대한 상대적인 기여도는 더욱 작게 나타난다 (Fig. 6c).

Fig. 6. Temporal variation of T-N concentrations in the water samples from Gyeongan stream basin: (a) for Group 1, (b) for Group 2 sampling locations, and (c) for the wastewater treatment plants with the facility capacity to stream flow rate ratio.

4.2.2. T-N 농도의 시간적 변동

경안천의 T-N 농도는 본류와 지류인 오산천과 곤지암천에서 모두 시간적인 변동성을 보인다 (Fig. 6a & 6b, Table 2). 전반적으로 건조 기간에 속하는 1~2월에 농도가 가장 높았다가 5~6월까지 지속적으로 낮아지는 변화는 전 구간에서 공통적으로 나타난다. 그러나 홍수기인 7~9월 이후, T-N의 농도가 낮아지는 지점들 (Group 1: MS-0, OS-0, GS-0)과, 이와는 반대로 높아지는 지점들(Group 2: MS-1~8, OS-1, GS-1)이 분리된다.

Table 2 Total Nitrogen (T-N) concentrations of stream samples

Gyeongan streamOsancheonGonjiamcheon
MS-0MS-1MS-2MS-3MS-4MS-5MS-6MS-7MS-8OS-0OS-1GS-0GS-1
November-211.642.712.883.803.993.703.803.603.532.423.703.103.07
December-212.913.343.97-4.30-4.65-4.412.693.553.963.98
January-222.404.104.105.105.056.005.905.605.79-4.30-4.72
February-222.524.625.19-4.93-5.88-5.943.496.183.734.11
March-223.003.173.14-3.98-4.28-4.592.994.414.434.46
April-222.553.222.083.702.953.703.443.403.312.843.883.012.88
May-221.572.280.942.202.251.902.072.302.542.323.251.542.96
June-221.152.131.892.103.33-2.74-2.772.244.440.692.30
July-222.652.713.063.203.333.003.222.703.753.573.353.903.07
August-222.542.853.56-4.17-3.10-2.982.694.422.952.69
September-222.342.663.24-3.52-3.24-3.133.533.723.533.05
October-221.862.492.79-3.73-3.61-3.322.144.753.102.39
November-221.642.892.934.104.534.503.963.703.732.036.552.582.60
Average2.213.013.063.463.853.803.843.553.832.754.353.043.25
Standard deviation0.550.671.020.980.761.261.081.041.030.530.971.010.76

※ Dash (-) indicates no sampling and analysis was conducted.

※ Gyeongan stream is the main stream, and Osancheon and Gonjiamcheon are tributaries of the main stream.



경안천 T-N 농도의 장기적인 변동은, 건조 기간인 1~2월에 경안천 총 유량의 50~90% 정도를 감당하는 수처리 시설 방류수의 T-N 농도(Table 3)가 시설의 하류에 위치하는 관측점들(본류의 MS-3~8)에서의 T-N 농도에 영향을 미쳤음을 지시한다. WWTP-1와 WWTP-2에서 방류되는 방류수 중의 T-N 농도가 2022년 2월 최대 5.48 mg/L와 10.94 mg/L로서, 경안천 본류의 T-N 농도보다 높게 관측된다.

Table 3 Concentrations of Nitrate-Nitrogen (NO3-N) and Total Nitrogen (T-N) of groundwater and discharge waters from wastewater treatment plants, respectively

MGOG-1OG-2OG-3OG-4GG-1GG-2GG-3WWTP-1WWTP-2
NO3-N (mg/L)T-N (mg/L)
November-21-3.272.553.65-3.963.345.734.186.23
December-21--------4.436.76
January-22-4.192.6513.69---8.724.7110.70
February-22--------5.4810.94
March-22--------4.609.39
April-2215.814.002.70----7.083.685.94
May-22--2.95----4.323.307.25
June-22--------3.305.83
July-22--2.43----25.223.616.18
August-22--------3.034.99
September-22--------3.413.69
October-22--------3.173.14
November-22-7.95--8.50---3.565.54

※ Dash (-) indicates no sampling and analysis was conducted.

※ MG, OG and GG samples are from groundwater, and WWTP-1 and –2 are from the discharge water from the WWTPs.



그러나 이 시설들의 상류에 위치하는 MS-1, -2와 각 소유역의 최상류에 위치하는 MS-0, OS-0, GS-0 지점들에서의 T-N 농도의 증가 현상에 대해서는, 국지적으로 산재되어 있는 소규모 수처리 시설들의 영향 뿐 아니라, 국지적으로 분포하는 잠재오염원들(예를 들어, 경안천상류 소유역 하류에 밀집된 돼지 축사들) 주변에서 배출되는 질소류가 지하수 기저유출을 따라 배출되는 기작을 모두 고려하여야 한다. 따라서 건조 기간에 나타나는 경안천 질소류의 증가 현상은, 직접 유출에 의한 하천 유량의 감소로 희석 효과가 제한적인 상황에서 하천 유량에 대해 상대적인 기여도가 높아진 수처리시설의 방류수와 그에 함유된 질소류의 기여가 높게 나타나며, 각 소유역의 최상류 지역에서는 산재된 잠재오염원의 영향이 지하수의 기저유출을 통해 경안천으로 유입되는 현상도 무시할 수 없음을 의미한다.

7~11월에 해당하는 습윤 기간에는 T-N 농도는 강수량이 집중된 6월부터 8월 사이에 증가했다 (Fig. 6). 따라서 경안천 T-N 농도변화에 대한 강우의 직접적인 영향을 파악하기 위해 6월 23일과 24일에 현장 조사를 수행하였다. 현장 조사 시점 사이에 경기광주와 용인 관측지점의 강수량은 각각 86.5와 42.0 mm 이었다. 강우의 직접 유출에 의한 희석효과로 인해 강우 전과 후에 전기전도도(EC) 값은 347.8 ± 25.3 μS/cm에서 246.9 ± 52.3 μS/cm로 감소하였지만, T-N 농도는 2.53 ± 0.83과 3.15 ± 1.18 mg/L로 유사하거나 오히려 약간 증가한 결과를 보인다. 따라서 습윤 기간의 강우는 희석효과보다는 오히려 토양 및 지표에 존재하는 질소류를 경안천으로 직접 운반하는 기작으로 작용하는 것을 의미한다.

전술한 바와 같이, 홍수기인 7~9월 이후에는 T-N 농도의 변동이 두 그룹으로 구분되며, Group 1에 속하는 관측점들은 모두 경안천 상류 소유역과 오산천 소유역 및 곤지암천 소유역의 최상류 지역에 위치하는 공통점을 보인다. 또한 이들에서 나타나는 T-N 농도의 변화는, 건조 기간에는 Group 2 관측점들과도 유사한 변동을 보이나, 홍수기 이후에 보이는 변화는 오히려 월 강수량의 변화에 따라 반응한다. 세부적으로, 2022년 6월에 가장 낮았던 T-N 농도가 7월에 상승하며, 이는 다시 8월에 상승하였다가 9월 이후에는 지속적으로 감소한다. 풍수기의 강수 현상은 이와 반대로 6월에 강수량이 증가하였고, 7월에 감소하였다가, 이는 다시 8월에 최대치로 상승하고, 9월 이후에는 지속적으로 감소한다. 따라서 6~8월의 홍수기에는 강수의 희석 효과로 인해 하천의 T-N 농도가 강우량에 반대로 나타나는데, 9월 이후 강우량이 감소하면서 소유역 최상류 지역의 국지적 소규모 수처리시설의 방류수에 의한 농도 저감의 가능성과, 상대적으로 질소류 오염 시설이 적게 분포하는 최상류의 특성이 반영되어 기저 유출의 형태로 지천으로 유입되는 지하수의 질소류 농도가 낮았을 가능성을 배제할 수 없다.

이와는 대조적으로, Group 2에 속하는 관측점들은 경안천 본류(MS-1~8)와 오산천 소유역의 최하류(OS-1), 곤지암천 소유역의 최하류(GS-1)으로, 모든 지점들이 각 단위 유역에서 물의 흐름이 모이게 되는 국지적인 기저 수위(local base level)를 보이는 공통점이 있다. 따라서 이들 지점에서는 T-N 농도가 하천 유량의 변화에 민감하게 반응하게 된다. 홍수기인 7~9월에 급증한 강우량과 이에 따른 하천 유출량은, 관측지점들에서 수처리시설에서의 방류량을 무시할 정도이며 (Fig. 6c), 결과적으로 이 시기에 증가되는 하천의 T-N 농도는 하천변의 충적층에 집중적으로 산재하는 시설농업 활동에 기인하는 것으로 판단된다. 실질적으로 이 연구에서 수행된 현장 조사에서, 경안천에 인접하여 사용되고 있는 농업 시설들에서 사용하는 질소 성분을 포함하는 다양한 유·무기질 비료들이 시설들 옆에 쌓여 있는 것을 확인할 수 있었다 (Fig. 7). 작물 재배과정에 과다하게 공급된 이러한 비료들은 지표면에 잔류하거나 지하수로 유입되어 궁극적으로는 기저 유출의 형태로 인접한 경안천으로 배출된다. 따라서, 홍수기에 강우의 직접 유출량이 급증하는 가운데에도 하천의 T-N 농도가 증가하는 현상은 하천에 인접한 농업 시설들로부터의 질소류 오염물질의 직접 유입과 지하수 기저유출의 영향으로 판단된다.

Fig. 7. Various fertilizers used in agricultural activities near the Gyeongan stream (photos taken on November 20, 2022).

지하수 중의 질산성 질소 함량은, 경안천의 주요 소하천인 오산천과 곤지암천을 대상으로, 소하천이 본류에 유입되는 인접 지점에 대해 조사하였다 (Table 3). 하천 수질관측에 비교할 때, 지하수 수질관측은 연속성을 담보하기 어려웠다. 이는 지하수의 공공 관측시설 자체가 없으며, 시료의 채취와 분석 역시 조사 부지에서 실제로 지하수를 사용하는 관정을 찾아서 소유자의 허가를 받아야 하기 때문이다. 그러나 지하수 관정의 소유자들이 질소의 잠재오염원인 농업 시설(비닐하우스) 또는 축산시설(소, 돼지 축사)의 운영자로서, 소유지 내에서의 지하수질 조사를 허락받는 것이 쉽지 않다.

그럼에도 불구하고, 지속적으로 현장 조사 기간에 탐문을 통해 획득한 지하수 시료의 분석 결과는, Table 2에 보이듯이, 질산성 질소 농도에서 시간적·공간적으로 큰 변화를 보인다. 갈수기에 오산천 유역(OG 시료들)에서 질산성 질소의 농도는 최소 2.55 mg/L에서 최대 13.69 mg/L로 나타났으며, 곤지암천 유역(GG 시료들)에서는 3.34~8.72 mg/L의 범위로 관측되었다. 습윤기에는, 오산천 유역의 지하수 시료들은 최대 4.0 mg/L 이하로서 거의 농도의 변화를 보이지 않으며, 오히려 곤지암천 유역의 GG-3 시료에서 7월 관측농도는 25.22 mg/L 로, 같은 시기의 경안천 본류나 수처리시설 방류수의 T-N 농도보다 4~7 배나 높게 관측되었다 (Table 2 & 3).

4.2.3. T-N 농도의 공간적 변동

공간적으로, 경안천 본류의 T-N 농도는 상류에서 하류로 갈수록 증가하는 경향성을 보인다 (Fig. 8, Table 2). 경안천상류 소유역 (MS-0~MS-3)에서는, 최상류인 MS-0 에서 MS-1로 흐를 때 평균농도의 변화가 0.8 mg/L로 가장 크며, MS-3에서 3.46 ± 0.98 mg/L로 농도가 가장 높았다. 경안수위표 소유역 (MS-4~MS-6)에서는, 오산천 합류 직후 (MS-4)에 3.85 ± 0.76 mg/L로 농도가 증가하고 M-6까지 큰 변화가 없었다. 곤지암천이 합류한 후인 경안천하류 소유역 (MS-7과 MS-8)에서는 T-N 농도가 3.55 ± 1.04 mg/L로 감소했다.

Fig. 8. The spatial variation of total nitrogen (T-N) concentrations along the Gyeongan stream from upstream to downstream towards the Paldang lake.

오산천의 경우, T-N 농도는 상류 지점 (OS-0)에서 2.75 ± 0.53 mg/L이었으나, 하류 지점 (OS-1)에서는 4.35 ± 0.97 mg/L로 증가하였다. OS-1의 농도는 경안천 본류와의 합류 직전인 MS-3보다 높았다. 따라서 MS-3에서 MS-4로 T-N 농도의 증가는 경안천 본류보다 상대적으로 높은 농도인 오산천의 합류 결과로 판단된다. 곤지암천의 경우, 상류 지점 (GS-0)의 농도는 3.04 ± 0.97 mg/L이었으며, 하류 지점 (GS-1)에서 3.25 ± 0.76 mg/L로 큰 변화가 없었다. GS-1의 농도는 경안천 본류와의 합류 직전인 MS-6보다 낮았다. 따라서 MS-6에서 MS-7로 T-N 농도의 감소는 경안천 본류보다 상대적으로 낮은 농도인 곤지암천의 합류로 인한 것으로 판단된다.

Table 1에 의하면, 오산천 소유역의 경안천 전체 유역에 대한 농지면적비나 소유역 내의 농지면적비, 질소류에 대한 토지계와 축산계의 배출부하량 등이 모두 곤지암천 소유역에 비하여 낮게 나타난다. 따라서 소유역 단위 잠재오염원으로서의 농지 면적이나 질소류 배출부하량 등은 경안천 본류의 질소류 농도에 대한 직접적인 영향인자로 적용하는 것이 적절한지는 추가적인 연구가 필요하다. 그럼에도 불구하고, 오산천과 곤지암천의 유입이 경안천 본류의 T-N 농도에 영향을 주고 있음은 명확하며(Fig. 8), 결과적으로 경안천 본류의 수질관리를 위해서는 지류를 포함하는 소유역에 대한 관리가 필요함을 의미한다.

4.3. 경안천 내 질소류의 기원 및 잠재오염원

하천수와 지하수 내 질산염의 질소(δ15N)와 산소(δ18O), 그리고 붕소(δ11B) 동위원소는 질소류 오염원을 추정하는 환경동위원소로써 활용되고 있다 (Tamborski et al., 2020).

경안천의 물 시료 중에서 질소류 농도가 가장 높은 건조기간인 1월에 채취한 하천수와 지하수를 대상으로 전술한 환경동위원소비를 분석하였다. 질산염의 질소와 산소동위원소비의 범위는 각각 6.55~13.66 ‰과 0.23~4.88 ‰이며, 붕소 동위원소비의 범위는 13.30~26.00 ‰이다(Fig. 9). 이 결과를 통해 경안천의 질소류 오염을 유발하는 주원인은 가축 분뇨와 연관성이 있음을 확인할 수 있다 (Kruk et al., 2020).

Fig. 9. The results of environmental isotopes. (a) the nitrogen and oxygen of nitrate. (b) the nitrogen of nitrate and boron (modified from Tamborski et al., 2020).

경안천 유역에서 가축분뇨 기원의 질소류가 하천으로 유입될 수 있는 과정은, (1) 축산 단지에서 방출되는 축산폐수가 강우에 의해 직접 유출과정으로 하천에 유입되는 기작, (2) 하수관거를 통해 유입된 후 환경기초시설에서 처리 후 방류되는 기작, (3) 축산분뇨를 포함하는 유기질 비료를 사용하는 농업 활동에서 농지와 지표면에 노출 내지 축적된 질소류 성분이 지하수로 함양되어 기저유출로 하천에 유입되는 기작 등을 고려할 수 있다.

4.3.1. 축산폐수의 유입

경안천 유역 내 축산 단지는 경안천상류 소유역의 하류 지점에 돈사가 밀집되어 있고, 곤지암천 소유역의 하천 주변에 우사들이 분포하고 있어, 이들이 경안천 질소오염의 주오염원으로 작용할 가능성은 충분하다. 이 연구 수행을 위하여 현장 조사 시에는 축산시설에 대한 접근이 허락되지 않아서, 현장에 대한 직접적인 조사는 불가능하였으나, 시설 주변에서 맡을 수 있는 분뇨의 냄새는 이러한 가능성을 간접적으로 지지한다.

4.3.2. 환경기초시설에서의 방류

경안천 유역 내 운영되고 있는 환경기초시설은 총 26개소이며, 조사 지점 중 최 하류인 MS-8 보다 상류 유역에 존재하는 시설은 총 19 개소이다 (Fig. 4, Yongin and Gwangju city hall). WWTP-1과 WWTP-2의 시설용량은 56,000과 25,000 m3/day으로 이는 19 개소의 총 시설용량 대비 32.76과 14.63 %에 해당되며, 각 시설은 용인시와 광주시에서 가장 규모가 크다. 또한, 이 시설들에서 분뇨처리시설도 함께 운영되고 있기 때문에 수질 모니터링이 수행되었다.

경안천 상류유역 내 MS-2와 MS-3 사이에 위치한 WWTP-1의 T-N 농도는 평균 3.88 ± 0.71 mg/L이며, 2021년 11월부터 2월까지 지속적으로 농도가 증가하고, 5월까지 감소한 후 일정해지는 시간적 변동성을 보였다 (Fig. 1 & 6(c)). MS-3 지점의 T-N 농도가 분석된 1월에 MS-2와 MS-3의 T-N 농도는 4.10에서 5.10 mg/L로 증가하였으며, WWTP-1의 T-N 농도는 그 중간값인 4.71 mg/L이다. 또한, MS-3 지점의 하천 유량대비 WWTP-1의 시설용량도 건조 기간에 높고 습한 기간에 낮으며, 2월에 96.74 %로 가장 높았다. 게다가 MS-2와 WWTP-1의 물 성분의 수리화학적 유형은 모든 시기에 각각 Ca-HCO3 그리고(Na+K)-(Cl+NO3) 유형인 반면에 MS-3는 건조 기간에 WWTP-1와 좀 더 가까운 (Na+K, Ca)-(Cl+NO3, HCO3)유형이었다 (Fig. 10). 이는 WWTP-1이 건조 기간에 경안천 본류의 T-N 농도에 영향을 준다는 것을 의미한다.

경안수위표, 경안천 하류 그리고 곤지암천 소유역의 경계에 위치한 WWTP-2의 T-N 농도는 평균 6.66 ± 2.31 mg/L이며, 최고 농도는 10.94 mg/L였다. 그리고 2021년 11월부터 2022년 2월까지 증가한 후 감소하는 경향성을 보였다 (Fig. 6(c)). MS-8 지점의 유량 관측자료를 수집할 수 없는 1월과 2월을 대신하여 기후환경이 비슷한 12월의 유량자료를 살펴보았을 때, MS-8 지점의 유량은 375,120 m3/day이며, WWTP-2의 시설용량(25,000 m3/day)은 이에 대해 6.66% 였다. 또한, 이 비율은 WWTP-1과 비슷하게 건조 기간이 습한 기간보다 더 높다. 비록 WWTP-1에 비해 하천유량에 대한 기여율은 낮지만 T-N의 농도가 높기 때문에 WWTP-2도 건조 기간에 경안천 본류의 T-N 농도에 영향을 줄 수 있다. 이 외에, 경안수위표, 오산천 그리고 곤지암천 소유역에 시설용량이 20,000 m3/day 이상이고 T-N 농도가 WWTP-1보다 높은 환경기초시설이 총 3 개소가 운영되고 있다. 따라서, 환경기초시설은 경안천 유역 내 하천의 질소류 오염원 중 하나가 될 수 있으며, 특히 건조 기간에 그 영향이 클 것으로 예상된다.

4.3.3. 농업 활동과 지하수 기저유출

Oh et al.(2016)은 농업 활동에 사용되는 비료 종류 중 무기질 비료의 사용량은 감소하고 축분으로 만들어진 유기질 비료의 사용량이 증가하고 있음을 보고하고 있으며, Kwon et al.(2021)은 농업 활동에 사용되는 비료에 의한 토양 및 지하수 내 질소 오염을 보고하고 있다. 따라서 경안천에 인접하여 발달된 농업 지역들과 이들이 사용하는 유기질 비료들도 충분히 경안천의 질소류 오염에 대한 잠재오염원으로 작용할 수 있다.

경안천 본류의 MS-2와 MS-3 사이에는 하천변에 인접한 약 0.8 km2 면적의 시설재배단지 및 답지가 위치한다. 2022년 4월 MG 지점의 질산성 질소 (NO3-N) 농도는 15.81 mg/L이며, MS-2 (1.14 mg/L)와 MS-3 (1.86 mg/L)보다 각각 13.91과 8.51 배 높다 (Table 3). 또한, 오산천과 곤지암천에 인접한 시설재배지에서 사용하는 지하수인 OG와 GG의 질산성 질소 농도는 평균 4.88 ± 3.30과 8.34 ± 7.11 mg/L이며, 최대 농도는 각각 13.69와 25.22 mg/L이었다. OG와 GG의 평균 농도는 OS-1 (2.94 ± 0.89)과 GS-1 (2.45 ± 0.81)보다 각각 1.66과 3.41 배 높았다.

물 성분의 수리화학적 유형에서 MG와 GG는 Ca-(Cl+NO3)유형이며, OG는 Ca-HCO3 또는 Ca-SO4 유형이다 (Fig. 10). 이러한 지하수 주성분의 차이는 지점별로 사용하는 비료의 종류 (무기질 또는 유기질 비료) 및 사용량에 따른 차이에 기인한다고 판단된다. 습윤 기간인 2022년 6월과 7월, 경안천 본류의 물 유형은 건조 기간보다 Ca와 HCO3의 비율이 증가했으며, 오산천과 곤지암천은 SO4의 비율도 같이 증가했다. 이는 습윤 기간에도 하천의 수질이 지하수의 영향을 받을 수 있다는 것을 의미한다.

Fig. 10. The Piper diagram of water samples.

따라서, 지하수의 질산성 질소 농도가 하천보다 높다는 점, 습윤 기간에 하천의 수질이 지하수에 가까워진다는 점, 그리고 습윤 기간에 일부 하천의 T-N 농도가 증가하지만, 환경기초시설의 T-N 농도는 증가하지 않는다는 점을 종합적으로 고려했을 때, 질소류로 오염된 토양의 지표 유출 외에 기저유출에 의한 지하수 유입 역시 하천의 질소류 오염원 중 하나가 될 수 있다.

이 연구는 수도권 급수원인 팔당호로 직접 유입되는 경안천의 질소류 오염에 대한 수질관리 방안을 도출하기 위하여, 경안천 유역의 하천수와 지하수 및 수처리시설의 방류수 등을 대상으로 현장조사와 실내 분석을 통해 질소류의 시·공간적 분포와 기원을 규명하고자 수행되었다. 경안천 유역의 계절별 수문 특성을 구분하기 위하여, 경안천의 유량지속곡선을 도출하였으며, 이를 기반으로 건조 기간(2021년 12월 중순부터 2022년 6월 중순까지)과 습윤 기간(그 이후부터 11월 초까지)을 설정하였다.

경안천의 총 질소 함량의 시공간적 변동 특성은, 강우의 직접 유출, 환경기초시설로부터의 방류수, 지하수의기저유출 등의 유량과 이들 수문 성분에 함유된 T-N 농도에 따라 변동한다. 이들 수문 성분의 유량 특성은 몬순 기후의 영향으로 나타나는 건조 기간과 습윤 기간에 따라 변동하며, 각 성분의 경안천 총 유량에 대한 상대적 기여도 역시 계절적 영향을 받게 된다.

연구 지역에서의 T-N 농도는 월단위 시간적 변동을 기준으로 할 때, 전반적으로 건조 기간에 속하는 1~2월에 농도가 가장 높았다가 5~6월까지 지속적으로 낮아지는 변화를 보인다. 경안천의 T-N 농도 변동이 환경기초시설의 배출수 내 농도 및 하천 유량 대비 시설용량의 변동과 유사한 경향을 보임에 따라, 건조 기간에는 환경기초시설 방류수의 영향이 큰 것으로 판단된다. 그러나 홍수기인 7~9월 이후에는 유역 내 위치에 따라서 소유역 최상류 지역에서는 T-N의 농도가 낮아지며, 소유역 하류와 본류에서는 반대로 높아지는 현상이 보인다.

공간적으로, 경안천 본류의 T-N 농도는 상류에서 하류로 갈수록 증가하는 경향성을 보인다. 그러나 소유역인 오산천과 곤지암천이 유입되는 부분에서는 이들의 농도 값에 의해 본류의 농도가 높아지거나 낮아지는 영향을 받고 있다. 이는 경안천 본류의 수질관리를 위해서는 지류를 포함하는 소유역에 대한 오염 관리가 필요함을 의미한다.

경안천 물 시료들의 질소류는 질산염의 질소(δ15N)와 산소(δ18O), 그리고 붕소(δ11B) 등의 환경동위원소비를 사용하여 확정하였다. 모든 시료의 질소가 분뇨(manure) 기원으로 규명되었고, 하천수와 지하수 및 방류수의 수리화학적 특성의 변동과 T-N 농도값의 공간적 변동을 근거로, 경안천에 분뇨 기원의 질소가 유입될 수 있는 기작으로, (1) 축산 단지에서 방출되는 축산폐수가 강우에 의해 직접 유출과정으로 하천에 유입되는 기작, (2) 하수관거를 통해 유입된 후 환경기초시설에서 처리 후 방류되는 기작, (3) 축산분뇨를 포함하는 유기질 비료를 사용하는 농업 활동에서 농지와 지표면에 노출 내지 축적된 질소류 성분이 지하수로 함양되어 기저유출로 하천에 유입되는 기작 등을 제시하였다.

수도권 인구의 주요 급수원으로서 팔당호를 사용하는 한, 팔당호로 직접 유입되는 경안천의 수질은 주요 관리 대상이 될 수 밖에 없다. 따라서 이 연구결과를 바탕으로 추후 경안천 수질관리 사업에서는 다음과 같은 내용의 추진이 필요하다고 판단된다: 첫째로, 수질관리는 오염물질(이 연구에서는 질소류)의 농도보다는 총량 관점의 관리가 필요하다. 하천 오염물질의 총량(mass)은 유량(volume)과 농도(concentration)의 곱으로 계산되고, 유량과 농도는 수문 성분에 따라 다르게 나타나며, 이러한 수문성분들은 모두 시간적·공간적으로 변동된다. 따라서 경안천과 같은 수도권 상수원 급수에 중요한 영향을 미치는 유역에서의 수질관리는, 공간적 관점에서 지류를 포함하는 소유역 단위의 관리와 함께, 각각의 수문 성분을 분리하고 이들의 시간적 수량과 수질의 변화를 모니터링 할 수 있는 체계적인 시스템의 구축과 운용이 필요하다. 둘째는 하천수질에 직접적으로 영향을 미칠 것으로 예상되는 하천변에 집중된 농업 시설과 발생 및 배출부하량이 상대적으로 높은 지역에서의 질소류 오염 영향을 체계적으로 분석하고 관리하기 위한 모니터링 시스템의 구축이 필요하다. 경안천 유역에 포함된 5개의 소유역에 대하여 질소류의 잠재오염원으로 작용할 수 있는 농지면적과 토지계 및 축산계의 상대적 비교 결과, 오산천 소유역이 곤지암천 소유역에 비하여 잠재적 오염성(pollution potential)은 낮음에도 불구하고, 경안천으로 유입되는 지점에서 소하천의 질소류 농도가 곤지암천이나 본류보다 높게 나타난다. 이런 특성은 경안천 본류와 오산천의 합류 지점 주변에 발달된 하우스 농업과 축산시설의 영향이 본류에 상대적으로 먼 거리에 위치한 곤지암천보다 높게 나타났을 가능성과, 동시에 곤지암천 소유역과 같이 본류에 멀리 있음에도 잠재적 배출부하량(Table 1)이 높은 오염원과 오염 활동의 영향이 장기적인 측면에서 지속될 수 있음을 의미한다.

본 연구는 한강수계관리위원회 환경기초조사사업과 한국연구재단 이공분야 대학중점연구소지원사업(과제번호: 2017R1A6A1A07015374)의 지원으로 수행되었습니다. 상세한 논문검토 의견을 제시하여 주신 심사위원들께도 감사드립니다.

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Article

Research Paper

Econ. Environ. Geol. 2023; 56(2): 139-153

Published online April 30, 2023 https://doi.org/10.9719/EEG.2023.56.2.139

Copyright © THE KOREAN SOCIETY OF ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL GEOLOGY.

Study of Spatiotemporal Variations and Origin of Nitrogen Content in Gyeongan Stream

Jonghoon Park1, Sinyoung Kim1, Soomin Seo1, Hyun A Lee2, Nam C. Woo1,*

1Department of Earth System Sciences, Yonsei University
2Groundwater Research Center, Jeju Research Institute

Correspondence to:*ncwoo@yonsei.ac.kr

Received: March 22, 2023; Revised: April 12, 2023; Accepted: April 13, 2023

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided original work is properly cited.

Abstract

This study aimed to understand the spatiotemporal variations in nitrogen content in the Gyeongan stream along the main stream and at the discharge points of the sub-basins, and to identify the origin of the nitrogen. Field surveys and laboratory analyses, including chemical compositions and isotope ratios of nitrate and boron, were performed from November 2021 to November 2022. Based on the flow duration curve (FDC) derived for the Gyeongan stream, the dry season (mid-December 2021 to mid-June 2022) and wet season (mid-June to early November 2022) were established.
In the dry season, most samples had the highest total nitrogen(T-N) concentrations, specifically in January and February, and the concentrations continued to decrease until May and June. However, after the flood season from July to September, the uppermost sub-basin points (Group 1: MS-0, OS-0, GS-0) where T-N concentrations continually decreased were separated from the main stream and lower sub-basin points (Group 2: MS-1~8, OS-1, GS-1) where concentrations increased. Along the main stream, the T-N concentration showed an increasing trend from the upper to the lower reaches. However, it was affected by those of the Osan-cheon and Gonjiamcheon, the tributaries that flow into the main stream, resulting in respective increases or decreases in T-N concentration in the main stream. The nitrate and boron isotope ratios indicated that the nitrogen in all samples originated from manure. Mechanisms for nitrogen inflow from manure-related sources to the stream were suggested, including (1) manure from livestock wastes and rainfall runoff, (2) inflow through the discharge of wastewater treatment plants, and (3) inflow through the groundwater discharge (baseflow) of accumulated nitrogen during agricultural activities.
Ultimately, water quality management of the Gyeongan stream basin requires pollution source management at the sub-basin level, including its tributaries, from a regional context. To manage the pollution load effectively, it is necessary to separate the hydrological components of the stream discharge and establish a monitoring system to track the flow and water quality of each component.

Keywords Gyeongan stream, nitrogen sources, spatiotemporal variations, environmental isotopes, groundwater discharge

경안천 내 질소 함량의 시공간적 변화와 기원 연구

박종훈1 · 김신영1 · 서수민1 · 이현아2 · 우남칠1,*

1연세대학교 지구시스템과학과
2제주연구원 지하수연구센터

Received: March 22, 2023; Revised: April 12, 2023; Accepted: April 13, 2023

요 약

이 연구는 경안천 유역의 상류로부터 하류까지 본류와 하위 소유역의 배출 지점에서 관측되는 경안천 내 질소함량의 시공간적 변화를 이해하고, 이러한 질소류의 기원을 확인하고자 수행되었다. 2021년 11월부터 2022년 11월까지, 분기별 현장 조사와 실내 수질분석, 질산염과 붕소의 환경동위원소 분석을 수행하였다. 경안천의 유량지속곡선을 도출하여, 건조 기간(2021년 12월 중순부터 2022년 6월 중순)과 습윤 기간(2022년 6월 중순부터 11월 초까지)을 설정하였다.
연구 지역에서의 총 질소(T-N) 농도는 월단위 시간적 변동을 기준으로 할 때, 건조 기간에 속하는 1~2월에 농도가 가장 높았다가 5~6월까지 지속적으로 낮아진다. 홍수기인 7~9월 이후 T-N의 농도가 낮아지는 소유역 단위 최상류 지점들(Group 1: MS-0, OS-0, GS-0)과, 반대로 높아지는 경안천 본류와 소유역 하류 지점들(Group 2: MS-1~8, OS-1, GS-1)이 분리된다. 공간적으로, 경안천 본류의 T-N 농도는 상류에서 하류로 갈수록 증가하는 경향성을 보이지만, 소유역인 오산천과 곤지암천이 각각 합류되는 지점에서는 이들의 유입에 의해 본류의 T-N 농도 값에 의해 본류의 농도가 높아지거나 낮아지는 영향을 받고 있다.
환경동위원소비를 통해 모든 시료의 질소가 분뇨(manure) 기원으로 규명되었고, 수리화학적 특성의 변화와 T-N 농도의 변화에서 경안천으로 분뇨 기원의 질소가 유입될 수 있는 기작으로, (1) 축산단지의 분뇨, 폐수의 강우에 의한 유입, (2) 환경기초시설 방류수를 통한 유입, (3) 농업 활동 과정에서 축적된 질소류의 지하수 기저유출을 통한 유입 등이 제시되었다.
궁극적으로 경안천 유역의 수질관리는, 공간적 관점에서 지류를 포함하는 소유역 단위의 오염원 관리가 필요하며, 오염총량 관리 측면에서는 하천 유량의 수문성분을 구분하고, 각각 성분의 유량과 수질을 모니터링 할 수 있는 시스템의 구축과 운용이 선결되어야 한다.

주요어 경안천, 질소 기원, 시공간적 변화, 환경동위원소, 지하수 유출

Research Highlights

  • T-N contents in the Gyeongan stream varies in space and in time.

  • Nitrogen in the stream was originated from manure and its related products.

  • Nitrogen sources are transported through the direct runoff, WWTP discharge and groundwater baseflow.

  • Water-quality management warrants the systematic monitoring of hydrologic components at the sub-basin scale.

1. 서 론

경기도 용인시 호동의 문수봉에서 발원하는 경안천(Fig. 1)은 용인시와 광주시를 관통하여 수도권의 상수원인 팔당호로 직접 유입되는 국가하천이다. 1990년 이후 경안천 수변을 중심으로 급격한 도시화 및 산업화를 위한 개발과 지속적인 인구 유입으로 인하여 도시 및 주거지 면적이 수변구역을 따라 증가하고 있으며, 결과적으로 불투수성 면적의 증가와 다양한 잠재오염원의 수질오염에 대한 영향이 증가하고 있다 (Jang et al., 2009). 구체적으로는, 경안천 중권역의 인구변화는 2015년에서 2019년까지 500,630 명에서 580,146 명으로 약 16% 증가하였으며, 오산천 소유역과 경안수위표 소유역에서 각각 25%와 23%로 가장 크게 증가한 것으로 나타났다(HRBEO, 2021). Lee and Park(2010)에 의하면, 2008년 팔당호의 질소 수지의 유입에서 하천이 대부분을 차지하는 것으로 나타났으며, 이 중 경안천의 총질소(Total Nitrogen; T-N) 부하량이 약 4%를 차지했다. 팔당호로 유입되는 총 유량 중 경안천의 유입량이 2%인 것을 볼 때(NIER, 2016), T-N 부하량의 기여도는 약 2배 정도 크게 나타난다. 특히 경안천 지역은 축산과 농업의 비율이 높아 다른 수계에 비해 질소류의 오염도가 높은 편임을 고려하면(Son et al., 2018), 수도권의 주요 급수원인 팔당호의 수질을 관리하기 위해서는, 총 유량에 대해서는 상대적으로 적은 유량을 보이나 팔당호의 수질에는 상대적으로 큰 영향을 미치는 경안천의 질소류 수질관리가 매우 중요하다.

Figure 1. (a) The study area, Gyeongan stream basin, and (b) its geology with the locations of water sampling points.

환경부에서는 도시화 및 산업화로 인해 오염원이 급증하면서 부하량의 양적 증가, 오염원의 밀집 및 비점오염 물질의 증대가 발생하게 되어, 수계의 환경기준을 달성하고 수질개선을 시키기 위하여, 수질오염 총량관리제(Total Maximum Daily Load; TMDL)를 통해 하천으로 배출되는 오염물질의 총량을 관리하고 있다(NIER, 2006). 그러나 현재 관리대상을 수질 오염물질 중 생화학적산소요구량(Biochemical Oxygen Demand, BOD)과 총인(Total Phosphorus, T-P)만을 다루고 있어, 대표적인 수질오염 인자로서 질소 성분이 빠져있으며, 이로 인해 오염물질의 다양성에 대한 한계를 내포하고 있다. 또한 목표수질 관리를 위한 모니터링 지점을 경안천 본류에 설정함으로서, 지류에서의 오염과 오염수 유입에 의해 본류의 수질 개선에 한계가 있다(NIER, 2020).

물 환경에 포함된 질소는 부영양화를 일으키는 주요 원인 물질로서, 하천이나 호수 등의 담수 환경으로의 질소류유입 증가의 주요 원인은 대부분이 인간의 활동임이 제기된 바 있다(Lee et al., 2008). 질소 유입으로 발생한 부영양화는 녹조나 적조 등의 현상을 발생시킬 수 있고, 궁극적으로는 지표수의 용존 산소량을 감소시킴으로 물 생태계 전반에 심각한 영향을 초래하게 된다. 대표적으로, 질소류 오염물질 중 하나인 암모니아는 어류에게 독소로 작용하며, 유아와 노약자들이 질산염의 농도가 높은 물을 음용하게 되면 청색증(methemoglobinemia)을 유발하는 등 인체유해성도 일찌기 보고된 바 있다 (Maxcy, 1950).

물 환경의 질소류는 축산분뇨, 산업폐수, 생활하수 등의 점오염원(point sources)과 토양의 침식, 농경지에서의 비료 사용, 대기로부터의 침전 등의 비점오염원(non-point sources)으로부터 유래한다. 그 중 농촌 지역에서 질산염오염은 일반적으로 화학비료 혹은 축산분뇨 등이 주요 원인이다 (Smil, 1999). 대도시 주변의 교외 지역에서는 농업과 관련이 없이 하수도 누수, 산업체 유출, 쓰레기 매립지, 정화조, 수처리 시설 등으로부터 발생하기도 한다 (Williamson et al., 1998). 질소류 중에서 질산염(NO3)은 물 환경에서 안정적(conservative)이라서 이동성이 매우 높고, 따라서 지표수와 지하수의 흐름을 통해서 광범위하게 이동할 수 있다.

이와 같이 여러 경로로 유입되는 질소류 물질을 효율적으로 관리하기 위해서는, 우선적으로 이들의 오염원을 추적·확인하여야 한다. 이를 위해서 수리화학적 인자들의 분석과 질소류와 관련된 다양한 환경동위원소(δ2H, δ18O, δ18O-NO3, δ15N-NO3, δ11B)를 이용한 오염원 규명 연구들이 보고된 바 있다 (Freyer and Aly, 1974; Heaton, 1986; Karr et al., 2007; Kim and Woo, 2003; Kruk et al., 2020; Tamborski et al., 2020). 특히 최근에는 동위원소 분석기술이 발전하면서 그동안 명확히 구분이 되지 않던 하수와 분뇨 등 유기질 오염원 기원의 질소류를 δ15NNO3과 δ11B 의 비교를 통해 명확히 구분할 수 있게 되었다 (Briand et al., 2013, 2017; Kruk et al., 2020). 이렇게 원인이 규명된 오염물질에 대해서는, 물질 수지에 기반한 통계 모형 및 유입 모델 등을 활용하여 체계적인 관리방안을 제시할 수 있다 (Blessing et al., 2009).

연구 지역인 경안천 유역의 질소류에 의한 수질오염 현상은 여러 연구자들에 의해 보고된 바 있다. Kwon et al.(2017)은, 경안천의 10년 수질 변화 특성을 분석하고 유량과 오염부하량의 관계를 고찰한 결과, 경안천의 수질을 결정하는 요인으로 유기물 지표항목과 계절변화에 따른 질소류에 의한 요인 및 유량 증가에 의한 부유물질의 유입을 들었다. Kim et al.(2001)은 양돈축산단지와 시설원예단지가 집중된 용인시 포곡면에서 천층 지하수의 수질와 오염특성을 연구한 결과, 조사지점의 28%에서 질산염의 농업용수 수질기준(20 mg/L NO3-N)을 초과하였음을 보고하였다. Yoo and Park(2003)은 GWLF(Generalized Watershed Loading Functions) 모델을 사용하여 경안천의 질소 부하량을 점오염원, 비점오염원 및 지하수(기저유출)의 구분으로 산정한 결과, 강우가 적은 갈수기에는 비점오염원과 지하수 기저유출로부터의 오염부하가 적었으나, 풍수기인 8월에는 강우에 의한 비점오염원과 지하수 기저유출을 통한 질소부하량의 증가 현상이 나타남을 보고하면서, 강우 발생 시 오염물질 유입에 대한 관리가 필요함을 제시하였다. 나아가 오염원별 연간 부하량에서도, 지하수의 기저유출을 통한 질소류 오염부하가 전 기간에 걸쳐 가장 높게 나타나고 있어, 지하수에 대한 체계적인 모니터링과 관리가 시급함을 알 수 있다.

한편, 한강유역환경청의 보고서(HRBEO, 2021)에서는 선행 무강우일수와 질소 항목의 높은 상관성을 보고하면서, 무강우 기간에 의해 하천의 유량이 감소하여 상대적으로 질소 부하량이 증가하는 현상으로 이해하였다. 따라서 갈수기에 증가하는 하천의 질소 부하에 대해서는, 명확한 질소류의 기원(지하수 또는 수처리시설 배출수)이 경안천의 질소류 수질관리를 위해서 선결되어야 한다.

따라서 이 연구는, 경안천과 인접 소유역에서의 수문환경변화에 따른 질소류 거동을 이해하고 질소류의 기원을 규명하여, 장기적인 경안천 유역의 질소류에 의한 수질오염 관리 방안의 기초자료를 제공하고자 수행되었다. 이를 위해, 경안천의 상류로부터 하류의 팔당호에 진입하기 전까지의 본류와 인접한 오산천 및 곤지암천의 지류, 주변 지점의 지하수 및 수처리시설로부터 배출되어 경안천으로 유입되는 방류수 등을 분기별로 조사/분석하였다.

2. 연구 지역 – 수문 지질 특성과 잠재 오염원

경안천은 유역면적 561.17 km2, 유로연장 47.38 km의 중규모 하천이며, 유역 평균경사는 30.76(%)로 용인시에 위치한 산지로부터 경사진 지형이다. 경안천 본류의 수계는 남남서-북북동 방향이며, 곤지암천과 오산천을 비롯해 지류들은 북서-남동, 남동-북서 등으로 다양하다. 유역의 관점에서 경안천 중권역은 한강 대권역에 속하며, 상류로부터 경안천상류, 오산천, 경안수위표, 곤지암천, 경안천하류의 5개 표준유역(소권역)으로 구성된다 (Fig. 1a; Water Resources Management Information System (WAMIS), accessed on March 10, 2023).

경안천 유역의 지질은, 선캄브리아기의 변성암류인 흑운모 편마암(biotite gneiss)과 흑운모 호상 편마암(banded biotite gneiss)이 전 유역에 넓게 분포하며, 수계 및 산지를 따라 신생대 제4기 충적층에 의해 부정합으로 피복된다. 국지적으로는, 용인시 처인구 양지면 부근에서 중생대 쥐라기의 흑운모 화강암이 관입하고 있으며, 석영운모편암을 비롯한 편암도 광주시 도척면과 처인구(경안천 상류와 곤지암천 유역 일부) 일부에서 남서-북동 방향으로 분포하고 있다 (Fig. 1b; KIGAM, accessed on March 10, 2023).

경안천 유역에 위치한 경기광주와 용인 방재기상관측소에서 측정된 2010년부터 2022년까지의 월 강수량의 변화와 연 강수량을 표시하였다 (Fig. 2). 과거 13년간의 자료에서 보이듯이 월 강수량의 변화는 갈수기와 풍수기의 명확한 변화가 반복되고 있음을 보여주며, 이는 몬순기후대의 대표적인 현상으로 설명된다. 또한 이 기간의 연평균 강수량은 각각 평균 1,427 mm(±419 mm)와 1,319mm(±340 mm)이고, 두 관측소에서 모두 2022년에 최대 강수량인 2,183mm와 1,709mm를 기록하였다. 이 연구가 수행된 2021년 11월부터 2022년 10월까지 12개월 동안에는 총 강수량이 각각 2211 mm, 1786.5 mm로서, 2010년 이후 평균강수량에 비해 각각 55%와 35% 정도 증가한 것으로 관측되었으며, 월별 강수량의 분포는 Fig. 3a 와 같이 평년과 동일한 갈수기와 풍수기의 변동을 보여준다(KMA, accessed on February 14, 2023).

Figure 2. Monthly precipitation records at (a) GyeonggiGwangju and (b) Yongin weather stations, and (c) the annual precipitation amount from 2010 to 2022.
Figure 3. (a) The precipitation in the Gyeongan stream basin, and (b) the flow rate at Gyeongan bridge during the study period along with the hydrological conditions. The red and blue dotted lines indicate the threshold rates for dry and moist conditions, respectively, and the red and blue boxes indicate the dry and wet periods.

경안천에 위치한 경안교에서 관측된 1년 동안의 일평균 유량을 도시한 유량 곡선은 Fig. 3b와 같으며, 이로부터 계절적인 강수 영향에 의한 유량 변화를 명확히 확인할 수 있다. 경안천 본류에서의 유량은, 유량 관측망이 없는 오산천을 제외하면, 경안천상류로부터 경안수위표, 곤지암천, 경안천하류의 하류로 가면서 유량이 8.84 < 12.62 < 9.10 < 26.47 m3/s 로 위치에 따라 증가하거나 감소하는 국지적인 변동을 보인다(HRFCO, accessed on March, 2023). 이러한 국지적 유량변화는 궁극적으로 경안천 본류의 질소 오염부하량 역시 국지적 변동이 발생할 수 있음을 지시한다.

경안천 중권역에는 전술한 바와 같은 질소에 대한 다양한 비점오염원과 점오염원이 산재한다 (Fig. 4). 특히, 축산시설 중에서 돼지의 경우 경안천상류 소유역의 하류지점에, 소의 경우 곤지암천 소유역 상류지점에서 밀집되어 분포한다. 경안천 유역 내 각 소유역의 토지이용도에서 농지면적과 전체 유역면적 대비 농지면적 비율을 보면, 경안천 상류와 곤지암천 소유역에서 유역 내 농업 토지이용도가 상대적으로 높게 나타난다 (Table 1, HRBEO, 2021). 농업 활동의 경우, 시설과 노지 재배, 시기별 작목 등에 따른 비료 시비가 상이하므로, 하천 수질에 대한 농업 활동의 영향은 다양한 시간적 변동으로 나타날 수 있으며 (Kim and Lee, 2009), 나아가 비점오염원의 특성 상 광범위한 지역에서 질소류 오염물질의 발생도 가능하다. 또한 유역 내 환경기초시설로서 공공하수처리시설을 비롯해 소규모 하수처리시설, 분뇨처리시설, 가축분뇨 처리시설 등이 분포한다 (Yongin and Gwangju city hall; Gyeonggi Data Dream, accessed on March, 2023). 이와 같은 연구 지역 내 잠재오염원의 특성은, 잠재오염원의 분포에 의한 공간적 분포 요인과 오염물질 유발 활동에 따른 시간적 변동 요인에 의해, 경안천 질소류의 수질오염 현상도 시공간적 변화가 동시에 발생할 수 있음을 지시한다.

Table 1 . Agricultural land-use of Gyeongan stream basin and its sub-basins with pollutant loads.

Sub-basins of Gyeongan streamArea (km2)Agricultural area (km2)Ratio of agricultural area1 (%)Land Pollutant Load2 (kg/day)Livestock Pollutant Load (kg/day)
Gyeongan upstream149.9026.194.67641.8329.7
Osan stream48.475.530.99232.16.7
Gyeongan watermark90.3812.522.23442.514.9
Gonjiam stream158.5023.404.17677.2232.3
Gyeongancheon downstream113.8614.212.53538.428.7
Gyeongan stream basin561.1181.8514.592532612

1The ratio of the agricultural area of sub-basin to the total area of Gyeongan stream basin..

2Pollutant load indicates that for nitrogen..


Figure 4. Potential sources of nitrogen in the Gyeongan stream basin.

3. 연구 방법 – 수질 모니터링

경안천 본류와 인접한 지류에서의 질소류 오염 특성과 이들의 시공간적 변화를 이해하기 위하여, 현장에서 물시료의 채취와 실내분석을 위한 보존 및 현장 인자의 관측 등이 2021년 11월부터 2022년 11월까지 분기별로 수행되었다. 또한 단기적 강우의 영향을 파악하기 위하여 5월과 6월에 각 1회와 2회씩 추가 조사가 진행되었다. 하천수는 경안천 본류를 따라 경안천 상류 소유역 3개 지점 (MS-1~MS-3), 중류에 해당하는 경안수위표 소유역 3개 지점 (MS-4~MS-6), 경안천 하류 유역 2개 지점 (MS-7과 MS-8), 경안천으로 유입되는 지류인 오산천 소유역 2개 지점 (OS-0과 OS-1)과 곤지암천 소유역 2개 지점(GS-0과 GS-1) 등 총 12개 지점에서 시료 채취하였으며, 팔당호로부터 경안천 본류의 시료채취 지점까지의 거리는 7.9~36.4 km 이다. 지하수는 경안천 상류 소유역 1개 지점 (MG), 오산천 소유역 4개 지점 (OG-1~OG-4), 곤지암천 소유역 3개 지점 (GG-1~GG-3) 등 총 8개 지점에서 시료 채취하였다. 지하수 시료를 채취한 OG-1~4, GG-1~4 시료들은 모두 반경 100 m 이내의 지점들에서 채취하여, 시료채취 위치는 Fig. 1에서 단일 지점 OG와 GG로 표시하였다. 지하수 시료를 채취한 관정 MG의 심도는 6 m, OG는 4~5 m, GG는 6~30 m이다. 또한, 경안천으로 직접 유입되고 있는 상류 유역(WWTP-1)과 하류 유역(WWTP-2)의 하수처리시설 방류수도 함께 채취하여 분석하였다 (Fig. 1).

시료 채취 현장에서는, 현장측정 항목인 수소이온농도(pH), 전기전도도 (EC), 용존산소 (DO), 산화환원전위(ORP), 수온을 현장 수질측정 장비(Orion Star A329; Thermo Fisher Scientific)를 이용하여 관측하였다. 이온성분 분석을 위한 시료는 0.45 μm 여과지에 여과한 후 폴리에틸렌병에 4℃ 이하에서 보관하였다. 음이온 분석을 위한 시료는 빈 공간(head space)을 최소화하였으며, 양이온 분석용 시료는, 침전을 방지하기 위해 60% 질산을 이용하여 pH 2 이하로 산성화시켰다. 총 질소(T-N), 질산성 질소 (NO3-N), 암모니아성 질소 (NH3-N) 분석을 위한 시료는 1L 무균채수병에 채수하였다. 주음이온 (Cl, NO3, SO4)과 주양이온 (Na, K, Ca, Mg)은 연세대학교 지하수연구실의 이온크로마토그래피 (883 Basic IC plus; Metrohm AG)와 유도결합 플라즈마 분광분석기 (ICAP 7000; Thermo Fisher Scientific)를 사용하여 분석하였고, HCO3는 HCl를 이용한 산-적정법을 통해 분석하였다. 분석한 결과들은 전하균형도(charge balance error)가 10% 이하로, 결과의 신뢰성을 검증하였다. 채취된 시료의 총 질소(T-N), 질산성 질소(NO3-N) 그리고 암모니아성 질소(NH3-N) 분석은 국가공인시험기관인 (주)청룡환경에 의뢰하였다. 이 연구에서는 직접 모니터링한 자료를 최우선으로 하여 수질 특성을 분석하였으며, 경안천의 유량변화와 주기적 수질관측 자료 등은 물환경정보시스템(water.nier.go.kr)에서 제공하는 자료를 활용하였다. 이 연구의 현장 조사 지점과 시기가 물환경정보시스템에서 제공하는 주기적 관측자료와 동일한 경우에는, 자체 분석자료와 물환경정보시스템에서 획득한 자료의 평균값을 사용하였다.

4. 결과 및 토의

4.1. 하천 유량의 계절 변동 특성

우리나라는 몬순 기후 지역에 속하므로, 하천 수질의 변동성은 강우와 하천 유량 변동에 민감하게 반응한다. 따라서 경안천 내 질소류의 시·공간적 변동성을 이해하기 위해서는, 경안천 유역의 수문 환경과 하천의 유량 변동 특성을 함께 고려하여야 한다 (Lee et al., 2018; Kim et al., 2021). 이를 위해, 경안천에서 직접 관측된 하천 유량 데이터를 활용하여 유량지속곡선(Flow Duration Curve; FDC)을 작성하였다. 이 연구에서는 경안천 본류 중 중류에 위치하고 다년간의 데이터가 누적된 광주시(경안교)지점을 선정하여, 결측된 데이터(2020년 12월 22일~2021년 2월 19일)를 제외한 2018년부터 2022년까지 5 년간의 실시간 수위 관측자료를 수집하여 유량지속곡선을 작성하였다 (Fig. 5; HRFCO, accessed on Feb., 2023).

Figure 5. Classification of the hydrologic conditions of the Gyeongan stream basin based on the flow duration curve.

유량지속곡선은 유량 데이터를 내림차순으로 정렬한 후 식 (1)을 통해 작성될 수 있으며, 수문 조건은 홍수기(0~10%), 풍수기 (10~40%), 평수기 (40~60%), 저수기(60~90%) 그리고 갈수기 (90~100%)로 나눌 수 있다(Cleland, 2003). 이를 근거로, 이 연구에서는 풍수기와 홍수기를 습윤 기간(wet periods)으로, 저수기와 갈수기를 건조 기간(dry periods)으로 구분하였다.

Percent of Days Flow Exceeded (%) = Rank / Number of data × 100

유량지속곡선을 통해 산정된 경안천 유역의 습윤 기간과 건조 기간의 기준 유량은 각각 4.21 m3/sec 와 3.20 m3/sec이다. 이 기준 유량을 토대로, 건조 기간은 2021년 12월 중순부터 2022년 6월 중순이었으며, 습윤 기간은 그 이후부터 11월 초로 산정되었다 (Fig. 3(b)).

4.2. 총 질소(T-N)의 시·공간적 변동 특성

하천 내 T-N의 농도변화는 하천으로 유입되는 유수의 양과 유수 내에 포함된 T-N의 함량 간의 관계에서 결정된다. 예를 들면, 빗물과 같이 T-N의 함량이 낮은 물이 하천으로 다량 유입되는 경우에는 하천의 T-N 농도(mg/L)는 낮아지고, 하천 유량이 감소하면서 지하수의 기저유출이나 하천으로의 직접 방류수 등과 같이 지속적으로 하천으로 유입되는 유수 내 농도가 높은 경우에는 하천의 T-N 농도 역시 높아지게 된다. 따라서 경안천의 T-N 농도의 변화는 경안천으로 유입되는 수문 성분과 이들에 포함된 T-N의 농도에 의해 결정되며, 결과적으로 T-N 농도의 시공간적 변화는 경안천의 수문 성분에 대한 구분과 이들에 대한 질소류 농도 분석이 선행되어야 한다.

4.2.1. 하천 유량의 변동

경안천으로 유입되는 유수는 강우의 지표유출과 지하수의 기저유출 및 유역 내 운용 중인 하폐수처리시설의 방류수를 들 수 있다. 강우로부터의 지표 유출량은 강우현상과 계절 영향에 주로 좌우되며, 결과적으로 건조 기간에는 낮아지고 습윤 기간에는 높아지는 특성을 보인다(Fig. 3a).

지하수 기저유출의 경우, 경안천은 항상 유량이 존재하여 수문학적 분류에서는 영구하천으로 구분할 수 있다. 그러나 지표수(경안천)와 지하수의 상호관계에서는 이러한 관계의 설정이 하천으로의 지하수 유출 내지는 지하수로의 하천 유입에 따라서 각각 이득(gaining) 하천과 손실(losing) 하천으로 결정된다. 따라서 지하수위가 하천수보다 높은 시기에는 자연적인 수리경사도에 따라 지속적으로 기저유출에 의해 지하수가 경안천으로 유입되며, 경안천은 이득하천으로서 기저유출을 통해 유입되는 지하수의 질소류 오염에 노출된다. 그러나 농업 활동이 활발해지는 시기에는 하천 주변의 시설재배지에서 지하수를 사용하면서, 충적층 지하수의 하천 유출이 감소되고, 지하수 사용량의 증가에 따라서는 오히려 하천수가 충적대수층으로 역유입될 수도 있다. 이때에는 하천수 중의 질소류가 지하수환경으로 유입되므로, 더 이상의 지하수 중질소류의 하천 유출은 발생하지 않는다.

경안천의 경우, 경안교 상류에 위치한 수처리시설 WWTP-1의 방류량은 건조 시기인 1월에 높아지며 2월에는 거의 경안교에서 관측된 하천유량의 95% 이상을 감당한다. 이 시기에는 생활 및 산업 하폐수의 처리 등으로 인해 수처리시설에서의 방류량은 비교적 일정하나, 강우에 의한 하천유출량이 아주 적으므로, 결과적으로 하천 유량에 대한 상대적 기여도는 높게 나타난다. 풍수기인 7~9월에는 강우에 의한 직접 유출을 통해 하천으로 유입되는 유량이 상대적으로 크기 때문에, 하천 유량에 대한 상대적 기여도는 10% 이하로 낮아진다. 경안천 하류부의 수처리시설 WTTP-2 에서의 방류량은, 근접한 서하교에서 관측된 하천 유량이 상류에 비하여 크게 나타나므로, 하천 유량에 대한 상대적인 기여도는 더욱 작게 나타난다 (Fig. 6c).

Figure 6. Temporal variation of T-N concentrations in the water samples from Gyeongan stream basin: (a) for Group 1, (b) for Group 2 sampling locations, and (c) for the wastewater treatment plants with the facility capacity to stream flow rate ratio.

4.2.2. T-N 농도의 시간적 변동

경안천의 T-N 농도는 본류와 지류인 오산천과 곤지암천에서 모두 시간적인 변동성을 보인다 (Fig. 6a & 6b, Table 2). 전반적으로 건조 기간에 속하는 1~2월에 농도가 가장 높았다가 5~6월까지 지속적으로 낮아지는 변화는 전 구간에서 공통적으로 나타난다. 그러나 홍수기인 7~9월 이후, T-N의 농도가 낮아지는 지점들 (Group 1: MS-0, OS-0, GS-0)과, 이와는 반대로 높아지는 지점들(Group 2: MS-1~8, OS-1, GS-1)이 분리된다.

Table 2 . Total Nitrogen (T-N) concentrations of stream samples.

Gyeongan streamOsancheonGonjiamcheon
MS-0MS-1MS-2MS-3MS-4MS-5MS-6MS-7MS-8OS-0OS-1GS-0GS-1
November-211.642.712.883.803.993.703.803.603.532.423.703.103.07
December-212.913.343.97-4.30-4.65-4.412.693.553.963.98
January-222.404.104.105.105.056.005.905.605.79-4.30-4.72
February-222.524.625.19-4.93-5.88-5.943.496.183.734.11
March-223.003.173.14-3.98-4.28-4.592.994.414.434.46
April-222.553.222.083.702.953.703.443.403.312.843.883.012.88
May-221.572.280.942.202.251.902.072.302.542.323.251.542.96
June-221.152.131.892.103.33-2.74-2.772.244.440.692.30
July-222.652.713.063.203.333.003.222.703.753.573.353.903.07
August-222.542.853.56-4.17-3.10-2.982.694.422.952.69
September-222.342.663.24-3.52-3.24-3.133.533.723.533.05
October-221.862.492.79-3.73-3.61-3.322.144.753.102.39
November-221.642.892.934.104.534.503.963.703.732.036.552.582.60
Average2.213.013.063.463.853.803.843.553.832.754.353.043.25
Standard deviation0.550.671.020.980.761.261.081.041.030.530.971.010.76

※ Dash (-) indicates no sampling and analysis was conducted..

※ Gyeongan stream is the main stream, and Osancheon and Gonjiamcheon are tributaries of the main stream..



경안천 T-N 농도의 장기적인 변동은, 건조 기간인 1~2월에 경안천 총 유량의 50~90% 정도를 감당하는 수처리 시설 방류수의 T-N 농도(Table 3)가 시설의 하류에 위치하는 관측점들(본류의 MS-3~8)에서의 T-N 농도에 영향을 미쳤음을 지시한다. WWTP-1와 WWTP-2에서 방류되는 방류수 중의 T-N 농도가 2022년 2월 최대 5.48 mg/L와 10.94 mg/L로서, 경안천 본류의 T-N 농도보다 높게 관측된다.

Table 3 . Concentrations of Nitrate-Nitrogen (NO3-N) and Total Nitrogen (T-N) of groundwater and discharge waters from wastewater treatment plants, respectively.

MGOG-1OG-2OG-3OG-4GG-1GG-2GG-3WWTP-1WWTP-2
NO3-N (mg/L)T-N (mg/L)
November-21-3.272.553.65-3.963.345.734.186.23
December-21--------4.436.76
January-22-4.192.6513.69---8.724.7110.70
February-22--------5.4810.94
March-22--------4.609.39
April-2215.814.002.70----7.083.685.94
May-22--2.95----4.323.307.25
June-22--------3.305.83
July-22--2.43----25.223.616.18
August-22--------3.034.99
September-22--------3.413.69
October-22--------3.173.14
November-22-7.95--8.50---3.565.54

※ Dash (-) indicates no sampling and analysis was conducted..

※ MG, OG and GG samples are from groundwater, and WWTP-1 and –2 are from the discharge water from the WWTPs..



그러나 이 시설들의 상류에 위치하는 MS-1, -2와 각 소유역의 최상류에 위치하는 MS-0, OS-0, GS-0 지점들에서의 T-N 농도의 증가 현상에 대해서는, 국지적으로 산재되어 있는 소규모 수처리 시설들의 영향 뿐 아니라, 국지적으로 분포하는 잠재오염원들(예를 들어, 경안천상류 소유역 하류에 밀집된 돼지 축사들) 주변에서 배출되는 질소류가 지하수 기저유출을 따라 배출되는 기작을 모두 고려하여야 한다. 따라서 건조 기간에 나타나는 경안천 질소류의 증가 현상은, 직접 유출에 의한 하천 유량의 감소로 희석 효과가 제한적인 상황에서 하천 유량에 대해 상대적인 기여도가 높아진 수처리시설의 방류수와 그에 함유된 질소류의 기여가 높게 나타나며, 각 소유역의 최상류 지역에서는 산재된 잠재오염원의 영향이 지하수의 기저유출을 통해 경안천으로 유입되는 현상도 무시할 수 없음을 의미한다.

7~11월에 해당하는 습윤 기간에는 T-N 농도는 강수량이 집중된 6월부터 8월 사이에 증가했다 (Fig. 6). 따라서 경안천 T-N 농도변화에 대한 강우의 직접적인 영향을 파악하기 위해 6월 23일과 24일에 현장 조사를 수행하였다. 현장 조사 시점 사이에 경기광주와 용인 관측지점의 강수량은 각각 86.5와 42.0 mm 이었다. 강우의 직접 유출에 의한 희석효과로 인해 강우 전과 후에 전기전도도(EC) 값은 347.8 ± 25.3 μS/cm에서 246.9 ± 52.3 μS/cm로 감소하였지만, T-N 농도는 2.53 ± 0.83과 3.15 ± 1.18 mg/L로 유사하거나 오히려 약간 증가한 결과를 보인다. 따라서 습윤 기간의 강우는 희석효과보다는 오히려 토양 및 지표에 존재하는 질소류를 경안천으로 직접 운반하는 기작으로 작용하는 것을 의미한다.

전술한 바와 같이, 홍수기인 7~9월 이후에는 T-N 농도의 변동이 두 그룹으로 구분되며, Group 1에 속하는 관측점들은 모두 경안천 상류 소유역과 오산천 소유역 및 곤지암천 소유역의 최상류 지역에 위치하는 공통점을 보인다. 또한 이들에서 나타나는 T-N 농도의 변화는, 건조 기간에는 Group 2 관측점들과도 유사한 변동을 보이나, 홍수기 이후에 보이는 변화는 오히려 월 강수량의 변화에 따라 반응한다. 세부적으로, 2022년 6월에 가장 낮았던 T-N 농도가 7월에 상승하며, 이는 다시 8월에 상승하였다가 9월 이후에는 지속적으로 감소한다. 풍수기의 강수 현상은 이와 반대로 6월에 강수량이 증가하였고, 7월에 감소하였다가, 이는 다시 8월에 최대치로 상승하고, 9월 이후에는 지속적으로 감소한다. 따라서 6~8월의 홍수기에는 강수의 희석 효과로 인해 하천의 T-N 농도가 강우량에 반대로 나타나는데, 9월 이후 강우량이 감소하면서 소유역 최상류 지역의 국지적 소규모 수처리시설의 방류수에 의한 농도 저감의 가능성과, 상대적으로 질소류 오염 시설이 적게 분포하는 최상류의 특성이 반영되어 기저 유출의 형태로 지천으로 유입되는 지하수의 질소류 농도가 낮았을 가능성을 배제할 수 없다.

이와는 대조적으로, Group 2에 속하는 관측점들은 경안천 본류(MS-1~8)와 오산천 소유역의 최하류(OS-1), 곤지암천 소유역의 최하류(GS-1)으로, 모든 지점들이 각 단위 유역에서 물의 흐름이 모이게 되는 국지적인 기저 수위(local base level)를 보이는 공통점이 있다. 따라서 이들 지점에서는 T-N 농도가 하천 유량의 변화에 민감하게 반응하게 된다. 홍수기인 7~9월에 급증한 강우량과 이에 따른 하천 유출량은, 관측지점들에서 수처리시설에서의 방류량을 무시할 정도이며 (Fig. 6c), 결과적으로 이 시기에 증가되는 하천의 T-N 농도는 하천변의 충적층에 집중적으로 산재하는 시설농업 활동에 기인하는 것으로 판단된다. 실질적으로 이 연구에서 수행된 현장 조사에서, 경안천에 인접하여 사용되고 있는 농업 시설들에서 사용하는 질소 성분을 포함하는 다양한 유·무기질 비료들이 시설들 옆에 쌓여 있는 것을 확인할 수 있었다 (Fig. 7). 작물 재배과정에 과다하게 공급된 이러한 비료들은 지표면에 잔류하거나 지하수로 유입되어 궁극적으로는 기저 유출의 형태로 인접한 경안천으로 배출된다. 따라서, 홍수기에 강우의 직접 유출량이 급증하는 가운데에도 하천의 T-N 농도가 증가하는 현상은 하천에 인접한 농업 시설들로부터의 질소류 오염물질의 직접 유입과 지하수 기저유출의 영향으로 판단된다.

Figure 7. Various fertilizers used in agricultural activities near the Gyeongan stream (photos taken on November 20, 2022).

지하수 중의 질산성 질소 함량은, 경안천의 주요 소하천인 오산천과 곤지암천을 대상으로, 소하천이 본류에 유입되는 인접 지점에 대해 조사하였다 (Table 3). 하천 수질관측에 비교할 때, 지하수 수질관측은 연속성을 담보하기 어려웠다. 이는 지하수의 공공 관측시설 자체가 없으며, 시료의 채취와 분석 역시 조사 부지에서 실제로 지하수를 사용하는 관정을 찾아서 소유자의 허가를 받아야 하기 때문이다. 그러나 지하수 관정의 소유자들이 질소의 잠재오염원인 농업 시설(비닐하우스) 또는 축산시설(소, 돼지 축사)의 운영자로서, 소유지 내에서의 지하수질 조사를 허락받는 것이 쉽지 않다.

그럼에도 불구하고, 지속적으로 현장 조사 기간에 탐문을 통해 획득한 지하수 시료의 분석 결과는, Table 2에 보이듯이, 질산성 질소 농도에서 시간적·공간적으로 큰 변화를 보인다. 갈수기에 오산천 유역(OG 시료들)에서 질산성 질소의 농도는 최소 2.55 mg/L에서 최대 13.69 mg/L로 나타났으며, 곤지암천 유역(GG 시료들)에서는 3.34~8.72 mg/L의 범위로 관측되었다. 습윤기에는, 오산천 유역의 지하수 시료들은 최대 4.0 mg/L 이하로서 거의 농도의 변화를 보이지 않으며, 오히려 곤지암천 유역의 GG-3 시료에서 7월 관측농도는 25.22 mg/L 로, 같은 시기의 경안천 본류나 수처리시설 방류수의 T-N 농도보다 4~7 배나 높게 관측되었다 (Table 2 & 3).

4.2.3. T-N 농도의 공간적 변동

공간적으로, 경안천 본류의 T-N 농도는 상류에서 하류로 갈수록 증가하는 경향성을 보인다 (Fig. 8, Table 2). 경안천상류 소유역 (MS-0~MS-3)에서는, 최상류인 MS-0 에서 MS-1로 흐를 때 평균농도의 변화가 0.8 mg/L로 가장 크며, MS-3에서 3.46 ± 0.98 mg/L로 농도가 가장 높았다. 경안수위표 소유역 (MS-4~MS-6)에서는, 오산천 합류 직후 (MS-4)에 3.85 ± 0.76 mg/L로 농도가 증가하고 M-6까지 큰 변화가 없었다. 곤지암천이 합류한 후인 경안천하류 소유역 (MS-7과 MS-8)에서는 T-N 농도가 3.55 ± 1.04 mg/L로 감소했다.

Figure 8. The spatial variation of total nitrogen (T-N) concentrations along the Gyeongan stream from upstream to downstream towards the Paldang lake.

오산천의 경우, T-N 농도는 상류 지점 (OS-0)에서 2.75 ± 0.53 mg/L이었으나, 하류 지점 (OS-1)에서는 4.35 ± 0.97 mg/L로 증가하였다. OS-1의 농도는 경안천 본류와의 합류 직전인 MS-3보다 높았다. 따라서 MS-3에서 MS-4로 T-N 농도의 증가는 경안천 본류보다 상대적으로 높은 농도인 오산천의 합류 결과로 판단된다. 곤지암천의 경우, 상류 지점 (GS-0)의 농도는 3.04 ± 0.97 mg/L이었으며, 하류 지점 (GS-1)에서 3.25 ± 0.76 mg/L로 큰 변화가 없었다. GS-1의 농도는 경안천 본류와의 합류 직전인 MS-6보다 낮았다. 따라서 MS-6에서 MS-7로 T-N 농도의 감소는 경안천 본류보다 상대적으로 낮은 농도인 곤지암천의 합류로 인한 것으로 판단된다.

Table 1에 의하면, 오산천 소유역의 경안천 전체 유역에 대한 농지면적비나 소유역 내의 농지면적비, 질소류에 대한 토지계와 축산계의 배출부하량 등이 모두 곤지암천 소유역에 비하여 낮게 나타난다. 따라서 소유역 단위 잠재오염원으로서의 농지 면적이나 질소류 배출부하량 등은 경안천 본류의 질소류 농도에 대한 직접적인 영향인자로 적용하는 것이 적절한지는 추가적인 연구가 필요하다. 그럼에도 불구하고, 오산천과 곤지암천의 유입이 경안천 본류의 T-N 농도에 영향을 주고 있음은 명확하며(Fig. 8), 결과적으로 경안천 본류의 수질관리를 위해서는 지류를 포함하는 소유역에 대한 관리가 필요함을 의미한다.

4.3. 경안천 내 질소류의 기원 및 잠재오염원

하천수와 지하수 내 질산염의 질소(δ15N)와 산소(δ18O), 그리고 붕소(δ11B) 동위원소는 질소류 오염원을 추정하는 환경동위원소로써 활용되고 있다 (Tamborski et al., 2020).

경안천의 물 시료 중에서 질소류 농도가 가장 높은 건조기간인 1월에 채취한 하천수와 지하수를 대상으로 전술한 환경동위원소비를 분석하였다. 질산염의 질소와 산소동위원소비의 범위는 각각 6.55~13.66 ‰과 0.23~4.88 ‰이며, 붕소 동위원소비의 범위는 13.30~26.00 ‰이다(Fig. 9). 이 결과를 통해 경안천의 질소류 오염을 유발하는 주원인은 가축 분뇨와 연관성이 있음을 확인할 수 있다 (Kruk et al., 2020).

Figure 9. The results of environmental isotopes. (a) the nitrogen and oxygen of nitrate. (b) the nitrogen of nitrate and boron (modified from Tamborski et al., 2020).

경안천 유역에서 가축분뇨 기원의 질소류가 하천으로 유입될 수 있는 과정은, (1) 축산 단지에서 방출되는 축산폐수가 강우에 의해 직접 유출과정으로 하천에 유입되는 기작, (2) 하수관거를 통해 유입된 후 환경기초시설에서 처리 후 방류되는 기작, (3) 축산분뇨를 포함하는 유기질 비료를 사용하는 농업 활동에서 농지와 지표면에 노출 내지 축적된 질소류 성분이 지하수로 함양되어 기저유출로 하천에 유입되는 기작 등을 고려할 수 있다.

4.3.1. 축산폐수의 유입

경안천 유역 내 축산 단지는 경안천상류 소유역의 하류 지점에 돈사가 밀집되어 있고, 곤지암천 소유역의 하천 주변에 우사들이 분포하고 있어, 이들이 경안천 질소오염의 주오염원으로 작용할 가능성은 충분하다. 이 연구 수행을 위하여 현장 조사 시에는 축산시설에 대한 접근이 허락되지 않아서, 현장에 대한 직접적인 조사는 불가능하였으나, 시설 주변에서 맡을 수 있는 분뇨의 냄새는 이러한 가능성을 간접적으로 지지한다.

4.3.2. 환경기초시설에서의 방류

경안천 유역 내 운영되고 있는 환경기초시설은 총 26개소이며, 조사 지점 중 최 하류인 MS-8 보다 상류 유역에 존재하는 시설은 총 19 개소이다 (Fig. 4, Yongin and Gwangju city hall). WWTP-1과 WWTP-2의 시설용량은 56,000과 25,000 m3/day으로 이는 19 개소의 총 시설용량 대비 32.76과 14.63 %에 해당되며, 각 시설은 용인시와 광주시에서 가장 규모가 크다. 또한, 이 시설들에서 분뇨처리시설도 함께 운영되고 있기 때문에 수질 모니터링이 수행되었다.

경안천 상류유역 내 MS-2와 MS-3 사이에 위치한 WWTP-1의 T-N 농도는 평균 3.88 ± 0.71 mg/L이며, 2021년 11월부터 2월까지 지속적으로 농도가 증가하고, 5월까지 감소한 후 일정해지는 시간적 변동성을 보였다 (Fig. 1 & 6(c)). MS-3 지점의 T-N 농도가 분석된 1월에 MS-2와 MS-3의 T-N 농도는 4.10에서 5.10 mg/L로 증가하였으며, WWTP-1의 T-N 농도는 그 중간값인 4.71 mg/L이다. 또한, MS-3 지점의 하천 유량대비 WWTP-1의 시설용량도 건조 기간에 높고 습한 기간에 낮으며, 2월에 96.74 %로 가장 높았다. 게다가 MS-2와 WWTP-1의 물 성분의 수리화학적 유형은 모든 시기에 각각 Ca-HCO3 그리고(Na+K)-(Cl+NO3) 유형인 반면에 MS-3는 건조 기간에 WWTP-1와 좀 더 가까운 (Na+K, Ca)-(Cl+NO3, HCO3)유형이었다 (Fig. 10). 이는 WWTP-1이 건조 기간에 경안천 본류의 T-N 농도에 영향을 준다는 것을 의미한다.

경안수위표, 경안천 하류 그리고 곤지암천 소유역의 경계에 위치한 WWTP-2의 T-N 농도는 평균 6.66 ± 2.31 mg/L이며, 최고 농도는 10.94 mg/L였다. 그리고 2021년 11월부터 2022년 2월까지 증가한 후 감소하는 경향성을 보였다 (Fig. 6(c)). MS-8 지점의 유량 관측자료를 수집할 수 없는 1월과 2월을 대신하여 기후환경이 비슷한 12월의 유량자료를 살펴보았을 때, MS-8 지점의 유량은 375,120 m3/day이며, WWTP-2의 시설용량(25,000 m3/day)은 이에 대해 6.66% 였다. 또한, 이 비율은 WWTP-1과 비슷하게 건조 기간이 습한 기간보다 더 높다. 비록 WWTP-1에 비해 하천유량에 대한 기여율은 낮지만 T-N의 농도가 높기 때문에 WWTP-2도 건조 기간에 경안천 본류의 T-N 농도에 영향을 줄 수 있다. 이 외에, 경안수위표, 오산천 그리고 곤지암천 소유역에 시설용량이 20,000 m3/day 이상이고 T-N 농도가 WWTP-1보다 높은 환경기초시설이 총 3 개소가 운영되고 있다. 따라서, 환경기초시설은 경안천 유역 내 하천의 질소류 오염원 중 하나가 될 수 있으며, 특히 건조 기간에 그 영향이 클 것으로 예상된다.

4.3.3. 농업 활동과 지하수 기저유출

Oh et al.(2016)은 농업 활동에 사용되는 비료 종류 중 무기질 비료의 사용량은 감소하고 축분으로 만들어진 유기질 비료의 사용량이 증가하고 있음을 보고하고 있으며, Kwon et al.(2021)은 농업 활동에 사용되는 비료에 의한 토양 및 지하수 내 질소 오염을 보고하고 있다. 따라서 경안천에 인접하여 발달된 농업 지역들과 이들이 사용하는 유기질 비료들도 충분히 경안천의 질소류 오염에 대한 잠재오염원으로 작용할 수 있다.

경안천 본류의 MS-2와 MS-3 사이에는 하천변에 인접한 약 0.8 km2 면적의 시설재배단지 및 답지가 위치한다. 2022년 4월 MG 지점의 질산성 질소 (NO3-N) 농도는 15.81 mg/L이며, MS-2 (1.14 mg/L)와 MS-3 (1.86 mg/L)보다 각각 13.91과 8.51 배 높다 (Table 3). 또한, 오산천과 곤지암천에 인접한 시설재배지에서 사용하는 지하수인 OG와 GG의 질산성 질소 농도는 평균 4.88 ± 3.30과 8.34 ± 7.11 mg/L이며, 최대 농도는 각각 13.69와 25.22 mg/L이었다. OG와 GG의 평균 농도는 OS-1 (2.94 ± 0.89)과 GS-1 (2.45 ± 0.81)보다 각각 1.66과 3.41 배 높았다.

물 성분의 수리화학적 유형에서 MG와 GG는 Ca-(Cl+NO3)유형이며, OG는 Ca-HCO3 또는 Ca-SO4 유형이다 (Fig. 10). 이러한 지하수 주성분의 차이는 지점별로 사용하는 비료의 종류 (무기질 또는 유기질 비료) 및 사용량에 따른 차이에 기인한다고 판단된다. 습윤 기간인 2022년 6월과 7월, 경안천 본류의 물 유형은 건조 기간보다 Ca와 HCO3의 비율이 증가했으며, 오산천과 곤지암천은 SO4의 비율도 같이 증가했다. 이는 습윤 기간에도 하천의 수질이 지하수의 영향을 받을 수 있다는 것을 의미한다.

Figure 10. The Piper diagram of water samples.

따라서, 지하수의 질산성 질소 농도가 하천보다 높다는 점, 습윤 기간에 하천의 수질이 지하수에 가까워진다는 점, 그리고 습윤 기간에 일부 하천의 T-N 농도가 증가하지만, 환경기초시설의 T-N 농도는 증가하지 않는다는 점을 종합적으로 고려했을 때, 질소류로 오염된 토양의 지표 유출 외에 기저유출에 의한 지하수 유입 역시 하천의 질소류 오염원 중 하나가 될 수 있다.

5. 결 론

이 연구는 수도권 급수원인 팔당호로 직접 유입되는 경안천의 질소류 오염에 대한 수질관리 방안을 도출하기 위하여, 경안천 유역의 하천수와 지하수 및 수처리시설의 방류수 등을 대상으로 현장조사와 실내 분석을 통해 질소류의 시·공간적 분포와 기원을 규명하고자 수행되었다. 경안천 유역의 계절별 수문 특성을 구분하기 위하여, 경안천의 유량지속곡선을 도출하였으며, 이를 기반으로 건조 기간(2021년 12월 중순부터 2022년 6월 중순까지)과 습윤 기간(그 이후부터 11월 초까지)을 설정하였다.

경안천의 총 질소 함량의 시공간적 변동 특성은, 강우의 직접 유출, 환경기초시설로부터의 방류수, 지하수의기저유출 등의 유량과 이들 수문 성분에 함유된 T-N 농도에 따라 변동한다. 이들 수문 성분의 유량 특성은 몬순 기후의 영향으로 나타나는 건조 기간과 습윤 기간에 따라 변동하며, 각 성분의 경안천 총 유량에 대한 상대적 기여도 역시 계절적 영향을 받게 된다.

연구 지역에서의 T-N 농도는 월단위 시간적 변동을 기준으로 할 때, 전반적으로 건조 기간에 속하는 1~2월에 농도가 가장 높았다가 5~6월까지 지속적으로 낮아지는 변화를 보인다. 경안천의 T-N 농도 변동이 환경기초시설의 배출수 내 농도 및 하천 유량 대비 시설용량의 변동과 유사한 경향을 보임에 따라, 건조 기간에는 환경기초시설 방류수의 영향이 큰 것으로 판단된다. 그러나 홍수기인 7~9월 이후에는 유역 내 위치에 따라서 소유역 최상류 지역에서는 T-N의 농도가 낮아지며, 소유역 하류와 본류에서는 반대로 높아지는 현상이 보인다.

공간적으로, 경안천 본류의 T-N 농도는 상류에서 하류로 갈수록 증가하는 경향성을 보인다. 그러나 소유역인 오산천과 곤지암천이 유입되는 부분에서는 이들의 농도 값에 의해 본류의 농도가 높아지거나 낮아지는 영향을 받고 있다. 이는 경안천 본류의 수질관리를 위해서는 지류를 포함하는 소유역에 대한 오염 관리가 필요함을 의미한다.

경안천 물 시료들의 질소류는 질산염의 질소(δ15N)와 산소(δ18O), 그리고 붕소(δ11B) 등의 환경동위원소비를 사용하여 확정하였다. 모든 시료의 질소가 분뇨(manure) 기원으로 규명되었고, 하천수와 지하수 및 방류수의 수리화학적 특성의 변동과 T-N 농도값의 공간적 변동을 근거로, 경안천에 분뇨 기원의 질소가 유입될 수 있는 기작으로, (1) 축산 단지에서 방출되는 축산폐수가 강우에 의해 직접 유출과정으로 하천에 유입되는 기작, (2) 하수관거를 통해 유입된 후 환경기초시설에서 처리 후 방류되는 기작, (3) 축산분뇨를 포함하는 유기질 비료를 사용하는 농업 활동에서 농지와 지표면에 노출 내지 축적된 질소류 성분이 지하수로 함양되어 기저유출로 하천에 유입되는 기작 등을 제시하였다.

수도권 인구의 주요 급수원으로서 팔당호를 사용하는 한, 팔당호로 직접 유입되는 경안천의 수질은 주요 관리 대상이 될 수 밖에 없다. 따라서 이 연구결과를 바탕으로 추후 경안천 수질관리 사업에서는 다음과 같은 내용의 추진이 필요하다고 판단된다: 첫째로, 수질관리는 오염물질(이 연구에서는 질소류)의 농도보다는 총량 관점의 관리가 필요하다. 하천 오염물질의 총량(mass)은 유량(volume)과 농도(concentration)의 곱으로 계산되고, 유량과 농도는 수문 성분에 따라 다르게 나타나며, 이러한 수문성분들은 모두 시간적·공간적으로 변동된다. 따라서 경안천과 같은 수도권 상수원 급수에 중요한 영향을 미치는 유역에서의 수질관리는, 공간적 관점에서 지류를 포함하는 소유역 단위의 관리와 함께, 각각의 수문 성분을 분리하고 이들의 시간적 수량과 수질의 변화를 모니터링 할 수 있는 체계적인 시스템의 구축과 운용이 필요하다. 둘째는 하천수질에 직접적으로 영향을 미칠 것으로 예상되는 하천변에 집중된 농업 시설과 발생 및 배출부하량이 상대적으로 높은 지역에서의 질소류 오염 영향을 체계적으로 분석하고 관리하기 위한 모니터링 시스템의 구축이 필요하다. 경안천 유역에 포함된 5개의 소유역에 대하여 질소류의 잠재오염원으로 작용할 수 있는 농지면적과 토지계 및 축산계의 상대적 비교 결과, 오산천 소유역이 곤지암천 소유역에 비하여 잠재적 오염성(pollution potential)은 낮음에도 불구하고, 경안천으로 유입되는 지점에서 소하천의 질소류 농도가 곤지암천이나 본류보다 높게 나타난다. 이런 특성은 경안천 본류와 오산천의 합류 지점 주변에 발달된 하우스 농업과 축산시설의 영향이 본류에 상대적으로 먼 거리에 위치한 곤지암천보다 높게 나타났을 가능성과, 동시에 곤지암천 소유역과 같이 본류에 멀리 있음에도 잠재적 배출부하량(Table 1)이 높은 오염원과 오염 활동의 영향이 장기적인 측면에서 지속될 수 있음을 의미한다.

Acknowledgement

본 연구는 한강수계관리위원회 환경기초조사사업과 한국연구재단 이공분야 대학중점연구소지원사업(과제번호: 2017R1A6A1A07015374)의 지원으로 수행되었습니다. 상세한 논문검토 의견을 제시하여 주신 심사위원들께도 감사드립니다.

Fig 1.

Figure 1.(a) The study area, Gyeongan stream basin, and (b) its geology with the locations of water sampling points.
Economic and Environmental Geology 2023; 56: 139-153https://doi.org/10.9719/EEG.2023.56.2.139

Fig 2.

Figure 2.Monthly precipitation records at (a) GyeonggiGwangju and (b) Yongin weather stations, and (c) the annual precipitation amount from 2010 to 2022.
Economic and Environmental Geology 2023; 56: 139-153https://doi.org/10.9719/EEG.2023.56.2.139

Fig 3.

Figure 3.(a) The precipitation in the Gyeongan stream basin, and (b) the flow rate at Gyeongan bridge during the study period along with the hydrological conditions. The red and blue dotted lines indicate the threshold rates for dry and moist conditions, respectively, and the red and blue boxes indicate the dry and wet periods.
Economic and Environmental Geology 2023; 56: 139-153https://doi.org/10.9719/EEG.2023.56.2.139

Fig 4.

Figure 4.Potential sources of nitrogen in the Gyeongan stream basin.
Economic and Environmental Geology 2023; 56: 139-153https://doi.org/10.9719/EEG.2023.56.2.139

Fig 5.

Figure 5.Classification of the hydrologic conditions of the Gyeongan stream basin based on the flow duration curve.
Economic and Environmental Geology 2023; 56: 139-153https://doi.org/10.9719/EEG.2023.56.2.139

Fig 6.

Figure 6.Temporal variation of T-N concentrations in the water samples from Gyeongan stream basin: (a) for Group 1, (b) for Group 2 sampling locations, and (c) for the wastewater treatment plants with the facility capacity to stream flow rate ratio.
Economic and Environmental Geology 2023; 56: 139-153https://doi.org/10.9719/EEG.2023.56.2.139

Fig 7.

Figure 7.Various fertilizers used in agricultural activities near the Gyeongan stream (photos taken on November 20, 2022).
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Fig 8.

Figure 8.The spatial variation of total nitrogen (T-N) concentrations along the Gyeongan stream from upstream to downstream towards the Paldang lake.
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Fig 9.

Figure 9.The results of environmental isotopes. (a) the nitrogen and oxygen of nitrate. (b) the nitrogen of nitrate and boron (modified from Tamborski et al., 2020).
Economic and Environmental Geology 2023; 56: 139-153https://doi.org/10.9719/EEG.2023.56.2.139

Fig 10.

Figure 10.The Piper diagram of water samples.
Economic and Environmental Geology 2023; 56: 139-153https://doi.org/10.9719/EEG.2023.56.2.139

Table 1 . Agricultural land-use of Gyeongan stream basin and its sub-basins with pollutant loads.

Sub-basins of Gyeongan streamArea (km2)Agricultural area (km2)Ratio of agricultural area1 (%)Land Pollutant Load2 (kg/day)Livestock Pollutant Load (kg/day)
Gyeongan upstream149.9026.194.67641.8329.7
Osan stream48.475.530.99232.16.7
Gyeongan watermark90.3812.522.23442.514.9
Gonjiam stream158.5023.404.17677.2232.3
Gyeongancheon downstream113.8614.212.53538.428.7
Gyeongan stream basin561.1181.8514.592532612

1The ratio of the agricultural area of sub-basin to the total area of Gyeongan stream basin..

2Pollutant load indicates that for nitrogen..


Table 2 . Total Nitrogen (T-N) concentrations of stream samples.

Gyeongan streamOsancheonGonjiamcheon
MS-0MS-1MS-2MS-3MS-4MS-5MS-6MS-7MS-8OS-0OS-1GS-0GS-1
November-211.642.712.883.803.993.703.803.603.532.423.703.103.07
December-212.913.343.97-4.30-4.65-4.412.693.553.963.98
January-222.404.104.105.105.056.005.905.605.79-4.30-4.72
February-222.524.625.19-4.93-5.88-5.943.496.183.734.11
March-223.003.173.14-3.98-4.28-4.592.994.414.434.46
April-222.553.222.083.702.953.703.443.403.312.843.883.012.88
May-221.572.280.942.202.251.902.072.302.542.323.251.542.96
June-221.152.131.892.103.33-2.74-2.772.244.440.692.30
July-222.652.713.063.203.333.003.222.703.753.573.353.903.07
August-222.542.853.56-4.17-3.10-2.982.694.422.952.69
September-222.342.663.24-3.52-3.24-3.133.533.723.533.05
October-221.862.492.79-3.73-3.61-3.322.144.753.102.39
November-221.642.892.934.104.534.503.963.703.732.036.552.582.60
Average2.213.013.063.463.853.803.843.553.832.754.353.043.25
Standard deviation0.550.671.020.980.761.261.081.041.030.530.971.010.76

※ Dash (-) indicates no sampling and analysis was conducted..

※ Gyeongan stream is the main stream, and Osancheon and Gonjiamcheon are tributaries of the main stream..


Table 3 . Concentrations of Nitrate-Nitrogen (NO3-N) and Total Nitrogen (T-N) of groundwater and discharge waters from wastewater treatment plants, respectively.

MGOG-1OG-2OG-3OG-4GG-1GG-2GG-3WWTP-1WWTP-2
NO3-N (mg/L)T-N (mg/L)
November-21-3.272.553.65-3.963.345.734.186.23
December-21--------4.436.76
January-22-4.192.6513.69---8.724.7110.70
February-22--------5.4810.94
March-22--------4.609.39
April-2215.814.002.70----7.083.685.94
May-22--2.95----4.323.307.25
June-22--------3.305.83
July-22--2.43----25.223.616.18
August-22--------3.034.99
September-22--------3.413.69
October-22--------3.173.14
November-22-7.95--8.50---3.565.54

※ Dash (-) indicates no sampling and analysis was conducted..

※ MG, OG and GG samples are from groundwater, and WWTP-1 and –2 are from the discharge water from the WWTPs..


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KSEEG
Dec 29, 2023 Vol.56 No.6, pp. 629~909

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Economic and Environmental Geology

pISSN 1225-7281
eISSN 2288-7962
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