식물성 플랑크톤 기능적 분류 기반 3차원 지표수 수질 예측 모델링 연구

Abstract

낙동강은 갈수기에 하류를 중심으로 발생하는 조류가 지속적으로 문제가 되고 있으며, 최근 본류 구간에서 나타나는 조류 대발생 현상은 사회적 관심을 불러일으키고 있다. 조류 대발생의 주원인인 유해 남조류는 독소 물질을 배출할 우려가 있고, 표층에 집적하여 표류하는 특징으로 인한 심미적 악영향을 끼칠 수 있다. 특히 낙동강 중하류 구간은 인근 대도시에서 이용하는 물의 취수원으로 유해 남조류에 대한 과학적인 관리 방안 도출의 요구가 증대되고 있다. 따라서 수계의 물리·화학적 수환경 특성의 정확한 이해를 기반으로 조류 거동에 대한 영향을 규명함에 따라 합리적인 관리 방안을 도출하고, 궁극적으로 조류 발생에 따른 수질 문제를 해결하는 것이 시급하다. 본 연구에서는 3차원 수리-수질 모델을 이용하여 조류 거동에 영향을 주는 수환경 특성을 분석하고, 식물성 플랑크톤 기능 그룹(Phytoplankton Functional Group, PFG) 기반의 보다 진보적인 조류 모의 기법을 도입함으로써 최적의 수질 관리 방안을 제시하는 것을 목적으로 한다. 일반적인 조류 모델링 기법은 클로로필-a의 단일종이나 분류학(Taxonomy)에 기초하여 규조강(綱), 녹조강 및 남조강 등으로 구분한 전통적인 식물성 플랑크톤 분류 기준에 따라 이루어져왔다. 본 연구에서는 전통적인 식물성 플랑크톤 분류 기준과는 다른 접근 방식인 PFG 기준을 적용하여 조류를 모의하였다. PFG 기반 조류 모의 기법은 식물성 플랑크톤이 주로 출현하는 서식지 특성과 수환경에 대한 내성과 민감도 등을 기준으로 조류 종의 새로운 그룹을 정립한 Reynolds 개념을 적용한 것이다. 그 결과 연구 대상 구간에서는 2016년 하절기 동안 9개의 그룹(Codon)이 총조류 현존량의 95% 이상을 차지하는 것으로 나타났다. 이 9개 그룹이 우점하는 수환경 특성과의 상관관계 분석 결과, PFG 기준이 낙동강 수계에서 출현한 조류 종 분류와 서식지 특성을 합리적으로 설명하는 것으로 나타났다. 즉 하절기 수체 안정 시기에 유해남조류인 Microcystis가 대표종인 Codon M과 일사에 강한 내성을 보이는 그룹인 Codon G가 뚜렷하게 우점하고 있었다. 미국 EPA의 EFDC 모델은 수직적인 거동 특성을 보이는 조류 종에 대한 모의 기작이 반영되어 있지 않고, 모의 가능 종이 3종으로 한정되어 있었다. 이에 국립환경과학원에서 N종까지 모의 가능하고 조류의 수직이동 기작을 고려할 수 있도록 수정한 EFDC-NIER 모델을 낙동강 중·하류에 위치한 달성보 하류 ~ 합천창녕보 구간에 적용하였다. 대상 구간에 대해 수평 및 수직 방향으로 세밀하게 구축한 모델을 이용하여 수온과 유속 등을 대상으로 수리 모델의 재현성을 검토하였다. 모델의 보정 기간은 2016년 1월부터 8월까지로 하였고, 검증은 2015년 1월부터 12월까지를 대상 기간으로 수행하였다. 평균 수심이 약 8.5m인 대상 구간에서 수온 상승기인 5월 말부터 9월까지 수심에 따른 수온 구배에 의해 수온 성층 현상이 관측되고, 수문 변화에 따라 일시적으로 해소되는 것으로 나타났다. 적용한 모델은 기온 상승 및 강우의 영향과 상류 보 방류량의 변동 등에 따른 수온 성층 현상의 발생과 해소에 대해 높은 재현성을 보였다. 또한 유속 관측값과 모의값도 적절한 수준으로 일치하는 등 합리적인 수리 모의 결과를 나타내었다. 수리에 대한 재현성이 검증된 모델을 이용하여 수질과 조류의 시·공간적 분포를 모의한 결과, 실측값의 시계열 변동 특성을 합리적으로 재현하는 것으로 나타났다. 특히 수심에 따라 서로 다른 식물성 플랑크톤 현존량을 보이는 각 Codon의 수직 분포 특징에 대한 재현성이 높았다. 광합성에 따른 조류 밀도 변화로 인하여 일주기 변동을 보이는 Codon M의 수직적 거동을 합리적으로 구현하였으며, 수심에 따른 뚜렷한 분포 차이를 보이지 않는 Codon J 및 Codon P 등의 변동 특성에 대해서도 적절한 모의 결과를 나타냈다. 본 연구에서 적용한 PFG 기반 조류 모의 방법은 전통적인 분류학 기반 조류 모의 기법보다 관측값에 대해 더 높은 재현성을 보이는 것으로 나타났다. 특정 시기에 출현하는 조류 우점종에 대한 정보를 바탕으로 각 Codon에 대해 성장과 사멸 등에 대한 보정이 용이하여 모의 결과의 정확도가 상대적으로 높은 것으로 판단된다. 즉 PFG 기반 조류 모의 기법은 조류 생활사에 대한 정확한 이해를 바탕으로 계수를 최적화함에 따라 조류 모의 결과의 정확도를 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 합리적인 조류 모의 결과를 보인 3차원 모델의 수직적 조류 거동에 대한 주요 변수의 민감도 분석을 실시하였다. 기존 문헌에서 Oscillatoria에 대해 제시한 계수를 바탕으로 국내에 출현한 Microcystis가 대표종인 Codon M에 대한 최적 계수를 도출하였다. 수체 내에서 수직적으로 큰 분포 변동을 보이는 식물성 플랑크톤 기능 그룹은 광합성에 의한 조류 밀도 변화에 따라 그 위치가 달라진다. 즉 광(光)에 대한 밀도의 변화 정도를 조정하는 계수의 값에 의해 수층별로 존재하는 조류 현존량과 수직 이동 속도 등이 민감하게 달라지는 것을 확인하였다. 또한 수직 이동 속도가 느린 경우, 표층에서 광합성을 할 수 있는 시간이 상대적으로 부족하여 수체 전체적으로 총 조류 생체량이 감소하는 것으로 나타났다. 수환경 특성에 따른 조류 거동 매커니즘을 해석한 본 연구에서 적용한 모델을 이용하여 수체의 영양 상태에 따른 조류 분포 특성을 분석하였다. 연구 대상 구간의 영양염류 농도에 따른 분석 결과 총인 농도 감소에 따라 조류 생체량은 감소하였으며, 변동의 정도는 Codon M > Codon G > Codon P의 순서로 영향을 받는 것으로 나타났다. 한편 총인과 총질소의 농도 중 상대적으로 낮은 농도가 제한 요인으로 작용하므로 총질소의 농도를 총인 농도 이하로 감소하지 않는 이상 총질소의 농도 변화에는 민감하게 반응하지 않았다. 이는 특정 시기에 출현하는 Codon의 영양염류 변동에 대한 반응을 고려하여 하천 수질 관리를 해야함을 시사하는 결과이다. 본 연구는 대하천 수질 예측을 위하여 도입한 식물성 플랑크톤 기능 그룹 기반 모델링 기법의 국내 적용성을 제시하였으며, EFDC-NIER 모델을 이용하여 향후 기후 변화로 인한 기온 상승과 강수량 증감 등의 수체 서식지 특성 변화 요인에 따른 조류 발생 및 거동을 해석하여 합리적인 수질 관리 방안을 제안할 수 있을 것으로 기대된다.;As the Nakdong River plays the role of supplying drinking water in the middle and lower basins, the demands for scientific management for water quality are increasing. Therefore, it is necessary to elucidate the effects on the behavior of algae based on accurate understanding of the physico-chemical characteristics on water environment and ultimately solve water quality problems caused by harmful algal blooms, taking suitable management measures. The goals of this study are to analyze the characteristics of the water environment influencing the phytoplankton behavior using the three-dimensional water quality model and develop a more advanced method of algal simulation based on phytoplankton functional group to suggest optimal water quality management. Historically a common approach in water quality model is to represent phytoplankton biomass through a single variable or a couple of state variables as diatom, green algae, and cyanobacteria in accordance with taxonomic characteristics of phytoplankton. With the traditional approaches for algal grouping, however, it is very difficult to effectively predict the short-term variations like algal competition among dominant species or groups because hundreds of algal species can coexist in freshwater aquatic ecosystems. In this study, a water quality model with nine algal groups was developed based on Reynolds' approach-phytoplankton functional group (PFG). The approach aggregates phytoplankton species into 39 functional groups based on their habitat preference, survival strategies and environmental tolerance and dislikes. Using this approach, nine groups (Codon), which frequently appeared during the summer season of 2016 in intensive monitoring sites located at the middle reach of Nakdong River, accounted for more than 95% of total phytoplankton abundance as carbon biomass. The common habitat characteristics of dominant groups chosen using PFG approach show that the algal groups exclusively occur at eutrophic condition. The PFG classification, which was similar to traditional taxonomic categorization, was useful to understand seasonal pattern of algal succession, providing more information on algal succession. A three-dimensional water quality model, modified by National Institute Environmental Research (NIER) from the original EFDC model to reflect hydraulic structure, buoyancy effect of cyanobacteria, and expansion of algal state variables, was used as the modeling framework. The study area is the main flow channel between the Dalseong and the Hapcheon - Changnyeong Weirs in the Nakdong River, Korea. The model grids (about 30 × 30 m) were finely generated as a curvilinear grid format and 11 layers were vertically divided. The model was calibrated and verified using field measurement data gathered from January to August 2016 and January to December 2015. An average water depth of the main channel was about 8.5 m and thermal stratification occurred from the end of May to September. The model reproduced the occurrence and extinction of thermal stratification appropriately, reflecting the influences of air temperature rise and fall, rainfall, and flow release from upstream weir. In addition, the simulated flow velocity profiles were in good agreement with the observed data. Based on the calibrated hydrodynamics modules, spatio-temporal variations of water quality and algal distribution were also reasonably simulated. The model fits on temporal variation of vertical distributions of each codon showed that algal succession during the summer was effectively simulated. Especially, the buoyant characteristics of Microcystis bloom denoted by Codon M was fairly well simulated and the model also generated appropriate simulation results for the dynamics of Codons J and P, which have little differences with water depth. Also, performance of three water quality models with different approaches for the description of phytoplankton community was assessed. Among them, the PFG model provided the most acceptable agreement with the observed data. Based on information on the dominant species of phytoplankton at a certain time, the accuracy of simulation results was relatively high because it is possible to quantitatively consider the temporal changes in concentration of each codon. Sensitivity analysis was carried out for key model parameters on vertical migration of buoyant algal groups like Codon M. The results indicated that the parameters regulating the increase and decrease of algal density were very sensitive to the vertical distribution of buoyant algal groups. Deduced from the sensitivity tests, the parameters, originally derived from a modeling work using Oscillatoria spp., were optimized against the vertical profiles of Microcystis spp. observed in the field. Trophic status of the Nakdong River is eutrophic in accordance with total phosphorus (TP) level. A scenario test was accomplished to elucidate the impacts of TP on algal concentrations. The scenario results showed that phytoplankton biomass decreased with reduction of the limiting nutrient concentration and the degree of response was influenced by the order of Codon M, Codon G and Codon P. This means that the influence of nutrient management would be maximized in terms of algal control when the response on primary algal groups could be simulated in advance. This study presents the possibility on the application of PFG based modeling method to investigate the internal processes of algal succession in more detail at the main flow channel of large rivers in Korea. It is expected that the EFDC-NIER model will be able to suggest a reasonable water quality management plan by analyzing the occurrence and behavior of key algal groups due to changes in environmental characteristics such as water temperature rise and precipitation increase originated from climate change.