개념 한 쪽
부영양화는 수체에 영양염류가 과다하게 축적되어 조류 등 플랑크톤이 이상 번식하는 현상으로, 성층화·영양염류 공급·정수 상태 등이 주요 원인이 된다. 평가에는 계절적 혼합 상태와 질소 형태 분석, 생태계 모델의 적용이 포함된다.
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출제기준 단원 「부영양화 파악 및 대책수립」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 호소 성층의 정의와 계절별 특징 판별 | 1 | 성층과 전도현상에 따른 수질 영향과 계절적 차이를 구분하라고 요구함 |
| 질소 형태로 오염 시기 추론 | 1 | 질산성 질소 단독 검출의 의미를 근거로 오염 시점을 판단하라고 요구함 |
| 하천 혼합수 계산 및 DO sag 적용 | 1 | 유량 가중 혼합 농도와 이동시간을 산정해 스트리터-펠프 식으로 DO 부족량을 계산하라고 요구함 |
호소의 성층현상은 수온에 따른 밀도 차이로 표층과 심층의 수직 혼합이 억제되는 현상으로 정의된다. 여름에 표층이 따뜻하고 밀도가 낮아 성층이 뚜렷하게 형성되며, 봄·가을에는 전도현상(turnover)으로 수온이 균일해져 전체 호수의 물이 섞이게 된다. 성층은 하층의 산소 고갈과 무산소화 유발로 이어질 수 있으므로 수질 악화 요인이 될 수 있다.
질소 화합물의 형태는 오염의 시점을 추정하는 중요한 단서가 된다. 질산성 질소만 다량 검출되면 과거의 유기물 오염이 호기성 미생물에 의해 산화되어 최종 산물인 질산염으로 변한 '과거 일시적 오염'의 흔적으로 판단할 수 있다. 반대로 암모니아성 질소나 아질산성 질소 등이 함께 검출되면 진행 중인 오염을 의심한다.
부영양화 예측과 평가를 위해 여러 수질 모델이 사용된다. 스트리터-펠프 계열(또는 DO Sag)은 하천의 BOD와 DO 관계, 유기물 분해에 의한 산소 소비와 재확충 과정을 단순화하여 다루는 기본 모델이다. WQRRS 모델은 하천과 저수지(호수) 시스템을 함께 고려하여 정적·동적 수문학적 특성과 수질을 광범위하게 포함함으로써 부영양화 평가에 적합하다.
하천 수질모델을 적용할 때는 모델의 가정과 한계를 인지해야 한다. DO Sag Ⅰ·Ⅱ와 스트리터-펠프 계열은 1차원 정상상태 가정을 바탕으로 점오염원의 영향 분석에 적합하나, 저질 산소요구량(SOD)이나 수중광합성처럼 복잡한 생물학적 요인은 포함하지 않으므로 필요 시 더 고도화된 모델을 사용해야 한다.
문제 유형에서 주어지는 혼합과 스트리터-펠프식 방정식 적용 예시는 다음과 같은 순서로 풀이한다. 1) 유입수와 하수의 유량 가중 평균으로 혼합수의 BOD5와 DO를 계산한다. 예시: 하천(1.2m³/s, BOD5 2.0mg/L, DO 9.2mg/L)과 하수(0.6m³/s, BOD5 30mg/L, DO 3.0mg/L)를 혼합하면 혼합수 BOD5 ≈ 11.14mg/L, 혼합수 DO ≈ 6.86mg/L이 된다. 2) 포화 DO에서 혼합수 DO를 빼 초기 DO 부족량 L0를 구한다. 위 예에서는 L0 = 9.2 - 6.86 = 2.34mg/L이다. 3) 유속과 이동시간을 계산한다. 전체 유량 1.8m³/s, 단면적 8.1m²이면 유속 v ≈ 0.222m/s이고, 48km 이동시간은 약 6.22일이 된다. 4) 스트리터-펠프식에 필요한 계수를 대입하여 시간 t에서의 DO 부족량을 계산한다. 주어진 계수 K1≈0.1/day, K2≈0.2/day를 대입하면 D ≈ 4.7mg/L 근사값을 얻는다. 이 풀이 순서는 혼합 계산 → 초기 부족량 산정 → 이동시간 계산 → 스트리터-펠프 식 적용의 흐름을 따른다.
호수의 성층현상에 관한 설명으로 알맞지 않은 것은?
정답 ② · 호수의 성층 현상은 수심에 따른 수온 차이로 인해 물의 밀도 차이가 발생하여 수직적 혼합이 억제되는 현상입니다. 겨울에는 표층 수온이 낮아져 밀도차로 인한 혼합이 일어날 수 있고, 봄과 가을에는 전 수층에 걸쳐 수직 운동(전도현상, Turnover)이 일어나 전체 수질이 개선되는 것이 정상적인 호수의 연변동입니다.
호수의 성층 현상은 밀도차로 수직 혼합이 억제되므로, 봄의 전도현상(Turnover)은 오히려 수질을 개선하는 정상적인 순환 현상이다.
상수원에 대한 수질검사 결과 질산성질소만 다량 검출되었다. 다음 사항 중 옳은 것은?
정답 ① · 수질검사 결과 유기성 질소가 아닌 질산성 질소(NO3-N)만 다량 검출되었다면, 이는 과거에 유입되었던 유기물이 이미 충분히 산화 분해되어 최종 산화산물인 질산염 형태로 변환된 상태임을 의미합니다. 즉, 현재 시점에서 진행 중이거나 영구적인 유기물 오염이 아니라, 이미 종료된 과거의 유기질소에 의한 일시적인 오염 흔적을 나타냅니다.
질산성 질소만 다량 검출되면 과거 유기물 오염이 이미 산화 분해되어 완료된 '일시적 오염'의 흔적입니다.
다음 중 하천 및 호수의 부영양화를 고려한 생태계모델로 정적 및 동적인 하천의 수질, 수문학적 특성을 광범위하게 고려된 것은?
정답 ④ · WQRRS(Water Quality for River-Reservoir Systems) 모델은 하천뿐만 아니라 호소 및 저수지의 수질과 수문학적 특성을 광범위하게 고려하여 부영양화 현상을 예측하고 평가하는 생태계 모델입니다. 반면 Streeter-Phelps 모델은 주로 BOD-DO 관계를 다루며, QUAL 모델은 일반적인 하천 수질 예측에 주로 활용됩니다.
WQRRS 모델은 하천과 저수지의 수질 및 수문학적 특성을 광범위하게 고려하는 생태계 모델로 부영양화 예측에 사용된다.
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