안전하고 안정적인 농산물 생산을 위해 농업용수는 가장 기본 조건이며, 저수지의 수질을 비롯한 수환경은 농업용수의 질을 결정하는 중요한 요인이다. 농업용수 공급을 목적으로 하는 국내의 농업용 호소는 약 72 %가 50년 이상 경과되었으며, 수심이 낮고 저수용량이 적고 유효저수량에 비하여 유역면적이 넓은 특성을 가진다. 수십 년 동안 다양하게 침적된 오염물질은 부영양화뿐 아니라 수질 악화에 영향을 미치는 잠재적 오염원으로 작용할 수 있어 최근 관심이 증대되고 있으나 그 영향에 대한 구체적 현황 및 특성에 대한 연구는 여전히 미흡한 실정이다.

본 연구에서는 국내 농업용저수지의 퇴적물 환경조건 변화에 따른 퇴적물의 용출특성과 용출에 미치는 영향 인자를 종합적으로 파악하였으며, 오염특성과 오염 영향 요인의 분석 등 퇴적물에 대한 종합적 특성을 분석하고자 하였다. 국내의 대표적인 농업용저수지 특성을 갖는 4개의 저수지를 선정하여 실내배양실험(Laboratory Incubation Examination)을 수행하였으며, 이를 통해 농업용저수지 퇴적물의 환경조건 변화에 따른 용출특성 변화를 분석하고, 퇴적물의 용출률(mg/m2·d)과 용출플럭스(kg/d)를 산출하여 수계 내 미칠 수 있는 영향과 제어인자를 도출하였다. 실내 용출분석 결과, 호기 조건 하에서 질산성질소(NO3-N) 용출량이 증가하였으며, 무산소 조건에서 총인(TP), 인산염인(PO4-P), 암모니아성질소(NH4-N)의 농도가 증가하였다. 특히 축산계 오염원 유형의 저수지에서 이러한 경향이 두드러졌으며, 이를 통해 저수지의 유형에 따라 인의 형태가 변화하며, 무산소 조건 유지기간 변화 시 용출특성 차이가 있음을 추론할 수 있다. 실내배양실험 결과에서 축산계오염원이며 건설 경과년수가 오래된 농업용저수지에서 퇴적물이 빠르게 용출되는 것으로 조사되었다. 따라서 저층부의 무산소 형성 기간이 길어지는 경우, 총인(TP), 인산염인(PO4-P), 암모니아성질소(NH4-N)에 대한 관리가 우선적으로 필요하다.

또한 연구 대상 지역의 퇴적물 용출률(release rate)에 대한 분석결과, 무산소 조건 시 각 항목별 용출률이 높게 분석되었으며, 각 오염원별로 노후 저수지의 용출률이 더 높게 조사되었다. 대상지역의 총질소(TN) 및 총인(TP)의 일일 용출플럭스(kg/d)를 저수지의 유입 오염부하량과 비교한 결과, 내부오염원으로부터의 용출되는 플럭스가 총질소(TN)의 경우 유입 오염부하량의 2.3 ~ 43.7 %, 총인(TP)의 경우 24.9 ~ 48.1 % 로 조사되었다. 이는 퇴적물의 용출로 인한 내부오염 영향이 외부유입 오염부하량과 비교했을 때, 수질에 미치는 영향이 적지 않음을 유추할 수 있다.

조사지역의 퇴적물 용출분석 결과를 현장에 적용하기 위하여 본 연구에서 국내 대표적인 50 개 농업용저수지에 대한 퇴적물의 물리?화학적 특성과 오염 유형을 조사하였다. 저수지의 물리적 인자가 퇴적물에 미치는 영향을 분석하기 위하여 상관관계 분석을 수행한 결과, 오래된 저수지일수록 퇴적물의 미세한 입자 함유량이 높게 조사되었고, 유기물 농도는 퇴적물 입자분포 (모래와 점토)와 밀접하게 관련되어 있는 것으로 나타났다. 또한 건설 경과년수(건설년도)와 만수면적과 같은 다양한 인자들이 퇴적물로부터 오염물질의 용출 특성에 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 건설 경과년수(건설년도)가 오래된 저수지에서 유기오염물질 농도가 높게 나타났으며(p<0.01), 만수면적이 클수록 유기물 농도가 높게 조사되었다(p<0.05). 그리고 퇴적물의 완전연소가능량(I.L.), 유기물, 탄소(C) 및 질소(N)의 농도는 저수지의 건설년도가 오래될수록 증가하는 것으로 나타났다. 퇴적물의 총인(TP), 총질소(TN), 탄소(C) 및 유기물의 농도는 다른 퇴적물 오염특성과 높은 유의성을 나타냈다(p<0.01). 따라서 이들 항목은 퇴적물의 오염 정도를 판단하기 위한 대표적인 지표로 활용이 가능하다.
연구 대상 지역 50개소 중 탄소(C)와 질소(N)의 비(C/N)를 통해 76.0 %가 퇴적물 내 유기물이 내부오염에 기인한 것으로 나타났으며, 이를 통해 내부오염에 따른 수질오염 영향의 관리가 중요하며 필수적이라 사료된다. 즉 농업용저수지의 수질은 저층부에 퇴적된 퇴적물에 의해 상당한 영향을 받으므로 퇴적물의 정화를 위한 특성에 맞는 적절한 퇴적물 오염제어기술 적용이 필요하다. 그러나 현장의 생물교란 및 퇴적물 이동 등에 의해 발생될 수 있는 오차 등이 충분히 고려되지 않았으므로 본 결과만으로 유기물의 기원을 명확히 판단하기에는 한계가 있어 탄소 안정 동위원소비(δ13C) 방법 등을 활용한 추가 조사가 필요하다.
설정된 기준에 따른 준설은 저수지의 수질을 유지하는 데 필수불가결하나, 유기물과 영양염류의 농도 결과만으로 퇴적물을 단순하게 폐기물 처리하는 것은 활용가능한 자원의 낭비일 수 있다. 오염되지 않고, 사용 가능한 퇴적물에 대해서는 다양한 방법으로 활용 가능하기 때문이다. 농업용 저수지 퇴적물을 자원으로 활용한다면, 장기적으로 지속 가능한 수질 개선과 사업비용 절감 효과를 기대할 수 있다. 또한 이는 수중 생태계를 개선하고 보존한다는 점에서 중요하며, 정확한 퇴적물 특성에 대한 평가를 통해 기준 적용이 고려되어져야 한다.

본 연구 결과는 국내 농업용저수지의 퇴적물 특성에 맞는 적절한 관리와 수질 개선을 위한 기본 자료로 활용이 가능하며, 저수지 저층수와 퇴적물 간 유기물 및 영양염류 이동 특성, 수질 오염 영향도, 용출에 영향을 미칠 수 있는 퇴적물 제어·관리인자 도출 등을 통해 농업용저수지의 수환경 개선과 수생태계 관리에 효율적이고 유용한 자료라 사료된다. 더불어 수환경의 보호 및 수생태계 개선·보전이라는 거시적 효과를 기대할 수 있다.

Most agricultural reservoirs in Korea are more than 50 years old. The depth of these reservoirs is shallow, resulting in a low storage capacity. In addition, various deposited contaminants have led to deteriorated water quality as well as eutrophication over decades. Although local governments periodically dredge these reservoirs, water pollution is increasingly serious.

In response, we investigated the release characteristics of organic matter and nutrients from sediments of four agricultural reservoirs. Water quality in such calm, reserved water highly depends on the release pattern of pollutants or nutrients from sediments. We examined the release concentration change using a laboratory incubation examination method in various aqueous environments under oxic, anoxic, and control conditions. While the nitrate nitrogen discharge amount increased under the oxic condition, ammonia nitrogen (NH4-N), total phosphorus (TP), and phosphate phosphorus (PO4-P) increased under the anoxic condition. This trend is more prominently observed in the reservoirs that are the recipients of the livestock pollution. Moreover, it is considered that the release characteristics of the pollutants differ based on the duration of the anoxic conditions and phosphorus type. Therefore, pollution management becomes a priority if the time span of anoxic condition of the reservoir bottom layer is prolonged.

The dependence of the sediment release type on the quality variation was compared with influent pollutant loads. Compared with external influent sources, the total nitrogen release flux was 2.3 ? 43.7 % and total phosphorous was 24.9 ? 48.1 % from the internal sources. As a result of the laboratory incubation test, it was confirmed that pollutants could be rapidly released from sediments, particularly from old agricultural reservoirs which are major livestock pollution sources. Reservoirs polluted as a result of internal released sources comprised 76.0 % of the study sites. Water quality in the long term absolutely depends on the quality of sediments accumulated at the bottom of the reservoirs. Therefore, it is necessary to implement appropriate pollution control technologies for sediment remediation.

To use the obtained results of the release analyses for field reservoirs, we closely investigated the physico-chemical characteristics and contamination patterns based on sediments for 50 representative reservoirs. Correlation analysis enabled investigation of the effect of the reservoir physical parameters on sediments. The fine sediment particle content was high in the old reservoirs, and the organic matter content was closely related to the sediment distribution (sand and clay). Various factors such as construction year and water surface area influence the release characteristics of harmful elements from sediments. Old reservoirs contained more organic pollutants according to the construction year (p<0.01) and a larger surface area resulted in higher organic matter content (p<0.05). Ignition loss, organic matter, carbon, and total nitrogen increase according to the construction year. Total phosphorous, total nitrogen, carbon, and organic matter in the sediments showed a significant correlation with sediment characteristics (p<0.01). Therefore, these can be used as a representative index for determining the pollution degree of sediments.

Periodic dredging is essential to maintain reservoir water quality within the set guidelines. However, simple waste disposal of sediments only containing organic matter and nutrients seems to be a waste of available resources. If a value of use is verified for uncontaminated sediments, they can be used for various purposes. If agricultural reservoir sediments are used as a resource, it is possible to expect sustainable water quality improvement and reduce costs incurred for long-term projects. In addition, we can expect significant advancements towards improving and preserving the aquatic ecosystems. Thus, they should be utilized in some areas through precise evaluation for cost-effective remediation.
In addition, it is crucial to consider the contamination characteristics of Korean agricultural reservoir sediments to control sediment pollution. It is necessary to apply good pollution control technologies to sediments that can act as internal pollution sources. Therefore, optimal pollution control and management strategies for sediments depend on the agricultural reservoir characteristics in Korea.

The results of this study can be used as basic data for proper management and water quality improvement of Korean agricultural reservoirs based on the sediment characteristics. In addition, by applying the control factors of sediment obtained from the result of this study, we expect to effectively improve water quality by applying pollution control and management technologies to sediments. The results of this study can be used as efficient and useful data for water resource conservation and ecosystem management of aquatic environments.