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ISSN : 1229-3431(Print)
ISSN : 2287-3341(Online)
Journal of the Korean Society of Marine Environment and Safety Vol.24 No.6 pp.735-749
DOI : https://doi.org/10.7837/kosomes.2018.24.6.735

A Study on the Origin of Organic Matter in Seawater in Korean Estuaries Using Chemical Oxygen Demand

Young-Sug Kim*, Jun-Ho Koo**, Jung-No Kwon**, Won-Chan Lee**
*Marine Environment Research Division, National Institute of Fisheries Science, 216, Gijanghaean-ro, Gijang-eup, Gijang-gun, Busan 46083, Korea
**Marine Environment Research Division, National Institute of Fisheries Science, 216, Gijanghaean-ro, Gijang-eup, Gijang-gun, Busan 46083, Korea
Corresponding Author : youngsugkim@korea.kr, 051-720-2545
July 23, 2018 September 13, 2018 October 26, 2018

Abstract


In this study, one studied the principal factors and water-quality components that determine the concentration of chemical oxygen demand (COD) in seawater in estuaries, such as the Han, Geum, Youngsan, Seomjin, and Nakdong rivers in Korea. The principal factors determining the concentration of COD in seawater indicated by the principal component analysis were salinity, exogenous origin and autochthonous resources based on chlorophyll-a. Moreover, organic matter in the submarine sediment layer also had a secondary effect. Regression slope assessed the contribution of water-quality components to determine the concentration of COD in the estuary. One found that the effect of salinity on the overall survey was significant. Moreover, the effect of chlorophyll-a was also appeared in April and August. In each estuary, the most significant contribution factor was chlorophyll-a in the Nakdong River and salinity in the Han and Yongsan rivers. The contribution of salinity and chlorophyll-a were found to be the largest in the Geum River. The salinity and chlorophyll-a in the Seomjin River showed a low contribution.



화학적산소요구량을 이용한 하구해역의 해수중 유기물 기원 고찰

김 영숙*, 구 준호**, 권 정노**, 이 원찬**
*국립수산과학원 어장환경과
**국립수산과학원 어장환경과

초록


본 연구에서는 우리나라의 주요하천인 한강, 금강, 영산강, 섬진강 그리고 낙동강의 하구에서 해수중 화학적산소요구량(COD)의 농도를 결정하는 주요 요인과 수질인자에 대해 고찰하였다. 주성분분석으로 얻어진 해수중 COD 농도를 결정하는 주요요인은 염분과 클 로로필-a를 중심으로 한 외래성 기원과 자생공급으로 나타났으며, 그 외 해저 퇴적층의 유기물도 영향을 미치는 것으로 나타났다. 하구해 역의 COD 농도를 결정하는 수질인자들의 기여도는 회귀식 기울기를 통해 평가하였다. 조사시기별로는 전체적으로 염분의 영향을 많이 받는 것으로 나타났으며, 4월과 8월에는 클로로필-a의 영향도 함께 받는 것으로 나타났다. 하구별로는 낙동강에서는 클로로필-a, 한강과 영산강에서는 염분, 금강에서는 염분과 함께 클로로필-a의 기여도가 각각 큰 것으로 나타났으며, 섬진강에서는 염분과 클로로필-a 모두 낮은 기여를 나타내었다.



    National Fisheries Research and Development Institute
    RP-2018-ME-024

    1. 서 론

    화학적산소요구량(COD)은 일반적으로 해수중 유기물질을 나타내는 중요한 지표로서 수질환경 변수로 이용된다(Aoki et al., 2004;Huang et al., 2014). 대도시 주변 생활하수, 농축산 용수 및 산업폐수 등으로 대량의 유기물질은 호수와 강으로 배출되고, 이는 집중강우 후 강 하구와 같은 특정지역에서 높게 나타나며 시간이 경과함에 따라 조석간만에 의한 해류 순환으로 연안으로 확산된다(Kim and Jang, 2016).

    해수중 COD는 육상의 폐기물과 식물플랑크톤의 대발생 으로 기인된 유기쇄설물에 의하여 결정된다(Baek, 2014). 수 질오염과 관련한 유기물 기원을 규명하는 연구는 하천에서 주로 수행되었으며 해양에서는 연구가 매우 미흡한 실정이 다. 국내에서는 시화호, 만 및 하구를 중심으로 한 육상오염 원 기원 COD 분포율에 관한 연구(Shin et al., 1995;Jeong et al., 2005;Hong et al., 2007;Jang et al., 2011;Jung et al., 2016)가 수행되었으며, 국외에서는 튀니지 연안 표층수의 무기 및 유기 오염원 투입과 COD 증가(Drira et al., 2016), 동중국해 창진 하구의 식물플랑크톤 기인 유기물 소비(Wang et al., 2016), 물질수지 산정연구로 양자강 유역(Shen et al., 2000), 리가만(Savchuk, 2002), 체사피크만(Boynton et al., 1995) 등 해 역 및 만을 대상으로 연구가 수행되었다.

    육상에서 배출되는 오염물질의 운송에 중요한 역할을 하 는 하천은 일정한 오염원을 구성하는 반면 표층수 유출은 계절적 현상을 나타내며 주로 유역 내의 기후에 의해 영향 을 받는다(Singh et al., 2004). 우리나라 연안의 수질오염은 강 우가 집중되는 시기인 하계에 내륙의 하천으로부터 배출되 는 오염물질의 양이 많아 연안의 부영양화를 가속시키는 외 부요인이 큰 비중을 차지하고 있다(Cho et al., 1998). 부영양 화는 외부로부터 다량의 영양염이 유입됨으로 인해 식물플 랑크톤을 포함한 미생물이 번성하여 적조와 같은 생태계 파 괴 현상이 일어나기도 하고, 육상에서 유래 한 유기물은 빈 산소수괴(hypoxic zone) 형성과 유지에 중요한 역할을 할 수 있다. 투명도가 상대적으로 낮고 식물성 플랑크톤 성장에 유리한 하구해역의 표층수는 상당한 양의 영양물과 육상 유 기물을 전달하여 식물 플랑크톤을 대량 발생시키며(Guo et al., 2009), 식물플랑크톤 기인 유기물 비율이 높을수록 미생 물 산소 소비를 더욱 활성화시켜 빈산소수괴 형성을 촉진하 게 된다(Carstensen et al., 2014;Wang et al., 2016).

    식물플랑크톤 기인 유기물의 일부는 호흡 및 다른 생물들 의 섭식활동에 의해 이용되거나 자기분해 등에 의해 용존성 유기물로 배출되고, 나머지는 침전되면서 퇴적층에 쌓여 퇴 적상 유기물이 된다. 이러한 내부 기인과 하천에서 유입되는 외부 기인의 퇴적상 유기물은 다시 환경변화에 의해 용존성 형태로 변환되어 수중으로 용출되고 해수중 COD 농도 결정 에 영향을 미치게 된다(Kairesalo et al., 1995;Shim et al., 2013).

    큰 강을 접하고 있는 하구해역에서는 그 지역적 특성으로 인해 수질환경에 미치는 인위적 영향은 더욱 클 것이다(Kim et al., 2015). 하구는 담수와 해수가 혼합되는 완충지대로서 주기적인 양상으로 지속적으로 변화를 일으키고 있으며, 상 대적으로 외부의 영향을 쉽게 받는 해역으로 알려져 있다. 하구에서의 수질평가는 하천의 오염 부하인자와 해수유동 에 의한 변화, 저층에서의 기여도, 내부 물질대사 등 여러 요인에 의해서 지배되고 있고, 이들 지역은 계절적 특징이 뚜렷하게 나타난다. 이와 같은 오염은 유기물 오염지표 항 목인 COD 농도의 결정에도 큰 영향을 미친다.

    특정 해역의 해수중 COD 농도는 하천수 유입에 의한 외 래성 COD와 해역자체 내부 생산에 의한 자생 COD의 합으 로 나타나게 되며(Straskrabova et al., 1993), 자생 COD와 외래 성 COD가 어느 정도로 기여하는 가를 파악하는 것은 수질 관리 대책을 결정하는데 중요한 관점이 될 것이다(Morioka, 1980). 다변량 통계분석은 수질을 결정하는 복잡한 영향인자 에 대한 관계를 평가 및 해석하기 위한 유용한 방법이며, 계 절성과 관련된 자연적 및 인위적 요인에 의해 야기된 시간 적 및 공간적 변동을 검증하는데 유용하다(Singh et al., 2004;Lim et al., 2015). 따라서 본 연구에서는 우리나라의 5개 주요 하구에서 얻은 3년간(2014-2016)의 조사결과를 다변량 통계 기법으로 분석하여 하구해역 수질의 공간적, 시간적 변화를 이해하고 COD 농도를 결정하는 요인을 밝히고자 하였다.

    2. 재료 및 방법

    본 연구는 국립수산과학원 수산시험연구 사업인 어장환 경모니터링의 일환으로 2014년에서 2016년에 결처 3년간 수 행한 조사 결과이다. 조사는 매년 해수 6회(2월, 4월, 6월, 8 월, 10월 및 12월), 퇴적물은 2회(2월과 8월) 수행하였으며, 한강하구(HE, Han River estuary) 5개, 금강 하구(GE, Geum River estuary) 4개, 영산강 하구(YE, Yeongsan River estuary) 4 개, 섬진강하구(SE, Seomjin River estuary) 4개 그리고 낙동강 하구(NE, Nakdong River estuary)의 6개 정점 등 5개 하구에서 총 23개 정점(Fig. 1)에서 얻은 결과를 이용하였다. 해수는 니 스킨 채수기를 이용하여 표층과 저층 시료를 채취하여 현장 에서 전 처리한 후 냉동 보관하였으며, 퇴적물 시료는 그랩 형 채니기을 이용하여 표층 퇴적물을 채취하여 즉시 냉동 보관하였다. 그리고 염분은 CTD(Seaberd 19 plus)를 이용하여 현장에서 수직 관측하였으며, 그 외 모든 항목은 실험실에 서 해양환경공정시험기준(MOF, 2013)에서 제시된 방법에 준 하여 분석하였다. 클로로필-a(Chl-a) 농도는 아세톤 추출법에 준하여 형광측정기로 분석하였으며, 화학적산소요구량(COD) 는 과망간산칼륨을 사용해 소모된 과망간산칼륨의 양으로 부터 유기물량을 산정하였다.

    용존성무기질소(DIN)는 암모니아성질소, 아질산성질소, 질 산성질소의 합으로 산정하였으며, 암모니아성질소는 인도페 놀 청색법, 아질산성질소는 a-NED법, 질산성질소는 Cu-Cd 칼럼을 이용한 아질산성질소 환원법으로 분석하였다. 용존 무기인(DIP)은 아스코르빈산을 이용한 몰리브덴 청법으로 분석하였다.

    부영양화지수(EI, Eutrophication index)는 수질을 평가하는 자료로서 식(1)으로 산정하였으며(Quan et al., 2005), EI가 1 이상이면 부영양상태로 평가된다.

    EI=[(COD×DIN×DIP)/4500]×10 6
    (1)

    조사 자료의 모든 통계처리(상관관계, 주성분분석 및 회 귀분석)는 SPSS for windows 18.0 프로그램을 이용하였으며, 추정된 상관계수(R2)와 유의수준 p-값으로 적합도를 판단하 였다.

    3. 결 과

    3.1 수질인자의 하구별 및 시기별 농도분포

    2014~2016년에 걸친 3년간의 분석치를 평균하여 하구별 및 조사월별로 해수중 COD, 염분, 클로로필-a과 해저 퇴적층 COD의 농도분포를 Table 1에서 나타내었다. 염분은 한강하 구 20.88~31.90(29.58), 금강하구 19.16~30.64(27.42), 영산강하 구 20.45~31.64(28.10), 섬진강하구 22.11~32.97(30.37), 낙동강 하구 26.59~34.27(31.41)의 범위로 나타났으며, 해수중 COD는 한강하구 1.32~3.64(2.44) mg/L, 금강하구 2.09~4.31(2.94) mg/L, 영 산강하구 1.13~4.49(2.22) mg/L, 섬진강하구 1.11~2.43(1.59) mg/L, 낙동강하구 0.65~4.02(1.74) mg/L의 범위로 나타났다. 클로로필-a 는 한강하구 0.24~6.39(1.54) μg/L, 금강하구 0.88~7.54(3.23) μg/L, 영산강하구 2.05~85.55(19.23) μg/L, 섬진강하구 3.39~24.75(10.67) μg/L, 낙동강하구 0.77~15.79(3.57) μg/L의 범위로 나타났다. 그 리고 해저 퇴적층의 COD는 한강하구 1.00~5.02(2.05) mg/g, 금강 하구 5.80~15.59(10.38) mg/g, 영산강하구 7.92~15.62(11.31) mg/g, 섬진강하구 8.17~23.02(13.96) mg/g, 낙동강하구 7.48~15.78(12.27) mg/g의 범위로 나타났다.

    염분은 금강하구와 영산강하구에서 추계인 10월에 가장 낮은 분포를 나타내었으나, 그 외 하구에서는 하계인 8월에 가장 낮은 분포를 나타내었다. 클로로필-a는 한강하구와 금 강하구에서는 춘계인 4월에 높게, 영산강하구, 섬진강하구 및 낙동강하구에서는 하계인 6월과 8월에 높게 나타났으며, 전체적으로 동계인 12월에 낮게 나타났다. 한강하구에서 전 체적으로 다른 하구에 비해 낮은 클로로필-a의 농도분포를 나타내었으며, 영산강하구와 섬진강하구에서 10 μg/L 이상으 로 높게 나타났다.

    해수중 COD는 한강하구에서는 2월, 금강하구는 4월에 높 은 값을 나타내었으며, 섬진강하구, 영산강하구 및 낙동강하 구에서는 8월에 높게 나타났으며, 한강하구를 제외하고 전 체적으로 갈수기인 2월에 낮은 경향으로 나타났다. 금강하 구에서 전체적으로 2 mg/L을 초과하는 분포를 나타내었으 며, 섬진강하구에서는 전체적으로 2 mg/L 이하로 다른 하구 에 비해 낮은 분포를 나타내었다. 해저 퇴적층의 COD는 전 반적으로 연평균 10 mg/g 이상으로 나타났으나, 한강하구에 서는 2.05 mg/g로 매우 낮게 나타났다.

    하구별 및 조사시기별 EI는 Fig. 2와 Table 1에서 나타내고 있다. 연평균 EI는 한강하구에서 가장 높게 나타났으며, 그 외 금강하구>영산강하구>섬진강하구>낙동강하구 순으로 낮게 나타났다. 낙동강하구와 섬진강하구에서 2~6월에 EI가 1 이하로 나타났으나 그 외는 전체적으로 1을 초과한 부영 양 상태로 나타났다. 5개 하구의 조사월별 EI는 10월에 가장 높게, 그리고 8월>12월>6월>2월>4월 순으로 낮게 나타 났다.

    3.2 수질인자의 하구별 및 시기별 공간변동

    2월과 8월의 하구 수질인자 농도의 공간분포를 Fig. 3~7에 서 나타내었다. 2월 한강하구에서의 염분은 30.07~31.36의 범 위로 하구입구와 연안에서의 농도 차는 크지 않았으나, 하 구입구(정점 1)에서 연안(정점 3~5)으로 갈수록 점차 높아지 는 경향으로 나타났다. 클로로필-a는 역으로 하구입구에서 가장 먼 정점인 5에서 가장 낮은 분포를 나타내었다. 해수중 COD는 하구의 북서쪽(정점 2)에서 남동쪽으로 갈수록 점차 높아졌으며, 해저 퇴적층의 COD 와는 상반되는 경향으로 나 타났다. 8월에는 염분은 20.88~30.00의 범위로 하구 입구와 연안에서의 농도차가 크게 나타났다. 농도는 하구입구에서 연안으로 갈수록 점차 낮아졌으며, 해수중 COD의 경우와는 상반되는 경향으로 나타났다. 해저 퇴적층의 COD와 클로로 필-a의 분포는 연안 쪽에서 낮게 하구로 갈수록 높아지는 경 향으로 나타났다(Fig. 3).

    금강하구에서 2월 염분은 27.44~30.64의 범위로 하구입구 (정점 1)에서 연안(정점 4)으로 갈수록 점차 높아졌으며, 클 로로필-a는 하구입구와 연안 쪽에서 낮은 분포를 나타내었 다. 해수중 COD는 염분의 경우와 상반되는 농도 분포를 나 타내었으며, 해저 퇴적층의 COD는 염분의 경우와 유사한 경 향으로 나타났다. 8월 염분은 25.46~27.77의 범위로 하구 전 반적으로 저염수(30 이하) 상태를 나타내었으며, 하구입구에 서 연안 쪽으로 갈수록 점차 높아지는 분포를 나타내었다. 클로로필-a 및 해저 퇴적층의 COD는 염분의 경우와 유사한 분포를 나타내었으며, 해수중 COD는 염분의 경우와 상반되 는 경향으로 나타났다(Fig. 4).

    영산강하구에서 2월 염분은 27.31~31.18의 범위로 하구의 남동쪽(정점 4)에서 북서쪽(정점 1) 연안으로 갈수록 점차 높 아지는 분포를 보였으며, 해수중 COD, 해저 퇴적층의 COD 및 클로로필-a는 염분의 경우와 상반되는 경향으로 나타났 다. 하계인 8월 염분은 27.30~30.61의 범위로 남동쪽에서 북 서쪽 연안으로 갈수록 점차 높아졌으며, 해수중 COD, 해저 퇴적층의 COD 및 클로로필-a는 하구의 북서쪽에서 남동쪽 연안으로 갈수록 점차 높아지는 분포를 나타내었다(Fig. 5).

    섬진강하구에서 2월 염분은 31.91~32.97의 범위로 전체적 으로 농도 차는 크지 않았으나, 하구입구(정점 1)에서 연안 쪽(정점 4)으로 갈수록 점차 높아지는 분포를 나타내었다. 클로로필-a, 해수중 COD 및 해저 퇴적층의 COD는 염분의 경우와는 상반되는 경향으로 나타났으며, 하구입구에서 연 안 쪽으로 갈수록 점차 낮아지는 농도분포를 나타내었다. 8 월 염분은 22.11~29.41의 범위로 하구 전반적으로 저염수 상 태를 나타내었으며, 하구입구에서 연안으로 갈수록 점차 높 아지는 분포를 나타내었으며, 해저 퇴적층의 COD는 염분의 경우와 상반되는 경향으로 나타났다. 해수중 COD와 클로로 필-a는 북서쪽 입구와 연안 쪽에서 높은 분포를 나타내었으 며, 북동쪽 해역에서 낮게 나타났다(Fig. 6).

    낙동강하구에서 2월 염분은 32.70~34.27의 범위로 하구의 북서쪽(정점 2와 3)에서 남동쪽(정점 4) 연안으로 갈수록 점 차 높아지는 분포를 나타내었으며, 해저 퇴적층의 COD는 염 분의 경우와 유사한 경향으로 나타났다. 해수중 COD와 클로 로필-a는 하구입구에서 높게, 연안 쪽으로 갈수록 낮아지는 분포를 나타내었다. 8월의 염분은 27.30~30.61의 범위로 하구 의 북서쪽에서 낮게, 남동쪽으로 갈수록 높아졌으며, 클로로 필-a는 하구의 서남쪽(정점 6)에서 낮게, 북동쪽(정점 1)에서 높게 나타났다. 해수중 COD는 클로로필-a의 분포와 유사하 게 나타났으나, 해저 퇴적층 COD는 염분의 경우와 유사한 경향으로 나타났다(Fig. 7).

    춘계인 4월과 추계인 10월의 하구 수질인자 농도의 공간 분포를 Fig. 8~12에서 나타내었다. 한강하구에서 염분은 4월 (27.46~31.90)과 10월(26.09~30.89) 모두 하구 입구(정점 1)에서 낮게, 연안(정점 3~5)으로 갈수록 점차 높아지는 분포를 나 타내었으며, 해수중 COD와 해저 퇴적층 COD는 하구입구에 서 연안으로 갈수록 점차 낮아졌다. 클로로필-a도 4월과 10 월 모두 북서쪽(정점 2)에서 남동쪽(정점 4)인 연안으로 갈수 록 점차 낮아지는 분포를 나타내었다(Fig. 8). 금강하구에서 염분은 4월(26.51~29.48)과 10월(19.16~28.70) 모두 하구 입구 (정점 1)에서 연안(정점 4)으로 갈수록 점차 높아지는 분포 를 나타내었으며, 해수중 COD와 클로로필-a는 4월과 10월 모두 염분의 경우와 상반되는 경향으로 나타났다(Fig. 9).

    영산강하구에서 염분은 4월(25.61~31.60)과 10월(20.45~28.65) 모두 하구 입구(정점 4)에서 연안(정점 1)으로 갈수록 점차 높아지는 분포를 나타내었으며, 해수중 COD와 클로로필-a는 염분과는 상반되는 분포를 나타내었다(Fig. 10). 섬진강하구 에서 염분은 4월(28.85~32.36)과 10월(25.30~30.95) 모두 하구 입구(정점 1)에서 연안(정점 4)으로 갈수록 점차 높아졌으 며, 클로로필-a의 경우와 유사한 경향으로 나타났다. 해수중 COD는 하구입구에서 높게, 하구의 북동쪽(정점 2)과 남서쪽 (정점 4)으로 갈수록 점차 낮아지는 경향으로 나타났다(Fig. 11).

    낙동강하구에서 염분은 4월(26.59~32.42)에는 하구중앙(정 점 2)에서 낮게 나타났으며, 좌우 연안 쪽(정점 4와 6)으로 갈수록 높아지는 분포를 나타내었다. 해수중 COD와 클로로 필-a는 염분의 경우와 상반되는 경향으로 나타났다. 10월 (28.01~30.95)에는 하구중앙에서 남동쪽(정점 4) 연안으로 갈 수록 점차 높아지는 분포를 나타내었으며, 해수중 COD는 연 안쪽의 중앙(정점 5)에서 하구입구 중앙과 남동쪽 연안으로 갈수록 높아지는 분포를 나타내었다. 클로로필-a는 하구의 북서쪽(정점 3)과 북동쪽(정점 1)에서 연안으로 갈수록 높아 지는 분포를 나타내었다(Fig. 12).

    3.3 수질인자별 단순 선형 회귀분석

    2014~2016년 전조사정점에서 해수중 COD 농도에 대하여 계절별 및 하구별로 구분하여 선형 회귀분석한 결과를 Table 23, 그리고 Fig. 1314에서 나타내었다. 회귀식은 f = y0+a×x로서 f는 종속변수로서 해수중 COD 농도, x는 독립변 수로서 각각의 수질인자(염분, 클로로필-a, 해저 퇴적층의 COD)를 나타내었으며, 회귀식을 통해 해수중 COD와 수질인 자와의 관계를 분석하였다. 상관계수(R2)의 유의수준(p)는 1% 와 5 % 이하 기준으로 하였다.

    조사월별로 보면, 해수중 COD는 2월에는 염분과 해저 퇴 적층의 COD와 유의한 상관관계를 나타내었으며, 두 인자 모 두 음의 상관관계(염분; R2=0.3841, p<0.0001, 해저 퇴적층 COD; R2=0.2306, p<0.0001)를 나타내었다. 4월의 해수중 COD는 염분과 클로로필-a와 유의한 관계를 나타내었으며, 염분은 음(R2=0.1518, p=0.0013)의 상관관계, 클로로필-a와는 양(R2=0.1491, p=0.0015)의 상관관계를 나타내었다. 6월에 해 수중 COD는 염분과 유의한 음의 상관관계(R2=0.4629, p<0.0001)를 나타내었으며, 8월에는 염분, 클로로필-a 및 해저 퇴적층의 COD 등 모든 항목에서 해수중 COD와 유의성이 있는 관계를 나타내었다. 염분과 해저 퇴적층의 COD와는 약 한 음의 상관관계(염분; R2=0.0783, p=0.024, 해저 퇴적층의 COD; R2=0.0764, p=0.0258)를 나타내었으며, 클로로필-a와는 약한 양의 상관관계(R2=0.1222, p=0.0043)를 나타내었다. 10월 과 12월의 해수중 COD는 염분과 유의한 관계를 나타내었으 며, 음의 상관관계(10월; R2=0.3985, p<0.0001, 12월; R2=0.2245, p<0.0001)를 나타내었다(Table 2).

    하구별로 나타난 해수중 COD는 한강하구에서는 염분과 유의한 음의 상관관계(R2=0.2088, p=0.0001)를 나타내었다. 금 강하구에서는 염분과 클로로필-a와 유의한 관계를 나타내었 으며, 염분과는 음(R2=0.2223, p<0.0001)의 상관관계, 클로로 필-a와는 양(R2=0.2477, p<0.0001)의 상관관계를 나타내었다. 영산강과 섬진강하구에서는 해수중 COD는 염분, 클로로필-a 와 유의한 관계를 나타내었으며, 염분은 음의 상관관계(YE; R2=0.2534, p<0.0001, SE; R2=0.1238, p=0.0024)를 나타내었 으며, 클로로필-a와는 약한 양의 상관관계(YE; R2=0.0849, p=0.013, SE; R2=0.1148, p=0.0036)를 나타내었다. 낙동강하구 에서는 염분과 클로로필-a와 유의한 관계를 나타내었으며, 염분은 음의 상관관계(R2=0.1977, p<0.0001)를 나타내었으며, 클로로필-a와는 강한 양의 상관관계(R2=0.4626, p<0.0001)를 나타내었다(Table 3).

    각각의 정점에서 조사월별로 3년간(2014-2016년)의 결과를 평균한 자료를 이용하여 해수중 COD 농도에 대응하는 염 분, 클로로필-a 및 해저 퇴적층 COD 농도의 분산분포를 Fig. 1314에서 나타내었다. 해수중 COD에 대한 해저 퇴적층의 COD 농도분포를 보면, 2월과 8월 모두 유의한 관계를 나타 내었으며, 기울기(a)는 음의 방향으로 2월(a= -0.6506)이 8월 (a= -0.233)에 비해 약 3배 높게 나타났다(Fig. 13). 하구별로는 모두 유의하지 않은 것으로 나타났다.

    염분에 대응하는 해수중 COD의 분산분포는 5개 하구 모 두 음의 방향으로 나타났으며(Fig. 14), 기울기에서 보인 감 소율은 섬진강하구(a= -0.0451)에서 가장 낮게 나타났으며, 낙 동강하구에서 가장 높게(a= -0.1437) 나타났다. 조사시기별로 는 8월에 가장 낮은 감소율(a= -0.0687)을 나타내었으며, 10 월>12월>4월>6월>2월의 순으로 감소하는 것으로 나타났 다(Fig. 14). 클로로필-a의 경우는 한강하구를 제외한 4개 하 구에서 양의 방향으로 증가하는 경향을 나타내었으며, 기울 기에서 보인 증가율은 섬진강하구와 영산강하구에서 낮게 (SE; a=0.01, YE; a=0.0131), 금강하구와 낙동강하구에서 높게 (GE; a=0.1337, NE; a=0.1648) 나타났다. 조사시기별로는 4월 과 8월 모두 유의한 수준으로 양의 방향으로 나타났으며, 증 가율은 8월(a=0.0191)에 비해 4월(a=0.0953)에 높게 나타났다.

    4. 고 찰

    하구에서 해수중 유기물(COD) 기원을 평가하기 위해 하 구로 유입되는 외래성 유기물과 식물플랑크톤 기인 유기물 및 해저 퇴적층에서 발생하는 유기물 등 자생 유기물로 구 분하여 5개의 하구해역에 미치는 영향을 알아보았다. 육상 에서 유입되는 유기오염물 량은 해수중 COD의 농도 결정에 크게 영향을 미친다. 이는 하구의 지리적 특성과 인접 환경 에 따라 차이를 나타낼 수 있으며, 담수의 유입량에 따라 유 동적으로 육지-해양간 물질 순환에 큰 역할을 할 것이다 (Humborg et al., 1997;Jeong et al., 2013). 실제로 하구의 수질 자료를 이용한 요인분석 자료를 보면, 전체적으로 하천수 유입부하요인이 40% 내외, 물질대사 인자가 20 % 미만, 그 외 해저 퇴적층으로부터 재부유에 의한 오염과 식물플랑크 톤의 일차생산으로 대표되는 생물학적 요인이 각각 10% 내 외로 결정되는 것으로 나타났다(Shin et al., 1995;Park et al., 2001;Jeong et al., 2005;Kim, 2006).

    하구에서 해수중 COD의 농도를 결정하는 주요 수질인자 는 염분과 클로로필-a가 경쟁적으로 작용하며, 해저 퇴적층 의 유기물도 2차적으로 영향을 미치는 것으로 나타났다. 본 연구에서 5개 하구 전 정점의 조사결과(N=390)를 이용하여 수질인자간 상관관계를 분석한 결과 해수중 COD는 염분(R= -0.510, p=0.000)과 해저 퇴적층의 COD(R= -0.253, p=0.005)와 는 음의 상관성을 나타내었으며, 클로로필-a과는 약한 양의 상관성(R=0.159, p=0.002)을 나타내었다. 염분은 해저 퇴적층 의 COD와도 약한 양의 상관성(R=0.172, p=0.057)을 나타내었 다. 해수중 COD와 염분 및 클로로필-a에서 나타난 강한 유 의한 상관관계는 해수의 물리적인 작용이 유기물 분포에 영 향을 줌을 알 수 있으며(Maciejewska and Pempkowiak, 2014), 해저 퇴적층의 COD와의 유의한 상관관계는 유기금속 착화 합물이나 응집·침전과 같은 화학적 과정을 거쳐, 유기물이 해수로 재 용출되는 특성을 나타낸다고 볼 수 있다.

    이들 수질인자를 이용하여 주성분분석을 한 결과(Table 4), Kaiser 정규화가 있는 베리멕스로 회전된 성분행렬은 크게 2개 의 요인(factor)으로 전체 67.8%(factor 1=39.7%, factor 2=28.1%) 를 설명하는 것으로 나타났다. 요인 1은 염분을 중심으로 해 수의 COD와는 음의 상관관계, 해저 퇴적층 COD와는 양의 상관관계를 강하게 나타내었으며, 클로로필-a과는 상관성이 아주 약한 것으로 나타났다. 요인 2는 클로로필-a를 중심으 로 해수의 COD와는 양의 상관관계를 나타내었으며, 해저 퇴 적층의 COD와도 약한 양의 상관관계를 나타내었다.

    하구는 육상에서 공급되는 담수와 해수가 혼합되는 곳으 로 물리-화학-생물학적 요소가 복잡하게 상호작용을 하며 연 안에서 생태계의 하위단계인 식물플랑크톤의 기초생산력은 하천으로부터 공급되는 용존성 영양염의 농도 변화와 소비 율에 직접적으로 영향을 받는다(Humborg et al., 1997;Simpson et al., 1982). 따라서 염분 농도의 증감은 해수중 COD의 농도 를 결정하는데 크게 영향을 미치지만 동시에 해저 퇴적층 COD의 농도에도 직접적으로 영향을 미친다. 또한 하천으로 부터 유입되는 영양염의 증가는 부가적으로 식물플랑크톤 의 증가에도 2차적으로 기여할 수 있기 때문에 결국 하구에 서 해수중 COD 농도의 결정에 가장 크게 영향을 미칠 수 있 는 수질인자는 염분으로 생각할 수 있다.

    수질 인자들의 거동은 계절별 및 하구별로 차이를 나타낼 수 있는데, 본 연구에서는 해수중 COD의 농도에 대한 각 수 질인자들의 관계식(선형 회귀식)을 통해 분석하였다(Table 23). 조사 시기에 따른 해수중 COD의 농도변동은 전체적 으로 염분의 영향을 받는 것으로 나타났으나, 4월과 8월에는 클로로필-a의 영향도 함께 받는 것으로 나타났다. 즉 해수의 COD 농도는 전 계절에 걸쳐 담수와 해수의 혼합에 의한 보 존적 특성을 보이는 반면, 춘계인 4월과 하계인 8월에는 식 물플랑크톤의 활발한 증식이 해수중 COD의 농도를 더욱 높 아지게 하는 요인으로 생각할 수 있다.

    하구에서의 방류패턴을 보면 10월-3월은 하천의 유하량이 적은 갈수기이며, 4월-6월은 유하량이 보통수준, 7월-9월은 유하량이 많은 홍수기로 구분된다. 하구해역에서 담수의 평 균 체류시간은 0.3~10.0일의 범위로 강우가 집중된 여름철에 는 1 day 내외의 짧은 체류시간을 나타낸 반면, 동계 갈수기 에 가장 긴 평균체류시간을 나타내었다(Lee and Jeon, 2009). 하계에 현저히 빨라진 담수의 체류 환경에서 유입담수와 해 수의 혼합은 활발하고 빠르게 외해역으로 확산되는 것으로 생각할 수 있으며, 그 결과 회귀식(f)의 기울기(a)는 다른 계절 에 비해 현저히 낮게(a= -0.0687, R2=0.0783) 나타난 것으로 생 각할 수 있다. 반면에 담수의 평균 체류시간이 가장 긴 동계 인 갈수기에는 염분 회귀선의 기울기는 가장 높게(a= -0.2208, R2=0.3841) 나타났다. 해저 퇴적층의 COD는 2월(a= -0.6506, R2=0.2306)이 8월(a= -0.233, R2=0.0764)에 비해 기울기가 약 3배 정도 높게 나타났으며, 이는 해저 퇴적층에서 용승하여 해 수중에 정체되는 유기물량이 많기 때문에 나타낸 결과로 생 각할 수 있다.

    클로로필-a가 해수의 COD와 유의한 회귀식을 나타낸 4월 과 8월에는 식물플랑크톤의 일차생산이 왕성한 시기로서 이 러한 특성이 잘 반영된 것으로 생각할 수 있다. 기울기는 8 월에 비해 4월이 약 5배 높게 나타났으며, 클로로필-a의 농 도도 4월에 높게 나타났다. 클로로필-a의 상관계수에서도 이 러한 특성이 반영되어 높게 나타났으며, 4월과 8월에는 해수 COD의 농도를 결정하는 인자는 염분과 함께 클로로필-a가 기여함을 알 수 있으며 식물플랑크톤의 일차 생산에 의한 유기물 증가를 나타내는 것으로 볼 수 있다.

    하구에서 해수중 COD의 농도분포를 조사월별로 나타난 공간적 변화는 일차적으로 하천으로부터 공급되는 담수와 해수의 물리적 혼합에 의해 조절되며, 그 결과 해수중 COD 의 농도구배는 하구에서 외해역으로 갈수록 감소하는 일정 한 공간변화를 나타내었다. 5개의 하구에서 해수중 COD는 전체적으로 염분과 클로로필-a와 유의한 회귀식을 나타내었 다. 유속이 빠른 하천의 하류에서의 유기물은 대부분 상류 에 위치한 대도시와 같은 오염원이 원인이 된다. 그러나 유 속이 느린 하천의 하구에서는 유기물 유입 보다는 해역 내 부에서 자가 생성되는 식물플랑크톤에 의한 유기물도 중요 성을 나타낸다. 이러한 경향은 하구의 지리적 특성에 따라 그 차이를 명확하게 나타내었다.

    낙동강하구에서는 낙동강 하구둑의 축조로 유속이 과거 에 비해 현저하게 느려졌고, 총유기부하량도 식물플랑크톤 에 의한 자가생성 유기물이 40 % 이상으로 외부 기원유기물 과 비슷한 기여도를 나타내었다(Shin et al., 1995). 본 연구에 서도 클로로필-a와의 회귀선 기울기가 염분의 경우와 유사 하게 높은 값(a=0.1648, p<0.0001)으로 상관성(R2=0.4626) 높 게 나타나 기여도가 큰 것으로 생각할 수 있다.

    한강하구는 다른 4개의 하구와는 다르게 하굿둑이 건설되 지 않아 조수의 출입이 자유로우며, 한강은 유역면적과 유 량이 우리나라에서 가장 규모가 크기 때문에 연안으로 유입 되는 유기물 부하량은 다른 하구에 비해 절대적으로 많을 것이다. 그 결과 해수중 COD의 연평균 농도 및 부영양화지 수인 EI 값도 다른 하구에 비해 높게 나타났으며, 염분이 해 수중 COD의 농도를 결정하는 주요인자로 나타났다.

    금강하구에서도 한강하구의 경우와 유사하게 해수중 COD의 농도와 EI 값은 높게 나타났으나, 금강하구의 해수중 COD 량을 결정하는 수질인자는 염분과 함께 클로로필-a에 의한 기여(a=0.1337, R2=0.2477)도 높은 것으로 나타났다. 금 강하구에 유입되는 부하량은 담수의 유입에 의한 영향이 가 장 크며, 식물플랑크톤의 일차생산으로 대표되는 생물학적 요인이 유입 담수의 기여율에 비해 약 0.5배 정도인 것으로 보고되었으며(Jeong et al., 2005), 이는 본 연구와 상응하는 결 과로 얻어졌다. 그 외 영산강하구에서는 금강하구의 경우와 유사하게 염분과 클로로필-a와 유의한 관계를 나타내었으나, 염분에서 나타낸 높은 기여(a= -0.1268, R2=0.2534)로 담수 유 입이 해수 COD 농도를 결정하는 주요 요인인 것으로 생각 할 수 있다.

    섬진강하구는 광양만과 접하면서 섬진강 하류일대와 광양 만이 하나의 광활한 기수구역을 형성하고 있으나, 섬진강 본 류에는 대도시가 인접하지 않아 생활하수 및 공장폐수의 영 향이 적다(Kim et al., 2008). 해수중 COD와의 관계식에서 염 분과 클로로필-a 모두 낮은 기여(염분; a= -0.0451, R2=0.1238, Chl-a; a=0.0131, R2=0.1148)를 나타내어 이들 요인의 영향이 적을 것으로 생각할 수 있으며, 이는 다른 하구에 비해 비교 적 낮게 나타난 해수중 COD의 농도와 EI의 값에서도 고려 할 수 있었다.

    감사의 글

    이 연구는 국립수산과학원 수산과학연구사업인 어장환경 모니터링(RP-2018-ME-024)에 의해 수행되었으며, 조사 및 분 석을 위해 노력해 주신 국립수산과학원 관련 연구원들께 깊 은 감사의 뜻을 표하며, 본 논문의 질적인 향상을 위해 세심 하게 검토하여주신 심사위원들께도 진심으로 감사드립니다.

    Figure

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    Location of sampling stations on five estuaries (a; five stations of Han River, b; four stations of Geum River, c; four stations of Yeongsan River, b; four stations of Seomjin River, e; six stations of Nakdong River).

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    Distribution of monthly average values of eutrophication index (EI) in seawater of five estuaries (HE; Han River, GE; Geum River, YE; Yeongsan River, SE; Seomjin River, NE; Nakdong River).

    KOSOMES-24-735_F3.gif

    Horizontal distributions of salinity, Chl-a (μg/L), seawater COD (mg/L) and COD (mg/g) of sediment in the Han River Estuary in February and August.

    KOSOMES-24-735_F4.gif

    Horizontal distributions of salinity, Chl-a (μg/L), seawater COD (mg/L) and COD (mg/g) of sediment in the Geum River Estuary in February and August.

    KOSOMES-24-735_F5.gif

    Horizontal distributions of salinity, Chl-a (μg/L), seawater COD (mg/L) and COD (mg/g) of sediment in the Youngsan River estuary in February and August.

    KOSOMES-24-735_F6.gif

    Horizontal distributions of salinity, Chl-a (μg/L), seawater COD (mg/L) and COD (mg/g) of sediment in the Seomjin River estuary in February and August.

    KOSOMES-24-735_F7.gif

    Horizontal distributions of salinity, Chl-a (μg/L), seawater COD (mg/L) and COD (mg/g) of sediment in the Nakdong River estuary in February and August.

    KOSOMES-24-735_F8.gif

    Horizontal distributions of salinity, Chl-a (μg/L), seawater COD (mg/L) and COD (mg/g) of sediment in the Han River estuary in April and October.

    KOSOMES-24-735_F9.gif

    Horizontal distributions of salinity, Chl-a (μg/L), seawater COD (mg/L) and COD (mg/g) of sediment in the Geum River estuary in April and October.

    KOSOMES-24-735_F10.gif

    Horizontal distributions of salinity, Chl-a (μg/L), seawater COD (mg/L) and COD (mg/g) of sediment in the Youngsan River estuary in April and October.

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    Horizontal distributions of salinity, Chl-a (μg/L), seawater COD (mg/L) and COD (mg/g) of sediment in the Seomjin River estuary in April and October.

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    Horizontal distributions of salinity, Chl-a (μg/L), seawater COD (mg/L) and COD (mg/g) of sediment in the Nakdong River estuary in April and October.

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    Relationship between seawater COD vs. COD of sediment in five estuaries (HE; Han River, GE; Geum River, YE; Yeongsan River, SE; Seomjin River, NE; Nakdong River). Line denotes relationship between seawater COD and COD of sediment.

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    Relationship between COD vs. salinity and Chl-a in seawater of five estuaries (HE; Han River, GE; Geum River, YE; Yeongsan River, SE; Seomjin River, NE; Nakdong River). Line denotes relationship between COD and salinity and between Chl-a.

    Table

    Distribution of monthly values of mean, minimum and maximum for salinity, COD (mg/L), Chl-a (μg/L) and eutrophication index in seawater and COD of sediment (mg/g) in the five estuaries (HE; Han River, GE; Geum River, YE; Yeongsan River, SE; Seomjin River, NE; Nakdong River). Per year, and monthly values obtained by averaging the values from 2014 to 2016, respectively

    The linear regression equation between seawater COD and parameters in the monthly survey (f = y0+a×x, f; COD, x; salinity, Chl-a and COD of sediment, N; sample number)

    The linear regression equation between seawater COD and parameters in the five estuaries (f = y0+a×x, f; COD, x; salinity, Chl-a and COD of sediment, N; sample number).

    The principal component analysis for salinity, seawater COD, Chl-a and COD of sediment in the five estuaries

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