Biogeochemical Study of Dissolved Organic and Inorganic Compounds under Oxic/Anoxic Environment in Lake Shihwa

시화호 산화-환원 환경하의 용존 유, 무기 화합물의 생지화학적 연구

Lake Shihwa, artificially constructed since 1988, shows a typical two-layered system depending on strong haline density stratification. Sill of the water gate at 6 m depth greatly restricts physical mixing with outer seawater and circulation in the lake, and contributes to the enhancement of anoxic environment in the deeper layer. With this enclosed physical environment, Lake Shihwa receives enormous amounts of organics, ammonia, and other pollutants from the neighboring municipal and industrial complexes through six major streams, thus developing biogeochemical differentiation of anoxic to suboxic environment in the high saline bottom water and highly eutrophicated brackish surface water. This study investigated vertical structures, biogeochemical behaviors and processes of various organic and inorganic compounds around oxic-anoxic interface. Nitrite and nitrate rapidly decreased below the pycnocline where about $1{\times}10^8$ tons of hypoxic bottom water exist. In this bottom layer, ammonium ranged from 75 to 360 ${\mu}M$ mainly resulting from deamination of dissolved organic nitrogen and ammonification of precipitated organic particles. Despite large amounts of surface water discharge and dilution by outer seawater inflow about $3{\times}10^8$ tons from April to August, 1996, bottom layer did not show any improvement of water quality and maintained highly reduced environment. The main reason seems to be imbalance between ineffectiveness of dilution due to shallow depth and large surface area, overloaded POC influx from the eutrophicated surface biological activity, and poor replenishment of oxygen in this artificial lake system. Therefore, as long as current salinity dependent two-layered system maintains with its physical limitations, any improvement of water quality cannot be foreseen in Lake Shihwa.

인공적으로 조성된 시화호는 현재 부분적인 해수혼입을 제외하고는 해수의 순환이 차단된 폐쇄 환경을 이루고 있으며 끝막이 공사 후 6 m 이심에 갇혀있는 잔존 저층해수로 인하여 수직적으로 강력한 염분 의존형 밀도 성층에 의한 2층 구조(two-layered system)를 보이고있다. 이러한 물리적 조건에서 시화호 주변의 6개 주요 하천으로부터 유입되는 막대한 양의 유기물질 및 암모니아염은 시화호의 저산소 및 무산소 환경을 가속화시키고 있으며 이에 따라 시화호의 생지화학적 환경은 흑해(Black Sea)와 같이 전 계절을 통하여 6 m 부근 심도의 밀도경사면을 상하로 뚜렷한 산화와 환원 환경으로 나뉘어지고 있다. 본 연구는 이러한 인위적 환경에서 나타나는 여러 유, 무기 화합물과 원소의 생지화학적 분포특성과 종분화 그리고 과정에 대하여 산화-환원 경계면을 중심으로 다루고자 하였다. 연구 결과 용존산소는 유기물이 축적되어 있는 밀도 경계면 이심의 저층 잔존 해수층에서 고갈되어 있으며 이에 띠라 약 1억톤에 달하는 저층 해수수괴가 환원환경을 이루고있다. 질산염과 아질산염은 산화 환경인 저염의 표층에서 높게 나타났고 환원 환경인 고염의 저층에서는 급격히 감소하여 나타났다. 반면 암모니아염은 저층수괴에서 75에서 360 ${\mu}M$에 이르는 매우 높은 농도를 보이는데 이는 저층으로 침강 유입된 유지불의 혐기성 분해에 따른 ammonification이 주된 원인으로 보인다. 1996년 4월부터 8월까지 약 3억톤의 시화호 내 표층수가 연안으로 방류되고 상당량의 외해수 혼입에도 불구하고 시화호 내 저층수의 환원환경이 유지 또는 가속화되는 주된 원인은 저층의 잔존 해수수괴에 trap 된 침강 유기물의 산소 소비 속도와 제한적으로 공급되는 산소공급이 불균형을 이루고 있기 때문이다. 시화호의 수질 환경면에서 볼 때 현재와 같이 2층구조의 염분도의존형의 밀도 성층이 유지되는 한 사화호 수질의 개선 전망은 밝지 못한 것으로 판단된다.