KR101343980B1 - 어류서식환경 실시간 경보 시스템 및 경보 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수생태 환경에 대하여 급성 또는 만성의 어류독성을 나타내는 수질 항목을 실시간 모니터링하고 그 결과를 활용하여 어류서식환경에 대한 예보와 경보를 발생하며, 수생태 환경에 대한 부가적인 서비스를 제공할 수 있는 어류서식환경 실시간 예·경보 시스템 및 예·경보 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다. 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 하천, 호소, 저수지 및 해역을 포함하는 수체를 대상으로 급성 또는 만성의 어류 독성을 나타내는 수질항목을 모니터링하여 실시간 예·경보하기 위한 시스템으로서, 수체에 설치되는 지지체; 상기 지지체에 구비되어 소정 수심의 수생태 환경을 측정하기 위해 시료를 채수하는 채수 장치; 상기 채수 장치에서 채수된 시료를 제공받아 어류서식환경에 대한 수질항목을 측정하기 위한 어류서식환경 측정장치; 상기 채수 장치와 어류서식환경 측정장치를 제어하는 제어부; 상기 어류서식환경 측정장치에서 측정된 결과를 저장하는 데이터 저장장치; 어류 독성을 나타내는 수질항목을 평가하기 위하여 상기 데이터 저장장치에 저장된 데이터를 분석하는 어류서식환경 분석장치; 및 상기 어류서식환경 분석장치의 분석 결과에 근거하여 미리 설정된 기준 데이터와 비교 판단하여 예보 또는 경보를 발생하는 예·경보 발생장치를 포함하는 어류서식환경 실시간 예·경보 시스템을 제공한다.

Description

어류서식환경 실시간 경보 시스템 및 경보 방법{REAL-TIME ALARM SYSTEM OF HABITAT ENVIRONMENT FOR FISH AND METHOD THEREOF}
본 발명은 어류서식환경 실시간 예·경보 시스템 및 예·경보 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수생태 환경에 대하여 급성 또는 만성의 어류 독성을 나타내는 수질 항목을 실시간으로 감시하고, 그 결과를 활용하여 어류서식환경에 대한 예보와 경보를 발생하며, 수생태 환경에 대한 부가적인 서비스를 제공할 수 있는 어류서식환경 실시간 예·경보 시스템 및 예·경보 방법에 관한 것이다.
최근 우리나라의 하천, 호소, 저수지 및 해역 등의 수체에서 여러 원인에 기인하는 수질오염 사고가 발생하여 물고기 등의 수서생물들이 집단폐사하는 사건이 언론에 자주 보도되고 있다. 이로 인하여 대상 수체의 용수원으로서의 활용에 큰 제약을 받고 있음은 물론 수생태 환경에 미치는 피해 또한 막심한 실정이다.
수생태 환경은 수질을 기초로 하여, 플랑크톤, 저서동물, 수서생물 등의 계층구조 위에 성립되어 있으며, 유기물, 영양염류 등 각 수질성분이 복잡하게 영향을 미치고 있다. 수생태 환경 또한 먹이사슬 등의 물질순환을 통하여 수질에 상호 영향을 미친다.
수생태 환경에는 광합성을 담당하는 조류 및 수생식물과 동물플랑크톤, 곤충 및 어류 등 각각의 요소를 구성하는 생물이 있는 한편, 먹이사슬이나 서식환경의 상호 제공 등 전체로서의 구조도 갖고 있다. 수질도 생물화학적산소요구량(BOD) 등으로 나타나는 유기물이나 영양염류인 질소나 인 또는 농약, 중금속 등의 유해물질이 각각의 요소로서 존재한다.
건전한 수생태 환경을 조성하기 위해서는 수온, 수질 및 유속 등 수생태 환경에 영향을 미치는 기본적 인자를 포함하여 수생태 환경의 이화학적 특징, 물리적 특징 및 생태계의 관계를 총체적으로 이해할 필요가 있다.
수생태 환경의 변화는 생물상에도 큰 영향을 미친다. 수체에 서식하는 생물에 강한 영향을 미치는 기초적인 수질항목으로는 암모니아(NH3), 용존산소(DO), 수소이온농도(pH), 수온, 총인(T-P), 조류(클로로필a, 조류농도, 남조류 세포수), 부유물질(SS 및 탁도), 전기전도도, 염분농도, 잔류염소농도 및 조도(照度) 등이 있다. 수생태 환경의 건전성을 확보하기 위해서는 서식하는 동식물의 생태를 상세하게 조사하여 그 성장단계에 따라 적합한 수질을 확보하여야 한다.
암모니아(NH3 또는 NH4+)는 유기질소의 대사작용과 혐기성 조건에서 질산염이 환원되어 생성되는 생물학적 변환의 산물로서 수서생물에 독성을 나타낸다. 일반적으로 하천으로 유입되는 암모니아(NH3 또는 NH4+)와 질산염은 미처리된 생활하수, 오염된 강우유출수, 경작지 유출수 및 비료에 의한 지하수 오염 등에 기인한다.
암모니아(NH3 또는 NH4+)는 상대적으로 높은 독성이 있는 비이온화된 암모니아(NH3)와 저독성의 이온화된 암모니아(NH4+)의 두 가지 형태로 존재한다. 비이온화된 암모니아(NH3)의 비율은 수소이온농도(pH)와 수온에 의하여 결정된다. 수소이온농도(pH) 또는 온도가 증가함에 따라 비이온화된 암모니아(NH3)의 비율과 독성이 증가한다.
용존산소(DO)는 수서생물의 기초적인 대사를 담당하는 산소의 공급원으로서 중요한 수질항목이다. 용존산소(DO)가 저하되면 스스로 대사를 저하시켜 저산소 상태에 견딜 수 있는 종(붕어 등)과 대사를 변화시킬 수 없어 조기에 위험한 상태에 빠지는 종(모래무지 등) 등 생물종에 따라 내성이 다르다. 특히 용존산소(DO)가 문제가 되는 곳은 정체 수역이나 종단 방향의 하상변화가 없어서 산소의 재포기량이 적은 구간이다. 유기물이 과다하게 퇴적된 곳에서는 국소적인 빈산소화가 발생하는 경우도 있다. 일반적으로 성어보다 어린 치어가 저산소 상태에 취약하다.
용존산소(DO) 감소의 주요인은 수중이나 저니 중의 유기물이 수중의 산소를 소비하면서 분해되기 때문이다. 이 외에도 여울이나 낙차부에서의 물리적인 폭기에 의한 증가나 주간 식물플랑크톤의 광합성에 의한 증가, 야간의 수서생물의 호흡에 의한 감소 등 다양한 요인에 의해 짧은 시공간 스케일로 변화한다. 이러한 이유로 인해 용존산소(DO)는 국소적인 수질문제를 일으키는 경우가 많다. 하천생활환경기준에서 용존산소(DO)의 좋음(Ib) 등급은 5.0mg/L 이상에 해당한다.
수생태 환경의 수소이온농도(pH)를 변화시키는 원인은 지질적인 영향을 제외하면, 하폐수(강우유출수, 도시하수 등)의 유입이나 산성비에 기인하는 경우가 많다. 또한, 많은 식물플랑크톤과 수생식물이 생육하고 있는 수체에서는 주간에 광합성이 활발하게 이루어지면 수중의 탄산염을 소비함으로써 수소이온농도(pH)가 상승한다. 반대로 야간에는 수소이온농도(pH)가 낮아진다. 수소이온농도(pH)의 저하는 알의 발생에 영향을 미친다. 그리고 치어에게는 호흡곤란을 유발하기도 한다. 하천생활환경기준에서 수소이온농도(pH)의 좋음(Ib) 등급은 6.5∼8.5의 범위에 해당한다.
일반적으로 수온은 상류로부터 하류에 걸쳐 완만하게 변화한다. 다만, 댐에서의 냉수의 방류나 공장 온배수의 방류, 하수처리수 재이용수의 방류, 타 유역으로부터의 도수 등 인위적인 원인에 의한 급격한 온도변화는 어류의 서식에 영향을 미칠 수 있다. 또, 치수 목적의 하천개수에 의한 하적(河積)의 증대로 인하여 평수시의 수심이 얕아진 하천에서도 수온이 상승한다. 수변 식생의 제거에 의한 그늘의 감소가 수온 상승을 유발하기도 한다. 수온 상승의 요인이 다양하기 때문에 수체의 복원사업에 있어서도 수온에 대한 감시의 중요성이 커지고 있다.
일반적으로 하천과 같은 유수역의 수질성분의 농도는 유하함에 따라 높아진다. 호소와 비교하면 항상 물이 흐르고 있기 때문에 조류나 수생식물에 지속적으로 영양이 공급되어 같은 수준의 영양염 농도를 갖는 호소보다 높은 생산력을 유지할 수 있다. 수생태 환경에서는, 종속영양의 경향을 보이는 상류부를 제외하면, 부착조류와 수생식물의 생산력이 기초를 이룬다. 하천의 영양염 농도가 증가하면 부착조류나 수생식물의 광합성이 활발해져서 수중의 수소이온농도(pH) 및 용존산소(DO)가 하루를 주기로 변화(일주변화)하는 현상이 관찰된다. 하천유량이 적은 갈수기에는 부착조류의 광합성에 의하여 환경기준을 넘는 높은 수소이온농도(pH)가 관찰될 수 있다. 용존산소(DO)의 일주변화의 결과로서 야간의 용존산소(DO) 저하가 수생태 환경에 새로운 문제가 될 가능성이 크다. 하천생활환경기준에서 영양염류 중 하나인 총인(T-P)의 좋음(Ib) 등급은 0.04mg/L 이하에 해당한다.
부유물질(SS)은 토사 등의 무기성 물질과 식물플랑크톤이나 입자성 유기물 등으로 구성되며 탁도를 유발한다. 수생태 환경 개선 등 토목공사에 수반되어 문제가 되는 것은 주로 무기성 물질이다. 유기성 물질은 생물화학적산소요구량(BOD)의 성분이기도 하고, 적당량 존재하면 먹이사슬의 기반이 되어 생물생산에 기여하는 한편, 과다하게 존재하면 용존산소(DO) 감소의 원인이 되기도 한다. 물고기는 부유물질(SS)에 기인하는 탁도에 대해서 상당한 내성이 있어서 단기간에는 생존에 영향을 받지 않으나 탁수를 기피한다는 보고가 많다. 산란장에 현탁물질이 퇴적되면 알의 발생에 장해가 되고, 산란장을 뒤덮어 그 자체를 소멸시키기도 한다. 하천생활환경기준에서 부유물질(SS)의 좋음(Ib) 등급은 25mg/L 이하에 해당한다.
또한, 과도한 오염물질의 유입에 따른 전기전도도의 증가나 해수 및 하폐수의 유입에 따른 염분농도의 증가 또한 수생태 환경에 악영향을 미칠 우려가 있다. 또한, 염소계 소독제에 주로 기인하는 잔류염소가 고농도로 잔존하는 경우에도 수서생물에 생태독성을 유발하게 된다.
또한, 해당 수생태 환경에 서식하고 있는 어종별로 각 성장단계에 따라 적합한 물리적 서식환경으로서 수위, 유속 및 유량의 범위 또한 변화하게 되므로 대상이 되는 어종별, 성장단계별로 적정한 물리적 서식환경이 확보되었는지 여부를 감시할 필요가 있다.
상기와 같은 수생태 환경의 건전성을 유지하기 위해서 필요한 대책으로는 다음과 같은 것들을 들 수 있다.
수서생물에 미치는 암모니아(NH3)의 독성을 방지하고 줄이기 위한 방법들로는 도시하수 및 강우유출수의 유입 방지, 영양염류(질소, 인)를 포함하는 비점오염물질 유입 저감, 차광을 통한 수온 저하 등을 들 수 있다.
낮은 용존산소(DO) 농도는 수서생물에 매우 해롭다. 용존산소(DO) 농도는 수온, 염분 농도, 생물학적 호흡, 침전물에 의한 산소 소비, 광합성 및 대기로부터의 용존 등 많은 요소에 의해서 결정된다. 용존산소(DO) 농도는 일중 계속해서 변하지만 일반적으로 저농도 상태는 식물이 호흡하면서 광합성이 이루어지지 않는 밤 시간대에 나타난다. 하루 중 가장 낮은 용존산소(DO) 농도는 새벽 시간대에 관찰되는 경우가 많다. 용존산소(DO)를 확보하기 위한 기법들로는 도시하수 및 강우유출수의 유입 방지, 낙차공 또는 다른 구조물(큰 바위, 통나무) 등을 조성하여 수리학적인 교란과 혼합을 증가시킴으로써 용존산소(DO) 재포기율 제고, 여울 조성을 통한 용존산소(DO) 재포기율 증대, 태양광을 차폐하여 수온을 낮추기 위한 수림대 조성 등을 들 수 있다.
급격한 수소이온농도(pH)의 변동 또는 지속적인 변화는 수서생물에 큰 스트레스 조건이 될 수 있다. 낮은 수소이온농도(pH)에 지속적으로 노출되면 삼투압의 불균형으로 피해를 입을 수 있다. 과도한 수소이온농도(pH)의 증가 또한 낮은 수소이온농도(pH) 조건과 마찬가지로 수서생물에 해로우며, 암모니아(NH3) 독성 강화에 기여한다. 심한 수소이온농도(pH) 변화를 안정화시키기 위하여 오염부하의 유입을 줄이는 습지 조성 등 비점오염 저감기법의 적용, 용존산소(DO) 농도를 증가시키는 것과 관련하여 전술한 다양한 기법 등을 적용할 수 있다.
과도하게 높은 수온은 수중 생물에 해로운 영향을 끼친다. 고수온은 암모니아(NH3)와 같은 많은 화학물질의 독성을 증가시키고, 물속의 산소 용해도를 감소시키며, 식물 성장과 호흡률을 증가시켜서 용존산소(DO) 농도를 저하시킨다. 햇빛에 의한 가열은 비정상적인 고수온의 주요 원인이다. 급격한 수온 변화를 방지하기 위한 기법들로는 공장 온배수의 유입 차단, 유지용수 공급시 수온의 영향 고려, 태양광을 차폐하여 수온을 저하시키기 위한 수림대 조성, 과도한 수온 상승을 방지하기 위한 수로 수심 증대 등을 들 수 있다.
유속이 느리고, 수온이 높고, 고농도의 영양염 상태에 있는 수체에서는 조류 및 거대식물(macrophyte)이 과도하게 성장할 수 있다(일반적으로 총무기질소는 0.25mg/L 이상이고, 용존인은 0.02mg/L 이상인 경우). 미관상의 문제, 이취미 등은 과도한 조류의 성장과 관련이 있는 경우가 많다. 과도한 조류의 성장은 이용가능한 먹이의 공급원과 많은 수서생물의 성장 잠재력을 줄이는 경향이 있다. 조류의 성장에 따른 높은 대사작용과 죽은 조류의 부패는 용존산소(DO)를 감소시킬 수 있다(특히 야간 시간대). 이 과정에서 종종 용존산소(DO) 결핍이 발생하여 많은 수서생물의 사멸, 개체수 감소, 서식지 이동 및 생태계의 단순화 등을 유발할 수 있다. 과도한 조류의 성장을 억제하거나 저감하는 기법들로는 비점오염물질 유입 제어를 통한 영양염류 부하량 저감, 습지 조성을 통한 유입 영양염류 저감, 수림대 조성을 통한 차광, 낙차공 및 여울 조성을 통하여 부착조류의 성장을 저감하는 교란 발생, 수로 수심 증대를 통하여 조류 성장에 이용가능한 수면적 저감 등을 들 수 있다.
과도한 고탁도의 지속적인 유입, 전기전도도 및 염분농도의 급격한 증가와 지속 등도 수생태 환경에 악영향을 미치므로 관리할 필요가 있다. 또한 염소계 소독제에 주로 기인하는 잔류염소농도가 높을 경우에도 수서생물에 생태독성을 유발하므로 관리가 필요하다.
수체 내에서 조도(照度)는 수서생물계의 물질순환 과정에서 기초가 되는 조류의 생산능력을 결정하는 매우 중요한 요소이므로 이에 대한 적절한 관리가 필요하다.
또한, 어류가 서식하기 위한 최소한의 조건으로서 적정한 수위, 유속 및 유량을 확보하는 등 물리적 서식환경을 관리할 필요가 있다.
이상에서와 같이 하천, 호소, 저수지 및 해역 등의 수체를 대상으로 암모니아독성, 이화학적 서식환경 및 물리적 서식환경에 대하여 실시간 지속적인 감시가 필요함에도 불구하고, 이에 대한 감시가 체계적으로 이루어지지 못하고 있을 뿐만 아니라, 감시 결과를 활용하여 각종 수질사고를 방지하기 위한 예보 및 경보시스템 구축까지 나아가지 못하고 있는 실정이다. 환경부에서는 2007년 1월부터 수질오염총량관리를 위한 수질조사 및 유량조사 업무를 국립환경과학원(4대강 물환경연구소)으로 통합하여 시행하고 있다. 측정횟수 및 측정항목은 수온, 수소이온농도(pH), 용존산소(DO), 전기전도도, 생물화학적산소요구량(BOD), 화학적산소요구량(COD), 부유물질(SS), 총질소(T-N), 총인(T-P) 및 총유기탄소(TOC) 등 10개 항목이며, 측정주기는 목표수질 설정지점별로 8일 간격, 연간 30회 이상 측정하도록 하고 있어서 실시간 발생하는 수질사고에 대한 대응에는 미치지 못하는 등의 문제점을 안고 있는 실정이다.
이와 같이 종래에는 하천, 호소, 저수지 및 해역 등의 수체를 대상으로 수질항목별로 단순한 분석에만 그쳐 종합적인 검토가 이루어지지 않은 바, 수질에 영향을 미치는 인자들에 대하여 종합적이고 체계적인 시스템의 구축 및 그 관리 방법이 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 하천, 호소, 저수지 및 해역 등과 같이 수생태 환경에 대한 감시 및 예·경보가 필요한 수체를 대상으로, 특히 급성 또는 만성의 어류 독성을 나타내는 수질항목 중에서 암모니아(NH3)와 용존산소(DO) 등을 포함하여 적어도 둘 이상의 항목을 실시간으로 감시하고, 모니터링 결과를 데이터베이스화하고 분석하여 각종 수질사고에 대한 예보 및 경보를 발생시켜 수질사고를 예방하며, 어류서식환경을 체계적이고 종합적으로 관리할 수 있도록 한 어류서식환경 실시간 예·경보 시스템 및 예·경보 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 어류서식환경에 급성 또는 만성의 독성을 나타내면서 실시간 모니터링이 가능한 수질항목을 선정하고, 선정된 수질항목을 실시간으로 감시하고, 실시간 감시 결과를 데이터베이스에 저장하며, 데이터베이스에 저장된 결과를 활용하여 어류서식환경에 대한 서비스를 제공하고, 감시 결과와 사전에 설정되어 있는 예보 및 경보 기준을 비교하여 예보 및 경보를 제공함으로써, 감시 결과를 활용한 새로운 서비스를 제공하고, 각종 수질사고를 미연에 예방하며, 수질사고 결과를 정량적으로 조사분석하거나 수질사고의 원인을 최대한 신속한 시간 내에 해결하여 어류서식환경의 건전성을 제고할 수 있는 어류서식환경 실시간 예·경보 시스템 및 예·경보 방법을 제공하는 데 다른 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 제1 관점에 따르면, 하천, 호소, 저수지 및 해역을 포함하는 수체를 대상으로 급성 또는 만성의 어류 독성을 나타내는 수질항목을 감시하여 실시간 예·경보하기 위한 시스템으로서, 수체에 설치되는 지지체; 상기 지지체에 구비되어 소정 수심의 수생태 환경을 측정하기 위해 시료를 채수하는 채수 장치; 상기 채수 장치에서 채수된 시료를 제공받아 어류서식환경에 대한 수질항목을 측정하기 위한 어류서식환경 측정장치; 상기 채수 장치와 어류서식환경 측정장치를 제어하는 제어부; 상기 어류서식환경 측정장치에서 측정된 결과를 저장하는 데이터 저장장치; 어류 독성을 나타내는 수질항목을 평가하기 위하여 상기 데이터 저장장치에 저장된 데이터를 분석하는 어류서식환경 분석장치; 및 상기 어류서식환경 분석장치의 분석 결과에 근거하여 미리 설정된 기준 데이터와 비교 판단하여 예보 또는 경보를 발생하는 예·경보 발생장치를 포함하는 어류서식환경 실시간 예·경보 시스템을 제공한다.
제1 관점에 있어서, 상기 채수 장치는 채수구를 갖는 채수 본체, 상기 채수 본체의 채수 유입 측에 부착되어 협잡물의 유입을 방지하기 위한 스트레이너, 및 상기 채수 본체의 채수구에 설치되어 상기 제어부에 의해 개폐 제어되는 채수 밸브를 포함할 수 있다.
제1 관점에 있어서, 상기 채수 장치는 상기 채수 본체를 이동 안내하도록 랙기어 결합 이동 방식 또는 풀리와 벨트 결합 이동방식의 구동 유닛과, 상기 구동 유닛에 구동력을 제공하는 구동원을 더 포함할 수 있다.
제1 관점에 있어서, 상기 제어부는 상기 어류서식환경 측정장치에 포함되어 하나의 모듈로 구성되고, 상기 어류서식환경 측정장치는 상기 채수장치와 일체로 형성될 수 있다.
제1 관점에 있어서, 상기 어류서식환경 측정장치는 채수된 시료로부터 암모니아독성을 측정하는 암모니아독성 측정수단; 및 용존산소(DO), 수소이온농도(pH), 수온, 총인(T-P), 클로로필a, 조류농도, 남조류 세포수, 부유물질, 탁도, 전기전도도, 염분농도, 잔류염소농도 및 조도를 측정하는 이화학적 서식환경 측정수단 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 관점에 있어서, 어류의 물리적 서식환경을 측정하기 위하여 상기 지지체의 상부 측에 설치되어 수체의 수위를 측정하기 위한 수위계, 상기 수체의 상부 측이나 바닥 또는 수중에 설치되어 수체의 유속을 측정하기 위한 유속계 및 상기 수체에 설치되는 유량을 측정하기 위한 유량계 중 적어도 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
제1 관점에 있어서, 상기 수질 항목은 암모니아독성을 포함하며, 상기 어류서식환경 측정장치는 비이온화된 암모니아(NH3)와 이온화된 암모니아(NH4+)의 비율을 다음의 식 (1) 내지 (7)을 통해 구할 수 있다.
Figure 112013048732709-pat00001
(1)
Figure 112013048732709-pat00002
(2)
Figure 112013048732709-pat00003
(3)
Figure 112013048732709-pat00004
(4)
Figure 112013048732709-pat00005
(T=℃) (5)
Figure 112013048732709-pat00006
(6)
Figure 112013048732709-pat00007
(7)
(여기에서, K: 평형상수, K a : 산의 평형상수, K b : 염기의 평형상수, [A]: 물속에서 용존 상태인 A 물질의 농도, pA: -log10[A], %A: 물속에서 존재하는 A 물질의 % 분율)
제1 관점에 있어서, 상기 어류서식환경 예·경보 발생장치는 비이온화된 암모니아(NH3)의 농도가 0.02mg/L 이상인 경우에 예보 또는 경보를 발생시키도록 구성될 수 있다.
제1 관점에 있어서, 상기 수질항목은 용존산소(DO), 수소이온농도(pH), 수온, 총인(T-P), 클로로필a, 조류농도, 남조류 세포수, 부유물질(SS), 탁도, 전기전도도, 염분농도, 잔류염소농도 및 조도 중 적어도 하나 이상을 포함하며, 상기 어류서식환경 예·경보 발생장치는 용존산소가 5.0mg/L 이하인 경우, 수소이온농도(pH)가 6.5∼8.5의 범위를 벗어나는 경우, 총인(T-P)이 0.04 mg/L 이상인 경우, 부유물질(SS)이 25mg/L 이상인 경우에 예보 또는 경보를 발생시키도록 구성될 수 있다.
제1 관점에 있어서, 상기 데이터 저장장치의 결과 및 상기 분석장치에서 분석된 결과를 원격의 관리처와 송수신하기 위한 데이터 송수신장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 관점에 따르면, 하천, 호소, 저수지 및 해역을 포함하는 수체를 대상으로 급성 또는 만성의 어류 독성을 나타내는 수질항목을 감시하여 예·경보하기 위한 방법으로서, 해당 수체에서 대상이 되는 어류를 선정하여 어류서식환경 예·경보항목을 설정하는 예·경보항목 설정 단계; 설정된 예·경보항목에 대한 기준을 설정하는 예·경보항목 기준 설정 단계; 해당 수체에 대한 시료를 채수하는 시료 채수 단계; 채수된 시료에 대하여 어류서식환경에 대한 수질항목을 측정하는 수질항목 측정단계; 측정된 수질항목에 대한 데이터를 저장하는 데이터 저장 단계; 상기 설정된 예·경보항목에 근거하여 저장된 데이터와 기준 데이터를 비교 분석하는 비교분석 단계; 및 비교 분석된 결과에 근거하여 상기 설정된 예·경보기준을 만족하는지 판단하여 예·경보 의사를 결정하는 예·경보 의사결정 단계를 포함하는 어류서식환경 실시간 예·경보 방법을 제공한다.
제2 관점에 있어서, 상기 예·경보항목 설정 단계는 암모니아독성 항목; 용존산소(DO), 수소이온농도(pH), 수온, 총인(T-P), 클로로필a, 조류농도, 남조류 세포수, 부유물질(SS), 탁도, 전기전도도, 염분농도, 잔류염소농도 및 조도를 포함하는 이화학적 서식환경 항목 중 적어도 하나를 포함하도록 예·경보항목을 설정할 수 있다.
제2 관점에 있어서, 상기 예·경보항목은 수위, 유속 및 유량을 포함하는 수체의 물리적 서식환경 항목을 더 포함할 수 있다.
제2 관점에 있어서, 상기 예·경보항목 기준 설정 단계에서 예·경보항목 기준은 암모니아독성의 경우, 비이온화된 암모니아(NH3)의 농도가 0.2mg/L 이상이고, 용존산소(DO)의 경우 5.0mg/L 이하이고, 수소이온농도(pH)의 경우 6.5~8.5를 벗어난 범위이고, 총인(T-P)의 경우 0.04mg/ L이상이고, 부유물질(SS)의 경우 25mg/L 이상인 것이 바람직하다.
제2 관점에 있어서, 상기 수질항목 측정단계에서 수질항목은 암모니아독성을 포함하며, 비이온화된 암모니아(NH3)와 이온화된 암모니아(NH4+)의 비율을 다음의 식 (1) 내지 (7)을 통해 구할 수 있다.
Figure 112013048732709-pat00008
(1)
Figure 112013048732709-pat00009
(2)
Figure 112013048732709-pat00010
(3)
Figure 112013048732709-pat00011
(4)
Figure 112013048732709-pat00012
(T=℃) (5)
Figure 112013048732709-pat00013
(6)
Figure 112013048732709-pat00014
(7)
(여기에서, K: 평형상수, K a : 산의 평형상수, K b : 염기의 평형상수, [A]: 물속에서 용존 상태인 A 물질의 농도, pA: -log10[A], %A: 물속에서 존재하는 A 물질의 % 분율).
제2 관점에 있어서, 상기 식 (1) 내지 (7)을 통하여 일반적으로 보다 분석이 용이한 이온화된 암모니아(NH4+)의 농도와 수소이온농도(pH) 및 수온의 측정 결과를 활용하여 비이온화된 암모니아(NH3)의 농도를 산출할 수 있는 장점이 있게 된다.
상기 비교 분석 단계는 암모니아독성 분석 및 이화학적 서식환경 분석 그리고 물리적 서식환경 분석을 순차적으로 행하며, 상기 비교 분석 단계에서는 측정된 데이터와 기준 데이터를 비교하여 각각 암모니아독성 예·경보 기준을 만족하는지, 이화학적 서식환경 예·경보 기준을 만족하는지 그리고 물리적 서식환경 예·경보 기준을 만족하는지 판단할 수 있다.
제2 관점에 있어서, 상기 비교 분석 단계에서 비교 분석한 결과를 바탕으로 예·경보 의사결정 단계에서는 기준에 가깝거나 그 기준을 벗어나는 것으로 판단되는 경우 예보 또는 경보를 관리자에게 고지하며, 저장된 데이터 및 비교 분석 결과를 원격의 관리처로 송수신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 어류서식환경 실시간 예·경보 시스템 및 예·경보 방법은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 본 발명에 따르면, 강우유출수의 유입, 하폐수의 유입, 주야간의 24시간 주기 및 시계열 수질변화 등 매 시간 단위로 변화하는 어류서식환경의 변화를 실시간으로 감시하고, 데이터베이스를 구축하고, 예·경보를 발생함으로써 수서생물의 서식환경을 보전하는 등의 효과를 기대할 수 있다.
둘째, 본 발명에 따르면, 어류서식환경 측정장치의 측정 결과와 어류서식환경 분석장치의 분석 결과와 예·경보 발생장치의 예보 또는 경보 발생 기록은 데이터 저장장치에 저장되고, 데이터 저장장치의 데이터가 데이터 송수신장치로 유선 또는 무선의 수단에 의해 전송·저장되고, 데이터 저장장치 또는 데이터 송수신장치에 저장되어 있는 결과를 활용하여 해당 수체의 어류서식환경에 대한 부가적인 정보서비스를 제공하거나 창출할 수 있는 효과가 있다.
셋째, 본 발명에 따르면, 암모니아(NH3), 수소이온농도(pH), 수온 및 용존산소(DO) 등 상호 복합적으로 작용하는 어류서식환경 독성 인자들의 상호작용을 동시에 실시간으로 감시함으로써 단순히 항목별로만 감시하는 기법과 비교하여 어류서식환경에 미치는 복잡한 수질항목간 영향을 종합적으로 판단할 수 있어 기존의 모니터링 기법과 비교하여 수생태 환경의 변화가 수서생물에 미치는 영향을 정량적으로 판단하는 기초를 제공하고, 물고기 집단폐사 등의 수질사고를 예방하는 직접적인 수단을 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 어류서식환경 실시간 예·경보 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 어류서식환경 실시간 예·경보 시스템을 구성하는 어류서식환경 측정장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 온도와 수소이온농도(pH)에 따른 암모니아(NH3 또는 NH4+)의 존재비율의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 어류서식환경 실시간 예·경보 방법에 대하여 개략적으로 도시한 플로차트이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 어류서식환경 실시간 예·경보 시스템 및 예·경보 방법을 설명한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 어류서식환경 실시간 예·경보 시스템에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 어류서식환경 실시간 예·경보 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이며, 도 2는 본 발명의 어류서식환경 실시간 예·경보 시스템을 구성하는 어류서식환경 측정장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 어류서식환경 실시간 예·경보 시스템은, 하천, 호소, 저수지 및 해역 등의 수체를 대상으로 급성 또는 만성의 어류 독성을 나타내는 수질항목을 감시하여 예·경보하기 위한 시스템으로서, 수체(10)의 바닥에 고정 설치되거나 수체 상부로부터 바닥에 근접하는 수심까지 하방으로 설치되는 지지체(100); 상기 지지체(100)에 구비되어 수체의 특정 수심의 수생태 환경을 측정하기 위한 시료를 채수하는 채수 장치(200); 상기 채수 장치(200)에서 채수된 시료를 제공받아 어류서식환경에 대한 수질항목을 측정하기 위한 어류서식환경 측정장치(300); 상기 채수 장치(200)와 어류서식환경 측정장치(300)를 제어하는 제어부(미도시); 상기 어류서식환경 측정장치(300)에서 측정된 결과를 저장하는 데이터 저장장치(400); 상기 데이터 저장장치(400)에 저장된 데이터를 분석하는 어류서식환경 분석장치(500); 및 상기 어류서식환경 분석장치(500)의 분석 결과에 근거하여 미리 설정된 어류서식환경의 기준 데이터와 비교하고 판단하여 예보 또는 경보를 발생하는 예·경보 발생장치(600)를 포함한다.
또한, 본 발명의 어류서식환경 실시간 예·경보 시스템은 어류의 물리적 서식환경을 측정하기 위하여 상기 지지체(100)를 통해 수체(10)의 상부 측에 설치되어 수체의 수위를 측정하기 위한 수위계(710) 및 수체(10)의 상부 측 또는 바닥 또는 수중에 설치되어 수체의 유속을 측정하기 위한 유속계(720) 및 수체(10)에 설치되는 유량을 측정하기 위한 유량계(미도시)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 예·경보 시스템은 상기 데이터 저장장치(400)의 결과 및/또는 분석장치(500)에서 분석된 결과를 원격의 관리처로 송수신하기 위한 데이터 송수신장치(700)를 더 포함할 수 있다.
상기 지지체(100)는 수체에 수직하게 설치되는 것으로, 하단부 측은 수체의 바닥에 견고하게 고정되거나 수체 상부로부터 바닥에 근접하는 수심까지 하방으로 설치되고, 상단부 측은 수체의 표층 상부로 노출되게 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 지지체(100)는 그 내부에 채수 장치(200)에서 채수된 특정 수심의 시료를 어류서식환경 측정장치(300)로 제공하기 위하여 기밀하게 설치된 공급 라인(들)이 구비된다. 이 공급 라인(들)은 제어부와 연결된다.
상기 채수 장치(200)는 하천, 호소, 저수지 또는 해역 등의 수체에서 어류가 주로 서식하는 특정 수심에서 지지체(100)에 설치된다. 상기 채수 장치(200)의 채수 수심은 모니터링 대상이 되는 어종에 따라 하나 또는 복수의 수심이 선정될 수 있다.
상기 채수 장치(200)는 채수구를 갖는 채수 본체(210)와, 상기 채수 본체(210)의 채수 유입 측에 부착되어 수체 수중의 협잡물의 유입을 방지하기 위한 스트레이너(220), 및 상기 채수 본체(210)의 채수구에 설치되어 상기 제어부에 의해 개폐 제어되는 채수 밸브(230)를 포함한다.
여기에서, 상기 채수 장치(200)는 채수 밸브 대신에 채수 본체(210)로 시료를 펌핑하기 위한 펌핑 수단(미도시)을 구비하고, 상기 펌핑 수단은 제어부의 제어에 의해 미리 설정된 시간별로 또는 일정 간격으로 펌핑하도록 구성될 수 있다.
상기 채수 장치(200)는 지지체(100)에 이동가능한 방식으로 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 채수 장치(200)는 채수 본체(210)를 이동 안내하도록 랙기어 결합 이동 방식 또는 풀리/벨트 결합 이동방식의 구동 유닛(미도시)과, 상기 구동 유닛에 구동력을 제공하는 구동원(미도시)을 더 포함할 수 있다.
이와 같은 이동가능한 채수 장치(200)는 제어부의 제어에 의해 특정 지점 및 채수 시간 간격으로 채수 밸브(230)가 온/오프(on/off)되면서 해당 지점의 시료를 채수할 수 있게 된다.
상기 제어부는 어류서식환경 측정장치(300)에 포함되어 하나의 모듈로 구성될 수 있으며, 본 발명에서는 설명을 용이하게 하기 위하여 구분하여 설명한다. 상기 제어부에 의해 채수 장치(200)를 통해 채수되는 시료의 채수 시간 간격은 계절과 강우 등 기상 조건을 고려하여 선택적으로 산정하는 것이 바람직하다.
상기 어류서식환경 측정장치(300)는 제어부의 제어를 통해 사전에 설정되어 있는 시간대별로 또는 일정 간격으로 채수 장치(200)에서 채수된 시료를 모니터링 목적에 따라 사전에 선정 및 구축되어 있는 항목에 대하여 측정하게 된다.
상기 어류서식환경 측정장치(300)는 도 2에 도시된 바와 같이 채수된 시료로부터 암모니아독성을 측정하는 암모니아독성 측정수단(310); 및 용존산소(DO), 수소이온농도(pH), 수온, 총인(T-P), 클로로필a, 조류농도, 남조류 세포수, 부유물질(SS), 탁도, 전기전도도, 염분농도, 잔류염소농도 및 농도를 측정하는 이화학적 서식환경 측정수단(320) 중 적어도 하나를 포함한다. 그리고 수위, 유속 및 유량 등 수체의 물리적 서식환경을 측정하는 물리적 서식환경 측정수단(330)인 수위계(710), 유속계(720) 및 유량계를 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 어류서식환경 측정장치(300)는 어류의 서식환경에 치명적인 영향을 미치는 암모니아독성과 용존산소(DO)를 동시에 지속적으로 감시하도록 구성되는 것이 바람직하다. 상기 어류서식환경 측정장치(300)의 측정 작용에 대해서는 아래에서 상세히 설명한다.
한편, 상기 설명에서 어류서식환경 측정장치(300)와 채수 장치(200)는 별개로 구성되는 경우를 설명하고 있지만, 본 발명의 기술적 사상으로부터 볼 때 채수 장치(200)는 어류서식환경 측정장치(300)를 포함하여 구성되거나 어류서식환경 측정장치(300)로 대체될 수 있다. 다시 말해서, 채수 장치는 어류서식환경 측정장치와 일체로 구성되거나, 예를 들면 채수 장치는 어류서식환경 측정장치 중 수중에서 기본적인 어류서식환경의 영향 수질항목을 측정하는 수단(암모니아독성 측정수단, 이화학적 서식환경 측정수단)으로 대체될 수 있다. 즉, 채수장치는 생략되고 어류서식환경 측정장치가 지지체의 특정 수심에 구비되어 어류서식환경에 영향을 주는 암모니아독성 및 용존산소 등의 수질항목을 측정할 수 있도록 구성될 수 있다.
계속해서, 상기 데이터 저장장치(400)는 어류서식환경 측정장치(300)에서 실시간으로 측정된 결과를 저장하여 데이터베이스화 한다.
상기 어류서식환경 분석장치(500)는 데이터 저장장치(400)에 저장된 데이터를 분석하여 어류의 서식환경에 영향을 주는 예를 들면 암모니아독성과 용존산소(DO)를 시계열별로 분석하도록 구성된다.
여기에서, 상기 어류서식환경 분석장치(500)는 수환경의 변동이 완만한 경우에는 4~24시간에 1회씩 분석하는 것이 바람직하다. 한편, 수질사고 또는 강우가 발생하거나 계절적 요인에 의해 조류의 과다성장이 우려되는 등 집중적인 모니터링이 필요한 경우에는 30분~2시간 간격으로 보다 빈번하게 분석하는 것이 바람직하다.
상기 예·경보 발생장치(600)는 어류서식환경 분석장치(500)의 분석 결과를 활용하여 사전에 설정되어 있는 기준 데이터(어류의 서식환경으로서 적합한 기준 데이터)와 비교하여 적합 여부를 판단하고 예보 또는 경보를 발생시킨다. 여기에서, 예보 또는 경보는 다양한 방식으로 이루어질 수 있는데, 예를 들면 관리자에게 예·경보음 및/또는 디스플레이 화면으로 고지할 수 있다.
다음으로, 앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 어류서식환경에 영향을 주는 수질항목과 그의 기준에 대하여 설명한다.
암모니아(NH3 또는 NH4+)는 분자식이 NH3와 같다. 이 암모니아가 물속에 녹아있는 형태는 그대로 NH3로 존재하는 것과 NH4+와 같이 이온화 상태로 존재하는 것이 있다. 물속에서 이 두 가지 형태 이외로 존재하는 암모니아는 거의 없다.
이 두 가지 형태로 존재하는 암모니아(NH3 또는 NH4+)는 온도와 수소이온농도(pH)에 따라서 그 비율이 달라진다. 따라서, 비이온화된 암모니아(NH3)와 이온화된 암모니아(NH4+)의 비율을 온도와 pH에 관한 함수로 표현할 수 있고, 그 값은 다음과 같은 과정에 의해서 구할 수 있다.
Figure 112013048732709-pat00015
(1)
Figure 112013048732709-pat00016
(2)
Figure 112013048732709-pat00017
(3)
Figure 112013048732709-pat00018
(4)
Figure 112013048732709-pat00019
(T=℃) (5)
Figure 112013048732709-pat00020
(6)
Figure 112013048732709-pat00021
(7)
여기에서, K: 평형상수, K a : 산의 평형상수, K b : 염기의 평형상수, [A]: 물속에서 용존 상태인 A 물질의 농도, pA: -log10[A], %A: 물속에서 존재하는 A 물질의 % 분율을 의미한다.
위의 식들을 이용하여 25℃에서 NH3의 염기의 평형상수=1.810×10일 때, NH3의 백분율은 다음 표1과 같이 계산할 수 있게 된다.
수온이 25℃일 때 pH에 따른 암모니아(NH3 및 NH4+)의 존재비율
pH NH3 (%) NH4+ (%)
6.0 0.055 99.94
6.5 0.175 99.83
7.0 0.552 99.44
7.5 1.726 98.27
9.25 50 50
10.5 99 1
도 3은 온도와 pH에 따른 NH3 또는 NH4+의 존재비율의 변화를 나타내는 그래프이다.
또한, 위의 계산을 확장하여 다양한 온도와 pH에서 암모니아(NH3 또는 NH4+)의 존재비율을 계산할 수 있게 된다.
위의 표1과 도 3에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 발명자는 비이온화된 암모니아(NH3)의 농도는 고정되어 있는 것이 아니라 온도와 pH가 상승할수록 증가하는 것을 확인하였다. 상기 식 (1) 내지 (7)을 통하여 분석이 용이한 이온화된 암모니아(NH4+)의 농도와 수소이온농도(pH) 및 수온의 측정 결과를 활용하여 비이온화된 암모니아(NH3)의 농도를 산출할 수 있는 장점이 있게 된다.
다음으로, 비이온화된 암모니아(NH3)가 어류의 서식환경에 미치는 독성에 대하여 설명한다.
이온화된 암모니아(NH4+)는 조직을 통과하지 못하므로 어류에 독성을 나타내지 않으나, 비이온화된 암모니아(NH3)는 조직을 통과하여 어류에 치명적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 암모니아(NH3)의 독성은 환경요인의 영향을 받으면서 어류의 생활사, 어체 크기 및 종의 적응력 등에 따라 그 영향이 다르다. 체표면적으로 볼 때 수생태 환경과 가장 광범위하게 접촉하는 어체의 부위는 아가미이기 때문에 독성에 의해 일차적으로 영향을 받는 것은 호흡기관이다. 암모니아(NH3)가 어류에 미치는 영향은 어류의 아가미나 신장 조직 파괴, 산소소모량 증가 혹은 호흡수나 심장박동수 증가, 배설물량 증가, 헤모글로빈의 산소 운반능력 저하 등 다양하게 보고되고 있다. 또한, 높은 암모니아(NH3) 농도는 어류 난의 부화율과 자어나 치어의 성장률을 저하시키는 것으로 보고되고 있다.
비이온화된 암모니아(NH3)의 최대 안전농도는 측정지표 및 어종별로 그 농도에 상당한 차이를 보이고 있다. 통상적으로 어류의 서식환경을 보호하는 측면에서, 비이온화된 암모니아(NH3)의 농도가 0.2 mg/L 이상이면 어류에 미치는 독성이 치명적이므로 안전을 위해 0.02 mg/L을 기준으로 제시하고 있다. 이러한 비이온화된 암모니아(NH3)의 농도 기준은 앞서 설명한 예·경보 발생장치(600)에서 예보 또는 경보를 발생시키는 기준 데이터가 될 수 있다.
암모니아(NH3 또는 NH4+)는 질산화 미생물에 의해 산화되며 이때 수중의 용존산소(DO)를 이용하기 때문에 어류를 질식시킬 수 있고, 용존산소(DO)가 고갈되면 퇴적물로부터 인과 중금속의 용출을 가속시키는 등의 부작용을 유발하게 된다.
한편, 어류의 종류별로 이화학적 서식환경이나 물리적 서식환경에 대한 적정 범위를 설정할 수도 있다. 이러한 적정 범위는 예·경보 발생장치(600)에서 예보 또는 경보를 발생시키는 기준 데이터가 될 수 있다.
예를 들면, 수서생물의 기초적인 대사를 담당하는 산소의 공급원으로서 중요한 수질항목인 용존산소(DO)는 5.0 mg/L 이상으로 설정하거나 또는 대상 수체에 서식하는 어종에 적합한 범위를 조사하여 설정할 수 있다.
또한, 수소이온농도(pH)는 하천생활환경기준에서 제시하고 있는 좋음(Ib) 등급으로서 6.5∼8.5의 범위를 설정하거나 또는 대상 수체에 서식하는 어종에 적합한 범위를 조사하여 설정할 수 있다.
또한, 수온은 서식하는 어류의 종류에 따라 다르게 설정할 수 있다. 예를 들어 대상 수체에 서식하는 어종이 선호하는 하천환경에 따라 적정한 수온의 범위를 설정할 수 있게 된다.
하천생활환경기준에서 영양염류 중 하나인 총인(T-P)의 좋음(Ib) 등급은 0.04 mg/L 이하에 해당한다. 이와 같은 하천생활환경기준의 등급에 따르거나 또는 대상 수체에 서식하는 어종에 적합한 총인(T-P)의 농도를 조사하여 설정할 수 있다.
하천생활환경기준에서 부유물질(SS) 좋음(Ib) 등급은 25 mg/L 이하에 해당한다. 이와 같은 하천생활환경기준의 등급에 따르거나 또는 대상 수체에 서식하는 어종에 적합한 부유물질(SS)의 농도를 조사하여 설정할 수 있다.
또한, 과도한 오염물질의 유입에 따른 전기전도도의 증가나 해수 및 하폐수의 유입에 따른 염분농도의 증가 또한 수생태 환경에 악영향을 미칠 우려가 있으며, 이에 따라 대상 수체에 서식하는 어종에 적합한 범위를 조사하여 설정할 수 있다.
또한, 염소계 소독제의 과다한 주입에 주로 기인하는 고농도의 잔류염소 또한 생태독성을 유발하므로 대상 수체에 서식하는 어종에 적합한 범위를 조사하여 설정할 수 있다.
또한, 대상 수체에 서식하는 어종별로 각 성장단계에 따라 적합한 물리적 서식환경으로서 수위, 유속 및 유량의 범위 또한 변화한다. 대상이 되는 어종에 따라 적합한 범위를 조사하여 설정할 수 있다.
다음으로, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 어류서식환경 실시간 예·경보 방법에 대하여 설명한다. 도 4는 본 발명에 따른 어류서식환경 실시간 예·경보 방법에 대하여 개략적으로 도시한 플로차트이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 어류서식환경 실시간 예·경보 방법은, 하천, 호소, 저수지 및 해역 등의 수체를 대상으로 급성 또는 만성의 어류 독성을 나타내는 수질항목을 모니터링하여 예·경보하기 위한 방법으로서, 해당 수체에서 대상이 되는 어류를 선정하고 이에 대한 어류서식환경 예·경보항목을 설정하는 예·경보항목 설정 단계(S100); 설정된 예·경보항목에 대한 기준을 설정하는 예·경보항목 기준 설정 단계(S200); 해당 수체에 대한 시료를 채수하는 시료 채수 단계(S300); 채수된 시료에 대하여 어류서식환경에 대한 수질항목을 측정하는 수질항목 측정단계(S400); 측정된 수질항목에 대한 데이터를 저장하는 데이터 저장 단계(S500); 상기 설정된 예·경보항목에 근거하여 저장된 데이터와 기준 데이터를 비교하고 분석하는 비교분석 단계(S600); 비교 분석된 결과에 근거하여 상기 설정된 예·경보기준을 만족하는지 판단하여 예·경보 의사를 결정하는 예·경보 의사결정 단계(S700)를 포함한다.
상기 예·경보항목 설정 단계(S100)에서 설정되는 예·경보항목은 암모니아독성 항목과, 용존산소(DO), 수소이온농도(pH), 수온, 총인(T-P), 클로로필a, 조류농도, 남조류 세포수, 부유물질(SS), 탁도, 전기전도도, 염분농도, 잔류염소농도 및 조도 등을 포함하는 이화학적 서식환경 항목 중 적어도 하나를 포함한다. 또한, 예·경보항목은 수위, 유속 및 유량 등 수체의 물리적 서식환경을 측정하는 물리적 서식환경 항목을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 예·경보항목 기준 설정 단계(S200)에서 예·경보항목 기준은 암모니아독성 항목의 경우 비이온화된 암모니아(NH3)의 농도가 0.02mg/L이 기준(즉, 그 이상)이 되도록 한다.
이화학적 서식환경 항목 및 물리적 서식환경 항목의 경우에서 기준은 대상 수체에 서식하는 어종에 적합한 범위를 조사하여 설정할 수 있다. 예를 들면, 용존산소(DO)의 경우 5.0mg/L이 기준(즉, 그 이하)이 되고, 수소이온농도(pH)의 경우는 하천생활환경기준에서 제시하고 있는 좋음(Ib)의 등급으로서 6.5~8.5의 범위가 기준으로 된다.
또한, 영양염류 중 하나인 총인(T-P)의 경우는 하천생활환경기준에서 좋음(Ib) 등급인 0.04mg/L가 기준(즉, 그 이상)이 되고, 부유물질(SS)의 경우는 좋음(Ib) 등급인 25mg/L가 기준(즉, 그 이상)이 된다.
다음으로, 시료 채수 단계(S300)는 앞서 설명한 채수 장치(200) 등을 통해 채수되고, 채수된 시료는 수질항목 측정 단계(S400)에서 앞서 어류서식환경에 영향을 미치는 항목들, 즉 암모니아독성, 이화학적 서식환경 항목 및/또는 물리적 서식환경 항목에 대해서 측정하게 되며, 측정된 데이터는 데이터 저장장치 등을 통해 저장된다(S500).
여기에서, 암모니아독성의 측정과 관련하여, 암모니아는 두 가지 형태(NH3 또는 NH4+)로 존재할 수 있는데, 이는 온도와 수소이온농도(pH)에 따라서 그 비율이 달라진다. 따라서, 비이온화된 암모니아(NH3)와 이온화된 암모니아(NH4+)의 비율을 온도와 pH에 관한 함수로 표현할 수 있고, 그 값은 다음과 같은 과정에 의해 구해져 측정될 수 있다.
Figure 112013048732709-pat00022
(1)
Figure 112013048732709-pat00023
(2)
Figure 112013048732709-pat00024
(3)
Figure 112013048732709-pat00025
(4)
Figure 112013048732709-pat00026
(T=℃) (5)
Figure 112013048732709-pat00027
(6)
Figure 112013048732709-pat00028
(7)
여기에서, K: 평형상수, K a : 산의 평형상수, K b : 염기의 평형상수, [A]: 물속에서 용존 상태인 A 물질의 농도, pA: -log10[A], %A: 물속에서 존재하는 A 물질의 % 분율을 의미한다.
계속해서, 비교 분석 단계(S600)는 기본적으로 암모니아독성 분석(S610) 및 이화학적 서식환경 분석(S620) 중 적어도 하나를 실행하며, 부가적으로 물리적 서식환경 분석(S630)을 행할 수 있다. 이때, S610 내지 S630의 비교 분석은 어류서식환경에 가장 큰 영향을 미치는 암모니아독성 분석(S610) 단계를 우선적으로 하여 순차적으로 진행하는 것이 바람직하다.
이때, 각 비교 분석 단계(S610 ~S630)에서는 측정된 데이터와 기준 데이터를 비교하여 각각 암모니아독성 예·경보 기준을 만족하는지(S611), 이화학적 서식환경 예·경보 기준에 만족하는지(S621) 그리고 물리적 서식환경 예·경보 기준에 만족하는지(S631) 판단하게 된다.
상기 각 비교 분석 단계(S610 ~ S630)에서 비교 분석한 결과를 바탕으로 예·경보 의사결정 단계(S700)에서는 기준에 가깝거나 그 이상으로 판단되는 경우 예보 또는 경보를 관리자에게 고지하게 된다.
한편, 본 발명의 어류서식환경 실시간 예·경보 방법은 저장된 데이터 및 비교 분석 결과를 원격의 관리처로 송수신하기 위한 단계를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 어류서식환경 실시간 예·경보 시스템 및 예·경보 방법에 따르면, 강우유출수의 유입, 하폐수의 유입, 주야간의 24시간 주기 및 시계열 수질변화 등 매 시간 단위로 변화하는 어류서식환경의 변화를 실시간으로 모니터링하고, 데이터베이스를 구축하고, 예·경보를 발생함으로써 수서생물의 서식환경을 보전할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 어류서식환경 측정장치의 측정 결과와 어류서식환경 분석장치의 분석 결과와 예·경보 발생장치의 예보 또는 경보 발생 기록은 데이터 저장장치에 저장되고, 데이터 저장장치의 데이터가 데이터 송수신장치로 유선 또는 무선의 수단에 의해 전송·저장되고, 데이터 저장장치 또는 데이터 송수신장치에 저장되어 있는 결과를 활용하여 해당 수체의 어류서식환경에 대한 부가적인 정보서비스를 제공하거나 창출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 암모니아(NH3), 수소이온농도(pH), 수온 및 용존산소(DO) 등 상호 복합적으로 작용하는 어류서식환경 독성 인자들의 상호작용을 동시에 실시간으로 감시함으로써 단순히 항목별로만 감시하는 기법과 비교하여 어류서식환경에 미치는 복잡한 수질 항목간 영향을 종합적으로 판단할 수 있어 기존의 모니터링 기법과 비교하여 수생태 환경의 변화가 수서생물에 미치는 영향을 정량적으로 판단하는 기초를 제공하고, 물고기 집단폐사 등의 수질사고를 예방하는 직접적인 수단을 제공할 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 수체
100: 지지체
200: 채수 장치
300: 어류서식환경 측정장치
400: 데이터 저장장치
500: 어류서식환경 분석장치
600: 예·경보 발생장치
700: 송수신장치
710: 수위계
720: 유속계

Claims (16)

  1. 하천, 호소, 저수지 및 해역을 포함하는 수체를 대상으로 급성 또는 만성의 어류 독성을 나타내는 수질항목을 모니터링하여 실시간 경보하기 위한 시스템으로서,
    수체에 설치되는 지지체;
    상기 지지체에 구비되어 소정 수심의 수생태 환경을 측정하기 위해 시료를 채수하는 채수 장치;
    상기 채수 장치에서 채수된 시료를 제공받아 어류서식환경에 대한 수질항목을 측정하기 위한 어류서식환경 측정장치;
    상기 채수 장치와 어류서식환경 측정장치를 제어하는 제어부;
    상기 어류서식환경 측정장치에서 측정된 결과를 저장하는 데이터 저장장치;
    어류 독성을 나타내는 수질항목을 평가하기 위하여 상기 데이터 저장장치에 저장된 데이터를 분석하는 어류서식환경 분석장치; 및
    상기 어류서식환경 분석장치의 분석 결과에 근거하여 미리 설정된 기준 데이터와 비교 판단하여 예보 또는 경보를 발생하는 예·경보 발생장치를 포함하고,
    상기 채수 장치는 채수구를 갖는 채수 본체와, 상기 채수 본체의 채수 유입 측에 부착되어 협잡물의 유입을 방지하기 위한 스트레이너와, 상기 채수 본체의 채수구에 설치되어 상기 제어부에 의해 개폐 제어되는 채수 밸브와, 상기 채수 본체를 이동 안내하도록 랙기어 결합 이동 방식 또는 풀리와 벨트 결합 이동방식의 구동 유닛, 및 상기 구동 유닛에 구동력을 제공하는 구동원을 포함하고,
    상기 어류서식환경 측정장치는 채수된 시료로부터 암모니아독성을 측정하는 암모니아독성 측정수단; 및 용존산소(DO), 수소이온농도(pH), 수온, 총인(T-P), 클로로필a, 조류농도, 남조류 세포수, 부유물질(SS), 탁도, 전기전도도, 염분농도, 잔류염소농도 및 조도를 측정하는 이화학적 서식환경 측정수단 중 하나 이상을 포함하고,
    상기 수질 항목은 비이온화된 암모니타(NH3)에 기인하는 암모니아독성을 포함하고, 용존산소(DO), 수소이온농도(pH), 수온, 총인(T-P), 클로로필a, 조류농도, 남조류 세포수, 부유물질(SS), 탁도, 전기전도도, 염분농도, 잔류염소농도 및 조도 중 적어도 하나 이상을 포함하며,
    상기 어류서식환경 예·경보 발생장치는 비이온화된 암모니아(NH3)의 농도가 0.02mg/L 이상이고, 용존산소가 5.0mg/L 이하인 경우, 수소이온농도(pH)가 6.5∼8.5의 범위를 벗어나는 경우, 총인(T-P)이 0.04mg/L 이상인 경우, 부유물질(SS)이 25mg/L 이상인 경우에 예보 또는 경보를 발생시키도록 구성되는
    어류서식환경 실시간 경보 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 어류서식환경 측정장치에 포함되어 하나의 모듈로 구성되고,
    상기 어류서식환경 측정장치는 상기 채수장치와 일체로 형성되는
    어류서식환경 실시간 경보 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    어류의 물리적 서식환경을 측정하기 위하여 상기 지지체의 상부 측에 설치되어 수체의 수위를 측정하기 위한 수위계, 상기 수체의 상부 측이나 바닥 또는 수중에 설치되어 수체의 유속을 측정하기 위한 유속계 및 상기 수체에 설치되는 유량을 측정하기 위한 유량계 중 적어도 하나 이상을 더 포함하는
    어류서식환경 실시간 경보 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 어류서식환경 측정장치는 비이온화된 암모니아(NH3)와 이온화된 암모니아(NH4+)의 비율을 다음의 식 (1) 내지 (7)을 통해 구하는
    Figure 112013103222525-pat00029
    (1)
    Figure 112013103222525-pat00030
    (2)
    Figure 112013103222525-pat00031
    (3)
    Figure 112013103222525-pat00032
    (4)
    Figure 112013103222525-pat00033
    (T=℃) (5)
    Figure 112013103222525-pat00034
    (6)
    Figure 112013103222525-pat00035
    (7)
    (여기에서, K: 평형상수, Ka : 산의 평형상수, Kb : 염기의 평형상수, [A]: 물속에서 용존 상태인 A 물질의 농도, pA: -log10[A], %A: 물속에서 존재하는 A 물질의 % 분율)
    어류서식환경 실시간 경보 시스템.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 저장장치의 결과 및 상기 분석장치에서 분석된 결과를 원격의 관리처와 송수신하기 위한 데이터 송수신장치를 더 포함하는
    어류서식환경 실시간 경보 시스템.
  10. 하천, 호소, 저수지 및 해역을 포함하는 수체를 대상으로 급성 또는 만성의 어류 독성을 나타내는 수질항목을 모니터링하여 경보하기 위한 방법으로서,
    해당 수체에서 대상이 되는 어류를 선정하여 어류서식환경 예·경보항목을 설정하는 예·경보항목 설정 단계;
    설정된 예·경보항목에 대한 기준을 설정하는 예·경보항목 기준 설정 단계;
    해당 수체에 대한 시료를 채수하는 시료 채수 단계;
    채수된 시료에 대하여 어류서식환경에 대한 수질항목을 측정하는 수질항목 측정단계;
    측정된 수질항목에 대한 데이터를 저장하는 데이터 저장 단계;
    상기 설정된 예·경보항목에 근거하여 저장된 데이터와 기준 데이터를 비교 분석하는 비교분석 단계; 및
    비교 분석된 결과에 근거하여 상기 설정된 예·경보기준을 만족하는지 판단하여 예·경보 의사를 결정하는 예·경보 의사결정 단계를 포함하며,
    상기 예·경보항목 기준 설정 단계에서 예·경보항목 기준은, 암모니아독성의 경우 비이온화된 암모니아(NH3)의 농도가 0.02mg/L 이상이고, 용존산소(DO)의 경우 0.5mg/L 이하이고, 수소이온농도(pH)의 경우 6.5~8.5의 범위를 벗어나고, 총인(T-P)의 경우 0.04mg/L 이상이고, 부유물질(SS)의 경우 25mg/L 이상인
    어류서식환경 실시간 경보 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 예·경보항목 설정 단계는
    암모니아독성 항목; 용존산소(DO), 수소이온농도(pH), 수온, 총인(T-P), 클로로필a, 조류농도, 남조류 세포수, 부유물질(SS), 탁도, 전기전도도, 염분농도, 잔류염소농도 및 조도를 포함하는 이화학적 서식환경 항목 중 적어도 하나를 포함하도록 예·경보항목을 설정하는
    어류서식환경 실시간 경보 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 예·경보항목은 수위, 유속 및 유량을 포함하는 수체의 물리적 서식환경 항목을 더 포함하는
    어류서식환경 실시간 경보 방법.
  13. 삭제
  14. 제10항에 있어서,
    상기 수질항목 측정단계에서 수질항목은 비이온화된 암모니아(NH3)에 기인하는 암모니아독성을 포함하며,
    비이온화된 암모니아(NH3)와 이온화된 암모니아(NH4+)의 비율을 다음의 식 (1) 내지 (7)을 통해 구하는
    Figure 112013103222525-pat00036
    (1)
    Figure 112013103222525-pat00037
    (2)
    Figure 112013103222525-pat00038
    (3)
    Figure 112013103222525-pat00039
    (4)
    Figure 112013103222525-pat00040
    (T=℃) (5)
    Figure 112013103222525-pat00041
    (6)
    Figure 112013103222525-pat00042
    (7)
    (여기에서, K: 평형상수, Ka : 산의 평형상수, Kb : 염기의 평형상수, [A]: 물속에서 용존 상태인 A 물질의 농도, pA: -log10[A], %A: 물속에서 존재하는 A 물질의 % 분율)
    어류서식환경 실시간 경보 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 비교 분석 단계는 암모니아독성 분석 및 이화학적 서식환경 분석 그리고 물리적 서식환경 분석을 행하며,
    상기 비교 분석 단계에서는 측정된 데이터와 기준 데이터를 비교하여 각각 암모니아독성 예·경보 기준을 만족하는지, 이화학적 서식환경 예·경보 기준을 만족하는지 그리고 물리적 서식환경 예·경보 기준을 만족하는지 판단하는
    어류서식환경 실시간 경보 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 비교 분석 단계에서 비교 분석한 결과를 바탕으로 예·경보 의사결정 단계에서는 기준에 가깝거나 그 이상으로 판단되는 경우 예보 또는 경보를 관리자에게 고지하며,
    저장된 데이터 및 비교 분석 결과를 원격의 관리처로 송수신하는 단계를 더 포함하는
    어류서식환경 실시간 경보 방법.
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