성층현상(Stratification)

왜 배우는가: 성층현상은 호소·저수지 수질과 취수 위치 선정을 결정하는 기본 현상이다. 여름철 저층의 빈산소화로 망간·철이 용출되고, 취수 깊이에 따라 수질이 크게 달라지므로 취수원 계획과 정수처리 설계에서 반복해 다뤄진다. 수온성층과 전도(순환)를 함께 이해해야 계절별 수질 변화를 설명할 수 있어 시험에도 자주 나온다.

출제 이력: 제131회 4교시 6번, 제119회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

호소·저수지 수층이 수온 차에 의해 밀도 차를 가지고 상·하층으로 나뉘어 물의 혼합이 억제되는 현상을 수온에 의한 밀도 차로 수층이 상·하로 분리되어 혼합되지 않는 현상이라 한다.

• 수온성층(Thermal Stratification)
• 표수층(Epilimnion)
• 수온약층(Thermocline, Metalimnion)
• 심수층(Hypolimnion)
• 전도(Turnover)
• 빈산소화(Anoxia)
• 최대밀도(Maximum Density)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 여름에 호수 위쪽 물은 따뜻해서 가볍고, 아래쪽 물은 차가워서 무겁다. 가벼운 물이 위에 머물러 아래와 섞이지 않는 상태가 성층이다. 이때 위와 아래의 물은 같은 호수에 있어도 수질이 다르다.

정식 정의로는 수온이 깊이에 따라 달라 물의 밀도가 수직으로 변하고, 그 결과 수층 사이의 혼합이 차단되는 현상을 말한다. 담수는 약 4℃에서 밀도가 최대이고, 그보다 따뜻한 물이 위에 떠 있을 때 성층이 뚜렷해진다.

성층 구조는 세 층으로 나뉜다. 표수층은 햇빛과 바람의 영향을 받아 수온이 높고 산소가 풍부한 상층이다. 수온약층은 수온이 깊이에 따라 급격히 떨어지는 중간층이며, 대개 수온이 5~10℃ 떨어진다. 심수층은 햇빛이 닿지 않고 수온이 낮게 유지되는 하층이다. 수온약층은 두 층을 가르는 경계라서 혼합을 가장 강하게 막는다.

성층은 수질 차이를 만든다. 표수층에서는 조류 광합성으로 용존산소가 과포화되고 pH가 올라갈 수 있다. 심수층에서는 유기물 분해와 산소 소모로 산소가 고갈되어 혐기성 상태가 된다. 이 차이가 취수 위치 선정과 정수처리 설계의 출발점이다.

성층이 생기는 조건은 깊이, 수면 노출, 바람의 세기, 계절 기온 변화다. 수심이 깊고 바람이 약한 호소에서 성층이 강하고 오래 지속된다. 반대로 얕은 호소는 바람에 쉽게 섞여 성층이 약하다.

3. 등장 배경과 필요성

성층현상은 기후가 뚜렷하게 바뀌는 온대 지역의 호소에서 해마다 반복된다. 봄에 표층이 데워지면서 성층이 만들어지고, 가을에 표층이 식어 밀도가 커지면 상·하층이 다시 섞인다. 이 순환이 한 해에 한두 번 일어나는 것이 성층·전도의 기본 주기다.

국내 저수지는 오래되고 깊은 퇴적층을 가진 곳이 많으며, 임야 면적이 넓어 영양염류 유입이 많다. 그 결과 부영양화가 진행되고 표층에는 조류가 대량 발생한다. 조류가 죽어 가라앉으면 심수층의 산소가 소모되고, 퇴적물에서 망간·철이 용출되어 수돗물의 색도 문제를 일으킨다.

따라서 성층현상을 이해해야 취수탑에서 취수 깊이를 정하고, 여름철 저층 취수를 피하며, 가을 전도 때 발생하는 수질 급변에 대비할 수 있다. 상수도 취수 계획에서 성층은 수질 안정성을 판단하는 핵심 조건이다.

4. 구성요소·원리·절차

성층현상은 수온에 따른 밀도 차로 물이 연직 방향으로 층을 이루어 섞이지 않는 현상이다. 호소는 표수층(Epilimnion), 수온약층(Thermocline), 심수층(Hypolimnion) 세 층으로 구분된다. 세 층은 수온, 밀도, 용존산소, 영양염 농도가 서로 달라 수질 관리 관점에서 구분해 쓴다.

표수층은 햇빛을 받아 수온이 높고, 조류 광합성으로 용존산소가 많다. 수온약층은 수온이 5~10℃ 정도 급격히 떨어지는 구간이며, 이 층이 상하층 물 교환을 막는다. 심수층은 수온이 낮아 밀도가 크고, 여름철에는 산소 소비가 많아 빈산소 또는 무산소 상태가 되기 쉽다. 수온약층 깊이는 여름철 햇빛 흡수와 바람에 따라 달라진다.

성층 형성 원리는 다음과 같다. 물은 4℃에서 밀도가 최대이며, 온도가 높을수록 밀도가 작아진다. 이 때문에 따뜻한 물이 위에 머물고 차가운 물이 아래에 머문다. 바람 에너지가 표층 물을 섞는 힘이 밀도 차에 의한 안정 작용보다 작아지면 층이 유지된다. 호소의 깊이가 깊을수록, 그리고 표층 가열이 강할수록 성층은 뚜렷해진다.

성층 형성과 전도(循環, turnover)의 절차는 다음과 같다.

• 봄: 표층 수온이 상승하여 4℃ 부근의 물이 전층에서 고르게 되면 전도(Turnover) 가 일어나 전층이 섞인다.
• 초여름: 표층이 가열되어 밀도가 작아지고 수온약층이 형성되어 성층(Stratification) 이 시작된다.
• 여름: 수온약층이 상하 물 교환을 막고, 심수층 산소가 소비되어 고갈된다.
• 가을: 표층 냉각으로 수온이 떨어지고 바람이 강해져 수온약층이 무너진다. 이때 가을 전도가 일어난다.
• 겨울: 표층이 4℃ 이하로 냉각되면 밀도가 작아져 얼음 아래 역성층이 생길 수 있다.

5. 관련 법령·기준·표준

성층현상 자체는 법령에서 수치로 규정하지 않는다. 다만 호소 수질 관리와 취수 계획에서 참고하는 기준은 다음과 같다. 수질 기준은 「물환경보전법」과 「먹는물 수질기준 및 검사 등에 관한 규칙」에 따른다. 저수지 수질 관리는 「댐·저수지 수질관리」 관련 지침을 따른다.

기준값은 현행 법령과 고시의 개정에 따라 바뀔 수 있다. 개정 연혁은 「먹는물 수질기준 및 검사 등에 관한 규칙」의 시행일을 따른다. 저수지 취수 계획에는 수온과 용존산소 분포를 측정해 취수 수심을 정한다.

6. 유형과 비교

호소·저수지의 성층은 수온 변화에 따라 나타나는 형태에 따라 구분한다. 기후대와 수심, 바람·유입 조건에 따라 같은 호소도 계절마다 다른 형태를 보인다. 대표적인 구분은 전도 횟수(순환 횟수)와 성층의 지속성 기준이다.

단순 분류

표는 전도 횟수를 기준으로 나눈 것이다. 국내 저수지는 봄·가을 전도가 일어나는 복순환형 거동을 보이는 경우가 많다. 영구 성층호는 저층수가 장기간 전도되지 않아 저층의 혐기화가 심해진다.