호수 성층·전도현상

왜 배우는가: 호수의 성층현상과 전도현상은 수질관리기술사 시험에서 여러 교시에 걸쳐 반복해 출제되는 주제이다. 실무에서는 저층 용존산소 고갈과 내부 영양염 용출을 설명하는 근거가 되므로 원리를 정확히 알아야 한다.

출제 이력: 제122회 2교시 2번, 제119회 4교시 3번, 제116회 3교시 5번, 제101회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

호소의 성층현상은 수온 차에 따른 밀도 차로 수층이 혼합되지 않고 층을 이루는 현상이다. 답안 첫 줄은 이 정의로 시작하고, 이어서 계절에 따라 그 층 구조가 무너지는 전도현상을 연결한다. 전도현상은 층이 무너져 전 수층의 수온과 수질이 고르게 되는 현상이므로, 두 현상은 따로 외우지 않고 하나의 연간 주기로 이해해야 한다. 이 주기를 알아야 시기별 수질 변화를 설명할 수 있다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 성층현상: 수온 차로 밀도 차가 생겨 수층이 상·중·하로 나뉘는 현상
• 전도현상: 계절 변화로 층 구조가 무너져 전 수층이 혼합되는 현상
• 표수층(Epilimnion): 태양열을 받아 따뜻하고 산소가 풍부한 상층
• 수온약층: 수온이 깊이에 따라 급격히 변하는 중간층
• 심수층(Hypolimnion): 차갑고 무거우며 외부 산소 공급이 적은 하층
• 완전혼합: 전도 때 수층 전체의 수온과 용존산소, 영양염 농도가 고르게 되는 상태
• 역성층(Inverse stratification): 겨울에 얼음 아래의 찬물이 위에, 상대적으로 따뜻한 물이 아래에 놓이는 구조

2. 개념 풀이

호소의 성층현상은 수온 차로 생긴 밀도 차에 의해 수층이 연직 방향으로 섞이지 않고 여러 층으로 나뉘어 유지되는 현상이다. 물은 밀도가 작은 쪽이 위에, 큰 쪽이 아래에 놓이려는 성질이 있으므로, 밀도 차가 클수록 상하층 사이의 혼합은 강하게 억제된다. 따라서 성층의 성립 조건은 바람과 같은 외력보다 수온 분포로 만들어지는 밀도 구배가 충분히 큰가에 달려 있다.

여름철에는 표층이 태양복사열을 흡수해 데워지고, 그 열은 물속으로 천천히 전달된다. 그 결과 표층 부근의 표수층은 따뜻하고 가볍게 되고, 그 아래 수온이 급격히 떨어지는 수온약층을 거쳐 차가운 심수층이 생긴다. 수온약층은 수온 구배가 가장 큰 층이어서 밀도 구배도 가장 커지므로, 상층과 하층 사이의 물 교환을 막는 장벽 역할을 한다.

성층이 생기는 직접 원인은 수층 사이의 수온 차이에서 나오는 밀도 차이다.

원리는 물의 밀도가 온도에 따라 단조롭게 변하지 않는다는 데 있다. 담수는 약 4℃에서 밀도가 가장 크고, 그보다 높거나 낮아지면 밀도가 작아진다. 이 비선형 특성 때문에 여름에는 따뜻한 표층이 위에 머무르고, 겨울에는 0℃ 가까이 식은 얼음 아래 물이 4℃ 부근의 물보다 가벼워 위에 머무른다.

가을이 되면 기온이 낮아져 표층이 냉각되고, 표층 밀도가 커져 아래 물과의 밀도 차가 줄어든다. 여기에 바람이 불면 수층이 섞이면서 호수 전체가 거의 같은 수온과 용존산소 농도를 갖게 되는데, 이것을 전도현상이라 한다. 봄에도 표층이 4℃ 부근까지 데워지면 밀도가 같아지면서 같은 과정이 일어난다. 전도현상이 일어나면 완전혼합에 가까운 상태가 되어 저층에 쌓였던 영양염과 산소 소비로 생긴 저산소 물이 표층과 섞인다.

겨울에는 표층이 0℃ 가까이 식어 얼음 아래 찬물이 위에 놓이고, 바닥 쪽에는 4℃ 부근의 물이 남는 역성층이 나타난다. 이 구조는 전도현상과 방향이 반대이므로 시험에서 혼동하지 않아야 한다. 한편 문항에서 '역전현상(Turn over)'으로 표기된 경우는 대부분 전도현상과 같은 뜻으로 쓰인다.

연간 주기로 보면 온대 복혼합호는 봄 전도, 여름 성층, 가을 전도, 겨울 역성층의 순서로 변한다. 이 순서를 한 번 도식처럼 그려 두면 각 시기의 수온 분포와 수질 특성을 빠짐없이 설명할 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

호소 관리에서 성층현상이 중요해진 이유는 저층 용존산소의 고갈에 있다. 성층이 형성되면 심수층은 표층과의 기체 교환과 광합성 산소 공급이 끊어진다. 그 사이 심수층에서 유기물이 분해되며 산소가 소비되어 저층이 빈산소 또는 무산소 상태가 된다. 이 현상은 호수에 유입된 유기물이 많을수록 강해진다.

저산소 상태는 수질 문제를 호수 내부로 확장시킨다. 저층 퇴적물 표면이 저산소 조건이 되면 퇴적물에 결합되어 있던 인이 수체로 방출된다. 이를 내부 영양염 부하라고 하며, 외부 유입 부하를 줄이더라도 호소 내부에서 인이 계속 공급되면 부영양화 개선이 늦어진다. 가을 전도현상은 이렇게 축적된 인과 저층의 물을 표층 전체로 섞어 조류 성장을 촉진할 수 있다.