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1. 서 론

 대형 해조들이 군락을 형성하는 해중림은 연안 생태계에서 중요한 일차 생산자로서 물질순환의 중심을 이루고 있을 뿐만아니라, 어류 또는 무척추동물을 포함한 다양한 생물의 서식공간으로서 군집의 이차생산력을 높이는 역할을 한다. 이와 같이 해중림은 첫째, 상대 성장률이 크므로 단위 시간당 물질생산력이 높아 해당 생태계에 필요한 물질을 상대적으로 많이 제공하며, 둘째, 큰 숲을 이루므로 어류에게는 포식자로부터 숨을 공간을 제공하고, 셋째, 개체의 형태구조가 복잡함으로 인해 표면부착생물의 착생을 증가시켜 생물종의 다양성 증대 및 이를 먹이원으로 하는 어류의 생체량 증대를 유도한다(강, 2005). 또한, 오염된 해역에서는 환경을 개선시켜 주고, 서식지가 파괴된 해역에서는 서식지를 확대해 줌으로써 퇴화된 해양생태계의 복원과 균형을 유지할 수 있는 중요한 기능도 가지고 있다.

최근 우리나라에서는 해조군락이 소멸되고 무절석회조류가 번무하는 갯녹음현상이 확산되고 있으며, 갯녹음현상의 확산으로 인해 조식성 동물은 먹이장 파괴로 인해 죽거나 먹이를 찾아 이동하게 된다. 이와 같이 해조 군집을 서식장으로 이용하는 모든 생물은 서식장과 산란장 파괴로 인해 삶의 터전을 잃게된다. 이 보다 더 큰 문제는 해양생태계의 균형이 유지될 수 없다는 점이다. 따라서 갯녹음 확산에 대처하기 위해서는 무엇보다 먼저 갯녹음을 일으키는 원인을 명확히 밝혀야 할 것이며, 이어서 파괴된 갯녹음 해역을 어떻게 효율적으로 복원할 것인가에 대한 대안이 제시되어야 할 것이다(김, 2006).

 이러한 대안제시로서 소멸된 해조장을 자연재생의 관점으로 접근하여야 할 것이고 또한, 회복하는 방안의 하나로서 우리나라에서는 바다숲 조성사업을 수행하고 있다(국립수산과학원, 2009).

 바다숲을 조성하기 위한 기술적인 방법의 하나로서 암초성해조가 서식할 수 있도록 인공 및 자연암반 등과 같은 기질을 부여하는 해중림어초의 시설을 들 수 있다. 바다숲을 조성하기위해서는 해중림어초의 효율성과 경제성을 고려한 어초의 선정을 위하여 어초의 안정성과 해조의 착생 및 서식 등 여러 가지요소에 대해 사전에 충분히 파악되어야 한다(농림수산식품부, 2010). 또한, 인위적으로 조성된 바다숲은 황폐화된 갯녹음 지역에서 핵 해조장의 역할을 수행함으로서 해중림어초를 중심으로 포자를 먼 곳까지 확산시켜 해중림어초에 착생·서식하는 해조류들로 주변까지 바다숲이 만들어져야만 성공적으로 바다숲을 조성하였다고 할 수 있다(오, 2010). 즉, 해수의 흐름은 포자의 확산과 매우 밀접한 관계를 지니고 있어 해중림어초를 결정하는데 중요한 요소임을 알 수 있다.

따라서, 본 연구의 목적은 거문도 바다숲 조성해역의 해수유동 특성을 파악하여 해중림어초의 시설시 자연해조장으로부터의 해조류의 포자나 유배의 확산이 잘 되도록 배치하는데 기초자료로 활용하는데 있다(Fig. 1).

Fig. 1. Natural Seagrass Site.

2. 자료 및 방법

2.1 해수유동조사

 연구대상해역의 물리적 특성을 파악하고, 그 결과를 종합적으로 분석하여 수치모형실험의 입력자료 및 검증자료로 활용하기 위하여 Fig. 2의 거문리와 덕촌리 사이 해역에서 Table 1과 같이 조석관측은 30일간 정점 T-1에서 RBR사의 TGR-2050을 이용하여 관측을 실시하였으며, 국립해양조사원 조위관측소(Tidal station)인 정점 T-2에서 동일기간 조위 관측자료를 분석 하였다. 또한, 연속조류관측은 Anderaa사의 RCM-9을 이용하여 저층에 계류시킨후 4개의 정점에서 25시간 및 15일 조류관측을 실시하였다. 또한, 2개의 정점에서 TGPS 부이 및 Drogue를 이용하여 대조기시, 소조기시 만조 및 간조시에 각각 6시간동안 부표추적을 실시하여 해수유동 특성을 파악하였다.

Fig. 2. Study Area.

Table 1. Description of ocean observation

 한편, 해수유동 자료의 조화분석은 영국 Proudman 해양연구소에 의해 개발되어 현재 국내외의 많은 연구기관 및 연구자들에게 널리 사용되고 있는 TASK2000(Tidal Analysis Software Kit)를 이용하였다.

2.2 수치실험

2.2.1 수치실험의 개요

해수유동 수치실험에 사용된 EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)는 연안, 하구, 호소, 습지, 저수지 등의 유동 및 물질수송을 모의하는 3차원 수치모델로서 미국 Virginia 연안 및 하구연구를 위한 장기 연구사업의 일환으로 개발되었으며, 대학, 연구기관, 국가기관, 사설연구기관 등에서 널리 사용되고 있다. 현재는 공개되어 미국 환경청(US EPA)의 지원을 받아 지속적인 유지, 관리 및 업그레이드를 하고 있으며, 미국 환경청(US EPA) 공인 모델로 지정되어 있다.

2.2.2 모델의 기본 기능

 EFDC는 크게 유동, 퇴적물이동, 수질의 세 요소로 구성되어 있으며, 유동모델 부분은 수온과 염분을 동시에 고려할 수 있는 3차원 천해방정식을 기본으로 하고 있다.

 기본적인 물리적 구조는 POM 모델(Blumberg and Mellor, 1987), 미국 육군공병단(US Army Corps of Engineers)의 CH3D-WES 모델 및 TRIM 모델(Casuli and Cheng, 1992)과 유사하나 EFDC는 습지에서의 유동현상을 고려하기 위하여 잘피군락 등과 같은 식물군락에 의한 저항 및 천해 연안역에서 파랑에 의한 단주기 표면중력파의 외력 등도 고려할 수 있다(Hamrick, 1996).

 EFDC 모델은 현재까지 수많은 수역의 연구에 적용되어 왔으며, 대표적인 수력학적 연구들로는 미국 버지니아의 James and York Rivers에서 담수유입으로 인한 희석효과, 해안선변화, 치패(Shellfish larvae)의 이동에 관한 연구(Hamrick, 1992;Hamrick, 1994), 미국 플로리다 Indian Lagoon and Sebastian River에서 염수 침입에 대한 연구(Moustafa and Hamrick, 1993), 미국 플로리다 Okeechobee호에서 수온 모의에 관한 연구(Hamrick, 1996), 대만 NanWan 만에 대한 적용, 미국 Potomac River에 대한 적용, 우리나라의 시화호, 새만금, 경기만 및 섬진강 하구역(김 등, 2008)에 대한 적용 등이 있다.

2.2.3 수치실험 조건

 연구해역의 해수유동을 재현하기 위해 계산 영역을 동서방향 43.2 km, 남북방향 20.8 km로 영역을 구성하였으며, 134×112개의 유효격자(12,072개)로 배치하였다. 바다숲이 조성될 거문도 내만의 흐름을 상세하게 재현하기 위하여 최소 50m에서 최대 2 km의 직교가변격자를 사용하여 구성하였고, 해중림어초는 해저면에 시설되므로, 저층의 흐름을 파악하기 위하여 5개의 층으로 구성하여 해수유동 특성을 파악하였다(Fig. 3).

Fig. 3. Variable grid system(a) and bathymetry (b) of study area.

 계산 초기에는 전 계산영역의 조위가 EL(+)0.0m이고, 유속을 0으로 가정하는 Cold start 조건을 부여하였다. 조위의 개방 경계조건은 국립해양조사원에서 제공하는 여수항과 완도항 및 거문도의 조석조화상수 및 2010년 관측된 조석자료를 조화분해하여 그 결과에 근거하여 시․공간의 함수로 입력하여 설정하였다. 계산시간은 대조기에서 소조기를 걸쳐 다시 대조기에 이르는 약 18일간의 수치실험을 수행하였으며, 계산시간 간격은 CFL 조건을 만족하는 2.0초로 설정하였다(Table 2).

Table 2. Conditions of numerical experiment for current

3. 결과 및 고찰

3.1 해수유동 특성

 대상해역의 조석관측결과, 조석형태수는 0.33으로 거문도 조위관측소와 유사하게 반일주조가 우세한 혼합조 형태로 나타났으며, 대조차는 241.8 cm, 평균조차는 165.4 cm, 소조차는 89.0cm로 나타났다. 또한, 약최고고조위는 321.4 cm, 대조평균조위는 281.6 cm으로 나타났고, 평균해면은 160.7 cm로 나타났다 (Fig. 4). 한편, 각 정점의 주요 4대분조의 조화상수값을 Table 3에 제시하였다.

Fig. 4. Tide diagram of T-1 and T-2 tidal station.

Table 3. Tidal harmonic constants

 그리고 정점 PC-1에서의 평균유속은 34.17 cm/s, 최대유속은 41.06 cm/s(106.54°), 최소유속은 0.85 cm/s(205.74°)로 나타났다. 조류벡터도와 조류분산도를 Fig. 5와 Fig. 6에 각각 나타내었다.

Fig. 5. Stick diagrams of tidal current at PC-1 station.

Fig. 6. Scatter diagrams of tidal current at PC-1 station.

또한, 정점 PC-2에서의 평균유속은 5.77 cm/s, 최대유속은 23.17 cm/s(106.54°), 최소유속은 0.88 cm/s(37.97°)로 나타났다. 조류벡터도와 조류분산도를 Fig. 7과 Fig. 8에 각각 나타내었다.

Fig. 7. Stick diagrams of tidal current at PC-2 station.

Fig. 8. Scatter diagrams of tidal current at PC-2 station.

 그리고 정점 PC-3에서의 평균유속은 2.48 cm/s, 최대유속은 8.53 cm/s(19.34°), 최소유속은 0.29 cm/s(233.11°)로 나타났다. 조류벡터도와 조류분산도를 Fig. 9와 Fig. 10에 각각 나타내었다.

Fig. 9. Stick diagrams of tidal current at PC-3 station.

Fig. 10. Scatter diagrams of tidal current at PC-3 station.

 또한, 정점 PC-4에서의 평균유속은 2.55 cm/s, 최대유속은 5.57 cm/s(23.91°), 최소유속은 0.29 cm/s(22.15°)로 나타났다. 조류벡터도와 조류분산도를 Fig. 11과 Fig. 12에 각각 나타내었다. 그리고 Table 4에 정점 PC-1과 PC-2의 조류조화상수를 제시하였다.

Fig. 11. Stick diagrams of tidal current at PC-4 station.

Fig. 12. Scatter diagrams of tidal current at PC-4 station.

Table 4. Tidal current harmonic constants

 한편, 부표추적 결과(Fig. 13), 2010년 9월 4일 소조기 만조시TGPS 1(St. TD-1)의 이동거리는 0.0117m/s의 평균유속으로 2시간 30분 동안 127m, Drogue 1(St. TD-1)의 이동거리는 0.0131m/s의 평균유속으로 2시간 30분 동안 141m, TGPS 2(St. TD-2)의 이동거리는 0.0139m/s의 평균유속으로 2시간 30분 동안 150m, Drogue 2(St. TD-2)의 이동거리는 0.0147m/s의 평균유속으로 2시간 30분 동안 159m로 각각 나타났으며, 소조기 간조시 TGPS 1(St. TD-1)의 이동거리는 0.0101m/s의 평균유속으로 2시간 30분 동안 109m, Drogue 1(St. TD-1)의 이동거리는 0.0114m/s의 평균유속으로 2시간 30분 동안 124m, TGPS 2(St. TD-2)의 이동거리는 0.0141m/s의 평균유속으로 2시간 30분 동안 152m, Drogue 2(St. TD-2)의 이동거리는 0.0262m/s의 평균유속으로 2시간 30분 동안 283m로 각각 나타났다. 또한, 2010년 10월 4일 대조기 만조시 TGPS 1(St. TD-1)의 이동거리는 0.1004m/s의 평균유속으로 2시간 30분 동안 904m, Drogue 1(St. TD-1)의 이동거리는 0.0978m/s의 평균유속으로 2시간 30분 동안 880m, TGPS 2(St. TD-1)의 이동거리는 0.0679m/s의 평균유속으로 2시간 30분 동안 611m, Drogue 2(St. TD-2)의 이동거리는 0.0839m/s의 평균유속으로 2시간 30분 동안 755m로 각각 나타났으며, 대조기 간조시 TGPS 1(St. TD-1)의 이동거리는 0.0517m/s의 평균유속으로 2시간 30분 동안 465m, Drogue 1(St. TD-1)의 이동거리는 0.0563m/s의 평균유속으로 2시간 30분 동안 507m, TGPS 2(St. TD-2)의 이동거리는 0.0673m/s의 평균유속으로 2시간 30분 동안 606m, Drogue 2(St. TD-2)의 이동거리는 0.0624m/s의 평균유속으로 2시간 30분 동안 562m로 각각 나타났다. 한편, TGPS 및 Drouge의 해안 표착 및 좌초 등의 영향은 제거한 후 부표추적 이동거리를 산정하였다.

Fig. 13. TGPS buoy and Drogue tracking results.

 해수유동조사 결과, 바다숲 조성해역의 유속이 작아 시설물 시설시 활동, 전도 및 세굴에 안정할 것으로 판단되며, 포자나 유배 등이 만내에 체류할 가능성이 높다고 판단된다.

3.2 수치실험 결과

3.2.1 수치실험 검증

 본 연구의 수치계산 결과의 신뢰성 및 재현성을 검증하기 위하여 조석과 조류의 조화분석을 통한 주요 4대분조를 이용한 시계열 비교를 수행하였다. Fig. 2에 대상해역 내 조석과 조류검증 정점을 나타내었으며, Fig. 14～Fig. 15에 시계열 비교 결과를 나타내었다.

Fig. 14. A comparison of the simulated values with and the observed ones of tidal elevation.

Fig. 15. A comparison of the simulated values with and the observed ones of tidal current.

수치계산 조위시계열이 관측 조위시계열과 잘 일치하고 있음을 알 수 있고, 수치실험결과가 대상해역의 조류 특성을 잘 재현하고 있음을 보여주는데, 조류 비교 결과 계산결과와 관측결과가 다소 차이가 나는 것은 계산한 조류는 수평방향으로 최소 50×50m 격자의 평균 조류이나 관측된 조류는 한 지점에서의 관측치이기 때문이며, 이 점을 고려할 때 본 해수유동 수치모형의 재현성은 양호한 것으로 판단된다.

3.2.2 수치실험 결과

 검증결과를 토대로 거문도 인근 해역의 광역적인 해수유동특성을 파악하였으며, 표층과 저층의 대조기 창 낙조류 벡터도를 Fig. 16에 제시하였다.

Fig. 16. Tidal current during the spring tide(Global area).

 거문도 인근의 흐름은 크게 창조류시 서쪽 방향으로, 낙조류시 동쪽방향으로의 흐름으로 대별할 수 있다. 거문도 인근에서 최대 1.0m/sec의 유속을 보이며, 대체적으로 창조류가 우세한 흐름을 나타내었다.

 바다숲 조성해역인 서도와 고도로 둘러싸인 만에서의 흐름은 창조시에는 밖노루섬이 방파제와 같은 역할을 하고, 낙조류시는 서도로 인해 거문도 인근에 비해 유속이 매우 미약하여 0.2m/sec 미만의 흐름을 나타내었다(Fig. 17, Fig. 18). 평균잔차류도 크게 북서방향의 흐름이 형성되는 것을 볼 수 있으나, 유속의 크기는 미약하게 나타났다(Fig. 19).

Fig. 17. Tidal current at flood flow during the spring tide (Local area).

Fig. 18. Tidal current at ebb flow during the spring tide(Local area).

Fig. 19. Residual currents during the spring tide(Local area).

 해수유동 수치실험 결과, 바다숲 조성해역의 유속이 작아 시설물이 강한 유속으로 인하여 세굴되거나 활동 및 전도에 대하여 안정할 것으로 판단되며, 창・낙조시와 잔차류에서도 유속이 미약하여 포자나 유배 등이 만내에 체류할 가능성이 높다고할 수 있다. 한편, 해조류의 포자 및 유배는 종에 따라 틀리기는 하나, 포자방출시기의 유속이 15 cm/sec 이상이 되면 부착율이 거의 0에 가까워지는 것으로 보고되고 있다(오, 2010). 본 연구 대상해역인 거문도 바다숲 조성해역의 경우, 대조기의 평균유속이 창·낙조 공히 10 cm/sec 이하이고, 잔차류가 미약하므로 흐름환경에 있어서 해조류의 포자가 이동 및 부착하기에 양호한 조건인 것으로 판단된다.

 따라서, 바다숲 조성해역의 해수유동 특성을 파악한 후, 인근 자연해조장과 연관하여 최적의 장소에 바다숲을 조성하는 것이 효율적일 것으로 판단된다. 아울러 바다숲 조성용 시설물의 배치 및 형태를 보다 정밀하게 계획하기 위하여 입자추적실험 등의 결과를 이용한다면 해중림어초 시설의 성공확률은 보다 향상될 것으로 판단된다.

4. 요약 및 결론

 바다숲 조성해역인 거문도 서도와 고도로 둘러싸인 만에서의 현장조사결과, 조석의 형태수는 0.33으로 반일주조가 우세하게 나타났으며, 평균해면은 160.7 cm으로 나타났다. 또한, 조류관측결과, 각 정점의 저층에서 최소 2.55 cm/s에서 최대 23.17cm/s로 나타났고, 북서-남동방향이 우세하게 나타났다.

 수치실험결과, 흐름은 창조시에는 밖노루섬이 방파제와 같은 역할을 하고, 낙조류시는 서도로 인해 거문도 인근에 비해 유속이 미약하였으며, 창조시에는 북서 방향, 낙조시에는 남서 방향의 흐름이 주류로 나타났다. 평균잔차류도 크게 북서방향의 흐름이 형성되는 것을 볼 수 있으나, 유속의 크기는 고도와 서도 사이의 해역을 제외하고는 대부분 해역에서 1.0 cm/sec 이하로 미약하게 나타났다.

 이상의 결과를 토대로 거문도 바다숲 조성해역에서의 해조류 포자나 유배 등은 만내에 체류할 가능성이 높다고 판단되며, 인근 자연해조장과 연관하여 최적 위치에 바다숲 조성시설물을 효율적으로 배치할 수 있을 것으로 판단된다. 아울러 바다숲 조성용 시설물의 배치 및 형태를 보다 정밀하게 계획하기 위하여 입자추적실험 등의 결과를 이용한다면 해중림어초 시설의 성공확률은 보다 향상될 것으로 판단된다.