1.서 론

세계적으로 빈산소수괴는 연안생태계 400개 이상의 시스 템에서 발생하고 있으며, 245,000 km² 이상의 지역에 영향을 주고 있다(Sanderson et al., 2002). 빈산소수괴의 발생과 소멸 은 저서동물 군집의 계절적 연간변동을 조절하는 주된 요인 중 하나로 작용하고 있으며, 여름철의 경우 더 명확해 진다 (Lim and Park, 1998; Friligos and Zenetos, 1988).

최근 우리나라에서 빈산소수괴에 의한 피해가 발생함에 따라, 여러가지 연구가 진행되었는데, Kim and Lee(1994)는 1992년 2월에서 8월까지 진해만 조사와 수치실험을 통하여 저층 용존산소는 수온 및 밀도성층과 밀접한 관련이 있다고 하였다. Lim and Hong(1994)은 1987년 6월에서 1990년 5월까 지 조사한 결과 진해만은 하계에 절반 이상이 빈산소수괴가 발생한다고 하였다. Kim et al.(2006, 2010)은 진해만 빈산소 수괴의 이화학적 특성을 조사하였고, 빈산소수괴 발생 이후 에 생물이 폐사하였다고 하였다. NFRDI(2009)에서는 우리나 라에서 발생하고 있는 빈산소수괴의 발생현황에 대해 전반 적인 현상을 제시하고 있다. 그런데, 지금까지의 국내 연구 에서는 주로 빈산소 수괴의 현상과 영향의 관찰에 집중되어 있었고, 빈산소수괴 발생기작을 통한 예측을 위한 연구는 부족한 실정이다.

빈산소수괴의 발생원인은 퇴적층으로 전달되어 산소를 소모하는 오염물질의 양이 중요하지만(Choi et al., 1994; Lee et al., 2008), 여러 환경요인들이 복합적으로 작용하여 발생 하게 된다. 이 중에서도 수층의 물리적 성층과 밀접한 관계 를 가지고 있다(Donald and Nixon, 1992; Karim et al., 2002; Simson et al., 1990; Wiseman et al., 1997.). 특히, 진해만과 마 산만에서는 상하층의 수온차와 저층 용존산소농도가 높은 상관관계를 나타내었다(Kim et al., 2010).

물리적 성층은 수층의 연직혼합을 방해하여, 대기로부터 수층으로 공급된 산소가 저층수로 전달되는 것을 막게 된 다. 이에 따라 산소의 공급은 부족한 반면에, 저층에서는 표 층으로부터의 침강 또는 육상으로부터 운반된 유기물 분해 에 의한 산소소모가 활발해 지는 하계에 빈산소 수괴가 주 로 발생한다(NFRDI, 2009).

따라서, 빈산소수괴의 발생을 수층의 성층화 정도로 표현 할 수도 있을 것이다. 또한, 수층의 성층화정도를 나타내는 방법에는 여러 가지가 있지만, 간단하게 수직확산계수를 물 리적 지표로 나타내는 것을 목적으로 하는 연구가 다수 시 도 되었다(Takeoka et al., 1986; Hansen et al., 1999; Koriyama et al., 2006; Koriyama et al., 2009; Koriyama et al., 2011). 이에 따 르면 수층에서 물리적 성층이 형성되면 수층의 수직 확산계 수가 감소된다고 하였으며, 이를 이용한 수치실험결과에서 는 저층에 산소공급을 억제하게 되어 저층에서의 용존산소 가 감소하는 결과를 잘 재현하였다. 이와는 반대로 성층화 가 해소되면 수직 확산계수가 증가되어 빈산소수괴가 해소 되는 것을 알 수 있다. 이 결과를 이용하면, 향후 수층의 밀 도성층 형성에 관한 수직 확산계수의 변화를 관측하여 저층 의 빈산소 수괴 발생시기 및 지속시간, 발생범위 등의 예측 을 통해 수산생물 폐사 또는 저서생태계 파괴 등의 피해를 줄일 수 있는 대책마련에 활용할 수 있을 것이다. 그러나, 이러한 연구에서는 주로 축적된 장기관측자료의 통계분석 을 통해 산출된 경험식을 이용하여 해당해역에 적용한 사례 들이기 때문에 일반화하기 어렵다. 하계 저층에서 빈산소 수괴가 매년 반복적으로 발생하는 해역을 대상으로 빈산소 수괴 발생에 관한 현상을 해석하고 관리 방안마련하기 위해 서는 명확한 현상의 재현과 예측이 선행되어야 한다.

따라서, 본 연구의 목적은 eco-hydrodynamic model을 이용 하여 해역의 물리적 구조를 분석하여, 물리적 안정도를 나 타내는 수직확산계수를 산정하고. 생태계 모델에 적용하여 그 타당성을 평가하는 것이다. 이를 통해 향후 물리적 조건 의 변동의 관측을 통한 빈산소수괴 발생의 예측을 가능 하 도록하는 기초자료를 마련하고자 한다.

2.연구방법

2.1.대상해역

마산만은 환경용량을 초과한 오염물질이 유입되고 있으 며 특별관리해역으로 지정되어 환경개선을 위한 오염물질 총량관리방식이 도입된 상태이며, 연안오염총량관리제를 체 계적으로 시행하여 목표수질 달성과 해양환경 개선을 위한 연구가 진행되고 있는 지역이다(MLTM, 2010). 마산만으로 유입하는 하천은 모두 17개이며 유로가 짧고 구배가 급하며 남북길이 8.5 km, 최대폭이 5 km의 반폐쇄성 내만해역이며, 평균조차가 1.3 m로 작은편이다. 해수교환율은 거제, 광양만 의 1/4수준으로 다른 연안해역에 비해 낮은 수준이어서 해역 으로 유입된 오염물질이 외해쪽으로 확산되기 어렵다. 1970 년대 산업화가 진행되며 발생한 오염물질에 의한 영향으로 가포해수욕장 폐쇄 등 연안·해양환경이 악화되어 1982년부 터 특별관리해역으로 지정·관리중이다(MLTM, 2008). 또한, 매년 용존산소 3 mg/L 이하의 농도가 매년 발생하며 용존산 소량이 1 mg/L 이하의 농도로 떨어지는 경우도 발생한다 (NFRDI, 2009). 특히, 마산만은 빈산소수괴가 발생하는 수개 월 동안 대형 저서동물이 사라지고, 저층 용존산소가 회복 된 후에도 만의 내측에서는 길게는 4개월까지 무생물 상태 가 지속되기도 하였다(Hong and Lim, 1997; Lim, 1993).

2.2.해수유동모델

본 연구에서 사용된 해수유동모델은 EFDC(Environmental Fluid Code)모델을 사용하였으며, EFDC모델은 버지니아 해양 과학연구소(Virginia Institute of Marine Scienced)에서 개발되었 으며, 현재는 미국환경청(EPA)과 Tetra Tech, Inc.에 의해 개발 관리되고 있는 3차원 모델로 다양한 수환경에 적용이 가능 하여 국내에서도 여러 연구가 진행되었다(Jung and Choi, 2011; Kang et al., 2011; Kim et al., 2008; Park et al., 2011).

본 모델 격자 구성은 x방향으로 62개, y방향으로 87개 격 자로 구성하였으며, 격자간격은 200 m로 하였다. 수층은 관 측데이터 검증 및 생태계모델 구성을 위해 6개 층으로 구성 하였다. 계산시간은 대상해역의 하천유입량이 조사되어 있 는 1월부터 11월까지 2008년과 2009년 각각 계산하였으며, 계산간격은 3초로 하였다(Fig 2, Table 1, Table 2).

해수유동에서 계산된 결과인 온도 염분은 밀도로 변환하여 성층화도 및 수직확산계수의 산정에 사용되었으며, 해수유동 은 유량으로 변환하여 생태계모델의 입력값으로 사용하였다.

2.3.성층화도 및 수직 확산계수 산정

본 연구에서는 Fennel et al.(2013), Koriyama et al.(2006, 2009) 에서 사용된 성층화도를 연구대상지역에서 계산하였다. 또 한, 밀도차이에 따른 수직 확산계수를 산정하였으며, 산정된 수직 확산계수를 성층화도 및 강우량과 비교하였다. 산정된 수직 확산계수는 생태계모델에 적용하여 용존산소량을 계 산하였으며, 이를 바탕으로 수직 확산계수산정 결과의 적용 성을 판단하고자 하였다.

Koriyama et al.(2006, 2009)은 일본 Ariake sea의 1972년~2000 년 동안의 관측 데이터를 이용하여 성층화도와 표층과 저층 사이의 밀도차이가 커질수록 저층의 용존산소량과 확산계 수가 감소하는 것을 나타내었다. 이를 참조하여 대상지역의 성층화도를 아래의 식을 사용하여 나타내었다.

여기서, P = 밀도성층화도(kg/m·s²)

ρ = 밀도(kg/ms³)

H = 평균수심(m)

z = 수심(m)

g = 중력가속도(m/s²)

수직 확산계수 산정을 위해 이론적 배경에서 제시한 문헌 들을 정리하면 수층간의 밀도차이가 클수록 수직 확산계수 가 감소하게 된다. 이는 저층에 산소공급이 감소하고 저층 에서의 용존산소가 감소하는 경향을 나타낸다. 따라서, 빈산 소수괴의 장기적인 재현 및 관리를 위한 수직 확산계수 산 정에는 수층간의 밀도차이가 커질수록 확산계수가 감소하 고, 밀도차이가 작을수록 수직 확산계수가 증가하는 변화를 고려할 수 있도록 구성해야 된다고 판단되었다. 수직 확산 계수 산정식은 아래와 같이 나타내었다.

Kz = Kz_o · exp^(-D_G·Dz_c)

여기서, Kz = 수직확산계수(cm²/s)

Kz₀ = 초기수직확산계수(cm²/s)

D_G = 밀도차이(저층- 표층)(kg/m³)

Dz_c = 확산상수(m³/kg)

초기 수직 확산계수는 Koriyama et al.(2006, 2009)에서 겨울 철에 사용된 값을 사용하여 나타내었다. 확산계수의 변화는 위 문헌들의 연구결과에 따라 밀도차이에 의한 성층화가 일 어남에 따라 확산계수가 감소하도록 나타내었고, 성층화가 해소됨에 따라 확산계수가 증가하도록 하였다. 또한 저층밀 도가 커짐에 따라 성층화가 형성되어 안정화되도록 나타내 기 위해 산정시에 저층밀도에서 표층밀도를 빼도록 나타내 었다. 또한 표·저층의 밀도차이가 커짐에 따라 성층화의 정 도가 증가하기 때문에 밀도차이가 커질수록 수직 확산계수 가 감소하도록 나타내었다. 확산상수는 밀도차이에 의해서 수직 확산계수가 변하는 정도를 나타낸 것으로 위의 문헌에 서 성층화도와 확산계수를 비교한 값을 참고하여 그 변화량 을 나타내도록 하였다.

산정된 수직확산계수의 적용은 Fick의 확산법칙을 이용하 여 생태계모델에 적용하였다. 또한, 성층화도와 수직 확산계 수 산정에 필요한 수층의 밀도는 해수유동모델 결과를 이용 하여 산정하였다.

2.4.생태계 모델 구성

Fig. 1에 있는 대상지역의 M1에서 M6까지의 부분을 표· 저층의 수층2개와 퇴적물층으로 구성하였다(STELLA 7.0 by iSeesystems, Table 3). 계산시간은 2008년과 2009년 1월부터 11 월까지 330일동안 각각 계산하였으며 계산 간격은 3600초로 하였다.

본 연구에 사용된 Box모델은 STELLA software를 사용하여 구축하였다. System Thinking environment Laboratory for Loop Analysis의 축약어로서 그래픽이 강화된 프로그램이다(Fisher, 2007). STELLA software에 정의된 모든 수식은 개념적으로 상 태변수(level variable)와 변화율 변수(rate variable)로 표현된다. 모델 구성요소로는 수층에 4개의 유기태, 2개의 무기태, 2 개의 수질요소로 구성하였으며 퇴적물층에는 3개의 유기태, 2개의 무기태, 2개의 수질요소로 구성하였다. 수층의 유기태 요소는 입자성유기물(POC), 용존성유기물(DOC), 식물플랑크 톤(PHY), 동물플랑크톤(ZOO)이며 무기태 요소는 용존무기질 소(DIN), 용존무기인(DIP)이며 수질요소는 용존산소(DO), 화 학산소요구량(COD)이다. 저질의 유기태 요소는 입자성 유기 물(POC), 용존성유기물(DOC), 저서조류이며 무기태 요소는 용존무기질소(DIN), 용존무기인(DIP)이며 수질요소는 용존산 소(DO), 화학적산소요구량(COD)이다(Fig. 3~6).

시스템 내로 들어오는 부하량은 마산만 연안오염총량관리 연구(MLTM, 2009, 2010) 자료를 이용하여 관측 데이터 간격으 로 입력하였다(Table 3). 모델의 초기값은 M1~M6의 관측값을 평균하여 입력하였고(Table 4), 외부경계는 M7번 수정리 인근 의 관측자료를 입력하였다. 생태계 모델의 수층간 이동 유량 은 해수유동모델 3층과 4층사이에 이동유량을 사용하였으며, 외경계 유량은 해수유동모델 단면유량 결과를 적용하였다.

3.결과 및 고찰

3.1.해수유동모델 검증

조위검증은 Fig. 1 M1정점 바로 위에 있는 마산항 조위관 측소 자료를 사용하여 2008년과 2009년 모델결과를 검증하 였다. 2008년은 R²값이 0.7988로 나타났고, 2009년은 R²값이 0.8939로 나타났다(Fig 7~8)5.

수온 염분은 검증결과는 저층의 염분이 거의 일정하기 때 문에 MAE와 RMSE통계법을 사용하여 검증하였으며, MAE와 RMSE는 각각 mean absolute error와 root-mean-square error다. 결 과는 상대적으로 양호한 값을 나타내었고, 유사한 경향을 나 타내었다. 2008년과 2009년 모두 표층 염분의 값이 상대적으 로 크게 나타났는데, 모델의 결과가 강우량에 민감하게 나타 나는 것을 알 수 있고, 상대적으로 강우량이 많은 2009년에 상대적으로 큰 차이를 나타냈다. 또한, 하천 유량이 많은 안 쪽 정점에서 높은 경향을 나타내었다(Table 6~7, Fig. 9~10).

3.2.성층화도 및 수직 확산계수 산정

대상지역의 수온과 염분자료로 계산된 밀도를 바탕으로 성층화도와 수직 확산계수를 산정하여 비교하였다. 우선, 2008년의 결과는 80일에서 260일 사이에 성층화도가 높고 2008년도 강우량과 유사한 경향을 나타낸다(Fig. 11~12). 이 는 강우에 의한 육상기인 담수유입에 의한 영향으로 판단된 다. Fig. 11에서 A와 B로 표시한 영역은 공통적으로 성층화 도가 크게 변하는 시점이지만 큰 차이를 나타낸다. A는 담 수 유입에 따른 수층에서 밀도차이가 발생한 것으로 판단할 수 있고, B구역의 C에 나타낸 바와 같이 성층화도가 높은 기간이 1개월 이상 지속된다. 이는 강우량의 영향과 하계로 접어들면서 발생한 수층 간의 온도차이로 인해 표층과 저층 의 밀도차이가 지속된 것으로 판단된다. Fig. 13에는 2008년 대상지역의 표․저층간의 밀도차이와 산정된 확산계수를 나 타내었다. 성층이 발생하지 않는 겨울철에는 확산계수가 높 게 나타났으며, 여름에서 가을로 시간이 경과함에 따라 수 직확산계수의 값이 높아졌다. 그 외의 시점에서는 강우의 유입에 따라 성층의 생성 및 해소 가 반복되는 것이 나타났 지만, 2008년의 180일에서 250일 동안 성층화가 해소되는 기 간이 일시적이어서 지속적으로 저층에서 산소소모가 일어 날 것으로 판단할 수 있다.

2009년의 결과는 170일에서 230일 사이에 성층화도가 집 중적으로 높아지고 4월과 5월에 간헐적으로 급속히 증가하 였다(Fig. 14). 이는 2009년도 강우량 패턴과 유사한 경향을 나타낸다(Fig. 15). Fig 10에서 성층화도가 크게 변하는 시점 은 앞의 2008년 자료와 큰 차이를 나타낸다. A는 담수유입에 의한 수층에서 밀도차이가 발생한 것으로 강우에 의한 육상 기인 담수에 의한 영향으로 판단할 수 있다. Fig. 14 또한 A와 B로 표시한 영역은 공통적으로 성층화가 크게 변하는 시점으 로 판단할 수 있고, B구역의 C에 나타낸 바와 같이 성층화도 가 높은 기간이 2개월 정도 집중적으로 지속된다. 이는 강우 량의 영향과 하계로 접어들면서 발생한 수층 간의 온도차이 로 인해 표층과 저층의 밀도차이가 지속된 것으로 판단된다. Fig. 16에는 2009년 대상지역의 표․저층간의 밀도차이와 산 정된 확산계수를 나타내었다. 2008년과 유사하게 하계에 성 층화가 해소되는 기간이 매우 일시적이어서 지속적으로 저층 에서 산소소모가 일어날 것으로 판단할 수 있다.

2008년과 2009년 자료를 비교해 보았을 때, 2009년은 2008 년보다 성층화도의 발생기간과 그 정도가 더 큰 것을 알 수 있다. 이는 2009년 강우량이 상대적으로 2008년보다 많으며, 특정시점에 집중되어 이런 결과를 나타낸 것으로 판단된다. 강우가 내리는 시점에 간헐적으로 일시적인 성층을 형성하 고 파괴될 것으로 판단되며, 전체적으로 산정된 수직 확산 계수는 표․저층간 밀도차이, 성층화도 그리고 강우량과 반 대의 경향을 나타내었다.

2008년과 2009년의 수층간 밀도차이, 산정된 수직확산계 수와 성층화도의 관계는 Fig. 17~18에 나타내었다. 2008년 밀 도차이와 수직 확산계수의 R²값은 0.6989로 음의 상관관계를 나타내었고, 밀도차이와 성층화도의 R²값은 0.9955로 양의 상관관계를 나타내었으며, 수직 확산계수와 성층화도의 R² 값은 0.6988로 음의 상관관계를 나타내었다. 2009년 밀도차 이와 수직 확산계수의 R²값은 0.5368으로 음의 상관관계를 나타내었고, 밀도차이와 성층화도의 R²값은 0.9932로 양의 상관관계를 나타내었으며, 수직 확산계수와 성층화도의 R² 값은 0.5389로 음의 상관관계를 나타내었다.

3.3.생태계모델의 DO 검증

2008년과 2009년에 관측된 DO(mg/L)농도와 모델로 계산한 값을 비교하여 2008년 값은 Fig 19과 Fig 20에 나타내었고, 2009년 값은 Fig. 21와 Fig. 22에 나타내었다.

2008년의 경우, 표층에서는 R²값이 0.5293으로 나타났으 며, 대부분 계산값이 관측값보다 작은 값을 나타내었다(Fig. 19). 저층에서는 R²값이 0.7004로 나타났으며, 대부분 계산값 이 관측값보다 크게 나타났다(Fig. 20). 표층은 하계의 값을 완전히 재현하지는 못하였지만 대체적으로 잘 재현하고 있 는 것으로 판단된다. 저층에서는 다소 과대평가된 경향을 나타내었지만, 경향은 유사하게 나타냈다고 판단된다.

2009년의 경우, 표층에서는 R²값이 0.5422로 나타났으며, 하 계의 계산값이 관측값보다 과소평가된 결과를 나타내었다 (Fig. 21). 저층에서는 R²값이 0.7907로 나타났으며, 8월을 제 외하고는 계산값이 관측값보다 과대평가 되었다(Fig. 22). 표 층은 강우와 유기물이 집중되는 7~9월에 급속히 감소하고 증가시키는 시기를 완전 재현하지는 못하였지만 대체적으 로 잘 재현하고 있는 것으로 판단된다. 저층의 경우에는 계 산값과 관측값의 차이로 인해 과대․과소평가된 부분은 있 으나, 하계에 감소하고 추계에 증가하는 관측값의 패턴을 대체적으로 잘 나타낸 것으로 판단된다.

2008년과 2009년 모두 표층에서는 계산값이 관측값에 비 해 과소평가되는 경향을 나타내었고, 저층에서는 계산값이 관측값에 비해 과대평가되는 결과를 나타내었다. 이는, 본 연구에서 사용한 관측값이 표층은 해수면 경계와 근접한 위 치에서 측정되었고, 저층은 퇴적층 경계 근처에서 관측되었 기 때문으로 판단된다. 본 연구에서 구성한 모델은 대상해 역의 평균수심을 적용해 수층을 표․저층으로만 나누었기 때문에, 관측값을 재현하기에는 한계가 있다고 판단된다. 따 라서, 수직확산계수를 적용한 생태계모델에 수층을 추가한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

대상해역인 마산만과 진해만을 대상으로 한 모델링 문헌 들은 Choi et al.(1994), Hong et al.(2007a), Hong et al.(2007b) 등 이 있다. 각 연구마다 목적은 다르지만 공통적으로 용존산 소 입력요소가 있으며, 일시적인 시점의 결과만을 나타낸다. 본 연구에서는 위의 문헌연구의 방법, 시기 및 검증위치가 일치하지 않아 결과를 비교할 수 없었다. 하지만, 빈산소수 괴를 예측하고 피해를 막이 위해서는 시간에 따른 용존산소 재현이 필요하다고 판단된다.

4.결 론

빈산소수괴를 관리하기 위해서 밀도차이에 따른 수직확 산계수를 산정하고 적용성을 판단하였다. 수직확산계수는 대상해역에 적용한 해수유동모델 결과를 이용하여 밀도차 이를 고려하도록 하였으며, 적용성을 판단하기 위해서 2개 의 수층, 1개의 퇴적층으로 구성된 생태계모델을 구축 및 적 용하였다.

수직확산계수 산정결과 강우가 집중되는 여름철에 장기적 으로 밀도차이가 발생하여 확산계수가 감소된 결과를 나타 내었으며, 이로 인해 여름철 빈산소수괴 형성에 영향을줄 것으로 판단된다. 수직확산계수는 성층화도․강우의 변화와 반대의 경향을 나타내었다. 수직확산계수를 적용한 모델의 결과는 2008년과 2009년 모두 유사한 경향을 나타내었다. 하 지만, 표층에서는 계산 값이 관측값에 비해 과소평가되는 경향을 나타내었고, 저층에서는 계산 값이 관측값에 비해 과대평가되는 결과를 나타내었다. 이는, 본 연구에서 구성한 모델은 수층을 표․저층으로 단편적으로 나누었기 때문에, 표․저층 경계 주위에서 관측한 값을 재현하기에는 한계가 있다고 판단된다. 따라서, 수층을 추가적으로 구성하여 관측 값과 비교하는 연구가 필요할 것으로 판단되며, 추가적으로 마산만이 아닌 다른 해역에 산정된 수직 확산계수의 적용성 을 판단하고 개선하는 연구가 필요할 것으로 판단된다. 이 런 한계점을 보완하면 모델에서 계산된 물리적 안정 조건들 은 향후 빈산소수괴 발생 예측에 유용하게 활용 될 것으로 판단된다.