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ISSN : 1976-6769(Print)
ISSN : 2287-8122(Online)
Korean Journal of Nature Conservation Vol.7 No.1 pp.13-25
DOI : https://doi.org/10.11624/KJNC.2013.7.1.013

적조구제용 황토의 이동·확산 모델

이창규, 최양호*, 박영태, 이 윤
국립수산과학원

Spreading Model of Yellow Clay for Red Tide Mitigation

Yang-ho Choi*, Chang-kyu Lee, Young-tae Park, Yoon Lee
National Fisheries Research and Development Institute, Busan 619-902, Korea
(Received 1 April 2013; Revised 21 May 2013; Accepted 25 May 2013)

Abstract

Clay dispersion has been applied in Korean coasts since 1996 to minimize fisheries impact by Cochlodiniumpolykrikoides blooms. Understanding of spreading and sedimentation pattern of yellow clay in the sea afterdispersion would be helpful for the counter measure of possible impact on marine environment and ecosystemby the clay. Tidal current movement and sedimentation of clay targeted on Obido island, Tongyong, Koreawhere clay had been frequently introduced to control red tide was calculated based on numerical model. Thetidal current in the Obido channel showed northwestward flow during flood tide and southeastward flow duringebb tide with the highest water velocity of 15 cm/s, particularly, in the west mouth of the channel. Overall, thevelocity of residual current in Obido channel with the highest value of 10 cm/s was higher than that betweenObido and Mireukdo showing 1~3 cm/s of velocity with westward flow. Spreading and sedimentation of clay bythe application of numerical model in the Obido channel was calculated under the assumption that 360 tons ofclay had been introduced every day for 20 days in the area during red tide period in 2003. Clay particlespreaded toward westward in the channel and subsequently northward in the outside of the channel from therelease point located in the center of the channel. It was calculated that 1.5 km2 in total nearby Obido area couldbe affected by the clay water with more than 1 mg/L of clay concentration within five tidal cycle afterdispersion. The majority of the clay particle could be settled within 100 m from the release point with thesedimentation height of 10 mm. Also, it was calculated that the clay could show 0.2 mm of sedimentationheight in the west and east mouth of Obido channel.

13-25_N61-최양호.pdf5.07MB

1. 서 론

 우리 나라연안에서의 적조는 1980년대 까지는 주로 무해성 적조생물에 의한 적조가 내만해역을 중심으로 발생하였으나, 1990년대 초부터는 수산생물 치사종인 코클로디니움(Cochlodinium polykrikoides) 적조가 광역해역에서 발생하기 시작하여 1995년 대규모 수산피해(약 764억원)를 야기하였고, 그 후 거의 매년 수산피해를 야기시켰다(Kim, 1998; Kang et al., 2002; Kim et al., 2012). 우리나라에서는 이러한 유해성 코클로디니움 적조로 인한 수산피해를 경감시키기 위해 1996년부터 적조방제물질로써 황토를 살포하기 시작하였다. 자연황토의 적조구제효율은 황토성분에 따라 많은 차이가 있으나 대체로 70% 이상의 적조구제효율을 보이고, 황토입자의 크기가 작을 때 (50 내외) 적조구제효율이 더 높은 것으로 알려져 있다(최 등, 1998; 김, 1999; 박과 이, 2007; Pierce et al., 2004; Sengco and Anderson, 2005; Lee et al., 2008). Bae et al.(2000)은 황토의 적조구제효율을 향상시킴으로써 적조방제용 황토 사용량을 줄이기 위하여 황토를 미립자로 분쇄하여 살포할 수 있는 황토살포기나 해수전기분해장치와 황토살포기를 결합한 형태의 전해수황토살포기에 관하여 보고하였고, 박과 이(2007) 및 Lee et al.(2008)은 황토에 첨가제를 이용하여 적조구제효율을 증가시킴으로써 황토사용량을 경감시킬 수 있는 방안에 관해 보고하였다.

 Seo et al.(2008)에 따르면 저농도 황토(0.05~0.25% 이하)에서는 패류(굴, 담치, 전복)의 대사생리에 유의한 영향을 미치지 않는 것으로 보고하였고, 고농도황토(1.25% 이상)에서는 수서생물이 일시적인 대사저해를 보였으나 신선한 해수공급 2시간 후에는 대부분 정상상태로 회복되는 것으로 보고하였다. 하지만 시험생물 중 전복은 0.25%의 황토농도에서부터 대사장애를 보임으로써 다른 수서생물에 비해 비교적 황토수에 민감한 것으로 보고하였다. Shumway et al. (2003)은 패류 등 무척추동물을 대상으로 황토영향을 조사한 결과 굴에는 영향이 미미하였으나 다른 무척추동물의 경우는 호흡율에 부정적인 영향을 주는 것으로 보고하였다. 한편, Sun and Choi(2004)는 적조생물이 황토와 함께 퇴적되어 저면에 묻히는 경우 Cochlodinium polykrikoides 등과 같은 종은 사멸되지만 Scrippsiella trochoidea는 휴면포자를 형성하여 황토 속에서 잠복함으로써 추후 적조생물로 재가입 될 수 있는 가능성을 보고하였다. 따라서, 적조구제용으로 살포되는 황토가 해양환경과 수서생물에게 미칠 수 있는 일시적 또는 직간접적인 영향을 최소화하기 위하여 황토의 이동·확산 경로 등을 사전에 파악할 필요가 있을 것이다.

 일반적으로 적조구제용 황토를 살포할 경우 황토는 해수중의 적조생물을 흡착·응집하는 물리적 반응과 세포용혈작용을 일으키는 화학적 반응이 나타나면서 해수유동에 따라 주변으로 이동확산되며 해저면에 침강, 퇴적되는 과정을 겪는다. 황토의 이동확산 및 퇴적 과정은 일차적으로 해수의 움직임과 퇴적역학등 해양의 물리적인 과정에 의해 좌우되므로 해수유동 및 퇴적물이동 모델을 적용한다면 예측이 가능할 것이다. 따라서, 특정해역에 살포된 황토의 이동확산 경로 및 퇴적양상 등을 예측한다면 황토살포에 따른 연안환경과 수서생물 등에 미칠 영향범위를 파악하여 대응할 수 있는 유용한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

 본 연구에서는 적조가 빈번히 발생하면서 주변에 양식장이 분포하고 있어 적조발생시마다 적조구제용 황토를 빈번히 살포하는 경남 통영시 미륵도 주변수역인 오비도 북측수로를 대상해역으로 설정하여 황토의 이동확산 및 퇴적양상 등을 모델을 통해 예측하고자 한다.

2. 재료 및 방법

2.1. 조류 관측

본 연구의 조사해역인 통영시 오비도는 서측으로는 통영시 사량도~남해도, 남측으로는 욕지도가 위치하고 있으며 수심은 20 m 이하의 비교적 폭이 좁은 수로에 의해 서로 연결되어 있다(그림 1). 연구해역의 조석은 M2 분조의 경우 거제도에서 진주만까지 약 2시간의 위상차를 보이며 북서쪽으로 전파하는 양상을 보이고, 반조차는 77~94 cm로 나타나며 S2 분조의 반조차는 M2 분조의 50% 정도이다. 조류는 주로 남동-북서향의 왕복성 흐름을 보이고 있으며 욕지도와 사량도 사이의 수로를 따라 50 cm/s의 강한 조류를 보이고 있다(한국해양연구소, 1997). 

Figure 1. Locational map of target site and tide and current observation stations.

 연구 해역의 조류 특성을 파악하고 수치모델의 검증자료로 활용하기 위한 조류관측은 2005년 6월 22일~23일까지 오비도 북측수로 1개 정점(PC-1, 그림1)에서 실시하였다. 관측위치는 동경 128°21'08", 북위 34°49'25"이며, 해면하 5 m 층에 유속계(RCM9)를 계류하여 매 10분 간격으로 유향과 유속을 자기 기록하였다.

2.2. 해수유동 모델

 본 연구에서 적용한 해수유동 수치모델은 유한격자체계 하에서 2차원 Saint-Venant 방정식을 풀어 각 격자에서 수위와 수심평균 유속 및 유량을 계산하는 K-Cythere(프랑스 전력공사 국립수리시험소와 SOGREAH가 공동 개발)을 이용하였으며 모델의 기본 방정식은 식 (1)~(3)과 같다.

· 연속 방정식 

 

 ·운동량 보존 방정식

 

 

 여기서, x, y는 2차원 직교 좌표, t는 시간, Z는 기준면상에서 자유수면까지의 높이, h는 자유수면에서 해저면까지의 수심, U, V는 x, y 방향의 단위폭 당 유량, u, v는 x, y 방향의 수심평균 유속, g는 중력가속도, F는 Coriolis 계수, τs는 해수면 전단응력, τb는 해저면 전단응력, ρ는 해수 밀도, K는 난류 확산계수를 각각 나타낸다.

 모델 각 계산격자에서는 매 계산시각 간격마다 수위, 유량, 바람 등의 주어진 외력조건(개방경계조건)에 따라 x, y방향의 유량과 수위를 계산하였으며, 운동방정식중의 이류항은 특성곡선법으로, 확산항과 전향력항은 유한차분 음해법으로, 그리고 전파항과 해수면, 해저면 마찰항 및 연속방정식은 반복 ADI법으로 시간분할하여 해를 구하였다(Benque, 1982; SOGREAH, 1995). 모델의 계산영역은 부산에서 남해도까지 동서방향 115 km, 남북방향 149.7 km인 총 면적 17,215.5 km2의 해역을 대상으로 하였는데, 계산격자망은 x, y 직교 좌표계에서 x방향으로 327개, y방향으로 312개의 격자선으로 구분하여 102,024개의 격자점으로 구성하였다. 격자간격은 가변격자 체계를 채택하여 연구대상해역에서는 50 m, 외해에서는 최대 1,600 m로 구성하였다(그림 2).

Figure 2. Grid system for the modelled domain.

모델 실험조건은 해수유동이 가장 활발한 대조기 상황을 가정하여 수행하였다. 외해 개방경계 조건으로 경계면상의 각 격자점에 시간에 따른 조위 변화를 식 (4)와 같이 지정하였다. 

 

 여기서, Ai(x, y)는 각 분조의 반조차, wi는 각 분조의 각속도, pi는 각 분조의 지각이며 i = 2는 사용된 분조의 개수이며, 관측자료를 근거로 산출한 M2 분조(주태음 반일주조)와 S2 분조(주태양 반일주조)를 사용하였다. 조석·조류의 모델 결과와 관측치의 오차를 최소화하기 위하여 반복시행을 통하여 최적의 개방경계 조건을 결정하였으며, 모델결과에 대한 신뢰성 확보를 위하여 모델영역 내 4개 지점의 조석자료와 관측된 조류자료로부터 구한 조화상수와 모델결과를 조화 분해하여 얻어진 조화상수를 비교 검증하였다. 관측치의 조위는 욕지도, 사량도, 삼천포항, 통영항 기준조석을 이용하였고, 유속은 매 시별 관측치의 북방 및 동방 성분을 매 태음시의 유속으로 환산한 후 연속조류 조화분석법으로 계산된 반일주조류의 유속을 이용하였다.

2.3. 퇴적물이동 모델

 부유사 퇴적실험에는 퇴적물의 부상(resuspension), 이류(advection), 난류확산(turbulent diffusion) 및 침전(settling)을 고려하여 저면의 퇴적 또는 침식속도와 부유사 농도의 시·공간적 변화를 계산하는 2차원 연직적분 모델인 DIMOS- 모델을 이용하였고 수심 평균한 부유사의 이류·확산방정식은 식 (5)와 같다.

 

 여기서, x, y는 2차원 평면 직교좌표, t는 시간, h는 수심, C는 수심평균 부유사 농도, u, v는 x, y방향의 수심평균 유속, k11, k12, k21, k22는 방향별 난류확산계수(K, k12= k21), S는 소멸 또는 생성항을 나타낸다.

 모델은 확산방정식을 푸는 과정에서 수치적 감쇠 또는 불규칙한 진동이 발생 하는 문제점을 최소화하고 계산의 정확도를 높이기 위하여, 이류항과 확산항을 분리하여 계산하였으며, 이류항은 유한 차분양해법(upwind scheme)으로, 확산항은 유한차분 음해법(Crank-Nicholson method)으로 구하였다. 확산계수 K에 대한 방향성분들은 유선방향 좌표로부터 x-y 직교좌표로 좌표를 변환하여 구했는데, 유선 방향 즉, 흐름 방향(ξ)과 이에 직각인 방향(η)으로 표시하면 식 (6)~(8)과 같다.

 

 

 

 여기서, εξ와 εη는 흐름방향과 이에 직각방향의 혼합계수를 나타내며, θ는 x축으로부터 ξ축까지의 각도(반시계방향이 +)를 나타낸다. εξ와 εη는 평균류(mean flow)의 특성으로부터 식 (9)와 같은 Elder식에 의하여 구하였다(Elder, 1959).

 

 여기서, eL과 eT는 각각 흐름방향 및 이에 직각방향의 무차원계수로서 Elder의 실험결과에 의하면 각각 5.93과 0.23이며, 전단유속(U*)는 U* =0.1U로 가정하였다(U 평균유속).

 부유사의 침강과 재부유는 저면 전단응력(τ, N/m2)의 함수로 흐름에 의한 저면전단응력은 식 (10)으로 구하였다(Greenberg and Amos, 1983).

 

 여기서, ρ는 유체 밀도 (kg/m3), g는 중력가속도 (m/s2), Ch는 Chézy 계수(m11/2/s)를 나타낸다.

 전단응력이 퇴적한계 전단응력(τd) 이하일 때는 수중의 부유사가 침강하고 τd를 초과하여 침식한계 전단응력(τe)에 이를 때까지는 이동되며, 이를 초과하면 저면의 침식이 발생한다고 가정하고, τ ≤ τd이면 퇴적, τd < τ ≤ τd이면 이동, τe < τ이면 침식의 τe의 임계조건을 설정하였다(Greenberg and Amos, 1983).

 또한, 부유사의 퇴적속도(D)는 식 (11)로 구하였는데,

 

여기서 ws는 침강속도, H는 평균 침강거리를 나타낸다. 

 침강속도(ws)는 Stokes 공식을 사용하여 식 (12)로 구하였다.

 

 여기서, d는 sieve diameter, ν는 kinematic viscosity coefficient, s는 specific gravity(=2.65)를 나타낸다.

 또한, 저면의 침식속도와 침식율, 퇴적율 등은 Greenberg and Amos(1983)의 공식을 이용하였는데, 저면 침식속도는 식 (13)으로 구하였다.

 

 여기서, E는 침식속도(m/s), k2는 실험상수를 나타낸다.

 부유사의 소멸(수중에서 저면으로 침강)과 생성(저면에서 수중으로 재부유)에 따른 저면 변화는 식(14)로 구하였다.

 

 여기서, D는 퇴적율(m/s), E는 침식율(m/s), P는 공극율(%), ZF는 기준면상의 저면 높이(m)를 나타낸다. 위에서 산정된 저면의 변화만큼 수심을 보정한 수심 보정식은 식 (15)로 구하였다.

 

 여기서, ht는 t시각의 수심, ht+Δt는 (t + Δt) 시각의 수심, ΔZ는 단위시간당 저면 변화, m는 확장 계수(extension factor)를 나타낸다.

 수심 보정식은 실험을 수개월 또는 수년 동안 수행할 수 없기 때문에 SOGREAH(1988) 방식에 따라 확장계수(m)의 개념을 도입하여 1 조석주기의 계산결과를 임의 기간의 결과로 확장시켜 적용하였다.

 퇴적물이동 모델의 해안선 위치, 격자구성 및 각 격자점의 수심은 해수유동 모델과 동일하며, 매 시간 간격마다 해수유동 모델에서 계산된 각 격자점의 수위, 유속 및 유향을 입력하여 계산하였다. 퇴적물이동 모델은 임계 퇴적 및 침식 전단응력, 침강속도, 침식율 계수, 난류혼합계수 등 입력 및 검증을 위한 해역에 따른 다양하고 장기적인 자료가 요구되는데, 본 연구에서는 관측자료의 한계를 고려하여 일반적으로 적용되는 계수를 바탕으로 황토가 살포된 후 황토의 이동·확산 및 퇴적 양상을 파악하였다.

 2003년에 통영시연안에서 살포된 황토의 총량은 약 24,000 ton 정도로 추정되는데 이중 30% 정도(7,200 ton)가 대상 해역에 살포되었을 것으로 추정된다(비공식 추정치). 2003년 통영시 주변수역에 유해적조가 발생한 기간은 8월 14일~10월 5일로 약 2달정도 지속되었으나, 본 연구 대상지역인 오비도 지역에서 적조생물농도가 1,000 cells/ml 이상 적조경보수준의 고밀도 적조가 지속된 기간은 20여일 정도로 추산된다(국립수산과학원, 2004). 따라서, 고밀도 적조발생기간 중 수산피해 예방을 위해 오비도 내측수로에서 낮시간 동안 매일 연속적으로 황토를 살포했다고 가정할 때 이곳에서의 일일 황토살포량 360 ton으로 추산하여 모델에 적용하였다. 모델 입력을 위하여 일일 황토살포량을 낮시간(12시간) 동안 매 timestep으로 나누어 연속적으로 투입한 것으로 가정하고, 지정한 1개 격자내에서 균일한 농도로 부과하였다. 또한, 황토 입자의 침강속도(ws)는 Stokes 공식을 적용하여 입경 11 μm인 황토의 경우 0.165 mm/s로 하였다. 초기의 침식가능한 해저면의 높이와 해수중의 초기 및 경계 SS농도를 0로 하여 대상 입자인 황토의 퇴적 및 침식만이 고려될 수 있도록 하였다. 퇴적물이동 모델은 해수유동이 활발한 대조기 상황에서 총 5조석주기 동안 수행하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 조류관측 및 검증

오비도 북측수로의 조류는 등수심선을 따라 동-서향류를 나타냈으며, 관측기간 중 최강유속은 14 cm/s로 창조류에 관측되었다(그림 3). 창조류는 통영 기준검조소 저조전 4.1시에 전류하여 저조후 1.0시에 최강유속을 나타냈고, 낙조류는 고조전 3.1시에 전류하여 고조후 0.1시에 최강유속을 보였다.

Figure 3. Time plot of tidal current vector observed at PC-1 station in Obido channel, Tongyong.

 매 시별 유속 관측치의 북방 및 동방 성분을 매태음시의 유속으로 환산한 후, 단기 조화분석법(Franco, 1965)으로 일조주류(日週潮流), 반일주조류(半日週潮流)와 1/4일주조류(1/4日週潮流)의 유속과 지각 및 잔차류를 산출하였다. 유속 V는 식 (16)으로 표현할 수 있는데, 조화분석을 통하여 조화상수 Vo, V1, V2, V4 및 K1, K2, K4를 산출하였다.

 

 여기서, Vo는 잔차류, t는 태음시수, V1은 일주조류 유속, V2는 반일주조류 유속, V4는 1/4일 주조류유속, K1은 일주조류 지각, K2는 반일주조류 지각, K4는 1/4일주조류 지각을 나타낸다.

 조류 관측자료에 대한 북방 및 동방 성분의 조화상수를 이용하여 조류타원 요소를 산출하여 표 1에 제시하였으며, 조류 타원도는 그림 4와 같다. 오비도 북측수로에서 반일주조류와 일주조류의 장축 방향은 동-서방향이고 반시계방향으로 회전하며, 반일주조류는 약 7.2 cm/s, 일주조류는 1.9 cm/s로 반일주조류가 더 우세하며, 잔차류는 0.9 cm/s로 북서향류를 보였다.

Table 1. Characteristic values of tidal current ellipses calculated from the data obtained for 25 hours at PC-1 station.

Figure 4. Tidal current ellipses calculated using the data at PC-1 in Figure 3.

 모델결과는 조석의 경우 관측자료에 비해 반조차(Amplitude)는 0.1~3.4%, 지각(Phase)은 0.2~0.8%의 오차를 보였으며, 반일주조류 반조차(Amplitude)는 0.2 cm/s, 지각(Phase)은 0.1o의 오차를 보임으로써 대상영역 전반에 걸쳐 조석에 의한 해수의 유동양상을 잘 재현하였다(표 2, 3, 그림 5).

Table 2. Harmonic constant of semidiurnal M2 tide constituent from observed and modelled data. The ratio (in percentage) of the harmonic constant was calculated based on observed and modelled tide.

Table 3. Harmonic constants of semidiurnal M2 tidal current from observed and modelled data.

Figure 5. Comparisons of modeled and observed tide levels and current.

3.2. 해수유동 모델

 조위 및 조류에 대한 해수유동 모델결과, 고조위는 모델의 서측경계인 부산에서 220 cm, 거제도 남측에서 250 cm, 모델 동측경계인 남해도에서 277 cm로 나타났으며, 저조위는 부산에서 80 cm, 거제도 남측에서 40~50 cm, 남해도와 욕지도 사이에서 20 cm로 나타났다(그림 6). 서측으로 갈수록 고조위는 높아지고 저조위는 낮아지는 경향을 나타냄으로써 조차는 서측해역에서 증가하는 양상을 보였고, 연구해역인 오비도에서 고조위는 268 cm, 저조위는 23 cm로 계산되었다. 외해역의 조류는 거제도 동측해역에서는 북동-남서향하고, 거제도 서측해역에서는 동-서향류를 나타내며 왕복성 흐름을 보였다(그림 7). 창조시 욕지도와 미륵도사이의 수로를 통해 유입된 해수는 사량도에서 서향류와 북향류로 나뉘어 내만으로 유입되었는데, 연구해역에서의 조류는 오비도 남서측에 위치한 수로를 따라 북서-남동 방향의 흐름을 보였다. 창조시 미륵도 남측으로 통과한 해수는 오비도와 미륵도 사이의 수로를 통해 유입되고 오비도 서측을 통해 유출된 후 내측인 동도만 및 남만으로 유입되는 양상을 보였다. 낙조시에는 반대의 유향을 나타냈으며 오비도와 미륵도 사이의 수로에서 최강유속은 15 cm/s로 계산되었다(그림 8).

Figure 6. Distributions of high and low water level obtained from the numerical model in Tongyong coasts.

Figure 7. Distributions of modeled-current vectors on maximum ebb and flood period in Tongyong coasts.

 조석의 비대칭성으로 인하여 나타나는 조석잔차류는 연안의 장기적인 물질이동을 해석하는데 있어 중요한 요인 중의 하나인데, 연구해역에서 반일주조의 1조석주기 동안의 유속과 유향을 평균하여 계산한 조석 잔차류는 오비도 남서측 해역에서 최대 10 cm/s 정도로 상대적으로 큰 값을 보였으며, 오비도와 미륵도 사이의 수로에서는 1~3 cm/s 정도의 크기로 수로를 따라 서향하는 흐름을 보였다(그림 8).

Figure 8. Distributions of modeled-current vectors on maximum ebb, flood and residual tidal period in Obido area.

3.3. 퇴적물 이동모델

 그림 9는 오비도 북측수로에 일정한 양(360 ton/day)의 황토입자를 모델 수행기간 동안 지속적으로 살포할 경우 반일주조의 1조석주기 및 5조석주기 후수층에 남아있는 황토입자 농도의 분포를 나타낸 것이다. 황토입자는 살포한 지점(●)에서 20 mg/L 이상의 농도를 보이며 오비도 서측을 통해 북측으로 이동·확산되었는데, 1 mg/L 이상의 농도가 나타나는 영역은 1조석주기 후 약 1.2 km2이며 5조석주기 후에는 1.5 km2로 그 영역이 증가하였다. 황토입자의 이동·확산 분포는 오비도 서측해역에 주로 치우치는 것으로 나타났는데 이는 해수유동 모델에서 나타난 조석 잔차류의 방향과 유사한 양상을 보이고 있어 내만에서 황토의 이동 경로를 예측하는데 있어 잔차류 영향이 중요한 것으로 나타났다.

Figure 9. Distribution of clay concentration in one and five tidal cycle after dispersion.

 오비도 북측수로에 살포된 황토입자의 퇴적양상은 그림 10과 같다. 총 5조석주기 동안 수행한 퇴적물 이동 및 확산모델 결과를 바탕으로 확장계수를 적용하여 20일(약 38조석주기) 후의 해저면 높이의 변화를 예측한 결과이다. 황토입자는 투하지점 100 m 이내에서 최대 10 mm 정도의 높이로 퇴적되고, 동-서측방향으로 갈수록 퇴적량이 점차 줄어들어 오비도 서측과 동측에서는 0.2 mm의 높이로 퇴적될 것으로 예측되었다.

Figure 10. Clay sedimentation over 20 days clay dispersion.

 일반적으로 부유퇴적물의 퇴적 및 침식은 대상해역의 유속에 의해 일차적으로 가장 크게 영향을 받는다. 유속이 임계유속보다 강하게 되면 부유입자가 침강(settling)하지 못하고 해수의 흐름에 따라 이동·확산되고, 대상해역의 유속이 임계유속에 미치지 못하면 침강하여 퇴적되게 된다. 이밖에도 해수 유동, 입자의 크기, 모양, 입자간의 응집효과 등 물리, 화학, 생물학적 요인들은 해수중의 퇴적물입자의 부유, 침식 및 퇴적기작에 영향을 준다(Mehta, 1986; 김, 1999; 김, 2002; 황, 2001; 황 등, 2002). 또한, 부유물질의 침강속도는 점착력에 의해 많은 영향을 받는데, 부유물질의 입자의 크기가 작을수록, 유기물 함량이 클수록, 고령토(kaolinite)와 일라이트(illite)의 함량이 높고 석영(quartz)의 함량이 낮을수록 점착력이 증대되어 침강속도는 낮아지는 것으로 알려져 있다(황, 2001; 김, 2002; 황 등, 2002). 우리나라에서 적조방제용으로 이용되고 있는 황토는 광물질 구성성분에 있어 연안해역의 퇴적물과는 달리 Montmorillonite로 점성이 매우 강하며(황, 2001; 이 등, 2002), 적조방제용 황토로(국립수산과학원 승인) 사용되는 황토(국립수산과학원 검사 승인)는 해수에 현탁시켰을 때 50 μm 이하의 구성비율이 비교적 높다. 따라서 이러한 특징은 황토의 부유시간과 이동거리를 증가시킬 수 있는 요인으로 작용될 수 있어 본 연구에서 예측된 값과는 다소 차이가 있을 수 있는데, 특히 입자크기가 작은 황토일수록 실제 이동·확산 거리는 모델값보다 클 가능성이 있다. 황토의 이동과 침강에 영향을 주는 주요 요인 중의 하나로 난류(tublance)를 들 수 있는데, 본 연구의 대상해역인 오비도 수역의 난류에 관한 상세자료는 없으나 이 수역은 최강유속이 15 cm/sec 이하로 유속이 낮고 지형적인 특성상 바람의 영향을 적게 받는 수역으로 난류의 영향은 거의 받지 않는 지역으로 판단된다.

 한편, 김(1999)은 해수중의 높은 염분농도는 황토입자의 ELD(Elcetrical Double Layer) 두께를 얇게 만들어 ELD repulsive force가 거의 존재하지 않기 때문에 음의 total interaction energy 값(attractive force)을 나타내어 살포된 황토입자가 쉽게 floc을 형성하게 되고, 조류 유속이 약한 곳에 살포된 황토는 부유시간이 짧아 멀리 이동하지 못하고 살포해역 주변에 침강 퇴적될 수 있다고 보고하였다. 또한, 김(1999)은 조류유속이 5 cm/sec인 내만해역에서 50 μm 내외인 황토입자의 침강시간은 30분 정도이고, 90 m 정도 수평이동 될 수 있다는 이론적 계산이 나오지만, 실제로는 해수유동에 의한 전단력, 황토입자끼리의 응집작용과 황토입자와 적조생물 사이의 응집작용 등의 영향에 의해 황토의 이동거리는 이론치와 다르게 나타날 수 있다고 보고하였다. 본 모델결과에서 나타난 이론값은 해양에서 황토살포 시 나타날 수 있는 황토의 응집효과를 고려하지 않은 것으로 입자별 부유황토의 이동거리는 실제보다 낮을 가능성이 크다. 또한, 황토의 침강율은 황토농도에 따라 달라질 수 있는데 황토농도가 400, 2,000, 10,000 mg/l로 높아지면 개별입자침강(discrete settling)에서 응결침강(flocculation settling)로 바뀌어 침강속도가 빨라진다(김, 1999). 적조방제 현장에서의 황토살포방법은 황토살포기(황토입자를 50 μm 내외로 분쇄하여 분사시키는 장치)보다는 황토더미에 해수를 주입함으로써 황토를 용해시켜 적조띠 주변에 흘려보내는 현실을 감안할 때 황토살포 농도 조절이 용이하지 않아 살포황토는 응집된 상태로 침강될 가능성을 배제할 수 없다. 또한, 본 연구해역인 오비도 북측수로는 외해수역보다 조류의 유속이 낮아 부유퇴적물이 침강, 퇴적되기에 용이한 환경이다. 따라서, 오비도 인근수역에서 적조방제용으로 살포된 황토입자의 이동거리는 본 모델에서 제시된 이론값보다 다소 낮을 가능성이 있다.

 본 연구지역이 속한 남해의 연안은 복잡한 해안선 및 조석체계와 더불어 대마난류로 대표되는 해류의 영향을 받고 있어 시·공간적으로 해황의 변화가 크게 나타나는 해역이다(Mitta and Ogawa, 1984; 김 등, 1991; 조와 김, 1994; Chang et al., 1995; Chang and Kim, 1995; Lie and Cho, 1997; 성 등, 2010; 황 등, 2012). 이와 같은 해역에서 해수 중의 물질이동을 정확하게 예측하기 위해서는 세밀한 격자망 구성을 위한 해수순환 및 해양관련 정보(수심, 해류, 조류, 조석, 수온, 염분, 기상자료, 담수의 유입량 등)와 부유물질의 이동과 관련한 입자의 크기, 퇴적물의 시·공간적 농도 및 임계 퇴적·침식 전단응력, 침강속도 등의 다양한 자료가 요구된다(Verwey and Overbeek, 1948; Hogg et al., 1996; 김, 1999). 황토의 이동·확산 및 침강 경로는 대상해역의 해양 및 수리학적 특성에 따라 큰 차이가 있기 때문에 조류 유동이 비교적 적은 수역에서 수행한 본 연구결과를 황토살포가 이루어지고 있는 여타 남해안 황토살포해역에 직접 적용시켜 예측하는 것은 무리가 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서 예측된 황토농도 분포도는 앞으로 현장에서 황토살포에 따른 황토입자의 실제 이동거리와 저면에서의 황토퇴적량 조사 등과 같은 실측조사를 통해 비교, 검증하는 후속 연구가 필요하다. 또한, 황토입자의 이동·확산 및 침강경로 등에 대한 연구는 황토살포로 인한 생태계 및 양식생물영향 파악을 위해 현재 황토가 살포되고 있는 남해안 다른 해역으로 확대할 필요가 있으며, 이를 위한 해당해역의 해양학적, 수리적 특성 등에 대한 관련자료 확보가 필요할 것으로 판단된다.

4. 결 론

 1996년 이후 유해적조발생 시 수산피해 최소화를 위해 적조방제용으로 살포되고 있는 황토입자의 이동상황 등을 알아보기 위해 황토살포가 빈번하게 이루어진 경남 통영시 미륵도 서측연안의 오비도 북측수로를 대상으로 해수유동 모델과 퇴적물이동 모델을 통해 황토의 이동·확산 경로와 퇴적양상을 예측하였다.

 미륵도와 오비도 사이의 수로에서 관측된 조류는 동-서향하며 관측기간 중 최강유속은 14 cm/s로 창조류에 나타났다. 잔차류는 0.9 cm/s의 크기로 북서향(295°)하고, 반일주조류는 7.2 cm/s, 일주조류는 1.9 cm/s로 반일주조류가 더 우세한 것으로 나타났다. 외해에서 내만으로 유입·유출되는 해수는 주로 오비도 남서측에 위치한 수로를 따라 창조시 북서향하며 낙조시 남동향하는 흐름을 보였다. 오비도와 미륵도 사이의 수로에서는 창조시 오비도 동측을 통해 유입된 해수가 서측으로 유출되고 낙조시에서는 반대방향의 흐름을 보이며, 수로의 서측부근에서 15 cm/s 정도의 최강유속을 보이는 것으로 나타났다. 조석잔차류는 오비도 서측 및 남측해역에서 최대 10 cm/s 정도의 크기를 나타냈고, 오비도와 미륵도사이의 수로에서 조석잔차류는 1~3 cm/s 크기로 서향류를 나타냈다.

 오비도 북측수로 중간지점에서 적조방제를 위해 약 360 ton의 황토를 매일 지속적으로 살포한 경우로 가정하여 퇴적물이동 모델을 통해 5조석주기 동안의 이동·확산영역과 퇴적양상을 예측한 결과, 황토입자는 오비도 서측을 통해 북측으로 이동확산되는 양상을 보였는데 5조석주기 후 해수 중 황토의 농도가 1mg/L 이상인 면적은 약 1.5 km2인 것으로 예측되었다. 또한, 황토의 퇴적은 살포지점으로부터 100 m 이내에 가장 많이 퇴적되어 최대 10 mm 정도의 높이로 퇴적될 것으로 예상되었으며, 조류를 따라 이동한 황토입자는 오비도 서측입구와 동측입구 주변에 약 0.2 mm 정도가 퇴적될 것으로 예측되었다.

감사의 글

 본 연구는 국립수산과학원 수산시험연구사업(유해생물 모니터링 및 피해저감연구, RP-2013-ME-018)으로 수행 되었습니다.

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