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ISSN : 1976-6769(Print)
ISSN : 2287-8122(Online)
Korean Journal of Nature Conservation Vol.7 No.2 pp.109-119
DOI : https://doi.org/10.11624/KJNC.2013.7.2.109

연속관측 자료를 활용한 용존산소 수지모델 연구

최양호1*, 노영재2, 성기탁1, 장대수1
1남서해수산연구소 자원환경과
2충남대학교 해양환경과학과

A Simple Model for Dissolved Oxygen by Exploiting Realtime Monitoring Data

Yang-ho Choi1*, Young-jae Ro2, Ki-tack Seong1, Dae-soo Jang1
1Fisheries Resources and Environment Division, Southwest Sea Fisheries Research Institute, Yeosu 556-823, Korea
2Oceanography & Ocean Environmental Sciences, Chungnam National University, Daejeon 305-764, Korea
(Received 8 October 2013; Revised 20 October 2013; Accepted 26 October 2013)

Abstract

The distribution of dissolved oxygen (DO) and its variability in Chunsu Bay were studied. Monthly hydrographic survey and realtime monitoring for water quality conditions were carried out in study area. Vertical distribution of DO shows the formation of hypoxia in the bottom water in the vicinity of the artificial dyke and net cage aquaculture site in summer. Annual mean of DO was 8.4 mg/l, with minimum monthly mean of 6.9 mg/l in July and maximum of 11.2 mg/l in March. Temporal variation of DO at bottom water around the net cage aquaculture site shows pronounced oscillatory characteristics with range of 0.5~7.0 mg/l. Coherency analyses between the tidal range and DO concentration shows that variation of DO is significantly coherent with tidal range at semi-diurnal period with 1~3.5 hours phase-lags. A simple DO budget model was set up to account for the formation of the extreme hypoxic conditions in Chunsu Bay. The governing equation is based on the mass-balance for kinetic process with simplified parameter of source and sink terms of DO. the source term is represented by replenishment through the vertical and horizontal diffusion and mixing. the sink terms comprise function of sediment oxygen demand (SOD) and carbonaceous biochemical oxygen demand (CBOD). The result of numerical solution indicates the dominant role of SOD as the overriding factor against the oxygen supply.

0040-01-0007-0002-3.pdf4.01MB

1. 서 론

 반 폐쇄성 내만 및 연안 해역은 육지로부터 유입되는 오염물질에 쉽게 노출되어 있다. 오염물질의 증가는 해역의 부영양화를 일으키게 되고, 그로 인한 적조발생과 용존산소 부족은 양식생물 폐사뿐 아니라 국민건강과 직결되는 수산물의 안전성에도 악영향을 준다. 특히 용존산소는 해양생물의 생명유지에 필수적인 요소로 해양생태계에 직접적인 영향을 주기 때문에 수질평가의 주요 지표로 이용되고 있다(Diaz, 2001).

 해수중의 용존산소는 식물의 광합성과 대기에서 공급되는 기작을 통해 유입된다. 해양의 표층으로 유입된 산소는 혼합 등의 과정을 거쳐 저층으로 공급되는데, 공급이 중지되거나 공급을 초과하는 소비가 발생하면 저층의 용존산소는 해양생물의 생명유지에 필요한 적정농도 이하로 감소하게 된다. 용존산소가 부족한 수괴(water mass)를 빈산소(hypoxia) 수괴라고 하며, 빈산소 수괴는 해양생물의 대량폐사를 일으키는 주 요인으로 작용하게 된다. 일반적으로 빈산소수괴는 용존산소 농도 3 mg/l 이하인 수괴를 기준으로 한다(Azarovitz et al., 1979; Boesch and Rabalais, 1991; Diaz, 2001; Karim et al., 2002).

 빈산소 수괴에 대한 기존 연구에 의하면, Caddy(1993)와 Howarth et al.(1996)은 과다한 영양염류 공급에 의한 부영양화와 저층으로 대량 공급된 유기물들을 빈산소 수괴 형성의 주요인으로 지적하였고, Kuo et al.(1991)과 Park et al.(1996)은 수치모델 실험을 통해 물리적 과정과 생지화학적 과정의 복합적인 작용에 의해 빈산소 수괴가 발생함을 설명하였다. 특히 물리적 과정에서는 항류 (또는 잔차류)의 유속과 수직혼합의 세기가 중요하고, 생지화학적 과정에서는 수괴내의 산소요구량과 퇴적물에 의한 산소요구량이 중요함을 지적하였다. 또한 Rutherford et al. (1991)은 조류가 강한 하구역에서 퇴적물에 의한 산소 요구량이 총 산소요구량의 90%를 설명할 수 있을 만큼 중요하다고 지적하였으며, Park et al.(1996)은 퇴적물에 의한 산소 요구량이 일정 값 이상 존재할 경우 유입수의 용존산소 농도와 관계없이 저층수가 빈산소화 될 수 있음을 지적하였다. Sloth et al. (1996)은 퇴적물의 재부유에 의해서 산소의 소비가 10배로 증가함을 보고하였고, Tengberg et al.(2003)은 퇴적물의 재부유에 의해 겨울철에도 산소 소비가 2배까지 증가한다고 보고하였다. 

 다양한 환경변수의 지배를 받고 있는 해양에서 빈산소 수괴의 형성을 정량적으로 예측하기란 쉽지 않다. 최근들어 관측기기의 발달과 함께 단주기 변동특성을 파악할 수 있는 상세한 관측자료들이 제공되고 있다. 따라서 상세한 관측자료의 시계열 분석을 통해 용존산소 변동 특성과 대기-해수-저층간의 수지특성을 정확하게 파악하면 정량적인 예측 가능성을 높일 수 있으며, 천수만과 같이 조수간만의 차가 큰 해역은 해수 유동과 퇴적물 재부유 등에 의한 영향도 중요하게 고려되어야 할 것으로 판단된다. 

 본 연구에서는 천수만 해역의 용존산소 시계열 및 공간분포 자료에 대한 분석을 통하여 용존산소의 변동 특성을 파악하고, 해수유동과 퇴적물 재부유 특성을 고려한 용존산소의 수지균형을 모형화하여 빈산소수괴 형성을 정량적으로 예측하고자 하였다. 

2. 재료 및 방법

2.1. 연구 해역

 천수만은 한반도 서해 중부연안에 위치한 반 폐쇄성 내만으로서 1983년에 방조제가 건설되고 연안 개발로 인한 급격한 해양 환경 변화를 겪으면서 수질 악화 및 수산업 피해가 늘어나고 있다(Choi, 2004). 천수만은 길이 약 30 km, 폭 약 10 km로 남-북 방향으로 길게 놓여 있으며, 만 내의 평균 수심은 약 10m이고 입구에서 약 30 m의 최대수심을 보인다(그림1). 조석은 형태수(tidal factor) 0.22로 일조부등이 작은 반일주조가 특징적이며, 만 입구에서 대조 및 소조시 평균조차는 각각 7.0 m, 5.2 m이고, 평균 고조간격은 3시간이다. 유속은 입구에서 창·낙조류 각각 1.8 m/sec, 1.6 m/sec이며, 만 내에서는 각각 0.6 m/sec, 0.9 m/sec로 약화되고 방조제 인근에서는 0.2 m/sec 내외이다. 연평균 표층 수온은 16.6oC로서, 3월에 최저치인 5.0oC, 8월에 최고치인 27.0oC를 보이며, 염분은 8월에 최소치인 31.3 psu, 10월에 최고치인 32.5psu이다. 공간적인 수온, 염분의 차는 수직·수평 모두 1oC 및 0.5 psu 내외로서, 홍수기를 제외한 기간에는 강한 조류에 의한 혼합과 방조제 건설에 따른 담수 유입의 제한으로 공간적인 차이가 크지 않다(Choi, 2004).

Figure 1. Bathymetry of the study area and sampling stations (●: vertical profile, ■: realtime monitoring).

2.2. 자료 관측 및 분석

 본 연구를 위하여 만 입구의 해상가두리 양식장과 만내의 10개 정점에서 수온, 염분 및 용존산소 등을 관측하였다(그림 1). 해상가두리 양식장에 위치한 정점은 저층(해저 2 m 수심)에 설치된 연속관측시스템(Ro and Choi, 2004)을 이용하여 2001년 6월~2002년 6월까지 1년 동안 10분 간격으로 연속 관측하였으며, 같은 지점에서 조류 관측도 실시하였다. 조석 자료는 고정항 검조소의 자료를 활용하였다. 만 입구에서부터 약 3 km 간격의 10개 정점에서는 1개월 간격으로 만조 전·후 약 3시간 동안 수심별로 관측하였다. 자료 관측에는 YSI 6000R 수질측정기가 사용되었으며, 연속관측시스템은 매 2주마다 센서 교정을 실시하였다. 장기변동 자료와의 비교분석을 위하여 국립수산과학원 연안환경측정망 자료(1997~2002년) 중 양식장에 가장 인접한 정점 5의 자료를 활용하였다(NFRDI, 2012).

 용존산소의 변동 특성을 파악하기 위하여 10분 간격으로 연속 관측된 자료로부터 1시간 평균값을 취하여 시계열 분석을 실시하고, 조석과의 관계를 파악하기 위하여 Coherency 분석을 하였다. 빈산소 형성과정을 모형화하기 위하여 자료 분석 결과를 바탕으로 용존산소 수지균형 방정식을 수립하고 수지모델 실험을 실시하였다. 

2.3. 저층 용존산소 수지 방정식

 해수중의 용존산소는 수괴내의 산소 공급과 소비의 수지균형에 의해서 조절되며, 해수 유동 등에 의한 영향을 받는다. 이를 단위부피의 용존산소 농도(C) 수지균형식으로 정리하면 식 (1)과 같다(Thomann and Mueller, 1987).

 

 그러나 대기와 직접적인 접촉이 없는 저층수의 경우, 표층수로부터 공급이 이루어지고 퇴적물과의 경계면에서 이루어지는 소비 기작에 지배적인 영향을 받는다. 따라서 식 (1)에서 광합성 및 호흡 등이 저층수의 용존산소 변화에 미치는 영향보다 표층수에 의한 공급과 저층 퇴적물에 의한 소비 기작이 지배적이라 가정하면, 저층수의 용존산소 수지균형은 식 (2)와 같이 표현된다(Kuo et al., 1991).

 

 식 (2)에서 우변 첫째 항은 주기적인 해수유동에 의한 산소 공급을, 둘째 항은 저층 퇴적물에 의한 산소 소비를, 셋째 항은 수괴내의 생화학적 과정에 의한 산소 소비를 표현하는 그림 2와 같은 모형을 고려하고, 이를 수지균형 방정식으로 표현하면 식 (3)과 같다. 

Figure 2. A conceptual model of the dissolved oxygen (DO) budget for the bottom water. C, Cs and Cd are DO concentrations of the bottom and surface water and bottom sediment; α and β are reaeration and consumption rates of DO; CBOD is Carbonaceous Biochemical Oxygen Demand.

 

 이때, C는 저층수의 용존산소 농도(mg/l), Cs는 표층수의 용존산소 농도(mg/l), Cd는 저층 퇴적물의 산소농도(mg/l), α는 표층수로부터의 산소 공급계수(1/day), β는 퇴적물에 의한 산소 소비계수(1/day), CBOD(carbonaceous biochemical oxygen demand)는 생화학적산소 요구량(mg/l·day)이다. 

 식 (3)에서 표층수에 의한 산소의 공급은 표·저층간의 농도차와 공급계수(α)에 의해서 결정되며, 산소공급계수(α)는 해수 유동에 의한 영향을 고려하기 위하여 유속 관측 자료와 수온에 따라 변화하는 값으로 정의하였다(식 4). 유속은 최강 유속값으로 평준화한 무차원 값을 사용하였다. 

 

 이때, Ka (1/day)는 최저 산소 공급계수로서 수온 20oC의 보정 계수를 포함한 값이며, T(oC)는 수온, Pa는비례상수, Umax(m/sec)는 최강 유속값이다.

 퇴적물에 의한 산소 소비는 유기물이 분해되는 과정에서 이루어지며, 일반적으로 퇴적물의 산소 농도와 수온에 의해 지배적인 영향을 받는 퇴적물에 의한 산소 요구량(SOD, sediment oxygen demand)으로 모식화 된다(DiToro and Connolly, 1980). Sloth et al. (1996)과 Tengberg et al.(2003)은 퇴적물의 재부유에 의해 산소 소비가 증가함을 보고하였다. 따라서 본 연구에서는 퇴적물 부유 농도에 의한 산소 소비를 고려하기 위하여 수온과 퇴적물 부유 농도에 따라 변화하는 소비계수(β)를 이용하였다. 저층에서의 산소 소비는 조류에 의한 퇴적물의 재부유 농도에 비례한다고 가정하고 식 (5)와 같이 산소 소비계수(β)를 정의하였으며, 퇴적물 부유 농도는 최대 농도로 평준화한 무차원 값을 이용하였다. 

 

 이때, Ks (1/day)는 최저 산소 소비계수로서 수온 20oC의 보정 계수를 포함한 값이며, Ps는 비례상수, SSmax(mg/l)는퇴적물 최대 부유 농도 값이다. 

 Rouse(1938)는 임계 유속 이상에서 발생하는 저층퇴적물의 수심별 재부유 농도를 침강속도 및 전단유속(shear velocity)과의 관계식으로 제시하였으며, Clarke and Elliott(1998) 및 Shi et al.(2003)은 이러한 관계식을 이용하여 한 정점에서의 수심별 퇴적물 부유 농도를 추정하였다. 본 연구에서도 같은 방법(Rouse, 1938; Clarke and Elliott, 1998; Shi et al., 2003)을 이용하여 조류에 의한 퇴적물의 재부유 농도를 추정하였다(식 6). 

 

 이때 SS(mg/l)는 수심 z에서의 퇴적물의 재부유 농도, SSa (mg/l)는 기준 수심(a)에서의 부유 농도, h(m)는 수심이며, R = ws/ku*은 Rouse number로서 침강속도(ws), von Karman 계수(k), 전단유속(u*)으로 정의된다. 

 퇴적물의 재부유 농도 추정을 위해 식 (7)과 같이 수심평균 유속과 관련된 전단 유속(Clarke and Elliott, 1998)을 이용하였으며, 수심평균 유속은 관측 자료를 근거로 수심별 유속을 로그 함수에 적용하여 계산하였다. 

 

 이때, u*(m/s)는 전단유속, U(m/s)는 수심평균 유속, z0(m)는해저면거침(bottom roughness)이다. 

  식 (6)~(7)을 대입하여 산소 소비계수(β)에 대한 식 (5)를정리하면 다음과 같다.

 

 저층 수괴내의 산소 소비는 수괴내의 유기물 분해에 필요한 생화학적 산소요구량(CBOD)에 의해 결정되며, 탈산소계수(Kb, 1/day)와 저용존산소 보정항을 이용하여 식 (9)와 같이 정의하였다. 

 

 이때 KBOD는 산소 소모율이 1/2로 줄어드는 용존산소 농도(mg/l)이며, Cb는 수괴내의 생화학적 산소요구량(mg/)이다. 

 용존산소 수지 균형 방정식 (3)의 해는 Runge-Kutta 방법으로 구하였다. 이때 초기 조건은 C=C0를 이용하였으며, 표층수의 포화농도(Cs)는 8.0 mg/l, 초기 용존산소 농도(C0)는 7.5 mg/l로 설정하였다. 부유 물질의 침강속도는 하구역 세립질 퇴적물의 평균값에 준하는 2 mm/sec로 가정하였으며(Shi et al., 2003), 해저면 거침정도는 2 × 10-4 m, Karman 계수는 0.4를 사용하였다. 퇴적물의 산소 농도(Cd)는 1.0 mg/l, 수괴 내의 생화학적 산소요구량(Cb)은 1.5 mg/l로 가정하였으며, 최저 산소 공급계수(Ka), 최저 산소 소비계수(Ks) 및 수괴내의 탈산소계수(Kb)는 각각 0.5, 0.3, 0.2로써 기존 연구 결과를 참고하였다(O'Connor and Thomann, 1972; Covar, 1976). 수치 해석 결과는 빈산소가 형성된 기간을 전후한 12일 동안(2001년 7월 18일~7월 29일)의 관측자료와 비교·검증하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 용존산소의 수직단면분포 특성

 2001년 7월의 수온(a), 염분(b) 및 용존산소 포화율 (c)과 8월의 용존산소 포화율(d)에 대한 정점별 관측자료의 수직분포도이다(그림 3). 수온과 염분의 공간적인 분포는 각각 23.5~24.5oC, 30.5~31.0 psu의 범위로서 1.0oC와 0.5 psu 정도의 공간적인 차이를 보였으며, 수직적인 분포는 만 안쪽으로 갈수록 성층 구조가 발달하지만 미약한 것으로 나타났다. 그러나 용존산소의 포화율 분포에 의하면, 표층의 용존산소 포화율은 100~130%의 범위를 보이는 반면, 저층에서는 모든 정점에서 100% 이하를 보이며 수직적으로 강한 성층 구조를 보였다. 특히 방조제 인근 정점(9, 10)에서는 최저 포화율 65%로서 저층의 빈산소 현상이 타 정점에 비해 뚜렷하게 나타났으며, 만 입구쪽으로 확장되는 양상을 보였다. 이러한 방조제 인근의 빈산소 현상은 8월 관측(d)에서도 나타났으며 분포 범위는 약간 축소되었다. 양식장에 인접한 정점 2에서도 7월에 100% 이하의 용존산소 포화율이 표층까지 확장되어 나타났다. Lee et al.(2012)은 천수만 내측의 방조제 건설로 인해 해수유동 특성이 변화하고 입자성 유기물의 생지화학적 순환이 변하면서 만내의 부영양화와 빈산소 수괴가 형성된다고 보고하였다. 국립수산과학원 해양환경조사 자료(1997~2012)에 의하면 이러한 빈산소 현상은 여름철에 지속적으로 나타나는데, 담수 방류가 많은 여름철에 방조제로부터 유입되는 유기물 부하량이 증가한 것으로 나타났다(NFRDI, 2012). 

Figure 3. Vertical distribution of (a) temperature (oC), (b) salinity (psu) and (c, d) dissolved oxygen saturation (%) in July and August 2001.

3.2. 저층 용존산소의 시계열 변동 특성

 그림 4는 본 연구의 용존산소 연속관측 자료(2001년 6월~2002년 6월)와 같은 위치의 국립수산과학원 해양환경조사 자료(1997년 8월~2002년 5월)를 비교한 것이다. 국립수산과학원 5년 동안의 평균 용존산소는 7.8 mg/l이었으며, 월별 평균은 8월에 가장 낮은 5.6 mg/l, 2월에 가장 높은 10.2 mg/l로서 4.6 mg/l의 변동폭을 보였다. 본 연구의 연속 관측 자료에서도 이러한 계절적인 변동이 잘 나타났으며, 분기별 관측에서는 파악할 수 없는 단주기적인 변동 특성을 잘 보여주었다.

Figure 4. Annual and Inter-annual variation of the bottom water dissolved oxygen for 5 years, 1997~2001 (RTMS: Realtime Monitoring System, KODC: Korea Oceanographic Data Center).

 연속 관측 자료 중 수온과 용존산소에 대한 시계열 변동 및 산포도에 의하면(그림 5), 연평균 용존산소 농도는 8.4 mg/l이었으며, 월평균 최저 6.9 mg/l(7월)에서 최고 11.2 mg/l(3월)로서 4.3 mg/l의 변동폭을 보였다. 이때 연평균 수온은 15.2oC이었으며, 월평균 수온은 최저 4.6oC(2월)에서 최고 26.9oC(8월)로서 22.3oC의 변동폭을 보였다. 전반적인 용존산소의 농도는 수온과 반비례 관계를 보였으며, 특히 여름철 20oC 이상의 수온에서 저층수의 주기적인 빈산소화가 관측되었고, 약 25oC의 수온에서는 무산소에 이르는 값이 관측되었다. 수온과 용존산소의 산포도에 의하면 여름철(1)과 수온상승기(2) 및 수온 하강기(3)의 3 그룹으로 분류된다. 여름철에는 빈산소 및 무산소화가 특징적이며, 수온의 상승기에는 용존산소가 감소하면서 복잡한 변동 특성을 보이는 반면, 수온 하강기에는 선형적으로 용존산소가 증가하는 양상을 보인다.

Figure 5. (a) Time series and (b) T-DO diagram of the bottom water temperature and dissolved oxygen during the (1) summer, (2) spring and (3) autumn for the period of June 2001~June 2002.

 용존산소와 조위 자료(2001년 6월과 7월, 15일간)의 비교에 의하면, 용존산소는 조위와 약 2~3시간 정도의 위상차를 가지고 주기적으로 변동하는 특성을 보여주고 있다(그림 6). 용존산소의 변동폭은 조차에 따라 변하고 있는데, 6월과 7월의 소조기에는 1 mg/l 이내의 변동을 보인 반면, 대조기에는 각각 2 mg/l, 7mg/l 내외의 변동폭을 보였다. 본 논문에서는 제시하지 않았으나 여름철을 제외한 나머지 기간(봄, 가을, 겨울철)에는 조차에 관계없이 0.5 mg/l 내외의 변동폭이었다(Choi, 2004).

Figure 6. Comparison of the dissolved oxygen (solid line) with tidal elevation (dotted line) (a) in Jun., and (b) in Jul., 2001.

 용존산소의 단주기 변동에서 특징적인 것은 만조에서 간조로 수위가 낮아지는 시기(최강 낙조류시와 일치)에 용존산소의 최고값이 나타나고, 간조에서 만조로 수위가 높아지는 시기(최강 창조류시와 일치)에 용존산소의 최저값이 주기적으로 나타나는 것이다. 이러한 특징은 관측 지점인 양식장의 조류 특성과 깊은 관련이 있을 것으로 판단된다. 같은 정점에서 실시한 조류 관측 결과(그림 7)에 의하면, 용존산소의 최고값이 나타나는 낙조시의 유속은 매우 강한 반면, 용존산소의 최저값이 나타나는 창조시의 유속은 아주 미약한 비대칭적인 해수유동 특성을 보였다.

Figure 7. Vector plot of the tidal current at the realtime monitoring station for the period of 15~30, July 2001 (negative values are ebb tidal current).

 그림 8은 6월과 7월의 용존산소와 조위 자료를 이용한 Coherency 분석 결과로써, 6월과 7월 각각 약 11.9시간과 12.2시간에서 유의한 값을 보이고 있으며, 위상차는 각각 3.5시간과 1.2시간이었다. 이는 용존산소의 변동이 반일주기의 조석과 유의함을 보여주는 것으로, 간조 후 약 2~3시간(최강 창조류) 정도에 용존산소의 최저치가 나타나는 것과 일치한다.

Figure 8. Coherency between the concentration of dissolved oxygen and tidal elevation (a) in Jun., and (b) in Jul., 2001.

3.3. 저층 용존산소 수지 계산 결과

 수지균형 방정식 (3)의 산소 공급계수(α)와 소비계수(β)에 대한 모델의 반응을 4가지의 경우에 대해 각각 실험한 결과(그림 9), 산소 공급계수와 소비계수가 모두 일정(α=0.5, β=0.3)할 경우(a), 산소 공급과 소비가 균형을 이루는 농도(약 5.8 mg/l)에서 일정한 값을 보였다. 산소 공급계수가 식 (4)와 같이 유속의 함수로 정의되고, 산소 소비계수(β=0.3)가 일정한 경우(b), 공급율에 따라 용존산소의 주기적인 변동이 나타나지만, 최저 농도 값이 5.9 mg/l로서 빈산소 농도를 보여주지는 못했다. 산소 공급계수가 일정하고 (α=0.5), 산소 소비계수가 식 (8)과 같이 퇴적물 부유 농도의 함수로 정의된 경우(c), 주기적인 용존산소의 변동이 나타나면서 2 mg/l 이하의 빈산소 농도를 잘 보여주었으나 주기별 최고 농도가 6.6 mg/l 이상 나타나지는 않았다. 산소 공급계수와 소비계수가 각각 식 (4)와 식 (8)의 함수로 정의된 경우(d), 용존산소 농도가 최고 7.5 mg/l와 최저 1.7 mg/l의 범위에서 주기적으로 변화하는 양상을 잘 보여주었다. 산소 공급 및 소비계수 값에 대한 모델의 반응 실험 결과, 산소공급계수와 소비계수는 상수 값보다는 주기적으로 변화하는 값이 현상을 사실적으로 재현하는데 효과적이며, 퇴적물에 의한 산소 소비가 빈산소 조건을 형성하는데 주된 요인으로 작용하고 있는 것으로 파악되었다.

Figure 9. Sensitivity test results for the reaeration(a) and consumption coefficient (β), (a) α=0.5 and β=0.3, (b) α=variable and β=0.3, (c) α=0.5 and β=variable, (d) α=variable and β=variable.

 그림 10은 수지 방정식의 산소 소비계수(β) 변화에 대한 모델의 민감도 실험 결과로써, 퇴적물 부유 농도에 대한 비례상수(Ps) 값에 대해 각각 도시하였다. 이때 산소 공급계수(a)의 유속에 대한 비례상수(Pa)는 1.2를 사용하였다. Ps= 1, 3, 5, 7을 적용한 실험 결과, 각각의 최저 농도 값은 3.1 mg/l, 2.0 mg/l, 1.6 mg/l, 1.4 mg/l 를 보였다. 전반적으로 값이 증가함에 따라 주기별 최저 농도값이 감소하고 있으나, Ps= 5의 결과가 관측치에 가장 잘 부합하는 것으로 판단된다. 본 연구에서는 이러한 반복적인 시행착오 방법을 통해 결정한 Ps= 5를 이용하여 관측치에 대한 재현실험을 수행하였다. 

Figure 10. Sensitivity test results for the consumption coefficient, (a) Ps=1, (b) Ps=3, (c) Ps=5, (d) Ps=7.

 그림 11은 수지방정식을 이용한 모델 결과와 빈산소 수괴가 관측된 기간(2001년 7월 18일~7월 29일)의 자료를 비교한 것으로써, 관측 자료의 단주기적인 변동과 빈산소 형성을 모델 결과에서 잘 보여주고 있다. 모델 결과의 평균 농도는 6.0 mg/l로서 관측 자료의 6.1 mg/l에 비해 0.1 mg/l 정도 낮게 추정되었다. 최고 농도와 최저 농도는 각각 7.5 mg/l, 1.7 mg/l로 관측값 8.4 mg/l, 0.1 mg/l에 비해 좁은 변동폭을 보였다(a). 총 288개 관측 자료를 이용하여 모델 결과치의 표준오차를 계산한 결과(식 10), 0.9 mg/l의 표준오차를 보였으며, y = 0.77x + 1.5(r2= 0.8)의 비교적 좋은선형상관성을 보였다(b).

Figure 11. Verification results of the model, (a) data comparison of model results with observed time series data for the period of 18~29, July 2001. (b) Scatter plot of the model results against the observations.

 

 이때, n는 자료 개수, y는 모델 결과, x는 관측 자료이다. 

 그림 12는 저층 용존산소의 수지분석을 위하여 표층수에 의한 산소 공급(α(Cs−C))과 퇴적물에 의한 산소 소비(β(C−Cd)) 항목에 대한 기여도를 분석한 결과이다. (a)는 산소 공급량, (b)는 산소 소비량, (c)는 산소 공급에 대한 소비의 상대적인 크기(β(C−Cd)/α(Cs−C))이며, (d)는 용존산소 모델 결과이다. 모델기간 동안 산소 공급계수(a)는 0.5~ .7/day, 산소 소비계수(β)는 0.3~5.3/day의 범위를 보였으며, 그에 따른 산소 공급량은 0.4 ~ 3.5 mg/l·day, 소비량은 0.2~6.6mg/l·day의 범위를 보였다. 산소 공급에 대한 소비의 상대적인 크기는 0.2~2.8의 범위를 보였다. 낮은 산소 농도는 산소 소비가 공급에 비해 상대적으로 큰 시기에 발생하는데, 소비가 공급의 2배 이상이면서 3mg/l·day 이상의 산소 소비가 이루어지면 용존산소농도는 4 mg/l 이하로 낮아지고, 산소 소비가 4.5mg/l·day 이상에서는 2 mg/l 이하의 용존산소 농도를 보였다. 

Figure 12. Time variation of (a) the source term (α(Cs-C)), (b) the sink term (β(C-Cd)) of the dissolved oxygen, (c) the ratio of the sink to source term during the model run, and (d) dissolved oxygen of the model result.

4. 결 론

 여름철 천수만의 저층에서 포화농도 이하의 용존산소 분포가 관측되는데, 연속관측 자료를 통해 계절적인 변동뿐 만 아니라 단주기적인 변동 특성과 빈산소 수괴 형성 과정을 파악할 수 있었다. 조위 자료와의 Coherency 분석 결과, 용존산소의 변동이 약 1~3.5시간의 위상차를 가지고 반일주기의 조석과 유의함을 보였으며, 변동폭은 조차에 따라 변하며 대조기에 가장 크게 나타났다. 이러한 용존산소의 단주기 변동은 비대칭적인 조류 특성과 관련이 있는 것으로 파악되었다. 

 표층수에 의한 산소 공급과 퇴적물에 의한 산소 소비의 수지균형식을 이용한 모델 실험 결과, 관측자료에 나타난 용존산소 단주기 변동 및 빈산소 수괴형성을 효과적으로 재현할 수 있었다. 모델의 민감도 실험 결과에 의하면 산소 공급계수보다는 소비계수의 변화에 더욱 민감하게 반응하는 것으로 나타났다. 산소 공급계수의 변화와 상관없이 산소 소비계수를 상수로 가정할 경우 빈산소 농도는 나타나지 않았으며, 퇴적물 부유 농도에 비례하는 함수로 정의한 경우 용존산소의 주기적인 변동과 빈산소화를 재현할 수 있었다. 

 모델 실험 결과에 의하면, 빈산소 농도는 산소 소비가 공급에 비해 상대적으로 큰 시기에 발생하는데, 소비가 공급의 2배 이상이면서 산소 소비가 3 mg/l·day 보다 많을 경우 용존산소 농도는 4 mg/l 이하로 낮아지고, 산소 소비가 4.5 mg/l·day 이상에서는 2mg/l 이하의 용존산소 농도를 보였다. 이러한 결과는 저층 용존산소의 빈산소화에 있어서 산소 소비율의 역할이 상대적으로 더 중요함을 보여주는 결과로 해석된다.

 본 연구에서 산소 공급계수(α)는 유속에 따라 변화하는 0.5~1.7/day의 값을 사용하였다. 산소 공급계수는 수온, 수심 및 유속 등의 조건에 따라 변화하는 값으로써, 기존의 연구에 의하면 0.05~12.2/day의 넓은 범위를 갖는다(Covar, 1976). 산소 공급과 소비의 수지 분석 결과, 퇴적물 부유 농도에 비례하는 0.3~5.3/day 범위의 산소 소비계수(β)에 의한 산소 소비는 0.2~6.6 mg/l·day의 범위로 산소 공급에 대해 0.2~2.8의 상대적인 크기를 보였다. 이러한 산소 소비량을 1m 내외의 저층 퇴적물에 대한 산소 요구량(SOD)으로 환산하면 0.2~6.6 g/m2·day로 DiToro and Connolly (1980)에 의한 0.2~4.0 g/m2·day 값보다 약간 크게 나타난다. Sloth et al.(1996)은 퇴적물의 재부유에 의해서 산소의 소비가 10배로 증가함을 보고하였고, Tengberg et al.(2003)은 퇴적물의 재부유에 의해 겨울철에도 산소 소비가 2배까지 증가한다고 보고하였다. 따라서 본 수지 모델에 사용된 산소 소비계수 및 소비량에 대한 추가적인 조사와 연구를 통한 정량화가 필요할 것으로 판단된다. 

 결론적으로 본 연구에서는 천수만의 저층에서 주기적인 빈산소 현상을 관측할 수 있었으며, 특정 조건하에서 발생하는 저층 용존산소의 단주기 변동이 조류 특성과 밀접한 관련이 있음을 밝혔다. 용존산소 수지 모델을 통해 산소가 고갈된 저층 퇴적물이 존재할 때, 주기적인 해수 유동에 의한 퇴적물의 재부유가 주기적인 빈산소화를 일으킬 수 있음을 보여주었다. 향후 현장에 적용할 수 있는 수지모형 수립을 위하여 퇴적물의 재부유에 의한 산소 소비량을 정량화하고 모수화하는 지속적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 

감사의 글

 본 연구는 국립수산과학원 남서해수산연구소 수산시험연구사업(남해 연안어업 및 환경생태 조사, RP-2013-ME-085)의 일환으로 수행되었습니다. 

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