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문제 정의
- 하구역의 수질을 예측하고 평가하기 위해서는 대상해역의 기초 적인 조사자료가 필요하며, 특히 동·수역학적 특성과 수질의 변 화과정이 복잡하게 이루어진 하구역의 경우 더욱 정확한 수질자 료의 획득이 필수적이다. 본 연구에서는 현재 새만금 사업이 진행 되고 있는 시점에서 해역의 수질환경을 격월로 일년간 조사하여 모델 입력을 위한 기본 입력자료를 구하였으며, 부영양화 예측을 위한 주요 인자의 하나인 저질 영양염 용출부 하를 실험을 통하여 도출하였다 (Kim and Kim, 2002).
제안 방법
- 생태계모델의 모델영역은 해수유동모델에 사용된 격자망과 동 일하게 구성하였다. 각 층별 수질인자의 초기농도와 경계농도는 대상해역의 실측치를 토대로 공간적인 분포를 고려하여 입력하였다. 생태계 모델의 구성 요소는 Table 2에 나타내었다.
- 그리고 본 연구의 목적인 부영양화관리를 위한 모델 적용을 위하여 먼저 3차원 해수 유동모델을 이용하여 대상해역의 해수유동 특성을 재현하여 조류타원도로써 모델을 보정하고, 생태계 모델을 이용하여 식물플랑크톤 및 영양염의 농도분포를 재현한 후 관측 치와 비교분석하여 모델의 적용성을 검토하였다. 또한 해역의 부 영양화 관리를 위하여 하천에서의 오염부하 (DIN, DIP)와 저질 에서의 용출부하가 해역의 부영양화에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다.
- 그리고 본 연구의 목적인 부영양화관리를 위한 모델 적용을 위하여 먼저 3차원 해수 유동모델을 이용하여 대상해역의 해수유동 특성을 재현하여 조류타원도로써 모델을 보정하고, 생태계 모델을 이용하여 식물플랑크톤 및 영양염의 농도분포를 재현한 후 관측 치와 비교분석하여 모델의 적용성을 검토하였다. 또한 해역의 부 영양화 관리를 위하여 하천에서의 오염부하 (DIN, DIP)와 저질 에서의 용출부하가 해역의 부영양화에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다. 이러한 연구는 장차 새만금 사업이 완료된 후에도 육 상부하와 저질부하에 의한 호내 수질관리를 위한 기초적인 자료 로도 이용 가능하다.
- 모델에 입력되는 파라메타는 기존의 측정된 자료와 문헌조사를 통하여 적절하게 선정하였고, 중요한 입력 인자인 저질 영양염 용 출속도는 실내실험을 통하여 산출한 값을 적용하였다. 생태계모델 에서 사용되는 파라메타의 기호 및 정의와 사용된 값은 Table 4에 제시하였다.
- 05/day로 보고하였다. 본 모델에서는 동물 플랑크톤의 사멸속도로 0.010/day를 적용하였다.
- 1/day로 제시하고 있다. 본 모델에서는 식물플랑크톤의 사멸속도로 0.010/day를 적용하였다. 국 립수산진흥원 (1997)의 자료 (개체수)에 의하면 하계에 이 지역에서 출현하는 동물플랑크톤 중에서 Copepod/} 차지하는 비율이 가장 높고, Chaetognata가 다음으로 높게 나타났다.
- 새만금 지구의 부영양화를 제어하기 위한 수질개선대책을 수립하기 위하여 해수유동 모델과 생태계모델을 이용하여, 영양염의 연평균 농도분포를 재현하고, 부영양화의 제어 대책으로 하천유입 부하 감소와 저질개선을 통한 용출부하 감소에 따른 영양염의 농도를 정량적으로 평가하여 해역환경관리를 위한 적절한 저감방안 을 도출한 결과는 다음과 같다.
- 해수유동모델의 입력자료는 Table 1에 제시하였다. 수온과 염분의 계산 영역내 초기치와 외해의 경계치는 실측 자료를 이용하여 각 층 별로 일정한 값을 주었다. 각 층에서 수온은 20℃, 염분은 32爲 의 값을 적용하였다.
- 실측치에 대해 계산치가 적합한지를 판단하기 위하여 각 항목 별로 단순회귀분석을 실시하여 유사 정도를 검토하였다. 분석결과 실측치와 계산치의 관계정도를 나타내는 상관 계수 r (correlationcoefficient)은 용존무기인과 용존무기질소는 각각 0.
- 생태계 모델의 구성 요소는 Table 2에 나타내었다. 영양염류의 유입원으로 하천을 통한 유입부하와 저질의 유기물 분해에 기인한 영양염 용출부하로 나누어 이들의 오염부하량을 산정하였다.
- 저질로부터 영양염의 용출은 일반적으로 혐기적 조건하에서 일어난다는 것은 잘 알려져 있다. 용출에 영향을 미치는 인자로는 온도, pH, 용존산소 등으로 알려져 있으나 (細見 . 順藤, 1984), 본 실험에서는 여름철 환경과 유사한 조건으로 온도를 25±2℃로 조 절하여 실험하였고, pH와 용존산소는 제어하지 않았다,
- 저니에서 P의 용출은 호, 혐기성에 크게 영향을 받으며 인산의 형태로 용출되고, N의 용출은 DON 및 NO「N으로의 용출은 무시할 수 없으나 저니 간극수중 용존성 총질소의 80~95%를 NH「-N이 차지하고 있으므로 통상 NH「-N의 용출량을 조사하여 질소의 용출을 파악한다. (何合, 1982).
- 대상해역의 X, y 방향의 격자크기는 새 만금 사업지구내의 해안선 굴곡을 충분히 고려할 수 있도록 250m로 하였으며, 표 . 저층의 유동 특성을 상세히 재현하고 표층에서 유 광층 깊이를 고려하여 3층으로 구분하였다. 계산되는 총격자수는 14, 700개(70X70X3)로 구성하였다 (Fig.
- 고자 한다. 평가방법으로 질소와 인의 주요 공급원인 하천에서의 오염 부하량과, 저질로부터 용출부하에 대하여 일률적으로 40%, 60%, 80%, 100% 감소시켰을 때, 해역에서의 영양염의 농도 분포를 정량적으로 평가하였고, 그 결과를 Fig. 7~8에 나타내었다.
대상 데이터
- 34 (연평균)을 적용하였다. POC와 DOC는 한국해양 연구소 (1993)에서 실측한 자료를 이용하였다. 대기로부터의 유입 부하 등 비점오염부하는 고려하지 않았다 (Table 3).
- 저층의 유동 특성을 상세히 재현하고 표층에서 유 광층 깊이를 고려하여 3층으로 구분하였다. 계산되는 총격자수는 14, 700개(70X70X3)로 구성하였다 (Fig. 2).
- 만경강과 동진강으로 유입하는 하천 오염부하량은 전주지방환 경관리청에 의해 조사된 연평균 자료를 이용하였다. 그리고 POC 와 DOC의 부하는 한국해양연구소 (1993)의 자료를 이용하였다.
- 본 연구의 모델 계산 영역은 남북으로 군산시 비응도에서 부안 군 변산면까지, 동서로는 만경강.동진강 하구에서 고군산군도까 지를 대상해역으로 하였다. 대상해역의 X, y 방향의 격자크기는 새 만금 사업지구내의 해안선 굴곡을 충분히 고려할 수 있도록 250m로 하였으며, 표 .
- 만경강과 동진강으로 유입하는 하천 오염부하량은 전주지방환 경관리청에 의해 조사된 연평균 자료를 이용하였다. 그리고 POC 와 DOC의 부하는 한국해양연구소 (1993)의 자료를 이용하였다.
- 모델 영역내로 유입되는 육상부하원은 만경강과 동진강의 유출 수를 고려하였고, 모델의 구성요소에 대한 영양염의 부하량은 전 주지방환경관리청에서 실측한 자료를 이용하였다. 하천수 중의 DIP에 대한 실측자료가 없어, Shin (1996)이 낙동강에서 측정한 DIP/TP=0.
- 13 mg/ne/d의 속도로 용출 되었다. 본 모델에서는 Ml 지점의 용출속도 자료를 적용하였다.
- 본 연구의 모델 계산 영역은 남북으로 군산시 비응도에서 부안 군 변산면까지, 동서로는 만경강.동진강 하구에서 고군산군도까 지를 대상해역으로 하였다.
- 각 층에서 수온은 20℃, 염분은 32爲 의 값을 적용하였다. 수심자료는 농업기반공사에서 실측한 자료를 사용하였다. Coriolis parameter는 Shin and Yanagi (1999)가 새만금 외해역을 대상으로 적용한 f=8.
- 전보 (Kim and Kim, 2002)에 나타낸 만경강과 동진강 하구 4개 정점에서 측정된 용출자료를 이용하였다.
- 새만금 지구는 1991년 11월에 착공하여 2011년 완공예정으로 대 규모 간척사업이 진행되고 있는 지역이다. 총 개발면적은 40, 100ha 이며, 토지 조성에 28, 300 ha(70.6%), 수자원 확보를 위한 담수호 조성에 11, 800ha(29.4%)로 계획되어 있다. 2001년 8월 현재 방 조제 총 33 km중 19 km의 물막이 공사를 완료하여, 총 65.
데이터처리
- 대상해역에 대한 수질조사 Fig. 1에 나타낸 1개 정점에서 조사된 자료 (Kim and Kim, 2002)를 이용하였으며, 이들 자료를 바탕으로 경계자료 및 base 농도를 구하였고, 모델 예측결과와 비교분석하였다.
이론/모형
- 수심자료는 농업기반공사에서 실측한 자료를 사용하였다. Coriolis parameter는 Shin and Yanagi (1999)가 새만금 외해역을 대상으로 적용한 f=8.55Xl0r sec"을 사용하였다. 해저마 찰계수는 Tang (1990), Choi (1984a; 1984b), Kim (1995)과 Kim (1999)이 황해와 동중국해를 대상으로 k=0.
- 모델 영역내로 유입되는 육상부하원은 만경강과 동진강의 유출 수를 고려하였고, 모델의 구성요소에 대한 영양염의 부하량은 전 주지방환경관리청에서 실측한 자료를 이용하였다. 하천수 중의 DIP에 대한 실측자료가 없어, Shin (1996)이 낙동강에서 측정한 DIP/TP=0.34 (연평균)을 적용하였다. POC와 DOC는 한국해양 연구소 (1993)에서 실측한 자료를 이용하였다.
성능/효과
- 1) 새만금 지구에서 부영양화 현상의 주 원인자인 영양염의 연평균 농도 특성은, 용존 무기질소가1.846-87.939pg-at/L (평균21.182pg-at/L), 용존무기인이 ND-2.013pg-at/L (평균 0.655俸- at/L)를 나타내어 해역수질기준 II둥급을 초과하였다. 용존무기질 소는 만경강하구에서 동진강하구보다 2배 정도 높게 나타났으나, 용존무기인은 크게 차이가 나지 않았다.
- 8에 나타내었다. 100% 부하감소시 해역중 질소는 16%, 인은 4.9% 정도 저감되었지만, 저질에서 용출된 부하량의 감소는 모든 지점의 영 양염 농도에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 조사되었다.
- 2) 새만금 지구의 해수유동 특성을 보면, 방조제 사이를 통해 유입된 해수는 대부분 만경강과 동진강 하구 해역으로 유입하였으며, 방조제 내측에서 환류가 관측되었다. 기존의 실측 자료와 비교했을 때, 대표지점에서 조류타원요소의 방향과 크기는 거의 일치하여, 대상해역의 유동을 잘 재현하였다.
- 3) 잔차류성분은 계화와 가력도 사이에서 시계방향의 환류가 형성되었다. 저층으로 향할수록 밀도 성분의 약화로 잔차류가 하 구쪽으로 향하면서, 오염물질이 외해로 유출되지 못하고, 점차적 으로 하구 내만에 축적되는 것으로 관측되었다.
- 4) 생태계 모델을 이용하여 용존무기인과용존무기질소의 실측치와 계산치의 유의성을 나타내는 상관계수는 각각 0.95, 0.97이었고, 실측치와 계산치의 일치성을 나타내는 상대 오차는 평균 19.41%,22.40%로, 오차범위 30% 이내로 나타나, 재현성은 양호한 것으로 판단되었다.
- 5) 하천에서 부하량을 95% 정도 저감시켜, 만경강과 동진강에서 유입되는 영양염의 부하량 이 용존 무기인은 32.2kg/d, 용존무기질소는 975kg/d이하일 때, 전체 해역의 영양염 평균 농도는 해역 수질기준 II등급 이하로 저감되었다.
- 그러나, 만경 . 동진강 유입 지점에서 큰 오차가 나는 것을 제외하면, 식물플랑크 톤과 COD의 상관성은 각각 0.92, 0.87로 외해역에서 재현성이 높은 것으로 나타났다. 실측치와 계산치의 일치성을 나타내는 상대 오차는, 용존무기인과 용존무기 질소는 평균 19.
- 5%, 인은 77% 정도를 차지하여, 새만금 사업지구 내에 막대한 영향을 미친다. 만경강의 부하량을 100% 저감시켰을 때, 해역중의 영양염 농도는 질소가 53.76%, 인은 24.6%의 제거 효과를 나타내었다. 동진강의 부하량을 100% 저감시켰을 때, 해 역의 질소는 20.
- 실측치에 대해 계산치가 적합한지를 판단하기 위하여 각 항목 별로 단순회귀분석을 실시하여 유사 정도를 검토하였다. 분석결과 실측치와 계산치의 관계정도를 나타내는 상관 계수 r (correlationcoefficient)은 용존무기인과 용존무기질소는 각각 0.95와 0.97로 상관성이 높게 재현되었으나, 식물플랑크톤과 COD는 각각 0.64, 0.69로 상관성이 다소 떨어지는 것으로 나타났다. 그러나, 만경 .
- 생태계모델을 이용해 재현한 식물플랑크톤, 용존무기인, 용존무 기질소, COD의 분포 특성을 살펴보면, 만경강의 영향을 받는 지 점이 동진강의 영향을 받는 지점보다 높은 농도를 나타내었다. 특히 계화에서 야미도를 잇는 선의 내만지역은 대부분 해역수질기준 II등급을 초과하였다 (Fig.
- 40%를 나타내었다. 식물플랑크톤과 COD는 각각 30.36%와 35.94%를 나 타내어 상대적으로 오차가 높게 나타났다. 단순회귀분석과 상대오 차에 대한 결과는 Fig.
- 87로 외해역에서 재현성이 높은 것으로 나타났다. 실측치와 계산치의 일치성을 나타내는 상대 오차는, 용존무기인과 용존무기 질소는 평균 19.41%, 22.40%를 나타내었다. 식물플랑크톤과 COD는 각각 30.
- 7에 나타내었다. 오염부하 80% 저감시, 사업지구내에서 질소는 59% 이상, 인은 28% 이상 제거되는 것으로 나타나, 육상 기원물질인 질소의 제거효과가 크게 나타나는 것으로 나타났다. 지점별로는 하천이 유입 되는 St.
- 3) 잔차류성분은 계화와 가력도 사이에서 시계방향의 환류가 형성되었다. 저층으로 향할수록 밀도 성분의 약화로 잔차류가 하 구쪽으로 향하면서, 오염물질이 외해로 유출되지 못하고, 점차적 으로 하구 내만에 축적되는 것으로 관측되었다.
- 하천에서 부하량을 95% 정도 저감시켜, 만경강과 동진강에서 유입되는 영양염의 부하량이 용존무기인은 32.2 kg/d, 용존무기질 소는 975 kg/d 이하일 때, 전체해역의 영양염 평균 농도는 질소가6.191 pg-at/L, 인은 0.482 您-at/L를 나타내, 해양수질기준 II등급 이내로 저감되는 것을 알 수 있었다.
- 해수유동모델을 이용하여 사업지구내의 해수유동을 재현한 결과를 보면, 창조류시 0.9~Llm/sec의 유속으로 Gap을 통과하였 고, 방조제 안쪽에서 0.2m/sec 이하로 낮게 나타났다. 낙조류시 하천의 '영향으로 1.
후속연구
- 부영양화를 저감하는 기술을 개발하기 위해서는 부영양화를 유 발하는 물질의 유입 및 이동에 대한 정밀한 조사가 있어야 하며, 영양염과 식물플랑크톤과의 관계에 관한 생태계의 제인자에 대한 연구를 통하여 이를 제어할 수 있는 대책방안을 밝혀야 한다. 이를 위해서는 생태학적 관련인자의 관계를 포함한 생태계모델의 이용 이 필요하다 하겠다.
- 또한 해역의 부 영양화 관리를 위하여 하천에서의 오염부하 (DIN, DIP)와 저질 에서의 용출부하가 해역의 부영양화에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다. 이러한 연구는 장차 새만금 사업이 완료된 후에도 육 상부하와 저질부하에 의한 호내 수질관리를 위한 기초적인 자료 로도 이용 가능하다.
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