[논문]생태계모델을 이용한 동해 심층수 개발해역의 수질환경 변화예측

이인철; 윤석진; 김현주

문제 정의

따라서 본 연구에서는 해양심층수를 취수 이용한 후 다시 해양으로 방류할 경우 예상되는 인근해역의 영양염 순환구조 및 저 차 생태계의 변화를 예측/평가하고, 방류해역의 환경용량 평가 생태계 모델링의 기초적 연구로서 심층수 개발해역의 해수 유동 수치모형실험과 물질순환예측 생태계모델링을 수행하여 심층수 개발해역의 현황을 재현하였으며, 심층수 해양방류시 방류량 및 방류위치에 따른 수질환경 변화를 예측하고, 예측 결과를 바탕으로 심층수 해양방류가 수질환경에 미치는 영향정도를 해석하였다.
본 연구에서는 심충수 개발해역에서 해양심층수를 취수 이용한 후 다시 해양으로 방류할 경우 예상되는 인근해역의 해양환경변화를 예측하기 위해 생태계모델을 이용하여 당해 역의 현황을 재현한 후, 심층수 해양방류로 인한 수질환경변화를 예측하여 영향도 해석을 실시하였으며, 그 결과는 다음과 같다
본 연구에서는 저온의 냉배수인 심충수를 해양으로 방류할 시 해양환경에 가장 큰 영향을 미칠 것으로 예상되는 하계를 대상으로 연구를 수행하고자 2002년 8월을 현 상태로 하여 실시간 수치모형실험을 실시하였다. 계산영역은 Fig.
개발해역이 확대될 것이다. 이에 우리는 환경변화에 능동적으로 대처하고 지속가능한 발전을 위해 체계적인 개발 . 관리가 절실히 요구된다.

가설 설정

해수유동 수치모형은 정수압 . Boussinesq 근사를 가정한 3차원 Navier-Stokes 운동량방정식과 연속방정식, 수온과 염분의 이류확산 방정식 및 해수의 밀도와 수온 . 염분을 관련시킨 상태방정식을 기초방정식으로 한 연직 다층의 Level model로서 밀도류와 취송류를 고려한 해수유동의 시공간적 변동특성을 계산할 수 있는 모형이다<이인철, 2001).

제안 방법

(1) 심층수 방류시 수질환경 변화를 정량적으로 파악하기 위하여 심층수 영향지수(DEI)를 정의하여, F정점에서 영향도 해석을 실시하였다、
방류량은 해양수산부에서 추정한 계획 방류량을 참고하여 19, 06謂/$를 방류하는 경우와 계획방류량의 10배인 190, 690 m’/s를 방류하는 경우로 설정하였고, 방류위치는 연안선으로부터 표층으로 직접 방류하는 경우와 연안선에서 약 700m 떨어진 수심 약 10m의 저층에서 방류하는 경우로 설정하여 총 4 가지 경우에 대해 수치실험을 수행하였다(Table 3). 방류하는 심층수의 수질조건은 심층수 원수와 연안저층수를 3:5의 비율로 혼합하여 방류할 계획이므로(해양수산부, 2006), 이를 고려하여 Table 4와 같이 각 수질항목별로 수질조건을 설정하였다
3에 나타내었다. 속초항 검조소의 2002년 8월 조위관측자료(국립해양조사원, 2002)와 계산된 31 일간 조위변동 시계열을 비교하여 조위를 검증하였고, Fig. 1의 St. 1 정점에서 조류의 관측치와 계산치로 작성한 반일주조와 일주 조의 조류타원을 비교하여 조류 재현성을 검토하였으며, St. 2 ~ St 5 정점에서 실시한 연직 수온 . 염분 관측결과와 계산 결과를 비교하여 해수유동 수치모형의 재현성을 검토하였다.
2 절의 해수유동 수치모형과 연결되어 유동계산에서 얻어진 시간 간격별의 유속 및 물리적 변수를 가지고 생태계 구성요소의 농도분포를 예측하는 구조로 되어 있다(이인철과 류청로, 2001; 후지타, 2001). 수층의 계산범위 및 수평, 연직방향의 충 구분은 해수 유동 수치모형과 동일하며, 수질계산 항목의 초기 농도 조건은 대상해역의 하계 수질조사자료(해양수산부, 2004)를 바탕으로 층별 수질농도값을 산정하여 입력하였다. 저질층은 퇴적물로부터 인과 질소의 용출에 관한 조사 자료가 전무할 뿐 아니라, 해역의 수심이 매우 깊어 무시 가능할 것으로 판단되어 고려하지 않았다.
심층수 방류지점으로부터 외해 측으로 약 lkm 떨어진 Fig. 1 의 F 정점에서 수온, 염분, Chl-a, COD, DO, DIN, DIP 등 7개의 수질항목에 대해 DEI를 계산하여 심층수 방류시 수질항목별 실험CASE에 따른 영향도 해석을 실시하였으며, 그 결과는 Fig. 9와 같다.
2 ~ St 5 정점에서 실시한 연직 수온 . 염분 관측결과와 계산 결과를 비교하여 해수유동 수치모형의 재현성을 검토하였다. 그 결과, 조위의 진폭은 다소 차이를 보이나 위상은 잘 일치하였고, 조류의 유속진폭은 잘 일치하였으나 일주조류의 유향이 약간 차이를 보였다 수온 및 염분의 계산결과는 관측결과의 범위 내에서 분포하여, 전반적으로 본 연구에서 해수유동 수치모형의 재현성은 양호한 것으로 판단된다.
염분의 경계조건은 국립수산과학원에서 1996년부터 2002년까지 6년간 조사한 거진 (N 38°24, 33”, E 128O₃T13") 과 속초(N 38°1Z58”, E 128。3618')의 수온 . 염분 자료(국립수산과학원, 1996~2002)를바탕으로 1년 주기의 일변화를 정현함수로 산정하여 입력하였다. 그리고 기상자료는 대상해역 인근 강릉기상대에서 2002년 8 월에 관측된 기온, 상대습도, 운량, 일사량, 강수량, 풍속의 월평균 값과 일별최다풍향(16방위) 등 8개의 기상요소를 입력조건으로 설정하였으며(기상청, 2002), 8월의 유입점별 월평균 담수 유입량을 외부입력조건으로 사용하였다.
이를 위해서는 현재 동해 해양심층수 개발이 진행되고 있는 강원도 고성인근 주변해역에 심층수 방류가 해역환경에 미치는 물리 환경적 변화(해수유동의 변화, 연직확산, 혼합과정 등) 및 수질.생태계환경 변화에 대한 예측.
이상과 같이 구축된 생태계모델의 재현성을 검토하기 위해 Fig. 1의 F, F2, L2, I2F2, R2, R2F2 등 6개의 정점에서 조사된 용존산소(DO), 암모니아질소(NHrN), 아질산질소(N₆-N), 질산 질소(NQ-N), 인산인(PQ-P), 클로로필-a(Chl-a), 화학적 산소요구량(COD) 등 6개 수질항목의 관측치와 계산치를 비교하였다 전반적으로 각 수질항목의 계산치는 관측치의 오차범위 내에서 양호한 재현성을 보였다饵ig. 6참조).

대상 데이터

또한, 개경계에서의 수온 . 염분의 경계조건은 국립수산과학원에서 1996년부터 2002년까지 6년간 조사한 거진 (N 38°24, 33”, E 128O₃T13") 과 속초(N 38°1Z58”, E 128。3618')의 수온 . 염분 자료(국립수산과학원, 1996~2002)를바탕으로 1년 주기의 일변화를 정현함수로 산정하여 입력하였다.
염분 자료(국립수산과학원, 1996~2002)를바탕으로 1년 주기의 일변화를 정현함수로 산정하여 입력하였다. 그리고 기상자료는 대상해역 인근 강릉기상대에서 2002년 8 월에 관측된 기온, 상대습도, 운량, 일사량, 강수량, 풍속의 월평균 값과 일별최다풍향(16방위) 등 8개의 기상요소를 입력조건으로 설정하였으며(기상청, 2002), 8월의 유입점별 월평균 담수 유입량을 외부입력조건으로 사용하였다. 해수유동 수치모형에 설정한 기타 계산조건은 Table 1과 같다.
또한, 해저 경사가 급경사를 이루고 있으므로 수심 200m 보다 깊은 수심에 존재하는 심층수를 취수하기에 용이할 뿐만 아니라 관광지와 인접하고 있어 심층수를 개발하여 다각도로 이용할 수 있는 조건을 갖추고 있다. 본 연구의 대상해역은 오호리를 중심으로 동서방향 9km 남북방향 15km로 심층수 해양방류시 해양환경에 영향을 미칠 것으로 예상되는 해역으로 설정하였다. 대상해역의 등수 심도와 담수유입점, 조류관측점, 수질조사정점 및 심층수 취.
생태계 모델에 적용되어지는 식물플랑크톤의 생산속도, 분해속도, 침강속도 등 주요 생물학적 파라미터는 Table 2와 같이 기존 문헌자료(이인철과 세키네, 2001; Nixon and Kremer, 1978; Jorgensen, 1977)를 참고로 하여 적용하였으며, 육역의 유입 오염부하량은 Fig. 2의 8월 COD, 질소, 인의 형태별 오염부하량을 계산의 입력 자료로 이용하였다. 부하량의 설정에 있어서는 오염물질의 배출경로가 명확하지 않기 때문에, 하천에서 대상 해역 내로 유입하는 오염물질은 모두 비점원으로 간주하였다.
1과 같으며, 계산 격자 간격은 계산시간 및 계산안정도를 고려하여 100m 정방 격자로 분할하였고, 연직 층분할은 대상해역의 수심 및 연직 수온 . 염분 조사결과를 고려하여 15개 층(제1층~제3층 : 3皿 제4충~ 제5층 : 5风 제6층~제7층 : 8风 제8층~제14층 : 10风 제15층 : 나머지 수심)으로 분할하였다. 개경계에서의 조위는 거진항과 속초항의 주요 4대 분조(地, 角, Q)의 조화상수 값(한국해양연구소, 1996)을 바탕으로 Fig.

이론/모형

앞서 언급한 수질항목별 수평분포도만으로는 심충수 방류로 인해 야기되는 수질환경 변화를 정량적으로 파악하기 어려우므로, 본 절에서는 심층수 방류시 수질환경 변화를 정량적으로 파악하기 위하여 식 (2)와 같이 심층수 영향지수(DEI : DSW effect index)를 정의하였다.

성능/효과

(2) 수질항목별 영향정도를 살펴보면, DIN농도가 영향 정도가 가장 높고, Chl-az COD, 수온, DO, DIP의 순으로 나타났으며, 염분은 영향정도가 미미할 것으로 예측되었다.
(3) 방류위치에 따라서는 표층방류가 저층방류보다 영향도가 낮을 것으로 예측되었으며, 방류량이 10배 증가함에 따라 영향도가 약 5~14배 증가할 것으로 예측되었다.
염분 관측결과와 계산 결과를 비교하여 해수유동 수치모형의 재현성을 검토하였다. 그 결과, 조위의 진폭은 다소 차이를 보이나 위상은 잘 일치하였고, 조류의 유속진폭은 잘 일치하였으나 일주조류의 유향이 약간 차이를 보였다 수온 및 염분의 계산결과는 관측결과의 범위 내에서 분포하여, 전반적으로 본 연구에서 해수유동 수치모형의 재현성은 양호한 것으로 판단된다.
0889의 분포범위를 나타내었다. 따라서 본 연구의 실험CASE에서는 최대 약 8.9%의 수질변화가 발생할 것으로 예상되며, DIN농도가 영향 정도가 가장 높고, Chl-a, COD, 수온, DO, DIP의 순으로 나타났으며, 염분은 영향정도가 미미할 것으로 예측되었다.
또한, 심층수 방류량에 따른 영향정도를 살펴보면, 방류량이 10배 증가함에 따라 DEI 증감률이 방류위치 및 수질항목에 따라 최소 약 5배에서 최대 약 14배까지 증가하는 것으로 나타나, 영향도가 약 5~14배 증가할 것으로 예측되었다.
수질항목별 심층수 방류위치에 따른 영향정도를 살펴보면 전반적으로 표층방류가 저충방류보다 영향도가 낮을 것으로 예측되었으며, 이는 표충유속이 저층유속보다 빠르고, 심충수가 주변해역보다 밀도가 높아 침강하게 되므로 표층 방류 시의 확산 거리가 더 길어지기 때문에 대상해역의 수질환경에 미치는 영향정도가 낮을 것으로 예상된다.
심층수 방류시 방류되는 심층수가 주변 해역보다 수온이 낮고 영양염 농도가 높아 방류지점을 중심으로 수온은 감소하는 반면 DINe 증가하는 것으로 나타났다. 방류위치에 따라서는 저층수보다 표충수와의 수온차가 크고 표충유속이 저층 유속보다 크므로 표층방류가 저층방류에 비하여 변동폭이 크게 나타난 반면 DIN의 경우 육역으로부터 표층으로의 영양염 유입으로 인해 표충농도가 다소 높게 나타나 저층방류시의 변동폭이 큰 것으로 판단된다.
방류위치에 따라서는 저층수보다 표충수와의 수온차가 크고 표충유속이 저층 유속보다 크므로 표층방류가 저층방류에 비하여 변동폭이 크게 나타난 반면 DIN의 경우 육역으로부터 표층으로의 영양염 유입으로 인해 표충농도가 다소 높게 나타나 저층방류시의 변동폭이 큰 것으로 판단된다. 이 외 COD와 Chl-a는 수온과, DO와 DIP 는 DIN과 유사한 변동특성을 보였으며, 염분은 거의 일정한 것으로 예측되었다. 특히, CW-a의 경우 수온이 감소함에 따 라식 물성 플랑크톤의 증식저하로 감소하는 것으로 나타났으며, 수온 및 ai-a의 감소로 인해 DO농도는 증가하는 것으로 예측되었다.
이 외 COD와 Chl-a는 수온과, DO와 DIP 는 DIN과 유사한 변동특성을 보였으며, 염분은 거의 일정한 것으로 예측되었다. 특히, CW-a의 경우 수온이 감소함에 따 라식 물성 플랑크톤의 증식저하로 감소하는 것으로 나타났으며, 수온 및 ai-a의 감소로 인해 DO농도는 증가하는 것으로 예측되었다.

후속연구

관리가 절실히 요구된다. 이를 위해서는 심층수 방류해역의 환경용량 평가 생태계 모델링 및 심층수 취수/방류의 적정 사업용량 평가기법의 개발과 환경변화 예측 모델링/모니터링 시스템개발이 필요할 것이며, 본 연구는 이를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
향후 심층수 개발이 진행되어 사업이 활성화 되면 심층수 취수/방류량이 더욱 증가하게 될 것은 물론이고, 현재 개발이 진행 중인 고성에만 국한되지 않고 울릉도를 비롯하여 동해 전역으로 개발해역이 확대될 것이다. 이에 우리는 환경변화에 능동적으로 대처하고 지속가능한 발전을 위해 체계적인 개발 .

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