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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 진해만의 빈산소수괴 발생대책 수립을 위한 기초적인 연구로서, 향후 연안오염총량관리제의 시행이 진해만의 빈산소수괴 발생에 미치는 영향에 대하여 검토하였다. 이에, 3차원 생태계 모델을 이용하여 COD 오염부하량만의 삭감(1단계)과 COD, TN 및 TP오염부하량의 총량삭감(2단계)을 실험 안으로 수치모형 실험을 수행하여, 각 실험안에 따른 빈산소수괴 발생체적의 저감효과를 정량적으로 평가하였다.
- 본 연구에서는 진해만 전 해역에서 일률적으로 유입 오염부하량을 삭감시켜 빈산소수괴의 발생저감을 예측하였다. 이에 따라 행암만은 현상태에서도 빈산소수괴가 발생하지 않았으며, 마산만과 고현만은 유입부하량을 현재의 70%까지 삭감시켜도 저감효과가 잘 나타나지 않았다.
- 따라서 본 연구에서는 진해만의 빈산소수괴 발생대책 수립을 위한 기초적인 연구로서, 향후 연안오염총량관리제의 시행이 진해만의 빈산소수괴 발생에 미치는 영향에 대하여 검토하였다. 이에, 3차원 생태계 모델을 이용하여 COD 오염부하량만의 삭감(1단계)과 COD, TN 및 TP오염부하량의 총량삭감(2단계)을 실험 안으로 수치모형 실험을 수행하여, 각 실험안에 따른 빈산소수괴 발생체적의 저감효과를 정량적으로 평가하였다.
가설 설정
- 해수유동 수치모형은 정수압 . Boussmesq 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 모형(이인철, 2001)을 이용하였다.
제안 방법
- 이와 같은 수치실험 ℃별 유입 오염부하량 삭감 조건은 Table 4와 같다. Case I 은 현상태를, Case μ, 皿 IV는 각각 COD를 30, 50, 70% 저감한 경우를, Case V, VI, MI 은 COD, TN 및 TP를 각각 30, 50, 70% 저감한 경우로 상정하였다.
- 1의 진해만 중부(장선덕 등, 1984), 마산만 입구(장선덕 등, 1993), 고현만의 진해만 3개 정점(T1~T3)의 반일주조류의 조류타원도를 이용하여 재현성을 검토하였다. 그리고 수온 및 염분관측자료는 Fig. 1의 W1 ~W4 정점에서 조사된 국립수산과학원의 수온 , 염분 관측치를 사용하여 검증하였다. 이상의 해수유동장의 검증 결과 살펴보면, 조위의 진폭은 다소 차이가 있으나 위상은 거 의 일치 하였으며 , 반일주조류의 조류타원도는 관측치 와 계산치가 유사하였다.
- 수치모형실험을 실시하였다. 그리고 수치계산의 격자 간격은 계산 시간 및 계산안정도를 고려하여 200m 정방격자로 분할하였으며, 연직 층분할은 대상해역의 수심 및 연직 수온 . 염분 조사결과를 고려하여 8개 층(제 1층~제2층 : 2mz 제3층~제5층 : 4m, 제6층~제7층 : 6m, 제8층 : 나머지 수심)으로 분할하였다.
- 염분 조사결과를 고려하여 8개 층(제 1층~제2층 : 2mz 제3층~제5층 : 4m, 제6층~제7층 : 6m, 제8층 : 나머지 수심)으로 분할하였다. 그리고, 개경계에서의 조위는 가덕도와 견내량의 주요 4대 분조(Kg S2/ Ki, Oi) 등 총 16개의 조화상수값을 바탕으로 Fig. 1의 Pl, P2, P3, P4 등 4개의 격자에 각 분조별 조화상수를 설정하고, 식 (1) 과 같이 강제진동으로 주었다.
- 빈산소수괴의 저감예측은 8월 중 DO의 농도가 가장 낮은 8월 17일을 현상태로 설정하여 유입오염부하량 삭감 시나리오를 통해 빈산소수괴가 어느 정도 저감될 수 있는지를 수치모형실험을 통하여 예측하였다. 이와 같은 수치실험 ℃별 유입 오염부하량 삭감 조건은 Table 4와 같다.
- 수치실험은 저층에 빈산소수괴가 빈번히 발생하는 하계를 대상으로 연구를 수행하기위해 2005년 8월을 현상태로 하여 실시간 수치모형실험을 실시하였다. 그리고 수치계산의 격자 간격은 계산 시간 및 계산안정도를 고려하여 200m 정방격자로 분할하였으며, 연직 층분할은 대상해역의 수심 및 연직 수온 .
- 연안오염총량관리제의 시행에 따른 진해만 빈산소수괴의 저감효과를 예측하기 위하여 앞 절에서 구축되어진 생태계 예측 수치 모형을 이용하여 빈산소수괴 수치모형 실험을 수행하였다.
- 수층의 계산범위 및 수평.연직방향의 층 구분은 해수 유동 수치모형과 동일하며, 수질계산 항목의 초기 농도 조건은 대상 해역의 하계 수질조사자료(국립수산과학원, 2005)를 바탕으로 층별 수질 농도값을 산정하여 입력하였다.
- 검토하였다. 이에, 3차원 생태계 모델을 이용하여 COD 오염부하량만의 삭감(1단계)과 COD, TN 및 TP오염부하량의 총량삭감(2단계)을 실험 안으로 수치모형 실험을 수행하여, 각 실험안에 따른 빈산소수괴 발생체적의 저감효과를 정량적으로 평가하였다.
- 발생에 미치는 영향에 대하여 검토하였다. 이에, 3차원 생태계 모델을 이용하여 COD 오염부하량만의 삭감(T단계) 과 COD, TN 및 TP오염부하량의 총량삭감(2단계)을 실험 안으로 수치모형 실험을 수행하여, 각 실험안에 따른 빈산소수괴 발생 체적의 저감효과를 정량적으로 평가하였다. 본 연구에서 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.
대상 데이터
- 본 연구의 대상해역인 진해만은 평균수심이 10~20m 정도 되는 천해이며, 가장 깊은 곳은 가덕수로로 수심이 으¥ 45111에 이르고 있다. 진해만의 해양생태계 수치모형실험을 위한 계산대상 영역은 Fig.
- 그리고 수치계산의 격자 간격은 계산 시간 및 계산안정도를 고려하여 200m 정방격자로 분할하였으며, 연직 층분할은 대상해역의 수심 및 연직 수온 . 염분 조사결과를 고려하여 8개 층(제 1층~제2층 : 2mz 제3층~제5층 : 4m, 제6층~제7층 : 6m, 제8층 : 나머지 수심)으로 분할하였다. 그리고, 개경계에서의 조위는 가덕도와 견내량의 주요 4대 분조(Kg S2/ Ki, Oi) 등 총 16개의 조화상수값을 바탕으로 Fig.
- 3은 진해만의 해수유동장의 재현성을 검증한 결과로서, 조위, 반일주조류, 수온 및 염분의 관측결과와 계산 결과를 비교하여 나타낸 것이다. 조위의 검증은 국립해양조사원의 가덕도 기준검조소의 2005년 8월의 조위관측자료를 이용하였으며, 조류의 검증은 Fig. 1의 진해만 중부(장선덕 등, 1984), 마산만 입구(장선덕 등, 1993), 고현만의 진해만 3개 정점(T1~T3)의 반일주조류의 조류타원도를 이용하여 재현성을 검토하였다. 그리고 수온 및 염분관측자료는 Fig.
- 있다. 진해만의 해양생태계 수치모형실험을 위한 계산대상 영역은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 동서방향 50km, 남북방향 34 km로 설정하였으며, 해역의 등수심도와 담수유입점, 수질 조사정점 및 조류관측점은 Fig- 1과 같다
- 초기조건도 경 계조건과 동일하게 진해만의 현장관 즉결 과를 바탕으로 산정한 8월 1일의 정현함수로 입력하였다, 그리고 기상자료는 대상해역의 마산기상대에서 2005년 8월에 관측된 기온, 상대습도, 운량, 일사량, 강수량, 풍속의 월평균 값과 일별최다풍향(16방위) 등 8개의 기상요소를 입력조건으로 하였으며(기상청, 2005), 8월의 유입점별 월평균 담수 유입 량도 외부입력조건으로 사용하였다. 해수유동 수치모형에 설정한 기타 계산조건은 Table 2에 나타내었다.
이론/모형
- 생태계 모델에 적용되어지는 식물플랑크톤의 생산속도, 분해 속도, 침강속도 등 주요 생물학적 파라미터는 Table 3고牛 같이 기존 문헌 사료(Kremer and Nixon, 1978; Jogensen et al., 1991; 일본 수산자원 보호 협회, 1986; 이인철과 류청로/ 2001)를 참고로 하여각 속도정수의 범위에서 시행착오법에 의해 설정하였다' 그리고 육역으로부터의 유입오염부하량은 2005년 8월의 COD와 질소 및 인의 형태별 오염부하량을 계산입력조건으로 하였다.
- Boussmesq 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 모형(이인철, 2001)을 이용하였다.
- 이들 오염부하량 삭감에 따른 빈산소수괴의 저감효과를 정량적으로 파악하기 위하여 각 실험 Case별 빈산소수괴의 예측 결과를 바탕으로 식 (4)와 같이 빈산소수괴의 체적감쇄지수 (ODWdi : ODW decreasing index)를 산정하였다.
- 곱하여 산정하였다(Table 1). 하천유량은 이인철 등(2005)의 구축되어진 유역유출모형(Tank 모델)을 통해 산정하였으며, 오염물질 농도는 이인철 등(2006)의 현장관측결과를 이용하였다.
성능/효과
- (1)진해만으로 유입하는 2005년도 연평균 오염부하량은 12z218kg-COD/dayz 91, 884kg-SS/day, 5, 292kg-TN/day와 182kg -TP/day이었으며, 용존무기태질소(DIN)와 용존무기태인(DIP)은각각 4, 236kg/day과 130kg/day로 산정되었다.
- (2) 해수유동장의 수치모형 실험 결과, 반일주조류의 조류타원 도와 수온 및 염분의 관측치와 계산치는 거의 유사하게 나타나 해수 유동 수치모형의 재현성은 양호한 것으로 판단되었다.
- (3) 생태계모델에 의한 빈산소수괴 저감예측결과로부터 마산만과 진해만 서부에서 COD부하량 뿐만 아니라 TN 및 TP의 오염부하량을 삭감했을 때, 빈산소수괴의 발생체적이 뚜렷하게 감소하여 오염부하의 총량규제 효과가 잘 나타났다.
- (4) 빈산소수괴의 체적감쇄지수(ODWdi)는 COD 유입부하량을 30% 삭감시 (Case U) 0.91, 50% 삭감시 (Qse HI) 0.87, 70% 삭감(Case IR)시 0.79로 계산되었다. 그리고 진해만의 COD, TN 및 TP 유입오염부하량의 총량을 30% 삭감시 (Case V)에 0.
- 7은 2005년 8월 8일 당일의 진해만 저층 DO농도의 현장 관측치(점선)와 계산치(실선)의 수평적 공간분포를 나타낸 것으로 빈산소수괴(=DO<3mg/L) 발생역의 검증 결과를 보여준다. 그 결과 관측치로부터 얻어진 빈산소수괴의 수평분포는 계산치 약 10%정도의 오차이내로서, 고현만을 포함하는 진해만 서부해역과 마산만의 빈산소수괴의 발생역이 거의 유사하였다.
- 시화연안; 광양만, 마산만, 부산연안, 울산연안 5개 오염우심해역을 특별관리해역으로 지정하고 해양환경관리를 위한 투자를 확대하여 최근에는 전반적으로 연안해역 수질환경이 개선되고 있는 것으로 보고되고 있다. 그러나 마산만과 같이 반폐쇄성 내만의 지형적 특성을 갖고 있고, 배후 육지부에 고밀도 사회경제활동이 이루어지고 있는 오염우심해역은 수질환경개선효과가 크게 없는 것으로 나타났다. 따라서 다른 해역에 비해 집중적인 투자가 이루어짐에도 불구하고, 환경개선효과가 미미한 특별관리해역의 해양수질 환경 개선을 위해 농도기준 배출수 관리가 아닌 오염총량관리제도입의 필요성이 대두되고 있다(해양수산부, 2005).
- 45로 계산되었다. 그리고 ODWdi는 COD 유입부하량만 삭감하였을 때 보다 TH TP유입부하량을 추가적으로 삭감 했을 때 약 1.5~2.6배정도 빈산소수괴의 발생저감효과가 있었으며, 진해만 전역의 현황 유입부하량을 약 70%삭감해야 빈산소수괴의 발생역이 절반정도 줄어드는 것으로 예측되었다.
- 79로 계산되었다. 그리고 진해만의 COD, TN 및 TP 유입오염부하량의 총량을 30% 삭감시 (Case V)에 0.85, 50% 삭감시(Case VI) 0.66, 70% 삭감시(Case VII) 0.45로 산정되었으며, 총량삭감의 경우 빈산소수괴의 체적이 약 1.5~2.6배 많이 줄어드는 것으로 예측되었다.
- 이에 따르면 전반적으로 마산만 전 해역과 고현만 등을 포함하는 진해만 서부해역에서 빈산소수괴가 넓게 발생하고 있는 것으로 나타났으며, 오염부하량의 삭감량이 많을수록 빈산소수괴의 체적이 감소하는 것으로 예측되었다. 또한 빈산소수괴는 마산만과 진해만 서부에서 COD 유입부하량만을 삭감했을 경우보다 TN 및 TP의 유입 오염부하량을 추가적으로 삭감했을때, 발생체적 이 뚜렷하게 감소하여 오염부하의 총량규제 효과가 잘 나타났다.
- 이상의 해수유동장의 검증 결과 살펴보면, 조위의 진폭은 다소 차이가 있으나 위상은 거 의 일치 하였으며 , 반일주조류의 조류타원도는 관측치 와 계산치가 유사하였다. 또한 수온 및 염분의 계산치와 관측치 간의 상관계수는 0.9이상으로 나타나, 전반적으로 해수 유동 수치모형의 재현성은 양호한 것으로 판단되었다.
- 1의 W1 ~W4 정점에서 조사된 국립수산과학원의 수온 , 염분 관측치를 사용하여 검증하였다. 이상의 해수유동장의 검증 결과 살펴보면, 조위의 진폭은 다소 차이가 있으나 위상은 거 의 일치 하였으며 , 반일주조류의 조류타원도는 관측치 와 계산치가 유사하였다. 또한 수온 및 염분의 계산치와 관측치 간의 상관계수는 0.
- 삭감시켜 빈산소수괴의 발생저감을 예측하였다. 이에 따라 행암만은 현상태에서도 빈산소수괴가 발생하지 않았으며, 마산만과 고현만은 유입부하량을 현재의 70%까지 삭감시켜도 저감효과가 잘 나타나지 않았다. 따라서 추후연구로서는 빈산소수괴의 발생을 보다 효과적으로 제어/관리하기 위해 각 해역별의 환경용량의 차이와 해역별 적정 유입오염부하량의 산정이 필수적이며, 이와 더불어 저질로부터 용출되는 내부생산 부하량의 평가와 삭감시나리오 등에 의한 생태계 모델링의 연구가 지속적으로 필요할 것으로 생각된다.
- 9는 각 실험 Case별로 예측한 진해만의 저층 빈산소수괴발생역의 수평적 공간분포를 나타낸 것이다. 이에 따르면 전반적으로 마산만 전 해역과 고현만 등을 포함하는 진해만 서부해역에서 빈산소수괴가 넓게 발생하고 있는 것으로 나타났으며, 오염부하량의 삭감량이 많을수록 빈산소수괴의 체적이 감소하는 것으로 예측되었다. 또한 빈산소수괴는 마산만과 진해만 서부에서 COD 유입부하량만을 삭감했을 경우보다 TN 및 TP의 유입 오염부하량을 추가적으로 삭감했을때, 발생체적 이 뚜렷하게 감소하여 오염부하의 총량규제 효과가 잘 나타났다.
- 79로 계산되었다. 진해만의 COD, TN 및 TP 유입 오염부하량의 총량을 30% 삭감(Case V)시 0.85, 50% 삭감(Case VI)시 0.66, 70% 삭감(Case 祂시 0.45로 계산되었다. 그리고 ODWdi는 COD 유입부하량만 삭감하였을 때 보다 TH TP유입부하량을 추가적으로 삭감 했을 때 약 1.
- 최강유속은 표층이 약 81cm/sec~ 89cm/sec, 저층이 40cm/sec~42cm/sec범위로 나타났다. 특히, 창조류시 가덕수로를 통하여 유입된 해수는 주 수로인 가덕수로를 통해 북서향으로 빠르게 유입하여 진해만 중부해역과 마산만으로 흘러드는 전형적 흐름을 보였으며, 낙조류시는 창조류시와 반대의 흐름특성을 잘 나타내었다.
- 저층 DO농도의 계산 결과를 나타낸 것이다. 표층 DC用도는 약 8-lOmg/L, 저층DO농도는 약 l~4mg/L의 범위로서, 특히, 고현만은 8월 중에 3mg/L이하의 빈산소수괴가 지속되는 것으로 예측되었다.
후속연구
- 이에 따라 행암만은 현상태에서도 빈산소수괴가 발생하지 않았으며, 마산만과 고현만은 유입부하량을 현재의 70%까지 삭감시켜도 저감효과가 잘 나타나지 않았다. 따라서 추후연구로서는 빈산소수괴의 발생을 보다 효과적으로 제어/관리하기 위해 각 해역별의 환경용량의 차이와 해역별 적정 유입오염부하량의 산정이 필수적이며, 이와 더불어 저질로부터 용출되는 내부생산 부하량의 평가와 삭감시나리오 등에 의한 생태계 모델링의 연구가 지속적으로 필요할 것으로 생각된다.
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