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문제 정의
- 그러나 친수공간 조성시 조름나물의 생태적 특성에 따른 부영양화 현상의 동태적 변화를 고려한 도입방안을 밝혀낸 연구는 미미하다. 이에 본 연구에서는 시스템 다이내믹 스를 활용하여 메조코즘 조건에서의 부영양화 예측 모델을 구축하여 조름나물의 부영양화 현상 제어 효과를 확인하고, 향후 인공습지 등 소규모 폐쇄형 친수공간 조성시 기초 자료로 활용하기 위해 부영양화 현상을 효과적으로 제어할 수 있는 조름나물 적용안을 마련하고자 한다[그림 1]. 첫째, 이론적 고찰을 통해 친수공간에서 발생하는 부영양화 현상과 조름나물의 생태적 특성에 대해 파악한다.
- 도시 내 친수공간은 사람들의 생활환경과 생물들의 생태환경이 복잡하게 상호작용하는 공간이기 때문에, 친수공간 조성에 있어서 환경문제에 대응하고 생태회복력의 제고를 위하여 생물소재의 활용방안을 마련하는 것은 매우 중요하다. 이러한 중요성에 따라 본 논문에서는 주택단지 내 인공습지나 옥상습지 등 소규모 폐쇄형 친수공간에서 빈번히 발생하는 환경문제인 부영양화 현상을 친환경적으로 제어하기 위해 신기성 및 생태적ㆍ조경적 가치가 확보된 멸종위기 식물인 조름나물을 활용하여 영양염류의 동태성을 분석할 수 있는 인과순환구조와 시뮬레이션 모델을 제시하였다. 본 연구에서 구축된 시뮬레이션 모델에 조름나물 초기 투입량 변화에 대한 시나리오 적용을 통해 폐쇄된 부영양화 수체에서 조류가 대발생하기 전에 질소와 인 등의 영양염류를 제거하여 엽록소-a농도(조류 농도)를 제어할 수 있는 방안을 도출하였다.
- 본 연구는 물의 유입 및 유출이 제한된 소규모 폐쇄형 친수공간에서 부영양화 현상 발생 시 식물의 자기정화작용을 활용하여 생태회복력을 제고할 수 있는 식재방안을 도출하였다는 점에서 그 의의가 있다고 볼 수 있다. 이는 조경분야에서 기존에 연구되지 않았던 것으로, 생태공간으로 조성된 공간이 조성목적에 부합되며, 정량적으로 얼마만큼의 생태적 기능을 하는가에 대한 논의를 이끌어 낼 수 있다.
제안 방법
- 이에 본 연구에서는 시스템 다이내믹 스를 활용하여 메조코즘 조건에서의 부영양화 예측 모델을 구축하여 조름나물의 부영양화 현상 제어 효과를 확인하고, 향후 인공습지 등 소규모 폐쇄형 친수공간 조성시 기초 자료로 활용하기 위해 부영양화 현상을 효과적으로 제어할 수 있는 조름나물 적용안을 마련하고자 한다[그림 1]. 첫째, 이론적 고찰을 통해 친수공간에서 발생하는 부영양화 현상과 조름나물의 생태적 특성에 대해 파악한다. 둘째, 이론적 고찰을 토대로 주요변수를 도출하여 부영양화 현상과 조름나물의 생태적 특성에 대한 인과순환구조를 분석한다.
- 첫째, 이론적 고찰을 통해 친수공간에서 발생하는 부영양화 현상과 조름나물의 생태적 특성에 대해 파악한다. 둘째, 이론적 고찰을 토대로 주요변수를 도출하여 부영양화 현상과 조름나물의 생태적 특성에 대한 인과순환구조를 분석한다. 셋째, 인과지도 및 참조모델을 기반으로 조름나물의 생체량, 영양염류농도, 조류농도, 용존산소농도에 대한 시뮬레이션 모델을 구축하여 조름나물에 의한 부영양화 동태성을 분석한다.
- 둘째, 이론적 고찰을 토대로 주요변수를 도출하여 부영양화 현상과 조름나물의 생태적 특성에 대한 인과순환구조를 분석한다. 셋째, 인과지도 및 참조모델을 기반으로 조름나물의 생체량, 영양염류농도, 조류농도, 용존산소농도에 대한 시뮬레이션 모델을 구축하여 조름나물에 의한 부영양화 동태성을 분석한다. 마지막으로 조름나물 적용 시나리오 분석을 통해 메조코즘 조건에서 부영양화 현상에 대해 효과적인 제어가 가능한 조름나물의 적정 적용안을 도출하여 향후 친수공간 설계시 적용가능성을 타진한다.
- 도출된 주요변수를 중심으로 부영양화 현상 및 조름나물의 생태적 특성에 대한 개별 인 과순환구조 분석을 실시하였으며, 통합 인과지도 작성을 통해 조름나물의 부영양화 현상 제어 기작에 대한 인과순환구조 분석을 실시하였다.
- 친수공간에서 조름나물이 부영양화 현상을 제어하는 특성을 이해하기 위하여 상기 도출된 부영양화 현상 인과지도와 조름나물의 생태적 특성 인과지도를 [그림 4]와 같이 통합하였다.
- 부영양화 현상과 조름나물의 생태적 특성 인과지도에서 주요하게 나타난 변수인 조름나 물의 생체량(Menyanthes Trifoliata), 총 질소농도(T-N), 총 인농도(T-P), 엽록소-a농도(Chl-a), 용존산소농도(DO)를 저량변수로 활용하여 STELLA 10.0.4을 이용해 [그림 5]와 같이 시뮬레이션 모델을 구축하였다. 시뮬레이션 모델의 수식을 비롯하여 관련 저량변수, 유량변수, 파라메터의 초기값에 대한 추정 및 설정치는 [부록]에 제시하였다.
- 시뮬레이션 모델의 기본구조는 대형수생식물과 조류의 생물량 및 이에 따른 인공습지의 영양물질 거동에 관한 모델(김형철, 2010)을 참조모델로 차용하였으며, 본 연구에서 도출한 통합인과지도와 비교하여 참조모델에서 누락된 사항을 보완하여 시뮬레이션 모델을 구축하였다. 시뮬레이션 모델에 해당 입력 값은 관련 선행연구에서 연구된 바에 근거하여 적용하였으며, 자료가 존재하지 않은 일부 파라메터 등에 대해서는 적절한 가정에 의한 추정값을 부여하였다.
- 시뮬레이션 모델의 기본구조는 대형수생식물과 조류의 생물량 및 이에 따른 인공습지의 영양물질 거동에 관한 모델(김형철, 2010)을 참조모델로 차용하였으며, 본 연구에서 도출한 통합인과지도와 비교하여 참조모델에서 누락된 사항을 보완하여 시뮬레이션 모델을 구축하였다. 시뮬레이션 모델에 해당 입력 값은 관련 선행연구에서 연구된 바에 근거하여 적용하였으며, 자료가 존재하지 않은 일부 파라메터 등에 대해서는 적절한 가정에 의한 추정값을 부여하였다. 구체적으로, 조름나물의 생체량, 총 질소농도, 총 인농도, 용존산소농도에 해당하는 초기값과 변화값은 차세대 에코이노베이션 기술개발사업의 습지생태계 조성 및 자연생태 회복 기술개발 연구에서 수행한 조름나물의 영양물질 저감 실험 자료를 활용하여 추정하였다(한국환경산업기술원, 2013).
- 구축된 모델의 현실 반영 정도를 살펴보기 위해 실제 모니터링 결과(한국환경산업기술원, 2013)와의 행태 유사성을 분석하였다[그림 6].
- 친수공간에 조름나물 적용 시 부영양화 제어 효과 정도를 알아보고자 외부에 의한 유입수 및 유출수를 배제하고, 수온을 28℃로 유지한 메조코즘 조건에서 빈영양상태(엽록소-a농도 0.003mg/L)의 수체에 부영양상태 수체(총 질소: 1.5mg/L, 총인: 0.1mg/L)가 유입된 경우를 가정하고, 조름나물 생체량의 초기값에 대한 3개의 시나리오를 설정하였다. 조름나물 생체량의 초기값은 조름나물 서식의 적정수위인 0.
- 본 연구에서 구축된 시뮬레이션 모델에 조름나물 초기 투입량 변화에 대한 시나리오 적용을 통해 폐쇄된 부영양화 수체에서 조류가 대발생하기 전에 질소와 인 등의 영양염류를 제거하여 엽록소-a농도(조류 농도)를 제어할 수 있는 방안을 도출하였다.
대상 데이터
- 또한 수온과 관련된 파라메터 값은 조류의 생장이 활발한 25~35℃를 조건으로 수행된 연구에서 도출된 자료들을 활용하였다(Kruger & Steynberg, 1930; Lampert, 1987).
- 시뮬레이션 모델에 해당 입력 값은 관련 선행연구에서 연구된 바에 근거하여 적용하였으며, 자료가 존재하지 않은 일부 파라메터 등에 대해서는 적절한 가정에 의한 추정값을 부여하였다. 구체적으로, 조름나물의 생체량, 총 질소농도, 총 인농도, 용존산소농도에 해당하는 초기값과 변화값은 차세대 에코이노베이션 기술개발사업의 습지생태계 조성 및 자연생태 회복 기술개발 연구에서 수행한 조름나물의 영양물질 저감 실험 자료를 활용하여 추정하였다(한국환경산업기술원, 2013). 이 실험 자료는 2012년 6월 초부터 7월 말까지 경기도 남양주시 일대 메조코즘 조건하에서 12L(W: 0.
- 구체적으로, 조름나물의 생체량, 총 질소농도, 총 인농도, 용존산소농도에 해당하는 초기값과 변화값은 차세대 에코이노베이션 기술개발사업의 습지생태계 조성 및 자연생태 회복 기술개발 연구에서 수행한 조름나물의 영양물질 저감 실험 자료를 활용하여 추정하였다(한국환경산업기술원, 2013). 이 실험 자료는 2012년 6월 초부터 7월 말까지 경기도 남양주시 일대 메조코즘 조건하에서 12L(W: 0.2m, L: 0.2m, H: 0.3m) 수조에 조름나물 2개체(개체당 평균 건중량: 895mg)를 식재하고, 초기 용존산소농도가 8.37mg/L인 수체 1L에 농축폐수 기준의 총 질소(60mg/L)와 총 인(11.3mg/L)를 투입한 후 54일간 모니터링을 한 결과이다. 조름나물의 경우 국내에서 멸종위기 종으로 분류되어 보호받고 있는 식물로, 이와 관련하여 수행된 선행연구가 미미하여 조름나물의 생장 및 사멸과 관련된 일부 파라 메터는 대형수생식물의 값을 대입하여 모델의 동태를 추정하였다(Kruger & Steynberg, 1930; Bowie & Tech, 1985; 김흥태 외, 2013).
성능/효과
- 조름나물의 인공증식을 통한 인공습지 메조코즘 조성 실험에서 와 같이 조름나물이 질소와 인을 저감하는 능력이 있으며, 이는 여타의 대형정수식물과 유사 수준의 범위 이상인 것으로 나타났다.
- 시나리오 1, 2, 3을 적용한 시뮬레이션 결과는 다음과 같다. 시나리오 1은 조름나물 0본/ ㎡을 초기값으로 적용한 것으로, 부영양화 기간이 77일로 가장 길게 나타났다. 조름나물을 적용하지 않았을 경우에도 총 인농도(T-P) 와 총 질소농도(T-N)가 천천히 감소하는 것이 발견되었는데, 이는 수체 내에 존재하던 조류의 섭취활동 및 광합성에 의한 작용으로 볼 수 있다.
- 시나리오 2의 경우 조름나물 4본/㎡을 초기값으로 적용한 것으로, 부영양화 기간은 13일로 나타나 시나리오 1 보다 감소함을 확인할 수 있었다[그림 8]. 즉 조름나물 초기 투입량을 증가시킬수록 부영양화 기간이 점차 줄어들고 있음을 파악할 수 있었다. 시나리오 3는 조름나물 8본/㎡을 초기 값으로 적용한 것으로, 수체 내에 총 인농도(T-P)가 조름나물의 섭취작용에 의해 20일만에 완전히 소멸되었으며, 부영양화 현상도 발생하지 않는 것을 알 수 있다[그림 9].
- 시나리오 3는 조름나물 8본/㎡을 초기 값으로 적용한 것으로, 수체 내에 총 인농도(T-P)가 조름나물의 섭취작용에 의해 20일만에 완전히 소멸되었으며, 부영양화 현상도 발생하지 않는 것을 알 수 있다[그림 9]. 따라서 친수공간에 조름나물 적용 시 최소 8본/㎡을 식재해야만 부영양화 현상에 대해 사전 제어가 가능하다는 결론을 내릴 수 있다.
- 이와 같은 시뮬레이션 결과를 통해 초기 투입되는 영양염류 외 유입 및 유출을 제어한 조건에서 부영양화 현상을 제어하기 위한 조름나물의 최소 도입 개체수가 8본/㎡으로 산출 되는 시나리오 3을 채택할 수 있었다. 이를 가로 3m x 세로 3m 정방형이며, 수위가 0.
- 본 연구에서 구축된 시뮬레이션 모델에 조름나물 초기 투입량 변화에 대한 시나리오 적용을 통해 폐쇄된 부영양화 수체에서 조류가 대발생하기 전에 질소와 인 등의 영양염류를 제거하여 엽록소-a농도(조류 농도)를 제어할 수 있는 방안을 도출하였다. 시나리오 적용 결과, ㎡당 8본의 조름나물을 식재하면 평균 수온이 약 28℃인 6~9월동안 부영양화 현상이 나타나지 않은 것으로 나타났다.
후속연구
- 이에 효과 유지를 위해서 반복적인 처리 방식을 도입해야 하기 때문에 수생태계에 소규모 폐쇄형 친수공간의 경우 대규모 수공간에 비해 수심이 얕고 물의 유입 및 유출이 제한되어 물의 순환이 정체된 상태이며 사람들의 접근이 쉽기 때문에 대규모의 기술 적용이 어렵고 소요되는 처리 비용에 비해 그 효과가 미미하다. 또한 사후 처리 방식은 조류 대발생의 원인 물질인 영양염류가 수체 내에서 제거되지 않아 2차 오염의 가능성이 있다는 한계가 있으므로(이흥수 외, 2010), 소규모 폐쇄형 친수공간에서 영양 염류농도 변화에 의한 부영양화 현상을 생태적으로 제어하는 사전처리 방식이 적용되어야 한다.
- 셋째, 인과지도 및 참조모델을 기반으로 조름나물의 생체량, 영양염류농도, 조류농도, 용존산소농도에 대한 시뮬레이션 모델을 구축하여 조름나물에 의한 부영양화 동태성을 분석한다. 마지막으로 조름나물 적용 시나리오 분석을 통해 메조코즘 조건에서 부영양화 현상에 대해 효과적인 제어가 가능한 조름나물의 적정 적용안을 도출하여 향후 친수공간 설계시 적용가능성을 타진한다.
- 또한 조름나물이 질소와 인의 풍부한 공간에서 높은 성장률을 보이기도 하지만 기존에 조름나물이 발견된 자생지의 상태가 빈영양상태임을 비추 어보아(이광문․김재근, 2011a; 2011b), 질소와 인이 부족한 공간에서도 서식이 가능하고 용존산소량이 낮은 환경에서도 높은 적응력을 보이는 특성이 있기 때문에(김흥태 외, 2013) 친수공간의 식물소재로써 활용 가치가 높을 것이다.
- 이와 같이 살펴본 결과 조름나물은 도시 내에서 비오톱을 형성할 수 있는 패치(Patch) 역할이 가능한 종이자 (허진옥 외, 2015) 생태적ㆍ환경적ㆍ경제적ㆍ경관적·심미적 가치가 있는 종이다. 또한 우선적으로 보호ㆍ관리되어야 하는 멸종위기 수생식물로써, 식물자체로 희귀성과 신기성을 가지며 습지의 수질정화와 생물종 다양성 증진 및 경관적 가치 상승에도 기여할 수 있는 종이라 할 수 있다.
- 한편, 친수공간에 일반적으로 식재되는 정수식물은 주로 호안을 따라 생장하여 수면을 노출시키지만, 조름나물은 지하경을 수면위로 뻗으며 부유매트 형태로 생장하기 때문에 수면을 덮어 그늘을 형성하므로, R8과 같이 수온을 떨어뜨려 조류의 증가를 억제할 수 있다. 조름나물 도입 후 친수공간 생태계가 점차 안정화되면 복족강의 애기물달팽이(Bakerlymnear uiridis)나 절지동물 곤충강의 하루살이목(Ephemeroptera), 잠자리목(Odonata) 등 다양한 생물들이 유입되어 조류를 포식하므로(Odum et al., 1971), 조류의 생장량을 제어할 수 있을 것이다(R9). 이 밖에 조름나물이 가진 경관 및 공중보건 증진 효과가 부영양화 현상으로 나타나는 악영향을 완화시킬 수 있을 것이다.
- , 1971), 조류의 생장량을 제어할 수 있을 것이다(R9). 이 밖에 조름나물이 가진 경관 및 공중보건 증진 효과가 부영양화 현상으로 나타나는 악영향을 완화시킬 수 있을 것이다. 이처럼 조름나물은 부영양화 현상을 제어하는 생태적 기작을 예상 할 수 있음에 따라 친수공간의 새로운 식물소재로써 활용가치가 높을 것으로 사료된다.
- 이는 조경분야에서 기존에 연구되지 않았던 것으로, 생태공간으로 조성된 공간이 조성목적에 부합되며, 정량적으로 얼마만큼의 생태적 기능을 하는가에 대한 논의를 이끌어 낼 수 있다. 그러나 본 연구는 복잡한 자연환경을 5가지의 주요변수로 요약하여 소규모 폐쇄형 친수공간에 한정된 모델을 개발하였으며, 시나리오 적용에 있어 계절적 특성이 분명한 여름철만 고려했다는 한계가 있다. 또한 조름나물이 단일 군락을 형성하여 심미적ㆍ생태적 기능을 창출하기는 하지만 친수공간의 특성상 다양한 식생을 활용하여 다채로운 경관 형성을 유도하는 경우가 많기 때문에 동반종을 식재하는 경우에 대한 고민이 필요하다.
- 또한 조름나물이 단일 군락을 형성하여 심미적ㆍ생태적 기능을 창출하기는 하지만 친수공간의 특성상 다양한 식생을 활용하여 다채로운 경관 형성을 유도하는 경우가 많기 때문에 동반종을 식재하는 경우에 대한 고민이 필요하다. 따라서 향후 이 연구가 가지고 있는 한계점을 보완하며, 조름나물 외에도 신기성 및 생태적ㆍ조경적 가치가 확보된 식물소재를 발굴하여 그의 부영양화 제어 기작을 증명하고 친수공간 식재방안에 대한 연구를 진행할 계획이다. 향후 연구의 최종목표는 다양한 식물소재의 생태적 기작에 대한 연구를 종합하여 정량적인 예측이 가능한 생태공간설계를 실현하는 것이다.
- 따라서 향후 이 연구가 가지고 있는 한계점을 보완하며, 조름나물 외에도 신기성 및 생태적ㆍ조경적 가치가 확보된 식물소재를 발굴하여 그의 부영양화 제어 기작을 증명하고 친수공간 식재방안에 대한 연구를 진행할 계획이다. 향후 연구의 최종목표는 다양한 식물소재의 생태적 기작에 대한 연구를 종합하여 정량적인 예측이 가능한 생태공간설계를 실현하는 것이다.
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