아산만의 해양수질을 이해하기 위하여 2011년 12월부터 2013년 2월까지 아산만과 주변 방조제 호수의 수질을 계절별로 조사하였으며, 이를 바탕으로 아산만을 3개의 해역(Bay1, Bay2, Bay3)으로 구분하여 물질수지를 분석하였다. 현장 조사 결과 여름철인 2012년 7월에 아산만의 중앙해역(Bay2)에서 영양염이 증가하는 현상이 관측되었으며, 물질수지 결과에서도 동일시기에 중앙해역에서 영양염이 생성됨을 보였다. 이렇게 중앙해역에서 영양염 농도를 증가시킬 수 있는 공급원은 노후한 방조제 호수의 배출수와 미처리된 도시하수 등 비점오염물질을 포함한 배수로의 배출수로 추정되었다. 결과적으로 이러한 중앙해역의 높은 영양염이 외만으로 확장되는 과정 중 식물플랑크톤에 이용되면서 외만에서 높은 Chl-a의 농도가 관측된 것으로 해석된다. 따라서 아산만의 건강한 해양생태계 유지를 위해서는 방조제 호수의 배출수와 비점오염에 대한 적절한 관리가 필요하다.
아산만의 해양수질을 이해하기 위하여 2011년 12월부터 2013년 2월까지 아산만과 주변 방조제 호수의 수질을 계절별로 조사하였으며, 이를 바탕으로 아산만을 3개의 해역(Bay1, Bay2, Bay3)으로 구분하여 물질수지를 분석하였다. 현장 조사 결과 여름철인 2012년 7월에 아산만의 중앙해역(Bay2)에서 영양염이 증가하는 현상이 관측되었으며, 물질수지 결과에서도 동일시기에 중앙해역에서 영양염이 생성됨을 보였다. 이렇게 중앙해역에서 영양염 농도를 증가시킬 수 있는 공급원은 노후한 방조제 호수의 배출수와 미처리된 도시하수 등 비점오염물질을 포함한 배수로의 배출수로 추정되었다. 결과적으로 이러한 중앙해역의 높은 영양염이 외만으로 확장되는 과정 중 식물플랑크톤에 이용되면서 외만에서 높은 Chl-a의 농도가 관측된 것으로 해석된다. 따라서 아산만의 건강한 해양생태계 유지를 위해서는 방조제 호수의 배출수와 비점오염에 대한 적절한 관리가 필요하다.
To understand variations in the seawater quality of Asan Bay over four seasons form December 2011 to February 2013, we applied two methods: an in-situ observation of water quality and a comparison study of nutrient budgets among three parts (No. 1, 2, and 3) of Asan Bay. We found a significantly hig...
To understand variations in the seawater quality of Asan Bay over four seasons form December 2011 to February 2013, we applied two methods: an in-situ observation of water quality and a comparison study of nutrient budgets among three parts (No. 1, 2, and 3) of Asan Bay. We found a significantly high nutrient concentration in the central part of the bay (No. 2) in July 2012 both in the mass balance study and in situ observation. We presumed the source of these nutrients to be both benthic effluence from old dam reservoirs and incompletely-treated municipal waste-water. This elevated nutrient concentration in the central part of Asan Bay (No. 2) expended to off-shore area and eventually triggered an intense Chl-a concentration in Asan Bay. Based on this result, we suggest improved waste-water quality control around the drainage area of Asan Bay.
To understand variations in the seawater quality of Asan Bay over four seasons form December 2011 to February 2013, we applied two methods: an in-situ observation of water quality and a comparison study of nutrient budgets among three parts (No. 1, 2, and 3) of Asan Bay. We found a significantly high nutrient concentration in the central part of the bay (No. 2) in July 2012 both in the mass balance study and in situ observation. We presumed the source of these nutrients to be both benthic effluence from old dam reservoirs and incompletely-treated municipal waste-water. This elevated nutrient concentration in the central part of Asan Bay (No. 2) expended to off-shore area and eventually triggered an intense Chl-a concentration in Asan Bay. Based on this result, we suggest improved waste-water quality control around the drainage area of Asan Bay.
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문제 정의
본 연구 결과를 바탕으로 향후 대형 방조제 호수가 조성된 지역의 해양수질에 대한 몇 가지 관리방안을 제시하고자 한다. 첫째, 최대한 많은 방조제 관련 수질 자료를 수집하는 것이 필요하다.
이 연구는 아산만과 주변 방조제의 수질 변화를 조사하여 계절적인 변화를 알아보고, 물질수지 분석을 통해 만의 수질변화에 대한 원인을 해석하고자 한다.
7). 이 연구에서는 이러한 원인을 이해하기 위해서 몇 가지 질문과 가능한 해석을 시도하였다.
가설 설정
4.3 왜 방조제의 나이와 영양염 농도는 상관관계를 가지는가?
물질의 이동량을 계산하기 위해 먼저 물의 이동량을 계산하였고, 이를 위해 다음과 같은 몇 가지 가정을 하였다. ① 아산만의 물수지는 정상상태를 유지한다. ② 아산만으로 유입하는 물의 유입원은 주변 방조제의 방류와 지하수 유입, 그리고 만으로 직접 떨어지는 강우이며, 유출원은 만에서 증발에 의한 소모와 만외로 배출되는 잔차류이다.
32를 곱하여 산정하였다. 저층 퇴적물 내 환원환경에서는 DIN의 대부분이 NH4-N으로 존재하기 때문에 지하수를 통한 NO3-N의 이동량은 없는 것으로 가정하였다(Swarzenski et al., 2007).
제안 방법
2-5에 정리하였다. 또한 각 박스에서 영양염의 평균에 대한 95 % 신뢰구간의 상한 값과 하한 값을 물질수지 식(8, 9, 10)에 적용하여 각 박스에서 영양염의 순유동량(△NH4-N, △NO3-N, △PO4-P) 범위를 제시하였다(Table 2).
50을 곱하여 산정하였다. 마지막으로 잔차 유동량은 유입량과 유출량의 차이로 계산하였다.
물질수지는 아산만을 세 개(Bay1, Bay2, Bay3)의 박스로 가정하고(Fig. 1), 각 박스 내로 유·출입하는 물질의 이동량을 계산하여 산정하였다.
그리고 Q1,2,3은 Bay1, Bay2, Bay3에서 이동하는 물량을 의미한다. 방조제 배출량 자료 중 아산호, 삽교호, 남양호, 석문호는 기존 문헌 자료를 이용하였고(PROOF, 2010), 화성호의 배출량은 아산호의 집수면적과 화성호의 집수면적을 비교하여 산정하였다. 증발량은 현장에서 직접 측정된 자료가 없어 인천기상대 자료(KMA; http://www.
아산만 전체를 내만(Bay1), 중앙(Bay2), 외만(Bay3)해역으로 구분하고(Fig. 1), 물과 염분수지를 확인한 후, NH4-N, NO3-N 및 PO4-P 수지를 계산하였다. 이렇게 얻은 결과를 동시에 수행한 해양 및 담수수질과 비교 검정하였다.
아산만 주변의 주요 담수공급원의 대표 지점(F1~F5)에서 표층수를 해양수질과 동일한 시기에 동일한 방법으로 채수하여 분석하였다(Fig. 1).
아산만에서 증발과 강수, 방조제 배출수, 지하수 유입에 의한 염분의 총량 변화는 없는 것으로 간주하였으며, 염분 수지는 잔차 유동량을 통해 각 박스 밖으로 유출되는 양과 해수 교환에 의해 박스 안팎으로 유·출입되는 양으로 산정하였다.
아산만의 Bay1, Bay2, Bay3에서 영양염 수지는 완성된 물 수지를 바탕으로 각 시스템에서 유․출입되는 물량에 영양염 농도를 곱하여 산정하였다. 지하수를 통한 영양염의 이동량은 물의 이동량과 마찬가지로 기존의 연구결과들을 인용하여 적용하였다(Table 1).
따라서 아산만의 방조제 배출량과 유사한 범위를 보이는 마산만의 연구 자료를 인용하였다. 아산만의 지하수 유입량은 마산만의 하천을 통한 유동량과 지하수를 통한 유동량의 비율을 적용하여 산정하였다. Bay1과 Bay2의 지하수 유입량은 마산만의 안쪽 자료를 인용하여 방조제 배출량에 2.
아산만의 해양수질과 주변 방조제 호수의 담수수질에 대한 실측자료와 물질수지 결과를 배경으로 아산만의 수질 분포를 해석하였다. 아산만의 조사 시기 중 7월에 중앙해역에서 영양염의 증가가 발견되었고, 염분 및 영양염의 공간적인 분포 양상과 물질수지 결과를 바탕으로 그 원인은 대형 방조제 호수와 비점오염을 포함하는 배수로의 배출수로 추정되었다.
염분의 이동량은 산정된 물량에 각 시스템의 염분농도를 곱하여 계산하였다. 또한 염분의 이동은 조석에 의한 해수의 교환에 의해서도 이루어지므로 식(5) - (7)을 이용하여 Bay1, Bay2, Bay3에서 해수 교환량(QM)을 산정하였다.
이러한 수질 현상이 기존의 문헌 자료에서도 나타나는지 알아보기 위해 각 방조제 호수의 수질 자료를 수집하여 본 연구와 동일한 방법으로 비교하였다. 과거의 수질 자료를 정리해 보면, NH4-N과 NO3-N의 농도는 거의 모든 방조제 호수에서 여름철 홍수기에 높고, 용존산소는 갈수기에 높게 나타났으며, pH, Chl-a, PO4-P는 호수마다 다양하게 나타났다 (Table 6).
1), 물과 염분수지를 확인한 후, NH4-N, NO3-N 및 PO4-P 수지를 계산하였다. 이렇게 얻은 결과를 동시에 수행한 해양 및 담수수질과 비교 검정하였다.
아산만의 Bay1, Bay2, Bay3에서 영양염 수지는 완성된 물 수지를 바탕으로 각 시스템에서 유․출입되는 물량에 영양염 농도를 곱하여 산정하였다. 지하수를 통한 영양염의 이동량은 물의 이동량과 마찬가지로 기존의 연구결과들을 인용하여 적용하였다(Table 1). 지하수를 통한 NH4-N의 유입량은 방조제 배출수를 통해 유입되는 NH4-N의 이동량에 Bay1과 Bay2는 0.
표층시료는 양동이를 사용하여 채수하였고, 저층시료는 니스킨 채수기를 이용하여 저층 바닥으로부터 1 m 떨어진 수층을 채수하였다. 해수시료는 1 L 폴리에틸렌 병에 담아 얼음이 담겨진 아이스박스에 보관한 후 실험실로 옮겨 분석 전까지 -20℃ 이하에서 동결 보관하였으며, 1주일 이내에 분석 하였다.
대상 데이터
, 2010) (Table 1). 따라서 아산만의 방조제 배출량과 유사한 범위를 보이는 마산만의 연구 자료를 인용하였다. 아산만의 지하수 유입량은 마산만의 하천을 통한 유동량과 지하수를 통한 유동량의 비율을 적용하여 산정하였다.
아산만 해역에 대한 조사는 2011년 12월 2일, 2012년 4월 29일과 7월 17일, 2013년 2월 14일에 수행되었으며, 총 11개 정점(S1~S11)에서 표층수와 저층수를 채수하였다(Fig. 1). 표층시료는 양동이를 사용하여 채수하였고, 저층시료는 니스킨 채수기를 이용하여 저층 바닥으로부터 1 m 떨어진 수층을 채수하였다.
방조제 배출량 자료 중 아산호, 삽교호, 남양호, 석문호는 기존 문헌 자료를 이용하였고(PROOF, 2010), 화성호의 배출량은 아산호의 집수면적과 화성호의 집수면적을 비교하여 산정하였다. 증발량은 현장에서 직접 측정된 자료가 없어 인천기상대 자료(KMA; http://www.kma.go.kr)를 사용하였고, 강수량자료는 아산만에서 가장 가까운 강청 관측소 자료(WAMIS; http://www.wamis.go.kr)를 사용하였다. 지하수 유입량은 실측된 자료는 없으나, 아산만에서 Ra 방사능비를 분석할 결과 지하수의 영향을 받고 있는 것으로 보고된 바 있어(KORDI, 2009) 기존의 연구 자료를 인용하였다.
kr)를 사용하였다. 지하수 유입량은 실측된 자료는 없으나, 아산만에서 Ra 방사능비를 분석할 결과 지하수의 영향을 받고 있는 것으로 보고된 바 있어(KORDI, 2009) 기존의 연구 자료를 인용하였다. 우리나라의 여자만, 마산만, 가막만에서 지하수 유입량을 연구한 결과들은 하천의 유량이 적으면 상대적으로 하천의 유량에 비하여 지하수 유입량의 비율이 커지는 경향을 보였다(Hwang et al.
1). 표층시료는 양동이를 사용하여 채수하였고, 저층시료는 니스킨 채수기를 이용하여 저층 바닥으로부터 1 m 떨어진 수층을 채수하였다. 해수시료는 1 L 폴리에틸렌 병에 담아 얼음이 담겨진 아이스박스에 보관한 후 실험실로 옮겨 분석 전까지 -20℃ 이하에서 동결 보관하였으며, 1주일 이내에 분석 하였다.
이론/모형
수온, 염분, 용존산소, pH는 현장에서 즉시 휴대용측정기(YSI 85, Orion 3 Star)를 이용하여 측정하였고, 부유물질(SS), 엽록소-a(Chl-a), NH4-N, NO3-N, PO4-P에 대한 분석은 해양환경공정시험기준(MLTMA, 2010)과 Standards Method(APHA, 2012)을 따랐다. 정량은 흡광광도계(UV-1750, Shimadzu)를 사용하였다.
아산만의 조사 시기 중 7월에 중앙해역에서 영양염의 증가가 발견되었고, 염분 및 영양염의 공간적인 분포 양상과 물질수지 결과를 바탕으로 그 원인은 대형 방조제 호수와 비점오염을 포함하는 배수로의 배출수로 추정되었다. 5개의 방조제 호수의 배출수와 집수면적, 저수용량 및 나이(조성 후 경과된 시간)는 NH4-N과 NO3-N 농도와 강한 양의 상관관계를 가지며, 동일한 경향을 과거자료에서도 재확인할 수 있었다. 이로서 아산만의 외만에서 관측된 여름철 높은 식물플랑크톤의 발생원인은 노후한 대형 방조제 호수(아산호, 삽교호, 남양호)와 비점오염을 포함하는 배수로의 배출수로 설명이 가능하다.
과거의 수질 자료를 정리해 보면, NH4-N과 NO3-N의 농도는 거의 모든 방조제 호수에서 여름철 홍수기에 높고, 용존산소는 갈수기에 높게 나타났으며, pH, Chl-a, PO4-P는 호수마다 다양하게 나타났다 (Table 6). 각 방조제의 환경조건(집수면적, 저수용량)과 나이(조성이후 시간경과)는 홍수기와 갈수기 동안 예외 없이 NH4-N과 NO3-N과 양의 상관관계를 보였다(Fig. 15-18). 이 결과는 본 조사를 통해 얻은 방조제의 나이와 환경조건과도같은 경향성을 보이고 있어, 이러한 현상이 본 조사 기간 동안에 얻은 일회성 현상이 아니라 대형 방조제 호수가 조성된 이후 시간 경과에 의한 일관된 현상이라고 판단된다.
이러한 수질 현상이 기존의 문헌 자료에서도 나타나는지 알아보기 위해 각 방조제 호수의 수질 자료를 수집하여 본 연구와 동일한 방법으로 비교하였다. 과거의 수질 자료를 정리해 보면, NH4-N과 NO3-N의 농도는 거의 모든 방조제 호수에서 여름철 홍수기에 높고, 용존산소는 갈수기에 높게 나타났으며, pH, Chl-a, PO4-P는 호수마다 다양하게 나타났다 (Table 6). 각 방조제의 환경조건(집수면적, 저수용량)과 나이(조성이후 시간경과)는 홍수기와 갈수기 동안 예외 없이 NH4-N과 NO3-N과 양의 상관관계를 보였다(Fig.
이런 경우 본 조사를 통해 관측된 아산만 중앙해역에서 발생하는 낮은 염분과 높은 영양염이 발생될 수 있다. 따라서 7월에 아산만에서 관측된 영양염과 Chl-a의 공간적인 분포는 아산호와 삽교호에서 배출된 담수가 만의 외측으로 확장되면서 남양호 및 남양호 남측 주변 지역의 비점오염물질을 포함한 배수로의 배출수와 혼합되어 중앙해역에서 낮은 염분과 높은 영양염을 나타냈고, 이들이 외만으로 확장되면서 식물플랑크톤의 성장을 촉진시킨 결과로 판단된다.
7-10). 물질수지 분석 결과에서는 7월에 만의 중앙(Bay2)에서 NH4-N 과 PO4-P가 생성됨을 보였고, NO3-N은 제거됨을 보였다. 이러한 물질수지 결과는 NO3-N은 만의 중앙에서 탈질산화 등과 같은 과정을 거쳐 소모되는 양이 자체 공급보다 더 큼을 의미하며, NH4-N과 PO4-P의 경우에는 만의 중앙에서 퇴적물 용출 등에 의해 공급되거나 물질수지에서 고려되지 못한 다른 외부 공급이 있음을 암시한다.
본 조사의 모든 기간 동안 NH4-N과 NO3-N 농도는 각 방조제 호수의 집수면적, 저수용량 및 나이(조성이후 시간경과)와 양의 상관관계를 보였다(Fig. 11-14). 또한 문헌 자료도 동일한 경향을 보였다.
아산만 주변의 각 방조제 호수의 환경조건(집수면적, 저수용량)과 나이(조성이후 시간경과)는 본 조사 기간 동안 측정된 NH4-N과 NO3-N의 농도와 양의 상관관계를 보였다 (Table 4, Fig. 11-14).
아산만의 해양수질과 주변 방조제 호수의 담수수질에 대한 실측자료와 물질수지 결과를 배경으로 아산만의 수질 분포를 해석하였다. 아산만의 조사 시기 중 7월에 중앙해역에서 영양염의 증가가 발견되었고, 염분 및 영양염의 공간적인 분포 양상과 물질수지 결과를 바탕으로 그 원인은 대형 방조제 호수와 비점오염을 포함하는 배수로의 배출수로 추정되었다. 5개의 방조제 호수의 배출수와 집수면적, 저수용량 및 나이(조성 후 경과된 시간)는 NH4-N과 NO3-N 농도와 강한 양의 상관관계를 가지며, 동일한 경향을 과거자료에서도 재확인할 수 있었다.
아산만에서 증발과 강수, 방조제 배출수, 지하수 유입에 의한 염분의 총량 변화는 없는 것으로 간주하였으며, 염분 수지는 잔차 유동량을 통해 각 박스 밖으로 유출되는 양과 해수 교환에 의해 박스 안팎으로 유·출입되는 양으로 산정하였다. 염분은 보존적인 물질이기 때문에 각 박스에서 잔차 유동량에 의해 이동되는 양과 해수 교환에 의해 이동되는 양은 동일하게 나타나고 있으며, 잔차 유동량과 해수 교환량이 가장 많은 7월에 염분의 유동량이 가장 높게 나타났다.
물질수지 분석 결과에서는 7월에 만의 중앙(Bay2)에서 NH4-N 과 PO4-P가 생성됨을 보였고, NO3-N은 제거됨을 보였다. 이러한 물질수지 결과는 NO3-N은 만의 중앙에서 탈질산화 등과 같은 과정을 거쳐 소모되는 양이 자체 공급보다 더 큼을 의미하며, NH4-N과 PO4-P의 경우에는 만의 중앙에서 퇴적물 용출 등에 의해 공급되거나 물질수지에서 고려되지 못한 다른 외부 공급이 있음을 암시한다. 따라서 7월에 아산만에서 Chl-a와 영양염의 공간적인 분포는 만내에 위치한 아산호와 삽교호 방조제의 배출수 이외에 다른 해석이 필요하다.
전체적인 계절 변화는 여름철 홍수기(2012년 7월)에 염분은 낮고, 대부분의 수질항목들은 높은 값을 보였으며(Table 3), 특히 7월에 아산만의 중앙해역(Bay2의 표층)에서 상대적으로 낮은 염분과 높은 영양염이 나타났으며, 외만(Bay3의 표층)에서 높은 Chl-a의 농도를 보였다(Fig. 6-10).
전체적인 시간과 공간에 따른 각각의 방조제 호수의 수질은 다양하였으나(Table 4), 각 호수의 환경조건(집수면적, 저수용량)과 나이(조성이후 시간경과)는 모든 조사 시기에 NH4-N과 NO3-N의 농도와 양의 상관관계를 보였다(Fig. 11-14).
첫 번째 의문에서 영양염은 여름철 홍수기인 7월에 방조제 호수에서 단기간 집중되어 아산만으로 대량 배출된다는 사실이 확인되었다. 또한 이들 방조제 호수의 영양염 배출부하량을 보면 내만에 위치한 아산호와 삽교호가 다른 방조제 호수들에 비하여 최소 5배에서 최대 40배 정도로 높기 때문에 아산만에서 영양염의 공간적인 분포는 내만에서 가장 높고 외해쪽으로 가면서 점차 낮아지는 경향을 보일 것이다.
후속연구
자동 연속관측 또는 지역 학교 및 연구기관과 연계한 유인관측을 통하여 수온, 혼탁도, 용존산소 농도, 염분만 측정하여도 수많은 수질문제를 쉽게 해결할 수도 있다. 다섯째, 끝으로 대형 방조제 관리를 연안환경관리의 한 부분으로 채택하여 종합적인 해양수질관리 시스템이 만들어져야 할 것이다.
현재와 같이 대형 방조제 몇 곳만 관리해서는 해양수질의 악화현상을 설명하지 못한다. 둘째, 방조제 호수의 수질자료를 공유할 필요성 있다. 방조제의 관리주체가 단일화되어야 하고, 해양수질관리를 위한 강력한 연계시스템이 필요하다.
따라서 연안환경관리에 대한 통일성이 필요하다. 셋째, 효율적이고 현실적인 모니터링 체계가 필요하다. 자동 연속관측 또는 지역 학교 및 연구기관과 연계한 유인관측을 통하여 수온, 혼탁도, 용존산소 농도, 염분만 측정하여도 수많은 수질문제를 쉽게 해결할 수도 있다.
아산만과 같은 연안환경은 파랑과 조석과 같이 단주기적인 변화와 함께 홍수기와 갈수기와 같이 중장기적인 변화도있으며, 다양한 해저지형과 복잡한 수심변화 등 매우 복잡한 환경이다. 특히, 연안환경은 강물을 통해 유입된 담수가 해수와 급격하게 혼합되는 매우 역동적인 환경이다. 이렇게 환경인자의 변동성이 매우 큰 연안환경에서 물질의 거동을 이해하기 위해 box 모델을 이용한 물질수지 연구들이 수행되어져 왔으며, 금강하구(Kim et al.
아산만의 방조제 호수들의 방류수는 어떤 영향을 주는가?
아산만은 70년대 이후 동측 해안에 안성천 하구를 막아 만든 아산호(1973년 완공)를 시작으로 하여 이후 남양 호(1975년 완공), 석문호(1975년 완공), 삽교호(1979년 완공) 순으로 대형 방조제와 인공 담수 호수(이후 방조제 호수로 표현)가 조성되었다. 이들 방조제 호수들의 방류수는 주변 지역의 산업화와 도시화 등과 함께 지속적으로 연안환경에 영향을 주고 있다(Lee and Lee, 1997).
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