25 년도한국해양과학기술협의회공동학술대회 생태계모델을이용한울산해역의환경변화예측 The Prediction of Environmental Change in Ulsan Area Using Ecosystem Model 신범식 1, 김규한 2, 편종근 3 Bum-Shick Shin 1, Kyu-Han Kim 2 and Chong-Kun Pyun 3 1. 서론경제의발전과연안에대한이용도가점차증가함에따라연안의매립, 항로및박지의준설, 방파제및구조물의건설이증가하고있으며, 이러한, 연안개발에따라발생되는해양환경의변화를정량적으로파악하고예측하고자하는노력이시도되고있다. 해역의수질예측에대한국내연구로는 3차원물질순환모델을이용하여진해만에서의빈산소수괴예측에관하여연구 ( 최우정, 1993) 한바있고, 생태계모델을이용하여영양염류부하량에따른식물플랑크톤농도를예측하고부영향화억제를위한방안 ( 김종구, 1994) 을제시한바있으며, 가막만의어장환경용량을산정 ( 조은일, 1996) 한경우도있다. 울산해역에관한연구를살펴보면, 생태계모델을이용하여울산만주변의수질변화에대한연구 ( 김광수, 1998), 현지관측을통한울산만의수질, 저질환경인자의변화 ( 나기환, 1998) 등이있었다. 본연구에서는울산해역의해양의환경변화를조사하고예측하기위해, 해수의유동특성을재현할수있는 3차원해수유동모델과생물체와무생물체를일괄하여무기물질과유기물질로나누고, 이들상호간의물질흐름을취급하여영양염류와 COD의거동을파악할수있는물질순환모델을결합한생태계모델을이용하여대상해역의 DO, COD, T-N, T-P의분포를이용하여구조물건설에따른환경영향을파악하였다. 2. 연구내용및방법본연구에서는울산해역의수질변화를조사하고예측하기위하여, 3차원해수유동모델과질소순환모델을결합한생태계모델을이용하였다. 생태계모델을이용하여울산해역의수질을예측하기위한첫번째단계로는수치모델을수행하기위한기본자료 ( 기상, 수질, 지형 ) 의수집이고, 두번째로는해수유동모델을이용하여대상해역에서물질의거동을파악할수있는물리해양환경의변화에대한실험을수행하는것이다. 마지막으로물질순환모델에서는조사된수질자료를입력하고, 해수유동모델에서도출된흐름장을이용하여대상해역의수질현황및변화를예측하게된다. 2.1 대상해역의선정우리나라의동남부해안에위치한울산해역 ( 그림 1) 은대조차 48.2cm평균조차 32.6cm, 소조차 17.cm를보이고, 항내전역의조류속도는.23m/sec로서조석현상은매우미약한특성을가지고있다. 1 관동대학교공과대학토목공학과박사과정 2 관동대학교공과대학토목환경학부교수 3 명지대학교공과대학토목환경공학과교수 Korean Chem. Eng. Res., Vol. 43, No. 2, April, 25
2.2 해수유동모델해역에서물질이동의외력장산출을위한해수유동모델은밀도류의영향으로인한흐름의연직방향변화또는연직방향의순환류를고려하기위한 3차원모델을적용하였다. 유체의운동을정식화한운동방정식, 연속방정식을이용하였으며, 기본식은다음과같다. unit : m km 2km 4km - ULSAN HARBOR - Gdi d Syst em WIDE AREA Mipo 2 운동방정식 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 연속방정식 Hoeyang 26 28 3 32 34 36 38 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 SMALL AREA 자유수면조건 그림 1. 계산격자망도 여기서, v 는수평방향유속, 는수직방향유속, f 는코리올리변수, ρ는물의밀도, ζ는평균해면으로부터의수면높이, 는저면으로부터의평균해면높이, 는중력가속도, 와 는수평및수직방향확산계수, 는시간, z 는수직좌표, 는수직방향의단위벡터이다. 해수유동실험에서경계에서의조위는기존자료및현지관측결과를이용하여반일주조성분인 M2( 주태음반일주조 ) 와 S2( 주태양반일주조 ) 분조를이용하였으며, 계산격자는정방격자를구성하여수행하였으며, x, y 방향의격자크기를각각 5m로하였으며, 전체격자는 3 38 3층으로구성하였다 ( 그림 1). 수평확산계수는국외에서는여러관측자에의해동경만, 오사카만등에대한확산계수를조사한결과대부분이 의범위로측정되었으나, 울산해역주변에서조사된값이없으므로, 이범위인 를적용하였다. between Atomosphere 2.3 물질순환모델생태계모델의재현을위한모델의구성요들에대한각수질항목중무기태질소와인은 I-N(inorganic-nitrogen) 과 I-P (inorg anic-phosphorus) 로구분하여비생물군으로취급하였으며, 유기질질소와인은 O-N(organic-nitrogen) 과 O-P(organic- phosphorus) 로생물군으로나타내었다. 특히, 본모델에서는유입부하 ( 육상기원 ), 저니로부터의용출에의한 COD(COD1) 와수역의내부생산에의한 COD(COD2) 로구분하여, 물질순환을재현하였다 ( 그림 2). 모델에서는해역경계와의유출입, 육지로부터의부하유입과해역내에서생기는수리적과정 ( 이류확산 ) 외에각구성요소의생성 소실과정을고려했다. 물질순환모델은해수유동모델에사용된격자망과동일하게적용하였고, 해수유동모델의계산결과에서도출된유속장을입력자료로한다. 모델에구성요소들에대한기본입력값들은수질관측결과를이용하였다. 생태계모델의시뮬레이션을위한모델의구성요소들에대한각수질항목중 DO, COD, T-N, T-P는실측자료를이용하여산정하였다. 1st - Level (~2m) 2nd - Level (2~5m) 3rd - Level (5~1m) 4th - Level (above1m) Input Load Production Production Vertical Mixing Vertical Mixing Release 2 1 2 1 2 1 Release by Mud 그림 2 생태계모델의개념도
3. 연구결과 3.1 대상해역의수질현황수치모형실험의입력자료및검증자료로사용하기위하여주변해역을대상으로실시한수질조사결과중물질순환모델의입력자료로이용되는 COD, T-N, T-P, DO에대하여계절에따른변화를살펴본결과, 해수중의유기물량을간접적으로나타내는지표로서해역의유기오염의척도로이용되는화학적산소요구량 (COD) 의농도를보면 COD는 1.4~2.54mg/L( 평균 1.59mg/L) 로나타났으며, 여름철에가장큰값을나타내고있으며, 영양염류중 T-N은.86~.555mg/L( 평균.24mg/L), T-P는.2~.82mg/L( 평균.4mg/L) 의범위를나타냈다. DO는 7.9~8.59mg/L( 평균 8.35mg/L) 로전지점에서해역수질기준 Ⅰ등급으로나타나고있는것을알수있었다. 3.2 수치모형실험의적용성검토 3차원해수유동모델의적용성을검토하기그림 3에나타낸 2지점에서의관측결과와수치모형실험결과를비교하였다. 실험에서는매계산시각마다모델의개방경계에서입력되는조위는기존의조석관측자료를이용하였으며, 모델의계산치가조석및조류관측치와잘일치할때까지경계조건을수정하면서반복실험을수행하였다. 그림 3에나타나는바와같이조위에대한검증은관측치보다다소작게 (99%) 재현이되었고, 유속에대해서는실험결과가다소크게 (12%) 나타나고있으나, 전반적으로본모델에서제시된결과는대상해역의흐름을잘나타내고있다고판단된다. 6 Time Variation of tide (PC-1) 5 Elevation (cm) 4 3 2 PC-1 PC-2 1 - ULSAN HARBOR - 36 37 38 39 4 41 42 43 44 45 46 47 48 Comparison Point Time Variation of current (PC-1) km 2km 4km 6 4 Flood Current Vectors Ebb Curr ent Vec tors Current (cm) 2-2 Ri ver Ri ver -4-6 36 37 38 39 4 41 42 43 44 45 46 47 48 Time Variation of current (PC-2) 6 4 Current (cm) 2-2 unit : m/sec unit : m/sec -4 - Vectors Scale -.2 m/sec - Vectors Scale -.2 m/sec.5 m/sec.5 m/sec -6 36 37 38 39 4 41 42 43 44 45 46 47 48.km.5km 1.km (a) 최강창조류.km.5km 1.km (b) 최강낙조류 그림 3 해수유동실험결과와검증 3.3 생태계모델실험결과해역에서획득한관측자료는다음과같은환산식에의해각각의입력자료사용하였다. 1 유기태인 (O-P) : (DOP)+(POP), 무기태인 (I-P) : (PO4-P) 2 유기태질소 (O-N) : (DON)+(PON), 무기태질소 (I-N) : (NH4-N)+(NO3-N)+(NO2-N) 3 내부생산에의한COD(DCOD) : (Chl-a) (C/Chl-a) (COD/C) 4 일차오탁의 COD(COD1) : {(DOC)+(POC)} (COD/C) - (DCOD) 5 용존산소 : (DO)
Comparison(DO) 관측자료에대한실험결과가적합한지를판단하기위해각항목별로단순회귀분석을실시하여적합성을검토하여유사정도를검토하였다. 분석결과자료의적합성을나타내는결정계수 (coefficient determination) 은 DO의경우.8252로 83% 가표본회귀선에적합한것으로나타났으며, T-P의경우는 84%, T-N은 88%, COD 는 8% 로나타나표본회귀선이전체자료의 8% 이상을반영하는것으로나타났다. 이상의결과로볼때본실험에서사용된초기조건및경계조건이대상해역의수질현황재현에적합한것으로판단된다. 9 8.5 8 DO R 2 =.8252 7.5 7.5 8 8.5 9 Comparison(COD) Comparison(T-P).9.6.3 T-P R 2 =.8395.3.6.9 Comparison(T-N) 3.6 1) 구조물건설이전구조물설치이전에대한해양수질환경실험을수행한결과그림 4에서나타나는바와같으며, 각각의인자에대한실험결과는다음과같다. 외부유입및내부오탁에의한 COD( 화학적산소요구량 ) 는해역에서전반적으로양호한값을나타내고있으며, 온산항내측에서최대 2.7mg/L을나타내고있다. 2 1 COD R 2 =.82 1 2 3.4.2 T-N R 2 =.8795.2.4.6 DO의경우, 국립수산과학원의측정결과인 6.6~9.86mg/L의범위보다다소높게산정되었으나, 이러한결과는입력자료중해역의산소소비속도, 저니로부터의용출에대하여기초자료를이용한결과라고판단되나, 관측자료의범위내에서재현되고있다고할수있다. 질소의경우본실험에서는 I-P(Inorganic -Phosphorus) 와 O-P(organic-Phosphorus) 를이용하여평가를수행하였으며, 수질관측결과.5~.7mg/L 의범위인.5mg/L로나타나고있다. 인의경우에서는대상해역주변의수질관측자료와비교한결과, 본실험에서나타내고있는.5mg/L의범위와관측결과와일치하고있는것으로나타났다. - COD Surface - - T-P Surface - - T-N Surfac e - - DO Surface - km 2km 4km km 2km 4km km 2km 4km km 2km 4km COD(Surface) T-P(Surface) T-N(Surface) DO(Surface) 그림 5 실험결과 (DO, COD, T-N, T-P), 구조물건설이전 2) 구조물건설이후구조물건설후에나타날수있는수질환경에대한실험결과구조물건설전에비해다소악화되는경향이나타나고있으나, 그영향은작게나타나고있음을알수있다. COD는해역에서구조물건설전에비해전반적으로낮아지는결과를나타내고있으나, 온산항내측에서최대 2.7mg/L을나타내고있으므로, 구조물건설이전과유사한경향을나타내고있다고할수있다. 온산항내측에서는약.7mg/L정도감소하는것으로나타났으나, 대상해역남측해역에서의수질이악화될것으로예상된다. DO의경우에도구조물건설후 COD변화에서나타나는대상해역남측의 DO가낮아질것으로판단된다. 구조물건설전과비교한결과온산항내측에서는약.3mg/L의 DO가감소하는결과를나타내고있으며, 울산신항내측에서도감소하는결과를확인할수있다.
- COD Surface - - T-P Surface - - T-N Surfac e - - DO Surface - km 2km 4km km 2km 4km km 2km 4km km 2km 4km COD(Surface) T-P(Surface) T-N(Surface) DO(Surface) 그림 6 실험결과 (DO, COD, T-N, T-P), 공사이후 유기물의변화를확인할수있는질소의경우, 구조물건설에따라온산항내측에서는.6mg/L의변화가예상되고있으나, 온산항항입구에서의수질변화에서는.7~.1mg/L의질소가감소되는것으로보아항입구부의수질은향상될것으로나타나고있다. 질소와함께유기물을확인할수있는인은표층의실험결과온산항입구에서다소증가하는경향을보이고있으나, 주변해역에대한수질변화및생태계에미치는영향은작을것으로판단된다. 본실험은오염부하량이극대화될수있는하계의평균적인조건에서계산을수행했으나, 현지관측결과에서는나타나는바와같이겨울철의수질이개선되고있는부분을고려하고, 외부로의유입에대해좀더상세하게검토해야할필요가있다. 본연구는연안에건설되는각종구조물에의한환경변화가환경악화를일으키기시작하는오염물질부하량의한계즉, 자정능력의한계인환경용량을산정하기위한기초실험이며, 해수유동, 육상오염부하량, 해역내에서의물질순환과정등을함께고려한연구를통해해역의부영양화도 (Eutrophi cation Index) 를산정하여육상으로부터의오염물질유입에대한영향을재현하게되면, 오염부하의정량적관리를수행할수있을것으로기대된다. 참고문헌 Nakata, K., H. Horiguchi, K.Taguchi and Y. Setoguchi, 1983, Three dimensional simulation of tidal current in Oppa Bay, Bull. National Research Institute for Pollution and Resources, 12, 17-36 (Japanese) Morikawa, R. and K. Murakami 1986. Fluctuation characteristics of long period current in Tokyo Bay-investigation by field observation data in the bay-, Technical Note of the Port and Harbor Research Institute, No. 55, pp. 1-5 (in Japanese) Unoki, S., M. Okazaki and H. Nagashim, 198. Circulation in Tokyo Bay, Tech. Rep. Phys. Oceanorg. Lab. Inst. Phys. and Chem. Res. 4, 263pp. (in Japanese) Matsukawa, R. and K. Murakami 199. Nitrogen budget in Tokyo Bay with special reference to the low sedimentation to supply ratio, J. Oceanorg., Soc. Japan, 46, 44-54 김광수 (1998) 생태계모델을이용한울산만의수질시뮬레이션, 한국항만학회지, No. 12, Vol. 2, pp. 313-322. 나기환, 김승근, 남정배 (1999), 울산만의수질, 저질환경인자의변화, 한국물환경학회춘계학술발표회, pp. 19~112. 조은일, 강기봉 (23) 물질순환모델을이용한제주항의수질관리 (Ⅲ) - 오염부하의정량적관리-, 한국환경과학회지, 12(3), pp. 37~317