27 년도한국해양과학기술협의회공동학술대회 진해만빈산소수괴의시 공간적변동해석 이인철, 문창용, 오유진, 공화훈 ( 부경대학교해양공학과 ) The Spatio-Temporal variations of Oxygen deficient water mass (ODW) in Jinhae Bay I.C LEE, *C.Y. MOON, Y.J. OH, H.H KONG (Dept. of Ocean Engineering, Pukyong National University) 요 약 본연구는진해만의빈산소수괴발생을제어하기위한기초적인연구로서 1989 년~25년까지빈산소수괴발생역의시 공간적경년변동해석과수질변화와의상관분석을실시하여진해만수질개선사업의효과에대하여검토하였다. 1994년에빈산소수괴의용적이 868.2 km3으로가장좁게나타났고, 2년에빈산소수괴의용적이 2416.1 km3으로가장넓게나타났다. 그리고빈산소수괴의용적이가장작았던 Ⅱ해역에서 COD, DIN, DIP, 의농도가가장낮게나타났고, 용적이가장컸던 Ⅳ해역에서 COD, DIN, DIP, 의농도가가장크게나타났다. ABSTRACT In this study as, a basic study for control of oxygen deficient water mass(odw) develpoment, that investigates the characteristics and relationship of ODW, and analyzes the spatial and temporal variation and distribution of the water quality at Jinhae bay, during 1989yr ~ 25yr. As a result, the lowest ODW volume were estimated about 868.2 km3 in 1994, and the highest ODW volume were estimated about 2,416.1 km3 in 2. The lowest ODW volume in area Ⅱ, then the COD, DIN and DIP were estimated lowest. and The highest ODW volume in area Ⅳ, then the COD, DIN, DIP, were estimated highest. Key Words : oxygen deficient water mass(odw)( 빈산소수괴 ), Spatio-temporal varitions( 시 공간적변동 ), Jinhae bay( 진해만 ) 1. 서론 우리나라의남해안에위치한진해만은해안선의굴곡이심하고수심이비교적얕으며, 수많은도서로둘러싸인반폐쇄성내만으로서바람과해류의영향을적게받으며육상으로부터풍부한영양염이유입함에따라어족의산란, 부화및성장에매우적합한환경이다 ( 해양수산부,[1997]). 그러나 196년이후진해만유역내의급격한도시화와임해공단조성등으로인하여생활하수, 축산폐수및공장폐수등에의한육상기인형오염부하량이증가함과더불어양식장자가오염부하량이가중됨에따라하계적조현상이매년발생하는해역으로특히, 마산만이나진해만의서부해역에서는빈산소수괴가빈번히형성되는등점차적으로자연상태의균형을잃어가고있다 ( 이 [24], 곽등 [21], 이등 [1998]). 특히저층에형성된빈산소층이생물이서식하는상층으로용승할경우직접적인생물폐사를야기하는것으로알려져있어진해만의수산생물생산성향상을위해서는여름철저층부근에서형성되는빈산소수괴 (Oxygen Deficient Water mass; ODW, 이하 ODW로표현 ) 의형성방지대책 ( 조등 [22], 이등 [1994], 최등 [1994]) 이절실히요구된다. 이러한수질오염이심각한진해만의수질개선을위해서해양수산부와지자체에서는 199년 7월부터 1994 년 12월까지마산만의대규모준설사업을시행한바있으며, 1993년 11월마산시하수처리장의설치 / 가동을
비롯한마산만특별관리해역지정 (2년) 등의수질개선을위한노력을기울여오고있으나뚜렷한개선효과는잘보이지않고있는실정이다. 따라서본연구에서는진해만의 ODW 발생을제어하기위한기초적인연구로서 1989년~25년까지 ODW 발생역의시 공간적경년변동해석과수질변화와의상관분석을실시하여진해만수질개선사업의효과에대하여검토하였다. 2. 재료및방법 2.1 해역분할및저층 D O 해석본연구는국립수산과학원에서실시한 1989 ~ 1994년, 2 ~ 25년까지의진해만의 9개정점에대한수질조사결과를바탕으로직선보간법을사용하여 26개정점에대한수질자료로보간하였다. 직선보간법은대상해역을 1 Km 1 Km 격자로세분화한후각정점에대하여거리의비율을계산하여사용한방법이다. 그중하계 (8월) 저층용존산소의농도로부터수질경년변동에대해조사하였다. 진해만의수질조사정점은 Fig.1에나타난바와같으며, 해역구분은윤등 [24] 에의한군집분석 (Cluster analysis) 의결과로부터수질의유사성을나타내는 5개의해역으로분할하였다. 2.2 빈산소수괴 (ODW) 의면적및용적산정 Fig.1 Study area and observation stations in this study. 1989년이후진해만해역에서시행된수질개선사업에따른 ODW 발생역의경년변동을살펴보기위하여 a) 1989년 ~ 1994년 ( 마산만준설사업이후및마산시하수처리장설치 / 가동 ) 및 b) 2년 ~ 25년 ( 마산만특별관리해역지정및부산신항만건설공사 ) 기간에걸쳐연간 ODW의면적및용적을산정하였다. (1 ) 빈산소수괴발생면적산정진해만의 ODW의발생면적은 Fig.1 에나타낸국립수산과학원의조사정점에서상기의 12년간에걸쳐조사된저층용존산소 (DO) 농도가 3 mg/l이하인해역을 ODW로정의하여수평적등농도선을도시화한후발생면적의수평적공간분포를산정하였다. (2 ) 해역별빈산소수괴발생용적산정진해만해역별 (Ⅰ~Ⅴ해역) ODW 발생용적은상기 12년간의조사자료를바탕으로산정된 ODW의발생면적에분할한해역의평균수심을곱하여산정하였다. 단, 저층의구분은해역의평균수심이 1 m 이하인경우는해도를참고로하여수평적으로 2개소영역으로분할하였으며, 수심이 2 m이하인해역은 3개소영역으로분할하였다. 2.3 빈산소수괴발생해역의수질농도와의상관분석 앞절에서산정된 12년간의해역별 ODW 발생용적과수질농도 (COD, DIN 및 DIP) 와의상관분석을실시하여진해만해역별수질의경년변동특성에대하여검토하였다.
3. 연구결과및고찰 3.1 빈산소수괴의면적산정결과 Fig.2는 1989 ~ 1994년까지와 2 ~ 25년까지의 12년간의 DO농도를바탕으로 1 mg/l의등농도선의수평분포를나타낸다. (a)1989 (b)19 9 (c)1991 (d)19 92 (e)1993 (f)1994 (g)2 (h)2 1 (i)22 (j)2 3 (k)24 (l)2 5 Fig.2 H orizontal distribution of DO concentration in Jinhae Bay(1989 ~ 25).
Fig.2에나타난 1989년도의농도분포를 보면견내량으로의한해수교환이잘일 어나견내량수로중심으로 4 mg/l 이상 의물길모양의농도분포가나타난다. 199 년도농도분포에는견내량입구부에 ODW 가형성되어있는것으로보아해수교환이 잘일어나지않은것으로사료된다. 1991 년도에도마찬가지로견내량주위로 ODW 가넓게분포되어있으며 Ⅳ해역의반이 상이 1 mg/l이하로 용존산소가 희박함을 나타낸다. 1992년도와 1993년도에서 Ⅲ해 역까지는 ODW가발생하지않았으나 Ⅳ, Ⅴ해역의 전반에 걸쳐 ODW가 발생하였 다. 2년도에는 Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ의해역에모두 ODW가발생하였다. 21년도에는 5개의모든해역에서 ODW가발생하지않았고 6 mg/l이상의높은용존산소농도로나타났다. 22년도에는역시 Ⅳ,Ⅴ해역에전반적으로 ODW가발생하였으며 23년도에는 Ⅳ해역의서쪽부분에서매우낮은용존산소분포가 Ⅲ해역으로옮겨가면서 Ⅴ해역 (A) Temporal varition 에서는 용존산소 농도가 높게 나타났다. 24년도에는폐쇄성이강하고해수교환율이낮은만안쪽깊숙한곳에서매우낮은농도의 ODW가발생하였다. 25년도에는마산만의하천유입구에서 DO농도가낮은것으로조사되었고, 진해동부해역으로이동함에따라용존산소농도가점차증가하는것으로나타났다. 진해만내의 ODW 발생면적의경년변 (B) Spatial varition Fig.3 The temporal varition(a) and spatial varition(b) of ODW 화를알아보기위해 12년동안의조사자 area( km2 ). 료를 Fig.3(A) 에나타내었다. 1989년도의 ODW의면적은약 28 km2으로나타났다. 199년도에는 1989년도보다많은 ODW가나타나고있고 1992년도에는조금줄어들었으나 1993년도에다시크게증가하였다. 1989 ~ 1994년사이에는다소 ODW의면적이전체적으로감소하는경향으로나타났다. 2년대에들어서는 1995년도부터시작한부 산신항만건설로인하여 2년도의 ODW가매우크게증가한것으로사료된다. 22년도에도마찬가 지로여전히낮은용존산소농도를보였으며 23년에는 조금줄어드는듯했으나 24년과 25년에 다시증가하는추세를보였다. 2 ~ 25년사이에도전체적으로 ODW가감소하는경향으로나타났 다. 21년도에는 ODW가발생하지않았는데이는조사기간에따른일시적현상으로생각되지만해황 과기온, 일조시간, 강우량등 ODW의출현에영향을미치는요인이너무다양하여정확한예측을하기 가어렵다. Fig.3(B) 에서는 1989년마산만준설, 1994년하수처리장가동, 2년특별수질관리해역선정, 25년 부산신항만건설이있었던 4개의년도를해역별로 ODW의면적을나타내었다. Ⅱ해역은가덕수도의 통로부분에있기때문에외해와의해수교환율이높아서 ODW가거의발생하지않음을볼수있고, 진 해만중앙부에위치한 Ⅲ해역은 ODW의빈도가높은곳과낮은곳의중간적인빈도를찾아볼수있다. 이것으로보아연안역에서발생하는 ODW는저층환경의유기물분해에의한산소소비의증대와해수의 정체에의한산소공급의감소에의하여발생하고특히, 육상으로부터의유기물의유입및퇴적이활발 한부영양화수역에서흔히나타난다.
3.2 빈산소수괴의발생용적산출결과 Table.1에 12개년동안의해역별 ODW의용적을산정하여나타내었다. ODW의면적과마찬가지로 Ⅳ, Ⅴ해역에서수용적이매우크게나타났으며 Ⅱ해역에서는 2년도에만 ODW 의용적이계산되었다. Ⅲ해역은수용적이크게나타나지는않았지만빈번히발생하는것으로나타났다. 3.3 빈산소수괴와영양염상관분석 Table.1 Yearly changes of ODW volume in Jinhae Bay(1989 ~ 25yr) Year Fig.4 는 ODW의용적과 COD, DIN 및 DIP의상관성을그래프로나타낸것이다. 12년간의자료를바탕으로 Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ,Ⅴ의 4개의해역으로나누어해역별로평균하여계산하였다. ODW의용적과 COD는 Ⅱ, Ⅲ, Ⅴ해역에서낮은값으로나타났고 Ⅳ해역에서가장높은값을나타내며 ODW 의용적과매우유사하게나타났다. 이것으로보아 ODW 는 COD와밀접한관계가있는것으로사료된다. DIN은 COD와마찬가지로 Ⅱ, Ⅲ, Ⅴ해역에서낮은값으로나타났고 Ⅳ해역에서가장높은값을나타내며 ODW의용적과매우유사하게나타났다. DIP는 DIN과거의비슷한형태로나타났는데 ODW가많이발생하는지역에서 DIN 의값도크게나타났다. 이것으로보아 COD, DIN, DIP의농도가큰해역에서는 ODW가많이발생하는것으로사료된다. Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Total 1989 12.95 121.9 88.7 1411.55 199 5.53 1624.7 253.16 1927.76 1991 74.47 1612.17 226.63 1913.26 1992 5.88 117.35 24.63 1353.86 1993 49.19 1553.8 211.58 1814.56 1994 758 11.15 868.15 2 13.83 511 1634.27 257.1 2416.1 21 22 92.13 1642.77 252.81 1987.71 23 64.4 1498.83 1563.23 24 24 1668.27 225.79 1918.5 25 982.6 14.21 1122.81 ODW volume(km 3 ) 14 12 1 8 6 4 2 Volume COD (a)cod 3. 2.5 2. 1.5 1..5. COD(mg/l) 4. 결론및요약진해만의수질환경개선및회복을위해서는 ODW의형성방지와발생해역파악이무엇보다도중요하다. 본연구에서는진해만의 ODW 경년변동을파악하기위하여 26 개의조사정점에 1989 ~ 1994년, 2 ~ 25년까지의 12년간의조사자료를바탕으로 ODW의경년변동과발생빈도를분석하여파악해보았다. 본연구를통해얻어진주요결과는다음과같이요약할수있다. ODW volume(km 3 ) 14 12 1 8 6 4 2 Volume DIN (b)din 14 12 1 8 6 4 2 DIN(mg/l) (1) 1994년에 ODW의용적이 868.15 km3으로가장좁게나타났고, 2년에 ODW의용적이 2416.1 km3으로가장넓게나타났다. (2) 영역별 ODW의용적은 Ⅳ해역에서 1273.67 km3으로가장넓게나타났고 Ⅱ해역에서 1.15 km3으로용적이가장좁게나타났다. (c)dip. (3) ODW의수용적이가장작았던 Ⅱ해역에서 COD, DIN II III IV V 및 DIP 의농도가가장낮게나타났고, 수용적이가장컸 (Region) 던 Ⅳ해역에서 COD, DIN 및 DIP의농도가가장크게나 Fig.4 comparison between estimated spatial of 타났다. ODW volume and water quality at each region in Jinhae Bay. (4) 199년마산만준설및 1994년하수처리장가동및 2년특별수질관리해역선정에따라진해만의수질개선의효과를기대하였다. 1994년과 25년에일시적인 ODW volume(km 3 ) 14 12 1 8 6 4 2 Volume DIP 2. 1.5 1..5 DIP(mg/l)
수질개선효과가나타났으나, 진해만전해역의수질개선을위해서는보다지속적인노력이필요할것이다. 후 기 이연구에참여한문창용은 2 단계 BK21 사업의지원을받아연구하였으며, 연구비지원에감사드립니다. 참고문헌 [1] 공화훈, 이인철, 옥곤, 25, 진해만유입오염부하량의시공간적변동해석, 25년도한국해양환경공학회추계학술대회논문집, [2] 김동선김상우, 23, 진동만의빈산소수괴형성기구, 한국해양학회지, 8권 2호 [3] 김차겸, 이필용, 1994, 진해만의수괴구조와용존산소분포, 한국수산학회지, 27권 5호 [4] 윤석진, 이인철, 24, 마산만준설사업및하수처리장가동에따른진해만의수질변동, 한국해양공학회춘계학술대회논문집 [5] 이인철, 21, 일사량의확률분포를이용한용존산소의수치예측실험, 한국수산학회지, 34권 6호 [6] 최우정, 박청길, 이석모, 1994, 진해만의빈산소수괴형성에관한수치실험, 한국수산학회지, 27권 4호 [7] 조경제, 최만영, 곽승국, 임성호, 김대윤, 박종규, 김영의, 1998, 마산-진해만의수질부영양화및계절변동, 한국해양학회지 3권 4호 [8] 국립수산과학원홈페이지 (http://www.nfrdi.re.kr) [9] 기상청홈페이지 (http://www.kma.go.kr)