2007 년도한국해양과학기술협의회공동학술대회 생태계모델을이용한해상형해양심층수사업해역의환경변동예측 장세주 *, 노경준 *, 문덕수 **, 김현주 **, 김동명 * * 부경대학교, ** 한국해양연구원 Simulation of environmental characteristics for deep ocean water development site using ecosystem model Se Joo Jang. Kyong Joon Roh, Deok-soo Moon, Hyeon-Ju Kim, Dong-Myung Kim 요약생태계모델을이용하여해상형해양심층수사업해역의물질수지를산정하여대상해역의상태변수순환과정을파악하였으며, 민감도분석을통한환경인자변동예측시뮬레이션을통하여영향인자를평가하였다. 표층의물질수지계산결과, 물질플럭스의경우는일차생산이 58.6 ton C/day로평가되었으며, 식물플랑크톤에의한영양염섭취는용존무기질소가 7.9 ton N/day였으며, 용존무기인이 1.1 ton P/day였다. 유기물의무기화는입자성유기탄소의경우가 10.8 ton C/day, 용존유기탄소가 40.6 ton C/day로평가되었다. 민감도분석결과상태변수전반에가장큰영향을주는인자는식물플랑크톤의최대성장속도로판단되었으며, 항목에따라영양염의경우는용존무기질소의반포화상수, 화학적산소요구량의경우는용존유기물의무기화속도의영향이큰것으로나타났다. Keywords : Ecosystem model( 생태계모델 ), Deep ocean water( 해양심층수 ), Mass balance( 물질수지 ), Simulation( 시뮬레이션 ), Sensitivity analysis( 감도분석 ) 1, 서론 자연환경에서일어나는여러가지현상은대단히복잡하기때문에단편적인현상의관찰이나한분야에집중된연구로는그현상을정확히파악하기힘들며모델은이런각분야의지식을통합, 조사, 연구하는수단으로서의중요한역할을한다. 이러한모델링작업을통해서원하는대상시스템에서일어나는현상을용이하게파악할수있고이에따른연구의우선순위를정할수있으며이에필요한데이터의수집체계를세울수있다. 모델의또다른역할은예측에서의효용성이다. 자연환경을대상으로직접실험할수없는경우에있어서모델은유용한도구가될수있다. 본연구에서는생태계모델을이용하여해상형해양심층수사업해역의물질순환을평가하고, 민감도분석을통한환경인자의변동예측시뮬레이션을행하였다. 대상해역의물질순환평가및대상해역의환경인자변동을파악하기위하여해양생태계모델을이용하여물질수지를산정하여대상해역의상태변수순환과정을파악하였으며, 민감도분석을통한환경인자변동예측시뮬레이션을통하여영향인자를판별및해양환경에의영향을평가하였다. 2. 재료및이론 2. 1 모델의개요 해역에서오염물질의이동확산은매우복잡하고, 바람에의한취송류와염분또는온도차에의한밀도류및성층이존재하는경우가많다. 비보존성오염물질에대한예측은수괴내에서의
복잡한생 화학적반응즉, 생성, 파괴, 침강, 제거등의기작을표현하여야하며해역내에서영양염의순환등을거시적으로표현할수있는모델을이용할필요가있다. 따라서, 해양환경에대한시뮬레이션을위해서는 3차원으로수직변화를가지며생태계내상태변수의특성을나타낼수있는생태계모델을선정할필요가있다. 2. 2 생태계모델 본연구에서사용된생태계모델은해수유동시뮬레이션을위한다층모델과수질시뮬레이션을위한생태계모델로구성되어있으며, 다층모델은中田등에의해개발적용되어진모델이며, 생태계모델은 Kremer 와 Nixon에의해서개발, 적용된모델의지배방정식을바탕으로하여 Nakata 등에의해재구성된모델이다. 생태계모델에서고려한탄소, 질소및인의흐름과식물플랑크톤및용존산소와의관계는 Fig. 1과같다. 생태계모델은기존의생태학연구로부터알고있는내용을총괄하여시스템공학적인방법으로물질순환을수치적으로해석한것으로생태계내물질의보존을나타내는미분방정식으로구성되어있지만, 순환경로의하나하나가실험이나관측사실로부터유도된경험에따르고있으며, 유체역학모델과같은물리법칙에근거한모델과는성격이다르다. Fig. 1 The schematic diagram for the cycle of nutrients(n and P) in the model. 생태계모델의구성요소로서 4 개의유기태요소, 2 개의무기태요소및 2 개의수질요소가
있는데, 유기태의구성요소에는식물플랑크톤 (P), 동물플랑크톤 (Z), 현탁태비생물유기물 (detritus, POM) 및용존유기물 (DOM) 이있고무기태의구성요소에는인산인 (DIP) 과용존무기질소 (DIN) 가있으며수질의구성요소로서용존산소 (DO) 와화학적산소요구량 (COD) 이정의되어있다. 저생생물이나퇴적물등으로이루어진해저계도환경인자로서취급하여모델의변수로구성되어있다. 이와같은과정들을해역의임의의지점에있어구성요소의현존량 B의시간에따른농도변화를기술한방정식은다음과같이기술되며만내흐름에의한물질수송을계산하는점에서이모델은다층모델과연결되어있다. B t = -u B B B -v -w x y z 조석류또는잔차류에의해서운반되는 ( 이류 ) 효과를나타내는항 + B x [ Kx x ] + B y [ Ky y ] + 난류확산 ( 혼합 ) 을나타내는항 B z [ Kz z ] + db dt 생물 화학적인모든과정을포함하는항 여기서, x, y, z : 좌표변수 t : 시간 u, v, w : x, y, z방향의 유속성분 Kx, Ky, Kz : x, y, z방향의 와동확산계수 B : 구성요소의 현존량 ( 또는 농도 ) db/dt : 생물 화학적 과정에 의한 단위시간당 구성요소의 변화량 상기의확산방정식에는해수유동 ( 이류 ) 에의한물질수송을계산하는항이포함되어있으며, 유동모델의시뮬레이션에서계산된유속성분 (u, v, w) 을생태계모델에입력하여각구성요소의현존량의시간적, 공간적인변화를계산한다. 3. 결과및고찰 3.1 대상지역 본연구의대상지역은왕돌초남측해역 [ 36 45' N, 129 35' E ; 36 45' N, 129 50' E ; 36 30' N, 129 35' E ; 36.30' N, 129 50' E ] 을대상으로하였다. 3.2 상태변수의분포계산 대상해역은 동서 및 남북방향으로 각각 500m로 분할하였으며, 수심방향은 1층 (0 ~ 20 m), 2층 (20 ~ 60 m), 3층 (60 ~ 100 m), 4층 (100 ~ 140 m), 5층 (140 m ~ 해저 ) 로 구분하여 구성하였 다. 초기치와 경계치 및 계수값은 한국해양환경 조사연보2004( 국립수산과학원a, 2005) 및 해양조사 연보 ( 국립수산과학원b, 2005) 와 기존의 연구 ( 해양수산부, 2005; 환경부, 1997) 에서 적용한 값들을 참 고하여 구성하였다. 생태계 모델의 수식화에 사용된 생물파라메타의 기호, 정의, 단위 및 적용값은 기존의 연구에서 산정된 값을 기초로 하여 구성하였다. 이를 바탕으로 상태변수의 분포를 계산하 였다.
3.3 상태변수의물질수지 생태계모델링결과를이용하여대상해역표층의물질수지를계산하였다. 상태변수의현존량의경우, 식물플랑크톤이 274.9 ton이었으며, 동물플랑크톤이 44.1 ton으로평가되었다. 영양염류의경우는용존무기질소와용존무기인의현존량이각각 13.6 ton과 6.9 ton으로나타났으며, 용존유기탄소와입자성유기탄소의경우는현존량이각각 13,536.3 ton과 1,080.7 ton으로평가되었다. 물질플럭스의경우는일차생산이 58.6 ton C/day로평가되었으며, 식물플랑크톤에의한영양염섭취는용존무기질소가 7.9 ton N/day였으며, 용존무기인이 1.1 ton P/day였다. 유기물의무기화는입자성유기탄소의경우가 10.8 ton C/day, 용존유기탄소가 40.6 ton C/day로평가되었다. 3.4 민감도분석 생태계내구성요소즉, 식물플랑크톤, 입자성유기물, 용존유기물, 영양염등이어떤인자들과가장민감하게반응하는가를평가하기위한민감도분석을행하였다. 분석결과식물플랑크톤의성장에가장큰영향을주는인자는최대성장속도로나타났으며, 그다음이용존무기질소의반포화상수로나타났다. 용존영양염의경우는식물플랑크톤의최대성장속도가가장큰영향인자이며, 반포화상수의영향도큰것으로나타났다. 입자성유기탄소의경우는입자성유기물의분해속도의영향이상대적으로큰것으로나타났으며, 그이외의계수에의한영향은상대적으로작은것으로나타났다. 화학적산소요구량의경우는용존유기물무기화속도의영향이가장큰것으로나타났으며, 다음이식물플랑크톤의성장속도로나타났다. 3.5 물리과정량 2층의경우에서는물리과정량이대상해역의중앙부에서음의값을나타내어이송현상이탁월한것으로나타났으며, 그외의지역에서는양의값을나타내어축적이일어나는것으로나타났다. 5층의경우는대상해역의중앙부에서주로축적이일어나는것으로평가되었다. 전반적으로 2 층에서는이송현상을나타내는지역이다소많은것으로나타났으며, 5층에서는축적현상을나타내는지역이다소많은것으로나타났다. 3.6 요약 산정된물질수지는각대안별시나리오분석시물질수지의변화를고찰하는데기초자료로사용될수있을것으로사료되며, 물리과정량결과는심층수의취수또는배수위치를결정하는데참고자료로활용될수있을것으로판단된다. 민감도분석결과상태변수전반에가장큰영향을주는인자는식물플랑크톤의최대성장속도로판단되며, 항목에따라영양염의경우는용존무기질소의반포화상수, 화학적산소요구량의경우는용존유기물의무기화속도의영향이큰것으로나타났다. 사사 본연구논문은해양수산부 해양심층수의다목적이용개발 (6) 에의하여수행된연구결과의일부이며, 지원에감사드립니다
참고문헌 Kremer, J., Nixon, S., 1978, A coastal marine ecosystem: Simulation and analysis, Springer-Verlag, p16 Nakata, T. K., 1991, A model of the formation of oxygen depleted waters in Tokyo Bay, KAIKOU5-2, 1~26 국립수산과학원, 2005a, 한국해양환경 조사연보2004, pp. 400. 국립수산과학원, 2005b, 해양조사연보, pp. 285. 해양수산부, 2005, 폐기물 해양배출 종합관리 시스템 구축 (Ⅰ). pp. 1062. 환경부, 1997, 황해오염감시 및 개선기술. PP. 374 中田喜三郞, 石川公敏, 松川康夫, 1985, 內灣の流動場の數値實驗, 沿岸海洋硏究ノ-ト, 22(2), 9 6~108