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2007 년도한국해양과학기술협의회공동학술대회 동해해양심층수의수질모니터링 문덕수 김현주 정동호 이승원 최미연 곽혜민 * 한국해양연구원해양개발시스템연구본부 Water Quality Monitoring of Deep seawater in the East Sea DEOK-SOO MOON, HYEON-JU KIM, DONG-HO JUNG, SEOUNG-WON LEE, MI-YEON CHOI and HAE-MIN GACK *Ocean Development System Laboratory, KORDI, Daejon, Korea KEY WORDS: Deep Ocean Water 해양심층수, East Sea 동해, Water mass Stability 수괴안정성, East Sea Proper Water 동해고유수, Nutrients 영양염류, Oxygen isotopes, Certification of deep ocean water 해양심층수의인증 ABSTRACT: Oceanographic observation for deep ocean water in the East Sea and time-series analysis of water quality for deep ocean water pumping via pipeline were carried out from March 2006 to January 2007, in order to understand the characteristics of deep sea water in the East Sea. We have tested several parameters like water temperature, nutrients and oxygen isotopes in order to validate deep ocean water pumped via pipeline. 1. 서론해양심층수에대하여일본수산심층수협의회에서 해양심층수는광합성에의한유기물생성이일어나지않고분해가탁월하며, 겨울철해수의연직혼합작용이도달하지않는수심이하에있는해수 라고정의하였다. 해양학적측면에서동해에서해양심층수는동해고유수 (East Sea Proper water) 로명명되며, 수심 300 m 이하에서수온 1 이하와염분 34 로정의되어진다. 공통적으로해양심층수는저온성, 청정성, 부영양성, 안정성등특징을가지고있는해수자원으로태양광이도달하지않는수심 300 m 이상의깊은곳에존재하여연중안정된저온성을유지하고있으며, 세균, 병원균등의유기물은거의없을뿐아니라해양식물의생장에필수적인영양염류나미네랄등의무기물이풍부한해수자원이다 ( 豊田孝義, 1999). 동해는평균수심이약 1,500 m 로비교적수심이깊고, 북태평양의연해인동시에반폐쇄성인해양특성을가지고몇개의서로다른수괴가수직적으로분포하고있는해역이다. 특히, 수심 300 m 이하에서수온 1 이하의동해고유수가전해수의 90 % 를차지하고있다 (Yasui et. al., 1967). 동해표층수괴는대한해협을통해유입되는대마난류와동해연안을따라남하하는북한한류수가있으며, 동해표층수는대마난류의영향을크게받으며, 이수괴들의분포는시공간적인변화를보인다 (Gong and Son, 1982). 대마난류수는동지나해수와쿠로시오의혼합에의해형성되며, 대마난류의지류인동한난류는우리나라동해안을따라북상하면서중 저층의동 해고유냉수나북한한류수와접촉하여수직적으로약층을이루고, 수평적으로극전선을이룬다 (Yang et. al., 1991). 동해고유수는해양심층수의자원적특성을보유하고있는고품위해수자원인것으로밝혀지면서, 2006년부터심층수자원의취수가한반도동해연안에서이루어지고있다. 이에따라취수관을통해취수되고있는심층수자원에대한검증절 차가심층수의인증체계에따라필요하게되었다. 또한취수심층수의담수화과정에서생산된먹는심층수가심층수로부터기원하는가에대한인증추적자가필요하게되었다. 본연구에서는취수심층수의검증에이용될수있는심층수고유의수질특성을파악하고이를이용한취수심층수의인증에활용하기위한방안에대하여고찰하고자한다. 2. 재료및방법 2.1 실험재료강원도고성군죽왕면에위치한해양심층수연구센타에서는수심 330m와 500m에서취수관을통하여일일 1,000톤이상취수되고있는해양심층수를이용하여, 수온및염분, 질산염, 인산염과규산염등영양염류를 2006년 3월부터 2007년 3월까지 1 년동안취수심층수의수질을연속모니터링하였다. 심층수취수해역에대해서연직수괴구조와현장수질특성을파악하고자계절별로 4월, 7월, 10월과 1월에해양조사가이루어졌다. 수직수괴구조를파악하기위하여현장에서 CTD ( 염분, 수온, 수심측정장치 ; Idronaut) 을이용하여수심별로수온과염분, 용존산소 (Dissolved Oxygen), Chlorophyll-a, ph을

측정하였다. 또한용존산소와영양염류 (Nutrient) 의농도측정을위한시료를반돈채수기등을이용하여채취하였다. 해양심층수의담수화후먹는해양심층수를인증할수있는인증체계에대한추적자를살펴보고자영양염류와산소동위원소에대하여조사하였다. 해양심층수를역삼투막, 나노막그리고전기투석막을이용하여생산된생산수와농축수에서담수화과정중영양염류의변동율에대하여조사하였다. 2.2 실험방법 채수된시료에서용존산소는 Winkler 적정법 (Carpenter, 1965) 으로측정하였고, 영양염은 Strickland and Parsons (1972) 의비색법으로질산염 (Nitrate+Nitrite), 암모니아 (Ammonia), 규산염 (Silicate), 인산염 (Phosphate) 을측정하였다. 영양염분석을위한해수시료는선상에서각정점에서수심별로채수한해수는분석시까지냉동보관하였다 ( 해양수산부, 1997). 시료의수소및산소동위원소측정을위하여공기와기체교환이차단된상태로채취된시료는수소가스와산소가스로만든후안정동위원소질량분석기 (Optima) 에서측정했다. 채취된시료는수소추출진공장치와산소동위원소분석용 CO 2 가스준비진공장치 ( 김규한, [1991]) 을이용하여시료가준비되었다. 준비된가스시료는표준시료와교대로질량분석기에도입되어질량분석을하게된다. 분석된안정동위원소비는표준시료와분석용시료간의천분율편차로다음과같이표현된다. áþ ««à Î ßÝ Î Þ ß 여기서, 산소의경우에는 18 O로표현하며, R대신에 18 O/ 16 O로바꾸면된다. 수소 D (Deutrium) 는 D/H 등으로바꾸어넣으면된다. 산소와수소는표준시료로표준평균해수 (Standard Mean Ocean Water: SMOW) 을사용하였다. 2.3 영양염정량분석법의검증 질산염, 인산염과규산염등영양염류정량분석법은캐나다표준연구소의영양염류표준인증해수인 MOOS-1을이용하여검증하였다. CRM (Certified Reference Materials) 인 MOOS-1을 9번반복분석한결과 NO3+NO2의농도는 0.309 ± 0.013 mg/l 이며상대표준편차가 16% 이고, 인증값 0.332±0.013 mg/l의 93% 로측정되었다. 또한 MOOS-1의 Phosphate의농도는 0.048 ± 0.002 mg/l으로상대표준편차가 4% 이며, 인증값 0.048 ± 0.002 mg/l의 100% 로측정되었다. MOOS-1 의 Silicate의농도는 0.748 ± 0.033 mg/l으로상대표준편차가 4% 이며, 인증값 0.728 ± 0.028 mg/l의 103 % 로측정되었다. Table 1. Quality Check for nutrient experiments using MOOS-1 (Seawater certified reference material for nutrients) NO3+NO2 PO4 SiO2 Certified values 0.332± 0.013 0.048± 0.002 0.728± 0.028 Number 9 9 9 Average ± STDV 0.309± 0.051 0.048± 0.002 0.748± 0.033 Relative Standard Deviation (%) 16 4 4 Recovery (%) 93 100 103 3. 본론 3.1 수온과염분에의한심층수인증체계 강원도고성군해역의심층수에대한수온-염분의변동성을살펴보기위해약 1 년에걸쳐수온및염분의수심별분포특성을정리하여 Fig. 1에그결과를도시하여나타내었다. 월별수온의연직분포는 1월, 2월 3월을포함한겨울철에수온약층이약화되며, 표면혼합층이수심 150 m 이상까지두텁게형성되는것을볼수있다. 4월, 5월, 6월로진행되면서동한난류의북상이강화되면서, 표층수온은점차상승하여수온약층이강화되고, 표면혼합층의두께도 5 m에서 15m으로점차두터워졌다. 7월, 8월, 9월의수온염분의수온의연직분포는난류성와류와일사량증가그리고장마등으로표층의수온-염분분포는복잡하지만대체적으로수온약층은강화된다. 10월, 11월, 12월로진행되면서표층수의수온은점차낮아지고, 염분은점차증가하였다. 연중수심별수온의변동폭을살펴보면, 표층에서는 17.08, 수심 50 m에서는 8.54, 수심 100 m 에서는 2.68, 수심 150 m에서는 0.62, 수심 200 m에서는 0.43, 수심 250 m에서는 0.37, 수심 300 m 에서는 0.24 로나타났다. 한편동해의서쪽에위치한일본토야마현 ( 富山灣深層水利用硏究會 [2000]) 에서는 ± 1 의변동폭을가진수심층이수심 300 m 임을감안하면이러한변동폭은한류의영향을강하게받는동해서측에서보다안정되어있음을알수있으며수심 300 m 이하의심층수에서그변동폭이훨씬적은안정된특성을가지고있음을알수있다. 따라서, 강원북부해역의경우에는수심 300 m 이상에서는연중수온이안정된상태를유지되는것을알수있다. 따라서대상해역에서안정된해양심층수자원의취수수심결정에이와같은분석결과를활용할수있을것이다. 본조사해역에서수온과염분의차이에따라동해의수괴들은동해표층저염수 (LSSW: Low Saline Surface water), 대마난류표층수 (TSW: Tsushima Surface Water), 대마난류중층수 (TMW: Tsushima Middle Water), 북한한류수 (NKCW: North Korean Cold Water), 동해고유수 (ESPW: East Sea Proper Water) 등 5개의수괴와각

50 100 ) 150 ( m th p e D 200 0 4 8 12 16 20 24 0 250 300 24 20 ) 16 C o ( te u12 r a e p m e 8 T 4 0 Jan.03 Feb. Mar. Apr. May Jun. Jul. Aug. Sep. Oct. Nov. Dec. Jan.04 LSSW TSW ESPW CO500 TMW NKCW 31.0 31.5 32.0 32.5 33.0 33.5 34.0 34.5 Salinity ( o / oo ) mžug YUG kˆž ˆ šg G {TzG G ˆ G ŒG G ˆ ˆG G jv\wwg š ˆ UG Temperature ( o C) Jan.03 Feb. Mar. Apr. May Jun. Jul. Aug. Sep. Oct. Nov. 50 100 ) ( m 150 th p e D 200 250 Dec. Jan.o4 300 Salinity ( o / ) oo 30 31 32 33 34 35 0 Fig. 1. Vertical profiles of temperature and salinity at the upper 300 m from January 2003 to January 2004. 수괴들이혼합된혼합수 (MW: Mixed water) 로구분된다 (Fig. 2). 대마난류표층수와중충수는수온과염분으로뚜렷이구별되나, 북한한류수와동해고유수의염분값은거의같은범위로두수괴의구별이불가능하다. 그러나 Park (1978; 1979) 과 Kim and Kim (1981), Yang et. al. (1991) 등은용존산소농도로부터위두수괴를구분하였다. 동해고유수가나타나는수심은연중평균적으로 200 m 이하에나타나지만, 대마난류가강해지는하계 (7월, 8월, 9월 ) 에는 300 m 에서관측되기도한다. 특히 7월에와류가극전선역에존재할경우동해고유수는와류의영향을받아 300 m 이하의수심에서관측되기도한다. 동해고유수의수질특성은수온 1 이하, 염분 34.00-34.16, 용존산소는 5.50-6.50 ml/l로일정하며, 영양염의농도도연중일정하여심층수수괴의안정성이입증되었다. 수온-염분등의자료를이용하여동해에존재 Jan.03 Feb. Mar. Apr. May Jun. Jul. Aug. Sep. Oct. Nov. Dec. Jan.04 하는여러수괴들과동해고유수를구별하는것이가능하다. 그러나동해고유수를취수관을통하여취수하였을경우취수해역현장수온보다상승한다. 동해심층수가 500m 수심에서연중 1 이하로동해고유수의특성을가지고있는반면, 취수관을통하여취수하는심층수의경우수온이 3-4 로상승한다 (Fig. 3). 취수심층수의수온상승은취수과정중취수관과의마찰과수압변화, 취수관과의열전도와취수량에따라취수심층수의수온이결정된다. Fig 3. Comparison of deep seawater temperatures measured by CTD and pumping monitoring 취수현장의수온과염분의자료를이용하면, 해역에현존하는여러수괴와동해고유수의특성을파악할수있지만, 취수심층수는취수관을통해취수되는과정중에수온과염분이변질되기때문에수온과염분만의자료로는동해고유수가취수되고있는지여부를판단할수있는충분한자료가되지못한다. 특히, 동해고유수는수온 1.0 이하, 염분 34 로정의되어있지만, 취수심층수는취수과정중수온이상승하여북한한류와동해고유수의구분이힘들어진다. 3.2 심층수수질자료에의한심층수인증 Fig. 4는강원도고성군해역에서 300m ( 빨간선 ) 와 500m ( 검은선 ) 수심의취수관을통하여취수되는심층수에대한연중영양염 ( 규산염, 인산염, 질산염 ) 의농도변화를보여주고있다. Fig. 4에서검은점은수심 500m에서취수된심층수의영양염류의농도이며검은선은측정영양염의이동평균선을나타내며, 빨간점과선은수심 300m에서취수된심층수의영양염류농도와이동평균선을나타낸다. 또한실선화살표는해양조사시기에채수기를이용하여현장수심에서심층수를채취하여영양염류를조사분석한일자를나타낸다. 취수관을통하여 300m 와 500m에서취수한심층수의영양염류농도는전체적으로 500m에서높게나타났다. 규산염과인산염의경우여름철과가을철이겨울과봄에비하여높은농도가나타난다. 질산염의경우, 7-8월과 11월에가장높은농도가나타났다. 이와같이 300m와 500m 심층수에서영양염류의농도가연중변화하는것은표층에서생성되어심층으로공급되는유기물의순환과재생과정이심층수의수질에영향을준다는것을의미한다. 영양염류의연직분포는표층수에서낮고심층수에서높은데,

취수관을통해심층수를취수하는과정중에수온과염분이변화한것과달리, 심층수중의영양염의변화가발생하지않았으며오염이일어나지않았다는것을의미한다. 따라서취수한심층수의영양염농도는현장심층수의영양염농도와비교분석함으로서취수심층수의인증에유용하게이용될수있으리라사료된다. Fig. 4 Time series nutrients concentrations in deep ocean water pumped via pipeline from 300m and 500m water depth 광이도달하지않는보상심도이하의수심에서는광합성이일어나지않으며표층으로부터하강운반된유기물의분해가일어나기때문이다. Fig. 6 Comparison of NO2+NO3 concentrations between in situ deep seawater and pumping deep seawater. 그러나역삼투막, 나노필터와전기투석막을이용하여심층수의담수화를할경우심층수중의영양염류는대부분막에의해제거되기때문에담수화과정을거쳐생산된생산수에서영양염성분을이용한심층수의인증은불가능하다는단점이있다. Fig. 5 Vertical distribution of NO3+NO2 concentrations in Kosung site (Black points is in situ NO3+NO2 concentration and Red points is deep ocean water pumped via pipeline) Fig. 5는취수관이설치되어있는현장정점에서의계절별영양염농도의수직분포이다. 검은점은해양조사시현장에서반돈채수기를이용하여채수한후분석한현장영양염농도이며빨간점은취수관을통해취수된 300m 심층수를펌프실에서채취한시료의영양염농도이다. 현장에서채수한시료와취수관을통한심층수에서의영양염농도는오차범위내에서서로일치하였다 (Fig 6). 이는 3.3 동위원소에의한심층수인증해양심층수는극지방 ( 고위도지역 ) 의한정된지역에서표층해수가냉각되어심층으로침강한후형성된다. 그후해양심층수는수온약층에의해표층해수와혼합이차단된상태로등밀도선을따라느리게순환한다. 따라서해양심층수는기상, 하천수, 인간활동의영향을받는표층해수와는다른물리-화학적고유특성을지닌수괴이다. 한편, 육지해안의지하관정을이용하여채취되는지하염수는지하수와해수가혼합된물이다. 지하염수는지하수가부존할수있는지층구조 ( 투수성과저류성에따라결정 ) 에서삼투압이높은해수가충적층이나균열또는파쇄대가발달된암반을따라침투하여섞인결과이다. 해안지방에서나오는충적층지하염수도하천의영향뿐아니라표층해수나연안저층해수의영향을받게됨을의미한다. 암반지하염수도암반단층, 균열, 절리등을통해유입되어온지하수와해수가혼합된염수이므로지하수원과해수원의성분에좌우된다. 이러한과정에서일정부분여과기능과지층으로부터용출기능등이작용하게된다.

Fig. 7은안정동위원소인 18 O과 2 H을이용하여해수와지하염수의기원을잘보여주고있다. 자연계의구성물질은대부분산소를가지고있으며지구의수권, 암석권, 대기권에서산소와수소가중요한구성성분으로되어있다. 자연계물질의산소동위원소비는해수 0, 순환수 +10 ~ -45 내외의값을가진다 (Susan, [1992]). 그리고수소동위원소비는해수 0, 순환수는 +50~ -350 이상의값을가진다. 25 에서해수가증발하여만들어진수증기단은온도에영향을받아위도효과, 고도효과와내륙효과가나타나서동위원소값이변화한다. 수증기단이응축되어강우현상을일으킬때응축후남은수증기단은동위원소비가점점가벼워져응축이진전됨에따라점점동위원소값이가벼운비를내리게된다. 따라서저위도에서고위도지역으로갈수록지표수 ( 순환수 ) 중의산소와수소의동위원소비는가벼워지며, 산소와수소동위원소사이에는온도효과에의해 GD = 8 18 O + 10 관계식 (meteoric water line) 에도시됨을조사하였다 (Craig, [1961]). 한반도지역에서순환수 ( 지표수 ) 중의 G D은 +10 에서 -100 사이에서변하며 18 O 은 0 에서 -10 사이에서계절적으로 meteoric water line 사이에서변화한다 ( 김규한, [1991]). ãã ÏãÏ s žgs ˆ œ Œ ˆ œ Œ o Ž Gs ² δ ƒ Fig. 7 Relationship between D and 18 O (relative to SMOW) in meteoric water samples 그러나, 서해안의지하 600 m에서채취한지하염수는이러한 meteoric water line에서벗어나서나타나고있다. 이러한현상은순환수가지하에스며들어암석과상호반응을일으켜동위원소교환이일어날경우동위원소값의변화를발생한다. 특히순환수와지하염수의동위원소비를비교하면, 지하염수에서산소편이 (Oxygen shift) 현상이지하염수에서뚜렷이나타나고있다 (Gunter, [1977]). 이러한산소편이는수소동위원소의변화없이산소동위원소의변화가나타나는것을말하며, 물과암석의상호작용이일어날때발생한다. 지하염수는해수와는다른수소-산소동위원소비를가지고있고, 이것은두수괴가다른기원을가지고있다는것을 의미한다. 지하염수는산소편이현상을고려하면, 지하염수의대부분기원은지표의순환수로추정된다. 한편, 이지하염수의염분도는 16 로측정되었다. 따라서서해안지하관정에서채취된지하염수는지하로침투된지하수에표층해수가침투되어혼합된수괴로추정된다. 이상과같이산소동위원소와수소동위원소의비는물의기원에따라특정한값을가지고있으므로이를심층수기원여부를판단하는자료로사용할수있다. 또한막분리를이용한심층수의담수화과정을통해생산되는생산수의기원규명도가능하여먹는해양심층수의인증에사용될수있다. 앞으로산소와수소동위원소를이용한심층수인증체계를구축하기위해서는광범위한동해표층수및심층수의산소및수소동위원소의자료가축적되어야할것으로판단된다. 4. 결론동해고유수는해양심층수의자원적특성을보유하고있는고품위해수자원인것으로밝혀지면서, 2006년부터심층수자원의취수가한반도동해연안에서이루어지고있다. 이에따라취수관을통해취수되고있는심층수자원에대한검증절차가심층수의인증체계에따라필요하게되었다. 또한취수심층수의담수화과정에서생산된먹는심층수가심층수로부터 기원하는가에대한인증추적자가필요하게되었다. 본연구에서는취수심층수의검증에이용될수있는심층수고유의수질특성을파악하고이를이용한취수심층수의인증에활용하기위한방안에대하여고찰하고자한다. 취수현장의수온과염분의자료를이용하면, 해역에현존하는여러수괴와동해고유수의특성을파악할수있지만, 취수심층수는취수관을통해취수되는과정중에수온과염분이변질되기때문에수온과염분만의자료로는동해고유수가취수되고있는지여부를판단할수있는충분한자료가되지못한다. 특히, 동해고유수는수온 1.0 이하, 염분 34 로정의되어있지만, 취수심층수는취수과정중수온이상승하여북한한류와동해고유수의구분이힘들어진다. 취수관을통해심층수를취수하는과정중에수온과염분이변화한것과달리, 심층수중의영양염의변화가발생하지않았기때문에취수한심층수의영양염농도는현장심층수의영양염농도와비교분석함으로서취수심층수의인증에유용하게이용될수있으리라사료된다. 산소동위원소와수소동위원소의비는물의기원에따라특정한값을가지고있으므로이를심층수기원여부를판단하는자료로사용할수있다. 또한막분리를이용한심층수의담수화과정을통해생산되는생산수의기원규명도가능하여먹는해양심층수의인증에사용될수있다. 앞으로산소와수소동위원소를이용한심층수인증체계를구축하기위해서는광범위한동해표층수및심층수의산소및수소동위원소의자료가축적되어야할것으로판단된다.

후 기 본연구는해양수산부의지원으로수행된 ' 해양심층수다목적이용개발 (6) 연구결과중일부임을밝히며, 연구비지원에감사드립니다. 참고문헌 Han-Soeb Yang, Seong-Soo Kim, Chang-Geun Kang and Kyu-Dae Cho, "A study on sea water and ocean current in the sea adjacent to Korea peninsula, III Chemical characteristics of water mass in the polar front area of the central korea east sea", Bull. Korean Fish. Soc. 24(3), 185-192, 1991 (in Korean) Hyun-Jin Cho, Chang-Ho Moon, Han-Seob Yang, Won-Bae Kang and Kwang Woo Lee, "Regeneration processes of nutrients in the polar front area of the East Sea, III Distribution patterns of water masses and nutrients in the middle northern East Sea of Korea in October", 1995, Bull. Korean Fish. Soc. 30(3), 393-407, 1997 (in Korean) Chang-Ho Moon, Sung-Ryull Yang, Han-Seob Yang, Hyun-Jin Cho, Seung-yong Lee and Seok-yun Kim, "Regeneration processes of nutrients in the polar front area of the East Sea, IV Chlorophyll a distribution, new production and the vertical discussion of nitrate", Bull. Korean Fish. Soc. 31(2), 259-266, 1998 (in Korean) Kyung-Ryul Kim, Tae Sik Rhee, Kuh Kim and Jong Yul Chung, "Chemical charateristics of the East Sea Intermediate water in the Ulleung Basin", J Oceano. Soc. Kor., 26 (3), 278-290, 1991