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Marine Environmental Characteristics of Seagrass Habitat in Seomjin River Estuary
Marine Environmental Characteristics of Seagrass Habitat in Seomjin River Estuary
Journal of Ocean Engineering and Technology. 2014. Jun, 28(3): 236-244
Copyright © 2014, Korean Society of Ocean Engineers
  • Received : March 25, 2014
  • Accepted : June 14, 2014
  • Published : June 30, 2014
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형석 지
희정 서
명원 김
문옥 이
종규 김

Abstract
This study considered a seagrass habitat in order to analyze the characteristics of a marine environment of seagrass located in the Seomjin river estuary, through an analysis of the distribution of the water depth, field observation, and three-dimensional numerical experiments using an EFDC model. The seagrass habitat was usually distributed at D.L(-) 0.5~0.0 m, and was hardly seen in the intertidal zone higher than that range. The distribution of the water temperature was within the range of 7.0~23.2 ℃ , and the seagrass was demonstrated to have a strong tolerance to changes in the water temperature. In addition, the salinity distribution was found to be 27.2~31.0 psu, with suspended solids of 32.1 mg/L, which were higher than the previous research results (Huh et al., 1998), implying that there may be a reduction in the amount of deposits caused by the suspended solids. As for the sedimentary facies, they were comprised of 62.7% sand, 19.1% silt, and 18.2% clay, indicating that the arenaceous was superior and the sedimentary facies were similar to that of Dadae Bay. According to a numerical experiment, the maximum tidal current was 75 cm/s, while the tidal residual current was 10 cm/s, confirming that it sufficiently adapted to strong tidal currents. The erosion and deposition are predicted to be less than 1.0 cm/year. Thus, it is judged that the resuspension of sediments due to tidal currents and the changes in sedimentary facies are insignificant.
Keywords
1. 서 론
산업사회가 급속히 성장함에 따라 부족한 공간자원의 확보와 쾌적한 환경확보를 위하여 연안역 개발이 증대되고 연안부근으로 인구가 집중되고 있다. 이로 인하여 도시하수, 공장폐수 등과 같은 각종 오염물질의 유입으로 인한 수질환경 악화가 사회적인 문제로 대두되고 있으며, 연안역에서의 각종 매립공사와 인공구조물의 축조 등으로 인해 주변해역의 해수유동과 해양환경의 변화에 따른 연안역의 생태계 변화가 야기되고 있다( Kim et al., 2008 ). 이러한 문제점을 극복하기 위하여 최근 생태복원 관점에서 연안역의 잘피숲이 새로운 대안으로 대두되었다.
잘피는 해양성 및 기수성 수생관속식물로 연안 및 하구생태계에서 중요한 기능과 역할을 담당한다. 잘피는 지상부 조직을 통해 해수 내의 영양염을 흡수 제거하고, 지하부 조직은 저질을 안정화시켜 수질 향상 및 연안 환경 정화에 매우 중요한 역할을 담당한다. 잘피숲의 역할은 초식동물의 직접적인 먹이원이 되기도 하며, 미생물에 의해 분해된 잘피의 유기쇄설물이 연안 생태계 먹이망의 중요한 구성요소가 된다. 또한 잘피숲은 경제적 가치가 높은 다양한 어족 자원의 유어 및 자치어들의 보육장 및 산란장으로 이용된다( Park et al., 2005 ).
한편, 섬진강 하구역은 하구둑이 건설되지 않은 자연형 하구역으로서 우리나라 전 연안 잘피의 2.6%에 달하는 넓은 잘피숲(Zostera marina)이 존재하여 다양한 수계 생물종의 산란·성육장으로 그 가치가 매우 높다. 그러나 섬진강 하구역의 잘피서식지는 간척⋅매립 등 복합적인 요인들로 인해 지속적으로 감소되고 있음에도 불구하고 잘피서식지를 조성하여 수산생산성 향상 및 연안 해역 정화 효과를 누리는 선진국에 비해 관심과 기초연구가 부족한 실정이다( Kim et al., 2010 ). 또한, 현재까지 대부분의 기존 연구들은 잘피의 분류와 생태적 기능에 초점이 맞춰져있는 반면 잘피서식지에 대한 물리적 특성에 관한 연구는 미미하다고 할 수 있다.
수온과 더불어 동수역학적 요인들은 잘피와 같이 최소수심에 생육하는 수생식물에게 주요한 영향을 끼치는 인자로 잘피의 분포를 제한하는 것으로 알려져있다. 또한 흐름에 의한 퇴적물의 재부유로 인한 광량의 감소와 퇴적특성의 변화도 잘피의 분포에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있음으로( Stevens and Lacy, 2012 ) 섬진강 하구역 잘피서식지에서 물리적 특성에 대한 조사가 중요하다고 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 섬진강 하 구역 잘피서식지의 복원 및 관리를 위하여 잘피서식지에 대한 해양조사와 수치모형실험을 통해 잘피서식지의 해양환경 특성을 파악하여 향후 잘피서식지의 복원 및 관리를 위한 기초자료로 제공하고자 하였다.
2. 자료 및 방법
- 2.1 해양조사
섬진강 하구역 잘피서식지의 해양환경 특성을 파악하고, 3차원 수치모형실험의 입력자료로 활용하기 위하여 2011년 하계와 동계의 대조기 및 소조기에 해양조사(조석, 연속조류, 수온, 염분, 연속 및 공간부유사, 해저질, 해수유동 등)를 실시하였다 ( Fig. 1 ).
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Study area and observation stations
수온과 염분은 1초에 4개의 데이터가 저장되도록 설정한 CTD(Conductivity, temperature and depth; Ocean Seven 304, Idronaut)를 사용하여 표층에서 저층까지 측정하였다. 연속 및 공간부유사는 반돈 채수기를 사용하여 각 정점에서 층별로 1L씩 채수하였고, 해저질은 반빈 그랩을 사용하여 시료 채취 후 해양환경공정시험방법에 준하여 실험을 수행하였다. 조석은 TGR-205(Tide recorder RBR, Canada)를 계류장치인 TRBM(Trawl resistant bottom mount)을 이용하여 해저면에 계류한 후 30분 간격으로 30일간 관측하였고, 조류 역시 TRBM을 이용하여 ADCP(Acoustic doppler current profiler; RD INSTRUMENT, USA)를 해저면에 계류한 후 10분 간격으로, 수심은 1m 간격으로 층별 유속 및 유향을 15일간 관측하였다. 잘피서식지 면적은 Kim et al.(2010) 의 잘피 분포 현황을 디지타이 징하여 설정하였다.
- 2.2 수치실험
본 연구 잘피서식지에 대한 해수유동 및 퇴적특성 현황을 재현하기 위해 EFDC(Environmental fluid dynamics code)모델을 사용하였다. EFDC모델은 미국 VIMS(Virginia institute of marine science)에서 개발된 것으로 연안, 하구, 호소, 습지 등의 해수유동 및 물질수송을 모의할 수 있는 3차원 모델로 현재 세계의 여러 대학 및 연구기관에서 적용한 바 있다( Hamrick, 1992 ).
모델의 계산영역은 광양만, 진주만, 사천만과 강진만을 포함하여 동서방향으로 49.8km, 남북방향으로 52.6km의 해역으로 설정하였다. 수평방향으로는 50~200m의 직교가변격자 체계(Orthogonal variable grid system)를 채택하여 해안선과 지형을 정밀하게 재현하였고, 연직방향 5개의 Sigma층으로 설정하였다( Fig. 2 ). 모델의 초기조건은 해수의 흐름이 없는 상태(Cold-start)로 하였으며, 모델의 외해경계조건은 조석 보정용 모델인 NAO.99b의 기존결과를 경계면에서 적용하였다. 섬진강의 유량은 영산강 홍수통제소의 송정수위관측소의 유량자료를 이용하였으며, 기상은 여수기상대의 동기간 기후자료를 이용하였다. 수치모델은 30일간 계산하였으며, 관측 자료를 이용하여 모델 계산결과에 대한 보정 및 검증을 실시하였다.
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Computational grid system and bathymetry in study area
3. 결과 및 고찰
- 3.1 잘피서식지 수심현황
최신 해도를 바탕으로 섬진강 하구역 잘피서식지의 수심현황을 분석한 결과, 주로 수심 D.L(-)0.5~0.0m의 범위에서 서식하는 양상을 나타내며 그 이상의 조간대에서는 거의 나타나지 않았고, 이와 반대로 D.L(+)3.0m이상의 수심에서 역시 거의 나타나지 않았다( Fig. 3 ). 이는 잘피서식지가 광합성과 수중 영양염 흡수와 높은 상관성을 갖기 때문이며 D.L(-)0.5~0.0m의 수심이 잘피가 서식하기에 적당한 침수시간과 광합성에 용이한 지역일 것으로 사료된다.
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Bathymetry of seagrass habitat
- 3.2 해양조사 결과
- 3.2.1 계절별 수온 특성
섬진강 하구역 잘피서식지에서 동계의 대조기 수온분포는 약 7.0℃ 전후의 분포를 나타냈고 소조기 수온분포는 북측해역에서 인근 발전소의 온배수로 인해 8.5~11.0℃의 분포 범위로 나타났다( Fig. 4 ). 하계의 대조기 수온분포는 약 23℃ 전후의 분포를 나타냈고, 소조기 수온분포 또한 유사한 약 23℃ 전후의 분포를 나타내며 인근 조간대지역과 유사한 분포로 나타났다. 한편, 기존 연구결과( Park et al., 2005 )에서의 잘피서식지 수온분포를 보면 다대만은 8.5~26.9℃, 고성만은 1.5~28.9℃, 진동만은 5.0~27.5℃로 나타나 섬진강 하구역 잘피와 유사하게 수온의 변동폭이 큰 환경에서도 생존할 수 있음을 확인할 수 있었다. 이는 잘피는 수온이 높을수록 생장률이 높지만( Chung and Youn, 2012 ), 저수온이 잘피서식지 분포의 주요 인자는 아닌 것으로 사료된다.
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Horizontal temperature distributions in Seomjin River Estuary
- 3.2.2 계절별 염분 특성
잘피서식지에서 동계 대조기 염분분포는 약 33.5psu 전후의 분포를 보였고 소조기의 염분분포는 약 33.0psu 전후의 분포를 보였다( Fig. 5 ). 하계 대조기 염분분포는 약 30.5psu대의 분포로 나타났으나, 소조기시에는 약 27.2~31.0psu로 나타나 섬진강 유출수의 영향으로 저염분대가 형성됨을 확인할 수 있었다. 한편, 섬진강 하구역의 염분분포(27.2~31.0psu)는 태화강 하구 잘피서식지( KIMST, 2010 )의 염분분포(2.4~32.2psu)와 비교하여 염분 변동폭은 낮게 나타났다. 이는 하천유출수의 차이에 기인한 것으로 잘피서식지는 광염성의 특징을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
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Horizontal salinity distributions in Seomjin River Estuary
- 3.2.3 계절별 부유사 분포 특성
잘피서식지에서 동계의 대조기 부유사(SS, suspended solids) 농도분포는 34.6~58.6mg/L의 범위로 평균 46.5mg/L를 나타냈고, 소조기 부유사 농도분포는 25.8~34.8mg/L의 범위로 평균 32.1mg/L으로 나타났다( Fig. 6 ). 하계 대조기 부유사 농도분포는 24.4~33.6mg/L의 범위로 평균 30.8mg/L를 나타냈고, 소조기 부유사 농도분포는 25.9~42.6mg/L의 범위로 평균 33.3mg/L 으로 나타났다. 한편, 광양만 대도주변의 연구결과( Huh et al., 1998 )에서는 부유사(SS)의 평균농도가 18.5mg/L로 본 연구결과에 비해 낮게 나타나, 광합성이 저해되었을 것으로 판단되며, 이는 최근 섬진강 하구역의 잘피서식지 감소가 간척⋅매립 등에 의한 부유사 증가와 연관성이 있을 것으로 판단된다.
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Horizontal SS distributions in Seomjin River Estuary
- 3.2.4 계절별 퇴적물 분포 특성
잘피서식지의 동계 표층퇴적물의 구성비는 평균적으로 모래 62.7%, 실트 19.1%, 점토 18.2%로 구성되어 니질사(mS)의 퇴적상으로 나타났고, 하계의 표층퇴적물 구성비는 평균적으로 모래 65.4%, 실트 17.7%, 점토 16.9%로 구성되어 니질사(mS), 함력사 질니((g)sM)의 2개의 퇴적상으로 나타나 하계에는 섬진강 유출 수로 인해 조립한 퇴적물이 유입되는 것으로 사료된다( Fig. 7 ). 한편, Park et al.(2005) 의 연구결과를 살펴보면 다대만의 퇴적물은 모래 84.9%, 실트 14.9%로 구성되어 사질(S)로 나타났고, 고성만은 약 96%가 점토로 구성되어 니질(M)로 나타났으며, 진동 만은 모래 39.9%, 실트 42.9%, 점토 17.2%로 사질니(sM)로 나타나 잘피서식지는 사질에서 점토질까지 다양하게 분포하여 퇴적 특성에 따른 서식지의 영향은 적은 것으로 사료되며, 섬진강하 구역의 경우에는 다대만과 유사하게 사질이 우세한 환경에 서식하고 있음을 확인할 수 있었다.
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Horizontal sedimentary facies in Seomjin River Estuary
- 3.3 수치실험 결과
- 3.3.1 모델 검증
- 가. 해수유동
해수유동의 검증을 위하여 조위 2개 정점(T-1, T-2), 조류 2개 정점(PC-1, PC-2)에서 모델 결과가 관측자료와 잘 일치하도록 반복계산을 수행하였다. 조석검증은 절대상대오차와 평균오차를 계산하여 파악하고( Table 1 ), 각 정점별로 수치실험결과와 관측결과를 시계열로 비교하였다( Fig. 8 ). 각 정점들에서 조위의 진폭은 관측값에 비해 계산값이 다소 적은 것으로 나타났으나 전반적으로 진폭과 위상 모두 관측값을 잘 재현하고 있는 것으로 나타났다. 조류검증은 조류타원도로 비교하였고, 유속의 크기와 방향성에서 약간의 차이는 있지만 전반적으로 조류 검증 결과는 대상해역의 조류분포를 잘 재현하고 있음을 확인할 수 있었다( Fig. 9 ).
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Comparison of the observed and computed tide level
Estimation of ARE(Absolute accuracy error) and ME(Mean error)
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Estimation of ARE(Absolute accuracy error) and ME(Mean error)
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Comparison of the observed and computed tidal current ellipses
- 나. 부유사농도 검증
퇴적물분포 검증은 정점 SC-1 및 SC-2에서 하계 대조기에 13시간 동안 관측된 부유사농도 시계열과 해저질 자료를 토대로 반복법(Try and error method)으로 가장 적합한 경험상수값들을 결정하였고, 침식전단응력계수는 0.6N/㎡, 퇴적전단응력계 수는 0.06N/㎡을, 침강속도는 0.05mm/s를 결정하였다 ( YRMAPA, 2010 ; Van Rijn, 1984 ). 반복법으로 결정된 여러 상수로부터 최종검증된 단계에서 관측자료와 수치실험 결과에 대한 부유사농도의 비교 결과는 Fig. 10 과 같다. 관측자료의 부유사(SS) 농도는 조시에 따른 농도 증감이 두드러지게 나타나지는 않았지만, SC-1 16.8~54.6mg/L, SC-2는 20.4~61.4mg/L의 범위로 저층으로 갈수록 농도가 높아지는 양상을 나타내었다. 수치 실험의 결과는 저층에서 관측치와 약간의 농도차가 있었으나 비슷한 패턴을 재현하였고, 표층 및 중층에서는 대체적으로 유사한 농도패턴을 재현하였음을 확인할 수 있었다.
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Comparison between the observed and computed SS concentration time series
- 3.3.2 실험 결과
- 가. 해수유동 특성
Fig. 11 은 조석과 섬진강 연평균 유출량 108.6㎥/s, 수어천 3.0㎥/s 및 광양서천 7.5㎥/s을 고려한 3차원 해수유동 수치실험결과의 유속벡터도로서 잘피에 큰 영향을 미치는 저층 최강 창⋅낙조류와 조석잔차류의 유동패턴을 나타낸다. 수치실험으로 재현된 유동패턴은 창조류시 광양만 입구를 통해 북류하여 섬진강 하구역에 진입한 조류는 갈사갯벌과 대도 등의 섬으로 인해 북서측의 섬진강과 북동측의 노량수로로 갈라지고, 잘피서식지에서는 북류 또는 북서류하였다. 낙조류시는 대체적으로 창조류시와 반대방향의 흐름양상을 보였고, 잘피서식지에서 남류 또는 남동류하였다. 잘피서식지의 저층최강유속은 61cm/s, 잔차류는 최대 10cm/s로 나타나 강한 조류에도 충분히 적응하고 있는 것으로 나타났다.
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Vector diagram of tidal currents in spring tide
- 나. 지형변화 특성
잘피서식지에서는 퇴적물의 재부유에 의해 광량의 감소로 광합성이 저해될 수 있고 퇴적율이 높을 시 침수시간이 줄어들어 영양염 흡수가 줄어들 수 있다. 해수유동 결과를 토대로 조류에 의한 연간 지형변화를 예측한 결과, 잘피서식지에서의 퇴적율은 1.0cm/year 미만으로 나타났고, 잘피가 서식하지 않는 주변 조 간대와 비교하여 유의적인 차이는 없었다( Fig. 12 ). 따라서 조류에 의한 퇴적물의 재부유와 퇴적상의 변화는 미미하였고 조류 세기(강도)가 섬진강 하구역 잘피서식지의 분포를 지배하는 주된 인자는 아닐 것으로 판단된다.
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Predicted erosion and deposition rate per year in Seomjin River Estuary
4. 요약 및 결론
섬진강 하구역 잘피서식지 대한 해양환경 특성을 파악하기 위해 잘피서식지의 수심을 분석하고 2011년 동계와 하계에 해양조사와 수치실험이 수행되었다.
잘피서식지는 주로 D.L(-)0.5~0.0m를 중심으로 분포하였고 그 보다 높은 조간대에서는 거의 나타나지 않아 광합성과 영양염 흡수 등과 연관하여 수심이 잘피의 분포를 좌우하는 주요한 요인으로 판단되었다. 해양조사에 의한 수온분포는 7.0~23.2℃의 분포 범위를 보였고, 동계에는 인근 발전소의 온배수 영향을 받았으나 잘피는 수온이 높을수록 현존량이 증가하는 것으로 알려져 있어 ( Chung and Youn, 2012 ) 잘피의 분포를 제한하는 인자는 아닐 것으로 판단되었으며, 다대만(8.5~26.9℃), 고성만(1.5~28.9℃), 진동만(5.0~27.5℃)의 잘피서식지( Park et al., 2005 )와 유사하게 수온변화에 대한 내성이 강한 것으로 판단되었다. 염분분포는 27.2~31.0psu의 분포 범위를 보였으며 태화강 하구 잘피서식지 ( KIMST, 2010 )에 비해 염분 변동폭이 낮게 나타났으나, 이는 하천유출수의 차이에 기인한 것으로 잘피서식지는 광염성의 특징을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 부유사는 25.8~58.6mg/L의 범위로 나타났으며, 광양만 대도주변의 연구결과( Huh et al., 1998 )에서는 부유사(SS)의 평균농도가 18.5mg/L로 본 연구결과에 비해 낮게 나타나, 광합성이 저해되었을 것으로 판단되며, 이는 최근 섬진강 하구역의 잘피서식지 감소가 간척⋅매립 등에 의한 부유사 증가와 연관성이 있을 것으로 판단된다. 퇴적물의 분포는 동계에 모래 62.7%, 실트 19.1%, 점토 18.2%로 구성되어 니질사 (mS)의 퇴적상으로 나타나, 동일한 계절에 조사한 다대만(사질), 고성만(니질), 진동만(사질니) 퇴적상의 결과( Park et al., 2005 )와 비교하여 다대만과 유사한 퇴적상으로 나타났다.
수치실험에 의한 해수유동에서 최강유속은 75cm/s, 잔차류는 최대 10cm/s로 나타나 잘피가 강한 조류에도 버틸 수 있는 견고한 지지력을 통해 충분한 적응력을 갖는 것으로 파악되었다. 조류에 의한 퇴적물이동 실험에서는 잘피서식지에서 1.0cm/s 미만의 퇴적율로 예측되어 조류에 의한 퇴적물의 재부유와 퇴적상의 변화는 미미할 것으로 판단되었고, 조류가 섬진강하구역 잘피서식지의 분포를 지배하는 주된 요인은 아닌 것으로 판단되었다. 그러나 Stevens and Lacy(2012) 의 연구에 의하면 낮은 수심과 모래가 우세한 연안에 서식하는 잘피는 파랑에너지가 그 분포를 조절하는 주요한 에너지로 밝혀져 추후 잘피서식지에서 파랑과 조류를 결합한 수치모형실험이 검토되어야 할 것으로 판단되었고, 수심에 따른 잘피의 생장율에 대한 생물학적 연구도 더불어 이루어졌으면 한다. 앞으로도 잘피에 대한 꾸준한 연구가 이루어져 본 연구결과가 잘피서식지의 복원 및 관리를 위한 기초자료로써 활용되었으면 한다.
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