1.서 론
마산만은 2005년도부터 연안오염총량관리제가 도입되어 현저하게 수질이 개선되고 있다(MOF, 2007; MOF, 2014). 그 러나 수질 오염 및 빈산소수괴에 의한 생태계 교란은 반복 되고 있다(NIFS, 2009; Kim et al., 2006; Kim et al., 2010).
해역의 수질관리는 유입되는 오염원을 삭감 했을 때 해역 수질농도가 어떻게 개선되는지가 매우 중요하다. 최근 생태 계 모델을 이용하여 오염원 삭감에 따른 수질의 응답특성에 관해 시뮬레이션 하는 연구들을 흔히 볼 수 있다(Hong et al., 2007a; Gaddis and Voinov, 2010; Zhao et al., 2012). 이에 대해, 유입 부하량의 개선 노력이 해역의 수질 농도에 기여하는 정 도를 정량화한다면 해양생태계 관리에 매우 유용할 것이다.
현재 오염원의 기여율은 대부분 유입되는 오염원 총량에 서 차지하는 비율에 따라 계산되고 있다(Choi et al., 2012; DePinto et al., 2009; Jung et al., 2014; Park, 2014). 하지만 실제 해역의 수질을 결정하는 요소는 육상에서 유입되는 오염원 이 전부는 아니다. 외해에서의 오염원 유입, 조류에 의한 순 환, 지형, 생물학적 과정 등이 복합적으로 이루어져 해역의 수질을 결정한다. 따라서 위의 모든 요소를 고려 할 수 있는 모델링을 통하여 육상오염원이 해역의 수질에 미치는 정도 즉, 실질적인 기여율에 대한 연구가 필요하다고 판단된다. 이와 같은 연구는 각각의 오염원이 해역에 미치는 영향을 알 수 있다. 또한 수질관리를 위한 오염원 관리 우선순위를 결정하는데 유용하게 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 마산만 육상기인오염원이 수질에 미치는 오염기여율을 모델링하여 그 크기를 정량화하고자 하였다.
2.재료 및 방법
2.1해수유동 모델
본 연구에서 사용한 해수유동 모델은 EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)이다. 현재는 미국환경청(EPA)과 Tetra Tech, Inc.에 의해 개발 관리되고 있는 3차원 모델로 다양한 수환경에 적용이 가능하여 여러 연구가 진행되었다(Jung and Choi, 2011; Kang et al., 2011; Kim et al., 2008; Park et al., 2011; Zhao et al., 2012). 해수유동 모델의 수평방향 격자 개수는 x 방향으로 226개, y방향으로 210개로 구성하였다. 수평방향 격자구성은 Fig. 1에 나타낸 연구해역 범위 및 목적을 고려 하여, 만 내측에서 외측으로 갈수록 격자가 커지도록 구성 하였다. 격자크기는 x·y 방향으로 50 m ~ 400 m 크기로 구성 하였다. 해수유동 모델의 수직방향 격자는 진해만 전체수심 을 고려하여 5개 층으로 하였으며, 시그마 격자로 구성하였 다. 해수유동 모델의 계산기간은 연구시기와 모델의 안정화 를 고려하여 30일을 계산하였고, 계산간격은 1초로 하였다. 하천유입에 따른 밀도류를 고려하기 위해 수온, 염분 및 기 상상태를 입력하고 계산하였다. 하천의 수온·염분자료는 관 측된 값을 사용하였으며(MOF, 2011), 해역의 수온, 염분 자 료를 국립해양조사원의 자료를 사용하였다. 기상자료는 기 상청 자료를 사용하였다. 해수유동 모델의 범위는 유동의 안정성을 위하여 진해만 전체를 포함하였다(Fig. 2, Table 1). 해수유동 결과를 잔차류로 변환하여 생태계 모델의 유동자 료로 사용하였다.
2.2생태계 모델
본 연구에서 사용한 생태계 모델은 EM3(Ecological Model for Marine environmental Management)이다. EM3는 2008년 마산 만 특별관리해역의 제 1차 연안오염총량관리제 도입 및 시 행을 위해 구성되었다. EM3는 목적에 따라 상태변수와 프로 세스의 추가 및 생략이 가능하고, 내부생산 COD등이 고려되 어 있다.
해양 생태계 모델의 격자는 해수유동 모델과 동일한 가변 격자로 구성하였으며, 계산범위는 ‘마산만 특별관리해역 연 안오염총량관리 대상해역’을 포함하는 영역으로, 마산만의 가장 안쪽부터 Fig. 1의 거제도 북부해역(CP정점)까지로 설 정하였다. 생태계 모델의 계산기간은 연안오염총량관리에서 정의하였던 하계(5월과 8월)를 기준으로 2010년 5월과 8월을 30 day씩 계산하였다. 생태계 모델의 계산 간격은 400 sec로 하였다(Table 2).
생태계 모델의 입력조건은 마산만 2차 연안오염총량관리 와 동일한 자료를 활용하였다(MOF, 2012a; MOF, 2012b). 외 경계값은 관측결과를 조절하여 입력하였다(Table 3). 수질항 목으로는 식물플랑크톤, 동물플랑크톤, 탄소(입자성 유기탄 소, 용존성 유기탄소), 영양염(용존무기인, 규소, 암모니아, 아질산) 및 용존산소, COD, T-P 등을 고려하였다. 퇴적층은 관측된 영양염 용출량 및 산소소비량 자료를 활용하여 대체 하였다. 모델에서 고려한 오염원은 하천 14개와 하수처리장 2개로 총 16개 정점이며 오염원별 COD 및 T-P유입량은 다음 과 같다(MOF, 2011). 덕동하수처리장에서 유입되는 COD는 3,658 kg/day, T-P는 201 kg/day이다. 삼호천에서 유입되는 COD 는 1,244 kg/day, T-P는 111 kg/day이다. 진해하수처리장에서 유 입되는 COD는 590 kg/day이며, T-P는 10 kg/day이다. 부하량은 덕동하수처리장에서 가장 많이 유입되며, 전체 유입부하의 50 % 이상을 차지하는 것으로 나타났다. 다음으로 부하량이 많은 삼호천은 COD부하의 20 %, T-P부하량의 30 % 정도를 차지하는 것으로 나타났다(Fig. 3).
2.3오염기여율
해역에 대한 육상오염원의 기여율 계산은 명확하게 정의 된 바가 없다. 따라서 오염기여율은 수질관측 정점별 수질 농도 변화율로 나타내었다. 즉, Fig. 1에 해역으로 유입되는 16개 오염원 각각이 해역에 유입될 때와 유입되지 않을 때 를 시뮬레이션 한 후, 정점별 수질농도를 절대상대오차 (ARE)으로 나타내었다. 식은 다음과 같다.
식에 제시된 수질농도는 5월과 8월 표·저층 수질농도를 모두 평균해서 적용하였다. 오염기여율의 해석은 오염원의 위치와 특징에 따라 구역을 나눈 후, 구역별 오염원이 각 구 역에 미치는 영향으로 판단하였다. 정점 A1부터 A3가 포함 된 해역을 만 북부(A)로 설정하였다. 만 북부는 만 내측의 하천이 밀집된 특징을 가지고 있다. 정점 B1부터 B4가 포함 되는 해역을 만 중부(B)로 설정하였다. 만 중부는 상대적으 로 부하량이 작은 하천들이 모여 있는 지역이다. 정점 C1과 C2가 포함된 해역을 만 남부(C)로 설정하였다. 만 남부는 마 산만으로 유입되는 오염원 중 부하량이 가장 많은 덕동하수 처리장이 위치하고 있다. 정점 D1과 D2가 포함되는 해역은 행암만(D)으로 설정하였다. 대조정점인 CP가 포함된 나머지 해역을 만 외측(E)으로 설정하였다(Fig. 1).
3.결과 및 고찰
3.1해수유동 모델 검증
해수유동 모델의 조위검증은 Fig. 1의 Elevation정점인 마 산항 조위관측소 자료를 사용하였으며, 유향과 유속검증은 Fig. 1의 SC-1과 SC-2 정점 관측값을 조류타원도로 나타내었 다. 조위검증은 관측값과 계산값의 경향 및 오차가 양호하 게 나타났다. 조류타원도의 유향은 계산값과 관측값 비교시 약 10˚정도의 차이가 있지만 유속은 유사하게 나타났다(Fig. 4). 따라서 해수유동 모델 검증은 양호한 것으로 판단된다.
표층 잔차류 결과는 만 내측에서 외해로 빠져나가는 흐름을 나타내었다. 표층 잔차류는 만 내측에서는 3 cm/sec ~ 7 cm/sec 내외로 나타났고 덕동하수처리장 부근에서는 6 cm/sec 내외 로 나타났다. 내만에서 상대적으로 강한 유속이 나타났으며, 그 흐름이 약해지다가 덕동하수처리장 인근부터 강한 흐름 이 일어나고 있다. 만 양 측면으로는 2 cm/sec 이하의 흐름이 발생하고 있다. 덕동하수처리장 방류구 좌측에서는 시계방 향으로의 잔차류가 형성되고 있다. 행암만에서는 잔차류가 약 3 cm/sec ~ 7 cm/sec의 흐름이 나타나고 있으며, 마산만 내 측부터 외해까지 이어지는 주 흐름과 구분되는 특징을 가지 는 것으로 나타났다.
저층 잔차류 결과는 외해에서 만 내측으로 들어가는 흐름 을 나타내었다. 전반적으로 표층 잔차류의 반대방향이며 유 속이 상대적으로 표층 잔차류에 비해 전반적으로 약 2 cm/sec ~ 4 cm/sec 작게 나타났다. 덕동하수처리장 오염원은 저층흐 름에 따라 만 내측까지 영향을 줄 것이라고 판단된다(Fig. 5).
MOF(2012b)의 1월에 관측된 층별 연속조류진행벡터도를 보면 SC-1정점의 표층에서는 약 5.4 cm/s로 외해로의 흐름을 나타내며, 저층에서는 약 1.5 cm/s로 내해로의 흐름을 나타낸 다. SC-2정점의 표층에서는 약 5.8 cm/s로 외해로의 흐름을 나타내며, 저층에서는 약 5.5 cm/s로 내해로의 흐름을 나타냈 다. 본 연구결과와 비교해보면 다음과 같다. 표층에서 외해 로 빠져나가고 저층에서 내해로 들어가는 흐름방향은 일치 하였다. SC-1의 표층잔차류 값은 약 6 cm/sec ~ 7 cm/sec로 관 측값에 비해 약 1 cm/sec 크게 나타났으며, 저층 잔차류 값은 3 cm/sec ~ 4 cm/sec로 약 2 cm/sec 크게 나타났다. SC-2의 표층 잔차류 값은 약 5 cm/sec ~ 7cm/sec로 관측값보다 약 1.2 cm/sec 크게 나타났고, 저층 잔차류는 계산값이 약 4 cm/sec ~ 5 cm/sec 로 관측값에 비해 약 1 cm/sec 작게 나타났다. 본 연구는 상 대적으로 유량이 많은 5월과 8월이 대상이므로 하천유입에 따른 밀도류가 고려되었다. 관측값은 갈수기인 1월에 실시 되었기 때문에 계산값은 관측값과의 오차가 발생한 것으로 판단된다. 이를 종합해보면 마산만의 잔차류는 표층은 만 내측에서 외해로 나가는 경향이 나타나며 저층은 외해에서 만 내측으로 들어오는 경향을 나타내는 것으로 판단된다. 본 잔차류 결과는 관측값의 경향 및 값을 잘 재현한 것으로 판단된다.
3.2생태계 모델 검증
생태계 모델의 검증 정점은 Fig. 1에 나타낸 A2, B3, C1, D2, CP정점으로 하였다. 검증자료 부족으로 저층 Chl.a는 제 외하였으며, 나머지 수질항목의 관측값과 계산값은 Fig. 6과 Fig. 7에 나타내었다.
기여율 산정 주요항목인 COD와 T-P의 결과를 보면 다음 과 같다. 5월 COD 계산값의 평균은 2.15 mg/L, 관측값의 평 균은 2.32 mg/L로 나타났다. 계산값과 관측값의 평균 상대오 차는 8.2 %, 정점별 상대오차의 평균은 30.9 %로 나타났다. 8월 COD 계산값의 평균은 2.61 mg/L, 관측값의 평균은 2.09 mg/L로 나타났다. 계산값과 관측값의 평균 상대오차는 20.0 %, 정점 별 상대오차 평균은 43.1 %로 나타났다. 5월 T-P 계산값의 평 균은 0.045 mg/L, 관측값의 평균은 0.039 mg/L로 나타났다. 계산 값과 관측값의 평균 상대오차는 14.1 %, 정점별 상대오차의 평 균은 48.3 %로 나타났다. 8월 T-P 계산값의 평균은 0.040 mg/L, 관측값의 평균은 0.03 %로 나타났다. 계산값과 관측값의 평 균 상대오차는 14.0 %, 정점별 상대오차 평균은 45.3 %로 나 타났다. 본 연구에서 COD와 T-P기여율산정은 5월과 8월 수 질농도를 평균해서 계산하였기 때문에, COD와 T-P의 계산값 오차는 관측값과 유사한 값으로 보완되는 것으로 나타났다.
수질재현에 중요한 요소인 부하량 입력자료는 일정시점 의 값을 계산 기간동안 일정하게 입력하고 있다. 또한, 5월 과 8월은 상대적으로 강우량이 많은 시기였기 때문에, 비점 오염원의 유입이 있었을 것이라 판단된다. 이는 부하량이 현실적으로 입력되지 않았음을 의미한다. 이를 고려하면 본 생태계 모델 결과는 정점별로는 양호하지 않은 부분이 있으 나 전반적으로는 재현이 양호한 것으로 판단된다.
3.3오염기여율 결과
오염기여율 결과는 전 구역별 평균 기여율(Fig. 8)과 하천 이 밀집되어 있는 만 북부의 오염원별 기여율(Fig. 9)로 나타 내었다. 마산만 북부해역으로 유입되는 하천부하가 해역전 체의 수질에 기여하는 비율은 다음과 같다. 북부하천이 직 유입되는 만 북부에서 기여율은 COD변화의 약 20 %, T-P변 화의 약 62 %로 나타났다. 하천별로 구분하면 삼호천, 회원 천, 척산천, 남천 등의 순으로 기여율을 나타내었다. 이와 같 은 하천수들은 해수의 흐름을 통해 만의 외측으로 이동하게 되고, 만 중앙부의 수질 변화에 COD의 10 %, T-P의 16 % 정 도의 기여율을 보였다. 해역이 넓어지는 만 중부를 지난 이 후로는 수질에 미치는 기여율이 미미하게 나타났다. 따라서 북부해역으로 유입되는 하천부하는 만 중부해역까지 수질 에 뚜렷한 영향을 준다고 판단된다. 또한 Fig. 3을 보면 북부 하천의 COD T-P부하량이 유사한 경향을 나타내고 있지만 T-P 기여율이 COD 기여율에 비해 만 북부에서는 약 3배, 만 중부에서는 약 1.6배 높게 나타나고 있다. 따라서 만 북부와 만 중부는 만 북부 하천오염원의 COD부하보다 T-P부하가 수질에 더 큰 영향을 주는 것으로 판단된다.
만 중부해역으로 유입되는 하천부하는 다른구역에 비해 하천오염원이 개수가 적고 유입부하량이 작기 때문에 전 구 역에서 COD T-P기여율이 1.5 % 이하를 나타내었다.
만 남부해역으로 유입되는 덕동하수처리장이 해역전체 의 수질에 기여하는 비율은 다음과 같다. 덕동하수처리장이 직유입되는 만 남부의 기여율은 COD변화의 약 26 %, T-P변 화의 약 11 %로 나타났다. 수중방류되는 덕동하수처리장 오 염원은 해수의 흐름을 통해 만 내측으로 이동하게 되어 만 중앙부의 수질 변화에 COD의 17 %, T-P의 7 % 정도의 기여 율을 나타내었다. 상대적으로 수질이 양호한 만 외측에는 약 COD의 10 %, T-P의 1 % 정도의 기여율을 나타내었다. 따 라서 남부해역으로 유입되는 덕동하수처리장의 부하는 만 남부에 가장 큰 영향을 미치며 만 외측보다 만 중부에서 기 여율이 더 크게 나타났다. 이는 덕동하수처리장이 수중방류 이기 때문으로 판단된다. 덕동하수처리장 부하삭감시의 마 산만 내측의 수질개선 효과에 관한 시뮬레이션에서도 유사 한 결론을 제시했으며(Oh et al., 2005), 만 외측보다 만 내측 의 수질이 유입되는 부하원에 의해 크게 좌우되는 과거 연 구와도 유사한 결론을 나타내었다(Hong et al., 2007a; Hong et al., 2007b; Lee and Moon., 2007). 또한 덕동하수처리장의 COD 기여율이 T-P기여율에 비해 만 남부에서는 약 2.3배, 만 중부 는 약 1.6배로 나타났다. 따라서 만 남부 및 중부는 덕동하수 처리장의 T-P부하보다 COD부하가 수질에 더 큰 영향을 주 는 것으로 판단된다. 행만만으로 유입되는 하천 및 하수처 리장이 해역전체의 수질에 기여하는 비율은 다음과 같다. 오 염원이 직유입되는 행암만에서의 기여율은 COD변화의 약 30 %, T-P변화의 약 2 %로 나타났다. 행암만은 만 내측부터 외해까지의 주 흐름과 구분되기 때문에 행암만으로 유입되 는 오염원은 행암만 수질에 주로 기여하는 것으로 판단된 다. 또한 행암만 오염원의 COD기여율이 T-P기여율에 비해 약 15배로 나타났다. 이는 진해하수처리장이 덕동하수처리 장에 비해 배출유량은 1/5, COD 부하는 1/6 수준인데 반해서 T-P 부하는 1/20로 상대적으로 낮기 때문이다. 이렇듯 영양염의 공급이 부족함에도 불구하고 하계에 적조가 발생하는 것은 물 리학적으로 긴 체류시간과(Park et al., 2009, Park et al., 2011) 생 물 분해에 의한 생화학적인 순환이 자생 COD의 증가에 영향을 미치기 때문으로 판단된다(Hong et al., 2007b).
4.결 론
마산만으로 유입되는 육상기인오염원의 오염기여율을 모 델링 하였다.
계산 결과에 따르면 만 북부의 하천들은 해역의 북부에서 중부까지 해역수질에 뚜렷한 영향을 주고 있었다. 수질항목 별로 비교하면, COD에 비해 T-P농도가 만의 북부에서 약 3 배, 중부에서 약 1.6배 정도 크게 나타났다. 만 중부의 오염 원은 다른 구역에 비해 하천 수와 유입부하량이 적기 때문에 전 구역에서 기여율이 미미하게 나타났다. 또한 만 중앙부의 수질은 북부 하천과 남쪽의 하수처리장 부하에 지배되는 것 으로 나타났다.
해역 남쪽의 오염원은 해역의 중부에서 크게 영향을 주고 있는 것으로 나타났다. 이는 덕동하수처리장 방류수가 저층 흐름에 의해 만 내측으로 향하고 있기 때문이라고 판단된다.
행암만은 행암만에서 발생하는 오염원에 의한 한정적인 영향만을 나타내었다. 또한 행암만 오염원이 행암만에 미치 는 COD기여율이 T-P기여율에 비해 약 15배로, 해역수질관리 는 영양염 보다는 유기오염의 제어가 중요한 것으로 보인다.