생태기반 해수수질 기준 개정의 필요성에 대한 고찰

선행 연구에서 측정망 정점의 생태구역 구분은 각 정점에 대한 2000년부터 2007년까지 평균한 2월과 8월의 표층염분 및 2월과 8월의 표층염분 차이의 분포 결과에서만 확인할 수 있었다(Fig. 1a). 이 분포에는 2007년 이후 추가되어 해당기간 동안 자료가 없는 정점들도 포함되어 있기 때문에, 2007년 이후 고시된 측정망 정점의 변동이 발생한 해양환경측정망 구성·운영계획들(즉, 2009년, 2012년, 그리고 2014년)을 대상으로 재현해 보았다. 재현 대상으로 2009년 해양환경측정망 구성·운영계획을 선택하였고, 이는 2012년의 정점 수(n=282)는 2009년(n=279)과 유사하였으며, 2014년의 경우 총정점의 수(n=347)가 선행 연구 결과의 범위를 크게 벗어났기 때문이다(Table 2).

Fig. 1.

Distribution of mean surface salinity of February and August from 2000 to 2007 and its difference. Arabic numbers in the figures indicate Ecological Region : (1) East Sea, (2) Korea Strait, (3) western South, (4) central West, and (5) Jeju Ecological Region. (a) Left figures are the original submitted in Rho et al.[2012]. (b) Right figures are presented in this study based on the Marine Environmental Monitoring Structure and Operation Plan in 2009.

Table 2.

The number of stations included each Ecological Region in the Marine Environmental Monitoring Structure and Operation Plan

재현에 사용된 정점 수는 총 283개로, 2009년 해양환경측정망 구성·운영계획에 포함된 279개 정점에서 2000년부터 2007년까지 자료는 있으나 2009년 고시에서 제외된 대한해협 생태구의 섬진강 하구 정점 4개를 포함시켰다. 이들 정점에 대한 8년간 2월과 8월의 표층염분 평균값과 그 차이의 분포는 선행 연구의 결과와 거의 일치하였고, 따라서 전체 정점의 수는 유사한 것으로 판단된다(Fig. 1). 그러나, 이러한 정점들의 생태구역 구분은 차이를 보였다. 본 연구의 각 생태구역에 포함된 정점 수는 동해, 대한해협, 서남해역, 서해중부, 그리고 제주 생태구에서 각각 56, 94(섬진강 하구 정점 4개 포함), 57, 57, 그리고 19개 이었다. 반면, 선행 연구에서 생태구역별 정점의 정확한 수는 확인할 수 없었지만, 각 생태구역의 구분 범위(즉, Fig. 1의 x축)는 명백한 차이를 보였다. 추가적으로, 2004년과 2006년 해양환경측정망 구성·운영계획에 포함된 정점들과도 비교해 보았지만, 모두에서 선행 연구의 결과와 유사한 범위를 보이지 않았다(Table 2). 예를 들면, 제주 생태구는 총 19개의 정점이 포함되어 있으나, 선행 연구의 제주 생태구 구분 범위는 이보다 크게 작았다. 결론적으로 선행 연구의 생태구역 구분에 대한 기준이나 근거를 확인할 수 없었으며, 따라서 본 연구에서 측정망 정점의 생태구역 구분은 비록 정점 수는 차이를 보였지만 염분분포가 가장 유사하게 나타난 2009년 해양환경측정망 구성·운영계획을 기준으로 하였다.

선행 연구에서는 외양역 정점을 구분하기 위한 기준값으로 정선관측의 연안내측 2개 정점에 대한 2월과 8월의 8년 평균 염분차이 값을 이용하였으며, 제시된 각 생태구역의 외양역 구분 기준값은 동해, 대한해협, 서남해역, 서해중부, 그리고 제주 생태구에서 각각 1.48, 2.08, 1.67, 0.82, 그리고 3.48이었다. 그러나, 외양역 구분 기준값을 계산하기 위해서는 정선관측의 연안내측 2개 정점이 (a) 전체 정점에 대해 2개의 정점인지, (b) 해당 생태구역에 포함된 각 정선에서의 2개 정점인지 명확하지 않았다. 예를 들면, 동해 생태구에서 정선관측점은 총 6개 정선(즉, 102, 103, 104, 105, 106, 그리고 107)의 60개 정점으로 구성되어 있고, 이에 따라 동해 생태구에서 연안내측 2개 정점이 총 60개 정점 중 2개의 정점인지, 각 정선에서 2개의 정점을 선정한 총 12개의 정점인지 정확히 알 수 없었다. 따라서 상기 언급된 두 경우(즉, (a)와 (b)) 모두에 대한 외양역 구분 기준값을 계산해 보았다.

본 연구에서 계산된 외양역 구분 기준값은 (a)와 (b) 모두에서 선행 연구의 결과와 차이를 보였다(Fig. 2a). (a)의 경우에서 외양역 구분 기준값은 최소 1.63(서해중부 생태구)부터 최대 4.14(제주 생태구)까지 범위로 모든 생태구역에서 선행 연구의 결과보다 높게 나타났으며, (b) 역시 동해 생태구는 동일한 반면 나머지 생태구에서는 다소 차이를 보였다. 그리고 이러한 차이로 인해 외양역 정점의 수도 다르게 나타났다(Fig. 2b). (a)와 (b) 사이에서 각 외양역 구분 기준값으로 구분된 외양역 정점의 수는 제주 생태구를 제외한 모든 생태구에서 차이를 보였으며, 특히 서남해역과 서해중부 생태구에서는 약 2배의 큰 차이를 보였다. 비록 선행 연구에서 외양역 정점의 수가 제시되지 않아 직접적인 비교는 할 수 없었지만, 본 연구와 선행 연구 사이에서 외양역 구분 기준값이 차이를 보임에 따라 외양역 정점의 수 역시 다를 것으로 예상된다. 현행 해역별 기준값이 외양역 정점의 자료를 이용하여 계산되었음을 고려하면, 외양역 정점의 차이는 정점 간 해양환경 조건의 차이에 따른 오차를 초래할 가능성이 있다. 따라서, 비록 재현할 수 없었지만 본 연구에서는 선행 연구에서 제시된 외양역 구분 기준값을 이용하였다.

Fig. 2.

(a) Reference values for identifying stations with characteristics of oceanic region and (b) number of oceanic stations. Gray bar is the result of Rho et al. [2012] and White and black bars are the values calculated in this study.

상기 조건들을 이용한 우리의 계산결과를 현행 해역별 기준값과 비교해 본 결과, 동일한 기간(2000-2007)의 자료를 사용하였음에도 불구하고 저층 DO% [sat.]를 제외한 모든 평가항목들에서 기준값은 상당한 차이를 보였으며, 그 차이의 정도는 생태구역마다 다르게 나타났다(Fig. 3). 예를 들면, Secchi depth와 Chl-a는 각각 제주 생태구와 서남해역 생태구에서 1.5 m와 2.1 μg L^-1의 가장 큰 차이를 보이며, 본 연구에서 더 높게 나타났다. DIN의 경우, 서남해역과 서해중부 생태구 모두에서 약 30% 이상의 차이를 보였으나, 서남해역에서는 본 연구의 결과가 높게 나타난 반면 서해중부 생태구에서는 낮게 나타났다.

Fig. 3.

Reference values of a) bottom dissolved oxygen saturation (DO % [sat.]), b) Secchi depth, c) chlorophyll-a concentration (Chl-a), d) dissolved inorganic nitrogen (DIN), and e) dissolved inorganic phosphate(DIP). Gray bar is the established Reference value (calculated in Rho et al. [2012]) and black bar is value calculated in this study.

그리고 이러한 차이는 일부 정점에서 평가항목과 WQI 등급의 변화도 초래하였다. 2016년 8월 해양환경측정망의 총 347개 정점들 중 DIN, DIP, Chl-a, Secchi depth, 그리고 WQI 항목에서 등급이 변한 정점은 각각 13, 5, 24, 39, 그리고 19개 이었다. 각 생태구역에서 임의로 선정한 정점의 등급 변화를 살펴보면, 속초연안 03, 인천연안 05, 그리고 한림연안 01 정점에서 Secchi depth는 I등급에서 V등급으로 최대 4개 등급의 변화를 보였으며(Fig. 4a, d, and e), 울산연안 05와 인천연안 05 정점에서는 DIN과 Secchi depth의 2개 항목에서 등급의 변화가 나타났다(Fig. 4b and d).

Fig. 4.

Grade of each parameter in August 2016 at selected stations of a) East Sea, b) Korea Strait, c) western South, d) central West, and e) Jeju Ecological Region. Arabic number means the grade score.

종합하면, 본 연구에서는 선행 연구의 계산과정을 따라 현행 해역별 기준값을 재현할 수 없었다. 비록 본 연구의 계산과정에서 오차가 발생하였을 가능성도 있지만, 측정망 정점의 생태구역 구분에 대한 기준이나 근거가 명확하지 않았으며 외양역 구분 기준값과 외양역 정점의 수가 차이를 보이는 등 선행 연구의 계산과정을 따라 현행 해역별 기준값을 재현할 수 없는 것은 명백하다. 이는 현행 해역별 기준값의 신뢰성과 직접적으로 연관되므로, 현행 해역별 기준값의 계산과정과 그 결과에 대한 면밀한 재검토가 시급한 것으로 판단된다.

2000년부터 2016년까지 해양환경측정망 자료의 시계열 분포에서 평가항목을 포함한 해양환경 조건들은 장기적인 변화 경향을 보였고(Fig. 5), 이에 따른 해역별 기준값의 변화 가능성이 있다. 따라서, 본 연구에서는 최근까지의 자료를 적용하여 해역별 기준값의 변화를 살펴보았다. 계산과정에서 측정망 정점의 생태구역 구분은 정점 수 및 위치의 변동을 고려하여 2014년 해양환경측정망 구성·운영계획을 토대로 하였으며, 외양역 구분 기준값은 생태구역 내각 정선에서 연안내측 2개 정점을 선정하고 이들 정점들의 2월과 8월의 표층염분차이 평균값을 이용하였다(즉, 3.1.2.에서 (b)의 경우).

Fig. 5.

Long-term variability of a) sea surface temperature (SST), b) chlorophyll-a (Chl-a), c) dissolved inorganic nitrogen (DIN), and d) dissolved inorganic phosphorus (DIP) in the surface ocean using the data in the Marine Environmental Monitoring System from 2000 to 2016.

본 연구의 결과와 현행 해역별 기준값의 비교는 Fig. 6에 제시하였다. 여기서, 현행 해역별 기준값은 이전 논의에 따라 재현할 수 없었기 때문에, 계산과정에서의 오차를 제거하기 위해 본 연구의 계산결과를 대신하였다. 해역별 기준값은 사용된 자료의 기간에 따라 큰 변화를 보였으며, 각 평가항목에 대한 기준값의 변화 경향은 생태구역마다 다르게 나타났다. 예를 들면, 최근까지의 자료를 적용하였을 때, Chl-a의 기준값은 대한해협 생태구에서 약 3배 이상의 큰 증가를 보인 반면, 동해 생태구, 서남해역 생태구, 그리고 제주 생태구에서는 상대적으로 작은 감소를 보였다. 또한, DIN의 기준값은 대한해협 생태구에서 증가하고 서남해역 생태구에서 감소하며, 모두 상당한 차이를 보였다. 계산과정이 동일함을 고려하면 이러한 해역별 기준값의 변화 경향은 해양환경 조건의 장기적인 변화에 의한 결과로 판단되며, 이는 평가항목들의 자연적 변동이 항목별 그리고 해역별로 다름을 지시한다.

Fig. 6.

Reference values of a) bottom dissolved oxygen saturation (DO % [sat.]), b) Secchi depth, c) chlorophyll-a concentration (Chl-a), d) dissolved inorganic nitrogen (DIN), and e) dissolved inorganic phosphate (DIP). White and black bars are calculated in this study using data from 2000 to 2007 and from 2000 to 2016, respectively.

WQI는 해역관리의 목표설정을 용이하게 하기 위해 5개의 등급으로 구분되어 있으며, 각 등급의 상한은 2000-2007년까지 모든 자료에 대한 WQI 점수의 도수분포 특징과 최소값 및 표준편차를 이용하여 설정되었다(Table 3). 구체적으로, 총 8,340개의 자료에서 WQI 점수의 최소값, 평균, 그리고 표준편차는 각각 20, 33, 그리고 13이었으며, 도수분포는 최소값에서 가장 높은 빈도수를 보이고 23까지 급격히 감소하다 다시 증가하여 30에서 두 번째 봉우리가 나타난 쌍봉분포의 특징을 보였다. 이러한 결과를 토대로, I 등급의 상한은 두 봉우리 사이에서 가장 작은 값인 23으로 정하였으며, II, II, 그리고 IV 등급의 상한은 각각 최소값(20)에 1×표준편차, 2×표준편차, 그리고 3×표준편차를 더한 33, 46 그리고 59로 설정되었다.

Table 3.

Water quality index criteria determined from frequency distribution of WQI scores

해역별 기준값의 변화에 따른 WQI 점수의 변화는 등급화에 사용되는 변수들(즉, 최소값, 표준편차 등)의 값과 결과적으로 각 등급의 상한을 변화시키게 된다. 2000년부터 2016년까지 총 19,003개의 자료에 대해 동일한 기간의 해역별 기준값을 적용하였을 때, WQI 점수의 최소값은 20이었으며, 평균과 표준편차는 31과 15로 나타났다. 그리고 첫 번째 봉우리와 두 번째 봉우리는 각각 20과 32에서 나타났으며, 두 봉우리 사이에서 가장 작은 값은 23으로 나타났다(Fig. 7). 우리의 결과를 이용한 등급의 상한은 I, II, III, 그리고 IV 등급에서 각각 23, 38, 52, 그리고 67이었다(Table 3).

Fig. 7.

Frequency distribution of WQI scores over 2000-2016.

2016년 8월 해양환경측정망 자료를 대상으로 우리의 결과와 현행 해역별 기준값 사이에서 상당한 정점들이 평가항목과 WQI 등급의 변화를 보였다. 총 347개의 정점에서 등급의 변화가 나타난 정점은 DIN, DIP, Chl-a, Secchi depth, DO% [sat.], 그리고 WQI에서 각각 17, 2, 58, 52, 90, 그리고 173개 이었다(Table 4). 생태구역별로, DIN과 Chl-a는 서해중부 생태구에서 가장 많은 정점들이 등급의 변화를 보였으며, Secchi depth와 저층 DO% [sat.]는 대한해협 생태구의 정점들에서 가장 많은 등급 변화가 나타났다. WQI 역시 대한해협 생태구에서 정점의 1/2 이상이 등급의 변화를 보이며 가장 큰 비중을 차지하였다.

Table 4.

Number of stations with change in the grade of each parameter and WQI in August 2016 between Rho et al. [2012] and this study

현행 해역별 기준값과 최근까지의 자료를 이용하여 계산된 기준값을 적용한 각 평가항목 및 WQI 등급의 분포는 각각 Fig. 8과 Fig. 9에 제시하였다. 해역별 기준값의 변화로 인해 평가항목 및 WQI에 대한 등급의 변화 경향(즉, 좋음등급↔나쁨등급) 역시 생태구역별로 다르게 나타났다. 최근까지의 자료를 적용하였을 때, Chl-a의 등급은 대한해협 생태구에서는 모든 정점에서 I 등급으로 나타나 좋음등급 쪽으로의 뚜렷한 변화를 보였으나, 동해 생태구에서는 I 등급이 감소하고, II, III, IV 등급이 증가하여 나쁨등급 쪽으로의 변화를 보였다. 또한, Secchi depth 역시 대한해협 생태구에서 I 등급을 갖는 정점의 수가 증가하고 나머지 등급의 정점 수가 감소하여 좋음등급 쪽으로의 변화를 보였지만, 제주 생태구에서는 I 등급이 감소하고 III 등급이 증가하여 나쁨등급 쪽으로의 변화가 나타났다. 저층 DO% [sat.]와 WQI는 모든 생태구에서 I 등급의 수가 증가하고 V등급의 수가 감소하는 등 전반적으로 좋음등급 쪽으로의 변화를 보였다. 이러한 결과들은 현행 해역별 기준값이 현재의 우리나라 해양환경을 대변하지 못하고 있음을 의미하며, 따라서 최근 자료를 적용한 기준값의 개선이 필요한 것으로 판단된다.

Fig. 8.

Grade distributions of a) DIN, b) DIP, c) Chl-a, d) Secchi depth, e) bottom DO% [sat.], and f) WQI in August 2016 applied the reference values calculated using data from 2000 to 2007. Bar inserted in the figures indicates the number of stations with each grade in each Ecological Region.

Fig. 9.

Grade distributions of a) DIN, b) DIP, c) Chl-a, d) Secchi depth, e) bottom DO% [sat.], and f) WQI in August 2016 applied the reference values calculated using data from 2000 to 2016. Bar inserted in the figures indicates the number of stations with each grade in each Ecological Region.

현행 기준값 설정 과정에서 외양역 정점을 구분하기 위한 하천유입의 공간적 영향범위를 파악하기 위하여 표층염분(즉, 2월과 8월의 표층염분 차이)이 사용되었다. 염분은 보존성 물질로 담수의 영향범위를 파악하는 추적자로 광범위하게 활용되고 있지만, 연안해역에서는 담수유입 및 해양물리적 조건 등의 계절적 그리고 연간 변동에 의해 크게 변하기 때문에 담수의 영향범위에 대한 정량적이고 구체적인 기준이 정의되어야 한다(Lee et al.[2003]; Lim et al.[2007]; Cho et al.[2008]). 그러나, 현행 방법에서는 정선관측 정점과 해양환경측정망 정점 사이에서 염분의 상대적인 차이를 이용하여 하천유입의 영향 범위를 파악하였기 때문에, 염분의 시·공간적 변화에 의존하여 외양역 정점의 수는 변동성을 가질 것으로 판단된다. 실제로, 우리의 결과에서 외양역 정점의 수는 두 기간 사이(즉, 2000-2007년과 2000-2016년)에서 상당한 차이를 보였다(Table 5). 이러한 결과는 기준값 개선 과정에서 사용되는 자료의 기간이나 범위가 변할 때마다 외양역 정점 역시 변하게 될 가능성을 지시한다. 각 평가항목의 연간 그리고 정점 간 큰 변동폭을 고려하면(Fig. 10), 외양역 정점의 변화로 인해 기준값은 평가항목들의 자연적 변동뿐만 아니라 어느 정점이 외양역에 포함되느냐에 따른 정점 간의 공간적 차이에 의한 영향도 크게 받을 것으로 판단된다.

Table 5.

Number of stations with characteristics of oceanic region in each Ecological Region

Fig. 10.

Spatio-temporal distribution of a) Surface salinity in August, b) DIN in February, c) DIP in February, d) Chl-a in May, and e) Secchi depth in May in the East Sea Ecological Region for 2000-2016.

또한, 한강, 금강, 낙동강 등 큰 강과 연계하여 육지로부터 담수 유입의 변동이 큰 우리나라 연안 해역 특성 상 상대적인 염분차이를 이용하여 구분된 외양역 정점은 해당 생태구역을 대표하지 못하는 경우도 있는 것으로 나타났다. 예를 들면, 서해중부 생태구에서 외양역 정점의 수는 두 기간 모두에서 총 정점 수의 약 10% 정도에 불과하였으며(Table 5), 이들의 위치는 가로림연안 해역에서 집중되어 있었다(Fig. 11). 일반적으로 연안 해역에서 해양환경 조건들은 육상에서 공급되는 담수와 해수의 혼합으로 인해 상당한 공간적 차이를 보이기 때문에(즉, Fig. 10), 이러한 제한된 공간적 범위에 포함된 일부 정점의 자료만을 이용하여 설정된 기준값이 서해중부 생태구를 대표하기는 어려울 것으로 판단된다.

Fig. 11.

The location of the stations in the central West Ecological Region. Black circles are stations with characteristics of oceanic region.

측정망 정점의 자료를 이용하여 해역별 기준값을 설정하는 과정에서 인위적인 영향을 배제하기 위한 외양역 정점의 구분은 필수적인 과정으로 판단된다. 그러나, 상기 결과들을 고려하면 현행 외양역 정점 구분방법은 기준값을 주기적으로 개선하는데 있어 적합하지 않은 것으로 판단된다. 따라서, 외양역 정점을 구분하기 위한 담수의 영향범위에 대한 정량적이고 객관적인 기준이 우선 정의될 필요가 있으며, 이를 토대로 각 생태구역을 대표할 수 있는 고정적인 정점을 선정하는 등 외양역 정점의 구분 방법에 대한 전반적인 개선이 필요할 것으로 판단된다.

기준값 설정에 사용되는 해양환경측정망 자료는 다양한 해양환경 관리정책을 수립하기 위한 기초자료로 활용되고 있으며, UNEP나 OECD 등 국제기구에 제출하는 해양환경 국가보고서 등에도 이용되는 등 공신력 있는 현장관측 자료이다. 그러나, 여기에는 현장조사 특성 상 조사 당시의 해황 조건(즉, 적조, 태풍, 집중강우 등)이나 관측기기의 오차 등으로 인해 매우 높거나 낮게 나타나는 비이상적인 값 (abnormal value)들이 일부 포함되어 있다. 만약 이러한 값들이 사용된다면 그 결과는 상당한 오차를 포함할 가능성이 크다.

2000년부터 2016년까지의 자료를 이용한 우리의 계산결과에서 대한해협 생태구의 Chl-a 기준값은 18.4 μg L^-1로 나타났다(Fig. 6c). 이는 Chl-a의 부영양화 기준인 10 μg L^-1를 초과하는 매우 높은 값으로(Wasmund et al.[2001]), 대한해협 생태구의 자연 상태를 대표하기는 어려울 것으로 판단된다. 그럼에도 불구하고, 이러한 결과가 나타난 것은 일부 정점에서 Chl-a 농도가 매우 높았기 때문이다. 예를 들면, 외양역 정점들에서 2000년부터 2016년까지 Chl-a의 최대값은 대한해협 생태구의 마산만 15정점에서 129.6 μg L^-1(2015년 5월)로 나타났다. 비록 2014년부터 조사정점으로 추가되어 3년(2014-2016)의 기간이지만, 이 정점에서 5월 Chl-a 농도의 연간 변동을 보면(Fig. 12), 이 최대값은 자연적 변동이기 보다는 적조 같은 식물플랑크톤의 대량 번성이나 관측 오차 등 특정한 이벤트에 의한 결과일 가능성이 큰 것으로 예상된다. 그리고 이 값의 포함 여부에 따라 대한해협 생태구에서 Chl-a의 기준값은 18.4 μg L^-1와 16.2 μg L^-1로, 약 12% 차이를 보였다. 만약 10 μg L^-1 이상의 Chl-a 값을 모두 제외한다면, 대한해협 생태구에서 Chl-a의 기준값은 4.3 μg L^-1로, 현행 해역별 기준값과 비교적 큰 차이를 보이지 않았다. 이러한 결과를 고려하면, 기준값 설정에 사용되는 자료들에 대해 각 생태구역의 자연 상태를 벗어나는 비이상적인 값을 선별하는 것이 중요한 것으로 판단되지만, 현행 방법에서 이를 위한 기준이나 근거는 마련되어 있지 않다. 따라서, 각 생태구역에 포함된 측정망 정점의 역사적 자료를 토대로 각 평가항목의 자연적 변동 범위를 파악하고, 이 범위를 벗어나는 이상치를 제거하는 과정이 추가될 필요가 있다.

Fig. 12.

Annual variations of Chl-a concentration in May at Masan 15 station in the Korea Strait Ecological Region.