바닷모래 채취에 따른 퇴적물 입도 조성 변화에 대한 적정지표 타당성 검토

1. 서 론

우리나라의 바닷모래 채취는 서해 연안해역에서 1984년부터 시작되었으며, 육상골재 자원의 고갈 및 채취 비용의 상대적 우위 등 여러 가지 요인으로 1990년 이후 바닷모래에 대한 수요가 꾸준히 증가하였다(Jo and Jang[2003]). 그러나 무분별한 채취로 인해 2000년대 초반 연안해역에서 바닷모래 채취가 대부분 중단되었고, 이후 골재 수급 문제로 인해 2002년 골재채취법을 개정하여 배타적 경제수역(Exclusive Economic Zone, EEZ)에서 바닷모래 채취를 허용하였다(Kim et al.[2005]). 이에 따라 2004년 남해(욕지도 남방 50 km)와 서해(어청도 외해 40 km) EEZ 해역에서 바닷모래 채취가 시작되었으며, 2020년 바닷모래 채취단지 지정 만료로 인해 남해 EEZ 바닷모래 채취가 종료되어 현재 서해 EEZ만 신규단지 지정을 통해 바닷모래 채취가 지속되고 있다.

바닷모래 채취는 안정적인 골재 자원 수급이라는 순기능이 있지만, 해양환경 측면에서는 부정적 영향을 미칠 수 있다. 우리나라보다 수십 년 앞서 바닷모래를 채취하고 있는 유럽, 미국, 일본 등에서는 다양한 해양분야별 영향을 종합적으로 연계하여, 해양환경 및 생태계에 대한 영향들에 대해 민·관 연구소와 학계에서 지속적인 관측과 감시 활동, 그리고 효율적인 사후 관리를 모색하고 있다(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs[2009]).

바닷모래 채취로 인한 물리적 및 생물학적 특성의 직접적인 영향은 해저퇴적물 제거, 부유퇴적물 플룸 증가 및 채취과정에서의 해저면 파괴(Le Bot et al.[ 2010]; Duclos[2012])로 비롯된 것이며, 간접적인 영향은 월류수 배출로 인한 세립퇴적물 퇴적에 의한 저서생물 질식(Desprez et al.[2010]), 유해물질 배출(Newell et al.[1999]) 및 수중소음 증가(Cefas[2003]) 등이다. 이러한 영향은 채취구역을 포함한 주변 지역의 수층과 해저뿐만 아니라 어류, 조류 및 포유류의 먹이 풍부도와 어류 치어의 이동에 영향을 미치는, 보다 넓은 해역의 서식처 질이나 생태계 기능에 영향을 미칠 수 있다(Newell et al.[1998]; Van Dalfsen et al.[2000]; Boyd et al.[2005]; Pearce[2008]; Daskalov et al.[2011]; Desprez et al.[2014]).

또한 국내에서도 지속적이고 과도한 바닷모래 채취로 인한 문제점들이 야기되고 있으며, 해저지형 구조의 변형(Kim et al.[2005]; Kum et al.[2010]), 퇴적상 변화로 인한 저서생물 군집 교란 및 생태계의 건강성 저하(Min[2004]; Yu et al.[ 2006]; Son and Han[2007]), 유용수산자원 감소(Cho and Chang[2003]), 연안 침식(KMI[2006]; Choi et al.[2012])등의 현상은 이미 빈번하게 보고되고 있는 피해사례들이며, 해양 수질에 대한 영향에 대해서도 연구가 진행된 바있다(Yang et al.[2008]).

특히 남해와 서해 EEZ 골재채취 해역은 과거 고하천에 의해 형성된 퇴적층이며, 오랜 기간에 걸쳐 퇴적된 유한자원으로 2000년대 초반 모래의 안정적 공급을 위하여 최근까지 많은 양의 바닷모래 채취가 장기적으로 이루어져 왔다. Hitchcock and Steve[2004]에 따르면 EEZ 해역의 바닷모래 채취 방식인 고정식 준설 방식(Static or Anchor dredging)은 불규칙적이고 굴곡이 많은 웅덩이를 생성하고 하부 기질의 교란 가능성이 증가하여 저서생물의 회복 기회가 줄어든다고 보고하고 있다. 이러한 저서 환경의 변화는 육지로부터의 퇴적물 공급이 중단된 EEZ 해역의 특성상 원상태로 회복할 가능성이 매우 낮아 문제라 할 수 있다.

따라서 본 연구에서는 바닷모래 채취로 인해 저서생태계 변화에 영향을 미치는 남해와 서해 EEZ 골재채취 해역의 퇴적물 조성 변화를 분석하고, 퇴적물 입도 조성 변화를 객관적으로 파악할 수 있는 정적지표를 산정하는 방안을 제시하고자 한다.

2. 재료 및 방법

2.1 연구의 범위

본 연구에서 사용된 자료는 남해와 서해 EEZ 골재채취 해역에서 수행된 문헌을 수집하였으며 각 해역별 수집된 문헌 자료는 Table 1에 제시하였다. 간략히 설명하면 남해와 서해 EEZ 골재채취 해역의 자료는 2013년 6월부터 2017년 11월까지 조사한 자료이며, 조사 정점 중 시계열 분석이 가능한 정점을 선택하여 각 정점이 지닌 특성을 파악한 후 분석을 수행하였다.

Table 1.

List of literature used in this study

남해 EEZ 골재채취 해역에서 시계열 파악이 가능한 정점은 6개 정점이며, 이 중 1개 정점은 채취로 인한 영향을 받지 않은 대조구 해역, 5개 정점은 채취로 인한 영향을 받는 영향해역으로 설정하였다(Fig. 1). 대조구 정점으로 선정한 C-1은 채취단지 서쪽에 위치하고 있으며, 5개의 영향해역 정점 중 S-1, S-2는 4E광구에 포함되며 S-3, S-4는 4G광구에 속하는 정점으로 2008년에 채취를 시작하여 홀수 연도에 휴지기(Resting period), S-5는 3I광구에 속하는 정점으로 2010년 후반부터 채취를 시작하여 짝수 연도에 휴지기를 갖는 특징을 보였다(Table 2).

Fig. 1.

Sampling sites and sand mining block in southern EEZ marine sand mining.

Table 2.

Sampling sites in the southern EEZ marine sand mining area

서해 EEZ 골재채취 해역에서 시계열 파악이 가능한 정점은 10개 정점이며, 이 중 3개 정점은 바닷모래 채취로 인한 영향을 받지 않은 대조구 해역, 7개 정점은 채취로 인한 영향을 받는 영향해역으로 설정하였다(Fig 2). 대조구 정점으로 선정한 C-1은 채취단지 서쪽, C-2는 채취단지 북쪽, C-3은 채취단지 동쪽에 위치하고 있다. 7개의 영향해역 정점 중 W-2, W-7, W-9는 2011년에 채취를 시작하여 짝수 연도에 휴지기, W-3, W-6은 2010년에 채취를 시작하여 홀수 연도에 휴지기, W-(가)는 2013년에 채취를 시작하여 짝수 연도에 휴지기, W-(나)는 2014년에 채취를 시작하여 홀수 연도에 휴지기를 갖는 특징을 보였다(Table 3).

Fig. 2.

Sampling sites and sand mining block in western EEZ marine sand mining.

Table 3.

Sampling sites in the western EEZ marine sand mining area

3. 결과 및 고찰

3.1 바닷모래 채취에 따른 시계열 변화

남해 EEZ 골재채취단지 대조구 퇴적물의 평균입도(Mean grain size) 범위는 1.91~4.26Φ(평균 2.59Φ)로 나타났다. 퇴적물 입도 조성은 모래가 우세한 것으로 나타났으며, 모래 함량은 67.57~91.07% 범위로 평균 77.53%이며, 펄 함량은 8.93~32.43%로 평균 22.4%를 보였다. 대조구와 채취광구를 비교해보면 평균입경에서는 유의할만한 변화가 없으며 모래 함량의 평균은 대조구보다 채취광구에서 약 10% 이상 큰 것으로 나타났다. 하지만 채취광구 정점 간의 최대/최소 모래 함량 및 펄 함량이 같은 광구 내 정점일지라도 다소 큰 차이를 보이는 것은 모래 채취로 인한 영향으로 판단되며, Cooper et al.[2007]은 바닷모래 채취지역 퇴적물 입도 조성비의 변동 폭이 증가하는 것을 보고한 바 있다.

Fig. 3.

Long-term variation of sediment composition in control block (red dash line) and mining block at southern EEZ marine sand mining (2013~2017).

4E광구와 4G광구에서는 2015년 10~12월을 제외하면 짝수년도인 2014년과 2016년에 월별로 바닷모래 채취가 실시되었다. 4E광구의 연간 채취량은 2014년 4,227,545m³, 2015년 968,691m³, 2016년 4,903,046m³이고 4G광구는 2014년 4,574,825m³, 2015년 1,152,782m³, 2016년 5,721,359m³로 나타났다. 3I광구 경우 홀수년도에 월별로 골재채취가 이루어졌으며 연간 채취량은 2013년 4,742,791m³, 2015년 5,209,228m³로 나타났다.

퇴적물 입도 조성의 시계열 변화에서 자갈 함량은 거의 없으므로 분석에서 제외하였다. 대조구 정점 C-1의 모래 함량과 펄 함량을 비교하면 급격한 조립화 또는 세립화 없이 일정하게 유지되었다. 채취단지 퇴적물은 4E광구 정점 S-1의 휴지기인 2013년 8월과 2015년 1월에 펄 함량이 증가 되었으나, 다른 시기에는 퇴적물의 급격한 변화가 나타나지 않았다. 또한 동일 광구의 인근 정점인 S-2에서는 채취기간과 휴지기 상관없이 퇴적물의 입도 조성이 일정하게 나타났다. 4G광구의 퇴적물 입도 조성에서 펄 함량 증가는 정점 S-3의 채취기간인 2015년 11월과 정점 S-4의 채취종료 후인 2017년 7월, 8월, 11월에 나타났으며, 이를 제외한 시기에는 모래와 펄의 입도 조성비가 일정하게 유지되었다. 3I광구의 퇴적물 입도 조성 시계열 변화를 살펴보면 펄 함량의 증가는 휴지기인 2014년 9월과 2016년 9월에 나타나고, 다른 시기에는 유사한 구성비의 퇴적물이 분포하는 것으로 나타났다.

분석기간(2013~2017년) 동안 퇴적물 입도 조성에서 대조구의 경우 일정한 구성비를 유지하였으며 바닷모래 채취로 인한 영향은 크지 않는 것으로 판단된다. 하지만 비록 일부 시기이지만 채취광구에서 펄 함량이 증가하는 것은 유의해서 판단할 필요가 있다. 먼저, 우리나라의 EEZ 해역은 먼 바다로서 연안 또는 하구로부터의 세립퇴적물의 퇴적 가능성과 대조구 퇴적물 입도 조성 시계열에서 계절적 영향이 나타나지 않는 것으로 보아 계절적인 영향 가능성은 배제하는 것이 타당하다. 두 번째 가능성은 바닷모래 채취로 인한 영향으로 채취된 바닷모래를 채취선에 적재하는 과정에서 유출되는 월류수(Overflow)에 의해 채취구역 내 국지적인 세립질 퇴적이 발생하게 된다. 또한 2008년 이후 본격적으로 시행된 EEZ 골재채취 방식은 다수의 웅덩이를 생성시키며 웅덩이 내 굴곡 사이로 세립퇴적물이 이동될 가능성이 있다.

서해 EEZ 골재채취 해역 대조구의 퇴적물 평균입경 범위는 1.08~3.33Φ로 평균은 2.17Φ이며 모래함량은 모두 80% 이상(C-1 : 85.63~96.40%, C-2 : 81.67~98.11%, C-3 : 87.20~98.10%)으로 나타났다. 선정된 채취광구 정점들의 평균입경 변동 폭은 대조구와 유사하며, 정점 W-2의 2017년 6월(모래 함량, 78.84%)을 제외하면 모래 함량 역시 80% 이상으로 유지되었다. 서해 EEZ 채취광구는 남해 EEZ 채취광구와 달리 모래 채취로 인한 퇴적물 입도 조성의 변화가 나타나지 않았다(Fig. 4).

Fig. 4.

Long-term variation of sediment composition in control block (red dash line) and mining block at western EEZ marine sand mining (2009~2017).

분석기간(2011~2017년) 동안의 광구별 채취량을 살펴보면 2광구에서 4,042,204m³, 3광구에서 4,697,486m³, 6광구에서 1,034,000m³, 7광구에서 1,996,896m³, 9광구에서 6,415,518m³, 가광구에서 3,319,997m³, 나광구에서 1,797,047m³으로 나타났다. 퇴적물 입도 조성 시계열 변화에서 자갈 함량은 거의 없으므로 분석에서 제외하였다. 대조구 정점들의 모래와 펄 구성비를 비교하면 급격한 조립화 또는 세립화되지 않았고 변화 없이 유지되었다. 채취구역 퇴적물의 입도 조성 시계열에서 2광구의 정점 W-2에서만 2017년 채취기간 동안 모래 함량이 약간 감소하는 반면 나머지 채취광구에서는 모래와 펄 구성비가 큰 변동 없이 유지되었다.

3.2 Box-Whisker plot을 이용한 채취광구와 대조구 변화

2013년부터 2017년까지 남해와 서해 EEZ 골재채취 해역 채취광구와 대조구의 모래 및 펄 함량에 대한 연변화를 box-whisker plot을 이용하여 제시하였다(Fig. 5).입도 조성 특성상 모래 함량이 증가/감소하면 펄 함량은 반대로 감소/증가하므로 모래 함량의 변동폭이 크면 펄 함량 변동 폭 역시 크게 나타난다.

Fig. 5.

Sediment composition of control block and mining block using box-whisker plot comparison in Southern (a) and Western (b) EEZ marine sand mining (2013~2017).

남해 EEZ 골재채취 해역 대조구의 퇴적물 입도 조성은 모래의 함량이 2013년 약 70%에서 2014~2016년 사이 80%까지 증가하였다가 2017년 75% 수준으로 감소하였다. 채취광구에서 퇴적물 입도 조성은 동일시기 대조구와 달리 큰 변동 폭을 보이고 있으며, 각 광구별로 4E광구는 2013년, 4G광구는 2017년에 가장 큰 변동 폭이 나타났다. 또 다른 특징은 4E광구를 제외하면 모래 함량의 낮은 정점이 존재하였다. 이 두 가지 특징은 자연적인 영향보다는 바닷모래 채취와 같은 인위적 영향으로 판단된다.

서해 EEZ 골재채취 해역 대조구의 퇴적물은 2013년부터 증가하면서 상대적으로 세립화되는 경향을 나타내며 모래와 펄 함량 변동폭이 점차 커지는 경향을 보였으며, 모래 함량과 펄 함량의 변동 범위는 10% 내외에서 변동하는 것으로 나타났다. 사분위수 상자의 분포에서 채취광구의 퇴적물은 2광구의 2017년 퇴적물만 다른 연도와 달리 펄 함량이 증가된 반면 나머지 광구들은 퇴적물 입도 조성에서 모래 함량 대비 펄 함량이 10% 내의 변동 폭으로 유지되고 있다. 또한 대조구와 채취광구의 퇴적물 입도 조성에서 2017년 2광구의 퇴적물을 제외하면 대부분 모래 함량이 85% 이상으로 유사하게 분포하였다. 이는 남해 EEZ 골재채취 해역과 달리 서해 EEZ 골재채취 해역의 채취광구에서는 바닷모래 채취 영향으로 인한 퇴적물 입도 조성 변화가 크지 않음을 의미한다.

3.3 대조구와 채취광구 퇴적물 변화를 이용한 적정지표 산정 방법

퇴적물 입도 조성 시계열 변화로부터 바닷모래 채취로 인한 퇴적물 입도 조성 변화를 정성적으로 살펴보았다. 바닷모래 채취에 대한 영향을 보다 정량적으로 파악하기 위하여 대조구와 채취광구 퇴적물에 대한 유사성 평가를 실시하였다.

Boyd et al.[2005], Cooper[2012] 및 Waye-Baker et al.[2015]는 ANOSIM을, Cooper and Barry[2017]는 마할라노비스 분석을 이용하여 대조구와 채취구역 퇴적물의 유사성을 평가한 바 있다. 따라서 본 연구에서는 마할라노비스 분석을 이용하였으며, 시계열 변화분석보다 퇴적물 입도 조성비를 더 세분화하여 유사성을 평가하였다. 분석에 이용된 퇴적물 입도 조성은 남해 EEZ 골재채취 해역의 경우 자갈(>2 mm)함량, 조립사(0.5~2 mm)함량, 중사(0.25 mm)함량, 세립사(0.0625~0.25 mm)함량 및 펄(0.0625 mm)함량이며, 서해 EEZ 골재채취 해역의 경우 자갈(>2 mm)함량, 모래(0.0625~2 mm)함량, 펄(0.0625 mm)함량이며, 기 보고된 자료에서 세분화된 자료가 없었기에 자갈/모래/펄에 마할라노비스 분석을 실시하였다.

남해 EEZ 골재채취 해역에서 대조구와 채취광구의 마할라노비스 분석에 이용된 표본 수는 총 104개로 대조구 19개, 채취구역 95개(정점당 19개)를 이용하였다. 대조구 퇴적물의 구성비 평균과 공분산 행렬값은 세립역질 0.03%, 조립사 2.03%, 중사 37.39%, 세립사 38.12% 및 펄(실트+점토) 22.4%로 나타났다(Table 4).

Table 4.

Sediments composition and covariance matrix in control block of the southern EEZ marine sand mining

대조구 기준으로 채취광구의 총 95개 시료에 대한 유사성 평가에서 가장 유사도가 높은 정점은 4E광구의 정점 S-1으로 채택은 14개, 기각은 5개로 분석되었다. 가장 유사도가 낮은 정점은 4E광구의 S-2와 4G광구 S-3로 두 정점 모두 채택은 6개, 기각은 13개로 분석되었다. 대조구 기준 광구별 유사도는 4E광구 36.8%, 4G광구 42.1%, 3I광구 52.6%이며, 채취광구의 평균 유사도는 48.4%로 나타났다. 분석결과 유의 수준은 0.05 미만으로 나타났다(Table 5).

Table 5.

Sediments composition and covariance matrix in control block of the western EEZ marine sand mining

2013년부터 2017년까지의 대조구와 채취광구의 유사도 시계열을 분석한 결과 채취기간과 휴지기에 상관없이 낮은 유사도를 보이는 것으로 나타났으며(Fig. 6), 이는 바닷모래 채취로 인한 퇴적물 입도 조성이 변화된 이후 회복되지 않기 때문이라고 판단된다.

Fig. 6.

Sediment composition similarity time series between control block and mining block in southern EEZ marine sand mining (2013~2017).

서해 EEZ 골재채취 해역에서 대조구와 채취광구의 마할라노비스 분석에 이용된 표본 수는 총 202개로 대조구(정점 C-1, C-2, C-3) 68개, 채취단지 143개(가와 나 광구는 정점당 19개, 나머지 5개 광구는 정점당 21개)를 이용하였다. 마할라노비스 분석 결과 대조구 퇴적물에 대한 구성비 평균과 공분산 행렬값은 평균은 자갈 0.02%, 모래 92.62% 및 펄 7.36%로 나타났다(Table 6).

Table 6.

Evaluation of the similarity of sediment composition between control block and mining block in southern EEZ marine sand mining (2013~2017)

대조구 기준으로 채취광구의 총 143개 시료에 대한 유사성 평가에서 2광구와 3광구에서만 기각이 발생하였으며, 각각 2광구는 3개, 3광구는 1개로 나타났다. 이 외에 나머지 채취광구에서는 대조구와 유사한 퇴적물 입도 조성을 가지는 것으로 나타났다. 분석결과 유의 수준은 0.05 미만으로 나타났다.

남해 EEZ 골재채취 해역에서는 낮은 유사도를 보인 반면, 서해 EEZ 골재채취 해역에서는 97.2%의 높은 유사도를 보였다(Table 7). 대조구와 채취광구의 유사도 시계열을 분석한 결과 정점 W-2의 2017년 대부분과 정점 W-3의 2011년 초반 퇴적물에서 낮은 유사도가 나타났으나, 대부분의 정점에서 바닷모래 채취 기간 및 휴지기 동안 유사한 퇴적물 입도 조성을 가지는 것으로 조사되었다(Fig. 7).

Fig. 7.

Sediment composition similarity time series between control block and mining block in western EEZ marine sand mining (2011~2017).

Table 7.

Evaluation of the similarity of sediment composition between control block and mining block in Western EEZ Marine Sand mining (2013~2017)

남해와 서해 EEZ 골채채취 해역에서 채취광구와 대조구의 유사도 평가를 수행한 결과 남해 EEZ 골재채취 해역의 경우 유사도가 낮고, 서해 EEZ 골재채취 해역의 경우 유사도가 높은 것을 마할라노비스 분석을 통해 파악하였다. 마할라노비스 분석은 채취광구와 대조구의 퇴적물 변화 양상을 객관적으로 파악하는데 적합한 방법으로 나타났다. 다만 서해 EEZ 골재채취 해역의 경우 입도 조성비를 세분화하여 유사도 평가를 하지 않았기에 모래 내에서의 변화를 파악하기는 부족한 실정이다. 입도 조성비를 세분화하면 유사도 평가의 기준이 되는 값이 많아짐으로 보다 정밀한 평가를 실시할 수 있다. 금회 서해 EEZ 골재채취 해역의 경우 자료수집이 불가능하여, 제시된 자료로만 유사도 평가를 하였으나 차후 연구에서는 입도 조성을 세분화하여 정밀한 평가가 될 수 있도록 개선되어야 한다.

4. 결 론

2013년부터 2017년까지 남해와 서해 EEZ 골재채취 해역에서 수행된 조사 결과를 바탕으로, 바닷모래 채취 후 시간에 따른 퇴적물 입도 조성 변화를 파악하였다. 또한 대조구와 채취광구의 퇴적물 입도 조성 변화를 바탕으로 적합한 적정지표를 산정하는 방법을 제시하였다.

남해 EEZ 골재채취 해역에서 퇴적물 입도 조성은 대조구의 경우 일정한 입도 조성을 유지하고 있는 것으로 나타났고, 채취광구에서는 비록 일부 시기이지만 펄 함량이 증가한 것으로 나타났다. 채취광구의 퇴적물은 대조구와는 달리 큰 변동 폭을 보이고 있으며, 대조구와 채취광구의 유사도 시계열 분석 결과 채취기간과 휴지기에 상관없이 낮은 유사도를 보이는 것이 특징으로 나타났다. 이는 바닷모래 채취로 인한 인위적인 영향으로 채취광구와 대조구가 차이를 보이는 것으로 판단된다.

서해 EEZ 골재채취 해역에서 퇴적물 입도 조성은 대조구와 채취광구 정점들에서 모래와 펄 구성비를 비교하면 급격한 조립화 또는 세립화 되지 않고 변화 없이 유지되고 있으며, 대부분의 정점에서 모래 함량이 85% 이상으로 분포하였다. 대조구와 채취광구의 유사도 시계열 분석 결과 거의 모든 시기에 높은 유사도를 보여, 바닷모래 채취 이후에도 유사한 퇴적물 입도 조성으로 분포하고 있음을 나타내고 있다.

남해와 서해 EEZ 골재채취 해역에서의 유사도 분석 결과 마할라노비스 분석은 채취 행위에 의한 퇴적 환경 영향을 판단할 수 있는 지표로 활용될 수 있을 것으로 생각되며, 입도 조성비를 세분화하여 분석할 경우 바다 모래 채취의 영향을 평가하는 데 신뢰도를 높일 수 있을 것으로 사료된다.

Acknowledgments

본 연구는 2021년 정부(해양수산부)의 재원으로 해양수산과학기술진흥원- 과학기술기반 해역이용영향평가 기술개발 사업 지원을 받아 수행되었습니다(KIMST-20210427).

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