부산 연안 해수의 투명도와 부유물질의 공간 분포 특성에 관한 연구

2.1 투명도와 부유물질 자료 수집

본 연구에서는 해양수산부 해양환경정보포털(https://www.meis.go.kr/portal)에서 제공하는 부산 연안 47개 정점에서 관측된 해양환경측정망 데이터를 수집하였다(Fig. 1). 수집된 데이터는 표층 부유물질(SurFace Suspended Solids, SFSS) 및 저층 부유물질(SeaBed Suspended Solids, SBSS), 수심(Depth), 투명도(Transparency)이다. Fig. 1은 수집된 자료의 47개 정점을 나타내고 있으며 연도별 조사 정점의 차이는 있으나, 10년 동안(2011~2020년) 매 분기별(2, 5, 8, 11월) 자료를 살펴보았다.

2.2 투명도와 부유물질의 상관 회귀식

부유물질(Suspended solids)은 일반적으로 수계에 존재하는 입자 지름 2 mm 이하로 물에 용해되지 않는 물질을 의미하며 이와 관련된 용어로 SS(suspended solids, suspended sediments), 부니, 부유토사, 현탁물질 등으로 통용된다. 또한 투명도(Transparency)는 해수의 투명한 정도를 나타내는 지표로서 주로 해수 중에 있는 부유 현탁물질의 양에 따라 달라진다. 부유물질은 해저나 육지로부터 기인한 것이기 때문에 투명도의 변화는 해수의 연직 혼합 및 유동 상태 등 해황을 판단하는데 유용한 지표가 된다(Choi and Kwon[1998]). 해양 상층수의 투명도는 투명도판(Secchi disc)의 깊이에 의해 정량적으로 결정될 수 있으며, 일정 해역에서 투명도판의 깊이가 얕은 곳은 엽록소의 양이 많다(Pickard and Emery[1990]). 이처럼 해양에서 투명도는 가장 손쉽게 수질을 평가할 수 있는 수단으로 이용되었고, 연안해역이나 해양의 부유물질 분포를 평가하는데 활용되어 왔다(Choi and Kwon[1998]). 그리고 투명도는 해수의 청탁 외에 표면의 파랑, 기상상태, 일사 등의 영향을 받으며, 수계에 존재하는 고형물질이나 용존물질 등에 의하여 영향을 받는다(Lee[2015]).

본 연구에서는 기존 연구자들이 제안한 투명도와 탁도, 부유물질과 탁도의 상관성을 Table 1과 같이 정리하였다. 표에서 SD는 투명도(feet), SS는 부유물질 농도(mm/l), T는 탁도(YSI 6026)이다. 투명도판을 이용한 투명도와 탁도는 강한 상관 관계가 있는 것으로 일반적으로 y = as^−b의 역함수(Inverse function)로 표현되어 Table 1과 같이 다양한 연구자에 의해 제안되었다. 또한 하천, 호수 및 하구역의 탁도 크기는 보통 부유물질 농도에 비례하고 이때 탁도와 부유물질의 관계는 선형 회귀 분석을 통해 정량화될 수 있다(Rasmussen et al.[2009]).

Table 1.

Regression formula between transparency, turbidity, and suspended matter of previous studies

결과적으로 본 연구에서는 위 식 (1)과 (4)에서 도출된 회귀식을 조합하여 다음과 같이 부유물질과 투명도의 상관식을 얻을 수 있다.

2.3 군집분석(Cluster analysis)

군집분석이란 일반적으로 각 객체(대상)의 유사성을 측정하여 유사성이 높은 대상집단을 분류하고, 같은 군집에 속한 객체들의 유사성과 서로 다른 군집에 속한 객체간의 상이성을 규명하는 통계분석방법이다. 대상들을 분류하기 위한 명확한 기준이 존재하지 않거나 기준이 밝혀지지 않은 상태에서 다양한 특성을 지닌 대상자들을 분석하는데 사용되는 기법이다.

본 연구에서는 해양환경측정망 데이터에서 제공된 47개 관측 정점에서 투명도와 부유물질 조사항목들을 바탕으로 각 정점별 공간적 특성을 살펴보고자 하였다. 이를 위해 수집된 데이터를 바탕으로 군집분석(Cluster analysis)을 수행하고, 군집분석 결과를 덴드로그램(Dendrogram)으로 제시한 후 그 특성에 대해서 고찰하였다.

수집된 데이터는 IBM SPSS(Statistical Package for the Social Sciences)를 이용하여 군집분석을 수행하였으며 그 방법은 계층적 군집분석(Hierarchical cluster analysis method)을 활용하였다. 또한 본 연구에서는 군집의 구성원간 평균 거리가 가장 작은 군집을 결합하는 집단 간 연결(Between-groups linkage) 방법을 활용하였고, 측도(Measure)는 구간(Interval)의 제곱 유클라디안 거리(Squared euclidean distance) 방법을 적용하였다. 이 방법은 관측값과 추정값 사이의 제곱 거리 평균을 최소화하여 데이터 통계 추정치를 맞추는 표준 방법인 최소 제곱법에 사용된다.

최종적으로 본 연구에서는 조사자료의 항목별로 전 해역의 표·저층 부유물질량 자료를 모두 평균하여 통계분석을 수행하였다. 이상의 군집분석을 통해 해석한 결과를 바탕으로 부산 연안에서의 수질특성에 따른 해역분할도를 작성하고, 투명도와 부유물질량 수행에 따른 해역 환경 공간분포 특성에 대해서 고찰하였다.

3.1 투명도와 층별 부유물질 농도

본 연구에서는 부산 연안의 투명도와 부유물질 자료(2011~2020년의 10년 자료)에 대해서 두 항목간의 상호관련성을 살펴보고자 하였다. 수집된 전체 데이터는 총 2,171개에 해당하였다.

투명도와 표·저층 부유물질 농도의 분포 현황을 Fig. 2~Fig. 4에 각각 나타내었다. 먼저 Fig. 2는 수심에 따른 투명도의 분포를 나타낸 것으로 대체적으로 수심이 30 m 미만에 해당하는 관측정점이 많은 것을 알 수 있었고 투명도의 평균 값은 약 3.2 m이었다. 그리고 Fig. 3과 Fig. 4는 표층 및 저층의 부유물질 농도를 나타낸 것으로 평균 값은 각각 8.18 mg/L, 10.71 mg/L이었으며 대체적으로 수심 20 m 미만의 저층에서 약 80.0 mg/L에 달하는 부유물질이 관측되었음을 알 수 있다. 또한 Fig. 5와 Fig. 6에서는 투명도와 표·저층 부유물질 농도와의 상관성을 살펴보고자 하였다. 투명도가 클수록 표·저층 부유물질 농도는 낮았다.

Fig. 2.

Distribution of transparency observation results by water depth.

Fig. 3.

Distribution of suspended solids observation results in the surface by water depth.

Fig. 4.

Distribution of suspended solids observation results in the seabed by water depth.

Fig. 5.

The relationship between surface suspended solids and transparency.

Fig. 6.

The relationship between seabed(bottom) suspended solids and transparency.

3.2 투명도와 부유물질의 특성치

Table 2는 47개 관측 정점별 자료수집 기간, 조사 정점 수심, 투명도와 표·저층 부유물질의 최대, 최소, 평균값을 계산한 결과이다. 여기서 평균값은 관측 기간동안의 전체 데이터의 평균값을 의미한다. 관측 조사 정점은 수심 10 m 미만 및 10~20 m가 각각 총 18개 정점, 수심 20~30 m가 총 10개 정점, 수심 40 m 이상이 1개 정점이었으며 최대 수심은 목도 주변 해역에서 42.95 m(St.29), 최소 수심은 낙동강 하류와 진우도 사이에서 3.79 m(St.36)이었다.

Table 2.

Maximum, minimum, and average values of transparency and suspended solids at the survey points

투명도의 경우, 최댓값 중 가장 큰 값은 St.29의 13.6 m, 가장 작은 값은 St.47의 2.5 m이었다. 또한 투명도 최솟값 중 가장 큰 값은 St.20의 2.6 m, 가장 작은 값은 0.1 m로서 St.34, St.35, St.38이었다. 관측 기간 동안의 전체 데이터의 평균값 중에서 최댓값은 St.29의 5.46 m, 최솟값은 St.45의 1.29 m이었다. Fig. 1에서 그 위치를 살펴보면 해수의 투명도가 가장 큰 정점은 다대포 몰운대 남측의 목도 해역이며 이에 반해 투명도가 가장 낮은 해역은 낙동강 하구둑 남측 및 다대포 서측 전면 해역에 해당하였다.

해수면 표층의 부유물질의 경우, 최댓값 중 가장 큰 값은 St.43의 78.6 mg/L, 가장 작은 값은 St.22의 14.9 mg/L이었다. 또한 해수면 표층의 부유물질 최솟값 중 가장 큰 값은 St.46의 6.0 mg/L, 가장 작은 값은 St.1의 0.2 mg/L이었다. 관측 기간 동안의 전체 데이터의 평균값 중에서 최댓값은 St.45의 15.77 mg/L, 최솟값은 St.1의 5.49 mg/L이었다.

해수면 저층의 부유물질의 경우, 최댓값 중 가장 큰 값은 St.45의 92.6 mg/L, 가장 작은 값은 St.11의 12.5 mg/L이었다. 또한 해수면 저층의 부유물질 최솟값 중 가장 큰 값은 St.46의 6.6 mg/L, 가장 작은 값은 St.22의 0.8 mg/L이었다. 관측 기간 동안의 전체 데이터의 평균값 중에서 최댓값은 St.45의 20.05 mg/L, 최솟값은 St.11의 6.68 mg/L이었다.

이상의 부유물질 농도 수치를 바탕으로 Fig. 1에서 그 위치를 살펴보면 해수의 부유물질 농도가 가장 큰 정점은 표층에서는 낙동강 하구둑 전면 해역이고 저층의 경우 부산 신항 내측 해역이었다. 이에 반해 부유물질 농도가 가장 낮은 해역은 부산 남항, 수영강 하류 및 기장군 고리원전 전면 해역에 해당하였다.

3.3 투명도와 부유물질의 경년변동

투명도는 해수중 현탁물질의 양에 따라 변화되고, 수온, 육생물질의 주입량, 풍량, 조석류, 지형 등에 따라 부차적인 영향을 받는 것이므로 연안해역에서는 그 양상이 매우 복잡할 것으로 예측된다(Choe and Chung[1971]). Choi and Kwon[1998]은 서해 남동해역에서 투명도는 겨울에는 해수면 냉각과 바람에 의한 상하층 연직 혼합으로 저층 퇴적물의 재부유가 활발하여 투명도가 낮게 나타나고, 여름에는 해수면 가열에 의해서 상하층 사이에 형성되는 수온 혹은 밀도 약층과 조석 혼합을 방해하는 태양 복사열의 증가로 인하여 저층 퇴적물의 재부유가 방해되어 투명도가 높다고 보고하였다.

Fig. 7은 47개 정점 중에서 최대, 최솟값을 보였던 6개 정점(St.01, St.11, St.22, St.29, St.43, St.45)에 대해서 과거 10년 동안 투명도와 표층 및 저층의 부유물질 농도 변화에 대한 시계열을 나타낸 것이다. 6개 정점 중 해수의 투명도가 가장 큰 곳은 다대포 몰운대 남측의 목도 해역(St.29)이었고 가장 낮은 곳은 낙동강 하구둑 주변 해역(St.43) 및 부산 신항 내측 해역(St.45)이었다. 부유물질 농도가 가장 낮은 해역은 부산 남항(St.22), 수영강 하류(St.11) 및 기장군 고리원전 주변 해역(St.01)이었다.

Fig. 7.

Transparency and suspended solids time series at representative survey points.

먼저 Fig. 7(a)에서 투명도의 정점별 계절 특징을 살펴보면 11월에 높고 2월과 5월에 낮은 특징을 보였다. 또한 8월에 St.01, St.22, St.29에서 투명도가 다른 정점에 비해 크게 상승하는 경향을 보였다. 특히 St.29에서 다른 정점보다는 계절적 차이가 두드러지게 나타났고 St.45에서는 대체적으로 약 2 m 정도의 투명도를 나타내어 계절적 변화를 찾아 볼 수 없었다. 이는 Choi and Kwon[1998]가 주장한 서해 남동해역에서의 투명도의 분포는 계절에 관계없이 등 수심선과 유사하게 뚜렷한 동서 대비를 보이고 있다는 내용과 유사하였다. 즉, 본 연구의 결과는 대상해역이 극천해의 수심이 낮은 연안 해역으로서 지질·수리학적 조건과 아울러 항만공사 및 하천수 유입과 같은 영향에 따른 것으로 생각된다. 또는 일반적으로 연안 성층(Stratification) 현상이 하계의 연안수 유입과 큰 태양복사에너지에 기인하여 강한 성층화를 형성하게 되는데 투명도가 높은 St.01, St.22, St.29에 대해서 하계 수온상승에 의한 수온 성층화, 담수유입 및 대기로부터의 강수유입에 의한 염도 성층화 현상과 연계하여 추가 검토할 필요가 있다고 생각된다.

Fig. 7(b)와 Fig. 7(c)는 표층 및 저층 부유물질의 정점별 계절별 특징을 살펴보기 위한 시계열을 나타낸 것이다. 특징적인 것은 투명도가 가장 낮은 St.45에서 대체적으로 부유물질 농도가 다른 정점보다 11월에 표층과 저층에서 가장 높게 나타났다. 이는 부산 신항 수역에 위치한 무인도 토도의 제거 공사가 2017년 7월에 시작하여 2020년 5월에 완료된 점을 고려하면 St.45에서는 보이는 2012년 11월 표·저층의 고농도 부유물질 발생은 다른 요인에 기인한 것으로 판단된다.

3.4 투명도와 부유물질의 상관 분석

본 연구에서는 수집된 부산 연안의 관측데이터인 Table 2의 투명도와 부유물질 농도의 최대, 최소, 평균값을 바탕으로 두 수질 자료의 상호 상관성 및 식 (9)와의 관계를 살펴보았다(Fig. 8, Fig. 9).

Fig. 8.

Correlation between transparency and surface suspended solids.

Fig. 9.

Correlation between transparency and seabed suspended solids.

투명도가 클수록 부유물질 농도는 낮아지는 일반적인 경향을 보이나, 분산도는 표층보다는 저층에서 크게 나타났다. 또한 식 (9)의 회귀식과 비교할 때 최소 또는 평균값에 비해 최댓값의 경우가 회귀식에 근접한 분포를 가지고 있음을 알 수 있다. 하지만 회귀식과 최댓값과의 오차가 다소 크기 때문에 식 (9)를 사용하여 해역의 투명도와 부유물질의 상호 상관성을 평가하기에는 다소 무리가 있으므로 타 연구에서 이를 활용할 경우 적용 식에 대한 한계를 이해하고 추가 검토가 필요할 것으로 사료된다.

3.5 군집분석 결과

부산 연안에서 약 10년 동안 자료를 바탕으로 군집분석에 의한 덴드로그램(Dendrogram)과 7개 클러스터(Cluster)로 구분하여 관측 정점 및 투명도와 부유물질의 최대, 최소, 평균값들의 평균치를 나타내었다(Fig. 10, Table 3).

Fig. 10.

Dendrogram according to cluster analysis of water quality data.

Table 3.

Cluster classification results using transparency and suspended solids data in the Busan coastal waters

Fig. 11은 Table 3에 제시된 각 클러스터별 투명도 및 부유물질 농도의 최대, 최소, 평균값의 차이를 막대그래프로 제시한 것이다.

Fig. 11.

Comparison of maximum, minimum, and average values of transparency and suspended solids concentration for each cluster.

먼저 투명도를 나타내는 Fig. 11(a)를 살펴보면 클러스터 1의 최댓값이 11.13 m로 가장 크고 다음으로 클러스터 3의 8.4 m, 클러스터 2의 6.22 m의 순이었다. 나머지 클러스터에서는 큰 차이를 보이지 않았다.

또한 해수면 표층의 부유물질을 나타내는 Fig. 11(b)를 살펴보면 클러스터 7의 최댓값이 76.9 mg/L로 가장 크고 다음으로 클러스터 4의 48.2 mg/L의 순이었다. 나머지 클러스터에서는 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다. 그리고 해수면 저층의 부유물질을 나타내는 Fig. 11(c)를 살펴보면 클러스터 7의 최댓값이 88.75 mg/L로 가장 크고 다음으로 클러스터 6의 84.0 mg/L, 클러스터 5의 59.87 mg/L의 순이었다. 클러스터 2에서 23.43 mg/L으로 가장 낮은 값을 나타내었다.

결과적으로 투명도가 큰 클러스터 1~3에서 표·저층의 부유물질 농도가 낮고 투명도가 작은 클러스터 4~7에서 표·저층의 부유물질 농도가 높은 경향임을 알 수 있다. 하지만 클러스터 5와 6의 경우 저층과는 달리 표층에서의 최대 부유물질 농도가 낮은 반면에 평균값은 다른 클러스터와 크게 차이를 보이지 않음을 알 수 있다. 클러스터 5와 6은 관측 정점이 St.32, St.33, St.44, St.46, St.47인데 이는 낙동강 하구둑 바로 앞 정점, 부산 신항 해역, 가덕도 남동측 해역에 해당한다.

또한 Table 3에 제시된 각 클러스트별 관측 조사정점 위치를 보다 상세히 살펴보면 Fig. 12와 같이 제시할 수 있다. 그림에서 부산 연안 해역의 투명도와 부유물질 농도 공간 특성을 살펴보면 수영만과 부산 남항, 해운대~대변항과 부산항 해역이 유사한 수괴 특성을 보였다. 하지만 기장군 고리원전 주변 해역은 2개, 낙동강 하구역은 5개, 부산 신항은 3개 클러스터가 존재함으로써 다소 수괴 특성이 명확하지 않은 것으로 생각된다. 이는 관측 자료가 1년에 4회(2,5,8,11월)로 한정되어 있고, 일부 누락된 자료에 의해서 생기는 불명확함 때문이라 판단된다. 하지만 기장군 고리원전 해역은 정관신도시 건설에 따른 좌광천을 통해 흙탕물 유입, 낙동강 하구역의 경우 매년 홍수시 다량의 하천유량에 의한 변동성, 부산 신항 해역의 경우 운항선박 프로펠러에 의한 저층 퇴적물의 재부유, 매립 및 항내 준설에 따른 항만공사의 영향으로 추정된다.

Fig. 12.

Spatial distribution characteristics of transparency and suspended solids concentration by cluster in Busan coastal waters.