바다골재 채취과정에서 발생하는 부유사플룸의 농도 측정법 리뷰

1. 서 론

골재는 하천, 산림, 공유수면에 부존된 암석 또는 모래로써 시멘트 및 철근과 더불어 필수적인 건설자재 중 하나이며(Hong et al.[2015]), 자연상태로부터 이를 캐거나 들어내어 분리하는 행위를 골재채취라고 한다. 이러한 골재채취는 경제성장을 통해 건설 수요가 기하급수적으로 증가함에 따라 함께 증가하고 있는 추세이며, 수요를 충당하기 위해 4대 골재원(하천, 바다, 산림, 육상)에서 지속적인 채취작업이 수행되어 오고 있다. 특히, 바다골재는 수요를 안정적으로 충족할 수 있는 대표적인 골재원으로써(Lee et al.[2010]) 전체 골재 공급원 중 약 10~30%(2011~2020년)의 구성비를 차지하고 있으며(Ministry of Land, Infrastructure and Transport[2021])(Table 1), 배타적경제수역(EEZ)의 지정된 골재채취단지에서 수행되고 있다. 바다골재채취는 그 규모에 따라 [해양환경관리법]의 해역이용협의와 해역이용영향평가제도에서 대상사업으로 규정되어 있으며(Lee et al.[2010]), 골재채취 허가권자(골재채취법 제22조)만이 채취를 수행할 수 있다.

Table 1.

The percentage of sand mining by source (Ministry of Land, Infrastructure and Transport[2021])

바다골재 채취과정에서 발생하는 고농도 부유사플룸(plume)은 인근 해양생태계를 교란시키기 때문에 조업활동을 저해시킬 수 있다. 골재채취에 대한 민원은 수산업계로부터 지속적으로 제기되고 있으며 어업인 간의 갈등 또한 심해지고 있다(Lee et al.[2010]). 실제로, 골재채취는 주변 해저지형을 변화시켜 저서해양생물 군집과 서식지를 파괴하고, 어장·인공어초의 훼손, 수산자원의 감소, 해안 침식을 야기하는 문제점이 있다. 또한, 고농도 부유사플룸은 수층광투과량을 감소시키고, 식물플랑크톤의 이동과 일차생산을 변화시켜 해양먹이사슬을 파괴시키기도 한다. 이러한 해양생태계 교란을 비롯한 환경문제는 국내 뿐만 아니라 전세계 다양한 해역에서 발생되고 있다(Rogers[1990]; Cho[2006]; Erftemeijer and Lewis[2006]; Suedel et al.[2008]; Lee et al.[2010]; Jeong et al.[2017]).

부유사플룸은 퇴적물의 입경, 밀도, 침강속도뿐만 아니라 준설선의 종류, 대상해역의 수심, 수온, 염분, 유속 등의 물리적 조건에 많은 영향을 받으며(Nichols et al.[1990]), 시·공간적 변동성이 높은 확산 형태를 나타낸다. 이러한 이유로, 최근 부유사플룸 확산에 대한 연구에는 수치모형을 기반으로 한 예측모델이 주로 활용되고 있으며, 예측 정확도를 향상시키기 위해 음향, 광학, 위성 등을 통한 장기적이고 연속적인 현장관측이 수행되고 있다. 본 논문에서는 바다골재 채취과정에서 발생하는 고농도 부유사플룸의 농도를 관측하는 방법(직접채수, 광학, 음향, 원격탐사)에 대한 장·단점을 비교·평가하였으며, 세부적으로 현장 채수자료의 필요성, 부유물질 특성이 광학 및 음향장비 결과에 미치는 영향, 위성관측의 광역성 및 한계성을 리뷰하였다.

2. 부유사플룸의 확산 형태

바다골재 채취에는 이동식과 고정식 흡입방식의 채취선이 널리 사용되고 있다. 두가지 모두 직경 약 1 m의 흡입관(suction pipe)을 해저면까지 내려 모래 또는 자갈을 해수와 함께 선상으로 끌어올리는 방식이다(Manap and Voulvoulis[2015]; Garel et al.[2018])(Fig. 1). 흡입관 내부는 주변보다 압력이 낮기 때문에 해저면에 느슨하게 퇴적되어 있는 골재는 관 안쪽으로 쉽게 이동되게 된다. 흡입된 골재 중 큰 입자(> 0.1 mm)는 침전과정을 통해 바지(barge)에 적재되고, 약 10%(부피기준)의 부유퇴적물은 흡입과정에서 발생하는 난류에 의해 월류수(overflow)의 형태로 해수와 함께 주변 해역으로 배출된다(Kim and Lim[2009]). 월류수는 주로 입자 크기가 작은 실트와 점토 퇴적물(< 0.063 mm)로 구성되어 있으며, 바다로 배출되는 과정에서 고농도 부유사플룸을 형성한다. 부유사플룸은 지역적 조건(예, 퇴적물 조성, 유속, 난류강도)과 준설방법에 따라 확산 범위와 규모가 결정된다(Table 2). 일반적으로 3단계의 발달과정을 통해 광범위하게 확산된다(Nichols et al.[1990])(Fig. 1). (1) 대류성 하강단계(convective descent): 월류수는 고염분의 저층수와 고농도 부유퇴적물로 구성되어 있기 때문에, 표층수에 비해 상대적으로 밀도가 높다. 월류수 배출은 채취선 주변해역(100~200 m 이내)에 두꺼운 플룸층(수 십 m 이상)을 형성시킨다(Seo et al.[2018]). 바다골재 채취가 진행되는 동안 채취선 주변 농도는 일시적으로 수 백에서 수 천 mg l^-1까지 증가하기도 한다. (2) 동력상실단계(dynamic collapse): 월류수 배출과 함께 밀도가 큰 입자들은 채취지점 인근에서 대부분 침전되고, 채취지점으로부터 멀어질수록 배경수층과 동일한 밀도의 작은 입자들만 부유상태를 유지한다. 부유사플룸의 두께는 약 5 m 미만으로 크게 감소한다. (3) 수동확산단계(passive diffusion): 부유사플룸이 자체 동력을 상실하면, 수층안정도와 외부강제력(예, 조석, 바람)의 영향을 받아 확산 또는 침강된다(Kim et al.[2018]). 성층이 잘 발달된 경우, 표층을 따라 수 백 m에서 수 십 km까지 확산되기도 한다. 실제로, 남해 EEZ 골재채취단지에서 발생한 부유사플룸의 경우, 성층이 발달된 봄철에 쓰시마 해류를 따라 표층에서 약 40 km까지 확산되었으나, 혼합층이 발달된 가을철에는 표층 아래로 침강되어 확산범위가 10 km 미만으로 대폭 축소되었다(Seo et al.[2018]). 부유사플룸이 확산 또는 침강됨에 따라 농도는 1시간 내 약 1/20수준까지 빠르게 감소하며 배경농도와 비슷해진다(Nichols et al.[1990]).

Fig. 1.

Diagram of plume dispersion generated by sand mining (modified after Nichols et al.[1990]).

Table 2.

Characteristics of plume generated by dredging

3. 부유사플룸의 관측방법의 분류와 장·단점

부유사플룸을 정의할 때, 부유입자물질(suspended particulate matter, SPM) 농도를 사용하여 배경농도(background concentration)와 구분한다. 부유입자물질 농도는 단위 체적 내 포함되어 있는 부유물질의 무게 합을 의미하며, 퇴적물, 유기물, 플랑크톤 등 모든 부유물질을 포함한다. 골재채취단지에서 발생되는 부유사플룸과 같이 부유퇴적물 입자의 비율이 절대적으로 우세한 경우, 부유입자물질 농도는 부유퇴적물에 대한 질량농도를 일컫는 부유사농도와 혼용하여 사용하기도 한다. 부유사농도는 질량을 기준으로 하는 절대값으로써 부유입자의 물리적 특성(예, 크기와 모양)에 영향을 받지 않기 때문에, 지역적 특성(예, 퇴적물 조성, 유속)이 다른 환경에서 발생하는 부유사플룸과 농도 비교가 가능하다. 많은 연구자들이 다양한 환경에서 발생하는 부유사플룸의 특성을 비교하기 위해 직·간접적으로 이들의 농도를 산출하고 있으며, 이것의 농도를 측정하는 방법은 관측원리를 기준으로 다음과 같이 크게 4가지(직접채수, 광학, 음향, 원격탐사)로 분류된다(Fig. 2) (Table 3).

Fig. 2.

Image of instruments used for measuring the suspended sediment concentration of plume. Images were downloaded from the official websites of manufacturers and operators: Satellites (NASA and Korea Meteorological Administration).

Table 3.

Measurement techniques of suspended sediment concentration of plume

3.2 광학장비

해양에서 탁도는 물의 흐림 정도를 나타내며, 수층 내 빛의 통과를 억제하여 가시심도를 낮추는 부유입자의 양을 의미한다. 탁도 측정을 위해 활용되는 광학장비에는 입자에 의한 산란강도를 측정하는 후방산란광도계(optic backscatter system, OBS)와 투과도를 측정하는 투과율계(transmissometer)가 있으며, 이들을 탁도계(turbidimeter)라고 통칭한다. 탁도계는 1980년대 초부터 개발되었으며, ECO-NTU(WetLabs), OBS(Campbell Scientific), Hyperion Turbidity (Valeport), Argus Suspension Meter(Argus) 등 많은 장비가 현재 상용시장에 출시되어 있다(Fig. 2b). 이들은 센서표면 0.5~30 cm 앞 방향으로 적외선(442~671 nm)을 주사하여 부유입자에 의한 산란강도 또는 굴절각을 측정하고(Downing et al.[1981]; Hatcher et al.[2000]; Ruhl et al.[2001]), 노이즈를 최소화하기 위해 샘플링 체적(sampling volume)에서 공간평균된 값을 사용한다(Downing[2006]; Ha et al.[2009]). 제조사와 모델별로 각기 다른 관측항목(예, 산란강도, 굴절각, 흡수도)과 단위(예, Volt, NTU, FTU)를 제공하기 때문에, 측정된 탁도는 상대적인 값이다. 따라서, 농도 비교를 위해서는 직접채수를 통해 획득된 현장시료를 이용하여 보정해야한다(Maa et al.[1992]; Clarke et al.[2007]; Fearns et al.[2017]; Campbell Scientific[2018]).

탁도관측(정점 또는 계류)과 직접채수를 함께 병행할 경우, 부유사농도의 시·공간 해상도를 획기적으로 향상시킬 수 있다(Downing[2006]) (Table 3). 적정 농도범위에서의 탁도는 부유사농도와 선형관계(산란율은 비례, 투과율은 반비례)를 가지기 때문에, 탁도를 높은 시·공간 해상도의 부유사농도로 변환할 수 있다. 탁도계의 후방산란강도는 햇빛이나 기타 입자들의 영향에 미미하므로, 수 천 mg l^-1 까지 정확한 부유사농도를 산출할 수 있다(Downing[2006]). 이러한 광학장비의 활용은 부유사플룸 확산에 대한 상세한 해석을 가능하게 만들었다. Fettweis et al.[2011]은 준설지점 인근해역에 탁도계를 계류함으로써 조류에 의한 부유사플룸의 확산과 농도 변동성 간의 상관성을 확인하였고, Capello et al.[2014]는 탁도계의 정점관측으로 수층 부유사농도의 수직 변동성을 산정함으로써, 모델로 구현된 부유사플룸 내 입자의 퇴적률을 비교·검증하였다. 또한, Seo et al.[2018]은 탁도계를 활용한 추적조사를 통해 수층안정도 차이에 따른 부유사플룸의 침강 현상을 규명하였다. 탁도계는 관측방법에 따라 부유사플룸의 확산 양상을 다양한 관점에서 해석할 수 있다. 그러나, 광학장비가 부유사농도 측정에 높은 정확성을 지니고 있는 만큼 부유입자의 특성(농도, 크기, 형태, 흡수도)에 민감도가 높다(Battisto et al.[1999]). 따라서, 부유사플룸의 농도를 보정하는 과정에서 다음 두 가지 요인을 고려해야 한다.

첫째, 탁도는 부유사농도 범위에 따라 다른 변동성을 보인다(Baker and Lavell[1984]; Gibbs and Wolanski[1992]; Fugate and Friedrichs[2002]). 적외선이 부유입자에 주사된 후 다시 탁도계의 검출기(detector)로 돌아올 때, 부유입자들 사이에서 흡수와 산란과정이 발생한다. 흡수는 주로 적외선을 열로 변환하는 반면 산란은 파장을 변화시키지 않고 전달방향(굴절각)을 변경한다(Downing[2006]). 흡수도는 주로 저농도 환경에서 탁도에 영향을 미치며, 수층 내 용해되어 있는 물질의 종류(예, 광산 폐수, 농업용수)에 따라 그 영향범위가 달라지게 된다. 수층의 농도가 증가하게 되면, 탁도는 흡수도보다 산란강도에 많은 영향을 받게 된다(Buiteveld et al.[1994]; Downing[2006]; Shao and Maa[2017]). 이 때, 수층의 부유사농도 증가에 따른 탁도계의 반응은 크게 3 단계 “(1) 탁도와 부유사농도 간의 선형관계, (2) 탁도계의 포화상태 도달, (3) 부유사농도 증가로 인한 탁도 유지 또는 감소” 로 구분되며, 장비 제조사와 모델에 따라 포화도의 범위가 결정된다(Downing[2006]; Ha et al.[2009]; Vousdoukas et al.[2011]; Lin et al.[2020]) (Fig. 3a). 예를 들면, Bunt et al.[1999]의 연구에서는 OBS가 약 10~30 g l^-1 범위에서 포화된 뒤, 산란강도 감쇄에 의해 부유사농도의 증가에도 불구하고 탁도가 감소되는 경향을 보였다. 반면, Lin et al.[2020] 연구에서 ASM은 포화상태에 도달하게 되면 뚜렷한 감소없이 일정한 탁도를 유지함을 보였다(Fig. 3a). 그 결과, 농도보정 과정에서 ASM은 측정 가능한 농도의 범위를 특정 지을 수 있으나, OBS는 실제 농도와 포화농도 간 차이를 판별하는데 어려움이 있다. 계류과정에서 이러한 탁도계의 포화는 고농도의 부유사플룸에 의해 빈번하게 발생되며, 과학적 해석의 오류를 야기한다. 실제로, Fettweis et al.[2011; 2016]는 준설과정에서 발생한 부유사플룸에 의해 포화된 OBS의 탁도를 그대로 활용할 경우, 평균농도의 과소평가(underestimation)가 발생할 수 있음을 강조하였고, Lin et al.[2020]은 광학장비별 포화범위의 차이가 실제 부유사농도 변동성 파악에 혼란을 야기할 수 있음을 보였다.

Fig. 3.

(a) Turbidity vs. SPM over the useful concentration ranges of instrument (modified after Bunt et al.[1999]; Lin et al.[2020]). (b) Turbidity vs. SPM for suspended particle with different particle size (modified after Bunt et al.[1999]). Note that negative relationship between turbidity and particle size for a given SPM.

둘째, 부유입자의 크기 감소와 형태의 불규칙성은 산란강도를 증가시킨다(Gibbs[1978]; Black and Rosenberg[1994]; Sutherland et al.[2000]; Downing[2006]). Section 2에서 언급한 바와 같이, 월류수가 해상으로 배출되면 채취선 인근해역의 모래입자는 바로 침강되나 세립입자는 수 시간을 부유되어 확산된다(Riemann and Hoffmann[1991]). 이는 부유사플룸 내 입자의 크기가 공간적으로 다르다는 것을 의미한다. 일반적으로 임의의 입자크기에서 부유사 농도와 탁도는 대체로 높은 상관성으로 양의 비례관계를 갖는다. 그러나, 입자크기가 증가할수록 탁도는 오히려 감소하는 현상이 나타난다(Fig. 3b). 동일한 농도 조건일 때, OBS는 100 μm의 모래 성분에서 약 2 μm의 점토 성분에서 보다 약 50배 낮은 민감도를 보인다(Battisto et al.[1999]). 이는 부유사 입자의 크기가 탁도계로부터 주사된 적외선의 파장보다 약 1~1000배 크기 때문에 파장의 감쇄율에 비례하여 산란도가 증가하는 것이다(Downing[2006]). 여기서, 입자의 크기 증가는 조립질 성분으로의 변화만을 의미하지 않으며, 세립한 입자(점토, 실트)간의 응집으로 형성된 플록(floc)의 발달 또한 포함한다. 점토질 입자는 대체로 판상(plate) 형태로써 구형에 비해 약 8배 높은 산란강도를 유발한다. 그러나, 이들이 구형 플록으로 응집되어 크기가 증가함에 따라 산란강도는 감소하게 된다. 더불어 세립퇴적물의 응집과정은 난류강도, 부유사농도, 유기물 함량 등에 영향을 받기 때문에 외부조건에 의해 산란강도의 변동성이 발생할 수 있다.

3.3. 음향장비

지난 수십 년 동안 음향관측분야에서 다양한 기술과 장비(예, ADCP(RDI), Aquadopp(Nortek), HydroSurveyor(Sontek))들이 개발되어 왔다(Wren et al.[2000]; Thorne and Hanes[2002]). 특히, 해양관측분야에서 대중적으로 사용되는 ‘ADCP’는 퇴적역학분야 발전에 많은 기여를 하였다. ADCP는 계류(mooring) 또는 측선관측으로 3차원 유속성분의 시·공간 변동성을 측정하는 장비이다(Fugate and Friedrichs[2002]) (Fig. 2c). 주파수에 따라서 관측범위가 수 백 m에 달하며 유체의 흐름을 방해하지 않는 특징으로 자료의 신뢰성이 높다(Lin et al.[2020]) (Table 3). 유속은 수층에 송출된 고유한 주파수의 음파가 부유입자에 의해 후방산란될 때 발생하는 파장변화를 통해 측정된다. 따라서, 유속과 더불어 산란강도의 상대적 비율인 후방산란강도가 함께 측정되어 부유사농도를 간접적으로 추정할 수 있다(Lin et al.[2020]; Son et al.[2021]).

수중에 송출된 음파는 물(a_w) 또는 부유입자(a_s)에 의한 감쇄효과 때문에, 그 에너지가 거리에 비례하여 감소한다(Deines[1999]; Kim et al.[2004]; Ha et al.[2011]; Guerrero et al.[2012]; Son et al.[2021]). 감쇄효과를 적절하게 보정하지 않을 경우, ADCP에서 관측된 부유사농도는 실제 농도보다 과소 혹은 과대평가될 수 있다. 따라서 식(2) 소나방정식을 이용하여 후방산란강도를 보정해주어야 한다(Deines[1999]).

$\[ \begin{array}{l}{S}_{\nu }=C+10\cdot {\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{g}}_{10}\left(\left(T_x+273.16\right)R^2\right)-L_{DBM}-P_{DBW}\hfill \\ +2{\text{α}}_{w}R+K_C\left(E-E_r\right)\hfill \end{array} \]$

(2)

여기서, S_v는 평균체적 후방산란강도(mean volume backscattering strength, MVBS)(dB), C와 K_c는 트랜스듀스의 고유보정상수, T_x는 온도(^oC), R은 음파송출거리(m), L_DBM과 P_DBW는 송출펄스길이(transmit pulse length)와 송출전력(transmit power), α_w는 물에 의한 감쇄계수, E와 E_r은 후방산란강도와 배경후방산란강도를 의미한다. 소나방정식을 통해 산출되는 평균체적 후방산란강도는 송출 거리에 따른 음파의 왜곡을 최소화함으로써 부유사플룸의 분포를 명확하게 나타낸다. 그러나, 평균체적 후방산란강도는 특정 주파수를 기반으로 하는 산란강도이기 때문에, 주파수가 다른 ADCP로부터 산출된 평균체적 후방산란강도와의 비교가 제한된다. 예를들면, 600 kHz와 1200 kHz ADCP로 동시에 부유사플룸 관측을 수행하였을 때, 평균체적 후방산란강도의 변동성은 유사하지만 절대값은 고주파 ADCP에서 더 높게 나타난다(Deines[1999]). 부유사농도를 비교하기 위해서는 식 (3~5)와 같이 직접채수와 광학장비를 활용한 추가 보정이 필요하다(Deines[1999]; Kim et al.[2004]).

$\[ \begin{array}{l}{S}_{\nu }=10\cdot {\log }_{10}\left(SP{M}_{OBS}\right)-10\cdot {\log }_{10}{R}^2-2\cdot \left({\alpha }_w+{\alpha }_s\right)\cdot R\hfill \\ +L_{DBM}+P_{DBW}\hfill \end{array} \]$

(3)

$\[ S_{\nu }=K_C\cdot \left(E-E_r\right)+C \]$

(4)

$\[ \begin{array}{c}SP{M}_{ADCP}=\hfill \\ 10\cdot \exp \left(\frac{C+20\cdot {\mathit{log}}_{10}R+2\cdot \alpha \cdot R-L_{DBM}-P_{DBW}+K_C\cdot \left(E-E_r\right)}{10}\right)\hfill \end{array} \]$

(5)

여기서, SPM_OBS는 직접채수와 광학장비로 획득된 SPM, α_s는 부유입자에 의한 감쇄계수, K_c와 C는 S_v와 후방산란강도(E)의 관계에서 계산되는 보정 상수, SPM_ADCP는 ADCP 후방산란강도에서 변환된 부유사농도를 의미한다. 일반적으로, SPM_ADCP는 표층과 저층의 약 10% 영역을 제외하고 SPM_OBS와 유사하게 산출되며 부유퇴적물의 분포를 잘 반영한다(Kim et al.[2004]). 특히, SPM_ADCP는 유속과 동시에 측정되기 때문에, 부유사플룸의 형태와 확산속도, 침강속도, 수송량 등을 계산함으로써 이들의 영향범위를 평가하는데 활용될 수 있다(Clarke et al.[2005]; Wood and Boye[2007]). 예를들면, de Wit et al.[2014]는 ADCP 측선관측을 통해서 준설선으로부터 배출된 월류수의 확산 및 침전 패턴과 수송량의 변동성을 측정하였고, Haimann et al.[2018]은 ADCP로부터 산출된 농도의 공간분포를 비교·평가함으로써 인위적 또는 자연적으로 발생한 부유사플룸의 영향범위를 구분하였다. ADCP를 활용하여 부유사플룸에 대한 정확한 정보를 획득하기 위해서는 아래 두가지 사항을 고려해야 한다.

첫째, ADCP는 장비의 특성상 “측정불가구간”이 있다. 트랜스듀스에 인접한 공백거리(blanking distance)와 매질이 다른 경계면(표층 또는 저층경계면) 주변에 신호오염구간이 존재한다(RD Instrument[2011]; Shin et al.[2014]; Mueller[2015]) (Fig. 4). 공백거리는 설치 깊이, 음파속도, ADCP 관측모드, 셀 크기(cell size), 주파수, 빔 각도에 의해 결정되고, 트랜스듀스로부터 수 cm에서 수십 cm 범위이다(Kim et al.[2015]; Chen et al.[2016]). 신호오염구간은 사이드로브(side lobe)에 의한 간섭현상에서 기인하며, 경계면으로부터 1~2 m 구간은 심한 노이즈를 포함한다(Park et al.[2001]; Shin et al.[2014]). 트랜스듀스는 20~30^o 경사각(slant angle)을 이루며 음파를 송출하기 때문에, 매질이 다른 경계면에 메인로브(main lobe)보다 사이드로브가 먼저 도달하게 된다(Fig. 4). 이 경계면은 전달된 음파를 강하게 반향시켜 메인로브의 약 6~15% 구간 신호를 오염시키기 때문에, 유속과 후방산란강도의 정확도를 저감시킨다. 이러한 공백거리와 신호오염구간의 존재는 표층 또는 저층경계면에서 발생하는 고농도 부유사플룸을 관측하는데 있어 방해요소로 작용된다(de Wit et al.[2014]). 따라서, 음향관측장비의 종류와 설정값 조정을 통해 측정불가구간을 최소화해야한다.

Fig. 4.

Conceptual diagram for describing the beam pattern (brown) of down-looking acoustic Doppler current profiler (ADCP). The transducer depth (light red) is from the water surface to ADCP transducer. The blanking distance is unmeasured area that corresponds to electronics and transducer recovery time. The interference area indicates the contaminated area caused by the reflection of a vertical side lobe from the sediment bed.

둘째, 입자의 특성 변화에 의해 부유사플룸의 농도가 왜곡될 수 있다. 식 (2~5)과 같이 평균체적 후방산란강도 또는 SPM_ADCP를 계산할 때, 물과 부유입자에 의한 점성흡수(viscous absorption) 또는 산란효과를 고려해야한다(Fisher and Simmons[1977]; Richards et al.[1996]; Thorne et al.[1991]; Thorne and Hanes[2002]). 이 때, α_w와 α_s의 상대적 비는 부유입자의 농도와 크기에 따라 결정된다(Ha et al.[2011]) (Fig. 5). 수층의 농도가 약 100 mg l^-1 미만의 맑은 환경(1000 kHz 기준)에서는 부유입자가 거의 없기 때문에, α_s는 무시 가능 할 만큼 작고 α_w의 영향이 지배적이다(Kim et al.[2004]). α_w는 주파수가 증가함에 따라 증가하며, 염분, 온도, 압력의 조건에 따라 상대적 크기 차이가 발생한다(Francois and Garrison[1982a, 1982b]; Park and Lee[2016]). 예를 들면, 1000 kHz 보다 큰 주파수에서는 담수와 해수 사이에 α_w는 거의 유사하지만, 1000 kHz 보다 낮은 주파수에서는 황산마그네슘(MgSO₄) 이온의 이완으로 인해 해수에서 α_w가 더 크게 작용한다(Urick[1983]). 한편, 채취선에 인접한 고농도 영역(약 200 mg l^-1 이상)에서는 α_s/α_w> 1 (1000 kHz 기준)으로 α_s에 의한 감쇄효과가 우세해진다. α_s는 입자크기에 따라 점성흡수와 산란효과로 구분된다. 미세점착성입자(평균입자크기 ≈ 2 μm)일 경우, 입자와 주변 유체 사이에 밀도 차이가 존재하게 된다. 이 때, 점성흡수에 의해 관성력이 발생되고, 이는 차례로 입자와 유체 사이에 속도구배를 초래한다(Kim et al.[2004]). 둘 사이의 상대운동은 주위에 경계층을 형성하고, 결론적으로 입자 운동을 감쇄시키게 된다(Urick[1948]; Richards[2003]). 반면, 조립입자(평균입자크기 ≈ 800 μm)의 경우, 파장과 입자의 상대적 크기에 의해 산란방향이 결정된다. 파장이 입자크기보다 작을 경우, 산란 패턴의 절반은 전방으로 전파되지만, 입자가 파장보다 더 클 경우에는 산란패턴이 대부분 후방으로 전파된다(Kim et al.[2004]). 특히, 농도가 약 1000 mg l^-1에 달할 경우, α_s/α_w> 8로 부유입자의 감쇄효과는 더욱 크게 향상된다. 이러한 부유사농도와 입자크기에 의한 α_s/α_w의 차이는 부유사플룸 내에서 SPM_ADCP가 과대 혹은 과소평가 될 수 있음을 의미한다.

Fig. 5.

(a) Sound attenuation by frequency and particle size. (b) Attenuation caused by viscous absorption for fine particles and by scattering for coarse particles at 1000 kHz. (c) The ratio of αs to αw with different particle size and sediment concentration at 1000 kHz.

3.4 원격탐사

원격탐사는 물리적인 접촉 없이 지표면, 해양, 대기로부터 반사·복사되는 전자파 에너지를 감지하여 원거리에 있는 대상의 물리적 성질을 측정하는 기술이다. 위성은 광범위한 지역에서 동시 관측된 산출물을 연속적으로 제공할 수 있다는 점에서 대상의 변화를 감지하고 예측하는데 많은 이점을 제공한다(Table 3). 바다로부터의 태양광 반사스펙트럼을 측정하는 해색위성은 관측궤도(정지 또는 이동)와 센서(GOCI, MODIS, OLI, TIRS, ETM+)의 종류에 따라 각기 다른 시·공간 해상도의 산출물을 제공한다(Table 4). 정지궤도위성은 지구와 동일한 자전 및 공전주기로 회전하며 고정된 지역을 연속적으로 관측하는 방식이고, 이동위성은 정지궤도위성보다 낮은 높이에서 지구의 자전속도보다 빠르게 회전하며 넓은 범위를 관측하는 방식을 의미한다. 해색위성은 탑재된 센서의 파장대(예, 가시광선, 근적외선 파장 영역)에서 수집된 전자파 에너지를 보정(예, 복사보정, 기하보정, 대기보정)한 뒤, 클로로필(chl-a), 용존유기물, 부유사 등 해수에 포함되어 있는 생지화학적 정보를 제공한다. 부유사농도 산출물의 경우, 가시광선 중 적색광의 반사도가 부유입자의 산란과 잘 구분되기 때문에(Yang et al.[2013]), 각 위성 센서에서 400~850 nm 범위에 해당하는 채널을 사용하며 연안해역에서 발생하는 부유사플룸의 농도 및 확산 범위 규정에 활용되고 있다.

Table 4.

Satellites and sensors used for mapping the suspended sediment concentration

해양에서 부유사를 관측하기 위해서는 10~100 nm의 분광해상도, 10 km × 10 km 이상의 촬영가능 영역과 약 300 m × 300 m의 공간해상도 조건을 충족해야한다(Yang et al.[2013]). 위 조건을 충족하는 대표적인 위성으로 Aqua-MODIS와 Landsat 8-OLI가 있다. 이들은 이동위성에 탑재되어 광범위한 영역의 부유사농도를 제공하며 연안해역의 부유사플룸 연구에 활용되고 있다. 예를 들면, Barnes et al.[2015]은 Aqua-MODIS(공간 해상도: 500 m × 500 m)를 활용하여 반복적인 항만 준설에 의해 발생된 부유사플룸의 확산면적 일변화를 계산하였고, Kim et al.[2018]은 Landsat 8-OLI(공간 해상도: 30 m × 30 m)를 활용하여 골재채취에 의해 발생된 부유사플룸이 약 24 km까지 확산된 것을 보고하였다. 이러한 고해상도 센서들은 좁은 영역(수십 km 미만)에서 확산되는 부유사플룸을 관측하기에 매우 효율적이다. 그러나, 공간해상도가 높은 센서는 대부분 시간해상도가 낮다(Yang et al.[2013]). 실제로, Aqua는 동일관측지점을 통과하는데 약 1~2일(Schaaf et al.[2011]; Vanhellemont et al.[2014]), Landsat 8은 16일이 소요된다(Pan et al.[2018]). 대형하천으로부터 부유퇴적물이 지속적으로 공급되어 형성되는 하천 기원 부유사플룸과는 달리, 골재채취에 의한 부유사플룸은 채취작업 종료 후 수 시간만에 표층에서 소멸되기도 한다. 따라서, 관측 시간 간격이 긴 이동위성을 이용하여 빠르게 변화하는 부유사플룸의 확산패턴을 관측하기에는 자료가용성의 한계가 있다(Barnes et al.[2015]; Kim et al.[2018]).

정지궤도위성은 총부유물질농도의 시간 변화를 상세하게 분석할 수 있다. 대표적인 정지궤도위성으로써 천리안 1호(COMS, 2021년 3월 종료)는 Geostationary Ocean Color Imager(GOCI) 센서를 탑재하여 공간해상도 500 m × 500 m 에서 동일한 지점을 매일 8회(1시간 간격) 관측한다(Lee[2013]; Eom et al.[2014]). GOCI는 Fig. 6과 같이 골재채취 지점에서 발생된 부유사플룸의 형성, 확산, 소멸되는 과정을 명확하게 보여준다. 특히, 표층에서 총부유물질농도가 증가하여 플룸이 해류를 따라 넓은 영역으로 확산되는 경우, GOCI는 해양환경변화 감시수단으로 활용될 수 있다(Yang et al.[2013]). 천리안 1호 종료와 함께, 후속위성으로써 GOCI-II 센서를 탑재한 천리안 위성 2호(GK-2B, 2020년 9월 개시)가 향상된 기능(공간해상도: 250 m × 250 m; 시간 해상도: 매일 10회(1시간 간격))으로 관측임무를 수행하고 있다. GOCI-II는 부유물질의 산란과 흡광 증가에 따라 원격반사도 값이 증가한다는 원리를 기반으로 운영된다. 별도의 밴드비 없이 단일밴드 620 nm의 원격반사도 값을 기준으로 다음과 같은 세 가지 알고리즘으로 구분되어 표층에서의 총 부유물질농도를 산출한다(Korea Ocean Satellite Center of KIOST[2021]):

Fig. 6.

Temporal variation of plume captured by the COMS (GOCI), near south coast of Korea (34°11.41'N, 128°24.56'E) on May 19, 2015. The yellow square and dashed box indicate the sand mining complex and dispersed area of plume. The dispersion of plume reached over 22 km at 09:30 AM, and gradually disappeared for 5 hours.

(1) 낮은 탁도에서 SPM (R_rs 620 < 0.017):

$\[ \begin{array}{c}SP{M}_{LT}={\sum }_{i=1}^4 c_i{R}_{rs}{\left(620 nm\right)}^i,\hfill \\ c_i=\left\{1.067\times {10}^3,-8.36\times {10}^4,5.95\times {10}^6,-1.88\times {10}^7\right\}\hfill \end{array} \]$

(6)

(2) 높은 탁도에서 SPM (R_rs 620 > 0.0245):

$\[ \begin{array}{c}SP{M}_{LT}={\sum }_{i=0}^3 c_i{R}_{rs}{\left(709 nm\right)}^i,\hfill \\ c_i=\left\{3.19\times {10}^1,-1.10\times {10}^3,-7.73\times {10}^3,-9.64\times {10}^6\right\}\hfill \end{array} \]$

(7)

(3)중간 탁도에서 SPM (0.017 < R_rs 620 < 0.0245, weight값 적용)

$\[ \begin{array}{c}SP{M}_{LT}={\omega }_{LT}SP{M}_{LT}+\left(1-{\omega }_{LT}\right)SP{M}_{HT}\hfill \\ {\omega }_{LT}=\frac{0.0245-R_{rs}\left(620 \mathrm{n}\mathrm{m}\right)}{0.0245-0.017}\hfill \end{array} \]$

(8)

원격탐사(이동과 정지궤도)는 직접채수, 광학, 음향관측과 비교하여 광범위한 해역의 부유사플룸의 농도를 측정할 수 있는 방법이다. 그러나, 위성으로 산출된 부유사플룸의 농도는 표층상부의 관측값임을 유의해야한다. 수층의 성층 유무에 따라 가시광선의 침투깊이(수 mm ~수 m)가 변동되지만, 부유입자물질 농도는 주로 해수면의 반사도를 통해 산출된다. Fig. 6와 같이, 월류수 배출에 의해 형성된 부유사플룸이 표층을 따라 확산·소멸되는 과정을 확인할 수 있으나, 제한된 수직관측범위는 부유사플룸의 소멸 원인(월류수 공급 중단 또는 중·저층으로의 플룸 침강) 규명을 어렵게 한다(Fig. 6). 또한, 해수면의 반사도는 구름·안개 입자의 의한 산란(Yang et al.[2017])이나 표층탁도에 따라 반사도 비율이 과대 혹은 과소평가될 수 있기 때문에, 정확한 확산 패턴의 파악과 농도 보정을 위해서는 광학·음향관측이 반드시 병행되어야 한다.

4. 결 론

바다골재 채취단지 지정시 일정 규모 이상의 골재채취 행위가 해양환경에 미치는 영향을 평가하기 위해 시행되고 있는 ‘해역이용영향평가’의 과학적 신뢰성을 확보하기 위해서 부유사플룸의 현장 관측의 필요성이 지속적으로 제기되고 있다. 부유사플룸은 부유입자의 이동과 직접적으로 관련된 변수인 퇴적물 조성, 입자크기, 침강속도, 유속 등의 지역적 차이에 따라 확산 범위와 농도가 다르게 나타난다. 현장관측 없이 기존연구자료만을 활용할 경우, 실측된 부유사플룸의 확산 범위와 최대 약 7배까지 차이가 발생하여, 연구결과에 대한 신뢰성이 훼손되었다(Jeong et al.[2017]). 이러한 사실은 연구지역 특성에 대한 사전조사를 바탕으로 부유사플룸에 대한 현장관측 방법과 전략을 수립해야함을 의미한다. 본 연구에서는 바다골재 채취과정에서 발생하는 부유사플룸의 확산 형태와 농도를 측정하기 위한 4가지 관측방법(직접채수, 광학, 음향, 원격탐사)에 대하여 (1) 채수자료의 필요성, (2) 광학장비의 높은 정확성과 부유입자 특성 변화에 따른 왜곡, (3) 음향장비의 높은 시·공간 해상도와 부유입자가 음향신호에 미치는 영향, (4) 위성관측의 광역성과 표층영역에 대한 장점과 한계점를 리뷰하였다. 각각의 관측방법은 시·공간 변동성이 높은 부유사플룸 감지하는데 분명한 제한점이 있으나, 연구목적에 적합하고 신뢰구간과 포화범위에 관한 약점을 상호 보완할 수 있도록 ‘표층-중층-저층’을 아우르는 다층(multi-layer) 관측연구를 수행한다면 연구결과의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 본 논문에 제시된 측정장비 별 관측기준은 바다골재 채취 사업의 적정성과 해양환경에 미치는 영향을 평가하는 기초자료로 활용될 수 있다.

Acknowledgments

본 연구는 2021년 해양수산부 재원으로 해양수산과학기술진흥원(과학기술기반 해역이용영향평가 기술개발, 20210427)의 지원을 받아 수행하였습니다.

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