1. 서 론

제주도는 한반도에서 온난화의 징후가 가장 두드러진 곳으로 제주도를 포함하는 남해의 수온은 지난 40년 동안 약 0.03℃ 상승한 것으로 보고되고 있다(Seong et al., 2010). 수온의 상승은 제주도 주변해역의 어종 및 어획량의 변화뿐만 아니라 해양생태계에 영향을 미치기 때문에 궁극적으로는 주변 해양생태계환경에 근본적인 변화를 초래한다(Hwang et al., 2017). 기후변화와 더불어 급속한 산업화로 인간 활동에 기인한 유기물, 유기오염물질 및 중금속을 함유한 각종 오염물질 등이 다양한 경로를 통해 해양으로 유입되고(Kim et al., 2009; Chang et al., 2012), 유입된 오염물질들은 해류에 의해 확산되어 주변 연안 어장환경을 오염시킨다(Lee et al., 2004; Jung et al., 2019).

제주도 연안은 폐쇄적 내만과 달리 해수의 교환이 원활하고 체류시간이 짧아 수질상태가 양호하고 다양한 생물이 서식하는 것으로 알려져 있지만, 최근 급격한 인구증가로 인해 인위적 육상오염원이 증가하고, 그로 인해 연안 어장의 생물 다양성이 감소되고 축적된 오염물질의 용출로 인한 해양환경 문제가 꾸준히 제기되고 있는 실정이다(Koh et al., 2013; Yoo et al., 2016; Lee et al., 2017). 하수처리장을 통해 방류되는 하‧폐수는 대표적인 인위적 육상오염원으로 바다로 방류되는 하‧폐수로 인해 주변 연안의 해양환경 및 생태계 변화에 직·간접적인 영향을 미친다(Kang et al., 2001; Shin and Kim, 2020). 제주도내에는 총 8개의 하수처리장이 운영되고 있으며, 최근 들어 하수처리시설의 과부하로 처리되지 못한 하수가 그대로 바다로 방류되는 일수가 증가하고 있다. 예를 들어, 제주 도내 8개 처리장 가운데 총 처리량의 56%를 차지하는 제주시 제주하수처리장의 경우 2015년에는 125일, 2016년에는 8월 말까지 197일간이나 수질기준을 초과한 하수를 방류한 것으로 드러났다. 광역하수도정비기본계획(제주특별자치도 상하수도본부, 2018)에 의하면, 제주하수처리장의 평균 일 처리비율은 93.9%로 시설용량에 거의 육박하며 최대 가동률이 130%에 이르렀고, 제주도내 인구유입이 증가하는 늦은 봄철부터 여름철 성수기까지 하수처리 부하량이 급증하는 것으로 보고되었다. 수질기준을 넘는 오·폐수가 해양으로 방류되면서 각종 민원이 제기되어 왔으며, 그로 인해 2019년부터 제주하수처리시설의 현대화 사업이 추진되고 있다. 서귀포시 하수처리장의 경우도 크게 다르지 않다. 보목하수처리장은 평균 일 처리비율은 70.8%이지만, 최대 가동율이 139%로 매우 높은데, 주로 늦은 봄철부터 하수처리 부하량이 집중되기 시작하고, 최근 인구증가로 인해 유입하수량이 지속적으로 증가함에 따라 연안 오염에 대한 우려가 커지고 있다.

국립수산과학원(2008)은 최근 제주연안 마을어장들이 해양환경변화로 인해 갯녹음 현상 확산, 해조류 군락 감소, 패류 생산량 감소 등 마을어장의 생산량이 감소되고 있음을 보고했다. 사면이 바다와 접해있는 제주도는 내만 지역과 비교해 상대적으로 육상기원 오염물질의 체류시간이 짧아서 수질상태가 양호한 환경적인 장점이 있다. 이러한 자연 환경적 이유로 해양으로 방류되는 오염물질과 그로 인한 해양환경 및 생태변화에 대한 관심은 그리 높지 않았다. 그 대표적인 예로 육상양식 산업을 들 수 있다. 제주지역 육상양식장 규모는 2018년 육상수조식 기준 276개소에 달한다(KOSIS, 2019). 이는 제주도의 해안을 기준으로 약 1 km에 한 개의 양식장이 존재하는 비율이며 실제 양식장이 제주도 동부 연안에 집중되어 있기 때문에 제주 연안의 양식장 밀집화는 심각한 수준이다. 그럼에도 불구하고 하수처리장과 양식장 배출수로 인한 연안 해양환경 및 수질오염 현황에 대한 연구는 여전히 미흡한 실정이다. 해양으로 방류되는 인위적인 육상오염원은 연안 수질오염 및 어장생태계 변화를 일으켜 주변 어장환경 및 다양한 해양생태환경 문제를 야기할 수 있기 때문에 연안 해양환경 및 수질특성에 대한 체계적이고 다양한 연구가 필요한 시점이다.

방류수로 인한 해양오염의 저감 방법은 하수와 폐수를 완전하게 처리하여 오염농도를 저감하여 바다로 방류시키는 것이다. 하지만 처리과정에서 완전하게 오염물질을 제거하지 못하기 때문에 연안역으로 유입되며, 방류구 해역의 물리적 환경으로 오염물질이 희석되지 못하고 정체되어 있는 경우에 장기적인 연안오염을 일으키는 원인이 된다(Jung and Kang, 2009). 그렇기 때문에 방류되는 해역의 해양 물리적 환경특성, 특히 해수유동에 대한 변화를 파악하는 것은 연안 해양생태·환경 조사 및 관리 대책 수립을 위한 필수적인 기초자료가 된다. 또한 방류된 오염물질의 이동 양상에 대한 정확한 정보를 제공함으로써 방류되는 오염물질의 해양확산을 최소화하는데 기여할 수 있다. 이 연구에서는 최근 제주도내 급격한 인구증가와 하수처리시설의 시설용량 부족에 따른 연안 해양 오염문제가 불거짐에 따라, 2018년의 하수처리 부하량이 급증하는 늦은 봄철을 대상으로 제주시에 위치한 제주하수처리장과 서귀포시에 위치한 보목하수처리장 인근 해역의 해류 특성을 파악하기 위해, 해안선에서 약 1 km가량 거리의 해저면에 매설되어 있는 방류구에서 유속계를 활용한 현장 관측을 수행하였고, 해수유동 수치모의를 통해서 방류되는 물질의 시·공간적인 이동 양상을 조사하였다.

2. 관측과 모델 구성

2.1 해수유동 관측

하수처리장 해양방류관 인근해역의 해수 유동 특성을 파악하기 위해 Trawl-Resistant Bottom Mount (TRBM) Acoustic Doppler Current Meter (ADCP, Aanderaa co., Norway)를 이용하여 제주하수처리장 방류구(R1)와 보목하수처리장 방류구(R2) 각 1개 정점에서 약 17일간 계류하여 실시간 유속 관측을 수행하였다(Fig. 1). 제주하수처리장은 2018년 6월 21일에서 7월 6일까지, 보목하수처리장은 2018년 5월 18일에서 6월 5일까지 대조 및 소조기 포함하는 기간에 해류의 유향·유속을 조사하였고, 이와 유사한 시기에 Conductivity·Temperature·Depth (CTD)를 이용한 수온·염분 계측을 실시하였다. 관측 장비와 관측 위·경도 위치 및 기간을 Table 1에 나타내었다. ADCP 유속계는 제주와 보목하수처리장 방류구 인접 정점에 대한 1 m 간격 연직 수층의 유향·유속을 10분 간격으로 연속 측정한 이 후 기록하도록 하였다. ADCP의 기기오차는 수평 유속, 수직 유속 및 유향에 대하여 각각 0.5 cm/s, 1.0 cm/s, ±4°의 오차범위를 가지고 있다. 회수된 ADCP 유속계로부터 취득한 원시 자료는 기기 방향, 흔들림, 회전 등의 내부 기록된 자세정보를 토대로 이상 유·무 검정을 진행한 이후, 정상 관측 자료와 비선형 보간을 이용한 결측 구간 내삽을 통하여 최종 분석 자료를 산정하였다. 해수 유동 분석은 각 수층 별 자료 중 총 수심의 80%와 20%에 근접하는 자료들을 표층과 저층으로 구분하여 분석하였다. 결과에서 표기되는 L01의 경우 해저면에 가장 가까운 관측 최저층 자료를 뜻하며, 표층 자료는 L11(제주하수처리장)과 L19(보목하수처리장)으로 표기하였다. ADCP 관측 자료로부터 방류구 정점의 조류 특성을 파악하기 위해, 원시 해류 변동 신호로부터 규칙적인 성분 주기에 따른 신호를 분해할 수 있는 조화 분석(harmonic analysis) 방법을 적용하였다(Foreman, 1977). 조화 분석은 Matlab 프로그램과 T_TIDE package를 이용하여 수행되었으며, 분해된 개개의 분조(tidal constituent)에 대한 조화 상수와 분조별 조류 타원의 장·단축 방향 성분을 계산하였다(Pawlowicz et al., 2002). 조류 타원의 장축(Major)은 조류의 분산이 가장 큰 방향 성분이며 단축(Minor)은 장축에 대한 직각 방향 성분으로 양의 값은 반시계방향, 음의 값은 시계방향의 회전을 의미한다. 조석에 의한 해류 성분과 더불어 연구 해역의 바람에 의한 해수유동을 파악하기 위하여 기상청 기상자료개방포털(http://data.kma.go.kr)에서 제공하는 종관기상관측(ASOS, Automated Synoptic Observing System) 자료 중에서, 제주와 보목하수처리장 방류구 정점으로부터 5 km 이내에 위치한 기상관측소 정점의 바람 시계열 자료와 함께, 하수처리장 방류구와 가장 가까운 추자도와 마라도 해양 부이에서 취득한 1시간 간격 풍속과 풍향 자료를 분석하였다.

Fig. 1.

(a) Climatological mean barotropic currents from May to June in the operational Jeju model (Cha and Moon, 2020) and the locations of study area and bathymetry near (b) Jeju and (c) Bomok wastewater treatment plants. Black box indicates the model domain and red circle indicates the location of outfall.

2.2 해양모델

제주와 보목하수처리장 방류구 인근 해역에 대한 해수유동과 오염물질의 분포를 재현하기 위하여 해양 모델링 시스템 ROMS (The Regional Ocean Modeling System)을 활용한 수치모델링 실험을 진행하였다 (Shchepetkin and McWilliams, 2005; Haidvogel et al., 2008). ROMS는 정수압 평형의 근사와 Boussinesq 근사를 바탕으로 RANS (The Reynolds-averaged Navier-Stokes)의 지배방정식에 대한 수치 해를 구함으로써 해수 유동 상태를 산정할 수 있다. 수직적으로 변화하는 수심을 고려할 수 있는 S-coordinate를 사용하기 때문에 실제 해저지형의 굴곡을 반영한 유체 흐름을 고려할 수 있고(Song and Haidvogel, 1994), 해역 특성에 따라 적합한 해수 수송량, 열 평형 등을 모의할 수 있도록 다양한 표면 및 수평 경계 조건을 제공한다(Marchesiello et al., 2001). ROMS는 전 세계적으로 연안에서 전지구까지 다양한 규모의 연구와 현업 예측에서 널리 사용되고 있으며, 특히 지역-연안의 연구 및 결합 연구에 특화되어 있다(Warner et al., 2010; Kumar et al., 2012). 하수처리장 인근 해역의 현실적인 해수유동을 재현하기 위하여, 해양수산부의 연안통합지도서비스(http://coast.mof.go.kr/)에서 제공하는 실관측 수심자료를 보간하여 활용하였다. 본 연구에서는 제주도 연근해의 조류 성분을 재현하기 위하여 수평 경계면으로부터 전지구 조석모델인 TPXO 7 (TOPEX/POSEIDON) 자료 기반의 10개 분조에 대한 조화상수를 이용하여 조류 및 해수면 변동을 적용하였다(Egbert and Erofeeva, 2002). 10개 분조를 개방 경계로 적용한 해수면 모의 결과를 R1과 R2 정점의 ADCP 관측 해수면 시계열과 비교한 결과를 보면, 대조와 소조 시기에 약 10 cm가량의 오차가 발생하지만 전반적으로 관측에서 나타난 해수면 변동을 잘 모의하고 있다(Fig. 2). 조석에 의한 해류 이외에 바람에 의한 풍성 해류 성분을 모의하기 위하여 미국 환경 예측 센터(NCEP, National Centers for Environmental Prediction, https://doi.org/10.5065/D65Q4T4Z)의 FNL (Final) 재분석 결과 중, 해발 10 m 고도의 풍속 성분을 이용하여 표면 마찰력으로 적용하였다(Fairall et al., 1996; Charnock, 1955). 조석과 바람 강제력과 더불어 밀도류 및 배경 해류에 의한 오염물질 이동을 고려하기 위하여 500 m 이하의 고해상도 제주모델(Cha and Moon, 2020) 로부터 현실적인 수직 수온·염분 분포와 해류 분포를 취득하여 수평 경계면으로 적용하였다. Fig. 1a에 제시된 제주도 인근 해역의 5-6월 평균 해류를 보면, 제주도 동쪽의 대마 난류가 흐르는 해역에서 최대 50 cm/s의 빠른 잔차류가 지배적이며, 수심이 얕은 연안을 따라서는 평균 해류가 5 cm/s 이하로 매우 느린데, 특히 제주도 남쪽 연안에서 배경 해류의 영향이 거의 나타나지 않는다. 수치모델링의 초기 조건으로 적용한 수온과 염분의 수직 구조는 ADCP 유속관측과 비슷한 시기에 수행한 CTD 현장관측 결과와 함께 Fig. 3에 제시하였다. 제주하수처리장 방류구 정점의 경우 6월 말에 따뜻한 기온과 증가하는 열속(Heat flux) 등의 기상 조건에 의하여 약 3°C 내외의 약한 성층이 관측되었고, 비록 표층에서 10 m 깊이까지의 혼합을 재현하지는 못하지만 수치모델링의 초기 조건에서 뚜렷한 수온과 염분의 성층 구조가 고려되었음을 확인할 수 있다(Fig. 3a). 보목하수처리장 방류구 정점에서는 5월 초의 늦은 봄철에 균일한 수직 수괴 특성이 관측되었으며, 수치모델링의 초기조건에서도 현장 관측 결과와 유사한 수직 분포가 적용되었다(Fig. 3b).

Fig. 2.

Time series comparison of tidal elevation from the ADCP (black) and the numerical model (red) at the (a) R1 and (b) R2 stations.

Fig. 3.

Comparison of the vertical profiles of modeled (dotted line) temperature (red) and salinity (blue) with CTD (solid lines) measurements at (a) R1 and (b) R2 stations.

수치모델링 실험 결과 재현된 수괴 특성과 해류 정보를 바탕으로 하수처리 방류구로부터 유출되는 오염물질의 이동 양상을 파악하기 위하여 가상의 추적자(Tracer)를 활용하였다. 수치 실험에 사용된 추적자는 생·화학적 비활성 상태로 가정하여 자연발생 및 소멸되지 않으며 오로지 다음의 이류·확산 방정식에 의해 지배된다.

여기서 C는 추적자, v→는 유속벡터, w'는 수직 유속변동, νθ는 분자 확산계수를 의미하며 F, D항은 외부 강제력 및 수평 소산항을 나타낸다. 본 연구에서 사용된 가상 추적자는 침·퇴적 기작에 영향을 받지 않고 이류·확산에 의해서 이동되기 때문에 해수 중에 용해되어 희석된 형태로써 존재하는 용존 물질의 이동양상을 파악할 수 있다. 제주와 보목 하수처리장 해역의 모델 영역은 하수처리 방류구를 중심으로 해안선으로부터 2 km이내의 해역을 포함하도록 설정하였으며(Fig. 1), 모델 격자는 약 13 m의 수평 해상도와, 10개의 연직 층을 할당하여 구성하였다. 설계된 수치모델링 실험은 연구 해역의 대조와 소조시기의 해류 분포를 충분히 재현할 수 있도록 제주와 보목 하수처리장의 ADCP 유속 관측 기간과 함께 대조·소조 시기를 포함하는 20일 동안 수행하였다.

3. 해수유동 특성

3.1 제주하수처리장

제주하수처리장 인근해역의 수심은 대체로 연안과 나란한 형태로 분포하지만, 동쪽으로 갈수록 수심이 가파르게 변하는 특징을 보인다(Fig. 1b). 방류구는 연안에서 외해로 약 800 m 떨어진 해역에 위치한다. 관측된 해류의 유속 및 유향 분산도 남서-북동 방향의 유속성분이 우세하게 나타나며(Fig. 4a, b), 표층에서 더 강하게 나타내는 특징을 보인다. 이러한 분포는 해류의 시계열 자료에서도 분명하게 나타난다(Fig. 5a, b). 남서-북동 방향의 유속은 이 해역에서 우세한 조류성분을 나타낸다. 조화분해(Harmonic analysis)를 통해서 제시된 조류성분은 해안선과 나란한 방향의 조류분포를 나타내며, 유속에 있어서 대조기(Spring tide)와 소조기(Neap tide)에 큰 차이를 보인다. 소조기에는 약 10 ~ 20 cm/s 범위를 보이지만, 대조기에는 약 60 ~ 90 cm/s의 진폭 범위를 나타낸다.

Fig. 4.

Scatter diagrams of observed currents by ADCP at R1 station in (a) surface and (b) bottom layers. (c, d) same as (a, b) except at R2 station.

Fig. 5.

Vector stick diagrams of observed currents and tidal currents derived from harmonic analysis at R1 station in (a) surface and (b) bottom layers. (c, d) same as (a, b) except at R2 station.

방류구 인근해역의 조류패턴을 확인하기 위해 관측된 표층의 유속자료를 조화분해하여 주요 4대 분조의 조류타원도를 제시하였다(Fig. 6a-d). 조화분석 결과 도출된 조류 타원도에서 각 성분 분조의 장축과 단축의 비율을 비교함으로써 해당 해역의 조류 운동에 대한 왕복과 회전성 우세 여부를 파악할 수 있으며, 회전방향은 단축의 부호로 파악할 수 있다(Foreman, 1977). 제주 정점에서 M₂ 분조의 조류 타원은 27.9 cm/s의 진폭을 보이는 반면 단축이 매우 짧고 음의 값을 나타내기 때문에 뚜렷한 왕복성 조류 운동과 약한 시계방향 회전성 특징을 갖는다. 공간적으로는 남서-북동 방향으로 전파되는 조류의 특징이 잘 나타난다. S₂ 분조는 13.1 cm/s의 진폭을 보이며, 조류타원의 회전성이나 조류의 전파 특징이 M₂ 분조와 유사하다. 일주조 성분인 O₁ 분조의 조류타원은 7.8 cm/s의 작은 진폭을 보이고, 시계방향의 회전성이 나타나며 조류의 전파방향은 반일주조 성분인 M₂와 S₂ 거의 동일하다. K₁ 분조의 조류타원은 12 cm/s의 진폭을 보이고 O₁ 분조와 유사한 조류특징이 나타난다. 분해 결과는 제주하수처리장 방류구 해역은 시계방향의 회전성을 가진 조류의 영향을 강하게 받고 있음을 나타낸다. 이는 관측자료를 활용한 우리나라 서남해역에서의 조류타원도의 회전성을 분석한 선행연구와 유사한 결과이다(Kang, 2003; You, 2010). You(2010)은 동향의 강한 제주난류의 영향을 받는 제주해협을 제외하면 제주도 주변해역은 전반적으로 시계방향 회전성을 확인했다. 일주조(O₁+K₁)와 반일주조(M₂+S₂)의 진폭비로 정의되는 조석형태수(Tide form factor)는 그 값에 따라 4가지 형태로 구분되는데, 조석형태수가 0 ~ 0.25이면 반일주조형, 0.25 ~ 1.5이면 반일주조가 우세한 혼합형, 1.5 ~ 3.0이면 일주조가 우세한 혼합형, 그리고 3.0보다 크면 일주조형 조석으로 분류된다. 제주하수처리장 방류구 해역의 조석형태수는 ~0.6으로 반일주조가 우세한 혼합형 조석특성을 나타낸다. 이러한 결과는 You(2010)의 결과와 일치하며, 그는 서해안을 제외하면 우리나라 주변해역은 반일주조가 우세한 혼합형 조석특징을 보인다고 보고하였다.

Fig. 6.

Comparison of modeled (red) tidal ellipse of four principal constituents with ADCP (black) measurements: (a)M2, (b)S2, (c)O1, and (d)K1 at R1 station. (e-h) same as (a-d) except at R2 station.

물질의 장기 이동은 순간 유속보다는 잔차(Residual current)성분에 의해 결정될 수 있다. 관측자료에서 조화분해를 통한 조류성분을 제외한 잔차류는 바람, 밀도 구배, 조류의 비선형성 등에 의해 발생하는데, 수심이 얕은 연안역에서는 주로 해저지형 및 마찰에 기인하는 비선형성에 의해 조석에 의한 잔차류가 생길 수 있다. 비조류(Non-tidal current) 특성인 잔차성분에 의한 물질의 이동을 파악하기 위해 오일러리안 관점의 진행 벡터도(Progressive vector diagram) 분석을 수행했다. Fig. 7a는 제주하수처리장 방류구에서의 동-서, 남-북 성분에 대한 잔차성분의 진행 벡터를 나타낸다. 15일 동안 표층, 중층과 저층 잔차류의 경우 동-서 성분의 이동거리는 서쪽으로 각각 ~24, ~26, ~7 km, 남-북 성분의 이동거리는 표층은 남쪽으로 ~18 km, 중층은 이동이 없고, 저층은 북쪽으로 ~13 km였다. 진행 벡터도는 층별로 다른 이동 궤적을 보여주는데, 표층의 경우 등수심선을 가로지르는 동남동 방향의 이동을 보이지만, 수심이 깊어질수록 등수심선을 따라 평행하게 흐르는 이동을 나타낸다. 제주하수처리장 방류구 정점의 잔차류 방향은 창조류와 낙조류시 나타나는 유속 특성과 매우 밀접한 관련이 있다. Fig. 4의 유속 분산도에 표시된 바와 같이 제주하수처리장 해역에서 창조류시 최대유속이 93.0 cm/s로 낙조류시 최대유속 69.0 cm/s에 비하여 빠르지만 2018년 6월 관측기간동안 낙조류 출현율이 56.8%로 창조류 출현율 43.2%에 비하여 빈도가 높기 때문에 전반적으로 동쪽을 향하는 잔차류가 형성된다. 제주지역 종관기상관측과 추자도 해양부이의 바람 관측자료에 의하면 6월 말(26~29일)에 강한 남서풍이 불었는데, 같은 시기에 표층에서의 잔차류 진행벡터를 보면 빠르게 동쪽으로 이동했으며 이러한 결과는 Ekman 이론에 의한 표층류의 편향과 잘 일치하므로 표층의 잔차류가 일시적이나마 바람의 영향을 받은 것으로 판단할 수 있다(Fig. 8a, b). 저층의 경우는 바람의 영향이 크게 미치지 못하여 조류를 따라 등수심선과 나란한 방향으로 이동한 것으로 보인다. 관측기간 전반적으로 해류 변동에 대한 바람장의 기여를 확인하기 위하여 동서 및 남북 방향의 유속과 풍속 성분의 상관계수를 각각 구하여 본 결과, 제주 정점에서 표층의 동서방향은 0.19, 남북방향은 0.14, 저층의 동서방향은 0.11, 남북방향은 0.12로 낮은 상관관계를 보여 일정한 바람이 장기간 지속적으로 영향을 미치지 않는 한, 국지적 바람 강제력이 잔차류의 세기와 방향을 지배하지 못함을 알 수 있다.

Fig. 7.

Progressive vector diagrams obtained from ADCP measurements for all layers with 10 minute interval at (a) R1 and (b) R2 stations. (c, d) same as (a, b) except for the simulated currents for surface (L10), middle (L5) and bottom (L01) layers with 1 hour interval.

Fig. 8.

Stick diagrams of wind data measured at (a) Jejusi, (b) Chujado, (c) Seogwipo and (d) Marado station. The locations of wind observation stations are marked as asterisks (ASOSs) and black circle (Buoys) in Fig. 1.

서귀포시에 위치한 보목하수처리장 주변은 해안선이 내륙방향으로 들어간 만 형태로 하수처리장은 만 내부에 위치한다. 만 형태의 해안선을 따라 등수심선이 나란하게 분포하며 동쪽으로 섶섬이 위치하고 서쪽으로는 문섬이 위치하고 있어 복잡한 해저지형을 나타낸다(Fig. 1b). 방류구는 연안으로부터 약 1100 m 외해에 위치한다. 유속·유향 분산도를 보면 유속분포는 약 30 cm/s 이내로 제주하수처리장과 비교해서 매우 약한 유속을 나타내며, 등수심선과 평행한 남동-북서 방향의 유속성분이 약간 더 우세하다 (Fig. 4c, d). 이러한 유향분포는 남동-북서 방향으로 진행하는 조류의 영향으로 나타낸다(Fig. 5c, d).

조화분해된 표층과 저층의 주요 4대 분조의 조류타원도에 의하면(Fig. 6e-h), M₂ 분조의 조류타원은 12.7 cm/s의 진폭을 보이고 경사각(angle)은 147˚로 북서-남동 방향의 왕복성 조류타원 형태를 보인다. 조류의 회전방향은 제주하수처리장과는 다르게 약한 반시계방향의 회전성을 나타낸다. M₂ 분조를 포함한 주요 4대 분조는 Park et al.(2010)에서 보고한 결과와 유사하게 제주도 남부의 조류 성분의 대부분을 차지하며 특히 M₂ 태음반일주조에 의한 성분이 크게 나타난다. S₂ 분조는 M₂ 분조와 비교해서 매우 약한 4.4 cm/s의 진폭을 보이지만, 경사각이 M₂ 분조와 거의 동일한 조류타원 분포를 나타낸다. 일주조 성분인 O₁ 분조의 진폭은 S₂와 유사한 4 cm/s정도의 진폭을 보이고, 반시계방향의 회전성을 가지며 조류의 전파방향은 반일주조 성분(M₂와 S₂) 일치한다. K₁ 분조의 조류타원은 3.6 cm/s의 진폭을 보이고 O₁ 분조와 유사한 조류특징이 나타난다. 조류타원도 분석은 보목하수처리장 방류구 인근해역은 제주하수처리장과는 다르게 반시계방향의 조류 회전성을 나타내는데, 이는 만의 형태를 보이는 지형적인 영향을 받은 것으로 판단된다. 이 해역의 조석형태수는 ~0.4로 제주하수처리장과 마찬가지로 반일주조가 우세한 혼합형 조석특성을 나타낸다. 보목하수처리장 방류구의 조류분석결과는 제주하수처리장과 유사하게 반일주조가 우세한 혼합형의 조류특성을 보여주지만, 그 세기는 제주하수처리장 방류구 인근해역의 약 50% 정도에 불과하여 상대적으로 정체되어 있는 해양환경을 나타낸다.

비조류 특성인 잔차 성분에 의한 물질의 이동을 파악하기 위해 진행 벡터도 결과를 Fig. 7b에 제시하였다. 방류구에서의 동-서, 남-북 성분에 대한 잔차 성분의 진행 벡터를 보면, 15일 동안 잔차류의 동-서 성분 이동거리는 표층은 이동이 없고, 중충은 동쪽으로 ~25 km, 저층은 동쪽으로 ~30 km였으며, 남-북 성분의 이동거리는 표층, 중층 및 저층 북쪽으로 각각 ~48, ~35, ~25 km였다. 진행 벡터도 결과는 표층에서는 북향성분이 강하고, 저층으로 갈수록 북동방향으로 바뀌는 궤적을 나타낸다. 수심에 따른 궤적의 방향변화가 제주하수처리장 만큼 크지 않으며 전 층에 걸쳐 연안을 향하는 유사한 이동을 보인다고 할 수 있다. 특이할 만한 점은 이러한 이동분포가 등수심선을 가로질러 연안을 향하고 있다는 점이다. 진행 벡터도는 장기적인 물질이동을 나타내기 때문에 전 층에 걸쳐 연안을 향하는 이동분포는 하수처리장으로부터 방류된 물질이 장기적으로 만 내부의 연안으로 유입될 수 있음을 시사한다. 보목하수처리장에서 연안으로 향하는 잔차류 방향은 창조류시 최대유속이 낙조류시 유속보다 빠르지만 창조류 출현율이 45.3%로 낙조류 출현율 54.7%에 비하여 낮기 때문에 전반적으로 잔차류가 동쪽의 연안 방향으로 향하는 것을 알 수 있다. 같은 시기에 서귀포 종관기상관측과 마라도 해양 부이 관측에서 얻어진 바람자료를 보면 5월 24일 하루를 제외하고 관측기간 특별하게 강한 바람 또는 남풍계열의 바람이 지속적으로 불었던 기간은 없었으며, 전반적으로 연안 근처에서는 3 m/s이하의 약한 바람이 지배적이었다(Fig. 8c, d). 해류 변동과 바람의 상관관계는 표층의 동서방향에서 -0.26, 남북방향 0.04, 저층의 동서방향은 -0.14, 남북방향은 0.01로 매우 낮고, 이는 잔차 성분의 이동분포가 바람의 영향을 크게 받지 않았다는 것을 의미한다. 따라서 이 해역은 등수심선을 따르는 왕복성 조류와 만 형태의 지형 적인 영향으로 잔차류가 등수심선을 가로질러 연안으로 향하는 것으로 보인다.

4. 해수유동 및 물질 확산 수치모의

4.1 해수유동 분포

해수유동 관측결과는 방류구에서의 해류 및 조류 특성을 보여주지만, 주변해역 해수유동 및 물질의 이동·확산에 대한 정보는 제공하지 못한다. 이러한 관측자료의 한계를 보완하기 위해 제주와 보목하수처리장 인근해역에 대한 해양수치모델을 구축하였다. 재현된 모델결과의 검증을 위해 제주와 보목하수처리장 방류구에서의 조류타원도를 관측결과와 비교하였다(Fig. 6). 모델로 재현된 주요 4대 분조의 조류타원도는 관측에서 나타나는 조류특성을 비교적 잘 모의한다. 예를 들어, 제주하수처리장에서의 시계방향 회전성과 보목하수처리장에서의 반시계방향 회전성이 매우 잘 일치한다. 각 분조별로 약간의 차이는 있지만, 조류의 세기에 있어서도 관측과 전반적으로 유사한 범위를 보인다.

Fig. 9는 제주하수처리장 주변해역에 대한 조류분포로 소조와 대조시기 창조류(Flood tide)와 낙조류(Ebb tide)의 공간분포를 나타낸다. 대조시기 창조류는 동에서 서쪽으로 전파되며 등수심선을 따라 나란하게 흐르는 패턴을 나타낸다. 유속은 수심이 깊은 외해에서 ~ 100 cm/s에 이르는 강한 조류가 나타나지만, 수심이 얕은 연안으로 올수록 해저마찰로 인해 유속이 급격히 감소하는 양상을 보인다. 낙조류는 창조류와는 반대로 서에서 동쪽으로 흐름이 발생하며 연안에서는 약하고 외해에서는 강한 조류를 보인다. 소조시기는 대조시기와 비교해서 대략 ~ 50% 이상 약화된 조류흐름을 나타내는데, 특히 연안 가까이에는 매우 약한 흐름이 존재한다. 관측자료와 동일한 방류구 지점에서 모델 잔차류의 진행 벡터도는 전반적으로 관측결과와 유사한 결과를 제시한다(Fig. 7c). 표층의 경우 남동방향으로 이동되고 저층으로 갈수록 동쪽으로 이동되는 궤적을 보이는데, 이는 앞서 관측자료 분석에서 언급한 바람에 의한 해류 변화와 저층에서는 해안선 형태 및 해저지형, 우세한 낙조류 등의 영향으로 등수심선을 따르는 흐름이 나타나는 것으로 보인다.

Fig. 9.

Spatial patterns of simulated surface (a, c) flood current and (b, d) ebb current at spring (upper) and neap (lower panels) tide periods near the Jeju wastewater treatment plant. Symbol “X” indicates the location of outfall.

보목하수처리장 주변해역에 대한 조류분포를 Fig. 10에 제시하였다. 창조류는 동에서 서쪽으로 전파되며, 만의 형태를 따라 흐르는 양상을 보인다. 유속은 수심이 깊은 외해에서 ~40 cm정도의 범위를 보이고, 작은 섬 주위로 상대적으로 강한 흐름이 나타나는 특징을 나타낸다. 하지만 방류구가 위치한 만 내부에서는 얕은 수심으로 인해 유속이 급격히 감소한다. 낙조류는 창조류와는 반대로 서에서 동쪽으로 조류가 흐른다. 또한 모델 잔차류의 진행 벡터도에 의하면 전반적인 물질의 이동이 연안을 향하고 있어 관측과 잘 일치하는 결과를 제시한다(Fig. 7d). 모델로 재현된 해수유동 결과는 관측에서 나타난 보목하수처리장 방류구 인근해역의 시·공간적인 조류패턴을 잘 모의하고 있음을 보여준다.

Fig. 10.

Same as Fig. 9 except for the Bomok wastewater treatment plant.

4.2 물질 이동·확산

방류구를 통해 배출된 물질의 이동·확산 분포를 평가하기 위해 여기서는 추가적인 추적자(Passive tracer) 실험을 수행하였다. 추적자 실험은 해양모델의 수평 및 수직 이류·확산(Advection-diffusion terms) 과정을 통해 계산되는 물질의 분포를 통해 방류구로부터의 이동 및 확산 범위를 평가한다. 하수처리 배출수의 유량은 제주상하수도본부의 시설현황(http://www.jeju.go.kr/jejuwater/sewer/status.htm)을 참고하여 제주하수처리 방류구에서 약 1.5 m³/s, 보목하수처리 방류구에서 약 0.135 m³/s의 유량을 적용하였다. 실제 하수처리 방류구에서 배출되는 오염물질의 질량은 파악하기 매우 어렵기 때문에 수치모델링 실험에서는 가상의 추적 물질(tracer)의 배출량을 단위시간당 100(kg/m³)으로 설정하였고 추적자의 투입 질량대비 모델 격자 내 잔존 질량의 비율을 백분율로 표현하여 비율로써 표현하였다. 또한 실제 방류구에서 배출되는 오염물질이 해저바닥에 위치한 하수관에서 해양으로 방류되는 상황을 고려하여 수치모델링 실험에서도 바닥 층에서만 해양으로 유입되도록 고려하였다. 초기 해양내부의 물질농도는 0으로 설정되었기 때문에 물질이 방류구를 통해 투입되면서 모델 내 이류·확산항에 의해 결정되는 물질의 분포가 제공된다. 방류구 이외에 모델영역 밖에서 인위적으로 유입되는 물질은 없기 때문에 방류구에서 배출된 오염물질의 영향만을 고려할 수 있다.

Fig. 11은 제주와 보목하수처리장 방류구에서 투입된 물질의 저층에서의 확산비율 분포를 나타낸 그림이다. 이 결과는 물질 투입량에 대한 모델격자 내에 존재하는 물질 질량의 상대적인 비율을 백분율(%)로 표시하였다. 두 해역 모두 대조시기 보다는 유속이 약한 소조시기에 확산분포가 크게 나타나기 때문에 소조시기의 확산분포만을 제시하였다. 제주하수처리장에서의 공간적인 분포를 보면, 창조류에 의해 방류구로부터 서쪽으로 2 km까지 10% 내외의 물질 확산이 나타나고, 낙조시기에는 이와는 반대로 서에서 동쪽을 향해 분포한다(Fig. 11a, b). 이러한 분포는 해수유동 결과에서 제시한 것처럼, 창조시 등수심선을 따라 남서향하고, 낙조시 북동향하는 강한 왕복성 조류의 영향을 받기 때문이다. 여기서 주목할 만한 점은 제주하수처리장 연안에서는 Fig. 1a에 제시한 바와 같이 동쪽으로 흐르는 배경 해류가 존재함에도 불구하고 창조류시기에 오염물질의 이동양상이 서편으로 확산되는 양상을 보인다는 점이다. 즉, 해안선에서 1 km 내외의 저층에서 배출되는 하수처리 방류수의 확산 분포는 이 경우 거의 전적으로 조류에 의해 지배됨을 의미한다. 대조와 소조 주기에 따른 오염물질 잔류 특성을 보면 대조시기에는 100 cm/s 이상의 매우 빠른 조류가 발생하기 때문에 잔존비율이 떨어지며, 소조시기에도 ~50 cm/s 정도의 조류가 존재하기 때문에 전반적으로 낮은 잔존비율을 보인다. 반면 보목하수처리장의 경우는 제주하수처리장과는 다른 분포 양상을 나타낸다(Fig. 11c, d). 창조와 낙조시에 관계없이 만 내부의 연안을 따라서 20-25% 범위의 높은 잔존비율을 나타내며, 낙조시가 만 내부에 더 광범위한 잔존 비율을 보인다. 관측 및 해수유동 모델 결과에서 나타난 것처럼, 소조시기에 방류구 인근 해역의 유속이 매우 느려 상대적으로 정체된 해양환경을 보이고, 동시에 해양 방류구 정점에서 잔차류가 북쪽 연안을 향하기 때문에 방류된 물질이 지속적으로 만 내부에 잔존하게 된다. 하수방류구 정점의 ADCP 유속·유향계 관측 정보와 더불어 해수유동 모델 실험에서 모의된 유속 정보를 바탕으로 하수처리장 연안 해역의 전반적인 물질 확산 방향을 파악하기 위해 하수처리장 방류구 인근 해역의 저층 잔차류 성분을 제시하였다(Fig. 12). 제주 하수처리장 방류구(R1) 주변에서는 동쪽 방향으로 흐르는 잔차류 성분이 지배적인데, 수심 30 m 이상의 해역에서는 조석 잔차류와 함께 Fig. 1a에서 보여지는 제주 난류 등에 의한 배경 해류성분이 복합적으로 존재하며, 수심 25 m 이하의 해안에서는 Fig. 7a,c와 Fig. 11의 오염물질 이동 양상을 볼 때 우세한 낙조류에 의한 해류가 지배적임을 파악할 수 있다(Fig. 10a). 반면 보목 하수처리장의 경우에는 방류구 정점(R2) 주변에서 대부분 등수심선을 가로질러 연안으로 향하는 잔차류 흐름이 지배적으로 나타난다. 보목 하수처리장 인근 연안의 경우에는 섬주변의 협수로와 방파제 인근 만에서 잔차류가 약해지고 수렴하는 형태를 보이며 이러한 결과는 Fig. 11c-d의 추적자 실험 결과와 잘 일치한다. 보목하수처리장 해역의 연안으로 향하는 잔차류 분포는, Fig. 1a에서 제시한 제주도 남부 연안의 매우 미약한 배경 해류의 영향과 연구 시기에서 3 m/s 내외의 약한 북풍이 지배했음을 고려할 때, 대부분 조류에 의해 지배되는 것으로 확인할 수 있다. 따라서 수치모델링 결과는 하수처리장 방류구 주변해역의 지배적인 조류분포에 따라 저층에서 유출되는 오염물질의 이동 양상이 결정되며, 조류가 약하고 정체되는 물리적 환경에서, 그리고 잔차 성분이 연안을 향하는 해역에서 오염물질이 잔존하는 비율이 높아질 수 있음을 보여준다.

Fig. 11.

Spatial patterns of the ratio of residual tracer mass to discharged tracer mass from the (a, b) R1 and (c, b) R2 stations for flood (left) and ebb (right panels) tides during neap tide period.

Fig. 12.

Spatial patterns of simulated bottom residual current near the Jeju (a) and Bomok (b) wastewater treatment plant. Black stars indicate the location of stations in Table 2, 3.

가상의 추적자 실험 결과와 더불어 해수 유동 특성에 따른 저층 해양 환경 오염도를 확인하기 위하여 방류구 정점과 함께 연안 정점 4개소(S1-4)를 추가로 선정하여 각 정점 퇴적물 시료에서의 강열감량 (Ignition loss, IL) 분석을 실시하였다(Table 2, 3). 강열감량은 퇴적물의 환경을 평가하는 척도 중의 하나로 해저 퇴적물의 총유기물 함량을 나타내는 직접적인 지표이다. 해저 퇴적물 오염도 분석을 위한 퇴적물 시료는 2017년부터 2019년까지 5차례에 걸쳐 채취하였다. Table 2에 제시된 제주 하수처리장 주변해역 퇴적물의 강열감량 분포를 보면 방류구 정점(R1)을 비롯하여 연안 정점 2개소(S1, 2) 모두 강열감량이 5% 이하로 비오염(non-polluted) 단계에 해당한다. 이는 저층 잔차류 분포(Fig. 10a)에서 나타나는 해수 유동 특성과 상관이 있는데, S1 정점의 경우 방류수로부터 유입되는 잔차류 흐름이 없고, S2 정점에서는 해안선을 따라 낙조류 방향으로 빠져나가는 특성을 보이기 때문이다. 반면 보목 하수처리장 주변해역의 퇴적물 오염도는 제주에 비하여 다소 높은 것으로 나타난다(Table 3). 2018년 6월에 채취된 시료를 제외하고 4차례 동안 보목 하수처리장 해역이 평균적으로 중간오염(moderately polluted) 단계를 나타냈고, 특히 2017년 9월 채취된 시료를 분석한 결과 S3, 4의 연안 정점에서 8% 이상의 심한오염(heavily polluted) 단계를 나타내는 등 제주 하수처리장 해역에 비하여 높은 유기물 오염계를 보인다. 이러한 결과는 제주 하수처리장 해역에 비하여 느린 방류구 주변 유속과, 연안으로 흐르는 잔차성분 등이 직접 반영되어 나타나는 것으로 판단할 수 있으며, 지역적 해수 유동 특성이 오염물질의 이동 양상과 밀접한 상관이 있음을 의미한다.

5. 요약 및 제언

해양으로 유입되는 하수처리장의 오염물질은 그 해역의 물리적 환경에 따라 희석되지 못하고 정체될 수 있으며, 이러한 현상이 지속될 때 장기적인 연안오염을 일으키는 주요 원인이 된다. 따라서 하·폐수가 방류되는 해역의 해양 물리적 환경특성, 특히 해수유동에 대한 특성을 파악하는 것은 연안 해양 생태·환경 조사 및 관리 대책 수립을 위한 필수적인 기초자료가 된다. 본 연구에서는 제주시에 위치한 제주하수처리장과 서귀포시에 위치한 보목하수처리장 인근 해역에서 하수처리 방류량이 연중 최대치가 되어 하수처리시설 부하량이 급증하는 늦은 봄 시기를 대상으로 2018년 한해동안 현장 관측과 수치모델링 실험을 통한 오염물질 이동 분포 분석을 진행하였다. 해류 및 조류 변화에 대한 특성을 파악하기 위해 하수처리장 방류구 인근에서 초음파식 유속·유향계(ADCP)를 사용하여 해수유동 관측을 수행했고, 수치모델링 실험을 통하여 저층에서 방류되는 오염 물질의 시·공간적인 분포를 조사하였다.

두 해역 모두 비조류 성분보다는 조류성분이 지배하는 특성을 보였으며, 조석형태수가 0.4~0.6사이로 반일주조(M₂+S₂)가 우세한 혼합형 조석특성을 나타냈다. 조류의 세기는 제주하수처리장 인근해역이 보목하수처리장에 비해 두 배 이상 강하게 나타나며, 등수심선과 평행한 조류분포를 나타낸다. 제주하수처리장 방류구 해역은 남서-북동 방향의 조류가 우세하고, 조류타원도 분석결과 조류의 회전방향은 시계방향으로 나타났으며, 이 결과는 선행연구결과와 일치한다(강, 2003; 유, 2010). 비조류 성분인 잔차류 분석결과는 표층류는 바람의 영향을 받았지만, 저층의 경우는 조류와 해저지형의 영향으로 등수심선과 나란한 방향으로 이동되는 궤적을 나타냈다. 반면 보목하수처리장의 경우는 조류의 세기가 상대적으로 매우 약하고 등수심선과 평행한 남동-북서 방향의 유속성분이 우세한 특징을 보였으며, 조류의 회전방향도 제주하수처리장과는 반대인 반시계방향의 회전성을 보였다. 조류의 회전방향이 두 해역에서 다른 것은 지형적인 영향과 서에서 동쪽으로 제주도를 관통하는 평균류인 제주난류의 영향을 받기 때문인 것으로 보인다. 주목할 만한 점은 진행 벡터분석을 통해 나타난 잔차류가 전층에 걸쳐 만 내부의 해안방향으로 이동한다는 사실이다.

두 해역에 대한 모델결과는 관측에서 나타난 조류 및 비조류 특성을 비교적 잘 재현했으며, 해수유동의 시·공간적인 분포를 상세하게 보여준다. 물질의 이동·확산 수치모의 결과에 의하면, 방류구 주변해역에 잔존하는 오염물질의 비율이 조류의 강도와 비조류 특성인 잔차류의 방향과 밀접한 관련이 있음을 보여준다. 제주하수처리장의 경우 강한 조류의 영향으로 방류구로부터 배출된 물질이 빠르게 희석되면서 조류를 따라 방류구에서 2 km까지 이동되는 분포양상을 보였다. 그 결과 방류구 주변 및 연안을 따라서는 5%이하의 잔존비율을 나타냈다. 반면 보목하수처리장은 상대적으로 약한 조류의 영향과 만 내부의 연안을 향하는 잔차류로 인해 창조와 낙조시에 관계없이 만 내부의 연안을 따라 20-35% 범위의 높은 잔존비율을 나타냈다. 이것은 방류구 주변해역의 지배적인 조류분포에 따라 물질의 이동 분포가 결정되고, 상대적으로 조류가 약하고 정체되는 물리적 환경에서, 그리고 잔차성분이 연안을 향하는 해역에서 오염물질이 잔존하는 비율이 높아질 수 있음을 보여주는 결과이다. 이런 점에서 보목하수처리장 인근 연안해역은 방류물질로 인한 오염 가능성이 제주하수처리장 보다 더 높다고 할 수 있다. 실제 해양유기물을 활용한 수질분석 결과에서도 보목하수처리장 인근해역은 5등급의 “매우 나쁨” 수준의 해수가 관측되었으며, 퇴적물 내 유기물의 오염도 또한 중간 오염단계 이상으로 조사되었다. 하지만 주의해야할 점은 수치모의를 통해서 제시된 잔존비율은 임의의 물질 유입량에 대한 잔존량 비율을 정량적으로 나타낸 것으로, 실제 방류되는 오염물질의 종류와 농도에 따른 그 영향범위가 다를 수 있다. 또한 유출되는 가상 추적물질의 침·퇴적 기작이 고려되지 않았기 때문에, 소조기간 동안 연안으로 이동하는 경향을 제시하였으나, 해안가 인근에서 침전되지 못하고 유속이 빨라지는 대조시기에 희석되는 양상을 보였다. 따라서 차후 연구에서는 방류되는 오염물질의 침·퇴적 과정을 고려하여 장기 수치 실험을 통해 연안 어장 인근에서 지속적으로 침전되는 오염원 분포 양상을 정량적으로 평가할 필요가 있다.

하수처리장 방류구를 통해 해양으로 유입되는 오염물질은 유속이 느린 소조 시기와 풍속이 낮은 환경 조건에 의하여 장기간 체류할 수 있는 환경이 만들어질 수 있으며, 그로 인해 빈산소 수괴의 발생, 생물상의 변화, 생산량의 감소 등 해양 생태환경과 직결되는 문제를 야기할 수 있다. 이러한 문제는 연안해역의 어장환경을 악화시켜 어민들의 어업 소득에 직·간접적으로 악 영향을 미칠 수 있을 뿐만 아니라 해안가 주민 및 관광객들에게도 피해를 줄 수 있다. 제주특별자치도의 하수처리시설은 제주와 보목 하수처리장을 포함하여 총 8개소를 운영하고 있다. 최근 제주도내 인구 유입의 증가와 맞물려 하수처리 방류수에 의한 해양생태계 또는 어민들의 경제적 피해를 최소화하기 위하여 감시체계가 필요하다. 향후 다양한 기상 환경에서의 오염물질 이동 및 침전·퇴적 등의 물리과정을 고려한 수치모델링 연구를 수행하여 연안 오염 가능성에 대한 세부적인 연구가 진행되어야 할 것이다.