1. 서 론

우리나라 서‧남해안에는 농지와 농‧공업 용수 확보를 위해 지난 수십년간 간척 및 연안 댐건설 사업을 시행하여 여러개의 인공 담수호가 형성되어 있다. 큰 강의 하구를 막아 건설한 하구언(금강호, 영산호), 만 내의 일부를 막아 만들어진 호수(아산호, 간월호, 부남호 등) 그리고 조간대 외해를 직접 막아 건설된 호수(새만금호, 시화호) 등 다양한 형태의 인공 담수호가 있다. 이러한 인공 담수호는 하천에 비해 저수용량이 크고, 비점오염원으로부터 발생되는 오염부하가 많으며, 강우시 홍수 유출율이 높아져 주변 지역에서 발생된 오염물질이 일시에 담수호로 유입이 되고 더딘 자정작용으로 오염물질이 축적 된다. 또한, 여름철 집중호우 발생 시 호수 주변 및 상류 지역의 범람 방지를 위해 담수를 대량으로 연안역으로 방류하여 연안 환경의 급격한 변화를 초래하고 있다.

인공 담수호 내부에서의 수질 악화를 완화하기 위해 해수교환을 시행하거나(시화호), 해수유통의 필요성이 최근 여러 호수(영산호, 금강호, 부남호, 보령호 등)에 대해 제기되고 있다. 그리고 오염된 담수가 일시적으로 대량 방류될 때 발생할 수 있는 연안 환경 및 생태계의 변화 또한 매우 심각한 문제점으로 대두되고 있다(Moon et al., 1993; Lee et al., 2016). 오염물질을 공급받는 연안역의 수질은 공급량 뿐만 아니라 해수의 유동과도 밀접히 관련되기에 인공 담수호의 형태에 따라 수질의 영향 정도가 매우 다를 것이다. 연구 지역인 천수만 내부로 담수가 공급되는 경우 북향하는 잔차류가 오랜 시간 지속되면서 유입된 물질들이 쉽게 외해로 빠져나가지 못하고 장기간 체류한다는 보고도 있었다(Jung et al., 2015).

충청남도 서해 중부 연안에 위치한 반폐쇄성 내만인 천수만에는 간월호(서산 A지구), 부남호(서산 B지구)라는 인공호수가 간척사업을 통해 만들어져 있다. 천수만 주변에는 만 내로 직접 유입되는 강이나 하천은 없으며, 인공호수로부터 여름철 담수의 대량 방류가 매년 반복되고 있다(Lee et al., 2012). 특히, 최근 매년 태풍 및 집중호우가 이 지역에 영향을 주어 막대한 량의 담수를 일시적으로 천수만 내부로 방류하였다(Jung et al., 2015). 주변에 보령 화력발전소 이외에는 대형 산업체가 없어, 중금속과 같은 유해물질의 유입가능성이 다른 지역의 인공 담수호에 비해 비교적 적다고 할 수 있으나(Song et al., 2011), 유입되는 담수는 매우 부영양화 된 상태이어서(Kim et al., 2005) 담수 방류에 의한 수질 변화가 매우 심각하리라 예상된다. 따라서 인공 호수의 수질 관리 대책을 수립하고 천수만 내부에서 발생하는 여러 생태 문제(예: 바지락 폐사, Choi et al., 2014)의 원인 규명을 위해서 오염된 담수의 대량 방류에 따른 해수 수질의 변화를 정량적으로 규명하는 것은 매우 중요한 사항이 될 것이다. 또한, 천수만은 만의 일부를 막아 형성된 형태의 인공호수에 의해 발생하는 연안 환경 영향을 파악하기 위한 적절한 장소로 판단된다.

천수만에서의 기존 연구들은 식물플랑크톤(shim and Lee, 1979; Shim and Yeo, 1988; Shim and Shin, 1989; Shin et al., 1990) 및 동물플랑크톤(Shim and Yoon, 1990)의 변화, 어류의 종조성(Lee, 1996)을 주제로 수행 되었고, 전반적인 천수만 수질환경(Kim et al., 2005; Park et al., 2006에 대한 연구도 있었고 담수방류로 인한 직접적인 천수만 수질 및 생태 변화를 규명한 연구도 있었으나(Lee et al., 2012; Lee et al.,2014; Lee et al.,2016; Jung et al., 2015), 일반 수질 뿐만 아니라 영양염, 유기물 및 미량금속 등 전반적인 수질의 변화를 제시한 연구는 없었다.

본 연구는 2011년 담수 방류 전(6월), 대량 방류 중(7, 8월) 및 최종 대량 방류 2개월 후(10월)로 나누어 영양염, 유기물 및 미량금속들을 조사하여 담수 방류에 따른 수질 변화 특성을 규명하고자 하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 연구지역

천수만은 충청남도 서해 중부 연안에 위치한 반폐쇄성 내만(북위 36° 23′ ~ 36° 37′, 동경 126° 20′ ~ 126° 30′)으로 홍성군 서쪽에 위치하고 있다. 남쪽 원산도에서 북쪽 간월도까지 약 25 km이고, 만 중앙부의 최대 폭은 약 10 km이며 서쪽의 안면도와 북쪽의 간월호 및 부남호의 방조제로 둘러싸여 있다. 만 내 평균 수심은 약 10 m로 입구에서 약 30m의 최대 수심을 보인다. 농지 및 농업용수 확보를 위해 1980년부터 15년 동안 이루어진 간척사업으로 천수만 A지구와 B지구에는 해수를 가로막는 7.7 km의 방조제가 건설되었다. 이 과정에서 두 개의 대규모 담수호가 조성되었는데 A지구의 간월호와 B지구에는 부남호이다. 이외에 1999년과 2000년에는 각각 홍성 방조제(모산만)와 보령 방조제(오천만)가 추가로 건설되었다. 인공호수의 건설로 인해 북쪽으로 이동되던 해수가 차단되면서 남쪽 입구를 통해 외해수의 유입 및 유출이 발생하게 되었다. 또한 인공호수에서는 여름철 내부의 홍수 방지를 위해 담수를 만내로 배출하는데, 2011년의 경우 6월 말(25일)부터 8월 말까지 집중적으로 이루어졌으며 방수량은 간월호가 5.4억톤, 그리고 부남호가 1.6억톤 규모였다(한국농어촌공사, 현대서산농장의 배수갑문 조작 현황, 2011). 방조제 내부로 부터의 담수 방류로 인해 천수만 안쪽 해역 표층에 저염분 수괴가 형성되고, 급격한 밀도변화가 생기게 되어 수층이 성층화 되고 해수의 상하 혼합이 제한된다. 이로 인해 만의 북쪽 부분에 빈산소가 형성되고 대규모 담수 방류일 때는 18일 간 지속되기도 하였다(Jung et al., 2015; Lee et al., 2016).

2.2 시료 채취 및 분석방법

본 연구에서는 담수가 방류되지 않은 평상시(2011년 6, 10월)와 담수가 방류되는 시기(2011년 7, 8월)로 구분하여 현장관측을 하고 해수 시료를 채취하였다(Fig. 1).

Fig. 1.

Map showing the study area and sampling sites.

천수만 입구부터 만내로 순차적으로 각 10개 정점(8월; 9개 정점)에서 표층과 저층(해저면에서 약 1 m 위) 두 층에서 해수를 채취하였고, 6월을 제외한 다른 시기에는 간월호 및 부남호에서도 표층 담수를 채취하였다(Fig. 1).

먼저 현장에서의 채수가 이루어지기 전에 실험실에서 1N HCl으로 니스킨을 세척하고, 영양염과 유기물 분석용과 금속 분석용 채수병으로 나누어 세척하고 그중 금속 분석용 채수병은 10% HCl에서 4시간 이상 끓여 산세척 하였다. 영양염과 유기물 분석을 위해 채취한 시료는 드라이아이스가 있는 아이스박스에 담아 실험실로 돌아와서 24시간 내 GF/F 여과지를 이용해 용존상과 입자상으로 분리 후 분석시까지 냉동보관 하였다. 또한 금속 분석용 해수는 산세척한 멤브레인 여과지로 용존상과 입자상으로 분리하고 여과한 해수에 정제 질산 용액을 첨가해 보관하였다.

일반 수질 인자들(수온, 염분, 용존산소, 엽록소)은 다항목 수질측정기(Multi analyzer, Model YSI-6600V2)를 이용해서 현장에서 직접 측정하였다. 총 용존 질소(Total Dissolved Nitrogen; TDN), 총 용존 인(Total Dissolved Phosphorous; TDP), 암모니아성 질소(Ammonia; NH₄⁺-N), 아질산성 질소(Nitrite; NO₂^--N), 질산성 질소(Nitrate; NO₃^--N), 인산염 인(Phosphate; PO₄^-3-P), 규산염(Silicate; Si(OH)₄)는 해수공정시험기준(해양수산부)에 따라 분석되었다.

용존 유기탄소(Dissolved Organic Carbon; DOC)는 총 유기탄소 수질 분석기(TOC-V_CPH/CPN, SHIMADZU, Japan)로 분석하였다(Sugimura and Suzuki, 1988). 용존 유기 질소(Dissolved Organic Nitrogen; DON)는 총 용존 질소와 용존 무기 질소(Dissolved Inorganic Nitrogen; DIN=Ammonia+Nitrite+Nitrate)의 차(TDN-DIN=DON)로, 용존 유기인(Dissolved Organic Phosphorus; DOP)은 총 용존 인과 용존 무기인(Dissolved Inorganic Phosphorus; DIP)의 차이(TDP-DIP=DOP)로 각각 계산하였다. 입자상 유기 탄소(Particulate Organic Carbon; POC)와 입자상 유기 질소(Particulate Organic Nitrogen; PON)는 냉동시킨 GF/F 여과지의 1/8을 주석 캡슐에 말아 넣은 후 1M HCl로 무기 탄소를 분해시킨 후 자동원소분석기(Flash EA 1112 series, Thermo Fisher Scientific, EU)로 분석하였다. 입자상 유기인(Particulate Organic Phosphorus; DOP)은 건조시킨 GF/F여과지를 반으로 나눠서 한쪽은 그대로(A), 나머지 부분은 도가니 550°C에서 태웠다(B). 그 후 각각 원심분리관에 각각 담아 1M HCl 첨가 후 24시간동안 교반시켜 원심분리 시켰다. 상등액을 해양환경공정시험법에 따라 실험하였고 측정된 농도 A (Total Particulate Phosphorus; TPP)에서 B (Particulate Inorganic Phosphorus; PIP)를 빼서 POP를 구했다. 생물기원 규소(Biogenic Silica; Bio-Si)는 건조시킨 NPre™ 여과지에 0.2M NaOH 용액을 첨가하고 100℃의 수조에서 반응시킨다. 상온으로 냉각한 후에 반응을 중단시키기 위해 1M HCl 용액을 첨가하고 원심분리한 후 상등액을 증류수로 희석하여 Si, Al 농도를 유도결합플라스마 방출분광기(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer; ICP/AES, OPTIMA 7300 DV, Perkin-Elmer, USA)로 측정한다([Si]₁, [Al]₁). 첫 번째 분해가 끝난 뒤 여러차례 헹구고(rinsing) 오븐에서 건조시킨 후 첫 번째 분해와 같은 과정을 반복하여 Si, Al을 분석하였다([Si]₂, [Al]₂). 첫 번째 반응으로 얻어진 용액에서 Si는 암석기원 및 생물 기원이 혼합되어 있고, 두 번째 반응에서 얻어진 용액의 Si는 암석기원 규소만 용출되며, Al은 두 부분 모두 암석기원이라 가정하면, 두 번째 반응의 Si와 Al의 비((Si:Al)₂)를 이용하여 첫 번째 반응에서 용출된 규소를 보정하여 생물기원 규소의 농도를 측정할 수 있었다([Bio-Si]= [Si]₁-[Al]₁ ×(Si:Al)₂) (Ragueneau et al, 2005).

용존 금속(Al, Fe, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb)은 Nobias-PA1 컬럼(Hitachi-Hightech, Japan)에 해수 50 mL를 통과시켜 금속 킬레이트를 만든 후 1M HNO₃ 용액 3 mL로 금속을 용리하여 유도결합 플라즈마 질량분석기(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer; ICP/MS, ELAN 6000, Perkin-Elmer, USA)로 분석하였다(Sohrin et al, 2008).

입자상 금속은 멤브레인 여과지에 25% acetic acid과 0.02M hydroxylamine hydrochloride를 첨가한 후 수조에서 가열 후 냉각시켰다. 원심분리 후 상등액에 진한 HNO₃를 첨가하고 가열(heated)해서 증발시켰으며 이 과정을 두 차례 반복했다. 건조 후 잔류물에 1N HNO₃를 첨가하여 용해 한 뒤 ICP/MS로 분석하였다(Berger et al, 2008). 자료의 신뢰도를 평가하기 위하여 캐나다 국가연구위원회(National Research Council of Canada)의 표준해수 중 영양염은 MOOS-2를, 미량금속은 NASS-5와 CASS-5를 함께 분석 하였다. 분석한 모든 항목에서 표준시료에서의 회수율은 영양염의 경우 89%(Silicate) ~ 130% (Nitrite)이고, 미량금속의 경우 80% (Al) ~ 110% (Cd)를 나타내었다.

2.3 담수 방류 효과 평가 및 물질 기원 추정 방법

평상시(6월 및 10월)와 담수가 방류되는 시기(7월 및 8월)로 구분하고, 죽도를 기준으로 외만(정점 1~6, A 구역)과 내만(정점 7~10, B 구역)으로 구분하여 각 항목별 평균농도를 비교하여 방류 영향을 파악하였다. 또한 담수가 방류되는 시기(7월 및 8월)에는 담수와 해수에서 농도를 보존적 인자인 염분과 비교함으로써 혼합 관계에서의 거동을 이용하여 수질 항목의 기원을 추정하였다(Head, 1985). 즉, 담수와 해수가 혼합될 때 수질 성분의 염분과의 직선성을 이용하여 보존적 혼합(conservative mixing) 거동을 나타내는지 여부를 판단하고, 직선성을 나타낼 때 외삽하여 추정되는 담수의 농도 (b)와 직접 측정한 담수에서의 농도 (a)를 비교하여, (a)가 (b)와 유사한 경우는 담수에서 공급되고, 큰 경우는 담수에서 주로 공급되고 만내에서 제거되며, (b)가 (a)보다 매우 큰 경우에는 만 내부에서의 기여도가 크다고 평가하였다. 직선성을 보이지 않았을 때는 평균 농도를 사용하여 염분 희석 비율을 적용한 후 기여도 평가를 하였다. 이때 인공호수는 잘 혼합된 수체라고 가정하여 표층 및 저층에 모두 적용하였다. 그리고 해양수산부에서 제정고시한 수질평가 지수값(해양수산부고시 제2013-186호, 2013)을 계산하여 담수가 방류될 때 천수만의 수질이 어떻게 변화하는지 살펴보았다.

3. 결과 및 토의

3.1 일반 수질 인자들의 변화

천수만 해수 및 인공 호수에서 관측한 일반 수질 인자들(온도, 염분, 용존 산소 및 엽록소 농도)을 정점에 따라 도시하였다(Fig. 2). 수온은 각 시기별 표·저층, 정점별 차이가 없었으며 8월, 7월, 6월, 10월 순으로 감소하였다. 염분은 6월 및 10월에 표·저층, 정점별 차이가 없었고 상대적으로 높은 값이었으며, 7월에는 정점별 저층의 염분변화는 크지 않으나(29 ± 0.15 psu) 표층에서는 대부분 정점에서 저층보다 낮은 값을 보였고 가장 안쪽 정점인 St. 10에서 최소값 19 psu를 보였다. 8월에는 7월에 비해 표·저층의 차이가 전 정점에 걸쳐 감소하였으나, 만 입구(St. 2)보다 호수에 가까운 정점(St. 10)에서 낮은 염분(3 psu 차이)이 나타났다. 용존 산소 농도 및 포화도는 6월과 10월에 표·저층, 정점별 차이가 없었는데 반해 7월과 8월 내만(St. 7~10)에서 표층에서는 과포화, 저층에서는 불포화를 나타내었다. 외만(St. 1~6)에서는 일부 정점에서 7월 표층수에서만 과포화가 관측되었다. 특히 8월 St. 9 및 10의 저층에서 용존 산소 포화도 36%까지의 빈산소가 관측되었다. 엽록소(chlorophyll-a)는 7월 및 8월 내만의 표층에서 급격한 증가를 보이는데 St. 9에서 최대값(7월; 35.2 μg/L, 8월; 32.8 μg/L)을 보였다. 특히 엽록소 농도는 용존 산소와 유사한 경향을 보여 용존 산소가 과포화일 때 최대값을 보인다(Fig. 2). 공간적인 일반 수질 항목들의 분포를 살펴보았을 때, 분포 특성이 유사한 구역을 두 개(St. 1~6: A구역; St. 7~10: B구역)로 구분할 수 있었는데 각각 외만(A구역)과 내만(B구역)에 해당되었다. 구분지은 구역에 따라 살펴보면 수온은 모든 시기에 구역별 차이가 없었으며, 염분은 7, 8월에 내만에서는 표·저층 차이가 뚜렷하여 성층화되었으나 외만에서는 표·저층 차이가 거의 없었다. 용존 산소는 외만의 경우 7월 몇 정점을 제외하고 시·공간적 변화가 없었지만 내만에서는 7, 8월에 표층 과포화(최대 177%) 및 저층 빈산소(최소 36%)를 보였다. 엽록소 농도는 외만에서는 시·공간적 변화가 비교적 적었지만 내만에서는 7, 8월에 표층에서 높은 값을 보였다.

Fig. 2.

Variation of (a) temperature, (b) salinity, (c) dissolved oxygen concentration, (d) dissolved oxygen saturation percentage and (e) chlorophyll-a concentration along the stations during four survey periods in Cheonsu Bay.

3.2 영양염류의 변화

담수 방류에 의한 수질 변화를 살펴보기 위하여 내만과 외만 정점들에 대해 방류 시기(방류시: 7월 및 8월) 및 방류 전‧후 시기(평상시: 6월 및 10월)로 나누어 표‧저층의 평균 농도와 표준편차를 계산하였으며 t-검정을 통해 차이가 유의한(p<0.05) 항목들에 대해 평가하였다(Table 1). 표‧저층을 분리하여 변화를 살펴보는 것은 담수 방류시 염분에 의한 성층이 만들어져 표층은 담수의 직접적인 영향을 받고, 저층은 재광물화나 퇴적물로부터의 이차적인 영향을 받기 때문이다.

Table 1. Mean and standard deviations (Stdev) of nutrients and organic matter concentrations in Cheonsu Bay. The data were divided by periods (normal vs. discharged), locations (A vs. B), and water depth (surface vs. bottom)

용존 무기 질소(암모니아성 질소, 아질산성 질소, 질산성 질소의 합)의 농도는 전체적으로 평상시보다 방류시에 3.5배 증가하였으며, 표층수는 A구역 3.16배, B구역 3.55배 증가를 보였으나 저층수에서는 A, B 구역 모두 3.7배의 증가를 보였다. 방류시의 평균값은 같은 지역 여름철(8월)에 조사된 5.1-13.6 µM보다 높은 값을 보였다(Kim et al., 2005). 암모니아성 질소는 전체적으로 평상시보다 방류시에 1.7배 증가하였고, 표층수에서 A구역은 1.4배 증가하였으나 B구역은 60% 수준으로 감소하였으며, 저층수에서는 A, B 구역 모두에서 방류시에 2.4배가 증가하였다. 아질산성 질소는 전체적으로 평상시보다 방류시에 5.6배 증가하였으며, A구역은 표층 및 저층에서 3.3배, B구역에서는 표층은 8.9배, 저층은 11.5배 증가하였다. 질산성 질소는 전체적으로 평상시보다 방류시에 33.5배 증가하였고, 표층수에서 A구역은 40배, B구역은 65.4배 증가한 반면 저층에서는 A구역 17.7배, B구역 26.7배 증가를 보여 저층수보다 표층수에서 2배 이상의 증가율을 보였다. 용존 무기 질소를 구성하는 각각의 화학종의 비율을 살펴보면, 평상시에 전 구역에서 80% 이상을 차지하던 암모니아성 질소의 구성 비율이 방류시에 약 2배 감소하였다. 또한 A구역 표・저층 및 B구역 저층에서 2배, B구역 표층에서는 약 6배가 감소하였다. 이에 반해 아질산성 질소의 구성비는 평상시보다 약 2배 증가 하였고, A구역의 표・저층은 비슷했으나, B구역에는 표・저층 모두 약 2배 이상 증가하였다. 질산성 질소의 구성 비율은 방류시에 약 9배 증가하였으며 A, B구역 모든 수층에서 약 7배 이상 증가하였다(Table 1). 따라서 평상시에 질산화(nitrification) 되지 못하고 암모니아가 축적되는 환경(Park et al., 2006)이었다가 방류시에 담수에서 유입되는 질산염에 의해 질산성 질소가 우세한 환경으로 변화함을 알 수 있었다.

용존 무기인의 농도는 전체적으로 평상시보다 방류시에 약 5%가 증가하였는데, 표층수는 A구역에서 약 27.9%, B구역에서 53.4%의 감소한 반면 저층수에서 A구역은 약 6%, B 구역은 43.5%의 증가를 보였다. 규산염의 경우에는 방류시에 평상시보다 60.7%가 증가하였다. 표층수에서 A구역은 약 56.8%, B구역에서 22.9%의 증가를, 저층수에서는 A구역 약 65.7%, B 구역 85%의 증가를 보였다(Table 1).

담수가 방류되면서 천수만 내 수질 환경은 영양염 및 유기물의 직접적인 유입에 의한 농도 변화 뿐 아니라 식물플랑크톤 증식 환경에 영향을 준다. 제한 영양염(limiting nutrient)은 일반적으로 육지에서는 인, 해양에서는 질소로 알려져 있으나 주변 환경이나 계절 및 시기에 따라 달라지기도 한다. 담수 유입이 적거나 강우가 적은 경우 질소, 담수 유입이 많을 때는 인이 제한 영양염으로 나타난다(Hecky and Kilham, 1988). 천수만에서도 평상시보다 방류시에 DIN/DIP의 평균값이 약 7배정도 컸으며 표층수는 A구역에서 약 4배, B구역에서 약 9배 증가하였다. 저층수의 경우 A구역에서 3배, B구역에서 2배 증가하였다. 담수 방류가 일어나지 않는 평상시에는 DIN/DIP의 범위 및 평균값이 대부분 16보다 작아 질소가 제한 영양염이었지만, 담수 방류가 일어나는 시기에는 대부분 16보다 커서 인이 제한 영양염으로 작용하였다(Table 1). 시기적으로는 다르나, 2004년 5월 식물플랑크톤의 대번성이 일어나면서 DIN/DIP의 평균비가 52.0으로 관측되었고(Kim et al., 2005), 계절별 연구에서 여름철의 경우 DIN/DIP의 평균비가 16이상으로 조사되어(Park et al., 2006) 천수만에서는 질소보다 인에 의해 식물플랑크톤의 성장이 제한받는 것으로 조사되었다. 이는 방류되는 간월호 및 부남호에서 용존 무기 질소의 평균 농도(147±37.9 μM)가 용존 무기 인(1.4±1.2 μM)에 비하여 상대적으로 매우 높았기 때문으로 판단된다.

염분에 따른 변화는 물질별로 매우 다른 모습을 보여주었다. 질산성 질소는 7, 8월 표,저층 모두 만 내에서 염분과 직선의 관계를 보여주며 직선을 외삽한 담수에서의 농도(b)가 실제 측정한 농도(a)보다 작아 인공호수에서 주로 공급되며 만 내에서 제거되는 모습을 보였다. 아질산성 질소도 7월의 경우 질산성 질소와 유사하였으나 8월의 경우 표, 저층 모두에서 만 내에서 추가되는 양상을 보였다. 반면에 암모니아성 질소와 인산염 인은 만 내 표층에서 외해 및 담수보다 낮은 농도가 되어 급격한 제거를 보였다(Fig. 3). 이는 식물플랑크톤에 의한 제거(Nixon and Pilson, 1983; Froelich et al., 1985)로 보이며, 특히 식물플랑크톤이 암모니아성 질소를 질산성 질소보다 선호하여 우선적으로 섭취했음을 알 수 있었다. 또한 저층수에서는 조사한 모든 시기에 매우 높은 농도의 암모니아성 질소의 추가 현상이 관측되었다. 규산염의 저층수에서의 추가는 암모니아성 질소와 인산염 인과 유사하였으나 담수에 의한 공급이 표층수에서 매우 중요하였다. 내만 표층에서의 갑작스런 규산염의 제거는 규조류 성장과 관련될 것으로 보여진다.

Fig. 3.

Relationships between salinity and ammonia (a), nitrite (b), nitrate (c), dissolved inorganic nitrogen (DIN, d), dissolved inorganic phosphorous (DIP, e) and Silicate (f) concentrations in Cheonsu bay during July and August surveys (G; Ganwol lake, B; Bunam lake). Least squared regression lines for surface (7s, 8s) and bottom (8b) waters were depicted, and their equations and correlation coefficients were presented.

따라서, 담수 방류에 의해 호수에서 높은 농도의 질산성 질소, 아질산성 질소, 규산염 및 인산염 인이 공급되고 생물 활동에 소모되며 침강한 유기물질의 저층 및 퇴적물에서의 재광물화 작용이 왕성하여 암모니아성 질소, 인산염 인, 규산염이 만내의 수층에 공급(Edmond et al., 1985)되고 있음을 나타내었다. 아질산성 질소도 8월의 경우 저층수에서의 공급이 주요하였다.

3.3 유기물의 변화

용존 유기 탄소의 농도는 평상시보다 표층수는 A구역에서 약 27.5%, B구역에서 67.3%, 저층수에서는 A구역은 약 19.4%, B 구역은 17%의 증가를 보였다. 방류시의 농도 증가는 저층수보다 표층에서 2배 이상이었다. 용존 유기 질소도 표층수 A구역은 67.7%, B구역에서는 2.4배의 증가를 보였고 저층수 A구역에는 31.7% B구역에서는 78%의 농도 증가를 보였다. 특히 B구역의 표·저층의 농도 증가가 A구역에 비해 3배 높았다. 용존 유기인은 다른 용존 유기물과 다르게 표층수에서는 A구역 약 3%, 저층수에서는 A구역은 32.0%. B구역은 9.8%로 감소한 반면, 표층수 B구역에서만 7.8% 증가하였다. 입자상 유기 탄소는 표층수 A구역에서 약 50.7%, B구역에서 약 92%증가하였으나, 저층수 A구역에서 약 15%, B구역에서 약 18.9% 감소하였다. 입자상 유기 질소도 표층수 A구역 18%, B구역은 2배이상 증가하였지만 저층수 A구역은 24.8%, B구역은 2배 이상 감소하였다. 입자상 유기인의 경우 평상시보다 방류시에 표층수 A구역에서 40.6%, B구역에서 3배 증가하였고, 저층수의 A, B구역의 농도는 거의 차이가 없었다. 생물기원 규소는 방류시에 표층수 A구역은 51.2%, B구역은 약 4배, 저층수 A구역은 50.5%가 증가한 반면 저층수 B구역은 11.6% 감소하였다(Table 1).

담수 방류에 따른 혼합 시 염분 변화에 따른 유기물은 다음과 같은 양상을 보였다. 먼저 용존 유기탄소는 7, 8월 표층 모두 만 내에서 염분과 직선의 관계를 보여주며 직선을 외삽한 담수에서의 농도(b)가 실제 측정한 농도(a)와 비슷해 인공호수에서 주로 공급되어 보존적으로 혼합되는 양상을 보였다. 용존 유기 질소 및 인은 담수가 방류되면서 공급 되며 만 내에서 제거되는 양상을 보여 재광물화 과정을 통한 영양염으로 전환(Kaplan, 1983)될 가능성을 보여주었다. 입자상 유기 탄소·질소·인·생물기원 규소의 경우 8월 표층에서 (b)가 (a)보다 높은 농도를 보여 담수 유입 후 만 내에서 생성된 것으로 보여진다(Fig. 4). 저층의 경우 생물 활동과 관련없는 퇴적물의 재부유에 의한 변화 가능성을 보여준다.

Fig. 4.

Relationships between salinity and dissolved organic carbon (a), dissolved organic nitrogen (b), dissolved organic phosphorous (c), chlorophyll-a (d), particulate organic carbon (e), particulate organic nitrogen (f), particulate organic phosphorous (g) and biogenic silica (h) for July and August surveys in Cheonsu bay (G; Ganwol lake, B; Bunam lake). Least squared regression lines for surface waters (Jul._s, Aug._s) were depicted, and their equations and correlation coefficients were presented.

입자상 유기 탄소, 엽록소 및 생물기원 규소의 상대적인 무게비율로부터 생물체의 기원 혹은 종류를 추정할 수 있다(Zeitzschel, 1970; Paasche, 1980; Brzezinski, 1985). 8월의 경우 표·저층에서 모두 입자상 유기탄소와 엽록소의 비율 및 생물기원 규소와 유기탄소의 무게비가 매우 일정하여 각각 110±26 및 0.26±0.05 이었다(Fig. 5). 반면에 7월의 경우 각 항목사이의 분산이 매우 컸으며 무게비율이 각각 표층에서는 283±171 및 0.05±0.04, 저층에서는 649±228 및 0.24±0.15 이었다 . 입자상 유기탄소와 엽록소의 무게비율이 100보다 작을 시 입자상 유기 탄소는 주로 식물플랑크톤 기원(Zeitzschel, 1970)이며, 생물기원 규소와 입자상 유기 탄소의 비율은 실험실에서 배양된 규조류의 경우 0.24~0.26(Paasche, 1980) 혹은 0.04~0.36(Brzezinski, 1985) 범위로 8월의 경우 입자상 물질이 주로 규조류의 식물 플랑크톤이 중요하였음을 나타낸다(Fig. 5). 따라서, 담수 방류에 의해 호수에서 높은 농도의 용존 유기물질들이 유입되고, 이들은 만 내에서 재광물화되어 생물 생산에 사용되고 입자상 유기물질의 생성에 기여하였다.

Fig. 5.

Relationships between particulate organic carbon and chlorophyll (a) and biogenic silica (b) in Cheonsu bay. Least squared regression lines and equations for the surface waters of August survey were presented.

3.4 용존 미량금속의 변화

용존 금속의 경우 Mn과 Cd을 제외하고는 인공호수의 용존 금속의 농도가 천수만 내부의 값보다 높았다(Fig. 6). 대부분의 용존 금속의 농도(용존 Co, Cd, Pb 제외)가 담수 방류가 없는 같은 평상시라고 하더라도 6월이 10월보다 농도가 약 2배 이상 높아서 평균값을 통한 담수 방류의 영향을 정확히 판단내리기 어렵다고 사료된다. 용존 Co의 경우 평상시 보다 방류시에 약 1.9배 증가하였고, 표층수는 A구역에서 약 1.8배, B구역에서는 1.6배 증가하였다. 저층수에서도 각각 1.7배, 3.4배 증가하였다. 용존 Cd은 방류시에 약 60% 감소하였고, 표층수에서는 A구역과 B구역에서 각각 1.6배, 2.5배 감소하였다. 저층수의 경우에는 평상시와 방류시가 비슷한 평균값을 보였다. 용존 Pb은 평상시와 방류시가 비슷한 평균값을 나타냈으며, 표층수의 경우 A구역에서는 비슷한 평균값을 B구역에서는 1.7배 증가하였다. 저층수의 A구역에서는 2.1배 감소, B구역에서는 3배 증가하였다(Table 2).

Fig. 6.

Relationships between salinity and dissolved Al (a), Fe (b), Mn (c), Co (d), Ni (e), Cu (f), Cd (g) and Pb (h) concentrations in Cheonsu bay.

Table 2. Mean and standard deviations (Stdev) of dissolved metal concentrations in Cheonsu Bay. The data were divided by periods (normal vs. discharged), locations (A vs. B), and water depth (surface vs. bottom)

염분변화에 따른 용존 금속의 양상은 몇가지 집단으로 구분되었다. 용존 Mn은 (a)가 (b)보다 낮은 값을 보여 담수 유입 후 만 내에서 생성된 것으로 보여진다(Fig. 6). 만 내에서 7월과 8월 표층수에서 염분과 양호한 직선 관계를 보이는 점과 8월 저층에서 농도가 표층과 유사하다는 점으로부터 용존 Mn이 퇴적물로부터의 용출이 아니라 담수 호수에서 배출되는 입자상 Mn이 해수와 혼합 과정에 탈착되어 용존 Mn이 생성되었다고 판단된다. 용존 Cd, Pb은 방류시 (a)가 (b)보다 높은 값을 보였고 혼합구역에서 최소값을 나타난 것으로 보아 천수만 내부 기작으로 인해 농도가 감소했음을 보여주었다(Fig. 7). 용존 Pb의 경우에는 담수에서 농도가 높아 방류시 초기 염분단계(0~15‰)에서 응집(flocculation) 과정에 의해 만내에서 제거되며 또한 부유입자가 적은 외해의 높은 농도도 저염분의 내만의 물과 혼합되어 농도가 감소한다(Windom et al., 1989). 용존 Cd의 경우도 염분이 증가할수록 이온 강도의 증가로 염소 복합체를 형성하게 되어 입자로부터 탈착이 이루어져 용존상으로 오랫동안 지속하는 거동(Boyle et al., 1982)을 보여주는 특성 때문에 평상시에 외해수의 농도가 담수보다 높다. 따라서 담수방류가 일어나 만내의 염분이 감소되면서 오히려 평상시보다 농도가 감소하게 되었다(Fig 6). 즉, 용존상과 입자상 사이의 음의 상관성을 잘 보여(Fig. 7) 해수 중의 높은 용존 Cd이 담수 방류에 의해 만내에서 제거된다고 할 수 있다.

Fig. 7.

Relationships between dissolved and particulate Cd in Cheonsu bay.

용존 Al, Fe, Cu는 담수 유입이 일어나는 시기에 인공호수의 농도(a)가 외삽하여 추정되는 인공호수의 농도(b)보다 높은 값을 보였으며 염분이 증가되면서 농도가 감소하며, 천수만 내부에서 제거되는 양상을 보였다(Fig. 6). Al은 생물활동 및 규조류의 생성(Hydes et al., 1977), Fe의 경우 용존 유기물 및 산화수산화물 형태로 제거되고, Cu의 경우 생물흡수에 의해 제거되기도 한다(Windom et al., 1989). 용존 Ni과 Co는 (a)와 (b)가 비슷한 농도를 보여 단순한 희석효과에 의해 농도가 조절되었다.

3.5 수질지수의 변화

본 연구 지역에서의 평상시와 담수 방류가 일어나는 시기의 수질의 특성을 살펴보기 위해 수질평가 지수값(Water Quality Index)을 계산했다.

담수 유입의 유무에 따른 해역의 수질환경을 살펴보기 위해서 조사한 항목들 중 수질평가지수 대상 항목에 해당하는 항목을 선정한 후 기준값을 사용, 각 항목별 평가를 통해 점수화했다. 그리고 각각의 산정된 점수를 이용해서 원인물질, 일차반응항목 그리고 이차반응항목 순으로 가중치를 부여하는 Rho et al.(2012)가 제시한 중선형 합산방법(weighted linear combination method)으로 수질지수를 계산하였는데 그 수식은 다음과 같다.

수질지수=10×(저층용존산소 포화도)_N+6×(chl-a)_N+4×$\frac{{\left(DIN\right)}_N+{\left(DIP\right)}_N}{2}$N; 기준값을 사용, 산정된 점수  (1)

원래 Rho et al.(2012)의 수질지수에는 유기물 항목을 엽록소(Chl-a)에 의한 점수와 Secchi 판의 깊이에 의한 점수의 평균값을 사용하게 되어 있으나 본 연구에서 Secchi 판의 깊이 자료가 없어 이 부분은 생략한 채 사용하였다. 이렇게 계산한 수질 지수는 모든 항목이 배경 농도 수준이면 20점이 되고 영양염과 유기물이 높아지고 산소 포화도가 작아지면 점수가 최대 100점이 되도록 만들어 졌다. 이 수질 점수를 5등급으로 만들어 수질 등급을 부여한다(Rho et al., 2012). 천수만의 시기별 수질지수를 계산한 결과, 방류가 일어나기 전인 6월의 경우 대부분의 수질지수가 4등급 이하였다. 방류가 일어나기 시작한 7월부터 정점 7, 9, 10은 수질지수가 5등급으로 바뀌었고, 대규모 방류가 일어나는 정점 7에서 10까지 모두 5등급에 분류되었다. 그 후 방류가 끝나고 한참 시간이 지난 시기인 10월에는 모든 정점이 3등급 이하(1등급; 정점 2·3·4·5, 2등급; 정점 1·7, 3등급; 8·9·10) 로 향상되었다(Fig. 8). 평상시와 방류시로 구분지어 평균값을 비교하니 약 3등급에서 4등급으로 바뀌었다. 또한 구역별로 살펴보면 방류가 되면서 A구역은 2등급에서 3등급으로, B구역은 3등급에서 5등급으로 바뀌었다. 이러한 결과는 수질평가 지수에 사용한 항목 중 산정된 값이 높은 엽록소와 저층 용존산소 포화도의 영향 때문이다(Fig. 2). 담수 유입으로 인하여 성층이 발달되어 표층으로부터 저층으로의 산소공급이 원활하지 않고 표층에서 생산된 유기물 및 플랑크톤의 사체 등이 침강되어 저층에서 분해하여 산소를 소비하기 때문에 저층 용존 산소 포화도는 감소하게 된다. 따라서 담수 방류시 엽록소 농도가 높고 저층 용존 산소 포화도가 낮은 만 안쪽에서 높은 수질등급이 나타났다.

Fig. 8.

Seawater quality index and grades estimated for four survey periods in Cheonsu Bay.

4. 결 론

천수만에서 영양염, 유기물 및 금속농도는 대부분의 항목들에서 담수가 방류되는 시기에 증가하였다. 인공호수로부터 여름철 담수 방류를 하게 될 때 천수만 내부의 해양 환경에 미치는 영향에 대해서 요약하였다.

염분은 담수방류 시작시 표· 저층간 약 10 psu 차이가 나며, 수층간의 차이는 방류가 계속 되면서 만 내부의 해수 유동에 의해 혼합되어 작아지게 된다. 용존 산소 포화도(%)는 표층의 경우 만의 입구와 내만의 차가 약 40%로 내만에서 높은 값을 보이지만, 저층은 약 20%로 내만에서 낮은 값을 보였다.

영양염의 경우 담수가 유입되면서 인공호수에서 높은 농도의 질산성 질소가 공급되면서 용존 무기 질소의 절대적인 양을 증가 시킬 뿐만 아니라 용존 무기 질소를 구성하는 질소 계열 화학종(암모니아성 질소, 아질산성 질소, 질산성 질소)의 비율이 변화되었다. 즉, 평상시에는 암모니아성 질소가 축적되어 용존 무기 질소의 대부분을 차지하지만 담수 방류시 표층에서는 인공호수가 가까운 내만에서부터 질산성 질소의 기여도가 높아졌다. 그리고 유입된 용존 무기 질소는 DIN/DIP의 값을 16보다 크게 만들어 제한 영양염이 질소에서 인으로 바뀌게 하였다. 규산염의 농도는 담수가 방류되면서 증가하고 이는 Chaetocros, Eucampia의 증식(이, 2011)에 기여하여 만 안쪽 표층의 유기물을 증가시켰다. 표층에 공급된 영양염 및 용존 유기물질의 소비가 생물기원 규소의 증가에 큰 역할을 하였기 때문이다. 방류시에 증식된 플랑크톤이 분해되면서 저층으로 하강하여 만 안쪽 저층의 영양염(암모니아성 질소, 용존 무기인, 규산염)농도는 증가하게 된다. 미량금속(Al, Fe, Co, Ni, Cu)의 경우 담수 방류에 의해 만내의 농도가 증가하였으나 용존 Mn은 만내 퇴적물에서 급격한 용출이 있었으며, 용존 Cd는 저염화에 의한 이온강도의 감소로 만내에서 감소하였다.

결론적으로 대부분의 영양염, 유기물 및 금속 농도가 높은 인공호수의 물이 만으로 유입되면 천수만 내의 농도가 증가하고, 식물플랑크톤 대증식이 발생하여 표층에서 산소 과포화, 저층에서 빈산소를 발생시킨다. 수질 평가 지수값을 이용한 부영양화 정도를 평가한 결과, 평상시에는 3-4등급이하로 나타나다가 방류시 5등급으로 바뀌게 됨을 알 수 있다.