252 http://dx.doi.org/10.7850/jkso.2012.17.4.252
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제주도 연안에서 해저 지하수 및 지하수 기원 영양염류 유입량의 시간적 변화
황동운*·고병설1 국립수산과학원 어장환경과
1해양환경관리공단 해양생태팀
Temporal Variations of Submarine Groundwater Discharge (SGD) and SGD-driven Nutrient Inputs in the Coastal Ocean of Jeju Island
DONG-WOON HWANG* AND BYOUNG-SEOL KOH1
Marine Environment Research Division, NFRDI, Busan 619-705, Korea
1 Marine Ecosystem Management Team, KOEM, Seoul 135-870, Korea
해저지하수와 지하수 기원 영양염류 유입량의 시간적 변화특성을 알아보기 위해 2009년 9월부터 2010년 9월까 지 2-3개월 간격으로 제주도의 방두만에서 지하수의 유출속도와 영양염류 농도를 측정하였다. 해저지하수의 유출속 도는 0~330 cm/day(평균 약 170 cm/day)였으며 조석주기 동안 육상 지하수면과 해수면사이의 수리학적 압력경사 의 변화로 인해 고조에서 저조로 갈수록 빨라지는 경향을 보였다. 또한, 해저지하수의 유입량은 겨울철에 비해 여름 철에 상대적으로 높았다. 지하수 기원 영양염류 유입량은 방두만내 전체 영양염류 유입양의 용존무기질소는 90~100%, 용존무기인은 70~95%, 용존무기규소는 65~100% 이었으며, 이는 0.9~33 g carbon/m2/day 의 유기탄소 생성에 기 여를 하는 것으로 나타났다. 따라서, 해저지하수를 통한 영양염류의 유입은 제주도 연안의 부영양화 및 생물생산에 매우 중요한 역할을 담당하는 것으로 보인다.
To determine the temporal variations of submarine groundwater discharge (SGD) and SGD- driven nutrients inputs, we measured the seepage rate and the nutrient concentrations of pore water/groundwater in Bangdu Bay of Jeju Island at two and three month intervals from September 2009 to September 2010. The seepage rate of groundwater ranged from 0 to 330 cm/day (average ~170 cm/day) during the five sampling periods, which increased sharply from high tide to low tide due to changes in hydraulic pressure gradient between water table in land and water sea level in the coastal ocean by the tidal cycles. The submarine inputs of groundwater were also relatively higher in summer than in winter. The nutrient fluxes from SGD were about 90~100%, 70~95%, and 65~100% of the total input (except from open ocean waters) for dissolved inorganic nitrogen (DIN), phos- phorus (DIP), and silicate (DSi), respectively, potentially supporting about 0.9~33 g carbon/m2/day of new pri- mary production in Baugdu Bay. Thus, our study suggests that SGD-driven nutrients may play an important role in the eutrophication and biological production in the coastal ocean of Jeju Island.
Key words: Submarine groundwater discharge, nutrient, seepage rate, Jeju Island
서 론
연안해역에서 해저지하수 유출(submarine groundwater discharge, SGD)은 강물이나 하천수와 더불어 육상에서 해양으로 물이 흘러 들어가는 한 형태이다. 이러한 해저지하수는 지각내 불투수성 지
층 사이의 피압 대수층(confined aquifer)을 따라 용천수의 형태 (submarine spring)나 자유면 대수층(unconfined aquifer)을 통해 누출(nearshore or offshore seepage)의 형태로 유입되는 담지하수 (fresh groundwater) 뿐만 아니라 파도와 조석 등에 의해 해저 퇴 적물이나 육상의 토양으로 스며들었다가 해수면의 변동에 의한 수 리학적 경사(hydraulic pressure gradient)나 조석펌핑(tidal pumping) 작용 등에 의해 누출의 형태로 빠져나오는 재순환 해수(re- Received November 5, 2012; Revised November 19, 2012; Accepted November 19, 2012
*Corresponding author: [email protected]
circulating seawater)를 포함한다(Taniguchi et al., 2002; Burnett et al., 2006).
최근 해저지하수는 전 지구적으로 강물 못지않게 육상의 담수, 영양염류 및 미량금속을 포함한 각종 용존 화학원소들을 해양으 로 공급하는 중요한 역할을 담당하는 것으로 밝혀지면서 그 중요 성이 대두되고 있다(Church, 1996; Taniguchi et al., 2002; Burnett et al., 2006; Kim et al., 2005). 예를들어, Moore et al. (2008)은 대서양 표층에서 해저지하수의 총 유입량이 주변 강물 유입량의 80~160%에 이른다고 하였으며, Milliman (1993)은 전세계에서 해 저지하수를 통해 유입되는 Ca의 양은 강물을 통해 유입되는 Ca 의 양보다 10~20%정도 더 많다고 하였다. 특히, 해저지하수를 통 해 유입되는 높은 농도의 영양염류를 비롯한 용존 화학원소들은 연안해역에서 부영양화(eutrophication)를 일으키고 적조를 발생시 키는 등 해양생태계에 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. Capone and Slater (1990)는 미국 New York의 Great South Bay에서 만내 해수중 질산염의 50%가 지하수를 통해 공급된다고 하였다.
Lapointe et al. (1990)는 미국 동부의 Florida Key에서 해저지하 수를 통해 상당한 양의 질소와 인이 해양으로 유입되고, 이러한 영양염류의 유입은 이 지역의 식물플랑크톤의 대번식(red-tide outbreak)을 일으키는데 중요한 요인이라고 하였다. 최근, Lee and Kim (2007)은 한반도 남해안의 여자만 바깥쪽 외해성 적조 발생 지역의 해수중 영양염류의 주 공급원이 연안으로부터 유입되는 해 저지하수라고 밝혔으며, Lee et al. (2010)은 한반도 남동해 연안 에서 발생하는 적조 규모와 해저지하수 유입량 사이에 밀접한 관 련이 있음을 보고하였다.
연안해역에서 해저지하수가 염분과 용존 화학원소들의 분포를 결정하는 중요한 요인이라는 사실이 알려지고, 해양에서 용존 화 학원소들의 물질수지에 해저지하수의 중요성에 대한 인식이 바뀌 면서 현재 미국을 중심으로 유럽, 아시아, 남아메리카 등 전세계 의 다양한 환경에서 많은 연구자들에 의해 해저지하수 유출에 대 한 연구가 활발하게 진행되고 있다(Taniguchi et al., 2002; Burnett et al., 2006). 특히, 해저지하수 유출은 지역마다 유출기작이 다르 고 지하수 및 이를 통한 각종 화학성분들의 유입량의 시공간적 변 화, 연안에서의 생태학적 반응 또한 다르기 때문에 전세계적으로 집중적인 연구가 필요하다. 지금까지 우리나라에서도 일부 연구자 들에 의해서 seepage meter와 Ra 동위원소(223Ra, 224Ra, 226Ra) 및 CH4과 같은 지화학적 추적자(geochemical tracer)를 이용하여 한 반도 연안해역에서 해저지하수의 유출 기작(Kim and Hwang, 2002;
Yang et al., 2002)과 담지하수 유입량(Hwang et al., 2010a), 남해안 의 반폐쇄적인 내만(semi-enclosed bay)이나 하구역에서 해저지하 수를 통한 영양염류 유입량(Hwang et al., 2005a; Lee et al., 2009; Hwang et al., 2010b; Kim et al., 2010; Kim et al., 2011), 남 해안에서의 해저지하수 유입에 따른 식물플랑크톤 및 해조류 이 상번식과의 관계(Hwang et al., 2005b; Lee and Kim, 2007; Lee et al., 2010), 서해안에서 해저지하수 유입과 저서성 미세조류의 생물량 및 기초생산력사이의 관계(Waska and Kim, 2010, 2011) 등 해저지하수 유입량과 이를 통해 발생하는 생태계 반응에 대한 폭넓은 연구가 진행되어져 왔다. 하지만, 하루 두 차례의 조석순 환과 몬순기후의 영향을 받아 지역적·계절적으로 강우량의 큰 변화를 보이는 우리나라 연안해역에서 해저지하수 및 영양염류 유
입량이 시간적으로 어떤 변화를 보이는지에 대한 연구는 부족한 실정이다.
따라서, 이 연구에서는 시간에 따른 해저지하수 유출량 및 이를 통한 영양염류 유입량에 어떠한 변화가 있는지 그 특성을 파악하 고자 하였다. 이를 위해 다공질의 암석으로 이루어져 한반도 연안 에서 해저지하수 유출이 가장 활발하다고 알려져 있는 화산섬인 제주도를 연구지역으로 선정하여 조석주기 및 계절을 고려하여 해 저지하수 유출속도와 공극수의 영양염류 농도를 조사하였다.
재료 및 방법 연구지역
제주도는 한반도의 남서쪽에 위치한 총면적이 약 1,830 km2인 우리나라에서 가장 큰 섬이다. 전체적으로 섬은 장축인 가로방향 이 약 74 km, 단축인 세로방향이 약 32 km인 동북동-서남서 방 향성을 보이는 반타원체 형태를 갖추고 있다(Kang et al., 2008).
섬의 중앙부에는 약 1,950 m의 높이를 가진 한라산이 위치하며, 이 산을 중심으로 동서사면은 약 3~5o의 완만한 경사를, 남북사면 은 약 5~8o로서 약간 급경사를 이루고 있다.
지질은 중생대 백악기 말부터 신생대 제3기 초로 추정되는 용 결응회암(welded tuff)과 화강암으로 구성된 기반암 위로 실트와 모래층이 분포하는 시대미상의 미고결 퇴적층, 서귀포층 (hydrovolcanic tuffs), 그리고 그 위로 플라이오세 제4기에 생성된 현무암이 지면을 덮고 있다(Koh et al., 2007; Kang et al., 2008).
지층의 대부분이 투수성이 높은 다공질의 암석으로 이루어져 있 어 연평균 강수량이 약 1,900 mm 이상으로 우리나라의 몇 안되 는 다우지역에 속하지만 하천이 발달하지 않아 강우량이 많은 6~8 월에 일시적으로 간헐천(intermittent stream)을 통해 지표수가 해 양으로 유입될 뿐 대부분의 강우는 지하로 스며들어 지하수를 형 성하며 함양율(recharge rate)이 평균 44%로 전국 평균치인 18%
보다 훨씬 높다(Park et al., 1994).
연구지역인 방두만은 제주도의 동부에 위치한 총면적이 약 4.9
×105 m2, 평균수심은 약 3 m 인 소규모의 만이다(Fig. 1). 형성초 기에는 개방형의 만이었으나 2000년대 초 만의 남쪽 입구에 인위 적인 방파제가 건설됨에 따라 지금은 반폐쇄적인 내만의 형태를 이루고 있다. 이로 인해 만내 해수와 외해수와의 교환이 활발하지 못하며, 만내 물의 체류시간(water residence time)은 1~2일 정도 이다(Hwang et al., 2005b; Kim et al., 2011). 주변에 강물의 유 입은 없으나 만의 서쪽에 위치한 육상 수조식 양식장으로부터 배 출수가 유입되나 그 양은 2.0×104 m3/day로서 방두만 전체 부피 의 약 1% 내외로 매우 적다(Hwang et al., 2005b). 표층 퇴적물 은 대부분의 투수성이 높은 사질(slightly gravelly sand, (g)S)로 이루어져 있고, 이로 인해 해수침투(seawater intrusion)가 용이하 고 부근에 지하수 이용에 따른 담지하수의 양이 줄어들어 염수화 가 진행되고 있다(Kim et al., 2003).
조사항목 및 분석방법
시간에 따른 해저지하수 및 해저지하수를 통한 영양염류 유입 량의 변화특성을 파악하기 위해 2009년 9월부터 2010년 9월까지 계절을 고려하여 약 2~3개월 간격으로 총 5회(2009년 9월과 12
월, 2010년 2월, 5월, 9월)에 걸쳐 제주도 동부에 위치한 방두만 에서 해저지하수 유출속도의 측정 및 그 주변의 공극수 시료를 채 취하였다. 먼저, 해저지하수의 유출속도는 manual seepage meter 혹은 automatic seepage meter를 이용하여 원하는 지역의 지하수 유출속도를 직접 알아내는 방법(Cable et al., 1997; Kim et al., 2003; Taniguchi et al., 2006)과 물수지(water balance) 혹은 수리 학적 모델(Zektzer et al., 1973; Oberdofer, 2003), 226Ra, 222Rn, CH4과 같은 화학적 추적자(Moore, 1996; Kelly and Moran, 2002;
Burnett et al., 2007; Hwang et al., 2010b)를 이용하여 간접적으로 알아내는 방법 등 여러 가지가 있다. 그러나, 간접적인 방법들은 짧은 시간에 좁은 지역에서 급격하게 변화하는 해저지하수의 유 출속도를 알아내는 데는 어려움이 있다. 따라서, 이 연구에서는 최 근 Kim et al. (2003)이 고안한 Lee-type manual seepage meter를 이용하여 5~30 min 동안 빠져나오는 해저지하수의 유입양과
seepage meter의 면적으로부터 유출속도를 산정하였으며(Fig. 2), 이전에 Hwang et al. (2005b)이 방두만 내에서 해저지하수의 유 출이 활발하다고 언급한 만의 북서쪽에 완만한 지형변화를 보이 는 조하대 부근의 한 지점을 선정하여 30~60 min 간격으로 유출 속도를 측정하였다(Fig. 1). 또한 해저지하수 유출량은 시·공간적 으로 차이가 크고, 같은 지점이라고 하더라도 조석주기에 따라 매 우 다르기 때문에(Kim and Hwang, 2002; Taniguchi, 2002), 이를 고려하여 각 시기별로 최대한 비슷한 조건하에서 해저지하수 유 출속도의 측정이 이루어 질 수 있도록 모든 조사는 대조기(spring tide)에 고조시 seepage meter를 설치한 후 고조(high tide)-저조 (low tide) 사이에 측정하였다.
공극수는 seepage meter 설치지점으로부터 약 30 cm 떨어진 곳에 퇴적물 약 10 cm 깊이에 여과장치를 부착한 tube를 묻고 속도조 절이 가능한 펌프(peristaltic pump)를 이용하여 seepage meter로 Fig. 1. The map showing the study area and sampling location for measuring the seepage rate and collecting the pore water samples in the coastal ocean of Jeju Island from September 2009 to September 2010.
Fig. 2. The schematic diagrams showing the (A) Lee-type manual seepage meter (Lee, 1977) and (B) modified Lee-type manual seepage meter (Kim et al., 2003).
지하수의 유출속도를 측정하는 동안 시료를 채취하였다. 이때, 시 료채취에 따른 해저지하수의 유출속도의 영향을 최소화 하기 위 하여 공극수는 약 200 mL/min의 아주 느린 속도로 약 500 mL정 도 채취하였다. 공극수의 수온과 염분은 휴대용 염분계(Oakion, Model Salt 6)를 이용하여 현장에서 바로 측정하였으며, 영양염류 (NO3--N, NO2--N, NH4+-N, PO43--P, Si(OH)4)는 25 mm GF/F 여 과지와 주사기형 여과세트를 이용하여 현장에서 여과한 후 냉동 상태로 보관하여 실험실로 옮겨 영양염 자동분석기(Seal analytical, Model Quaatro)로 분석하였다. 여기서 질산질소(NO3--N), 아질산 질소(NO2--N), 암모니아질소(NH4+-N)의 합을 용존무기질소 (dissolved inorganic nitrogen, DIN), 인산인(PO43--P)은 용존무기 인(dissolved inorganic phosphorus, DIP), 규산규소(Si(OH)4)는 용 존무기규소(dissolved inorganic silicate, DSi )로 정의하였다.
결과 및 고찰 해저지하수 유출량
연안해역에서 해저지하수는 육상의 지하수위와 해수면 사이의 수리학적 압력(hydraulic pressure)차나 파도와 조석, 밀도차 등 다 양한 해양학적 요인들의 복합적인 영향을 받아 육상에서 해양으 로 유입된다(Kim et al., 2005). 이 연구 또한 대조기에 고조에서 저조 사이에 관측이 이루어졌으나 관측당시의 육상의 지하수위와 조석에 따른 해수면 변동에 의해 해저지하수의 유출속도는 크게
달라질 수 있다. 따라서, 관측 당시의 조사지역 주변의 관측정에 서 측정된 지하수위(elevation level)와 조차(tidal difference)를 살 펴보았다. 조사기간 동안 방두만 인근의 지하수 관측정(제주동부, JW 고성)에서 측정한 육상의 지하수위는 지표면을 기준으로 2009년 9월에 65 cm, 12월에 50 cm, 2010년 2월에 39 cm, 5월에 65 cm, 9월에 110 cm로서 2010년 9월에 가장 높고 2010년 2월에 가장 낮았다(http://hei.jeju.go.kr). 이는 몬순기후의 영향을 받는 제주도의 계절적 강우량의 변화를 그대로 반영하고 있는 것으로 보인다. 또 한, 조사시기에 연구지역 부근의 조석 특징을 살펴보면, 전시기에 고조시 해수면은 200 cm 이상 이었으나, 조차는 2009년 9월에 171 cm, 12월에 136 cm, 2010년 2월에 191 cm, 5월에 182 cm, 9월에 236 cm 로서 2010년 9월에 가장 컸고 2009년 12월에 가장 적었다(http://
www.khoa.go.kr).
각 시기별 방두만내 정점 P에서 조석주기 동안 seepage meter를 이 용하여 측정한 해저지하수 유출속도를 Fig. 3에 도시하였다. 연구 지역내 지하수 유출속도는 2009년 9월에 100~320 cm/day(평균 228 cm/day), 12월에 6~260 cm/day(평균 165 cm/day), 2010년 2 월에 0~250 cm/day(평균 89 cm/day), 5월에 40~320 cm/day(평균 217 cm/day), 9월에 6~330 cm/day(평균 196 cm/day) 범위로 시 간에 따른 유출속도의 변화가 매우 컸다. 모든 시기에 고조에서 저조로 갈수록 지하수의 유출속도는 증가하였으며, 이는 조석이 고조에서 저조로 진행될수록 해수면이 낮아짐으로 인해 육상의 지 하수면과 해수면 사이의 수리학적 압력차가 커지기 때문인 것으
Fig. 3. Temporal variations of seepage rate during a series of half tidal cycle in Bangdu Bay of Jeju Island from September 2009 to Sep- tember 2010. The solid lines represent the tidal heights during the sampling periods.
로 생각된다. 이러한 결과는 이전에 Mulligan and Charette (2006)와 Sholkovitz et al. (2003)이 미국 동부의 Waquoit Bay와 Shelter Island, 그리고 Taniguchi (2002)가 일본의 Osaka Bay에서 seepage meter를 이용하여 측정한 시간에 따른 유출량 변화 결과와 유사하 다. 또한, 계절적인 지하수 유출속도의 변화를 살펴보면, 여름철인 2009년 9월에 가장 빠르고, 겨울철인 2010년 2월에 가장 느렸으 며, 특히 2010년 2월의 경우 최고조시 30분 전후로 측정된 유출 속도는 1 cm/day 이하로서 지하수의 유출이 거의 없는 것으로 나 타났다. 하지만, 이러한 결과는 조석주기 동안의 측정시간과 측정 횟수 등에 따라 달라지기 때문에 보다 명확한 계절별 유출속도 차 이를 알아보기 위해 각 시기별 최고조 이후 2시간부터 4시간 사 이에 측정된 유출속도의 평균값을 계산하여 비교해 보았다(Fig.
4). 그 결과, 2009년 9월에 평균 238 cm/day, 12월에 평균 110 cm/day, 2010년 2월에 평균 158 cm/day, 5월에 평균 252 cm/day, 9월에 평균 261 cm/day 범위로 겨울철인 2009년 12월과 2010년 2월에 평균 200 cm/day 미만으로 다른 시기에 비해 다소 느린 것 으로 나타났다.
이상의 결과를 종합해 보았을 때, 제주도 방두만 주변 연안의
해저지하수 유출속도는 연중 0~330 cm/day (평균 약 170 cm/day) 범위로 시간에 따라 크게 변화하는 것으로 나타났다. 주로 조석주 기 동안 고조시에 가장 느리고 저조시 가장 빠르며, 계절적으로는 강수량이 다른 계절에 비해 상대적으로 적은 겨울철에 육상의 지 하수위와 해수면 사이의 수리학적 압력경사가 크지 않아 유출속 도가 다소 느리고, 봄철 이후 강우에 의한 지하수위의 지속적인 상승으로 해수면과의 수리학적 압력경사가 커지면서 지하수의 유 출속도는 빨라지는 것으로 보인다. 특히, 이 연구가 이루어진 제 주도 동부지역은 강우에 의해 지하수위가 상승하여 최고수위에 도 달하는데 10일 이내로 매우 짧고 다시 상승전의 수위로 돌아가는 기간은 약 100 일로서 시간이 매우 길기 때문에(Park et al., 2011), 육상의 지하수위와 해수면 사이의 수리학적 압력경사가 장기간 유 지되면서 겨울철을 제외한 다른 계절에 해저지하수의 유출속도는 비슷한 것으로 보인다. 또한, 제주도의 경우 섬 전체가 몬순기후의 영향을 받고 연안지역의 지층이 대부분 투수성이 높은 다공질의 암석으로 이루어져 있으며 방두만과 유사한 반일주 조석(semidiurnal tide)의 영향을 받는다는 사실을 고려할 때, 방두만에서 나타나는 조석주기 및 계절에 따른 해저지하수 유출속도의 시간적인 변화 는 제주도 연안에서 흔히 볼 수 있는 일반적인 특징인 것으로 생 각된다.
한편, 방두만 연안지역의 해저지하수 유출속도가 다른 연안해역에 비해 어느 정도 수준인지 알아보기 위해 연구기간 동안 방두만의 각 시기별 해저지하수의 일평균 유출속도(80~230 cm/day)를 전세 계의 다른 지역에서 이 연구와 같이 seepage meter를 이용하여 측 정한 지하수의 유출속도와 비교해 보았다(Fig. 5). 그 결과, 방두 만의 해저지하수 유출속도는 중남미의 Barbados 섬에서 측정된 지하수 유출속도(70~125 cm/day, Lewis 1987)와 비슷하고, 이전에 Kim et al. (2003)이 제주도 연안에서 측정한 지하수 유출속도 (10~90 cm/day)보다 다소 빠른 속도였다. 또한, 태국의 Gulf of Thailand, 미국 남부의 Gulf of Mexico, 미국 동부의West Neck Bay, Florida Bay and Key, Cope Cod 등 같은 대륙 연안부와 일 본의 Osaka Bay, 인도양의 Mauritius Island, 미국 Hawaii Island의 Kahana Bay와 같은 섬 지역에서 측정한 지하수 유출속도(0.3~40 cm/day)보다는 상당히 빠른 것으로 나타났다.
Fig. 4. A comparison of averaged seepage rate between two and four hours after high tide in Bangdu Bay of Jeju Island during each sampling period.
Fig. 5. A comparison of seepage rate measured using various seepage meters in the coastal ocean of world.
공극수의 염분과 영양염류 농도
공극수중 용존 화학성분들의 농도는 그 지역의 강수량, 조석, 퇴 적물의 조성, 지형 등의 주변환경에 따른 공극수의 체류시간, 담 지하수 및 재순환하는 해수와의 혼합율, 그리고 인근 육상으로부 터 인위적인 오염 등에 여러가지 요인들이 복합적으로 작용하여 시공간적으로 큰 차이를 보인다(Burnett et al., 2006). 제주도 방 두만내 seepage meter를 설치한 지역(St. P) 주변의 공극수의 수 온, 염분 및 영양염류 분석결과를 Table 1에 나타내었으며, 조석 주기 동안 시간에 따른 염분과 영양염류 농도변화를 Fig. 6에 도 시하였다.
연구기간 동안 공극수의 수온은 7.5~27.5oC 범위로 조사가 시 작된 2009년 9월에 평균 24.7±1.1oC로 가장 높고, 2010년 2월에 평균 9.2±1.1oC로 가장 낮았다. 염분은 연구기간 동안 9.6~28.2 psu 범위였으며, 2010년 2월에는 시간에 따른 염분변화가 거의 없 었으나, 그 외 시기에는 약 4 psu 이상의 큰 변화를 보였다. 특히,
2009년 12월과 2010년 2월을 제외하면 거의 모든 시기에 고조에 서 저조로 갈수록 염분이 점차 낮아졌으며, 2009년 9월에 그 변 화폭이 가장 컸다(Fig. 6). 계절적으로 여름철인 2009년 9월에 평 균염분이 16.8±6.1 psu 로 가장 낮고 겨울철인 2010년 2월에 평균 염분이 28.3±0.6 psu로 가장 높았다. 이는 강수량이 적은 겨울철 육상의 담지하수 함량이 낮은 시기를 제외하면, 방두만 연안을 따 라 고조에서 저조로 조석이 진행되면서 해안가의 얕은 투수층을 따라 육상에서 해양으로 담지하수의 유입이 있고 특히, 강수량이 많은 여름철에 그 유입량이 많았기 때문인 것으로 생각된다.
영양염류의 경우, DIN과 DSi는 연구기간 동안 각각 1~271 µM과 4~456µM 범위로 염분 변화가 거의 없었던 2010년 2월에 다른 시기에 비해 상대적으로 시간에 따른 농도변화가 거의 없었지만, 그 외 시기에는 시간에 따른 큰 농도변화를 보였다. 대체적으로 고조에서 저조로 갈수록 DIN과 DSi 농도는 점차 증가하였으며 다 른 시기에 비해 낮은 염분을 보였던 2009년 9월에 가장 큰 변화 Table 1. The results of physical-chemical parameters in porewater in Bangdu Bay of Jeju Island from September 2009 to September 2010
Sampling Date Temp. (oC) Sal. (psu) Nutrient (µM)
DIN DIP DSi
Sep. 2009 (n=10) 23.0~25.9 (24.7±1.1) 9.6~26.7 (16.8±6.1) 105~271 (180±63) 1.80~7.44 (4.34±2.02) 82~456 (269±128) Dec. 2009 (n=8) 12.9~14.1 (13.4±0.4) 24.2~28.2 (26.2±1.4) 6~51 ( 16±14) 1.68~3.40 (2.43±0.62) 36~156 ( 85±39) Feb. 2010 (n=10) 7.5~10.7 ( 9.2±1.1) 26.5~28.5 (28.3±0.6) 2~62 ( 14±17) 1.59~2.09 (1.91±0.19) 4~29 ( 12±8) May 2010 (n=7) 19.2~20.6 (19.7±0.6) 14.7~28.3 (22.8±6.6) 1~171 ( 63±78) 2.43~3.68 (3.06±0.52) 111~248 (193±51) Sep. 2010 (n=10) 14.6~27.5 (23.1±4.6) 24.7~28.3 (26.3±1.8) 29~159 ( 68±56) 1.10~1.99 (1.69±0.32) 92~254 (179±57)
Fig. 6. Temporal variations of salinity and nutrients in pore water during a series of half tidal cycle at station P in Bangdu Bay of Jeju Island from September 2009 to September 2010.
를 보였다. 이는 방두만 연안 공극수의 영양염류 농도는 해저지하 수의 영향을 크게 받고 있으며, 특히 조석이 진행됨에 따라 육상 에서 흘러 들어오는 담지하수의 DIN과 DSi 농도가 염지하수에 비 해 상당히 높은 것으로 생각된다. 계절적으로 DIN과 DSi는 여름 철인 2009년 9월에 각각 평균 180±63 µM과 269±128 µM 로 가 장 높고 겨울철인 2010년 2월에 각각 평균 14±17 µM과 12±8 µM 로 가장 낮았다. 이는 연구지역내 공극수의 염분과 방두만 연안에 서 해저지하수가 지속적으로 유입된다는 사실을 고려할 때, 겨울 철에는 재순환하는 해수의 영향을 받아 영양염류 농도가 낮고 시 간에 따른 변화가 적지만, 여름철에는 육상으로부터 유입되는 담 지하수의 영향으로 높은 영양염류 농도와 시간에 따른 큰 변화를 보이는 것으로 생각된다. 반면, DIP 는 연구기간동안 1.1~7.5 µM 범위로 다른 두 영양염류와 달리 큰 염분변화를 보였던 2009년 9 월을 제외하면 각 시기별로 시간에 따른 농도변화가 거의 없었다.
또한, 계절적으로 여름철인 2009년 9월에 평균 4.3±2.0 µM 로서 가장 높고 2010년 9월에 평균 1.7±0.3 µM 로서 가장 낮았다. 이는 DIN과 DSi와 달리 육상에서 해양으로 유입되는 담지하수의 DIP농 도와 해수의 DIP 농도가 서로 비슷하기 때문인 것으로 생각된다.
해저지하수를 통한 영양염류 유입량
2000년 초부터 제주도 연안에서는 해안가를 따라 해조류의 일 종인 갈파래류(Ulva conglobata와 Ulva pertusa)가 과잉 증식하는 현상을 보이고 있다. 이러한 해조류의 이상번식은 계절적으로 큰 변화를 보이고 특히 여름철에 뚜렷하게 나타나 해안경관을 저해 하고 부패에 의한 악취로 인해 관광객 뿐만 아니라 현지 주민들 에게 큰 불편을 주고 있다. 방두만 또한 연안의 얕은 해안가를 따 라 해조류의 이상번식이 일어나고 있으며 매년 수십~수백 톤을 제 거하고 있으나 뚜렷한 원인을 찾지 못하고 있다. 최근, Hwang et al. (2005b)은 방두만 연안의 영양염류의 주 공급원은 해저지하수 이고, 이를 통해 공급되는 영양염류가 연안 부영양화를 초래하여 해조류의 이상번식을 일으킬 가능성이 높다고 제시한바 있다. 따 라서, 본 연구에서는 각 시기별 방두만 연안을 따라 빠져나오는 해저지하수를 통한 영양염류 유입량을 산정해 보았다.
해저지하수를 통한 DIN, DIP, DSi의 유입량은 각 시기별로 관 측시간 동안 seepage meter를 이용하여 측정한 지하수의 평균유 출속도와 유출속도를 측정하는 동안에 채취한 공극수중 영양염류 (DIN, DIP, DSi)의 평균농도로부터 산정하였으며, 그 결과를 Table
2에 정리하였다. 방두만 연안의 해저지하수를 통한 DIN, DIP, DSi 의 유입량은 여름철인 2009년 9월에 각각 410 mmol/m2/day, 9.9 mmol/m2/day, 613 mmol/m2/day 로서 가장 많았고, 2010년 2월에 각각 13 mmol/m2/day, 1.7 mmol/m2/day, 11 mmol/m2/day 로서 가장 적었다. 이는 방두만 연안의 경우 여름철 빠른 해저지하수 유출속도와 높은 영양염류 농도로 인해 다른 시기에 비해 부영양 화(eutrophication)를 일으킬 가능성이 높다는 것을 의미한다. 또한, 이 연구에서 추정된 방두만에서 해저지하수를 통해 유입되는 영 양염류 유입량은 이전에 Hwang et al. (2005b)이 이 연구와 같은 지역에서 추정한 영양염류 유입량에 비해 다소 높았다(Table 3).
이러한 차이는 두 연구사이의 조사방법의 차이 때문인 것으로 생 각된다. 즉, 이 연구에서는 계절별로 해저지하수 유출에 중요한 조 석의 영향을 고려하여 만의 북서쪽 특정지역에서 지하수 유출량 및 지하수 기원 영양염류 유입량을 산정한 반면, Hwang et al.
(2005b)의 경우에는 봄철(2004년 5월) 한 시기에 방두만 전체에 대한 지하수 유출량 및 지하수 기원 영양염 유입량을 산정하였다.
한편, 방두만에서의 영양염류 유입량을 다른 연안지역과 비교해 본 결과, 미국 동부의 North Inlet, Rhode Island의 Coastal Pond, Pettaquamscutt estuary에서 측정된 영양염류 유입량 보다는 상당히 높고, 태국의 Gulf of Thailand와 한반도 남해안의 여자만과 가막 만에서 측정한 유입량과는 비슷하거나 약간 높았다(Table 3).
연구기간 동안 해저지하수를 통해 유입되는 영양염류가 만내 전 체 영양염류 공급량에 얼마나 기여하는지 알아보기 위하여 방두 만내 다른 공급원을 통한 영양염류 유입량과 비교해 보았다. 방두 만의 경우, 주변에 육상에서 해양으로 유입되는 하천이나 강물의 유입이 없고, 과거 해안가 주변의 육상양식장 배출수를 통한 영양 Table 2. A nutrient fluxes through SGD in Bangdu Bay of Jeju Island during each sampling period
Sampling Date
Averaged Seepage Rate
(m3/m2/day)
Nutrient Flux (mmol/m2/day)
DIN DIP DSi
Sep. 2009 2.28 410 9.90 613 Dec. 2009 1.65 26 4.00 140 Feb. 2010 0.89 13 1.71 11 May 2010 2.17 136 6.63 418 Sep. 2010 1.96 134 3.32 352
Table 3. A comparison of nutrient fluxes through SGD in the coastal area of world
Region Seepage Rate Nutrient Flux (mmol/m2/day)
DIN/DIP Reference (m3/m2/year) DIN DIP DSi
North Inlet, SC 11.5 2.42 0.91 - 2.7 Krest et al. (2000)
South Coastal Ponds, RI 2.5-6.7 1.8-4.9 0.003-0.007 561-697 Scott and Moran (2001) Pettaquamscutt estuary 4.2 0.17-0.49 0.012-0.036 13.8 Kelly and Moran (2002) Loxahatchee River estuary 7.3-27.0 0.06-1.06 0.07-0.38 Swarzenski et al. (2006) Gulf of Thailand 6.2-68.6 1.6-12.3 0.19-2.65 0.9-16.5 4.5-8.5 Burnett et al. (2007)
Yeoja Bay 87 26 0.11 236 Hwang et al. (2005a)
Gamak Bay 28-45 8.35-13.28 0.09-0.25 1.9-21.8 41-90 Hwang et al. (2010b)
Bangdu Bay, Jeju 159 21.4 0.16 134 Hwang et al. (2005b)
326-833 13-410 1.71-9.90 11-613 6-42 This study
염류의 공급이 있었으나(Hwang et al., 2005b) 현재는 이 양식장 이 폐쇄되어 배출수의 유입이 없기 때문에 방두만내에 영양염류 를 공급하는 또 다른 유일한 공급원은 해저퇴적물로부터 확산이 다(Kim et al., 2011). 이전에 Kim and Park (1998)과 Jung and Cho (2003)가 조사한 한반도 연안 퇴적물로부터 DIN, DIP, DSi의 평균용출량은 각각 1.3 mmol/m2/day, 0.6 mmol/m2/day, 5.0 mmol/m2/ day 이라고 보고하였다. 따라서, 이 값들을 각 시기별 방두만내 해 저지하수를 통해 유입되는 영양염류의 양과 비교한 결과, 해저지 하수는 방두만 전체에 공급되는 DIN, DIP, DSi 양의 각각 90~100%, 70~95%, 65~100%를 기여하는 것으로 나타났다. 또한, 이러한 해 저지하수를 통해 유입된 영양염류중 DIN과 DIP가 방두만내 생물의 기초생산(primary production)에 이용된다고 가정하면, 해양에서의 Redfield ratio (C:N:P=106:16:1)를 기초로 지하수에 의해 공급된 영양염류는 방두만내 0.9~33 g C/m2/day의 유기탄소 생성에 기여 하는 것으로 나타났다. 이는 Lee et al. (1993)이 보고한 제주도 동 부 연안해수의 기초생산량(0.21~0.31 g C/m2/day)보다 상당히 높 다. 따라서, 이상의 결과를 보았을 때, 해저지하수는 방두만내 영 양염류의 주된 공급원이고, 지하수를 통해 유입되는 영양염류는 방두만 주변의 연안 부영양화 및 최근 해안가를 따라 연중 번성 하는 갈파래류의 증식에 큰 영향을 주는 것으로 생각된다.
결 론
Seepage meter를 이용하여 제주도 방두만의 해저지하수 유출속 도를 측정한 결과 조석과 계절에 따라 큰 시간적 변화를 보였다.
조석주기 동안 고조에서 저조로 갈수록 빨라지고, 계절적으로 겨 울철이 다른 계절에 비해 다소 낮은 유출속도를 나타내었으며 전 세계의 다른 연안지역보다도 해저지하수 유출속도가 높았다. 또한, 해저지하수 기원 영양염류 유입양은 만내 전체 영양염류 유입량 에 65% 이상을 공급하는 것으로 나타나 영양염류의 주된 공급원 이 해저지하수인 것으로 나타났다. 비록, 연구지역이 제주도 동부 의 한 지역으로 한정되어 있어 정확한 비교는 어려우나 제주도의 경우 섬의 전체가 투수성의 현무암층으로 이루어져 있고 조석에 의한 조차가 있기 때문에 이러한 해저지하수의 유출은 제주도 연 안 전체에 어디든지 일어날 수 있고 지하수 기원 영양염류의 유 입으로 인해 연안 생태계에도 큰 변화가 있을 것으로 예상된다.
따라서, 해저지하수 및 지하수 기원 영양염류 유입량의 시간적 변 화가 제주도 연안 부영양화와 생태계 변화에 어떠한 영향을 주는 지에 대한 보다 심도있는 연구가 요구된다. 아울러, 제주도 연안 의 경우 여름철 많은 강우로 인한 연안 담지하수의 유입이 클 것 으로 예상됨에 따라 이들 담지하수의 유출량 산정 및 담지하수 이 용 예비 타당성 조사 등을 통하여 수자원으로서 활용할 수 있는 방안에 대한 연구도 함께 진행되어야한다.
사 사
이 연구의 현장조사 및 시료채취에 도움을 준 (주)연안관리기술 연구소 박정훈 연구원 및 국립수산과학원 갯벌연구소 연구원들에 게 감사를 드립니다. 이 논문은 국립수산과학원 수산시험연구사업 (RP-2012-ME-32)의 지원에 의해 연구되었습니다.
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2012년 11월 5일 원고접수 2012년 11월 19일 수정본 접수 2012년 11월 19일 수정본 채택 담당편집위원: 김동선
