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수산 음향 기법을 이용한 연안 저서 어군의 시·공간 분포 및 안정성 조사
강돈혁1*·이창원1·조성호2·명정구1
1한국해양연구원 해양자원연구본부 (425-600) 경기도 안산시 안산우체국 사서함 29
2한양대학교 과학기술대학 해양환경과학부 (426-791) 경기도 안산시 사 1동 1271
Hydroacoustic Survey of Spatiotemporal Stability and Distribution of Demersal Fish Aggregations in the Coastal Region
Donghyug Kang1*, Changwon Lee1, Sungho Cho2, and Jung-Goo Myoung1
1Marine Resources Research Division, KORDI Ansan P.O. Box 29, Seoul 425-600, Korea
2Major in Earth and Marine Sciences, College of Science & Technology Hanyang University, Ansan 426-791, Korea
Abstract : Hydroacoustic technique was used to analyze spatiotemporal stability and distribution of demersal fish aggregations in the coastal region to overcome some limitations of the existing methods such as net and diving. The survey was carried out in the Baekeum Bay on the south coast of Korea in January 2007. The bottom depth in the study site ranges from 7 to 25 m. In order to outline aggregations of demersal fish initial scanning using 200 kHz split-beam transducer was randomly conducted over the large area.
Having detected fish aggregation in the specific region, intensive acoustic survey of irregular star pattern was carried out along 14 transects across the area in question. The results of the acoustic survey show that all demersal fish aggregations are concentrated about 5 m from sea bottom having a slight slope and remain steady with no spatial or temporal variations during acoustic survey. The hydroacoustic method used in this study offers a new approach to understand vertical and horizontal distribution, spatiotemporal stability, and biomass estimate of demersal fish aggregations in coastal regions. Additionally, the number of individual fish estimated from
in situacoustic target strength data can be used to understand the standing stock of demersal fish aggregation.
Key words : demersal fish, fisheries acoustics, irregular star pattern survey, spatiotemporal stability
1. 서 론
수중음향학은해수내에서감쇠
(attenuation)
가적은수중음파의전달특성을이용하여해양물리
,
해양기상,
해양 생물분야 및 국방 분야에 다양하게적용되고 있다
(Medwin and Clay 1998).
해양에서다양한 수중음향의적용가운데 연구 대상을해양 생물로한정시킨 수산음 향학
(Fisheries Acoustics)
혹은생물음향학(Bioacoustics)
으로세분화되었으며이들분야에서는주로동물플랑크 톤
,
치어,
어류등의 시·공간분포,
자원량추정등 기존의해양생물학분야에서나타난한계점을상호보완하는
연구 영역을 포함하고 있다
(MacLennan and Simmonds
1992).
최근에는해초류서식지조사,
식물플랑크톤생태분야로 연구 대상 영역을 확대하고 있다
(Sabol
et al.
*Corresponding author. E-mail : [email protected]
1997;
강 등2006).
수산 음향의대상이되는해양생물 가운데주된연구 대상은해양생물자원이용과직접적으로연결된어류
자원이며
,
이가운데부어류(pelagic fish)
자원을들수있다
.
이를위하여1980
년이후다양한계량어군탐지시스템을이용하여조사해역에서부어류자원의시·공간 분 포 및자원량을 조사하였다
(Petitgas and Levenez 1996;
Abad
et al. 1998; Reid
et al. 2000).
특히일부상업어종에 대해서는대상 어류의음향 표적강도
(acoustic target
strength, TS)
자료를이용하여자원량예측단계까지발전되어왔다
(Steig and Iverson 1998; Ohshimo 2004).
계량어군탐지시스템을이용한많은연구가중층어류 에집중되어있는반면저서어류에대한음향자원조사 는 극히 제한적으로 이루어지고 있다
(Everson
et al.1996).
이러한이유는저서어류의분포가음향탐지를하기에수심이깊거나혹은분포위치가해저면근처이므로
음파의
shadow zone
영역에포함되기때문이었다.
따라서음향탐지가가능한수심에저서어류가존재하거나혹은 해저면 부근이지만사용 주파수의고분해능으로인해 해 저면과분리가가능한조건에서는연안저서어류에대한 시·공간구조및자원량 조사가제한적으로진행되고있 다
(NOAA 2003).
우리나라는 수심
50 m
보다얕은연안 지역에많은 수의인공어초가 투입되어있고 주요대상어종은정착성 저서어종이다
.
특히이들어종들은계절적으로동계시기에는움직임이적으며특정지역에서어군을형성하고있 다
(
해양수산부2005). 1990
년후반부터시작된바다목장화사업등에서연안역자원조사를위해많은양의정착 성저서어류를 방류하고있으며 이에대한 효과조사를 실시하기위하여대부분자망이나잠수등의방법을이용 하고있다
.
그물을 이용한자망 조사는설치 조사지역의제한 요 소가있으며
,
잠수조사는조사심도및시간의제약으로인해한정된자료만을제공하고있다
(
해양수산부2006).
특히
,
어류의회피본능을자극하는두가지방법은현재사용가능한효율적인방법임에도불구하고두가지제한 요소를가지고있다
.
첫번째는넓은조사지역에대해어류가분포하지않는 지역이선정될 경우 자료의심한 편 차를가질수있다
.
두번째는어류의분포수심이깊을경우잠수를통한방법으로는자료산출자체가불가능하 다
.
이러한제한 요소는분포 위치가불규칙적이며,
특히성장을하면서수심이깊은곳으로이동하는저서정착어 일경우자원량 추정및 군집구조파악에 더큰오차를 가지게된다
.
따라서기존에사용되는두가지방법은종식별을육안으로확인할수있는장점에도불구하고저서 어군의군집크기
,
분포특성및군집의 안정성파악에는한계를가지고있으므로다른방법의적용이필요한상황 이다
.
본연구에서는연안의저서어류자원조사에사용되는 기존의방법이가지는한계요소를보완하기위한새로운 방법의하나로음향조사기법을사용하였다
.
즉,
음향기법을통하여연안저서어류의시·공간에따른군집의안 정성및분포특성파악을위해기존의부어류자원량조 사에광범위하게사용하고있는수산음향기법을사용하 여그 효용성을알아보고자 하였다
.
2. 재료 및 방법
연구 지역및 현장조사
음향 기법을이용한 저서 어류의시·공간구조 및어 군의안정성파악을측정하기위하여전라남도여수시남 면안도리동쪽해안인백금만을조사지역으로선정하였
다
(Fig. 1).
이지역은해양수산부가실시하고있는전남바다목장해역 가운데한곳으로
2005
년이후매년대량의어류를방류하는해역으로연안저서어류가분포하는것 으로알려지고있다
(
해양수산부2007).
연구지역의 수심은
7~25 m
의수심분포를가지며동쪽및남동쪽은남해외양과연결되어있고나머지지역은육지로둘러싸인만 형태의지형구조를가지고있다
.
만의동-
서방향으로는완만한경사를이루며모래로이루어진해저특성을가지 고있으며
,
남-
북방향으로는상대적으로급한경사를형성하고있으며북쪽으로는암반구조를형성하고있었다
.
Fig. 1. Study area for acoustic survey of demersal fish aggregation. The black circle indicates acoustic survey area. The area is Baekeum bay, on the southeast of Geumodo, Yeosu, Korea.
동계시기에우리나라남해연안의중층부어류는적정 수온대인동중국해혹은남해외양쪽으로회유를하고정 착성 저층 어종만이 우점하는 생태학 특성을 보이고 있 다
.
따라서본연구의목적이저서어류의음향탐지를위한조사였으므로 부어류의음향탐지 가능성을배제시키
기 위하여 음향 조사는 동계 기간인
2007
년1
월18
일09:00~12:30
에실시하였으며이때수온은9.9
oC
의분포를보였다
.
음향시스템및 음향자료 수집
현장조사에사용된음향장비는입력변수제어및음 향자료 송·수신을 유·무선으로할 수있는 통합계량 어군탐지시스템이다
(BioSonics 2005; Fig. 2a).
음향조사에앞서송·수파기는절대보정구를이용하여보정을 실
시하였다
.
저서 어류탐지를 위해분할빔(split-beam)
방식을사용하는
200 kHz
송·수파기를사용하였으며빔폭은
6.6
o,
수신 신호의최소 역치는 −130 dB,
송신신호의폭
(pulse width)
은0.1 ms,
송신 간격(ping interval)
은0.5
초이다
.
한편,
조사시기의현장수온,
염분을고려한수중음속이
1488.87 m/s
이므로 음향조사에 사용된200 kHz
송·수파기의개개음향산란체에대한수직분해능은약
7.4 cm
였다.
현장 조사는 예인체
(towed body)
에송·수파기를설치한후
(Fig. 2b),
소형선박의측면에고정한후에해수면으로부터약
0.5 m
의 심도를 일정하게 유지하며 실시하였다
. 200 kHz
송·수파기의내부에는기울기및방위각측정장치가 독립적으로내장되어있어 예인체의안정성을 실시간으로파악하면서
(±7
o이내)
예인속도를결정하였다
.
예인속도는예인체의안정성정도와예인체주변에형성되는기포의영향을고려하여
3~4
노트로일정하게유지하였다
.
조사지역이좁은만이므로음향자료의정확한위치정보를위하여
GPS
보다해상도가 높은DGPS
(Differential Global Positioning System)
를이용하여매1
초간격으로음향 자료와 함께 위치정보를저장하였다
.
저서 어군에대한 집중적인음향 조사에앞서 저서어 류가분포하는 위치를찾기 위하여전체 조사지역에걸 쳐사전음향조사를실시하였다
.
사전음향조사를통해만전체해역에서저층어군이존재하는위치를파악한 후
,
일반적인어류의음향자원조사에서사용되는정선방법과는다른
“
스타패턴조사(star pattern survey)”
방법을사용하였다
(Josse
et al. 1999; Doray
et al. 2006).
이조사방법은
(1)
한정된지역에서의집중조사(2)
어류의3
차원구조파악(3)
어군의안정성파악을위해최근에시도되는방법이다
.
탐지된저서어군의주변에대해총14
개의정선에대한음향조사를실시하였다(Fig. 3).
총조사거리는약
4.3 mile
이었으며,
어군형성주변을가로지르며남
-
북방향으로는350 m,
동-
서방향으로는245 m
의면적에대해 집중 조사를 실시하였다
.
음향 자료처리
음향조사를통해개개어류의음향특성을나타내는
현장음향표적강도
(
in-
situTS, dB)
와어군전체의음향특성 정보를 제공하는 체적 후방산란 강도
(volume
backscattering strength,
Sv, dB)
자료를위치자료와 함께Fig. 2. Embedded acoustic system (a) & towed body (b) to be installed split beam transducer.
Fig. 3. Acoustic transects and bathymetry to survey demersal fish aggregations.
저장하였다
.
음향조사를통해저장된현장
TS
는음파에탐지된개개어류에의한음향산란특성을나타낸다
.
앞에서기술한대로본연구에사용된 음향시스템의수직 분해능은
약
7.4 cm
로 개개어류간 간격이이와같은 조건을만족할때개개어류의현장음향표적강도값을산출하게된 다
.
각각의송신음에대해탐지된어류의음향표적강도자료에는수신된개개어류의탐지수심
,
시간및위치정보
, TS
값,
빔축에대한어류의위치정보를가지고있으며
,
이들자료로부터조사지역에서스타패턴조사(star
pattern survey)
에따른개개 어류의수직분포특성과 탐지된어군의개체수를파악하였다
.
이때탐지된어류의개체수는모든수층에대한정보를이용하였으며
, 200 kHz
에대한저서어류의
TS-
길이관계식으로부터−58 dB
보다작은
TS
값은5 cm
보다작은소형어류이므로제외시켰다
(Kang and Hwang 2003).
한편
,
개개음파에대한수층전체의어군분포특성은층별체적후방산란강도를나타내는Sv자료를이용하였 다
.
이러한 Sv자료로부터집중조사지역에서실시한각 정선에서어군의시·공간분포 특성과어군의 안정성을 표시하였다.
본연구의목적이음향을이용한저서어류의특성 파악임을 고려하여 수신된 음향 자료 가운데 해저
면
-
해저면위5 m
사이의해저면부근자료만을이용하여저서 어류의시·공간분포특성을 알아보았다
.
3. 결 과
연안지역에서식하는저서어류의시·공간분포및어 군의 안정성 파악을 위하여음향 조사 기법을사용하였 다
.
예비음향조사를통해탐지된저서어류의분포지역에서집중적인음향조사를 위해
14
개의음향정선에 대해불규칙스타패턴
(irregular star pattern)
방법을이용하였다
.
저서 어류군집의 수직 및공간 분포
조사지역은북쪽지역에수심
6.5 m
의능선이형성되어가장 얕은수심을 보이고있으며
,
동-
서-
남쪽세 방향으로수심이증가하는해저지형특성을가지고있다
.
특히남쪽으로는 수심이급격히 증가하는경사면이후에는 조사지역끝까지완만한경사면을형성하고있다
.
최대수심은약
23 m
로조사 지역의남동쪽에 위치하고있었다
(Fig. 3).
어군의 수직 분포는 집중 조사 지역 전체에서 수심
20 m
부근의해저면근처에강하게분포하는특성을나타내고있었다
(Fig. 4).
일반적으로 −50 dB
이상의Sv값은어류의음향특성을나타내므로본연구에서탐지된최대
Fig. 4. Example echogram of demersal fish aggregations along transect 1. The green line in the echogram indicates integrated Sv layer between bottom and above 5 m from bottom.
−
35 dB
의 Sv값은해저면에강한저층어군이분포함을 보여주고있다.
반면표층과중층사이에는어군신호가전혀탐지되지않아 해저면부근의 고밀도 어군과 큰대 조를보여주고있다
.
일반적으로봄-
가을시기동안표층및중층에분포하는경향이강한계절회유어의특성을 고려한다면동계 시기에해저면부근에서탐지된이러한 어군은정착성이큰저서어류임을보여주고있다
.
이러한수직분포 특성은전체 음향정선에서관측된개개어류 의음향산란신호인현장
TS
자료에서뚜렷하게보여주고있다
(Fig. 5).
대부분의개개어류는수심13~15 m
와해저면사이에서집중적으로탐지되고있으며
,
탐지위치는급격한경사면의끝지점에서완만한경사면이형성된 지점까지골고루분포하고있다
.
한편,
조사 지역에서저서어군은해저면으로부터
2.5~7.2 m
의상층부에분포하였으며대부분은
5 m
이내의수층에서강한음향강도를가지며집중적으로분포하는것으로 나타났다
.
분포어군의높이는
3~7 m
사이의분포를보이며저서어류의분포특성을 보여주고있었다
.
해저면
~
해저면위5 m
수층사이에서얻어진 Sv자료를
0.1 n mile
간격으로 표시하여 저서 어류의시·공간분포특성을파악하였다
(Fig. 6).
Sv값은어군이약한지역에서는 −
60 dB
정도,
강한 어군이존재하는곳에서는−
50 dB
이상의분포를 보여주고 있었다.
연구지역에서실시한집중음향조사에의한저서 어군은북쪽의경사 면 지역보다는경사면이 끝나는 지점과완만한 경사진 사면에서강하게분포하는특성을보였으며
,
특히완만한경사면이시작되는부분에서강한 어군분포를형성하고 있었다
.
분포 밀집도가 강한 연안저서 어류의수직 및시·공 간 분포 특성을 알아보기 위한 방법의 하나로광범위한 조사 지역에 분포하는 부어류의 분포 및 자원량 추정에 다양하게적용하고있는음향조사기법을사용하였다
.
일반적으로 연안 어류 자원 조사에 적용하고 있는 그물 이나 잠수 조사 방법으로는서식처 특성에 따라 시·공 간 분포의불규칙성이 큰 저서 어류의자원량 추정 및 분포특성파악에큰오류를일으킬가능성이있다
.
따라서음향을이용하여일정크기이상의어군을탐지한 후
,
탐지된 지역에서 집중적인 음향 조사를 실시하는 본 연 구의방법은연안저서어류의시·공간구조파악및자 원량 평가측면에 새로운 접근 방법을제공할 수 있을 것이다
.
저서 어군의안정성
저서 어군의최초 탐지는
09:50
분경이었으며 위치는집중음향조사지역의북쪽부근이었다
.
이때탐지된저서어군의시간에따른 분포의안정성파악을위하여근 처 지역에서
14
개의 정선에 대해 집중적인 음향 조사를실시하였다
.
이가운데5
개의동-
서 방향정선과3
개의남
-
북 방향정선을 분리하여저층 부근의 Sv값으로부터 시간에따른저서어군군집의변화양상을알아보았다.
일반적으로 회유어류는한지점에일정시간 동안체 류하지않고다양한 공간이동 특성을가지고있으나저 서어류는 상대적으로작은 공간이동을 하는특성을가 지고있다
.
따라서본음향조사에서최초탐지된어군이저층어류인지확인하기위하여
01:40
이지난11:30
부터12:30
까지집중조사를실시하였다.
총8
개의음향정선에서저층부근의저서어류는
15~20 m
수심대에서 골고루분포하는특성을보여주고있었다
(Fig. 7).
조사지역의남쪽에위치한정선
3, 4
번에서상대적으로분포강도가약할 뿐전체적으로 강한어군을유지하고있었다
.
시간에따른어군 분포는최초 발견된시점에서
02:40
분이지난
12:30
분까지해저면위5 m
부근에서어군분포가일정하게유지되어본연구에서탐지된저층어군은 안정된어군형성임을보여주고있다
.
해저면에서해저면위
5 m
수층까지탐지된저서어군의평균 Sv값은3
번과
4
번 정선에서 −55 dB
로 상대적으로낮게 나타날 뿐Fig. 5. Vertical distribution of individual demersal fish using in situ acoustic target strength data.
Fig. 6. Spatial distribution of demersal fish aggregations using irregular star pattern survey. The Sv data were averaged with 0.1 n mile between bottom and above 5 m from bottom.
6
개정선에서 −50.2~
−52.7 dB
의안정된값을보여주고있었으며
,
분포하는 평균 수심은16.6~18.8 m
였다(Table
1).
분포하는어군의안정성파악을위한어구나잠수를이 용하는방법은서식처에대해외부혼란을일으키는어구 설치및회수작업과직접다이빙에의한어류의회피본 능에의해파악하기어렵다
.
이러한문제점을해결하기위한본음향조사에서 사용한조사 기법은서식처에대한 외부혼란을최소화하며넓은 공간에걸쳐 빠른시간 내 에반복 조사를 할수있는 장점을제공할 것이다
.
4. 고 찰
일반적인 음향자원 조사에서사용되는 정선방식은 조사 해역의지형
,
수심 및대상 어류의생태 특성에맞추어 체계적인 평행 정선
(systematic parallel transect),
불규칙평행정선
(random parallel transect)
및체계적인지그재그 정선
(systematic zig-zag transect)
방식을선택한다
(MacLennan and Simmonds 1992).
현재사용되고있는계량어군탐지시스템은좁은빔폭때문에대상해역 에서조사선이지나는좁은체적내에서만어군의분포를 Table 1. Information of mean Sv, mean height and mean depth with time series
Direction Transect Time
(hh:mm:ss) Mean S
v(dB) Mean height
(m) Mean depth
(m) Beam volume
(m
3) E-W
1 09:59:20 - 10:02:21
−50.2 4.96 17.8 4,993
2 11:49:30 - 11:51:00
−50.4 4.98 16.9 2,258
3 11:31:57 - 11:36:46
−55.4 4.99 17.1 7,587
4 11:37:50 - 11:39:23
−55.6 4.97 18.8 2,857
5 12:17:45 - 12:20:01
−50.3 5.01 16.6 3,317
N-S 6 11:51:30 - 11:53:16
−50.2 5.07 17.2 2,681
7 11:44:04 - 11:45:45
−50.3 5.04 17.7 2,807
8 11:40:00 - 11:42:22
−52.7 5.03 17.5 4,046
Fig. 7. Time series distributions of demersal fish aggregations between 09:59 AM and 12 :2 0 AM along north - south and east - west direction.
파악할수있는한계점을가지고있지만
2
차원TS
자료를이용하여자원량추정이가능하므로다양하게적용하고 있다
(Kang and Hwang 2003; Didrikas and Hansson 2004; Kang
et al. 2005).
최근소나를이용한어군조사는어군의
3
차원구조파악에는큰장점을제공하고있으나탐지된어류의
3
차원TS
자료의 부족으로자원량추정이어려운 상태이다
(Mayer
et al. 2002).
따라서
, 3
차원TS
자료가없는조건에서소나시스템을이용한자원량추정보다는축적된 실험자료가 있는
2
차원
TS
자료를이용하는게량어군탐지시스템의적극적인활용이많은장점을제공할수있다
.
즉,
기존의계량어군탐지시스템을이용하여 특정지역에서어군이 탐지되면 본연구에서시도한방법인탐지된어군의주변해역에 대한반복조사를함으로써어군의 시·공간구조를파악 하고수신된음향자료로부터자원량추정을시도하는것 이다
.
자망이나잠수방법등을이용하여제한된지역만을대 상으로 한조사에서연안저서 어류는수심 변화가심한 암반지대에주로분포하는것으로알려져왔다
(
해양수산부
2005).
그러나연속적이며수층전체의어군특성을보여주는본연구의집중음향 조사에서는또다른분포 특성을보여주고 있다
.
즉,
암반이 발달한급경사지역에서는저서어군형성이안되고완만한경사면지역에서 집중적으로저서 어군이형성되는것으로나타나고있어 저서어류의분포지역이 연안 암반지대에 한정되어있 지않음을보여주고있다
.
이러한조사결과는기존연구결과와는다른분포특성을나타내고있으므로연안저서 어류의시·공간분포연구에빠른조사방법의장점을가 진음향 기법이 추가되어야함을 보여주고있다
.
음향조사에서시·공간및수직분포를파악하기위해 사용하는 Sv값이외에개개어류의음향특성정보인현 장
TS
자료는음향탐지된어류의길이특성을간접적으로나타내고있다
.
음향조사지역에서식하는연안저서어류의어종정보가존재하고
,
대상어종의길이에따른평균
TS
함수가존재한다면수신된현장TS
자료로부터역으로 체장분포 추정이 가능하게된다
.
음향조사가 실시된근처에서
1
월동계 기간에실시한수중 잠수 조사에서 수심
18 m
부근에 볼락(
Sebastesinermis
)
이우점하는것으로나타났다(Fig. 8).
볼락은쏨뱅이목양볼락과의어류로 최대체장이약
35 cm
로암초로된연안에서식하며밤에는표층이나중층에서별로 움직임이없으나낮에는무리를이루어중층아래에서활 발히움직인다고 알려져왔다
(
명2002).
탐지된현장TS
자료로부터어류의체장을계산하기위한볼락의평균표 적강도함수는연구 자료가없는 상황이다
.
따라서비슷한 체형으로 동일한 쏨뱅이목 양볼락과인 조피볼락
(
Sebastes schlegeli)
에대한200 kHz
의음향표적강도함수를 이용하였다
(Kang and Hwang 2003).
TS
200kHz= 20 * log
10(fish length, cm)
−72.79 (1)
14
개의음향정선에서실시한음향조사에서현장TS
는해저면과해저면위
5 m
수층사이에서총1,824
개의어류신호가탐지되었으며
,
탐지된TS
자료를식(1)
을이용하여어류의체장을계산하였다
.
볼락의최대성장길이가약
35 cm
인것을고려하였을 때탐지된개체수는약1,580
개체로추정되었다(Table 2). 15~20 cm
의체장분포가전체 개체수의
30%
로최대 분포비율을 보이고 있었으며
, 10~15 cm
는24.6%, 20~25 cm
는21.8%
를차지하였다
.
일반적으로음향조사에서자원량추정은각정선의평균 Sv값과대상어종의평균
TS
함수로부터정선에대해평균 생체량을추정한후조사 면적에대비하여자원 량을추정한다
.
그러나본연구에서는저서어류의자원량추정이주된목적이아니라현장
TS
자료만으로탐지개체수를추정하였다
.
본연구에서는총
85,750 m
2의조사면적에대한저서Fig. 8. Photography of Sebastes inermis around survey area in January 30 2007.
Table 2. Estimation of acoustic detected fish number at each fish length class using in situ target strength data