한국 남해 광양만 노량수로에서 현장 부유물질 입도분포 특성

한국 남해 광양만 노량수로에서 현장 부유물질 입도분포 특성

이병관¹*·김억동²·이창래¹·김성용¹·송성준³

1국립공원관리공단 국립공원연구원, ²국립해양조사원, ³서울대학교 해양연구소

Grain Size Distribution Characteristics of In-situ Suspended Matters at Noryang Straits of Gwangyang Bay in the South Sea, Korea

Byoung-Kwan Lee

¹

*, Eok-Dong Kim

²

, Chang-Rae Lee

¹

, Seong-Yong Kim

¹

and Sung-Jun Song

³

1National Park Research Institute, Korea National Park Service, Namwon 590-811, Korea

2Korea Hydrographic and Oceanographic Administration

3Research Institute of Oceanography, Seoul National University, Seoul 151-742, Korea

요 약 :본연구는한국 남해광양만의 동부해역인노량수로에서 LISST-100을이용하여현장부유입자농도와 입도 를측정하여현장부유입자의분포와거동특성을연구하였다. 남해대교의광양만방향에서 현장부유입자의평균입도 는일차적으로조립부가우세한단일모드에서이차적으로세립부가증가한이중모드의입도분포로나타났다. 조석주 기동안, 부유입자물질의농도와평균입도 그리고분급도의 차이는광양만표층퇴적물의세립부와조립부의 공급이 일시적으로증가된결과로저층퇴적물의재부유와응집작용에의한것으로판단된다. 광양만표층퇴적물의단기적인 변화를 파악하기위해, 우기전후로퇴적물입도분포를 파악한결과, 우기 후에광양만중앙에서 실트크기 퇴적물 의변화가증가되었다. 현장부유입자의농도와광학적인 특성을이용하여 우기전후에따른퇴적물거동파악이가 능한것으로판단된다.

주요어 :노량수로, 광양만, 현장입도, 부유입자물질, 현장수중입도분석기

Abstract :The concentration and size analysis of in-situ suspended particulate material were measured using an optical instrument, LISST-100, on the bottom layer in Gwangyang Bay near the Namhae Bridge. In the place, in-situ grin size distribution of suspended materials were changed from uni-modal distribution with a dominant peak at coarse fraction to bi-modal distribution with a secondary peak at the finer particles. At correlation between suspended particulate concentration and beam attenuation coefficient of suspended particulate matters, the overall differences of concentration, mean size, and sorting are probably caused by high supply of finer and coarser particles in the Gwangyang Bay. It is possibly due to the resuspension and the deflocculation associated with sediment. In order to understand a short-term, seasonal variation of sediment characteristics of the Gwangyang Bay, the textural parameters of surface sediment were investigated and compared before and after the rainy season. The silt size sediment is dominant throughout the bay, representing existing silt sediment in the central area of the bay. By using correlation between suspended particle concentration and echo properties, it is possibe to monitor the behaviors of in-situ particles.

Key words :Noryang Straits, Gwangyang Bay, in-situ particle size, suspended particulate materials, LISST-100

서 론

한반도의 남해안은 마지막 최대빙하기(Last Glacial Maximum) 이후 해수면 상승에 의해 침수된 리아형 해안으로 복잡한 해안선을 따라 크고 작은 만과 하구가 발달되어 있다. 남해

의 중앙부에위치한광양만은남쪽의여수반도및 남동부의 남해도로둘러싸인반 폐쇄적만으로여수해만을 통해남해 와 연결되고, 노량 수로를 통해 진주만과 연결된다. 연안 부 유퇴적물은 육성 기원의 무기 물질, 생물 기원의 유기 물질 과 생물의 활동에 의한 영향과 인간의 인위적인 영향으로

*Corresponding author E-mail: lbk6218@hanmail.net

공급되며 시공간적으로 다양한 분포특성을 나타낸다. 국내 에서는부유물질을분석하여조석에따른 담수와해수의왕 복, 혼합 및 순환 등의 수리역학적인 특성에 관한 연구가 지난 20년 동안, 한반도 주변 지역인 금강 하구(Lee and Kim 1987; Choi 1993; Choi et al. 1995), 한강 하구(Chang and Oh 1991; Park and Oh 1991) 및 섬진강 하구역(Kim and Kang 1991; Park et al. 1984; Kim and Lee 2004a, b)에 서연구가 수행되어 왔다. 광양만은 고에너지의 광양만동 측에서는 침식환경이, 저 에너지의 서측에서는 퇴적환경이 이루어지고 있는 것으로 파악되며(Park et al. 1984), 광양만 과 진주만을 연결하는 노량수로에서 부유퇴적물 분포와 변 화에 대한 연구는 상대적으로 적은 편이다.

부유퇴적물의 분석은 일정한 부피의 해수를 건조하여 남 은 잔류물질의 총량을 측정하는 방법이 가장 일반적이다. 해수중 부유 상태에있는 물질을 채수하여 실험실로 시료 를 운반하는 과정에서 시료가 변질될 수 있으며, 지속적 또 는, 정밀한 관측을 수행하기 어려운 문제점이 있다. 이러한 이유로 해서 부유물질을 이용하여 수괴의 시공간적인 분포 와 물질 거동을 파악하기가 어려웠으나, 최근에 간편하고 신속히현장에서측정할수있는 간접적인방법이사용되고 있다. 국내에서현장입도분석기의적용은 2001년 2월에섬 진강 하구에서 조석주기별로 관측하여 부유물질의 조성이 섬진강 상류지역보다 복잡하고 다양함을 제시한바 있다(김 과 이 2004). 또한, 그들은 2003년 3월 대조기에 1회 조석주 기 동안이지만, 섬진강과 인접한 광양만의 세 입구를 통한 부유물질의이동을연구하였다(김과이 2004).

본 연구는 여름철 담수유출량이 증가할 때 남해 광양만 남해대교 부근에서 교환되는 부유물질농도와순간이동률을 비교하고, 해저 바닥 0.5m 상부 수층에서 현장부유입자물질 의 분포 특성을 파악하여 우기전후의 표층퇴적물과 부유입 자의 시공간적 거동을 연구하였다.

연구지역

광양만은 여수반도와 남해도 사이에 위치해 있는 동서간 의 길이가 27 km, 남북의 폭은 15 km인 타원형의 반폐쇄형 내만으로서 중앙에는 묘도가 위치하고, 북쪽에는 섬진강, 북 서쪽에는 광양 서천·동천으로 담수가 유입되고 있다. 섬진 강의입구쪽에는 1978년도에 착공한광양제철소와 하동화 력발전소가 입지해 있다. 섬진강을 통해 만으로 유입되는 담수의 양은 5.887×10⁸톤에 이르며, 이 중에서 약 80만 톤 의 부유 퇴적물이 광양만으로 공급되는 것으로 알려져 있다 (Park et al. 1984).

광양만의 남동방향 입구로부터 북동방향의 노량해협으로

이어지는수심 30m 이상의노량수로와 묘도북쪽으로이어

지는묘도 북수로및 남쪽으로 이어지는 묘도남수로의 깊 은해저지형은 일반적인만에서의수심분포와좋은 대조를 보이고 있다. 광양만 해역의 퇴적환경과 해수순환적인 관점 에서 보면, 광양만의 동쪽은 고에너지지역이며, 광양만의 서

쪽은 저에너지지역으로구분될수있으며만내에광범위하 게 분포하는 니질퇴적물은 부분적으로 섬진강및 수어천을 통하여 운반되거나, 광양만과 인접한 남쪽의 여수해만을 통 해 공급되었을 것으로 추론되고 있다(Park et al. 1984; Kim and Kang 1991).

연구 방법

대조기인 2005년 8월 4~5일에 25시간동안 1시간간격으 로 부유물질농도를 연속적으로 관측하였다(Figure 1). 수층 별 유속은 RCM-9로 30분 간격으로 측정하고, 해수는 유속 계의 하단부에 고압호스를 연결하여 채수펌프(Jabcob Co.,

Model Mini200)를 1시간 간격으로 작동시켜 표층(수면

0.5m 아래), 중층(전 수심의중간수심), 저층(바닥 0.5m 위) 에서 채수한 다음 실험실에서 부유물질농도를분석하였다. 부유물질농도는 해수를 충분히 혼합 시킨 후 정확히 1L를 취하여 미리 무게를 측정한 여과지(직경 47 mm, 공경 0.45µm, Millipore filter paper HA type)를 진공여과방식으 로 여과하였으며, 여과가 끝날 시점에 증류수로 3회 이상 세척하여 여과지위에남은염분을제거하였다. 부유물질농

도(SPM, mg/L)는총 여과한해수의부피에건조전과후의

무게 차이로 계산하였다. 부유물질의 순간이동률(g/m²/s)은 관측된 유속, 유향, 수심 그리고 부유물질농도를 이용하여 계산하였다(Gao et al. 1990).

비교적 고에너지의 퇴적환경인 광양만의 동부해역의 노량

수로(남해대교 부근)의 수심약 30m 해저면의 상부 50 cm

저층에대해서현장입도분석기(LISST-100)를계류하여광양

Figure 1 Map showing sampling sites of in situ suspended particulate material at the bottom layer of K1 of Noryang Straits, during tide cycle.

만과진주만으로 교환되는 부유입자농도와입도를 연속관 측하였다. 현장입도분석기(LISST-100)는 광원의 회절 원리 로, 총 길이 81 cm, 직경 13 cm, 투과거리(path length) 5 cm로 수중에 부유 상태로 존재하는 다양한 부유입자물질에 대해서 레이저의 beam이 방사(0.05^o)되고, 회절 되어 1.25~

250.34 µm의 입경 범위를 갖는 동심원의 센서에서 대수적

으로 32분할하여 입자 크기별로 자동적으로 측정된다 (Agrawal and Pottsmith 1994, 2000). 일반적으로, 670 nm 광원에서의 투과도(Beam transmission)는 용존 물질이나, 물 자체에 의해서는 영향을 거의 받지 않으므로, 부유물질에 의한 감쇠만을 반영한다고 볼 수 있다. LISST-100에서 부유 물질의 광 감쇠계수는 광원에서 발사되는 레이저가 해수(매 질)를 통과하는 투과거리에 반비례하고, 부유물질을 통과한 뒤, 동심원의 센서에 도달하는 투과도에 비례하며, 매질의 특성에 따라서 광 감쇠계수가 다르게 나타난다. 매질의 특 성은 매질의 농도, 입도, 분산, 유기물 함량에 따라서 달라 지기 때문에, 매질의 농도와 광 감쇠계수의 상관분석(regression

correlation)으로 매질의 광학적인 굴절지수와 분포특성을 이

해할 수 있다. 부유물질의 크기에 따라서 32개 입도구간별 체적농도(VC, volume concentration, µL/L)와 전체부유물질

의 투과도(transmission)를 이용하여 부유물질의 평균입도

(Md, mean diameter, µm), 분급도(Sd, sorting, µm)와 광 감 쇠계수(c(670), beam attenuation coefficient, m⁻¹)는 아래의 계산식으로 처리하였다.

S(평균입도) = , sdev(표준편차) =

(Fi = Vi×100/Vt : Vi 입자체적 농도, Vt 구간별 체적농 도합, Si 구간별 중앙값)

광 감쇠계수(beam attenuation coefficient, c)는 다음 식에 의해계산된다.

I(r) = I(0)×e^−cr

(I(0)는 광원의 광량, I(r)은 광원에서 r m 떨어진 receiver 에 도달한 광량)

Beam transmission, T = I(r)/I(0) = e^−cr 연구 결과

1. 노량수로입구에서 부유퇴적물농도의 순간 이동률 노량수로입구의 표층에서는 평균 수온은 25.0^oC 보다 약 간 높고, 염분은 평균 23.1 psu로 섬진강 하구보다는 뚜렷하 게 고염의 수괴를 갖고 있으며, 최저 13.8 psu의 염분까지 관측되었다(Figure 2). 이는 섬진강과 주변의 하천을 통해서 담수가 유입되어 광양만과 진주만으로교환되는 것으로해 석된다. 중층에서는표층보다 고염(32.5 psu), 저온(평균 22.5

oC)의 수괴를 보였다. 저층에서는 표층(수온 25.7^oC, 염분 23.1 psu) 보다 고염(32.8 pus), 저온(22.0^oC)의 수괴로 표층

과 뚜렷한 차이를 보였다. 저층 수온(22.0^oC)은 표층(25.7^oC) 보다 3.5^oC가 더 낮은 수온이 관측되었다. 염분에서도 표층 이 23 psu, 중층은 32 psu이고, 저층은 33 psu로 염분성층 을 형성하였다.

25시간 동안에 유속은 표층이 35.1 cm/s, 중층은 32.0 cm/

s이고, 저층은 21.1 cm/s로 표층과 중층은 저층보다 강했다

(Figure 2). 표층 유속은 낙조류(평균 40 cm/s)가 창조류(평 균 29 cm/s)보다 우세한 낙조 우세형을 나타낸다. 중층 유속

은 낙조류가평균 30.9 cm/s로표층보다약하고, 지속시간도

표층보다 줄어표층과 중층의층류가관측되었다. 중층에서 창조류는 평균 32.9 cm/s로 표층보다 창조류가 약간 강하고 Fi Si×

---100 Fi×(Si S– )² ---100

Figure 2. Time series distribution of current speed (cm/s) (a), temperature (^oC) (b) and salinity (psu), (c) water velocity (cm/s), (d) SPM (mg/L) and (e) suspended sediment transport rate (×10 g/m²/s) calculated by the product of SPM and axial velocity at different depths of station K1 during Aug. 4~5, 2005.

지속시간도더 긴창조 우세형을 보였다. 저층유속은낙조 류가 전체 관측 시간에 3시간 동안만 관측되었고, 나머지 시간에는 창조류(광양만에서 진주만 유출)가 지속되었다. 이 는 익일 0:00시부터 01:00시 사이에 중층을 경계로 표층과

층류를형성하였던수괴가저층을경계로중층과층류를형

성하였다. 이 시간을전후하여최저수온(21.3^oC)과 최대염

분(33.1 psu)이 관측되었다. 저층에서 낙조류는 평균 19 cm/

s로 표층과 중층보다 뚜렷하게 약해졌으며, 창조류는 지속시

간이 길고, 평균 유속은 21 cm/s로 약간 강했고, 최대 50.9

cm/s의 유속이 관측되었다. 표층 또는 중층과 달리 저층은

유속은약하지만, 지속시간이길어서뚜렷한 창조우세형을 나타냈다.

표층에서 부유퇴적물 농도는 평균 34.2 mg/l의 농도로 중 층에서 부유퇴적물 농도는 평균 36.4 mg/l의 농도로 표층보 다 약간 높았으며, 저층에서 부유퇴적물 농도는 낙조류 동 안에 평균 27.8 mg/l로 표층과 중층보다 저층에서 낮은 농 도지만, 창조류 동안에는 38.1 mg/l에 최고 59.6 mg/l가 분 석되어표층과중층보다저층에서더높은농도를나타냈다

(Figure 2). 유속과부유퇴적물의 농도로계산한 부유퇴적물

의 순간이동률은 표층에서 12.1 g/m²/s, 중층은 12.0 g/m²/s 로 섬진강 하구에서 분석된 이동률보다 3배 느린 양상을 보 이고, 저층은 8.3 g/m²/s로 표층보다 느린 이동률을 보였다 (Figure 2).

창조류와 낙조류 시에 평균 유속, 평균 부유물질농도와 순간이동률을 비교한결과(Figure 3), 낙조류는 표층에서유 속이 강했던 반면에 창조류에는 중층에서 유속이 강했다.

부유물질농도는 낙조류에는 중층이 높고 창조류에는 저층에 서 높은 농도를 보였다. 부유물질의 순간이동률은 표층과 저층보다 중층을 통한 이동이 더 강한 것으로 분석되었다.

이 등(2011)의 결과에서, 비슷한시기에섬진강하구 정점에

서 전반부에 부유퇴적물의 평균 농도는 표층 20.9 mg/l, 중 층 32.1 mg/l, 저층 45.4 mg/l을보였지만, 후반부에담수유 출이 급증하면서 표층이 62.6 mg/l, 중층은 97.3 mg/로 높고, 저층은 73.6 mg/l로 높은 농도가 관측되었으며, 노량수로 입 구에서는 표층이 34.2 mg/l, 중층은 36.4 mg/l, 저층은 36.5

mg/l로 전 수층이 비슷하며 섬진강 하구의 전반부보다 농도

가 높은 것으로분석되었다. 섬진강 하구정점을통해섬진

강 담수 유출량의 증가가 있은 02:00시에서 13시간 뒤인

15:00시부터 광양만 동측 입구에서 관측이 이루어졌으며, 많

은 부유퇴적물이 섬진강에서 광양만으로 유입되었고, 본 연 구지역인 노량수로에서도 부유퇴적물 농도의 증가한 것으로 보이며, 관측 당시에 부유물질의 공급이 조류를 따라서 이 동하는 경향을 고려한다면, 향후에는 조밀하면서 연속적인 장기조사가이루어져야 될것으로판단된다.

2. 표층퇴적물과 부유퇴적물의 입도 변화

우기 전후 광양만 표층퇴적물의 입도는 주로 세립해지는 변화가 나타났고, 지역에 따라 조립해지는 변화가 나타났다

(Figure 4). 섬진강과가까운 POSCO 동쪽의사질 퇴적상일

부 정점에서조립해지는변화가나타났으며, 남해도를따라 노량수로로 연결되는 수로를 중심으로 세립해졌다. 광양만 표층퇴적물의 우기 전후 변화는 담수유입의 증가에 따른 퇴 적물의 공급과, 담수유입과 계절 변화에 따른 해양 에너지 Figure 3. Mean average distribution of current speed (cm/s)

(upper), SPM (mg/L) (middle) and suspended sediment transport rate (×10 g/m²/s) (lower) at different depths of station K1 during Aug. 4~5, 2005.

환경의 변화에 영향을 받은 것으로 추측된다. 따라서 우기 이후에 광양만은 만 중앙을 기준으로 만 내측으로의 세립질 퇴적물의 이동이 있으며, 우기를 통해 담수유입의 증가에 따른 퇴적물의공급증가와해양에너지환경 변화에의한재 부유 등의 작용을 통해 보다 활발한 저층 퇴적물의 이동이 있는 것으로 추측된다. 광양만 표층퇴적물의 입도분석 결과, 세립실트 함량이 많은 니질 퇴적상이 만 전체에 우세하게 나타났고, 섬진강과 가까운 POSCO 동쪽과, 묘도 남북 수로 부근, 여수해만에서 남해도를 따라 이어지는 주 수로 부근 에 사질의함량이 나타났다. 특징적으로 POSCO 동쪽에일 부 남아있는 조립하고, 분급이 비교적 양호한 사질 퇴적상

과 남해도를 따라 남북으로 발달한 조립하고 분급이 불량한 수로 퇴적상이 나타났다. 또한 여수해만 중앙에 비교적 수 심이 얕은 지역에서 사질의 함량이 주변보다 높게 나타났다.

각 정점에서 입도구간별 함량분포 도시해 모드분석을 실시 한 결과, 광양만은 전체적으로 세립실트에 모드(최빈값)가 있는 니질이 나타나고, 일부 정점에서 사질에서의 모드(최빈 값)가 나타났다(Figure 5). 만 중앙을 기준으로 묘도를 포함 한 서측은 사질의 함량이 거의 없고, 매우 일정한 모드를 가지는 니질 퇴적물이 주를 이루었다. 동측은 니질함량이

거의 없이 사질에서 모드가 나타나는 POSCO 동쪽지역과,

니질에서의모드와함께 사질에서복잡한모드를 가지는수 로지역이 함게 나타났다. 광양만 퇴적환경은 조석에 의해 Figure 4. Distribution of sediment type (A) in the surface

sediment in August, change of mean grain size (Φ) (B) in surface sediment between May and August, 2006.

Figure 5. Grain size frequency distribution of each station of surface sediment in West, East and South side of Gwangyang Bay in May, 2006.

니질 퇴적물이 만 내에 지배적으로 퇴적되고, 섬진강의 유 입, 홍수, 태풍등에 의해 지역적으로사질 퇴적물이퇴적상 을 구성하는 것으로 추정된다.

이 등(2010)의 연구결과에서 조석주기별로 부유입자의 입 도분포 특성을 비교한 결과, 30 µm 크기에서 농도가 높아 지고, 100 µm와 200 µm 부근으로 갈수록 최빈값을 보였다.

창조류와 낙조류에 관측된 부유입자의 입도분포를 비교한

결과, 약 100 µm의부유입자를 기준으로인접해역(광양만

에서 진주만)으로 유출되는 시기에, 크기가 작은 부유입자물 질의 농도가 증가하며, 조립한 부유입자의 농도가 감소하였 다. 이는 조사 지역 주변의 표층퇴적물이 우기 전후로 세립 한 퇴적물의 공급이 증가한 결과를 나타낸 것으로서 퇴적물 이 재부유작용을 받으며 저층을 따라 이동을 하기 때문인 것으로 판단된다. 반면에 진주만으로 유입된 세립한 저층 부유물질이일부 진주만으로공급되고 다시 낙조류에 광양 만의 동측으로 유입되는 경우에는 입도특성이 다른 퇴적물 을 보인 것으로 판단된다. 현장 부유입자의 입도특성이 조 립한 단모드와 세립한 이중모드의 특성을 갖는 부유입자를 보이는 것은 퇴적물의 재부유작용으로 부유퇴적물의 직접적 인공급과이차적인저층퇴적물의 거동에따른영향으로판 단된다.

결 론

본 연구는 한국 남해 광양만의 노량수로에서 광양만과 진 주만으로 교환되는저층부유입자분포특성을파악하고자,

수심약 30m의 해저 바닥 0.5m 상부수층에서 조석주기별

로 현장부유입자농도와크기를 연속 관측하여 부유입자의 분포와 거동특성을 연구하였다.

남해대교 부근에서 부유물질의 저층 현장부유입자의 변화 가 뚜렷하게 관측되며, 고조 이후에 조립한 부유입자가 관 측되었고, 유속이 강한 시기에는 세립한 부유입자를 보였다.

현장부유입자의평균입도와 분급도 사이의관계는 양의관 계를보이며 비교적 단조로운 형태의 부유입자들로 구성되 어 광 감쇄계수 변화가 적게 나타났다. 부유물질농도와 광 감쇄계수 변화가 뚜렷하게 차이나는 것은 농도보다 부유입 자의 입도특성(평균입도와 분급도) 차이가 뚜렷하였기 때문 으로 해석된다. 현장 부유입자의 입도분포곡선은 조류에 따 라서 조립한단모드와세립한이중모드의 특성을갖는 부유 입자로서, 하계에담수유출량이증가되면서인접주변하천 으로부터 부유물질의 공급이 증가되고, 저층 부유입자의 거 동이 증가되면서 부유입자의 deflocs 또는 break-up 작용이 활발한 환경을 반영함으로서 광 감쇄계수가 감소되었을 것 으로 예상된다. 섬진강 담수 유출량의 증가로 많은 부유퇴 적물이광양만으로유입된이후에. 노량수로부근에서 부유

퇴적물농도가증가한 것으로관측되었다. 현장부유입자의 입도분포를파악하여저층퇴적물의재동과부유퇴적물의직 접적인 공급에 의한 영향으로 인하여 부유물질 특성의 변화 가 나타난 것으로 판단된다. 관측 당시에 부유물질의 공급 이 특정 수심과 특정 시기(조류)에 이동하기 때문에 추후에 는 조밀한 연속적 장기조사가 필요한 것으로 보인다.

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(2012년 2월 22일 접수; 2012년 8월 19일 채택)