한국해양환경공학회지Journal of the Korean Societyfor Marine Environmental EngineeringVol. 14, No. 4. pp. 257-263, November 2011

257

Box Model을 이용한 가막만의 물질체류시간과 Net Ecosystem Metabolism

엄기혁1·이원찬2,†·박성은2·홍석진2·김형철2·조윤식2

1국립수산과학원 해역이용영향평가센터2국립수산과학원 어장환경과

Dissolved Nutrient Balance and Net Ecosystem MetabolismUsing a Simple Box Model in Gamak Bay, Korea

Ki Hyuk Eom1, Won Chan Lee2,†, Sung Eun Park2, Sok Jin Hong2, Hyung Chul Kim2 and Yoonsik Cho2

1Marine Environmental Impact Assesment Center, National Fisheries Research Development Institute2Environmental Research Team, National Fisheries Research Development Institute

요 약

SBM을 이용하여 2006년 가막만의 담수, 염분, 영양염 등 물질 수지를 산정하였다. 담수유출량은 -174.2~72.5×103

m³/day로 나타났으며 개방경계에서의 해수 교환에 의한 mixing volume은 -2.4×107~4.9×107m3/day로 만 내외의 염

분차이에 의해 크게 좌우 받았다. 육상기인 DIP와 DIN의 유입 flux의 범위는 397.0~1158 mole/day 및 1750~8328

mole/day의 범위로 다른 지역에 비해 낮았다. DIP의 소실 또는 생성은 물수지의 변동에 의해 크게 좌우 되는 특징

을 보였으며, 또한, 물질체류시간에 의해 물질수지가 크게 좌우되어 NEM도 크게 달라지는 결과를 보였다.

Abstract − The budgets of fresh water, salt and nutrients were estimated in order to clarify the characteristics

of material cycle in the Gamak Bay in 2006 with Simple Box budget Model. Outflow volume of freshwater

into system was approximately -174.2~72.5×103m3/day. Inflow masses of DIP and DIN were approximately

397.0~1158 mole/day and 1750~8328 mole/day, respectively. The Source or sink of DIP was under the control

of the variation of fresh water budget in the system. the mass balance and NEM was largely determined by

flushing time of material.

Keywords: Simple box model(단순 박스모델), Nutrient budget(영양염 수지), Net ecosystem metabolism,

Gamak Bay(가막만), Flushing time(물질 체류시간)

1. 서 론

가막만은 한국 남해안의 중앙부에 위치한 반폐쇄성 내만으로

남북방향은 약 15 km, 동서방향은 약 9 km의 타원형으로 만입구

가 크나, 작은 섬들로 둘러싸여 있다(국토해양부, 2001). 만의 북

쪽과 중앙부에는 수하식 패류양식장(굴과 진주담치)이 산재하며,

만 입구부에는 해상 가두리 어류 양식장이 많아서 과도한 양식으

로 인해 어장의 노화가 진행되고 있어 어장환경 관리에 어려움이

발생하고 있는 해역이다. 지형적으로는 만의 중앙부는 수심 6~7 m

내외이며, 북서 내만역은 수심이 9~10 m 정도로 대형 웅덩이 형

태로 저층해수가 고여 정체현상을 보이고 있으며, 생활하수등 육

상기인 오염원이 집중되어 있기 때문에 부영양화와 하계 빈산소

수괴의 형성이 문제가 되고 있다. 이에 따라 가막만을 대상으로생

물 및 해양화학, 해양물리 재 분야에서 다양한 연구가 진행되고

있다. 그런데, 특히 조 등(1996), 이 등(1999)의 연구와 같이 모델

을 이용하여 가막만의 기초생산력과 환경용량을 추정하여 해역의

수질관리를 시도하는 연구가 진행이 되었다. 또한, 최근에는 김 등

(2010)과 같이 수질관리 측면에서 가막만 해역의 빈산소 수괴의

관리에 관한 연구도 있다. 그런데, Gordon 등(1996)은 복잡한 자

연현상을 단순화하고 모든 개개의 과정을 거시적으로 포괄하여 양

적인 흐름을 전체적으로 파악할 수 있는 장점을 지닌 단순 박스

모델(simple box model)의 활용이 매우 유용하다고 밝힌 바 있으

며, 최근에는 LOICZ(Land-Ocean Interaction in Coastal Zone)에서 미†Corresponding author: wclee@nfrdi.go.kr

258 엄기혁·이원찬·박성은·홍석진·김형철·조윤식

래의 상태를 정량적으로 예측하기 위하여 불확실한 항을 감소시

킨다는 목적으로 연안역 물질 flux 또는 물질수송에 관한 연구가

진행 중인데, 세토내해(柳, 1997)를 비롯한 양자강 유역(Shen 등,

2000), 동경만, 이세만, 오사카만(Smith와 Yanagi, 1997), Gulf of

Riga(Savchuk와 Swaney,1999), 체사피크만(Boynton, 등, 1995)등

많은 해역을 대상으로 적용되었으며, 국내에서도 낙동강 하구해역

(홍 등, 2000)과 금강 하구해역(김 등, 2000)에서 물질수지 계산에

적용된 바가 있다.

따라서, 본 연구에서는 연안 해역의 물질수송 해석을 위한 박스

모델 형태의 물질수지 모델을 이용하여, 주변의 다양한 환경적 변

화요인을 내재하고 있는 가막만을 대상으로 2006년 물질수지(담

수유량수지, 염분수지, 비보존성 물질수지)를 산정하여 물질 변동

에 관한 거시적 이동 특성을 고찰하고, 수질관리를 위한 기초적인

자료를 제공하고자 한다.

2. 재료 및 방법

연안역의 물질 flux를 간단히 계산하는 방법으로 사용되고 있는

Simple Box model인 물질수지모델(LOICZ, Land-Ocean Interaction

in Coastal Zone)의 개념과 계산 수행 방법은 Fig. 1에 나타낸 바

와 같다.

물질수지모델(Material budget model)은 대상해역의 내 일정시

간 동안 대상물질의 수지(budget)를 계산하기 위하여 물질 유입

flux와 유출 flux를 구하고(식 1) 그 결과를 해석하여 대상해역에

서의 물질의 순환 및 이동특성을 밝힌다.

(1)

물질수지모델은 대상물질의 유·출입을 직접적으로 관찰하고 거

동을 표현하는 것이 아니므로 대상해역 내부에서의 물질순환과 이

송과정을 밝힐 수 없으나 개방경계를 통한 물질의 유·출입 flux을

알면 시스템 내부해역에서의 물질의 물리, 화학 및 생물학적 과정

의 결과를 추정하는 것은 가능하다(홍 등, 2007). 따라서 모델의

단순화 작업을 통하여 시스템 내의 반응을 하나의 total reaction

으로 보고 물질의 변환을 해석함으로써 차후 복잡한 구조를 가진

생태계로의 접근이 용이해진다. 따라서 단순화, 종합화된 box모델

은 해수교환이 많고 물질의 체류시간이 짧아 오염물질의 분자확

산에 의한 변화보다 이류에 의한 기여도가 큰 만이나 하구해역에

적용이 적합한 특성을 가진다. 또한, 예측 물질의 농도(CX)는 주

어진 염분에 대해 다음과 같이 계산이 가능하다.

(2)

여기서, SS는 외양 해수의 염분이며, SX는 관심지역의 염분, CS는

외양의 물질농도, Cr는 관심지역으로 유입되는 담수 중의 물질의

농도를 의미한다. 수식의 계산은 홍 등(2007), Hinojosa et al.(2008),

Giodani et al.(2008)과 같고 Table 1에 세부적인 산정 절차를 정리

하였다.

특히 ⓐ의 식은 대상해역의 담수 존재량과 담수 유출량의 관계

를 통해 정의한 담수의 평균체류시간 τf는 물질수지모델에서의 시

간 scale의 결정요인이 된다.

(3)

비보존성물질인 영양염류의 수지를 구하기 위해서 영양염류의

농도를 Y로 보았을 때 Y의 박스 내에서의 변동을 다음식으로 표

현할 수 있다.

(4)

Y는 물질의 농도(mg/L)를 ∆Y는 비보존성물질의 생성 및 소멸

dM

dt-------- inputs∑ outputs∑– sources sinks–[ ]∑+=

CX 1 Ssys/Socn–( ) Cr× Ssys/Socn( ) Cocn×+=

τfVfR----=

VdY1dt

-------- rYr pYp gYg oYo RYR VX Yocn Ysys–( )– ∆Y+ + + + +=

Fig. 1. Conceptual diagram of Simple box model (Gordon et al., 1996, modified).

Box Model을 이용한 가막만의 물질체류시간과 Net Ecosystem Metabolism 259

항을 의미하며, 관측자료로부터 ∆Y를 제외한 모든 자료를 구하여

(4)식에서 ∆Y를 추정한다. ∆Y가 (+)면 생성을, (-)면 소실을 나타

내는데 ∆Y에는 광합성, 섭식, 포식, 사망, 분해, 퇴적, 용출 등 전

체의 화학, 생물학적 과정에 의한 변환과정을 포함하고 있다. 또한,

용존 무기인의 물질수지 결과를 이용하여 ⓑ의 과정을 통해 해역의

생산과 소비에 관한 생태계 순 대사(Net ecosystem metabolism)를

구한다.

3. 결과 및 고찰

3.1 계산의 입력조건

대상 영역의 면적은 약 112.0 km2로, 평균 수심은 약 9 m로 만

내측과 외측의 수심차가 다소 일정하며, 수체의 체적은 1,010 km3

이다. 전체적인 모델영역은 화양면~돌산도에 의해 둘러싸인 내만

영역을 기준으로 하였다(Fig. 2). 계산에서 적용된 조건은 Table 2

에 나타내었다. 물질수지 계산은 2006년 5월과 8월의 관측 값으

로 수행하였으며, 강우량 및 증발량은 기상자료에서 계산영역의

표면적을 곱하여 산정하였고, 지하수 유출량 및 기타 오폐수 유입

은 없는 것으로 가정하였다. 시스템내의 염분, 영양염 농도는 해

Table 1. The List of acronyms and definitions for budget estimation used in this paper

Acronnyms Unit Description Calculations Remarks

A m2 Area of the system

D m Mean depth of the system

Vsys m3 Volume of the system

Vr m3/day Average flow rates of run off water

Vp m3/day Average flow rates of precipitation

Ve m3/day Average flow rates of evaporation

Vg m3/day Average flow rates of ground water

Vo m3/day Average flow rates of other source

VR m3/day Residual flux of water Vr+Vp-Ve+Vg+Vo

Socn psu Salinity of seawater near ocean

Ssys psu Salinity of interest system

SR psu Average Salinity of the system and ocean

VX m3/day Mixing volume -(VR×SR)/(Socn-Ssys)

RT day Flushing time Vsys/(VX+VR)

DIPocn mmol/m3 DIP concentration of ocean area

DIPsys mmol/m3 DIP concentration of the system

DIPR mmol/m3 Average DIP of the system and ocean

DIPr mmol/m3 DIP concentration of input river

INocn mmol/m3 DIN concentration of ocean area

DINsys mmol/m3 DIN concentration of the system

DINR mmol/m3 Average DIN of the system and ocean

DINr mmol/m3 DIN concentration of input river

∆DIP kg P/day Internal DIP fluxes -VRDIPR-VX(DIPocn-DIPsys)

NEM kg C/day Net Ecosystem Metabolism, (p-r) -∆DIP(C:P)part

IR kg C/m2/day Import rate of POC NEM/A

∆DINexp kg N/day ∆DIN expected from ∆DIP ∆DIP(N:P)part

∆DINobs kg N/day Internal DIN fluxes -VRDINR-VX(DINocn-DINsys)

(nfix-denit) kg N/m2/day Balance between N2-fixation and denitrification ∆DINobs-∆DIP(N:P)part

Fig. 2. Map of the system boundaries in the Gamak bay.

260 엄기혁·이원찬·박성은·홍석진·김형철·조윤식

당시기의 관측자료를 입력하였으며, 외양의 염분, 영양염은 해당

시기의 연안 정선관측자료(NFRDI, 2006)를 이용하였다. 유입하천

의 유량과 영양염 부하량을 직접 관측하였다.

3.2 물수지 계산 결과

담수수지 계산 결과 담수 유출량은 2006년에 -174.2~72.5×103

m3/day였다(Fig. 3).

이것은 2006년 같은 시기의 관측 자료로 산정된 마산만의 담수

유출량(홍 등, 2007) 307.4×103~1,210×103 m3/day와 비교 할 때

매우 다소 작은 값으로 나타났다. 이것은 하천하구에 하구둑이 있

어서 직접적인 비교가 불가능하지만, 금강 하구(김 등, 2000)와 낙

동강 하구(홍 등, 2000)에 못 미치는 수준이다. 2006년 여수지역

기상청 자료에 의하면 8월의 경우 5월에 비해 강수량은 작고 증

발량이 강수량에 비해 더 크게 나타났기 때문에, 물수지가 음의

값이 나타났다.

Table 2에는 Table 1에 나타내었던 각각의 항목에 대한 값과,

물질수지의 계산결과를 요약하여 나타내었다.

3.3 영양염수지 계산 결과와 NEM

대상해역 내 DIP의 평균농도는 0.16~0.34 mmol/m3 범위였고,

외해역의 DIP 평균농도는 0.14~0.36 mmol/m3이었다. 하천수의

DIP 유입농도는 13.2~14.7 mmol/m3로서, 하천과 생활하수에 의

한 DIP의 유입 flux의 범위는12.3~35.9 kg/day 이었다.

대상해역의 DIN의 평균농도는 1.70~3.38 mmol/m3의 범위였고,

외해역의 DIN 평균농도는 0.32~13.6 mmol/m3이었다. 하천수의

DIN 유입농도는 64.8~94.9 mmol/m3로서, 하천과 생활하수에 의

한 DIN의 유입 flux의 범위는 64.8~116.6 kg/day 이었다.

대상해역의 DIP와 DIN 수준은 같은 기간의 마산만의 값인

0.34~1.74 mmol/m3 및 8.54~33.30 mmol/m3에 비해 2~10배 정도

낮은 농도를 보였다. 또한, 영양염의 유입 플럭스는 같은 기간의

마산만의 값인 410.8~795.7 kg/day와 4081.4~6525.3 kg/day에 비

해서도 20배 가까이 낮은 수준으로 육상기인 오염물질의 양과 해

역의 현존량이 현저히 낮았다.

대상해역 내에서 DIN과 DIP의 유입량 및 유출량의 변화와 단

위면적당 변화량을 Table 2와 Fig. 4에 나타내었다. 여기서 비보

존성물질의 생성 및 소멸을 의미하는 ∆Y는 (+)항 일 경우 생성을,

(-)항일 경우 소멸을 의미한다. 생성의 경우 유기체의 사망과 분해,

용출, 유입 등에 의한 영양염의 증가를 의미하고, 소멸의 경우 광

합성, 생물의 섭식, 퇴적, 유출 등의 영양염 감소를 나타낸다 DIP

경우에서 주로 조류의 광합성에 의한 소비와 강우 시 부유사 유

출에 의한 퇴적 그리고 외해로의 유출 증가로 인하여 영양염의 소

멸이 일어난다고 볼 수 있다(Gordon, 1996). 본 연구에서 ∆DIP를

Table 2. Calculated nutrients fluxes in the Gamak bay system

AcronnymsValue of May,

2006Value of Aug.,

2006Data source in this

paper

A 1.1.E+08 1.1.E+08 Calculated

D 9 9 Calculated

Vsys 1.0E+09 1.0E+09 Calculated

Vr 2.7.E+04 8.8.E+04 Observed

Vp 5.4.E+05 4.1.E+05 Cited(www.kma.go.kr)

Ve 4.9E+05 6.7E+05 Cited(www.kma.go.kr)

Vg 0.0.E+00 0.0E+00 Assumed

Vo 0.0E+00 0.0E+00 Assumed

VR 7.3.E+04 -1.7.E+05 Calculated

Socn 32.8 28.0 Observed

Ssys 32.7 27.9 Observed

SR 32.8 27.9 Calculated

VX -2.4E+07 4.9E+07 Calculated

RT 42.3 20.8 Calculated

DIPocn 0.36 0.14 Calculated

DIPsys 0.34 0.16 Calculated

DIPR 0.35 0.15 Calculated

DIPr 14.7 13.2 Calculated

DINocn 6.83 0.32 Calculated

DINsys 3.38 1.70 Calculated

DINR 8.49 1.01 Calculated

DINr 64.8 94.9 Calculated

∆DIP 13.94 30.99 Calculated

NEM 572.0 1272 Calculated

IR 5.1E-06 1.1E-05 Calculated

∆DINexp 100.7 223.9 Calculated

∆DINobs 1126 943.0 Calculated

(nfix-denit) 0.000009 0.000006 Calculated

Fig. 3. Diagram of water balance in the Gamak bay (reft is May 2006; right is Aug. 2006).

Box Model을 이용한 가막만의 물질체류시간과 Net Ecosystem Metabolism 261

구한결과 13.94~30.99 kg P/day의 값으로 생성되는 것으로 나타

났다. 이것은 가막만 외해측에서 각각의 시기에 높은 영양염 농

도를 나타내었는데, 가막만의 내·외측을 지배하는 물리적인 흐름

에 대한 고찰이 있다면, 외해에서 해수가 유입되는 양상을 보이

는가에 대한 판단을 할 수 있을 것이다. 그러나, 반 폐쇄성 내만

역에서는 퇴적물 표층의 영양염 용출이 매우 크게 나타나기 때문

에 정확한 판단을 위해서는 보다 다양한 접근 방법이 필요할 것

이다. ∆DIP에 Redfield 비(N:P=16:1)를 적용하여 동일량의 ∆DIN

으로 바꾸면 943.0~1126 kg N/day으로 나타났다. 본 연구에서

가막만의 DIP의 수지가 외부와의 유출입에 의한 영향이 클 뿐만

아니라, 장기적으로 시스템 내부에서의 질소의 축적이 예상된다

고 볼 수 있다.

또한, Table 1의 모델의 정의에서 나타낸 바와 같이 주된 기초

생산자를 식물플랑크톤이라고 가정하고, Redfield ratio, C:P=106:1,

이라고 할때, 순 기초생산(net primary production)은 5.11~11.35 mg

C/m2/day의 범위로 같은 기간의 마산만(14.4~517.8 mg C/m2/day)

과 비교하였을 때 수배~수십배 정도 낮은 분포를 보였다. 이 값은

김(2003)이 생태계 모델로부터 산정한 마산만 평균값인 200 mgC/

m2/day, 마산만 중심부의 400~1,000 mgC/m2/day의 값에 범위와

크게 차이가 나지 않으나, 심과 박(1986)이 관측한 한국 동남해역

의 700~2,700 mgC/m2/day의 값과는 다소 차이가 있다. 또한, 가

막만의 기초생산에 관한 연구와 비교하면, 이 등(1999)의 1.26~3.73

gC/m2/day 조 등(1996)의 0.99~10.2 0 gC/m2/day, 이 등(1991)의

0.22~1.02 gC/m2/day 값 과도 다소 큰 시각 차이를 보인다. 이 것

은 본 연구에서 영양염의 source에 대해 많은 부분이 조사가 되지

않았기 때문에 없는 것으로 고려했기 때문인데 특히 영양염의 유

입원에 대한 자세한 연구가 필요할 것으로 여겨진다.

질소 고정-탈질(Nitrogen fixation minus denitrification, nfix-

denit) flux는 Table 1의 ⓒ에 나타낸 바와 같이 다음의 식에서 추

정하였으며, 여기서, (N:P)part 는 가막만에서의 DIN과 DIP의 몰

비(mol ratio)를 말하는데, 이 식을 이용하여 질소 고정-탈질을 계

산한 결과는 질소고정이 0.0005~0.0007 mol/m2/day(0.006~0.009

g N/m2/day)가 발생하는 것으로 나타났다. 이것은 같은 기간 마산

만 0.001~0.003 mol/m2/day, Dokai 만(Yanagi와 Yamada, 2000)의

0.0006 mol/m2/day의 탈질이 발생하는 것과 비교할 수 있다.

3.4 염분수지에 의한 체류시간과 체류시간 변동에 따른 비교

염분 수지의 계산 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 염분수지에 따

른 체류시간은 20.8~42.3 day로 같은 기간 마산만에서 계산되었던

평균 40 day와 비슷한 수준으로 나타났으며, 낙동강 하구(2.03 day),

금강하구(1.6 day)보다 매우 큰 값이었다.

계절별로는 5월에 비해 8월이 절반정도 수준으로 체류시간이

짧게 나타났는데, 이것은 하계에 전반적으로 물과 염분 등의 물질

이 빠르게 순환하고 있다고 판단할 수 있다. 그러나 체류시간의

절대적인 크기로 비교하면 Hwang 등(2010)의 연구에 의하면 라

돈 방사선 동위원소의 물질수지를 통한 가막만의 물질 체류시간

Fig. 4. Diagram of DIP budget in the Gamak bay (reft is May 2006; right is Aug. 2006).

Fig. 5. Diagram of DIN budget in the Gamak bay (reft is May 2006; right is Aug. 2006).

262 엄기혁·이원찬·박성은·홍석진·김형철·조윤식

은 9.2 day로 나타났다. 이것은 이 연구에서 가막만에서 유출되는

해수 지하수의 유입량을 포함한 값이다. 이 체류시간을 이용하여

해수교환율을 역으로 추정할 경우 10배 정도 늘어나게 되어 물질

수지가 달라진다(Table 3). 특히, NEM/A의 경우 25.8 mg C/m2/

day의 소실을 나타내게 된다.

물론 이 값은 해수 지하수 유출에 관한 영양염 플럭스의 정보

가 적용되지 않은 것이기 때문에 물수지에 의한 mixing volume

에 비해 영양염 수지가 달라진 결과라는 점을 내포하고 있지만

체류시간의 변동이 전체 물질수지에 주는 변화의 차이를 크게 보

여주고 있으며, 연안역의 물질수지에 있어서 지하수 유출량과 이

를 통한 영양염의 플럭스가 고려되어야 한다는 점을 시사한다.

특히, 최근에는 해저를 통한 담지하수의 유출(황 등, 2010)에 대

한 고려가 강조되고 있는 점을 볼 때 향후 연안역관리의 도구로

모델이 사용되고자 할 경우에는 이에 대한 고려가 필요한 시점이

라고 생각한다.

4. 결 론

담수수지 계산 결과 담수유출량은 -174.2~72.5×103m3/day로 나

타났으며 개방경계에서의 해수 교환에 의한 mixing volume은

-2.4×107~4.9×107m3/day로 만 내외의 염분차이에 의해 크게 좌우

받았으며, 8월의 경우 증발량이 강수량보다 크게 나타나 물수지에

영향을 주었다. 육상기인 DIP와 DIN의 유입flux의 범위는 397.0

~1158 mole/day 및 1750~8328 mole/day의 범위로 다른 지역에

비해 낮았다. DIP의 소실 또는 생성은 물수지의 변동에 의해 크

게 좌우 되는 특징을 보였으며, net primary production 5.11~11.35

mgC/m2/day의 범위로 낮게 나타났다. 또한, 물질체류시간에 의해

물질수지가 크게 좌우되어 NEM도 크게 달라지는 결과를 보였는

데, 향후에는 이러한 현상에 대해 지하수량 및 지하수에 의한 물

질 플럭스 등에 관한 정보의 중요성이 강조된다.

감사의 글

본 연구는 국립수산과학원의 연구사업 과제(미더덕 어장적지 선

정 및 재배치 기술개발, RP-2011-ME-048)의 일환으로 수행되었

습니다.

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Retention time Mixing volume ∆DIP NEM/A Reference

42.3 -2.4E+07 13.94 5.11 this study, in May 2006

9.2 1.1E+08 -68.67 -25.8 Hwang et al. (2010), in May 2006

Fig. 6. Diagram of salt budget in the Gamak bay (reft is May 2006; right is Aug. 2006).

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2011년 9월 28일 원고접수

2011년 10월 5일 심사수정일자

2011년 11월 3일 게재확정일자

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