폐쇄성 해역의 환경 회복

제1장 환경재생에 대한 사고방식과 대처



1.1. 폐쇄성 해역의 특징과 일본의 대책

폐쇄성 해역은 해수교환이 나쁘기 때문에 계내에서의 물질의 체류시간이 긴 것이 특징이다. 따라서 폐쇄성 해역에 대한 물질의 부하가 증가하면, 용이하게 부영양화한다. 폐쇄성 해역에 있어서의 일반적인 물질순환 패턴을 그림 1.1에 나타내었다. 그림 중의 직접적 손실은 하천수가 해역에 나오는 하구역에 있어서, 입자상의 물질 등의 침강이나, 전기적 응집에 의해 인 등이 floc화하여 침강하는 것을 나타낸다. 유지는 만내에 있어서의 retention이며, 주로 저니로의 퇴적을 나타낸다. 순유출이란 만외부와의 경계역에 있어서 그림에도 나타난 바와 같이 조석이나 하구순환 등이 있기 때문에, 그들을 뺀 실질적인 유출을 의미한다. 생활이나 산업에 물이 필요하기 때문에 많은 도시는 하천 하류역에 발달하고, 부영양화를 일으키는 원인물질인 인이나 질소 등의 부하는 대도시를 배후로 가진 폐쇄성 해역에서 크다. 어느 정도의 폐쇄성과 어느 정도의 영양염 부하는 생태계를 부유하게 하고, 어업생산의 향상에 연결되는데, 과도한 물질부하에 의해 적조가 빈발하는 경우도 드물지 않다.

하천수가 유입하여 염분저하가 나타나는 폐쇄성 해역을 하구라고 부르지만, 하구에서는 하천수 유입에 동반한 상출하입(上出下入)의 연직순환, 하구순환이 생기며, 해수교환이 촉진된다. 그러나 한편으로, 담수와 해수의 염분차에 의한 밀도약층의 발달에 의해 하층으로의 산소공급이 방해를 받아 빈산소가 되는 경우도 많다. 빈산소수괴의 형성이나 그에 따른 유화수소(황화수소)의 발생은 저생생물의 서식을 위기로 몰아넣는다. 천해역의 생태계는 부유계와 저서계가 먹이연쇄를 통하여 밀접하게 관계하여 기능하고 있는 것은 의문의 여지가 없고 저서생태계의 붕괴는 폐쇄성 해역 생태계 전체의 붕괴로 이어지는 것은 용이하게 상상할 수 있다.

일본의 환경성(1970년대 당시는 환경청)은 대도시를 안고 있는 대 폐쇄성 해역(토쿄만, 이세만, 오사카만을 포함하는 세토내해)을 겨낭하여 수질오탁방지법(이에 더하여 세토내해에 대하여는 일련의 세토내법)에 의해 유입부하의 삭감을 중심으로 한 대책을 취하여 왔다. 이들 해역에서는 아직 오탁상황이 개선되지 않은 경우도 많은데, 후술하는 바와 같이 오사카만을 제외한 세토내해 서부해역에서는 빈영양화 현상이 나타나, 어획량의 저하에 현저히 반영되고 있다. 이와 같은 상황을 감안하여, 중앙환경심의회는 제6차 수질총량규제의 답신에서 질소나 인도 적당하면 어획에 득이며, 투명한 바다와 어류가 풍부한 바다는 반드시 동시에 성립하지는 않는다는 사실을 인식하고 오사카만을 제외한 세토내해에서의 규제는 보류하였다.

그런데, 환경성은 1993년의 수질오탁방지법의 일부 개정에 있어서 폐쇄도 지표를 제안하여(그림 1.2), 이것이 1.0이상의 해역을 폐쇄성 해역으로 정의하였다.

이것에 의해 88개 해역이 폐쇄성 해역으로서 지정되었다. 예를 들면 2000년의 겨울에 김의 대흉작이 이사하야만 간척과의 관계가 있을까 어떨까로 문제가 된 아리아케해 등도 시마바라만과 함께, 이 중에 들어갔다. 이들 새롭게 지정된 88개 해역의 다수는 수질오탁방지법에 따른 조직적인 모니터링이 행해져 오지 않고 예를 들면 아리아케, 야쯔시로(八代)특별조치법은 2002년에 시행되어 앞의 3대 폐쇄성 해역에 비하면 약 30년의 늦음이 있다. 88개 폐쇄성 해역의 환경의 특징은 일본의 폐쇄성 해역(88개 해역)환경가이드북에 정리되어 있다. 더욱이 폐쇄성 해역의 환경상태를 진단하기 위한 가이드라인으로서 바다의 건강진단이 제시되어 있기 때문에 참고가 된다.

한편, 국토교통성은 도시재생계획의 일환으로서 전국 바다의 재생프로젝트를 전개하고 있다. 이미 토쿄만과 오사카만에 대하여는 2003년과 2004년에 각각 행동계획을 책정하였다. 이들에 이어서 이세만과 히로시마만의 재생행동계획이 2007년 3월 발표되었다. 행동계획 중에는 각각의 만의 환경재생의 목표(슬로건)가 열거되어 있고, 어필 포인트 또는 어필 영역을 여러 점 설치하여 주민참가에 의한 모니터링을 행하고, 중간 평가도 서로 조직하여 10년 후의 목표달성을 겨냥하고 있다.

폐쇄성 해역에 공통적인 특징과 일본 국내의 대책은 이상과 같은데, 이하에서는 폐쇄성 해역에 대하여 지금까지 밝혀진 모습과 무엇을 해야 할까에 대하여 학술적인 면에서 요점을 정리해 갈 것이다.



1.2. 부영양화와 빈영양화

폐쇄성 해역에서는 물질의 체류시간이 길기 때문에 인이나 질소 등 친생물원소의 부하량이 증가하면 부영영화한다. 이들에 대하여는 이미 많은 연구가 축적되어 있다. 한편, 빈영양화의 프로세스에 대하여는 충분히 이해되어 있지 않기 때문에 이하에 기술한다.

생태계 중에서의 물질순환에 있어서의 stock와 flow라고 하는 가장 기본적인 개념으로부터 설명해 보자. 그림 1.3에 나타내듯이 같은 용적의 만을 생각하고 한쪽(a)은 영양염 부하가 작고 해수교환이 작은, 또 한쪽(b)은 영양염 부하가 많고 해수교환도 큰 경우를 상정한다. 우선, 이 만 중에 생물이 없는 경우는 후자(b)의 쪽이 만내의 영양염 농도가 높은 것은 용이하게 이해될 것이다.

그런데 이들 만 중에서 식물플랑크톤이 존재하는 경우는 (a)와 (b)의 어느 쪽이 부영양화할까? 여기서 식물플랑크톤이 늘어서 탁도가 증가한 상태를 부영양인 상태라고 생각하면 영양염의 부하는 (b)의 쪽이 많기는 하지만 식물플랑크톤의 증식속도에는 한계가 있기 때문에 해수교환이 그 이상으로 커지면 만 밖으로 흘러나가 버린다. 이와 같은 상황에서는 (b)는 영양염 농도가 높아지기는 하지만 탁도가 없기 때문에 부영양적인 인상은 받지 않는다. (a)에서는 역으로 영양염 부하는 작지만, 식물플랑크톤의 증식에 필요한 시간이 충분하기 때문에 적조에 이를 가능성이 있으며, 부영양적인 상황으로 간주되는 경우가 있다.

그런데, stock와 flow에 대하여 모니터링에 관련하여, 별도의 관점으로부터 더욱 설명을 더하고자 한다. 그림 1.4는 세토내해에 대한 TP와 TN의 발생 부하량과 해수 중의 그들의 농도의 연변동이다. 세토내해에서는 1980년부터 인의 삭감지도가 이루어져 1994년에는 질소도 삭감지도대상이 되어, 2001년의 제5차 수질총량규제에 있어서 인, 질소 모두 총량규제의 대상이 되었다. 이들의 조치를 반영하여, 인에 대하여는 1980년 이후, 질소에 대하여는 1994년 이후의 발생 부하량이 분명히 감소하고 있다 (그림 1.4a, b). 그럼에도 불구하고 그림 1.4c에 나타나 있듯이 해역의 TP, TN 농도에는 거의 변화가 없다. 지금까지 환경행정에 연계해 온 사람들이나 해역 환경을 전문으로 하는 연구자로부터 "이렇게 노력해서 육역으로부터의 부하량을 삭감하고 있는데도 어째서 바다는 깨끗하게 안되는가"라고 하는 말을 반복해서 들어왔다.

stock와 flow의 사고방식은 물질순환의 연구에 있어서 가장 기본적인 개념이지만, 그만큼 간단히 이해할 수 있는 것은 아닐 것이다. stock와 flow는 편의점의 재고의 양과 매입(구입)에 각각 상당한다. 예를 들면, 편의점에서는 팔린 상품이 곧 보충되기 때문에 선반에는 언제나 같은 수(또는 양)의 상품이 놓여 있다. 이것을 보고 상품이 팔리지 않고 있다고 판단하는 것은 잘못이라는 것은 누구나 알 것이다. 편의점에서는 무엇이 팔리고 있는가는 컴퓨터로 관리되고 있으며, 곧 보충되기 때문에 언제나 상품이 선반에서 없어지지 않도록 노력하기 때문이다. 이것과 마찬가지로, 해수중의 TP, TN의 모니터링 자료는 재고의 양을 재고 있기 때문에 부하된 TP나 TN이 계의 외측과 교환되는 비율이나 계내에 있어서의 다른 형태와의 변화량을 모르면 해수중의 TP, TN의 농도가 변화하지 않는 이유는 모른다.

세토내해의 TP, TN의 농도에 대하여는 계의 외측(태평양측)으로부터의 유입량이 크기 때문에 육역으로부터의 유입부하가 줄어도 TP, TN의 농도의 변화에 이어지지 않는다는 보고가 있다. 그러나 적조발생건수가 피크시의 약 300건에서 1/3인 약 100건 정도로까지 감소한 것에서도 알 수 있듯이, 육역으로부터의 유입부하의 삭감효과는 충분히 나타나고 있다. 이 경우 계의 외측으로 나가는 양이 감소하는 특별한 이유는 생각되지 않기 때문에 stock이 같고 유입량이 줄어든다고 하는 점에서 한 가지는 어디에선가 들어오는 양이 늘어났다고 하는 점이 생각된다. 가장 그럴듯한 것은 저니로부터의 용출이다. 수중의 물질농도가 저하하면 상대적으로 저질중과의 농도가 커지기 때문에 그만큼 저니로부터 용출하는 양이 커질 것이다.

또 한 가지 중요한 것은 이와 같은 육역으로부터의 물질부하의 감소 과정에서는 계내의 생물에 대한 P나 N의 전환량을 작게 해 버리고 마는 점이다. 적조발생건수의 감소도 그 하나이다. 그림 1.5에는 세토내해 전체의 어획량, 히로시마만의 굴생산량, 슈오나다(周防灘)의 바지락 어획량의 추이를 나타내었다. 이들은 어느 쪽도 급격한 감소를 나타내고 있어서, 상당히 위기적 상황에 있는 것으로 보인다. 앞서도 논하였듯이 stock으로서 측정되고 있는 것은 TP, TN이며, 이 중에는 육안으로 인식할 수 있는 크기의 생물 등은 포함되어 있지 않다. 계에 들어오는 물질량이 감소하고, 계내의 TP나 TN의 stock은 변하지 않기 때문에 계내에 서식하는 생물에 대한 flow가 작아지는 것은 당연하다. 부영양화의 진행에 대하여 부하의 삭감이 이루어져, 유입 flow가 계속적으로 감소해 가는 과정에서는 계 내부의 순환량의 감소가 일어난다. 유입부하가 증가해 가는 과정을 부영양화라고 부르는 것에 대하여 유입부하가 감소해 가는 과정을 빈영양화라고 부른다. 부영양화 또는 빈양영화라고 하는 경향을 나타내는 말과 부영양, 빈영양이라고 하는 상태를 나타내는 말은 다른 것을 이해하고 명확히 구별하여 사용할 필요가 있다.

그림 1.6(a)에는 부영양화와 빈영양화의 과정에 있어서의 생태계의 응답으로서 어류의 서식밀도를 나타내고 있다. 이것을 보아 알 수 있는 것은 부영양화의 과정과 빈영양화의 과정에서는 기어오르는 길이 다르다는 점이다. 즉, 영양염부하가 커져서, 어느 정도를 넘으면 급히 어류밀도가 높아지고, 빈영양화의 과정에서도 영양염부하가 어느 정도이하가 되면 급히 어류밀도가 저하하는 것으로, 양자 모두 상당히 대변동적인 현상이다. 이러한 현상을 hysteresis(履歷現象)라고 하며, 이미 생태학에서는 잘 알려져 있다. 또한 세토내해에서는 언제나 최대한의 어획압이 걸려 있다고 생각되면, 어획은 특정의 어종을 잡는다는 점에서 생태학적 생태계조작(biomanipulation)과 같기 때문에 그림 1.6(b)에 나타내듯이 hysteresis는 대단히 강조된 형으로 나타난다고 생각된다. 세토내해에 있어서의 TP부하량과 적조발생상황 및 어획량의 관계가 함께 멋지게 hyteresis를 동반하여 추이해 온 것은 이미 따로 기술하였다. 지금까지 부영양화대책을 줄곧 해 온 일본의 폐쇄성 해역의 환경대책으로서는 새롭게 직면하는 문제이며, 금후의 폐쇄성 해역대책으로서 취급해야 할 과제의 하나로 생각된다.



1.3. 해수교환과 적조

적조는 부영양화의 표현형이라고도 말할 수 있는 현상이지만, 이미 그림 1.3에 나타낸 바와 같이 해수의 교환율은 적조의 발생과 밀접한 관계가 있다. 즉, 해수교환율이 적조형성 플랑크톤의 증식속도보다도 크면, 적조는 되지 않는다. 문제가 되는 폐쇄상해역의 다수는 하천수의 유입이 있다. 소위 하구이기 때문에 해수교환율은 염분을 지표로 하여 box model로 계산할 수 있다. 단, 그를 위해서는 정기적인 염분의 모니터링을 필요로 하고, box model해석은 앞서의 폐쇄도 지표와 비교하면 조금 고도의 기술을 필요로 한다.

예를 들면 일례로서 필자 등은 아이치현 미카와만에 있어서의 적조발생상황을 해수교환율과 비교하여 흥미 깊은 지견을 얻고 있다. 모니터링된 적조의 기록을 더듬어 발생한 종마다 해수교환율과 비교한 결과 해수의 움직임에 수동적인 규조류의 경우는 기본적으로 증식속도가 해수교환율을 상회하는 것으로 적조를 형성하고 있으나, 편모조의 경우는 증식속도가 작은 데도 불구하고 적조를 형성하고 있는 것을 알았다. 즉, 편모조의 경우는 유영을 행하여 예를 들면 상출하입의 하구순환패턴을 이용하여 만내에 체류하고 적조로서 시인되는 세포밀도에 이르는 것이 가능하다고 상상할 수 있다.



1.4. 생산과 분해의 균형

계가 부영양화의 방향으로 향하고 있는가 빈영양화의 방향으로 향하고 있는가를 진단하는 방법이 있다. 광합성과 호흡의 차를 순광합성량이라고 하는 것과 마찬가지로 계 전체의 일차생산과 호흡, 분해의 차를 추산하는 것이며, 이것을 순생태계대사량(NEM: Net ecosystem Metabolism)이라고 한다. 탄소량으로서 NEM을 산출하고 싶지만, 탄소에는 가스태의 이산화탄소로서 대기와의 주고받음이 있고, 게다가 해수 중에서는 탄산염 pool이 크고, 탄소의 계산에 의해 직접 NEM을 구하는 것은 불가능하다. 또한 질소도 마찬가지로 가스태가 있기 때문에, 무리다. 따라서 LOICZ(Land-Ocean Interaction in Coastal Zones) working group에서는 인의 흡수를 계산하여 이것을 탄소량으로 환산하는 것을 제안하고 있다.

구체적으로는 계에 유입하는 TDP(전용존태인)의 실측치 및 해수중의 그들의 실측농도를 사용하여, 앞서 언급한 box model로 산출된 해수교환율을 사용하여 그 수지를 계산한다. 그들을 뺀 나머지로서 계내부에서 TDP가 감소해 있으면 그만큼 일차생산에 이용된 것으로 간주할 수 있다. 역으로, TDP가 증가해 있으면, 호흡, 분해가 일차생산보다도 상대적으로 크다고 말할 수 있다. 통상의 모니터링에 있어서는 TDP는 거의 측정되지 않고, 잘 측정되는 것은 DIP(용존태무기인)이다. 조류(algae)중에는 DOP(용존태유기인)를 이용하는 것도 있기 때문에 DIP와 DOP의 합계량인 TDP를 사용하여 계산하는 것이 제일 좋지만, DOP농도의 변동은 작고, 조류의 이용율이 높은 DIP의 값만을 사용하여 계산해도 그렇게 큰 차이는 없다고 알려져 있다. 인으로부터 탄소로의 환산은 Redfield ratio (C:P=106:1)를 사용한다.

더욱이 같은 것을 질소의 관측치에 대하여 행하고 한편으로 앞서의 인의 수지계산결과를 Redfield ratio(N:P=16:1)를 써서 계산된 값(기대치)을 구하여, 그들의 차를 순탈질량(ND; Net Denitrification)으로 간주하는 것이 가능하다. 이들 NEM과 ND를 구하는 일련의 우아한 수법에 대하여는 지면 관계상 미루고, 앞서의 Gorden et al.(1996) 또는 Yamamoto et al.(2004) 등을 참고하기 바란다.

이 방법에서 구해진 히로시마만 북부해역의 NEM 및 ND의 장기변동을 그림 1.7에 나타내었다. 히로시마만 북부해역에서는 1991년경에는 NEM은 +값을 가지고 있었다. 즉, 계 전체로서 생산의 모습이었다고 말할 수 있다. 그런데, 그 후는 ±0부근에서 추이하고 있고, 이것은 계가 생산적이지 않게 되었음을 의미한다. ND는 역시 1991년경까지 -로서 질소고정량이 탈질량을 상대적으로 상회하고 있었지만, 그 이후는 +로 바뀌어 탈질량이 상대적으로 커진 것을 나타내고 있다. NEM이 +에서 거의 0로 ND가 질소고정에서 탈질의 모습으로 이행한 1991년경부터 굴생산량이 급히 하강으로 바뀐 것은 그림 1.5c를 보면 명확하다. 즉, NEM이 0이라고 하는 것은 고차생산에 물질이 거의 돌지 않는다고 하는 것을 의미하고 있다. 마찬가지의 모습이 슈오나다(周防灘)나 오사카만을 제외하고 세토내해에서도 일어나고 있는 것으로 상상된다.

머리말

차례



제1부 총론

제1장 환경재생에 대한 사고방식과 대처 / 13



제2부 주요 3대 폐쇄성 내만

제2장 토목공학적인 접근 -토쿄만을 예로 들다- / 31

제3장 오사카만의 수질 환경 / 45

제4장 오사카만의 물리 환경 / 61

제5장 오사카만에서의 환경재생과 환경수복기술 / 76

제6장 히로시마만 생태계의 보전과 관리 / 89



제3부 그 밖의 해만

제7장 아리아케해(有明海)ㆍ야쯔시로해(八代海)의 환경재생-쿠마모토현의 대처 / 103

제8장 아리아케해 니질 간석지에 대한 부유계-저서계 결합 생태계 모형의 적용 / 119

제9장 하마나코(浜名湖)의 환경과 보전을 위한 대처 / 134

제10장 신지코(肉道湖)에 있어서의 야마토 재첩 생산 환경의 보전 / 149

제11장 아고만(英虞灣) 재생 프로젝트의 전개와 장래전망 / 169

제12장 환경평가의 척도와 기준 / 190



찾아보기 / 201

이문옥 1952년 10월 경남 사천에서 출생

1976년 2월 부산수산대학 어업학과 졸업

1982년 2월 부산수산대학 대학원 수산물리학과 수료(수산학석사)

1988년 3월 일본 오사카대학 대학원 공학연구과 박사과정 토목공학전공(수공학) 수료(공학박사)



1978년 4월~1981년 6월 부산해양고등학교 항해과 교사

1981년 6월~1983년 9월 부산수산대학 해양공학과 조교

1983년 10월~2006년 2월 여수대학교 해양토목공학과 및 해양공학과 교수

1991년 6월~1992년 7월 영국 University of Bradford(Water Engineering Laboratory Roger A. Falconer 교수) 방문교수

2002년 9월~2003년 9월 스코틀랜드 University of Strathclyde(Environmental Hydraulics Laboratory Graham A. Copeland 교수) 방문 교수

2006년 3월~2018년 8월 전남대학교 수산해양대학 해양기술학부 조선해양공학전공 교수

2018년 9월 현재 전남대학교 명예교수