부산연안 부유물질 장기 변동 및 공간분포 연구

2.1 부유물질 및 낙동강 하천유량 자료 수집

본 연구에서는 해양수산부(MOF) 해양환경정보포털(MEIS[2025])에서 제공하는 부산 연안 12개 정점에서 관측된 해양환경측정망 데이터를 수집하였다(Fig. 1). 수집된 데이터는 표층 부유물질(SurFace Suspended Solids, SFSS) 및 저층 부유물질(SeaBed Suspended Solids, SBSS), 수심(Depth)이다. Fig. 1과 Table 1은 수집된 자료의 12개 정점에 대한 위치 및 수심, 데이터 갯수를 나타내고 있다. 수집된 자료는 연도별, 관측정점별로 다소 차이가 있으나, 2009년 2월부터 2023년 11월까지 매 분기별(2, 5, 8, 11월)의 15년 동안의 총 672개 자료이다. 이중 Q6~Q8의 경우는 2013년 2월부터 총 11년 동안 관측된 자료로서 그 이전의 경우는 자료가 부재하다.

Table 1.

Current status of sampling stations

또한 낙동강으로부터 바다로 유출되는 실 관측 하천유량과 Fig. 1의 해양환경측정망 관측정점 중 부유물질 관측정점(Q12)과 상호 관련성을 살펴보고자 하였다. 이를 위해 환경부(ME)의 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS[2025])에서 제공하는 2010부터 2023년까지의 하천유량 실관측 자료를 수집하였다. 관측정점은 Fig. 1의 St.R에 해당하며 이는 비정기적인 관측으로 총 66회의 현장조사 결과이다. 수집자료에는 조사 당시의 평균수위, 유속, 조사방법 등이 포함되어 있다.

2.2 부유물질 자료 해석 방법

본 연구에서는 표층 및 저층 부유물질의 15년간의 경년변동을 시계열 분석, 최대 및 최소 등의 통계값을 통한 공간 분포 차이를 살펴보고 Fig. 1에 제시된 모든 관측정점(Q1~Q12)에 대해서 저층(x)과 표층(y)의 부유물질 관측 자료를 바탕으로 선형회귀식 및 R²(결정계수, Coefficient of determination)를 산정하였다. 결정계수 R²은 다음과 같이 계산할 수 있다.

여기서, $$ SST=\mathrm{\Sigma }{(Y_i-\stackrel{-}{Y})}^2, SST=\mathrm{\Sigma }{(Y_i-{\widehat{Y}}_i)}^2$$이며, $$ \stackrel{-}{Y}$$는 모든 y값의 평균, $$ Y_i-\stackrel{-}{Y}$$ 는 각 y값이 가지는 평균으로부터 떨어진 변량을, $$ Y_i-{\widehat{Y}}_i$$ 는 회귀식으로 설명할 수 없는 변량(일반적으로 잔차)을 의미한다. R²이 1에 가까울수록 해당 선형회귀식은 원자료를 적합하게 나타내는 것이며, 0에 가까울수록 회귀식의 의미가 약해진다고 판단할 수 있다. 즉, 선형 회귀분석에서 모델의 성능을 평가하는 지표로서 ‘독립변수(x)가 종속변수(y)를 얼마나 잘 설명하는가’를 나타낸다. 한편, R²는 상관계수(r, Correlation coefficient)의 제곱(r²)과 동일하다.

따라서 본 연구에서의 R²는 저층(x) 부유물질과 표층(y) 부유물질 사이에는 얼마만큼의 상관성이 있는지, 표층의 값이 저층의 값에 의해서 얼마나 설명될 수 있는지 그 정도를 의미한다고할수있다. 즉, R²가 1이면 표층과 저층이 100% 직접적으로 상호관련이 있음을, 0이면 상호관련성이 없음을 의미한다.

한편 Table 1에 제시된 12개 정점들 중에서 정점 Q6~Q8의 경우는 자료의 개수가 부족한 점(타 정점들에 비해 약 27%(16/60)에 해당)이 있으나 앞서 식 (1)에 적용되는 입력값들이 각 관측정점의 저층(x)과 표층(y)의 부유물질 관측 자료를 적용하므로 데이터 누락이 정점별로 평균값이나 R²값 상호 비교에는 영향을 미칠 수 있겠으나 그 정도는 큰 문제가 되지 않는다고 판단하였다.

3.1 부유물질의 공간분포 현황

Table 2는수집된자료의 12개정점에대한 2009년 2월부터 2023년 11월까지 매 분기별(2, 5, 8, 11월)의 15년 동안의 총 672개 자료에 대한 최소값, 최대값, 평균값, 선형회귀곡선, R²(결정계수)을 산정하여 제시한 것이다.

Table 2.

Results of minimum, maximum, and average suspended solids concentrations (mg/L) and regression curves for each water layer at the survey site

해수 중 부유물질의 최대값은 표층의 경우 감천항 전면 해역(정점 Q10)에서 34.9 mg/L, 저층의 경우 영도 남측 해역(정점 Q9)에서 59.9 mg/L이었으며 최소값은 표층의 경우 임랑 남측 해변(정점 Q2)에서 0.2 mg/L, 저층의 경우 목도 서측 해역(정점 Q11)에서 1.6 mg/L이었다. 표층과 저층의 편차(△)가 가장 큰 곳은 최소값의 경우에는 정점 Q2에서 2.1 mg/L, 최대값의 경우에는 정점 Q9에서 38.2 mg/L이었다. 전체 데이터의 평균값은 표층에서 6.97 mg/L, 저층에서 11.65 mg/L이었는데 표층에서의 부유물질 농도 평균값이 가장 큰 곳은 낙동강 하구둑 전면 해역(정점 Q12)에서 9.4 mg/L, 저층에서는 진하 해변 동측 해역(정점 Q1)에서 15.9 mg/L이었다. 이는 연안의 특정 지역에서 부유물질 축적이 더욱 두드러질 수 있음을 시사한다. 그리고 표층과 저층의 편차(△)가 가장 큰 곳은 정점 Q1에서 10.6 mg/L, 가장 작은 곳은 수영만 전면 해역(정점 Q6)에서 0.3 mg/L이었다.

Lee et al.[2022]의 부산 연안의 부유물질 자료(2011~2020년의 10년 자료) 해석 결과에 따르면, 해수의 부유물질 농도가 가장 큰 정점은표층에서는낙동강하구둑전면해역(78.6 mg/L), 저층의경우 부산항신항내측해역(92.6 mg/L)이었다. 이에반해부유물질농도가 가장 낮은 해역은 부산 남항, 수영강 하류 및 기장군 고리원전 전면 해역에 해당하였다. 하지만 본 연구 결과에서는 다대포 및 감천항, 영도 및남항전면해역이 낙동강 하구역보다는다소 부유물질농도가 크게 나타났고 임랑 해역 및 외해에 위치한 목도 주변해역이 부유 물질 농도가 낮게 나타났다. 이러한 차이는 관측 자료의 수집 기간 확장이나 대표 관측 정점의 선택 차이에서 기인할 수 있다.

본 연구에서는 Fig. 1에 제시된 관측정점의 부유물질의 표층 및 저층의 경년변동을 살펴보기 위해 Fig. 2와 같이 대표적으로 4개 정점에 해당하는 진하 해변 동측 해역(정점 Q1), 수영만 전면 해역(정점 Q6), 영도 남측 해역(정점 Q9), 낙동강 하구역 전면 해역(정점 Q12)에 대해서 표층과 저층의 경년변화 시계열 및 상관관계 분포도를 제시하였다. 진하 해변에 해당하는 정점 Q1의 Fig. 2(a)를 살펴보면 표층에 비해 저층에서 부유물질의 변동폭이 크다는 것을 알 수 있고 회귀곡선식은 y = 0.0572x + 4.2381, R²는 0.026이었다. 다음으로 수영만 전면해역에 해당하는 정점 Q6의 Fig. 2(b)를 살펴보면 표층과 저층에서 부유물질의 변동폭이 크지 않음을 알 수 있고 회귀곡선식은 y = 0.7131x + 2.1706, R²는 0.3834이었다. 또한 영도 남측 및 남항 전면 해역에 해당하는 정점 Q9의 Fig. 2(c)를 살펴보면 대체로 표층과 저층에서 부유물질의 변동폭이 크지 않으나 2009년 11월에 저층에서 59.9 mg/L의 최대값을 보이는데 이때 인근 감천항 전면 해역(정점 Q10)의 저층에서도 52.0 mg/L의 다소 높은 값이 확인된다. 정점 Q9에서의 회귀곡선식은 y = 0.1988x + 4.8266, R²는 0.2003이었다. 그리고 마지막으로 낙동강 하구역 전면해역에 해당하는 정점 Q12의 Fig. 2(d)를 살펴보면 표층에 비해 저층에서 부유물질의 변동이 대체적으로 30 mg/L이내에서 변동하고 있고 경우에 따라서는 저층보다 표층이 크게 나타나는 경우가 발견되는데 이는 표층수에 해당하는 하천수의 영향으로 생각된다. 즉, 하천수가 해수로 유입될 때 표층에 고농도의 부유물질을 공급하여 이러한 현상이 나타날 수 있다. 회귀곡선식은 y = 0.6175x + 1.2387, R²는 0.458이었다.

Fig. 2.

Time series (left) and correlation (right) between surface and bottom of suspended solids at representative 4 survey points.

Fig. 3은 수집된 모든 자료에 대한 표층과 저층의 상관관계 분포도를 제시하였다. 그림에서 회귀곡선식은 y = 0.1967x + 4.6733, R²는 0.1038이었다. 결과적으로 수집된 자료의 12개 정점에 대한 2009년 2월부터 2023년 11월까지 매 분기별(2, 5, 8, 11월)의 15년 동안의 표층과 저층의 부유물질 농도 자료는 두 변수(표층과 저층)가 서로 크게 영향을 주고 받지 않는 것으로 해석될 수 있다. 즉, 표층 부유물질 농도가 크다고 해서 저층이 높다고 할 수 없으며 그 반대도 동일한 논리가 적용되는 것이다.

Fig. 3.

Correlation analysis of suspended solids concentrations at the surface and bottom layers of all data.

3.2 부유물질의 표층과 저층의 농도 차이

Fig. 4는 수집된 모든 자료에 대한 표층과 저층의 부유물질 농도의 그 차이 및 공간상의 분포를 살펴보고자 하였다. 그림에서 데이터는 15년간의 평균값을 나타낸 것이다.

Fig. 4.

Comparison of average suspended solids concentrations at surface and bottom layers by sampling points.

결과적으로 표층보다는 저층의 부유물질 농도가 크고 공간상으로 일정한 패턴을 가지는 경우도 그렇지 않은 경우도 존재하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 영도 전면 해역(정점 Q9)에서 낙동강 하구역 전면 해역(정점 Q12)까지의 경우 표층과 저층의 변화 패턴이 동일하게 나타난다. 하지만 부산항이 위치하는 오륙도 남서측 해역(정점 Q8)으로부터 동측 해역에서는 일정한 패턴을 가지지 않음을 알 수 있다. 이는 해당 지역이 낙동강의 영향권에서 벗어나 다른 해양물리적 요인에 의해 부유물질 변동이 지배될 가능성을 시사한다. 특히 수영만 인근 해역(정점 Q6)에서는 표층과 저층이 거의 유사한 값을 보이고 있고 진하 해변 동측 해역(정점 Q1)에서는 극단적으로 차이(△)가 발생하여 그 값이 10.6 mg/L에 달한다.

3.3 낙동강 하천수의 영향

낙동강 하천으로부터 유입되는 실 관측 하천유량과 낙동강 전면 해역에서의 부유물질의 상호 관련성을 살펴보고자 하였다. 해양환경측정망 자료인 낙동강 하구역 전면 해역(정점 Q12)의 부유물질의 경년변화와 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS[2025])에서 제공하는 2010부터 2023년까지의 하천유량 실관측 자료(Table 3)를 Fig. 5와 같이 나타내었다. 그렇지만 엄격히 말해 상술한 두 자료는 자료의 동시성(부유물질과 하천유량 관측 시점의 일치)에서 다소 맞지 않음을 감안하고 살펴볼 필요가 있다.

Table 3.

Annual field observation results of Nakdong River discharge

Fig. 5.

Comparison of surface/bottom layer suspended solids concentrations at survey site Q12 with Nakdong River discharge.

Table 3의 낙동강 하천유량 실관측 자료에서 최대값은 2011년 7월 12일에 관측된 10,292.56 m³/s이었으며 하천유량이 5,000 m³/s를 초과하는 경우는 총 5회, 1,000 m³/s를 초과하는 경우는 총 12회에 해당하였다. Fig. 5는 정점 Q12의 부유물질 농도와 하천유량 실관측 자료를 그림으로 나타낸 것인데 자료의 부족 또는 부유물질과 하천유량 관측 시점의 불일치 등으로 인해 낙동강 하구역의 표층 부유물질 농도가 하천유량에 의해 크게 변동한다고 말할 수 는 없다고 판단된다. 다만 하천유량이 큰 시점 전후에서 정점 Q12의 부유물질 농도가 변동하고 있음은 확인할 수 있다.

3.4 관측정점 선형회귀식 산정

앞서 Table 2에 제시된 부유물질 관측정점들에 대하여 선형회귀식을 산정하였다. 즉, R²(결정계수)의 값들이 관측정점별로, 낙동강으로부터 멀어짐에 따라서 어떻게 변화하는지에 대한 관점에서 수집 데이터에 기반해서 분석하였다.

먼저 12개 관측정점에서 R²가 가장 큰 정점은 낙동강 하구역 전면 해역(정점 Q12)에서 0.458이며 다음으로 수영만 전면 해역(정점 Q6)이 0.3834이었다. 이를 그림으로 나타내면 Fig. 6과 같다. 그림에서 낙동강 하구역에서부터 기장 연안으로 진행하면서 점차적으로 R²이 감소하는 경향을 나타내고 있다. 총 12개 정점에 대해서 R²에 대한 선형회귀식을 살펴보면 y = -0.0233x + 0.3123이었다. 즉, 낙동강으로부터 공간상으로 멀어짐에 따라서 관측정점의 표층과 저층의 상호 관련성이 감소하고 있음을 의미하고 있다. 특히 낙동강 하구역(정점 Q12)과 수영강 전면 해역(정점 Q6)에서 R²의 값이 다른 정점들에 비해 크게 나타나고 있는데, 정점 Q6의 경우에는 수영강의 영향을 지배적으로 받기 때문인 것으로 사료된다. 이들 두 정점을 제외하면 나머지 관측정점들(10개 정점)의 R²에 대한 선형 회귀식을 살펴보면 y = -0.014x + 0.2076에 해당하였다. 앞서 총 12개 정점에 비해 다소 감소하는 기울기는 완만하지만 전반적으로 감소하는 경향은 살펴볼 수 있다.

Fig. 6.

Spatial distribution of coefficient of determination (R2) by survey station.

3.5 부유물질 장기 변동 및 공간분포

부산 연안 해수의 부유물질 관측정점 12개소의 표층 및 저층의 부유물질 관측자료를 이용하여 수층간 상호 관련성, 공간적 분포를 검토하였다. 그 결과, 표층과 저층의 부유물질이 동일 시점에서 변동하는 구역은 낙동강 하구역 전면해역(정점 Q12)에서 영도 전면해역(정점 Q9)까지로 판단된다. 나머지 구역에서는 표층과 저층의 부유물질 농도가 크게 상관성을 보이면서 변동하는 것으로 보이지 않는다. 또한 표층과 저층의 부유물질의 선형회귀식을 바탕으로 낙동강으로부터 멀어짐에 따라서 해수의 부유물질 공간분포가 어떻게 변화하는지에 대해서 살펴본 결과, 낙동강으로부터 공간상으로 멀어짐에 따라서 관측정점의 표층과 저층의 상호 관련성이 감소하고 있음을 알 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 정량적인 평가에는 한계가 있으나 정성적인 관점에서 낙동강 하천수에 의한 부유물질은 부산 연안 해수에 영도 서측 해역까지의 일정 구역까지만 영향을 주고 있으며 그 외 영도 동측 해역부터는 낙동강 하천수보다 다른 해양물리 환경 요인(예: 항만 개발, 산업 폐수, 준설, 선박 운항, 파랑 등)에 의해 부유물질 농도 변동이 더 크게 영향을 받는 것으로 추정된다. 이는 부산 연안의 해역별 특성을 이해하고 해역 관리 전략을 수립하는 데 중요한 기반이 될 것으로 판단된다.