1. 서론

갯벌(tidal flat)은 육지와 바다 환경이 만나는 점이지대로 특히 우리나라 서해안 갯벌의 경우 대기 노출과 해수 침수가 매일 2회 반복되는 특성에 따라 연안해양과 기수역의 유기물 분해와 영양염 순환에 큰 영향을 끼친다(Alongi 1995; Jahnke 1995; Giblin et al. 1997). 이러한 생물학적 특성들을 이해하기 이전에 연구지역에 대한 기초적인 지질환경(표층퇴적물 입도, 유기·무기화학적 특성자료 등) 및 지형특성자료(조수로, 갯벌 지형고도 측량자료 등)들은 학술연구 및 연구대상의 지역을 이해하기 위한 필수적인 자료이다. 연구지역에 대한 목적 및 과학적 자료를 얻기위해 갯벌환경 퇴적물 분야 세부항목은 크게 달라지지만 보통 4가지 분석범주에 따라 다양한 세부항목들로 연구되어 진다. 이는 보통 퇴적학적·광물학적 특성 분석, 지화학 분석, 물리적 분석 및 퇴적물 연대측정 분석 등이다. 퇴적학적·광물학적 특성 분석으로는 대자율(magnetic susceptibility), 퇴적물 색도(sediment color), 퇴적 구조(sediment structure), 함수율(water content), 퇴적물 밀도(sediment grain density), 퇴적물 입도(grain size), 점토광물 함량(clay mineral composition) 및 중광물 분석(heavy mineral) 등이다. 지화학 분석으로는 퇴적물 원소 함량(elemental composition; major 또는 minor (중금속 포함), REEs (희토류) 등), 총탄소 함량(total carbon), 총무기탄소 함량(total inorganic carbon), 총유기탄소 함량(total organic carbon), 총질소 함량(total nitrogen), 총수은 함량(total mercury), 총황 함량(total sulfur), 생물기원 규소 함량(biogenic silica) 및 C·N·O 안정동위원소 분석(isotope analysis) 등이다. 물리적 분석으로는 전단강도(shear strength), 함수률(water content), 공극률(porosity), 건밀도(dry bulk density) 등이다. 퇴적물 연대측정(age dating)은 보통 이탄·토탄(peat fragments), 조개류(shell fragments) 및 미(薇)고생물(Micropaleontology; 규조, 유공충, 와편모조류 시스트) 등을 이용하여 퇴적물의 시간적 연대분석을 진행한다.

우리나라 서해안 전라북도 고창군에 위치한 곰소만 갯벌은 반폐쇄형 만(bay) 지형을 가지고 있으며, 내부 동남쪽에는 작은 하천인 주진천이 흐르고 있어 평수기 또는 홍수기에 담수가 소량 유입되며, 조간대 갯벌은 남쪽 방향에 집중되어 분포하며 최고 폭이 6 km에 이르며, 갯벌 북쪽 부분에 폭이 최대 900 m, 깊이가 최대 15 m인 주조류로가 분포하는 것으로 알려져 있다(NGI, 2010). 곰소만의 남북 길이는 약 7-9 km이며, 동서 길이는 20 km에 달하는 것으로 알려져 있으며, 평균 조차는 4.33 m이며, 창조 때에는 1.15 m/s, 낙조 때에는 1.50 m/s의 유속을 보이는 것으로 알려져 있다(NGI, 1981).

갯벌의 지질환경 특성자료 분석을 위한 직접적인 정점별 시료 채취 조사는 출입이 허용되는 간조시간및 조사 항목 수량에 따라 매우 제한적으로 진행될수 밖에 없다. 본 연구에서는 시범연구지역인 곰소만 갯벌에서 퇴적상 특성자료 활용 및 지질환경 특성자료 구축을 위한 현장 측정 항목 및 실험실 분석 항목 선정하여 총 30개 정점에 대해 샘플링 현장조사를 진행하였다.

2. 본론

2.1 연구지역

연구지역은 전라북도 고창군 심원면 갯벌에 위치하며, 좌측 서쪽에는 동호해수욕장 및 동호항이 있으며, 북쪽 방향으로 열려있는 반 폐쇄형 소규모 만(bay) 형태를 보인다. 우측 북쪽에는 쉐니어(Chenier) 모래 퇴적체가 위치하는데 이 쉐니어는 입자가 큰 모래와 조개 조각으로 구성되어 있으며, 과거 연구의 시추 결과 약 1,800년 전부터 형성되었으며, 곰소만 조간대의 펄 퇴적층 위에서 발달했다는 것을 알려 주었다. 특히 쉐니어는 해안선을 따라 평행하게 긴 모양을 보이는데, 양쪽 끝 부분은 해안선 방향으로 휘어져 있는 특성이 있다. 그리고 연구지역 남쪽에는 반원형태의 둑과 둑 좌측으로 연구지역내 주조류로가 발달해 있다.

Fig. 1에서 전라북도 고창군 심원면 갯벌에 위치한 조사 연구지역의 총 30개의 샘플링 정점을 표시하였다. Table 1에서 현장조사일은 2021년 6월 22일 및 24일(실제 갯벌 조사 시간: 2일간 약 3.5시간)에 수행되었으며, 최저조 시간은 첫째날인 6월 22일 18시 56분 (조위 84 cm, 영광 기준), 둘째날인 6월 24일 20시 40분(조위 39 cm, 영광 기준) 이었다. 연구지역의 면적은 약 0.2 ㎢의 면적에 해당되며, 각 정점에서 Leica의 RTK-GPS(real time kinematics-global positioning system)를 사용하여 WGS84/UTM52N좌표계로 각 정점의 좌표(m)와 타원체고(ellipsoid height, m)를 수집하였다. 또한 국토지리정보원 외 7개 기관에서 제공하는 실시간 데이터(RTCM) 서비스를 사용하여 인근 GNSS 상시관측소의 보정신호를 수신하여 측량의 정확도를 확보하였다. 또한 인근 통합기준점(U부안23 기준)에서 국토교통부 국토지리정보원의 지오이드고(geoid height, 29.8440 m, 2020년 2월 11일) 자료를 수집하여 연구지역의 정표고(orthometric height)를 산정하였다.

2.2 각 정점별 지질환경분야 현장갯벌 조사항목

각 정점별 현장 측정 항목은 현장에서 바로 샘플 일시(년/월/일/시간/분), GPS-RTK (real time kinematics global positioning system)를 이용한 정밀 지형 표고 좌표(m)와 타원체고(ellipsoid height, m)를 수집하였다. 또한 전단강도(kg/cm²), 색도를 각각 측정 및 기록하였으며, 현장조사 이후 실험실 분석을 위해 평균입도(퇴적상 통계분석), 전용적밀도(g/ml), 공극률(%), 함수률(%), 총유기탄소(%), 총탄소(%) 및 총질소(%)용 샘플을 2개 용기(지퍼백 및 폴리프로필렌(P.P) 병)에 각각 채취하였다. Fig. 2에서 전단강도의 경우 포켓 베인 테스터기(pocket vane tester, CL 100 시리즈 모델, 0-2.5 kg/cm², 네덜란드)를 사용하였으며, 표층퇴적물 대표색상은 Munsell 칼라 차트바(5Y page)를 이용하여 기록하였으며, Fig. 3과 같이 각 샘플링 정점마다 약 1 m 위에서 스틸 카메라를 이용하여 정사사진을 촬영하였다.

2.3 실험실 이동 후 실험방법

퇴적물의 평균입도(퇴적상 통계분석) 분석을 위해 먼저 퇴적물에 과산화수소(H₂O₂)와 염산(HCl)을 넣어 유기물과 탄산염을 제거한 후 습식체질(Wet Sieving)하여 모래(4 Φ 이하)와 펄(4 Φ 이상) 퇴적물로 분류하였다. 4 Φ 이하 조립질 퇴적물은 건조시킨 후 Sieve Shaker로 체질한 후 1 Φ 간격으로 무게 백분율을 구하였고, 4 Φ 이상 세립질 퇴적물은 약 2 g 정도 취한 다음 자동입도분석기(Sedigraph 5120 및 MasterTech 052(autosampler))로 각 입도별 등급율을 분석하였다. 최종적으로는 두 분류 기준을 합하여 통계처리하여 평균입도, 분급도, 왜도, 첨도 등의 입도조직 변수를 구하였다. 본 논문에서는 Eq. (1)과 같이 입도의 등급을 표시할 때, 등배수적(Arithmetic) 척도보다는 대수적(Logarithmic) 척도가 유용하기 때문에 Φ(phi) 척도를 사용하였다(Folk, 1968). 여기서, d는 mm로 나타낸 입자의 직경에 해당한다.

(1)

φphi=-log2dd=particle diameter mm

퇴적물의 총유기탄소(TOC), 총탄소(TC) 및 총질소(TN) 분석을 위해 원소분석기(Thermo사의 Flash EA 1112)를 이용하여 분석한 표준시료샘플(soil reference material, SRM)의 탄소 및 질소함량은 평균 2.30%와 0.21%이었으며, 표준편차(standard deviation)는 각각 0.02, 0.01이었다. 상대표준편차(relative standard deviation, RSD)는 각각 0.01, 0.06으로 높은 정밀도를 나타내었다.

함수률은 퇴적물공정시험법에 의해 다음 Eq. (2)에 의해 계산하였으며, 공극률은 Mortimer et al. (1999) 및 Berner (1971) 실험계산법을 인용하여 다음 Eq. (3)에 의해 계산하였다. 마지막으로 전용적밀도(가밀도, bulk density)는 Mortimer et al. (1999) 실험계산법을 인용하여 주어진 퇴적물의 무게(g)를 그 퇴적물의 전체 부피(전체 용적 ml)로 나누어 계산하였다.

(2)

Water contents%=W-DW×100W=wet weight before dryingD=weight after drying

(3)

Porosity=W×dsW×ds+1-W×dwW=wt% of waterds=average density of sediment 2,300 kg/m3dw=density of pore-water 1,026 kg/m3

3. 결과

3.1 크리깅(Kriging) 방법이용 그리딩 맵 및 정표고(orthometric height) 및 퇴적물 특성

Fig. 4는 Golden 소프트사의 Surfer (ver. 23)을 사용하여 크리깅(Kriging) 그리딩 결과물이다. 크리깅은 많은 분야에서 유용하고 널리 사용되는 것으로 입증된 지리 통계적 그리드 방법이다. 이 방법의 장점은 불규칙한 간격의 데이터에서 시각적으로 매력적인 지도를 생성한다. 단점으로는 입력된 데이터에서 제안된 추세를 표현하려고 시도하므로 예를 들어 높은 지점이 과녁 모양의 등고선으로 격리되지 않고 능선을 따라 연결될 수 있다.

Fig. 4의 (a) 및 (b)-(j)는 총 30개 정점(N=30)에 대한 정표고(orthometric height) 및 퇴적물 입도 및 퇴적상 관련 자료이다. 정표고의 경우 평균 4.509(3.902-5.014)m에 해당하였다. 퇴적물 입도특성 실험분석 결과 자갈, 모래, 실트, 점토 함량(구성비율)은 각각 평균 0.01(0.00-0.12)%, 66.52(0.64-99.95)%, 24.09(0.00-83.08)%, 9.38(0.05-33.62)%이다. 이후 통계분석 처리 후 Folk 및 Ward (1957) 분류법에 의하여 총 4가지 그룹핑을 진행하였다. 4가지 그룹핑은 다음과 같이 제1그룹((g)S, S), 제2그룹((g)mS, zS, mS), 제3그룹((g)sM, sZ, sM) 및 제4그룹(Z)에 해당하였다. 평균 입도크기, 분급도(Sorting), 왜도(Skewness), 첨도(Kurtosis) 평균 값은 각각 3.87(2.12-7.12)Φ, 1.52(0.24-3.15)Φ, 0.30((-)0.20-0.65)Φ, 1.43(0.57-3.67)Φ이다. Fig. 4의 (k)는 전단강도로 평균값은 0.79(0.00-1.70) kg/cm²에 해당되었다. Fig. 4의 (i)는 Mumsell (5Y)방식을 이용하여 현장에서의 표층퇴적물의 대표색상을 표기 후 그룹핑 점수를 표현하였다. 크게 올리브(olive) 및 올리브 그레이(olive gray)로 표현되었으며, 평균값은 5.01(4.20-5.60)에 해당되었다. Fig. 4의 (m-o)는 퇴적물의 물성관련 결과로 전용적밀도(가밀도), 공극률, 함수률로 각각 평균값 0.80(0.32-1.53)g/ml, 0.42(0.36-0.56), 24.22(19.94-36.23)%에 해당되었다. Fig. 4의 (p-r)은 퇴적물 유기물 관련 실험분결 결과로 총유기탄소(TOC), 총탄소(TC), 총질소(TN)으로 각각 평균값 0.23(0.04-0.73)%, 0.28(0.07-0.84)%, 0.06(0.02-0.13)%에 해당되었다.

3.2 파일럿 연구지역에 대한 지질환경정보 특성

연구지역 정표고의 최대-최소값 차이는 1.112 m로 서고동저형 표고분포를 보이면서 남서쪽이 가장 높은 표고를 보였다. 모래(sand)는 북쪽과 동남쪽에 최대 99.95%를 보이면서 전형적인 사주(sand bar) 퇴적상을 보인다. 이와는 반대로 남서쪽에 실트 및 점토함량이 높아지면서 23번 정점에 실트함량 최대 83.08%, 12번 정점에 점토함량 최대 33.62%를 보였다. 모래(자갈), 실트, 점토의 상대비에 따라 분류되는 퇴적물 type은 대체적으로 북쪽과 남동쪽의 (g)S (slightly gravelly Sand), S (Sand, 모래) 지역과 남서쪽의 (g)sM (slightly gravelly sandy Mud, 약자갈 모래펄), sZ (sandy Silt, 모래실트), sM (sandy Mud, 모래펄), Z (Silt(>67%), 실트) 지역과 대비되는 특성을 보였다. 평균입도의 경우 3.87 Φ를 보여 연구지역 전체로 볼때 극세립사(very fine sand, 매우 가능 모래) 지역에 속한다. 분급도(Sorting)란 퇴적물의 입도 조성이 얼마나 균일한가를 측정하는 지표로서 통계적인 표준편차의 의미를 갖으며, 양호(Well Sorted), 불량(Poorly Sorted) 등의 7개 등급으로 분류되는데 본 연구지역에서는 대체적으로 조립 및 세립질이 혼합되어 불량(very poorly sorted; 평균 1.52) 등급을 보였다. 왜도는 입도 정규분포 곡선의 비대칭성 정도를 측정한 값을 의미하며 0을 기준으로 조립질 퇴적물의 양이 많을 경우에는 양(+, Positive)의 값(오른쪽으로 치우친 세립질 꼬리, tail to the right)을 갖고, 세립질 퇴적물의 양이 많을 경우에는 음(-, Negative)의 값(왼쪽으로 치우친 조립질 꼬리, tail to the left)을 나타내는데 본 연구지역에는 살짝 양(+, Positive, 평균 0.3)의 값을 보였다. 첨도는 분포곡선이 어느 정도 뾰족한가를 측정한 값으로서 정규분포곡선에 비해 중앙으로 집중되어 있으면 Leptokurtic, 넓게 분산된 형태를 보이면 Platykurtic이라 하는데 본 연구에서는 대체적으로 Leptokurtic 형태를 보였다. 전단강도의 경우 대체적으로 펄(실트+점토) 함량이 높을수록 높은 값을 보이지만 부분적으로 7번 정점의 경우 퇴적상은 (g)sM로 부분적으로 조립한 성분도 있지만 최대 1.7 kg/cm²을 보였다. Mumsell에 의한 퇴적상도 대체적으로 펄 람향이 높을수록 황록회색(olive gray) 계열을 보였다. 전용적밀도(가밀도)의 경우 전체적으로 아주 조립(S) 또는 아주 세립(sZ, Z) 할수록 높은값을 보이며 6번 정점에서 최대 1.53 g/ml 보였다. 퇴적물의 부피에는 공극의 것도 포함되므로 같은 퇴적물의 입자밀도(진밀도, particle density)보다 낮은 값을 나타낸다. 일반적으로 전용적 밀도(가밀도)는 퇴적물의 물리적 상태를 나타내는 지표이며, 점토함량이 증가하면 감소하고 모래의 함량이 높으면 증가하지만 북쪽 및 남쪽지역 가운데 경계부분에서는 30번 정점에서 가장 낮은 0.32 g/ml을 보였다. 공극률, 함수률 및 유기물(TOC, TC, TN)의 경우 12번 및 4번 정점에서 각각 0.56, 36.23%, 0.73%, 0.84%, 0.13%를 보여 다른 정점에 비해 상대적으로 높았다.

4. 토의 및 결론

본 연구에서는 파일럿 연구지역인 곰소만 갯벌에 대해 2021년 현장에서 직접 GPS-RTK 이용한 정밀 지형 표고측량 타원체 고도(m), 전단강도(kg/cm²), 색도를 측정하였으며, 실험실 분석항목인 입도, 전용적밀도, 공극률(%), 함수률(%), 총유기탄소(TOC), 총탄소(TC) 및 총질소(TN) 분석을 진행하였다. 향후 이번 시범 연구지역의 지질환경 특성자료를 이용한 데이터셋 사례는 2021년 6월 곰소만 갯벌 현장에서의 연구항목 데이터 선정, 갯벌 지형변화, 퇴적상 변화 등 퇴적환경 변화분석의 기초자료로 이용되어 다양한 융합적 연구와 갯벌 환경보전관리에 유용한 자료가 될 것으로 판단된다. 그러나 갯벌환경은 매우 다양한 특성이 존재함으로 현재상태를 기반으로 미래 변화를 정확하게 평가하기 위한 추가적인 현장관측 데이터 확보가 필요하다. Fig. 5의 내용처럼 이번 파일럿 연구지역에 대한 기본적 지질환경 자료와 함께 추가적으로 갯벌 노출시간(조석시간), 주수로 및 소수로 잔존수 및 연흔(ripples) 등의 유무와 형태 모양에 대한 데이터 등이 그 예가 될 것이다. 또한 더 나아가서 특정 환경요소들은 과학적 데이터 기반 확률로 구분하여 적용하는 것이 필요로 할 수 있음을 의미한다(KIOST, 2018). 즉, 통계적 기반 차이에 큰 영향을 주는 주요 지질기반 환경요인을 이해하고 확률을 산출하는 추가 연구가 필요하겠다. 또한 결과물을 표현할 때 환경 변수 구간에 픽셀기반을 적용하여 도식화(예측도) 한다면 보다 결과검증 및 확률 평가에 유용하리라 판단된다. 이를 바탕으로 거시적인 위성자료 또는 협소적인 무인기(예, 드론)를 활용(Kim et al., 2015)하여 변수별 공간화, 즉 다중 플랫폼 보조수단(Hwang et al., 2020A), 시간의 흐름에 따라 지형표가 감소 가능성 기존 자료(Hwang et al., 2020B) 등을 활용한 자료를 추가적으로 이용하여 연구지역에 대한 지질환경변화 예측도(map)를 제작하는데 활용 될수 있다.

이번 파일럿 연구지역인 곰소만 갯벌(협소지역)의 기초자료들은 해양관련 연구기관, 공공기관, 환경단체 등 매우 다양한 분야에서 활용 및 적용될 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구논문의 자료들은 추후 오픈형 빅데이터 플랫폼 클라우드에 공개할 예정이며, 그리딩 이미지 및 *.xlsx 포맷 등의 데이터셋 기본자료는 본 연구논문의 교신저자에게 이메일 요청(leejh@kiost.ac.kr) 후 무료로 연구목적 공유 및 활용이 가능하다.

Acknowledgements

본 연구는 한국해양과학기술원 기관고유 주요사업인 “원격탐사 시각데이터의 기계학습을 통한 갯벌의 생물/환경 공간정보 구축 기술 개발(PEA0015)” 지원으로 수행되었음.

Figure 1.

Map of the study area in Gomso Bay using Google Maps (25 April, 2021): (a) map of South of Korea, (b) study area in Gomso Bay, (c) study area expansion map, and (d) the yellow circles are the 30 sampling sites

Figure 2.

(a) Sampling surface sediments to determine the mean size, composition, and sediment type. (b) Sampling for dry bulk density, sediment porosity, and water content. (c) Measuring shear strength. (d) Sampling for TOC, TC, and TN. (e) Assessing sediments using the Munsell color diagram. (f) Photo of surface sediments (the square is 50 ⅹ 50 cm)

Figure 3.

Photograph of surface sediments (the square is 50 ⅹ 50 cm) (n = 30)

Figure 4.

Gridding method results for the 30 sites (point data): (a) orthometric height (m), (b) gravel (%), (c) sand (%), (d) silt (%), (e) clay (%), (f) sediment type by Folk and Ward (1957), (g) mean size (phi, Φ), (h) sorting (phi, Φ), (i) skewness (phi, Φ), (j) kurtosis (phi, Φ) of sediments, (k) shear strength (kg/cm²), (i) sediment Munsell color, (m) dry bulk density (g/mL), (n) sediment porosity, (o) water content (%), (p) total organic carbon (TOC) (%), (q) total carbon (TC) (%), and (r) total nitrogen (TN) (%) of sediments (n = 30)

Figure 5.

Conceptual map of the method used to produce the prediction map for the tidal flat geological environment using the study data (point data)

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Appendix

Figure & Data

References

Citations

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