1. 서론

서해안은 폭풍 및 태풍 등과 같은 계절적 기상 특성 영향을 받을 뿐만 아니라 해수면 상승으로 형성된 리아식 해안으로 다양한 형태의 연안환경들이 나타난다(Zheng and Klemas, 1982; Lee and Chough, 1989). 특히 서해안은 대조차 연안이고 대륙붕이 발달하여 다양한 퇴적물 특성을 갖는 갯벌이 잘 발달되어 있다(Oh and Han, 2010). 그러나 간척사업 등의 연안 개발로 갯벌 면적이 많이 소실되었으며, 이러한 환경변화는 갯벌의 수리적인 변화를 야기시켜 퇴적환경 및 생태계에 악영향 을 미친다(Woo et al., 2004). 따라서 서해안 연안의 다양한 퇴적학적 연구가 진행되어져 왔고(Lee et al., 1997; Ryu and Jang, 2005; Woo et al., 2006; Jang et al., 2007), 표층 퇴적물의 특성에 대한 연구(Oh and Choi, 1999; Oh and Kum, 2001; Woo et al., 2004) 및 서해안과 남해안의 퇴적물 및 지형의 장기적인 변화에 관한 연구 등이 이루어졌다(Ryu et al., 2003; Jang et al., 2007; Woo et al., 2013). 이러한 연구를 통해 다양한 해양 환경 변화는 지역적인 수리적 변화를 발생시켜 갯벌 퇴적환경 변화에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 더 나아가 퇴적환경에 따라 갯벌 생물 서식지가 변화하여 생물의 다양성이 감소됨을 알 수 있다(Choi et al., 2014).

황도 갯벌은 1982년 연도교 건설 이후 조류 흐름이 감소함에 따라 점차 갯벌에 펄이 쌓이면서 죽뻘(죽은뻘)화가 진행되었 고, 이로 인해 패류의 분포가 급격히 감소하면서 어업활동 지역에서 배제되기도 하였다. 또한 2011년 12월 연륙교 건설 완공 후 원활한 해수의 흐름으로 모래 공급되면서 펄 함량이 줄어들고, 바지락 생산량이 증가하는 등 생산성 있는 갯벌로 변화되 고 있다(CNI, 2018). 따라서 황도 갯벌의 퇴적환경 및 변화 양상을 파악하기 위해 퇴적물 및 지형적 특성 등 퇴적환경 자료의 구축이 필수적이다.

현장조사를 통해 2004년, 2009년, 2010년, 2013년의 기간 동안 퇴적환경 요인들의 환경조사를 수행하였다. 각 현장조사에 서의 퇴적물 채취를 통해 퇴적물의 성분비와 통계변수를 산출하였고, RTK-GPS를 사용하여 지형고도 자료를 획득하였다. 또 한, 원격탐사 기반의 퇴적환경 요인들의 정확한 공간적 분포를 분석하기 위해 갯벌에 존재하는 해수의 광학 반사도 특성 파 악이 필요하고, 이를 위해서 퇴적물 별 토양 수분 함유량 측정을 수행하였다.

2. 연구 지역

황도 갯벌은 서해 중부 연안에 위치한 천수만 내부에 있는 반폐쇄형 갯벌로 총면적은 약 10 km2 이며, 안면도와 간월도 가 접해 있다(Figure 1). 수심이 25m 이내의 천해성 내만으로 반일주조가 특징이며, 대조차 6.33m, 소조차 2.86m로 평균 조차는 약 4.59m인 대조차 환경에 속한다(Ryu et al., 2005). 최대 유속은 창조류가 약 1.00 ms-1, 낙조류는 약 0.70 ms-1 이며, 북동쪽에 발달한 모래사주는 낙조류시 광범위하게 노출된다. 연구 지역은 만조선에서 저조선 방향으로 니질 퇴적상, 혼합 퇴적상, 모래 퇴적상으로 다양하게 구성되어 있고, 지형 고도는 점차 감소하며 조류로와 세곡이 발달하였다(Kim et al., 2019). 그러나 연안 개발로 인해 조류의 변화와 이에 따른 퇴적환경 및 생태계의 지속적인 변화가 발생하였다. 따라서 시간에 따른 황도 갯벌의 퇴적환경 변화를 분석하기 위해 C, G, H의 동일한 정점에서 2004년 3월, 2009년 5월, 2010년 5 월, 2013년 5월 동안 총 5번의 현장 관측을 통해 퇴적물 시료 채취와 RTK-GPS를 사용한 지형 고도 관측 및 토양 수분함유 량과 지표 잔존수를 관측하였다. 이때 관측한 정점은 총 84개이며, 시기별 관측 정점에 대한 자세한 내용은 표 1에 정리하 였다(Table 1).

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Fig. 1

IKONOS red band image of the Cheonsu bay and Hwang-do tidal flat, acquired on February 26, 2001. The red and yellow circles indicate the measurement sites for grain size and elevation in 2004, 2009 and 2013. The green circles are the measurement sites for grain size, elevation and water content in 2004, 2010 and 2013.

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Table 1

The summary of in situ measurements on the Hwang-do tidal flat

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3. 자료 획득

3.1. 표층 퇴적물

황도 갯벌의 퇴적환경을 분석하기 위해 2004년부터 2013년에 걸쳐 동일한 지점에서 총 5번의 현장관측 수행을 통해 퇴적물을 채취하여 입도를 분석하였다. 연구 지역의 입도 분포를 분석하기 위해 만조 때 선박을 이용하여 채니기(Grab sampler)로 G, H 정점에서 표층 퇴적물을 채취하였고, 또한 간조 시에 C 정점에서 표층으로부터 3mm 미만의 표층에서 퇴적물을 채취하였다. 현장에서 채취한 퇴적물 시료는 약 5g 정도를 1,000ml 비이커에 넣은 후 과산화수소(H2O2)로 유기물을 제거하였다. 그리고 탄산염 성분을 제거하기 위하여 0.1N 염산(HCl) 용액을 첨가하여 반응시켰다. 전처리를 거친 후 습식체질(wet sieving)을 통해 4ø 이상의 조립질과 세립질 퇴적물로 분리하고, 조립질 퇴적물은 건조시킨 다음 건식체질(dry sieving)을 통해 0.25ø 간격으로 분리하여 입도 등급별로 무게 백분율을 구하였다. 세립질 퇴적물은 약 2g의 시료를 채취하여 자동입도분석기인 Sedigraph-5100 을 사용하여 입도 무게 백분율을 구하였다. 입도별 무게 백분율은 도해적 방법(Inclusive Graphic Method)에 의해 평균 입도, 분급도 등의 통계변수를 계산하였고(Folk and Ward, 1957), 자갈, 모래, 실트, 점토 등의 상대적 구성비율을 구하였다.

3.2. 지형 고도

갯벌은 평균 경사가 0.1cm 미만으로 완만하고 광역적이며, 폭이 2cm~200cm인 다양한 크기의 갯골, 사주(Chenier), 모래 톱(Sand shoal) 등 다양한 지형 구조를 가지고 있다. 이러한 지형적 특성은 조류 흐름에 영향을 주어 퇴적물 분포 특성뿐만 아니라 지형 고도를 변화시키고, 지형 고도의 변화는 조석의 상대적 위치에 따라 노출 시간을 다르게 하여 광학 반사도에도 영향을 준다(Choi et al., 2010). 따라서 황도 갯벌의 지형 고도를 관측하였고, 이를 위해 Leica 사의 RTK-GPS(Real Time Kinetic – Global Positioning System) 장비를 사용하였다. 각 정점의 3차원 오차는 0.02 m 이내가 되도록 설정하였다. RTK-GPS는 기준국과 이동국을 동시에 사용하여 운용하였으며, 기준국은 국토지리정보원에서 제공하는 통합기준점의 좌표를 이용하여 기준점을 설정하였다(Figure 2a). 이동국은 2m 길이의 폴대를 활용하였으며, 정점 표층 중심에 평평한 물체를 받치 고 폴대의 끝부분을 평평한 물체에 고정하여 정표고(Orthometric height)를 측정하였다(Figure 2b).

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Fig. 2

Observation of RTK-GPS (a) base station, (b) rover

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3.3. 토양 수분 함유량

갯벌의 퇴적물은 항상 해수와 접촉하고 있으므로 퇴적물을 구성하는 입자 사이의 공극내에 채워져 있는 해수(Interstitial water content : IWC)와 갯벌 표면에도 존재하는 해수(Surface water cover : SWC)가 존재한다(Ryu et al., 2004). 갯벌에 존재하는 해수는 퇴적물의 입도, 갯벌 지형의 경사도, 노출 시간 등에 따라 다양하게 나타나고, 광학 반사도에 영향을 미치기 때문에 광학 반사도와 해수 영향의 관계를 파악하는 것은 매우 중요하다(Rainey et al., 2000). 따라서 2004년과 2013년에 C 정점(14개)에서 현장관측을 통해 IWC와 SWC의 관측을 수행하였고, 각 실험 과정은 다음과 같다. IWC는 퇴적물의 건조 전 무게와 건조 후 무게 차이에 의해서 측정하며, 퇴적물의 함수율을 측정하기 위해 할로겐 건조 시스템이 장착된 수분 분석기인 MB 45(Ohaus Corp.)를 사용하여 각 정점별 약 5g 의 퇴적물을 100℃에서 건조시켜 무게변화량을 기준으로 함수율을 측정하였다. SWC는 효과노출면적(Effective exposed area) 방법을 사용하여 측정하였다(Ryu et al., 2004). 효과노출면적을 산출하기 위해 각 정점에서 갯벌 표면의 5m × 5m 면적에 해당하는 사진을 촬영하고 이 면적에 대한 지표잔존수가 차지하는 면적의 비를 계산하였다. 이때 휴대용 디지털 카메라를 사용하여 사진촬영을 수행하였으며, 관측 영역을 포함할 수 있는 일정 높이에서 카메라 센서의 수직방향으로 관측하였다. 그러나 사진 촬영 시 약 2m 이내의 높이에서 관측하였으며, 이로 인해 관측된 일부 영역 중 카메라 센서의 수직 방향이 아닌 영역도 포함되어 있다. 따라서 SWC는 정확한 면적 비가 아닌 구간으로 표현하였다.

Effective exposed area ( EEA ) = T o t a l a r e a S u r f a c e w a t e r c o v e r ( S W C ) T o t a l a r e a

여기서 ‘Total area’는 5m × 5m에 해당하는 픽셀의 총 면적이며, ‘Surface water cover’는 5m × 5m 면적 내에서 표면수로 덮인 픽셀의 면적이다.

4. 결과

황도 갯벌의 퇴적환경을 분석하기 위하여 2004년부터 2013년까지 현장관측을 통해 획득한 총 148개의 표층 퇴적물을 분석 하였다. 분석한 퇴적물은 folk 삼각다이어그램에 도시하였고(Figure 3), 그 결과 다음과 같다. 연구 지역은 총 12개의 표층 퇴적상 타입이 분포하고 있으며, 이중 (g)mS, zS, sZ 타입이 가장 많이 분포하였다. 표층 퇴적상 타입은 2004년에는 총 8개, 2009년은 9개 그리고 2013년은 10개로 나타났다. 표층 퇴적상 타입 중 (g)mS, (g)S, S, zS, mS, sZ은 2004년부터 2013년까지 분포하고 있으며, (g)sM, gM, gmS은 2009년부터 분포하였다. 이외에 sM과 gS은 각각 2004년과 2009년, 2004년과 2013년에 만 분포하였고, mG은 2013년도에만 나타났다.

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Fig. 3

The folk's triangle diagram showing the sediment types of intertidal surface sediments in Hwang-do(from 2004 to 2013).

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Figure 4는 2009년 5월과 2013년 5월의 H정점(27개)에서 표층 퇴적물의 성분을 나타낸 것이다. 전반적으로 모래의 함량이 증가하는 것을 알 수 있었으며, 최대 약 15% 감소하거나 약 40% 증가하였다. 이 중 13개 정점에서는 퇴적물 성분 변화에 따라 퇴적상 타입이 변하였으며, 자세한 내용은 표 2에 정리하였다(Table 2).

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Fig. 4

Sediment composition and sedimentary facies (a) sediment composition of 2009, (b) sediment composition of 2013.

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Table 2

Sedimentary facies accordance with sand content change

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Figure 5는 2004년 3월과 2013년 5월의 G정점(14개)에서 지형고도와 모래 함량을 나타낸 것이다. H정점과 동일하게 전반 적으로 모래의 함량이 증가하는 것을 알 수 있었고, 지형고도도 증가함을 알 수 있었다. 이 중 6개 정점에서는 퇴적상 타입이 변하였으며, 자세한 내용은 표 3에 정리하였다(Table 3).

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Fig. 5

Change of elevation and sand content

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Table 3

Sedimentary facies accordance with elevation and sand content change

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Figure 6은 2004년 3월과 2013년 5월에 C정점에서 지형고도 및 입도와 IWC, SWC를 관측한 결과로 IWC와 지형고도 및 입도는 각각 상관계수가 0.4와 0.07로 비교적 낮은 양의 상관관계를 갖는다. 특히 IWC와 입도의 경우 샘플 개수가 적어 낮은 상관성을 나타내는 것으로 보인다. SWC와 지형고도 및 입도는 상관계수가 0.8이상으로 높은 음의 상관관계를 나타내었다. IWC와 비교하여 SWC가 지형고도와 입도의 영향을 많은 받는 것으로 보인다. SWC가 90% 이상으로 갯벌 표면에 잔존수가 많은 지역은 입도가 4ø이하로 매우 조립하고 지형고도가 -1m 이하로 상대적으로 낮은 곳으로 노출 시간이 매우 적고 해수 의 영향이 많은 영역이다. 반면 10% 미만인 지역은 입도가 6ø이상으로 매우 세립하고 지형고도가 0.5m 이상으로 상대적으 로 높은 곳으로 노출 시간이 많아 표층이 건조되어 건열이 발달한 영역이다.

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Fig. 6

Correlation between water content(%) and elevation(m)

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5. 결론 및 토의

황도 갯벌의 현장관측 수행을 통해서 2004년부터 2013년까지의 표층 퇴적물 분포, 지형고도, 토양 수분 함유량 자료를 획 득하였다. 이러한 자료들은 원격탐사 자료 기반의 퇴적물 분포와 지형 특성 등 퇴적환경 정보를 제공하는 것이 목적이다.

현장관측에서 획득된 표층 퇴적물은 습식체질 및 건식체질 방법과 Sedigraph-5100을 사용하여 퇴적물의 성분비와 통계변 수들을 분석하였고, 동시에 RTK-GPS 관측을 통해 각 정점별 지형 고도를 분석하였다. 그 결과 황도 갯벌에서 총 12개의 퇴 적상 타입이 분포하는 것을 알 수 있었으며, 2004년과 2013년 사이에 모래 함량과 지형고도가 점차 증가함을 알 수 있었다. 또한 퇴적물의 성분비와 지형고도가 변함에 따라 일부 정점에서는 퇴적상 타입이 변하였다.

갯벌은 조석의 영향으로 해수의 영향이 많은 지역으로 퇴적물의 공극뿐만 아니라 표면에도 해수가 존재하고, 퇴적물의 입 도, 지형 경사도 등에 의해서 다르게 분포한다. 따라서 MB45와 효과노출면적 방법을 사용하여 정점별 IWC와 SWC를 관측하 고, IWC, SWC와 지형고도 및 퇴적물의 입도의 상관관계를 분석하였다. 그 결과 IWC와 지형고도 및 입도는 낮은 양의 상관 관계를 나타내고, SWC와 지형고도 및 입도는 높은 음의 상관관계를 나타내었다. 특히 퇴적물의 입도가 4ø이하이고 지형고 도가 -1m 이하로 매우 낮은 지역은 SWC가 90% 이상으로 갯벌 표면에 잔존수가 많이 분포하는 것을 알 수 있었다. 따라서 원격탐사를 기반으로 갯벌의 퇴적환경을 분석할 때 단파장뿐만 아니라 열적외선 등 장파장 정보를 활용함으로써 보다 정확한 분석이 가능할 것으로 보인다.

6. 사사

이 논문은 해양수산부 연구개발사업인 “소규모 갯벌 수로를 이용한 패류 치패자원 확보기술 연구”와 “국가해양영토 광역 감시망 구축 기반연구” 사업의 지원을 받아 수행되었습니다. 현장자료 분석에 도움을 주신 한국해양과학기술원 관할해역지질 연구단 우한준 박사님과 이준호 박사님께 감사드립니다.

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8. 데이터셋에 대한 메타데이터

Table 4은 데이터셋의 구조를 보여주고 있다. 최종 데이터셋의 파일명은 “HD-Sediment_ID”를 기본으로 하며, 각 현장자료 에서 획득된 정점명을 사용한다. 각 데이터셋 안에는 Category, temporal coverage, spatial coverage, Personnel의 meta 정보 가 포함되어 있다. 퇴적물 분포, 지형고도, 토양 수분 함유량 자료의 단위는 Table 4에 명시하였다. 파일은 기본적으로 meta 파일과 함께 csv 형식으로 제공되며, 새로운 자료가 추가될 경우 지속적으로 업데이트 할 예정이다. 현장조사로 획득된 모든 자료들은 업로드 하기 전에 검증 과정을 거쳤다. 각 현장조사마다 기록된 야장을 바탕으로 google map과 위치 확인을 수행 하였다.

※ 2010년과 2013년도 자료는 현재 논문작성 중으로 비공개함

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Table 4

Metadata for sedimentary environments dataset

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