서 론

공중소음이 인간에 미치는 법적인 피해기준은 초기 의 다양한 소음피해 시비에 대한 판례를 기초로 하였으 나, 이후 과학적 객관적 소음에 대한 평가 기술이 발전 하게 되어 현재에는 연속음의 환경소음기준이 설정되 어 이 기준을 근거로 피해유무가 결정된다. 그러나 연 속음 평가기준인 L_eq dBA는 충격소음 평가에는 부적합 하여 L_max dBA 기준을 추가하여 층간 소음 피해유무를 평가한다. 이러한 기준이 소음피해 시비 판정에 크게 기여하고 있으나 소음에 의한 인간의 물리적 손상, 생 리 변화, 행동변화 혹은 스트레스 등의 반응을 계수화 하는 법칙은 여전히 완전하지 못하여 소음에 의한 피해 시비는 여전히 발생하고 있다.

1990년대 이래 국내의 수중소음에 의한 어류피해 관련 시비는 공사장 인근 육상 양어장 혹은 해상의 어 장 피해 연구가 많이 있다. 육상 양어장에 대한 가해자 와 피해자 간의 중앙환경분쟁조정위회의 피해분쟁 판 례심판 사례들 (National Environmental Dispute Medication Commission, 2010)이 있고, 수변 공사의 파 일 항타나 쇄암봉 소음 피해에 관한 부경대학교 해양과 학공동연구소의 연구보고서 (Korea Inter-University Institute of Ocean Science, 2005; 2007; 2014), 교량공사 에서 발생하는 공중소음 및 지반진동이 인근 양만장에 미치는 영향 (Division of Ocean Technology, 2006; Institute of Sound and Vibration Engineering, 2007) 등 이 있으며, 이외에도 통행 선박소음, 준설선, 육 ․ 해상 발파에 의한 피해 조사 등 다양한 연구들이 있다.

사실 이와 같은 피해 사례의 피해 판단 기준이나 피 해 판정은 국외의 연구결과를 단편적으로 인용하여 적 용하는 수준으로 연구자마다 피해기준과 판정이 다르 다. 수중 소음원, 수중음향, 수중소음 평가, 어류의 물리 적/생리적/행동 반응 및 소음 스트레스 평가 등에 대한 가해자 및 피해자의 과학적 지식이 부족하고 인용하는 연구결과가 검정되지 않은 연구 (gray literature)가 많아 시비는 지속될 수밖에 없다.

이러한 이유로 중앙환경분쟁조정 위원회는 육상 양 식장 어류의 다양한 피해분쟁 시비에 과학적 피해기준 을 사용하기 위해 전남대학교 수산과학연구소에 소음· 진동으로 인한 육상 양식 어류피해 영향 소음·진동 기준 및 배상액 산정 기준 연구 (Fisheries Science Research Center, 2009)를 의뢰하였다. 연구결과 육상 양식어류에 대해 수중소음 피해기준을 “수중소음이 140 dB/1μPa 이상이거나, 인위적인 수중소음과 수중 배경소음과의 차이가 20 dB/μPa 이상인 경우 피해 인정”으로 기준을 설정하였다. 피해의 근거는 인위적인 수중소음 및 지반 진동이 수중 생물의 서식 환경의 변화나 생리적 장애 등을 유발하여 생산량 감소와 집단 폐사 등이 발생한다 는 것이다. 그러나 이 기준 역시 충격성/연속성 소음에 동일한 기준을 적용한다는 이유로 한국 터널지하공간 학회지에 새로운 피해기준이 제안되었다 (Choi et al., 2015).

순음을 이용한 어류의 순치 및 유집에 관한 논문은 한국어업기술학회지에 다수 발표되었으나 수중소음에 의한 어류피해를 다룬 정규 학술지 논문이나 학위논문 은 극소수에 불과하다. 양식 가물치의 행동에 미치는 파일작업 소음의 영향 (Shin, 1995), 양식 향어의 행동 에 미치는 발파작업 소음의 영향 (Shin, 2000) 및 수중 발파/말뚝항타/ 쇄암봉에 의한 충격음이 어류에 미치는 영향 (Bae, 2009) 및 제주연안 어류 청각 관련 논문 (Lee, 2009)이 있고, 학위논문으로는 한국 제주도 연안 어류의 청각 특성에 관한 기초적 연구 (Lee, 2000)와 공사소음이 민물 양식어류에 미치는 생리적 영향 (Cho, 2013)이 있다. 따라서 국내의 연구결과만으로 과학적이 고 객관적인 수중소음 피해기준 설정은 여전히 어려운 것으로 판단된다.

국외 특히 미국에서는 일찍부터 해양 생물의 청각기 관의 해부학적 특성과 기능에 대한 연구와 군용의 소나, 수중 폭발 및 지층탐사용 공기 폭음 (air gun)이 고래와 같은 해양 포유류를 포함한 해양 생물들에 미치는 피해 에 관하여 연구하고 있다. 수중소음 발생원, 수중소음 환경, 수중소음 평가 기술, 어류의 물리적/생리적/행동 반응 및 소음 스트레스에 의한 병리적 지표에 대한 전문 가 집단의 공동 연구도 다수 있다. 그러나 3,200여종에 달하는 어류의 물리적 해부학적 생리적 다양성에 의해 모든 어류에 적용할 수 있는 수중소음 피해 평가 기준은 여전히 정립되어 있지 않다. 1998년부터 시작된 NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration)의 고래류 피해기준 연구 등 일부 연구자 집단이나 연구기 관의 독자적인 피해기준 연구를 시작으로 2000년대에 들어서는 수중소음과 관련된 정부 및 민간 기구들이 수중소음 피해 및 규제에 보다 큰 관심을 갖기 시작하 였다. 본문에서 이들 국외 연구들의 대표적인 결과를 소개하기로 한다. 이들 국외 연구들의 피해기준 설정과 관련된 연구 분야는 1) 어류의 청각, 2) 지속적인 스트 레스를 유발하는 연속음과 놀라움이나 조직 손상을 유 발하는 충격음의 특성, 2) 음향 척도로서 손상이나 행동 장애를 주는 기준치, 3) 수중소음의 크기, 주파수 범위, 상승시간, 지속시간, 반복 횟수 등의 영향 등이다. 이러 한 각 연구 분야 국내기술이 미흡하여 단기적으로는 국내의 개별 연구자들의 피해기준이나 중앙환경분쟁조 정위원회의 판례심판 피해기준이 다를 수 있으나 장기 적으로는 보다 과학적이고 객관적인 수중소음에 의한 어류피해기준 설정이 요구된다.

본 연구에서는 수중소음 피해기준 설정에 관련한 요 소기술들인 어류의 청각, 수중소음의 종류 및 평가 척 도, 피해 유형 및 규제 등에 관한 국내외 연구결과를 조사하여 수중소음 피해 관련 연구, 피해기준 및 법제 화에 대한 방향을 제시하고자 한다.

“자료 및 방법”에서 수중소음이 어류에 미치는 영향 과 피해기준에 대한 기존의 연구자료를 어류의 청각기 관, 어류의 청각에 따른 분류 및 청각 역치, 어류의 임계 대역폭과 마스킹, 수중소음 평가 척도 및 피해 유형, 수중소음 피해기준, 피해영향거리, 수중소음 감쇠대책 으로 나누어 각 분야에 대한 기존 연구결과를 제시하고 분석하였다. “결과 및 고찰”과 “결론”에서는 각 분야의 기존 연구결과에 대한 재분석 및 각 기술 분야간의 관 련성을 해석하여 국내의 새로운 피해기준 설정이나 관 련 기술의 추후 연구 방향을 제시하였다.

기존 연구 결과의 재분석은 가능한 객관적으로 검정 된 기존 연구결과나 저서 등의 내용을 기초로 하였다.

재료 및 방법

어류의 청각기관

어류의 귀를 이해하기 위하여 우선 인간의 귀의 구조를 소개한다. 귀의 구조는 외이 (귓바퀴, 고막), 중이 (청소 골: 등골, 추골, 침골), 및 내이 (전정기관, 달팽이관)로 구성된다. 외이에서 수신한 음파는 중이에서 증폭되고 중이의 침골에 연결된 전정기관 (vestibule)과 달팽이관 으로 전달된다. 전정기관은 세반고리관 (semicircular canal)과 이석기관 (난형낭: utriculus, 구형낭: sacculus) 으로 이루어져 있고, 세반고리관은 회전운동, 난형낭은 수평운동, 구형낭은 수직운동의 평형감각을 감지하고 달팽이관이 음파를 감지한다. 전정기관과 달팽이관 내 부는 림프액으로 차 있고, 신체 위치 변화와 소리에 의 한 림프액의 상태변화 (흐름변화)가 이들의 상피조직에 있는 유모세포 (hair cell)를 자극하여 뇌에서 인지하게 된다. 유모세포는 림프액 (내이)에서의 입자 운동 (변 위, 속도, 가속도)을 감지하며 이는 고막이 외이 음압을 입자운동으로 변환함을 의미한다.

Fig. 1은 어류 귀의 구조 및 음파를 감지하는 유모세 포이다. Fig. 1(a)와 1(b)에서 보는 바와 같이 인간의 귀의 구조와 대응시키면 외이에 해당하는 부레의 압력 변화는 중이에 해당하는 베버 소골 (Weberian ossicles) 을 거쳐 Fig. 1(c)의 내이 (전정기관: 난형낭, 구형낭, 호낭)로 전파되며 달팽이관이 없다. 음파의 수신은 부 레와 내이와 가까운 머리 부분에서 이뤄지고 청각은 구형낭에서 이루어지는 것으로 알려져 있다. Fig. 1(d) 는 유모세포로 베버 소골을 거쳐 증폭된 진동이 림프액 흐름 (입자운동)을 야기하면 유모세포의 유모가 굽히게 되어 음압을 감지하게 되는 것이다.

인간의 중이 (청소골)에 해당하는 베버 소골은 삼각 골 (tripus), 삽입골 (intercaliarium), 주상골 (claustrum), 갑골 (scaphium)로 인간보다 한 개 많고 평형감각을 관 장하는 이석 기관은 호낭 (lagenae)이라는 것이 한 개 더 있다 (Fig. 1(c)에서 하얀색 부분이 이석). 어류의 청 각은 구형낭에서 이루어지는 것으로 알려져 있고 구형 낭의 일부가 육상 포유류의 달팽이관으로 분화된 것으 로 알려져 있다.

귀와 더불어 음파의 입자운동을 감지하는 감각기관 이 측선이다. Fig. 2는 측선의 구조 및 유모세포이다. Fig. 2에서 보는 바와 같이 어류의 측선은 경골 및 연골 어류의 머리, 몸통에 있는 수백 수천 개의 흐름 감지센 서이다. 가장 뚜렷한 특징은 몸통의 길이 방향으로 구 멍이 있고 각 구멍은 유모세포 군으로 되어 있다. 귀의 유모 세포와 같은 동작으로 어류 주위 흐름을 감지한다 (Denton et al., 1989, 1993; Coombs et al., 1999). 즉 Fig. 2(C)의 신경소구 (neuromast)의 팽대정 (cupula: 컵 을 엎어 놓은 모양)내에 있는 유모세포가 흐름에 의해 굽어지게 되어 외부 흐름을 감지한다. 입자운동 변화가 큰 음원 가까운 영역에서만 유모세포 작동이 가능하다. 따라서 측선에 의한 감지는 음압과는 관계하지 않는 것으로 알려져 있다. 왜냐하면 입자운동은 벡터로 보통 의 경우 음원에서 먼 위치에서는 입자변위나 속도가 아주 작기 때문이다. 측선의 역할은 흐름을 감지하여 포식자로부터 회피, 먹이 사냥, 흐름 방향 감지 및 야간 투시 및 탐색에 활용된다. 수중소음에 의해서 측선이 손상된다는 연구결과는 없고 수중 파일 구조물이 소용 돌이를 일으키므로 어류의 측선기능을 방해할 것이라 는 의견이 있다 (Hastings et al., 1996).

어류의 청각에 따른 분류 및 청각 역치

32,000종에 달하는 각 어류의 청각은 다양하다. 이러 한 다양성은 Fig. 1과 Fig. 2의 귀나 측선의 해부학적 형태, 개별 청각 기관 및 유모세포의 외부 음압이나 입 자운동에 대한 청각의 다양성에 기인된다. 부레가 없는 어류는 머리 부분에서 수신하는 음파의 입자 운동을 내 이에서 감지하거나 측선에서 입자 운동을 감지한다. 그 러나 부레가 베버 소골로 연결되어 있는 어류는 부레에 서 음압이 입자운동으로 변환되어 전달되므로 부레가 없거나 부레가 내이와 연결되어 있지 않는 어류에 비해 청각과 청음대역이 상대적으로 좋은 것으로 알려져 있 다. 일반적으로 청음대역은 수십 Hz에서 수백 Hz로 알 려져 있으나 청어는 20 kHz 이상까지 들을 수 있다.

따라서 청음에 관계하는 귀의 구조를 기반으로 어종 을 4가지로 분류하는 것을 제안하고 있다 (ASA S3/SC1.4 TR-2014. 2014). 1) 부레가 없는 어종으로 입자 운동만 감지하는 어종 (상어, 넙치, 대서양 고등어 등), 2) 귀와 멀리 떨어진 위치에 부레 혹은 기낭이 있고 입자 운동을 감지하는 어종 (연어 등), 3) 귀와 가까이 부레가 있어 청각 능력이 우수한 어종 (금붕어, 청어, 메기, 대구 등), 4) 치자어 1) 및 2)의 어종을 hearing generalist, 3)의 어종을 hearing specialist라고도 하며 hearing generalist 는 hearing specialist보다 청각이 좋지 않아 약 20 dB 높은 청각 역치 (HT: hearing threshold)를 가지는 것으로 알려져 있다. 부레는 음 감지는 물론 부력 조절, 음 발생 및 호흡에 관계하며 충격성 소음과 같은 아주 큰 외부 압력에는 청각 기관 피해보다 부레 파열 등에 의한 주위 의 생체 기관들의 생리적인 외상 피해가 우선한다고 한 다 (Halvorsen et al., 2012c). 국내의 경우는 골표류, 경골 어류 및 기각류 등으로 구분하고 있다 (Fisheries Science Institute, 2009; Choi et al., 2015).

어류의 청각 역치는 생리학적 AEP (Auditory Envoked Potential) 혹은 ABR (Auditory Brainstem Response: 청감 뇌간 반응)로 측정되며 특정 주파수의 순음을 이용하며 주파수 별로 주어진다 (Suga et al., 2005). 대부분의 어류의 청각은 100∼2000 Hz 범위에 서 좋은 감도를 보이며 3∼4 kHz까지도 들을 수 있고 금붕어의 청각이 가장 좋다. Fig. 3은 몇 가지 어류의 청각 역치 (Hasting et al., 2004)를 인간의 청각 역치와 비교한 것으로 인간에 비해서는 전 주파수 대역에서 최소 약 30 dB 이상 청각이 나쁘다고 할 수 있다. Fig. 4(a) 는 42종의 어류의 청각 역치 자료 (Nedwell et al., 2004)를 재분석한 것으로 Fig. 4(b)는 이들 어류의 최 고, 최저 및 평균치이다. 전체적으로 청음 대역은 10 Hz ~ 8 kHz이며, 가장 청각이 좋은 주파수 대역은 1 kHz 대역임을 알 수 있다. Fig. 5는 제주도 연안의 조피볼락, 쏨뱅이, 볼락, 자리돔, 방어의 청각 역치 (Lee, 2000)로 Fig. 4와 비교하면 청각이 좋지 않은 어종 에 속한다.

어류의 임계 대역폭과 마스킹

인간의 귀는 여러 개의 병렬 필터로 구성되어 각각의 필터들은 그 자신의 대역폭을 갖고 있고 이를 임계 대 역폭 W_cr이라 한다 (Kinsler et al., 2000). 어류의 귀도 이와 같은 기능을 가지며 소수의 관련 연구가 있다 (Madsen et al., 2006; Fay et al., 2011; Tavolga, 1974; Ahn et al., 1999; Seo et al., 2003). 이러한 기능을 갖는 귀가 순음과 광대역 잡음 NL (dB/1μPa/1Hz)이 섞인 음 에서 순음을 감지하려면 순음의 크기 SL (dB/1μPa/1Hz at 1m)은 다음 식을 만족해야 한다.(1)

즉, 배경잡음 NL이나 수중소음은 스펙트럼 밀도 (dB/μPa/1Hz)로 주어지므로 배경잡음이 있는 환경에서 순음의 피해 영향 거리 등을 평가하기 위해서는 필히 어류의 임계 대역폭을 고려해야 할 것이다. 아울러 임 계대역폭에 의해 외부 소음이 있는 경우 주파수 별의 청각 역치가 증가하는 마스킹 효과가 발생한다.

해양 포유류의 경우 임계 대역폭은 다음 식으로 가정 한다 (Au et al., 1990; Richardson et al., 1995; South et al., 2001).(2)

수중소음의 피해거리 평가에 임계 대역폭이 미치는 영향의 예를 소개한다. Fig. 6은 순음과 광대역 소음이 혼재하는 풍력발전소음의 스펙트럼 밀도이다 (Wahlberg et al., 2005). 그림에서 Utgrunden 풍력발전소의 풍속 13 m/s 스펙트럼 (Utgrunden 13 m/s)을 보면, 기어박스에 의한 약 180 Hz의 순음 준위는 약 151 dB/1μPa at 1m이고, 이때 배경잡음은 약 82 dB/1μPa/Hz (Fig. 6의 10 m/s 잡음보다 2 dB 높은값)이다.

대구의 180 Hz 임계대역폭을 약 80 Hz (Hawkins et. al., 1975)로 가정하고, 음파가 거리에 따라 감쇠되는 전송 손실을 13log₁₀r로 하여 대구의 최대 감지거리를 계산해 보자 (후술하는 피해거리 산출 지배방식에서 전 송손실 추가 설명). 이 경우 대구가 180 Hz 순음을 감지 할 수 있는 최대거리를 배경잡음과 순음의 크기가 같아 지는 거리로 가정하면 임계대역폭을 고려한 최대거리 는 다음 식으로 계산되며 약 7 km이다.(3)

임계 대역폭의 의미는 혀의 미각 (쓴맛, 신맛, 짠맛, 단맛) 기능과 비교하여 해석할 수 있다. 혀의 각 미각은 해당 영역 (각각의 필터)에서 이루어진다. 단맛을 단위 면적당 느끼고 있는 상태 (NL)에서 단맛 영역 일부분에 새로운 강한 단맛 (SL)을 추가하면 뇌는 어느 정도 차이 로 단맛을 느낄까? 이 경우 단맛의 차이는 단맛 영역에 서 느끼고 있는 배경 단맛의 총합 (NL+10log₁₀ Wcr)과 새로운 단맛과의 차이이다.

수중소음 평가 척도 및 피해유형

소음은 연속음과 과도음으로 구분된다. 전자에는 순 음 (단일 주파수 혹은 조화음)과 광대역 음이 있다. 풍 력 발전기와 선박소음은 순음과 광대역 음의 합성음이 고 준설소음 및 굴착소음 등은 광대역 음이다. 후자의 과도음은 충격성과 비충격성이 있고 지속시간이 짧은 음이다. 충격성은 폭발음, 지층탐사용 공기 폭음 (Air Gun), 항타음 (낙하 항타)으로 짧은 상승시간을 갖고 비충격성은 충격성에 비해 상승시간과 지속시간이 긴 음으로 소나 신호음, 항타음 (진동 항타) 및 원거리에서 측정되는 충격성 음이다. 과도음의 피해 평가는 일회성 폭발음의 경우는 단일 음으로 평가되나 지층탐사용 공 기 폭음과 항타음은 주기적으로 반복되므로 주기 및 횟수 등도 평가 요소에 고려된다.

Fig. 7은 과도음의 시간 파형이다 (Korea Inter- University Institute of Ocean Science, 2007, 2014). Fig. 7(a)~7(d) 각각 300 m 떨어진 육상 발파음을 수중에서 측정한 소음, 10 m 위치에서 측정한 수중파일 항타음, 150 m 위치에서 측정한 덤프트럭 사석 하역 소음 수중 소음, 200 m 위치에서 측정한 수중 지발 천공 발파음 이다. Fig. 7에서 발파음과 파일 항타음은 지속시간이 1초 이하로 짧은 충격성이고 사석 하역 음은 약 5초의 지속시간을 갖는 비 충격성이다. Fig. 8은 파일 항타음 의 거리별 시간파형 (Dahl, 2013)으로 Fig. 8에 표시된 평가치는 평가 척도에서 설명한다. Fig. 8(a)는 파일로 부터 12 m 위치의 파형으로 지속시간이 아주 짧은 전 형적인 충격파이다. 이러한 충격파는 수중발파에 의한 고온, 고압의 가스 구에 의해서도 발생하며 이상적인 충격파는 Friedlander파로 모델링된다 (Hamernik et al., 1991). 지속시간은 수 ms 이하로 에너지 스펙트럼 은 1 kHz까지는 평탄하고 그 이상의 주파수에서는 6 dB/ octave로 감소하는 것으로 알려져 있다.

연속음과 과도음의 피해 영향 평가를 위해서는 각 소음원의 1) 최대치, 유효치, 상승시간, 지속시간, 반복 횟수 및 주파수 범위 등을 고려한 음파신호의 평가 척 도, 2) 어종 별 청각 손상, 물리적 손상 및 행동 반응 피해 유형, 3) 음향 척도로서 손상이나 반응을 야기하는 각 소음의 어종 별 피해기준이 요구된다.

음파신호의 평가 척도

음파의 음압 신호 p(t)가 상대적으로 긴 시간 지속될 때 연속음으로 평가한다. 이 때 음압의 유효치 P_rms, 음 압 준위 SPL_rms, 세기Ⅰ (1초간의 에너지), 및 세기 준위 IL은 다음 식으로 주어진다.(5)

여기서 T는 평균시간이다. 공중소음의 경우 dBA는 마이크로폰의 신호 p(t)에 청취 가능 주파수 범위의 청 각 가중치 필터를 적용한 신호이다. 공중소음과 수중 소음의 기준 음압 P_ref는 각각 20 μPa과 1 μPa이다. 교통 소음이나 공사장 소음은 SPL_rms (dBA)의 값으로 평가 되며 대략 40~70 dBA에서 이루어진다. 그러나 층간 소음에는 SPL_rms(dBA) 평가가 부적합 (지속 시간이 짧 아 평균 시간 T에 따라 값이 변동)하여 L_max(dBA)를 적용한다. 식 (6)은 1초당의 에너지로 연속음의 경우 아주 낮은 음압 신호도 장 시간 수신하면 에너지는 아 주 크게 될 수 있다.

어류의 경우에도 이와 같은 주파수 별 가중치 필터로 소음도를 평가하기 위해 dBht (species)를 제안하였다 (Nedwell et al., 2007). 각 어류의 주파수별 청각 역치가 가중치 필터 계수로 변환되며, 공중소음의 dBA는 dBht (Homo sapiens)로 표기될 것이다. 이와 같은 단위로 평 가하면 각 어류의 소음 영향도를 평가하기 편리하며 비 음향전문가가 소음 영향을 평가하는데 유용하다. dBht (species)가 0~50 dB이면 소수 어류군이 약한 반 응, 50~90 dB이면 대다수 어류가 강한 반응, 90 dB 이상이면 모든 어류가 회피 반응을 보인다고 제안하였다. 110 dB 이상이면 한계치를 벗어난다고 하였다. 공중소 음의 경우 0~50 dBA (0~50 dBht (Homo sapiens))에서 인간의 소수 개체 집단이 약한 반응을 보인다는 의미 이다.

그러나 인간에 대한 광범한 실험자료와 달리 어류에 대한 청각 역치 자료의 부족, 어종에 따른 다양한 행동 반응 형태, 동일 어종의 성, 년령, 크기 및 행동 동기 (식이, 구애 등)에 따른 반응 차이에 의해 아직은 불완전 한 기준으로 보고 있다. 최초 제안자는 풍력 발전소음 의 피해 영향 거리 예측에 적용하였고 (Nedwell et al., 2012) 국내에는 이를 적용한 어류용 소음계 설계 특허 가 있다 (Yoon et al., 2016).

dBht (species)는 주파수 별 가중치 필터 구현을 위해 개별 어종의 청각 역치가 요구되나, 행동 반응 역치와 청각 역치는 비례하지 않으므로 청각 역치 자료를 직접 적용할 수 없고 입자 운동을 감지하는 어류에는 적용할 수 없다. 결론적으로 연속음에 대한 행동 반응 기준 설 정은 여전히 어려운 것으로 알려져 있다.

과도음에 의한 부레 파열 등의 생리적인 반응 기준 은 별도의 과도음의 평가 척도로 평가된다. 짧은 시간 지속되는 한 개 과도음을 식 (4)의 P_rms로 평가하면 평균 시간 T가 증가하면 0으로 접근하므로 과도음을 식 (4)의 P_rms로 평가하는 것은 의미가 없다. 따라서 과도음은 최대 음압 준위 SPL_peak(=LP_peak), 총 에너지 E 및 노출소음도 SEL (Sound Exposure Level)로 평가 된다.(9)

항타음과 같이 여러 개의 과도음이 연속으로 발생하 는 경우는 누적노출 소음도 (SEL cumulative)로 평가 된다.

여기서 t_i는 한 개 과도음의 에너지가 0이 될 때까지 의 시간이며, 식 (11)의 두 번째 식은 각각의 과도음의 SEL이 동일한 경우이다.

과도음을 유효치 음압으로 평가하기 위해 과도음 총 에너지의 90%를 점유하는 지속시간 T를 정의하고 다 음식으로 P_rms를 구한다 (Fig. 8의 LP_rms).

Fig. 9는 파일 항타음의 음압 신호 p(t)와 SEL의 관계 를 보인다 (Bae et al., 2009).

결론적으로 연속음은 어류의 청각을 고려한 식 (4)~(7)로 평가되고 충격음은 식 (8)~(13)으로 평가된다 (신호처리 분야에서는 연속신호와 과도신호를 각각 전 력신호와 에너지 신호로 구분한다). 그러나 최대치가 큰 연속음이나 지속시간이 긴 비 충격성 과도음의 평가 는 (4)~(13)의 모든 식이 적용될 수 있을 것이다.

수중소음 피해 유형

미국 표준 협회 (ANSI: American National Standards Institute)는 수중소음 피해기준의 필요성을 인식하여 미국음향학회와 공동으로 피해기준 설정에 대한 가이 드라인을 제시하였다 (ASA S3/SC1.4 TR-2014. 2014). 다음은 가이드라인에서 기술하는 어류에 대한 수중소 음 피해 유형이다.

수중소음 피해기준

Fig. 10은 수중 폭발음이나 항타음과 같은 충격파에 대한 SEL과 어류의 50% 치사율과의 관계를 보인다 (Yelverton et al., 1975; Hastings et al., 2005). Fig. 10에 표시된 실험결과는 부레가 있는 경골어류 5종 (minnow (Gambusia affinis), goldfish (Carassius auratus), carp (Cyprinus carpio), rainbow trout (Salmo gairdneri), and channel catfish (Ictalurus punctatus))과 부레가 없는 3 종 (guppy (Lebistes reticulates), bluegill (Lepomis macrochirus), and largemouth bass (Micropterus salmoides))이며, 0.02~744 g의 범위를 갖는다. 실선으 로 표시된 예측치는 충격파를 Friedlander 파로 모의한 결과이다. 부레와 같은 기낭을 갖는 어류의 경우, 높은 음압에 의해 기낭이 진동하여 파열되며 충격파의 경우, 부 압력상태가 더 큰 영향을 갖는다 (Yelverton et al., 1975; Abbot et. Al, 2002). 아울러 혈관 내의 기포발생 이나 모세관 파열에 의한 출혈, 기절 등이 발생한다 (Crum et al., 1996; Hasting, 1990, 1995). 이외에도 신 장, 간, 눈이나 신경손상도 일어난다. 이러한 피해는 기 낭 유무, 체중, 체형, 부레의 생 역학적 구조 등에 따라 다른 것으로 알려져 있다.

Fig. 10을 기초로 캘리포니아 교통부에 항타음의 규제 기준안을 Table 1과 같이 제안하였고 (Carlson et al., 2007), 이에 근거하여 미국의 7개 기관 (NOAA’s Fisheries Northwest and Southwest regions, US Fish and Wildlife service Regions 1 & 8, California/Washington/Oregon Departments of Transportation, California Department of Fish and Game, US Federal Highway Administration)은 TTS 이상의 피해 규제 기준은 어류 무게가 2g 이상일 경우 보수적인 기준으로 SPL_peak = 206 dB, SEL_cum = 187 dB로 하고, 0.5 g 이하는 SEL_cum = 183 dB 로 결정 하였다 (Carlson et al., 2007). 어류 무게 0.5 g과 200 g 사이의 그램 단위의 어류 무게와 SEL_cum 과의 관계식은 다음 식으로 주어진다.(14)

Table 1에서 Hearing specialist는 청각이 좋은 어종이 며, Hearing generalist는 상대적으로 청각이 좋지 않은 어종으로 전자는 대부분 부레가 베버 소골로 연결되어 있는 어종이다. 전자가 약 20 dB 청각이 좋은 것으로 알려져 있다 (Popper et. Al., 2003; Ladich et al., 2004).

국내 연구로는 파일 항타음이 평상시 배경소음보다 약 37 dB 높은 경우 향어의 평균 유영속도가 평상시 보다 약 1.4배 빠르게 관측되었다는 결과가 있고 (Shin, 2000), 수중발파, 수변 육상발파, 수중 파일 및 수중 쇄 암봉에 대한 수중소음 현장 측정 자료에 식 (10)을 적용 하여 어류 무게 별 피해거리를 제시한 결과가 있다 (Bae et al., 2009).

Table 2는 수중 폭발음에 대한 피해기준 가이드라인 이다 (ASA S3/SC1.4 TR-2014. 2014). 폭발에 의한 충 격파는 폭심, 수심, 저질 등에 의해 결정되며 영향 범위 는 근거리 (N: near, 음원으로부터 수십 미터), 중거리 (I: Intermediate, 음원으로부터 수백 미터) 및 원거리 (F: Far, 음원으로부터 수천 미터)로 구분되고 근거리는 충격파의 압축력, 원거리는 폭발에 의해 발생된 가스 구의 팽창력이 작용하는 영역이다. 피해는 부레와 같은 기관의 압력외상에 의한 치사 혹은 손상이다. 부레가 없는 어류는 있는 어류에 비해 피해거리는 1/100이라는 연구결과 (Goertner, 1978)가 있다. 폭발에 의해 행동변 화는 있으나 일시적인 놀라움에 그치는 것으로 조사된 결과도 있다 (Eaton et al., 1981). 국내 연구로는 수중배 경소음과 발파음의 최대치 차이가 약 23~50 dB 차이에 서 유영속도 변화를 보이고 일시적 도피 행동을 보이다 가 정상으로 되었다는 결과가 있다 (Shin, 1995).

Table 3은 파일 항타음의 피해기준 가이드라인 (ASA S3/SC1.4 TR-2014. 2014)으로, 이 기준은 부레 등의 구 조가 서로 다른 연어, 역돔, 배스, 철갑상어 연구결과를 기준으로 제시한 치사, 손상 및 TTS가이드라인이다. Table 1과 유사하나 Table 3의 TTS 기준은 Table 1보다 약 1~3 dB 높은 값으로 보수적인 기준임을 알 수 있다.

Table 4는 국내의 발파공학 저서 (Kang, 1998)에 있 는 수중발파에 따른 쏨뱅이, 볼락, 농어, 잉어, 참돔, 가 자미, 장어 및 쥐노래미의 피해를 재분석한 내용이다. 자료의 출처가 분명하지 않아 에너지 값은 대략적인 값이며, SEL은 식 (10)을 적용하여 구한 값이다. 해수의 음향 임피던스 (pc)는 1.6×10⁶으로 하였다. 에너지가 50 J/m² 이상이 되면 회복 불능어가 나타나기 시작하는데, 이는 수중 매단 발파에서 약 100 m 거리의 세기에 해당 하며, 1톤의 수중 천공 발파의 경우 약 150 m 거리의 세기에 해당한다고 한다. 자료의 출처는 분명하지 않지 만 발파음의 SEL이 203 dB/1μPa 이상이면 약 10%의 회복 불능어가 나타나는 결과이다. Fig. 10과 비교하면 1 g 무게의 어류가 50%의 치사율을 갖는 것과 유사하 고 Table 3에서 부레가 있는 청각이 좋은 어종의 회복 가능 레벨의 한계치와 같다.

Table 5는 저 주파수 대역 (수 kHz)의 군용 소나 피해 기준 가이드라인이다 (ASA S3/SC1.4 TR-2014, 2014). 군용 소나 펄스는 상대적으로 지속시간이 길어 폭발음 이나 항타음과 달리 SPL_rms로 평가된다 (Popper et al., 2007; Kane et al., 2010). Table 5에 보이는 바와 같이 정량적인 수치 기준은 청각이 가장 좋은 어류를 중심으 로 일부 평가 항목에 제시되어 있다. Table 5에서 제시 하는 정량적인 기준을 요약하면 TTS 이상의 피해를 야 기하는 음압은 SPL_rms가 193 dB/1μPa 이상이라 할 수 있다.

실험자료 부족으로 치자어에 대한 정량적인 기준은 제시되어 있지 않으나 마스킹에 대한 청각이 우수한 어류와 비교하면 성어의 기준치보다 반드시 높지는 않 음을 알 수 있다.

Table 6은 선박소음과 같은 연속음의 피해기준 가이 드라인이다 (ASA S3/SC1.4 TR-2014, 2014). Table 6에 보이는 바와 같이 정량적인 수치는 청각이 가장 좋은 어류에 대한 것이다. 제시하는 정량적인 기준을 요약하 면 TTS 이상을 야기하는 음압은 SPL_rms가 158 dB/1μPa 이상에서 12시간 이상 노출되는 경우이다.

연속음에 의한 치사 혹은 손상이 있다는 결정적 증거 를 제시하는 연구결과는 아직 없으며, TTS 관련 증거는 부레가 내이와 직접 연결되어 있는 금븡어에 대한 것만 실험적으로 알려져 있다. 양식장의 무지개 송어는 9개 월 동안 SPL_rms 150 dB/1μPa에 노출한 결과 청각손실이 나 건강 상태에 미치는 영향은 없는 것으로 발표하였고 (Wysocki et al., 2007), 연속소음인 선박소음이 어류의 행동변화 (도피, 속도변화, 군집성)를 야기한다는 연구 들 ( Mitson 1995, Engås et al., 1995; Sarà et al., 2007 ; Mitson et al., 2003; Ona et al., 2007)이 있지만 선박소 음에 대한 반응을 계수화하는 것은 현재로서는 불가능 한 것으로 알려져 있다.

Table 7은 서론에서 기술한 중앙환경분쟁조정위원회 의 판례심판에서 적용하고 있는 육상 양식어류에 대한 피해기준 및 피해율 기준의 상세내용이다 (Fisheries Science Research Center, 2009).

Table 7(a)에서 첫째 기준은 임의 수중소음의 L_Amax 가 140 dB/1μPa보다 높은 경우 피해가 일어난다고 정의 하였다. 두 번째 기준은 배경잡음으로 정의하여 수중소 음의 L_Amax가 배경잡음보다 20 dB 이상 높으면 피해가 일어난다고 정의하였다. 기준 설정 근거는 공중소음과 수중소음의 비교 해석, 기초실험, 일본 해양음향 학회 지의 수중 천공 발파자료, 파일 항타에 의한 가물치 유 영 속도 변화 및 연속음을 이용한 어류의 행동 변화자 료를 참고한 것으로 판단된다.

Table 7(b)는 수중소음의 값에 따른 피해율 기준으로 피해율은 기존의 연구조사 보고서 결과를 인용하였다.

Table 8은 Table 7(a)의 기준이 폭발이나 항타음과 같은 충격성 소음에는 부적합하다는 이유로 제안된 충 격성 소음에 대한 피해기준이다 (Choi et al., 2015).

피해영향 거리

인위적인 수중 음원에서 발생한 음파는 거리 증가에 따라 증가하는 전파손실 및 흡수손실에 의해 감쇠되고 해양생물체는 이러한 감쇠된 소음과 해양의 배경소음 이 합쳐진 소음을 수신하게 된다. 피해를 야기하는 수 중 음원으로부터 영향거리를 산출하기 위해서는 수중 음원 세기, 전파손실, 배경소음, 어류의 청각, 생리반응 및 행동반응을 유발하는 반응 역치의 각 요소가 결합된 피해영향 지배방정식이 정의되어야 한다.

수중소음이 어류에 미치는 범위 r을 결정하는 지배방 정식은 수동 소나 방정식 (Urick,1983; Wahlberg et al., 2005)으로부터 식 (15)~(17)로 주어진다. 여기서 어류 의 귀나 어류 손상은 소음과의 상대 방위에 관계되지 않는다고 가정한다.

여기서, RL, SL, TLr 및 NL은 각각 어류가 수신하는 음압 준위 (dB/1μPa), 수중 음원에서 1 m 떨어진 거리에 서 측정되는 음원준위 (dB/μPa at 1 m), 전송손실 (dB) 및 배경잡음 (dB/1μPa)이다. ST (Sensing Threshold)는 손상 혹은 감각 역치로 어류의 각 기관에 따라 다른 값을 갖는다. 만일 청각을 기준으로 하면 ST는 HT이며, 부레 손상 역치의 경우라면 부레가 압력 변화를 겨우 감지하는 최소 음압이 된다. 식 (16)과 (17)에서 ΔL은 피해기준치(중앙 환경 분쟁 조정위원회 피해기준 참조) 이다.

전송손실은 음원에서 r 거리 떨어진 어류까지의 손실 되는 양으로 확산손실과 흡수손실로 구성된다. NL은 어류가 서식하는 환경의 배경소음이다.

식 (15)~(17)은 단위주파수에 대한 스펙트럼 밀도 (dB/μPa/Hz)를 적용하는 식으로 충격음 평가나 순음 평 가 등에는 충격음의 최대치, 소음의 스펙트럼 밀도, 임 계대역폭, 주파수 별 청각, 가청 주파수 대역 등을 고려 하여야 한다. 예를 들면 충격음의 최대치, 충격음의 스 펙트럼 밀도, 주파수 별 전송 손실, 어류의 주파수 별 청각 역치가 주어진 경우 최대 피해거리를 산출한다고 가정하자. 스펙트럼 밀도를 기준으로 하면 주파수 별 최대 피해거리를 예측해야 하며, 최대치를 기준으로 하 면 최대치의 평균 전송손실과 총 배경잡음을 계산하여 최대 피해거리를 예측해야 한다.

SL은 수중 음원 특성(발파의 경우 천공, 장약량, 발파 매질 등)에 의해 결정되고 ΔL은 어종에 따른 청각 및 반응의 종류 (치사, 손상, 생리적 반응, 행동반응 등)에 의해 다양하게 결정된다.

배경잡음 NL은 다양한 요인에 의해 결정되며 해양의 경우 통행선박이나 주위의 산업 활동에 의해 결정된다. Fig. 11은 한국 연안의 대표적인 배경소음의 특성이다 (Choi et al., 2003). Table 8은 캘리포니아 교통부 배경잡 음 자료 (Caltrans, 2009)이다. 대부분의 국내 배경소음 자료는 스펙트럼 밀도로 주어져 있으나, Table 9는 총합 레벨로 주어져 있다. 파일 항타와 같은 충격파의 최대치 평가에 사용하기 위한 것으로 판단된다. 단일 주파수 평가에는 배경잡음의 스펙트럼 밀도가 요구된다.

피해거리 산출에서 중요한 요소인 전송 손실 TLr은 음파 반사, 투과, 굴절 및 흡수와 더불어 장애물에 의한 회절, 산란 및 복 반사에 의해 발생한다. 흡수손실은 주파수가 커지면 증가한다. 경계나 장애물이 없는 공간 에서 흡수손실이 없다면 식 (15)의 TLr = 20log₁₀r 로 최대 전송손실, 경계가 해면과 암반 해저로 되어있는 경우 TLr = 10log₁₀r 로 최소의 전송손실을 보인다. 그러 나 수변 교량공사의 파일 항타 소음을 지속적으로 연구 하는 캘리포니아 교통부 연구결과에 의하면 전송손실 은 5log₁₀r ~ 30log₁₀r의 범위를 갖는다고 한다 (Caltrans. 2009).

전송손실 TLr은 해양의 음향 물성이나 주파수 등에 의해 결정되고, 단일 주파수에 대해서도 수직방향으로 간섭이 일어나 여러 개의 정재파가 형성되며, 각각의 정재파는 각각의 수평방향 전파속도를 갖는다. 정재파 의 주파수가 너무 낮으면 수평방향으로 전파해 가지 못하며 이러한 주파수의 하한 값을 차단주파수로 정의 한다. 따라서 음원에서 발생한 주파수가 차단 주파수 이하이면 원거리까지 전파하지 못하게 된다. 차단 주파 수는 식 (18)로 주어진다 (Urick, 1983).

여기서, C_w 와 C_S는 각각 물과 해저저질에서의 음속 이고 h는 수심이다. 해저저질은 층상구조로 되어 있으 므로 실제의 차단주파수는 더욱 복잡한 특성이다. 해수 의 음속을 1500 m로 가정하고, 해저저질의 음속을 1520 (뻘)로 가정하는 경우 수심 10~100 m까지의 차단 주파수는 약 400~40 Hz의 범위를 갖고, 해저저질의 음 속이 5000 m (암반)로 가정하는 경우 차단주파수는 약 40~4 Hz의 범위를 갖는다. 실제의 경우는 전달특성이 아주 복잡하며 얕은 천해에서의 수중 음파전달 과정은 해저에서의 여러 차례의 반사 또는 내부로의 투과 및 수층으로의 재 굴절 등의 영향을 받는다.

수변공사가 주로 이뤄지는 천해 환경에서는 수중 음 속의 시공간적 분포와 같은 수층 내부의 물리적 인자보 다는 해저의 구성 물질, 층 구조 및 탄성 정도 등에 의해 결정되는 해저면의 밀도, 음파 전달 속도, 저질 음파 전달 속도, 음파 및 전단파의 감쇠 계수, 퇴적층의 두께 등과 같은 해저면 관련 음향 인자가 전달 조건을 조절 하는데 있어 중요한 역할을 하므로 해저면이 수중 음파 전달에 영향을 미치는 지배적 요인이라 할 수 있다 (Yoon et al., 2007).

수중소음 감쇠 대책

파일 항타 소음 감소를 위한 다양한 기술이 제안되었 다 (Caltrans, 2009). 소극적인 대책과 적극적인 대책이 있다. 소극적인 대책은 다양한 형태의 기포막 (bubble curtain), 임시물막이 (cofferdam)이며, 적극적인 대책은 낙하 햄머 대신 진동 햄머 방식이나 햄머에 나무나 나 일론의 쿠션 블럭 캡 사용으로 바꾸는 것이다. 진동 햄 머 방식은 최대 음압을 줄일 수는 있으나 항타 시간이 길어지고 SEL은 오히려 커질 수 있고 부하가 작은 환경 에서만 사용 가능하다. 기포막에 의해 약 20 dB 감쇠를 보이며, 나무 쿠션 블럭 캡으로 최대 26 dB, 나일론 캡 으로 5 dB 감소 효과를 보인다고 한다. 폭발음의 감소 (Kang, 1998)에도 사용되는 기포막은 충격파의 세기, 기포 층의 기체 함유율 및 두께 등에 그 효과가 결정되 는 것으로 알려져 있다.

결과 및 고찰

어류의 청각기관

어류의 귀나 측선의 구조, 기능 및 청각에 대한 다양 한 연구결과는 생물 음향이나 동물의 생리에 관한 국외 의 기초과학 전문 학술지에 발표되어 있다. 이러한 연 구결과를 기초로 국내의 대표적 양식어종, 자연어 및 고유 어종에 대한 기초적 연구가 필요하다고 판단된다.

귀는 부레와 베버소골을 거쳐 입자운동으로 변환된 음압이나 머리 부분에서 직접 전달되는 입자운동을 감 지하고 측선은 측선 구멍에서 직접 입자운동만을 감지 한다. 입자운동 변화에 따른 측선 감각 기능에 대한 연 구가 필요하다고 판단된다. 이러한 연구는 파일 등의 수중 구조물에 의한 와류의 영향 평가에도 적용될 수 있을 것이다.

어류의 청각에 따른 분류 및 청각 역치

어류의 청각은 수중소음 피해기준 설정에 중요한 요 소이다. 청각이 좋은 어종은 상대적으로 피해가 크다. 국외의 경우 치자어를 포함하여 4가지로 분류하고 있 고, 국내의 경우는 골표류 등으로 구분하고 있다. 부레 의 청각 기여도 등의 다양한 기술 (해부학, 생리학, 병리 학, 음향학 등)이 요구되어 어류의 청각에 따른 분류는 기술적으로 어렵다. 해부학적 구조(부레와 내이의 연결 구조)에 입각한 국외의 4가지 분류가 타당성을 갖는다 고 판단되며, 이러한 해부학적 기준으로 국내 어종도 분류가 가능하다고 판단된다.

Fig. 3의 주파수에 따른 개별 어류의 청각 역치는 인 간에게 적용하는 dBA와 같은 dBht (species) 단위의 피 해기준과 어류용 소음계 제작에 필수적이다. 아울러 개 별 어류의 가청 주파수 범위와 청각 역치는 수중소음의 분석 주파수 대역 설정에 필수적이다. Fig. 3에서 금붕 어의 경우 청각 대역은 40 Hz~3 kHz, 대서양 대구는 40~500 Hz로 임의 수중소음의 분석 주파수 범위는 개 별 어류의 청각에 좌우된다. 대안으로는 Fig. 4 및 Fig. 5와 같은 국내외 자료를 수집 비교하여 유사어종에 대 한 청각 역치로 할 수 있을 것이다. 또 다른 대안은 Fig. 4의 청각 역치 최저치를 모든 어종에 동일하게 적용하 여 보수적인 기준으로 할 수 있을 것이다.

개별 어류의 청각 역치는 AEP나 ABR에 의해 실험 적으로 측정 가능하나 국내 어종에 대한 결과는 제주 연안의 어종에 불과하다. 따라서 국내 어종에 대한 지 속적인 청각 역치 자료는 피해기준 설정의 기초자료로 서 가치가 있다 하겠다. ABR 등의 측정을 위한 실험수 조는 결과의 정확성을 위해 벽면반사파나 정재파 등의 음향환경에 주의를 요한다.

AEP나 ABR에 의한 청각 역치와 행동반응 역치와는 비례하지 않아 행동반응 역치는 별도의 실험이 요구된 다. 그러나 이는 기술이나 비용 측면에서 어려운 문제 로 인식되고 있다.

어류의 임계대역폭과 마스킹

기술한 바와 같이 어류의 임계 대역폭은 풍력발전 혹은 선박소음과 같이 순음 소음이 있는 경우 피해거 리 평가에 특히 중요성을 갖는다. AEP나 ABR에 의한 어류의 청각 역치 연구에 임계대역폭에 대한 연구가 병행되어야 할 것이다. 국외의 경우에도 임계대역폭에 대한 연구결과는 소수이며, 국내의 경우도 2편에 불과 하다 (Ahn et al., 1999; Seo et al., 2003). 임계대역폭을 피해영향 거리예측에서 고려하지 않으면 피해거리는 커진다.

수중소음 평가척도 및 피해유형

음파신호의 평가 척도

국외의 경우 수중소음을 폭발음, 공기 폭음 (Air gun), 항타음 (낙하 항타, 진동항타), 소나음 및 연속음 으로 구분하여 평가한다. 평가 척도는 폭발음, 공기 폭 음 및 항타음은 지속시간이 짧으므로 최대음압 (SPL_peak), 총 에너지 (E), 총에너지 레벨 (SEL)로 평가 되며 소나음과 연속음은 지속시간이 길어 유효음압 (SPL_rms)과 청각 가중치 음압 dBht (species)으로 평가 된다. 국내의 경우는 수중소음의 구분에 일관성이 없고 평가척도에 대한 정의가 명확하지 않으며, 동일한 수중 소음에도 연구자마다 적용하는 평가 척도가 다르다. 따 라서 국내의 경우에도 공사 공정에 따라 수중소음을 구분하고 각 소음 고유의 평가 척도를 명확히 정의하여 적용할 필요가 있다고 판단된다.

예를 들면 충격음의 유효치 평가척도는 “식 (12) 와 (13)을 적용한 충격음 유효치 SPL_rms 를 적용하고 청각 가중치는 적용하지 않으며, 주파수 대역은 10 Hz~10 kHz (Fig. 4 참조)로 할 수 있다.”

공중소음의 층간 충격음 평가 기준 “A 가중치를 적 용하고 20 Hz~20 kHz 대역의 1분간 등가 소음도 L_eqrms 로 평가하고 아울러 평균시간 T를 1초로 하여 전체 60 개 중 가장 큰 값을 L_Amax로 하여 평가한다”의 설정근거 는 다음과 같다. 층간 충격음은 보통 1분 정도로 쿵쿵거 리는 소리가 반복되며 상대적으로 큰 소리도 있으므로 L_Amax로도 평가하는 것이다. 아울러 쿵 소리는 1초 이상 지속되므로 평균시간 T를 1초로 하는 것이다.

Table 6에서 L_Amax는 L_max로 수정되어야 하며, 이는 A의 의미는 사람의 청각 가중치를 의미하므로 어류 평 가 척도 단위에 사용할 수 없다. L_max를 평가척도로 사 용하기 위해서는 수중소음 특성 (연속성, 충격성 등)을 고려한 평균시간 T, 가중치 필터 적용유무, 주파수 대역 등이 정의되어야 할 것이다.

결론적으로 국내 수중 소음 평가척도에도 수중소음의 특성에 따라 평가척도가 달라져야 한다고 판단된다.

수중소음에 의한 피해 유형

국외의 경우, 1) 치사와 손상, 2) 청각 손상, 3) 마스 킹, 4) 행동반응, 5) 스트레스로 피해유형을 구분하고, 피해유형에 따라 평가 척도 (SEL 등) 값으로 피해기준 을 제시한다. 국내의 경우는 피해유형 전체를 단일화하 여 기술하고 있다.

국외 연구결과에 의하면 행동반응이나 스트레스가 식이, 성장 및 산란 등에 미치는 효과는 정량적인 평가 가 어려운 것으로 알려져 있다. 일시적 놀라움이나 도 피 행동은 행동반응 (대상 어류 다수에 장기간 식이 등 에 영향을 주는 반응으로 정의)이 아니라고 정의하고 있다.

수중소음 피해기준

국외의 경우 5개 피해 유형에 대한 충격음의 SPL_peak 와 SEL의 피해기준을 제시하고 있다 (Table 1~3, Table 5). 피해유형 중 마스킹, 행동반응 및 스트레스에 대해 서는 정량적인 수치는 제시되어 있지 않다. 이는 행동 변화나 스트레스 징후에 대한 충격음의 정량적인 피해 평가가 현재의 연구결과로는 불가한 이유이다. 연속음 에 대해서는 SPL_rms 기준 (Table 6)으로 청각이 좋은 어류에 대해서는 손상과 청각 역치 변화에 대한 기준만 이 제시되어 있고 풍력 발전에 의한 연속음 피해에 어 종별 dBht (species)로 평가를 시도하고 있다.

국내의 경우는 최대 음압 L_max 140 dB 기준과 L_max 와 배경소음과의 차이 (ΔL) 기준을 혼용하고 있다 (Table 7). Table 7은 일본의 연구결과를 인용하여 적용 한 것으로 판단되며, 인용 내용은 “어류의 위협레벨 140~160 dB/1μPa”이다. Table 7의 기준이 충격음 평가 에는 부적합하여 동일한 평가척도에 20 dB를 더한 Table 8의 피해기준이 제안되었다.

Table 7과 8은 평가척도의 관점에서 재고되어야 한다. 식 (4)와 (13)에서 보는 바와 같이 소음분석에서 평균시 간 T는 중요한 의미를 갖는다. 예를 들면 T=1 s로 가정 하고, 아래에 T가 평가척도 및 피해기준에 미치는 영향 을 기술한다.

소음 신호가 연속음이고 시간적으로 변동이 없으면 신호를 취하는 시각에 관계없이 1초간의 SPL_rms는 동일 하다. 교통소음은 연속음이나 통과하는 차종이 변화하 므로 일정시간 (예를 들면 10분) 데이터 (1초간의 SPL_rms)들을 평균하여 등가소음도 L_eqArms로 평가된다.

그러나 소음 신호가 짧은 층간 충격음의 경우는 10분 간의 데이터의 L_eqArms는 의미가 없다(평균치가 아주 낮게 됨). 따라서 층간 소음의 지속시간이 약 1분이라고 가정하고 1분간의 등가소음도로 평가되며, 이때 각 데 이터(1초간 데이터) 중에서 가장 높은 값을 보이는 최대 치 L_Amax로도 평가된다.

수십 초 이상 지속되는 층간 소음과 달리 수중 폭발 이나 파일 항타음은 Fig. 7과 8에서 보는 바와 같이 지 속시간이 1 s 이하이다. 이 경우 T=1 s로 하면 유효치 SPL_rms는 의미가 없게 되며, 식 (12)와 (13)으로 SPL_rms 을 계산해야 한다 (Fig. 8의 4가지 평가 척도 지표에서 L_prms와 τ참조). 따라서 Table 7을 보다 과학적 평가척 도로 사용하기 위해서는 적용 대상의 수중소음 종류, 청각 가중치 필터, 평균시간, 주파수 대역이 정의되어 야 할 것이다.

예를 들면 만일 평균시간을 1초로 하여 모든 소음에 적용한다고 가정하면, 수초 이상 지속되는 수중소음의 경우는 SPL_rms(L_max)를 평가할 수 있으나 1초 이하의 충 격음의 SPL_rms(L_max)는 실제보다 낮게 평가될 것이다. 평 균시간이 명확히 정의되지 않은 이유로 Table 8의 기준 도 제고되어야 할 것이다.

기술한 바와 같이 국외의 경우는 충격음 (에너지 신 호)과 연속음 (전력신호)의 평가척도 및 피해기준이 다 르다.

피해영향거리

피해 영향거리를 산출하기 위한 수중 음원 세기, 전 송손실, 수중배경소음과 어류의 청각, 생리반응 및 행 동반응을 유발하는 반응 역치의 각 요소가 결합된 피해 영향 지배방정식이 제시되었다. 지배 방정식 변수의 정 량적인 수치는 이들 각각의 특성에 좌우되며 지배 방정 식에 의한 피해거리 산출은 발파, 수중 음향 혹은 생리 음향 분야 등의 전문 기술이 요구된다. 수중소음, 청각, 전송손실 및 배경잡음의 주파수 특성 및 어종에 따른 청각 임계대역폭에 관한 연구가 요구된다.

수중소음 감쇠대책 및 기타

수중소음을 발생시키는 수변 공사 측의 효과적인 소 음 감쇠 대책이 요구된다. 수중 소음 피해기준을 제시 하기 위해서는 감쇠효과의 측정기술을 포함하여 수중 소음 측정/분석 시스템, 음향/수중음향에 대한 기초지 식 및 생물음향에 대한 기초지식이 요구된다.

수변 공사장 인근 어류의 피해 관련 국내 연구보고서 에서 기술하고 있는 일차적 피해요인은 지반진동과 공 중소음이다. 많은 보고서에서 공중소음이 수면 경계층 을 투과하여 수중소음으로 변환되는 과정이 기술되어 있고 지반진동과 공중소음을 어류피해기준으로 제시하 고 있다. 이는 지반진동과 공중소음이 높으면 수중에 있는 어류가 피해가 있을 것이라는 해석이다. 바닥에 접하고 있는 어류를 제외하면 어류는 수중음파를 감지 하므로 지반진동이나 공중소음이 수중소음으로 변환되 는 기구와 수중소음 예측에 대한 수학적 모델이 제시되 지 않으면 과학적 평가 방법으로 적용할 수 없다고 판 단된다.

수변 공사장의 육상 항타나 육상 발파의 경우, 공중 소음과 지반진동 양자에 의해 수중소음이 발생하며 전파 환경의 물리적 복잡성에 의해 수중소음 예측을 위한 수학적 모델은 대단히 어려운 문제로 판단된다. 따라서 다양한 음파전달 환경에 대한 수중소음의 실험적 자료 축적이 요구된다. 또한 마이크로폰을 이용하는 공중 소 음계의 사양 (예를 들면 Fast/Slow/Impulse Mode 등)은 공중소음 측정에 최적화 되어 있어 이를 수중소음 측정 이나 해석에 적용할 수 없는 경우가 많다. 범용의 수중 소음계는 흔하지 않으므로 수중청음기로 측정한 시간 신호를 저장한 후, 신호처리 소프트웨어를 이용하여 피 해기준치 도출에 적용해야 할 것이다.

아울러 음파의 전파 경로에 대한 해석 없이 지반진동 과 공중소음이 높으면 수중소음도 높을 것이라는 사고 를 지양하고 어류가 겨우 들을 수 있을 정도의 수중소 음도 서식환경에는 피해를 줄 것이라는 친환경 책임을 인식해야 할 것이다.

결 론

각국은 환경보호나 어류피해를 최소화하기 위해 소 음노출 피해기준을 법제화하여 규제하려고 하지만 여 전히 과학적인 자료가 부족하여 법제화나 규제는 제한 적이다. 즉 미국 교통부 (FHWA)를 포함한 7개 기관이 채택하고 있는 파일 항타 피해기준인 Table 1이나 미국 표준 협회 (ANSI)의 Table 3도 정량적인 측면에서 여전 히 추가적인 연구 보완 (행동반응 피해기준 등)이 필요 하다.

“자료 및 방법”에서 기술한 피해기준 설정의 분야 기술이 미흡하여 현재로서는 국내의 개별 연구자들의 피해기준이나 중앙환경분쟁조정위원회의 피해기준이 다를 수 있으나, 요소 기술의 지속적인 연구로 장기적 으로는 보다 과학적이고 객관적인 수중소음에 의한 어 류피해기준 설정이 요구된다.

수중소음의 특성에 따라 평가척도와 피해기준이 달 라져야 한다는 이유로 중앙환경 분쟁 조정 위원회가 제시하는 피해기준인 Table 6도 수정되어야 한다는 지 적이 있으나 과학적 객관성과 사회적 합의에 의한 법제 화는 여전히 어려운 현실이다. 어류 귀의 해부학적 생 리적 청각 인지 기구나 다양한 수중소음의 평가척도 등을 위시한 요소 기술들의 수준 향상이 요구된다.

피해유형을 청각 역치가 일시적으로 변화는 범위 (TTS)까지로 하고, 충격음에 대한 국외의 Table 1과 연 속음에 대한 Table 6을 도입하여 국내의 새로운 피해기 준으로 채택할 수도 있다. 그러나 수중소음 피해분쟁 시비 당사자들의 상반된 이해에 대한 충격을 완화하기 위해서는 새로운 기준으로 기존의 국내 어류피해 관련 보고서의 피해범위나 피해액을 재평가하여 채택여부를 판단해야 할 것이다. 즉 국외의 과학적인 평가기준을 적 용한 새로운 피해기준은 사회적 합의가 우선적으로 반 영되는 보수적인 기준이 되어야 한다고 판단된다.

국외의 기존 피해기준은 주로 해양의 야생 어류에 대한 것으로, 국내의 해수 및 담수 양식장과 같은 제한 된 공간의 어류 생리 및 행동 반응에 대한 피해기준과 는 다를 수 있어 독자적인 피해기준을 구축할 수도 있 다. 따라서 제한된 공간에 서식하는 대표적 어종에 대 한 피해 영향 평가가 요구되며, 이는 어시장의 수족관 어류의 스트레스 반응과 같은 기초적 연구도 포함될 수 있을 것이다.

본문의 많은 부분에서 인용한 미국 표준 협회 (ANSI) 의 피해기준 가이드라인 (ASA S3/SC1.4 TR-2014. 2014)은 12개의 민관군 및 대학/연구소/학회의 21명의 전문가 집단에 의해 제안된 것이고, 캘리포니아 교통부 의 파일항타 피해기준은 거의 10년간의 연구결과이다. 따라서 보다 과학적이고 객관적인 수중소음 노출에 의 한 어류피해기준을 법제화하고 규제하기 위해서는 수 중소음 원인 제공자, 피해 요소기술 전문가 및 규제 관 리자로 구성되는 연구 집단에 의한 장기적인 연구가 수행되어야 할 것이다.