서 론

국내 원자력발전소는 가압경수로와 가압중수로 유형 의 원자로를 가동하고 있으며(IAEA, 2022), 원자로 발 전 시 발생하는 열은 냉각 시스템의 취·배수구를 통해 해수를 순환하여 냉각하고 있다(IAEA, 2023). 그러나 해수를 순환하는 냉각 시스템의 취ㆍ배수구에서 어류나 동물플랑크톤이 다량으로 유입됨으로써 순환수 펌프의 정지가 발생하여 원자로 또는 터빈이 자동 정지한 사례 가 있다. 원자력발전소에서 1978~2022년 동안 발생한 해양생물의 유입으로 인하여 발생한 사고는 총 28건이 었다. 원자력발전소 내 취수구에 유입된 해양생물은 멸 치류(Engraulidae), 해파리류(Scyphozoa), 난바다곤쟁이 류(Euphausiids), 살파류(Salpidae)로 보고되었으며, 주 로 3~8월 중에 출현하였다(OPIS, 2023). 원자력발전소 의 안전과 경제적 손실을 최소화하고 효율적인 운영을 위하여 취수구 주변 해역에 출현하는 해양생물의 어종 상을 파악할 필요가 있다. 또한, 냉각 시스템의 취·배수 구를 순환한 동물플랑크톤은 사망률이 높아 주변 해역 해양생태계에서 먹이사슬 구조와 다양성에 영향을 미칠 수 있다(Choi et al., 2012;Lee et al., 2018).

우리나라에서는 음향을 이용하여 수산자원 계측 (Hwang et al., 2002), 자원량 추정(Lee et al., 2012, Seo et al., 2016, Park et al., 2022), 어류 행동(Yoon et al., 2014), 어류 군집(Hwang et al., 2015, Park et al., 2018), 어류와 동물플랑크톤의 관계(Han et al., 2017)에 대한 연 구와 조사해역인 울진 연안의 음향산랸층에 대한 연구가 수행된 바가 있고(Hwang et al., 2005), 음향을 이용하여 살파(Wiebe et al., 2010), 노무라입깃해파리(Yoon et al., 2015), 난바다곤쟁이(Kim et al., 2018) 등에 대해 현장에 서 Target Strength (MacLennan et al., 2002)를 계측하여 동물플랑크톤의 음향산랸 특성을 조사한 연구가 있다.

본 연구는 원자력발전소 인근 해역에서 어류, 동물플 랑크톤, 해파리, 살파 등을 대상으로 계절별 수평분포, 분포 수심, 이동 경로 등을 파악하기 위해 과학어군탐지 기를 이용한 기초 연구를 수행하였다.

재료 및 방법

조사해역 및 조사장비

우리나라 동해 중부 경상북도 울진군 연안 해역에서 과학어군탐지기(EK 80, SIMRAD, Norway)를 이용하여 2022년 6월(하계), 9월(추계), 12월(동계), 2023년 3월 (춘계)에 음향조사를 실시하였다. 조사해역의 정점은 15 개로 정선 길이는 41,446 m이다(Fig. 1). 음향조사에 사 용된 과학어군탐지기는 Table 1에 나타낸 바와 같이 EK80 (SIMRAD, Norway)으로 주파수는 200 kHz이고 Split beam방식이며 펄스 유형는 Continuous wave, 펄스 폭은 0.512 s, 1초에 1 ping, 선속 5.1 m/s (10 knot)로 데이터를 수집하였다. 과학어군탐지기(EK 80)는 구형 보정 절차에 의해 보정하였다(Demer et al., 2015). 수집 한 음향자료는 Echoview (Echoview V 10.0)를 이용하 여 처리하였다.

음향자료 처리방법

수집한 음향자료는 동물플랑크톤과 어군의 신호를 나 타내기 위해 Echoview (Echoview V 10.0) 소프트웨어 로 처리하였다. 음향 데이터는 플랫폼을 기반으로 일시 와 위·경도, 에코 신호가 동시에 입력 및 저장한다. 수집 한 Raw SV(체적 후방 산란 강도)는 음향 기기에 대한 Impulse noise와 전기 기기에 대한 Transient noise를 처 리한 후 표층과 해저를 식별하고 조사해역의 수심 100 m 이상에서 나타나는 TVG (Time varied gain) 노이즈는 Data generator 연산자의 Time varied gain 보정 기능으 로 상쇄하였다(Simmonds and MacLennan, 2005). 수중 탐지한 동물플랑크톤과 어류의 계절별 출현 분포를 파 악하고자 동물플랑크톤은 정점 1번에서 5번 사이 표층 에서 부유하는 특성에 따라 수심 0~50 m에 대한 SV를 추출하고 어류는 정점 6번에서 13번 사이 수심 50~250 m인 경사면과 깊은 골의 저층에서 높은 음향산란강도가 나타난 어군에 대한 SV를 추출하였다.

동물플랑크톤은 생태학적으로 어류와 같이 부레나 뼈 를 구성하지 않지만, 종과 모양, 구조, 크기에 따라 다양 하고 띠 모양의 군을 형성하여 어군보다 TS (Target strength, 음향강도)와 SV (Backscattering strength, 후방 산란 강도)가 낮은 특성을 가진다. 에코그램에서 나타나 는 동물플랑크톤의 음향산랸 형태는 수층에 흩어지거나 퍼져있고 난바다곤쟁이류 등은 일주 수직 운동을 행동 하기도 하지만 대부분 동물플랑크톤은 해류를 따라 수 평적으로 이동한다(Simmonds and MacLennan, 2005). 본 연구에서는 동물플랑크톤과 어류의 출현 분포를 파악하 기 위해 수중 단위 체적 후방 산란 강도와 면적 후방산란 계수를 식 (1)~식 (4)로 구한다(MacLennan et al, 2022).

SV (Volume backscattering coefficient, m^-1)는 한 변 길이가 1 m인 정육면체 내 음파가 탐지한 생물의 σ_b 를 총 합한 것으로 로그함수를 취해 SV (Volume backscattering strength, dB m^-1)로 음향 에너지의 세기를 나타낸 다. SA (Area backscattering coefficient, m²·m^-2)는 전체 수심 r_₁~ r_₂m에 대한 sV이고, NASC (Nautical area scattering coefficient, m²·nmi^-2)는 음향 조사한 거리를 nmi 단위로 적분하여 수심 r_₁~ r_₂m인 체적에 대한 해양 생물의 음향 밀도로 본 연구에서 동물플랑크톤의 NASC 는 거리 0.5 nmi로 적분하고 수심 0~50 m로 구하였다.

수집한 음향 데이터에서 뚜렷한 경향이 나타난 수심 이 0~50 m이고 정점 1번~5번 간에 출현한 동물플랑크 톤과 수심 150~250 m이고 정점 10번~11번에서 출현한 어류의 SV plot을 표본으로 추출하여 상관성을 파악하 고자 한다.

결과 및 고찰

해양생물의 계절별 에코그램

에코그램의 가로축은 조사진행 방향으로 정점이고 세 로축은 수심으로 간격 50 m씩 표기하였으며, SV의 범위는 – 100~-20 dB이다. 조사해역의 수심은 정점 1번~7번인 연 안이 0~70 m이며 연안으로부터 왕돌초 상부 후포퇴까지 해역인 정점 10번~15번은 0~250 m로 수심이 깊어진다.

해저는 조사해역의 연안부터 왕돌초의 상부 후포퇴까 지 탐지되었다. 하계(6월)의 경우 동물플랑크톤은 주로 수심 0~50 m인 표층에서 낮은 음향산란으로 나타났다. 어 류는 정점 7번에서 11번까지 경사면의 해저에서 높은 음향 산란을 갖는 저층 어군이 나타났고 출현 수심층은 40~190 m이며, 정점 11번부터 13번까지는 수심 110~180 m로 중· 저층에서 출현하였다. 추계(9월)의 경우 하계(6월)과 유 사하게 조사정선의 전표층인 수심 0~50 m에서 낮은 음 향산란이 관찰되었고, 어류는 정점 3번에서 중·저층 어 군, 정점 8번에서 11번까지 경사면의 해저에서 저층 어 군이 출현하였다. 동계(12월)의 경우 하계(6월)과 추계(9 월)에 비해 동물플랑크톤의 출현이 상대적으로 적음을 알 수 있다. 동물플랑크톤의 음향산란은 연안 해역에서 관찰되었으며, 어류는 정점 6번과 7번 사이, 10번, 11번, 13번과 14번 사이 중·저층 어군이 간간하게 나타났다. 춘계(3월)의 경우 하·추·동계와 유사한 표층에서 동물플 랑크톤의 음향산란이 관찰되었고, 어류는 정점 7번에서 13번까지 수심 25~120 m에서 간간하게 중·저층 어군과 정점 10번 경사면의 해저에서 저층어군이 출현하였다.

울진 후포해역에 분포하는 어종은 춘·하·추·동계에 줄가시횟대, 고무꺽정이, 물미거지, 벌레문치가 출현하 였고, 춘계에 청어, 대구, 하계에 대구, 미거지, 칠성갈 치, 추계에 멸치, 대구횟대, 미거지, 칠성갈치, 도루묵, 동계에 청어, 노랑볼락, 물메기가 출현하여 보고된 바가 있다(Choi et al., 2012). 또한, 조사해역 내 동물플랑크톤 은 춘·하·추·동계에 요각류, 척색류가 출현하였고, 춘계 에 난바다곤쟁이류, 하계에 모악류, 단각류, 지각류, 동 계에 모악류, 단각류, 해파리류가 표층에서 관측된 결과 가 있다(NIFS, 2022).

동물플랑크톤과 어류의 계절별 SV 출현빈도

조사해역에서 수집한 에코그램 자료로부터 출현한 동 물플랑크톤과 어류의 체적산란강도 SV를 파악하였다 (Fig. 3). 일반적으로 어류는 동물플랑크톤, 해파리 등에 비해 상대적으로 TS가 높고, 밀집되어 있는 경우 체적산 란강도 SV도 높게 나타난다.

여기서는 조사해역에서 출현한 생물인 어류와 동물플 랑크톤의 SV를 빈도분포로 음향 특성을 파악하고자 하 였다. Fig. 4의 (a)를 보면 하계(6월)에는 동물플랑크톤 은 SV가 – 80.0 dB를 중심으로 분포하였고, Fig. 4의 (b) 에서 하계(6월)에 어류는 SV가 – 91.0 dB, -35.0 dB를 중심으로 2개의 분포를 나타내었다. Fig. 4의 (c)는 추계 (9월)에 출현한 동물플랑크톤의 SV로 – 78.0 dB를 중심 으로 1개의 계급군이 분포하였고, Fig. 4의 (d)는 추계(9 월)에 출현한 어류의 SV로 -79.0 dB와 – 36.0 dB가 중심 인 2개의 계급군으로 분포하였다. Fig. 4의 (e)는 하계 (12월)에 출현한 동물플랑크톤의 SV로 – 97.0 dB가 중심 인 1개의 계급군이 분포하였고, Fig. 4의 (f)에서는 하계 (12월)에 출현한 어류의 SV로 – 53.0 dB와 – 98.0 dB가 중심인 2개의 계급군이 나타났다. Fig. 4의 (g)는 춘계(3 월)에 출현한 동물플랑크톤의 SV로 – 82.0 dB이 중심인 1개의 계급군이 분포하였고, Fig. 4의 (h)는 춘계(3월)에 출현한 어류의 SV로 – 94.0 dB와 – 36.0 dB이 중심인 2개 의 계급군이 나타났다.

월별 동물플랑크톤과 어군의 SV 출현 빈도량을 기술 통계를 실시하였다(Table 2). 동물플랑크톤의 월별 표준 편차는 하계(6월)에 8.0이고 추계(9월)에 8.6, 동계(12 월)에 23.6, 춘계(3월)에 6.6으로 하계와 추계, 춘계는 동계에 비해 낮은 표준편차로 1개의 계급군이 분포하며 이는 단일어종에 대한 출현으로 보인다(a, c, g in Fig. 4). 어군의 월별 표준편차는 하계(6월)에 27.0, 추계(9월) 에 19.4, 동계(12월)에 19.2, 춘계(3월)에 24.5로 나타났 고 이는 2개 이상의 계급군이 분포하고 있으며 2개 이상 의 어종이 출현하는 것으로 보인다(b, d, f, h in Fig. 4). 또한, 본 조사해역은 하계(6월), 추계(9월), 춘계(3월)에 수심 0~50 m에서 동물플랑크톤이 출현하였으며, 겨울 에는 출현량이 적었다

동물플랑크톤의 계절별 지리적 수평 분포

일반적으로 동물플랑크톤은 TS가 낮으며, 군을 이 루는 특성을 가지고 있지만 상대적으로 어류 등에 비 해 SV가 낮고, 넓게 분포하는 특성을 가진다. 조사해 역에서 이러한 특성을 지닌 음향산란층을 대상으로 면 적음향산란계수(NASC)를 이용하여 동물플랑크톤을 대상으로 지리적 수평 분포를 나타내었다(Fig. 5). 하 계(6월)는 전체적으로 0~5.0 m²·nmi^-2 의 밀도가 분포 하고, 정점 3번에서 5.1~10.0 m²·nmi^-², 정점 14~15번 사이에 5.1~15.0 m²·nmi^-²로 연안 해역과 외해역 왕돌초 의 상부 후포퇴 부근에서 밀도가 높았다. 추계(9월)도 주로 0~5.0 m²·nmi^-²의 밀도가 분포하였으나 정점 3번, 4번, 12~14번에서 5.1~10.0 m²·nmi^-², 정점 4번, 10번에 서 10.1~15.0 m²·nmi^-², 점 14~15번에서 10.1~15.0 m²·nmi^-²와 20.1~25.0 m²·nmi^-², 정점 13번에서 10.1~15.0 m²·nmi^-²와 15.1~20.0 m²·nmi^-², 25.1 m²·nmi^-² 이상으로 외해역 왕 돌초의 상부 후포퇴 부근에서 고밀도가 나타났다. 동계 (12월)에는 전체적으로 0~5.0 m²·nmi^-²의 밀도가 고루 분포하나, 정점 4번~5번에서 5.1~10.0 m²·nmi^-², 정점 1번 에서 10.1~15.0 m²·nmi^-²가 나타나 연안 해역에서 밀도가 높았다. 춘계(3월)도 주로 0~5.0 m²·nmi^-²의 밀도가 분포하 였으나 정점 3번~4번, 8번~14번에서 5.1~10.0 m²·nmi^-², 정점 5번에서 10.1~20.0 m²·nmi^-²으로 연안 해역에 고밀도가 나타났다.

결 론

원전 주변 표층해역에 출현하는 해양생물의 음향모 니터링을 위해 과학어군탐지기를 이용하여 동물플랑 크톤과 어류의 계절별 출현분포 조사를 수행하였다. 동물플랑크톤은 연안부터 왕돌초의 상부 후포퇴까지 수심 0~50 m에 출현하였고 어류는 조사해역의 경사면 과 깊은 골 사이 중ㆍ저층 어군으로 출현하였다. 조사 해역에서 출현한 동물플랑크톤의 SV는 – 98.0~-78.0 dB이었고, SV의 출현빈도분포에서 1개의 계급군으로 분포하였다.

조사해역에서 출현한 어류의 SV는 – 36.0~-35.0 dB 와 – 98.0~-53.0 dB이었고, SV의 출현빈도분포에서 2개 의 계급군으로 분포하였다. 하계와 추계, 춘계 동물플랑 크톤의 SV 분포를 보면(a, c, g in Fig. 4), 동물플랑크톤 은 낮은 음향산란강도가 출현한 것을 알 수 있었는데 이는 동물플랑크톤이 어류에 비해 상대적으로 개체가 작고 밀집하여 분포하며 생체조직이 젤라틴질로 구성한 생태학적 특성이 있어 SV가 낮은 범위 내에서 탐지되고 출현빈도량이 높은 것으로 보인다. 반면 어류는 부레나 뼈에서 반사하는 산란이 동물플랑크톤에 비해 상대적으 로 높은 음향산란강도로 나타난다. 그리고 어류 서식 층에서도 낮은 음향산란강도가 나타났는데 이는 치·자 어와 같은 소형유영생물이나 여러 어종이 혼합하여 밀 집한 것으로 추정한다. 그리고 동계에 탐지한 SV 출현 빈도량이 춘·하·추계에 비해 낮은데 이는 낮은 수온의 영향으로 보인다.

수심 0~50 m에 출현한 동물플랑크톤의 NASC를 보 면 하계와 추계에는 외해역 왕돌초의 상부 후포퇴 부근 에서 높은 NASC를 나타났고 춘계에는 연안 해역에 높 은 NASC가 분포하였다. 이는 연중 수온이 높아지는 4~8월에 쿠로시오 해류의 순환으로 춘ㆍ하ㆍ추계에 동 물플랑크톤의 밀도가 높은 것으로 보인다. 그리고 선행 연구인 2003년 울진 연안 해역 음향산랸층에서 동물플 랑크톤의 음향신호는 동ㆍ춘계(3월)에 외해에서 출현하 였고 춘ㆍ하계(6월)에는 연안에서 출현하여 계절별 수 온 특성에 의하여 연안 해역으로 해양생물이 접근하였 다(Hwang et al., 2005). 그리고 원전 내 냉각 시스템의 취·배수구로 순환하는 해수는 열을 냉각하므로, 배수되 는 해수는 상대적으로 수온이 높다. 동물플랑크톤의 경 우 고수온에서 분포하므로 취ㆍ배수구 주변 해역의 지 속적인 관찰이 필요하다고 생각한다.

본 연구에서는 동물플랑크톤이 작은 개체로 밀집하여 분포하는 생태학적 특성을 고려하여 현장 측정한 단위 체적산란강도(SV)의 출현빈도로 음향산란 분포를 파악 하고 수온에 의한 계절적 출현 특성을 알 수 있었으며, 향후 원자로 냉각시스템의 취·배수구로 접근하는 해양 생물을 실시간 음향모니터링으로 탐지하여 대응할 수 있도록 기초자료로 제공한다.