<사진. 연구분야와 연구대상 플라스틱
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

해양 플라스틱의 체류시간 계측과 해안청소의 응용

본 연구에서는 해양 플라스틱이 해안에 표착한 후 다시 연안으로 유출(재표류)하기까지의 체류 시간에 착안하였다. 해양 플라스틱의 해양 중에서의 동태 및 해양 플라스틱 기인의 환경 리스크를 평가하는 데 해안에서의 체류시간이 상당히 중요하다. 예를 들면, 해양 플라스틱은 해류에 의해 해양이 수송되는 과정에서 해안에 표착한 후 다시 재표류한다. 또한 해양 플라스틱은 해안 위에서 자외선 및 열에 의해 노화되기 때문에 해안이 미세 플라스틱의 주요 발생원이라고 생각된다. 미세 플라스틱의 발생에 의해 해양생태계에 간단하게 유입되어 환경 리스크가 증대할 것이다.

세계 중에서 해양 플라스틱의 제거는 해안 청소활동에 의존하고 있다. 기본적으로 체류시간이 긴 해안일수록 해양 플라스틱은 체류하기 쉽다. 때문에 체류시간을 계측함으로써 중점적으로 청소해야 할 해안을 선정할 수 있으며, 보다 많은 해양 플라스틱을 환경 중에서 제거할 수 있을 것으로 생각된다. 그래서 본 연구에서는 해안에서 해양 플라스틱의 체류시간을 계측하고, 체류시간을 고려한 효과적인 해안 청소방안을 제언하였다.

도쿄도 니지마무라(新島村) 와다항(和田浜)에서 특정 어업 플로트를 대상으로 하여 2011년 9월부터 2년간에 걸쳐 개체 식별 조사를 실시하고 해안에서 어업 플로트의 체류시간을 계측하였다. 체류시간 계측과 체류시간의 결정요인이 되고 있는 물리 메커니즘을 규명하기 위해 어업 플로트의 움직임도 상세하게 조사하였다.

어업 플로트의 잔여율(잔여수/신규 표착수)은 지수함수적으로 감소하고 있었다. 이 잔여율의 시간변화를 지수함수적으로 근이함으로써 어업 플로트의 잔여함수를 얻었다. 와다항 해안에서 어업 플로트의 체류시간이 224일(95% 신뢰구간: 208일~242일)이라고 밝혀졌다. 지수함수형 잔여함수가 얻어졌기 때문에 어업 플로트가 체류시간으로부터 결정되는 일정확률(1-exp(-1/224)=0.5%/일)로 연안에 재표류하는 것으로 간주할 수 있다.

한편, 연안에 재표류하지 않고 해안에 남은 어업 플로트(잔여 플로트)는 와다항 해안의 연안방향(남북방향)으로 이동하고, 그 움직임은 소상(遡上, 거슬러 올라감) 이벤트 발생확률과 유의한 관계가 있었다. 또한 해안방향 100m 구획에서 전 조사기간에 대한 각 플로트의 평균 수송속도는 와다항 해안 중앙부(연안방향 거리: 400m~600m) 및 북부(해안방향 거리 700m~1,100m)가 수렴지역으로 되었다. 그 결과, 잔여 플로트는 전 조사기간을 통해 와다항 해안 중앙부 및 북부에 집적되었다. 이상의 결과로부터 와다항 해안에서 어업 플로트는 소상 이벤트에 의해 연안방향으로 수송되어 와다항 해안 중앙부 및 북부에 집적하는 것이 밝혀졌다.

와다항 해안에서 어업 플로트의 재표류과정에 관한 물리 메커니즘을 밝혀내기 위해 연안방향에서 잔여 플로트의 움직임을 1차원 이류확산방정식으로 표현한 수치실험을 실시하였다. 수치실험에서는 와다항 해안(연장: 900m)을 연안방향으로 9개의 100m 구획으로 분할하고, 어업 플로트가 재표류할 가능성이 높은 구획을 특정 지었다.

수치실험에 의해 와다항 해안 연안에 있는 잠제(?堤)배후에 해당하는 4개의 100m구획(2,3구획, 7,8구획)이 재표류 구획으로서 고빈도로 특정되었다. 이 4개의 구획은 잔여 플로트의 평균 수송속도의 수렴지역(공간구배가 부(-))이며, 집적률이 높은 구획과 일치하였다. 잠제배후는 연안류의 수렴지역에 상당하며, 연안으로 돌아오는 흐름이 고빈도로 발생한다고 추측된다. 따라서 와다항 해안에서 어업 플로트는 해변 가까이의 연안류에 의해연안방향으로 수송되고, 수송된 플로트의 일부가 잠제배후에 형성되는 이안류에 의해 재표류 할 가능성이 나타났다.

해양 플라스틱의 제류시간은 특정 해안에서 규명될 뿐만 아니라, 여러 지점에서 계측됨으로써 처음으로 환경 리스크가 높은 해안의 정량평가가 이루어질 것이다. 그러나 여러 지점에서 개체식별 조사를 수행하는 것은 곤란하다. 앞으로 파랑 통계량 및 해변 지형을 파라미터로서 한 체류시간을 추정하기 위한 모델을 구축함으로써 여러 지점에서의 체류시간 파악에 활용할 수 있을 것이다.

와다항 해안에서 어업 플로트의 지수함수형 잔여함수가 얻어져 해안을 선형시스템으로 가정하여 두 개의 환경리스크(해양 플라스틱 기원의 중금속이 해안에 용출 및 미세 플라스틱의 발생)에 관한 해안 청소효과 평가방법을 개발하였다. 그리고 체류시간에 대한 해안 청소효과의 의존성을 밝혀내고 효과적인 해안청소 대책을 제안하였다.

두 개의 환경리스크에 대한 해안 청소효과는 신규 표착량의 변동주기(신규 표착 주기)에 대한 체류시간의 비(무차원 체류시간)에 의존하고, 신규 표착 주기에 대한 체류시간이 긴 해안일수록 해안 청소효과는 높다. 또한 해안청소 효과는 청소시간에도 의존하고, 존재량이 극대시기에 해안청소를 실시하는 것이 가장 효과적이다. 청소시기에 대한 해안 청소효과의 의존성은 무차원 체류시간에 의해 다르며 신규 표착 주기에 대한 체류시간이 짧은 해안에 비해 체류시간이 긴 해안의 경우가 청소시기에 대한 의존성이 낮다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr