해양생태계

• 해양 생태계는 다양한 생물 및 무생물이 어우러져 서로 간에 복잡한 상호작용하에 다양한 관계를 구성하고 있다. 여기에는 식물플랑크톤, 동물플랑크톤, 어류, 해양포유류, 조류, 저서동물, 미생물 등 다양한 생물 요소와 해수의 온도 및 염분도, 퇴적물, 부유물질, 토양 등 여러 종류의 물리적 환경조건이 포함된다.
  
  풍력발전단지 조성과 같은 인간 활동이 해양생태계에 미치는 영향을 올바르게 파악하고 생태계 보전을 위한 올바른 관리 조치를 이끌어내기 위해서는 목적에 맞는 조사 방법 및 내용을 설정하고 이에 기반하여 사전/조치 실행/사후 모니터링(즉, 현장 조사 또는 실험)을 수행하여 생태계에 대한 고품질의 정보를 확보할 필요가 있다. 해상풍력단지에서는 단지 조성 및 가동으로 인한 해양 생태계의 변화를 파악하기 위하여 2014년부터 현재에 이르기까지 그 주변 해역을 포함한 광범위한 시공간적 영역을 대상으로 지속적인 모니터링을 실시해 왔다.
  
  단지 주변의 넓은 범위의 해양 생태계를 대상으로 시행된 모니터링으로부터 확보하는 자료의 양은 매우 방대하고, 의미 있는 정보를 찾아내는 것은 고도의 전문적인 분석 방법과 지식 그리고 노력이 필요하다. 단지 건설 이전의 중요한 자연적 요인(바람이나 해수의 유동 또는 해저 퇴적물 특성 등)의 영향력과 대상 공간 내 주요 서식처(높은 생물 다양성이나 생산량이 나타나는 곳) 또는 해역의 생태학적 특성을 이해하는 것 그리고 이러한 자연적인 요인에 대한 이해를 토대로 인위적인 영향에 의한 변화를 찾아내는 것이 위와 같은 분석과 노력의 핵심적인 결과물이라 할 수 있다.

• [ 해양생태계 예시 ]

  

  출처 : 연구진 자체촬영 이미지

대형 저서동물

• 생태계를 이루는 생물군은 매우 다양하나, 그중 해양환경의 변화를 평가하는 데에는 대형 저서동물에 대한 연구가 주로 수행되고 있다. 대형 저서동물은 고둥류, 조개류, 갯지렁이류, 갑각류(게, 새우, 단각류) 등 해저 면을 주 서식처로 삼으며, 유영 능력이 미약한 생물군을 칭한다.
  
  대형 저서동물 군집은 해역에 따라 다양하고 복잡한 시·공간적 분포를 보이고, 유생 시기를 제외하면 생활사 전반의 시기에 있어 이동성이 적거나 혹은 부착된 특성을 보인다. 이동성의 부재는 서식처의 환경 변화에 대한 능동적인 도피 반응 등을 수행하는 데 제한요인으로 작용하며, 이에 따라 대형 저서동물 군집의 종수·개체수·무게 등 요인은 해당 해역의 생태계 건강성을 나타내는 지표로 활용이 가능하다.

• [ 다양한 생물군이 포함된 대형 저서동물 군집 예시 ]

  

  출처 : 연구진 자체촬영 이미지

서식처 지도

• 해저 서식처 지도는 해양생물의 서식 환경 및 서식 양상 등의 정보를 지도상에 도식화하는 것을 의미한다. 대형 저서동물 군집의 분포 특성을 가시적으로 표현함으로써
  (1) 특징적인 패턴의 시간에 따라 달라지는 모습과
  (2) 해상풍력 단지와 해저에 분포하는 저서생물 군집 간 상호작용과 규칙성을 쉽게 이해하고
  (3) 이를 통해 전문적인 영역에 대한 이해관계자들의 효율적인 의사 결정을 돕는 데에 활용할 수 있는 도구가 될 수 있다.
  
• 현재 유럽이나 미국에서는 이와 같은 해저 서식처 지도를 하구역이나 연안역과 같이 보전 및 관리의 중요성이 높은 생태계를 대상으로 작성하여 환경 단체, 정책 입안자 및 전문가들로 하여금 생태적으로 중요하거나 보전 가치가 높은 곳, 혹은 반대로 복원이 필요한 취약한 서식지를 파악하고 타당한 보전 계획을 수립도록 하는 데에 활용하고 있다.
• 지도상에 도식화된 정보는 표나 그래프나 글을 통해 수치상으로 제공되는 것에 비해 정보의 전달성이 높아 해저 서식처 지도는 일반인들을 대상으로 해양생태계의 중요성에 대한 홍보 및 교육을 위한 자료로써 높은 활용 가치를 지니는 것으로도 평가되고 있다.

해상풍력단지 대형 저서동물 서식처 지도 작성

• 해상풍력단지 및 인근 해역에서의 대형 저서동물 서식 상을 파악하기 위해, 2015~2020년에 걸쳐 수행된 저서동물 모니터링을 통해 파악한 종 구성과 서식밀도를 바탕으로 집괴분석을 수행하였고, 그 결과로 구분된 서식처 그룹을 다음과 같이 해양생태계 지도에 도식화하였다.
  
  서식처 그룹은 전반적으로 조사 시기별 결과가 서로 유사한 경향을 보였다. 서식처 그룹은 크게 두 그룹으로 나뉘었는데, 한 그룹은 대부분의 공간을 점유한 위도 주변과 곰소만 주변 해역을 포함하였고, 다른 한 그룹은 조사 대상 해역의 남측 해역 및 구시포 남단 연안 해역을 포함하였다. 그룹별 생물상의 특징을 보면, 대부분의 공간을 점유한 위도와 곰소만 주변 그룹은 평균 출현 종수와 평균 서식밀도, 평균 생체량 및 평균 다양도 지수가 상당히 양호하였고, 남측 해역의 그룹은 상대적으로 빈약한 생물상을 보였다.

• 퇴적물의 평균 입도에 따른 퇴적환경 정보를 서식처 지도에 반영한 결과, 상대적으로 저서동물의 출현 종수 및 개체수, 생체량 등이 높았던 위도 및 곰소만 인근 해역에서 퇴적물의 평균 입도(Mean Grain Size)는 연안 해역 및 남측 해역을 중심으로 4.5~5.5Φ로 세립 하였고, 저서생물 출현량이 상대적으로 빈약하였던 남측 그룹에서는 전반적으로 덜 세립한 경향을 보였다. 이처럼 퇴적환경 서식처는 생물상 서식처 지도와 전반적으로 일치되는 양상이었는데, 세립한 남측 연안 해역에서 생물상이 상대적으로 빈약한 그룹을 형성하였다.

• [ 해상풍력단지의 퇴적물 입도분포 서식처 지도 ]

  

  출처 : 연구진 자체촬영 이미지

생태계 변화 예측 기술

• 최근에는 생태계 모형 또한 영향 평가를 위한 도구로 주목받고 있다. 생태계 모형은 연구자로 하여금 생물상과 생물상에 영향을 미치는 요인들 간의 관계를 규명하고, 이를 기반으로 미래의 시점 혹은 발생할 수 있는 시나리오상에서의 생물의 다양성이나 우점종의 변화, 자원량 등을 예측할 수 있도록 해준다. 여기에는 서식처 적합 모델, 인공지능, 생태계 영양모델 등이 해당한다.
  
  생태계 모형의 분석을 통해 이끌어 낸 생태계 변화의 예측 결과 또한 해양환경 및 해양생물 상 정보와 마찬가지로 서식처 지도에 반영하여 mapping이 가능하다. 이와 같은 생태계 모형과 서식처 지도의 결합은 생물상과 환경적 요인 간의 공간적 관계를 평가하고 예측하기 위한 효과적인 도구로 활용된다. 해상풍력단지 건설 시에도 이와 같은 기술이 조성단지의 생태계 변화 예측에 적용한 바 있다(산업통상자원부, 2019).
  
  본 연구에서는 해상풍력단지 인근 해역의 해저 서식처 지도에 해상풍력 가동에 의한 시공간적 변동성을 반영하기 위한 예측 모형으로 인공지능 신경망 모형 기법을 활용하여 대형 저서동물의 생물 다양성 및 생체량 변동을 예측하였다.

• [ 생태계 모형의 예측 결과를 서식처 지도상에 mapping 하여 나타낸 예 ]

  

  출처 : Sharma et al., 2009

대형 저서동물 서식상 예측 모형

• 신경망 모형은 인간의 뇌가 학습하는 방식을 활용한 모형으로, 비선형적이고 복잡한 입력 데이터와 출력데이터 간의 관계를 학습하고 상관관계를 추론할 수 있다.
  
  본 연구에서는 한반도 연안 생태계의 다양한 서식 환경 및 생물상을 반영하는 서・남해 및 제주 해역 700여 곳에 대한 조사자료를 기반으로 환경요인에 따른 대형 저서동물의 다양도 및 생체량을 예측하는 모형을 구축하였고,
  
  이를 통해 생물 다양도 지수의 하나인 Whittaker's Index와 단위 면적당 군집의 생체량(gWWt/m² )을 예측하였다.

• • [ 자료 학습을 통한 예측 모델의 구축 ]

    

    출처 : 연구진 자체촬영 이미지

  • [ 해상풍력단지 인근 해역 저서생물 다양성 예측을 위한 모형의 성능 평가 (좌 : 학습시, 우 : 교차타당성 평가) ]

    

    출처 : 한국해양과학기술원, 2020.

• 모형을 기반으로 예측한, 해상풍력단지 인근 해역의 대형 저서동물 다양성 및 생체량 예측 결과는 다음과 같다. 현장 조사 결과에 비해 예측값이 낮은 수준을 기록하였으나, 현장 조사 결과 또한 한반도 연안역에서 관찰된 출현 종지 수의 범위(모델 구축 자료 기준 0.3~55.8)에 비해 낮은 수준(평균 10.3)을 기록하고 있고
• 생체량에서도 조사 해역의 단위 면적당 생체량은 약 36g/m² 수준으로 서해 연안(평균 92g/m²) 및 우리나라 전 연안 (116 g/m²)에 비해 낮은 수준을 보여 모델의 결과가 전반적으로 빈약한 수준의 대형 저서동물 서식 상을 예측한 것으로 이해할 수 있다.

풍력발전 시행에 따른 대형 저서동물 생물상 변화 평가

• • 대형 저서동물 생물상에 있어 풍력발전의 시행으로 인해 발생할 수 있는 변화를 예측하기 위해 다음과 같은 영향을 가정하여 시나리오를 설정하였다. 시나리오에는 풍력발전으로 인해 풍속 감소 및 해류의 흐름이 감소하고, 이에 따라 해수의 물리적 유동이 저하되어 최종적으로는 평균 입도·부유성 퇴적물·유의파고 등에 영향을 미치는 것을 가정하여 '10% 온화한 조건'으로 지정하였다. 이를 대형 저서동물 변화 예측 모델에 반영하여, 풍력발전 시행에 따른 대형 저서동물의 변화를 평가하였다.

  • • [ 풍력발전 시행으로 인한 대형 저서동물 군집 변화 예측을 위한 시나리오의 설정 ]

      

      출처 : 한국해양과학기술원, 2020.

    • [ 생태계 예측모델을 이용한 환경 변화시 대형 저서동물 변화 예측 ]

      

      출처 : 연구진 자체촬영 이미지

• • 2019~2020년의 기간 연구 해역에서 모니터링을 통해 측정된 환경자료를 바탕으로 시나리오 설정에 따른 2021년의 대형 저서동물 생체량의 변화 예측 결과는 다음과 같다. 먼저 관찰값에 기반한 평시 조건의 예측 결과는 두 가지 ensemble 모형 간 다소 차이는 있었으나 여름과 겨울에 생체량이 높은 동일한 계절적 패턴을 보였다. 이는 기존에 조사를 통해 파악한 현장의 계절성을 적절하게 반영하는 것으로 볼 수 있었다. 아래의 유의파고 감소 조건에서의 예측 결과 역시 계절별 변동 패턴에는 평시의 것과 차이가 없는 것으로 나타났다. 두 가지 방법에 의해 예측된 결과의 총평균은 각각 29.33과 31.25g/㎡으로 나타나, 결과적으로 해상풍력 시행에 따른 대형 저서동물의 생체량은 약 6.5%가량 증가하는 것으로 예상되었다.

  • [ 풍력발전 가동에 따른 대형 저서동물 생체량의 변화 예측 결과(위 : 평시 조건; 아래 : 풍력발전 가동 영향 조건) ]

    

    출처 : 한국해양과학기술원, 2020.

풍력발전 시행에 따른 어류자원 변화 예측

• 생태계 기반 자원평가를 위해 본 연구에서는 Ecopath with Ecosim(EwE) 모형 중 생태계 먹이망 구조의 정적인 단면을 나타내는 Ecopath 모델을 이용하여 조사 지역 내의 에너지 흐름을 파악하였다. Ecopath 모델은 하나의 생태계를 구성하는 단일 종 혹은 종의 그룹 간에 에너지 유출입이 균형을 이룬다는 가정하에 생체량 균형에 의한 생산량 모델 식(mass-balanced model) 또는 각 그룹에 대한 에너지 균형 모델 식(energy-balanced model)을 기본 식으로 한다.
  
  Ecopath 모델을 적용하기 위해서는 각 그룹에 대한 자원량(B), 섭식량(Q), 먹이 조성(DC), 생산량(P), 어획량(C), 생태 영양학적 효율(EE) 등의 매개변수가 파악되어야 한다. 이때 5개의 매개변수 중 4개의 입력치를 알 수 있다면, 나머지 한 변수는 모델에 의해 자동으로 추정된다. 본 연구에서는 생태 영양학적 효율을 제외한 나머지 4개 매개변수를 이용하여 모델을 구축하였다.

• • Ecopath 모형에 포함되는 조사 해역의 생물상은 생태학적 특성에 따라 다음과 같이 구분하였다. 그룹별 생물량 정보는 본 연구의 현장 조사 결과를 활용하였으며, 미비한 데이터는 인근 해역 혹은 과거의 조사 결과를 참조하였다. 또한, 그룹 간 에너지 흐름은 본 연구에서의 위 내용물 분석 결과를 참조하여 ton C·㎞ -2 ·year -1로 표현되는 시스템 내의 총에너지 흐름의 합을 추정하였다. 그리고 모델의 균형을 이루기 위해 기본 입력값을 조정하여 최적의 모델을 산정하였다.
    
    이를 기반으로 구성된 해상풍력단지 인근 해역의 생태계 구성원 간 에너지 전달 관계는 다음과 같이 확인되었다. 식물플랑크톤과 쇄설성 유기물이 생산을 담당하고, 이를 먹이로 하는 패류, 동물플랑크톤, 여과서식자 등이 1차 소비자, 그리고 소형 어류와 게류 등 십각목, 저서성 포식자가 2차 소비자에 해당하였다. 영양 단계 중 가장 높은 등급에는 조류와 중대형 어류 등이 포함되었다.

  • [ 해상풍력단지 인근 해역의 생태계 구성원간 에너지 흐름도 ]

    

    출처 : 한국해양과학기술원, 2020.

• • • 이렇게 구축된 에너지 흐름 모델을 기반으로 단지 조성에 따른 변화를 파악하기 위해, 풍력발전단지 조성으로 인하여 물리적 스트레스가 감소함에 따라 발생할 수 있는 대형 저서동물 군집의 변화(생체량의 6.5% 증가)를 현재 상태를 기준으로 구축된 에너지 흐름 모형에 적용하여, 대형 저서동물의 증가로 인하여 어류의 섭식량이 증가하였을 때, 어류 성어 군집에 나타날 수 있는 변화를 평가하였다.

    • [ Ecopath를 이용한 어류 군집의 생물량 변화 평가 방법 ]

      

      출처 : 연구진 자체촬영 이미지

  • • 대형 저서동물 군집의 변화가 적용되기 전 현재의 성어 생물량은 총 0.1640 tonC/㎢이었으며, 군집의 변화가 적용된 이후의 성어 생물량은 0.1716 tonC/㎢으로, 풍력단지 조성 시 어류 자원에 있어 약 4.6%의 증가가 예측되었다. 특히 대형 저서동물을 주요 먹이원으로 하는 연안성 저어류와 가자미류의 증가량이 높게 나타났으며, 다른 어류를 주요 먹이원으로 삼는 중대형 유영 어류 및 근해성 저어류에 있어서는 자원량의 변화가 미약한 것으로 관찰되었다. 따라서 풍력단지 조성으로 인한 해역의 물리적 환경 변화는 어류 수산자원의 자원량 증대로 이어질 것이라 볼 수 있다.

    • [ 풍력발전 시행에 따른 어류 군집의 자원량 변화 예측 결과 ]

      

      출처 : 한국해양과학기술원, 2020.

해상풍력 저서생물 연구 결과

• 대형 저서동물의 분포는 퇴적물에 의해 영향을 받아, 퇴적물이 세립한 지점에서 밀도, 생체량, 다양도 지수 등이 양호한 수준을 보이고 비교적 덜 세립한 남측의 일부 해역에서는 다른 지점에 비해 상대적으로 빈약한 생물상을 보였다.
• 조사 결과를 기반으로 작성된 퇴적환경 및 생물분포 서식처 지도에서도 이와 같은 퇴적상에 따른 대형 저서동물의 분포 특성을 확인 할 수 있으며, 대형 저서동물 서식 상 예측 모형 또한, 퇴적물 등 환경 조건에 근거하여 빈약한 서식 상을 예측하였다.
• 생태계 예측 모형을 통한 분석 결과 풍력발전 시행으로 인해 변화하는 환경요인은 대형 저서동물 생체량 및 어류 자원량 증가와 같은 긍정적인 효과를 보일 것으로 예측되었다.

본 연구는 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구(No. 20203030020080, 해상풍력 단지 해양공간 환경 영향 분석 및 데이터베이스 구축, 2020~2024)의 결과입니다(문의 : 한국해양과학기술원 오승용 책임연구원, syoh@kiost.ac.kr)