1. 서 론

하천은 육지와 바다를 연결하는 통로로서, 육상에서 생산된 유기물을 강하구를 거쳐 해양으로 이동시키고 있다 (Hope et al. 1994;Meybeck and Vöoröosmarty 1999; Schünz and Schneider 2000; Oh 2016). 이를 통해 강하구 기수역 생태계는 하천을 통해 공급되는 육상기원의 탄소와 바다에서 유입되는 해양물질과의 양적, 질적 균형을 통해 갯벌의 높은 일차생산성과 생물다양성을 유지하는 중요한 에너지원을 제공한다 (Hedges et al. 1997;Chen et al. 2015;Kong and Shin 2018;Kang 2024).

일반적으로 수체내의 탄소는 그 성상 (조성, 크기)에 따라 유기탄소와 무기탄소, 용존성 탄소와 입자성 탄소로 구분되며, 강하구에서는 주로 용존성 무기탄소 (Dissolved inorganic carbon, DIC), 용존성 유기탄소 (Dissolved organic carbon, DOC)와 입자성 유기탄소 (Particulate organic carbon; POC>0.45 μm)가 포함된다. 그리고 이 두 가지 형태의 유기탄소의 총합을 총유기탄소 (Total organic carbon, TOC)라고 한다. 전 세계적으로 하천을 통해 약 430×10¹² gC yr^-1의 육상기원 총유기탄소가 강하구로 유출되며, 이 가운데 약 10%에 해당하는 양이 연안에 퇴적된다 (Schlünz and Schneider 2000). 이는 연안 퇴적물이 갖는 총유기탄소량 (98×10¹² gC yr^-1)의 약 44%를 차지할 만큼, 연안생태계에서 하천 유기탄소가 차지하는 역할은 중요하다 (Cole et al. 2007). Park and Ock (2017)은 국가 수질유량측정량 관측자료를 활용하여 우리나라 주요 5대강을 대상으로 하구를 통해 해양으로 유출되는 총유기탄소량을 정량적으로 계산하였다. 한강은 18.0×10⁹ gC yr^-1로서 가장 높은 유기탄소 유출량을 기록 했으며, 금강은 한강의 1/3 수준인 5.9×10⁹ gC yr^-1을 기록하였다.

금강하구의 서천 갯벌은 국제적 멸종위기 도요물떼새의 동아시아-대양주 이동경로 (East Asian-Australasian Flyway)의 중간기착지이자 (Lee et al. 2002), 이를 부양하는 갯벌생태계의 높은 생산성과 풍부한 생물다양성으로 람사르습지 지정 (2009.12.)과 유네스코 세계자연유산 등재 (2021.7.) 등 국제적으도 생태계 가치가 높은 곳이지만, 새만금 방조제 건설로 인하여 서해안에서 갯벌의 면적이 줄어들게 되면서 지속가능한 보전관리 필요성이 더욱 증 가하고 있다 (Woo et al. 2020;Kim 2024).

우리나라에서는 전국의 463개 하구중에서 자연스러운 하구순환이 이뤄지는 열린하구는 한강하구, 탐진강하구를 포함하여 235개 (50.8%)이며, 방조제나 하굿둑으로 막혀있어 하구순환이 차단된 닫힌하구는 낙동강하구, 금강 하구를 포함해서 228개 (49.2%)이다 (Lee et al. 2011). 특히, 1990년 서천군과 군산시 사이에 건설된 1.8 km 길이의 금강하굿둑은 농경활동시 염수유입을 차단하는 목적으로 평수기와 밀물시에는 수문을 닫아 담수의 유출을 제한하고, 주로 홍수기와 썰물시에 수문을 열어 강에서 바다로 물과 영양염이 이동하는 일방향적 흐름을 보이고 있다. 특히 하굿둑 수문은 홍수기에 주로 개방되는데, 이는 여름철에 몬순 기후대에서 강우가 집중되기 때문이다.

금강은 소백산맥의 하나인 신무산에서 발원하여, 충청북도, 충청남도, 전라북도를 지나며 갑천, 미호천, 논산천을 합류하여 서해로 유입되는 하천 연장 397 km의 대하천으로, 상류역에는 용담댐과 대청댐이, 중류역에는 3개의 대형보인 세종보, 공주보, 백제보가, 하구에는 하굿둑과 같이 대규모 횡단구조물이 연속적으로 건설되어 운영되고 있는 조절하천이다. 특히, 그간 하굿둑의 건설과 운영에 따라 하천과 기수역의 변화와 영향을 파악하려는 대부분의 연구는 주로 하굿둑 내측인 하천과 하굿둑 외측인 기수에서 별도로 진행되었다. 중하류 하천에서는 대형보와 하굿둑의 운용과 하천 생태계의 서식처 다양성과의 상관성이 조사되었고 (Ock et al. 2020), 하구호에서는 체류시간이 길어지고 부영양화가 진행되어 용존산소의 부족으로 인한 생태계 영향이 보고되었다 (Sin et al. 2013). 하굿둑 외측인 기수역에서는 담수 유입의 영향이 강한 기수역과 해수 영향이 강한 해역에서 식물플랑크톤 종조성과 현존량의 공간적 분포 차이가 조사되었다 (Kim et al. 2020). 그렇지만, 금강하구를 대상으로 강과 기수, 해역 간의 물질이동의 특성과 그 영향 범위를 대상으로 한 연구결과는 거의 보고되지 않았다.

따라서, 본 연구에서는 금강 닫힌하구에서 하천과 하굿둑, 조하대, 갯벌을 연결하는 조사지점을 선정하여, 하천을 통해 유출되는 육상 유기물과 바다를 통해 유입되는 해양 유기물의 공간분포와 유부도 갯벌 내 표층퇴적물의 유기물 공간변화를 주제로 홍수기 전과 이후의 변화를 파악하였다. 그리고 이를 통해 향후 강과 바다의 생태계 연결성을 통한 금강하구 서천갯벌의 보전 방안 마련을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.

2. 연구 방법

2.1. 조사지역

금강하구는 북으로는 충남 서천군이, 그리고 남으로는 전북 군산시와 인접하고 있으며, 특히 하굿둑에서 외해 방향으로 약 12 km에 위치한 유부도는 서울 여의도의 1/4 정도의 면적의 작은 섬이지만, 썰물에 드러난 갯벌은 섬의 약 20배 이상인 30 km²의 넓은 면적을 가지고 있어, 유네스코 세계자연유산으로 등재된 서천갯벌의 핵심구역에 해당한다. 그렇지만, 금강하구는 농공용수 공급과 서해의 조위를 차단하기 위하여 금강하굿둑이 건설된 이후 (1990년) 담수와 해수의 하구순환이 차단되었으며 항로수심 유지를 위하여 지속적인 준설이 이루어지고 도류제가 건설 되었다.

본 연구의 조사지역은 금강 하굿둑을 기준으로 금강 방향으로 상류 11 km 지점 (충남 강경읍)을 하천시점으로 하고, 하굿둑의 바다방향으로 30 km 지점을 해양종점으로 하여 총 길이 41 km의 선형 구간에서 금강하류, 금강하구 조하대, 유부도 조간대의 유형을 구분하여 총 8개의 조사 지점을 선정하였다 (Table 1). 구체적으로, 금강하굿둑 상류역에서 2개 정점 (R1, R2), 금강하구 조하대에서 4개 정점 (M1~M4)과 유부도 조간대에서 2개 정점 (Y1, Y2)을 선정하였다 (Fig. 1).

2.2. 현장조사 및 실험실 분석

현장조사는 금강하류부터 군산만 외해까지 선박을 이용하여 조하대 6개 지점과 조간대 갯벌 2개 지점을 대상으로 2020년 평수기 (6월)와 홍수기 이후 (9월)에 수행하였다 (Fig. 2). 당해 7월과 8월에는 몬순기후에 의한 집중호우가 기록되었으며, 홍수기 이후 조사는 현장조사의 안전성을 위하여 수위와 유량이 안정된 시기에 실시했다.

유하 유기물과 수질 분석을 위해 물시료는 하굿둑 내측 금강하류와 하굿둑 외측 조하대의 모든 정점에서 Niskin 채수기 (model 1010; General Oceanics, Miami, FL, USA)를 이용하여 표층 (수면에서 <0.5 m)과 저층 (바닥에서 <1.0 m)에서 채수하였다. 채수한 시료는 현장에서 거름망 (φ 200 μm)을 이용하여 거대입자를 제거한 후에 무균 채수병에 담아 냉장보관하여 실험실로 이동하였다. 실험실로 옮겨진 시료는 450°C에서 미리 불순물을 제거한 GF/F (Whatman, UK) 필터로 여과하여 통과시료는 DOC 와 DIC 분석용으로, 그리고 여과지에 남겨진 입자성 물질은 POC 분석용으로 준비하였다. DOC 농도와 DIC 농도는 총유기탄소분석기 (model TOC-L; Shimadzu, Kyoto, Japan)를 이용하여 비정화성 유기탄소 (NPOC, Non- Purgeable Organic Carbon) 방법으로 분석하였다.

염분도 (salinity)는 현장에서 별도로 채수한 물을 이용하여 YSI 수질측정기 (model 556; Xylem, Yellow Springs, OH, USA)로 측정하였다. 조하대의 퇴적물은 Van-veen 그랩 샘플러 (채집면적 0.1 m²)를 이용하였으며, 유부도 조간대 퇴적물 시료는 박스코어 샘플러 (채집면적 0.025 m²) 를 이용하였다. 퇴적물의 입도분포는 체분석과 침강분석을 실시했다. 표층퇴적물의 유기물 함량은 작열감량법을 이용하여 550°C에서 4시간 동안 작열하여 무게차를 계산하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 염분도에 의한 기수역의 공간 변화

강하구에서 담수와 해수가 섞인 물을 기수(brackish water)라고 하며 조석간만에 따라 기수가 강하구에서 상하류로 변동하는 공간을 기수역이라고 한다. 일반적으로 염분도 (salinity)를 기준으로 <0.5 psu이면 담수, >30 psu 은 해수이며, 그 사이에 해당하는 0.5~30 psu 구간을 담수와 해수가 혼합된 기수역으로 구분한다. 비홍수기 (6월)에는 조사해역 가장 외측에 위치한 해양 기점 (M4) 저층에서 32.37 psu로 최대값을 보였으며, 표층에서도 유사한 값을 보여 해수의 특성을 나타냈다. 반대로, 금강 하류 하천 시점 (R1) 표층과 저층에서 모두 0.14~0.15 psu로서 담수의 특성을 나타냈다. 특히 하구호 (R2)에서도 <0.5 psu 값으로서 하굿둑에 의한 염수차단의 효과를 나타냈다. 이후 기수역 구간에서는 하굿둑에서 멀어질수록 염분도가 높아지는 경향 (M1: 11.4 psu → M2: 21.14 psu → M3: 32.06 psu)을 보였다 (Fig. 3). 특히 하굿둑에서 가까운 M1과 M2에서는 저층이 표층보다 염분도가 매우 높은 값으로 조사 되었다. 이는 금강하구에서도 밀도가 높은 해수가 담수와 만나면서 저층으로 혼합되는 염수쐐기 (saltwater wedge)의 성층구조로 해석된다 (Pritchard 1989).

홍수기 이후 (9월)에는 하천구간에는 담수로 변화가 없었지만, 기수역 구간에서 염분도의 공간분포에 변화가 발견되었다. 하굿둑 직하류 정점 (M1)에서는 염분 성층화가 강하게 나타났는데, 표층 (0.14 psu)은 담수의 성질을 보였고, 저층 (9.98 psu)에서 해수가 혼합되기 시작하였다. 이후 외해로 갈수록 염분경사 (salinity gradient)가 지속적으로 발생해서 해양 기점 (M4)의 저층에서 최대치 (30.59 psu)를 나타냈다 (Fig. 3).

이와 같이, 기수역 구간 (M1~M4)에서는 홍수기 이후 (0.14~30.02 psu)는 홍수기 전 (11.54~32.06 psu)에 비해 하굿둑에 가까울수록 염분도가 크게 감소하였다. 이러한 결과는 강에서 바다로의 일방향적 운영을 하고 있는 하굿둑이 담수의 유출량 정도에 따라 홍수기 이후에는 기수역의 공간이 외해로 확장되고 있다는 것을 보여준다.

따라서, 금강하구에서 염분도를 기준으로 기수역을 구분하면, 비홍수기에는 유부도 인근까지 설정되고, 홍수기 이후에는 상대적으로 하굿둑 방류량이 증가하여 해양기점 (M4) 지점까지 기수역의 공간적 범위가 외해 방향으로 확장되고 있음을 발견하였다. 이러한 홍수기 이후 하구에서 나타나는 담수의 확장으로 인한 기수 공간의 변화는 금강 닫힌하구에서도 담수성 및 해수성 식물플랑크톤의 조성과 현존량에도 영향을 줄 수 있다고 알려져 있다 (Kim et al. 2020).

3.2. 홍수기 전후 금강하구 용존탄소 농도의 시공간적 변화

DOC 농도의 공간적 분포에서 보면, 홍수기 전·후 모두 하천 (R1, R2)에 비해 기수역 (M1~M4)이 높게 나타났다. 평수기 (6월) 표층수에서 기수구간 (2.20~2.65 mg L^-1)이 하천구간 (1.64~1.97 mg L^-1)에 비해 높았으며, 기수구간 별 공간적 차이는 나타나지 않았다. 심층수의 DOC 농도는 표층수보다 약간 높게 나타났으며 공간적인 분포는 유사하였다. 홍수기 이후 (9월)에는 평수기에 비해 하굿둑 내측 하천 (R1)과 하구호 (R2)에서 DOC 농도가 감소하였으나, 하굿둑 외측 (M1~M4)에서는 점차 외해 방향으로 갈수록 증가한 공간적인 변이를 보였다. 심층수의 공간분포는 표층수와 유사하였지만, DOC 농도는 상대적으로 높았다. 이는 홍수기에는 육상에서 다량의 유기물이 하구를 통해 유출되었지만, 홍수기가 지난 이후에는 상대적으로 금강에서는 해양보다 DOC 농도가 낮은 방류수 (0.90~1.13 mg L^-1)가 희석되면서 홍수기전에 비해 기수역내에서 농도가 낮아진 것으로 보인다 (0.90~2.06 mg L^-1) (Fig. 4). DIC 농도는 홍수기 전후 모두 표층수 기준으로 기수구간 (1.58~2.07 mg L^-1)이 하천구간 (1.02~1.25 mg L^-1)에 비해 높았으며 시공간적인 변이는 DOC와 유사한 경향을 보여, 해양이 하천에 비해 DIC 농도가 높은 경향을 보였다. 그리고 해수의 밀도가 높은 심층수에서 그 값이 상대적으로 높았다 (Fig. 5). 이와 같이 하구에서 멀어질수록 무기탄소 농도가 증가한 이유는 해수 혼합의 영향으로 판단된다. 이러한 결과는 홍수기에는 육상 DOC의 기여율이 높을 것으로 보이지만, 홍수기 이후에는 방류량이 증가하지만 상대적으로 많은 유량 속에 저농도의 용존성 유기탄소가 기수로 공급되고 있으며, 이는 금강 닫힌하구에서 유부도 인근까지 영향을 미친 것으로 보인다. 무기탄소는 주로 해양에서 유래하는 것으로 염분농도에 비례하여 외해로 갈수록 점차 증가하는 경향을 보이고 있다. 이상과 같이, 유기탄소 농도는 홍수에 따라 크게 변하였지만, 무기탄소 농도는 홍수에 상관없이 일정하게 높은 DIC 농도를 나타내는 것으로 판단해보면, 금강하구로 공급되는 DIC는 하천이 아닌 대부분 해양에서 유입되고 있는 것으로 파악된다.

이러한 금강 닫힌하구에서 DOC와 DIC의 이동 특성은 열린하구에서와는 차이를 보이고 있다. 국내에서 탐진강을 대상으로 열린하구에서 하천과 해양 간의 성상별 탄소 물질의 이동 특성을 조사한 연구에 따르면 (Park and Ock 2018), 하천과 바다의 영향이 상호 교차하는 강진만 기수 공간에서는 강에서는 유기탄소가 하구를 통해 공급되고 있고, 바다에서는 해양성 무기탄소의 공급이 주로 이루어져서 탄소물질의 하구순환이 이루어지고 있음을 파악하였다. 따라서, 무기탄소 이동특성에서는 닫힌하구와 열린 하구의 기수공간에서는 공통적으로 해양에서 유래한 물질이 우세한 것으로 판단된다. 관련 연구에 의하면 해양에 존재하는 탄소의 양적 조성비는 DIC : DOC : POC=2000 : 38 : 1로 거의 대부분이 DIC 형태로 존재하는 것으로 밝혀졌다 (Denman et al. 2007). 이에 반해, 유기탄소의 이동 특성은 열린하구에서는 강에서 유출되는 물질이 우세하지만, 본 연구에서 나타난 금강 닫힌하구에서는 하굿둑에 의해 하구순환이 차단되면서 상대적으로 해양에서 공급되는 유기물질이 우세하게 나타난 점은 닫힌하구에서 하천과 해양 생태계 간의 환경특성에 따른 탄소공급원을 이해하는 의미있는 발견이라고 할 수 있다.

3.3. 퇴적토양 입도분포의 공간변이

금강 하류의 하천구간 (R1~R2)에서 채취한 퇴적물을 분석한 결과, 홍수기 전과 후 모두 하상재료는 모래가 96% 이상을 차지하였다. 평균입경 (D_m)은 홍수기 전 (0.186~0.203)과 이후 (0.150~0.166) 모두 가는모래 (fine sand) 성분이었다 (Fig. 6a, b). 이는 금강에서 하구로 공급되는 퇴사가 주로 모래성분이라는 것을 의미한다. 그렇지만, 하굿둑을 지나면 퇴적물의 입자는 급격하게 세립화되었다. 하굿둑 직하류에 위치한 기수 정점 (M1)에서는 실트와 점토와 같은 매우 가는 부유사가 90.7%를 차지하였다 (Fig. 6c). 반면에, 기수역에서도 하굿둑에서 해측으로 멀어지면서 (M2~M4) 실트와 점토의 비율은 감소하고, 모래의 비율이 96.5~97.4%로 급격하게 높아졌다 (Fig. 6d~f). 이러한 결과는 금강 닫힌하구에서는 하굿둑이 담수와 해수의 하구순환뿐만 아니라, 간조시 하천 유사의 유출과 만조시 해양 표사의 유입을 단절시키고 있다는 것을 보여주고 있다. 실제로 금강하굿둑이 건설된 이후 하구역에는 실트와 점토와 같은 미세립자의 퇴적작용이 우세한 환경으로 변화되었다 (Lee and Um 2007).

홍수기 전후 금강하구 퇴적물 입도변화를 살펴보면, 홍수기전에는 유부도 조간대의 퇴적상은 금강하구와 가까운 갯벌 (Y1)은 실트성 모래 (Silty sand)의 퇴적상을 보였지만 (Fig. 6g), 외해 방향으로 열려있는 갯벌 (Y2)은 모래의 비율이 높은 차이를 보였다 (Fig. 6h). 그러나, 홍수 이후에는 Y1 갯벌에 모래비율이 높아졌다. 그리고 이전 모래 (Sand) 퇴적상을 보였던 M3는 점토성 모래 (Muddy sand)로 변화되었으며, M1은 점토 (Mud)로 보다 세립화되었다 (Fig. 7). 이는 만조시 바다에서 유입되는 가는 표사가 하굿둑에 막히면서 세립퇴적물이 하굿둑 주변에 지속적으로 축적되는 것으로 판단된다 (Ryu et al. 2014). 유부도 갯벌에서도 하구와 가까운 동쪽은 혼합갯벌로 세립 퇴적물이 쌓이고 있으며, 해측으로 열린 북측은 사질갯벌로 공간적인 변이를 확인하였다. 그렇지만 홍수기에 금강에서 모래 성분이 대량으로 하구로 공급되면서 홍수기 이후에는 갯벌의 토성이 조립화되어 유부도 갯벌에서 홍수에 의해 하굿둑에 의해 야기된 세립화와 같은 공간변이가 완화되고 있다는 것을 파악할 수 있었다.

퇴적물의 유기물 함량 변화를 보면, 하천구간의 하상 퇴적물 (1.42~1.75%)에 비해 하구역의 퇴적물 (3.19~3.75%) 이 높았다. 그리고 유부도 갯벌에서는 홍수기 전후에는 금강 방향 (Y1)의 유기물 함량은 감소하고, 외해 방향 (Y2)은 증가하는 공간적인 차별성을 나타냈다 (Table 2).

이와 같은 본 연구의 금강하구 입도분포와 유기물 함량의 결과들은 모두 하굿둑에 의한 닫힌하구에서 퇴적물 변화 영향을 나타낸다. 금강하구는 하굿둑의 건설로 대조시 조위가 상승하였고, 이전보다 퇴적작용이 더 활발하게 진행되어, 금강에서 공급되는 유사보다 만조시 해양성 퇴적물이 영향을 미치면서 갯벌의 퇴적물 특성이 변화된 것으로 해석된다 (Kang et al. 2022).

적 요

본 연구는 금강의 하류 하천과 하구, 해양을 잇는 약 40 km 구간에서 하천과 하굿둑, 조하대 기수역, 조간대 갯벌의 조사지점을 선정하여, 홍수기 이후 닫힌하구에서 용존 탄소의 성상별 이동과 갯벌 표층퇴적물의 변화를 조사하였다. 염분도 공간분포 조사 결과, 하굿둑은 해양에서 하천으로 해수유입 차단을 보여주고 있으며, 홍수기 이후에는 상대적으로 하굿둑 방류량이 증가하여 기수역의 공간적 범위가 외해 방향으로 확장되었다. 용존탄소 농도분석 결과, 금강하구의 DOC, DIC 농도는 공통적으로 해양에서 공급되는 물질이 우세한 것으로 보인다. 홍수기에는 육상에서 하구로 공급되는 유기물질이 다량으로 일시에 공급되지만, 홍수기 이후에는 방류량이 증가하지만 상대적으로 많은 유량 속에 저농도의 용존성 유기탄소가 기수로 공급되고 있었다. 그리고 무기탄소 농도는 홍수에 상관없이 해양으로 갈수록 일정하게 높은 DIC 농도를 나타났다. 이는 열린하구와는 다르게 금강 닫힌하구에서는 하굿둑에 의해 하구순환이 차단되면서 상대적으로 해양에서 공급되는 유기물질이 우세하게 나타난 것으로 판단된다. 입도분포 결과, 금강하구에서는 주로 밀물에 포함되어 바다에서 유입되는 실트와 점토질의 미세립자가 하굿둑에 이동이 막히면서 세립퇴적물이 하굿둑 주변에 지속적으로 쌓이는 퇴적작용이 우세한 환경으로 변화되었다. 이는 인근의 갯벌의 토성과 유기물 함량에 영향을 미치면서 유부도 갯벌에서도 하구와 가까운 동쪽은 혼합갯벌로 세립 퇴적물이 쌓이고 있으며, 해측으로 열린 북측은 사질갯벌로 공간적인 변이를 나타내고 있음을 확인하였다. 본 연구의 결과는 금강 닫힌하구에서 탄소물질 이동과 갯벌 퇴적 특성을 조사한 실증연구로서 세계자연유산 서천갯벌의 보전 방안에 마련에 기여할 것으로 기대한다.