수중음향기법을 이용한 용담호의 어류 분포특성 연구

Hydroacoustic Survey of Fish Distribution and Aggregation Characteristics in the Yongdam Reservoir, Korea

Abstract

Hydroacoustic surveys were conducted for spatio-temporal distribution and size estimation of fish in the Yongdam reservoir, Korea, from April to July 2014. Acoustic data were collected along acoustic transects using a 120 kHz scientific echosounder. The received acoustic data were the in situ acoustic target strength (dB) and nautical area scattering coefficient ($m^2/mile^2$). Data on fish behavioral patterns and size were collected using a DIDSON acoustic camera at stationary stations. Fish were mainly distributed in the center channel and close to the outer Yongdam reservoir. Acoustic density of fish in the summer season were higher than in the spring season. The seasonal vertical distribution pattern of fish aggregations may be strongly related to the vertical temperature structure. The size distribution of fish obtained from an acoustic camera correlated well with the acoustic size of fish from an echosounder.

서 론

국내 내수면은 하천의 수위 유지 및 농업용수 공급을 위한 보부터 수자원의 효율적인 관리 및 발전소 운영을 위한 다목적 댐에 이르기까지 다양한 규모의 수리 구조물이 축조되어 있다. 그중 용담호는 2001년 용담댐이 준공되어 생성된 인공호수로 서해안 지역의 효율적인 수자원으로 사용되고 있다. 2000년 이전 용담호는 얕은 수심 및 빠른 유속의 계류성 하천이었으나, 용담댐 완공 이후 완만한 유속 및 정체로 인한 오염 물질의 퇴적 현상으로 생태계 큰 변화가 진행되고 있는 수역이다(Lee et al., 2009). 특히 용담댐 건설 이후 서식지의 수몰로 인한 고유 어종의 서식지 감소와 블루길과 배스 등 외래종의 유입으로 생태계 교란이 진행되고 있다(Yang et al., 2012).

국내에서 육상 담수역 및 해양에서 어류의 시·공간적인 분포 파악을 위한 조사는 1960년 이후 현재까지 주로 어구어업으로 진행되고 있다(Choi, 1971; Huh, 1986; Cha et al., 2004). 용담호 또한 2000년 이후 낚시, 투망, 족대, 일각망 등의 어구 조사를 통해서 어류의 종조성 및 분포 특성에 대한 연구가 진행되고 있다(Lee et al., 2009; Yang et al., 2012). 이러한 전통적인 채집 방법은 정성적인 자료 측면에서 많은 장점이 있지만, 한정된 채집 면적 및 수층 제한성이라는 측면에서 정량적인 자료 도출에 오차를 만들어 낼 가능성이 높다. 정성 분석이 치우친 어구 채집 방법의 문제점을 극복하기 위한 방법 중 하나인 생물 음향 기법은 1980년대 초 제시되어 국내에서는 1990년대 이후 주로 해양 생물의 분포 및 자원량 조사에 활발히 적용되고 있다(Kang et al., 2003; Lee et al., 2014).

생물 음향조사는 국외에서 해양 생태계뿐만 아니라 호수 및 저수지와 같은 담수 환경에서 어류 분포의 정량적인 평가와 대상 어류의 모니터링 및 생태학에 관한 연구에 적용되고 있다(Godleska and Jelonek, 2006; Knudsen and Larsson, 2009). 생물 음향 기법의 특징은 연구자의 주관을 배제시키고 사전에 설정된 음향 조사 정선으로부터 연속적이며 전 수층에 대한 객관적인 자료를 얻을 수 있는 장점 있다. 또한 최근에 수층 내 생물체 간의 상호 작용 및 자연상태에서의 행동 특성의 측정을 위해서 수중 음향 카메라 (underwater acoustic camera, Dual frequency IDentification SONar; DIDSON)가 개발되어 전 세계적으로 해양 생물학 및 구조해석 분야 활용되고 있다. 음향 카메라는 광학 카메라와 달리 빛에 의한 자극이 없기 때문에 자연상태에서 수중 생물체의 유영행동 특성을 관찰할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 댐이나 강하구 지역에서 음향 카메라를 설치하여 어류의 개체수 측정 및 유영 특성 모니터링 등 해양 생태계와 결합한 어류 자원의 해석 측면에서 활용되고 있다(Kang, 2011; Yang et al., 2012).

본 연구에서 용담호 내의 어류의 시·공간적인 분포 특성을 파악하기 위해서 춘계부터 하계시기까지 계량어군탐지기를 이용하여 정선 조사를 실시하였고, 용담호 내측과 외측 고정정점에서 음향 카메라를 이용하여 어류의 크기 및 유형 행동 특성을 관측하였다. 또한 계량어군탐지기와 음향 카메라로 분석한 용담호 내 어류의 체장 분포 결과를 상호 비교·검증하여 생물음향기법의 효용성 검증하였다.

 

재료 및 방법

음향 조사 및 음향 시스템

본 조사는 전라북도 진안군 용담면에 위치한 용담호에서 2014년 춘계와 하계시기인 4월, 5월, 7월 총 3회에 걸쳐 계량어군탐지기(scientific fish echosounder)를 이용하여 용담호 내 음향 정선 조사(35° 03′ N ~ 35° 55′ N, 127° 31′ E ~ 128° 42′ E)를 실시하였다(Fig. 1). 음향 정선은 낮은 수심 및 그물에 의한 센서의 안정성 확보를 위해 정선 간의 간격 변동이 있는 자유 정선(random transect) 방식을 사용하였다.

Fig. 1.Study area for acoustic survey in Yongdam reservoir, Korea. The lines are acoustic transects and the squares represent acoustic camera and CTD stations.

본 실험에 사용한 계량어군탐지기(Simrad EK60, A Kongsberg Company, Horten, Norway)는 시스템 제어부와 센서부로 구성된 통합 시스템이다(Simrad, 1997). 음향 센서의 송·수신 주파수는 120 kHz이고, 조사선 측면에 치구를 이용하여 센서를 고정 후 해수면으로부터 약 0.8 m의 심도를 유지하며 정선 이동간에 음향 자료를 획득하였다. 자료 획득시 조사선 이동 속도는 송·수신 음향 신호의 안정성 및 센서 부근에 형성되는 기포의 영향을 고려하여 약4 노트로 일정하게 유지하였다. 계량어군탐지기를 이용하여 조사 정선 내 어류 개개의 음향 반사강도(Target strength, TS)와 어군 전체의 분포 특성 및 강도를 나타내는 체적 후방산란강도(Volume backscattering strength, SV)를 위치 자료와 함께 획득하였다. 송신 신호의 폭(pulse width)과 간격(ping interval)은 각각 0.512 ms와 0.25 s 이고, 자세한 시스템 파라미터는 Table 1 에 기술하였다.

Table 1.Specification of an acoustic echosounder and an acoustic camera

음향 정선 조사시 2014년 5월 2개의 고정 정점(St.1: 35° 54.362′ N, 127° 32.267′ E; St.2: 35° 54.523′N, 127° 30.181′E)에서 음향 카메라(DIDSON) 조사를 실시하였다(Fig. 1). 실험에 사용한 음향 카메라는 1.8 MHz의 초고주파로 96개의 센서가 0.3° 간격으로 방사하여 수평각도 28.8°에 대한 디지털 음향 영상 자료가 저장된다(Table 1). 음향 카메라는 시스템의 안정성 확보를 위해 조사선 정지 후 치구를 이용하여 수직 방향에 대한 21프레임의 화상 신호를 저장하였다. 음향 카메라는 St.1과 St.2에서 각각 15분과 10분 동안(St.1: 19:47:20–20:02:50, St.2: 20:29:49–20:39:50 on May 27, 2014) 운영 하였다. 음향 카메라 조사 후 CTD (Seabird, SBE-19 plus)를 이용하여 수온 자료를 획득하였다.

음향 자료 처리

계량어군탐지기와 음향 카메라를 이용하여 획득한 자료는 음향 자료 처리 프로그램(Echoview Ver. 4.70, Myriax Pty Ltd, Hobart, Tasmania, Australia)의 가상 에코그램 기법으로 분석하였다(Myriax, 2009). 정선 내 어류의 개체수 및 수직 분포는 계량어군탐지기로 획득한 음향 반사강도(TS)를, 어류 자원의 시·공간적인 분포 특성은 체적 후방산란강도(SV) 자료를 이용하여 분석하였다. TS 자료는 가상 에코그램 알고리즘 중Single target detection method (split beam method 2)과 Fish track technique 기법으로 조사 정선 내 어류의 개체수를 분석 하였다. 자료 처리는 획득한 TS 자료 내 자료의 질이 불량한 영역에 대한 잡음 제거(Mask bad data) 후, 산란체에 의한 수신 신호의 위치 정보(Angular position)를 활용하여 단일 개체에 의한 신호를 탐지하였고, 단일 개체에 의한 신호에 대해서Fish track detection(Alpha axis–0.7, Beta axis–0.5) 알고리즘으로 어류의 움직임을 고려하여 추출하였다. 자세한 분석 변수는 Table 1에 기술하였다. SV 자료는 가상 에코그램 기법을 활용하여 잡음 제거와 거리 및 수심에 대한 자료의 압축(Resample by Time & Depth) 후 분석하였다. 분석된 SV 자료는 비선형 형태로 일반적으로 선형 개념의 면적으로 표시되는 면적 산란계수(Nautical Area Scattering Coefficient, NASC, m2/n·mile2)로 변환한다. 본 음향 조사에서 정량적으로 수집된 SV 자료는 0.1 n·mile 간격의 EDSU (Elementary Distance Sampling Unit)로 추출하여 어류 자원의 시·공간적인 분포 특성을 파악하였다.

음향 카메라로 획득한 디지털 음향 화상 자료는 가상 에코그램 기법의 음향 카메라 자료 처리 방법을 활용하여 TS 신호로 변환하였다(Kang, 2011). 변환된 TS 신호는 계량어군탐지기 신호와 동일한 방법(Single target detection method, Fish track technique)으로 처리하여 용담호 내측과 외측의 어류 개체의 개체수 및 체장에 대한 빈도 분포로 추출하였다. 음향 카메라로 측정한 어류의 체장 분포와 계량어군탐지기 측정 결과와의 비교 및 검증하였다. 계량어군탐지기로 탐지된 어류의 TS 자료로부터 어류 체장 계산을 위해서 부레를 가지고 있는 경골어류의 일반적인 120 kHz의 음향 표적 함수를 활용 하였다(Simmonds and MacLennan, 2005).

TS 120 kHz = 20·log10 (total length, cm) − 72.0

 

결 과

어류의 시·공간적인 분포

본 실험은 용담호에 서식하는 어류의 시·공간적인 분포 및 체장 파악을 위하여 음향 조사를 실시하였다. 계량어군탐지기를 이용하여 조사 시기 별로 약 3.6 n·mile에 대해서 자유 음향 정선 방식으로 조사 하였고, 용담호 내측과 외측의 고정 정점에서 음향 카메라로 음향 영상 자료를 획득하였다. 음향 조사를 통한 수중 지형은 남쪽 내측의 경우 능선으로 최소 2.5 m의 낮은 수심을 보였고, 북쪽 방향으로 수심이 증가하는 특성을 가지고 있다. 특히 북쪽 외측은 급격히 수심이 변동되는 경사면을 가지며, 최대 수심은 약 22 m로 조사 수역의 북서쪽에 위치하였다(Fig. 1).

계량어군탐지기로 획득한 어류의 TS 자료를 분석 결과 조사 정선에서 탐지된 어류의 총 개체수는 23-559 마리로 춘계에서 하계로 갈수록 개체수가 증가하였다. 용담호 내 어류의 수직 분포는 시기 별로 큰 차이를 보였다[Fig. 2(a)]. 춘계시기인 4월의 경우 10.1 m (±4.1)로 상대적으로 깊은 수심에 어류가 분포하는 반면 5월과 7월은 각각 6.0 m (±2.3)와 5.4 m (±0.9)로 4월에 비해서 상대적으로 낮은 수심에서 분포하였다. CTD를 통해서 획득한 7월의 수직 수온 분포는 큰 편차를 보였다[Fig. 2(b)]. 표층부터 5 m 까지는 25°C 이상의 높은 표층 수온을 보인 반면 중층 수온약층을 이후 해저면 부근은 7°C 이하의 낮은 수온 분포를 보였다.

Fig. 2.(a) Boxplot for vertical distribution of fish recorded using echosounder from April to July, 2014. The central mark is the median, and the edges of the box are the 25th and 75th percentile. (b) Vertical profile of temperature in July of 2014.

Fig. 3은 조사해역에서 계량어군탐지기 주파수 120 kHz로 춘계와 하계시기 획득한 SV의 예로 SV신호를 0.1 n·mile로 압축한 후 가상 에코그램으로 나타냈다. 2014년 4월의 경우 SV 신호가 전층에 거의 확인되지 않았다[Fig. 3(a)]. 반면 2014년 7월의 경우 4월에 비하여 상대적으로 강한 SV신호(–65 ~ –53 dB)가 측정되었고, 특히 수온약층 상층 특정 수심(≈ 5.4 m )에 분포 했다[Fig. 3(b)].

Fig. 3.Examples on vertical echogram of fish aggregation recorded at 120 kHz in April and July, 2014.

조사 수역에서 계량어군탐지기로 획득한 SV에 대해서 어군의 상대적인 현존량을 나타내는 NASC로 각 음향 정선 위에 표출하였다. Fig. 4는 2014년 4월, 5월, 7월 조사수역 내 음향 정선에서 수신된 NASC 분포이다. 4월의 경우 전체적으로 음향 산란강도가 약하게 측정되었고, 용담호 내측 보다 외측에서 높은 산란 신호가 나타났다. 5월과 7월의 경우 전 정선에서 고르게 NASC가 분포하였고, 4월 보다 상대적으로 높은 음향 산란강도가 측정되었다. 용담호 내 어류의 시·공간적인 분포 특성은 시기 별로는 춘계에서 하계로 갈수록, 공간적으로는 조사 수역 중심부에서 높은 NASC 분포를 보였다.

Fig. 4.Spatial-temporal distribution of fish aggregations using nautical area scattering coefficient (NASC, m2/mile2) data with 0.1 n·mile interval in Yongdam reservoir, Korea, from April to July, 2014.

음향 카메라를 이용한 어류의 체장 분포

해수면부터 최대 12 m 수층에 대해서 음향 카메라의 방사 빔 각도를 수직 방향으로 모니터링을 통한 어류의 체장 분포를 측정하였다. Fig. 5는 2014년 5월 St. 2에서 음향 카메라로 획득한 디지털 음향 영상의 예로, 조사시기 60 cm 이상의 대형 어류 군체가 포착되었다. 획득한 디지털 음향 영상은 음향 자료 처리를 통해서 어류의 개체수 및 체장 분포 결과로 추출하였다. 음향 카메라를 이용하여 용담호 내측 정점(St.1)과 외측 정점(St.2)에서 측정된 어류 개체는 각각 31 마리와 93 마리였고. 용담호 내측 St.1에서 측정된 어류 체장은 15.6 cm (2.5-35.3), 외측 St.2의 어류 체장은 21.2 cm (4.0-84.1)로 나타났다(Fig. 6). 용담호 내측의 경우 40 cm 이하의 어류 신호만 탐지된 반면에 외측의 경우 40 cm 이상의 어류가 탐지되었다.

Fig. 5.An example of echogram overlaid with targets obtained from acoustic camera.

Fig. 6.Length frequency distribution obtained from acoustic camera in (a) St.1 and (b) St.2 on May 27, 2014.

 

고 찰

생물음향 기법을 이용하여 용담호 내 춘계부터 하계까지 어류의 시·공간적인 분포를 측정한 결과 시기 별과 공간 별로 큰 차이를 보였다. 시기 별로는 춘계시기인 4월의 경우 음향조사 결과 어류가 거의 탐지되지 않은 반면에 5월과 7월 하계시기로 갈수록 탐지되는 개체수가 증가하였다. 본 결과는 용담호 일부 수역에 대한 어류의 공간적인 분포로 조사 시기 별 음향 조사 구역 내 현존량으로 볼 수 있다. 어류의 수직 분포는 하계시기가 춘계시기에 비해서 상대적으로 상층부에 존재하였고, 특히 7월의 경우 수온약층 위에 분포하였다. 이는 조사 해역의 수직 수온 차이에 의한 환경적인 영향으로 일반적으로 수온약층 상층부에 높은 용존 산소(Dissolved Oxygen)로 인하여 어류의 먹이 생물이 분포하는 것으로 알려져 있다. 따라서 먹이 생물의 영향으로 어류의 분포 수심이 변동 되는 것으로 판단된다. 일반적으로 댐과 연결된 담수역은 강우나 방류상황에 따라 수심이 변동되는 가능성이 존재하지만 조사시기 동안 수심 변동은 거의 없었다. 또한 용담호의 주요 어종으로 알려진 블루길과 배스는 20°C 이상의 높은 수온을 선호 하는 것으로 알려져 있다(Donald et al., 1975).

음향 카메라로 측정한 어류의 체장 분포와 계량어군탐지기 측정 결과와의 비교 및 검증을 위해서2014년 5월 계량어군탐지기로 획득한 TS 자료로 어류의 체장 분포를 계산하였다. 조사 결과 과학어군탐지 조사 정선 내 476 마리의 어류 탐지 되었다. 음향 조사된 수역 어류의 평균 TS는 -49.0 dB (-60.8 ~ -35.4)였고, 표적함수를 이용하여 추정한 어류의 체장 분포는 4-68 cm 였다. 측정된 어류의 체장은 대부분 20 cm이하 였고, 용담호 외측에서 40 cm 이상 어류 신호가 일부 탐지되었다(Fig. 7). 분석한 계량어군탐지기 결과는 정선 이동 간 획득한 자료로 정지 정점에서 획득한 음향 카메라 결과와 절대적인 비교는 할 수 없지만 상대적인 유사한 결과를 보여 두 음향 시스템의 결과를 상호 검증하였다.

Fig. 7.Length frequency distribution obtained from echosounder on May 27, 2014.

다양한 어종이 분포하는 수역에서 특정 어종을 목적으로 한 어종간 식별 작업을 위해서 조사수역에서 어류 채집어구와 같은 표본 생물의 어종상 분포를 파악 및 어종 별 음향 특성을 파악해야 한다. 음향 조사와 독립적으로 동일한 수역에서 어구를 이용하여 어류 종조성 조사를 실시하였다. 종조성 조사는 2014년 4월부터 7월까지 총 7회에 걸쳐 실시하였고, 사용한 어구는 자망, 통발, 들망, 주낙, 지인망, 장망 등 다양한 어구를 이용하여 진행하였다. 실시한 어구 채집 결과 용담호 내 주요 우점 어종은 블루길과 배스로 각각 72.5%와 10.3%를 차지하여 전체의 80% 이상 우점하였다(Table 2). 그 외에 붕어(5.7%), 피라미(4.1%), 끄리(1.7%), 누치(1.6%), 참붕어(0.9%) 순으로 채집되었다. 어구 채집 결과와 음향 자료와의 비교시 채집 수심과 어구별 선택성 채집으로 인하여 낮은 상관성을 보였다.

Table 2.Number and relative proportion of individuals (%) for each fish species from April to July in 2014.

국내 내수면 어종의 음향 산란 특성은 해양 어종에 비해서 거의 연구가 진행되고 있지 않은 실정이다. 본 조사 수역에서 채집된 주요 어종인 블루길 및 배스에 대해서 X선 촬영 결과 부레가 존재 및 형태 차이를 확인 하였고, 차후 생물 음향 모델을 구현 및 음향 산란 특성을 활용하여 조사 수역 내 어종 분류 및 현존량을 추정 할 예정이다(Fig. 8).

Fig. 8.Examples of digitized and reconstructed shape of a fish body and a swimbladder for bluegill Lepomis macrochirus and bass Micropterus salmoide.

생물음향 기법은 1990년 이후 국내에 보급되어 해양에서 다양하게 조사가 되고 있는 반면 내수면에서는 거의 활용되지 않고 있다. 일반적으로 어류 자원 조사에 적용하고 있는 그물이나 잠수 조사 방법으로는 서식처 특성에 따라 시·공간적 분포 불규칙성이 큰 오류를 일으킬 가능성이 있다. 기존의 어구를 활용한 연구 결과 블루길 또는 배스는 일반적으로 수변의 낮은 수심에 주로 분포하는 것으로 알려져 있다. 이는 어구를 이용한 채집시 수변의 낮은 수심에서 채집 용이함이 영향을 줄 수 있다. 생물음향 기법을 활용하여 상대적으로 넓은 수역과 전 수층을 객관적으로 탐지한 조사 결과 용담호 내 어류의 시·공간적인 분포는 수변부 보다 수심이 깊은 중앙부에 분포하였고, 특히 하계시기의 경우 해저면 보다 특정 수층에 분포하는 경향을 보였다. 따라서 음향을 이용하여 어군을 탐지한 후, 탐지된 수역에서 음향 카메라를 이용한 어류의 분포 및 체장를 탐지하는 본 연구 방법은 내수면 어류의 시·공간적인 분포 파악 및 현존량 평가 측면에 새로운 접근 방법을 제공 할 수 있을 것이다.

본 연구의 최종 목적은 블루길과 배스 같은 외래종으로부터 담수 생태계를 건강하게 유지시키기 위한 생태계 교란 어종의 효과적인 어획 및 제거이다. 2007년 이후 생태계 교란생물의 퇴치 사업을 시행하고 있으며, 현재 시행중인 외래종의 제거 방법은 낚시, 잠수부의 작살을 이용한 직접적인 방법, 투망, 쏘가리와 같은 천적어류를 이용한 제거 방법들이 있다. 본 연구 결과 음향기법을 이용하여 용담호 내 주요 어종의 시·공간적인 및 수직 분포의 변동성을 확인하였고, 차후 용담호 내 생태계 교란어종의 채집시 효율적인 어획에 도움을 줄 것이다.

본 연구는 음향조사를 통해서 용담호 내 어류의 시·공간적인 분포 및 체장 분포를 파악하였다. 이를 위하여 2014년 4월, 5월, 7월 총 3회에 걸쳐 120 kHz주파수의 계량어군탐지기로 음향 정선 조사를 실시하였고, 내측과 외측의 고정 정점에서 음향 카메라를 이용하여 어류의 체장 분포를 측정하였다. 획득한 계량어군탐지기와 음향 카메라 자료의 비교·분석을 통해 검증하였다.

음향조사 결과 어류 분포는 시기적으로 춘계에서 하계시기로 갈수록, 공간적으로 용담호 내측보다 외측에서 상대적으로 강한 음향 산란강도가 측정되었다. 또한 춘계에서 하계시기로 갈수록 어류 개체의 수직 분포가 상승하는 경향을 보였다. 음향 카메라로 측정한 어류의 체장은 내측보다 외측에 크게 나타났고, 계량어군탐지기로 측정한 어류의 체장 분포와 유사한 경향을 보였다.

음향 기법을 이용한 조사방법은 내수면 어류의 시·공간적 분포 측면에서 새로운 접근 방법을 제공하였다. 또한 용담호 생태계 교란 어종인 블루길과 배스의 효과적인 어획방안 개발을 위한 기초 자료로 제공될 것이다.