낙동강 퇴적물에서 영양염류 용출특성에 관한 연구
이규열․이권철*․김주언*․김신*․안정민*․임태효*,†
낙동강유역환경청
*
국립환경과학원 낙동강물환경연구소
A Study on the Nutrient Release Characteristics from Sediments in Nak-dong River
Kyu Yeol Lee․Kwon Choel Lee*․Ju Eon Kim*․Shin Kim*․Jung Min Ahn*․Tae Hyo Im*,†
Nakdong River Basin Environment Office
*
National Institute of Environmental Research, Nakdong River Environmental Research Center (Received 4 March 2015, Revised 26 October 2015, Accepted 16 November 2015)
Abstract
In this study the releasing of nutrients from sediments of Nak-dong River were investigated. We perfomed lab-scale simulation experiments using field sediment and ware. Nutrients, orgarni matter, particle size of the sediments and nutrients of released water were analyzed. Analyzed results of the sediments, mainly composed of mS(muddy Sand) sedimentary facies and IL were 2.46~6.83%, T-N were 1.189~2.492 mg/kg, and T-P were 333~726 mg/kg in the study area. Analyzed results of the nutrients of released water, pH and TOC were each 7.8~9.2% and 31.7~40.8% decreased after 20 days. T-N increased steadily, and NH
3-N increased steadily then decreased, at this time NO
3-N increase. Also NH
3-N increased steadily, then decreased at this time. Furthermore release of phosphorus were mostly decreased.
Key words : Nak-dong River, Nutrient, Phosphorus, Sediment, Release, Water quality
1. Introduction 1)
다양한 경로를 통해 수계로 유입되는 오염물질은 최종적 으로 퇴적물에 축적된다. 유역으로부터 유입되어 수저에 쌓 이는 모래, 점토, 유기물질, 광물질 등의 퇴적물은 하상의 변화와 유속의 저하에 의해 운반력이 약화된 곳에 쌓이거 나 화학적으로 침전되는 것으로 이러한 퇴적물의 이동과 퇴적은 주로 유수에 의해 일어난다. 특히 우리나라의 하천 과 같이 강우에 의한 유량 변동이 큰 수계는 집중 강우 시 많은 양의 퇴적물이 하천 하류나 호소 바닥 층으로 이동하 여 축적되고, 이 과정에서 홍수나 준설 등으로 인해 퇴적 물이 재 부유, 침식, 교란 등의 활동에 의해 오염물질이 용 출되어 하천 및 호소의 수질에 심각한 영향을 미칠 수 있 다(NIER, 2012).
우리나라는 기후변화에 따른 수해 예방과 부족한 수자원 확보를 위해 2011년부터 4대강의 정비사업을 실시하였고, 그 일환으로 4대강에 16개의 보가 건설되었다(MOLIT, 2009).
그러나 이와 같이 하천의 체류시간을 늘려 유량을 확보하
†
To whom correspondence should be addressed.
[email protected]
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는 보의 운영은 유역 환경의 큰 변화를 야기하며, 유속의 감소와 함께 수저 퇴적환경에 큰 변화를 일으킬 수 있다.
실제로 4대강 사업 이후, 4대강 중 가장 많은 8개의 보가 설치된 낙동강은 수심 및 수량 증가와 같은 물리적 변화로 인해 유역의 특성이 유수형 하천에서 정수형 호소로 전환 되고 있으며, 하천의 흐름 정체로 보 상류의 유사거동에 많은 영향을 미치고 있다(Ahn et al., 2014).
이러한 퇴적환경 변화의 위험은 오염된 퇴적물이 수층과 물리･화학적 상호작용을 통해 수계내로 오염물질의 용출이 일어면서 지속적으로 수질을 저하시키는 내부 오염물질로 작용하는 것이라 할 수 있다. 따라서 앞으로 변화된 유역 환경의 저층 퇴적물의 관리와 함께 오염원으로서의 작용을 최소화하기 위해 퇴적물에서 기인된 오염물질의 용출특성 에 관한 연구가 다각도로 이루어져야 한다.
외국에서의 용출특성 연구는 Chesapeake Bay의 계절적
용출의 패턴과 조절 요소, 생태적 중요성에 관한 연구
(Cowan and Boynton, 1996), 부영양화된 저수지의 퇴적물
로부터 질소와 인의 용출비와 잠재적 위험성에 대한 연구
(Nowlin et al., 2005), 호소에서 내부 용출 인을 관리 특성
연구(Hickey and Gibbs., 2009) 등이 있다. 국내에서는 대
청호 유기퇴적물 분포 및 용출 특성 연구(Lee and Lee, 2004),
아산호 퇴적물에서 영양염류 용출특성에 관한 연구(Ki et
al., 2010), 퇴적물의 영양염류 용출과 호기적 조건과의 상
관성 분석(Cho et al., 2011) 등이 있으나 대부분 호소를 대
Fig. 1. Map showing sampling site of study area in Nakdong-River.
상으로 한 것이며, 낙동강 내의 용출특성에 관한 연구도 Hwang et al. (2007)의 낙동강 퇴적물 내 중금속 존재 형태 및 용출 가능성에 대한 연구, Kwon et al. (2012)의 부산신 항 용원수로에서의 퇴적물 용출특성에 관한 연구 등 주로 하천 말단의 하구언이나 연안 퇴적물 등에 편중되어있는 실정이다. 최근 4대강 사업 완료 후 에는 Kim et al. (2013) 이 남한강 보 구간 퇴적물의 영양염류 용출에 관한 연구를 수행하였다. 하지만 특히 보 건설 이전 하상의 대부분이 모래로 구성된 낙동강에서 보 건설 이후 변화된 환경과 이 에 따른 용출특성연구는 미흡한 실정이다.
따라서 본 연구는 낙동강에서 보 건설 이후 변화된 환경 에 따른 지점별 용출특성을 분석하여 연구하였다. 이를 위 해 낙동강 중류의 강정고령보 상류 구간 6개 지점의 퇴적 물을 채취하여 입도, 완전연소가능량, TOC, T-N, T-P, SRP 등 퇴적환경을 조사하였고, 각 지점별 용출실험을 실시하여 용출수의 pH, TOC 및 영양염류의 농도를 분석하였다.
2. Materials and Methods
2.1. 연구 대상 지역
본 연구의 대상 유역인 낙동강은 강원도 태백시 화전동 황지천 상류의 금태봉 동쪽 계곡에서 황지천을 따라 경북 봉화군 석포면에서 본류인 낙동강을 물줄기가 형성된다. 유 역은 동경 127°29'19"~129°18'00", 북위 34°59'41"~37°12'52"
사이의 한반도 동남부에 위치하며, 북쪽으로는 한강유역, 서쪽으로는 금강 및 섬진강 유역과 접하고, 동쪽으로는 태 백산맥이 동해안 유역과 분수령을 형성하고 있고, 남쪽으로 는 낙동강 남해권역과 접해있다. 낙동강의 유역면적은 남한 면적의 약 1/4인 23,817 km
2, 유로연장은 521,5 km이며, 유 역평균 표고는 EL. 291.2 m, 유역평균 경사는 32.3%이다.
낙동강 유역의 일반적인 특성은 산지가 많으며 하폭이 넓 고 평탄하나 식생이 불량하여 침식이 심하고 유출이 불규 칙하여 홍수와 한해의 피해가 크고 유사로 인한 하상변동 이 특히 심하다.
연구대상구간은 낙동강수계의 강정고령보 상류 약 1.2 km 지점이며, 행정범위는 대구광역시 달성군 다사읍, 경상북도 고령군 다산면 곽촌리 일원이다. 상류 합류되는 지류하천으 로는 지방하천인 하빈천, 신천, 백천이 있으며, 강정고령보 하류에 국가하천인 금호강이 합류된다. 좌안에는 상수원보 호구역으로 지정되어 있고, 급수인구가 160만명에 이르는 주요 취수구역인 강정취수장이 위치해 있다. 강정고령보가 위치해 있는 지점은 2000년에 기존 EL.15.6m로 유지되던 돌보가 철거되고 EL.14.6m로 운영될 수 있는 강정취수보가 건설되었으며, 현재는 EL.19.5m로 관리수위가 유지되는 강 정고령보가 건설되어 있다(NIER, 2008; Lee et al., 2013).
2.2. 현장 시료의 채취
본 연구의 현장시료 채취는 강정고령보 상류 약 1.2~1.5 km 구간이며, 공간적 퇴적 환경 분석과 용출특성을 평가하기 위하여 약 200 m 간격으로 격자형 6개 지점을 선정하였다 (Fig. 1) (Table 1). 시료의 채취는 퇴적물의 교란을 최소화 하기위해 잠수부들이 직접 하상 퇴적층에 접근하여 Core 상태의 시료를 채취하였다. 퇴적층 시료채취 용기 또한 용출 반응조 크기에 맞게 제작하였으며, 퇴적층의 두께 약 10 cm 를 교란 없이 채취 하였다. 이와 함께 각 지점별 퇴적환경 조사를 위하여 용출시료채취 동일지점의 퇴적물을 추가 채 취하여 퇴적물 분석시료로 사용하였다.
2.3. 분석방법
각 지점별 퇴적물 분석항목은 입도(particles size), 완전연
Table 2. Methods and instruments for analyses
Parameter Experimental methods Instruments
Sediment
Particles size Particle size analyzer method PSA
IL Ignition Loss method Muffle Furnaces
TOC Elemental analzer method Elemental analzer
T-N Elemental analzer method Elemental analzer
T-P Absorptiometric analysis UV-VIS spectrophotometer
SRP Absorptiometric analysis UV-VIS spectrophotometer
Water
pH Diaphragm electrode process pH meter
TOC High temperature combust method TOC analyzer
T-N Absorptiometric analysis UV-VIS spectrophotometer
NH
3-N Absorptiometric analysis Discrete Analyzer
NO
3-N Ion chromatography method IC
NO
2-N Ion chromatography method IC
T-P Absorptiometric analysis UV-VIS spectrophotometer
PO
4-P Absorptiometric analysis Discrete Analyzer
Fig. 2. Schematic diagram of apparatus used for release experiment.
Table 1. Station number, Geographical position, and Water depth of the Sampling site in study area
Sample
Number Latitude (N) Longitude (E) Water Depth (m) K1 35º50'48.52" 128º27'07.63" 9.3 K2 35º50'43.45" 128º27'04.94" 8.7 K3 35º50'37.88" 128º27'02.65" 9.0 K4 35º50'39.40" 128º26'57.50" 9.3 K5 35º50'44.90" 128º26'59.10" 9.6 K6 35º50'50.90" 128º27'01.60" 7.2
소가능량(Ignition loss), TOC (Total Organic Carbon), T-N (Total Nitrogen), T-P (Total Phosphorus), SRP (Soluble Reac- tive Phosphorus) 이다. 채취한 퇴적물 시료를 현장에서 2 mm 체로 거른 뒤 원심분리기로 수분을 제거하여 완전연소가능 량과 입도 분석용 시료로 사용하였다. 이때 현장 시료에서 2 mm 이상의 자갈성분은 나오지 않았다. 또한 나머지 항 목의 분석용 시료는 현장에서 2 mm 체로 거른 시료를 4°C 이하 암소 보관하여 신속히 실험실로 이동한 후 서늘한 곳
에서 풍건하였다. 수분이 제거되고 풍건이 끝난 시료는 다 시 전량 분쇄하여 0.1 mm 체를 통과시켜 분석시료로 하였다.
용출 반응의 수질시료분석항목은 pH, TOC, T-N, NH
3-N, NO
3-N, NO
2-N, T-P, PO
4-P 이다. 각 항목의 분석은 수질오 염공정시험법 및 하천･호소 등 퇴적물공정시험기준에 따라 분석하였다(MOE, 2012). 항목별 분석방법과 측정장비는 Table 2에 나타내었다.
2.4. 용출반응조
본 연구의 용출실험을 위해 원통형 용출 반응조를 제작
하였으며 이를 Fig. 2에 나타내었다. 실험에 사용될 반응조
는 아크릴 재질로 하였다. 반응조의 크기는 지름 22 cm, 높
이 60 cm이며 퇴적물과 상등수의 부피를 약 1:4로 하여 용
출실험을 진행하였다. 실험에 사용될 퇴적물 시료는 잠수부
를 동원하여 직접 채취하였다. 반응조 설치시 교란을 최소
화하기 위하여 반응조에 대상 퇴적물을 넣은 후, 퇴적물이
부유되거나 물리적인 충격에 의해 영양염류나 유기물이 용
출되는 것을 최소화하기 위하여 벽면을 따라 조심스럽게
Table 3. Physical and chemical characteristics of sediments used in the experiment Sample
number
Particle size
IL (%) TOC (%) TN (mg/kg) TP (mg/kg) SRP (mg/kg) Sand (%) Silt (%) Clay (%)
K1 67.5 29.0 3.5 5.99 0.96 1925 518 N.D.
K2 65.9 30.7 3.5 4.70 0.95 1913 570 N.D.
K3 48.4 46.1 5.5 6.83 1.62 2360 664 N.D.
K4 44.9 48.1 7.0 6.61 1.46 2492 726 N.D.
K5 77.3 20.0 2.8 3.50 0.67 1478 457 N.D.
K6 90.1 9.9 0.0 2.46 0.49 1189 333 N.D.
물을 채웠다. 시료를 주입한 후에는 조류의 광합성에 의한 산소 조건 변화 방지를 위하여 밀폐 및 차광 상태를 유지 하였다. 호기성 상태를 유지하기 위하여 Air pump를 이용 하여 산소(공기)를 공급하였다. 반응조 내부의 온도는 상온 (20°C)를 유지하였다.
용출수의 수질시료채취는 2일 간격으로 9회, 최종 용출수 수질은 4일 후인 20일 시료를 채취 하였다. 수질채취시 각 반응조의 상등수 500 mL를 퇴적층의 교란에 주의하여 신 속하게 실시하였고, 사용된 수량의 보충을 위해 수질 실험 에 사용하는 증류수 500 mL를 주입하였다. 상등수 수질분 석 후 희석된 실험수의 분석 값은 계산에 의해 보정하였다.
2.5. 용출속도
용출반응조의 실험결과를 바탕으로 용출속도를 구하여 지점별, 항목별 용출 특성 분석에 활용하였다.
용출속도는 퇴적물 표면으로부터 단위시간 동안 용출되는 물질의 양으로써 식 (1)로 나타낸다(Hieltjes and Lijklema, 1980).
용출속도
× ∆
∆
(1)
여기서 A는 용출조의 바닥 면적(m
2), V는 상등수 부피(L), C는 용출실험 전･후 농도(mg/L), t는 시간(day)이다.
용출속도 계산시 반응조에 보충된 증류수의 희석효과는 분석결과에서 계산하였다.
3. Results and Discussion
3.1. 퇴적환경 분석
본 연구에서 각 지점별 퇴적물 특성 분석을 위해 지점별 입도, 완전연소가능량, TOC, T-N, T-P, SRP 를 분석하였으 며(Table 3), 각 지점들의 입도 분석결과를 Fig. 3에 나타내 었다.
K1, K2번 지점의 실트 함량이 29.0%과 30.7%로 비슷했 으며, K3과 K4번 지점이 각각 46.1%, 48.1%의 실트 함량 으로 유사한 입도 범위를 나타내었다. K5번 지점과 K6번 지점은 실트함량이 각각 20.0%, 9.9%로 대상지점들 중 가 장 낮았으며, 특히 K6번 지점의 점토 함량은 0%이고 모래 함량이 90% 이상으로 나타났다. 분석 결과 강정고령보 우 안 인 K3, K4번 지점의 실트와 점토 함량이 높고, 분석 지
Fig. 3. Particle distribution of sediments used in the experiment.
점들 중 상류 쪽 퇴적물인 K5, K6번 지점의 모래 함량이 상대적으로 높았다. 이는 강정고령보 상류 우안쪽에 세립한 입자의 퇴적이 활발하고, 부유 입자들이 강정고령보와 근접 하면서 보의 근처에 세립한 입자들이 퇴적되는 것을 보여 준다.
입도 분석 결과를 삼각다이어그램(Folk, 1968)에 도시하 였다(Fig. 4). 퇴적물 유형을 자갈, 모래, 펄을 기준으로 구 분하면 사질니(sandy Mud; sM), 니질사(muddy Sand; mS), 사(Sand; S)의 3가지 퇴적상으로 구분되었으며, 니질사 퇴 적상이 주로 나타났다.
대상지역 퇴적물의 환경농도 평가를 위해 하천･호소 퇴 적물 오염평가 기준(환경부예규 575호)과 비교하였다. 완전 연소가능량 값은 2.46~6.61%로써 기준치인 13%에 19~51%
의 값을 나타내며, T-N과 T-P의 분석결과도 각각 1,189~
2,492 mg/kg, 333~726 mg/kg으로 기준치인 5,600 mg/kg, 1,600 mg/kg에 각각 21~45%, 21~45%의 값을 나타내었다.
일반적으로 퇴적물이 세립할수록 퇴적물의 오염 농도가 높게 나타나게 되는데(Kim et al., 2013), 본 연구에서도 입 도 분포가 각각 비슷한 분포를 보인 K1-K2번, K3-K4번, K5-K6번 지점들의 퇴적물 분석농도가 비슷한 경향을 보였다.
한편 퇴적물에서 인의 형태 중 용출이 가장 쉬운 형태로 알려진 SRP의 값은 검출되지 않았다.
3.2. 항목별 용출특성분석
