Abstract
1. 서 론
경상남도 창원시의 용원인근 해역은 부산신항 개발사업의 일환으로 추진된 북컨테이너 부두조 성 사업 및 항만 배후단지 조성사업으로 전면 해 역이 매립되어 원활한 해수흐름이 차단되고, 송 정천 하구 지점의 견마도 북쪽 통로를 이용한 선
박이동만이 가능한 좁고 긴 수로형태로 변형되었 다. 용원수로의 평균 너비는 약 100 m 정도이며, 길이는 3,600 m 정도로 세장비(길이/너비 = 36) 가 아주 큰 수로에 해당하며 과거에 비하여 조석 에 의한 해수소통이 원활하지 않은 편이다. 따라 서 용원수로에 유입되는 오염물질은 장기간 수로 내에 체류되어 서서히 확산되는 양상을 보이고,
부산신항 용원수로에서의 퇴적물 용출특성에 관한 연구
A Study on Sediment Release Characteristics in Yongwon Channel, Busan New Port
권재현
1
·김영도1*
·조영하2
·정태진1
Kwon, Jae Hyun
1·Kim, Young Do
1＊·Cho, Young Ha
2·Jung, Tae Jin
11 인제대학교 환경공학부(낙동강유역환경연구센터)·2 인제대학교 보건대학원 (2012년 2월8일 접수; 2012년 8월6일 수정; 2012년 8월8일 채택)
In Yongwon channel, its natural flow of seawater is blocked by the construction of Busan New Port including the container berth. The channel was transformed into a narrow and long one, where it is possible that ships are only allowed to pass through the north-side channel of Gyeonmado located at the point of river mouth to Songjeongcheon. In addition, Yongwon channel is approximately 100 m wide on average and 3,600 m long, and has the highest slenderness ratio (length/width = 36). So it is con- sidered that the changes in the terrain characteristics of Yongwon channel is likely to alter the circulation of sea water, thereby changing its water quality. In this study, the bottom sediment were collected from the 48 points of the Yongwon channel and the long-term leaching characteristics were analyzed. Thus, changes in sediment and water quality were analyzed through the sediment release test to investigate the degree of contamination. The sediment release from the inside region was higher than the outer region, which is due to the pollutant that comes form the downtown area. The results of this study can be used to predict the water quality in the future and prepare the economically optimized countermeasures to improve the water quality of Yongwon channel, Busan New Port.
Key words : sediment release, Yongwon channel, Busan New Port, water quality 주제어: 퇴적물 용출, 용원수로, 부산신항, 수질
*Corresponding author : Tel.: +82-55-320-3252, E-mail : [email protected](Y. D. Kim)
수로내로 유입되는 오염물질은 대부분 육상에서 기 인하는 오염원으로 판단된다.
호수나 하구와 같이 유속이 느린 수계의 저질 토는 각종 유입 오염물이 침전되어 생성된 것으로 오염물의 침전지로 작용할 뿐만 아니라, 생물화학 적 조건에 따라 수층으로 질소와 인이 용출됨으로 서 영양염을 재공급하는 역할을 한다(Salomons 등 1987; Forsberg, 1989). 일반적으로 수층에서 저 질토 층으로 퇴적되는 영양염류의 양은 저질토로부 터의 용출량에 비해 많아 저질토의 총 영양염류는 점차 증가하기도 하지만, 특정 환경 조건하에서는 급격한 용출량 증가로 부영양화가 더욱 극심해지기 도 한다(Lennox, 1984). 외부에서 유입되는 영양 염 농도와 수중의 영양염 농도를 함께 감소시켜도, 저질토로부터 용출된 영양염류로 인하여 수질개선 효과가 크지 않았던 사례도 있으며(Fast 등, 1975), 부영양화 방지를 위한 수질관리 대책이 수립 시행 되어 유입 영양염류가 차단된다 하더라도 저질토가 준설되지 않으면 이와 같은 정체성 수역의 부영양 화현상은 상당기간 지속될 수 있다(Schindler 등, 1977; Ryding, 1981; Lijklema 등, 1986). 위 연 구들과 같이 외국에서는 연안퇴적물에 관한 연구가 꾸준히 진행되었으나, 우리나라에서의 연안 퇴적물 에 대한 유기물질 농도에 관한 연구는 외국에 비해 상대적으로 부족하다(Choi 등, 2011).
부산신항 개발공사와 더불어 용원수로의 수질변 화에 대한 관심이 부각되어 사후 환경 모니터링 사 업을 통해 2002년 이후 용원입구 1개 지점과 용원 수로 내부 2개 지점을 포함한 3개 지점에서 지속적 으로 다수의 수질항목이 관측되어 왔다(부산지방해 양수산청, 2007; 부산지방해양수산청, 2008). 그 러나 용원수로의 정량적인 환경변화 양상에 대한 명확한 분석결과가 없이는 효과적인 환경개선 대책 수립이 곤란하므로 수질현황 분석 및 미래 수질변 화 예측을 위해 용원수로의 환경변화에 대한 객관 적이고 정량적인 분석 결과를 필요로 하고 있다. 본 연구에서는 용원수로의 퇴적물 영향을 조사 및 분 석을 하고 주요지점의 저질토 채취와 장기간 용출 실험을 하였다. 이를 토대로 수질 변화와 오염정도 를 분석해 보고 장래 수질을 개선하기 위하여 용원 수로 내 오염원을 제어하기 위한 기초자료를 제시 하고자 한다.
2. 연구방법
2.1 퇴적토 채취 및 분석 방법
퇴적토에서 용출되는 오염물질의 양을 현장에서 직접 측정하기에는 한계가 있어 본 연구에서는 현 장에서 퇴적토를 채취하여 실험실에서 퇴적토 용 출실험을 실시하였다. 1차 퇴적토 채취는 2010년 7월 29일 grab sampler를 이용하여 실시하였고 30일간 퇴적토에서 용출되는 오염물질을 분석하 였다. 2차 퇴적토는 2010년 10월 13일 1차 채취와 동일한 방법으로 채취하였고, 1차 채취보다 지점 별 오염 정도를 보다 정밀하게 파악하기 위해서 망 산도 주변 수역(Fig. 1에서 Site 3-5)에서 시료채 취 지점을 증가시켜 격자망을 구성하여 30일간 퇴 적토에서 용출되는 오염물질을 분석하였다. 분석 된 오염물질은 용원수로의 수질에서 문제가 되는 COD, TN, TP 이며 수질오염공정시험법에 준해 실험을 실시하였으며 COD는 망간법으로 하였다.
2.2 퇴적토 채취지점
용원수로는 경남 창원시 진해구 용원동에 위치 하고 있으며 지류는 송정천으로 남해로 유입하는 지방2급 하천이며 송정천의 하천유로 중심을 따 라 좌안측은 행정그룹상 부산광역시 우안측은 경 남 진해시에 속하는 경계하천이다(한국토지공사, 1996). Fig. 1에 나타낸 바와 같이 1차 용출실험에 서는 용원수로 일대 총 26개 지점을 대상으로 하 여 각 지점에서의 퇴적물을 채취하였고, 그 중 오 염이 높다고 판단되는 Site 3 ∼ Site 5에 집중적 으로 13개 지점의 퇴적토를 채취하였다. 또한 Fig.
2에 나타낸 바와 같이 2차 용출실험에서는 1차 용
출실험보다 Site 3 ∼ Site 5 구간에 정밀한 조사
를 위해 세밀한 격자망을 구성하여 22개 지점에서
채취하였다. 또한 정밀 조사 구간인 Site 3 ∼ Site
5의 구간을 4개의 그룹으로 나누어 조사하였다. A
그룹은 상권지역의 육상인접지역이며, B그룹은
공장이 밀집되어 있는 육상인접지역이다. C그룹
은 수로의 중심부에 해당하고, D그룹은 비교적
오염물질의 영향을 적게 받는 외측 지역으로 그
룹을 나누어 분석하였다.
2.3 용출 실험장치 및 용출량 산정 방법
퇴적물 코아의 높이를 일정하게 조절한 후 직 상수를 연동펌프를 이용하여 서서히 주입하여 순환시킴으로서 가능한 한 현장상황을 모사하여 장치를 제작 및 운전하였고, 각 지점의 저층수를 현장에서 채취하여 직상수로 사용하였다. 총26 개 지점에서 채취한 퇴적물을 이용해 각 시료 당
30일 동안 혐기성 상태에서 용출시험을 동시에 실시하였고, 유출수 채취 후 채취한 양만큼 동일 직상수로 보충 하였다. Fig 3에 용출실험장치의 모식도를 나타내었다. 또한 퇴적물 단위중량 당 용출량(mg/kg)은 용출 실험결과를 사용해 식 (1)을 이용하여 산정하였다.
용출량 · · · · · · · · · · 식(1) V : 반응기내 직상수 용적(L)
C
t: 반응시간 t 에서 유출수 오염물질 농도 (mg/L) C
i: 오염물질 초기농도 (mg/L)
M : 반응기내 퇴적물 중량 (kg)
3. 결과 및 고찰
3.1 용출실험 결과
Fig. 1. First sampling points in Yongwon channel
Fig. 2. Second sampling points in Youngwon channel
Fig. 3. Schematic of reactor for sediment release test
1차 용출실험 결과를 식 (1)을 사용해 용출량 을 계산하여 Table 1에 나타내었다. Fig. 4에서 는 지점별 특성을 보기 위해 Site 1 ∼ 5, Site 6
∼ 18, Site 19 ∼ 26으로 분류하여 나타내었다.
각 지점별 용출량을 살펴보면, 비교적 다른 지점 보다 Site 1 ∼ 5에서 TN, TP, COD 값이 높은 것을 확인할 수 있다. 특히 Site 1 ∼ Site 5의 TN 값은 평균 21.12 mg/kg으로 Site 6 ∼ Site 18의 평균값 13.78 mg/kg, Site 18 ∼ Site 26 의 평균값 14.34 mg/kg보다 약 1.5배 정도 높 아 용원수로의 내해지점에서 질소성분의 용출이 많이 발생되었음을 볼 수 있다. TP 용출량도 마 찬가지로 Site 1 ∼ Site 5에서 2.17 mg/kg으로 Site 6 ∼ Site 18의 0.97 mg/kg, Site 18 ∼ Site 26 1.15 mg/kg보다 용출이 많이 되었다.
COD 용출량도 마찬가지로 Site 1∼ Site 5에서 30.86 mg/kg으로 Site 6 ∼ Site 18의 21.90 mg/kg, Site 18 ∼ Site 26의 24.55 mg/kg 보 다 많이 용출되었다. 따라서 Site 1∼ Site 5의 TN, TP, COD의 용출량이 Site 6 ∼ Site 18,
Site 18 ∼ Site 26보다 높음을 알 수 있는데, 그 원인으로는 Site 1 ∼ Site 5가 수로 내부에 있 어서 해수 소통이 원활하지 못해 퇴적물이 지속 적으로 쌓이면서 오염물질의 축적이 장시간 이 뤄졌기 때문으로 보인다.
2차 용출실험 결과도 동일한 방법으로 식 (1) 을 사용해 용출량을 산정한 결과를 Table 2에 나 타내었다. Fig. 5에서는 1차 용출실험보다 Site 3 ∼ Site 5 구간에 정밀한 조사를 위해 세밀한 격자망을 구성하여 22개 지점에서 채취한 결과 값을 A ∼ D그룹으로 나누어 평균 용출량을 산 정하였다.
A와 B그룹 같은 경우에는 육상과 근접해 있 지만, C와 D그룹의 경우는 상대적으로 수로의 중심부에 해당되며, Fig. 2 우측 상단에 나타내 었다. 실험 결과 평균값을 비교하면, A와 B그룹 의 용출량이 C와 D구간보다 비교적 평균 용출량 이 높게 산정되었다. TN, TP, COD값이 A그룹 에서 21.62 mg/kg, 3.28 mg/kg, 29.54 mg/
kg으로 계산되었고, B그룹에서 14.55 mg/kg,
Fig. 4. Sectional result of 1st sediment release test Table 1. Result of 1st sediment release test
1.80 mg/kg, 25.59 mg/kg의 용출량이 계산되 었다. 이는 C그룹 10.94 mg/kg, 1.14 mg,kg, 19.74 mg/kg, D그룹 15.08 mg/kg, 1.00 mg/
kg, 20.79 mg/kg의 용출량에 비해 상당히 높 게 용출되었음을 알 수 있다.
실험결과의 원인으로는 비슷한 유형의 그룹별 로 용출실험에 대해 분석을 했을 때, A그룹과 B 그룹의 지리적 특성이 육상과 인접하여 있기 때 문에 육상에서 나오는 오염물질에 대한 영향이 C와 D그룹보다 더 많음을 알 수 있다. 또한 A그 룹은 상가지역에 해당하며, B그룹은 공장지역에 해당되는 이유로 상가지역에의 나오는 오염물질 의 대한 영향이 더 많음을 알 수 있다.
3.2 용원수로내 용출량 공간분포 특성
1차 실험과 2차 실험의 용출량의 농도 분포를 Fig. 6과 같이 나타내었다. 농도 분포 특성을 평 가하기 위해 SMS 모형의 후처리시스템을 이용 하여 나타내었고, 격자를 구성한 뒤 지형자료에 용출 농도를 적용하여 선형보간하였다. 내해가
외해보다 비교적 높은 용출량의 농도 분포를 보 여준다. 1차와 2차의 장기간 용출실험결과를 평 균 용출량을 계산하여 Fig. 7에 나타내었다. 1차 용출실험결과 TN은 약 10일 이전에 빠르게 증 가하다가 그 후 증가추세가 둔화되고 있으며 반 응시간 30일 후에 총 15.35 mg/kg의 지점별 평 균 용출량을 보였으며, 2차 용출실험에서도 증 가함을 보였다. 2차 용출실험도 1차 용출실험과 비슷하게 8일째 까지 급격한 증가 추세를 보이 나 이후 완만한 증가 폭을 보이며 30일째 15.14 mg/kg의 값을 보였다. 또한 1차 및 2차 용출량 의 실험결과 용출량이 계속적으로 증가하는 것 이 아니라 1차 실험은 약 10일 2차 실험은 약 8 일 까지만 빠르게 증가하는 것을 볼 수 있는데 이 는 실험을 하기위해 채취해온 시료의 양이 한정 되어 있으며 제한된 공간에서 실험을 하였기 때 문에 실험적인 부분도 영향을 미치는 것으로 판 단된다. 1차 용출실험결과 TP는 지속적으로 증 가하여 최종 반응시간 30일에서 총 1.17 mg/kg 의 지점 평균용출량을 보였으며 2차 용출실험에
Fig. 5. Sectional result of 2nd sediment release test Table 2. Result of 2nd sediment release test
서는 초기에 급격히 증가하다가 8일째 1.17 mg/
kg의 값을 나타내며 이후 지속적으로 증가하여 최종 반응시간 30일에서 총 1.53 mg/kg의 값을 나타났다. TP 역시 최종 반응시간 30일에서 가
장 높은 평균용출량의 결과 값이 나왔고, TN과 마찬가지로 약 8일까지 비교적 빠르게 증가하는 것을 볼 수 있다. 1차 용출실험 결과 COD의 경 우는 반응시간에 따라 증가추세가 나타났고 30
Fig. 6. Spatial distribution of sediment release
Fig. 8. Correlation of 1st and 2nd sediment release tests Fig. 7. Comparison of sediment release according to time
일 동안 총 용출량은 지점별 평균 24.43 mg/kg 의 값을 나타내었다. 15일에서 30일 사이에서는 용량이 크게 증가하지 않는 것으로 분석되었다.
2차 용출실험 결과 1차 용출실험결과와 마찬가 지로 반응시간에 따라 증가추세가 나타나고 15 일에 해당하는 용출량은 20.54 mg/kg이고, 15 일 경과 후 미세한 증가를 나타났다. COD 역시 실험값이 일정시간까지만 증가함을 알 수 있는 데 위의 TN, TP 실험과 같은 영향을 받는 것으 로 판단된다.
1차와 2차의 장기간 용출실험결과를 평균 용 출량으로 나타내 상관관계를 분석한 결과를 Fig.
8에 나타내었다. TN과 COD의 1차와 2차의 평 균 용출량을 비교하는 R²은 0.9937과 0.9670로 높은 상관관계를 나타나고, TP의 경우 0.7779 로 비교적 낮은 상관관계를 나타났다.
3.3 주요지점의 용출량 수직분포
퇴적토내 오염물질의 수직분포를 파악하기 위 해서 주요 오염지점에 대해 층별실험을 실시하 였다. 층별 토양 채취기를 이용하여 퇴적토를 채 취하고 15일간 퇴적토에서 용출되는 오염물질 을 분석하였으며 용원수로 내의 육지 부근의 퇴 적토 최대 깊이가 약 50 cm로 측정되었다. 퇴 적토의 오염이 예상되는 지역 중 주요 오염지 점 5곳(Fig. 9 참조)의 깊이 10 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm, 50 cm의 퇴적토를 대상으로 실험 을 실시하였고, 각 Site의 깊이에 따른 용출량을 1 day, 8 day, 15 day로 나누어 깊이에 따른 지
점별 용출량을 실험하여 Fig. 10에 나타내었다.
Fig. 10과 Fig. 11을 보면, TN은 Site 2와 Site 3 지점의 용출량이 많으며 Site 1의 20 cm, Site 3의 50 cm, Site 4의 40 cm Site 5의 20 cm 깊이 부근까지의 퇴적토가 비교적 오염된 상태 를 보였다. TP는 Site 2, Site 3, Site 4 지점의 용출량이 높고, 비교적 오염된 상태를 보였고, COD는 Site 2와 Site 3 지점의 용출량이 많으 며 Site 1의 20 cm, Site 2의 30 cm, Site 3의 50 cm, Site 4의 30 cm, Site 5의 20 cm 깊이 부근까지의 퇴적토가 비교적 오염된 상태를 나 타났다. TN, TP, COD의 Site 2와 Site 3 지점 의 용출량이 Site 1, Site 4, Site 5보다 높게 나 타난 이유는 이 두 지점은 용원수로의 상권이 가 장 밀집해 있는 지역이며 육상의 식당에서 나오 는 오염물들이 토구를 통해 직접적으로 유출되 기 때문으로 판단된다.
3.4 오염물질 유입경로 및 부하량
용원수로 유역의 오염물질 부하량을 조사하 기 위해 주변 지역 내 존재하는 토구에서 유출되 는 유량을 조사하였고, 토구의 위치는 Fig. 12와 같다. 용원수로 지역은 합류식 하수관망이 설치 되어 있으나 일부 직접 토구로 하수가 방류되어 우기시 월류하는 월류수가 토구 및 관거 에서 유 출되거나 직접적인 하수유입이 이루어지는 것으 로 파악되어 유량조사는 해당 지점 토구에서 실 측하였다. 실측한 평균 토구유출유량과 BOD 부 하량은 Fig. 13과 같다. Site 1, Site 2, Site 3 은 토구가 밀집되어 있고, Site 4의 같은 경우 는 비교적 토구가 밀집되어 있지 않고, Site 8은 용원수로 지류인 송정천의 토구의 영향을 받는 다. 반면, Site 5와 Site 6과 Site 7은 토구유출 량의 영향이 거의 없다고 판단된다. Site 1, Site 2, Site 3, Site 4, Site8의 평균 토구유출유량 은 각각 0.554 m³/min, 0.446 m³/min, 0.485 m³/min, 1.414 m³/min, 1.731 m³/min로 측 정되었고, BOD 부하량은 각각 77.69 kg/day
Fig. 9. Sampling sites for vertical distribution
1.96 kg/day, 6.00 kg/day, 23.13 kg/day, 46.37 kg/day로 산정되었다. Site 1에 해당하 는 토구유출유량은 0.554 m³/min인 반면, BOD 부하량은 77.69 kg/day로 다른 지점보다 높게 산
정되었다. Site 1을 제외하고, Stie 2, Site 3, Site 4, Site 8에서는 유량이 증가하면 BOD 부하량도 증가하는 그래프 형태를 볼 수 있다. 따라서 수로 시작 지점인 Site 1이 육상에서 기인하는 유기물
Fig. 11. Average of sediment release test for vertical distribution Fig. 10. Vertical distribution of sediment release test
질 부하량이 높으며 이로 인해 앞 절에서 설명했 듯이 퇴적토에 축적되는 양과 용출되는 양도 높다 고 판단된다.
4. 결론
용원수로의 공간별 퇴적물 분포에 따른 용출 실험과 주요 오염지점 층별 용출실험 및 결과를 요약하면 다음과 같다.
1) 1차 용출실험에서는 Site 1∼ Site 5의 TN, TP, COD의 용출량이 Site 6 ∼ Site 18, Site 18 ∼ Site 26보다 높음을 알 수 있는 데, 그 원인으로는 Site 1 ∼ Site 5가 수로 내부에 있어서 해수 소통이 원활하지 못해 퇴적물이 지속적으로 쌓이면서 오염물질의 축적이 장시간 이뤄졌기 때문으로 보인다.
2) 2차 용출실험에서는 비슷한 유형의 그룹별 로 용출실험에 대해 분석을 했을 때, A 그 룹과 B그룹의 지리적 특성이 육상과 인접 하여 있기 때문에 육상에서 나오는 오염물
질에 대한 영향이 C와 D 그룹보다 더 많 음을 알 수 있으며, 또한 A그룹과 B그룹은 정박되어 있는 선박들이 많기 때문에 선박 들 정비 시 유출되는 기름이나 오염물질도 영향력이 높다고 판단된다.
3) 주요오염 지점의 층별 깊이에 따른 TN, TP, COD 결과는 Site 1은 20 cm, Site 2 40 cm, Site 3 50 cm, Site 4 30 cm, Site 5 20 cm 깊이 부근까지의 퇴적토가 비교적 오염된 상태를 보였고, Site 2와 Site 3의 용출량이 Site 1, Site 4, Site 5 보다 높게 나타난 이유는 이 두 지점은 용 원수로의 상권이 가장 밀집해 있는 지역이 며 육상의 식당에서 나오는 오염물들이 토 구를 통해 직접적으로 유출되기 때문이라 판단된다.
4) 주요지점의 층별 실험결과, 용원수로의 퇴적토의 용출량이 높은 지역은 Site 2와 Site 3으로 나타났다. 그 원인으로는 해수 의 유입이 차단되었기 때문에 육상에서 기 인하는 오염원의 영향이 크다고 판단된다.
5) 본 연구에서는 용원수로의 육상에서 기인 하는 오염원 영향이 크다고 판단되어, 그 원인이 될 수 있는 토구와 토구에서 배출되 는 유량을 조사하여 BOD 부하량을 산정하 였더니, Site 1에 해당하는 토구유출유량 은 0.554 m³/min인 반면, BOD 부하량은 77.69 kg/day로 다른 지점들보다 높게 산 정되었다. 따라서 퇴적토에 축적되는 양과 용출되는 양도 높다고 판단되고, 낮은 유량 과 높은 BOD 부하량은 퇴적토의 용출량이 높은 이유가 될 수 있으며, 퇴적토를 제거 하여 수질 개선하는 방법 등의 적절한 수질 관리의 적용성이 필수적이라고 사료된다.
감사의 글
본 연구는 부산지방해양항만청 부산항건설사 무소의 지원을 받아 한국해양과학기술원과 ㈜세
Fig. 12. Locational map of sewer outfall
Fig. 13. Average of BOD concentration and flowrate of sewer outfall
광종합기술단이 공동으로 수행중인 부산항 신항 해양수리현상 연구개발용역 중 용원수로의 수질 변화 분석 및 대책 검토 위탁과제에 의해 수행 된 것임
참고문헌
