† Department of Civil and Environmental Engineering, Gachon University (Corresponding Author : [email protected])
경기도 북부지역 군용 사격장 토양에 존재하는 화약물질 분포 및 이동 특성 조사
Distribution and Migration Characteristics of Explosive Compounds in Soil at Military Shooting Ranges in Gyeonggi Province
배 범 한
†
･ 박 지 은1)
Bumhan Bae ･ Jieun ParkReceived: February 12
th, 2014; Revised: February 24
th, 2014; Accepted: April 1
st, 2014
ABSTRACT : A remedial investigation was conducted at five military training ranges in northern Gyeonggi province to collect information necessary for the design of on-site treatment facilities for the abatement of explosive compounds release to the environment. These information includes (i) identification of dominant explosive compounds in each range, (ii) discharge/migration routes, and (iii) contaminant distribution in particle size fraction and settling velocity of the soils. The results of investigation showed that TNT and RDX are the major contaminants but the extent of contamination varied depending on the types of military training practices and topography of the site. RDX was also detected in the subsurface soil and in the nearby stream within the training ranges, suggesting release of contaminants to streams. The median concentrations of explosives in the surface soil were less than 20 mg/kg despite several ‘hot spots’ in which explosives concentrations often exceeds several hundred mg/kg. The average clay contents in the soil of target area was less than 5 % compared to 12 % in the control, indicating loss of smaller particles by surface runoff during rainfall due to lack of vegetative land cover. Analysis of explosive compounds and particle size distribution showed that the amount of explosive compounds in soil particles smaller than 0.075 mm was less than 10 % of the total. Settling column tests also revealed that the quantity of explosive compounds in the liquid phase of the effluent was greater than that in the solid phase. Therefore, pre-treatment of particulate matter in surface runoff of shooting range with a simple settling basin and subsequent effluent treatment with planted constructed wetlands as polishing stage for explosives in the aqueous phase would provide the shooting ranges with a self-standing, sustainable, green solution.
Keywords : Explosive compounds, HMX, RDX, TNT, Surface runoff, Shooting range
요 지 : 경기도 OO지역 군 사격장에서 환경으로 유출되는 화약물질 현장저감시설의 설계 자료 확보를 위해 토양오염조사를 실시 하였다. 설계에 필요한 자료는 (i) 주 오염 화약물질 종류 파악, (ii) 배출/이동 경로, (iii) 토양 입경별 화약물질 농도조사 및 침강특성 이다. 현장 조사 및 분석결과, TNT와 RDX가 사격장 토양에서의 주 오염물질이지만, 군 훈련 종류와 사격장 지형에 따라 오염도는 변화하였다. 화약물질은 표토이외의 심토와 인근 개울에서도 검출되어, 피탄지에서 하천으로의 유출이 있음을 확인하였다. 피탄지 에 화약물질 농도가 높은 hot spot이 다수 존재하였으나, 전반적으로 오염농도가 20 mg/kg을 넘지는 않았다. 피탄지 토양 내 점토 함량은 대조군 12 %에 비해 현저히 낮은 5 % 미만이며, 이는 사격으로 인해 식피가 제거되어 강우 시 토사의 표면유출이 증가하였 기 때문이라 판단된다. 토양 입경별 화약물질 분포 분석 결과, 토양 입경 0.075 mm 미만의 세립토에는 화약물질 총량의 약 10 % 이하만이 존재하였다. 침강관 실험결과, 유출수 내 액상으로 유출되는 화약물질량이 고상에 있는 화약물질량보다 많았다. 그러므로 사격장에서 표면 유출되는 강수 내 입자상 물질을 간단한 침전지로 처리하고, 다음으로 정화식물을 식재한 인공습지로 액상 내 화약물질을 처리하는 방안이 자립적이며 지속적으로 유지 가능한 녹색 정화방법이 될 것이다.
주요어 : 화약물질, HMX, RDX, TNT, 표면 유출, 사격장 Journal of the Korean Geo-Environmental Society 15(6): 17～29. (June, 2014) http://www.kges.or.kr
ISSN 1598-0820 DOI http://dx.doi.org/10.14481/jkges.2014.15.6.17
1. 서 론
최근 군 주둔지역 및 훈련지역 부근의 민간 개발로 군 사 격장과 민간 거주 혹은 활동지역 간의 물리적 거리가 단축
되면서, 군 훈련에 기인하여 배출되는 환경오염물질인 화약 물질에 시민이 노출될 가능성이 높아지고 있다. 더불어 환 경오염에 대한 인식확산으로 화약물질에 의한 토양, 지하수 및 하천의 화약물질 오염이 사회적 문제로 대두되고 있다.
Fig. 1. Chemical structure of explosive compounds frequently detected in military shooting range soils
2차 세계대전 이후 군용화약물질로 가장 많이 사용되는 TNT와 RDX는 고성능 화약물질(High Explosive)로 분류되 며, 미국 환경청이 C급 발암물질로 지정하였고, 두 종의 화 약물질에 대한 음용수 평생건강권고기준(Health Advisory)을 각각 0.2 ug/L로 매우 낮은 수준으로 설정되었다(US EPA, 2012a). 미국 육군에서 발표한 야생포유류에 대한 TRV(Toxicity Reference Value)는 LED10(Lowest Effective Dose)을 기준할 경우, TNT와 RDX가 각각 0.2 및 1.19 mg/kg/day이며 조류 에 대한 TNT와 RDX의 TRV는 LOAEL(악영향관측 최저수 준, Low Observable Adverse Effect Levels)기준으로 각각 1.8 mg/kg/day 및 3.65 mg/kg/day이다(US Army, 2001; US Army, 2002). 그러므로 화약물질이 환경으로 유출될 경우 육상 및 수생태계에 악영향을 미치고 인체에 위해를 줄 가 능성이 있다.
사격장에서 오염물질의 자연계 유출은 사격훈련 중에 포탄에 충진된 화약물질의 불완전연소, 저급폭발(low order detonation) 혹은 불발탄의 파손 등으로 발생한다(Brannon
& Pennington, 2002). Pennington et al.(2006)은 60 mm 및 81 mm 박격포탄에 대하여 야외폭파시험을 실시하고 주변 에 낙하한 화약물질을 모두 수거하여 분석한 결과, 완전폭 발이 일어나더라도 포탄에 충진된 주장약(Compositon B) 의 약 0.24 %는 잔류하는 것으로 보고하였다. 다른 실험에 서 Walsh et al.(2008)은 60 mm 박격포탄이 폭파될 때 주장 약(Composition B, 358 g)의 0.022 %에 해당하는 200 mg 의 화약물질이 배출되고, 120 mm 박격포탄에서는 주장약 (Composition B) 2,990 g의 7.1×10-4 %에 해당하는 25 mg의 화약물질이 배출되는 것으로 보고하였다. 그러므로 활발한 사격훈련이 진행되는 군 사격장에서는 불발탄 이외에도 포 탄의 폭발에 의해 배출되는 화약물질에 의한 토양오염이 발 생할 것으로 예상할 수 있다.
군 사격장은 제한적 접근성과 화약물질이라는 특수성으 로 인하여 배출되는 화약물질 종류, 오염물질에 의한 토양 및 지하수의 오염 여부 및 거동에 대한 연구 보고는 많지 않다. 2002년 국내 최초로 대규모 포 사격장에서 실시한 토 양오염 정밀조사에 따르면, 포 사격장 토양에 고농도로 광 범위하게 분포하고 있는 물질은 Fig. 1과 같은 구조를 가진 TNT(2, 4, 6-trinitrotoluene)와 RDX(1, 3, 5-trinitro-1, 3, 5-
triazine)이며, HMX(1, 3, 5, 7-tetranitro-1, 3, 5, 7-tetrazocane) 는 일부 지역에 저농도로 존재하였다(한국수자원공사, 2002).
임진강 인근에 위치한 다른 사격장에 대한 정밀조사에서도 유사한 결과가 보고되었으며, 특히 강우에 의해 형성된 표 면 유출수에 의해 화약물질(RDX) 오염 토사가 하천으로 유 입되는 것이 확인되었다(Park et al., 2008). 군 당국에서도 강수 시 사격장에서 유출되는 오염물질 저감을 위해 침전지 를 설치하고 있으나, 침전지 설계를 위한 체류시간 별 오염 토사 제거분률, 토양입경별 화약물질 분포, 용해되어 배출 되는 화약물질 농도 등의 자료는 전무한 실정이다.
국내에 산재하는 군 사격장에 대한 토양오염 정밀조사의 사례가 많지 않기 때문에 군 사격장에서의 오염물질 분포와 거동에 대한 정보가 부족한 실정이며, 정보와 과학적 평가 부족은 막연한 불안감을 증폭하고 확대시킬 뿐 아니라, 정 당한 군 사격훈련에 지장을 줄 수 있다. 이에 본 연구에서는 군 사격장 오염도 현황을 파악하고, 배출저감시설 설계 자 료를 확보하기 위해 경기도 북부지역 ○○시 일대 전차포사 격장 3개소, 공용화기 사격장 1개소, 그리고 폭파훈련장 1 개소 등 총 5개 군 훈련장에서 피탄지 및 인근 지역 토양과 수질 시료를 채취하고 화약물질 농도를 분석하여 화약물질 분포, 토양입경별 오염도, 이동 경로 및 총 오염량을 산정하 였다. 또한 침전지에서 유출되는 화약물질량을 정량하기 위 한 침강관 실험도 병행하였다.
2. 연구방법
2.1 현장 조사방법
2010년 10월에 현장 조사를 실시하고 토양 및 수질시료 를 채취하였다. 시료 채취범위를 결정하기 위해 EXPRAY Kit®로 토양 내 화약물질 흔적을 확인하고, 비오염지점과 오염지점이 혼재하도록 채취지점을 설정하고 GPS로 좌표 를 기록하였다. 표툐시료는 입자상으로 배출되는 특성을 반영 하기 위해 Wheel sampling technique로 채취하였다(Jenkins et al., 1996). 이 방법은 채취지점을 중심으로 1～2 m 크기의 가상의 원 위에 있는 6개 지점과 원점에서 균등한 양의 토 양시료를 채취하여 1개의 혼합시료로 구성하는 방법이다.
심토시료는 auger로 20 cm 단위로 심도 60 cm까지 채취하 였다. 심토는 더 깊이 채취할 수 있었으나, 불발탄 조사가 선행되지 않은 까닭에 심부 오염이 유력한 2개 지점에서만 채취하였다. 또한 비교를 위해 조사지역에서 약 1 km 떨어 진 산 토양을 채취하였다. 시료채취지점 변경 시, 교차오염 을 방지하기 위하여 채취기구를 아세토니트릴 : 탈이온수
Table 1. Summary of soil and water sampling activities
A B C D E
Area (ha) 1.24 1.65 6.14 0.91 2.63 Surface sample 17 24 21 13 16 Surface sample/Area
(sample/m
2) 729 688 2,924 700 1,644
Subsurface sample - - - 2 -
Surface water sample 2 1 2 1 1
(a) A range
(b) B range (c) C range
(d) D range (e) E range
Fig. 2. Contour map of the shooting ranges investigated in this study. Sampling locations and sample identifications are marked with dots and numbers, respectively
50 : 50 용매와 종이 수건으로 세척하였다. 채취한 토양시료 는 오염 우려가 없는 플라스틱 봉투에 넣고 밀봉한 다음 아 이스박스에 보관하였고, 실험실로 이송 즉시 토양 pH를 측 정하였다. 수질시료는 1.5 g/L의 sodium bisulfate를 넣은 멸 균수질시료채취용기에 채취하여 실험실로 운반하였다.
2.2 현장 조사내용
현장에서 채취한 시료는 Table 1에서와같이 A, B, D 사
격장에서는 약 700 m2당, 공용화기 사격장(사격장 C)은 약 3,000 m2당, 폭파훈련장에서는 1,600 m2당 각각 토양시료 1 점을 채취하였다. 이 기준은 토양환경보전법 정밀조사지침 상의 현장채취 시료수를 상회하며, 현장 상황에 맞게 능동 적으로 시료 채취 지점을 변경하였기 때문이다.
사격장 A는 가파른 경사면에 위치한 전차포사격장으로 총 3개 탄착점으로 구성되어 있으며, 맨 우측은 사용하지 않 아 시료를 채취하지 않았고, 좌측과 우측 탄착점에서 총 17
개 시료를 채취하였다. 사격장 A에서는 사격훈련이 있었던 듯 포연과 특유의 냄새가 가득하였고, low order detonation (저급폭발)으로 인하여 화약물질 덩어리가 토양에 노출되어 있었다(Fig. 2(a)).
사격장 B는 Fig. 2(b)와 같이 3개 피탄지로 구성되어 있 으며, 전면 좌상부에 표적이동 레일이 설치된 피탄지가 횡 으로 있고, 전면부에 피탄지와 인접한 배수로 및 둔덕이 있 었다. 레일이 설치된 피탄지에서 약 50 m 아래에 2개 일반 피탄지가 비포장도로 좌우로 있으며, 이 두 피탄지에는 배 수로가 설치되어 있지 않고, 물이 도로 쪽으로 이동하였다.
사격장 B에서는 총 24개의 시료를 채취하였다.
사격장 C는 곡사포사격장으로 산사면 약 8부 능선까지 피탄지로 이용되고 있었다. 피탄지는 4개의 구릉 사이에 3 개 계곡으로 구성되어 있으며 경사가 가파르고, 포탄 폭발 로 초목이 완전히 제거된 상태였다. 산 사면은 토사가 거의 없고 암석이 부서진 쇄석이 많으며, 약간 붉은색을 띄고 있 었다. 사면 곳곳에 불발탄이 있었고 저급폭발로 배출된 장 약 덩이가 다수 관측되었다. 흰색의 덩어리는 주로 사격장 으로 오르는 초입에 많이 분포하였는데, 이는 강수에 의해 경사면 위쪽에서 흘러내린 것이라 판단된다. 중앙을 가로질 러 계곡부로 이어지는 물길은 강우에 의한 침식 정도를 알 려주듯, 깊이가 1～2 m에 달하였다. 여기서는 21개의 토양 시료와 2지점에서 수질시료를 채취하였다(Fig. 2(c)).
사격장 D(Fig. 2(d))는 전차포 사격장으로 전면에서 보면 2단으로 구성되어 있다. 표적이동장치를 보호하기 위해 전 면에 둔덕을 두었고, 둔덕 너머로 레일이 설치된 평지가 있 다. 그 상부에 피탄지가 양쪽으로 나뉘어 각각 2지점씩 모 두 4개의 깊게 침식된 피탄지가 있었다. 시료 채취 수개월 전부터 사격훈련이 없었고, 불발탄이나 저급폭발탄이 발견 되지 않았다. 이에 D11 지점에서는 표토 시료 11점과 Auger 로 심토시료 2점을 채취하였다.
훈련장 E(Fig. 2(e))는 폭파훈련장으로 비교적 평지에 위 치하였다. 훈련장은 전면 저지대와 후면 고지대의 2단으로 구성되어 있으며, 폭파훈련에 의해 발생한 구덩이(crater)와 물웅덩이가 전면 저지대 뒤쪽에서 후면 고지대 지역까지 넓 게 분포하였다. 저지대에서 화약물질 덩이가 발견되었으며, 후면 고지대에서는 토양을 고화 처리한 시멘트와 흙이 혼합 된 큰 토사 덩어리가 깊고 넓게 산재하였다.
2.3 시료 분석방법
2.3.1 화약물질 분석방법
토양시료 중의 화약류 추출 및 분석방법은 최근 본 연구 실에서 개발한 “토양 중 화약류 분석방법에 관한 규격 개발”
에 준하여 분석하였다(KATS, 2007). TNT, RDX 및 HMX의 정량은 Shiseido CAPCELL-PAK MG C-18 칼럼을 사용하여 HPLC로 분석하였다. HPLC system은 Varian Prostar Gradient System(240 solvent delivery module, 335 photodiode array detector, 410 autosampler, 500 column valve module)로 구 성되어 있으며, 분석 조건은 유량 0.8 mL/min(Methanol:
Water = 55:45)과 190 nm～600 nm scanning mode이며, 정 량은 UV 230 nm에서 실시하였다.
수중에 미량으로 존재하는 화약물질은 HPLC 분석 검량 한계 이하로 낮아서 농축이 필요하다. 미량화약물질은 미국 EPA SW-method No. 8330에서 공인된 방법인 SPE(Solid Phase Extraction)로 농축하고, 농축된 화약물질을 ACN으로 용출시켜 탈이온수로 희석한 다음, HPLC로 분석하였다. SPE 추출에는 Waters Co.(Milford, MA, USA)의 Porapak RDX Sep-Pak Extraction Cartridge와 Extraction Manifold(Waters, 20 position, 13 × 75 mm test tube rack)를 사용하였다. 최종 추출물은 40배 농축된 시료로 토양추출물 분석과 동일한 방 법으로 분석하였다.
2.3.2 토성, 토양 pH 및 침강실험
토성은 270 mesh 체로 모래를 먼저 거르고 침강 실린더 로부터 1회에 미사와 점토를, 2회에 점토를 취하는 마이크 로 피펫 법을 이용하였으며, 토성삼각표로 결정하였다(Gee
& Bauder, 1986). 토양 pH는 습윤 토양 5 g에 증류수 25 mL 을 넣고 1시간 진탕 후 pH 측정기로 측정하였다.
아크릴 재질의 침강관(H 100 cm × I.D.15 cm)에 사격장 별 혼합토양과 탈이온수로 TSS(Total Suspended Solids)농 도 50,000 mg/L의 시료를 제조하여 넣고 급속교반한 다음 침강실험을 시작하였다. 이후 일정 시간 간격으로 채취한 상징액을 Gelman glass filter(0.45 um)로 여과하여 액상과 고체상으로 분리하고, 각각의 상에 있는 화약물질 농도를 측정하였다. 동시에 TSS를 측정하여 시간에 따라 배출되는 침강관 유출수에서 액상과 고상에 기인한 화약물질량을 산 정하였다.
실험에 사용한 화학물질은 모두 ACS grade이었으며 HPLC 분석용매는 HPLC grade를 사용하였고, 화약물질 표준물질 은 AccuStandard(New Haven, CT, USA)에서 구입하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 토양 pH 및 토성 분석결과
토양 pH는 전체 지역이 약산성으로 나타났으며, 평균값
Table 2. Soil texture of the shooting range soils Particle size
(mm)
Percentage of mass particle size distribution (%)
Control A B C D E
Sand 60.51 62.28 78.92 71.41 63.32 64.48
Silt 26.98 33.62 19.86 25.68 31.49 31.19
Clay 12.51 4.10 1.22 2.91 5.19 4.33
Table 3. Concentrations of explosive compounds in the surface soil samples (mg/kg)
Range HMX RDX TNT
Median Average Max. Median Average Max. Median Average Max.
A 0.00 0.01 0.07 1.95 10.79 128.51 0.34 4.00 53.57
B 0.00 0.01 0.06 0.21 0.81 8.19 0.00 2.46 58.22
C 0.00 0.01 0.07 0.00 0.17 1.21 0.18 27.55 391.74
D 0.00 0.00 0.00 0.16 0.22 0.78 0.33 48.83 659.16
E 0.02 0.29 2.74 0.56 3.01 19.53 0.09 6.34 36.08
은 사격장 A 토양 6.63, 사격장 B 토양 6.64, 사격장 C 토양 6.47, 사격장 D 토양 6.41, 사격장 E 토양 6.92이다. 그러나 훈련장 E06 지점에서 pH가 10.64로 강알칼리성을 보였는 데, 이는 현장사진을 판독한 결과 폭발로 발생한 재가 모여 국부적으로 알칼리성을 보인 것이었다. 이 값을 제외하면 평균 pH는 6.67이다. 토양 pH는 식물 성장에 큰 영향을 주 는데 산성토양에서는 영양염류 용탈, Al3+ 용해로 인한 식 물성장저해 및 백화현상 등이 발생할 수 있다. 조사 결과 모 든 지역의 pH는 식물성장에 지장을 주지 않는 범위로 나타 났다.
각 지역에서 채취한 지점시료에서 일정량을 모아 지역을 대표하는 1개의 합성시료를 만들고, 그 시료에 대한 토성 분석결과는 Table 2와 같다. 사격장에서 약 1 km 거리에 있 는 인근 야산에서 채취한 대조군 토양과 비교하면, 대조군 모래함량(60.5 %)과 점토함량(12.5 %)에 비해 사격장 토양 모래함량은 높고, 점토의 함량은 1.22～5.19 %로 낮았다.
점토 함량이 낮은 이유는 피탄지에 식물이 생육하지 못하여 강수로 인해 미세토가 먼저 유실되었기 때문이다. 이를 반 영하듯 USDA 삼각 도표 분류법에 의해 토성을 분류하면 사격장 B 토양만 양질사토이고 나머지 사격장은 모두 사질 토였다.
3.2 사격장 내 화약물질 분포 특성
화약물질 분석결과는 Table 3과 같다. 토양 내 화약물질 농도를 중간값으로 비교하면, 전체 사격장에서 HMX는 0.02 mg/kg, RDX는 1.95 mg/kg, TNT는 0.34 mg/kg이 가장 높은 값으로 전반적으로 오염도는 높지 않았다. 평균값으로 보아 도 HMX는 0.29 mg/kg 이하, RDX는 10.79 mg/kg 이하, TNT는 48.83 mg/kg이 가장 높은 값이었다. 이 결과는 미국
EPA Region III 주거지역 토양선별기준인 21 mg-TNT/kg 혹은 5.8 mg-RDX/kg보다는 높고, 산업 지역 선별기준 95 mg-TNT/kg 혹은 26 mg-RDX/kg보다는 낮았다(US EPA, 2012b). 일부 지점에서 화약물질 농도가 높은 ‘hot spot’이 존재하는 것을 제외하면 전반적으로 사격장 오염도는 낮은 것으로 나타났다.
이상의 분석 결과를 현장 조사에서 측정한 좌표에 대입 하고 Surfer ver.6.0을 사용하여 화약물질의 분포도와 각 농 도단계별 분포면적을 계산한 다음, 사격장별 오염물질농도 를 추정할 수 있다. 이때 화약물질 오염토양심도는 현장 조 사에서와같이 0.1 m로 계산하면 될 것이다.
3.2.1 사격장 A 화약물질 분포 특성
사격장 A는 직사화기인 전차포 피탄지로 오염범위는 좁 으나 화약물질이 전 지역에 걸쳐 골고루 분포하고, 일부 지 점에서는 화약물질 덩이가 그대로 관측되어 시료 채취에서 는 제외하였다(Fig. 3). HMX는 3개 지점에서 미량(0.04～
0.07 mg/kg) 검출되었고, RDX는 중간값 및 평균값이 각각 1.95 및 10.79 mg/kg으로 피탄지 전 지역에서 검출되었다.
최고농도는 hot spot 인근의 128.51 mg-RDX/kg이며, 사격 장 둑에 의해 차단되어 둑 입구 지점에서는 검출되지 않았 다. TNT는 중간값과 평균값이 각각 0.34 및 4.00 mg/kg이 며, 최고값은 53.57 mg/kg이었다.
A 지역 전차포 사격장과 사격장 아래 둑 사이에 위치한 지점의 수질시료에서 RDX가 0.01 mg/L가 검출되었다. 강 수가 그친 후에도 RDX가 검출된 것은 화약물질이 개울을 통해 지속적으로 자연환경으로 유출된다는 것을 의미한다.
일반적으로 RDX가 TNT보다는 물과 빠른 평형상태를 유지 하기 때문에 강수, 하천수 및 지하수로의 이동이 빠른 경향
(a) HMX
(b) RDX
(c) TNT
Fig. 3. Distribution of major explosive compounds in the surface soil of shooting range A. (mg/Kg)
(a) HMX
(b) RDX
(c) TNT
Fig. 4. Distribution of major explosive compounds in the surface soil of shooting range B. (mg/kg)
이 있다(Monteil-Rivera et al., 2009). 그러나 둑에 의해 개울 물이 하천 채수지점 하류부로 합류하게 되어 사격장 아래 둑 너머에 있는 하천에서 채취한 물 시료에서는 화약물질이 검출되지 않았다. A 지역에 대한 오염물질 분포도는 Fig. 3
과 같다. Fig. 3에서와같이 HMX는 넓은 지역에 분포하나 그 농도는 낮고, RDX와 TNT는 좁은 지역에 고농도로 분포 하였다. 피탄지가 경사면에 위치하였기에 오염운(plume)이 경사 아래로 이동하는 경향이 뚜렷하다.
3.2.2 사격장 B 화약물질 분포 특성
사격장 B 지역 화약물질 오염도는 전반적으로 높지 않았
(a) HMX
(b) RDX
(c) TNT
Fig. 5. Distribution of major explosive compounds in the surface soil of shooting range C. (mg/kg)
다. 측정값의 median으로 비교하면 RDX 0.21 mg/kg, TNT 와 HMX는 불검출되었다. 이 지역은 현장시료 채취 시에도 사격훈련 흔적을 찾기 어려웠다. 좌상부 레일 피탄지에서 3.64 mg-RDX/kg이 가장 높았고 TNT는 검출되지 않았다.
좌상단 일반 피탄지에도 고농도 오염은 확인되지 않았다. 다만 우하단 지역 일반 피탄지에서 RDX가 8.19 mg/kg과 TNT 0.56 mg/kg이 검출되었다. 또한 우하단에 있는 일반피 탄지 우측 사면 지점에서는 RDX가 검출되지는 않았으나, TNT는 58.22 mg/kg로 가장 높은 값이 나타났다. B 지역 경 계면에 있는 개울에서 채취한 수질 시료에서는 RDX가 0.01 mg/L가 검출되어 강수 혹은 하천수에 의해 화약물질이 사 격장 경계를 넘어 외부로 유출되는 것으로 확인되었다.
사격장 B 지역에 대한 오염물질 분포도(Fig. 4)를 보면, B 지역에서는 HMX와 TNT는 우하단 피탄지에서만 분포하 는 반면, RDX는 3개 피탄지 모두에서 저농도로 넓게 분포 하고 있다. 또한 우하단 TNT 오염운은 경사면을 따라 이동 하는 경향이 뚜렷하다.
3.2.3 사격장 C 화약물질 분포 특성
사격장 C 지역은 곡사화기 사격장으로 오염범위도 가장 넓고 오염농도가 높은 곳도 많았다. HMX는 2개 지점에서 만 각각 0.05 및 0.07 mg/kg으로 미량 검출되었다. RDX는 넓게 분포하지만, 그 농도는 높지 않았다. RDX의 중간값과 평균값은 각각 0.00 및 0.17 mg/kg이다. TNT는 넓게 퍼져있 지는 않으나, 고농도 지점이 다수 존재하였다. TNT 중간값 과 평균값은 각각 0.12 및 27.55 mg/kg으로 전반적인 오염 도는 높지 않으나, 다수의 고농도 지점(최고값 391.74 mg/kg) 으로 인해 평균값이 크게 높아졌다. 그러나 불발탄이 매우 많았고, 미발견된 hot spot을 고려하면 오염도도 매우 높을 것으로 판단된다.
사격장 경계지점(C09W)에서 채취한 물 시료에서는 화약 물질이 검출되지 않았다. 이 지점에 흐르는 개울은 사격장 왼쪽을 돌아 나오는 물로 오염지역을 흐르지 않기 때문이라 판단된다. 사격장 C에서는 HMX와 RDX 오염농도는 TNT 에 비해 낮고 분포면적도 크지 않다. 주된 오염물질은 TNT 이며 산등성이 중간에 걸쳐 고농도에 넓게 분포하고 계곡을 따라 산 아래로 내려오는 경향이 뚜렷하다(Fig. 5).
3.2.4 사격장 D 화약물질 분포 특성
사격장 D 지역은 화약물질 오염도가 높지 않았으나, 저 급 폭발에 의한 고농도 지점(TNT 659.16 mg/kg)이 발견되 었다. 이에 TNT 중간값은 0.33 mg/kg에 불과하지만, 평균 값은 48.83 mg/kg으로 가장 높게 산출되었다. 다른 화약물
질 HMX는 모든 시료에서 검출되지 않았고, RDX 농도도 모든 지점에서 0.78 mg/kg을 넘지 않았다. 그러나 표토시료 에서 TNT 69.51 mg/kg이 검출되고, 심토시료에서도 20～
40 cm 및 40～60 cm에서 각각 0.07 및 0.08 mg-TNT/kg이 검출되어 지역 심토 전체가 오염되었을 개연성이 충분하였 다. 이 사격장은 활용빈도가 낮았으나, 오래 운영되었기 때 문에 화약물질이 지하로 이동하였을 가능성이 매우 높은 곳 이다. 심토시료를 채취한 지점도 물이 지하로 스며드는 곳
(a) HMX
(b) RDX
(c) TNT
Fig. 6. Distribution of major explosive compounds in the surface soil of shooting range D. (mg/kg)
(a) HMX
(b) RDX
(c) TNT
Fig. 7. Distribution of major explosive compounds in the surface soil of shooting range E. (mg/kg)
으로 표토에 점토 성분이 많은 지점이다. 현장 조사와 분석 결과를 종합하면 RDX 전체 오염도는 낮으나 광범위하게 분포하고 있으며, TNT는 국부적 오염도가 높고 좁게 분포 하였다. 화약류가 지하부로 유입되는 지점들이 있어 지중에 오염운(plume)이 있는 것으로 판단할 수 있다. 이와 같은 원 인인지는 분명하지 않지만, 사격장 하류부에서 채취한 물 시 료에서 지하로 이동이 잘 일어나는 RDX 농도가 0.08 mg/L 검출되고, 이동 지체가 높은 TNT도 0.01 mg/L 검출되었다.
오염 분포도인 Fig. 6에는 ‘hot spot’을 제거한 경우에 대한
TNT 분포도를 나타내었다.
3.2.5 훈련장 E 화약물질 분포 특성
훈련장 E는 다양한 화약물질이 사용되는 폭파훈련장이 다. 현장시료 분석결과, 3종의 화약물질 이외에도 TNT 중
(a) Range A
(c) Range C
(e) Range E
Fig. 8. Distribution profile of explosive compounds in soil particle size fraction
(b) Range B
(d) Range D
간산물인 2ADNT(2-amino-dinitrotoluene), 4ADNT(4-amino- dinitrotoluene) 및 TNB(trinitrobenzene)도 검출되었다(data not shown). HMX가 타 지역에 비해 검출 농도와 빈도가 높 았으며, 최고값은 고지대와 저지대에서 각각 2.74 mg/kg,
1.26 mg/kg으로 고지대에서 전반적으로 높았다. RDX는 중 간값과 평균값이 각각 0.56 mg/kg 및 3.01 mg/kg으로 높은 편이었다. TNT는 3개 지점에서 26 mg/kg 이상이 검출되었 지만, 나머지 지점에서 모두 1.5 mg/kg 이하로 검출되었다.
소방용수 웅덩이 물은 가장 고지대에 위치한 까닭에 강우로 인하여 유입되는 화약물질이 없어 모든 화약물질이 불검출 되었다. 전반적으로 모든 오염운이 좌측 산지에서 우측 저 지대로 이동하려는 경향이 있고, 고지대 산림지역에는 오염 되지 않고 저지대에 집중적인 오염이 발생하였다(Fig. 7).
자연환경 내에서 화약물질 거동에 가장 큰 영향을 미치 는 기작으로는 흡착, 생물학적 분해, 용해동역학, 용해도 및 광분해이다(Brannon & Pennington, 2002). 그중에서 토양흡 착은 토양 CEC(Cation Exchange Capacity)에 크게 영향을 받는데 K+, NH4+
등과 같이 수화에너지가 작은 양이온이 많 으면 화약물질 토양흡착은 CEC 및 유기물 함량에 비례하여 증가한다(Price et al., 2000). 그러나 피탄지 토양은 오랜 사 격으로 식생이 제거되어 유기물 함량이 낮아 토양에 흡착되 는 양이 상대적으로 적으며, 화약물질 용해도는 TNT 130
Table 4. Percent mass distribution of explosive compounds in respective soil particle diameter (%) Particle
Diameter (mm)
A range B range C range D range E range
RDX TNT RDX TNT RDX TNT RDX TNT RDX TNT
0.425 0.00 0.00 28.95 39.19 0.00 18.69 32.96 52.42 26.51 77.66
0.25 53.17 98.93 19.04 25.49 2.37 10.14 8.31 10.34 26.30 9.33
0.15 0.00 0.00 22.11 21.10 73.51 13.00 19.77 12.80 15.83 4.76
0.105 0.00 0.00 13.76 4.06 5.40 8.95 22.53 10.35 9.19 1.97
0.075 22.84 0.00 10.67 7.25 5.67 28.12 10.06 6.37 13.38 3.87
< 0.075 23.99 1.07 5.48 2.90 13.06 21.10 6.36 7.71 8.80 2.40
Sum 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 Fig. 9. TSS concentrations in the supernatant of settling column
mg/L(20 ℃), RDX 42 mg/L(20 ℃), HMX 5.0 mg/L(25 ℃)로매우 낮고 용해에 오랜 시간이 소요되므로 입자상으로 배출 된 화약물질이 용해되어 점토 입자에 흡착되기 전에 강수에 의해 주기적으로 유출될 수 있다. 흡착이 발생하더라도 본 연구결과에서와같이 점토입자가 쉽게 유출되어 사격장 피 탄지에 오래 머무를 수 없다. 이상과 같은 원인으로 사격장 피탄지 토양에서는 광분해 및 생물학적 분해에 의한 전환산 물이 쉽게 발견되지 않았지만, 폭파훈련장은 평지에 위치하 여 강수에 의해 점토 입자가 다량 유실되지 않았고 체류시 간이 길어 생물학적 분해작용으로 다양한 분해산물이 관측 된 것으로 판단된다.
3.3 토양입경별 화약물질 분포 및 거동
화약물질은 불완전 산화 혹은 불발탄에 의해 입자상으로 배출되고, 토양입자에 부착되거나 사격장 토양 내에 잔류한 다(Walsh et al., 2008). 이에 입경별 오염물질 분포를 조사 한 결과는 Fig. 8과 같다.
사격장 A 지역토양은 입경 0.150～0.250 mm 및 0.250 mm 이상에서 각각 RDX와 TNT 오염도가 가장 높았다. 예 상과 달리 0.075 mm 미만의 세립토에는 0.03 mg/kg으로 오 염도가 낮았다. B 지역 토양에서는 HMX는 0.075 mm 미만 에서만 검출되었고, RDX는 모든 토양입경에 걸쳐 전반적 으로 균일하게 분포하고 있다. TNT도 입경에 따라 고른 분 포를 보이나, 0.075 mm 미만 미립자에서의 오염도는 0.09 mg/kg으로 낮았다. 사격장 C 토양에서 RDX는 입경 0.0150～
0.250 mm 사이에서 가장 높았고, TNT는 미립자인 0.075 mm 이상에서는 31.05 mg/kg 그리고 0.075 mm 미만에서 15.69 mg/kg으로 높은 특성을 보이고 있다. 사격장 D 토양 에서 RDX는 0.075 mm～0.150 mm 사이에서 가장 높은 농 도를 보이고 있고, 0.075 mm 미만에서는 감소하였다. TNT 는 전반적으로 농도에 큰 차이가 없었으나, 0.105 mm에서 210.14 mg/kg으로 가장 높았다. 훈련장 E 토양에서 HMX는 0.425 mm에서 0.15 mg/kg, RDX는 0.250 mm에서 2.27 mg/kg
으로 가장 높은 반면, TNT는 0.425 mm 이상의 큰 입경에서 3.07 mg/kg으로 가장 높았다.
입경별 토양입자 분포비와 화약물질 농도 측정결과를 바 탕으로 각 토양입자에 존재하는 화약물질 비율을 계산하면 Table 4와 같다. 비록 A 지역 RDX와 C 지역 TNT와 같이 0.075 mm 미만 입자에 존재하는 화약물질량이 20 % 이상 인 경우도 있으나, 화약물질 전체 분포량은 A 지역 RDX와 C 지역 RDX 및 TNT를 제외하고는 모두 10 % 미만이었다.
이 결과는 토양에서는 0.075 mm 미만 입자의 분포백분율이 낮기 때문이다. 그러므로 침강제거가 가능한 0.075 mm 이 상의 토양입자들만 제거하여도 강수로 유출되는 화약물질 의 90 % 이상을 제어할 수 있을 것이다.
3.4 침강관 실험결과
시간 경과에 따른 침강관 유출수 내 총 부유물질(Total Suspended Solids, TSS) 농도는 Fig. 9와 같다. 침강 3시간 후, 약 90 %의 TSS가 제거되었는데, 점토 함량이 높은 D 및 E 토양의 제거율이 상대적으로 낮았다. 그러나 전반적으로 침강 4시간 후에는 모든 토양에서 유출수 TSS가 500 mg/L
(a) RDX
(b) TNT
Fig. 10. Temporal changes of explosive compounds concentration in the liquid phase of the settling column effluent
(a) RDX
(b) TNT
Fig. 11. Temporal changes of explosive compounds concentration in the solid phase of the settling column effluent
이하로 감소하여 99 % 이상 제거되었다. 침전 5시간 후에‘토양 E’의 TSS가 360 mg/L로 가장 높았고, 다음으로 ‘토양 D’의 355 mg/L였다.
유출수 액상 내 화약물질 농도는 Fig. 10과 같다. 액상에 서는 용해도가 낮은 HMX는 거의 검출되지 않았으며, 시간 경과에 따라 화약물질 농도 변화도 크지 않았다. 사격장 A 유출수에서 평균 0.13 mg-RDX/L와 0.07 mg-TNT/L가 유출 되었고, 사격장 B 토양에서는 평균 0.06 mg-RDX/L 및 0.01 mg-TNT/L가 유출되었다. 사격장 D에서는 RDX는 불검출 된 반면, TNT는 평균 2.68 mg/L로 가장 높았다. 폭파 훈련 장 E 토양에서는 평균 0.04 mg-RDX/L와 0.01 mg-TNT/L가 유출되었다. 전반적으로 사격장 D 토양의 TNT를 제외하고 액상 내 화약물질 농도는 높지 않았으며, 일정한 농도를 유 지하였다.
유출수 고체상에서 HMX 농도는 매우 낮아 표시하지 않 았으며, 그 외 RDX와 TNT 농도는 전반적으로 액상 화약물 질 농도에 비해 훨씬 높은 양상을 보였다(Fig. 11). 사격장
A 토양에서 평균 2.56 mg-RDX/kg과 1.38 mg-TNT/kg이 검 출되었고, 사격장 C 토양에서는 RDX는 거의 검출되지 않 았으나 TNT가 평균 7.88 mg/kg이 검출되었다. 사격장 C 토 양은 오염도 조사에서 RDX가 거의 검출되지 않았으나, TNT가 매우 높았다. 이를 반영하듯 사격장 D 토양의 침강 관 유출수 내 고체상 화약물질 농도가 평균 53.69 mg/kg으 로 훨씬 높았다.
액상과 고체상에 유래한 화약물질을 실례로 계산하면 Table 5와 같다. 사격장 A 토양이 침강관에서 5시간 체류한 경우 유출수 TSS는 215 mg/L였다. 상기 액상 및 고상에 의 한 화약물질 유출기여도를 유출수 1 m3에 대하여 계산하면, 액상 유출 RDX와 TNT는 각각 128 mg과 69 mg이며, 고상 유출 RDX와 TNT는 각각 0.55 mg과 0.30 mg이었다. 이 결 과는 침전지를 경유한 유출수에서는 액상에 의한 화약물 질 유출 기여도가 고상에 비해 훨씬 높다는 것을 정량적으 로 보이고 있다. 침강관에서 유출되는 액상 및 고상 화약 물질 유출기여도와 입자 내 화약물질 분포자료를 비교한
Table 5. Estimation of explosive compounds mass in 1 m
3effluent of the settling column
Range
TSS (mg/L) (5 hrs)
Explosive concentrations in the solid (mg/kg)
Solid phase derived explosives (mg)
Explosive concentrations in the liquid (mg/L)
Liquid phase derived explosives (mg)
RDX TNT RDX TNT RDX TNT RDX TNT
A 215 2.56 1.38 0.55 0.30 0.13 0.07 128 69
B 335 1.15 0.16 0.38 0.05 0.06 0.01 57 8
C 265 0.05 7.88 0.01 2.09 0.00 0.39 2 394
D 355 0.00 53.69 0.00 19.06 0.00 2.68 0 2,684
E 360 0.86 0.14 0.31 0.05 0.04 0.01 43 7
결과 유의적인 상관성은 발견되지 않았다. 반면에 사격장 화약물질 평균값과 액상 화약물질 유출기여도의 상관계수 는 RDX와 TNT 모두 0.85로 매우 높은 상관성을 보였다 (data not shown). 이 결과는 용해된 화약물질은 균질하여 거동예측이 쉽지만, 입상화약물질은 사용되는 포탄 탄종 과 현장 토양특성에 영향을 받는 부지 특이성이 있기에 침 전지 설계를 위해서는 각 부지별로 침강실험이 필요함을 의 미한다.
4. 결 론
경기도 지역 5개 군 사격장 피탄지를 대상으로 화약물질 오염 정밀조사를 실시한 결과, 피탄지는 두 종류의 화약물 질(TNT 및 RDX)이 빈도와 농도에서 가장 높았다. 전반적 으로 TNT와 RDX 오염도는 매우 높지 않았으나, 국부적으 로 고농도의 ‘hot spot’이 다수 존재하였다. 낮은 오염도가 유입량이 작아서인지 아니면 강수에 의한 지속적인 표면유 출 때문인지는 확인하지 못하였다. 그러나 심토에서 화약물 질이 검출되었고 사격장 피탄지 인근 개천에서도 화약물질 이 검출되어, 피탄지에서 강수에 의해 오염토사가 지속적으 로 유출되고, 피탄지 심토 오염 개연성이 있다고 판단된다.
사격장 오염분포와 오염물질의 종류는 사격훈련에 사용 되는 포탄의 종류, 사격 훈련량, 그리고 지형 형태에 따라 다른 양상을 보였다. 그러므로 사격장 피탄지에 대한 오염 물질의 유출방지 및 복원공법을 설계하기 위해서는 먼저 사 격장 특성에 맞는 적절한 조사가 진행되어야 한다.
토성 분석 결과와 입경별 오염물질 분포 결과를 바탕으 로 검토한 결과, 강수로 표면 유출되는 입자들 가운데 0.075 mm 이상의 입자들을 제거한다면 화약물질 유출을 90 % 이 상을 제어할 수 있는 것으로 산정되었다. 또한 침강관 실험 결과, 오염토양을 침전제거 한 후에는 고상 유출보다 액상 유출에 의한 화약물질 유출기여도가 높았다. 본 연구에서는 침강한 입자 내 화약물질 제거에 대하여 연구하지 않았지 만, 침전지 설치는 고상 입자에 의한 화약물질 유출저감에
경제적이고 효과적인 방안이라 평가되었다. 그러나 침전지 에서 유출되는 액상 내 화약물질 기여도가 높으므로 이를 처 리할 수 있는 방안도 필요하다.
감사의 글
본 연구는 환경부 환경산업기술원(GAIA Project No.173- 111-036) 지원으로 수행되었습니다.
References
