ISSN 1225-5025
남한강 보 구간 퇴적물의 영양염류 용출에 관한 연구
Investigation of Nutrient Release from the Sediments Near Weir in the Namhan River
김혜연․허인애*․최정현†
Hye Yeon Kim․In Ae Huh*․Jung Hyun Choi† 이화여자대학교 환경공학과․*국립환경과학원 물환경공학연구과
Department of Environmental Science and Engineering, Ewha Womans University
*Water Environmental Engineering Research Division, National Institute of Environmental Research
(2013년 4월 15일 접수, 2013년 8월 16일 채택)Abstract : The purpose of this study is to evaluate the possibility of nutrient release at up and downstream of Kangchun weir, upstream of Yuju and Ipo weir in Namhan River. For this survey, we measured basic characteristics of the sediments (water content, ignition loss, TOC, TP, SRP, TN, phosphorus fractionation) and conducted nutrients release experiments under both aerobic and anaerobic condition. The overlying water from the sediment-water column was analyzed for nutrients (i.e. TP, PO4-P, TN, NO3-N, NH3-N) everyday for 18days. Result of soil texture experiment showed that sediments are Sand. SRP concentration before the release experiment was different with the value after the release experiment. According to this result, we can find that there were more activated release processes in anaerobic condition. PO4-P increased from 1 to 8 days and remained at the maximum value (7~8 days) afterward. The rapidly increase of PO4-P was observed from 1 to 2~3 days whereas the TP continuously increase from 1 to 18 days. The PO4-P release rate calculated by up to 7~8 days data highly correlated with initial SRP concentration with R2= 0.8502. NO3-N release rate appears constantly decreasing trend as -5.7~-3.08 mg/m2･day, otherwise the NH3-N release rate, by- product of a organic matter decomposition using nitrate as electron acceptor, was 0.57~2.41 mg/m2･day. Substantial portion in TN can be induced by organic nitrogen which originated from the tributary passing through non-point pollutant source. Compared with other similar researches, phosphorus and nitrogen release rates obtained in this study can be considered as relatively low values.
Since this study targeted the sediments accumulated by one time of flooding season, there are limitation to generalize theses results.
Therefore, it is necessary to consistently monitor and investigate the accumulation of nutrients in the sediment for understanding the effect of weir construction on the overlying water quality.
Key Words : Weir, Nutrient, Release, Sediment, Namhan River
요약 :본 연구의 목적은 보 인접 퇴적물을 대상으로 영양염류의 용출 가능성을 평가함에 있다. 이를 위해 현장 퇴적물을 채
취하여 퇴적물 기본 특성(입도, 함수율, 완전연소가능량, TOC, TP, SRP, TN, 존재형태별 인)을 측정하였고, 반연속식 용출조 를 운영하여 호기․혐기 조건 하에서 영양염류 용출량을 산정하였다. 퇴적물의 토성은 전 지점에서 Sand를 보였다. 퇴적물의 SRP 농도는 전체적으로 호기보다 혐기에서 용출 후 SRP 함량이 낮게 나타나 혐기에서 상대적으로 활발한 용출이 일어났음 을 알 수 있었다. TP 용출의 경우 강천보 상류 혐기조건에서 1.26 mg/m2･day로, PO4-P 역시 강천보 상류 혐기조건에서 0.25 mg/m2･day로 최대 용출을 보였다. PO4-P 용출율은 초기 2~3일까지 급격하게, TP는 18일까지 지속적으로 증가하였고 전반적 으로 증가 경향을 보이는 7~8일 범위 내에서 산정한 PO4-P 용출율은 퇴적물 내 초기 SRP 농도와 R2= 0.8502의 값을 보여 높은 상관성을 보였다. 질소 계열 중 NO3-N의 용출율은 -5.7~-3.08 mg/m2･day로 일관된 감소 경향을 보였지만 유기물 분해산 물인 NH3-N는 0.57~2.41 mg/m2･day의 용출율을 보였다. TN의 상당량은 유기 질소 성분으로 추정되며 이는 비점오염원을 거 쳐 유입되는 지류의 영향이라고 여겨진다. 본 연구를 통해 측정된 결과는 퇴적된 지 1년 미만의 퇴적물을 대상으로 했기 때 문에 연구 결과를 일반화시키기에 한계점이 있다. 따라서, 보에 의한 퇴적물의 축적이 수질에 미치는 영향을 보다 명확하게 파악하기 위해서는 퇴적물 내 쌓이는 영양염류를 지속적으로 모니터링 할 필요성이 있다.
주제어 : 보, 영양염류, 용출, 퇴적물, 남한강
1. 서 론
기후변화의 영향으로 국지적 극한 기후의 발생이 점차 잦 아지고 있다. 이러한 극한 기후의 발생은 단순 날씨 변화에 그치지 않고, 유기적으로 얽혀있는 환경 생태계 내에 혼란을 초래하였으며 기후에 대한 인간의 적응을 필요로 하게 만 들었다.1) 국내의 경우 반복적으로 발생하는 가뭄과 홍수의 강도가 극심해졌으며 그 결과, 강우의 계절적 편차가 기존보 다 더 커지고 있는 실정이다. 따라서, 우리나라는 이러한 계
절적 수자원의 편중을 줄이고자 수자원 관리의 필요성을 절감하였고 기후변화에 대한 국가적 차원의 적응 대책인 4 대강 정비 사업이 시행되게 되었다.2)
4대강 정비 사업의 일환으로 한강, 영산강, 낙동강, 금강 에 총 16개의 보가 설치되었으며, 한강의 지류인 남한강에 는 강천보와 여주보, 이포보가 건설되었다. 남한강이 서울 시민의 식수 공급원인 팔당호의 주요 지류 중 하나임을 고 려해 보았을 때, 보 완공으로 인한 수질 변화가 관심의 대상 이 되고 있다.
4대강 사업의 일환으로 수행된 준설 작업으로 인해 기존 에 강 저부에 퇴적되어 있던 퇴적물들이 제거되므로 보 설 치로 인한 수질의 변화를 예측하기 위해서는 보 건설 이후 새로 축적된 퇴적물을 주목해야 할 필요가 있다. 일반적으 로 퇴적물이 하천의 양안이나 보 근방에 쌓이게 되면 퇴적, 확산, 재부유, 생물 교란 등으로 퇴적물에 존재하는 영양염 류 등이 용출되어 수질에 영향을 줄 수 있다.3~5) 영양염류는 인과 질소 계열로 구성되며 이들이 축적되면 미생물 번식 이 급증하여 부영양화의 주요 원인이 되기도 한다. 또한 영 양염류 중 인(P)은 부영양화의 제어인자로 알려져 있어 이 러한 영양염류의 용출능을 분석하는 것이 수체의 부영양화 및 오염 가능성을 평가․예측하는데 필수적인 요소라고 할 수 있다.6,7) 이러한 영양염류 용출에 관한 연구는 폭넓게 이루어지고 있지만8~12) 건설 후 새로 유입된 퇴적물에 대한 연구는 기초적인 수준에 머물러 있으며,13) 지류 등으로부 터 유입되어 보 근처에 쌓이게 되는 퇴적물은 수질 악화의 1차적 원인이 될 수 있기 때문에 보 퇴적물 관련 연구가 절실히 요구되고 있다.
따라서 본 연구에서는 보에 쌓인 퇴적물이 수질에 미치 는 영향을 파악하고자 남한강 3개의 보 상․하류에 쌓인 퇴적물에서의 영양염류 용출능 평가를 그 목적으로 하고 있다. 남한강 하류에 건설된 강천보, 여주보, 이포보를 대상 으로 퇴적물과 수시료를 채취하여 실제 환경을 모사한 용 출조를 제작, 용출 실험을 진행하였고 각 지점별 퇴적물 특 성을 파악하기 위하여 입도, 함수율, 완전연소가능량, TOC, TP, SRP, 존재형태별 인(Phosphorus fractionation), TN 항목 에 대한 분석을 수행하였다. 이와 같은 보 상․하류 퇴적 물에 대한 연구는 인공 구조물 건설 이후 새로 유입되는 퇴 적물의 거동 및 수체에 미치는 영향에 관한 매커니즘을 연 구할 수 있는 좋은 기회이며 나아가 차후 보의 유지․관리 방안을 수립함에 있어서 기초자료로 활용될 수 있다는 점에 그 의의가 있다.
2. 실험재료 및 방법
2.1. 연구대상지역
본 연구의 대상 수계는 한강 지류인 남한강이며 강천보, 여주보, 이포보를 포함하고 경기도 여주군 점동면 흔암리 에서 경기도 여주군 금사면 외평리에 이르는 약 21 km의 구간이다. 남한강의 3개 보는 2011년 9월에 완공되었으며 시료 채취는 완공 8개월 후, 갈수기인 2012년 5월에 이루 어졌다.
시료의 채취는 유입 지류의 위치, 보와의 접근성 등을 고 려하여 각 보의 상류 600 m에서 수행하였으며 강천보의 경 우 하류 600 m 지점을 추가 채취하였다. 각 지점에서 시료 의 대표성을 위해 좌안, 중앙, 우안에서 퇴적물과 수시료를 채취 및 혼합하여 실험에 사용하였으며 시료 채취 당시 수 문이 개방되어있지 않은 상태로 지점 간의 유속차는 없었다.
수심은 우안, 중앙, 좌안의 순서대로 강천보 상류에서 3.6 m, 4.1 m, 3.5 m, 강천보 하류에서는 2.2 m, 2.6 m, 2.1 m, 여주 보 상류는 3.2 m, 3.7 m, 3.3 m, 이포보 상류에서는 4.6 m, 4.1 m, 4.6 m로 측정되었다.
퇴적물 시료는 Grab Sampler를 이용하여 각 지점에서 3 회 이상 채취하여 혼합하였고 퇴적물 깊이가 충분하지 않 아 채취가 원활히 이루어지지 않는 곳을 대상으로 잠수부 를 고용하여 시료를 얻었다. 시료는 현장에서 나뭇가지, 플 라스틱 등을 제거하고 2 mm 체로 습식 체질되었으며 고루 섞어 균질한 시료가 되도록 하였다. 퇴적물 시료는 공기와 접촉하지 않도록 밀봉한 뒤, 4℃ 냉장상태를 유지하여 실 험실로 운반되었다. 상등수로 사용할 하천수 채취는 퇴적 물 채취 지점과 동일한 지점에서 이루어졌으며 역시 냉장상 태로 운반되었다. 같은 방식으로 채취된 퇴적물․수시료 중 일부는 용출을 위한 용출조 내 시료로 활용하였고 남은 일 부를 분석용으로 사용하였다. 분석용 시료는 ‘하천․호소 등 퇴적물 측정망 운영계획 부록 5(환경부고시 제 2011-92호)’
의 분석용 시료 준비 항목을 따랐으며 용출 실험을 위한 시 료는 운반된 즉시 용출조로 옮겨졌다.
2.2. 퇴적물․수질 분석항목 및 분석방법
퇴적물의 물리․화학적 특성을 분석하기 위해 퇴적물 입 도, 함수율, 완전연소가능량(Ignition Loss), TOC (Total Or- ganic Carbon), TP (Total Phosphorus), SRP (Soluble Reactive Phosphorus) 그리고 TN (Total Nitrogen)을 ‘하천․호소 등 퇴적물 측정망 운영계획(부록 5, 환경부고시 제 2011-92호)’
에 의거하여 분석하였다. 또한, 퇴적물 내 존재형태별 인 (Phosphorus Fractionation) 분석은 Chang14)의 방법을 따랐으 며, TN은 원소분석기와 과황산칼륨 분해 방식 중 전자를 선 택하여 따랐다.
수질 분석은 영양염류 항목을 대상으로 용출조 상등수를 채수하여 실시하였다. 영양염류의 인 계열로는 TP, PO4-P 를 측정하였고 질소 계열로는 TN, NO3-N, NH3-N을 분석 하였으며 모든 항목은 수질오염공정시험기준 중 각 항목의 흡광광도법으로 분석하였다.
2.3. 용출 실험 설계
용출 실험은 본 연구 대상지의 수체 특성이 호소와 하천 의 중간형임을 고려하여 채수한 양과 동일한 양의 현장수 를 주입해주는 반연속식으로 운영하였다. 용출조는 아크릴 재질의 반응조에 현장에서 운반된 퇴적물과 상등수로 구성 되었으며 물리적 충격에 의한 퇴적물 부유를 방지하기 위 해 벽면을 따라 조심스럽게 상등수를 채워 넣었다. 용출조 상부 덮개는 고무 마감재를 사용하여 공기의 유입을 차단시 켰고 채수와 가스 주입을 위한 장치를 부착하였다. 반응조 내 광합성에 의한 산소조건 변화를 방지하기 위해 실험 전 기간에 걸쳐 호일로 감싸 햇빛을 차단하였으며 수체 내 온 도는 22 ± 1℃를 유지하였다.
Fig. 1. Sampling sites of the Namhan River.
반응조는 강천보 상류(Ka1), 강천보 하류(Ka2), 여주보 상 류(Yu1), 이포보 상류(Ip1)의 시료로 구성되었다. 각 지점별 로 호기(a)와 혐기(b) 상태를 부여하기위해 실험 시작일부터 종료일까지 질소가스와 산소가스 주입을 통해 일정한 DO 농도를 유지하도록 하였으며 총 8개의 반응조로 진행되었다.
분석을 위한 수시료는 용출조 내 시료 주입이 완료된 후, 반 응조를 암실에서 24시간 안정화시킨 후 동일한 시간에 1~2 일 간격으로 채수되었다. 용출 실험은 18일 간 수행되었다.
본 연구에서는 다음 용출 속도 식 (1)을 이용하여 채취시 간당 단위면적에서 용출되는 영양염류의 용출속도를 계산 하였다.
Release rate (mg/m2․day)
= [(Ctn+1×V1)-(Ctn×V2+C0×(V1-V2))] / [(tn+1-tn)×(W)] (1)
C0: 초기 하천수의 영양염류 농도(mg/L) Ct: 시간 t에서의 영양염류 농도(mg/L)
tn: n 번째 시료 채취 및 보충 시 진행된 실험 일수(day) V1: 분석용 상등수 채취 전 부피(L)
V2: 분석용 상등수 채취 후 남은 부피(L) W: 용출조 하단의 면적(m2)
3. 결과 및 고찰
3.1. 퇴적물 물리․화학적 특성 분석
퇴적물의 물리․화학적 특성을 분석하기 위해 입도, 함수 율, 완전연소가능량, TOC, TP, SRP 및 존재형태별 인과 TN 분석을 수행하였다.
Table 1의 퇴적물 입도 분석(Particle Size Distribution) 결 과를 보면 강천 상류, 강천 하류, 여주 상류, 이포 하류(Ka1,
Table 1. Physical and chemical characteristics of sediment Site Particle size distribution Water
content (%)
Ignition loss (%) Sand (%) Silt (%) Clay (%)
Ka1 97.24 1.78 0.98 13.69 0.76 Ka2 90.37 2.48 7.15 31.20 3.08 Yu1 97.02 1.93 1.04 13.38 0.84 Ip1 96.84 1.94 1.23 16.76 0.43
Ka2, Yu1, Ip1) 모든 지점에서 Sand, Silt, Clay 중 Sand 의 함량이 90%를 넘었다. 따라서, 전 지점이 Sand의 토성 분 류(Soil Texture)를 나타내었다(Fig. 3). 이는 보 완공 이후 첫
Fig. 2. Schematic diagram of release column.
Fig. 3. Particle size distribution.
홍수기 때 침식되어 내려온 토사의 대부분이 조대입자가 많 음을 암시한다. 남한강 유역에서 가장 상류에 지어진 강천 보의 경우 Clay의 함량이 상류에서 0.98%, 하류에서 7.15%
를 보여 보의 설치가 상류 유역에서 흘러들어온 퇴적물의 이동에 영향을 줄 수 있음을 알 수 있다. 이러한 강천 하류 지역의 높은 Clay 함량은 퇴적물이 수분과 유기물 보유능 이 크다는 것을 의미하며 Table 1의 수분함량과 완전연소 가능량 값으로 이를 확인할 수 있다.
Fig. 4와 5는 용출 전(initial)과 후(final)의 퇴적물 내 TN, TOC, SRP 변화와 용출 이후 퇴적물 내 존재형태별 인을 보여준다. Fig. 4의 경우 TN은 용출 전 110~460 mg/kg, 용출 후 100~290 mg/kg의 범위를 보였다. 퇴적물의 TN 함량은 강천 상류(Ka1)와 강천 하류(Ka2)에서 초기값이 높지만 실 험 이후는 감소하는 것으로 보아 농도 기울기 차이로 인한 용출이 일어났음을 짐작할 수 있다. 여주 상류(Yu1)와 이포 상류(Ip1)의 경우 용출 후가 용출 전보다 증가하는 경향을 보였으며 이는 수층에서 퇴적물로의 무기질소의 확산 영향 이라 판단된다. 또한, 호기보다 혐기 상태에서 다소 덜 확산 되는 현상을 보이는데 이는 일부 용출되는 기작과 상쇄되어 나타난 결과로 생각할 수 있다.
Fig. 4에서 각 지점의 TOC는 용출 전 초기량이 0.3~0.03%
의 범위를 보이며 전반적으로 상당히 낮은 유기물 함량임 을 알 수 있다. 이 중에서도 강천 상류와 강천 하류가 상대 적으로 높은 값을 보였다.
SRP는 퇴적물에서 수체로 방출된 뒤 직접적으로 미생물 에 의해 사용 가능하며 용출되기 가장 쉬운 형태의 인으로 알려져 있다. SRP의 경우, 강천 상류가 13.5 mg/kg로 다른 지점보다 월등히 높은 수치를 보여 강천 상류에서 인의 용 출이 가장 활발할 것임을 예측할 수 있다. 또한 모든 지점에 서 용출 실험 이후, 호기보다 혐기조건에서 퇴적물 내 SRP 함유량이 적어 혐기에서 SRP의 용출이 더 왕성했음을 보여 준다. 이 때, 퇴적물 내에서 용출 기작 이후, 인이 어떠한 형
Fig. 4. TN, TOC, SRP concentration in the sediments.
Fig. 5. Phosphorus fractionation.
태로 잔류하고 있는지는 Fig. 5 존재형태별 인의 추이를 보 고 알 수 있다.
존재형태별 인은 퇴적물 내 무기인의 형태를 분류하는 기 준이 된다. 이 기준은 크게 Apatite Phosphorus (A-P), Non- apatite Phosphorus (NAI-P), Adsorbed Phosphorus (Ads-P), Residual Phosphorus (Res-P)로 구성되며 Res-P는 TP에서 나머지 형태의 인들을 제거하고 남은 값으로 산정하였다.15) 존재형태별 인의 총합인 TP는 용출 후 강천 상류와 이포 하 류에서 상대적으로 적은 농도를 보였다. 강천 상류는 호기 와 혐기에서 437.03, 450.93 mg/kg을 보였으며 이포 하류 호기와 혐기에서는 525.40, 577.08 mg/kg이었다. 이에 비해 강천 하류와 여주 상류의 경우 최저 933.14~988.33 mg/kg의 범위를 보여 다른 지점에 비하여 높은 값을 보였다.
존재형태별 인 항목의 평균을 살펴보면 Res-P가 56.0%로 가장 많은 비중을 차지한다. Res-P는 미생물 자체나 미생물 이 분해된 분해산물에 결합해 있던 인을 포함하는 것으로16) Res-P의 급격한 변화를 보인 강천 하류(Ka2) 의 경우 미생 물의 영향이 컸다고 판단된다. 강천 하류(Ka2) 혐기 조건의 경우 A-P 비중이 높게 나왔다. 이 결과는 본 연구와 같은 결과를 보여주는 정우혁의 논문을 기반으로 혐기조건에서 용출된 NAI-P 또는 Res-P 중 일부가 A-P로 다량 전환되어 용출이 어려운 형태로 변한 것으로 판단되며 수체 내에서 pe/pH가 인의 존재형태 중, A-P로 존재하기 안정한 조건이 조성되었음을 짐작할 수 있다.17) 이러한 NAI-P 형태의 인 중 Ca과 결합하고 있는 인은 외부 유입원이 많은 곳, 즉 농 경지나 축산농가 주변, 산업폐수 유입부 등에서 높은 함량 을 보인다고 알려져 있다.18) 따라서 강천 하류(Ka2)는 인을 다량 함유하고 있는 외부유입원에서 유래한 퇴적물이 쌓여 있을 가능성이 높다. 강천 상류(Ka1)와 이포 상류(Ip1)의 경 우 혐기보다 호기에서 남아있는 NAI-P 농도가 높은 것으로 보아 호기에서 NAI-P 형태로 존재하던 인이 상대적으로 적 었음을 유추할 수 있다.
3.2. 영양염류 용출
Table 2는 용출율 추이를 기반으로 실험 실시일부터 용출 이 종료된 것으로 판단되는 7~8일까지의 용출량만을 대상 으로 계산한 평균 용출량이다.
3.2.1. 인의 용출 특성
연구 대상지역 최상류에 지어진 강천보에는 청미천이 유 입되며 최하류에 지어진 이포보 구간에서는 양화천과 복하 천이 유입된다. 강천 지점(Ka1, Ka2)은 상류와 하류 모두가 다른 지점에 비하여 용출이 활발히 일어나는 것으로 나타 났고, 호기보다 혐기에서 용출이 활발히 진행됨을 확인할 수 있었다. 일반적으로 Clay 함량이 높은 곳에서 영양염류의 용출이 더 활발히 일어난다. 이를 바탕으로, 보 상류지역보 다 Clay 함량이 높은 강천 하류에서 인을 포함하는 영양염 류의 용출율이 더 높을 것이라 예상하였지만, 본 연구의 결 과는 상류지점에서 더 높은 용출율을 보였다. 그 원인으로는
Table 2. Nutrient release rates of each site
Site Ka1 Ka2 Yu1 Ip1
DO condition a b a b a b a b
TP
(mg/m2･day) 0.33 1.26 0.13 0.53 0.21 0.26 0.52 0.66 PO4-P
(mg/m2･day) 0.19 0.25 0.06 0.18 0.01 0.06 0.06 0.11 org-N
(mg/m2･day)13.97 13.37 9.52 7.61 7.64 8.97 9.69 11.16 NH3-N
(mg/m2･day) 1.46 2.35 1.99 2.41 0.83 1.47 1.24 0.57 NO3-N
(mg/m2･day) -5.37 -5.70 -3.09 -3.81 -3.08 -3.48 -3.42 -4.86
* a : aerobic condition
* b : anaerobic condition
* org-N : organic nitrogen
보 하류 600 m 이내의 퇴적물이 보 구동으로 야기되는 수체 흐름으로 인해 입자에 부착되어 있던 영양염류가 탈착될 기 회가 많았기 때문이라고 여겨진다. 이때 상대적으로 쉽게 탈착되는 무기인들이 일부 제거된 퇴적물 시료를 대상으로 용출 실험을 수행했기 때문에 Clay 함량이 높음에도 불구하 고 강천 하류에서는 상류에 비해 낮은 인의 용출율이 나타 났다고 보여진다.
다른 보 구간과는 달리 여주보에서는 지류의 유입이 없기 때문에 상대적으로 지류에 의한 퇴적토와 오염물질의 유입 확률이 적으므로 뚜렷한 용출을 보이지 않았다. 이를 고려 하였을 때, 여주 상류 지점의 퇴적물이 지류에 의해 유입된 퇴적물의 영향을 배제하고 보에 의해 축적된 퇴적물의 영향 만을 가장 잘 표현한 지점이라고 볼 수 있다.
대상 지역 중 최하류인 이포 상류(Ip1)의 경우 호기보다 혐기 조건에서 보다 지속적인 용출이 관찰되었다. 이 결과 는 호기보다 혐기에서 인의 용출이 활발히 일어난다는 기 존의 연구들과 일치한다.19~21) 낮은 용존 산소와 더불어 높 은 pH 조건도 용출의 원인으로 알려져 있는데 이는 실험 전 기간에 걸쳐 pH 증가를 보여주는 Fig. 7 결과와도 일치한 다.22) 최근 연구에서 pH 7 이상에서 특히 수체 내 인 농도 증가율이 극대화 된다고 보고된 바 있는데 본 실험의 pH 범 위가 7 이상이므로 용출에 적합한 환경이 조성되었음을 알 수 있다. pH의 증가로 인한 용출 기작은 퇴적물 내 NAI-P 에서 OH-가 PO43-
와 이온교환이 이루어지면서 인의 존재형 태가 strengite에서 apatite로 변화하기 때문이라고 알려져 있 다.23) 일반적으로 퇴적물 내에서는 이와 같은 용출 실험 시 pH가 감소하기도 하는데 이는 유기물의 분해로 유기산이 방 출되어 나타나는 현상이다. 하지만, 본 연구에서 사용된 퇴 적물 시료는 유기물 함량이 낮아 유기산에 의한 pH 감소 효 과가 상쇄되었다고 판단된다.
PO4-P는 TP와 동일하게 강천(Ka1, Ka2)에서 최대용출율 을 보였다. 호기 조건보다는 혐기 조건에서 뚜렷하고 지속적 인 용출을 보였으며 하류보다 상류에서 더 높은 용출율을 보였다. 다만, PO4-P의 경우 TP에서와는 다르게 8일 이내
Fig. 6. Cumulative TP release rate.
Fig. 7. Variation of pH.
에 용출이 완료되고 급격히 침적 후 안정화되는 모습을 보 이는데 그 이유는 PO4-P의 방출은 완료되었지만 유기인 방 출의 지속으로 TP은 계속 증가하고 PO4-P은 일정한 누적 량을 보인 것으로 판단된다. Fig. 9를 통해 TP에서 차지하 는 PO4-P의 비율이 초기에는 매우 컸지만 전반적으로 모든 조건에서 7~8일 이후 급감하여 0~10% 이내의 값을 유지하 는 것을 확인할 수 있다. 이 결과는 퇴적물로부터 유기인 용 출에 의한 수체의 내부오염 가능성이 있음을 시사한다. 이
와 같은 유기인의 용출이 여주(Yu1)에서는 보이지 않는다 는 점을 고려한다면, 유기인의 기원으로 지류의 영향을 고려 해 볼 수 있다. 지류가 유기인의 기원임을 확인하기 위하여 남한강 본류로 직접 유입되는 하천 중 강천보 상류에서 유 입되는 청미천, 이포보 상류에서 유입되는 양화천, 복하천의 샘플링 이전 12개월간의 SS 농도를 살펴보았다(Fig. 10).24) 지류를 통해 남한강 본류로 들어온 SS 농도를 살펴보면, 지 난 홍수기 때 SS가 다량 유입된 것을 확인할 수 있으며 이 때 유입된 유기인이 퇴적물 내에 축적되어 있었을 것으로 판단된다. 유기인의 방출량이 크지 않은 이유는 지난 홍수 기 이후 보 관리를 위한 운영 차원에서 간헐적인 수문 개방 이 이루어졌기 때문에 홍수기 때 SS의 영향이 일부만 잔재 되어 있어 소량의 유기인 방출만이 이루어진 것으로 보여진 다. Fig. 10에 따르면 강천 상류와 하류(Ka1, Ka2)에 미치는 유기인의 방출은 청미천의 영향을 가장 크게 받았으며 이포 상류에 미치는 유기인의 방출은 복하천의 영향을 주되게 받 은 것으로 보인다.
여주 상류(Yu1)에서는 수체 내에서 PO4-P가 초기에만 일 부 제거된 후 별다른 변화를 나타내지 않았다. 호기 상태에 서는 안정화 단계에서 SS가 퇴적되어 이러한 침적 결과를 보였고, 혐기 조건에서는 초기 용출로 인하여 수체 내 미량 남아있었으나 용출이 일시적으로 일어났기 때문에 시간이
Fig. 8. Cumulative PO4-P release rate.
Fig. 9. PO4-P/TP concentration ratio.
지남에 따라 호기와 유사한 경향을 보인다고 판단된다.
이포 상류(Ip1)의 경우 혐기에서만 용출을 보이며 8일을 기점으로 안정화 상태에 들어갔고, 호기에서는 단기적 용출 을 보이고 이 후 지속적으로 감소하는 경향을 보인다.
PO4-P는 용출이 일어나는 경우 TP 용출의 상당량을 차지 한다고 알려져 있다. Fig. 11은 퇴적물의 초기 SRP 농도와 수 체로 빠져나간 PO4-P 용출율의 상관관계를 나타낸다. PO4-P 의 용출율은 각 지점의 호기와 혐기에서의 용출율 값을 평
Fig. 10. SS concentration of tributary.
균내었으며 초기 용출이 일어났다고 판단되는 7~8일 기간의 값으로 산정하였다. 회귀분석 후 F_검정 결과, 90% 신뢰구 간에서 유의하였고 0.85의 결정계수를 보였다. 이러한 Fig.
11의 결과는 초기에 진행된 용출 대부분이 PO4-P의 의한 것 이였음을 다시 한번 보여준다. 또한, PO4-P 용출 정도와 초 기 SRP의 높은 상관성으로부터 SRP가 퇴적물의 용출능 평 가 시, PO4-P 용출 정도를 대변할 수 있는 지표로써 활용가 능함을 알 수 있다.
Fig. 12. Cumulative organic nitrogen release rate.
Fig. 11. The correlation between SRP concentration and PO4-P release rate.
3.2.2. 질소의 용출 특성
질소의 용출 특성에서 유기 질소는 TN 에서 NH3-N와 NO3-N의 합을 제한 나머지로 계산하였으며 NO2-N가 산화 성 조건에서 불안정하여 형태가 급격히 변하기 때문에 TN 의 값에 큰 영향을 미치지 못 할 것이라는 가정 하에 이루 어졌다. 유기 질소의 경우 용출 3~4일부터 모든 지점에서 점차 증가하는 모습을 볼 수 있었고 강천 상류에서는 최대 13.97 mg/m2･day의 용출 누적량을 보였다(Table 2). 이러한
유기 질소의 용출은 퇴적물에 잔재하던 유기 질소가 상대 적으로 농도가 낮은 수체로 빠져나오는 농도 기울기에 의 한 확산 현상으로 이루어진 것으로 보인다. 유기 질소의 배 출원으로는 일반적으로 가축 사육이나 가정집 등으로부터 의 분뇨 유입을 주된 원인으로 꼽을 수 있기 때문에 주변 지류에 형성되어 있는 비점오염원을 유기질소의 근원지로 추측할 수 있다.
수체 내 NO3-N의 추이를 보면 전 지점(Ka1, Ka2, Yu1, Ip1)에서 음의 값 내에서 일관된 감소를 보였으며(Table 2) 대체적으로 호기에서보다 혐기에서 감소량이 더 컸다. NO3- N의 증감과 관련된 매커니즘으로 혐기 조건에서 퇴적물 내 유기물이 분해되면서 산소가 아닌 다른 전자수용체를 사용 하게 되는데 이때 NO3-N가 산소를 대신하여 사용되는 것을 고려해볼 수 있다. 본 실험에서는 이와 같은 기작으로 인해 미량이지만 퇴적물 내에서 유기물이 지속적으로 제거되고 따라서 수체와 퇴적물 사이의 농도 기울기에 의해 수체의 NO3-N의 일부가 퇴적물 층으로 이동한 것임을 알 수 있다.
NH3-N의 경우 전반적으로 초기 6일 이내에서는 증가하는 추이를 보이다가 이후 안정화되고 있다. NO3-N를 전자수 용체로써 사용하여 유기물을 분해할 때 분해산물로 NH3-N 가 발생하게 되어 초기에 급격한 NH3-N의 용출이 일어난 결과라고 판단된다. NH3-N의 방출은 안정화 기간 직전인 실 험 6일 이내에 종료되는 양상을 보였다.
4. 결 론
본 연구에서는 남한강 보 설치 구간 내 강천보 상류(Ka1), 강천보 하류(Ka2), 여주보 상류(Yu1), 이포보 상류(Ip1) 지점 을 선택하여 보 설치 이후의 상․하류별, 보 별 영양염류의 용출 능력을 평가․비교해 보고자 하였다. 이를 위해 현장 퇴 적물 및 수시료를 샘플링하여 반연속식 용출조를 제작하였 고 용출 실험을 진행하여 수체의 영양염류 농도 및 퇴적물 기 본특성을 측정, 용출율을 도출하였다.
1) 퇴적물의 물리․화학적 특성으로는 모든 지점의 토성 (Soil Texture)이 Sand로 나타나 2012년 홍수기 시 내려온 토 사의 대부분이 Sand임을 알 수 있다. 강천 상류보다 하류 에서 Clay의 함량이 더 높게 나타났으며 이와 일치하게 수 분함량과 완전연소가능량이 높은 것을 확인할 수 있었다.
퇴적물의 TOC는 최대 0.3%로 상당한 미량을 나타냈으며 퇴적물의 SRP는 모든 지점에서 실험 전보다 실험 후, 그리 고 호기보다 혐기에서 저농도를 보여 혐기에서 상대적으로 활발한 용출이 일어났음을 알 수 있었다. 강천 상류(Ka1)에 서는 월등히 높은 SRP를 보여 최대 용출을 보일 것으로 예 상되었다.
2) 인의 영양염류 용출의 경우 여주보 상류가 네 지점 중 최소 용출율을 보였으며 이는 강천보 하류부터 여주보 상류 사이에 지방하천 이상의 지류가 없어, 생긴 결과라 보여진 다. 따라서, 여러 지류가 유입되는 이포보와 강천보와는 달 리 여주보 상류의 실험 결과가 보 설치로 인한 용출 특성을 가장 잘 반영했다고 판단된다. TP와 PO4-P 모두 예측과는 달리 연구대상지역 중 최상류인 강천에서 가장 높은 용출 율을 보였다. 이는 하류에서 퇴적이 더 활발히 일어나지만, 보 개방에 의한 수체 흐름으로 영양염류의 탈착 기작을 거 친 결과라 보여진다. 따라서, 보 근방 퇴적물의 오염정도 평 가 시 상․하류의 지형적 퇴적 특성을 가장 큰 영향 요인 으로 보기에 어렵다고 판단된다. PO4-P이 일정함에도 불구 하고 TP가 증가하는 양상을 보이는 것은 지류에서 유입되 는 유기인의 용출이 그 원인으로 보이며 홍수기 시, 보를 방 류하면서 토사와 함께 내려와 침적되어 있던 것으로 보여 진다. 더불어, PO4-P와 초기 SRP 농도와의 높은 상관성을 기반으로 PO4-P 용출능 분석보다 시간과 노동이 덜 요구되 는 SRP 농도 측정이 PO4-P의 용출능 예측의 지표로써 가능 성이 있음을 시사했다.
3) 질소의 경우 유기물 분해 시 혐기 상태에서 전자수용체 로 사용된 NO3-N는 지속적으로 감소하는 경향을 보였다.
이 과정에서 생성되는 부산물인 NH3-N는 약 6일 내로 용출 이 종료되는 모습을 관찰할 수 있었다. TN의 상당량은 유 기 질소 성분으로 설명할 수 있으며 이는 비점오염원을 거 쳐 유입되는 지류의 영향이라고 여겨진다.
4) 본 연구 결과에서는 퇴적물에서의 인과 질소 용출율이 절대적으로 낮은 값을 보이며 아직은 우려할 수준은 아니 라고 판단된다. 하지만, 보가 설치된 지 만 1년이 채 되지
않은 시료를 대상으로 하였기 때문에 이 결과는 단 한 번의 홍수기를 겪은 후의 용출능을 평가했다고 말할 수 있고, 결 과를 일반화시키기에는 한계가 있음을 보여준다. 따라서, 퇴 적물 용출율의 높고 낮음을 비교평가하기 위해서는 향후 2~5년 이상 지속적으로 쌓인 퇴적물 내 영양 염류를 정량적 으로 측정하고 퇴적물의 물리적․화학적․양적 특성 양상 을 모니터링 해야 하며 나아가, 이 자료를 보의 운영 관리 차원에서 기초자료로써 활용해야 할 필요성이 있다고 사료 된다.
사 사
본 연구는 한강물환경연구소 환경기초조사 사업 “보 설치 구간 퇴적환경 조사 및 관리방안 연구”와 2013년도 정부(교 육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단(No. 2010-0025372) 의 공동 지원을 받아 수행된 연구이며, 이에 감사를 표합니다.
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