퇴적물 내 입도와 유기물 함량이 영양염류 및 중금속 농도에 미치는 영향 The Effects of Mean Grain Size and Organic Matter Contents in Sediments on the Nutrients and Heavy Metals Concentrations원문보기
팔당호 표층퇴적물의 오염 특성을 파악하기 위해 경안천을 중심으로 팔당호 전반에 걸쳐 40개 지점에 대해 입도, 유기물 함량, 총질소, 총인, 중금속의 분포 특성을 분석하였다. 입도(Mz, mean grain size)의 분포 특성은 유입량 및 유속이 강한 북한강과 남한강 합류지점부터 팔당댐 지역에 걸쳐 사질(Mz, $1{\sim}3\;{\phi}$)로 분포하며, 경안천 하부 및 팔당호 하부 지역에서는 세립한 silt(Mz, $5{\sim}10\;{\phi}$)로 구성되어 이 지역의 수리 특성을 반영한다. 입도(Mz)와 유기물 함량(LOI)의 상관관계는 습지 근처인 St. 36을 제외하고, $r^2\;=\;0.88$로 세립토일수록 유기물 함량이 높아지는 경향을 보였다. 퇴적물 내 T-N과 T-P의 농도 역시 입도와 유기물 함량이 높은 지역에서 높은값을 나타내었다. 특히, T-P의 농도 분포는 $216{\sim}1,623\;{\mu}g/g$(Avg. $769\;{\mu}g/g$)의 범위로 팔당호 퇴적물내 인(phosphorus)의 오염이 심각한 것으로 나타났다. Fractionated-P를 통해 환경 변화에 의해 수체로 용출될 가능성이 큰 Adsorbed-P와 NAI-P(Non-apatite inorganic P)가 약 20%로 나타났다. 또한, 20개 항목의 결과를 토대로 통계학적 기법인 주성분 분석(Principle Component Analysis, PCA)을 실시한 결과, 입도가 세립하고, 유기물 함량이 높은 지역에서 T-N, T-P, 친유기성 중금속(Cd, Cu, Pb, Zn)이 높게 분포하는 것으로 나타났다. 그러나 중금속 오염 정도는 입도를 고려한 $I'_{geo}$(Geoaccumulation Index)로 분석한 결과 상대적 오염도가 0 이하 및 Class 1에 속하는 것으로 나타나 중금속 오염은 없는 것으로 평가되었다.
팔당호 표층퇴적물의 오염 특성을 파악하기 위해 경안천을 중심으로 팔당호 전반에 걸쳐 40개 지점에 대해 입도, 유기물 함량, 총질소, 총인, 중금속의 분포 특성을 분석하였다. 입도(Mz, mean grain size)의 분포 특성은 유입량 및 유속이 강한 북한강과 남한강 합류지점부터 팔당댐 지역에 걸쳐 사질(Mz, $1{\sim}3\;{\phi}$)로 분포하며, 경안천 하부 및 팔당호 하부 지역에서는 세립한 silt(Mz, $5{\sim}10\;{\phi}$)로 구성되어 이 지역의 수리 특성을 반영한다. 입도(Mz)와 유기물 함량(LOI)의 상관관계는 습지 근처인 St. 36을 제외하고, $r^2\;=\;0.88$로 세립토일수록 유기물 함량이 높아지는 경향을 보였다. 퇴적물 내 T-N과 T-P의 농도 역시 입도와 유기물 함량이 높은 지역에서 높은값을 나타내었다. 특히, T-P의 농도 분포는 $216{\sim}1,623\;{\mu}g/g$(Avg. $769\;{\mu}g/g$)의 범위로 팔당호 퇴적물내 인(phosphorus)의 오염이 심각한 것으로 나타났다. Fractionated-P를 통해 환경 변화에 의해 수체로 용출될 가능성이 큰 Adsorbed-P와 NAI-P(Non-apatite inorganic P)가 약 20%로 나타났다. 또한, 20개 항목의 결과를 토대로 통계학적 기법인 주성분 분석(Principle Component Analysis, PCA)을 실시한 결과, 입도가 세립하고, 유기물 함량이 높은 지역에서 T-N, T-P, 친유기성 중금속(Cd, Cu, Pb, Zn)이 높게 분포하는 것으로 나타났다. 그러나 중금속 오염 정도는 입도를 고려한 $I'_{geo}$(Geoaccumulation Index)로 분석한 결과 상대적 오염도가 0 이하 및 Class 1에 속하는 것으로 나타나 중금속 오염은 없는 것으로 평가되었다.
A study was carried out to identify the major causes of sediments pollution in the Paldang Lake in the vicinity of Gyeongan river. Samples from 40 sites were collected and analyzed to characterize the regional distributions of grain size, organic matter contents, and concentrations of T-N, T-P and h...
A study was carried out to identify the major causes of sediments pollution in the Paldang Lake in the vicinity of Gyeongan river. Samples from 40 sites were collected and analyzed to characterize the regional distributions of grain size, organic matter contents, and concentrations of T-N, T-P and heavy metals. contaminations. The mean grain size(Mz) ranged from sand type(Mz, $1{\sim}3\;{\phi}$) where Bukhan River and Namhan River converges at a high flow rate to silt type(Mz, $5{\sim}10\;{\phi}$) at the downstream of Gyeongancheon and Paldang lake, reflecting the water circulation in the area. Except sampling point St. 36 near the wetland, the determination coefficient($r^2$) of Mz and organic matter(LOI) was 0.88, showing that more organic matters are concentrated inside finer sediments. The concentrations of T-N and T-P in sediments were higher in the area at which Mz and organic matters are also higher. High concentrations of T-P analyzed in the sediments, ranging from $216{\sim}1,623\;{\mu}g/g$ (Avg. $769\;{\mu}g/g$) could be considered as a critical level. Adsorbed-P and NAI-P, which are easily released to the surrounding environments when physico-chemical characteristics of sediments are changed, was found to be around 20%, which was showed by the result of fractionated-P. Moreover, Principle Component Analysis(PCA), showed that high concentrations of T-N, T-P, organophilic metals (Cd, Cu, Pb, Zn) are distributed in the areas where high organic matter contents and fine grain-sized sediments are found. However, results of $I'_{geo}$ (Geoaccumulation Index) that considers the grain size of sediments showed that heavy metal concentrations in the lake was low enough to be considered as Class 1 indicating the relative degree of pollution was less than zero.
A study was carried out to identify the major causes of sediments pollution in the Paldang Lake in the vicinity of Gyeongan river. Samples from 40 sites were collected and analyzed to characterize the regional distributions of grain size, organic matter contents, and concentrations of T-N, T-P and heavy metals. contaminations. The mean grain size(Mz) ranged from sand type(Mz, $1{\sim}3\;{\phi}$) where Bukhan River and Namhan River converges at a high flow rate to silt type(Mz, $5{\sim}10\;{\phi}$) at the downstream of Gyeongancheon and Paldang lake, reflecting the water circulation in the area. Except sampling point St. 36 near the wetland, the determination coefficient($r^2$) of Mz and organic matter(LOI) was 0.88, showing that more organic matters are concentrated inside finer sediments. The concentrations of T-N and T-P in sediments were higher in the area at which Mz and organic matters are also higher. High concentrations of T-P analyzed in the sediments, ranging from $216{\sim}1,623\;{\mu}g/g$ (Avg. $769\;{\mu}g/g$) could be considered as a critical level. Adsorbed-P and NAI-P, which are easily released to the surrounding environments when physico-chemical characteristics of sediments are changed, was found to be around 20%, which was showed by the result of fractionated-P. Moreover, Principle Component Analysis(PCA), showed that high concentrations of T-N, T-P, organophilic metals (Cd, Cu, Pb, Zn) are distributed in the areas where high organic matter contents and fine grain-sized sediments are found. However, results of $I'_{geo}$ (Geoaccumulation Index) that considers the grain size of sediments showed that heavy metal concentrations in the lake was low enough to be considered as Class 1 indicating the relative degree of pollution was less than zero.
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문제 정의
본 연구에서는 이러한 지역적 특성 및 계절적 변화가 큰 팔당호 내 표층퇴적물의 지화학적 특성 중 입도 및 유기물 함량이 총질소, 총인, 중금속 함량에 미치는 영향을 파악하 고, 통계학적 기법인 주성분 분석을 통해 퇴적물 내 오염을 가중시키는 주요 조절 요인을 파악하고자 하였다.
가설 설정
따라서 본 연구에서는 Miiller의 식 (1)에 지역별 입도를 고려하여 수정한 식 (2)를 이용하여 오 염지수를 산정하였다.14) Igeo 값은 주어진 시스템에서 어떤 미량금속의 상대적인 농축정도를 반영한다. 퇴적물에서 미 량금속의 Igeo 값은 class 1(0 ~ 1, unpolluted to moderately polluted), class 2(1 ~2, moderately polluted), class 3(2 ~3, moderately to strongly), class 4(3 ~ 4, strongly polluted), class 5(4~5, strong to very strong)로 분류된다.
제안 방법
퇴적 물의 T-Ne Kjeldhal법으로 분석하였으며, T-P의 경우 Hiltje and Lijklema(1980)에 시험법을 이용하였다.' 토양입자의 표 면에 흡착된(adsorbed P), 철과 알루미늄과 결합하여 토양 표 면에 공침된 인(NAI-P), 인회석에 함유된 인(apatite P)으로 분리 추출하였고, 생물체나 그 분해산물에 함유된 인(organicP)으로 분리 추출하였다. 퇴적물중 금속의 총 농도는 Tessier et al.
팔당호 표층 퇴적물내 금속들의 분포와 함량에 영향을 미치는 주요 원인을 파악하기 위해 20개 항목에 대해 계절별로 요인분석을 실시하였다. 각 변량들의 상관관계를 통해 3개의 요인이 추출되었으며, 이를 좀더 명확히 설명하기 위해 varimax rotation으로 회전하였다. 고유치 (eigenvalue loading) 의 누적값은 각각 64.
퇴적물내 pH는 pH meter(HANNA-H 18424) 로 측정하였으며, COD는 해양오염 공정시험법(제4장 2항) 에 의해 분석하였다. 강열감량(Loss on Ignition)은 분말시표 10 g을 정확히 평량하여 550℃ 회화로에서 완전 회화하여 원분말시료와의 무게 차이로 구하였다. 퇴적물중 총 탄소의 함량은 분말화된 시료를 주석 캡슐에 넣어 cm-분석기(CE Instrument; Flash-1120)를 이용하여 측정하였으며, 무기탄소 함량은 시료를 아황산(sulforic acid)을 첨가하여 유기탄소를 제거한 후, 같은 방법으로 측정하였다.
각 변량들의 상관관계를 통해 3개의 요인이 추출되었으며, 이를 좀더 명확히 설명하기 위해 varimax rotation으로 회전하였다. 고유치 (eigenvalue loading) 의 누적값은 각각 64.2%, 13.8%, 6.6%를 나타내었다(Table 2. ) 요인별 변수의 적재값 분포를 토대로 팔당 호소 퇴적물내 금속의 분포를 좌우하는 환경적 영향을 해석하고자 하였다. Factor 1의 고유치(eigenvalue)는 64.
이 시 료에 과염소산(70% HC1O4) 1 mL 그리고 붕산(H6) 4 mL 와 과염소산 1 mL를 순차적으로 넣고 건조시킨 후, 1 N 질 산 20 mL를 넣어 가열판에서 10분 동안 반응 시켜 액상상태 가 되도록 하였다. 전처리된 시료들에 대한 금속 원소의 정 량은 유도결합 플라즈마 질량분석기(ICP-MS; VG PlasmaQuad ICP-MS)를 이용하여 측정하였다.
지역적 특성을 고려하여 경안천 상부(A area), 경안천 하부 및 팔당하부 지역 (B area), 북한강과 남한강 합류부 지역area)으로 3지역을 구획화하여 비교평가 하였다(Table 3). 팔 당호 퇴적물의 경우, 입도를 고려하지 않은 #값과 입도를 보정한 I'geo 모두 크게 오염되지 않은 것으로 나타나 중금속 오염이 심각하지 않은 것으로 나타났다(Table 3).
강열감량(Loss on Ignition)은 분말시표 10 g을 정확히 평량하여 550℃ 회화로에서 완전 회화하여 원분말시료와의 무게 차이로 구하였다. 퇴적물중 총 탄소의 함량은 분말화된 시료를 주석 캡슐에 넣어 cm-분석기(CE Instrument; Flash-1120)를 이용하여 측정하였으며, 무기탄소 함량은 시료를 아황산(sulforic acid)을 첨가하여 유기탄소를 제거한 후, 같은 방법으로 측정하였다. 유기탄소의 함량은 총 탄소의 함량에서 무기탄소의 함량을 뺀 값으로 하였다.
팔당호 표층 퇴적물내 금속들의 분포와 함량에 영향을 미치는 주요 원인을 파악하기 위해 20개 항목에 대해 계절별로 요인분석을 실시하였다. 각 변량들의 상관관계를 통해 3개의 요인이 추출되었으며, 이를 좀더 명확히 설명하기 위해 varimax rotation으로 회전하였다.
중 . 하로 분리하여 각 시료를 혼합한 후 4분법으로 시료를 채취 후 입도분석기를 이용하여 측정하였다. 퇴적물내 pH는 pH meter(HANNA-H 18424) 로 측정하였으며, COD는 해양오염 공정시험법(제4장 2항) 에 의해 분석하였다.
대상 데이터
본 연구를 위해 팔당호 표층퇴적물의 시료를 여름(1999년 8~11월)철 40개 site에서 채취하였다(Fig. 1). 퇴적물 시료 는 교란되지 않도록 소형 Gravity Corer(내경 60 mm 아크릴 파이프 장착)을 이용하여 채취하였다.
1). 퇴적물 시료 는 교란되지 않도록 소형 Gravity Corer(내경 60 mm 아크릴 파이프 장착)을 이용하여 채취하였다. 퇴적물의 입도 분석은 Boring 퇴적물 Corer를 상 .
데이터처리
4) 퇴적물 내 중금속의 상대적 오염 평가를 위해 각 지역의 입도를 보정한 1'geo값을 계산하였다. 입도를 보정하였음에도 Igeo는 모든 지역에서 0 이하 및 Class 1에 속하는 것으로 나타나 퇴적물 내 중금속 오염은 심각하지 않은 것으로 나타났다.
이론/모형
'" 일반적으로 총 금속의 농도는 입자의 크기가 세 립할수록 높아지므로, 퇴적물내 금속의 함량이 동일하더라 도, 그 지역의 입도를 고려하여 오염 지수를 산정하는 것이 타당하다 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 Miiller의 식 (1)에 지역별 입도를 고려하여 수정한 식 (2)를 이용하여 오 염지수를 산정하였다.14) Igeo 값은 주어진 시스템에서 어떤 미량금속의 상대적인 농축정도를 반영한다.
그 방법 에는 enrichment factor, geoaccumulation index, concentration enrichment ratio, metal pollution index 등 다양한 방법이 있다. 이 중 연구지역에서는 지역의 지질 특성이 반영되어 오 염 정도를 판별할 수 있는 lgeo(geoaccumulation index)를 이용하여 계산하였으며, 이를 근거로 연구지역의 오염정도를 정 량화하였다. Igeo는 Miiller(1979)에 의해 제시된 것으로 퇴적 물의 오염정도를 평가하기 위해 이용되며, 식 (1)을 통하여 계산된다.
유기탄소의 함량은 총 탄소의 함량에서 무기탄소의 함량을 뺀 값으로 하였다. 퇴적 물의 T-Ne Kjeldhal법으로 분석하였으며, T-P의 경우 Hiltje and Lijklema(1980)에 시험법을 이용하였다.' 토양입자의 표 면에 흡착된(adsorbed P), 철과 알루미늄과 결합하여 토양 표 면에 공침된 인(NAI-P), 인회석에 함유된 인(apatite P)으로 분리 추출하였고, 생물체나 그 분해산물에 함유된 인(organicP)으로 분리 추출하였다.
하로 분리하여 각 시료를 혼합한 후 4분법으로 시료를 채취 후 입도분석기를 이용하여 측정하였다. 퇴적물내 pH는 pH meter(HANNA-H 18424) 로 측정하였으며, COD는 해양오염 공정시험법(제4장 2항) 에 의해 분석하였다. 강열감량(Loss on Ignition)은 분말시표 10 g을 정확히 평량하여 550℃ 회화로에서 완전 회화하여 원분말시료와의 무게 차이로 구하였다.
성능/효과
1) 팔당호 퇴적물 내 입도의 분포 특성은 이 지역의 수리 특성과 일치하였다. 북한강과 남한강 하류 지역부터 팔당호 본류는 조립한 사질로 나타났으며, 광동교부터 경안천 하류 지역은 세립한 실트로 나타났다.
2) 입도와 유기물 함량의 상관관계는r = 0.88로 높은 상관 성을 보였으며, 유기물 함량이 높은 지역에서 영양염류와 중 금속 역시 높은 분포를 보였다. 이는 통계학적 기법인 Factor analysis# 통해 입도, COD, LOI, T-N, T-P, Cd, Cu, Zn, Pb 등의 고유치(eigenvalue)가 64.
3) 팔당호 퇴적물 내 T-P의 Fractionated-P 분석 결과, 환경 변화에 의해 물속으로 용출될 확률이 큰 Adsorbed-P과 NAI-P 부분은 20%로 나타났다.
1X103 kg/d 중 생활계(40 %), 비점오염원(33%), 축산계(19%), 산업계(8%)로 생활계와 비점오염원이 높은 비율을 보이다.4) 팔당호 내 유속 양상은 북한강과 남한강으로부터 유입된 유량이 팔당댐을 통해 한 강으로 유입되며, 일부는 경안천 상류를 향해 진행된다. 이때 유속은 팔당호 내 총 유입량에 비례하며, 팔당댐 수문 개 .
3 일로 매우 짧은 하천형 호수이다.4)팔당호로 유입되는 유량은 남한강 55%(BOD 1.5 mg/L), 북한강 43.4%(BOD 1.1 mg/L), 경안천은 1.6%(BOD 6.4 mg/L)를 차지하고 있다. 팔 당호 유역의 BOD 발생부하량은 총 464.
특히 Cu와 Zn는 오염에 민감한 원소로서 오염 퇴적물 내에서 이들 원소의 농축 현상은 여러 연구를 통해 보고되었으며, sulfide가 형성되는 무산소 환경에서 더욱 두드러지게 나타 난다.6) St. 36을 제외한 각 금속과 유기성 탄소와의 상관관계를 보면, Cd(r2 = 0.81), Cu(r2 = 0.86), Pb(r2 = 0.81), Zn(r2= 0.70)는 유기성 탄소와 밀접한 상관관계를 보이는 것으로 나타났다(Fig. 8). Cu는 대부분이 organic ligands와 다양한 결합 형태를 이루어 안정화 되려는 속성이 있으며, 공극수 에서 organic ligands와 결합하여 높은 안정화를 이루는 금 속에는 Cu>Pb > Cd 순으로 제시된 바 있다.
8x103 kg/d이며, 생활 계(33%), 산업계(28%), 축산계(24%), 비점오염원(15%)를 차지 한다. BOD 배출부하량은 총 158.1X103 kg/d 중 생활계(40 %), 비점오염원(33%), 축산계(19%), 산업계(8%)로 생활계와 비점오염원이 높은 비율을 보이다.4) 팔당호 내 유속 양상은 북한강과 남한강으로부터 유입된 유량이 팔당댐을 통해 한 강으로 유입되며, 일부는 경안천 상류를 향해 진행된다.
7(a)). Cu의 분포 특성은 1.7-21.1 |ig/g(Avg. 9.3 pig/g)의 범위이며, 남한강을 따라 좌측 지역과 경안천 하류, 팔당호 하부 지역에서 약 3 Mg/g 이상으로 분포하며, 특히 St. 15, 16, 17에서 약 20 Rg/g으로 높은 값을 나타내었다(Fig. 7(b).
) 요인별 변수의 적재값 분포를 토대로 팔당 호소 퇴적물내 금속의 분포를 좌우하는 환경적 영향을 해석하고자 하였다. Factor 1의 고유치(eigenvalue)는 64.2%로 입도 Silt, COD,LOI, T-N, T-P, Cd, Cu, Pb, Zn, Cr의 상관성이 매우 큰 것으로 나타났다. 즉, 입도가 세립하고, 유기물 함량이 높은 지역에서 T-N, T-P 및 친유기성 금속(organophilic metals)들 이 높게 분포하는 것을 알 수 있다.
이러한 원인은 이 지역 주변에 비점오 염원 저감을 위해 인공습지를 약 2 km 이상으로 조성하여 퇴적물 내 유기물 함량이 높아진 것으로 사료된다. T-N의 퇴적물 내 분포 특성은 20~2, 200 gg/g(Avg. 790 μg/g)으로 넓은 농도의 범위를 보이며, St. 36에서 2, 200 Rg/g으로 가장 높은 값을 나타내었다(Fig. 5(a)).
T-N의 전반적인 분포 특성은 입도 및 유기물 함량 분포와 유사하나, St 10, 11, 13에 서는 1,000 pig/g 이하의 농도를 나타내었다. T-P의 분포 특성 역시 T-N과 유사한 경향을 보였으며, 216~1, 623 gg/g(Avg. 769 ug/g)의 범위로 경안천 하류 지점 St. 15에서 가장 높은 값을 나타내었다(Fig. 5(b)).
3(a)). 유기물 함량(LOI)의 분포 특성은 0.1 ~20.2%(Avg. 4.5%)의 범 위로 St. 36에서 20%의 높은 값을 보였다(Fig. 3(b)).
값을 계산하였다. 입도를 보정하였음에도 Igeo는 모든 지역에서 0 이하 및 Class 1에 속하는 것으로 나타나 퇴적물 내 중금속 오염은 심각하지 않은 것으로 나타났다.
3(b)). 입도와 유기물 함량과의 상관관계는 St. 36을 제외한 나머지 정점들 에 대해r = 0.88로 입도가 세립 할수록 유기물 함량이 높 아지는 일반적인 경향을 보였다(Fig. 4). 즉 입자가 작을수록 표면적이 넓어져, 더 많은 물질이 흡착할 수 있는 물리적 면적이 증가하는 것을 알 수 있다.
조사지역의 퇴적물 내 pH 분포는 평균 6.8이며, TCOD의 분포 특성은 입도 분포와 유사한 경향을 보인다(Fig. 3(a)).
각 지역의 입도 를 고려한 I는 A, C 지역은 상대적 Index 값이 #보다 다소 높아지긴 하였으나, 오염되지 않은 것으로 나타났으며, B 지역은 Igeo 보다 낮은 Index를 보였다. 즉, 입도를 보정하 였음에도 모든 지역에서 0 이하 및 Class 1에 속하는 것으로 나타나 팔당호 퇴적물 내 중금속 오염은 심각하지 않은 것으로 평가된다.
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