[논문]경북지역 토양의 중금속 분석

도현승; 김성덕; 이승주

문제 정의

환경과학 및 광산 자료에는 많은 중금속 오염 변수(원소)들로 구성된다. 따라서 본 연구에서는 중금속 원소들을 이용하여 소수 몇 개(2~3개)의 주성분이라 부르는 서로 상관되어 있지 않은 독립적인 인공변수를 도출하고자 한다. <표 3>은 7개 중금속 원소들의 상관계수를 이용하여 구한 주성분 분석 결과로서 고유값(분산), 분산비, 총분산의 누적설명비와 성분적재행렬을 나타낸다.
본 연구는 경상북도 지역 12개 지방자치단체에 산재되어 있는 27곳의 폐금속 광산의 오염을 정밀 조사한 데이터를 이용하여 2차원적 통계분석을 실시하였다. 2차원적 통계분석으로는 상관분석 및 이격거리에 따른 분석, 주성분분석, 군집분석을 통해서 각각의 중금속 오염 정도의 특성을 조사하였다.
데이터 분석 방법에 대한 전통적인 접근방식은 1차원적 문제에 한정되었다. 본 연구는 보다 상세한 접근 방식인 2차원적 분석 방법을 채택하여 중금속에 의한 토양 오염도를 심도 있게 분석하고 추후의 환경복원 계획에 정보를 제공 하고자 한다.
또한 비소(As), 카드뮴(Cd), 구리 (Cu), 납(Pb), 아연(Zn)은 모든 광산에서 검출되었음을 알 수 있었다 군집분석의 결과에서도 상관분석과 주성분 분석의 결과와도 일치한 결과를 나타냈다. 본 연구는 토양의 사용 환경에 따른 오염도 분석, 하천오염 및 주변 지역의 오염에 원인이 되는 표토층의 오염도 분석 및 안전성 평가 토양 오염의 주원인인 중금속에 관하여 분석을 하였다. 본 연구 결과는 광산개발로 인해 국민건강 생활에 미치는 피해요소의 분석, 저게, 예방을 통해 지속가능한 녹색생활권의 보장 및 친환경적 광산개발 에 관한 정보 및 광해요인을 제거하고 훼손된 자연환경을 보호하기 위한 폐금속 광산의 복원 계획 및 대책 수립에 중요한 정보를 제공할 것으로 기대된다.
<그림 1>은 본 연구의 대상지역을 나타낸다. 본 연구는 토양의 사용 환경에 따른 중금속의 오염도 분석에 대한 평가를 한다. 데이터 분석 방법에 대한 전통적인 접근방식은 1차원적 문제에 한정되었다.
최근에 많은 연구자들이 휴.폐광산 지역에서의 환경오염평가에 관한 연구들을 수행하였다. 황철석의 산화를 저감하기 위하여 SAPS, Wetland, ALD (Anoxic Limestone Mnage)의 방법을 수행되었고[4] 중금속에 의한 오염 거동 및 분포 특성[4], [5] 및 인체의 생태 위해성 영향 외에 최근에는 통계분석법[6], [7], ⑻을 이용하여 중금속의 위해성을 평가하는 연구가 진행되었다.

제안 방법

2차원적 통계분석으로는 상관분석 및 이격거리에 따른 분석, 주성분분석, 군집분석을 통해서 각각의 중금속 오염 정도의 특성을 조사하였다.
그러나 중금속의 종류가 다양하고 광산에 따라 중금속 이온들의 종류와 농도가 다를 뿐만 아니라, 동일한 광산의 자료에서도 중금속 농도에서도 농도의 차이가 심하여 정확한 분석과 평가가 쉽지 않고 이에 따른 대책수립이 부족할 수밖에 없다. 본 연구는 토양의 사용 환경에 따른 오염도 분석, 하천 오염 및 주변 지역의 오염에 원인이 되는 표토층의 오염도 분석 및 안전성 평가, 토양 오염의 주원인인 중금속에 관하여 분석을 하였다 분석 기법으로는 우선 상관분석을 통해서 각 중금속 원소들 간의 상관성을 파악하며, pH와 이격거리에 따른 중금속과의 관계를 평가하였다 주성분 분석을 통해서 중금속 원소들을 몇 개의 주성분으로 도출하고 군집분석을 실시하였다.
본 연구에서는 경상북도 휴.폐광산에 존재하는 중금속 원소들에 대해 거리 측도에 의해 군집분석을 하였다. 군집분석 방법은 계보적 군집방법, 연결방법은 Waid 의 방법[13]을 사용하였으며 비상사성인 거리의 측도로는 유클리드 거리를 사용하였다.

대상 데이터

토양 오염 데이터는 각 광산별로 38~77개 시료를 표토 및 심토에서 채취하였으며, 시료는 hand auger와 부삽으로 채취되었으며, 표토는 Ocm—lOcm, 심토는 30cm~100cm 지점에서 채취되었다. 본 연구 대상 지역의 총 조사지점은 1, 473 지점이며, 이 중 표토가 채취된 곳은 1, 252 지점이고, 심토가 채취된 곳은 221 지점이다.<그림 1>은 본 연구의 대상지역을 나타낸다.
본 연구는 경상북도 12개 지방자치단체에 산재되어있는 27 곳의 폐금속 광산을 연구조사 대상영역으로 선정하였대 9]. 토양 오염 데이터는 각 광산별로 38~77개 시료를 표토 및 심토에서 채취하였으며, 시료는 hand auger와 부삽으로 채취되었으며, 표토는 Ocm—lOcm, 심토는 30cm~100cm 지점에서 채취되었다.
토양 오염 데이터는 각 광산별로 38~77개 시료를 표토 및 심토에서 채취하였으며, 시료는 hand auger와 부삽으로 채취되었으며, 표토는 Ocm—lOcm, 심토는 30cm~100cm 지점에서 채취되었다. 본 연구 대상 지역의 총 조사지점은 1, 473 지점이며, 이 중 표토가 채취된 곳은 1, 252 지점이고, 심토가 채취된 곳은 221 지점이다.

데이터처리

본 연구 대상 지역 주변 토양에 존재하는 중금속 원소들과 토양 속 pH 및 이격거리 사이의 상호 관련성을 조사하기 위하여 상관분석을 수행하였으며은상관행렬을 나타낸다.

이론/모형

폐광산에 존재하는 중금속 원소들에 대해 거리 측도에 의해 군집분석을 하였다. 군집분석 방법은 계보적 군집방법, 연결방법은 Waid 의 방법[13]을 사용하였으며 비상사성인 거리의 측도로는 유클리드 거리를 사용하였다.<그림 4>는 7개의 중금속 원소의 군집분석한 결과를 나무구조그림(dendrogram) 으로 도식화한 것이다.

성능/효과

pH 및 이격거리에 따른 상관분석을 수행한 결과 토양의 pH는 니켈(Ni)을 제외하고는 상관성이 미약하였으며, 니켈 (N)이 많은 광산은 pH가 높게 나타났다 이격거리가 멀어짐에 따라 니켈(N)의 양은 크게 줄어들지 않는 반면에, 아연 01), 카드뮴(Cd), 납(Fb), 수은(Hg) 의 양은 감소하였다. 주성분 분석의 결과로서 첫 번째 주성분은 계수의 크기에 의하면 카드뮴(Cd), 납(Pb), 아연(31), 구리(Cu) 중금속 원소의 크기가 크므로 광산 활동과 관련이 있는 인위(인공)적 성분으로 정의할 수 있었고, 두 번째 주성분은 비소(As), 니켈(Ni) 원소의 계수 크기가 크므로 기반암 기원 성분으로 정의할 수 있었다.
0001)이 있으며 아연(Zn), 드뮴(Cd), 납(Pb), 수은(Hg)과는 음의 상관이 있다고 할 수 있다. 따라서 이격거리가 멀어짐에 따라 니켈(N)의 양은 크게 줄어들지 않는 반면에, 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 수은 (Hg)의 양은 감소할 것으로 기대된다. 이처럼 니켈(N)이 pH와 상관성이 높고, 이격거리가 멀어짐에도 그 양이 다소 균일하게 분포하는 이유는 조사대상인 경북지역 광산의 대부분이 지질 및 광상학적으로 초염기성 암석이 밀집하고 있고 금 광산이 많이 분포하고 있어서 니켈(N) 성분이 많이 검출되었기 때문이라고 판단된다.
주성분 분석의 결과로서 첫 번째 주성분은 계수의 크기에 의하면 카드뮴(Cd), 납(Pb), 아연(31), 구리(Cu) 중금속 원소의 크기가 크므로 광산 활동과 관련이 있는 인위(인공)적 성분으로 정의할 수 있었고, 두 번째 주성분은 비소(As), 니켈(Ni) 원소의 계수 크기가 크므로 기반암 기원 성분으로 정의할 수 있었다. 또한 비소(As), 카드뮴(Cd), 구리 (Cu), 납(Pb), 아연(Zn)은 모든 광산에서 검출되었음을 알 수 있었다 군집분석의 결과에서도 상관분석과 주성분 분석의 결과와도 일치한 결과를 나타냈다. 본 연구는 토양의 사용 환경에 따른 오염도 분석, 하천오염 및 주변 지역의 오염에 원인이 되는 표토층의 오염도 분석 및 안전성 평가 토양 오염의 주원인인 중금속에 관하여 분석을 하였다.
<그림 4>는 7개의 중금속 원소의 군집분석한 결과를 나무구조그림(dendrogram) 으로 도식화한 것이다. 본 연구에서는 Fb-Zn-Cd~Cu의 군집 1과, As-Hg-N의 군집 2로 명확하게 군집화되는 것을 알 수 있었다. 이는 상관분석의 결과와 일치한다.
<그림 2>는 이격거리에 따른 중금속 오염농도의 변이를 나타낸 결과이다. 비소(As), 구리(Cu), 납(Pb)은 500m 이내에서 대부분 검출되었고, 카드뮴(Cd)은 광산에서 비교적 먼 거리인 2,000m 지역에서도 많은 양이 검출되었다. 이는 토양중에 존재하는 카드뮴(Cd)은 높은 pH하에서도 이온화 된 상태로 존재하기 때문에 다른 중금속에 비해서 이동성이 크기 때문이다[10].
감소하였다. 주성분 분석의 결과로서 첫 번째 주성분은 계수의 크기에 의하면 카드뮴(Cd), 납(Pb), 아연(31), 구리(Cu) 중금속 원소의 크기가 크므로 광산 활동과 관련이 있는 인위(인공)적 성분으로 정의할 수 있었고, 두 번째 주성분은 비소(As), 니켈(Ni) 원소의 계수 크기가 크므로 기반암 기원 성분으로 정의할 수 있었다. 또한 비소(As), 카드뮴(Cd), 구리 (Cu), 납(Pb), 아연(Zn)은 모든 광산에서 검출되었음을 알 수 있었다 군집분석의 결과에서도 상관분석과 주성분 분석의 결과와도 일치한 결과를 나타냈다.
상관행렬에서 '*' 표시는 5% 유의수준에서 유의한 상관관계를 나타내고, '**' 표시는 1% 유의수준에서 유의한 상관관계를 나타낸다. 토양의 pH는 니켈(Ni)과 가장 관련성이 높은 것으로 나타났다. 그 외의 다른 중금속은 니켈(Ni)에 비하여 pH와의 관련성이 낮게 나타났다.

후속연구

따라서 의 결과와 토양오염분포도의 결과를 토대로 니켈(Ni)에 대한 복원 방법에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
각 광산별 광종에 따라서 발생하는 중금속의 성분을 분석하여 상관관계가 있는 중금속별 처리를 하면 복원 과정이 쉽게 진행될 수 있을 것이다. 본 분석 결과를 토대로 토양의 성상 및 함량에 영향을 미치는인자에 대해 체계적이고 구체적인 분석이 필요함을 인지하였다. <그림 2>는 이격거리에 따른 중금속 오염농도의 변이를 나타낸 결과이다.
본 연구는 토양의 사용 환경에 따른 오염도 분석, 하천오염 및 주변 지역의 오염에 원인이 되는 표토층의 오염도 분석 및 안전성 평가 토양 오염의 주원인인 중금속에 관하여 분석을 하였다. 본 연구 결과는 광산개발로 인해 국민건강 생활에 미치는 피해요소의 분석, 저게, 예방을 통해 지속가능한 녹색생활권의 보장 및 친환경적 광산개발 에 관한 정보 및 광해요인을 제거하고 훼손된 자연환경을 보호하기 위한 폐금속 광산의 복원 계획 및 대책 수립에 중요한 정보를 제공할 것으로 기대된다.
이는 상관분석의 결과와 일치한다. 이 결과로부터 각 광산별 복원 계획 수립시 각 광산의 광종에 포함된 중금속의 군집화의 결과를 파악하여 해당 군집을 전처리 과정으로 처리할 수 있을 것으로 판단된다.

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