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문제 정의
- 이런 분석방법은 시료마다 모래, 실트, 점토의 함량이 달라 퇴적물에 함유된 중금속의 농도가 오염현상을 나타내기 보다는 퇴적물 자체의 입도 분포 차이에 의한 영향(matrix effects) 이 크게 나타나 오염의 정도를 비교하기 어려웠다. 본 연구에서는 팔당호 퇴적물에 함유된 중금속 중 환경부에서 지정한 유해중금속인 Cd과 Cu을 대상으로 총농도 및 존재형태별 농도, 입도분포를 구하여 입도분포가 중금속 농도에 미치는 영향을 알아보았다.
- 팔당호 표층 퇴적물 내 함유된 중금속의 존재형태별 농도 및 총농도에 대한 유기물 함량 및 입도 분포와의 결정계수를 알아본 결과와 토의를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
- 4%로 대부분을 차지하고 있어 Cd의 총량의 많은 부분이 유기물 분해에 의한 혐기성 상태에서는 많은 양이 용출될 가능성이 있다.16) 댐 앞의 reducible fraction은 경안천의 영향을 받은 것으로 사료된다.
제안 방법
- 팔당호 퇴적물에 함유된 중금속의 총농도에 가장 큰 영향을 미치는 퇴적물의 입자의 크기를 찾아 그 입자 크기 이하의 함량과 중금속 총량과의 상관관계를 나타낸 y=ax+b 형태의 직선 회귀식을 구하였다. 구한 회귀식을 이용해 특정 입경이하의 함량비를 50%로 표준화하여 중금속의 대표 농도를 구하였다.
- 중금속 농도에 대한 입도의 영향은 팔당호 퇴적물 시료중에 입자의 직경을 1.95 ø(256µm), 2.97 ø(128µm), 3.97 ø(64µm), 4.64 ø(40µm), 4.80 ø(36µm), 4.97 ø (32µm), 5.16 ø(28µm), 5.38 ø(24µm), 5.64 ø(20µm), 5.97 ø(16 µm), 6.38 ø(12 µm), 6.97 ø(8 µm), 7,97ø(4 µm), 8.97 ø(2 µm), 9.97 ø(1 µm)로 구분하여 특정 입자 크기 이하의 함량비와 중금속 농도와의 상관관계를 이용하여 결정계수를 알아보았고 각각의 결정계수를 이용해 입자 크기 변화에 따른 결정계수의 변화를 조사하여 중금속 농도에 가장 큰 영향을 미친 입자의 크기를 알아보았다.
- 중금속의 존재형태별 농도는 추출된 여액을 64 µm membrain filter로 여과한 후 ICP-MS(Ultramass 700, Varian)를 이용하여 adsorbed, carbonate, reducible, organic/sulfidic, residual fraction을 분석했고, 총량은 각 존재형태별 중금속량의 합으로 구하였다.
- 97 ø(1 µm)로 하였다. 팔당호 퇴적물 입도 분포가 중금속 중 Cd과 Cu의 총함량에 어느 정도 영향을 미치는지 알아보기 위하여 각각의 입도 분포와 Cd과 Cu의 총량과의 상관관계를 구하였다.
- 팔당호 표층퇴적물 시료에서 입도조성이 중금속 농도에 어느 정도 영향을 미치는지 알아보기 위하여 퇴적물 입경 분포와 중금속 농도와의 상관관계를 알아보았고 입도는 각각 1.95 ø(256 µm), 2.97 ø(128 µm), 3.97 ø(64 µm), 4.64 ø(40 µm), 4.80 ø(36 µm), 4.97ø(32 µm), 5.16 ø(28 µm), 5.38 ø(24 µm), 5.64 ø (20 µm), 5.97 ø(16 µm), 6.38 ø(12 µm), 6.97 ø(8 µm), 7,97 ø(4 µm), 8.97 ø(2 µm), 9.97 ø(1 µm)로 하였다.
대상 데이터
- 팔당호 퇴적물의 표층시료는 2004년 4월 20일에 팔당댐 앞(site 1), 호수 중앙부(site 2, 3, 4, 5, 6), 북한강 지역(site 7, 8), 남한강 지역(site 9, 10, 11, 12), 경안천 지역(site 13, 14, 15)의 총 15개의 지점을 조사용 선박에서 petite ponar grab sampler를 사용하여 시료를 채취하였다.
데이터처리
- 팔당호 퇴적물에 함유된 중금속의 총농도에 가장 큰 영향을 미치는 퇴적물의 입자의 크기를 찾아 그 입자 크기 이하의 함량과 중금속 총량과의 상관관계를 나타낸 y=ax+b 형태의 직선 회귀식을 구하였다. 구한 회귀식을 이용해 특정 입경이하의 함량비를 50%로 표준화하여 중금속의 대표 농도를 구하였다.
이론/모형
- 퇴적물의 조직을 알아보기 위하여 입도분석을 하였고, 퇴적물의 입도분석은 분석에 영향을 미치는 요소를 제거하기 위하여 H2O2를 이용한 유기물 제거, Oxalic Acid와 알루미늄을 이용한 산화철 제거 후 laser beam을 조사하여 입자에 의해 특정 파장의 산란되는 정도를 측정하여 측정하는 입도 분석기 (Mastersizer 2000, Malvern Ins.)를 이용하여 입경별 함량을 구하였고, 평균 입도(mean), 분급도(sorting), 왜도(skewness), 첨도(kurtosis)는 Folk and Ward13)의 분류방법을 따라, 조직분류(texture)는 Shepard15)의 방법을 따라 구하였다.
성능/효과
- 1. 팔당호 퇴적물의 중금속의 존재형태를 살펴보면 북한강, 남한강 지역은 자연적인 함유량이 많고 경안천 지역은 인위적인 함유량이 더 많은 것으로 나타났다.
- 3으로 매우 크다.11) 유역의 연평균 강수량은 1,417 mm이고 일평균 강수량은 15.8 mm이다. 평균 유입량과 유출량은 각각 516.
- 9%로 반 정도를 차지하고 있는 것으로 보아 Cu의 총량의 반 정도가 유기물과 흡착되어있는 중금속으로 사료된다.16) 댐 앞과 호수 중앙부의 organic/sulfidic fraction은 경안천의 영향을 받은 것으로 사료된다.
- 2. 시료 채취지역 퇴적물의 유기물 함량과 입자의 크기의 영향 중 입자의 크기가 퇴적물 중금속 농도에 더 큰 영향을 미쳤다.
- 3. 퇴적물 중금속의 총농도와 특정 크기보다 작은 입자의 함량 비율의 관계는 선형(linear)으로 나타났고 가장 큰 영향을 미치는 퇴적물의 입자의 크기는 입경 5.64ø(20 µm) 이하의 입자의 함량으로 나타났다.
- 4. 퇴적물 중금속 중 Cu의 reducible, organic/sulfidic fraction은 대부분 입경 5.97ø(16 µm) 전후의 특정 입자 크기보다 작은 입자 함량 비율에서 농도와 상관성을 설명할 수 있다.
- 5. 팔당호 퇴적물에 함유된 중금속의 총량을 입경 20 µm 이하의 함량비를 50%로 표준화한 값은 Cd 은 0.8 mg/kg, Cu는 37.0 mg/kg으로 실측값 보다 약 1.5~2.0배 높게 나타났다.
- 6. 현행 퇴적물 중금속농도 측정방법에는 퇴적물 입자의 영향에 대한 고려가 필요한 것으로 사료된다.
- 190 mg/ kg의 Cd이 퇴적물에서 수층으로 용출 가능성이 있다. 자연 함유량으로 간주되는 fraction은 carbonate fraction과 residual fraction으로 총량의 55.5%를 차지하며 0.237 mg/kg가 자연 함유량으로 나타났다. 팔당호 표층퇴적물에 함유된 Cd은 인위적인 오염보다는 자연 함유량이 더 큰 것으로 나타났다.
- 7%로 residual fraction 이 가장 많고, adsorbed, carbonate fraction이 낮은 비율로 나타났다. 중금속의 존재형태별 비율로 보아 팔당호 퇴적물에 함유된 Cd의 가장 중요한 근원은 유역의 암석이나 토양의 침식에 의한 부분이고, 수중의 중금속이 흡착에 의해 침전된 부분과 석회암의 침전과 관련된 부분의 비율은 매우 낮았다.
- 9%로 organic/sulfidic fraction이 가장 많고 그 다음으로 residual fraction 이 많고, adsorbed, carbonate fraction이 낮은 비율로 나타났다. 중금속의 존재형태별 비율로 보아 팔당호 퇴적물에 함유된 Cu의 가장 중요한 근원은 유기물에 흡착되거나 유기물 분해에 의해 황화물로 존재하는 중금속의 부분과 유역의 암석이나 토양의 침식에 의한 부분이고, 수중의 중금속이 흡착에 의해 침전된 부분과 석회암의 침전과 관련된 부분의 비율은 매우 낮았다.
- 지역별로 보면 댐 앞, 호수 중앙부, 북한강 지역, 남한강 지역에서 인위적인 오염이라 간주되는 fraction 은 총량의 25.7~40.2%를 차지하고 자연 함유량이라 간주되는 fraction은 총량의 59.8~74.3%를 차지해 Cd의 많은 부분이 자연 함유량으로 조사되었고 경안천 지역은 인위적인 오염이라 간주되는 fraction이 총량의 69.7%, 자연 함유량이라 간주되는 fraction은 충량의 30.3%를 차지해 Cd의 총량 중 많은 부분이 인위적인 오염의 형태로 나타났다.
- 지역별로 보면 댐 앞, 호수 중앙부, 북한강 지역, 남한강 지역에서 인위적인 오염이라 간주되는 fraction 은 총량의 50.8~55.8%를 차지하고 자연 함유량이라 간주되는 fraction은 총량의 44.2~49.2%를 차지해 Cu의 반 정도가 인위적인 오염으로 조사되었고, 경안천 지역은 인위적인 오염이라 간주되는 fraction이 총량의 66.2%, 자연 함유량이라 간주되는 fraction은 총량의 33.8%를 차지해 Cu의 총량 중 많은 부분이 인위적인 오염으로 나타났다.
- 총량에 대한 함량 비율은 adsorbed, carbonate, reducible, organic/sulfidic, residual fraction이 각각 2.9%, 1.8%, 21.3% 20.3%, 53.7%로 residual fraction 이 가장 많고, adsorbed, carbonate fraction이 낮은 비율로 나타났다. 중금속의 존재형태별 비율로 보아 팔당호 퇴적물에 함유된 Cd의 가장 중요한 근원은 유역의 암석이나 토양의 침식에 의한 부분이고, 수중의 중금속이 흡착에 의해 침전된 부분과 석회암의 침전과 관련된 부분의 비율은 매우 낮았다.
- 총량에 대한 함량 비율은 adsorbed, carbonate, reducible, organic/sulfidic, residual fraction이 각각 4.1%, 5.9%, 12.1% 42.0%, 35.9%로 organic/sulfidic fraction이 가장 많고 그 다음으로 residual fraction 이 많고, adsorbed, carbonate fraction이 낮은 비율로 나타났다. 중금속의 존재형태별 비율로 보아 팔당호 퇴적물에 함유된 Cu의 가장 중요한 근원은 유기물에 흡착되거나 유기물 분해에 의해 황화물로 존재하는 중금속의 부분과 유역의 암석이나 토양의 침식에 의한 부분이고, 수중의 중금속이 흡착에 의해 침전된 부분과 석회암의 침전과 관련된 부분의 비율은 매우 낮았다.
- 팔당호 표층 퇴적물에 함유된 Cd의 존재형태를 지역별로 보면 댐 앞과 호수 중앙부와 경안천 지역에서 총량이 각각 0.54 mg/kg, 0.58 mg/kg, 0.47 mg/kg로 높게 나타나고 북한강, 남한강 지역에서 총량은 각각 0.28 mg/kg, 0.26 mg/kg으로 상대적으로 낮게 나타난 것으로 보아 경안천 지역의 팔당호 유입이 댐 앞과 호수 중앙부의 오염의 원인으로 나타났다. 비율로 보면 팔당댐 앞, 호수 중앙부, 북한강, 남한강 지역은 residual fraction이 각각 57.
- 237 mg/kg가 자연 함유량으로 나타났다. 팔당호 표층퇴적물에 함유된 Cd은 인위적인 오염보다는 자연 함유량이 더 큰 것으로 나타났다.
- 5 mg/kg가 자연 함유량으로 보인다. 팔당호 표층퇴적물에 함유된 Cu는 자연 함유량보다는 인위적인 오염이 더 큰 것으로 나타났다.
- 팔당호 표층퇴적물의 특정 입도 크기 이하와 각 중금속들의 결정계수는 1.95 ø(256 µm) 이하의 퇴적물 입자 입도 함량에서 가장 낮고 5.97 ø(16 µm) 또는 5.64 ø(20 µm) 이하의 퇴적물 입자 입도 함량까지 대체로 증가하여 가장 높은 결정계수 값을 보였고 다시 9.97 ø(1 µm) 이하의 퇴적물 입자 입도 함량까지 대체로 감소하는 경향을 보였고 그 경향을 Fig. 5에 나타내었다.
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