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문제 정의
- 본 연구는 백두산 분화 시 발생하는 화산재 피해를 저감하고, 국내 환경변화에 대응하기 위한 환경 관리기준을 수립하기 위한 기초연구로 관리기준 수립 방향을 제시하고자 하였다. 또한 서울을 포함하는 수도권 지역의 주요 수원인 팔당댐 유역에 대해 화산재 퇴적에 따른 오염정도를 분석하고자 하였다. 이를 위해 첫 번째, 백두산 화산의 마그마 성분을 분석하여 유사한 화산을 선정하고, 선정된 화산에서 분출되는 화산재의 성분을 추정하였으며 추정된 화학 물질 농도에 대한 유해성분을 분석하였다.
- 본 연구는 백두산 분화 시 발생하는 화산재 피해를 저감하고, 국내 환경변화에 대응하기 위한 환경 관리기준을 수립하기 위한 기초연구로 관리기준 수립 방향을 제시하고자 하였다. 또한 서울을 포함하는 수도권 지역의 주요 수원인 팔당댐 유역에 대해 화산재 퇴적에 따른 오염정도를 분석하고자 하였다.
- 본 연구에서는 백두산 화산 폭발 시 발생할 수 있는 환경 피해를 최소화할 수 있는 수질환경 관리기준 수립을 위한 방향을 제시하고자 하였다. 이를 위해 백두산 화산재 성분을 추정하였으며 성분에 따른 위험도를 평가하기 위해 팔당댐 저수지역을 대상으로 하여 평가를 실시하였다.
- 03으로 가장 컸으며, 그 이유로는 다른 지역의 취수원에 비해 저수면적이 크지만 상대적으로 저수용량이 작기 때문인 것으로 분석되었다(Table 1). 본 연구에서는 오염 잠재력이 가장 큰 팔당댐을 대상으로 화산재에 의한 수질환경 영향을 평가하였다.
제안 방법
-
3.2 성분별 위험도 분석 결과
과거 분화한 화산재의 화학성분을 국내 화학물질 안전 관리 정보시스템에 등록된 화학물 정보와 비교하여 화산재 성분의 유해성을 분석하였다. Table 5는 백두산과 유사한 Pacaya 화산과 Feugo 화산의 화산재 성분 평균 농도와 국내 위험노출기준 농도를 비교한 결과이다.
- 따라서 취수원의 화산재 성분별 위험도 평가를 위해 우리나라 먹는물 수질기준과 비교하였다. 그 중에서 분화한 화산의 화산재에 영향을 받을 것으로 예상되는 알루미늄(Al), 카드뮴(Cd), 불소(F), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 염소 (Cl), 납(Pb), 스트론튬(Sr) 8개 성분(Table 2)과 위험평가 모델의 결과와 비교하여 등급을 구분하였다.
- 이를 위해 첫 번째, 백두산 화산의 마그마 성분을 분석하여 유사한 화산을 선정하고, 선정된 화산에서 분출되는 화산재의 성분을 추정하였으며 추정된 화학 물질 농도에 대한 유해성분을 분석하였다. 두 번째, 화산재 퇴적 두께에 따른 취수원에 대한 유해성분 농도 변화를 분석하고 국내의 수질기준 중 먹는물 수질기준과 비교하여 수질환경에 대한 영향을 평가하였다.
- 팔당댐 유역은 수도권의 중요 취수원으로 역할을 수행하고 있기 때문에, 화산재에 의한 팔당댐 저수지역의 오염은 수도권 용수공급에 직접적으로 영향을 미칠 수 있다. 따라서 취수원의 화산재 성분별 위험도 평가를 위해 우리나라 먹는물 수질기준과 비교하였다. 그 중에서 분화한 화산의 화산재에 영향을 받을 것으로 예상되는 알루미늄(Al), 카드뮴(Cd), 불소(F), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 염소 (Cl), 납(Pb), 스트론튬(Sr) 8개 성분(Table 2)과 위험평가 모델의 결과와 비교하여 등급을 구분하였다.
- 백두산에서 분출이 예상되는 마그마의 구체적인 화학성분과 분출농도를 추정하기 위해 과거에 분화한 Fuego 화산, Pacaya 화산, Santiaguito 화산, Helens 화산, Ruapehu 화산의 화산재 성분 농도를 조사하였다(Table 3).
- , 1998). 본 연구에서는 정확한 백두산 화산재의 밀도를 분석하기 어렵기 때문에 최근의 연구결과에서 제시한 화산재 밀도의 평균인 1,000 kg/m3을 적용하였다.
- 0 mm의 4단계로 오염정도를 구분하여 적용하였다. 실질적으로 퇴적량은 기상정보를 동반한 다양한 환경에서의 화산재 확산 시뮬레이션을 통해 추정하여 적용할 수 있으나, 본 연구는 확산에 정확도를 맞추기보다는 퇴적량에 따른 오염정도에 초점을 맞추어 분석을 실시하기 위해 오염정도를 구분하여 적용하였다.
- 본 연구에서는 백두산 화산 폭발 시 발생할 수 있는 환경 피해를 최소화할 수 있는 수질환경 관리기준 수립을 위한 방향을 제시하고자 하였다. 이를 위해 백두산 화산재 성분을 추정하였으며 성분에 따른 위험도를 평가하기 위해 팔당댐 저수지역을 대상으로 하여 평가를 실시하였다. 팔당댐 저수지역에 대한 오염평가 결과와 국내 먹는물수질기준과의 비교를 통해 화산재 낙하에 따른 수질관리 등급 설정 방향을 제시하였으며, 본 연구의 주요 결과는 다음과 같다.
- 또한 서울을 포함하는 수도권 지역의 주요 수원인 팔당댐 유역에 대해 화산재 퇴적에 따른 오염정도를 분석하고자 하였다. 이를 위해 첫 번째, 백두산 화산의 마그마 성분을 분석하여 유사한 화산을 선정하고, 선정된 화산에서 분출되는 화산재의 성분을 추정하였으며 추정된 화학 물질 농도에 대한 유해성분을 분석하였다. 두 번째, 화산재 퇴적 두께에 따른 취수원에 대한 유해성분 농도 변화를 분석하고 국내의 수질기준 중 먹는물 수질기준과 비교하여 수질환경에 대한 영향을 평가하였다.
- 제안된 평가기법은 화산재 성분, 저수 용량, 저수 면적, 화산재의 밀도와 퇴적량 등을 수식화하여, 화산재에 의한 유역의 화학적 오염 부하 농도를 산출한다(Eq. (1)).
- 퇴적량에 따른 오염정도를 분석하기 위해 퇴적량은 0.1 mm, 1.0 mm, 5.0 mm, 10.0 mm의 4단계로 오염정도를 구분하여 적용하였다. 실질적으로 퇴적량은 기상정보를 동반한 다양한 환경에서의 화산재 확산 시뮬레이션을 통해 추정하여 적용할 수 있으나, 본 연구는 확산에 정확도를 맞추기보다는 퇴적량에 따른 오염정도에 초점을 맞추어 분석을 실시하기 위해 오염정도를 구분하여 적용하였다.
- 이를 위해 백두산 화산재 성분을 추정하였으며 성분에 따른 위험도를 평가하기 위해 팔당댐 저수지역을 대상으로 하여 평가를 실시하였다. 팔당댐 저수지역에 대한 오염평가 결과와 국내 먹는물수질기준과의 비교를 통해 화산재 낙하에 따른 수질관리 등급 설정 방향을 제시하였으며, 본 연구의 주요 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
- 서울을 포함한 수도권 지역의 주수원인 팔당댐과 대전광역시의 수원을 담당하는 대청댐, 대구광역시의 수원을 담당하는 운문댐, 광주광역시의 수원을 담당하는 주암댐, 제주도의 수산저수지를 대상으로 오염잠재력을 산출하였다. 그 결과, 팔당댐 유역의 오염잠재력이 2.
성능/효과
- 불소(F)와 철(Fe)의 분석결과, 알루미늄과 비슷한 경향을 보이고 있다. 0.1～5 mm의 화산재가 퇴적되어도 수질이 미치는 영향은 크지 않은 것으로 분석되었다. 하지만, 5～10 mm의 화산재가 퇴적되면 먹는물 수질기준을 초과하는 것으로 나타났기 때문에 이 범위의 화산재가 퇴적되면 대응 조치가 필요할 것으로 판단된다.
- 1) 백두산의 분화 시 발생되는 화산재의 성분을 마그마의 성분을 이용하여 추정한 결과, Fuego, Pacaya 화산의 화산재 성분과 유사한 것으로 나타났다.
- 2) 해당 화산 화산재 성분의 위험도를 분석한 결과, 표면에 산성 물질이 코팅된 화산재와 산성가스 등에서 검출된 알루미늄, 비소, 염소, 불소, 철, 수은, 납, 황산, 세슘 등이 유해성분으로 나타났다. 이와 같은 성분은 용해되어 수자원에 악영향을 미칠 수 있을 것으로 판단된다.
- 3) 수도권지역 중요 수원인 팔당댐 상수원 지역의 화산재에 대한 수질환경의 영향을 평가한 결과, 팔당댐은 오염잠재력이 취수원으로 사용하는 다른 국내 댐에 비해 오염잠재력이 큰 것으로 나타났다. 또한 영향을 미치는 화산재 성분은 알루미늄, 카드뮴, 불소, 철, 납, 마그네슘, 염소와 스트론튬으로 이들 성분의 증가는 팔당댐 저수지역 수질에 영향을 미칠 것으로 판단하였다.
- Fuego 화산의 마그마 성분은 현무암질이며, Pacaya 화산의 마그마는 현무암과 안산암, 그리고 데이사이트로 구성된 것으로 분석되었다. 또한 Santiaguito 화산과 Helens 화산은 데이사이트, Ruapehu 화산은 안산암으로 이루어져 있는 것으로 분석되었다.
- Pacaya 화산재 성분의 평균 농도 분석 결과, 우라늄(U)이 가장 적은 0.08배, 염소(Cl)가 가장 많은 29142.8배의 농도 차이를 보였다. Fuego 화산재 성분의 평균 농도의 경우에는 염소 농도가 가장 큰 차이를 보였다.
- 또한 Santiaguito 화산과 Helens 화산은 데이사이트, Ruapehu 화산은 안산암으로 이루어져 있는 것으로 분석되었다. Ruapehu 화산을 제외한 4개 화산의 화산재의 성분에 대한 농도는 차이를 나타내고 있었지만, 화산재 구성 성분은 유사한 것으로 나타내었다(Table 4).
- 과거 분화 이력을 가진 화산의 화산재 성분분석을 통해 백두산 화산재의 성분을 유추한 결과, 백두산 화산은 현무암과 데이사이트 조성의 마그마인 Pacaya 화산과 현무암 조성의 마그마인 Fuego 화산과 유사한 성분의 화산재를 분출 할 것으로 판단하였다.
- 서울을 포함한 수도권 지역의 주수원인 팔당댐과 대전광역시의 수원을 담당하는 대청댐, 대구광역시의 수원을 담당하는 운문댐, 광주광역시의 수원을 담당하는 주암댐, 제주도의 수산저수지를 대상으로 오염잠재력을 산출하였다. 그 결과, 팔당댐 유역의 오염잠재력이 2.03으로 가장 컸으며, 그 이유로는 다른 지역의 취수원에 비해 저수면적이 크지만 상대적으로 저수용량이 작기 때문인 것으로 분석되었다(Table 1). 본 연구에서는 오염 잠재력이 가장 큰 팔당댐을 대상으로 화산재에 의한 수질환경 영향을 평가하였다.
- 납(Pb) 분석결과, Fuego 화산재 성분의 최대농도가 5 mm 이상에서 수질기준을 초과하였고, 평균농도는 50 mm 이상에서 수질기준을 초과하였다. 하지만, Pacaya 화산재의 납 성분은 100 mm의 화산재가 퇴적되었을 때 수질기준을 초과하였다.
- Fuego 화산의 마그마 성분은 현무암질이며, Pacaya 화산의 마그마는 현무암과 안산암, 그리고 데이사이트로 구성된 것으로 분석되었다. 또한 Santiaguito 화산과 Helens 화산은 데이사이트, Ruapehu 화산은 안산암으로 이루어져 있는 것으로 분석되었다. Ruapehu 화산을 제외한 4개 화산의 화산재의 성분에 대한 농도는 차이를 나타내고 있었지만, 화산재 구성 성분은 유사한 것으로 나타내었다(Table 4).
- 3) 수도권지역 중요 수원인 팔당댐 상수원 지역의 화산재에 대한 수질환경의 영향을 평가한 결과, 팔당댐은 오염잠재력이 취수원으로 사용하는 다른 국내 댐에 비해 오염잠재력이 큰 것으로 나타났다. 또한 영향을 미치는 화산재 성분은 알루미늄, 카드뮴, 불소, 철, 납, 마그네슘, 염소와 스트론튬으로 이들 성분의 증가는 팔당댐 저수지역 수질에 영향을 미칠 것으로 판단하였다.
- 마그네슘(Mg) 분석결과, 화산재 퇴적두께가 1～5 mm 사이에 먹는물 수질기준을 초과하는 것으로 나타났으며, 5 mm 이후에 최대값과 평균값 모두 초과하기 때문에 5 mm 이상의 화산재가 퇴적되면 수질관리 및 대응이 필요할 것으로 사료된다.
- 분석결과 중 우라늄의 농도가 작은 이유는 자연계에 분포된 양이 적기 때문이며, 염소는 화산가스로 분출되는 염소가스와 성층권에 분포하는 염소의 반응으로 농도가 높은 것으로 판단되었다. 또한 화산 내부의 강한 압력에 의해 물질들이 농축되어 있기 때문에 배출되는 화산재의 농도가 높은 것으로 판단하였다.
- 염소(Cl)와 스트론튬(Sr)의 분석결과, 두 성분은 100 mm 이상의 화산재가 퇴적되어도 수질에 대한 영향이 크지 않은 것으로 나타났다. 염소는 자연계에 상당히 많은 양이 존재하는 원소로 높은 농도에서도 수질에 미치는 영향이 적은 것으로 사료된다.
- 1～1 mm의 화산재 퇴적두께에 대해서는 수질에 영향이 미비한 것으로 나타났다. 이후 1～5 mm 사이에 오염농도가 증가하였지만, 먹는물 수질기준 이하의 농도기 때문에 수질에 미치는 영향은 미비할 것으로 판단하였다. 5～10 mm의 화산재가 퇴적되었을 경우, 먹는물 수질기준을 초과하는 단계로 이 범위 안에 화산재가 퇴적되었을 경우에 적절한 대응이 필요할 것으로 판단된다.
- 화산재 위험평가 모델을 적용하여 화산재의 수질에 대한 영향을 평가하였으며(Tables 6 and 7), Fuego 화산과 Pacaya 화산의 화학 성분 중 알루미늄과 염소의 성분은 화산재 퇴적량(두께)에 따라 다른 화학성분에 비해 증가량이 큰 것으로 나타났으며, 특히 염소의 경우 가장 큰 농도 증가를 나타냈다. 카드뮴과 마그네슘, 납 등과 같은 중금속의 경우에는 화산재 퇴적량에 따라 유역에 발생하는 오염 증가량이 상대적으로 크지 않았으며, 방사성 원소인 스트론튬은 철과 비슷한 증가율을 나타냈다.
- 화산재에 따른 수질환경에 대한 영향을 평가한 결과 8개 항목에서 수질기준을 초과한 것으로 나타났다. 1～5 mm 범위에서는 알루미늄과 마그네슘이 수질기준을 초과하였고, 5～10 mm 범위에서는 불소와 철이 수질기준을 초과하였으며, 10 mm 이상의 범위에서는 납과 카드뮴 등 의 중금속이 수질기준을 초과하였다.
후속연구
- 향후 백두산 분화 시 발생할 오염물질의 확산 범위와 거리별 확산 농도, 이동 중 성분변화 등의 연구의 진행으로 화산재 확산 시뮬레이션이 포함된다면 화산재 대응을 위한 지역별, 유역별의 방재차원의 상황관리시 유용하게 활용될 것으로 기대된다.
- 화산재 퇴적량(두께)에 따른 수질의 농도변화 분석 및 이에 대한 평가는 백두산 화산폭발 시 또는 인접국가의 화산재 이동시 국내의 수질환경 변화에 대응하기 위한 판단기준으로서 활용될 것으로 판단된다.
- 5～10 mm의 화산재가 퇴적되었을 경우, 먹는물 수질기준을 초과하는 단계로 이 범위 안에 화산재가 퇴적되었을 경우에 적절한 대응이 필요할 것으로 판단된다. 화산재가 10 mm 이상 퇴적되면 오염 농도가 먹는물 수질기준을 초과하며, 오염을 가중시키기 때문에 특별한 조치가 필요할 것으로 판단된다.
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