[논문]TREECS 프로그램을 이용한 화약류 오염 군 사격장 토양의 TNT와 RDX 유출 특성 연구

유기현; 정재웅; 남경필

doi:10.7857/jsge.2015.20.6.133

문제 정의

먼저 사격장 현황 및 오염도 조사결과를 바탕으로 TREECS 프로그램을 이용하여각 유출경로별(지하수유출, 토양침식 및 표면유출) TNT와 RDX의 유출량(mass flux)을 평가하고 비교하였다. 그리고 TNT와 RDX의 토양잔류가 경로별 유출량에 미치는 영향에 대해서도 평가하였다.
따라서 사격장 화약류 물질의 이동해석은 다양한 경로를 통해 오염물질 유출이 발생하는 것을 평가할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 상기한 유출경로별 오염물질 유출량을 예측할 수 있는 Training Range Environmental Evaluation and Characterization System(TREECS) 프로그램을 이용해 사격장 내 TNT와 RDX의 이동해석을 실시하였다. 먼저 사격장 현황 및 오염도 조사결과를 바탕으로 TREECS 프로그램을 이용하여각 유출경로별(지하수유출, 토양침식 및 표면유출) TNT와 RDX의 유출량(mass flux)을 평가하고 비교하였다.
본 연구에서는 우리나라 OO 사격장(부지면적 1.32 km²)의 2009년부터 2011년까지의 사격장 내부 토양에서실측한 TNT와 RDX의 농도자료 및 토양용적밀도, 수분함량, 공극률 및 유기탄소함량 등의 부지 특성(Table 1)을바탕으로 TREECS 프로그램을 이용해 TNT와 RDX의유출특성을 평가하였다. 연도별 오염농도 자료는 Jung (2014)의 논문에서 인용하였다(Table 1).

가설 설정

첫째는 사격장 전체 부지에 대해 균일한 Z_b(m)의 오염심도에서 Continuous Stirred- Tank Reactor(CSTR) 모형을 통해 표면유출과 지하수유출에 의해 유출하는 오염물질량을 고려한다는 것이다. 둘째는 토양에 존재하는 오염물질들이 충분히 물에 용해되어토양과의 흡착평형을 이루고 있다는 가정이다. 셋째는 오염물질들의 헨리상수가 매우 낮기 때문에 휘발로 인한 손실을 고려하지 않고, 분해반응 또한 고려하지 않는다는 것이다.
이 모형에서는 정상상태(steady state)를 가정하여 연 단위 유출량 산정이 가능하다. 오염부지 전체 면적에 대해서 오염물질이 동일하게 오염되어있다는 가정을 통해 단위 부피당 오염물질량(C_tt, g/m³)을 산정할 수 있다. 아래 식 (2)는 오염물질의 평균 농도와 오염물질의 관계를 나타내는 식이다.
연도별 오염농도 자료는 Jung (2014)의 논문에서 인용하였다(Table 1). 이 때, 유출이발생할 수 있는 심도인 1cm 이내에 모든 오염물질의 존재한다고 가정해 오염농도를 단위면적 당 오염량으로 환산하였다(USEPA, 1988). 토양용적밀도, 수분함량 및 공극률은 사격장 부지의 토성으로 도출하였다.

제안 방법

, 1999; Jung, 2014), TNT의 토양 흡착계수는 토양 유기탄소함량과 TNT의 유기탄소 분배계수의 곱으로 단순화하여 도출할수는 없다. 따라서 본 연구에서는 OO 사격장에서 채취한토양을 이용한 흡착실험을 통해서 TNT의 토양 흡착계수를 2.30mL/g으로 도출하였다(Table 1). RDX는 벤젠 고리를 가지고 있지 않아 극성을 보이지 않으므로 점토광물에 흡착되지 않는다(Jung, 2014).
본 연구에서는 상기한 유출경로별 오염물질 유출량을 예측할 수 있는 Training Range Environmental Evaluation and Characterization System(TREECS) 프로그램을 이용해 사격장 내 TNT와 RDX의 이동해석을 실시하였다. 먼저 사격장 현황 및 오염도 조사결과를 바탕으로 TREECS 프로그램을 이용하여각 유출경로별(지하수유출, 토양침식 및 표면유출) TNT와 RDX의 유출량(mass flux)을 평가하고 비교하였다. 그리고 TNT와 RDX의 토양잔류가 경로별 유출량에 미치는 영향에 대해서도 평가하였다.
본 연구에서는 TREECS 프로그램을 이용하여 사격장부지에서 화약류 오염물질의 토양잔류 유무를 고려하여 TNT와 RDX의 외부로의 유출량을 도출했다. 사격장 부지에서 TNT와 RDX의 완전유출을 가정한 경우 TNT는 토양침식을 통해 초기 오염량의 68%가 유출되고, RDX는지하수유출로 54%가 유출되었다.
사격장 토양에 존재하는 TNT와 RDX가 사격장 토양에서 모두 유출되는 것을 가정했을 때, TREECS를 이용해각 경로별(토양침식, 표면유출, 지하수유출) 유출량을 도출했다. TNT와 RDX의 농도가 각각 73.
초기 오염농도가 높을수록 각 경로별 유출되는 TNT와 RDX의 농도가 높았다. 연도별 사격장 토양의 오염농도의 차이에 의한 유출량의 차이를 배제하고 경로별 유출량의 특성을 파악하기 위해, 사격장의 초기 오염물질량에 대한 각 경로별 유출량의 비(g/g)를 알아보았다. Fig.
kr/) 홈페이지에 게시된 2009년부터 2011년까지의 매해 기상자료로부터 확보하였다. 이후, TREECS 프로그램 내에 있는 Hydro-Geo-Characteristics-Toolkit(HGCT)를 사용하여, 각 연도별 연평균 강우량(rainfall), 침투량(infiltration), 표면 유출량(runoff), 연평균 강우발생일(rain days)을 Table 1 과 같이 도출하였다.
RDX는 벤젠 고리를 가지고 있지 않아 극성을 보이지 않으므로 점토광물에 흡착되지 않는다(Jung, 2014). 즉, RDX의 경우 토양유기물에 소수성으로 흡착되는 현상만 일어나기 때문에본 연구에서는 TREECS에서 제공하는 RDX의 유기탄소분배계수(K_oc, 13.2mL/g)와 본 토양의 유기탄소 함량(f_oc, 1.48%)을 이용해 RDX의 흡착계수(K_d)를 0.20 mL/g로도출하였다(Table 1).
연도에 따라서 사격장토양의 오염농도가 다르기 때문에 유출된 후에 토양에 잔류되는 양에서도 차이가 보였다. 토양에 잔류하는 TNT와 RDX의 양은 사격장 부지의 초기오염농도에 비례하였다(Table 3). TNT와 RDX의 농도가 모두 높은 2010년에 토양에 흡착되는 양 또한 가장 많았다.
이 때, 유출이발생할 수 있는 심도인 1cm 이내에 모든 오염물질의 존재한다고 가정해 오염농도를 단위면적 당 오염량으로 환산하였다(USEPA, 1988). 토양용적밀도, 수분함량 및 공극률은 사격장 부지의 토성으로 도출하였다. TREECS 프로그램을 이용하여 표면유출과 지하수침투를 통한 오염물질의 유출량을 산정할 때, TNT와 RDX의 토양 흡착계수가반영된다.
53(MJ/mm/ha)를 사용했다. 토양침식성인자(soil erodibility factor, K)로 입자의 분포와 토양층의 특성을 이용하여 결정되며, 본 연구에서는 K의 기본값으로 0.22(tons/ha/R)를 적용하였다. 경사인자(slope length-gradient factor, LS)는 28.

대상 데이터

유출이 발생한다. 이러한 유출경로에 대한 해석을 위해서는 일별 강수량, 일별 평균 및 최고 기온자료가 필요하며, 이들 자료는 기상청(http://www.kma.go.kr/) 홈페이지에 게시된 2009년부터 2011년까지의 매해 기상자료로부터 확보하였다. 이후, TREECS 프로그램 내에 있는 Hydro-Geo-Characteristics-Toolkit(HGCT)를 사용하여, 각 연도별 연평균 강우량(rainfall), 침투량(infiltration), 표면 유출량(runoff), 연평균 강우발생일(rain days)을 Table 1 과 같이 도출하였다.

이론/모형

TNT와 RDX 같은 유기오염물질의 토양 흡착계수는 토양유기탄소 함량과 관계가 있기 때문에(토양 흡착계수(K_d)는 유기탄소 분배계수(K_oc)와 토양유기탄소 함량(f_oc) 곱으로 표현됨), 두 물질의 토양 흡착계수를 도출하기 위해서는 부지특이적인 유기탄소함량 자료가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 OO 사격장에서 채취한 토양시료의 유기탄소함량 분석을 실시하였으며, 유기탄소함량 분석은 Walkley-Black법으로 측정하였다(Walkley and Black, 1934). TNT의 토양 흡착계수는 유기탄소함량 외에도 점토광물 함량 및 교환성 양이온의 종류 등에도 크게 영향을 받기 때문에(Pennington et al.
사격장 부지에서 연평균 발생하는 토양 손실량을 산정하기 위해서 아래 식 (8)과 같은 토양유실예측공식 (Universal Soil Loss Equation, USLE) (Dortch et al., 2009)을 이용했다.
32 km²)의 2009년부터 2011년까지의 사격장 내부 토양에서실측한 TNT와 RDX의 농도자료 및 토양용적밀도, 수분함량, 공극률 및 유기탄소함량 등의 부지 특성(Table 1)을바탕으로 TREECS 프로그램을 이용해 TNT와 RDX의유출특성을 평가하였다. 연도별 오염농도 자료는 Jung (2014)의 논문에서 인용하였다(Table 1). 이 때, 유출이발생할 수 있는 심도인 1cm 이내에 모든 오염물질의 존재한다고 가정해 오염농도를 단위면적 당 오염량으로 환산하였다(USEPA, 1988).

성능/효과

1) “soil residual mass scenario” means that it was assumed that a portion of TNT and RDX remained in soil (i.e., sorbed to soil and dissolved in porewater) during TREECS operation.
2) The sorption coefficient of RDX when the fractional organic carbon content of soil is 0.0148.
2009년에서 2011년까지의 유출결과를 보면, TNT는 토양침식을 통해서 가장 많이 유출되고, 표면유출을 통해 가장 적은 양이 유출되는 것으로 예측되었다. 반면에 RDX 는 지하수유출을 통해서 가장 많은 양이 유출되었다.
반면에 2010년 토양 잔류를 고려하지 않은 경우(Table 2), 표면유출을 통한 TNT의 유출량은 0.133g/m²(12%)이었으나 토양 내 잔류를 고려한 경우에는(Table 3) 0.158g/m²(14%)이었고, 표면 유출을 통한 RDX의 농도는 토양 잔류를 고려한 경우 0.568g/m²(24%, Table 2)이었으나, 토양 잔류를 고려하지 않은 경우에는 0.713g/m²(30%, Table 3)이었다(Fig. 3). 즉, 토양 잔류를 고려한 경우 TNT의 지표면에서의 유출량(표면 유출과 토양침식)은 초기 오염량의 80%를 차지하고, RDX의 지표면에서 발생하는 유출량은 초기 오염량의 46%를 차지하며, 이는 토양 잔류를 고려하지 않은 결과 (TNT와 RDX의 지표면 유출량은 각각 초기 오염량의 82%와 54%이었음)와 큰 차이가 없었다.
44%로 함유되어, 양질사토(loamy sand)로 판단되었다. HGCT 프로그램에서 제공하는 양질사토인 토양의 토양용적밀도, 수분 함량 및 공극률 기본값은 각각 1.49mg/m³, 12% 및 43.70%이다(Table 1).
2에서 볼 수 있듯이 연도에 따른 각 경로별 TNT와 RDX의 유출 비율(g/g)에는 큰 차이가 없었다. TNT의 경우 초기 오염량의 6%, 13% 및 20%가 각각 토양침식, 표면유출 및 지하수유출을 통해 유출되었으며, RDX의 경우 초기 오염량의 21%, 24% 및 54%가 토양침식, 표면유출 및 지하수유출을 통해 유출되었다. 사격장 부지 지표면에서 발생하는 오염물질의 유출에는 토양침식과 표면유출이 있는데, TNT의 초기 오염량의 80%, RDX의 초기 오염량의 46%가 이러한 지표면 유출을 통해 유출되는 것으로 예측되었다(Fig.
반면에 TNT와 RDX 모두 지하수유출로 인한 유출량은 감소했고, 이러한 경향은 2010년뿐만 아니라 다른 해에서도 동일하게 확인이 되었다. 그럼에도 불구하고 토양 잔류 고려 여부와 상관없이 TNT와 RDX는 각각 토양침식과 지하수유출을 통해서 가장 높은 비율로 유출되는 것으로 예측되었다.
대상 사격장 부지에서 TNT의 농도는 2009년도에 19.0 ㎎/㎏으로 가장 낮은 농도를 보이고, 2010년도에 가장 높은 농도인 73.80㎎/㎏로 측정되었다. RDX는 63.
TNT의 경우 초기 오염량의 6%, 13% 및 20%가 각각 토양침식, 표면유출 및 지하수유출을 통해 유출되었으며, RDX의 경우 초기 오염량의 21%, 24% 및 54%가 토양침식, 표면유출 및 지하수유출을 통해 유출되었다. 사격장 부지 지표면에서 발생하는 오염물질의 유출에는 토양침식과 표면유출이 있는데, TNT의 초기 오염량의 80%, RDX의 초기 오염량의 46%가 이러한 지표면 유출을 통해 유출되는 것으로 예측되었다(Fig. 2).
사격장 토양 토성은 모래(sand), 실트(silt), 및 점토 (clay)가 각각 84.20%, 2.36%, 그리고, 13.44%로 함유되어, 양질사토(loamy sand)로 판단되었다. HGCT 프로그램에서 제공하는 양질사토인 토양의 토양용적밀도, 수분 함량 및 공극률 기본값은 각각 1.
둘째는 토양에 존재하는 오염물질들이 충분히 물에 용해되어토양과의 흡착평형을 이루고 있다는 가정이다. 셋째는 오염물질들의 헨리상수가 매우 낮기 때문에 휘발로 인한 손실을 고려하지 않고, 분해반응 또한 고려하지 않는다는 것이다. 사격장 부지로 유입되는 오염물질들이 토양침식, 표면유출, 및 지하수침투의 세 가지의 유출경로로 유출하는것을 가정할 때 지배방정식은 아래 식 (1)과 같다.
토양 잔류를 고려하였을 때 토양에 존재하는 TNT와 RDX의 양은 초기 오염량에 대해 각각 3% 와 1% 정도를 차지하였고, 토양 공극수에 존재하는 TNT 와 RDX의 양은 초기 오염량에 대해 각각 1%와 2%를 차지하였다. 즉, 사격장에서 주변 환경으로 화약류의 유출을관리하기 위해서는 TNT는 토양침식과 표면유출을 관리할수 있는 확산방지시설을 설치하는 것이 효과적이고 RDX 는 지하수침투를 관리하는 것이 효과적이라고 판단된다.
3). 즉, 토양 잔류를 고려한 경우 TNT의 지표면에서의 유출량(표면 유출과 토양침식)은 초기 오염량의 80%를 차지하고, RDX의 지표면에서 발생하는 유출량은 초기 오염량의 46%를 차지하며, 이는 토양 잔류를 고려하지 않은 결과 (TNT와 RDX의 지표면 유출량은 각각 초기 오염량의 82%와 54%이었음)와 큰 차이가 없었다. 반면에 TNT와 RDX 모두 지하수유출로 인한 유출량은 감소했고, 이러한 경향은 2010년뿐만 아니라 다른 해에서도 동일하게 확인이 되었다.
그렇지만, 토양 잔류를 고려한다고 해도 토양에 흡착되거나 공극수에 용해된 상태로 존재하는 TNT와 RDX 의 비율이 낮았기 때문에, 토양 잔류 고려 여부에 상관없이 지표면에서 발생하는 유출량(토양침식량과 표면유출량) 은 유사하였다. 토양 잔류를 고려하였을 때 토양에 존재하는 TNT와 RDX의 양은 초기 오염량에 대해 각각 3% 와 1% 정도를 차지하였고, 토양 공극수에 존재하는 TNT 와 RDX의 양은 초기 오염량에 대해 각각 1%와 2%를 차지하였다. 즉, 사격장에서 주변 환경으로 화약류의 유출을관리하기 위해서는 TNT는 토양침식과 표면유출을 관리할수 있는 확산방지시설을 설치하는 것이 효과적이고 RDX 는 지하수침투를 관리하는 것이 효과적이라고 판단된다.
토양유실예측공식(Universal Soil Loss Equation, USLE) 을 이용해 도출한 단위면적당 토사유실량은 4.452(tons/ acre/yr, 단위 환산 시 6.69E-4m³/m²/yr)이었으며(Table 1), 이는 매년 0.669mm 두께의 사격장 부지 표토가 강우에의해 유실된다는 것을 의미한다. Gong et al.
특히, 초기 오염량에 대해 TNT의 80%, RDX는 46%가 토양침식과표면유출로 주변 환경으로 유출된다. 토양흡착과 토양 내공극수에 용해되어 존재하는 TNT와 RDX의 토양잔류를고려하면, TNT와 RDX 모두 토양침식으로 유출되는 양이 감소하고, 표면유출로 유출되는 오염물질량이 증가하였다. 그렇지만, 토양 잔류를 고려한다고 해도 토양에 흡착되거나 공극수에 용해된 상태로 존재하는 TNT와 RDX 의 비율이 낮았기 때문에, 토양 잔류 고려 여부에 상관없이 지표면에서 발생하는 유출량(토양침식량과 표면유출량) 은 유사하였다.

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