[논문]시화호 조력발전소 가동으로 인한 퇴적물 내 중금속 오염 특성 변화

이지현; 정혜령; 최진영; 나공태

doi:10.7850/jkso.2019.24.4.535

시화호 조력발전소 가동으로 인한 퇴적물 내 중금속 오염 특성 변화
The Spatial and Vertical Variations of Metal Pollution in Sediments after Tidal Power Plant Operation in Shihwa Lake 원문보기

바다 : 한국해양학회지 = The sea : the journal of the Korean society of oceanography, v.24 no.4, 2019년, pp.535 - 547

이지현 (한국해양과학기술원 해양환경연구센터) , 정혜령 (한국해양과학기술원 해양환경연구센터) , 최진영 (한국해양과학기술원 해양환경연구센터) , 나공태 (한국해양과학기술원 해양환경연구센터)

초록
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본 연구에서는 조력발전소 가동 이후 퇴적물 내 공간적 중금속 오염변화 특성을 알아보기 위하여, 2015년 표층퇴적물, 퇴적물 코어, 입자성 침강물질 내 중금속 농도를 분석하고 가동 이전인 2009년과의 비교를 실시하였다. 2015년에 채취한 표층퇴적물 내 중금속의 평균 농도는 조력발전소 가동 이전인 2009년에 비해 8% (Cd)~31% (Zn, Hg) 감소하였다. 본 연구에서 분석된 8개 원소를 모두 포함한 오염부하지수(PLI)를 계산한 결과, 2015년 자료가 2009년에 비해 중금속 오염도가 18% 감소하였다. 하지만 2015년에도 산업단지에 인접한 상류지역에서는 여전히 Cu, Zn, Pb가 주의기준(TEL)을 초과하였다. 조력발전소 가동 이전에 비해 2015년 중금속에 오염된 퇴적 깊이는 S6 정점에서는 15 cm, S7 정점에서는 12 cm 증가하였으나 중금속의 평균농도는 감소하였다. 입자물질의 총 침강속의 평균은 2009년에 32.5 g/㎡/d에서 2015년 103.5 g/㎡/d로 입자의 침강량이 3.2배 높아졌다. 수층의 입자물질 증가는 조력발전소 가동에 따라 저층 퇴적물이 재부유된 것으로 판단된다. 코어 시료에서 오염 퇴적 깊이와 입자물질의 침강속 증가는 조력발전소 가동으로 인해 발생한 해류의 영향으로 저층 퇴적물이 재부유되어 다른 지역으로 이동/퇴적된 사실을 나타내고 있다. 표층퇴적물과 마찬가지로 상류지역 코어에서는 여전히 Cr, Cu, Zn, Pb, Cd이 주의기준을 초과하고 있었으며, 중금속 오염 퇴적물이 40 cm 이상 축적되어 있어 여전히 산업단지를 통한 중금속 오염이 심각한 것으로 나타났다. 조력발전소 가동에 의한 해수 유통량의 증가로 시화호 중금속 오염은 다소 감소하였으나, 산업활동을 통한 중금속의 오염은 여전히 존재하고 있으며 퇴적물 재이동을 통해 오염된 퇴적물이 시화호 외측으로 방류되어 환경 혹은 생태계에 악영향을 미칠 가능성이 있다. 따라서 금속 안정동위원소를 활용한 오염원 추적과 같은 과학적 조사와 오염원을 줄이기 위한 정책적인 결단이 필요한 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the heavy metal analysis in sediments (surface sediments, sediments cores and settling particles) from Shihwa Lake has been carried out to evaluate the changes of metal pollution levels in sediments after the operation of Tidal Power Plant (TPP). The average concentrations of metals in surface sediments sampled in 2015 were 8% (Cd)~31% (Zn, Hg) lower than in 2009 before TPP operation. Results of calculating the pollution load index (PLI) with 8 metals, the PLI value in 2015 showed a 18% decrease compared to 2009. However, Cu, Zn, Pb concentrations of surface sediments in 2015 at the upper region around industrial complex still exceeded the TEL (threshold effect level) values for sediment quality guideline in Korea. After the operation of TPP, the metal contaminated depths were increasing from 15 cm to 30 cm at S6 site and from 8 cm to 20 cm at S7 site, respectively. Our data showed that the mean concentration of heavy metals in core samples decreased but the contaminated depth increased. The average of the total sedimentation flux for particulate matter increased by 3.2 times from 32.5 g/㎡/d in 2009 to 103.5 g/㎡/d in 2015. This showed that the bottom sediments were resuspended by the operation of TPP, resulting in an increase of particulate matter in the water column. These results suggest that the sediments contaminated with heavy metals seem to be resuspended and relocated due to the water current caused by the operation of TPP. Cr, Cu, Zn, Pb and Cd were highly exceeding the TEL values in the upstream region and accumulated more than 40 cm of sediment depth, indicating that heavy metal contamination through industrial activity were still a serious environmental problem of Shihwa Lake. Although the metal pollution of Shihwa Lake has been slightly reduced, the contaminated sediments with heavy metals inside of Shihwa Lake might be discharged to outer sea after the resuspension by TPP operation. It is necessary for the advanced scientific approach and political decision to drastically reduce the heavy metal pollution of the study region.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Map of study area for surface sediments (orange color), sediment cores (red color) and settling particulate matter from Shihwa Lake (From Google map).
표 Table 1. Evaluation criteria of geo-accumulation index (Igeo) and pollution load index (PLI) in relation to sediment quality
표 Table 2. Mean of heavy metal concentrations (mg/kg) in surface sediments, sediment cores and settling particles in the present study. Heavy metal concentrations in sediment core in 2009 was referred from Ra et al.(2011)
그림 Fig. 2. Comparison of metal concentrations (mg/kg) in surface sediments before (2009) and after (2015) TPP operation from Shihwa Lake. Yellow lines indicate threshold effect level (TEL) values of Korean sediment quality guidelines.
그림 Fig. 3. Comparison of mean values for geo-accumulation index in surface sediments before (2009) and after (2015) TPP operation.
그림 Fig. 4. Comparison of pollution load index in surface sediments before (2009) and after (2015) TPP operation.
그림 Fig. 5. Vertical profiles of Cr, Ni, Cu and Zn concentrations in sediment cores samples before (2009) and after (2015) TPP operation from Shihwa Lake. Heavy metal concentrations in sediment core in 2009 was referred from Ra et al.(2011).
그림 Fig. 6. Vertical profiles of As, Cd, Pb and Hg concentrations in sediment cores samples before (2009) and after (2015) TPP operation from Shihwa Lake. Heavy metal concentrations in sediment core in 2009 was referred from Ra et al.(2011).
그림 Fig. 7. Vertical profiles of pollution load index (PLI) in 4 different core samples before (2009) and after (2015) TPP operation from Shihwa Lake. PLI in sediment core in 2009 was referred from Ra et al.(2011).
표 Table 3. Changes of total sedimentation and metal fluxes from settling particles to sediments after Shihwa Tidal Power Plant operation

AI 본문요약
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문제 정의

, 2011)과 가동 이후의 퇴적물 코어 내 중금속 농도분포를 비교하였으며, 조력발전소 가동에 따른 시화호 표층퇴적물과 입자성 침강물질의 오염도 및 퇴적량을 산정하였다. 또한 조력발전소 가동에 따른 시화호 중금속 오염 변화의 원인에 대한 고찰을 실시하였다.

제안 방법

4 m/s이 발생하며 최대수송량은 5,782 m³/s으로(Lee, 2016), 조력발전소의 가동은 시화호의 퇴적환경 변화를 야기해 퇴적물 내 중금속 오염 특성을 변화시켰을 것으로 예상된다. 본 연구에서는 이전 연구를 통해 수집된 조력발전소 가동 전(Ra et al., 2011)과 가동 이후의 퇴적물 코어 내 중금속 농도분포를 비교하였으며, 조력발전소 가동에 따른 시화호 표층퇴적물과 입자성 침강물질의 오염도 및 퇴적량을 산정하였다. 또한 조력발전소 가동에 따른 시화호 중금속 오염 변화의 원인에 대한 고찰을 실시하였다.
완전분해된 시료는 뚜껑을 열어 증발건고 한 뒤 1% 질산으로 재용해시키고 원소에 따라 희석하여 ICP-MS (iCAP-Q, Thermo Fisher Scientific, Germany)로 분석하였다.
중금속 분석은 균질화 된 시료 약 0.1 g을 60 mL PFA digestion bomb에 넣고 고순도의 불산(HF), 질산(HNO₃), 과염소산(HClO₄)을 각각 가한 후 가열판을 이용하여 185℃에서 36시간 가열하여 완전분해하였다. 완전분해된 시료는 뚜껑을 열어 증발건고 한 뒤 1% 질산으로 재용해시키고 원소에 따라 희석하여 ICP-MS (iCAP-Q, Thermo Fisher Scientific, Germany)로 분석하였다.
완전분해된 시료는 뚜껑을 열어 증발건고 한 뒤 1% 질산으로 재용해시키고 원소에 따라 희석하여 ICP-MS (iCAP-Q, Thermo Fisher Scientific, Germany)로 분석하였다. 퇴적물과 입자성 침강물질 내 수은(Hg)은 자동수은분석기(Hydra-C, Teledyne Technologies Co., USA)를 이용하여 분석하였다. 분석 자료의 정확도 검증을 위하여 해양퇴적물 표준물질인 MESS-4 (National Research Council, Canada)를 시료와 동일하게 처리하여 분석하였으며 인증값에 대한 회수율은 86.

대상 데이터

5는 지각기원에 의한 영향을 보정하기 위하여 사용된다. 본 연구에서는 과거 인위적인 오염이 없던 시화호의 퇴적물 농도를 배경농도로 사용하기 위해 2009년에 채취한 S7 정점의 주상퇴적물 하부(1900년대)의 중금속 농도를 사용하였다(Ra et al., 2011).
퇴적물 코어 시료는 2009년 채취한 4개 정점(S3, S6, S7, S11 정점)에서 2015년 6월 표층이 교란되지 않게 다이버가 아크릴 소재의 주상채니기를 이용하여 약 50 cm 정도를 채취하였으며, 선상에서 1 cm 간격으로 절단하여 지퍼백에 넣어 냉동보관 하였다. 입자성 침강물질은 S7 정점에서 sediment trap을 이용하여 2009년과 2015년 모두 6월과 8월 시료를 채취하였다. 채취된 모든 시료는 동결건조기(UniFreeze FD-8, Daihan Scientific Ltd.
1). 퇴적물 코어 시료는 2009년 채취한 4개 정점(S3, S6, S7, S11 정점)에서 2015년 6월 표층이 교란되지 않게 다이버가 아크릴 소재의 주상채니기를 이용하여 약 50 cm 정도를 채취하였으며, 선상에서 1 cm 간격으로 절단하여 지퍼백에 넣어 냉동보관 하였다. 입자성 침강물질은 S7 정점에서 sediment trap을 이용하여 2009년과 2015년 모두 6월과 8월 시료를 채취하였다.
표층퇴적물은 2009년과 2015년 5월 시화호 내측 12개 정점에서 그랩샘플러를 이용하여 오염되지 않게 상부 0.5 cm만 채취하였다(Fig. 1). 퇴적물 코어 시료는 2009년 채취한 4개 정점(S3, S6, S7, S11 정점)에서 2015년 6월 표층이 교란되지 않게 다이버가 아크릴 소재의 주상채니기를 이용하여 약 50 cm 정도를 채취하였으며, 선상에서 1 cm 간격으로 절단하여 지퍼백에 넣어 냉동보관 하였다.

이론/모형

중금속의 종합적인 오염 평가를 위하여, Tomlinson et al.(1980)이 제안한 오염부하지수(PLI; pollution load index)를 이용하였다. 오염부하지수는 다음과 같은 식으로 계산된다.
시화호 내측 표층퇴적물 및 퇴적물 코어 내 중금속 원소 각각의 오염도 평가를 위하여 농집지수(Igeo; geo-accumulation index)를 활용하였다. 농집지수는 퇴적물 내 금속의 농축 및 오염도를 평가하기 위하여 Muller(1969)가 제안하였으며, 아래의 식에 의하여 계산하였다.

성능/효과

38 cm/yr이었던 것에 비하여 8배 이상 높았다. 따라서 S7 정점은 S6 정점과 마찬가지로 조력발전소 가동으로 인해 퇴적물이 뒤섞여 재이동됨에 따라 약 10 cm 정도의 오염된 퇴적물이 추가적으로 축적된 것을 알 수 있었다.
조력발전소 가동 이후 시화호 퇴적물 내 중금속 오염도는 표층 퇴적물은 일부정점에서 감소하였으나, 수직분포 특성을 통해서는 상류와 중앙부의 정점에서는 오염퇴적물의 퇴적깊이가 2009년에 비해 2015년에 오히려더깊었다. 또한 조력발전소 가동 이후 농도는 약간 감소하였으나, 침강물질의 총 침강속이 큰폭으로 증가한 결과를 보여, 조력발전소 가동에 기인한 해수이동으로 인하여 중금속에 오염된 퇴적물이 재이동된 것을 알 수 있었다. 그러나 최상류지역의 정점에서는 표층뿐만 아니라 수십 cm의 퇴적깊이까지 우리나라 해저퇴적물 주의기준을 초과하는 높은 농도의 중금속이 여전히 분포하고 있었다.
4 m/s 발생하며(Lee, 2016), 배수시에는 3~5 m/s의 유속이 발생하는 것으로 보고된 바 있다(K-water, 2015). 본 연구에서의 퇴적물 코어에서 중금속 농도변화를 통해 조력발전소 발전시와 배수시에 인위적으로 형성된 해수 흐름으로 인하여 수심이 낮은 최상류지역의 중금속 오염도가 높은 퇴적물이 상류 혹은 중앙지역으로 이동되어 퇴적된 것으로 판단된다.
, USA)를 이용하여 분석하였다. 분석 자료의 정확도 검증을 위하여 해양퇴적물 표준물질인 MESS-4 (National Research Council, Canada)를 시료와 동일하게 처리하여 분석하였으며 인증값에 대한 회수율은 86.5% (Cu)~98.6% (Hg)로 매우 양호한 결과를 얻었다.
나머지 금속원소는 모두 moderately polluted 이하의 상태로 2009년에 비해 오염수준이 감소하였고, 특히 Cd와 Hg는 오염등급이 1단계 감소하였다. 우리나라 해양환경기준 중 해저퇴적물 주의기준(TEL)과 비교한 결과, Cr, As, Cd은 2009년과 2015년 모든 정점에서 주의기준 이하의 안전한 농도였으나, Ni과 Hg는 2009년과 달리 2015년에는 기준 이하의 농도수준으로 감소하였다(Fig. 2). Pb는 2009년 평균농도가 48.
2배 높아졌다(Table 3). 입자물질의 침강속 및 중금속 농도를 이용하여 입자물질 내 중금속 침강량을 계산한 결과, Cr 11,644 ㎍/m²/d, Ni 4,533 ㎍/m²/d, Cu 8,694 ㎍/m²/d, Zn 21,787 ㎍/m²/d, As 1,237 ㎍/m²/d, Cd 37 ㎍/m²/d, Pb 6,158 ㎍/m²/d, Hg 7 ㎍/m²/d이었으며, 발전소 가동 전에 비해 1.8 (Cd)~3.4 (Cr)배 높았다.
조력발전소 가동 이후 시화호 퇴적물 내 중금속 오염도는 표층 퇴적물은 일부정점에서 감소하였으나, 수직분포 특성을 통해서는 상류와 중앙부의 정점에서는 오염퇴적물의 퇴적깊이가 2009년에 비해 2015년에 오히려더깊었다. 또한 조력발전소 가동 이후 농도는 약간 감소하였으나, 침강물질의 총 침강속이 큰폭으로 증가한 결과를 보여, 조력발전소 가동에 기인한 해수이동으로 인하여 중금속에 오염된 퇴적물이 재이동된 것을 알 수 있었다.
4). 조력발전소 가동 이후인 2015년 표층퇴적물 내 중금속 농도와 오염부하지수는 2009년에 비해 최상류지역(S1~S3 정점)과 중앙부(S7~S10 정점)에서는 감소하였으나, 상류지역(S4~S5 정점)과 배수갑문 주변(S11~S12 정점)은 유사하거나 오히려 증가하는 경향을 보였다. 따라서 조력발전소 가동에 따른 발전 시 외측 해수의 유입과 배수 시 외측으로의 배수과정에서 형성된 조류흐름에 의하여 중금속에 오염된 퇴적물이 재이동 된 것으로 판단된다.
그러나 상류지역인 S4~S6 정점과 배수갑문 인근S11~S12 정점에서는 Cr, Ni, As, Cd 등의 농도가 2015년에 오히려 증가하였다. 최상류지역인 S1~S3 정점에서는 Cr 12%, Ni 29%, Cu 39%, Zn 48%, As 31%, Cd 28%, Pb 30%, Hg 55%로 다른 지역에 비해 금속 농도 감소 비율이 컸다. 그러나 상류지역인 S4~S6 정점에서는 Cr 18%, Ni 9%, As 9%, Cd 28% 농도가 증가하였다.
표층에서 8 cm 퇴적 깊이까지는 2009년이 상대적으로 농도가 높았으나, 8~20 cm 깊이에서는 2015년이 오히려 농도가 높았다. 표층에서 8 cm 퇴적 깊이까지 PLI의 평균은 2009년 6.2, 2015년 3.8로 8개 중금속에 대한 종합적인 오염도가 감소하였다. 그러나 8~20 cm까지는 PLI의 평균이 2009년 1.

후속연구

중금속 오염된 시화호 표층 퇴적물은 조력발전소 가동의 영향으로 배수 시 빠른 흐름과 함께 시화호 외측 해역에 영향을 미칠 것이다. 따라서 본 연구지역의 해수 흐름에 대한 조사와 함께 다양한 화학적 추적자(예, 안정동위원소 등)를 이용한 퇴적물 이동 프로세스에 대한 추가적인 연구가 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시화호란?	시화호는 1994년 12.7 km의 대규모 방조제로 바다를 막아 인위적으로 준공된 인공 호수이다. 방조제 건설 후 시화호 내외측의 해수 유통이 일시적으로 중단된 상황에서 시화호 북측에 존재하는 시화 및 반월 국가 산업단지를 통해 1일 평균 13만 5천톤의 하수가 지속적으로 유입되었고, 해수가 순환되지 못한 채 호소 내에 체류하면서 시화호의 수질은 방조제 건설 전에 비하여 크게 악화되었다(KORDI, 1999).
	조력발전소의 가동으로 인해 시화호에서 예상할 수 있는 것은 무엇인가?	조력발전소 가동에 따라 발전 시 내측방향으로 최대유속 1.4 m/s이 발생하며 최대수송량은 5,782 m3/s으로(Lee, 2016), 조력발전소의 가동은 시화호의 퇴적환경 변화를 야기해 퇴적물 내 중금속 오염 특성을 변화시켰을 것으로 예상된다. 본 연구에서는 이전 연구를 통해 수집된 조력발전소 가동 전(Ra et al.
	시화호 종합관리계획 수립 등 시화호의 수질 개선을 위한 노력이 필요하게 된 원인은 무엇인가?	7 km의 대규모 방조제로 바다를 막아 인위적으로 준공된 인공 호수이다. 방조제 건설 후 시화호 내외측의 해수 유통이 일시적으로 중단된 상황에서 시화호 북측에 존재하는 시화 및 반월 국가 산업단지를 통해 1일 평균 13만 5천톤의 하수가 지속적으로 유입되었고, 해수가 순환되지 못한 채 호소 내에 체류하면서 시화호의 수질은 방조제 건설 전에 비하여 크게 악화되었다(KORDI, 1999). 이에 2001년에 특별관리해역으로 지정된 후 시화호 종합관리계획 수립 등 시화호의 수질 개선을 위한 노력이 지속적으로 이루어졌다.

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동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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