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시화호로 유입되는 제1간선수로(S1), 제2간선수로(S2), 제3간선수로(S3), 제4간선수로(S4), 신길천(S5), 화정천(S6), 안산천(S7), 장전보(S8), 반월천(S9), 동화천(S10), 삼화천(S11) 등 10개 하천과 반월-동화-삼화천이 합류하여 흐르는 1개 지역(장전보)에 대하여 2014년 3월~10월 총 10회에 걸쳐 하천의 말단에서 표층퇴적물을 채취하였다(Fig. 1). 채취된 하천퇴적물은 동결건조(Labconco Freezone 6) 및 자동분쇄기(Fritsch Corp. Pulverisette 6)로 분쇄하여 분석 시까지 산 세척된 폴리에틸렌 시료병에 넣어 보관하였다. 하천퇴적물 내 중금속 분석은 분쇄 및 균질화된 시료 약 0.1g을 테프론 산분해 용기(digestion bomb) 에 넣고 고순도의 불산, 질산 및 과염소산을 넣은 뒤 가열판에서 180°C로 24시간 가열하여 완전분해를 실시하였다(Windom et al.[1989]). 용기내의 시료가 완전히 분해되면 1% 질산으로 재용해 시킨 뒤 원소에 따라 적절하게 희석하여 ICP MS(Thermo Elemental X 7)로 분석하였다. 퇴적물 내 수은은 미국 환경청에 기초를 둔 열분해와 금아말감법(US EPA Method 7473)을 이용한 자동수은분석기(Hydra C)를 이용하여 측정하였다.

Fig. 1. 
Location of sampling sites in the stream sediments around Shihwa Lake. The circle and square symbols represent industrial and rural/urban regions, respectively.

분석된 퇴적물 중금속 자료의 정확도를 검증하기 위하여 퇴적물 표준물질인 MESS-3(National Research Council, Canada)를 시료와 함께 처리하여 측정하였으며, Co(93.9)%~As(104.4)%로 매우 양호한 결과를 얻었다(Table 1).

시화호 하천 퇴적물 내 중금속 원소 각각의 오염도를 평가하기 위하여 농집지수(geo-accumulation index)를 활용하였다. 농집지수는 퇴적물 내 금속 오염도를 평가하는 하나의 방법으로 Muller[1969]가 제안하였으며, 각 금속에 대하여 총 7개 등급으로 오염여부를 세분화 하였고 다음과 같은 식에 의하여 계산된다.

여기서, C_n과 B_n은 각각 중금속의 측정 및 배경농도이며 1.5는 지각기원에 의한 영향을 보정하기 위하여 사용되었다. 본 연구에서 배경농도는 지각의 평균농도를 이용하였다(Rudnick and Gao[2003]). Igeo 값이 0보다 작으면 background concentration, 0-1이면 unpolluted, 1-2면 moderately to unpolluted, 2-3이면 moderately polluted, 3-4면 moderately to highly polluted, 4-5면 highly polluted, 5 이상이면 very highly polluted의 오염도를 의미한다.

농집지수는 중금속의 개별 오염도를 평가하기 때문에 퇴적물 내 존재하고 있는 중금속의 종합적인 오염도 및 위해성을 평가하기 위하여, pollution load index(PLI), mean PEL quotient(mPELQ), sediment quality index(SQI)를 이용하였다.

오염부하지수(Pollution load index; PLI)는 중금속의 종합적인 오염 부하를 평가하는데 사용되며 본 연구에서는 9개 중금속 원소를 이용하여 계산하였다(Tomlinson et al.[1980]).

C₁~C_n은 각 원소의 농도, B₁~B_n은 해당원소의 배경농도로 나타낸다. PLI 값이 1 이상의 경우에는 인위적인 오염이 존재하지만 PLI 값이 1보다 작으면 오염이 존재하지 않는 것을 의미한다. 배경농도는 농집지수와 같이 지각의 평균농도를 이용하였다(Rudnick and Gao[2003]).

앞서 언급한 농집지수(Igeo) 및 오염부하지수(PLI)는 개별 혹은 전체 중금속의 오염 정도를 평가하는 것으로 퇴적물 내 중금속이 해양생물에 위해 영향을 미치는 여부는 판단하지 못하는 단점이 있다. 따라서 퇴적물 내 종합적인 중금속의 독성영향 및 위해성 평가를 위한 mPELQ(mean PEL quotient)를 이용하였고 이는 다음과 같은 식에 의하여 계산된다(Fairy et al.[2001]; Hwang et al.[2008]). 하천 퇴적물 내 중금속의 PEL 값은 Smith et al.[1996]의 값을 이용하였다.

여기서, C_i와 PEL_i는 각 중금속의 농도와 PEL 값을 사용하여 n은 사용된 미량금속 원소의 개수이며, 본 연구에서는 PEL 기준이 존재하는 8개 원소(Cr, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb, Hg)를 이용하였다. mPELQ값이 0.1이하는 독성영향이 없으며, 0.1~1.0은 독성영향이 작지만 존재하고 1 이상의 경우에는 독성영향이 매우 큰 것으로 구분된다(Fairy et al.[2001]).

퇴적물 내 오염도 평가를 위해서는 다양한 지수를 활용하고 있으나, 퇴적물 내 존재하는 다양한 오염물질을 모두 고려한 평가방법은 앞서 언급한 오염부하지수(PLI) 또는 mPELQ를 활용하고 있다. 그러나 이들 방법은 오염유무 판단과 독성영향이 있는지 여부를 평가하는 것이기 때문에 분석된 오염물질의 농도 및 퇴적물관리기준과의 비교 등을 포함하는 캐나다 CCME(Canada Council of Ministers of the Environment)에서 제안한 수질지수를 활용하여 퇴적물의 질적 평가를 실시하였으며, mPELQ와 동일하게 Co를 제외한 PEL 기준이 존재하는 8개 금속원소를 이용하였다(CCME[2001]; Grapentine et al.[2002]).

계산된 CCME_SQI 값이 0-44면 매우 나쁨(very poor), 45-59면 나쁨(poor), 60-79면 보통(fair), 80-94면 좋음(good), 95-100이면 매우 좋음(excellent)의 5개등급으로 나뉜다(Grapentine et al.[2002]; Marvin et al.[2004]).

시화호 유역에서 산업지역, 도심지역 및 농업지역에 산재되어 시화호로 유입되는 11개 하천에 대한 중금속 농도 분포는 Table 2와 Fig. 2에 나타냈다.

Fig. 2. 
Comparison of mean concentrations for total organic carbon and heavy metals in the creek sediments around Shihwa Lake. Dashed and solid lines indicate the TEL (threshold effect level) and PEL (probable effect level) of sediment quality guideline by Smith et al. (1996), respectively.

하천퇴적물 내 Al은 반월천에서 9.5%의 가장 높은 평균농도를 보이고 있었으며 장전보에서 4.6%의 평균농도를 보여 지역에 따라 약 2배의 농도차이가 존재하고 있었다. 입도와 상관이 높은 Al 분석을 통하여 반월천에서는 세립한 퇴적물이 존재하며 장전보에서는 상대적으로 조립한 퇴적물이 존재하는 것을 알 수 있었다. Cr은 4간선수로에서 1,144 mg/kg의 가장 높은 농도를 보였으며, 입도가 가장 조립한 것으로 나타난 장전보에서 22 mg/kg의 농도를 보여 조사지역에 따라 약 53배의 농도차이를 보이고 있었다. 4간선수로에서 Cr의 농도는 조사시기에 따라 131~3,313 mg/kg의 큰 농도변화를 나타냈으며, 하계 조사시기인 7월과 8월 조사에서 3,000 mg/kg을 초과하는 높은 농도를 보였다. Co의 평균농도는 102.7 mg/kg으로 1간선수로에서 가장 높았으며, Cr과 마찬가지로 장전보에서 3.9 mg/kg으로 최소농도를 나타냈다. Ni은 2간선수로에서 201 mg/kg의 최대 농도를 나타내고 있었으며, Cu는 2간선수로와 4간선수로에서 각각 2,823 mg/kg와 2,831 mg/kg의 최대농도를 보여 조사지역에 따라 최대농도를 보이는 중금속 원소가 다른 특성을 보였다. Ni과 Cu 모두 다른 중금속과 마찬가지로 장전보에서 최소농도를 나타내고 있었으며, Cu는 조사지역에 따라 329배의 큰 농도차이가 있음을 알 수 있었다.

Zn은 조사시기에 따라 477~12,348 mg/kg의 매우 큰 농도범위를 보였으며, Cr과 마찬가지로 하계 조사시기인 7월에 최대값을 나타내고 있었다. Zn은 Co와 마찬가지로 1간선수로에서 5,580 mg/kg의 최대농도를 보였고 장전보에서 59 mg/kg의 최소농도를 보여 지역에 따라 95배의 큰 농도차이가 존재하고 있었다. 4간선수로에서도 Zn의 평균농도는 4,635 mg/kg으로 상대적으로 높은 특징을 보이고 있었다. As는 3간선수로에서 41.4 mg/kg의 최대농도를 보여 앞서 언급한 금속원소와는 최대농도를 보인 조사지역이 다른 것을 알 수 있었다. Cd은 Co 및 Zn과 마찬가지로 1간선수로에서 12.1 mg/kg의 가장 높은 농도를 보였으며, 최소농도를 보인 장전보(0.05 mg/kg)와는 238배의 농도차이가 존재하고 있었다. Pb은 4간선수로에서 2,522 mg/kg의 최대농도를 보였으며 조사시기에 따라 107~9,246 mg/kg의 큰 농도범위를 나타냈으며, 10회의 조사시기 중 7월 조사가 가장 높은 특징을 나타내고 있었다. Hg은 Cr, Cu 및 Pb과 마찬가지로 4간선수로에서 1.67 mg/kg의 최대농도를 보였으며, 장전보의 0.005 mg/kg과는 300배 이상의 농도차이가 있는 것으로 나타났다.

산업단지인 1간선수로에서는 Co, Zn, Cd이 최대농도를 보였으며, 2간선수로는 Ni, 3간선수로는 As, 4간선수로는 Cr, Cu, Pb, Hg이 최대농도를 나타내고 있어, 하천 주변에 존재하는 산업형태에 따라 오염되는 중금속 원소가 상이함을 알 수 있었다. 원소에 따라 약간의 차이는 있으나 몬순기후의 영향으로 강우량 및 강우빈도가 높은 하계 조사시기에 상대적으로 높은 중금속 농도를 나타내고 있었다. 4간선수로(S4) 퇴적물 내 Cu의 농도는 3월~7월 조사시기에는 201~435 mg/kg의 농도를 보였으나, 7월 21일, 8월 5일, 8월 27일 조사에서는 각각 9,891 mg/kg, 7,742 mg/kg, 8,125 mg/kg으로 농도가 급격히 증가하였으며, 10월 조사에서는 366 mg/kg으로 농도가 감소한 결과를 보였다. 이는 산업시설 주변 및 도로 등의 노면에 축적되어 있는 중금속 물질이 하계 조사시기 강우유출수에 의해 하천으로 유입된 것으로 생각된다.

본 연구에서 조사한 시화호 유역 하천을 주변 지역의 토지이용 특성에 따라 산업지역(S1~S5)과 농업/도심지역(S6~S11)으로 구분하여 중금속 농도 비교를 실시하였다(Table 2). Al의 농도는 산업지역과 농업/도심지역이 각각 7.4%와 7.3%의 평균농도로 지역에 따른 농도차이는 보이지 않고 있었다. 퇴적물 내 총 유기탄소의 평균농도는 산업지역이 2.76%로 농업/도심지역의 0.48%에 비해 5.8배 높아 산업활동에 의하여 발생한 유기물이 하천으로 유입된 것을 알 수 있었다. 퇴적물 내 중금속 농도는 Al을 제외한 모든 금속 원소에서 산업지역이 농업/도심지역에 비해 높은 결과를 보였다. Co, As, Ni 및 Cr은 산업지역에서의 평균농도가 농업/도심지역에 비해 3.3~9.7배 높은 결과를 보였으며 Cu는 산업지역에서의 평균농도가 농업/도심에 비해 83배 높은 결과를 보여, 중금속 원소 중 가장 심한 오염을 나타내고 있었다. 나머지 중금속 원소(Zn, Cd, Pb 및 Hg) 역시 산업지역이 27.2~42.1배 높은 결과를 보였다(Table 2). 결과적으로 산업지역을 관통하여 흐르는 하천퇴적물 내에는 심각한 중금속 오염이 진행되고 있음을 알 수 있었다.

시화호 유역 하천 퇴적물 내 중금속 농도를 국내·외 오염이 진행되고 있는 강이나 하천 퇴적물과 비교를 실시한 결과, 산업지역뿐만 아니라 농업 및 도심지역을 포함하여 평균농도를 계산했음에도 Ni을 제외한 모든 중금속이 시화호 유역이 가장 높은 농도를 나타내고 있었다(Table 3). 산업지역만을 고려하면 Ni 역시 다른 강이나 하천에 비해 중금속에 매우 오염되어 있는 것으로 나타났다. 또한 시화호 표층퇴적물에 비해 1.3(As)~9.1(Cu)배 높은 중금속 농도를 나타내고 있어, 시화호 중금속 오염의 주요한 공급원이 하천임을 알 수 있었다.

본 연구에서는 분석한 TOC 및 중금속간의 상관관계 분석결과를 Table 4에 나타냈다. TOC는 As를 제외한 모든 항목에서, Al은 Co와 As를 제외한 모든 항목에서 양호한 양(+)의 상관성을 보였다. Co는 TOC, Zn, Cd을 제외한 다른 중금속 원소와는 상관성이 없는 것으로 나타났으며, As 역시 Zn과의 상관성 0.254를 제외하고는 다른 중금속들과 상관성이 없는 것을 알 수 있었다. 그러나 Co와 As를 제외한 중금속 원소간에 높은 상관성을 보이고 있는 것으로 나타났다.

시화호 하천퇴적물 내 중금속 각각의 오염도를 평가하기 위하여 오염등급을 7개로 세분화한 농집지수를 사용하였고 계산결과는 Table 5에 나타냈다. 산업지역 내 농집지수의 평균값은 Cd이 4.4로 가장 높았으며 Cu, Zn, Pb은 농집지수가 3을 초과하고 있어 moderately to highly polluted의 오염상태인 것으로 나타났으나, Cr, Co, Ni, As 및 Hg은 오염도는 크지 않은 것을 알 수 있었다(Fig. 3). 농업/도심지역에서의 농집지수의 평균은 음(-)의 값을 가져 오염되지 않은 상태로 구분되었다.

Fig. 3. 
Comparison of geo-accumulation index (Igeo) for heavy metals in this study.

본 연구에서 분석된 9개 중금속 원소에 대한 지역에 따른 종합적인 오염 부하를 PLI 결과는 Table 5 및 Fig. 4에 나타냈다. 4간선수로에서 PLI가 19.0으로 가장 높은 결과를 보였으며 1간선수로(14.6)>2간선수로(7.9)>3간선수로(6.7)>신길천(4.6)의 순으로 나타났으며 PLI가 1을 큰 폭으로 초과하고 있어 인위적인 오염이 심각한 것을 알 수 있었다(Table 5). 농업/도심 지역에서 PLI값은 0.3(장전보 S8)~1.2(삼화천 S11)의 범위였으며 삼화천이 다른 농업/도심지역에 비해 약간 높은 오염도를 보였다. 산업지역과 농업/도심지역에서의 PLI의 평균값은 각각 10.5와 0.8로 산업지역이 약 13배 높은 결과를 보였고, 이 중에서 4간선수로의 종합적인 중금속 오염도가 가장 심한 상태임을 알 수 있었다.

Fig. 4. 
Spatial distribution of pollution load index (PLI), mean PEL quotient (mPELQ) and sediment quality index (SQI) by CCME (2000) in the stream sediments around Shihwa Lake.

하천 퇴적물 내 중금속 농도는 조사지역 및 조사시기에 따른 변동이 매우 크며 중금속 원소에 따라 다른 특성을 나타내기 때문에 조사시기에 따른 오염도를 비교하기 위하여 토지이용형태에 따른 조사시기별 PLI의 변화 특성은 Fig. 5에 나타냈다. 산업지역에서는 3월 PLI값이 7.2를 보였으며 하계 조사시기로 갈수록 점차적으로 증가하여 7월 21일 조사에서 20.1의 PLI값으로 오염부하가 가장 큰 것을 알 수 있었다. 7월과 8월 조사시기에서 상대적으로 높은 PLI 값을 나타내고 있어 하계 조사시기에 강우유출수를 통해 산업지역 표면에 축적되어 있는 중금속 오염물질이 하천으로 유입된 것으로 판단된다. 농업/도심지역은 모든 조사시기에서 PLI 값이 1 이하의 평균농도를 나타내고 있어 오염이 되지 않은 것을 알 수 있었으며 산업지역과는 다르게 하계 조사시기가 다른 조사시기에 비해 PLI값이 높지 않은 것으로 나타났다.

Fig. 5. 
Temporal distribution of pollution load index (PLI), mean PEL quotient (mPELQ) and sediment quality index (SQI) by CCME (2000) in the stream sediments from industrial region (left side) and rural/urban region (right side).

퇴적물 내 중금속은 환경 내 지속적으로 존재하며, 저서생태계 및 수생태계에 직·간접적으로 영향을 미치기 때문에 각국은 퇴적물 기준을 마련하여 관리를 실시하고 있다. 본 연구에서는 주의기준인 TEL(threshold effect level)과 관리기준인 PEL(probable effect level)의 퇴적물 기준(sediment quality index)과의 비교를 실시하였으며, 우리나라에는 담수에 대한 퇴적물 기준이 설정되어 있지 않아 Smith et al.[1996]의 TEL과 PEL을 이용하였다.

총 110개 하천퇴적물 시료 중 TEL을 초과하는 시료는 Cr이 83.6%(92개)로 가장 많았으며 Hg은 23.6%(26개)만이 초과하는 것으로 나타났다. PEL을 초과하는 농도는 Ni이 59개(53.6%)로 분석된 중금속 원소 중 가장 많았으며, Cr은 절반에 해당되는 55개 시료가 PEL을 초과하는 것으로 나타났고, Cu(48개)>Zn(47개)>Pb(44개)>As(21개)>Cd(19개)>Hg(11개)의 순이었다(Table 6).

산업지역(n=50)과 농업/도심지역(n=60)으로 구분하여 퇴적물 기준과 비교를 실시한 결과, 산업지역은 Cr, Ni, Cu 및 Zn은 90%를 초과하는 시료에서 PEL을 초과하는 것으로 나타났으며, Pb 역시 86%에 해당되는 시료(43개)가 PEL을 초과하고 있었다. As는 21개가 PEL을 초과하고 있었으며 1간선수로와 3간선수로가 PEL을 초과하는 빈도가 가장 높았다. Cd과 Hg의 경우, PEL을 초과하는 시료는 각각 19개와 11개였으며, 1간선수로와 4간선수로가 PEL을 초과하는 빈도가 높은 것으로 나타났다. 따라서 산업지역 하천 퇴적물 내 중금속 농도는 모든 조사시기에 걸쳐 PEL을 초과하는 농도를 보이고 있어 하천퇴적물에 서식하는 저서생물 등에 심각한 위해 영향을 줄 것으로 판단되며, 강우유출수를 통하여 시화호로 유입되면 해양생태계에도 심각한 영향을 미칠 것으로 생각된다. 농업/도심지역의 경우, Ni(10개)과 Cr(6개)이 PEL을 초과하는 것으로 나타났으며, 도심지역보다는 반월천과 삼화천 등으로 이를 제외한 다른 중금속 원소의 오염이 되지 않은 지역이었다. 이는 국내에는 담수환경의 퇴적물 기준이 존재하지 않아, 외국의 PEL 기준을 사용하였기 때문으로 지역에 따른 배경농도 차이에 기인한 결과이며 시화호 유역의 농업/도심지역에서는 Ni과 Cr의 오염은 없는 것으로 판단된다.

퇴적물기준을 가지고 있는 8개 원소에 대한 종합적인 위해성을 평가하기 위하여 사용된mPELQ의 평균은 4간선수로(S4)가 10.2로 독성영향이 매우 큰 것(highly toxic)으로 나타났다(Table 5, Fig. 4). 4간선수로의 경우, 6월을 제외한 모든 조사시기에서 mPELQ가 1을 초과하는 값을 보이고 있어 지속적인 독성영향이 존재하는 것을 알 수 있었다. 산업지역의 하천에서 mPELQ의 평균값은 2.0(신길천 S5)~5.9(1간선수로 S1)로 독성영향이 큰 것(highly toxic)으로 나타났다. 농업/도심지역 모든 하천의 mPELQ값은 0.1(장전보 S8)~0.6(반월천 S9)으로 작지만 독성영향이 존재하는 것(marginally toxic)을 알 수 있었다. 조사시기별 mPELQ값의 평균은 산업지역의 경우, 7월 21일과 8월 27일 조사에서 각각 13.41과 9.22의 값을 보여 하계 조사시기가 상대적으로 독성영향이 클 것으로 예상되었으며, 나머지 조사시기 역시 mPELQ 값이 1을 초과하여 독성영향이 큰 것(highly toxic)을 알 수 있었다(Fig. 5). 농업/도심지역의 경우 0.28(8월 27일)~0.35(10월 7일)의 범위를 나타내고 있어, 다소 독성영향이 존재하는 것으로 나타났으며 조사시기에 따른 차이는 보이지 않았다(Fig. 5).

앞서 설명한 mPELQ는 환경 시료 내 중금속 농도가 퇴적물 기준을 얼마나 초과하여 저서생태계에 독성영향을 줄 것인지를 판단하는 것으로, 독성영향을 미칠 것인지에 대한 평가에 주로 사용한다. 그러나 실제 환경시료에서 중금속 등 오염물질은 몇 가지 대상물질이 얼마나 높은 농도로 기준을 초과하는지에 대한 종합적인 고려가 필요하므로 본 연구에서는 퇴적물 내 존재하는 오염도 및 위해 영향을 종합적으로 판단하기 위하여 SQI(CCME-PEL)를 활용하였다(Grapentine et al.[2002]; Shim and Hong[2007]; Hong et al. [2014])).

조사지역에 따른 SQI 지수는 산업지역인 1간선수로에서 20.1로 매우 나쁨(very poor)에 해당되는 퇴적물 상태인 것으로 나타났으며, 나머지 산업지역인 2~4간선수로 역시 매우 나쁨(very poor)에 해당되는 것을 알 수 있었다. 신길천에서의 SQI의 평균은 46.7로 평균적으로 나쁨(poor)에 해당되는 것으로 나타나, 간선수로에 비해 오염도 및 독성영향이 작은 것으로 나타났다. 농업/도심지역에서의 SQI는 91.0~100으로 좋음(good)에서 매우 좋음(excellent)에 해당되는 상태를 보이고 있었다(Fig. 4). 산업지역과 농업/도심지역으로 조사지역을 구분하여 조사시기에 따른 SQI 값은 Fig. 5에 나타냈다. 산업지역은 10월 조사가 47의 SQI값을 나타내 나쁨(poor)에 해당되는 상태이며, 나머지 모든 조사시기에서 44이하의 SQI 값을 보여 매우 나쁨(very poor)에 해당되는 오염 및 독성영향 상태로 나타났고, 하계 조사인 7월 21일 조사가 가장 심각한 오염을 보임을 알 수 있었다(Fig. 5). 농업/도심지역의 경우 7월21일과 10월 조사에서 각각 90과 94의 값을 나타내 좋음(good)의 등급이었으며, 나머지 조사시기는 95이상의 SQI 값을 나타내 매우 좋음(excellent)의 해당되는 등급인 것으로 나타났다(Fig. 5).