2005 년도한국해양과학기술협의회공동학술대회 마산만오염퇴적물투기해역의생태회복 이찬원 하경애 박형준 * ( 경남대학교환경공학과 ) Ecological Recovery of Dredged Materials in Masan Bay, Korea Chan Won Lee, Kyung Ae Ha, Hyung Jun Park * ABSTRACT A large amount 2.1 10 6 m 3 of polluted sediment was dredged from the Masan Bay and deposited in Gapo confined area, Masan, Korea. The six representative sediments were obtained and analyzed for issue components. The data was discussed with the species of benthos and their distribution. It was judged that toxicological effects of sediment analyzed ranged from ERL to ERM with copper and zinc, and ERL with cadmium, chrome, lead and nickel by the Adverse Biological Effects. The dredging index (DI) of sediments stabilized for 10 years since dumping the confined site was calculated and compared with the DI values of dredged sediment itself. DI values decreased from 0.67 to 0.07 ~ 0.18, which reflects DI value less than 2.0 is good for benthos in the sediment recovered. The ecological recovery was confirmed in this confined area as a habitat of benthic organisms as well as fishes. Key Words : Dredged Materials( 오염퇴적물 ), Ecological Recovery( 생태회복 ), Heavy Metal( 중금속 ), Dredging Index( 준설지수 ) 1. 서론 마산만은 1986년에이미해역수질기준등급 Ⅲ에도못미치고있었다. 특히만내퇴적물오염은더욱심각하여, 퇴적물상부저층수는무산소상태를나타내기도하며대형저서군집은일부오염에강한종들로만구성되어있다 ( 안순모, 2003a) [4]. 이처럼마산만의오염이심화되면서오염물질의준설에대한필요성이제기되어 1988년 12월부터준설을위한기초조사가이루어졌다. 이후1990년 6월부터 1994년 2월까지 5차에걸쳐오염물질준설사업이시행되었다. 1994년에완료된마산만오염퇴적물준설공사시오염퇴적물 (2.1 10 6 m 3 ) 은인근가포지구에투기되었다. 본연구에서는 10년전가포지구에투기된오염퇴적물내의중금속농도변화를이전의자료들과비교검토함으로써오염준설토투기후의투기지역환경변화를알아보고자하였다. 2. 연구배경및목적 2.1. 준설토투기해역의특성 Fig. 1. Study site in the Gapo confined area s e d im e n ts dumped from 1990 to 1994. 마산만내만의해외측에위치하고있는가포만의오염퇴적물투기지역은약 1km 1km의폐쇄된지역으로서호안내부지역에갯벌이형성되어있으며, 매립지역둘레로는석축이쌓여있어인근바다로퇴적물의유출이차단되어있다. 그러나어선의출입을위해호안일부 ( 약40m) 가개방되어있어해수의유출입이일어나고있다. 마산만 Korean Chem. Eng. Res., Vol. 43, No. 2, April, 2005
준설토가투기된지역은 Fig. 1 의실선으로표시된직사각형지역에집중투기되었다. 점선부분은간조시바닥이드러나는부분이다. 이지역은국내에서유일하게오염퇴적물이대량으로투기된지역으로서인공갯벌의유기오염정화능력과생태변화를살펴볼수있는이상적인환경을제공하고있다. 퇴적물투기이후 10년이경과하여어느정도안정된저층이형성되어있을것으로예상된다. 2.2. 마산만퇴적물의오염도 또한마산만수질개선을위한준설사업의직접적인배경이된퇴적물의오염물질농도는 Table 1 와같다. 오염물질의농도는준설지역 5.2 10 3 m 2 에서 55개지점을선정하여조사한범위를나타낸것으로 COD 28,920~55,128 및 Zn 149~2,610 mg/kg dry wt. 로오염도가극심함을알수있다 ( 권, 2004) [3]. Table 1. Pollutants concentration in sediment of dredged aera, Masan Bay (mg/kg dry wt.) COD I.L(%) Zn Cd Pb 28,920~55,128 7.21~39.44 149~2,610 0.75~12.20 22.4~109.0 Cu Ni Cr Hg 45.7~336.0 24.4~141.0 39.7~278.0 0.08~1.19 ( I.L : Ignition Loss) Table 2. Sediment Quality Criteria of USEPA S Q G 구분 Zn Pb Cd Mn Cu Cr Hg I.L(%) N-polluted <90 <40 - <300 <25 <25 <1.0 <5 Mpolluted 90-200 40-60 - 300-500 25-50 25-75 N.A 5-8 H-polluted >200 >60 6 >500 >50 >75 >1.0 >8 2.3. 오염퇴적물준설및준설토처리 준설공사는 1990년 6월에서 1994년 10월까지 5년간에걸쳐총면적 5.2 10 3 m 2 에서 2.1 10 6 m 2 의오염퇴적물을제거하였으며, 이를위해국비 201억원과지방비 86억원총 287억원이투자되었다. 준설대상지역오염퇴적물의층후는 20 cm ~ 181 cm로지역에따라큰차이를보였으며도시하천수유입부에특히오염층이깊었다. 준설공법은 pump 준설선을사용하여흡인된퇴적물을배사관을통하여마산시가포만투기장으로가압이송후배출위치에서침전제 1883A와 577C로응집처리후투기되었다. 3. 재료및실험방법 3.1. 조사방법및시료채취 마산시가포만의오염퇴적물투기지역은호안내부지역에갯벌이형성되어있으며호안일부가개방되어있어간조시와만조시에해수의유출입이일어나는지역이다. 퇴적물시료를채취하기위해투기지역중대표성이있다고판단되는 6지점을선정하였다. 시료채취를위해간조시점을기다렸다가선박을이용하여이동하면서지점별채취를하였다. 퇴적층을 60cm 이상채취한후깊이별 (0~20, 20~40, 40~60, 60cm이상 ) 로현장에서절취하여 1지점당 4개의시료로분류총 24개의시료를취하였다. 퇴적물시료채취방법은 Grab Sampling, Dredge Sampling, Core Sampling 등이있는데본실험에서는 Core Sampling 방법으로하고자하였다. 그러나퇴적층의응집점도가낮아 Core Sampler에의한채취가어려워 3cm의 PVC관을이용하여채취하고관의위, 아래부분은랩으로밀봉하였다. 채취한시료는즉시실험실로운반후깊이별로분류하여냉동보관하였다.
3.2. 분석항목및실험방법 본연구를위한분석항목중 Cd, As, Pb, Cr, Cu, Fe, Zn, Mn, Ni 등은원자흡광분광광도계 (Shimazu, AA, AA-680) 를이용하여측정하였다. 퇴적물의중금속측정을위한전처리방법은해양환경공정시험법 ( 해양수산부, 2002) 에의거하였다. 냉동보관된시료를 -45 이하에서동결건조시킨후시료내최대한이물질 ( 조개껍데기등 ) 을제거하였다. 분리시킨시료는막자사발을이용하여분쇄후 230 메쉬 (0.063mm) seive를이용하였다. 그후시료를코니칼비커에각각 0.5g씩취하고여기에 HNO 3 20ml 과 HCl 10ml를첨가하였다. 준비된시료를 Hot plate상에서 150 로분해후방냉하였고, 이를 5B 여과지로여과후 50mL 메스플라스크에정량하였다. 4. 결과및고찰 4.1. 퇴적물의오염변화 4.1.1. 입도 퇴적물내오염물질은일반적으로큰입자 (sand and gravel) 에비하여작은입자 (silt and clay) 에강하게흡착되어있다. 따라서가포지역에투기된입도를분석해봄으로써오염도를추정하고자하였다. 입자크기를측정하는원리는입자의크기에따라다르다. 입자의크기는자갈과모래, 그리고뻘로크게나눌수있다. 이중본연구의실험대상인뻘의입자크기를나누는기준은 Table 3 과같다. Table 3. Particle size class and particle diameter 실트 (SILT) 점토 (CLAY) 입자구분 (Size class) 입자직경파이 (φ) 극조립실트 (very coarse silt) 조립실트 (coarse silt) 중립실트 (medium silt) 세립실트 (fine silt) 극세립실트 (very fine silt) 점토 (clay) 1/32mm 이상 (31 μm ) 1/64mm 이상 (16 μm ) 1/128mm 이상 (8 μm ) 1/256mm 이상 (4 μm ) 1/512mm 이상 (2 μm ) 1/512mm 이하 (2 μm ) 5 6 7 8 9 9 이하 ( 파이는 -log 2( 입자직경 ) 과같이구한다. 해양환경공정시험방법, 2002, 해저퇴적물, 입도분석 ) 입도분석장치 (LS230 & N4PLUS) 로분석한가포지역준설토의입도분석결과는 Table 4 와같다. 각지점별평균치를나타내고있으며 31μm이하의입도까지만누적 % 기준으로표시하고있다. Table 4. Results in analyzing grain size [ 단위 : 누적 %] Station 2μm 4μm 8μm 16μm 31μm 1평균 9.8 16.3 24.6 37.0 52.2 2평균 13.4 22.2 33.4 50.0 68.8 3평균 10.8 17.9 26.7 38.6 53.6 4평균 15.7 25.8 38.8 58.2 79.7 5평균 14.2 23.7 35.9 52.8 70.5 6평균 13.3 22.2 33.0 47.4 63.6 앞에서언급한바와같이일반적으로퇴적층내의중금속함량은주로평균입도에의해좌우된다. 즉자연상태의퇴적물은입자가조립해질수록중금속함량이감소하는경향이존재한다. 결국자연상태의퇴적물에서는평균입도
Fig. 2. The relationship between particle size and heavy metal concentration. 로중금속함량을보정한경우상호간에직선적인관계를보이지만, 인위적으로오염된퇴적물의경우는이러한직선적인관계를벗어나게된다 ( 이종현. 1996) [10]. 이를고려하여본연구에서의입도와중금속농도와의상관성을비교해보면 2번지점과 5번, 6번지점의입도가비교적세립질로구성되어있고항목에상관없이전체적인중금속농도또한 2번지점과 5번, 6번지점에서높게나타남을알수있다. 이는곧퇴적층내중금속함량은입도와상관관계를가지고있음을잘보여준다. 4번지점의경우는지형적특성상유실에따른경향성파악이어렵다. 지점별입도및중금속과의상관성을 Fig. 2. 에나타내보았다. 4.1.2. 퇴적물내중금속농도 가포만에서채취된저질의중금속함량은 Table 5 에나타내었다. 각원소의함량분포를살펴보면우선 Zn의경우 2번지점에서 173.35mg/kg 으로가장높았으며, 1번지점이 130.66 mg/kg로가장낮았다. Cr의경우 6번지점에서 53.51 mg/kg로가장높은값을나타내었으며, 3번지점에서 34.98 mg/kg로가장낮은값을나타내었다. 이외에여러분석항목들의측정값들에서대체적으로 4번지점이낮게나타나고있음을알수있다. 이는 4번지점이지형적특성상외만으로의이동이자유롭기때문에퇴적층의유동에따른것으로추정된다. Tabl e 5. Concentration of heavy metals in sediment of Gapo confined area bysite and depth. (mg/kg dry wt.) Station Depth Cu Ni Cr Zn Cd Pb Mn 1평균 0~60이하 33.01 21.71 38.57 130.66 0.46 34.57 476.91 2평균 0~60이하 47.78 25.30 48.90 173.35 0.67 50.67 414.46 3평균 0~60이하 31.46 18.11 34.98 150.05 0.64 39.10 450.95 4평균 0~60이하 43.70 22.85 40.09 146.03 0.54 46.80 457.13 5평균 0~60이하 49.73 22.11 46.18 158.60 0.64 47.06 431.32 6평균 0~60이하 47.36 27.42 53.51 161.73 1.02 52.88 503.81 측정값들을비교분석하기위해마산만준설전퇴적물 ( 준설대상지역 ) 내중금속농도 (1988년) 와준설투기후가포만퇴적물의중금속농도 (2003년) 를인용본연구의실험결과를구분하여 Table 6 에나타내었다. 각분석측정값은지점및깊이를항목별로평균하여나타내었다. 2003년 (1번, 2번지점 ) 과 2004년 (3번, 5번지점 ) 자료는가포만투기지역의일치되는두지점을깊이별로구분하지않고평균을내어나타내었다. Tabl e 6. Heavy metals concentration in the dredged sediments (1988) and recovered sediments(2003,2004) (mg/kg) Year Element Zn Cu Pb Cd Ni Cr Average 1988( 준설전마산만 ) 1203.0 83.4 51.5 4.01 56.9 80.0 2003( 준설투기지역 ) 180.2 44.5 35.3 1.5 24.2 36.4 2004( 준설투기지역 ) 154.33 40.59 43.08 0.64 20.11 40.58 2003/1988 0.15 0.53 0.68 0.36 0.43 0.45 0.44 Ratio 2004/1988 0.13 0.49 0.84 0.16 0.35 0.51 0.41 2004/2003 0.86 0.91 1.22 0.44 0.83 1.12 0.90
< 참고 : a) 마산시 1989a, b) 권 1997 > (2003 년 ) (2004 년 ) Fig. 3. Sampling site maps in 2003 (Kwon,2004) and 2004 (this study) 4.2. 준설지수 (Dredging Index, DI) 와저서생물개체분포에의한생태회복분석 4.2.1 준설지수 (Dredging Index, DI) 및 Quadrodiagram 을이용한분석 본연구를통해나온결과들을토대로준설토투기지역의오염도를판단하는한가지방법으로이등 (2004) 이개발한준설지수 (DI) 를이용해보았다. 연안퇴적물의오염도개선을위해수행되는준설의시행여부판단을위해서는합리적인준설지수 (DI) 설정이필수적이다. 현재국내에는법제화된이렇다할 DI가없는실정이다. 외국에서사용되는 DI는국가별경제수준, 자연환경특성, 해역의이용목적등이상이한까닭에국내환경에직접활용되는것은비합리적이다. 따라서이등 (2004) 은그동안축적된국내자료를활용하여 DI를개발하였다 ( 이찬원외, 2004) [11]. 따라서본연구에서는개발된 DI를이용하여가포만의퇴적층을분석하였다. 또한 Quadrodiagram을이용하여 DI를나타내보았다. DI = 기준 Box내막대그래프면적의합 / Box내의총유효면적 DI = Dredging Index 본연구에서얻은결과데이터를 DI 프로그램에입력하였을때나온 DI 값과그래프를 Table 7 과 Fig. 4 에각각나타내었다. Tabl e 7. Dredging Index of sediments in study area by depth. Si t e D e p t h ( c m ) C-1 C-2 C-3 C-4 C-5 C-6 0-20 0.04 0.12 0.11 0.07 0.10 0.17 20-4 0 0.05 0.13 0.08 0.08 0.16 0.15 4 0-6 0 0.10 0.15 0.05 0.11 0.15 0.14 6 0 이상 0.04 0.21 0.03 0.16 0.16 0.22 평균 0.0 6 0.15 0.0 7 0.11 0.14 0.17
Fig. 4. Dredging Index of 6 sediments by depth. Fig. 4. Dredging Index changes for the sediments dredged (1988) and recovered (2003, and 2004). 여기서나온 DI 값의전체평균은 0.12를나타내고있다. 이는준설전 0.67과 2003년 0.18보다낮아졌음을보여준다 ( 이외, 2004) [11]. 이를그래프 Fig. 5 에나타내보았다. 또한, 도출된지점별 DI 값중 3번, 5번지점을여러외국의퇴적물분류기준 (SQC, ABE, PSQG, CF 등 ) 에적용하여 Fig. 6 ~ Fig. 7 에 Quadrodiagram으로나타내보았다. Fig. 6. Quadrodiagram of Dredging Index by depth at site 3. Fig. 7. Quadrodiagram of Dredging Index by depth at site 5.
4.2.2. 저서동물의개체분포및동태조사 안등 (2003b) 은마산만의인공갯벌인가포갯벌의대형저서동물공간분포양상과조위에따른수직분포양상을보기위하여 2002년 3월부터각지벽에서 3개조사정점을선정하여조사를하였다 (Fig. 9)( 안, 2003b). 각조사정점에서는 4개의반복시료가채집되었다. 수로지역을포함한 3개정점에서의저서생물조사는 2002년 3월부터 2개월간격으로주기적으로채집을하고있다. 모든조사정점의퇴적물시료는망목크기가 0.5 mm인체를사용하였고, 해수를사용하여저서생물을분리하였다. 분리된저서생물은해수로중화된 10 % 포르말린으로고정하였다. 저서동물군집에대한주요분석결과는다음과같다 ( 안, 2003b) [5]. 128 34'E 128 35'E Masan Masan Bay Gapo Gapo Bay 35 10'N St.3 St.2 St.T St.1 1) 종다양성 조사갯벌에서조사기간중에출현한대형저서동물군집의종조성을보면다음과같다. 총 32종이출현하였으며, 조간대상부에위치한정점1에서 18종으로가장적었고, 정점 2와정점3에서각각 26종씩출현하였다. 이중다모류가 22종으로가장다양한종조성을보였다. 가포인공갯벌에서의주요우점 Fig. the 9. Sampling confined sites Gapo for benthos area(st.t in : 종으로는조사정점에따라약간씩조성비율에있어서차이를보였다. 정점 1 inhabitation of a short-necked). 에서는다모류의 Prionospio japonicus( 납작얼굴갯지렁이 ) (33.7%), Sigambra tentaculata( 투구갯지렁이 ) (25.9%), Neanthes succinea( 두줄박이참갯지렁이 ) (10.9%), 이매패류인 Theora fragilis( 아기반투명조개 ) (7.0%) 등이었다. 정점2에서는다모류의 Neanthes succinea( 두줄박이참갯지렁이 ) (20.8%), 이매패류인 Ruditapes philippinarum( 바지락 ) (18.8%), Musculus senhousia( 종밋 ) (16.2%) 등으로정점1과차이를보였다. 수로역의정점 3에서는다모류인 Sigambra tentaculata ( 투구갯지렁 이 )(27.6%), Paraprionospio pinnata( 모자예쁜얼굴갯지렁이 ) (26.1%), Lumbrineris longifolia (10.5%), 이매패류인 Macoma praetexta( 얇은대양조개 ) (9.6%), Theora fragilis( 아기반투명조개 ) (4.6%) 등이었다. Fig. 10. Pictures of some species inhabited in the Gapo tidal flat. Sigambra tentaculata ( 투구갯지렁이 ) Neanthes succinea ( 두줄박이참갯지렁이 ) Paraprionospio pinnata( 모자예쁜얼굴갯지렁이 ) Macoma praetexta ( 얇은대양조개 ) 5. 결론 마산만의심각한오염에따른정화사업의일환으로 1990년부터 1994년에걸쳐준설을시작했고이에따른준설토를가포해역에 2.1 10 6 m 3 투기하였다. 본연구에서는이렇게투기된준설토를퇴적층내의변화를알아봄으로써다음과같은결론을얻었다. 1) 퇴적층의입도와중금속농도와의상관성을분석해본결과퇴적층이세립질로많이구성되어있을수록중금속농도가높게나타났다. 이는곧다른오염원의유입이없이안정화되어있음을시사하고있다. 연구지역의입도분포는 50% 이상이 32μm이하였다. 2) 퇴적물의화학적조성, 생태위해도, Background level을고려하여개발된준설지수를적용하여준설당시의퇴적물과 10년동안안정화된퇴적물을비교하였다. 그결과전체평균으로계산된 DI=0.67( 준설전마산만 ) 에서 DI=0.18(2003년가포만 ), DI=0.12(2004년가포만 ) 로낮아졌다.
3) 준설당시상당한오염도를나타내었던준설토에서의저서생물종이다양화되었다. 오염준설토의생태환경은외부로부터의오염원이더이상유입되지않는다면시간의경과에따라다양한원인으로인해회복이가능함을알수있었다. 사사 본연구는 2005 학년도경남대학교학술논문게재연구비지원으로이루어졌다. 참고문헌 [1] 마산시, 마산만정화사업기본및실시설계보고서, 1989 [2] 마산시, 마산만정화사업기본및실시설계보고서 ( 부록 ), 1989b [3] 권영택, 마산만오염퇴적물준설토투기해역의중금속오염평가, 한국해양환경공학회지, 2004, pp.75-81 [4] 안순모, 마산만가포지역인공갯벌의유기물및영양염수지 한국과학재단특정기초연구 2차년도중간보고서, 2003a, pp.1-8 [5] 안순모, 인공갯벌을이용한마산만오염물질의자연정화연구, 한국과학재단특정기초연구 2 차년도중간보고서, 2003b, pp.1-13 [6] 이규환, 마산만준설에따른환경특성의변화, 경남대학교대학원석사학위논문, 1994, pp.1-75 [7] 이성재외, 준설퇴적물분류및오염물질의물리화학적전처리, 대한환경공학회학회지, 2003, pp.1-8 [8] 이찬원, 내륙습지퇴적물의생태환경독성도평가, 경남발전연구원발전지1999. 3월호, 1999, pp.1-16 [9] 권영택, 준설해역오염방지를위한하천퇴적물의오염특성규명, 환경문제연구소학술논문발표지, 1997, pp.1-15 [10] 이종현, 경기내만및시화호의저서동물군집의특성과퇴적물내유기물및중금속의농축에관한연구, 서울대학교보건대학원논문, 1996, pp.1-15 [11] 이찬원외, 연안해역오염퇴적물개선을위한준설판단지수 (Dredging Index, DI) 개발, 한국해양환경공학회지, Vol. 7, No. 2, 2004, pp. 70-74 [12] 김기현외, 전처리방식의차이에따른토양함유중금속의농도비교와자료해석의주의점, 한국자원공학회지, Vol. 35, 1998, pp. 59-67 [13] 마산시, 마산만환경변화모니터링및저질조사, 1993, pp. 1-131 [14] 이찬원외, 마산만퇴적물의중금속및유기염소화합물오염에관한연구 Inst. Environ. Res., Kyungnam Univ, Vol, 12, 1990, pp. 5-24 [15] 이찬원, 퇴적오니준설과해양환경변화. 아카데미예원, 1995, pp43-50 [16] David J. Walker, Sigrid Hurl. The reduction of heavy metals in a stormwater wetland, ECOLOGICAL ENGINEERING. ELSEVIER, Ecological Engineering 18, 2002, pp. 407-414 [17] S. Nayar, B.P.L. Goh, L.M. Chou. Environmental impact of heavy metals from dredged and resuspended sediments on phytoplankton and bacteria assessed in situmesocosms, Ecotoxicology and Environmental Safety, ELSEVIER. 2003, pp. 349-369 [18] Long, E. R., Macdonald, D. D., Smith, S. L., and F. D. Calder, "Incidence of adverse biological effects withen ranges of chemical concentration in marine and estuarine sediments", Environmental Management Vol. 19, 1995, 81-97