2.1. Sampling site

연구 지역인 낙동강 유역은 한반도 동남부에 위치하며, 북쪽으로는 한강 유역, 서쪽으로는 금강 및 섬진강 유역과 접하고 동쪽으로는 태백산맥이 동해안 유역과 분수령을 형성하고 있고, 남쪽으로는 낙동강 남해권역과 접해있다(^{Lee et al., 2013}). 그리고 낙동강 유역 면적은 23,384.21 km²이며, 본류 하천연장이 400.7 km, 유로연장이 510.36 km에 이른다. 최근 지속적으로 증가되는 용수수요량 대비 부족한 수자원의 확보와 홍수조절 등을 위하여 실시한 4대강 살리기 사업과 관련하여 하도 준설을 실시하고 총 16개의 다기능적인 보를 건설하였으며, 이 중 낙동강에는 가장 많은 8개의 다기능보가 건설되었다(^{MOLIT, 2009}). 본 연구는 낙동강 수계의 보가 건설된 지역과 인접한 곳인 강정･고령보의 상류 약 1.2 km 지점에서 깊이 20 cm의 주상퇴적물시료를 채취하여 연구를 실시하였다(Fig. 1). 시료 채취 당시수질 다항목 측정기(YSI-600XLM)을 이용하여 현장에서 수질을 측정한 결과 수심 9.5 m이며 저층수의 수온은 21.6°C, pH는 7.3으로 나타났다.

Fig. 1.

Map showing sampling site in the Study area.

2.2. Sampling methods

퇴적물 시료는 2014년 8월에 외형 길이 120 cm, 내경 7 cm와 내형(투명 아크릴 재질) 길이 50 cm, 내경 5 cm의 중력식 코어를 이용하여 교란되지 않은 주상퇴적물을 채취하였다. 채취된 주상퇴적물은 현장에서 마개를 이용하여 하층부를 막고 상등수가 가라앉을 때까지 기다린 다음 상등수를 제거한 후 상부와 하부가 교란되지 않게 실험실로 옮겨 분석을 실시하였다.

채취된 주상퇴적물의 상등수를 제거한 후 주상퇴적물 시료를 아크릴 칼과 소형 그라인더를 이용하여 반으로 절개하였다. 절개된 하나의 주상퇴적물 시료에서 깊이 2 cm 간격으로 부시료(subsample)를 채취하였으며, 입도(grain size), 완전연소가능량(ignition loss), 원소(TOC, TN, TS) 및 중금속 농도(heavy metal content)분석을 실시하였다. 그리고 나머지 절반에서 시료의 표면을 다듬은 다음 영상을 촬영하고 퇴적구조 및 특성을 관찰하고 기록하여 주상도를 작성하였다.

2.3. Sample analysis methods

입도 분석은 자연시료를 과산화수소(H₂O₂)를 가해 유기물을 분해시키는 전처리 과정을 거친 후 입자크기분석기인 Microtrac S3500을 이용하여 측정하였다. 이와 같은 입도 분석 결과를 ^{Folk and Ward (1957)}에 의하여 제안된 방법에 따라 입자 크기별 함량(sediment composition), 평균입도(mean grain size), 분급도(sorting), 왜도(skeweness)등의 조직매개 변수(parameter)들을 산출하였고 ^{Folk (1968)}에 따라 삼각다이어그램을 도시하여 퇴적물의 유형(sediment type)을 파악하였다.

완전연소가능량(Ignition Loss, IL)은 550°C에서 2시간 가열후 가열 전과 가열 후의 무게차이를 이용하여 구하였다. 원소(TOC, TN, TS) 분석은 cario MACRO를 이용하고 중금속(Al, Li, Zn, Cr, Pb, Ni, Cu, Cd) 농도 분석은 ICP-AES(Inductively Coupled Plasma/ Atomic Emission Spectrometry)를 이용하였으며, 이에 따른 분석 방법은 ‘수질오염 공정시험 방법(^{MOE, 2012})’ 중 하천･호소 퇴적물 공정시험기준에 따라 실시하였다.

3.1. Sedimentary Structure

연구 지역의 주상퇴적물 입도 분석 결과는 자갈(Gravel)의 함량은 나타나지 않았고 전반적으로 모래(Sand, avg.: 51.48%)와 실트(Silt;, avg:46.21%)성분이 우세하게 나타났으며, 점토(Clay, avg:2.31%)는 미약하게 나타났다. 모래의 함량은 하부에서 상부로 갈수록 점차 증가하는 경향이 나타났고 실트는 상부로 향하여 점차 감소하는 경향이 나타났다. 평균 입도(avg.:4.16Φ)는 모래의 함량 증가로 인하여 상부로 향하여 점차 조립화 되었으며, 분급(avg.:1.53Φ)은 대부분의 깊이에서 poorly sorted의 범주에서 나타났으나 깊이 4-6 cm에서는 very poorly sorted의 범주에 속하고 깊이 2-4 cm에서는 비교적 양호한 moderately sorted의 범주에 속하는 것으로 나타났다. 왜도(avg.:0.16)는 모든 깊이에 걸쳐 양의 왜도 값이 나타났고 symmetrical과 positively skewed의 범위에 속하였다(Fig. 2).

Fig. 2.

Vertical variation of sediment composition, mean grain size, sorting and skewness of core sediment.

이와 같은 퇴적물 입도 분석 결과에 따라 삼각다이어그램을 도시한 결과, 사(S; Sand), 니질사(mS; muddy Sand) 그리고 사질니(sM; sandy Mud)의 총 3개의 퇴적상이 구분되었으며, 이 중 사질니의 퇴적상이 우세하게 분포하는 것으로 나타났다(Fig. 3a). 또한, 역의 함량이 전혀 나타나지 않았기 때문에 사, 실트, 점토의 퇴적물 유형으로 구분해보면, 사, 실트질사(zS; silty Sand), 사질실트(sZ; sandy Silt)의 3개 유형으로 나타났으며 사질실트 퇴적상이 가장 우세하게 분포하고 있다(Fig. 3b). 촬영된 주상 퇴적물 시료의 단면과 작성된 주상도를 보면 전반적으로 하부에 비해 상부가 조립한 입자로 구성되어 있어 상향 조립화 경향이 나타나고 있다. 최하부층에서는 사니질의 비교적 세립한 퇴적상이 우세하게 분포하고 있으며, 식물 파편이 산재되어있는 것으로 나타났다. 그리고 깊이 약 8.5 cm에서 비교적 조립한 니사질 층리(bed)가 나타났고 상부로 향하여 다시 세립화되어 사니질층이 분포하고 있다. 깊이 4 cm에서는 가장 조립한 사질 퇴적층이 나타났고 상부로 향하여 다시 세립화되어 니사질 퇴적층이 나타났으며, 최상부에서 니질 엽리(lamina)가 나타났다(Fig. 4). 또한, 시료채취 당시 최상부층에 엷은 층의 유기물질이 퇴적된 것을 육안으로 확인할 수 있었는데 이는 수중에 서식하는 다량의 유기사멸체가 최상부층에 퇴적된 것으로 판단된다.

Fig. 3.

Triangular diagram showing sediment type. (a) G, S and M, (b) S, Z and C.

Fig. 4.

Vertical variation of sedimentary structure and sectional photo of core sediment.

3.2. Geochemical Characters

3.2.1. IL, TOC, TN and TS

주상퇴적물에서 완전연소가능량, TOC, TN 그리고 TS의 농도를 분석한 결과(Fig. 5), 완전연소가능량(avg. 4.85%)은 2.04 ~ 6.53%의 범위에서 변화하며, 하부에서 상부로 향하여 큰 변화는 나타나지 않지만 깊이 5 cm에서 상부로 향하여 급격히 감소하여 하부층에 비해 상부층에서 큰 폭으로 감소하는 특징이 나타났다. TOC의 농도는 0.22 ~ 1.30 mg/g의 범위에서 변화하며 평균 0.91 mg/g으로 나타났으며, 전반적으로 감소와 증가가 반복되며 큰 변화는 나타나지 않았지만 깊이 5 cm에서 다소 큰 폭으로 함량이 감소하는 경향이 나타났다. 이와 같이 하부에 비해 상부에서 유기물의 함량이 감소하는 경향이 나타났고 특히, 깊이 5 cm에서 상부로 향하여 급격히 감소하는 특징이 나타났다. 이는 모래 의 함량이 급격하게 증가하여 조립화 되는 깊이와 유기물 함량이 감소하는 깊이가 일치하며 조립한 퇴적물에서는 세립한 퇴적물 보다 유기물의 함량이 감소하는 것을 확인할수 있다. TN의 농도는 0.07 ~ 3.10 mg/g의 범위에서 변화하며 평균 0.57 mg/g으로 나타났다. 하부층에서 상부로 향하여 급격히 감소하며, 깊이 15 cm에서 부터는 0.3 mg/g이하의 변화없이 낮은 함량이 나타나고 있다. TS의 농도는 0.26 ~ 0.79 mg/g의 범위에서 변화하며 평균 0.47 mg/g으로 나타났다. 전반적으로 상부로 향하여 증가하는 경향이 나타났으며, 깊이 9 cm에서는 다소 큰 폭으로 증가하여 깊이 5 cm에서 다시 감소하고 최상부층으로 향하여 다시 증가하는 특징이 나타났다.

Fig. 5.

Vertical variation of IL (Ignition Loss), TOC (Total Organic Cabon), TN (Total Nitrogen) and TS(Total Surfer) of core sediment.

3.2.2. C/N Ratio and C/S Ratio

총유기탄소에 의한 총질소의 비율(C/N Ratio)은 유기물질의 기원을 밝히는데 이용되고 있다(^{Choi et al., 2000}). 주상퇴적물에서 나타나는 C/N 비율(Fig. 6)은 0.35 ~ 6.83의 범위에서 변화하고 평균 4.55로 나타났다. 하부인 깊이 17 cm에서 총질소의 함량 감소로 인하여 상부로 향하여 증가하고 비교적 변화가 없는 경향이 나타나며, 깊이 5 cm에서 감소하는 경향이 나타는데 이 깊이에서 C/N 비율이 감소하는 것은 조립한 퇴적물로 구성되어 유기물의 함량이 감소하기 때문이다. 일반적으로 해양 퇴적물에서는 생물의 기초 생산에 의해 형성된 유기물질은 C/N 비율이 10 이하의 값이 나타나고 주변 육지에서 공급된 육상기원 유기물질인 경우 10 이상의 값이 나타난다고 알려져 있다(^{Muller, 1997}; ^{Sampei and Matsumoto, 2001}). 연구 지역은 해양이 아니라 담수 환경이지만 이와 같은 연구결과에 비추어 보면 연구지역의 주상퇴적물에서는 모든 깊이에서 10이하의 값이 나타났으므로 육지에서 공급된 유기물질이 아니라 하천환경의 수중에 서식하고 있는 생물에 의하여 유기물질이 공급되는 것으로 유추된다. 그러나 C/N 비율만을 가지고 퇴적물내 유기물기원을 확인하는 것은 한계가 있으며 이 지역의 특성에 따라 강우량과 하천 유량이 증가하여 육상기원 유기물이 유입될 수도 있어 연구지역의 유기물이 수중 생물기원으로 전적으로 판단할 수는 없지만 주상 퇴적물에 나타나는 총유기탄소에 대한 총질소의 비가 낮게 나타나고 있다. 이는 육상기원의 식물에 비해 연구 지역에 다량으로 서식하고 있는 조류는 상대적으로 질소성 단백질(nitrogen protein)이 풍부하기 때문에 총질소의 농도가 높아 C/N 비율이 낮게 나타난다. 이러한 결과로 보아 연구 지역에 퇴적된 유기물질은 육상기원 보다는 수중에 서식하는 생물기원의 유기물이 퇴적된 것으로 유추된다.

총유기탄소에 의한 총황의 비율(C/S Ratio)은 담수 퇴적물은 주로 1 ~ 5의 범위에서 나타나며, 해양 퇴적물은 주로 10 ~ 35의 범위에서 나타나 해양 퇴적물이 담수 퇴적물 보다 높게 나타난다고 알려져 있다(^{Berner and Raiswell (1984)}). 본 연구에서의 C/S 비율(Fig. 6)은 0.36 ~ 4.91의 범위(avg. 2.48)에서 나타나고 있어 일반적인 담수 퇴적물의 C/S 비율이 나타나고 있다. 퇴적 환경에서는 혐기성 환경이 쉽게 조성되며 생지화학적 반응에 의해 황이 환원 되어 퇴적물 표층으로 분산되어 올라와 TS의 농도가 높아짐에 따라 상부로 향하여 C/S의 비율이 전반적으로 점차 감소하는 결과가 나타난 것으로 판단된다.

Fig. 6.

Vertical variation of C/N Ratio and C/S Ratio of core sediment.

3.2.3. Heavy metal content

주상 퇴적물의 중금속 농도 분석 결과를 국내 및 캐나다의 퇴적물 기준과 비교 분석을 실시하였다(Table 1). 여기서 하천･호소 퇴적물 오염평가 기준(Sediment pollution evaluation standard)은 국립환경과학원(NIER)에서 2012년 4월에 예규 제 575호로 제정한 것으로 명시된 기준치를 초과하는 경우 명백하거나 심각하게 오염된 상태를 의미한다고 하였다(^{NIER, 2012}). 그리고 캐나다의 온타리오 환경부의 퇴적물 환경기준(Ontario sediment quality guideline)은 농도에 따라 퇴적물이 저서생물에 대한 악영향을 확률적으로 표현하고 있는 것으로서 LEL (No Effect Level)은 퇴적물에 서식하는 다수의 생물체에 영향을 미치지 않는 오염수준, SEL (Severe Effect Level)은 저서생물에 악영향을 미칠 수 있는 심하게 오염된 수준으로 분류하고 있다(^{CCME, 1995}).

Table 1.

Sediment pollution evaluation Standard(NIER) and Ontario sediment quality guidelines(CCME).

주상 퇴적물의 각 중금속 농도를 살펴보면, 보존성 원소인 Al과 Fe의 농도는 각 6.90 ~ 9.80% (avg. 8.82%), 2.10 ~ 4.10% (avg. 3.51%)의 범위에서 변화하며 하부에 비해 상부에서 급격히 감소하는 경향이 나타났으며, Al은 최상부층에서 7% 이하의 최소 농도가 Fe는 상부 2 ~ 4 cm에서 최소 농도가 나타났다. Zn의 농도는 53.20 ~ 126.80 mg/kg (avg. 53.20 mg/kg)의 범위에서 큰 폭으로 변화하며 전반적으로 하부에서 상부로 갈수록 점차 감소하는 경향이 나타났고 하부층의 대부분의 깊이(20 ~ 18, 16 ~ 10, 8 ~ 6 cm)에서는 LEL을 초과하는 농도가 나타났지만 상부층에서 급격히 감소하여 낮은 농도가 나타났다. Cr의 농도는 25.20 ~ 48.10 mg/kg (avg. 40.82 mg/kg)의 범위에서 변화하며 상부로 향하여 감소하는 경향이 나타났고 하부층에서 16 cm에 걸쳐 모두 LEL을 초과하는 농도가 나타났으나 상부층에서는 급격히 감소하였다. Pb, Ni, Cu와 Cd의 농도는 각각 16.20 ~ 24.20 mg/kg (avg. 21.29 mg/kg), 9.00~19.80 mg/kg (avg. 15.73 mg/kg), 6.30~20.50 mg/kg (avg. 16.04 mg/kg)과 0.14~0.37 mg/kg (avg. 0.29 mg/kg)의 범위에서 변화하며 다른 중금속과 같이 하부에서 상부로 향하여 감소하는 경향이 나타났고 모든 깊이에서 LEL과 하천･호소 퇴적물 오염평가 기준 보다 낮은 농도가 나타났다. 이와 같이 모든 중금속은 하부에서 상부로 향하여 감소하는 상향 감소화 경향이 나타났으며, 중금속 중 Cr, Zn이 하부층에서 캐나다 퇴적물 환경기준인 LEL을 초과하는 비교적 높은 농도로 분포하고 있지만 다수의 저서생물에 악영향을 미치는 수준은 아니였으며, 국내 하천･호소 퇴적물 오염평가 기준치 이하로 심각하게 오염된 상태는 아닌 것으로 나타났다(Fig. 7).

Fig. 7.

Vertical variation of heavy metal content(Al, Fe, Zn, Cr, Pb, Ni, Cu and cd) of core sediment.

3.3. Statistical Analysis

연구 지역에서 분석을 실시한 모든 항목간의 상관성을 알아보기 위하여 SPSS 17.0을 이용하여 통계분석을 실시하였다. 이변량 분석은 평균과 표준편차를 통계량으로 사용하여 피어슨 상관관계(pearson's correlation analysis) 분석을 통하여 각 항목 간의 상관성을 분석하였고 유의한 상관계수를 표시하였다. 주성분 분석(principal component analysis, PCA)은 일변량 기술통계를 통계량으로 이용하고 주성분 요인을 2가지로 추출하여 산점도 그래프를 도시하여 각 항목간의 상관성 및 주요인을 분석하였다.

피어슨 상관관계 분석 결과(Table 2), 사질 성분에 대하여 완전연소가능량(-0.946), TOC (-0.932)와 모든 중금속 농도(-0.857~-0.978)는 역상관관계가 나타났고 반대로 니질 성분과 정상관관계가 나타났는데 니질 성분 중에서도 점토보다 더 우세하게 나타나는 실트에 대해 완전연소가능량은 0.955, TOC는 0.943 그리고 모든 중금속에서 0.9이상의 높은 상관계수가 나타났다. 완전연소가능량과 TOC는 유기물의 함량을 의미하는 것으로서 조립한 입자에 비해 세립한 입자에 유기물이 더 많이 축적되며 중금속도 세립질 퇴적물에 더 높은 농도로 축적되는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 세립질 퇴적물에 유기물질 및 중금속이 높게 축적이 되는 것은 표면적 증가와 그에 따른 흡착 및 이온교환량의 증가가 그 원인이라는 연구결과(^{Horowitz, 1991})와 일치한다.

Table 2.

Pearson’s correlation coefficient of grain size, IL, TOC, TN, TS, C/N, C/S and heavy metal content of core sediment in the Study area.

주성분 분석 결과(Fig. 8), 2 요인 까지 도출하여 PC = 13.667F1 + 2.329F2로 나타났으며, 전체 분산에 대한 각 요인의 기여율은 제1요인은 75.926%, 제2요인은 12.939%(누적 88.865%)로 제1요인에 대한 기여율이 큰 것으로 나타났다.

Fig. 8.

Principal component analysis of grain size, IL, TOC, TN, TS, C/N, C/S and heavy metal content of core sediment in the Study area.

모든 중금속, TOC와 완전연소가능량은 제1요인의 양의 상관관계에 편향되어 있으며 세립질 퇴적물인 점토와 실트도 제1요인에서 양의 상관관계가 나타나고 조립질 퇴적물인 모래는 음의 상관관계에 있는 것으로 보아 제1요인은 입도로 해석된다. 제2요인은 TS와 C/N비율이 양의 상과관계에 포함되며 TN과 C/S비율이 음의 상관관계에 포함되어있는 것으로 보아 제2요인은 TN과 TS로 해석된다. 연구지역의 주상 퇴적물에서는 입도의 차이에 따라 중금속의 농도와 유기물질의 농도가 변화하는 것으로 나타났다. 이러한 결과로 모든 물질을 입도 분포가 제어하는 것으로 판단할 수는 없지만 퇴적물 내 오염 물질이 될 수도 있는 유기물질 및 중금속의 농도는 입도 분포와 밀접하게 연관되는 것으로 보아 연구 지역에 인위적인 오염의 영향은 미약한 것으로 사료된다.