서 론
연구지역 및 연구방법
연구지역
분석항목 및 분석방법
통계분석 및 오염도 평가
결 과
3개 기준계 교차 판정
농집지수(Igeo)
평균 SQG 지수
오염부하 및 잠재생태위해지수
원소비
층위별 수직 분포
주성분 분석
고 찰
TEL 초과의 지질기원 해석
담수·해양 기준의 정합성과 기수역 특성
육상 재활용 안전성 및 지역 배경농도 도입
결 론
서 론
연안 지역에 방조제를 축조하여 조성한 농업용 담수호는 해양에서 기원한 퇴적물이 장기간에 걸쳐 담수화 과정을 거치면서 물리·화학·생물학적 변화를 겪는 독특한 환경을 형성한다. 이렇게 조성된 호소는 육상으로의 농업용수 공급과 해안선 안정화 기능을 수행하는 동시에, 퇴적물 관리 측면에서는 내륙에 위치하고 있는 저수지와 구별되는 접근을 요구한다. 특히 준설을 수반하는 개발사업에서는 준설토의 오염 여부에 대한 과학적 판단이 사업의 법적·환경적 타당성을 좌우하는 핵심 요소로 작용한다.
현행 국내 법령에서 공유수면 내 준설토의 오염도 판정에 적용하는 주요 기준으로는 준설토사를 매립하려는 경우 준설토사의 오염도 평가를 위한 토양환경보전법의 토양오염우려기준(soil contamination concern standards, SCCS)과 준설물질 등을 활용하려는 경우 준설물질 등의 오염도를 평가하기 위한 「해양폐기물 및 해양오염퇴적물 관리법」의 활용 가능한 준설물질 오염도 기준(beneficial use of dredged material, BUDM)이 있다. 두 기준은 행정적 의사결정을 위해 설정된 단계적(threshold-based) 기준으로서 일정 농도 이하이면 오염되지 않은 것으로 간주한다. 그러나 이들 기준은 국내 전 지역 일률 적용을 전제로 하여 지역별 지질 특성이나 자연 배경농도를 반영하지 못하고, 호소 내 저서생물에 대한 생태독성학적 위해성을 직접 평가하지 못하며, 항목별 초과 여부만 판정하므로 여러 금속이 공존할 때 나타나는 복합 생태위해성을 포착하기 어렵다는 한계가 있다.
이러한 한계를 보완하는 방법으로 미국 국립해양대기청(NOAA)의 퇴적물질 기준(sediment quality guidelines, SQGs)이 국제적으로 널리 활용된다. SQGs는 다량의 퇴적물–생물 독성 자료로부터 경험적으로 도출된 임계영향농도(threshold effect level, TEL)와 개연영향농도(probable effect level, PEL)로 구성되며, TEL 미만에서는 유해한 생물학적 영향이 거의 나타나지 않고, TEL–PEL 구간에서는 때때로, PEL 초과 시에는 빈번하게 영향이 나타날 것으로 예측하여 생태계 건강성 평가를 위한 스크리닝 지표로 기능한다(MacDonald et al., 1996; Smith et al., 1996; Long et al., 1998). 본 연구에서는 국내 규제 기준(SCCS, BUDM)과 생태독성학적 기준(NOAA SQGs)을 동일 시료에 교차 적용하여 기준계 간 판정 결과의 정합성과 차이를 정량적으로 비교하고자 하였다(MOF, 2018).
연구 지역이 중생대 백악기 진동층(Jindong Formation)을 기반암으로 한다는 지질학적 특수성도 준설토 평가에서 중요하게 고려되어야 한다. 진동층은 호성 환경에서 퇴적된 암회색–흑색 셰일이 우세한 지층으로, 혐기성 퇴적 환경에서 형성된 흑색 셰일은 비소(As), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 등 산화·환원에 민감한 원소가 평균 셰일보다 높게 농집되는 경향이 보고되어 있다(Lee et al., 1998; Yi et al., 2003; Tuttle et al., 2009). 인접한 고성만 표층퇴적물에서도 As와 Cr 농도가 한반도 연안 배경농도(Woo et al., 2019)의 각각 약 2.4배와 1.8배에 달하고 보존성 원소 Al과 강한 상관을 보여 기반암 풍화 기원으로 해석된 바 있다(Kang et al., 2012; Lee et al., 2017). 이는 연구 지역 준설토에서 검출되는 As·Cr·Ni 농도의 일부가 인위적 오염이 아니라 진동층 기원의 자연 배경농도를 반영할 가능성을 시사하며, 오염 여부 판정에 근본적 불확실성을 부여한다.
이에 본 연구는 (1) SCCS·BUDM·NOAA SQGs의 세 기준계를 교차 적용하여 준설토 오염 판정의 정합성을 평가하고, (2) 농집지수(Igeo), 평균 PEL 지수(mPEL-Q)와 평균 PEC 지수(mPEC-Q), 오염계수(CF)·수정오염도(mCd)·오염부하지수(PLI)·잠재생태위해지수(RI) 등 지구화학적 지수를 산정하여 오염 수준과 복합 생태위해성을 정량화하며, (3) 원소비, 주성분 분석 및 층위별 수직 분포를 통해 자연기원과 인위기원 기여를 분리함으로써, 준설토의 육상 재활용에 대한 환경안전성 근거를 제시하고 지질학적으로 특수한 지역에 대한 지역 배경농도 도입의 필요성을 제언하는 것을 목적으로 한다.
연구지역 및 연구방법
연구지역
연구 지역인 마동호는 경상남도 고성군 일대에 조성 중인 농업용 담수호 예정지로 고성만 북동부의 내만에 위치한다. 담수호 조성을 위한 방조제는 2012년 체절되었으나 조사 시점 및 현재까지 배수갑문을 통해 해수가 유통되어 기수역–연안 해역의 특성을 유지하고 있으며, 추후 담수화가 완료되면 주변 지역에 농업용수를 공급할 계획이다. 유역 면적은 약 96 km2이며 기반암은 중생대 백악기 진동층(흑색 셰일 및 장석질 사암)이다. 본 연구에 사용된 자료는 담수호 예정지 내 내용적 확보를 위한 준설작업 시행 전에 실시한 준설토 오염도 조사 결과이다. 시료는 표층퇴적물만 대상으로 한 26개 정점과 주상퇴적물을 대상으로 한 12개 정점의 5개 심도(표층 포함)에서 채취되었으며, 총 86개로 구성된다(Fig. 1).
분석항목 및 분석방법
준설토사의 매립 또는 육상 재활용을 고려하여 토양오염우려기준(SCCS)과 활용 가능한 준설물질 오염도 기준(BUDM)을 각각 적용하였다. 중금속 8종(As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn, Hg)과 총질소(TN)·총인(TP)·불소(F)는 전 층위 86개 시료에 대해 분석하였고, 유기오염물질(시안, 유기인, PCBs 등 13개 항목)은 각 정점의 표층 38개 시료, 다이옥신은 주상퇴적물 조사지점의 표층 12개 시료에 대해 분석하였다. 표층퇴적물은 반빈그랩채니기(Van Veen grab sampler)로 해저면 기준 0–0.2 m 구간을, 주상퇴적물은 중력식 코어샘플러(gravity corer)로 지점에 따라 최대 1.8 m 깊이까지 채취하였다. 시료 채취 지점 및 횟수는 「해양환경공정시험기준(폐기물편)」을 준용하였고, 시료조제 및 분석은 「토양오염공정시험기준」과 「해양환경공정시험기준(퇴적물편)」에 따라 수행하였으며, 금속류는 유도결합플라즈마(ICP)로 분석하였다. 분석의 정확도·정밀도는 인증표준물질(PACS-3)로 검증하였고 회수율은 95–104% 범위였다. 한편 SCCS 판정에는 6가크롬(Cr6+)을, 그 외 정량 분석(BUDM·NOAA SQGs 및 지구화학 지수)에는 전함량 총 Cr을 사용하였으며, 지구화학 지수 산정에는 전함량 분해 자료를 일관되게 적용하였다. 또한 「준설물질의 활용 등에 관한 규정」(해양수산부고시 제2021-137호) 제2조는 인위적 오염이 없고 펄의 평균 무게 비율이 10% 이하이며 생태독성시험을 통과하는 준설토사에 대해 SCCS 및 BUDM의 적용을 면제할 수 있도록 규정하나, 본 연구 대상 준설토는 세립질이 우세한 내만 퇴적물로 펄 함량이 10%를 상회할 가능성이 높아 면제 요건을 충족하기 어려우므로 SCCS 및 BUDM을 정식 적용하였다.
통계분석 및 오염도 평가
자료의 통계적 이상값은 기술통계량 산출, Grubbs 검정(α = 0.05), 박스플롯(1.5 × IQR) 및 왜도 검토의 4단계로 확인하였다. 오염도 및 생태위해성 평가에는 농집지수(Igeo), 오염계수(CF)·수정오염도(mCd)·오염부하지수(PLI), 잠재생태위해지수(RI), 평균 PEL 지수(mPEL-Q) 및 평균 PEC 지수(mPEC-Q)를 사용하였다. Igeo는 Müller (1969)의 식 Igeo = log2[Cn/(1.5×Bn)]로 산출하였으며, 여기서 Cn은 측정 농도, Bn은 배경농도이다. 배경농도는 Woo et al. (2019)이 한반도 전 연안 표층퇴적물을 Li로 입도 표준화하여 제시한 값(As 7.4, Cd 0.134, Cr 46.1, Cu 14.7, Hg 0.0159, Ni 20.0, Pb 25.2, Zn 69.8 mg/kg)을 적용하였다. 입도 보정에 필요한 Li이 분석항목에 포함되지 않아 Cu·Zn은 해양수산부 고시 예외 규정에 따라 원측정값을 사용하였다(MOF, 2021).
CF는 각 원소의 측정 농도를 배경농도로 나눈 값(CF = Cm/Cb)이고, mCd는 8개 원소 CF의 산술평균, PLI는 CF의 기하평균으로 산출하였으며(Tomlinson et al., 1980; Abrahim and Parker, 2008), PLI > 1.0은 배경농도 초과를 의미한다. RI는 각 원소의 단일 생태위해도(Er = TR × CF)의 합(RI = ΣEr)으로 산정하였고 독성반응계수(TR)는 Hakanson (1980)의 값(Hg = 40, Cd = 30, As = 10, Cu = Ni = Pb = 5, Cr = 2, Zn = 1)을 적용하였다. mPEL-Q는 개별 원소의 PEL 지수(Cn/PELn)의 산술평균(Long et al., 1998)으로 산출하되 NOAA 해양 PEL (MacDonald et al., 1996)과 해양수산부 고시(제2018-10호) 기준을 각각 적용하였으며, 담수 기준으로는 MacDonald et al. (2000)의 consensus PEC를 이용한 mPEC-Q를 병행 산정하였다. 지수값이 0.5 미만이면 생태위해도가 낮은 것으로 판정하였다.
주상퇴적물의 표층과 최하층 간 농도 차이는 동일 정점에서 반복 측정된 대응 자료이므로 Wilcoxon 부호순위검정(양측, α = 0.05)으로 검정하였다. 오염원 특성 규명을 위해 표층 38개 정점의 중금속 농도를 대상으로 주성분 분석(PCA)을 수행하였으며, 표본 적절성 측도(KMO)와 Bartlett 구형성 검정으로 적용 타당성을 확인하였다. 8개 원소 전체의 KMO (0.471)가 권장 기준(0.5)에 미치지 못하고 Pb의 개별 측도가 가장 낮아, Pb를 제외한 7개 원소(As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Zn)를 대상으로 재분석하였다(KMO = 0.520, Bartlett χ2 = 218.5, p < 0.0001). 자료는 z-점수 표준화 후 피어슨 상관행렬을 기반으로 분석하였고, 고유값 1 이상 기준으로 2개 주성분을 추출하여 Varimax 회전하였다. 모든 통계 분석은 Python (SciPy) 및 XLSTAT를 사용하였다.
결 과
3개 기준계 교차 판정
연구 지역 준설토 86개 시료의 중금속 농도 분포와 세 기준계에 대한 판정 결과를 Table 1에 제시하였다. 8개 중금속 모두 전 정점에서 토양오염우려기준(1지역)과 활용 가능한 준설물질 오염도 기준 이내로 분석되어 준설토의 육상 매립 및 재활용에 적합한 것으로 나타났다. 유기오염물질(유기인, PCBs 등 13개 항목)은 전 항목·전 정점에서 불검출되었고, 벤조(a)피렌은 표층 38개 시료 중 2개 정점에서만 미량 검출(최대 0.028 mg/kg, 토양오염 3지역 기준의 약 0.4% 수준)되어 육상 재활용 시 안전성이 확인되었다. 이 밖에 총질소(평균 744.6 mg/kg)·총인(평균 42.4 mg/kg)·불소(평균 203.1 mg/kg)는 전 86개 시료에서, 다이옥신은 표층 12개 시료에서 분석하였으며, 규제 기준이 설정된 불소(최대 374 mg/kg)와 다이옥신은 전 정점에서 토양오염우려기준 이내로 나타났다. 그러나 NOAA SQGs를 적용하면 As·Cu·Ni가 각각 전 시료의 100%, 92%, 98%에서 TEL을 초과하였고 Cr (5.8%)·Zn (7.0%)·Cd (3.5%)도 일부 정점에서 TEL을 초과하였으나, PEL을 초과한 항목은 없어 모든 원소가 TEL–PEL 구간 또는 그 이하에 해당하였다. 이처럼 국내 규제 기준으로는 전 항목 적합인 반면 NOAA TEL로는 As·Cu·Ni가 대량 초과하는 판정 불일치가 나타났다. 한편 통계적 이상값 검정 결과 표층 38개 정점에서는 전 원소에서 이상값이 검출되지 않았으며, 전체 86개 시료에서는 Zn이 α = 0.05 수준에서 경계값을 초과하였으나(SW37 지점, 156.9 mg/kg) 진동층 국소 고농도로 판단하여 전체 분석에 포함하였다.
Table 1.
Heavy metal concentrations (mg/kg) in the dredged sediments (n = 86) and assessment against three frameworks (SCCS, BUDM, and NOAA SQGs)
농집지수(Igeo)
배경농도 대비 오염 정도를 정량화하기 위해 표층 38개 정점의 Igeo를 산출하였다(Table 2). Cd이 전 정점에서 Grade 1 이상(평균 1.09, 최대 1.55)으로 8개 원소 중 유일하게 농집된 원소로 나타났으며, Cu (0.46)와 As (0.44)는 평균 Grade 1 (비오염–약한 오염) 수준이었다. 반면 NOAA TEL을 대량 초과한 Ni (-0.56)와 Cr (-0.60), 그리고 Pb (-0.90)·Zn (-0.14)·Hg (-0.27)는 Igeo 평균이 음(−)의 값으로 배경농도 이하(Grade 0, 비오염)에 해당하였다. 즉 TEL 초과가 가장 뚜렷한 As·Cu·Ni는 지역 배경농도 수준 또는 그 이하의 Igeo를 나타내어, TEL 초과가 실제 농집이 아니라 임계값이 지역 배경농도보다 낮은 데서 비롯된 위양성(false positive)임을 정량적으로 보여주었다(Fig. 2).
Table 2.
Geoaccumulation index (Igeo), contamination factor (CF), and potential ecological risk factor (Er) of heavy metals in the surface sediments (n = 38)
평균 SQG 지수
복합 생태위해성을 평가하기 위해 평균 SQG 지수를 해양·담수 기준으로 병행 산정하였다(Table 3). NOAA 해양 기준의 mPEL-Q는 0.226–0.318 (평균 0.260), 해양수산부 고시(제2018-10호) 기준은 0.232–0.345 (평균 0.270), MacDonald et al. (2000) 담수 consensus 기준의 mPEC-Q는 0.215–0.293 (평균 0.247)으로, 세 기준 모두 전 정점에서 0.5 미만의 ‘낮음’ 등급을 나타내었다. 방조제 체절로 인해 폐쇄적인 흐름을 가진 기수역–연안해역의 매질 특성에도 불구하고 해양·담수 기준의 판정 결과가 모두 저위해 수준으로 수렴하여, 기준 선택이 최종 생태위해 판정에 미치는 영향이 제한적임을 확인하였다.
Table 3.
Mean sediment-quality-guideline quotients under the marine and freshwater frameworks (surface sediments, n = 38)
| Framework | Index | Range | Mean | Assessment |
| NOAA marine (MacDonald et al., 1996) | mPEL-Q | 0.226–0.318 | 0.260 | Low risk (all stations) |
| MOF marine (Notification 2018-10) | m-Q | 0.232–0.345 | 0.270 | Low risk (all stations) |
| Freshwater consensus (MacDonald et al., 2000) | mPEC-Q | 0.215–0.293 | 0.247 | Low risk (all stations) |
오염부하 및 잠재생태위해지수
CF는 Cd (평균 3.23)가 중간 오염(3–6) 등급으로 가장 높았고 Cu (2.10)·As (2.04)는 경미 오염(1–3), Cr (0.99)·Ni (1.02)·Pb (0.81)는 배경 수준(≈1 이하)이었다(Table 2). mCd는 평균 1.61로 ‘낮음’ 등급, PLI는 평균 1.45 (전 정점 > 1)로 배경농도를 근소하게 상회하였으며, 이는 인접 고성만 표층퇴적물의 PLI (평균 1.69; Lee et al., 2017)보다 낮은 수준이다. RI는 152.8–228.1 (평균 192.4)로 전 정점이 ‘중간(moderate)’ 등급에 해당하였으며, 원소별 기여도는 Cd (50.3%)과 Hg (27.1%)가 전체의 약 77.4%를 차지하고 As (10.6%)가 뒤를 이었다. 반면 Cr·Ni·Zn의 기여도는 각각 1–2% 내외로 미미하여, 생태위해도가 독성계수가 큰 Cd·Hg에 의해 주도되고 As·Cr·Ni에 의한 기여는 작음을 나타내었다.
원소비
진동층 기원 여부를 검토하기 위해 배경농도 대비 원소비를 비교하였다(Table 4). Ni/Cr 비는 측정 평균 0.446으로 Woo et al. (2019) 배경비(0.434)의 1.03배에 불과하여 배경과 거의 일치하였으며, 이는 Ni이 Cr과 함께 자연 기원으로 거동함을 지시한다. 반면 As/Cr 비는 배경비의 2.06배로 As가 Cr과 독립적으로 거동함을 보였는데(As–Cr 상관계수 r = 0.10), 이는 흑색 셰일 환경에서 As는 황화물 광물과 결합하여 Cr·Ni와는 다른 지구화학적 거동을 나타낼 수 있는 것으로 보고되어 있으며(Yi et al., 2003; Tuttle et al., 2009), As와 Cr의 낮은 상관계수가 두 원소의 거동이 완전히 일치하지 않음을 보여준다. Cu/Cr 비는 배경비의 2.11배로 Cu의 상대적 부화를, Pb/Cr 비는 0.82배로 Pb의 배경 이하 수준을 나타내었다.
Table 4.
Element ratios of surface sediments relative to the background ratios of Woo et al. (2019)
층위별 수직 분포
주상퇴적물 12개 정점의 표층과 최하층 간 농도 차이를 Wilcoxon 부호순위검정으로 비교하였다(Table 5, Fig. 3). Pb는 12개 정점 전부에서 표층 농도가 최하층보다 높았고(표층이 +88.0%, p < 0.001), Cu (+26.8%, p < 0.01)와 Zn (+20.7%, p < 0.001)도 유의한 표층 농집을 나타내었다. 반대로 Cd은 12개 중 11개 정점에서 최하층 농도가 표층보다 높아 유의한 심부 농집을 보였다(p < 0.01). As·Cr·Ni·Hg는 층위 간 유의한 차이가 없어 수직적으로 균질하게 분포하였다(p > 0.05). 즉 Pb·Cu·Zn의 표층 농집은 최근의 미약한 인위적 신호를, Cd의 심부 농집과 As·Cr·Ni의 수직 균질성은 진동층 기반암 기원의 자연 배경농도 특성을 반영하는 것으로 판단된다.
Table 5.
Comparison of element concentrations in surface and bottom samples from 12 sediment cores (Wilcoxon signed-rank test)
| Element |
Surface mean |
Bottom mean |
Difference (%) |
Bottom > surface (n/12) |
Wilcoxon W | p (two-sided) | Sig. | Interpretation |
| Pb | 21.48 | 11.43 | +88.0 | 0/12 | 0 | 0.0005 | *** |
Surface-enriched (anthropogenic) |
| Cu | 30.52 | 24.08 | +26.8 | 1/12 | 1 | 0.0010 | *** |
Surface-enriched (anthropogenic) |
| Zn | 96.42 | 79.86 | +20.7 | 0/12 | 0 | 0.0005 | *** |
Surface-enriched (anthropogenic) |
| Cd | 0.45 | 0.57 | -21.7 | 11/12 | 2 | 0.0015 | ** |
Depth-enriched (geogenic) |
| As | 15.54 | 16.26 | -4.4 | 9/12 | 19 | 0.1294 | ns |
Vertically uniform (geogenic) |
| Cr | 46.10 | 47.16 | -2.2 | 7/12 | 32 | 0.6221 | ns |
Vertically uniform (geogenic) |
| Ni | 20.49 | 21.11 | -2.9 | 7/12 | 28 | 0.4238 | ns |
Vertically uniform (geogenic) |
| Hg | 0.02 | 0.02 | +10.3 | 3/12 | 24 | 0.2725 | ns | Vertically uniform |
Fig. 3.
Vertical profiles of trace metals in core sediments (relative to the core mean), showing statistically significant surface-enriched (Pb, Cu, Zn) and depth-enriched (Cd) elements (Wilcoxon signed-rank test). Legend notation: surf > bot = surface concentration greater than bottom; bot > surf = bottom concentration greater than surface; ** p < 0.01, *** p < 0.001; ns = not significant.
주성분 분석
오염원 특성을 규명하기 위해 표층 38개 정점의 7개 원소(As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Zn)에 대해 주성분 분석을 수행하였다(KMO = 0.520, Bartlett χ2= 218.5, p < 0.0001). 고유값 1 이상인 2개 주성분이 추출되어 전체 분산의 75.6%를 설명하였다(Table 6, Fig. 4a). 제1주성분(F1, 45.9%)에는 Cu (0.94)·Ni (0.96)·Zn (0.87)·Cr (0.70)이 높은 양의 부하량을 보였으며, 이들은 상호 강한 상관(Cu–Ni r = 0.91, Cu–Zn r = 0.87; Table 7)을 나타내어 산업·교통 활동 유래의 인위적 오염원 또는 육성기원 물질을 반영하는 것으로 해석된다. 제2주성분(F2, 29.8%)에는 As (0.88)와 Cd (0.94)가 높은 부하량을 보였고 두 원소는 강한 상관(r = 0.79)을 나타내어, 진동층 흑색 셰일 기원의 자연 배경농도를 반영하는 독립적인 인자로 분리되었다. F1과 F2에 각각 결집된 두 원소군(Cu·Ni·Zn·Cr과 As·Cd)은 서로 낮은 상관을 보여 뚜렷하게 구분되었다. 또한 As와 Cd은 총인(TP)과도 각각 r = 0.49, 0.67의 유의한 상관을 보여(Table 7), 이들 원소의 자연 기원이 유기물 침적 및 인의 속성작용(diagenesis)과 연계될 가능성을 시사한다. 두 주성분 점수의 공간 분포(Fig. 4b and c)는 인위기원(F1)과 자연기원(F2) 신호가 서로 다른 공간 패턴을 보임을 나타낸다.
Table 6.
Varimax-rotated factor loadings from the principal component analysis (seven elements, n = 38)
Table 7.
Pearson correlation coefficients among heavy metals and total phosphorus (TP) in the surface sediments (n = 38)
고 찰
TEL 초과의 지질기원 해석
본 연구의 가장 두드러진 결과는 국내 규제 기준(SCCS, BUDM)으로는 전 항목 적합인 반면 NOAA TEL로는 As·Cu·Ni가 대량 초과하는 판정 불일치이다. 이 불일치는 세 가지 독립적 증거를 통해 인위적 오염이 아니라 진동층 기반암 기원의 자연 배경농도에서 비롯된 위양성으로 해석된다. 첫째, TEL을 100% 내외로 초과한 As·Cu·Ni의 Igeo가 배경농도 수준(As +0.44) 또는 그 이하(Ni -0.56, Cr -0.60)로 나타나(Fig. 2), TEL 초과가 실제 농집을 의미하지 않음을 정량적으로 보여준다. 특히 흑색 셰일 분포 지역에서 Ni, Cu가 자연 배경 수준을 초과하여 검출될 수 있음은 선행 연구에서 보고된 바 있음에도(Lee et al., 1998; Tuttle et al., 2009), As·Cu·Ni의 TEL 임계값(각 7.24, 18.7, 15.9 mg/kg)이 진동층의 영향을 받는 지역 배경농도보다 낮게 설정된 데 기인한다. 둘째, Ni/Cr 원소비가 배경비의 1.03배로 배경과 거의 일치하여 코어 수직 분포에서 유의한 표층 농집이 확인되지 않은 것(Table 4), As가 Cd과 함께 PCA 제2주성분(자연기원 인자)으로 분리되며(Fig. 4), As·Cr·Ni의 수직 분포가 층위 간 균질하여 표층 인위 농집 신호가 없다는 점(Table 5, Fig. 3)은 모두 이들 원소의 지질기원 배경을 지지한다. 셋째, 인접 고성만 표층퇴적물에서도 As·Cr가 배경농도의 각각 약 2.4·1.8배로 나타나 Al과 강한 상관을 보이며 기반암 풍화 기원으로 해석된 선행 결과(Kang et al., 2012; Lee et al., 2017)와 일치한다. 다만, PCA에서 F1에 부하된 Ni, Cu는 통계적으로 동일 성분으로 분석되었으나, PCA는 원소 간 공분산 구조를 분리할 뿐 기원을 직접 규명하지 않는다는 방법론적 한계가 있다(Facchinelli et al., 2001; Reimann et al., 2002).
특히 연구지역 표층 Cr 평균(45.8 mg/kg)은 인접 고성만(82–88 mg/kg)의 약 절반 수준이며, 국내 하천 퇴적물인 형산강 본류(Seo et al., 2023)와 비교하여도 유사하거나 낮은 수준으로(Table 8), 이 지역의 준설토가 지역 배경농도 범위 내에 있음을 뒷받침한다.
다만 이번 연구에서 사용한 배경농도(Woo et al., 2019)는 고성만을 포함한 남해 해역이 조사 범위에 포함된 한반도 연안 광역 배경농도로, Li 정규화를 통해 입도 효과를 보정한 값이다. 그러나 진동층 흑색 셰일을 기반암으로 하는 연구지역의 지질기원 원소 농집은 광역 배경농도에 평균화되어 있을 수 있으며, 진동층 기반암 시료를 직접 분석한 지층 특이적 배경농도는 확보하지 못하였다. 특히 인근 고성만 퇴적물에서도 As가 전 정점에서 NOAA ERL을 초과하는 결과가 보고된 바 있어(Lee et al., 2017), 이 지역의 자연배경 수준이 광역 배경농도보다 높을 가능성을 배제할 수 없다. 향후 진동층 기반암 시료와 코어 하부 시료를 직접 분석하여 지질기원 배경농도를 정밀화하는 연구가 수행된다면 평가의 신뢰성이 더욱 향상될 것으로 기대된다.
Table 8.
Comparison of heavy metal concentrations (mg/kg) in surface sediments in Korean coastal and riverine environments
| Location (reference) | As | Cd | Cr | Cu | Ni | Pb | Zn | Hg |
|
Madong Reservoir (this study, surface, n = 38) | 15.1 | 0.43 | 45.8 | 30.8 | 20.4 | 20.5 | 96.0 | 0.02 |
|
Goseong Bay (Kang et al., 2012) | 17.4 | 0.20 | 88.2 | 42.7 | 50.5 | 24.0 | 142.3 | - |
|
Goseong Bay (Lee et al., 2017) | 11.2 | 0.15 | 82.4 | 38.6 | - | 27.0 | 159.0 | 0.029 |
|
Hyeongsan River, main stream (Seo et al., 2023) | 4.9–14 | 0.17–0.74 | 14–97 | 5–30 | 4–22 | 17–43 | 39–177 | - |
|
Korean coastal background (Woo et al., 2019) | 7.4 | 0.134 | 46.1 | 14.7 | 20.0 | 25.2 | 69.8 | 0.0159 |
한편 Igeo와 잠재생태위해지수에서 상대적으로 높게 나타난 Cd은 해석에 주의가 필요하다. Cd은 Igeo 평균 1.09로 유일한 농집 원소이자 RI 기여도 50.3%로 가장 높았으나, 절대 농도(평균 0.48 mg/kg)는 SCCS (4 mg/kg)·BUDM (1.5 mg/kg) 및 NOAA TEL (0.68 mg/kg)을 모두 하회한다. 또한 Cd은 표층이 아니라 심부에서 농집되고(11/12 정점, p < 0.01; Table 5) As와 함께 PCA 제2주성분에 결집되어(Fig. 4) 표층 인위 유입보다는 진동층 기원의 자연 배경과 연계됨을 시사한다. 따라서 Cd의 높은 Igeo는 오염이 아니라 배경농도(0.134 mg/kg)가 매우 낮게 설정된 데 따른 상대적 부화로 해석하는 것이 타당하다. 이와 대조적으로 유의한 표층 농집을 보인 Pb·Cu·Zn과 PCA 제1주성분에 결집된 Cu·Ni·Zn·Cr은 최근의 미약한 인위적 기여를 반영하나, 이들 원소의 절대 농도와 mPEL-Q 기여분이 작아 실질적 생태위해 수준에는 이르지 않았다.
크롬의 경우 화학종에 따른 위해성 차이도 고려할 필요가 있다. 크롬의 독성과 발암성은 주로 6가크롬에 기인하는 반면 3가크롬의 독성은 현저히 낮다. 본 연구에서 SCCS 판정을 위해 분석한 6가크롬은 전 정점에서 불검출되었으며, NOAA SQGs 및 지구화학 지수 산정에 사용한 값은 전함량 총 크롬이다. 따라서 일부 정점(전체의 5.8%)에서 나타난 총 크롬의 TEL 초과는 독성이 낮은 3가크롬 형태의 자연 기원 크롬을 포함한 값에 근거한 것으로, 실제 생태·건강 위해를 과대평가할 수 있다. 이는 화학종을 구분하지 않은 총 농도만으로 위해를 판정하는 접근의 한계를 보여주며, 지질기원 크롬이 우세한 지역에서는 크롬 화학종을 구분한 평가가 필요함을 시사한다.
담수·해양 기준의 정합성과 기수역 특성
연구대상 담수호 예정지는 2012년 방조제 체절 이후에도 해수 유통이 지속되어 조사 시점에 법적으로 해역에 해당하므로 본 연구에서는 해양 기준을 주 기준으로 적용하였다. 그러나 방조제로 차단된 반폐쇄형 기수역–연안 호소라는 특성상 담수·해양 기준 중 어느 것을 적용할지에 대한 방법론적 논란이 제기될 수 있다. Jin et al. (2022)은 한국 기수역 퇴적물에 담수·해양 기준을 동시 적용하고 수신자 조작 특성(ROC) 곡선으로 예측 신뢰도를 비교한 결과 담수 기준의 신뢰도가 더 높음을 보고한 바 있다. 본 연구에서는 이러한 불확실성을 고려하여 NOAA 해양 기준(mPEL-Q), 해양수산부 고시 기준, 그리고 MacDonald et al. (2000)의 담수 consensus 기준(mPEC-Q)을 병행 적용하였으며(Table 3), 세 기준 모두에서 전 정점이 0.5 미만의 저위해로 수렴하였다. 이는 기준 선택이 연구지역 준설토의 최종 생태위해 판정에 미치는 영향이 제한적임을 정량적으로 보여주며, 기수역 특성을 지닌 연안 준설토 평가에서 해양·담수 기준을 병행 적용하는 접근의 유용성을 시사한다.
육상 재활용 안전성 및 지역 배경농도 도입
이상의 결과들은 연구지역 준설토의 환경관리에 두 가지 함의를 제공한다. 첫째, 준설토는 국내 법령상 육상 활용 조건을 충족하였고, 복합 생태위해지수(mPEL-Q 0.260, mPEC-Q 0.247)가 전 정점에서 저위해 수준이었으며, TEL을 초과한 As·Cu·Ni가 지질기원 배경으로 확인된 점과 유기오염물질 13개 항목이 전 항목·전 정점 불검출 등에 의해 복합 오염에 의한 위해 가능성도 낮은 것으로 나타났다. 독성이 강한 6가크롬(Cr6+)은 전 정점에서 불검출된 결과는 산화성 형태의 유해 크롬이 현 시료에서 유의미한 수준으로 존재하지 않음을 의미한다. As·Cr·Ni는 코어 수직 분포에서 표층과 최하층 간 농도 차이가 통계적으로 유의하지 않아(Wilcoxon 부호순위검정, p > 0.05), 최근 인위적 유입에 의한 표층 농집이 나타나지 않는 점 들을 고려해 볼 때, 연구지역 준설토는 육상 재활용을 검토할 수 있는 환경안전성 조건을 갖춘 것으로 판단된다. 둘째, 진동층과 같이 특정 원소가 자연적으로 농집된 지질을 배경으로 하는 지역에서는 전국 일률의 규제 기준이나 국제 스크리닝 지표를 무보정 적용할 경우 지질기원 위양성이 발생할 수 있으므로, 지역 배경농도를 반영한 평가 체계의 도입이 필요하다. 다만 본 연구는 입도 보정에 필요한 Li·Al 및 코어 연대(210Pb) 자료를 확보하지 못하여 농축계수(EF) 산정과 인위적 기여의 시간적 정량화에 한계가 있으며, 이는 향후 연구에서 보완될 필요가 있다.
결 론
본 연구는 진동층 흑색 셰일을 기반암으로 하는 연안 기수역 담수호 예정지의 준설토 86개 시료를 대상으로 국내 규제 기준(SCCS, BUDM)과 NOAA SQGs를 교차 적용하고 지구화학적 지수 및 다변량 분석을 통해 오염 특성을 평가하였다. 주요 결론은 다음과 같다. (1) 8개 중금속과 유기오염물질은 전 정점에서 국내 기준 이내로 준설토 매립과 재활용에 적합하였으나, NOAA TEL로는 As·Cu·Ni가 각각 100, 92, 98%의 정점에서 초과하는 판정 불일치가 나타났다. (2) 농집지수, 원소비, 주성분 분석 및 층위별 수직 분포는 이 TEL 초과가 진동층 기반암 기원의 자연 배경농도에서 비롯된 위양성임을 일관되게 지지하였다. (3) 해양·담수 기준을 병행 적용한 복합 생태위해지수(mPEL-Q, mPEC-Q)가 전 정점에서 0.5 미만으로, 준설토의 육상 매립 및 재활용은 환경안전성 측면에서 타당한 것으로 판단된다. (4) 지질학적으로 특수한 지역의 준설토 평가에서는 지역 배경농도를 반영한 평가 체계의 도입이 필요하다.
본 연구가 제시한 규제기준·지구화학지수·다변량 소스분리를 통합한 진단 절차는 ‘기준초과’가 반드시 ‘오염’을 의미하지 않는 지질기원 배경이 높은 다른 연안 준설토 평가에도 적용 가능한 재현성 있는 프레임워크로 기능할 수 있다. 특히 흑색 셰일과 같이 특정 원소가 자연적으로 농집된 지질을 배경으로 하는 지역에 대해서는 준설물질 관리 제도에 지역 배경농도 기반의 보정 절차를 도입하고, 단일 항목의 기준 초과만으로 오염을 판정하기보다 복합 생태위해지수를 병행 적용할 필요가 있다. 다만 본 연구는 입도 정규화(Li·Al)와 코어 연대(210Pb) 자료의 부재로 농축계수 산정 및 인위적 기여의 시간적 정량화에 한계가 있으므로, 향후 이들 자료의 확보와 저서생물 생물검정을 통한 퇴적물 질 기준 예측의 현장 검증이 요구된다.
