3.1. 일반항목 농도분포와 오염도 평가
북한강 수계 호소 퇴적물의 LOI는 춘천댐>화천댐>소양 강댐>청평댐>의암댐으로 순으로 높게 나타났으며, 최소 0.57 %에서 최고 10.83 %로
조사되어 넓은 농도범위를 보 였다(Fig. 2). 특히 댐 내 넓은 농도 분포를 보이는 경향은 의암댐과 소양강댐에서 크게 나타났으며, 두 댐의 농도가 낮은 지점(5, 6, 16, 17)은 댐
상류 지점으로 수심이 다른 지점에 비해 비교적 낮고 입도 중 모래함량이 60 % 이상, 평균 입도가 100 μm 이상으로 Folk (1954)가 제시한 구분에 의하면, silty sand질로 나타났다(Table S3, Fig. S1). TOC 의 경우, 춘천댐>청평댐>화천댐>소양강댐>의암댐의
순으로 높게 나타났으며, 호소 내 지점별 농도의 분포 형태는 LOI 와 유사하였다. T-N은 춘천댐>화천댐>청평댐>소양강댐>의 암댐의 순서로 최고
농도는 춘천댐에서 관찰되었으며, 최소 농도는 소양강댐에서 나타났다. T-P의 경우 호소 간 대소 분포는 유사하였으나 호소 내 지점 간 분포는 다른
지표에 비해 크지 않았다.
Fig. 2. Concentrations and sediment quality guidelines of LOI, TOC, T-N and T-P.
국내 호소 퇴적물 항목별 오염평가 기준의 경우, 유기물 질과 영양염류에 대해서는 IV등급만을 기준으로 하고 있으 며, 전 조사지점에서 LOI와 T-N,
T-P 모두 IV등급 이내로 평가되어 “매우 심각하고 명백한 오염”은 없는 것으로 나타 났다. 캐나다 온타리오 주의 담수 퇴적물 오염 기준으로 평
가하였을 때, TOC와 T-N의 경우 의암댐의 지점5와 소양강 댐의 지점16은 Lowest effect level (LEL) 미만으로 “clean”
으로 평가되었으며 다른 모든 지점은 LEL 이상 Severe effect level (SEL) 미만으로 “clean~marginally polluted”이
었다. T-P의 경우 LEL 미만의 지점은 의암댐의 지점5, 춘 천댐의 지점9, 소양강댐의 지점16과 17이며 그 외의 지점 들도 LEL 기준에서
크게 높지 않은 것으로 확인되어 다른 유기물질 및 영양염류 항목에 비해 T-P에 의한 오염이 비 교적 적은 것으로 나타났다(Fig. 2). 따라서 북한강 수계 호 소퇴적물의 유기물질 및 영양염류에 의한 독성은 저서생물 이 견딜만한 수준 이하인 것으로 평가된다.
TOC와 T-N을 이용하여 산정한 유기물 지표(Org-index)로 퇴적물 내 유기물질의 오염도를 평가하였다(Fig. 3). “Unpolluted” 의 해당 지점은 의암댐의 지점5와 소양강댐의 지 점16이며, “Unpolluted~Marginally polluted”는
청평댐의 지점 3, 의암댐의 지점6, 소양강댐의 지점17이었다. “Moderately polluted”은 대부분의 지점(청평댐 1, 2, 의암댐 4,
춘천댐 8, 9, 화천댐 10, 11, 12, 소양강댐 15)이 해당되는 것으로 나타났다. “Heavily polluted”은 춘천댐의 지점7과 소양강댐
의 지점14로 이 지점들은 TOC와 T-N 뿐만 아니라 T-P도 높은 지점이므로 추후 유기물농도와 영양염류 관리 시 중 요한 지점으로 관심 가질 필요가
있다.
Fig. 3. Org-Indices and pollution classes.
3.2. 금속류 농도분포와 오염도 평가
호소 내 퇴적물 금속류의 농도 차이와 유기물질 및 영양 염류의 농도차이는 거의 일치하지 않았으며 이는 금속류 시료채취 시 0.15 mm 이하의 시료만을
선별하여 채취하였 기 때문에 입도에 의한 영향이 배제되어 금속류 농도의 차 이가 줄어들었기 때문으로 사료된다(Fig. 4). 금속류의 농도 는 화천댐이 모든 항목에서 가장 높으며, 특히 Hg가 다른 호소에 비해 높은 농도로 조사되었다(Fig. 4). Hg는 자연적 으로 공기에 의해 유입되나, 인위적으로는 석탄을 이용한 화 력발전이나 금광산의 Hg가 수계로 유입될 수 있다(Pacyna et al., 2006). 화천댐의 경우, 유역인 양구군 및 그 상류에 금광산을 비롯한 다수의 금속광산이 존재하고 있다(KORES, 2018). 화천댐 하류에 위치하는 춘천댐이 그 다음으로 모든 금속류 농도가 높게 나타났다. 더 하류인 청평댐, 의암댐은 금속별로 약간의 차이는 있으나 유사한
농도 분포를 보여 상류의 영향은 줄어든 것으로 추정된다. 소양강댐의 경우, Hg를 제외하면 다른 호소에 비해 상·하류간 농도변화가 큰 것으로 나타났다.
이는 다른 호소에 비해 지점간 거리, 지 점별 수심 등 물리적 차이가 크기 때문으로 사료된다(Fig. 1, Table S1).
Fig. 4. Concentration and sediment quality guidelines of metals.
금속류 농도를 이용한 퇴적물 오염도 평가를 실시하였다. 국내 호소 퇴적물 항목별 오염평가 기준을 적용한 경우, 청평댐과 의암댐, 소양강댐은 전 지점의
모든 금속류가 I등 급으로 하천·호소 퇴적물 지점별 오염평가 기준에 의해 “보통”으로 판정되어 저서생물에 독성이 나타날 가능성이 거의 없었다. 춘천댐의
경우 지점7과 지점 9는 모든 금속 류가 I등급으로 “보통”이었으며, 지점 8의 Ni, Hg가 II등급 이며, mPELKQ가 0.34 이하(0.336)로 “약간 나쁨”으로 판정 되어 저서생물에 독성이 나타날 가능성을 가지고 있었다. 화천댐은 지점 10은 Cu, Ni,
Hg의 3개 금속이 II등급이며, mPELKQ가 0.37로 “나쁨”이며, 지점 11과 지점 12는 Cu, Ni As, Hg의 4개 금속이 II등급으로 mPELKQ가 각각 0.43 과 0.45로 “나쁨”으로 평가되었다. 따라서 화천댐은 전 지 점에서 저서생물에 독성이 나타날 가능성이 높다.
캐나다 온타리오 주 담수퇴적물 기준에 의하면, 청평댐은 Zn(지점2, 3), Cd, Hg 금속에 의해서는 오염의 영향을 받 지 않는 LEL 미만으로
“Clean”이며, 다른 금속인 Pb와 Cu, Cr, Ni, As은 LEL이상 SEL 미만으로 “Clean~Marginally” 로 나타났다. SEL을
초과하는 금속류는 없는 것으로 조사 되었다. 의암댐의 경우 Pb(지점5, 6), Cd, Hg는 LEL 미만 이고, Zn(지점 4, 6)과 Cu, Cr,
Ni, As이 LEL이상 SEL미만 이었다. 춘천댐은 Cd과 Hg이 LEL이하로 조사되었으며, 다 른 금속류는 모두 LEL이상 SEL 미만으로 하류의
두 호소 에 비해 높은 오염도를 보였다. 더 상류인 화천댐의 경우 Cd 만이 LEL 미만으로 다른 금속류는 대부분 LEL이상 SEL미만이었다. 단
지점12의 Cr은 SEL 이상이었다. 소양 강댐은 지점별로 지점13, 14, 15는 Zn와 Cd, Hg이 LEL 미 만이었으며, Pb, Cu, Cr,
Ni, 그리고 As는 LEL 이상 SEL 미만이었다. 그리고 상류인 지점16, 17은 Pb와 Zn, Cd, Hg 이 LEL 미만이었으며, Cu, Cr,
Ni이 LEL 이상 SEL 미만 이었다. 따라서 대부분의 조사지점에서 금속류에 의한 독성 은 견딜만한 수준 또는 그 이하이었으며, 화천댐만이 Cr에
의한 독성 영향을 받을 것으로 사료된다.
북한강 수계 주요 호소퇴적물의 금속류에 의한 오염도를 농집지수(Igeo)를 이용하여 평가하였을 때, 화천댐을 제외한 모든 호소에서 Ni이 가장 높은 Igeo값을 보였다(Table 3). 청평댐과 의암댐의 모든 지점은 Ni을 제외한 전 금속류가 “Unpolluted”로 판정되었다. 춘천댐의 지점7과 9는 금속류 대부분이 “Unpolluted”이고
일부 금속(Cu, Ni)이 “Unpolluted ~ Moderately polluted”로 평가되었다. 지점8은 Cu, Ni, As 그리고 Hg에서
“Unpolluted~Moderately polluted”의 상태이 었다. 다른 호소에 비해 금속류 농도가 높았던 화천댐은 Zn, Cr과 Cd에 대해서는
모든 지점에서 “Unpolluted”로 판 정되었으나, Pb와 Cu, Ni, As에 대해서는 대부분 지점에서 “Unpolluted~Moderately
polluted” 평가되었다. 특히 Hg의 경우 세 지점 모두 1 ~ 2 사이로 “Moderately polluted”로 모든 지점과 전 금속류 중
가장 농축되어 있는 것으로 나타났다. 소양강댐은 Ni을 제외하면 대부분의 금속류가 전 지점에서 “Unpolluted”으로 판정되었다. Ni의 경우
다섯 지점 모두에 서 “Unpolluted~Moderately polluted”로 평가되었으며, As은 지점13에서만 0.25로 약간 농축되어 있는
것으로 조사되었 다. 화천댐의 수은을 제외하면 대부분의 금속류에의한 오염 이 적은 것으로 나타난 Igeo의 결과는 국내 호소 퇴적물 항 목별 오염평가 기준의 평가결과와 매우 유사하였다.
Table 3. Summary of metal pollution assessment indices for sediment
Site
|
Lake
|
Index of geoaccumulation (Igeo)
|
Pollution load index (PLI)
|
Ecological risk (RI)
|
|
|
Pb
|
Zn
|
Cu
|
Cr
|
Ni
|
As
|
Cd
|
Hg
|
Site
|
Lake
|
|
1
|
Cheongpyeong
|
-0.32
|
-0.80
|
-0.13
|
-0.56
|
0.16
|
-0.86
|
-1.00
|
-0.34
|
1.07
|
0.97
|
133
|
2
|
-0.33
|
-0.89
|
-0.32
|
-0.65
|
-0.02
|
-1.04
|
-1.05
|
-1.18
|
0.93
|
96
|
3
|
-0.33
|
-0.96
|
-0.50
|
-0.57
|
-0.06
|
-1.04
|
-1.26
|
-1.18
|
0.90
|
92
|
|
4
|
Uiam
|
-0.37
|
-0.69
|
-0.25
|
-0.85
|
-0.18
|
-1.67
|
-1.00
|
-0.85
|
0.90
|
0.84
|
105
|
5
|
-0.58
|
-1.06
|
-0.55
|
-0.49
|
-0.03
|
-1.36
|
-1.45
|
-2.08
|
0.78
|
66
|
6
|
-0.57
|
-0.64
|
-0.58
|
-0.23
|
0.12
|
-1.72
|
-1.15
|
-1.85
|
0.84
|
74
|
|
7
|
Chuncheon
|
-0.42
|
-0.78
|
0.24
|
-0.37
|
0.38
|
-0.29
|
-0.86
|
-0.44
|
1.20
|
1.26
|
138
|
8
|
-0.03
|
-0.52
|
0.42
|
-0.26
|
0.61
|
0.00
|
-0.70
|
0.53
|
1.51
|
217
|
9
|
-0.18
|
-0.79
|
-0.01
|
-0.57
|
0.21
|
-0.16
|
-1.15
|
-0.77
|
1.11
|
117
|
|
10
|
Hwacheon
|
-0.03
|
-0.58
|
0.60
|
-0.31
|
0.70
|
0.16
|
-0.35
|
1.21
|
1.69
|
1.89
|
313
|
11
|
0.32
|
-0.57
|
0.65
|
-0.21
|
0.76
|
0.43
|
-0.18
|
1.86
|
1.96
|
454
|
12
|
0.47
|
-0.32
|
0.66
|
-0.16
|
0.76
|
0.52
|
-0.18
|
1.78
|
2.04
|
436
|
|
13
|
Soyang
|
-0.12
|
-0.85
|
-0.18
|
-0.50
|
0.40
|
0.25
|
-0.66
|
-0.29
|
1.27
|
0.96
|
154
|
14
|
-0.34
|
-0.90
|
-0.23
|
-0.43
|
0.38
|
-0.56
|
-1.00
|
-0.48
|
1.10
|
128
|
15
|
-0.47
|
-1.05
|
-0.54
|
-0.72
|
0.15
|
-0.84
|
-1.26
|
-0.80
|
0.93
|
104
|
16
|
-0.64
|
-1.21
|
-0.71
|
-0.86
|
0.04
|
-1.06
|
-1.38
|
-0.29
|
0.88
|
123
|
17
|
-0.89
|
-1.42
|
-0.89
|
-1.18
|
-0.20
|
-1.39
|
-1.58
|
-1.05
|
0.71
|
84
|
오염부하계수(PLI)는 1을 기준으로 인위적인 오염도를 판 단할 수 있다. 청평댐의 경우 PLIsite는 0.90 ~ 1.07로 상류에 서 하류로 갈수록 높아졌으며, 호소 전체의 오염부하계수 PLIlake는 0.97로 조사되어 전반적으로 인위적인 오염은 적은 것으로 사료된다(Table 4). 의암댐의 PLIsite는 0.78 ~ 0.90, PLIlake는 0.84로 조사 호소 중 가장 낮아 인위적 오염이 다 른 호소에 비해 적을 것으로 판단된다. 춘천댐은 모든 지 점에서 PLIsite가 1을 초과하여 인위적 오염이 있을 것으로 판단된다. 화천댐의 경우, 가장 높은 값을 보여 앞선 오염 평가 결과들과 일치 하였다. 소양강댐은 상류에서
하류로 갈수록 PLIsite가 증가하여 상류에 비해 하류에 오염이 축적 되는 것으로 사료된다.
Table 4. Correlation coefficients for organic matter, nutrients, and metals parameters (Spearman rho, n=17)
|
Mz
|
LOI
|
TOC
|
T-N
|
T-P
|
Pb
|
Zn
|
Cu
|
Cr
|
Ni
|
As
|
Cd
|
Hg
|
|
Water depth
|
-0.924** |
0.797** |
0.505* |
0.797** |
0.860** |
0.579* |
0.346
|
0.600* |
0.377
|
0.722** |
0.738** |
0.674** |
0.579* |
Mz
|
|
-0.730** |
-0.419
|
-0.770** |
-0.824** |
-0.763** |
-0.588* |
-0.772** |
-0.556* |
-0.847** |
-0.844** |
-0.842** |
-0.702** |
LOI
|
|
|
0.767** |
0.882** |
0.821** |
0.482
|
0.446
|
0.603* |
0.358
|
0.579* |
0.575* |
0.646** |
0.459
|
TOC
|
|
|
|
0.777** |
0.551* |
0.340
|
0.348
|
0.451
|
0.071
|
0.251
|
0.310
|
0.470
|
0.125
|
T-N
|
|
|
|
|
0.762** |
0.529* |
0.525* |
0.672** |
0.480
|
0.673** |
0.656** |
0.751** |
0.503* |
T-P
|
|
|
|
|
|
0.551* |
0.488* |
0.596* |
0.429
|
0.650** |
0.580* |
0.708** |
0.520* |
Pb
|
|
|
|
|
|
|
0.758** |
0.899** |
0.606** |
0.783** |
0.843** |
0.849** |
0.695** |
Zn
|
|
|
|
|
|
|
|
0.816** |
0.765** |
0.703** |
0.552* |
0.842** |
0.560* |
Cu
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.674** |
0.856** |
0.865** |
0.907** |
0.760** |
Cr
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.769** |
0.571* |
0.708** |
0.450
|
Ni
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.912** |
0.853** |
0.842** |
As
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.790** |
0.821** |
Cd
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.774** |
생태학적 위험성 지표(RI)는 PLIsite와 유사한 경향을 보이 며, 청평댐과 의암댐, 춘천댐, 소양강댐은 생태학적 위험도 가 낮거나 약한 가능성이 있는 것으로 나타났다. 반면, 화 천댐의
경우 모든 지점의 RI 값이 300이상으로 상당한 생 태학적 위험 가능성이 있는 것으로 나타났다.
금속류의 오염도 평가결과를 살펴보았을 때, 북한강 수 계 호소퇴적물은 금속류에 의해 거의 오염되지 않았으나, 화천댐의 금속류의 농도가 높은 것으로
나타났다. 특히 Hg에 의한 오염도가 다른 호소에 비해 높았다. 그러나 2017년의 화천댐 수질(물환경정보시스템)을 살펴보았을 때, Hg은 정량한계
미만으로 보고되어 호소수의 이용에는 문 제가 없을 것으로 판단된다. 또한 한강수계 호소환경 및 생태조사(ME, 2015) 결과, 저서성 대형무척추동물은 화천 댐의 26종으로 춘천댐 45종보다는 적지만 12종인 소양강댐 보다는 높고, 평균 개체밀도 역시 748 Ind./m2으로 춘천댐(774 Ind./m2)와 소양강댐(314 Ind./m2)에 비해 낮지 않아 퇴적물 내 금속류에 의한 독성이 높지 않을 것으로 사료된다.
3.3. 상관성분석 및 요인분석
호소의 환경조건인 수심과 평균입경(Mz), 유기물질(LOI, TOC), 영양염류(T-N, T-P), 그리고 금속류 간(Pb, Zn, Cu, Cr,
Ni, As, Cd, Hg)의 상관성을 조사하기 위해 스피어만 상관분석(Spearman’s correlation analysis)을 실시하였다 (Table
4). McDonald (2014)에 의하면 스피어만 상관분석은 항목의 순위를 이용한 것으로 항목 간 분포가 일반적인 직 선성을 보이지 않거나, 동분산이 아닌 경우 이용할 수 있으
며 이 연구에서는 평균입경이 다른 항목과 직선성을 보이지 않았다. 수심은 평균입경과 가장 높은 음의 상관성을 갖는 것으로 나타났다. 또한 수심은 LOI
및 T-N과 T-P 모두 0.79 이상의 높은 상관계수를 보이며, TOC는 상관계수는 낮지만 통계적으로 유의하여, 호소의 수심이 일반항목에 큰 영향을
주는 것을 확인하였다. 호소 수심이 깊을수록 세립 한 입자가 많이 분포하는 것으로 알려져 있다(Xiao et al., 2012). 유기물항목과 영양염류의 각 항목 간에는 높은 상관 계수를 갖는 것으로 나타났다. 금속류의 경우 평균입경과 높 은 음의 상관계수를 갖는 것으로
조사되었다. 일반항목과 금 속류가 서로 다른 체를 사용하여 분석하였음에도 불구하고 높은 상관계수를 갖는 것은 북한강 수계 호소의 입경이 작아 두 시료가
유사하기 때문으로 사료된다(Table S2). 세립한 퇴적물의 높은 유기물질 및 금속류의 함량은 표면적 증가에 따라 흡착 및 이온교환량의 증가가 원인으로
알려져 있다 (Horowitz, 1991). 또한 Cr을 제외한 다른 금속류는 T-N과 T-P와도 통계적으로 유의한 상관성을 갖는 것으로 나타났 다. 금속과 영양염류는 서로 흡착되어 함께
퇴적되며 이러 한 결과는 양윤모 등에서 제시한 결과와 유사하다(Yang et al., 2018). 금속류 간에는 Hg과 Cr을 제외하면 모두 통계적 으로 유의한 상관성을 갖는 것으로 나타났다.
북한강 수계 호소 퇴적물을 대상으로 주성분분석(Principal component analysis, PCA)을 실시하였다. 주성분분석에는 상관분석의
항목을 이용하였다. 주성분분석 결과 주성분은 2개로 구분되었으며, 각각 61.6 %, 21.8 %으로 총 83.4 %까 지 설명 가능하였다. Loading
plot을 통해 항목들이 성분들 에 주는 영향을 살펴보면, 주성분 1(PC1)은 모든 금속류의 농도가 0.808 이상의 양의 상관관계를 보여, 금속류의
농도 의 대소를 의미하였다. 주성분2(PC2)는 평균입경이 0.787의 음의 상관성을 보이며, 다른 유기물 및 영양염류가 0.765 이상 양의 상관성을
보였다. 따라서 PC2는 입도와 일반항 목 농도를 의미하였다(Fig. 5). 스피어만 상관분석에서는 평 균입경과 일반항목, 금속류 항목 모두 높은 상관계수를 보 였으나, 주성분 분석에서는 일반항목과의 상관성이 높아 입
도차이에 의한 영향은 일반항목이 금속류보다 높은 것으로 나타났다. 두 주성분 PC1과 PC2의 Score plot을 살펴보면 3개의 북한강수계 호소는
3개의 그룹으로 구분되었다(Fig. 5). 금속류 농도에 의해 화천댐이 구분되며, 평균입경에 의 해 평균입경이 큰 의암댐 지점5와 소양강댐 지점 16과 17 로 구분되며 청평댐, 의암댐,
춘천댐은 대체로 유사한 성상 을 보이는 것으로 나타났다(Fig. 5).
Fig. 5. (a) Loading plot and (b) score plot of two dominant principal components (Lakes identification: Cheongpyeong (1 ~ 3), Uiam (4 ~ 6), Chuncheon (7 ~ 9), Hwacheon (10 ~ 12), and Soyang (13 ~ 17)).