2.1 Study Area and Data Collection

본 연구는 한국의 대표적인 산업 연안 지역인 인천, 울산, 여수를 대상으로 수행하였다(Fig. 1). 이들 지역은 모두 대규모 산업단지가 밀집해 있어 주변 해양 환경에 대한 중금속 오염 영향이 우려된다. 인천 정점(HC0139; 37°28’3"N, 126°32’0"E)은 서해 인천항 인근 해역으로, 주변에 남동공단과 시화공단 등 수도권 산업단지들이 위치하여 선박 수리 및 금속 가공업 등의 영향을 받는 지역이다. 울산 정점(HK1520; 35°31’9"N, 129°22’43"E)은 동해 남부 울산만–온산만 일대로 국내 최대의 중화학공업 중심지에 해당한다. 이 일대에는 대형 조선소와 석유화학단지, 비철금속 제련 공장들이 밀집해 있어 해양으로 중금속이 유입될 가능성이 상시 높은 지역이다^{(Ra et al., 2014; Sun et al., 2015)}. 여수 정점(BK1102; 34°48’46"N, 127°56’11"E)은 남해 여수국가산업단지와 여수 신항 주변 해역으로, 대규모 석유화학 및 정유 시설이 밀집한 곳이다. 그러나 2012년 해양오염퇴적물 정화사업 시행 이후 해양 환경이 크게 개선된 지역으로 평가된다^{(Kang, 2020)}.

본 연구에서는 한국해양환경공단(KOEM, www.koem.or.kr)의 2015년부터 2024년까지 10년간 모니터링된 원시 데이터를 정보공개를 통해 확보하여 활용하였다. 수집된 원시 데이터는 ‘퇴적물 미량금속 농도’와 ‘해수 미량금속 농도’ 자료이며, 해양생태계 위해성이 높고 각 지역의 산업 활동과 밀접하게 관련된 7종의 중금속(Cu, Pb, Zn, Cd, Cr, Hg, As)을 분석 대상으로 선정하였다^{(Custodio et al., 2021; MacDonald et al., 2000)}. 원시 데이터 중에서 해당 연구 지역과 위 7개 중금속에 해당하는 부분만 추출하여 분석용 데이터셋을 구축하였다. 퇴적물 시료의 중금속 농도는 Cu, Pb, Zn, Cd, Cr, T-Hg, As 등 7개 항목에 대해 mg/kg 단위로 측정되었으며, 매년 2월(겨울) 연 1회 채취되었다. 본 연구에서는 T-Hg을 Hg로 표기하였다. 퇴적물의 Cu와 Zn 농도는 입도 차이에 따른 편차를 보정하기 위해 KOEM에서 Li 정규화된 값을 제공하였으며, 이는 퇴적물 내 변하지 않는 기준 원소인 Li 농도를 활용하여 입자 크기 차이로 인한 농도 변동을 보정하고 시료 간 비교를 가능하게 하는 방법이다. 본 연구에서도 해당 값을 그대로 사용하였다. 해수 시료의 중금속 농도는 Cu, Pb, Zn, Cd, Cr⁶⁺, Hg, As 등 7개 항목에 대해 µg/L 단위로 측정되었고, 매년 2월(겨울)과 8월(여름) 연 2회 채취되었다. 부유물질(SS) 농도는 동일 기간 각 해역의 계절(겨울⋅여름)및 수심(표층⋅저층)자료를 활용하였다. ^{Park et al. (2020)}은 마산만에서 내만 고농도–외해 저농도의 공간 구배가 계절 변동보다 우세하며, 여름에는 하천⋅WWTP 기원 입자, 가을에는 쇄설성 미세입자(detrital)가 입자성 금속에 더 크게 기여함을 보고하였다. 이러한 결과는 사건성 유입⋅재부유가 금속 거동과 상관구조 해석에 중요함을 시사한다. 또한 ^{Wang et al. (2018)}은 황하 하구 표층해수에서 SPM과 용존 금속(Cu, Zn, Cd, As)의 음의 상관과 가을에 높고 겨울에 낮은 계절 패턴을 확인하고, 오염지수(CF⋅CD)와 PCA/군집 분석을 통해 SPM (Suspended Particulate Matter) 변동이 금속의 오염도 및 출처 해석과 연결됨을 제시하였다.

Fig. 1. Study sites in the coastal areas of Incheon, Ulsan, and Yeosu, Korea.

2.2 Regional Environmental Management and Policy Interventions

본 연구 대상 각 지역은 환경 관리 정책의 시행 시기와 내용이 상이하므로, 시계열 분석에서 정책 개입 시점을 고려하였다.

울산 특별관리해역에는 ｢연안관리법｣과 하위법령에 근거한 연안오염총량관리제가 적용되며, Cu, Zn, Hg을 포함한 관리목표⋅지표⋅이행체계가 제시되어 있다^{(MOF, 2014; 2019)}. 이 제도는 유역–연안 통합관리개념에 따라 점⋅비점오염원 총량을 규제해 해역의 수질과 퇴적물 오염수준을 관리목표 이내로 유지하려는 것이다. 도입 초기(제1차, 2018–2022)에는 Cu, Zn, Hg가 우선 관리 대상으로 설정되었고, 제2차 체계에서는 Pb⋅Cd 등 추가 금속이 보완 관리 항목으로 검토⋅반영되었다^{(MOF, 2019)}.

여수 연안에서 2012년에 시행된 해양오염퇴적물 정화사업은 국내 최초의 대규모 통합 정화사업이다. 이 사업을 통해 고농도 오염 퇴적물 약 80,000 m³를 준설하였으며, 여수국가산업단지 내 11개 점오염원(석유화학 4개소, 정유 3개소, 비철금속 제련 4개소)의 배출구를 차단하고, 오염된 해저면 12 ha를 복토하는 등 종합적인 환경개선 조치를 시행하였다^{(Kang, 2020)}. 이러한 관리 조치 시행 이후 장기 효과를 평가하는 기간에 해당한다.

인천 연안은 해양수산부 고시(제2000-3호)에 따라 특별관리해역으로 지정되어 관리되고 있다^{(MOF, 2000)}. 해당 해역의 총량관리는 화학적 산소요구량(COD), 총질소(T-N), 총인(T-P) 중심으로 운영됐으며, 본 연구 기간(2015–2024) 동안 중금속을 별도 관리 항목으로 채택한 특별 관리 정책은 시행되지 않았다. 2010년대 후반 인천항 준설과 신규 산업단지 조성이 본격화하면서 이러한 산업 활동 변화가 중금속 농도 변동에 영향을 미쳤을 가능성이 있다.

2.3 Environmental Criteria

퇴적물 중금속 오염 수준 평가는 미국 NOAA와 캐나다 CCME에서 제시한 TEL 및 PEL 기준을 바탕으로 수행하였다^{(MacDonald et al., 2000)}. 해수 중금속 농도 평가는 해양수산부의 해양생태계 보호 기준을 적용하였다. 여기서 단기 기준은 일시적 고농도 노출에 대한 허용 상한선이고, 장기 기준은 연평균 농도에 대한 만성 노출 보호 기준을 의미한다^{(ME, 2018)}. 중금속별 TEL⋅PEL과 해수 단기⋅장기 기준값은 Table 1에 제시하였다.

2.4 Ecological Risk Criteria

퇴적물 중금속의 생태학적 위해성을 정량적으로 평가하기 위해, 본 연구는 화학적 기준과 생물독성 기준을 결합한 통합 평가 체계를 적용하였다(Table 2). 먼저 화학적 기준으로 미국 NOAA의 퇴적물 품질 기준인 TEL을 사용하여 오염도 지수(HQ_TEL = C_median/TEL, 여기서 C_median은 측정 농도의 중앙값)을 산정하였다^{(MacDonald et al., 2000)}. 그러나 농도 기준만으로는 실제 생물학적 반응을 충분히 반영하기 어렵다는 한계가 있다. 이에 따라 금속별 EC₅₀ 및 LC₅₀ 값을 추가로 활용하여 생태학적 위해성을 보완 평가하였다. 사용된 EC₅₀ 및 LC₅₀ 값은 본 연구에서 직접 도출한 것이 아니라, 국제적으로 검증된 표준 저서생물(갯지렁이, 단각류 등)에 대한 금속별 독성 자료를 선행연구 및 공개 데이터베이스에서 수집⋅정리한 것이다(Table 7).

생물반응 기반 평가는 지수(HQ_EC₅₀ = C_median/EC₅₀)를 산정한 뒤, 이를 기준으로 3단계 위해 등급을 도입하였다. Phase I(저위험)은 HQ_EC₅₀ < 1로, 측정 농도가 50% 효과 농도에 미달하는 상태이다. Phase II(중위험)는 1 ≤ HQ_EC₅₀ < LC₅₀/EC₅₀로, 50% 영향 농도는 넘었으나 치사 농도에는 도달하지 않은 상태를 의미한다. 여기서 LC₅₀/EC₅₀비율은 급성 독성(치사 반응) 대비 아급성/만성 영향(비치사 반응)의 상대 민감도를 정량화하는 지표로서, 동일 물질의 급성–아급성 독성 범위를 비교⋅구분하는 데 활용된다^{(CCME, 2007; Chapman, 2002; Moore et al., 2009)}. 이 비율이 클수록 비치사 영향이 더 낮은 농도에서 발생하므로, 단순 EC₅₀ 초과 여부보다 급성 위해 가능성을 보수적으로 판단할 수 있다. 국제 지침 또한 이러한 접근을 채택한다. ^{RIVM (2001)}과 ^{CCME (2002)}의 퇴적물 지침 체계는 ECx(아급성/만성) 기반 구간위에 급성 지표(LC₅₀ 등)를 상한 판단에 참조하거나 Severe effect구간을 설정하고, 초과 시 보수적 관리 조치를 권고한다^{(CCME, 2002; RIVM, 2001)}. 이에 근거하여 본 연구는 HQ_EC₅₀ ≥ LC₅₀/EC₅₀를 Phase III(고위험) 기준으로 정의하였다. 이는 화학적 기준만으로는 간과될 수 있는 급성 독성 위험을 정량적으로 반영하려는 조치이며, 구체적인 등급 기준과 해석 방법은 Table 2에 제시하였다.

2.5 Statistical Analysis

본 연구는 퇴적물(n=30) 및 해수(n=60) 중금속 자료를 대상으로 면밀한 통계 분석을 수행하였다. 먼저 기술통계량(평균, 표준편차, 중앙값)을 산출하고 Shapiro–Wilk 검정으로 정규성을 확인하였다. 지역별 오염 특성을 비교 분석하기 위해 계층적 군집분석(Hierarchical Clustering)을 실시하였다. 유클리드 거리를 척도로, Ward 연관법을 군집화 알고리즘으로 적용하여 지역 및 연도별 중금속 농도 패턴의 유사성을 분석하였다^{(Custodio et al., 2021)}. 군집분석 결과는 덴드로그램으로 시각화하여 지역별 군집 특성을 명확히 보여주었다. 농도 분포 특성을 평가하기 위해 퇴적물과 해수의 중금속 농도 범위와 분포 패턴을 Box-plot으로 작성하고, TEL 및 PEL 기준선을 추가하여 환경기준 대비 초과율을 쉽게 확인하였다. 또한 지역별 오염 수준을 비교 평가하였다. 중금속 간 상관성 분석은 자료의 비정규성을 고려하여 스피어만 순위상관계수를 활용하여 수행하였다^{(Giarikos et al., 2023)}. 이를 통해 중금속 간 동반 오염 경향과 상관 특성을 평가하였다. 마지막으로, 2015–2024년 중금속 농도 자료에 대해 선형 회귀분석을 적용하여 연평균 변화율을 추정하고 증가 또는 감소 추세의 통계적 유의성을 검정하였다(p < 0.05). 이를 통해 관리 정책의 효과와 장기적 오염 추세를 정량적으로 평가하였다. 모든 통계 분석과 시각화는 Python 3.10 환경(pandas, numpy, scipy, statsmodels, matplotlib)을 사용하여 수행하였다.

3.1 Exploratory Data Analysis

3.1.1 Hierarchical Clustering Analysis of Heavy Metal Distribution

퇴적물 및 해수 중 중금속 농도에 대해 계층적 군집분석을 수행하여 지역별 오염 특성을 비교하였다(Fig. 2). 시료 코드는 ‘지역+연도+계절’ 형식으로 부여되었으며, 지역명과 군집 색상은 울산(U) = red, 인천(I) = green, 여수(Y) = blue로 표시하였다. 연도 표기는 2015년을 15로 시작하여 2024년을 24로 표기하였다. 해수 시료의 계절 표기는 2월을 W(Winter), 8월을 S(Summer)로 구분하였다.

퇴적물 시료에 대한 계층적 군집분석 결과(Fig. 2a), 일부 시료를 제외한 대부분의 시료가 지역별로 명확한 군집을 형성하였다. 울산의 경우 Cu와 Zn 농도가 높아 U15W, U16W, U17W, U18W, U19W, U20W, U21W, U22W, U23W, U24W 시료가 뚜렷하게 독립된 군집으로 분리되었으며, 인천 시료와 여수 시료와도 확연히 구분되었다. 인천은 I17W, I18W, I22W 시료가 독자적인 군집을 형성하였으나, I19W와 I23W 시료는 여수 시료(Y16W, Y18W)에 혼합되는 양상을 보였다. 이는 해당 인천 샘플들의 Cu와 Zn 농도가 여수 시료들의 평균 농도와 상대적으로 유사하게 나타났기 때문이다. 여수는 전반적으로 모든 중금속 농도가 낮아 Y15W, Y17W, Y20W, Y21W, Y22W, Y24W 시료가 명확한 독립 군집을 형성하였다. 그러나 일부 시료(Y19W, Y23W)는 인천 시료(I20W, I21W, I24W)에 섞여 혼합 군집을 이루었다. 이는 이들 시료의 Zn 농도가 각각 44.6 mg/kg(Y19W)과 62.0 mg/kg(Y23W)으로 인천 시료의 Zn 농도 범위(51.5∼55.3 mg/kg)와 유사했기 때문이다.

해수 시료에 대한 계층적 군집분석 결과(Fig. 2b), 퇴적물에 비해 지역별 구분도가 현저히 낮아졌다. 주요 군집은 세 개(G1, G2, G3)로 형성되었으며, 각 군집의 지역별 순도는 66.7%∼100% 범위로 퇴적물의 (>90%)보다 낮게 나타났다. G1(인천 중심, I17W–I22W) 군집은 그룹화 효율이 100%로 완전한 지역 분리를 보였다. G2(울산 중심, U15S–U19W) 군집은 전체 11개 시료 중 울산 시료가 8개 포함되어 그룹화 효율이 72.7%였다. 울산 시료(U23S, U22W, U21W, U20W, U19W 등)를 중심으로 형성되었으나 일부 인천 시료(I20W, I21W, I23W)가 혼입되었다. 울산과 인천 시료 간 이러한 혼합 현상은 두 지역 시료의 일부에서 Cr과 As 농도가 유사하게 나타난 데 기인한 것으로 판단된다. G3(여수 중심, Y15S–Y19S) 군집은 12개 시료 중 여수 시료 8개로 그룹화 효율이 66.7%였다. 여수 시료(Y15S, Y16S, Y17W, Y18S, Y19S, Y20W, Y22W, Y23W)를 중심으로 형성되었으나 일부 인천 시료(I19W, I18S, I15S)와 울산 시료(U15S)가 혼합되어 혼합 군집을 보였다. 이는 여수 시료의 Zn과 Cd 농도가 다른 지역 일부 시료들과 유사한 범위를 보였기 때문이다.

이에 따라 후속 분석은 지역 간 차이가 두드러진 퇴적물 중금속 농도에 초점을 맞추어 심층적으로 진행하였다.

Fig. 2. Hierarchical clustering dendrograms of heavy metal concentrations in sediments and seawater.

3.1.2 Concentration Range of Heavy Metal in Sediments

퇴적물 중금속 농도의 분포 특성은 KOEM 국가모니터링 퇴적물 원시자료(2015–2024)를 이용하여 평가하였다. 인천, 울산, 여수에서 연 1회(겨울) 채취된 퇴적물 시료(총 30개)에 대해 7개 중금속(Cu, Pb, Zn, Cd, Cr, Hg, As)의 Box-plot을 작성하고 TEL 및 PEL 기준선을 표시하였다(Fig. 3). 또한 중금속별⋅지역별 중앙값과 TEL 초과율 등의 통계 수치를 Table 3에 제시하였다.

울산은 Cr을 제외한 대부분 중금속에서 최고 농도를 보였으며, Cu 중앙값(20.3 mg/kg)은 TEL 기준(20.6 mg/kg)에 근접하였고, 시료의 약 40%가 TEL을 초과하였다. 인천은 중앙값 14.7 mg/kg으로 TEL 이하지만 시료의 약 20%에서 TEL 초과가 나타났다. 여수는 중앙값 7.3 mg/kg으로 TEL을 크게 하회하여 모든 시료가 TEL 이하였다(Fig. 3a).

Pb의 경우 울산 중앙값은 42.3 mg/kg으로 TEL(44.0 mg/kg)에 근접하고 시료의 약 20%가 TEL을 초과하였다. 인천과 여수의 모든 시료는 TEL 이하였다(Fig. 3b). Zn의 경우 울산 중앙값은 80.4 mg/kg으로 TEL(68.4 mg/kg)을 초과하였고 시료의 약 80%가 TEL 초과였다. 인천은 중앙값 57.6 mg/kg으로 TEL 이하였으나 약 30% 시료에서 TEL을 초과하였다. 여수는 중앙값 44.4 mg/kg으로 가장 낮았고 모든 시료가 TEL 이하로 나타났다(Fig. 3c). Cd의 경우 울산 중앙값은 0.585 mg/kg으로 TEL(0.75 mg/kg)에 근접하였으며 시료의 약 10%가 TEL을 초과하였다. 인천 중앙값은 0.23 mg/kg로 모든 시료가 TEL 이하였고, 여수 역시 모든 시료가 TEL 이하였다(Fig. 3d). Cr의 경우 인천 중앙값이 78.3 mg/kg으로 가장 높았으나 울산(62.7 mg/kg), 여수(70.1 mg/kg)를 포함한 세 지역 모두 TEL(116 mg/kg) 이하였으며 TEL 초과 사례는 없었다(Fig. 3e). Hg의 경우 울산 중앙값은 0.16 mg/kg으로 TEL(0.11 mg/kg)을 초과하였고 시료의 약 80%가 TEL 초과를 보였다. 인천과 여수는 모든 시료가 TEL 이하의 낮은 농도로 나타났다(Fig. 3f). As의 경우 울산 중앙값은 20.4 mg/kg으로 TEL(14.5 mg/kg)을 크게 초과하였으며 시료의 약 90%가 TEL을 초과하였다. 인천과 여수는 모든 시료가 TEL 이하의 농도를 나타냈다(Fig. 3g). 종합적으로 울산은 다수 중금속에서 TEL 초과율이 높아 가장 심각한 생태 위해 가능성을 보였다. 인천은 일부 중금속에서 TEL 초과 사례가 관찰되어 주의가 필요한 수준이며, 여수는 모든 중금속 농도가 TEL 이하로 유지되어 상대적으로 양호한 상태로 평가되었다.

울산은 조선⋅석유화학⋅비철금속 제련산업이 밀집하고 주요 산업단지가 연안 인접에 분포한다^{(Ra et al., 2014)}. 이러한 산업 구조는 해양 퇴적물 Zn, Hg, As 축적 위험과의 연관 가능성을 시사하며, 이에 대한 구체적인 원인 규명을 위한 조사가 필요한 상황이다.

Fig. 3. Heavy metal concentrations in coastal sediments relative to TEL and PEL criteria.

Table 3 Descriptive statistics of heavy metal concentrations in coastal sediments relative to TEL criteria by region (mg/kg)

Heavy Metal	TEL	Median (TEL exceedance rate)			Mean ± SD (mg/kg)
		Incheon	Ulsan	Yeosu	Incheon	Ulsan	Yeosu
Cu	20.6	14.7(20%)	20.3(40%)	7.30(0%)	16.56 ± 6.33	22.05 ± 5.65	7.25 ± 0.51
Pb	44.0	30.9(0%)	42.3(20%)	26.9(0%)	31.24 ± 4.20	41.93 ± 3.16	27.17 ± 1.29
Zn	68.4	57.6(30%)	80.4(80%)	44.4(0%)	63.61 ± 13.58	78.80 ± 10.22	45.58 ± 6.44
Cd	0.75	0.23(0%)	0.59(10%)	0.12(0%)	0.287 ± 0.218	0.623 ± 0.110	0.112 ± 0.024
Cr	116	78.3(0%)	62.7(0%)	70.1(0%)	79.85 ± 7.76	63.41 ± 4.71	72.11 ± 4.95
Hg	0.11	0.049(0%)	0.155(80%)	0.010(0%)	0.049 ± 0.017	0.155 ± 0.085	0.012 ± 0.005
As	14.5	10.2(0%)	20.4(90%)	9.23(0%)	10.19 ± 1.64	19.08 ± 2.87	10.14 ± 1.98

3.1.3 Correlation Analysis Between Heavy Metals in Sediments

퇴적물 중금속 간 상관성 분석은 공통 오염원의 존재 여부와 중금속의 동반 오염 특성을 파악하여, 오염원 추적 및 관리 우선순위 설정에 활용하기 위해 Spearman 상관분석을 수행하였다(Fig. 4). 선행연구에 따르면 공존 상관 네트워크(co-occurrence network)분석을 통해 금속군의 군집화(Pb–Cu–Zn)가 일관되게 확인되며^{(Liu et al., 2015)}, 강한 양의 상관성은 중금속들이 동일 공정⋅공오염원 또는 유사한 지화학적 거동을, 낮거나 음의 상관은 상이한 배출원 및 거동을 시사한다^{(Liang et al., 2024)}.

인천에서 관찰된 Cu–Cd(r=0.88), Cu–Zn(r=0.87), Pb–Hg(r=0.86) 간의 강한 양의 상관성은 항만 및 금속가공 산업에서 이들 중금속이 동시에 배출되고 있음을 시사한다. ^{Jeong et al. (2020)}의 광양만 연구에서도 유사한 Cu–Zn 상관성(r = 0.91)이 보고되어 국내 산업항만 지역의 공통적 오염 특성임을 뒷받침한다(Fig. 4a). 이는 해당 지역에서 Cu, Zn, Pb, Cd, Hg에 대한 통합적 관리 방안이 필요함을 의미한다.

울산에서 Cu–Zn(r=0.88)의 강한 상관성은 조선업의 용접 및 도장공정에서 이 두 금속이 주로 배출되는 산업 특성과 일치한다. 한국 연안 사례 연구에서도 Cu⋅Zn 지표의 변동과 관리상 시사점이 논의되었다^{(Liu et al., 2015)}. 반면, Cr–Cu(r=−0.62), Cr–Zn(r=−0.67) 간의 음의 상관성은 Cr의 배출원이 다른 중금속들과 상이함을 나타내며, 이는 Cr이 주로 석유화학 공정의 탈황 촉매에서 배출되는 반면 Cu, Zn은 조선업에서 주로 배출되는 차별화된 배출 특성을 반영한다. ^{Cano et al. (2024)}의 콜롬비아 카르타헤나만 연구에서도 석유화학 지역에서 Cr이 다른 중금속들과 독립적인 분포 패턴을 보인다고 보고하여 이러한 해석을 뒷받침한다(Fig. 4b).

여수에서 전반적으로 낮은 상관성을 보인 것은 2012년 정화사업 이후 중금속 농도가 TEL 기준 이하의 농도로 안정되게 유지되고 있어 뚜렷한 오염원의 영향이 제한적임을 의미한다(Fig. 4c). 이는 ^{Jeong et al. (2017)}이 보고한 가막만(여수 인근)의 정화사업 후 중금속 상관관계 약화 현상(평균 상관계수 0.45 → 0.18 감소)과 일치하는 양상이다.

지역별 상관분석 결과를 종합하면, 공통적으로 Cu를 포함한 일부 금속들 간에 r ≥ 0.8의 강한 양의 상관관계가 나타났다. 인천은 Cu–Cd(r = 0.88), Cu–Zn(r = 0.87), Cu–Hg(r = 0.86) 간의 강한 양의 상관성이 나타났으며, 울산은 Cu–Zn(r = 0.88), Cu–Hg(r = 0.86)에서 유사한 경향을 보였다. 이는 Cu, Zn, Cd, Hg가 동일한 산업 오염원에서 기원하여 퇴적물 내 함께 축적되었을 가능성을 시사하며, 이러한 연관성이 높은 중금속들에 대해서는 통합적인 관리 전략이 필요함을 보여준다.

Fig. 4. Spearman correlation matrices for heavy metals in sediments across each region.

3.2 Temporal Analysis of Heavy Metal Concentrations in Coastal Sediments

울산, 인천, 여수 퇴적물의 중금속 농도를 2015년부터 2024년까지 시계열 분석하여 장기 변화 추세를 평가하였다. 금속별⋅연도별 농도 변화를 TEL 및 PEL 기준선과 함께 그래프로 나타내었다(Fig. 5). 또한 중금속별⋅지역별 중앙값과 TEL 초과율 등의 통계치를 Table 3에 제시하였다.

퇴적물 중금속 농도의 시계열 분석 결과, Cu의 경우 울산은 2015년에 최고 농도(41.2 mg/kg)를 기록한 후 뚜렷한 감소 추세를 보였으나 전체 분석 기간 TEL 초과율은 여전히 약 40%에 달했다. 인천은 일부 연도에서 TEL을 초과했지만 TEL 초과율 20%로 전반적으로 감소하는 경향을 보였다. 여수는 모든 기간 동안 TEL 이하의 낮은 농도를 유지하여 TEL 초과 사례가 없었다(Fig. 5a). Pb의 경우 울산의 전체 기간 TEL 초과율은 약 20%였으며 전반적으로 안정적인 수준을 유지하였다. 인천과 여수는 모든 기간 TEL 이하의 낮은 농도를 유지하였다(Fig. 5b). Zn의 경우 울산의 전체 기간 TEL 초과율이 80%로 매우 높았으며, 특히 2024년에도 약 75 mg/kg로 TEL을 초과하였다. 인천은 분석 초기부터 중반(2015–2018년)에 일부 연도 TEL(68.4 mg/kg) 초과가 나타났고, 특히 2018년에는 약 100 mg/kg의 최고치를 기록하였다. 그러나 2019년 이후 최근까지는 TEL 이하의 낮은 농도를 유지하였으며 전체 기간 TEL 초과율은 30%였다. 여수는 모든 기간 TEL 이하의 낮은 농도를 유지하였다(Fig. 5c). Cd의 경우 울산과 인천의 전체 기간 TEL 초과율이 각각 약 10%로 낮았으며 전반적으로 안정적인 수준이었다. 여수는 모든 기간 TEL 이하를 유지하였다(Fig. 5d). Cr의 경우 인천이 중앙값 78.3 mg/kg로 가장 높았으나 울산(62.7 mg/kg), 여수(70.1 mg/kg)를 포함한 세 지역 모두 TEL(116 mg/kg) 이하였고 TEL 초과 사례는 없었다(Fig. 5e). Hg의 경우 울산은 2022년에 0.41 mg/kg의 높은 농도를 기록하였으며 전체 기간 TEL 초과율은 80%로 매우 높았다. 인천과 여수는 TEL 초과 사례 없이 매우 낮은 농도를 유지하였다(Fig. 5f). As의 경우 울산의 전체 기간 TEL 초과율이 90%로 매우 높았고, 최근까지 미세하지만 꾸준한 증가 추세를 보였다. 인천과 여수는 모든 기간 TEL 이하의 낮은 농도를 유지하였다(Fig. 5g).

Fig. 5. Temporal trends of heavy metal concentrations in sediments relative to TEL and PEL criteria by region.

장기적인 농도 추이를 정량적으로 평가하기 위해 각 중금속의 연평균 변화율을 산출하여 분석하였다(Fig. 6). 연평균 변화율은 중금속 농도 증가 또는 감소 추세의 통계적 유의성을 평가하는 지표로 활용되며, 유의수준 p<0.05에서 검정하였다(Table 4).

시계열 분석 결과는 울산 연안오염총량관리제가 일부 중금속에 선택적 효과가 있음을 보여주는 동시에 한계를 드러냈다. 관리 대상 중금속인 Cu는 연평균 –6.21%(p = 0.015)로 통계적으로 유의한 감소 추세를 보여 정책 효과를 입증하였다. 반면 관리 대상에서 제외된 As(+3.92%, p = 0.010)와 Cr(+1.96%, p = 0.006)은 지속적으로 증가하여 선택적 관리 전략의 한계를 시사하였다(Table 4). 이러한 결과를 정확히 해석하기 위해 정책적 요인, 산업 활동 변화, 자연적 환경 변화 등 복합적인 요인을 함께 고려하였다.

Fig. 6. Seawater heavy metal concentrations relative to protection criteria.

정책 요인 측면에서, 울산 특별관리해역에는 2018년 연안오염총량관리제가 도입되어 Cu, Zn, Hg 중심의 관리체계가 정비되었다^{(MOF, 2019)}. 유사 사례로 마산만에서는 총량관리(TPLMS) 도입 이후 수질 개선이 통계적으로 검증되었다^{(Chang et al., 2012)}. 이는 본 연구에서 관찰된 울산의 Cu 감소 추세가 제도적 관리 효과와 합치될 가능성을 시사한다. 산업 요인으로는 2018–2022년 사이 국내 조선산업의 주문 변동성과 대형 LNG선 중심의 선종 재편이 두드러져, 전기⋅도장⋅용접 등에서의 Cu 수요 변동을 통해 퇴적 농도 추세에 간접 영향을 줄 수 있다^{(OECD, 2022)}. 자연 요인으로는 퇴적물 축적에 따른 희석과 환원 환경에서의 황화물 결합(AVS–SEM)에 따른 금속의 가용성⋅생물유효성 저하가 있다. 이 두 과정은 표층 Cu, Zn, Hg 농도의 점진적 감소를 설명하는 보조 메커니즘이 될 수 있다^{(Tisserand et al., 2021; U.S. EPA, 2003)}.

특히 As의 지속적 증가 추세(+3.92%/년)가 주목된다. 현재 As 농도(20.4 mg/kg)는 TEL 기준(14.5 mg/kg)의 약 1.4배에 달하여 Phase III 고위험 상태임에도 불구하고 관리 대상에서 제외되어 있다. 이는 ^{Jeong et al. (2020)}이 광양만에서 지적한 관리 사각지대 중금속의 누적 위험성과 일치하는 양상이다. 이러한 정량적 근거를 보완하기 위해 산업체별 배출량 자료 확보, 퇴적 속도 측정, 해저 지형 변화 분석 등 추가 연구가 필요하다. 한편, 본 연구 기간 동안 관리 대상이 아닌 As와 Cr 농도가 각각 연평균 +3.92%(p = 0.010)와 +1.96%(p = 0.006)로 지속 증가한 사실은, 관리 대상 중금속의 감소가 연안오염총량관리제 효과와 연관되었을 가능성을 시사한다. 실제로 ^{Jeong and Ra (2023)}의 동위원소 추적 연구에서도 울산 특별관리해역에서 Cu와 Zn의 산업 기여도가 2018년 이후 약 18% 감소(p < 0.05)한 것으로 나타나, 총량관리제의 효과를 뒷받침하고 있다.

인천에서 Hg 농도가 유의하게 감소한 것(-8.26%/년, p = 0.012)은 총량관리제가 적용되지 않은 지역임에도 나타난 현상으로, 2010년대 후반의 수도권 대기환경 개선 정책과 산업체의 자발적 환경 투자가 복합적으로 기여한 결과로 해석된다. 한편 여수 퇴적물은 모든 중금속 농도가 분석 기간 동안 줄곧 TEL 이하의 낮은 수준을 유지하였다. 이는 2012년 대규모 정화사업 이후 여수 해역의 환경 상태가 지속적으로 양호함을 보여준다. 실제로 2012년에 실시된 여수 신항 오염퇴적물 준설을 비롯한 일련의 정화 조치 이후 해당 해역의 수질 및 퇴적물 독성 지표가 크게 개선되었다^{(Kang, 2020)}. 이러한 과거 관리 조치의 장기적 효과는 선행 연구에서도 확인되고 있다. ^{Ryu et al. (2021)}은 총량관리제 시행 이후 비점오염원 저감률이 평균 15–25% 향상되었다고 보고하였으며, ^{Jeong et al. (2023)}은 울산 특별관리해역에서 Cu와 Zn의 산업 기여도가 2018년 이후 약 18% 감소하였음을 동위원소 추적으로 확인하였다.

3.3 Concentration Range of Heavy Metal in Seawater

인천, 울산, 여수 연안 해역에서 채취한 해수 중금속(Cu, Pb, Zn, Cd, Cr⁶⁺, Hg, As) 농도를 Box-plot으로 비교하였다(Fig. 7). 분석에는 KOEM 국가모니터링 해수 원시자료(2015–2024)를 사용하였으며, 겨울⋅여름 연 2회 채수된 지역별 20개 시료(총 60개)를 포함하였다. 계절별 농도 변동성을 평가하기 위해 겨울과 여름의 데이터를 모두 포함하였다. 그래프에는 해양생태계 보호 지침^{(ME, 2018)}의 단기 기준 및 장기 기준을 표시하였다. 또한 각 중금속의 통계치는 Table 5에 제시하였다.

Cu는 인천에서 가장 심각한 관리 문제를 나타냈다. 인천의 중앙값 농도는 2.40 μg/L로 울산(1.05 μg/L)과 여수(0.66 μg/L)보다 높았으며, 인천 시료의 84.2%에서 장기 기준치(1.2 μg/L)를 초과하여 고위험 상태로 평가되었다(Table 5). 인천의 최대 Cu 농도는 9.73 μg/L로 장기기준의 8배에 달했다. 울산은 장기기준 초과율 21.1%이며, 여수는 단 한 건의 초과 사례도 나타나지 않아 세 지역 중 유일하게 안정적인 상태를 보였다(Fig. 7a). Pb은 세 지역 모두 매우 양호한 관리 상태를 보였다. 중앙값 농도가 모든 지역에서 0.10 μg/L 이하로 매우 낮았으며 어느 지역에서도 장기 기준치(1.6 μg/L)를 초과한 사례가 없었다(Fig. 7b). Zn은 인천에서만 드물게 관리주의가 요구되었다. 중앙값은 인천 6.00 μg/L, 울산 4.44 μg/L, 여수 1.65 μg/L 순으로 인천이 가장 높았고, 장기 기준치(11 μg/L)를 넘은 사례도 인천에서 1건(전체의 5.3%) 발생하였다. 반면 울산과 여수에서는 기준 초과가 한 번도 나타나지 않았다(Fig. 7c). Cd는 인천에서 한 차례 기준 초과를 제외하면 전반적으로 양호한 상태였다. 인천에서 최고 4.43 μg/L까지 올라간 사례가 있어 2017년 겨울에 장기 기준치(2.2 μg/L)를 넘긴 적이 1건 있었으나, 울산과 여수에서는 단 한 번도 기준을 초과한 적이 없어 안정적인 수준을 유지하였다(Fig. 7d). Cr⁶⁺은 인천(최대 0.32 μg/L), 울산(최대 0.21 μg/L), 여수(최대 0.17 μg/L) 모두 장기 기준치(2.8 μg/L)를 단 한 번도 초과하지 않았으며, 조사 기간 내내 안정적인 농도를 유지하였다(Fig. 7e). Hg은 전 지역에서 농도가 검출 한계 수준에 머물렀다. 중앙값과 최댓값이 모두 0.02 μg/L 이하로 장기 기준치(1.0 μg/L)를 크게 밑돌았다(Fig. 7f). As는 울산이 다소 높은 편이었으나 모든 지역에서 기준치를 벗어나지 않았다. 중앙값은 울산 1.87 μg/L, 인천 1.47 μg/L, 여수 1.10 μg/L 순으로 울산에서 가장 높았지만, 세 지역 모두 장기 기준치(3.4 μg/L) 초과 사례가 발견되지 않아 안정적인 수준을 유지하였다(Fig. 7g).

종합적으로, 해수 내 중금속 농도는 퇴적물 내 농도보다 훨씬 낮은 수준을 나타냈으며 대부분 해양생태계 보호 기준치를 밑돌아 안정적인 상태였다.

Fig. 7. Suspended solid concentrations in seawater by season and depth for each region.

3.4 Suspended Solids Distribution

SS 농도의 계절별⋅지역별 변동 양상은 퇴적된 중금속의 재부유로 인한 2차 오염 위험성을 파악하는 중요한 지표가 된다. 본 연구에서는 2015–2024년 기간 동안 인천, 울산, 여수 3개 해역의 계절별(여름⋅겨울) 및 수심별(표층⋅저층) SS 농도 분포를 분석하였다(Fig. 8). 아울러, 분석 결과에 대한 통계 요약치를 Table 6에 제시하여 지역 및 조건별 SS 농도의 특성을 비교하였다.

지역별 SS 분포를 살펴보면, 여름철 표층에서는 여수의 SS 중앙값이 약 13 mg/L로 가장 높았고, 그다음으로 인천(약 10 mg/L), 울산(약 7 mg/L) 순으로 나타났다(Fig. 8a). 겨울철 표층에서는 인천의 SS 중앙값이 약 14 mg/L로 가장 높았으며 여수(약 10 mg/L), 울산(약 6 mg/L) 순이었다. 인천의 겨울 표층 SS 농도는 최대 30 mg/L까지 치솟아 변동성이 매우 큰 것으로 나타났다(Fig. 8b). 여름철 저층의 경우 SS 중앙값이 인천에서 약 16 mg/L로 가장 높았고 울산과 여수는 모두 약 9–10 mg/L 수준으로 나타났다(Fig. 8c). 겨울철 저층에서는 인천의 중앙값이 약 20 mg/L로 가장 높았으며 여수와 울산은 각각 약 12 mg/L와 10 mg/L 수준을 보였다. 특히, 인천 저층에서는 SS 농도가 50 mg/L을 넘는 매우 높은 값까지 관찰되었다(Fig. 8d).

울산 해역은 조사 기간에 SS가 낮고 안정적이었다(표층 약 6∼7 mg/L). 본 자료만으로는 SS 증가와 중금속 확산 사이의 인과를 입증할 정량 지표가 부족하므로, 공사에 따른 재부유 금속 확산을 단정할 수 없다. 따라서 향후 대규모 해양공사 시에는 사전⋅공사 중⋅사후 단계별로 SS/탁도와 금속(용존⋅입자성)을 동시⋅고빈도 관측하고, log Kd 산정과 pH⋅염분⋅Eh⋅DOC 등 물리화학 조건을 병행 기록하여 인과성을 검증하는 모니터링이 필요하다.

Fig. 8. SS concentrations in seawater by season and depth for each region.

3.5 Ecological Risk Assessment

본 연구에서는 해양 퇴적물에 대한 생태학적 위해성 평가를 화학적 농도 기준과 생물 반응 기반 기준을 병행하여 실시하였다. 세 지역 중 울산은 부유물질 농도는 가장 낮았지만 퇴적물 내 중금속 농도는 TEL 기준을 빈번히 초과하여 높게 축적되는 양상을 보였으므로, 울산 해역의 퇴적물을 대상으로 중점적인 생태 위해 평가를 수행하였다. 특히 화학적 농도 기준만으로는 생물학적 영향을 충분히 반영하기 어렵기 때문에, 저서생물을 활용한 EC₅₀ 및 LC₅₀ 값을 적용한 생물반응기반 평가 기법을 도입하여 기존 화학 기준 평가의 한계를 보완하였다.

각 중금속에 대한 적절한 시험 생물을 선정하기 위해, 국제적으로 검증된 독성 데이터베이스 중 가장 신뢰할 수 있는 독성 수치를 우선적으로 활용하였다. 그 결과 갯지렁이류와 단각류에 대한 독성 자료가 선택되었는데, Cu와 Zn의 경우 다모류인 Neanthes arenaceodentata의 성장 저해 실험 결과를 적용하여 EC₅₀ 값을 각각 5 mg/kg와 30 mg/kg로 설정하였다(Table 7). Pb, Cr, Hg, As의 경우 단각류인 Leptocheirus plumulosus의 생존율 저해 독성값을 근거로 EC₅₀를 각각 10 mg/kg, 20 mg/kg, 0.02 mg/kg, 2 mg/kg로 정하였다. Cd는 단각류 Ampelisca abdita의 생존율 기준 EC₅₀ 값(0.2 mg/kg)을 적용하였다. 특히 Hg의 EC₅₀가 0.02 mg/kg로 모든 금속 중 가장 낮게 나타나, Hg가 가장 강한 독성을 지님을 보여주었다(Table 7).

생태 위해성 평가 결과의 해석을 위해, 우선 위해도(HQ) 수준을 세 단계(Phase I, II, III)로 구분하였다. Phase I은 HQ가 1 미만인 안전 단계이고, Phase II는 HQ가 1 이상이지만 Phase III 기준에 미달하는 주의 단계, Phase III는 급성 독성 위험이 높은 단계로 정의하였다. 한편 울산 해역 퇴적물의 경우, Phase III 단계의 HQ 임계값이 Zn은 1.67, Hg는 5.00, As는 2.50으로 산정되었다(Table 8).

울산 해역 퇴적물에 대해 7종의 중금속(Cu, Pb, Zn, Cd, Cr, Hg, As)을 대상으로 생태학적 위해성을 평가한 결과, Cu, Pb, Cd, Cr의 경우 화학적 농도 기준(TEL)으로 평가하면 모두 안전한 수준(Phase I)에 속했으나, 생물반응 기준(EC₅₀)으로 평가할 때는 모두 높은 위해도(Phase III)로 분류되었다. 이는 화학적 기준만으로 실제 생물학적 위해성을 충분히 파악하지 못할 수 있음을 시사한다. 예를 들어 Cu의 HQ_TEL은 0.99로 안전한 수준이었지만 HQ_EC₅₀는 4.06으로 상승하여 Phase III 임계치(3.00)를 초과하였다. Pb 역시 HQ_TEL은 0.96으로 매우 낮았으나 HQ_EC₅₀는 4.23으로 Phase III 기준치(2.00)를 크게 넘어섰다. Cd와 Cr도 HQ_TEL 값은 각각 0.78과 0.54로 안전 단계였지만, HQ_EC₅₀ 값은 각각 2.93과 3.14로 상승하여 Phase III 기준치(각각 2.50 및 2.00)를 초과함으로써 높은 생태 독성 위험성을 나타냈다.

특히 Zn, Hg, As의 경우는 생물반응 기반 평가에서 더욱 높은 생태독성 위험을 보여 모두 Phase III로 분류되었다. Zn의 경우, 퇴적물 내 중앙값 농도(80.4 mg/kg)가 EC₅₀ 값(30 mg/kg)의 약 2.68배에 달해 Phase III 기준치(1.67)를 넘었다. Hg는 중앙값 농도(0.155 mg/kg)가 EC₅₀(0.02 mg/kg)의 8.00배에 이르러 Phase III 기준치(5.00)를 크게 상회하였다. As 역시 중앙값 농도(20.4 mg/kg)가 EC₅₀(2 mg/kg)의 10.20배로, Phase III 기준치(2.50)를 크게 초과하였다. 주목할 점은 TEL 기준 평가와 생물반응 기준 평가 사이에 뚜렷한 차이가 있었다는 것이다. Zn, Hg, As는 모두 TEL 기준으로 평가하면 Phase II에 그쳤지만 생물반응 기준으로 평가할 때는 Phase III로 판정되어, 화학적 기준만 적용할 경우 생태독성 위험을 과소평가할 소지가 있음을 확인하였다. 실제로 Zn의 HQ_TEL은 1.18인데 비해 HQ_EC₅₀는 2.68로 약 2.3배 높았고, Hg는 HQ_TEL 1.45 대비 HQ_EC₅₀ 8.00으로 약 5.5배, As는 HQ_TEL 1.41 대비 HQ_EC₅₀ 10.20으로 약 7배나 높은 위험도를 나타냈다.