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부유물질이란 다양한 사전적 의미가 있지만 광 물자원용어사전에 의하면 “물속에 부유하고 있는 미생물, 실트, 모래 등의 입자 크기가 0.1 μm 이상 의 유기 및 무기 물질을 말한다. 크기가 5 μm 이 상인 것은 잘 가라앉으므로 침전가능(settleable) 부 유물질이라고 하며, 0.1~5 μm 범위의 것은 분산 (dispersed) 상태를 유지하므로 응집에 의해 침전시 킬 수 있다”라고 정의하고 있다. 하천에서의 부유 물질은 집중 강우 시 상류의 토양이 유실되어 하천 수를 통하여 이동되어 호수로 유입되는 주로 무기 물질로 지칭한다.

호수로 유입되는 부유물질의 양은 주로 강우 강 도, 암석의 풍화 정도, 경작지의 분포 등에 따라 달 라지며 부유물질의 물리화학적 특성은 지질 및 토 양의 특성에 의해 결정된다(Kim et al., 2007, Choo et al., 2006). 안동댐 상류에는 고생대의 변성퇴적 암류, 중생대의 화강암, 퇴적암 등 복잡한 지질 분 포를 보이며 오염원으로 작용할 수 있는 연화광산, 삼룡광산, 분천광산, 장군광산, 삼동광산, 쌍전광산 등 수십 개의 폐금속광산이 존재한다. 임하호 상류 에는 호상편마암, 미그마타이트 등을 포함하는 선 캠브리아기 변성암류, 화강섬록암, 흑운모화강암, 각섬석화강암 등의 쥬라기 화성암류, 적색이암, 적 색셰일, 알코즈사암, 역암 등의 백악기 하양층군과 유천층군 등으로 백악기 퇴적암층이 가장 넓게 분 포한다(Hwang and Jeong, 2006). 오염원으로 작용 할 수 있는 폐금속광산은 가곡리광산, 영양동광, 일 월광산 등이 분포한다. 상류 지역의 지질과 오염원 인 폐광산 등의 분포가 다른 안동댐과 임하댐의 유 입 부유물질 및 부유물질에 의해 퇴적된 댐 퇴적물 의 특성이 다를 것으로 예측된다.

집중 강우 시 댐 내로 유입되는 부유물질은 대부 분 댐 내에 퇴적되어 저수량을 줄이는 역할을 하고 오염된 부유물질이 유입될 경우 오염물질이 용출 되어 수질 특성을 변화시킬 수 있다. 퇴적물에 존 재하는 중금속 같은 오염 물질은 퇴적물의 표면에 흡착, 이온 교환, 침전, 가수분해 및 미생물 활동과 같은 기작에 의해 축적되어 오염원이 될 수 있으며 물리⋅화학적 환경 변화에 따라서 수중으로 재용출 되거나 침전될 수 있다(Pekey et al., 2004; Alloway et al., 1988; Thornton, 1983). 퇴적물에 침전되거 나 용출되는 중금속은 수중이나 저서 생태계에 서 식하는 동식물에 흡수되어 생태계의 평형을 파괴하 거나 나아가 인간에게까지 위해를 야기할 수 있다 (Hong and Kim, 1996). 최근 들어 하천 및 호소 퇴적물에 대한 오염 현상에 대한 연구가 많이 진행 되고 있으며, 퇴적물 오염과 관련된 연구는 대부분 퇴적물의 광물조성, 입도분로, 유기물 함량 등과 연 관된 연구들이 진행되었다(Lee et al., 2018; Hwang et al., 2011; Maria et al., 2009; Oh et al., 2010).

부유물질의 특성은 부유물질의 발생원의 특성에 따라 차이가 나기 때문에 상류 지역의 지질과 폐금 속광산의 분포가 다른 안동댐과 임하댐으로 유입되 는 부유물질의 특성이 다르게 나타난다. 본 연구의 목적은 안동댐과 임하댐으로 유입되는 부유물의 특 성에 따른 호소 퇴적물의 특성 변화를 밝히고 그 결 과를 기초로 향후 부유물에 의한 호소 내 퇴적물의 중금속 오염 변화를 추정하고 오염물질 유입 저감 방안 마련을 위한 기초자료를 제공하는 데 있다.

연구 방법

시료 채취

Fig. 1은 안동댐과 임하댐 내 퇴적물과 댐으로 유입되는 부유물질의 시료 채취 지점과 시료 채취 지점의 수질의 야외 측정값을 나타낸 것이다. 부유 물질 시료는 집중 강우 시 안동댐으로 유입되는 낙 동강 상류의 단천교(시료번호 ADD-Susp), 임하댐 으로 유입되는 반변천 상류인 합천교(시료번호 IHD-Susp), 그리고 대조군인 와야천의 상아교(시 료번호 WYC-Susp)의 세 지점에서 채취하였다. 낙 동강 지류인 와야천의 상아교에서 부유물질 시료는 상류에 오염원으로 판단되는 폐광산 및 오염 배출 시설이 없기 때문에 안동댐과 임하댐으로 유입되 는 부유물질의 특성을 비교하기 위하여 채취하였다. 부유물질은 집중 강우 후 탁도가 높을 때 약 20 L 정도를 채취하여 침전 및 원심분리 방법을 이용하 여 시료를 준비하였다. 퇴적물 시료는 안동댐(시료 번호 ADD-Depo)과 임하댐(시료 번호 IHD-Deop) 저수 구역에서 각각 1점씩 그랩 샘플러를 이용하여 채취하였다.

분석 방법

퇴적물 및 부유물 시료 채취 시 현장에서 수질 에 대한 수온, pH, 전기전도도를 측정하였으며, 원 심분리기를 이용하여 분리한 탁도 유발 물질인 부 유물(SS: suspended solid)과 안동댐과 임하댐에서 채취한 퇴적물에 대해 건조 후 필요한 실험을 수행 하였다. 부유물질과 퇴적물의 색깔을 알아보기 위 하여 색도측정을 하였으며, 구성광물을 감정하기 위하여 X-선회절분석, 구성광물의 함량을 측정하 기 위하여 광물 정량 분석 및 중금속의 농도를 알 아보기 위하여 중금속 함량분석을 수행하였다. 시 료의 색깔은 색도 분석 프로그램을 이용하여 먼셀 표색계(Munsell’s color system)의 색상(hue), value (명도), 채도(chroma) 표기법으로 표시하였다. 구성 광물 분석은 모델명 Rigaku, D/max-2000의 X-선 회절분석기로 분석 조건 CuKα, 40 kV, 35 mA, 주사속도 1° 2 θ/min로 분석하였다. X-선회절분석 결과를 기초로 X-선광물정량분석 프로그램인 SIROQUANT Version 3.0을 이용하여 구성 광물 의 정량 분석을 수행하였다. 부유물질과 퇴적물에 대한 중금속 분석은 퇴적물이 완전히 분해되도록 질산, 과염소산, 불산을 가하고 가열한 후 불산을 완전히 제거한 다음 질산용액(2 %)으로 적절히 희 석하여 분석하는 수질오염공정시험기준의 퇴적물 분석법에 따라 유도결합플라즈마/질량분석기(ICPMS; Agilent 7800)로 분석하였다. 분석항목 납, 비 소, 셀레늄, 수은, 카드뮴, 아연, 망간, 구리, 니켈, 철과 크롬의 총 11개 원소이다.

결과 및 토의

부유물질과 퇴적물 시료 채취 지점 현장 측정 결과 부유물을 채취할 당시 채취 지점의 pH는 와야천 하천수 7.43, 안동댐 유입수 7.31, 임하댐 유입수 7.29로 큰 차이가 없지만 전기전도도는 와야천 178, 안동댐 104, 임하댐 126 μS/cm으로 와야천이 약 간 높은 값을 나타낸다. 안동댐과 임하댐에서 퇴적 물 채취 지점에서 측정한 pH와 전기전도도값은 각 각 7.70, 7.71 및 190, 201 μS/cm로 두 지점의 측 정값은 큰 차이를 나타내지 않는다(Fig. 1).

안동댐과 임하댐 모두 댐 퇴적물 채취 지점의 pH 값이 유입 부유물질 채취 지점보다 약간 높으며 전 기전도도는 부유물 유입 지점이 낮은 값을 나타낸 다. 우리나라에서 내리는 빗물의 경우 전기전도 도는 서울 3~50 μS/cm, 수원 19~42 μS/cm, 안성 11~26 μS/cm 정도로 하천수보다 낮은 값을 나타 낸다(Han et al., 2002; Lee et al., 1999). 따라서 부유물 채취 지점이 퇴적물 채취 지점의 전기전도 도보다 낮은 것은 유입수 채취 시 내린 집중 강우 의 영향인 것으로 사료된다.

부유물 및 퇴적물 색도 측정

채취한 부유물과 퇴적물의 색도를 측정한 결과 와야천 유입수 부유물 회갈색(2.5Y 6/2), 안동댐 유 입수 부유물질 어두운 회갈색(1.25Y 5/2), 안동댐 퇴적물 회황색(3.75Y 7/2), 임하댐 유입수 부유물 어두운 갈색(6.25YR 4/2), 임하댐 퇴적물 탁한주황 색(8.75YR 7/2)을 나타낸다(Fig. 2). 건조 시 산화 에 의해 퇴적물과 부유물의 색깔의 변화가 나타날 가능성도 있지만 유입되는 부유물질이 퇴적물보다 명도가 낮아 약간 어두운 색을 나타낸다.

X-선회절분석결과

Fig. 3은 안동댐과 임하댐 지역의 퇴적물과 유입 부유물질에 대한 X-선회절분석 결과이다. 안동댐으 로 유입되는 부유물질에 대한 X-선회절분석 결과 주 구성광물은 석영(quartz)과 약간의 사장석(albite) 그리고 소량의 방해석(calcite)이며, 점토광물로는 녹니석(chlorite)와 일라이트(illite)를 포함하고 있 다. 임하댐으로 유입되는 부유물질의 주 구성광물 은 석영과 사장석이며 소량의 녹니석와 일라이트를 포함하고 있다. 대조 지역인 와야천으로 유입되는 부유물질의 주 구성광물은 안동댐과 임하댐의 유 입 부유물질과는 약간의 차이를 나타내며 석영과 사장석 그리고 점토광물로는 몬모릴로나이트와 캐 올리나이트, 일라이트를 포함하고 있는 것이 특징 이다. 임하댐과 안동댐 유입 하천의 탁도 유발물질 에 대한 광물학적 특성 연구에 의하면 주 구성광물 은 버미큘라이트, 일라이트, 카올리나이트, 석영, 사 장석 등이다(Kim et al., 2007). X-선회절분석 결 과에 의하면 기존의 연구와 유사한 광물조성을 보 이지만 임하댐 부유물질에 약간의 방해석을 포함 한 것과 버미큘라이트와 캐올리나이의 회절선을 녹 니석으로 감정한 것이 차이가 있다. 이는 약 14 Å 과 7 Å의 회절선을 하나의 광물로 감정하면 녹니 석이며 두 종류의 광물이면 버미큘라이트와 캐올 리나이트로 감정할 수 있다. 본 연구에서는 14 Å 의 회절선의 강도가 높지 않고 녹니석의 회절선과 일치하여 녹니석으로 판단하였다.

안동댐의 호수 내에서 채취한 퇴적물에 대한 X- 선회절분석 결과 주 구성광물은 석영(quartz)과 약 간의 사장석(albite) 그리고 소량의 방해석(calcite)이 며, 점토광물로는 녹니석(chlorite)과 일라이트를 포 함하고 있다. 임하댐의 호수 내에서 채취한 퇴적물 의 주 구성광물은 석영, 사장성, 방해석이며 점토 광물로는 녹니석과 일라이트를 포함하고 있다.

안동댐과 임하댐으로 유입되는 부유물질은 광물 조성은 유사하지만 각 광물의 함량의 차이를 나타 낸다. 안동댐으로 유입되는 부유물질은 녹니석과 일 라이트의 함량이 임하댐보다 높은 경향을 나타낸 다. 대조 지역인 와야천의 부유물질은 몬모릴로나 이트와 캐올리나이트를 포함하고 있어 안동댐과 임 하댐으로 유입되는 부유물질과는 상이한 광물조성 을 나타낸다.

Table 1은 Siroquant 광물정량분석 프로그램을 이용하여 분석한 구성광물의 조성비를 나타낸 것 으로 안동댐과 임하댐 유입 부유물질의 구성광물 의 함량비는 녹니석은 15.51과 12.99, 일라이트는 27.16과 26.83으로 비슷한 함량을 나타낸다. 석영 은 안동댐, 사장석은 임하댐 부유물에서 약간 더 높 은 함량을 나타낸다. 임하댐 부유물에 방해석이 소 량(3.24 %) 포함하고 있는 것이 안동댐 부유물과 의 차이이다. 대조 지역인 와야천 부유물질에는 몬 모릴리나이트 소량(1.60 %)과 캐올리나이트(14.51 %)가 포함되어 있고 석영(17.57 %)이 적고 사장석 (38.17)이 다른 부유물질에 비해 많이 포함되어 있 는 것이 특징이다.

안동댐과 임하댐 퇴적물의 광물 조성비는 안동댐 의 퇴적물이 석영의 함량이 임하댐보다 높지만 임 하댐에서는 방해석(17.57 %)의 함량이 매우 높은 것이 특징이다(Fig. 4). 임하댐에서 채취한 퇴적물 에서 다량의 방해석을 포함하고 있어 안동댐 퇴적 물과 상이한 결과를 나타낸다. 이는 석회질을 포함 하고 있는 백악기 하양층군과 유천층군에 속하는 퇴 적암류가 넓게 분포하고 있는 임하댐 상류 지역의 지질과 관련이 있는 것으로 판단된다(Hwang and Jeong, 2006).

부유물질 및 퇴적물의 중금속 특성

Table 2는 안동댐과 임하댐 지역의 퇴적물과 부 유물질에 대한 중금속 분석 결과이다. 안동댐으로 유입되는 부유물질의 비소 함량은 53.05 mg/kg으 로 임하댐으로 유입되는 부유물질의 13.99 mg/kg 보다 높은 값을 나타낸다. 대조군인 와야천에서 채 취한 부유물질 시료는 6.68 mg/kg으로 안동댐과 임 하댐 유입 두 지점보다 낮은 값을 나타낸다. Se는 와야천에서는 검출한계 이하이지만 안동댐과 임하 댐 유입 부유물질은 각각 2.30 mg/kg과 2.50 mg/kg 으로 비슷한 농도값을 나타내었다. Zn은 안동댐 700.78 mg/kg으로 가장 높고 대조군인 와야천이 305.71 mg/kg으로 임하댐의 247.65 mg/kg보다 높 은 값을 나타낸다. Cd는 안동댐이 9.52 mg/kg으로 임하댐 1.19 mg/kg, 와야천 0.38 mg/kg보다 높은 값을 나타내었다. Pb, Ni의 농도는 안동댐, 임하댐, 대조군인 와야천 순으로 75.32, 45.65, 37.02 mg/kg 과 58.80, 42.23, 10.64 mg/kg이며 Mn, Cu의 농도 는 1,828.43, 1,550.20, 1,151.56 mg/kg과 53.17, 48.26, 29.94 mg/kg이다. 대부분 금속의 농도는 안 동댐이 높지만 Cr은 임하댐이 84.09 mg/kg으로 안 동댐 46.58 mg/kg보다 높은 값을 나타낸다. 부유 물질의 중금속 농도는 대체로 안동댐이 높으며 임 하댐은 안동댐보다 낮지만 와야천의 부유물질보다 높게 나타난다.

안동댐(시료번호 ADD-Depo)과 임하댐(시료 번 호 IHD-Deop)에의 호소 내에서 채취한 퇴적물의 금속분석 항목은 수은, 비소, 셀레늄, 아연, 카드뮴, 납, 니켈, 철, 망간, 크롬, 구리이다. 안동댐 퇴적물 의 비소 함량은 54.23 mg/kg으로 호소퇴적물 오염 평가 기준 3등급이며 임하댐은 21.44 mg/kg으로 안동댐보다 낮은 결과를 나타내었다. Zn은 안동댐 675.03 mg/kg, 임하댐 106.71 mg/kg으로 안동댐 이 임하댐보다 6배 이상 높은 값을 나타내었다. Cd 의 농도는 안동댐 14.39 mg/kg, 임하댐 0.24 mg/kg 으로 50배 이상 높은 농도값을 나타내었다. Pb는 안동댐 53.67 mg/kg 임하댐 20.80 mg/kg으로 약 두 배, Cu는 34.27 mg/kg, 20.13 mg/kg으로 1.7배 높지만 Ni는 안동댐과 임하댐 각각 28.77, 27.67 mg/kg, Fe는 35,214.15, 35,009.77 mg/kg으로 두 지역 거의 비슷한 농도값을 나타내었다. 임하댐 퇴 적물이 안동댐보다 높은 값을 나타내는 항목은 Mn 과 Cr로 각각 1,225.94, 665.72 및 46.69, 39.05 mg/kg이다. 이상의 결과에서 퇴적물의 중금속 농도 는 대체로 안동댐이 임하댐보다 높지만 특히 납, 카 드뮴, 아연 및 비소가 높은 값을 나타낸다(Fig. 5).

안동호 퇴적물 중 수은 및 중금속의 분포특성 연 구에 의하면 총 수은 농도는 우리나라 주요 하천의 퇴적물의 평균 농도보다 높았고 납, 아연, 카드뮴 등 주요 중금속의 농도는 미국국립해양대기관리청 (US NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration, 1999)의 기준보다 높게 나타났다 (Park et al., 2012). 낙동강 수계 표층 퇴적물을 대 상으로 중금속 함량 분석 결과를 미국 퇴적물 분류 기준과 비교한 결과 Zn과 Ni이 기준치를 초과한 것 으로 나타났다(Kim et al., 2017). Lee et al. (2014) 의 금강수계 퇴적물 중 금속류 분석결과와 비교하면 안동댐 퇴적물의 경우 분석항목 대부분 높은 값을 나타내며 임하댐 퇴적물의 경우는 비소가 약간 높 은 것을 제외하고 거의 비슷한 값을 나타낸다. 안 동댐 퇴적물 중 주요 중금속 농도는 미국의 국립해 양대기관리청의 SQGs (Sediment Quality Guidelines) 의 ERL (Effect Range Low, 최소 무영향 농 도) 기준(비소 8.2 mg/kg, 카드뮴 1.2 mg/kg, 크롬 81 mg/kg, 구리 34 mg/kg, 납 46.7 mg/kg, 수은 0.15 mg/kg, 니켈 20.9 mg/kg, 아연 150 mg/kg)을 구리 와 크롬을 제외하고 모두 초과하는 것으로 나타났 으며, 임하댐의 경우 아연, 카드뮴, 납, 크롬, 구리 가 초과하지 않는 것으로 나타났다. 부유물질에 대 해 이 기준을 적용할 경우 초과하지 않는 항목은 안동댐 유입부유물질은 크롬이, 임하댐은 수은과 납이, 와야천의 경우 수은, 비소, 카드뮴, 납, 니켈, 크롬, 구리 등이다. 이 기준을 적용할 경우 안동댐 과 임하댐의 퇴적물 및 유입 부유물질은 상당히 높 은 오염도를 나타낸다.

결 론

지금까지의 안동댐의 퇴적물에 대한 연구결과에 의하면 안동댐 퇴적물은 호소 퇴적물 기준을 적용 하면 매우 나쁨 수준이다. 부유물질에 대한 중금속 분석결과를 비교해 보면 안동댐이 임하댐보다 수 은 6.9배, 비소 3.8배, 아연 2.8배, 카드뮴 8.0배이 며 비슷한 값을 나타내는 원소는 납(1.6배), 니켈 (1.4배), 철(1.0배), 망간(1.2배), 구리(1.1배)로 안동 댐으로 유입되는 부유물질이 임하댐으로 유입되는 부유물질보다 중금속 농도가 매우 높다. 퇴적물의 중금속 농도도 안동댐이 임하댐보다 수은 3.1배, 비 소 2.5배, 아연 6.3배, 카드뮴 60.0배 납 2.6배 높 다. 따라서 안동댐 내 퇴적물의 중금속 농도가 높 은 것은 안동댐으로 유입되는 부유물의 중금속 농 도가 높기 때문인 것으로 판단된다.

안동댐으로 유입되는 부유물질과 댐 내 퇴적물의 중금속 농도를 비교해 보면 대체로 부유물질이 퇴 적물보다 약간 높거나 비슷한 값을 나타낸다. 안동 댐 내 퇴적물의 높은 중금속 농도는 현재에도 계속 유입되는 부유물의 중금속 농도가 높기 때문에 현 재 상태로 계속 유지될 것으로 판단된다.

임하댐의 경우 유입되는 부유물질이 댐 내 퇴적 물의 중금속 농도가 대부분의 항목에서 높은 값을 나타내기 때문에 현재와 같은 부유물질이 계속 유 입될 경우 퇴적물의 중금속 농도는 현재보다 높아 질 가능성이 충분한 것으로 판단된다.

오염원이 없는 와야천의 부유물질의 중금속 농도 가 안동댐과 임하댐으로 유입되는 부유물질에 비 해 낮은 값을 나타낸다. 안동댐과 임하댐으로 유입 되는 부유물질의 중금속 농도가 높은 것은 댐 상류 지역에 분포하는 폐금속 광산 및 그 외 오염원으로 작용할 수 있는 다양한 시설이 원인인 것으로 사료 된다. 따라서 안동댐과 임하댐 퇴적물의 중금속 오 염도를 감소시키기 위해서는 중금속 농도가 높은 부유물질의 발생원을 규명하고 이에 대한 관리 및 대책 방안을 마련하는 것이 필요하다.