Title)
Long-term variations in dissolved trace elements in the Sagami River and its tributaries (upstream area), Japan 

Author)
Masato Iwashita, Tadashi Shimamura 

School of Allied Health Science, Kitasato University, Japan 

The Science of the Total Environment, 312, (2003), 167-179

일본 Sagami 강과 그 유역 내 중금속 용존 농도의 장기 분포 경향에 대한 논문입니다. 7년 간 (1993년 5월 ~ 2000년 4월) 28개 지점에서 월별 모니터링이 이루어졌으며, 그 중 상류 유역의 17개 지점에 대한 모니터링 결과에 대한 분석을 하였습니다. 24개 주요 중금속 (Li, Mg, Al, Ca, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Rb, Sr, Mo, Ag, Cd, Sb, Cs, Ba, W, Tl, Pb, U)의 농도가 모니터링 되었고, 연구 대상 지역의 유량은 그 이전에는 지방 자치단체의 의해 실측되어오다, 1995년부터 연구진에 의해 실측되었습니다. 중금속 농도 분포 경향의 계절적 주기성과 magnitude 등을 유추하기 위해서는 IGOR 프로그램을 통한 fast Fourier transformation (FFT) analysis가 이용되었습니다. 그 결과로 하천수에 대한 취수 활동이나 하수 유입과 같은 인위적 요인이나 수온의 변화와 산화 환원 반응 조건 및 유량의 변화와 같은 자연적 요인에 의한 계절적 변화 경향을 찾을 수 있었습니다. 연구 대상 지역 내 수질 변화의 연도별 변화 경향은 후지산으로부터 발원하는 수체에 의해 영향을 받기 때문에, 일부 시기에 호수의 방류에 의한 뚜렷한 희석 효과를 보인 것 외에는 상대적으로 일정한 경향을 보였습니다. 따라서 이 대상 지역 내의 수리수문학적 요인은 계절적 변화 경향보다 연도별 변화 경향에 더 중요한 영향을 미친다고 할 수 있습니다. Zn, Ni, Cd 및 Sb과 같은 중금속 농도는 매우 비정형화된 변화 경향을 보였는데, 이는 연구 대상 지역 내에 존재하는 산업 시설과 폐광산의 영향인 것으로 밝혀졌습니다. 

중금속은 다른 수질 항목과 달리 상대적으로 수체 내에 낮은 농도로 용존되어 있기 때문에 강우 유출이나 지하수, 퇴적물 및 오염원의 유입 등 환경 요인들에 쉽게 영향을 받을 수 있으며, 중금속에 의한 수체의 오염은 수은에 의한 미나마타 병이나 카드뮴에 의한 이타이이타이 병 등 심각한 인체 질환을 유발할 수 있기 때문에, 정부 차원의 정책적인 모니터링이 꾸준히 이루어지고 있습니다. 이 논문은 이러한 수체 내 중금속 용존 농도의 계절적 분포 경향에 대해 알아보고, 계절적 변화를 유발할 수 있는 인위적 및 자연적 요소들을 유추해보고자 하였습니다. 

연구 대상 지역인 Sagami 강은 일본 중부 동경 서부 지역에 위치해 있으며, 후지산 산기슭에 있는 Yamanaka 호수로부터 발원하고 있습니다. 최상류 지역은 집중 강우 시 외에는 주로 후지산으로부터 공급되는 지하수로부터 유량을 공급받고 있으며 전체 유역 면적은 1680 km2, 전체 유로 연장은 109 km 정도 입니다. 

[그림 1] Sagami 강 내 모니터링 지점

상류 유역은 주로 산림 지역이며 농업 지역과 개발 지역이 상대적으로 적은 부분을 차지하고 있으며, 약 20만 명이 거주하고 있습니다. 하류 유역은 주로 농경 지역과 개발 지역이 차지하고 있으며, 약 200만 명이 거주하고 있습니다. 상류와 하류의 구분은 강 중류 지역에 위치한 Sagami 및 Tsukui 호수를 기준으로 하며, 이 두 호수는 수력 발전과 농업과 산업 및 생활 용수 공급을 그 목적으로 하고 있습니다. 상류 유역의 특징으로는 상류 지점 곳곳에 위치한 취수 지점 (double circle)을 통해 수력 발전에 이용되는 관로로 용수가 공급되며, 결과적으로 상류 지역의 모니터링 지점들은 직상류 지점의 수질에 직접적이고 즉각적으로 영향을 받게 됩니다. 따라서, 상류 지역의 수질 변화 경향은 지점별 특이성을 나타낸다고 할 수 있습니다. 수력 발전에 이용된 수량은 Sagami 강의 지류인 Tsuru 강과의 합류점에서 방류되며, 따라서 Sagami 호수 유입점 (K-9-7)에서 가장 큰 유량값을 나타냅니다. 

실제 연구 대상 지역 내 모니터링 지점은 상류 지역부터 Sagami 호수와 Tsukui 호수 사이 지점까지의 지점들이며, [그림 1]의 이탤릭체로 표기된 지점들의 모니터링 결과는 이 논문에서 다루어지지 않았습니다. 이 지역에서는 “Sagami”라는 강 이름은 Sagami 강의 하류 지역에 대해 사용하고, 따로 상류 지역에는 “Katsura”라는 강 이름을 사용하고 있기도 합니다.

모니터링 방법은 현장에서 샘플을 측정하면 즉시 0.45§­ size로 필터링 한 후, 질산 처리하여 pH를 1 정도가 되게 하였습니다. 수온, pH, 전기전도도, 유량 등 현장 측정 항목도 측정하였습니다. 현장에서 이뤄지는 연구 활동 외의 다른 모든 실험은 clean room에서 진행되었습니다. 중금속 분석을 위해서는 ICP-MS가 이용되었으며, 샘플 분석 전 certified river water reference materials (SLRS-2 or SLRS-3; National Research Council, Canada)을 이용하여 ICP-MS의 분석 능력을 시험하였습니다. 그 결과, SLRS-3를 이용했을 경우, Co, Zn 및 Sb을 제외한 다른 21개 중금속 항목들에 대해 95% 신뢰도 내에서 해당 중금속들의 농도를 측정할 수 있는 것으로 나타났으며, 95%의 신뢰도 내에 들어오지 않은 상기 3개 중금속 항목에 대해서도 그 이유와 나름의 합당한 가정 및 대처로 충분히 실제 샘플 측정에서 대비할 수 있다고 판단했습니다. 

실제 측정 결과를 분석해보면, Sagami 강의 상류 부분을 지칭하는 Katsura 강의 상류 지역에서는 뚜렷한 seasonal variation을 힘든데, 이는 후지산 기슭에서 자주 발생하는 산지성 강우 Eoansdlau, 이는 하류 유량의 많은 부분을 차지합니다. [그림 2]를 보시면, Kawaguchi 호수 하류에 있는 지점들에서의 V의 농도가 유량과 역관계로 연관이 있음을 알 수 있는데, 실제 데이터에서도 V 뿐만 아니라 As, Rb, Cs 및 U도 비슷한 시점에서 농도가 급감하였습니다. 이는 강한 집중 호우의 영향으로 Kawaguchi 호수가 범람한 것에 의한 것으로 여겨지며, 실제 이 시점의 각 중금속 항목의 모니터링 지점에서의 농도가 호수에서의 농도보다 월등히 높기 때문에 농도 급감 현상은 희석 효과에 의한 것이라고 판단할 수 있습니다. 이러한 현상은 Kawaguchi 호수보다 상류에 위치한 Yamanaka 호수 하류 지점들에서도 유사하게 고려될 수 있습니다. 

 [그림 2] Long-term variations in water flux and V at K-6-3 (Miya River).Open circles: actual concentration. Solid triangles: 12 month moving average

또, 상류 지역에 인접한 두 지역에 대해 단기 및 장기 variation에 대한 비교를 통해, 인접한 두 지역이라도 하수 관망이 완비되지 않아 생활 하수가 하천의 수체로 유입될 때 상이한 time variation을 나타낼 수 있음을 보였습니다. 한편, [그림 3]에서와 같이 Sb의 예외적으로 높은 농도가 나타나는 현상은 유역 내 관로 취수 시점과 호수의 체류 지연 시간 및 모니터링 결과를 통해 인근 염색 공장의 처리수 배출에 의한 것으로 유추할 수 있었으며, 실제 샘플 측정을 통해서도 높은 농도의 배출수가 강으로 유입되고 있음을 확인할 수 있었습니다. 

 [그림 3] Long-term variations in Sb at K-6-2. Open circles: actual concentration.Solid triangles: 12 month moving average

Katsura 강 중류 지역에서는 이보다 상류지역에 위치한 모니터링 지점들의 결과와 비교했을 때, 산지성 강우의 영향을 덜 받는 것으로 나타났습니다. 특히 Zn과 Cd의 경우, 특정 지점에서 매우 높은 경향을 보이는데 이 지점에서의 경우, Zn과 random variation이 [그림 4]에서와 같이 매우 유사하게 나타남을 알 수 있으며, 이는 두 중금속 항목이 같은 기원을 가지고 있음으로 유추할 수 있습니다. 실제 이 지역의 지천 쪽 상류에는 폐광산이 존재하고 있으며, 폐광 유출수의 유입이 지속되고 있습니다. Zn과 Cd은 이 폐광 유출수에 의해 영향을 받는 것으로 보이며, 실제 강우 정보와는 낮은 연관성을 보였습니다 (r2=0.23 for Zn and Cd, P<0.05). 또 Ni의 경우에도 2개의 산업 공장 시설에 의해 배출되는 높은 Ni 농도의 처리수에 의해 시간적 변화 경향보다 지엽적 특색이 발생하는 것을 알 수 있었습니다. 

 [그림 4] Relationship between Zn and Cd at K-6-6

이 논문을 리뷰한 이유는, 처음에는 에코 과제로 얻은 영산강 유역 내 중금속 항목에 대해 적용하여 “Seasonal variation”의 관점에서 접근해 보기 위함이었습니다. 하지만 이 논문은 seasonal variation에 구애 받지 않고 나름대로 유역 내의 환경을 종합적으로 고려하여 연구 대상 지역 내의 수질 변화 경향에 대한 전반적인 해석을 하려고 노력한 것 같습니다. 작게 보면, 광주천 중금속 농도에 대한 하천유지용수 추가 방류 전후를 비교할 때, 기본적인 통계적인 접근의 측면에서 도움이 될 것으로 생각되며, 영산강 유역 전체의 중금속 항목에 대한 source identification의 측면에서도 타당성을 보완하는 학문적 근거가 될 수 있을 것으로 생각됩니다.


** 리뷰어 : 이승원 (swonlee@gist.ac.kr)