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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.26 No.4 pp.503-512
DOI :

부산신항 용원수로에서의 퇴적물 용출특성에 관한 연구

권재현1, 김영도1*, 조영하2, 정태진1
1 인제대학교 환경공학부(낙동강유역환경연구센터), 2 인제대학교 보건대학원

A Study on Sediment Release Characteristics in Yongwon Channel, Busan New Port

Kim, Young Do1* , Kwon, Jae Hyun1, Cho, Young Ha2, Jung, Tae Jin1

Abstract

In Yongwon channel, its natural flow of seawater is blocked by the construction of Busan New Port including the container berth. The channel was transformed into a narrow and long one, where it is possible that ships are only allowed to pass through the north-side channel of Gyeonmado located at the point of river mouth to Songjeongcheon. In addition, Yongwon channel is approximately 100 m wide on average and 3,600 m long, and has the highest slenderness ratio (length/width = 36). So it is considered that the changes in the terrain characteristics of Yongwon channel is likely to alter the circulation of sea water, thereby changing its water quality. In this study, the bottom sediment were collected from the 48 points of the Yongwon channel and the long-term leaching characteristics were analyzed. Thus, changes in sediment and water quality were analyzed through the sediment release test to investigate the degree of contamination. The sediment release from the inside region was higher than the outer region, which is due to the pollutant that comes form the downtown area. The results of this study can be used to predict the water quality in the future and prepare the economically optimized countermeasures to improve the water quality of Yongwon channel, Busan New Port.

1. 서 론

 경상남도 창원시의 용원인근 해역은 부산신항 개발사업의 일환으로 추진된 북컨테이너 부두조성 사업 및 항만 배후단지 조성사업으로 전면 해역이 매립되어 원활한 해수흐름이 차단되고, 송정천 하구 지점의 견마도 북쪽 통로를 이용한 선박이동만이 가능한 좁고 긴 수로형태로 변형되었다. 용원수로의 평균 너비는 약 100 m 정도이며, 길이는 3,600 m 정도로 세장비(길이/너비 = 36)가 아주 큰 수로에 해당하며 과거에 비하여 조석에 의한 해수소통이 원활하지 않은 편이다. 따라서 용원수로에 유입되는 오염물질은 장기간 수로내에 체류되어 서서히 확산되는 양상을 보이고, 수로내로 유입되는 오염물질은 대부분 육상에서 기인하는 오염원으로 판단된다.

 호수나 하구와 같이 유속이 느린 수계의 저질토는 각종 유입 오염물이 침전되어 생성된 것으로 오염물의 침전지로 작용할 뿐만 아니라, 생물화학적 조건에 따라 수층으로 질소와 인이 용출됨으로서 영양염을 재공급하는 역할을 한다(Salomons 등 1987; Forsberg, 1989). 일반적으로 수층에서 저질토층으로 퇴적되는 영양염류의 양은 저질토로부터의 용출량에 비해 많아 저질토의 총 영양염류는 점차 증가하기도 하지만, 특정 환경 조건하에서는 급격한 용출량 증가로 부영양화가 더욱 극심해지기도 한다(Lennox, 1984). 외부에서 유입되는 영양염 농도와 수중의 영양염 농도를 함께 감소시켜도, 저질토로부터 용출된 영양염류로 인하여 수질개선 효과가 크지 않았던 사례도 있으며(Fast 등, 1975), 부영양화 방지를 위한 수질관리 대책이 수립 시행되어 유입 영양염류가 차단된다 하더라도 저질토가 준설되지 않으면 이와 같은 정체성 수역의 부영양화현상은 상당기간 지속될 수 있다(Schindler 등, 1977; Ryding, 1981; Lijklema 등, 1986). 위 연구들과 같이 외국에서는 연안퇴적물에 관한 연구가 꾸준히 진행되었으나, 우리나라에서의 연안 퇴적물에 대한 유기물질 농도에 관한 연구는 외국에 비해 상대적으로 부족하다(Choi 등, 2011).

 부산신항 개발공사와 더불어 용원수로의 수질변화에 대한 관심이 부각되어 사후 환경 모니터링 사업을 통해 2002년 이후 용원입구 1개 지점과 용원수로 내부 2개 지점을 포함한 3개 지점에서 지속적으로 다수의 수질항목이 관측되어 왔다(부산지방해양수산청, 2007; 부산지방해양수산청, 2008). 그러나 용원수로의 정량적인 환경변화 양상에 대한 명확한 분석결과가 없이는 효과적인 환경개선 대책수립이 곤란하므로 수질현황 분석 및 미래 수질변화 예측을 위해 용원수로의 환경변화에 대한 객관적이고 정량적인 분석 결과를 필요로 하고 있다. 본 연구에서는 용원수로의 퇴적물 영향을 조사 및 분석을 하고 주요지점의 저질토 채취와 장기간 용출실험을 하였다. 이를 토대로 수질 변화와 오염정도를 분석해 보고 장래 수질을 개선하기 위하여 용원수로 내 오염원을 제어하기 위한 기초자료를 제시하고자 한다.

2. 연구방법

2.1 퇴적토 채취 및 분석 방법

 퇴적토에서 용출되는 오염물질의 양을 현장에서 직접 측정하기에는 한계가 있어 본 연구에서는 현장에서 퇴적토를 채취하여 실험실에서 퇴적토 용출실험을 실시하였다. 1차 퇴적토 채취는 2010년 7월 29일 grab sampler를 이용하여 실시하였고 30일간 퇴적토에서 용출되는 오염물질을 분석하였다. 2차 퇴적토는 2010년 10월 13일 1차 채취와 동일한 방법으로 채취하였고, 1차 채취보다 지점별 오염 정도를 보다 정밀하게 파악하기 위해서 망산도 주변 수역(Fig. 1에서 Site 3-5)에서 시료채취 지점을 증가시켜 격자망을 구성하여 30일간 퇴적토에서 용출되는 오염물질을 분석하였다. 분석된 오염물질은 용원수로의 수질에서 문제가 되는 COD, TN, TP이며 수질오염공정시험법에 준해 실험을 실시하였으며 COD는 망간법으로 하였다.

Fig. 1. First sampling points in Yongwon channel

2.2 퇴적토 채취지점

 용원수로는 경남 창원시 진해구 용원동에 위치하고 있으며 지류는 송정천으로 남해로 유입하는 지방2급 하천이며 송정천의 하천유로 중심을 따라 좌안측은 행정그룹상 부산광역시 우안측은 경남 진해시에 속하는 경계하천이다(한국토지공사, 1996). Fig. 1에 나타낸 바와 같이 1차 용출실험에서는 용원수로 일대 총 26개 지점을 대상으로 하여 각 지점에서의 퇴적물을 채취하였고, 그 중 오염이 높다고 판단되는 Site 3 ∼ Site 5에 집중적으로 13개 지점의 퇴적토를 채취하였다. Fig. 2에 나타낸 바와 같이 2차 용출실험에서는 1차 용출실험보다 Site 3 ∼ Site 5 구간에 정밀한 조사를 위해 세밀한 격자망을 구성하여 22개 지점에서 채취하였다. 또한 정밀 조사 구간인 Site 3 ∼ Site 5의 구간을 4개의 그룹으로 나누어 조사하였다. A그룹은 상권지역의 육상인접지역이며, B그룹은 공장이 밀집되어 있는 육상인접지역이다. C그룹은 수로의 중심부에 해당하고, D그룹은 비교적 오염물질의 영향을 적게 받는 외측 지역으로 그룹을 나누어 분석하였다.

Fig. 2. Second sampling points in Youngwon channel

2.3 용출 실험장치 및 용출량 산정 방법

 퇴적물 코아의 높이를 일정하게 조절한 후 직상수를 연동펌프를 이용하여 서서히 주입하여 순환시킴으로서 가능한 한 현장상황을 모사하여 장치를 제작 및 운전하였고, 각 지점의 저층수를 현장에서 채취하여 직상수로 사용하였다. 총 26개 지점에서 채취한 퇴적물을 이용해 각 시료 당 30일 동안 혐기성 상태에서 용출시험을 동시에 실시하였고, 유출수 채취 후 채취한 양만큼 동일 직상수로 보충하였다. Fig 3에 용출실험장치의 모식도를 나타내었다. 또한 퇴적물 단위중량 당 용출량(mg/kg)은 용출 실험결과를 사용해 식 (1)을 이용하여 산정하였다.

Fig. 3. Schematic of reactor for sediment release test

3. 결과 및 고찰

3.1 용출실험 결과

 1차 용출실험 결과를 식 (1)을 사용해 용출량을 계산하여 Table 1에 나타내었다. Fig. 4에서는 지점별 특성을 보기 위해 Site 1 ∼ 5, Site 6 ∼ 18, Site 19 ∼ 26으로 분류하여 나타내었다. 각 지점별 용출량을 살펴보면, 비교적 다른 지점보다 Site 1 ∼ 5에서 TN, TP, COD 값이 높은 것을 확인할 수 있다. 특히 Site 1 ∼ Site 5의 TN 값은 평균 21.12 mg/kg으로 Site 6 ∼ Site 18의 평균값 13.78 mg/kg, Site 18 ∼ Site 26의 평균값 14.34 mg/kg보다 약 1.5배 정도 높아 용원수로의 내해지점에서 질소성분의 용출이 많이 발생되었음을 볼 수 있다. TP 용출량도 마찬가지로 Site 1 ∼ Site 5에서 2.17 mg/kg으로 Site 6 ∼ Site 18의 0.97 mg/kg, Site 18 ∼ Site 26 1.15 mg/kg보다 용출이 많이 되었다. COD 용출량도 마찬가지로 Site 1∼ Site 5에서 30.86 mg/kg으로 Site 6 ∼ Site 18의 21.90 mg/kg, Site 18 ∼ Site 26의 24.55 mg/kg보다 많이 용출되었다. 따라서 Site 1∼ Site 5의 TN, TP, COD의 용출량이 Site 6 ∼ Site 18, Site 18 ∼ Site 26보다 높음을 알 수 있는데, 그 원인으로는 Site 1 ∼ Site 5가 수로 내부에 있어서 해수 소통이 원활하지 못해 퇴적물이 지속적으로 쌓이면서 오염물질의 축적이 장시간 이뤄졌기 때문으로 보인다.

Table 1. Result of 1st sediment release test

Fig. 4. Sectional result of 1st sediment release test

 2차 용출실험 결과도 동일한 방법으로 식 (1)을 사용해 용출량을 산정한 결과를 Table 2에 나타내었다. Fig. 5에서는 1차 용출실험보다 Site 3 ∼ Site 5 구간에 정밀한 조사를 위해 세밀한 격자망을 구성하여 22개 지점에서 채취한 결과 값을 A ∼ D그룹으로 나누어 평균 용출량을 산정하였다.

Table 2. Result of 2nd sediment release test

Fig. 5. Sectional result of 2nd sediment release test

 A와 B그룹 같은 경우에는 육상과 근접해 있지만, C와 D그룹의 경우는 상대적으로 수로의 중심부에 해당되며, Fig. 2 우측 상단에 나타내었다. 실험 결과 평균값을 비교하면, A와 B그룹의 용출량이 C와 D구간보다 비교적 평균 용출량이 높게 산정되었다. TN, TP, COD 값이 A그룹에서 21.62 mg/kg, 3.28 mg/kg, 29.54 mg/kg으로 계산되었고, B그룹에서 14.55 mg/kg, 1.80 mg/kg, 25.59 mg/kg의 용출량이 계산되었다. 이는 C그룹 10.94 mg/kg, 1.14 mg,kg, 19.74 mg/kg, D그룹 15.08 mg/kg, 1.00 mg/kg, 20.79 mg/kg의 용출량에 비해 상당히 높게 용출되었음을 알 수 있다.

 실험결과의 원인으로는 비슷한 유형의 그룹별로 용출실험에 대해 분석을 했을 때, A그룹과 B그룹의 지리적 특성이 육상과 인접하여 있기 때문에 육상에서 나오는 오염물질에 대한 영향이 C와 D그룹보다 더 많음을 알 수 있다. 또한 A그룹은 상가지역에 해당하며, B그룹은 공장지역에 해당되는 이유로 상가지역에의 나오는 오염물질의 대한 영향이 더 많음을 알 수 있다.

3.2 용원수로내 용출량 공간분포 특성

 1차 실험과 2차 실험의 용출량의 농도 분포를 Fig. 6과 같이 나타내었다. 농도 분포 특성을 평가하기 위해 SMS 모형의 후처리시스템을 이용하여 나타내었고, 격자를 구성한 뒤 지형자료에 용출 농도를 적용하여 선형보간하였다. 내해가 외해보다 비교적 높은 용출량의 농도 분포를 보여준다. 1차와 2차의 장기간 용출실험결과를 평균 용출량을 계산하여 Fig. 7에 나타내었다. 1차 용출실험결과 TN은 약 10일 이전에 빠르게 증가하다가 그 후 증가추세가 둔화되고 있으며 반응시간 30일 후에 총 15.35 mg/kg의 지점별 평균 용출량을 보였으며, 2차 용출실험에서도 증가함을 보였다. 2차 용출실험도 1차 용출실험과 비슷하게 8일째까지 급격한 증가 추세를 보이나 이후 완만한 증가 폭을 보이며 30일째 15.14 mg/kg의 값을 보였다. 또한 1차 및 2차 용출량의 실험결과 용출량이 계속적으로 증가하는 것이 아니라 1차 실험은 약 10일 2차 실험은 약 8일까지만 빠르게 증가하는 것을 볼 수 있는데 이는 실험을 하기 위해 채취해온 시료의 양이 한정되어 있으며 제한된 공간에서 실험을 하였기 때문에 실험적인 부분도 영향을 미치는 것으로 판단된다. 1차 용출실험결과 TP는 지속적으로 증가하여 최종 반응시간 30일에서 총 1.17 mg/kg의 지점 평균용출량을 보였으며 2차 용출실험에서는 초기에 급격히 증가하다가 8일째 1.17 mg/kg의 값을 나타내며 이후 지속적으로 증가하여 최종 반응시간 30일에서 총 1.53 mg/kg의 값을 나타났다. TP 역시 최종 반응시간 30일에서 가장 높은 평균용출량의 결과 값이 나왔고, TN과 마찬가지로 약 8일까지 비교적 빠르게 증가하는 것을 볼 수 있다. 1차 용출실험 결과 COD의 경우는 반응시간에 따라 증가추세가 나타났고 30일 동안 총 용출량은 지점별 평균 24.43 mg/kg의 값을 나타내었다. 15일에서 30일 사이에서는 용량이 크게 증가하지 않는 것으로 분석되었다. 2차 용출실험 결과 1차 용출실험결과와 마찬가지로 반응시간에 따라 증가추세가 나타나고 15일에 해당하는 용출량은 20.54 mg/kg이고, 15일 경과 후 미세한 증가를 나타났다. COD 역시 실험값이 일정시간까지만 증가함을 알 수 있는데 위의 TN, TP 실험과 같은 영향을 받는 것으로 판단된다.

Fig. 6. Spatial distribution of sediment release

Fig. 7. Comparison of sediment release according to time

 1차와 2차의 장기간 용출실험결과를 평균 용출량으로 나타내 상관관계를 분석한 결과를 Fig. 8에 나타내었다. TN과 COD의 1차와 2차의 평균 용출량을 비교하는 R²은 0.9937과 0.9670로 높은 상관관계를 나타나고, TP의 경우 0.7779로 비교적 낮은 상관관계를 나타났다.

Fig. 8. Correlation of 1st and 2nd sediment release tests

3.3 주요지점의 용출량 수직분포

 퇴적토내 오염물질의 수직분포를 파악하기 위해서 주요 오염지점에 대해 층별실험을 실시하였다. 층별 토양 채취기를 이용하여 퇴적토를 채취하고 15일간 퇴적토에서 용출되는 오염물질을 분석하였으며 용원수로 내의 육지 부근의 퇴적토 최대 깊이가 약 50 cm로 측정되었다. 퇴적토의 오염이 예상되는 지역 중 주요 오염지점 5곳(Fig. 9 참조)의 깊이 10 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm, 50 cm의 퇴적토를 대상으로 실험을 실시하였고, 각 Site의 깊이에 따른 용출량을 1 day, 8 day, 15 day로 나누어 깊이에 따른 지점별 용출량을 실험하여 Fig. 10에 나타내었다. Fig. 10과 Fig. 11을 보면, TN은 Site 2와 Site 3 지점의 용출량이 많으며 Site 1의 20 cm, Site 3의 50 cm, Site 4의 40 cm Site 5의 20 cm 깊이 부근까지의 퇴적토가 비교적 오염된 상태를 보였다. TP는 Site 2, Site 3, Site 4 지점의 용출량이 높고, 비교적 오염된 상태를 보였고, COD는 Site 2와 Site 3 지점의 용출량이 많으며 Site 1의 20 cm, Site 2의 30 cm, Site 3의 50 cm, Site 4의 30 cm, Site 5의 20 cm 깊이 부근까지의 퇴적토가 비교적 오염된 상태를 나타났다. TN, TP, COD의 Site 2와 Site 3 지점의 용출량이 Site 1, Site 4, Site 5보다 높게 나타난 이유는 이 두 지점은 용원수로의 상권이 가장 밀집해 있는 지역이며 육상의 식당에서 나오는 오염물들이 토구를 통해 직접적으로 유출되기 때문으로 판단된다.

Fig. 9. Sampling sites for vertical distribution

Fig. 10. Vertical distribution of sediment release test

Fig. 11. Average of sediment release test for vertical distribution

3.4 오염물질 유입경로 및 부하량

 용원수로 유역의 오염물질 부하량을 조사하기 위해 주변 지역 내 존재하는 토구에서 유출되는 유량을 조사하였고, 토구의 위치는 Fig. 12와 같다. 용원수로 지역은 합류식 하수관망이 설치되어 있으나 일부 직접 토구로 하수가 방류되어 우기시 월류하는 월류수가 토구 및 관거에서 유출되거나 직접적인 하수유입이 이루어지는 것으로 파악되어 유량조사는 해당 지점 토구에서 실측하였다. 실측한 평균 토구유출유량과 BOD 부하량은 Fig. 13과 같다. Site 1, Site 2, Site 3은 토구가 밀집되어 있고, Site 4의 같은 경우는 비교적 토구가 밀집되어 있지 않고, Site 8은 용원수로 지류인 송정천의 토구의 영향을 받는다. 반면, Site 5와 Site 6과 Site 7은 토구유출량의 영향이 거의 없다고 판단된다. Site 1, Site 2, Site 3, Site 4, Site8의 평균 토구유출유량은 각각 0.554 m³/min, 0.446 m³/min, 0.485 m³/min, 1.414 m³/min, 1.731 m³/min로 측정되었고, BOD 부하량은 각각 77.69 kg/day 1.96 kg/day, 6.00 kg/day, 23.13 kg/day, 46.37 kg/day로 산정되었다. Site 1에 해당하는 토구유출유량은 0.554 m³/min인 반면, BOD 부하량은 77.69 kg/day로 다른 지점보다 높게 산정되었다. Site 1을 제외하고, Stie 2, Site 3, Site 4, Site 8에서는 유량이 증가하면 BOD 부하량도 증가하는 그래프 형태를 볼 수 있다. 따라서 수로 시작 지점인 Site 1이 육상에서 기인하는 유기물질 부하량이 높으며 이로 인해 앞 절에서 설명했듯이 퇴적토에 축적되는 양과 용출되는 양도 높다고 판단된다.

Fig. 12. Locational map of sewer outfall

Fig. 13. Average of BOD concentration and flowrate of sewer outfall

4. 결론

 용원수로의 공간별 퇴적물 분포에 따른 용출실험과 주요 오염지점 층별 용출실험 및 결과를 요약하면 다음과 같다.

 1) 1차 용출실험에서는 Site 1∼ Site 5의 TN, TP, COD의 용출량이 Site 6 ∼ Site 18, Site 18 ∼ Site 26보다 높음을 알 수 있는데, 그 원인으로는 Site 1 ∼ Site 5가 수로 내부에 있어서 해수 소통이 원활하지 못해 퇴적물이 지속적으로 쌓이면서 오염물질의 축적이 장시간 이뤄졌기 때문으로 보인다.

 2) 2차 용출실험에서는 비슷한 유형의 그룹별로 용출실험에 대해 분석을 했을 때, A그룹과 B그룹의 지리적 특성이 육상과 인접하여 있기 때문에 육상에서 나오는 오염물질에 대한 영향이 C와 D그룹보다 더 많음을 알 수 있으며, 또한 A그룹과 B그룹은 정박되어 있는 선박들이 많기 때문에 선박들 정비 시 유출되는 기름이나 오염물질도 영향력이 높다고 판단된다.

 3) 주요오염 지점의 층별 깊이에 따른 TN, TP, COD 결과는 Site 1은 20 cm, Site 2 40 cm, Site 3 50 cm, Site 4 30 cm, Site 5 20 cm 깊이 부근까지의 퇴적토가 비교적 오염된 상태를 보였고, Site 2와 Site 3의 용출량이 Site 1, Site 4, Site 5보다 높게 나타난 이유는 이 두 지점은 용원수로의 상권이 가장 밀집해 있는 지역이며 육상의 식당에서 나오는 오염물들이 토구를 통해 직접적으로 유출되기 때문이라 판단된다.

 4) 주요지점의 층별 실험결과, 용원수로의 퇴적토의 용출량이 높은 지역은 Site 2와 Site 3으로 나타났다. 그 원인으로는 해수의 유입이 차단되었기 때문에 육상에서 기인하는 오염원의 영향이 크다고 판단된다.

 5) 본 연구에서는 용원수로의 육상에서 기인하는 오염원 영향이 크다고 판단되어, 그 원인이 될 수 있는 토구와 토구에서 배출되는 유량을 조사하여 BOD 부하량을 산정하였더니, Site 1에 해당하는 토구유출유량은 0.554 m³/min인 반면, BOD 부하량은 77.69 kg/day로 다른 지점들보다 높게 산정되었다. 따라서 퇴적토에 축적되는 양과 용출되는 양도 높다고 판단되고, 낮은 유량과 높은 BOD 부하량은 퇴적토의 용출량이 높은 이유가 될 수 있으며, 퇴적토를 제거하여 수질 개선하는 방법 등의 적절한 수질관리의 적용성이 필수적이라고 사료된다.

감사의 글

 본 연구는 부산지방해양항만청 부산항건설사무소의 지원을 받아 한국해양과학기술원과 ㈜세광종합기술단이 공동으로 수행중인 부산항 신항 해양수리현상 연구개발용역 중 용원수로의 수질변화 분석 및 대책 검토 위탁과제에 의해 수행된 것임

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