부산지역 도시공원 내 토양 중금속 오염도 평가 적용방법 연구
Study on Application Method of Soil Heavy Metal(loid) Pollution Indices for Urban Park Soils in Busan
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This study evaluated the contamination of heavy metals (HMs) in the soil of 153 urban parks in Busan using soil pollution indices such as the single pollution index (PI), geoaccumulation index (Igeo), Nemerow pollution index (PIne), and potential ecological risk index (RI). The average concentration of each HM was 0–269.7% of the natural background concentration and 0–34.9% of the soil pollution warning standard. The artificial pollution level of cadmium (Cd) was higher than that of other HMs. The high degree of pollution of Cd may be related to emissions from industrial facilities and transport vehicles. Although the concentration of HMs are lower than the soil pollution warning standard, there is a possibility that HMs will accumulate due to point sources, such as various industrial activities, and non-point sources, such as vehicle pollution and import of soil from unknown sources. The PI and RI were used to determine the soil pollution levels of the urban parks. This study provides a policy basis for the management and hazard prevention of park soil pollution.
1. 서 론
「도시공원」이라 함은 「국토의 계획 및 이용에 관한 법률」 제2조의 규정에 의한 공원으로서 도시지역에서 도시자연경관을 보호하고 시민의 건강·휴양 및 정서 생활을 향상시키기 위해 도시관리계획으로 만들어진 공원을 말한다. 도시공원·녹지의 유형별 세부기준 등에 관한 지침(국토교통부 훈령 제306호)에서는 도시공원의 유형을 생활권공원(소공원, 어린이공원, 근린공원)과 주제공원(역사공원, 문화공원, 수변공원 등)으로 구분하는데, 현재 부산시에 현재 등록된 985개소의 도시공원 중에는 생활권공원이 906개소(92%)로 대다수를 차지하며 생활권공원 중에서도 어린이공원이 434개소(47.9%), 소공원이 315개소(34.8%), 근린공원이 157개소(17.3%) 순으로 파악되었다[1].
어린이공원, 소공원과 같은 생활권공원은 이른바 pocket park로서 시민들의 휴식, 대화, 이벤트, 놀이, 기다림, 독서공간과 같은 다양한 쓰임새로 인근 주민, 통행자들에게 제공되는 도심 속 자연으로서의 가치가 큰 공간이라고 할 수 있다. 어린이, 노약자와 어린이의 안전을 고려하여 바닥재질을 모래, 흙, 탄성 고무 바닥재 등을 주로 사용하며 놀이시설, 휴게시설, 조경시설 등에 대해 건강 민감 계층의 이용 등을 고려하여 관련 법령에 따라 그 안전성을 관리하고 있다.
공원지역 모래와 흙의 경우 토양환경보전법 제4조의 2에 따른 토양오염의 우려기준 중 1지역 기준을 만족해야 하며 토양오염물질 중 주로 중금속에 대한 관리를 중점으로 하고 있다. 중금속에 의한 토양오염은 산업화와 도시화에 따라 인위적으로 토양오염물질이 토양에 유입되는 경로가 다양해졌다. 특히, 오염된 폐기물을 공원 내에 함부로 투기하거나[2], 산업시설에서 배출되는 오염물질 그리고 오염물질 운반차량에 의해서도 오염가능성이 있다[3,4]. 또한, 대부분의 도로에서 발생하는 엔진 배기가스, 도로나 자동차 부품의 마모 등을 통해 발생하는 납(Pb), 카드뮴(Cd), 구리(Cu), 아연(Zn) 등 다양한 중금속이 방출되고 주변으로 확산되어[5,6,7], 인접한 도시공원 토양에 중금속 오염을 일으킬 수 있다. 토양오염은 수질과 대기에 의한 오염에 비해 그 범위가 비교적 국소적이고 오염물질이 불균질하게 분포하는 특징이 있으며, 한번 오염이 되면 자연정화가 이루어지지 않고 계속 축적되어 그 영향이 장기간에 걸쳐 만성적으로 일어나는 경우가 많다. 특히, 흙이나 모래를 직접 만지면서 노는 어린이의 경우 입이나 피부를 통해 중금속과 같은 오염물질에 직접적으로 노출될 우려도 있다[8].
환경요소의 안전성을 확보하기 위해 토양에 존재하는 중금속의 총 함량을 법적 기준치 이내로 관리하는 것은 중요한 과제이다. 그러나, 현재의 토양오염 관리는 조사한 중금속의 함량과 기준치를 단순 비교하여 기준초과 또는 기준 이내로 오염과 비오염 여부를 판단하므로 인위적인 오염원에 의한 영향과 기존 토양의 특성에 따른 자연배경농도 간의 오염 개연성을 구분하는 데는 어려운 점이 있다. 또한, 토양오염의 수준 특히 여러 항목의 중금속 오염도를 포괄적으로 평가하고 오염도 증가를 대비하기 위한 자료로서도 한계가 있다. 그래서, 이를 보완하기 위해 토양 중 중금속 오염을 효과적으로 평가하는 오염지수(pollution index) 산출 방법들이 활용되고 있는데[9~18], 이러한 오염지수 평가는 토양질(soil quality)을 보다 종합적으로 평가하고 등급으로 단순화하여 표현함으로써 토양의 중금속 오염에 대한 전문가가 아닌 일반인에게도 쉽게 설명이 가능하고, 환경적 위험성을 예측하고 대비할 수 있는 장점이 있다[16,19].
따라서, 본 연구에서는 부산광역시보건환경연구원에서 그간 축적한 토양오염실태조사 자료를 토대로 부산의 도시공원 토양오염도에 대해 토양오염도 지수평가를 적용해 보고 아울러 토양오염도를 예측하여 대비하는 등 정책적으로 활용 가능한 지표가 있는지에 대해 평가해 보고자 한다.
2. 재료 및 방법
2.1. 연구기간 및 대상
본 연구는 2013년부터 2023년까지 부산지역 토양오염 실태조사 자료 중 15개 구·군 공원(영도구 공원조사 자료 없음) 153개소 토양오염도 자료를 대상으로 하였으며 반복 조사(2회~8회) 가 이루어진 일부 공원은 평균 자료를 사용하였다. 구·군별로는 중구 3개소, 서구 1개소, 동구 1 개소, 부산진구 9개소, 동래구 12개소, 남구 4개소, 북구 31개소, 해운대구 19개소, 사하구 7개소, 금정구 16개소, 강서구 17개소, 연제구 9개소, 수영구 7개소, 사상구 5개소, 기장군 12개소이며, 각 조사 지점은 Fig. 1에 나타내었다. 153개 도시공원의 유형별로는 어린이공원이 132개소(86.3%)로 대다수를 차지하며 그 외 근린공원 17개소(11.1%), 소공원 2개소(1.3%), 유원지 1개소(0.6%), 체육공원 1개소(0.6%) 순이다.
Sampling sites of soils taken from urban parks in Busan.
2.2. 시료채취
시료는 부산지역 각 구·군에서 토양오염이 우려되는 곳을 선정하여 2013년에서 2023년 4월에서 5월초 사이에 강우의 영향이 없는 날에 채취하였으며, 시료는 오염이 우려되거나 대표성을 가지는 1곳을 중심으로 공원의 면적을 감안하여 주변 4방위 일정 간격 거리에 있는 4개 지점을 선정하여 표토(15 cm) 약 100 g씩 채취하여 혼합한 시료를 1개의 분석용 시료로 하였다.
2.3. 분석항목 및 분석방법
2.3.1 pH
토양오염공정시험기준(MOE, 2022)에 의해 분석용 시료 5 g을 정밀하게 취하여 50 mL 비이커에 넣고 25 mL 증류수를 가하여 가끔 저어주면서 1시간 방치한 후 pH meter(Orion SA720)를 이용하여 측정하였다.
2.3.2. 토양 중금속 분석
공원 토양 중금속 분석은 토양오염공정시험기준(MOE, 2022)에 따라 실시하였다. 카드뮴(Cd), 구리(Cu), 비소(As), 납(Pb), 아연(Zn)과 니켈(Ni)의 분석은 토양(< 0.15 mm) 3.0 g에 왕수(HCl 21 mL + HNO3 7 mL)를 첨가하여 혼합한 후 흑연블럭(ODLAB, ECOPRE, Korea)을 이용하여 가열 · 분해하고, 여과하여 100 mL로 표선한 것을 유도결합플라즈마 분광광도계(Agilent 720 OES, USA)를 사용하였다. 6가크롬 분석은 수분 보정한 토양 2.5 g을 분해용액으로 전처리하여 자외선/가시선 분광법에 따라 UV-VIS spectrophotometer (Agilent CARY100, USA)로 흡광도 540 nm에서 측정하였다. 수은(Hg)의 경우 토양 시료(< 0.15 mm) 0.05 g 내외로 사용하여 열적 분해 아말감 원자흡수분광광도계(Milestone DMA-80evo, Italia)를 이용하여 분석하였다.
정도보증 및 정도관리는 토양오염공정시험기준에 따라 수행되었으며, 미국 ERA(Environment Resource Associates) 인증표준물질의 중금속 평균 회수율은 89.8% ~ 102.2%를 나타내었다.
2.4. 오염지수 산출방법
2.4.1 단일오염지수(PI, single pollution index)
단일오염지수(PI)는 토양 중 중금속 농도와 배경농도 간의 비율로 토양의 개별 중금속 오염도를 비오염(absent)에서 매우 강한 오염(very strong)으로 분류하여 평가한다[11,16]. 식 (1)에 의해 PI가 1 미만이면 오염이 없는 것으로 보고 1 이상이면 단계별로 낮음 ~ 강한 오염이 있는 것으로 판단한다(Table 1). 배경농도는 전국 토양측정망 자료[20] 중 2011~2021년 배경농도(부산 공원지역) 자료를 활용하였다.
Classification of soil pollution indices applied in this study
Cn : Concentration of heavy metal in soil
GB : Values of Geochemical background
2.4.2. 지화학적농축계수(Igeo)
토양의 중금속 함량을 오염되지 않은 토양과 비교하여 정량화하는 방법으로 1969년 Muller [21]에 의해 제안된 지화학적농축계수(Igeo, Index of Geoaccumulation)로 산출하였다 환산식은 식 (2)와 같으며 1.5는 중금속 자연배경농도의 가변성을 보정하기 위한 계수로 사용하였다[21~24]. Igeo 지수가 0 미만으로 나타나면 오염이 없는 것으로 보며 총 7개 등급으로 구분하여 평가하였다(Table 1).
Cn : Concentration of heavy metal in soil
GB : Values of Geochemical background
1.5 : Constant indicative of the natural fluctuations and minor anthropogenic influences
2.4.3. 토양오염등급(SPC, Soil Pollution Class)
토양오염등급(SPC)는 토양 중 중금속 농도에 따른 토양질의 상태를 종합적으로 판단하기 위해 공원지역 토양에 적용되는 토양오염우려기준 1지역 기준(카드뮴 4 mg/kg, 구리 150 mg/kg, 비소 25 mg/kg, 수은 4 mg/kg, 납 200 mg/kg, 6가 크롬 5 mg/kg, 아연 300 mg/kg 니켈 100 mg/kg)을 고려하여 토양오염점수(SPS, Soil Pollution Score)를 식 (3)에 따라 산출하고 토양오염도를 등급화(SPC, Soil pollution class)하는 것이다[25]. 중금속 농도에 각 중금속의 토양오염 우려기준을 나눈 값을 합하여 백분율 한 것으로 4개 등급으로 분류한다(Table 1). 토양오염점수가 300점 이상이면 4등급, 300∼200이면 3등급, 200∼100점 사이면 2등급, 100점 미만은 1등급으로 분류한다. 토양오염 4등급 지역은 토양이 오염된 지역으로 분류하고, 3등급은 토양오염이 우려되는 지역, 1등급과 2등급은 토양 오염도가 낮거나 양호한 지역으로 볼 수 있다.
i : Cd, Cu, As, Hg, Pb, Cr6+, Zn, Ni,
Ci : Concentration of heavy metal in soil
TVi : Soil pollution warning criteria for heavy metal (loid)s (region 1)
n : number of heavy metal(loid)s
2.4.4. Nemerrow 오염지수(PIne, nemerow pollution index)
Nemerrow 오염지수(PIne)는 다수의 중금속을 종합적으로 평가하는 지수로써 앞서 계산된 단일오염지수(PI)를 활용하여 식 (4)에 의해 계산한다. PIne가 0.7 미만이면 비오염(clean), 0.7 보다 크면 오염 우려(warning limit)에서 심각한 오염수준(heavily pollute) 까지 구분하여(Table 1) 중금속에 의한 통합 토양오염도를 판단하였다.
PI : calculated values for the Single Pollution Index
PI max : maximum value for the Single Pollution Index
n : number of heavy metal(loid)s
2.4.5. 잠재적 생태위해도 지수(RI, potential ecological risk Index)
토양의 잠재적 생태위험 정도를 평가하는데 사용되는 지수로 잠재적 생태 위험성이 낮은(low) 수준에서 매우 강한(highly strong) 수준으로 분류하여 평가한다[16]. 산출식(식 5)에서 Tr은 독성반응상수를 나타내는데 개별 중금속의 독성반응상수(카드뮴: 30, 구리: 5, 비소: 10, 수은: 40, 납: 5, 크롬: 2, 아연: 2, 니켈: 5)를 사용하며 앞서 계산된 단일오염지수값 PI를 사용하여 산출하였다.
PI : calculated values for the Single Pollution Index
Tr : Toxic reaction constant
n : number of heavy metal(loid)s
3. 결과 및 고찰
3.1. 공원 토양의 중금속 농도
부산지역 153개 도시공원 토양오염도는 전 지점이 토양오염우려기준(1지역) 이내였으며 중금속 각 항목별 농도 분포는 Table 2에 나타내었다. 중금속 평균 농도는 아연 (104.7 mg/kg) > 납 (26.7 mg/kg) > 구리 (18.7 mg/kg) >ﾠ니켈 (8.4 mg/kg) > 비소 (5.31 mg/kg) > 카드뮴 (1.38 mg/kg) > 수은 (0.04 mg/kg) > 6가크롬 (불검출) 순이며, 6가 크롬의 경우 153개소 중 1개소(0.88 mg/kg)를 제외하고는 모두 불검출을 나타내었다. 이는 최 등26)이 2014년 울산지역 소공원과 어린이공원을 조사한 결과 및 2019년에 박 등[27]이 실시한 경남지역 공원 토양환경조사 결과와 비교하면 대체적으로 부산지역 공원 중금속 농도와 분포 경향은 비슷한 편이나, 카드뮴 평균 농도는 울산에 비해서는 2배, 경남에 비해서는 5배 정도 높은 것으로 나타났다. 또한, 부산지역 환경부 토양오염측정망 공원 배경농도(2011~2021)가 전국 공원지역 배경농도[20]와 윤 등[28]이 전국 지질단위별로 조사한 우리나라 토양의 중금속 자연배경농도 평균에 비해서도 상대적으로 높은 것으로 나타났다.
Total concentrations of heavy metal(loids) in the urban park soils in Busan (unit : mg/kg)
토양오염우려기준(법적기준) 대비 도시공원 중금속 평균 함량과 공원지역 배경농도 대비 중금속 평균함량은 Table 3에 나타내었다. 토양오염우려기준 대비 중금속 평균 함량은 아연 34.9% > 카드뮴 34.4% > 비소 21.2% > 납 13.3% > 구리 12.5% > 니켈 8.4% > 수은 0.9% 수준으로 기준 대비 평균 34.9% 수준 이하로 낮게 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고, 환경부 토양측정망 중 부산지역 공원 배경농도에 대비해서는 카드뮴 269.7% > 비소 88.9% > 수은 84.3% > 납 81.0% > 아연 79% > 니켈 61.9% > 구리 57.2% 순으로 나타나 카드뮴은 배경농도의 2.6배를 상회하는 것으로 나타나 카드뮴에 의한 토양오염의 개연성을 확인할 수 있었다.
Comparison of heavy metal(loid) concentrations with the warning criteria and natural background concentrations (unit :%)
3.2. 공원 입지여건에 따른 중금속 오염도
도시공원 153개소를 입지 여건에 따라 구분한 결과 주거 지역에 위치한 공원이 총 136개소(88.9%)로 대다수를 차지하였고, 공업지역이 10개소(6.5%), 녹지지역이 6개소(3.9%), 상업지역은 단 1개소(0.6%)였다. 공업지역 인근 공원 10개소는 금정구 금사동, 강서구 송정동, 신호동, 지사동, 화전동 등 대규모 산단지역 인근에 위치한 공원들이며, 녹지지역 공원은 부산진구 부산시민공원, 강서구 렛츠런파크, 중구 용두산공원 등이다.
입지여건별 공원 토양 중 중금속 오염도를 비교한 결과는 Fig. 2에 나타내었다(상업지역 1개소 제외). 공업지역이 주거와 녹지지역에 비해 중금속 7개 항목(6가크롬 모두 불검출로 제외) 평균 농도가 모두 높게 나타나, 공업지역이 주거와 녹지지역에 비해 공원의 토양오염도에 미치는 영향이 더 크다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 주거지역이 녹지지역에 비해서는 중금속 농도가 비슷하거나 다소 높게 나타난 것은 녹지지역에 비해 차량이동으로 인한 분진과 매연의 영향을 더 받고 있기 때문인것으로 추정한다. 송 등29)과 정 등30)의 도시지역 도로 먼지의 중금속 오염도 특성 연구 결과에서 아연·납·니켈은 휘발유·경유 등의 차량용 연료연소, 카드뮴은 타이어의 마모, 구리는 브레이크 라이닝의 마모, 납은 도로면 페인트의 마모 등에 의해 도로 먼지에 중금속이 축적되는 것으로 보고한 바 있어 차량 연료연소와 차량 부속 소모품의 마모 등으로 인해 교통량이 많은 도로 인근, 차량정체가 심한 구역 등에서는 도로 주변 퇴적먼지 등을 통해 주변 공원 토양오염도에 직접적인 영향을 줄 수 있을 것으로 판단된다.
Comparison of heavy metal concentrations of parks in a residential area (n = 136), industrial area (n = 10), and green area (n = 6). The X and horizontal lines represent the mean and median values, respectively.
앞서 기술한 바와 같이 부산 도시공원 토양이 부산 인근 타 도시 공원에 비해 토양 카드뮴 농도가 높은 경향을 보였다. 토양 중 카드뮴 농도 분포를 공원 입지여건(공업, 주거, 녹지지역) 별로 구분하여 전국 공원지역 카드뮴 배경농도(0.39 mg/kg)와 부산 공원지역 카드뮴 배경농도(0.51 mg/kg) 그리고 최근 3년간(2019~2021) 토양오염실태조사 전국 공원지역 카드뮴 평균 농도(0.70 mg/kg)와 비교하였으며 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다.
Concentrations of cadmium(Cd) of parks in a residential area (n = 136), industrial area (n = 10), and green area (n = 6). Red lines indicate means. ● represents the 5th/95th percentile values.
부산지역 내에서도 공업지역(카드뮴 평균 1.96 mg/kg)에 위치한 공원이 주거 및 녹지지역 공원(카드뮴 평균 1.33 mg/kg)에 비해 카드뮴이 1.5배 가량 더욱 높게 나타났고, 통계적으로도 평균에 유의미한 차이가 있는 것(p<0.05)을 확인하였다. 주 등8)은 서울시 용도지역에 따른 어린이놀이터와 주변지역 토양의 중금속 오염 평가에서는 납과 구리는 상업지역에서 카드뮴과 6가 크롬 검출량은 공업지역 어린이놀이터에서 가장 높게 나타났다고 평가하였다. 카드뮴은 주로 금속부품의 도금과 합금, 그림물감의 색소 및 안료, 플라스틱 공장, 사진재료, 살균제, 폴리염화비닐 중의 안정제 및 건전지 등에 많이 사용하는 금속이다[26]. 또한, 자동차의 윤활유나 타이어제조에 사용되므로 도로 인근 분진에서도 상대적으로 높게 검출되는 것으로 알려져 있어[31], 관련 산업시설 배출원이 인근에 있거나, 관련 원료 수송차량 등 차량 자체의 통행량이 매우 빈번한 곳에 위치한 공원은 카드뮴 등의 축적 경향이 높게 나타날 수 있으므로 배출원 분진관리 및 차량 이동에서 나오는 도로 퇴적먼지 등에 대한 관리가 필요한 것으로 판단된다.
부산 공원지역 카드뮴 배경농도가 전국 평균 배경농도보다 상대적으로 높은 점 외에 본 연구에 사용잠재적 생태위해도 지수한 토양오염실태조사 자료의 목적상 토양오염이 우려되는 공원 토양을 적극적으로 발굴하여 조사한 영향도 있을 수 있을 것으로 판단한다. 다만, 공업지역 뿐 아니라 주거와 녹지 지역을 포함해서 전체적으로 카드뮴이 전국 공원 평균에 비해 조금 높은 경향을 보이는 것은 산업시설과 같은 특정오염원 뿐만 아니라 차량 관련 도로 먼지 및 매연 등의 영향으로 볼 수 있으며 도시공원 토양에 대한 보다 정기적인 모니터링 등 관리가 필요할 것으로 판단된다.
3.3. 오염지수에 의한 토양 중금속 오염도 평가
3.3.1. 개별 중금속 오염도 평가
토양 내 개별 중금속 항목의 오염도 수준 평가를 위해 토양이 기본적으로 가지는 배경농도와 비교하는 단일오염지수(PI), 지화학적농축계수(Igeo)를 활용하였는데 6가 크롬은 배경농도가 불검출, 공원 토양도 대부분 불검출 수준으로 나타나 제외하고 분석하였다. 그리고 다수의 중금속 오염도를 함께 평가하기 위해서 토양오염등급(SPC), Nemerrow 오염지수(PIne) 및 잠재적 생태위해도 지수(RI)를 분석하여 토양 중금속 오염도를 종합적으로 평가하였다. 또한, 평가에 활용하기 위해 선행연구들을 토대로 다양한 배경농도를 조사하였으나 지질학적 조건에 따라 토양의 배경농도가 달라짐28)을 감안하여 본 연구에서는 환경부 토양측정망 자료 중 2011~2021년 부산 공원지역 배경농도 자료를 활용하였다.
3.3.1.1. 단일오염지수(PI)
153개 공원토양 중 7개 중금속에 대해 단일오염지수(PI)를 분석한 결과는 Fig. 4에 나타내었다. 산출결과 개별 중금속 오염도는 카드뮴과 수은을 제외한 중금속에서 도시공원의 73% 이상이 비오염(absent) 상태였다. 구리, 비소, 납, 아연 그리고 니켈은 PI가 비오염 ~ 중간 오염 수준까지 나타난 반면, 카드뮴과 수은 항목의 경우 비오염(absent)~매우 강한오염(very strong)까지 다양한 오염 분포를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 카드뮴의 경우 153개 공원 중 8개소(5.2%)가 비오염 상태, 41개소(26.8%)가 낮은 수준의 오염(low), 48개소(31.4%)가 중등도의 오염(moderate), 50개소(32.7%)가 강한 오염(strong), 6개소(3.9%)가 매우 강한 오염(very strong) 수준으로 나타났다. 수은의 경우 공원 중 125개소(82%)가 비오염 상태였으나 4개소(3%)에서 강한 오염, 2개소(1%)에서 매우 강한 오염 정도를 나타내기도 했다. 전체 공원의 PI 평균값도 카드뮴(2.7) > 비소(0.9) > 수은 · 아연 · 납(0.8) > 구리, 니켈(0.6) 순으로 나타나, 카드뮴 오염지수가 다른 중금속에 비해 상대적으로 높은 것을 알 수 있었다. 본 결과는 임 등[24]이 강원도 도시공원 토양의 중금속 오염도 지수 평가에서 아연과 구리를 제외한 중금속에서 도시공원의 80% 이상이 대부분 비오염 상태였고 전체공원의 PI 평균도 아연과 구리 순으로 높았다는 결과와는 차이를 보였다. 이를 토대로 PI 분석 결과는 조사 대상 지역의 토양 중금속 오염도 경향을 판단하고 오염도 특성을 비교할 수 있는 자료로도 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
Rates of heavy metal(loid) pollution levels for the urban park soils (n = 153) classified using the single pollution index(PI). Values in parentheses on the bars indicate the number of urban parks.
3.3.1.2. 지화학적 농축계수(Igeo, Geoaccumulation index)
중금속 개별 항목에 대한 인위적인 중금속 오염의 농축 정도를 Igeo로 산출한 결과는 Fig. 5와 같다. Igeo 산출 결과는 앞선 PI 산출 결과와 경향은 유사하였으며, Igeo 중금속 개별 농축 계수는 카드뮴과 수은을 제외하고 75% 이상이 비오염(unpolluted) 상태로 나타났다. 다만, 카드뮴과 수은에 대한 PI와 달리 Igeo에서는 심한 오염 상태(heavely polluted)가 나타나지 않은 것은 Igeo 산출을 위해 선행연구들[21~24]처럼 중금속 자연배경농도의 가변성을 보완하기 위한 계수(1.5)를 배경농도(GB) 에 곱해서 보정한 결과로 볼 수 있다.
Rates of heavy metal(loid) pollution levels for the urban park soils (n = 153) classified using the geoaccumulation index (Igeo). Values in parentheses on the bars indicate the number of urban parks.
공원 토양의 개별 중금속 오염도를 평가하기 위해 7개 중금속에 대해 단일오염지수(PI)와 지화학적 농축계수(Igeo)를 통해 판단할 때 구리, 비소, 납, 아연, 니켈에 의한 개별 중금속 오염도는 낮았다. 그러나, 카드뮴과 수은이 타 중금속에 비해 개별 오염지수 및 중금속 농축계수가 배경농도 대비 상대적으로 높은 것을 확인할 수 있었는데 이러한 경향이 지속되는지 여부는 오염도 추이를 추적관찰하여 살펴볼 필요가 있다. 그리고, 개별 중금속 오염도 평가지표 중에서는 PI 지수를 통해서 Igeo 보다 중금속 오염도의 분포를 다양하게 볼 수 있었다. 아울러 부산 지역 토양 중 중금속 배경농도 기초자료가 충분히 축적되어야 중금속 자연배경농도를 활용한 토양오염지수 산출 결과의 신뢰도를 더욱 높일 수 있을 것이라 판단하였다.
3.3.2. 중금속 통합 오염도 평가
3.3.2.1. 토양오염등급(SPC, Soil Pollution Class)
토양 중 다수의 중금속 오염도를 판단하기 위해 현재의 토양오염우려기준을 고려하여 각 지점별 토양오염점수(SPS, Soil Pollution Score)를 산출하고 토양오염도를 등급화(SPC)한 결과를 Fig. 6에 나타내었다.
Classification of urban park soils by soil pollution Class (SPC).
토양오염점수는 중금속의 각 항목의 법적 기준 대비 비율의 합으로 계산되는데, 이미 기술한 바와 같이 153개 공원 토양 모두 중금속 각 항목은 기준 대비 평균적으로 0~34.9% 수준 이내로 유지하고 있다. 그러나, 중금속 모든 항목을 통합적으로 보는 토양오염등급 평가에서는 1등급(토양오염도 낮음) 49개소(32.0%), 2등급(토양오염도 양호) 92개소(60.1%), 3등급(토양오염 우려) 12개소(7.8%), 4등급(토양오염 상태) 0개소로 나타났다. 특히, 토양오염우려 등급인 3등급으로 분류된 12개소의 카드뮴과 아연의 평균 농도가 각각 법적 기준의 61.0%, 70.5% 수준으로 특히 높게 나타났다(Table 4). 토양오염 우려 기준은 만족하였으나 2개~4개 중금속 항목이 기준의 40%에서 최대 98% 수준으로 높게 나타나는 특징이 있었다. 이를 토대로 볼 때 토양에 대한 법적 기준은 만족하였다 하더라도 토양오염등급 3등급 이상을 나타내는 공원은 법적 기준에 근접할 만한 오염도 항목이 포함된 것으로 보고 토양오염 우려 우선 관리 대상으로 분류하여 관리할 필요가 있을 것으로 판단한다.
Ratio of average heavy metal(loid) concentration to the warning criteria classified by soil pollution class (SPC)
3.2.2. Nemerrow 오염지수(PIne)와 잠재적 생태 위해도 지수(RI)
공원 토양 중 다수의 중금속에 의한 토양오염도를 종합적으로 평가하기 위해 단일오염지수(PI)와 그 최대값을 활용해 Nemerrow오염지수(PIne)를 산출한 결과 72개소(47.1%)가 약간 오염된 상태(slightly polluted)로 가장 다수를 차지하였고 38개소(24.8%)가 오염 주의 수준(warning limit), 35개소(22.9%)가 깨끗한 상태(clean), 8개소(5.2%)가 중등도(moderately) ~ 심한 오염(heavily polluted)상태로 구분되는 등 깨끗한 상태에서 심한 오염상태까지 오염도 분포가 다양하게 나타나는 결과를 얻었다(Fig. 7).
Distribution of parks classified using the Nemerrow pollution index (PIne) and the potential ecological risk (RI).
PI와 중금속 독성반응상수의 곱의 합으로 잠재적 생태 위해도 지수(RI)를 산출한 결과(Fig. 7),생태 위해도 낮음(low)과 중간(moderate) 수준이 각각 65개소(42.5%)와 82개소(53.6%)로 전체 공원의 96.1%가 잠재적 위해도가 중간 수준 이하로 낮게 나타났고, 6개소(3.9%)만 생태 위해도 강함(strong)으로 나타났다. 6개 공원은 카드뮴의 PI 지수가 5.6~7.7로 카드뮴 PI 전체 평균(2.7) 대비 높고 카드뮴의 독성반응상수(30) 또한 타 중금속에 비해 상대적으로 높기 때문에 RI가 높게 산출되었다. 또한, PIne 결과에 비해 RI가 전체적으로는 낮음(Low) ~ 보통(moderate) 수준으로 나타난 것은(Fig. 7) RI가 높은 6개소를 제외하고는 도시공원 토양에 독성반응상수가 비교적 낮은 아연(2), 납(5), 구리(5), 니켈(5)의 함량이 상대적으로 높아 토양의 잠재적 생태 위해도가 비교적 낮게 평가된 것이다.
공원 토양의 통합 중금속 오염도를 평가하기 위해 토양오염등급(SPC)과 Nemerrow 오염지수(PIne) 그리고 잠재적 생태 위해도 지수(RI)를 구해본 결과, PIne와 RI에 의해 공통적으로 토양오염도가 심하게 우려되는 지점 8개 공원을 파악할 수 있었고 이 공원들은 카드뮴과 수은 함량이 토양 중 자연배경농도 대비 높은 곳들이었다. 반면, 8개소의 SPC 등급은 2등급 2개소와 3등급 6개소로 나타났는데 전체 153개소 중 SPC 3등급 12개소 중 6개소(50%)만이 여기에 포함되어 있었다. SPC는 법적 기준 대비 오염도를 산정한 것으로 공원 토양 내 중금속의 인위적인 오염도를 구분하여 평가하는 데는 다소 한계를 나타내었다.
따라서, 부산 도시공원 토양 중 중금속의 토양오염도를 판단하고자 할 때 Nemerrow 오염지수(PIne)와 잠재적 생태 위해도 지수(RI)를 산출하여 중금속 전체 오염도를 통합적으로 평가해 보는 것을 제시한다.
4. 결 론
본 연구에서는 부산의 도시공원 153개소에 대한 토양 오염도 특성을 다양한 토양오염도 지수로 평가하였으며, 이를 통해 정책적으로 활용 가능한 지표가 있는지를 평가하였다. 그 결과는 다음과 같다.
1. 도시공원 토양 중 중금속 평균농도는 토양오염우려 기준(1지역) 대비 아연 34.9% > 카드뮴 34.4% > 비소 21.2% > 납 13.3% > 구리 12.5% > 니켈 8.4% > 수은 0.9% (6가크롬은 불검출) 수준으로 기준 대비 평균 34.9% 이하로 낮게 나타났다. 이를 토양 배경 농도(토양 중 자연함유량)와 비교한 결과 카드뮴 269.7% > 비소 88.9% > 수은 84.3% > 납 81.0% > 아연 79% > 니켈 61.9% > 구리 57.2%로 나타나, 조사대상의 토양에 인위적인 카드뮴 오염이 있는 것을 확인할 수 있었다.
2. 이번 연구에서 부산 공원지역 토양의 카드뮴 농도가 토양오염실태조사 전국 공원 평균 농도에 비해 높은 것으로 나타났다. 세부적으로 살펴보면, 공원 입지여건에 따른 중금속 오염도는 공업 〉 주거 〉 녹지지역 순으로 높았다. 특히, 공업지역 뿐만 아니라 주거, 녹지 지역에서도 카드뮴 농도가 높았는데, 이는 산업시설과 같은 점오염원 뿐만 아니라 도로 재비산 먼지, 자동차 배기가스와 같은 비점오염원의 영향인 것으로 판단된다. 이는 향후 토양오염에 대한 주기적인 모니터링과 통합적 오염도 분석이 필요할 것으로 판단된다.
3. 공원 토양 내 개별 중금속 항목의 오염도 수준 평가를 위해 단일오염지수(PI), 지화학적농축계수(Igeo)를 활용하여 평가한 결과 비소, 납, 아연, 니켈, 6가 크롬은 배경농도 대비 대부분 비오염 상태로 나타났으나, 카드뮴과 수은의 경우 비오염 ∼ 매우 강한오염까지 다양한 오염 분포를 보였다. 또한, PI 가 Igeo에 비해 오염도 분포를 보다 구체적으로 구분하여 보여주었다.
4. 또한, 중금속 다수 항목의 오염도를 평가하기 위해 토양오염등급(SPC)과 Nemerrow 오염지수(PIne) 그리고 잠재적 생태 위해도 지수(RI)를 구해본 결과, PIne와 RI를 통해 공통적으로 토양오염도가 우려되는 지점 8개 공원을 파악할 수 있었다. 그러나, 법적 기준 대비 오염도를 산정한 SPC는 공원 토양 내 중금속의 인위적인 오염도를 구분하여 평가하는 데 한계가 있었다.
5. 도시공원 토양 중 중금속의 토양오염도를 종합적으로 판단하거나 관리의 우선 순위를 정하고자 할 때 Nemerrow 오염지수(PIne)와 잠재적 생태위해도 지수(RI)를 활용한다면 공원 토양 오염도의 관리와 위해 예방을 위한 정책적 근거자료가 될 수 있을 것이라고 판단한다.
감사의 글
본 논문은 환경부의 재원으로 국립환경과학원의 지원 (과제번호 NIER-2023-01-03-002)을 받아 수행하였습니다.