저류조 퇴적물의 오염원과 강수형태가 오염부하량에 미치는 영향

Dec 11, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8884(2023) 이 기사 인용

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도시와 도시 인구의 밀집화는 유출수와 부유 물질의 증가와 도시 물 순환의 변화에 ​​기여합니다. 요즘에는 홍수에 대한 도시의 회복력을 높이기 위해 Blue-Green 인프라가 장려됩니다. 그러나 저류 탱크로 지원되는 우수 배수 시스템은 도시 지역을 홍수로부터 보호하는 데 여전히 중요합니다. 우수 기반시설의 퇴적물 축적은 중금속, 영양분 등의 오염물질 문제와 관련이 있습니다. 부유물과 관련된 오염물질의 기원과 궁극적으로 하수에 축적된 퇴적물에 대한 연구는 도시 집수 지역의 과정에 대한 새로운 통찰력을 가져올 수 있습니다. 이번 연구는 하수 홍수 직후 퇴적된 오염물질의 기원을 확인하기 위해 도시 저류조에서 수거한 바닥 퇴적물의 안정 탄소 및 질소 동위원소 분석에 초점을 맞춘 첫 번째 연구이다. 연구는 건기, 일반적인 강수량(< 30mm) 및 집중 호우(일일 강수량이 30mm를 넘는 2건의 사건으로 인해 도시 지역에 홍수가 발생함)의 세 가지 유형의 날씨 직후 수질 분석을 통해 추가로 확장되었습니다. 퇴적물 분석 결과, 저류 탱크 바닥에 있는 탄소와 질소의 주요 공급원은 도시 지역의 빗물 유출수와 함께 유입된 것으로 나타났습니다. 유기질소 비료는 질소의 주요 공급원인 반면, 유기탄소의 공급원은 C3 육상 식물, 목재, 오일이 혼합되어 있는 것으로 나타났습니다. 또한, 집중호우로 인해 일반강수량에 비해 N-NO3 농도는 23배, P-PO4 농도는 7배, 유기물 농도는 5배 이상 증가한 것으로 나타났다.

도시화는 바다로 유입되는 부유 물질의 양을 증가시키는 데 기여합니다. 그 결과 영양분, 유기물, 살충제 및 기타 오염물질이 추가로 공급되어 전세계 담수 시스템이 저하됩니다. 부유 물질의 유입은 탁도 증가에 기여하고 수로와 저수지의 더 깊은 층으로 빛이 침투하는 것을 감소시키며 수로와 수자원 기반 시설의 형태에 영향을 미칩니다. Walling과 Collins1에 따르면 퇴적물과 함께 영양분의 이동과 부유물에 의한 오염은 담수에 가장 큰 위협입니다. 왜냐하면 담수는 다른 오염물질(중금속, 미세플라스틱, 의약품)의 매개체이기 때문입니다. 더욱이, 대부분의 기후 변화 시나리오는 강우 패턴의 관련 변화와 함께 토양 침식의 돌이킬 수 없는 증가를 예측합니다2.

홍수로부터 도시 지역을 보호하는 솔루션은 보유 솔루션과 침투 솔루션으로 구분되며 그린 인프라3라고 합니다. 오늘날 빗물 관리와 홍수로부터 도시를 보호하는 가장 효과적인 방법은 다단계 보호입니다. 첫 번째 수준은 청색 및 녹색 인프라 전략(예: 빗물정원, 녹색 지붕 등)으로, 유출수를 제한하고 유역에 물이 축적될 수 있도록 하여 발생지에서 우수의 침투 또는 재사용을 촉진합니다. 이 개념에 따르면 보유 탱크는 두 번째 수준의 보호를 나타냅니다. 단기 집중 호우 발생 시 홍수 예방 외에도 물 공급(처리 과정 포함)4,5의 신뢰성과 보안을 향상하기 위한 대체 수원을 제공하고 휴양지 역할을 합니다. 따라서 규모, 위치 및 사회적 요구에 따라 다양한 생태계 서비스를 제공할 수 있습니다.

홍수 방지와 관련하여 저류 탱크의 주요 제한 사항은 장기간 강우 기간 동안 최대 유량에 미치는 영향이 상당히 제한적이라는 사실입니다. 이러한 제한은 강우 중에 탱크가 완전히 채워지고 추가 강우 중에 유입량을 대신하지 못할 때 발생합니다. 이러한 경우에는 고장이 발생하기 쉬우며, 이로 인해 통제할 수 없는 홍수 물 유출이 발생합니다. 저수지 보유 용량 계산 및 충전 제어를 주로 목표로 하는 수문학적 분석은 이미 문헌에 광범위하게 설명되어 있습니다. 이러한 작업은 1차원 SWMM 모델6,7,8 및 2차원 CADDIES9 또는 더 광범위한 SWAT 모델10을 기반으로 했으며, 이는 이미 위협 예측11,12에서 만족스러운 결과를 얻었습니다. 그러나 저수지에 초점을 맞춘 대부분의 연구는 빗물에 의해 운반되는 오염물질을 망각하고 수분 보유에만 관련됩니다. 유입되는 물에는 중금속, 인 화합물, PAH 등을 매개로 하는 부유 물질이 포함되어 있으며, 이는 탱크 바닥으로 가라앉아 고형물이 축적됩니다13,14. Lu et al.15 및 Nawrot et al.16에 의해 자세히 논의된 퇴적, 재부유 및 바닥 퇴적물의 퇴적을 포함하여 퇴적물 경계에서 수많은 과정이 발생합니다. 많은 연구에서 도시 수로 및 저류지의 퇴적물 및/또는 수질 분석을 언급했습니다16,17,18,19. 지배적인 과정은 침전(정상 흐름 조건에서)이지만, 그렇더라도 퇴적물에 침전된 오염물질은 예를 들어 홍수 발생 중에 재현탁이 발생할 때 재오염의 위험을 초래할 수 있습니다20,21. 이러한 각 측면은 별도로 설명되었습니다. 그러나 위의 모든 측면을 다루는 포괄적인 연구는 부족합니다. Amundson et al.22은 토지 이용과 인위적 압력의 변화가 침식 과정의 증가와 그에 따른 부유 고형물 부하의 증가에 기여한다는 사실을 발견했습니다. 바닥 퇴적물에 축적된 오염물질의 출처를 확인하기 위한 방법에 대한 탐색은 여러 가지 퇴적물 지문 채취 방법을 사용하여 수행되었습니다. 수년 동안 지구화학적 연구나 낙진 방사성 핵종 연구와 관련된 방법, 심지어는 둘을 조합한 방법도 널리 사용되었습니다. 그러나 이러한 방법에는 분석된 영역에 대한 참조가 부족합니다. 대조적으로, 동위원소 분석은 선택된 원소의 기원을 가리키는 유용하고 정확한 도구입니다. 동위원소 분석에서 특성값은 C3 및 C4 식물(광합성 과정에 따른 식물 그룹)과 지역 토양을 나타냅니다. 이러한 특징적인 값에 가까운 값은 원소의 기원을 정확하게 나타냅니다.