137Cs을 이용한 한라산 백록담 화구호 토양의 퇴적 특성 연구

Abstract

본 연구는 백록담 화구호 토양퇴적층의 물리․화학적 성분과 인공방사성 핵종인 137Cs의 퇴적층 내 분포 특성에 대한 분석을 통하여 백록담 화구호의 퇴적특성을 해석하고, 담수지역 보존을 위한 자료를 제시하고자 하였다. 시험지역의 선정은 백록담 화구호의 지형과 갈수기에 발생하는 백록담 화구호 바닥의 퇴적층의 상태를 고려하여 초지와 경계를 이루는 위치를 기점으로 하여 남서에서 북동방향으로 5 m 간격으로 75 m 지점까지 총 15개 지점을 선정하였다. 토주는 Cobra 토양시료 채취기를 이용하여 채취한 후 다시 10 cm 간격으로 core sampler로 채취하여 분석에 사용하였다. 또한, 시험지역의 퇴적층 시료에 대해 핵폭발에 의해 토양에 흡착된 137Cs 농도를 측정하여 백록담 화구호의 퇴적특성을 해석하였다. 측정된 137Cs 농도는 단위면적당 137Cs 총량, 1963년도 137Cs 퇴적량을 산출하는데 이용하였으며, 이를 통하여 퇴적률, 퇴적량 및 1963년 이후 형성된 퇴적단면을 추정하였다. 그리고 1963년도 퇴적층을 대상으로 137Cs 퇴적량과 토양의 물리․화학적 특성간 상관성 분석을 통하여 시험지역의 퇴적환경에 영향을 미치는 토양학적 요소를 파악하였다.

1) 백록담 화구호 퇴적층의 화학조성에 대한 XRF 분석결과 Al2O3는 지점과 깊이에 따라 변화가 없었으나 SiO2와 Fe2O3는 각각 39.6~60.7%와 5.5~12.0% 범위에서 함량변화가 반대되는 경향을 보였다. SiO2 함량은 5~25 m 지점에서는 평균 55~58%, 35~75 m 지점에서는 평균 48~50%로 분석되었으며, 이는 5 m 지점에는 SiO2 함량이 상대적으로 높은 남서방향의 침식토가, 75 m 지점에는 북동방향의 침식토가 유입되고 있음을 시사하였다. 2) 백록담 화구호 퇴적층의 전기전도도는 87~230 μS cm-1, 치환성양이온 0.25~0.61 cmol+ kg-1, 유기물 함량 1.24~8.98%, 점토+미사 함량은 14~93%, 공극률 31.2~69.6% 범위였으며, 대체로 시험지역의 가장자리인 남서쪽과 북동쪽은 낮고, 중앙은 높은 경향을 나타냈다. 반면, 용적밀도는 0.71~1.72 g cm-3, 입자밀도 2.00~2.84 g cm-3, 투수계수 1~9,504 cm day-1 범위였으며, 시험지역의 중앙부에서 낮게 분석되었다. 특히 투수계수는 시험지역의 중심부인 25~65 m 지점에서의 중간값이 6.5~31.3 ㎝ day-1 인 반면 5~20 m 지점에서는 416~4,752 ㎝ day-1 로 높은 수치를 나타냈다. 3) 분석지점별 단위무게당 최대 137Cs 농도는 19.0~213.9 Bq kg-1 범위였다. 이 자료를 이용하여 단위면적당 137Cs 퇴적총량을 산출한 결과, 분석지점에 따라 7.4~29.8 kBq m-2의 범위를 보였으며, 평균값은 19.5 kBq m-2 였다. 4) 137Cs 농도 검출피크는 대부분 퇴적층 심도에 따라 종모양으로 호수나 강의 범람원에서 나타나는 전형적인 퇴적형태를 나타냈으나, 5~20 m 지점에서는 표토층에서 137Cs가 검출되지 않아 137Cs에 오염되지 않은 토사가 시험지역으로 유입되고 있는 것으로 판단되었다. 5) 분석지점별로 단위면적당 137Cs 총퇴적량이 최대인 퇴적층을 1963년도 형성된 토층으로 구분하였다. 1963년도 137Cs 퇴적량은 단위면적당 137Cs 총퇴적량 대비 평균 45% 수준으로 분석지점별로 2.7~16.6 kBq m-2의 범위였고, 평균값은 9.3 kBq m-2이었다. 6) 단위면적당 137Cs 총퇴적량과 1963년도 137Cs 퇴적량간에는 높은 상관성을 보였으며, 분석지역의 중심부가 가장자리에 비해 상대적으로 높은 값을 나타냈다. 이는 137Cs 퇴적이 백록담 화구호의 중심부에서 활발하게 진행되고 있음을 의미하였다. 7) 1963년도 퇴적층의 깊이는 5 m 지점에서 60~70 cm였으며, 선형적으로 감소하여 75 m 지점에서 10~20 cm 심도를 보였다. 즉, 시험구역 75 m 구간에서 137Cs 데이터를 이용한 1963년도 퇴적층의 깊이는 최대 40 cm 가량 차이가 있음을 확인하였다. 8) 분석지역의 단위면적당 137Cs 총량에 대한 1963년도 137Cs 퇴적량의 비율은 1.4~3.6 범위였으며, 남서 방향의 5 m 지점에서 가장 높고, 북동 방향의 70 m 지점에서 가장 낮았다. 이 결과로부터 1963년 이후 퇴적활동이 5 m 지점을 통해 주로 이루어지고 있음을 알 수 있었다. 9) 시험지역인 백록담 화구호에서의 퇴적률은 0.37~1.59 cm yr-1 범위였고, 평균 퇴적률은 0.84 cm yr-1였다. 이로서 백록담 화구호에는 1963년 이후 연평균 0.84 cm의 퇴적물이 쌓여 담수심이 감소한 것으로 추정되었다. 또한, 퇴적률은 1.59 cm yr-1로 가장 높은 5 m 지점에서 0.37 cm yr-1 로 가장 낮은 75 m 지점까지 선형적으로 감소하여 5 m와 75 m 지점간 4.3배의 차이를 보였다. 이와 같은 결과로 볼 때, 침식된 토사는 남서방향의 5 m 지점에서 북동방향의 75 m 지점으로 유입되고 있는 것으로 추정되었다. 10) 단위면적당 137Cs 총량과 퇴적률간 1차 회귀분석을 실시한 결과, 5~20 m 지점의 시료는 이상치로 나타났으며, 이는 137Cs에 오염되지 않은 토사가 유입되는 현상으로 설명되었다. 11) 단위면적당 137Cs 총량과 1963년도 137Cs 퇴적량에 대한 비율을 퇴적률에 대해 회귀분석한 결과, 선형성을 보여 1963년대 이후의 퇴적량 증가에 의해 퇴적률이 증가하는 경향을 나타냈다. 그러나 75 m 지점의 단위면적당 137Cs 총량이 1963년도 137Cs 퇴적량 대비 높은 반면, 퇴적률은 가장 낮은 것으로 나타났다. 이는 1963년도 이후 5 m 지점으로의 토사유입에 의한 퇴적활동이 활발하였다는 근거로 제시될 수 있었다. 12) 백록담 화구호에서의 연간 퇴적량은 화구호의 담수지역 면적을 11,457 ㎡로 가정할 때 36.9~240.0 ton yr-1 범위였고, 평균값은 97.8 ton yr-1였다. 퇴적량의 경우도 퇴적률과 마찬가지로 5 m 지점이 가장 높았으며, 65~75 m 지점까지 선형적으로 감소하는 경향을 보였다. 13) 1963년도 퇴적층의 137Cs 퇴적량은 전기전도도, 유기물 함량, 전질소, 치환성양이온 농도, 공극률, 점토+미사 함량과 양의 상관을 나타냈으며, 용적밀도와 투수계수와는 음의 상관성을 보였다. 또한 1963년도 퇴적층의 주요 토양특성중 유기물 함량, 전기전도도, 치환성양이온 함량, 가비중, 공극률, 점토+미사 함량, 투수계수 간에는 높은 상호연관성을 보였다. 이러한 결과로 볼 때, 백록담 화구호에서 유거수에 의한 침식토사의 퇴적에는 침식토사의 입자크기, 유기물 함량 및 투수계수가 가장 중요한 토양학적 요소일 것으로 판단되었다. 14) 분석지점간 수직적, 수평적인 137Cs 농도의 프로필이 다양한 점은 백록담 화구호의 퇴적양상이 지점별로 다양하다는 점을 나타낸다. 이는 백록담 정상 및 경사면으로부터 유입된 퇴적물이 강우에 의해 재분산과 재분포가 활발하게 이루어졌기 때문인 것으로 보여 진다. 즉, 퇴적된 토사 중에서 점토+미사 등의 미세입자가 재분산 과정에서 측면 이동이 이루어지는 것으로 파악되었다.

결론적으로, 본 연구를 통하여 한라산 백록담의 담수수위가 최근 들어 낮아진 이유는 백록담 상부지역의 토사층 유실 및 그로 인한 화구호 불투수층 형성지대를 중심으로 퇴적량이 증가했기 때문이다. 즉, 담수량은 강수량에 따라 유지되고 있으나, 퇴적토사에 의해 외형적으로 담수수위가 낮아지는 현상이 발생하고 있다고 할 수 있다. 따라서 백록담 주변에 녹화마대 등의 토양투입에 의한 침식방지 대책은 신중한 고려가 필요한 것으로 생각된다. 향후, 백록담 정상과 경사면의 침식지역에 대한 복구와 더불어 1963년 이후 화구호에 형성된 퇴적층을 제거하여 화구호의 원형을 복원하는 방법도 고려할 필요가 있을 것으로 생각된다.

This study was conducted to interpret the sediment properties of the crater lake, Baengnokdam of Mt. Halla through analysing the physico- chemical properties as well as the distribution properties of radionuclide 137Cs in the sediment profiles and to propose the measures for conserving the crater lake. Representative samples of soil sediment were collected for 15 sites, from a zero site, boundary between vegetation and water in the south-west of the crater lake, to the 75 m site of the north-east by 5 m interval. Soil columns with 1 m deep were taken from bottom sediment with Cobra soil sampler and the samples were subdivided with 100 cm-3 core sampler from the each column by 10 cm interval. A total of 150 samples, of which 11 samples failed to retrieve from the column, were sieved to isolate the <63 μm fraction(sum of clay and silt) and analysed for total nitrogen(TN), available phosphorous(TP), organic matter(OM), electrical coefficient(EC), exchangeable cations and 137Cs. Also, nuclear testing fallout-derived 137Cs activity concentrations which was deposited in the soil sediment profile were measured to interpret the sedimentation in the crater lake. The measured 137Cs concentration were used to calculate the total 137Cs amount per unit area and 137Cs amount deposited in 1963 and to estimate the sediment accumulation rate, deposition amount, and sediment depth since 1963. Based on deposit amount in 1963, the relationships between 137Cs amount deposited and physico-chemical properties were analysed to understand the soil factors which dominate the sediment environment in the isolated crater lake, Baengnokdam of Mt. Halla.

1) X-Ray Fluorescence(XRF) analysis for the compositions of soil sediment in the crater lake, Baengnokdam resulted in constant Al2O3, but both the contents of SiO2 and Fe2O3 varied from 39.6% to 60.7% and 5.5% to 12.0%, respectively, which varied oppositely with sites. Of which SiO2 contents ranged from 55% to 58% at the sites of 5~25 m and 48% to 50% at the sites of 35~75 m, which indicated that eroded material with relatively high SiO2 flew down from 5 m site, the west, but eroded material with low SiO2 flew down from 75 m site, the east. 2) The values of EC, exchangeable cations, OM, sum of clay and silt, and porosity in the crater lake, Baengnokdam, which showed 87~230 μS cm-1, 0.25~0.61 cmol+ kg-1, 1.24~8.98%, 14~93%, and 31.2~69.6%, respectively had the tendency to be higher at the edges of study area, the south-west and the north-east and to be lower at the center sites. On the contrary, bulk density, particle density and hydraulic coefficient which varied from 0.71 to 1.72 g cm-3, 2.00 to 2.84 g cm-3 and 1 to 9,504 cm day-1 showed the lower tendency at the center sites. Of which the median values of hydraulic coefficient showed the big difference between center(6.5~31.3 ㎝ day-1) and both edges(416~4,752 ㎝ day-1). 3) The maximum 137Cs concentrations per unit sediment by the site varied from 19.0 to 213.9 Bq kg-1. Using these data, the estimation of total amount of 137Cs sediment varied from 7.4 to 29.8 kBq m-2 and averaged 19.5 kBq m-2. 4) The peak patterns of 137Cs followed the bell shape at the most site profiles which showed the typical sedimentation in the river or lake, but 137Cs peak were not detected in the surface profile at the 5~20 m sites, which suggest that newly eroded materials, not contaminated with 137Cs flow into the study area. 5) When the profile with the highest 137Cs peak is assigned to the profile deposited in 1963 at all sites. The 137Cs amount deposited in 1963 came to the 45% of total 137Cs sediment per unit area, which varied between 2.7 and 16.6 kBq m-2 and averaged 9.3 kBq m-2 for all the sites. 6) The significant relationship between total 137Cs sediment per unit and 137Cs sediment amount appeared and were high at the center sites of study area, compared with both the edges, which indicated that 137Cs sediment processes had been formed at the center sites. 7) The depth deposited in 1963 was 60~70 cm at the 5 m site and decreased linearly to 10~20 cm at the 75 m site. Considering the 137Cs deposited in 1963, we confirmed that soil sediment depth reached a difference of up to 40 cm between the west and the east. 8) The ratios of 137Cs amount deposited in 1963 to total 137Cs sediment amount per unit area varied from 1.4 to 3.6, of which 5 m site was the highest and 70 m site the lowest. This is the strong evidence that the most sediments come from the 5 m site in the south-west of study area. 9) Yearly sediment accumulation rates in the crater lake, Baengnokdam varied from 0.37 to 1.59 cm yr-1 and averaged 0.84 cm yr-1, which indicated the crater lake had been accumulated at the rate of 0.84 cm yr-1 since 1963 so that its depth decreased gradually. In addition, the sediment accumulation rate decreased linearly from 5 m site of the highest value 1.59 cm yr-1 to 75 m site of the lowest value 0.37 cm yr-1, which showed 4.3 times the difference. Therefore, we estimated the inflow of eroded material was carried from 5 m site to 75 m site, from the south-west to the north-east of the lake. 10) A highly significant regression between total 137Cs amount per unit area and sediment accumulation rate appeared, but the 5~20 m sites deviated from the general trend, which was explained to result from the inflow of newly eroded material, not contaminated material with 137Cs. 11) Regression analysis for the ratios of total 137Cs amount per unit area and 137Cs amount deposited in 1963 and the sediment accumulation rate resulted in linearity, which indicated the increase in sediment since 1963 caused the increase in sediment accumulation rate. However, at the 75 m site the ratio of the total 137Cs amount per unit area to 137Cs amount deposited in 1963 was high, but the sediment accumulation rate was low, which could be the evidence that the active inflow of eroded material to 5 m site since 1963 cause the sedimentation. 12) Yearly amount of sediments in the crater lake, Baengnokdam ranged between 36.9 and 240.0 ton yr-1 and averaged 97.8 ton yr-1, given that the lake area is 11,457 ㎡. The sediment amount as well as the sediment accumulation rate was the highest at the 5 m site and the lowest at the 65~75 m sites. 13) 137Cs sediment in the profile deposited in 1963 was positively correlated to the contents of EC, OM, TN, exchangeable cations, porosity and sum of clay and silt, and negatively correlated to bulk density and hydraulic coefficient. In addition, among the main soil sediment properties deposited in 1963, EC, OM, exchangeable cations, bulk density, porosity, sum of clay and silt and hydraulic coefficient showed significant correlation between each other. Considering these results, the particle size, OM and hydraulic coefficient were judged to be the most important soil factors to dominate the sedimentation of eroded material by runoff water in the crater lake, Baengnokdam. 14) A variety of vertical and horizontal 137Cs concentration profiles were thought to reflect that sedimentation processes by the sites were different. That also was the evidence the sediments transferred by rainfall from the summit and slope of Baengnokdam were actively redistributed or resuspended within the lake, which indicated that the fine particles of clay and silt in sediments mobilized laterally in the process of redistribution.

Conclusively, this study contributes to understanding the reason why the water level of crater lake, Baengnokdam of Mt. Halla recently has lowered. The sedimentation result from erosion of some higher slope, from which the sediments with low permeability formed on the center part has increased. These results strongly suggest the apparent water level is as low as the sediment become high, even though the water reserving capacity of the lake depends on rainfall. Therefore, the countermeasures for the erosion with artificial soil package(Nokwhamadae) should be avoidable. A way of rehabilitation for the eroded area in the summit and slope of Baengnokdam as well as backing to the 1963 prototype of crater lake by removing the sediments formed since 1963 should be reviewed to conserve the water level of crater lake, Baengnokdam.