Research on Pollutant Identification and Water Quality Change Patterns in Coal Mining Subsidence Areas with High Diving Level in Eastern China

기술 요약: 중국 동부 고수위 지표 하강 지역의 오염물질 식별 및 수질 변화 패턴에 관한 연구

문제 제기
중국 동부의 화이난 광구는 높은 지하수위와 복잡한 지질학적 조건을 특징으로 하며, 광범한 석탄 채굴로 인해 2025년 말까지 약 287.64 km²의 지표 하강 지역이 발생하였다. 특히 122.83 km²에 달하는 상시 침수 구역은 심각한 생태적 취약성에 직면해 있다. 기존 연구들이 특정 광산이나 싱크홀을 대상으로 오염 문제를 다루어 왔으나, 고수위 광업 지역의 대규모 장기 데이터에 기반한 수질 변화 패턴 및 오염 역학에 관한 연구는 부족한 실정이다. 본 연구는 주요 오염 요인을 식별하고, 다양한 수문학적 시기에 따른 수질 진화 패턴을 분석하며, 핵심 오염원의 기원을 추적하여 생태 관리에 필요한 정보를 제공하는 것을 목적으로 한다.

연구 방법론
연구팀은 화이난 광구 내 15개 광산 쌍(폐광 6개, 가동 중인 광산 9개)을 대상으로 총 1,571 km²의 작업 영역을 포괄하는 종합적인 조사를 수행하였다. 연구는 3개년(20232025년)의 샘플링 기간 동안 102개의 침수 구역을 대상으로 하여, 홍수기(8월9월)와 건기(12월~1월) 모두에서 175개 지점의 수질 샘플을 수집하였다.

• 샘플링 혁신: 연구팀은 드론 탑재형 샘플러를 사용하여 고정 지점 및 고정 깊이 샘플링을 구현함으로써, 전통적인 수동 방식보다 안전성, 효율성 및 정밀도를 향상시켰다.
• 분석 범위: 13개 지표(DO, COD, NH3-N, TP, TN 등 일반 매개변수, 중금속(As, Hg, Cr(VI), Cu), 무기 음이온(SO4²⁻, Cl⁻, NO3⁻, F⁻))을 포함하여 30,000개 이상의 수질 데이터를 생성하였다.
• 평가 방법:
  • 오염물질 식별: 단일 요인법(Single Factor Method)과 네메로우 오염 지수법(Nemerow Pollution Index Method)을 사용하여 주요 오염 요인을 식별하였다.
  • 부영양화 평가: CODCr, 총 질소(TN), 총 인(TP), 클로로필-a를 사용하여 종합 영양 상태 지수(TLI)를 산출하고 수역을 5가지 영양 상태로 분류하였다.
  • 오염원 추적:
    • 질소: 동위원소 분석(δ¹⁵N-NO₃⁻ 및 δ¹⁸O-NO₃⁻)과 MixSIAR 베이지안 모델을 결합하여 대기 침적, 질소 비료, 토양 질소, 하수/분뇨의 기여도를 정량화하였다.
    • 인: 절대 주성분-다중 선형 회귀(APCS-MLR) 분석을 적용하여 농업, 생활 및 기상학적 기원을 구분하였다.

주요 기여 및 결과

1. 주요 오염물질 식별:
   단일 요인법과 네메로우법의 통합을 통해, 모든 6개 수문학적 시기(2023~2025년)에 걸쳐 총 인(TP)과 총 질소(TN)가 주요 오염 요인으로 식별되었다. 중금속과 유기 오염물질은 효과적으로 통제되고 있는 반면, 영양염류 지표는 여전히 핵심적인 과제로 남아 있다.

2. 수질 변화 패턴:
   본 연구는 다음과 같은 특성을 가진 수질의 역동적인 진화를 밝혔다:

   • 계절적 변화: 홍수기는 지표 유출수를 통한 농업 비점 오염원(질소 및 인)의 유입으로 인해 부영양화가 심화되는 결정적인 시기이다. 반면, 건기는 수량이 감소함에 따라 오염물질의 농도가 높아지는 점오염원의 영향이 두드러진다.
   • 시간적 추세: 건기의 수질이 일반적으로 홍수기보다 양호하지만, 해마다 악화되는 경향을 보였다.
   • 공간적 격차: 판지(Panji) 광구는 가장 심각한 오염(높은 COD 및 BOD)을 보였으며, 펑타이 잉샹(Fengtai Yingshang) 지역은 다른 지표의 개선에도 불구하고 총 질소의 급격한 악화를 보였다. 노후 광구는 비교적 안정적이었으나 TN 및 TP의 누적 상승 추세를 나타냈다.

3. 부영양화 역학:
   부영양화 수준은 연구 기간 동안 현저히 심화되었다.

   • 홍수기: 심한 부영양 상태를 보이는 수역의 비율이 2023년 32%에서 2025년 56%로 급증하였다.
   • 건기: 심한 부영양 상태의 비율이 2023년 7%에서 2025년 43%로 상승하여, 우기 외의 시기에도 수질이 지속적으로 악화되고 있음을 나타냈다.

4. 오염원 추적:

   • 질소 기원: 동위원소 및 MixSIAR 분석 결과, 하수 및 분뇨가 질산염의 주요 기원이며, 광구 전체에서 평균 47%를 기여하는 것으로 나타났다. 토양 질소는 23%, 질소 비료는 21%, 대기 침적은 9%를 기여하였다.
   • 인 기원: APCS-MLR 분석 결과, 판지(70.62%), 구차오 딩지(65.38%), 셰차오(45.27%) 광구에서는 농업 비점 오염원이 주요 동력인 것으로 나타났다. 반면, 노후 광구는 주변 주거 용지 사용에 따른 생활 오염원(53.06%)의 영향을 주로 받는다.

의의 및 주장
본 논문은 대규모 장기 조사가 고수위 석탄 채굴 지역의 복잡한 수환경을 이해하기 위한 과학적 근거를 제공한다고 주장한다. 저자들은 본 연구가 다음과 같은 점에서 중요하다고 주장한다:

• 차별화된 관리: 계절적 수문 변동(홍수기 비점 오염원 우세 vs 건기 점오염원 우세) 및 특정 지역적 특성을 고려한 관리 전략의 필요성을 강조한다.
• 정책 지원: 화이난 광구의 생태 보호 및 오염 통제와 관련하여 정부 및 기업의 의사결정을 지원할 수 있는 데이터를 제공한다.
• 방법론적 적용: 복잡한 광업 환경에서의 종합적인 수질 평가를 위해 드론 샘플링, 동위원소 추적, 통계 모델링(MixSIAR 및 APCS-MLR)을 결합하는 방식의 유효성을 입증한다.

저자들은 현재의 조치들이 특정 중금속과 유기 오염물질을 통제하고 있으나, 영양염류 오염(TP 및 TN)의 지속적이고 악화되는 추세는 식별된 오염원 분포에 기반한 긴급하고 표적화된 개입이 필요함을 시사하며 결론을 맺는다.