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The Washing Effect of Precipitation on PM10 in the Atmosphere and Rainwater Quality Based on Rainfall Intensity

강우 강도에 따른 대기 중 미세먼지 저감효과와 강우수질 특성 연구

  • Park, Hyemin (Master Student, Division of Earth Environmental System Sciences, Pukyong National University) ;
  • Byun, Myounghwa (Undergraduate Student, Department of Environmental Atmospheric Sciences, Pukyong National University) ;
  • Kim, Taeyong (Master Student, Division of Earth Environmental System Sciences, Pukyong National University) ;
  • Kim, Jae-Jin (Professor, Department of Environmental Atmospheric Sciences, Pukyong National University) ;
  • Ryu, Jong-Sik (Assistant Professor, Department of Earth and Environmental Sciences, Pukyong National University) ;
  • Yang, Minjune (Assistant Professor, Department of Earth and Environmental Sciences, Pukyong National University) ;
  • Choi, Wonsik (Assistant Professor, Department of Environmental Atmospheric Sciences, Pukyong National University)
  • 박혜민 (부경대학교 지구환경시스템과학과 석사과정생) ;
  • 변명화 (부경대학교 환경대기과학과 학부생) ;
  • 김태용 (부경대학교 지구환경시스템과학과 석사과정생) ;
  • 김재진 (부경대학교 환경대기과학과 정교수) ;
  • 류종식 (부경대학교 지구환경과학과 조교수) ;
  • 양민준 (부경대학교 지구환경과학과 조교수) ;
  • 최원식 (부경대학교 환경대기과학과 조교수)
  • Received : 2020.12.09
  • Accepted : 2020.12.16
  • Published : 2020.12.31

Abstract

This study examines the washing effect of precipitation on particulate matter (PM) and the rainwater quality (pH, electrical conductivity (EC), water-soluble ions concentration). Of six rain events in total, rainwater samples were continuously collected every 50 mL from the beginning of the precipitation using rainwater collecting devices at Pukyong National University, Busan, South Korea, from March 2020 to July 2020. The collected rainwater samples were analyzed for pH, EC, and water-soluble ions (cations: Na+, Mg2+, K+, Ca2+, NH4+, and anions: Cl-, NO3-, SO42-). The concentrations of particulate matter were continuously measured during precipitation events with a custom-built PM sensor node. For initial rainwater samples, the average pH and EC were approximately 4.3 and 81.9 μS/cm, and the major ionic components consisted of NO3- (5.4 mg/L), Ca2+ (4.2 mg/L), Cl- (4.1 mg/L). In all rainfall events, rainwater pH gradually increased with rainfall duration, whereas EC gradually decreased due to the washing effect. When the rainfall intensities were relatively weak (<5 mm/h), PM10 reduction efficiencies were less than 40%. When the rainfall intensities were enhanced to more than 7.5 mm/h, the reduction efficiencies reached more than 60%. For heavy rainfall events, the acidity and EC, as well as ions concentrations of initial rainwater samples, were higher than those in later samples. This appears to be related to the washing effect of precipitation on PM10 in the atmosphere.

본 연구는 강우 강도에 따른 대기 중 미세먼지(particulate matter, PM) 저감효과와 미세먼지를 구성하는 주요 수용성 이온에 의한 빗물 수질(pH, 전기전도도(electrical conductivity, EC), 수용성 이온 농도) 변화를 평가하였다. 2020년 3월부터 7월까지 총 6번의 강우를 대상으로 부산 부경대학교 캠퍼스에 집수장치를 설치하여 pH와 EC를 실시간 측정하였으며, 강우의 양이온(Na+, Mg2+, K+, Ca2+, NH4+) 및 음이온(Cl-, NO3-, SO42-)의 농도는 이온크로마토그래피(ion chromatography, IC)를 이용하여 분석하였다. PM10 농도는 강우 전후로 자체제작한 미세먼지 센서를 이용하여 실시간으로 측정하였다. 총 282개의 빗물 샘플의 수질을 분석한 결과, 초기 강우의 pH는 평균 4.3으로 산성도가 높았으며, EC는 평균 81.9 μS/cm으로 평균 NO3- (5.4 mg/L), Ca2+ (4.2 mg/L), Cl-(4.1 mg/L)의 농도가 높게 검출되었다. 그리고 강우가 지속됨에 따라 pH는 증가하는 경향을 보였으며 EC는 상대적으로 감소하는 경향을 보였다. 강우 강도가 7.5 mm/h 이상(heavy rain)일 때 대기 중 평균 60% 이상의 PM10 농도 저감효율을 보였으며, 강우 강도 5 mm/h 이하(light rain)일 때 평균 40% 이하의 저감효율이 나타났다. 빗물 수질 분석 결과, 강우 강도가 증가할수록 초기 강우의 산성도와 EC가 증가하는 경향을 보였으며 초기 강우 내 이온 농도 또한 높은 농도로 검출되었다. 이는 대기 중 PM10이 초기의 강도 높은 강우에 따른 저감효과에 상당한 영향을 받는 것으로 판단된다.

Keywords

요약

본 연구는 강우 강도에 따른 대기 중 미세먼지(particulate matter, PM) 저감효과와 미세먼지를 구성하는 주요 수용성 이온에 의한 빗물 수질(pH, 전기전도도(electrical conductivity, EC), 수용성 이온 농도) 변화를 평가하였다. 2020년 3월부터 7월까지 총 6번의 강우를 대상으로 부산 부경대학교 캠퍼스에 집수장치를 설치하여 pH와 EC를 실시간 측정하였으며, 강우의 양이온(Na+, Mg2+, K+, Ca2+, NH4+) 및 음이온(Cl–, NO3–, SO42–)의 농도는 이온크로마토그래피(ion chromatography, IC)를 이용하여 분석하였다. PM10 농도는 강우 전후로 자체제작한 미세먼지 센서를 이용하여 실시간으로 측정하였다. 총 282개의 빗물 샘플의 수질을 분석한 결과, 초기 강우의 pH는 평균 4.3으로 산성도가 높았으며, EC는 평균 81.9 μS/cm으로 평균 NO3– (5.4 mg/L), Ca2+ (4.2 mg/L), Cl–(4.1 mg/L)의 농도가 높게 검출되었다. 그리고 강우가 지속됨에 따라 pH는 증가하는 경향을 보였으며 EC는 상대적으로 감소하는 경향을 보였다. 강우 강도가 7.5 mm/h 이상(heavy rain)일 때 대기 중 평균 60% 이상의 PM10농도 저감효율을 보였으며, 강우 강도 5 mm/h 이하(light rain)일 때 평균 40% 이하의 저감효율이 나타났다. 빗물 수질 분석 결과, 강우 강도가 증가할수록 초기 강우의 산성도와 EC가 증가하는 경향을 보였으며 초기 강우내 이온 농도 또한 높은 농도로 검출되었다. 이는 대기 중 PM10이 초기의 강도 높은 강우에 따른 저감효과에 상당한 영향을 받는 것으로 판단된다.

1. 서론

최근 대기 중 입자상 물질(particulate matter, PM)은 전 지구적으로 심각한 대기오염 물질 중 하나로 인식되고 있으며 세계보건기구(WHO)는 PM을 1군 발암물질로 분류하고 있다. PM은 호흡기를 통해 폐나 순환기계에 흡수되어 호흡기 질환을 유발시키고 심혈관계와 면역 체계에 부정적인 영향을 미치는 등 각종 신체질환의 원인이 된다.(Ristovski et al., 2012). PM은 입경에 따라 PM10, PM2.5, PM1로 분류할 수 있으며 산 암모늄, 질산암모늄 등의 이온성분을 비롯하여 토양성분, 중금속, 유기물질, 해염입자 등 다양한 성분으로 구성되어 있다(Chan et al., 1997). 대기 중 PM 농도는 인위적 요인(공장 및 자동차 배기가스, 바이오매스 연소, 교통량, 화력발전소 등)과 자연적 요인(산림, 해염, 토양, 산불 등)에 의해 발생한다. 국내 학계에서는 PM의 물리·화학적 특성(Hu and Lee, 2018; Kim et al., 2006), 배출원 특성 및 저감 대책(Lee et al., 2005; Lee et al., 2018), 인체에 미치는 영향(Choi and Kim, 2018; Lee et al., 2014) 등 다양한 연구가 활발히 진행되었지만, 대기 중 PM과 수문학적 요소인 강우 간 상관관계에 관련된 연구는 부족한 실정이다(Choi et al., 1998).

강우 발생시 PM을 구성하는 수용성 이온성분 및 토양성분은 습식 침착되어 지표면으로 하강함에 따라 대 기 중 PM 농도가 급격히 감소된다(Chandra Mouli et al., 2005). 중국을 비롯하여 브라질 등 여러 나라에서 대기 중 PM과 강우간 상관관계를 분석하고 강우의 화학적 특성을 규명한 연구들이 활발히 진행되고 있다(Likens et al., 2021; Ouyang et al., 2015; Zhang et al., 2012). Ouyang et al. (2015)은 PM 농도가 상당히 높은 중국 베이징에서 여름철 PM에 대한 강우의 영향을 평가한 결과, 대기 중 PM 농도와 누적 강우량 간 음의 상관관계(R2= 0.668 – 0.974)를 보였으며 누적 강우량이5mm일 때 대기중PM 농도가 약 10 –30 µg/m3 저감될 수 있음을 밝혔다. 또한 짧은 시간 일지라도 강우 강도의 세기에 따라 대기오염 물질에 대한 세정 효과는 크게 나타남을 제시하였다. 국내의 경우 대기 중 PM 농도와 누적강우량 두 가지 인자만을 고려하여 PM 농도 감소 추이를 파악한 연구는 일부 수행된 바 있다(Lee and Yom, 2018). 하지만 강우 강도를 고려하지 않고 시간 단위의 대기 중 PM 농도 자료와 누적 강수량 데이터를 기반으로 분석된 연구는 순간적 변화 추이 분석에 어려움이 따른다.

빗물의 화학적 특성에 관한 연구는 1950년 유럽을 기점으로 국외에서 다양한 형태의 연구가 체계적으로 이루어지고 있으며, 국내에서도 대기 중 오염물질 증가에 따라 오염된 빗물이 환경에 미치는 부정적 영향에 대해 알려지면서 빗물 수질에 대한 우려가 지속적으로 증가하는 실태이다(Lee and Huh, 1996). Gao et al. (2019)은 강우강도가 2.5 mm/h 이하로 낮은 light rain일 때 빗물 내PM2.5농도의범위가3 –132 µg/m3으로 가장 높게 나타남을 확인하였다. 또한 강우 전후로의 PM농도와 빗물의 이온 성분간상관 분석 결과, 강우 하루 전의 대기 중 PM농도와 빗물 내 Ca2+, K+등의 이온농도 간 상관관계 분석을 통해 대기 중 PM이 빗물수질에 미치는 영향을 규명하였다. 빗물의 pH는 대기중으로 방출된 NOX,  SO등의 화학 반응에 기인하여 H2SO4, HNO3, HCl 등의 강산이 pH를 감소시킨다(Shin et al., 1986). pH가 낮은 산성비가 눈이나 피부와 같은 신체에 직접적으로 접촉할 경우 통증 및 피부염을 유발할 수 있으며 토양 및 지표수의 산성화에 따라 생태계 교란 및 식생 대사적용 교란 등의 피해를 유발할 수 있다(Likens et al., 1996; Schindler, 1988).

대기 중 PM은 지역 배출원의 특성을 반영하기 때문에 대부분 지역 기반으로 PM 관련 연구가 활발이 진행 되고 있다(Kim et al., 2020). 이에 따라 대기 중 PM의 직접적 영향을 받는 강우 분석 연구 또한, 지역 기반의 특성을 파악할 필요성이 대두되는 반면, 부산 지역 특성을 고려한 강우 분석 연구는 미비한 실정이다. 부산시 일부지역에 대한 초기 및 후기 강우의 이온성분 특성을 분석한 연구가 1998년에 수행된 바 있으나 최근 고농도의 PM 특성 반영에는 한계가 있으며 초기 강우와 후속 강우의 이온 성분 결과를 통해 강우 지속에 따른 빗물 수질 분석 변화를 파악하기에 한계가 있다(Choi et al., 1998). 따라서 본 연구의 목적은 부산지역을 대상으로 1) 강우 강도에 따른 미세먼지 저감효과를 정량화하고 2) 강우 시간에 따른 빗물의 pH와 EC의 변화 및 두 인자 간 상관관계 파악과 빗물의 이온 농도 변화 분석을 통하여 대기 중 PM10 농도가 빗물의 수질에 미치는 영향을 규명하고자 한다.

2. 연구 방법

1) 연구지역 기후 및 미세먼지 특성

본 연구 지역인 부산은 한반도 동남권에 위치하여 부산만을 기반으로 개발된 대한민국 제 1의 항구도시로서 온대 계절풍 기후대와 대륙 동안 기후대에 속하며, 대한해협에 접하고 있어 해양성 기후가 동시에 나타난 다(KMA, 2017). 부산 지역의 연평균 기온은 14.4°C로 우리나라 연평균기온(12.8°C)보다 높으며 연평균 강수량은 약 370 mm이다(KMA, 2017).

2009년부터 2018년까지 부산 지역 PM 농도 변화 추이는 연평균 PM10 농도는 최근 감소하고 있는 반면, 연구 기간인 봄철과 여름철의 최근 4년간 연평균 PM10 농도는 각각 53.3 µg/m3와 40.7 µg/m3로 연평균(40 µg/m3) 대비 높은 수준이다(Kim et al., 2020). 2014년의 대기정책 지원시스템(clean air policy support system, CAPSS) 배출량 자료로부터 도출한 부산지역 PM 화학성분 특성 분석 결과 총 NOX, SOX, PM 배출량은 각각 약 44,796 ton, 10,536 ton, 1,849 ton으로 항구가 위치한 북항, 남항 등 연안지역과 산업지역에서 높게 나타났다(Kim et al., 2020).

2) 미세먼지 및 기상 모니터링

PM10은 공기역학직 경이 10 µm 이하 크기의 입자로 본 연구에서는 PM10을 대상으로 하였다. 대기 중 PM10 농도는 부산 남구에 위치하는 부경대학교 충무관 옥상 (35.13°N, 129.10°E)에서 PMS5003 (plantower, China) 센서를 이용하여 자체 제작한 미세먼지 센서노드로 실시간 측정되었다. 본 센서노드는 국가대기측정망에서 사용하고 있는 기준기기와의 비교측정을 통한 적절한 보정이 수행된다면 실제 대기 중의 PM 농도를 모니터링할 수 있는 정도의 정확도를 가진다는 것이 선행연구에서 제시되었다(Park et al., 2019). 본 센서는 광산란 방식으로 에어로졸의 질량 농도를 측정하는 기기로, 데이터의 정도 관리를 위해 광주 서석동의 도시대기측정소에서 기준기기와의 비교측정 결과를 통하여 산출한 계수를 적용하여 선형 보정하였다. 보정 후, 센서노드와 기준기기와의 농도 분포는 좋은 상관관계를 나타내었다 (R2 > 0.83; 기울기 1). 각 강우의 누적 강우량, 시간당 강우량, 습도 등의 기상인자 데이터는 PM10 측정 장소와 남서쪽으로 약 3 km에 위치한 기상청 부산 남구 관측소의 AWS (automatic weather system)에서 측정한 자료를 이용하였다.

3) 빗물 샘플 및 수질 분석

빗물 샘플링은 2020년 3월 – 7월 동안 총 6번의 강우에 걸쳐 PM10 측정 장소와 동쪽으로 약 100 m에 위치한 부경대학교 환경해양관 옥상에 시행되었다. 수질분석 용 빗물집수장치는 3 m×3 m의 집수면에 80 cm×50 cm×30 cm 크기의 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 박스에 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC) 비닐을 이용하여 자체 제작하였다. 총 6개의 집수장치를 설치하여 최초 강우부터 50 mL의 빗물 샘플을 폴리에틸렌 (polyethylene) 실린더에 연속적으로 수집하여 총 282개의 샘플에 대하여 분석하였다. 샘플은 YSI Professional Plus multiparameter meter (YSI Incorporated, USA)를 사용하여 채수 즉시 pH와 EC를 측정하였으며 양이온 (Na+, Mg2+, K+, Ca2+, NH4 +)과 음이온(Cl , NO3, SO42– ) 농도는 ion chromatography (Thermo Scientific Aquion, USA)를 이용하여 분석하였다.

4) 데이터 분석

시간에 따른 대기 중 PM10 농도와 빗물의 수질 분석 결과를 통해 강우 강도에 따른 대기 중 미세먼지 저감 효과와 빗물 수질 특성을 규명하였다. 각 강우 이벤트에서 강우 지속에 따른 대기 중 PM과 빗물 내 이온 농도의 감소 효율은 식 (1)을 이용하여 계산하였다.

\(\text { Reduction efficiency }(\%)=\frac{C_{\max }-C_{\min }}{C_{\max }} \times 100\)       (1)

여기서, C는 PM10과 총 이온의 농도를 의미하며 Cmax는 최대 농도를 나타내고 Cmin는 최소 농도를 나타낸다. 다음 식 (2)는 시간에 따른 pH와 EC 간의 상관관계를 계산하기 위해 사용되었다.

\(r_{x, y}=\frac{\sum_{i=1}^{n}\left(x_{i}-\bar{x}\right)\left(y_{i}-\bar{y}\right)}{(n-1) s_{x} s_{y}}\)       (2)

여기서, rx, y는 x와 y의 피어슨 상관계수(Pearsoncorrela - tioncoefficient)를 뜻하며 \(\bar x\)는 표본집단 x의 평균, \(\bar y\)는 표본집단 y의의 평균을 나타내고 sxsy는 표본집단 x, y의 표본 표준편차를 나타낸다. 또한, n은 표본집단의 개체수를 의미한다.

3. 결과 및 토의

1) 강우 강도에 따른 대기 중 미세먼지 저감효과

연구기간(3월–7월) 총 6번의 강우 이벤트를 대상으로 강우 지속 시간에 따른 강우량과 대기중PM10 농도의 변화를 Fig. 1에 제시하였다. 각각의 강우 이벤트의 누적강우량은 9.8 –100 mm범위로 다양하게 나타났다. 특히 6월 29일에 누적 강우량이 100 mm로 가장 많은 양의 비를 기록하였으며, 연구기간 중 가장 높은 강우 강도 (22.5 mm/h)를 기록하였다 (Table 1). 반면, 5월 2일의 경우 9.8 mm의 누적 강우량과 2.5 mm/h의 강우 강도를 보였으며 연구기간 중 가장 적은 비를 기록하였다. 연구기간 중 3월 9일, 6월 29일, 7월 27일은 10시간 이상 강우가 지속되었으며 5월 2일과 7월 30일은 5시간 이하로 짧은 시간동안 강우가 지속되었다(Table 1). 강우가 지속 됨에 따라대기 중 PM10 농도가 저감되었으나 강우 강도에 따라 상이한 저감효율을 보였다 (Fig. 1). 최대강우 강도가 8.5 mm/h로 시간당 강우량이 높았던 7월 27일의 경우, 강우가 지속됨에 따라 대기중PM10이 최대 30.5 µg/m3에서 7.5 µg/m3로 감소되어 저감효율이 75.4%로 가장 높게 나타났다(Fig. 1b). 또한 강우 강도가 최대 8 mm/h, 22.5 mm/h을 기록한 4월 17일과 6월 29일의 대기 중 PM10 저감효율이 각각 62.8% (Fig. 1c), 64.8% (Fig. 1a)로 높은 저감효율을 보였다. 반면 강우 강도가 2.5 mm/h로 가장 낮았던 5월 2일의 경우 강우 지속에 따라 PM10 농도가 33.8 µg/m3에서 23.8 µg/m3로 감소되어 저감효율이 28.7%로 가장 낮았다(Fig. 1f). 본 연구에서는 강우 강도 5 mm/h이하, 감소효율 40% 이하인 3월 9일, 5월 2일, 7월 30일을 lightrain으로 분류하였으며 강우 강도 7.5 mm/h 이상, 감소효율 60% 이상의 4월 17일, 6월 29일, 7월 27일을 heavyrain으로분류하였다(Gaoet al.,2019).

Table 1. Rainfall characteristics, initial pH and conductivity of rainwater samples for 6 rainfall events, and PM10 concentrations in the atmosphere measured 1 h before each rainfall event

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Fig. 1. Temporal variations in precipitation and PM10 concentrations during heavy rain (a –c) and light rain events (d –f).

연구기간 총 6회의 강우 이벤트를 대상으로 강우강도에 따른 저감효율을 Fig. 2에 제시하였다. 강우 강도가 5 mm/h 이하 일 때 PM10 저감효율이 40% 이하로 나타난 반면, 강우강도가7.5 mm/h 이상일 경우 저감효율이 60%이상으로 높은 강우 강도에 따라 대기 중 PM10 저감효율이 높게 나타났다.

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Fig. 2. Relationship between rainwater intensity and reduction efficiency of 6 rainfall events.

2) 강우 지속에 따른 빗물 수질 시계열 분석

(1) pH와 EC

총 6회의 강우 이벤트에서 초기 빗물의 수질 분석 결과 pH는 평균 4.3으로 산성도가 높게 나타났다(Table 1). 강우 강도가 높은 heavy rain일 때 빗물의 초기 pH는 4.4 이하로 낮게 나타났으며 강우 강도가 낮았던 light rain의 경우 초기 pH가 4.5 이상 높게 나타났다. 강우 초기 빗물의 전기전도도는 평균 81.94 µS/cm였으며, heavy rain의 전기전도도는 71 – 87.5 µS/cm 범위로 상대적으로 높게 나타났다. 반면, 3월 9일에는 낮은 강우 강도에 영향을 받았음에도 불구하고 빗물의 초기 pH가 3.8로 낮았으며 EC 농도가 193.7 µS/cm로 가장 높게 나타났다(Table 1). 이는 대기 중 PM10의 영향으로, 3월 9일은 연구기간 중 강우 전 1시간 평균PM10 농도가 31.5 µg/m3로 가장 높았고, 이에 따라 낮은 강우 강도에도 높은 산성 도와 EC가 나타난 것으로 판단된다. 이를 통해 강우강도와 대기 중 PM10 농도 모두 강우 초기 pH와 EC에 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있었다.

연구기간 총6회의 강우 이벤트에서 강우 지속에 따른 pH와 EC의 변화를 Fig. 3에 나타내었다. 강우 지속에 따라 강우의 pH는 평균 4.3에서 5.0으로 증가하였으며 EC는평균 81.9 µS/cm에서 12.1 µS/cm로 감소하였다. Heavy rain의 경우 강우 지속에 따라 pH는 지속적으로 증가하고 EC는 상대적으로 감소하는 경향을 보인 반면, 강우 강도가 3.5 mm/h 이하로 매우 짧은 시간 동안 강도가 약한 강우의 영향을 받은 5월 2일(Fig. 3f)과 7월 30일 (Fig. 3e)에는 pH와 EC의 증감 형태를 확인할 수 없었다. 강우 강도가 가장 높았던 7월 27일 강우의 pH는 초기 4.4에서 강우 후기 5.6으로 pH의 변동성이 가장 컸으며 (Fig. 3b) 전기전도도는 강우 초기 71.0 µS/cm에서 4.2 µS/cm로 감소하여 평형에 도달하기까지 약 2시간 소 요되었다. 시간당 강우량의 증감 변동이 크게 나타났던 6월 29일의 경우(Fig. 3a) 강우 지속에 따른 pH와 EC의 변동이 크게 나타났지만 강우 지속 약 3시간 후 pH는 증가하고 EC는 감소되어 평형상태에 도달하였다. 그러나 오랜 시간 약한 강우 강도의 영향을 받은 3월 9일의 경우(Fig. 3d) pH와 EC가 평형에 도달하기까지 약 4시간의 오랜 시간이 소요되었다.

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Fig. 3. Temporal variations in the pH and EC during heavy rain and light rain events.

강우 지속에 따라 pH는 지속적으로 증가하고 EC는 상대적으로 감소하여 강우 지속시간 동안 pH와 EC의 결과는 높은 음의 상관관계를 보였다(Fig. 4). 연구기간 총 6회 모두 유의한 음의 상관관계를 보였으며(p<0.05) 강우 강도에 따라 상이한 기울기를 확인할 수 있었다 (Fig. 4). 4월 17일(heavy rain)의 경우 가장 높은 음의 상관 계수(r=-0.97, p<0.05)을 보였으며 선형 회귀선의 기울기가 -106.9로 가장 크게 나타났다. 또한 가장 높은 강우 강도의 6월 29일에 높은 음의 상관계수(r=-0.94, p<0.05)를 보였으며 기울기가 -105.6으로 4월 17일과 비슷한 수치로 크게 나타난 반면, light rain의 경우 선형 회귀선의 평균 기울기가 -33.4로 기울기가 작게 나타났다. 이는 높 은 강도의 강우 이벤트의 경우, 강우 초기부터 짧은 시간내 pH와 EC가 평형에 도달하여 선형 회귀선의 기울기가 크게 나타난 것으로 판단된다.

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Fig. 4. Correlations between pH and EC for (a) three heavy rain events with strong rainfall intensities (>7.5 mm/h) and (b) three light rain events with rainfall intensities of <5 mm/h.

(2) 강우 내 이온 농도 변화

강우 초기와 강우 후기에 수집된 각각 18개의 빗물 샘플을 대상으로 PM를 구성하는 총 8개의 수용성 이온 (Na+, Mg2+, K+, Ca2+, NH4 +, Cl , NO3, SO42–)의 농도를 분석하였다(Fig. 5). 강우 초기의 총 이온의 평균 농도는 23.3 mg/L에서 강우 후기 평균 3.4 mg/L로 감소하여 약 86% 감소효율이 나타났다. 초기 빗물 내 NO3– 농도가 5.4 mg/L로 가장 높게 검출되었으며 Ca2+(4.2mg/L), Cl (4.1 mg/L) 순으로 빗물 내 높은 비율로 나타났다. 반면,K+,SO42–, NH4 +의 평균 농도는 각각 2.7 mg/L, 2.6 mg/L, 2.1 mg/L로 낮게 검출되었으며 Na+ (1.5 mg/L), Mg2+ (0.7 mg/L)은 미량으로 검출되었다. 강우 지속에 따라 대기 중 수용성 이온들의 감소로 빗물 내 이온 농도 또한 감소하였다. 강우 후기 빗물 내 Cl 의 평균 농도는 0.1 ± 0.1 mg/L로 강우 초기 대비 감소 효율 (96%)이 가장 높았으며, K(0.3 mg/L)와 NO3 (0.5 mg/L) 는 90% 이상의 높은 감소 효율을 나타냈다. 반면, 빗물 내 SO42 와 NH4 +는 농도는 강우 초기 대비 감소 효율이 각각 75%, 57%로 상대적으로 낮은 감소 효율이 나타났다. 이러한 결과를 통해 대기 중 Cl, NO3 , K+ 등의 이온들은 강우에 의한 저감효과에 많은 영향을 받는 것으로 판단된다.

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Fig. 5. Distribution of ion concentrations in the initial and final rainwater samples.

각 강우 이벤트에 대하여 강우 지속에 따른 빗물 내 이온 농도의 변화를 Fig. 6에 나타냈다. 강우 강도가 가장 높고 지속 시간 10시간으로 길었던 6월 29일의 경우, 약 2시간의 강우 지속 이후에 이온 농도가 평형에 도달하였다(Fig. 6a). 강우 초기 빗물의 총 이온의 농도는 40.7 mg/L로 K+ (13.2 mg/L), Cl (11.1 mg/L), NO3 (5.3 mg/L)의 농도가 높게 나타났으며 강우 지속에 따라 36.7 mg/L 가 감소되어 강우 초기 대비 약 90.1% 감소되었다. 7월 27일의 경우, 강우 초기 빗물의 총 이온의 농도가 17.2 mg/L에서 강우 후기 2.9 mg/L로 약 82.7% 감소되었다 (Fig. 6b). 이는 강우 지속 시간은 6월 29일과 동일하게 약 10시간으로 나타났지만, 강우 강도가 8.5 mm/h로 상대적으로 낮아서 빗물 내 이온 농도의 감소 효율이 더 작게 나타났다.

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Fig. 6. Temporal patterns of the ion concentrations in the rainwater samples during heavy rain (a –c) and light rain events (d –f).

반면, light rain의 경우 빗물 내 이온 감소 효율이 60% 이하로 낮게 나타났으며 이온 평형 도달 시간이 길며 이온 농도의 감소 폭이 매우 좁았다. 강우 강도가 2.5 mm/h로 가장 작았던 5월 2일의 경우 초기 빗물의 총 이 온 농도가 5.8 mg/L에서 약 1시간 동안 2.6 mg/L로 약 55% 감소하였지만 이후 증가와 감소를 반복하여 지속적인 감소 패턴을 보이지 않았다 (Fig.6f).7월 30일의 경우 일정한 감소 패턴에 따라 빗물 내 이온 농도가 감소하였으나 강우 초기 7.8mg/L에서 강우후기 3.2mg/L로 감소되어 농도 저감의 변동이 폭이 좁게 나타났다(Fig. 6f). 7월 30일의 경우 일정한 감소 패턴에 따라 빗물 내 이온 농도가 감소하였으나 강우 초기 7.8 mg/L에서 강우 후기 3.2 mg/L로 감소되어 농도 저감의 변동이 폭이 좁게 나타났다 (Fig. 6e). 강우 강도가 4.5 mm/h로 상대적으로 높았던 3월 9일에 이온 감소 효율이 86.7%로 높게 나타났지만 평형 도달 시간이 약 6시간으로 굉장히 긴 시간 강우의 영향으로 이온 농도가 감소하였다(Fig. 6d)

각 강우 이벤트의 시간에 따른 이온 농도 분석 결과, heavy rain (>7.5 mm/h)의 경우 이온 저감효율이 82.7 – 91.5% 범위로 높게 나타났으며 평형 도달 시간 또한 0.5 – 4시간 범위로 짧게 나타났다. 반면, light rain의 경우 이온 저감효율이 상대적으로 낮았으며 일정한 감소 패턴이 나타나지 않았다.

4. 결론

본 연구에서는 강우 지속에 따른 대기 중 PM10 농도와 빗물 수질을 정량화함으로써 강우 강도에 따른 PM10 저감효율과 대기 중 PM10 농도가 빗물 수질에 미치는 영향을 평가하였다. 빗물 수질 분석 결과 초기 빗물의 pH는 평균 4.3으로 낮게 나타났으며 EC는 81.94 µS/cm 로 평균 NO3 (5.4 mg/L), Ca2+ (4.2 mg/L), Cl (4.1 mg/L)이 빗물 내 수용성 이온들 중 높은 비율로 나타났다. 강우 지속에 따라 대기 중 PM10 농도가 저감되었으며 빗물의 pH와 EC 농도가 평형에 도달하기까지 지속적으로 증가하고 감소하는 패턴을 보였다. 또한, 시간에 따라 빗물 내 이온 농도가 지속적 감소하여 평형에 도달하였다. 이러한 경향은 강우 강도에 따라 상이하게 나타나는데, heavy rain (>7.5 mm/h)의 경우, 시간에 따라 대기 중 PM10 저감효율은 60% 이상으로 높게 나타났으며, pH는 지속적으로 증가하고 EC는 상대적으로 감소하는 경향을 보였다. 빗물 내 이온 농도의 저감효율은 82.7 – 91.5% 범위로 높게 나타났으며 짧은 시간동안 평형에 도달하는 경향이 나타났다. 반면, light rain (<5 mm/h)은 대기 중 PM10 저감효율이 상대적으로 낮은 40% 이하로 나타났으며 시간에 따른 pH와 EC의 일정한 변화 패턴은 확인할 수 없었다. 또한, 빗물 내 이온 농도의 저감효율은 상대적으로 낮았으며 평형에 도달하기까지 오랜 시간 소요되었다.

본 연구의 결과는 강우 강도를 고려한 대기 중 PM10의 저감 효과와 빗물 수질에 관련된 환경 대책 및 관리를 위한 기초 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 하지만, 본 연구의 샘플링 기간이 봄과 여름에 국한되어 부산 지역의 사계절 특성을 고려하지 못하였기 때문에 추후 대기 중 PM 농도가 높은 가을과 겨울에 대한 연구가 필요하다. 또한 PM 농도와 빗물 수질 간 정량적 상관분석과 오염원 추적 등의 추가 연구가 대기 중 PM 농도가 강우에 미치는 영향을 규명하는데 도움이 될 것으로 사료된다.

사사

이 논문은 2020학년도 부경대학교 국립대학육성 사업 지원비에 의하여 연구되었습니다.

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