본 연구의 목적은 전라남도 완도군 고금도 지역 지하수의 수리지구화학과 수소-산소동위원소를 파악하여 해수침투경로와 오염여부를 규명하는데 있다. 연구지역 지하수의 물리적인 특성은 중성과 전이환경에 속하며, 해수와 지표수의 영향을 받은 것으로 나타났다. 화학적인 특성에서도 해수의 침투, 육상의 오 ${\cdot}$ 폐수 및 농약이나 폐기물에 의해 오염이 진행되고 있다. 특히 지하수 중 여섯 지역에서 Cl은 먹는 샘물 기준치를 초과하는 것으로 나타났다. 파이퍼도에서 GG-4와 14지역은 해수의 침투로 오염되었으며, 수질유형을 구분하여 보면 GG-3, 7 및 13지역은 Na와 HCO$_{3}$가 지배적이고, GG-14지역은 해수와 같이 Na와 Cl이 지배적으로 나타났다. 수리지구화학적인 모델링 분석결과 해수의 방해석과 백운석 포화지수는 과포화상태이며, GG-3, 14 및 18지역에서 포화영역에 접근하고 있다. 수소-산소동위원소비에서 본 역 지하수의 기원은 순환수이며, GG-1, 5 및 14지역의 높은 산소동위원소는 지표수의 유입과 해수 침투에 의한 것이다. 본 연구결과 GG-14지역의 지하수는 해수의 침투에 의해 오염되어 있으며, GG-3, 7 및 13지역을 제외한 지하수들은 해수의 침투 및 인위적인 오염원에 의해 오염이 진행되고 있다.
본 연구의 목적은 전라남도 완도군 고금도 지역 지하수의 수리지구화학과 수소-산소동위원소를 파악하여 해수침투경로와 오염여부를 규명하는데 있다. 연구지역 지하수의 물리적인 특성은 중성과 전이환경에 속하며, 해수와 지표수의 영향을 받은 것으로 나타났다. 화학적인 특성에서도 해수의 침투, 육상의 오 ${\cdot}$ 폐수 및 농약이나 폐기물에 의해 오염이 진행되고 있다. 특히 지하수 중 여섯 지역에서 Cl은 먹는 샘물 기준치를 초과하는 것으로 나타났다. 파이퍼도에서 GG-4와 14지역은 해수의 침투로 오염되었으며, 수질유형을 구분하여 보면 GG-3, 7 및 13지역은 Na와 HCO$_{3}$가 지배적이고, GG-14지역은 해수와 같이 Na와 Cl이 지배적으로 나타났다. 수리지구화학적인 모델링 분석결과 해수의 방해석과 백운석 포화지수는 과포화상태이며, GG-3, 14 및 18지역에서 포화영역에 접근하고 있다. 수소-산소동위원소비에서 본 역 지하수의 기원은 순환수이며, GG-1, 5 및 14지역의 높은 산소동위원소는 지표수의 유입과 해수 침투에 의한 것이다. 본 연구결과 GG-14지역의 지하수는 해수의 침투에 의해 오염되어 있으며, GG-3, 7 및 13지역을 제외한 지하수들은 해수의 침투 및 인위적인 오염원에 의해 오염이 진행되고 있다.
The object of this study is to investigate the contamination degree and the interpretation of sea water intrusion phenomena with hydrogeochemical and hydrogen-oxygen stable isotope of coastal aquifer in the Gogum area, Korea. The physical characteristics of groundwaters is the neutral pH condition a...
The object of this study is to investigate the contamination degree and the interpretation of sea water intrusion phenomena with hydrogeochemical and hydrogen-oxygen stable isotope of coastal aquifer in the Gogum area, Korea. The physical characteristics of groundwaters is the neutral pH condition and transitional Redox environments, and groundwater is affected by sea water & surface water. The chemical properties of groundwaters are showing an increase in contamination owing to the sea water intrusion, waste water from the surface and agricultural chemicals. In the case of chloride, 6 samples of the groundwater in the study area are in excess of the drinking water standard. The Piper diagram shows the contamination in GG-4 and 14 by sea water intrusion. GG-3, 7 and 13 dominate the Na-HCO$_{3}$ type water and regional (GG-14) is indicated to dominate the Na-Cl type water such as sea water. According to the Sl (saturation index), sea water is oversaturated with respect to calcite and dolomite, GG-3, 14 and 18 are approaching the saturation state. The hydrogen-oxygen stable isotope ratio of groundwaters originates in the meteoric water, and groundwaters of GG-1, 5 and 14 display high oxygen isotope value due to surface water trespass and sea water intrusion. The result of this study, GG-14 is contaminated by sea water intrusion, groundwaters expected GG-3, 7 and 13 is in progress to artificial pollution and sea water intrusion.
The object of this study is to investigate the contamination degree and the interpretation of sea water intrusion phenomena with hydrogeochemical and hydrogen-oxygen stable isotope of coastal aquifer in the Gogum area, Korea. The physical characteristics of groundwaters is the neutral pH condition and transitional Redox environments, and groundwater is affected by sea water & surface water. The chemical properties of groundwaters are showing an increase in contamination owing to the sea water intrusion, waste water from the surface and agricultural chemicals. In the case of chloride, 6 samples of the groundwater in the study area are in excess of the drinking water standard. The Piper diagram shows the contamination in GG-4 and 14 by sea water intrusion. GG-3, 7 and 13 dominate the Na-HCO$_{3}$ type water and regional (GG-14) is indicated to dominate the Na-Cl type water such as sea water. According to the Sl (saturation index), sea water is oversaturated with respect to calcite and dolomite, GG-3, 14 and 18 are approaching the saturation state. The hydrogen-oxygen stable isotope ratio of groundwaters originates in the meteoric water, and groundwaters of GG-1, 5 and 14 display high oxygen isotope value due to surface water trespass and sea water intrusion. The result of this study, GG-14 is contaminated by sea water intrusion, groundwaters expected GG-3, 7 and 13 is in progress to artificial pollution and sea water intrusion.
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문제 정의
본 연구는 전남 완도군 고금도 지역의 지하수의 수리 지화 학적인 특성과 수소-산소 동위원소를 파악하여 고금도 지역 지하수의 오염여부를 규명코자 한다. 이를 위해 고금도 지역 지하수의 용존이온들의 함량변화와 거동 특성을 파악하고, 지하수의 수질 유형을 구분하며, 수리지구화학적인 모델링을 통해 용존이온과 지질매체와의 상호관련성을 파악하고자 한다.
이를 위해 고금도 지역 지하수의 용존이온들의 함량변화와 거동 특성을 파악하고, 지하수의 수질 유형을 구분하며, 수리지구화학적인 모델링을 통해 용존이온과 지질매체와의 상호관련성을 파악하고자 한다. 또한 환경동위원소인 수소-산소 동위원소비를 구해 지하수의 기원 및 특성을 규명하여 본 연구지역 지하수들의 오염 여부와 해수 침투 등을 밝히고자 한다.
고금도는 국내에서 낮은 위도지역에 속해 위도효과에 의한 동위원소 분별이 이루어져 다른 지역의 동위원소보다 무거운 동위원소를 가진 것으로 생각된다. 본 역 지하수에서 분석된 수소-산소동위원소 비가 위도효과에 따른 동위원소 분별이 일어났는지를 확인하고자 기존의 동위원소 연구결과와 비교하여 보았다. 기존의 연구결과는 윤성택 등(1998), 최석원 등(1998) 및 김옥배와 박희열(1997) 등이 발표한 지하수의 수소-산소동위원소비와 본 역에서 얻어진 수소-산소동위원소비를 Fig.
제안 방법
한다. 이를 위해 고금도 지역 지하수의 용존이온들의 함량변화와 거동 특성을 파악하고, 지하수의 수질 유형을 구분하며, 수리지구화학적인 모델링을 통해 용존이온과 지질매체와의 상호관련성을 파악하고자 한다. 또한 환경동위원소인 수소-산소 동위원소비를 구해 지하수의 기원 및 특성을 규명하여 본 연구지역 지하수들의 오염 여부와 해수 침투 등을 밝히고자 한다.
1). 지하수의 시료채취는 30분 이상을 양수하여 산화 환원 전위값이 안정된 후 양이온, 음이온분석을 위한 시료는 수동펌프를 이용하여 0.45呻의 셀롤로우즈 멜 브레인 필터 (celluose membrane filter)를 이용하여 부유물질을 제거하고, 폴리에틸렌 용기에 채수하였다. 양이온 분석을 위한 시료는 시료용기 벽면에 흡착되는 것을 방지하기 위해 진한 질산을 가해 pH 2 이하로 조절하여 아이스박스와 냉장고를 이용하여 보관하였다.
수소-산소동위원소분석시료는 대기와 접촉을 최대한 차단하여 채수하였다. 수소이온농도(pH), 산화환원전위 (Eh), 용존산소량(DO), 전기전도도(EC) 및 염분도(NaCl)와 같은 물리적 특성은 현장에서 측정하였으며, 페놀프탈레인용액과 메틸레드-브롬크레졸그린 혼합용액을 이용하여 적정한 후 계산에 의해 HCO3를구하였다(Jackson, 1993; Snoeyink and Jenkins, 1980). 양이온 화학분석은 한국기초과학지원연구원 동위 원소분석팀에 의뢰하여 21개의 원소를 분석하였다.
양이온 화학분석은 한국기초과학지원연구원 동위 원소분석팀에 의뢰하여 21개의 원소를 분석하였다. 이중 Fe원소는 흑연로 원자 흡광 분광분석기 (GFAAS, GF90PLUS)를 이용하였고, 時 원자 흡광 분광분석기 (AAS, Unicam989)로, Na, Mg 및 Ca는 유도결합플라즈마 방출분광분석기 (ICP-AES, ICPlOOO-ffl, Shimadz)로, 그리고 Si, Sr, Al, Zn, Cr, Cu, Mn, Cd, Pb, Hg, As, Se, Mo, Sb, Ba 및 Ge원소들은 유도결합 플라즈마 질량분석기 (ICP-MS, PQ3STE, Fisons) 를 이용하여 분석하였다. 음이온인 F, Cl, NO2, Br, NO& PO4 및 SQ는 서울대학교 자원공학과의 이온 크로마토그래피(IC, Dionex 500)를 이용하여 분석하였다.
이중 Fe원소는 흑연로 원자 흡광 분광분석기 (GFAAS, GF90PLUS)를 이용하였고, 時 원자 흡광 분광분석기 (AAS, Unicam989)로, Na, Mg 및 Ca는 유도결합플라즈마 방출분광분석기 (ICP-AES, ICPlOOO-ffl, Shimadz)로, 그리고 Si, Sr, Al, Zn, Cr, Cu, Mn, Cd, Pb, Hg, As, Se, Mo, Sb, Ba 및 Ge원소들은 유도결합 플라즈마 질량분석기 (ICP-MS, PQ3STE, Fisons) 를 이용하여 분석하였다. 음이온인 F, Cl, NO2, Br, NO& PO4 및 SQ는 서울대학교 자원공학과의 이온 크로마토그래피(IC, Dionex 500)를 이용하여 분석하였다.
수소와 산소동위원소의 분석시료는 대기와 접촉을 최대한 차단하여 채수하였으며 , 한국기초과학지원연구원 동위원소분석팀의 질량분석기(VG ISOTECH PRISM U)로 수소와 산소동위원소비를 측정하였다. 산소동위원소는 H2O-CO2평형법(Epstein and Mayeda, 1953)으로 분석하였으며, 수소동위원소는 Coleman et 以(1982)와 Kendall and Coplen(1985)의 실험 방법과 유사한 방법으로 약 3μ1의 물시료를 아연와 함께 Pyrex glass breakseal에 모은 후 500℃에서 반응 시켜 발생한 수소가스를 분석하였다.
측정하였다. 산소동위원소는 H2O-CO2평형법(Epstein and Mayeda, 1953)으로 분석하였으며, 수소동위원소는 Coleman et 以(1982)와 Kendall and Coplen(1985)의 실험 방법과 유사한 방법으로 약 3μ1의 물시료를 아연와 함께 Pyrex glass breakseal에 모은 후 500℃에서 반응 시켜 발생한 수소가스를 분석하였다. 측정값은 표준평균 해수(SMOW)에 대한 천분률편차 6D(%。)와 5180(%0) 로 나타냈으며, 분석정밀도는 6D는 土I%。이고 5180 는 ±0.
지하수의 용존이온 중 음이온(Cl, NO& SO4 및 HCO)과 pH와의 상관성을 파악하기 위한 상관도 (Fig. 4.)를 도시하였다. 일반적으로 C1 의 함량은 지하 심부에서 높게 나타나며, 그 원인은 과거 염수에 의한 침입에서 유래되거나, 내부적 기원으로서 규산염광물(흑운모, 각섬석 등)의 수화반응 및 유체포유물의 유출 등에서 유래한다.
이들 광물의 포화지수와 화학원소들의 상관성을 알아보기 위해 Ca, Al, Cl 및 Si 등의 원소들과 도시하였다(Fig. 7). 방해석(CaCQ), 백운석(CaMg(CCb)), 스트론튬석(SiCQ) 등과 같은 광물은 해수침투에 의한 염수화를 파악할 수 있는 인자들(Ca, Mg 및 Sr匯포함하고 있기 때문에 해수침투가 진행되면 이들 광물들이 포화상태로 나타난다(김옥배와 김희열, 1997).
본 역의 지하수시료 중 현장에서 측정한 염분도를기준으로 7개의 시료와 해수를 대상으로 한 수소-산소 동위원소비를 구하였으며 측정결과는 Table 4에 나타냈다.
대상 데이터
연구지역은 행정구역상 전남 완도군 고금면으로 지리 좌표상 북위 34° 22' 10"~34° 27' 40", 동경 126° 44' 50"~126° 52' 10”으로 한반도 남서쪽에 위치하며 폭이 약 10km, 길이가 약 8km인 작은 섬이다. 본 역은 지남산(264m), 덕암산(246m) 및 해발고도가 약 100~2(X)m인 낮은 봉우리들로 이루어져 있다.
본 역은 지남산(264m), 덕암산(246m) 및 해발고도가 약 100~2(X)m인 낮은 봉우리들로 이루어져 있다. 주변의 해안에는 많은 해안점토들이 분포하고 있으며, 현재도 방조제 공사로 인해 간척지화가 이루어지고 있다.
본 역의 지질은 화강암질 편마암을 기반암으로 하여 대부분의 지역이 유문암질 응회암과 안산암질 응회암으로 이루어져 있다.
시료는 전남 완도군 고금도에서 생활용수와 농업용수로 이용되는 천층지하수 17개와 고금도 주변 해역에서 해수 1개를 2001년 5월에 채취하였다(Fig. 1). 지하수의 시료채취는 30분 이상을 양수하여 산화 환원 전위값이 안정된 후 양이온, 음이온분석을 위한 시료는 수동펌프를 이용하여 0.
수소이온농도(pH), 산화환원전위 (Eh), 용존산소량(DO), 전기전도도(EC) 및 염분도(NaCl)와 같은 물리적 특성은 현장에서 측정하였으며, 페놀프탈레인용액과 메틸레드-브롬크레졸그린 혼합용액을 이용하여 적정한 후 계산에 의해 HCO3를구하였다(Jackson, 1993; Snoeyink and Jenkins, 1980). 양이온 화학분석은 한국기초과학지원연구원 동위 원소분석팀에 의뢰하여 21개의 원소를 분석하였다. 이중 Fe원소는 흑연로 원자 흡광 분광분석기 (GFAAS, GF90PLUS)를 이용하였고, 時 원자 흡광 분광분석기 (AAS, Unicam989)로, Na, Mg 및 Ca는 유도결합플라즈마 방출분광분석기 (ICP-AES, ICPlOOO-ffl, Shimadz)로, 그리고 Si, Sr, Al, Zn, Cr, Cu, Mn, Cd, Pb, Hg, As, Se, Mo, Sb, Ba 및 Ge원소들은 유도결합 플라즈마 질량분석기 (ICP-MS, PQ3STE, Fisons) 를 이용하여 분석하였다.
이론/모형
특정 화학반응, 즉 조암광물의 용해/침전 반응의 가능성을 검토하고자 수리지구화학적 모델링 프로그램인 WATEQ4F(Hounslow, 1995; Nordstrom et al., 1990)를 이용하여 광물의 포화지수(saturation index) 를 계산하였다. 물-암석반응 모델링은 각 광물의 포화도와 이론적인 광물 상평형 관계를 이용하여 지하수의 용존성분을 이해하기 위한 것이다(Parkhurst, 1995).
성능/효과
있다. 본 역 지하수의 Na함량은 lL0~368mg/l(평균 52.9 mg/1)로 높은 값을 보이며, pH와는 정의 상관성을 보여준다. 최순학(1990)에 의하면 Na이온이 20mg/l 이상을 포함하는 지하수는 해수와 혼합되었거나 육상오 .
지하수 중에 질산염이 다량으로 들어 있을 때 그 원인으로는 오염된 지표수가 유입되어 지하수가 오염되었거나, 지표의 토양속에 농축되었던 질산염이 강수와 함께 지하 대수층으로 침투하여 지하수를 오염시키는 경우이다(윤순강, 1994; 한정상, 1982). 고금도 지하수의 질산염은 pH와 음의 상관성을 보이며, 함량은 0.77~89.9mg/l(평균 51.2 mg/1)로 먹는 물 기준치의 NO3-N(10mg/lX 질산염으로 환산한 약 44.5mg/l보다 높게 나타났다. 특히 GG-5, 11 및 17지역에서 각각 89.
에 도시하였다. C1 와 주성분원소인 Na, Mg 그리고 SQ와의 상관계수값은 각각 0.96, 0.916 그리고 0.975로 매우 높은 상관성을 보여 이들 원소들이 해수 침투를 파악하는데 좋은 지시자의 역할을 할 것으로 생각되며, 미량원소인 Sr도 0.708로 비교적 높은 상관성을 가지고 있다.
증가하는 혼합상태의 경우이다. 음이온의 경우도 (A)과정을 거치면서 C1 의 함량비가 뚜렷하게 증가하였으며, 이러한 과정은 GG-3, 7 및 13지역을 제외한 지역에서 해수의 침투현상이 진행되고 있으며, GG4와 14지역은 해수에 의해 오염된 것으로 나타났다.
GG-14의 경우는 해수(GG-15)와 같은 유형인 Na-Cl로 나타나 해수의 침투가 있음을 보여준다. 이들 수질유형의 결과도 파이퍼도와 유사한 결과를 보여, 다수 지역에서 해수 침투가 이루어지고 있음을 보여준다.
69로 포화영역에 접근한다. 지하수에서 이들 광물들은 Ca와 Mg들의 함량이 증가할수록 포화영역으로 접근하며, 이 같은 변화양상은 지하수에서 해수의 침투를 지시하는 원소들의 함량 값이 증가할수록 방해석과 백운석과 같은 광물들이 포화되거나 침전가능성이 높음을 보여준다. 암염의 경우 지하수와 해수 모두 불포화영역으로 나타나며 C1 의 함량이 증가할수록 포화지수가 증가한다.
1. 연구지역 지하수의 물리적인 특성(pH, Eh, EC, DO, NaCl 및 TDS)을 종합한 결과 중성과 전이 환경에 속하며, 해수와 지표수의 영향을 받은 것으로 나타났다. 특히 GG-14지역의 지하수는 해수의 침투에 의해 용수로 사용하기에는 부적합하다.
지하수의 화학적인 특성에 의하면 해수의 침투, 육상의 오 . 폐수 및 농약이나 폐기물에 의해 오염이 진행되고 있으며, 지하수 중 GG-1, 2, 5, 14, 17 및 18지역에서 C1 이 먹는샘물 기준치를 초과하는 것으로 나타났다.
파이퍼도에 의하면 GG-4와 14지역은 해수의 침투에 의해 오염되었으며, GG-3, 7 및 13지역을 제외한 지하수에서도 해수침투 현상이 진행되고 있다. 수질 유형을 구분한 결과 GG-3, 7 및 13지역은 Na와 HCOj가 지배적이고 GG-14는 해수와 같이 Na와 C1 이 지배적이다.
4. 수리지구화학적인 모델링을 통한 방해석과 백운석의 포화지수에 나타나는 해수의 포화지수는 과포화 상태 이며, GG-3, 14 및 18지역에서 포화영역에 접근하는 것으로 나타났다.
6. 본 연구결과 GG-14지역의 지하수는 해수의 침투에 의해 오염되어 있으며, GG-3, 7 및 13 지역을 제외한 지하수들도 해수의 침투와 인위적인 오염원에 의한 오염이 진행되고 있음을 보여주었다. 따라서 해수 침투가 있는 지하수는 폐공처리 등으로 오염의 확산을 방지하여야 하고, 오염이 진행되고 있는 지하수들은 오염차수벽설치와 과잉양个방지 등으로 오염을 미연에 방지해야 할 것으로 생각된다.
5. 수소-산소동위원소비에서 나타난 본 역 지하수의 기원은 순환수이며, GG-1, 5 및 14지역의 높은 산소동위원소 조성은 물-암석의 상호반응보다 해수의 침투에 의한 해수 혼합의 결과로 생각된다.
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