[논문]제주도 쓰레기매립장 침출수 조사를 위한 전기 및 소형루프 전자탐사의 적용

송성호; 용환호; 안중기; 김기표

문제 정의

이 연구에서는 제주도에 위치한 비위생 매립지와 주변부에 대하여 짐줄수 누줄에 의한 환경오염 가능성을 검토하기 위하여 종합적인 물리탐사를 수행하였다. 연구에 이용된 물리탐사법은 전기비저항 탐사, 자연전위 탐사 및 다중주파수 소형루프전자탐사로 연구 대상지역의 전반적인 수리지질구조 및 오염범위 규명 등을 위하여 각 방법별로 적용한 결과를 복합적으로 해석하였다.
이 연구의 목적은 비위생 매립지 주변의 수리지질 특성을 규명하여 매립 이후 지금까지의 오염 영역규명 및 향후 장기적인 오염 모니터링 대책 수립을 위한 기초자료 제공에 있다. 현장 조사는 침출수의 물리적인 특성을 대표하는 전기전도도 변동양상을 규명하기 위해 전기비저항 탐사와 소형루프 전자탐사를 수행하였으며, 이와 병행하여 침출수의 유동과 밀접한 관련이 있는 지하수 흐름에 의한 유동전위를 측정하는 자연전위 모니터링을 수행하였다.
이번 연구에서 적용한 소형루프 전자탐사는 침출수 오염원에 의한 천부(<10m) 전기비저항 변화양상을 고찰하기 위한 목적으로 수행되었다. 탐사장비는 광대역의 이동 송수신 전자탐사 장비인 미국 Geophex사의 GEM-2를 이용하였다.

가설 설정

Fig. 11은 1차원 역산법을 이용하여 처리된 자료를 이용하여 각 측선별로 도시한 결과로, 이때 심도별 층의 구분은 매립장의 복토층 두께 및 탐사기기의 송수신기 간의 거리 등을 고려하여 0.5 m, 2.0 m, 5.0 m 및 6.6 m 깊이의 층을 갖는 모델을 가정하였다. 매립장의 중앙부를 동서로 가로지르는 EM-1 측선의 경우 상부는 약 2ohm-m이며 하부로 갈수록 0.

제안 방법

그렇지만 겉보기 전기전도도는 지하하부에 존재하는 모든 이상체에 대한 영향을 반영하는 것이므로 이상체의 위치나 전기전도도분포 등 정량적 정보를 도출하기 위해서는 적절한 자료처리 및 역산법의 적용이 필수적이다. 따라서 이번 현장 조사 결과는 GEM-2를 이용한 자료에서 겉보기 비저항 계산 및 1차원 역산을 수행하여 지표 하부의 심도별 전기전도도 분포를 해석하였다.
또한 심도별로 정확한 전기전도도의 분포를 파악하기 위하여 상대적으로 안정된 측정값을 나타내는 7개의 주파수 대역을 이용한 1차원 역산을 수행하였다.
여기서는 앞서 제시된 각종 물리탐사 기술의 적용 결과를 비위생 매립지 주변의 수리지질구조와 관련시켜 복합적으로 해석하였으며, 매립장 주변에서 발생한 침출수의 누출 영역을 규명하기 위하여 천부에 대한 고해상도 탐사 결과를 종합적으로 분석하였다.
종합적인 물리탐사를 수행하였다. 연구에 이용된 물리탐사법은 전기비저항 탐사, 자연전위 탐사 및 다중주파수 소형루프전자탐사로 연구 대상지역의 전반적인 수리지질구조 및 오염범위 규명 등을 위하여 각 방법별로 적용한 결과를 복합적으로 해석하였다.
연구지역에 대한 전자탐사 자료는 각 측선별로 10개의 주파수를 대상으로 각 주파수별로 이상성분을 이용하였는데, 이때 현장취득 자료 중 지표 부근의 잡음에 의해 공간적으로 발생되는 국부적인 이상치를 제거하기 위하여 median 필터링을 수행하였다. 또한 심도별로 정확한 전기전도도의 분포를 파악하기 위하여 상대적으로 안정된 측정값을 나타내는 7개의 주파수 대역을 이용한 1차원 역산을 수행하였다.
이 연구에서는 제주도에 위치한 비위생 매립장의 매립지 경계부와 침출수 누출 영역 탐지를 위하여 전기비저항 탐사와 더불어 소형루프 방식을 이용한 고해상도의 전자탐사를 이용하여 천부의 전기비저항의 변화를 탐사하였으며, 최근 송성호외(2002)에 의해 오염현장에서 효과적으로 적용되고 있는 자연전위 방법을 병행하여 천부 지하수의 유동방향을 추정하였다.
그러나 이러한 각 주파수별 겉보기 비저항은 지하의 비저항 변화를 신속하게 파악할 수 있지만, 심도별 전기비저항을 계산하기 위해서는 역산법을 이용해야 한다. 이에 따라 이 연구에서는 공간 필터링을 이용하여 처리된 이상성분 자료에 설순지외(2002)가 제시한 평활화 제한을 가한 1차원 역산법을 적용하여, 매립장 주변 및 매립장에 대하여 심도별로 전기비저항의 분포 영상을 도출하였다.
된다(김정호외, 2001). 이에 따라 이 연구에서는 신호대 잡음비가 높으나 수평 분해능이 가장 낮은 단극배열법을 변형하여, 분해능을 향상시킨 변형된 단극배열(modified pole-pole array)법을 선택하였다. 탐사에 이용된 장비는 미국 AGI사의 Sting R1 과 스웨덴 ABEM사의 SAS 1000 시스템이다.
일반적으로 매립장의 침출수는 천부의 토양층을 따라 확산되는 경우가 많으므로 다중주파수의 소형루프 전자탐사를 적용하여 침출수에 의한 천부(<10m) 오염영역을 파악하고자 수평루프를 이용한 고해상도 전자탐사를 수행하였다. 탐사 측선은 매립지를 중심으로 상류부와 하류부 및 경계부를 대상으로 배열하여 침출수의 유출 가능성을 중점적으로 파악코자 하였다(Fig.
전기비저항 탐사는 조사지역 주변의 전체적인 수리지질구조와 오염 경로 파악을 위하여 전극간격을 20 m로 하여, 지표로부터 지하수 자연수위까지의 깊이인 120 m를 포함하도록 설정하였다. 탐사는 신호대 잡음비를 향상시키는 배열법으로 변형된 단극배열법과 슐럼버져 배열법을 병행하여, 매립지를 중심으로 상류부(L8), 매립지 내부(L7), 매립지 하류 경계부 1측선(L1) 및 매립지 하부 3측선(L2, L3, L4)을 지형경사와 수평하게 배열하였으며, 2개의 측선(L5, L6)을 매립지 하류부의 수평 배열 측선들과 수직되게 배열하여 탐사를 수행하였다 (Fig.
전반적으로 북서쪽으로의 지하수 유동 방향이 나타남을 알 수 있는데, 이는 지형 구배와 일치된다. 지금까지 지하수 유동과 관련된 연구결과에서 수리지질구조에 의해 발생되는 자연전위의 이상 구간은 주변의 배경 자연전위변화와 다르게 나타날 수 있으므로(송성호와 배광옥, 2002), 2차원 전기비저항 탐사의 측선과 동일한 측선에 대하여 각각 약 1일 간의 자연전위 모니터링을 실시하였다.
이용한 고해상도 전자탐사를 수행하였다. 탐사 측선은 매립지를 중심으로 상류부와 하류부 및 경계부를 대상으로 배열하여 침출수의 유출 가능성을 중점적으로 파악코자 하였다(Fig. 8). 전자탐사의 경우 전자기파의 사용주파수와 지하 매질의 전기비저항 값에 따라 표피심도(skin depth)가 달라지지만, 이를 이용하는 경우 고주파수는 천부의 반응을, 저주파수는 상대적으로 심부의 반응을 나타내므로, 다중주파수를 이용하는 경우 지하의 심도별 전기전도도의 변화에 대한 정보를 파악할 수 있다.
탐사는 신호대 잡음비를 향상시키는 배열법으로 변형된 단극배열법과 슐럼버져 배열법을 병행하여, 매립지를 중심으로 상류부(L8), 매립지 내부(L7), 매립지 하류 경계부 1측선(L1) 및 매립지 하부 3측선(L2, L3, L4)을 지형경사와 수평하게 배열하였으며, 2개의 측선(L5, L6)을 매립지 하류부의 수평 배열 측선들과 수직되게 배열하여 탐사를 수행하였다 (Fig. 3).
있다. 현장 조사는 침출수의 물리적인 특성을 대표하는 전기전도도 변동양상을 규명하기 위해 전기비저항 탐사와 소형루프 전자탐사를 수행하였으며, 이와 병행하여 침출수의 유동과 밀접한 관련이 있는 지하수 흐름에 의한 유동전위를 측정하는 자연전위 모니터링을 수행하였다.

대상 데이터

연구지역인 비위생 매립장은 제주시 남쪽의 표고 165~205 m에 위치하고 있고, 매립장의 서쪽으로는 어승생에서 발원한 도근천이 지나고 있으며, 동쪽으로는 하천 연장이 짧은 원장내, 마두천, 사수천 등이 형성되어 있다. 이러한 하천들은 제주도의 다른 하천과 마찬가지로 평상시에는 하천의 유출수가 거의 없는 건천으로 강수가 집중되는 경우 일시적으로 하천유출이 발생하는 특징이 있다(Fig.
이에 따라 이 연구에서는 신호대 잡음비가 높으나 수평 분해능이 가장 낮은 단극배열법을 변형하여, 분해능을 향상시킨 변형된 단극배열(modified pole-pole array)법을 선택하였다. 탐사에 이용된 장비는 미국 AGI사의 Sting R1 과 스웨덴 ABEM사의 SAS 1000 시스템이다.
탐사장비는 광대역의 이동 송수신 전자탐사 장비인 미국 Geophex사의 GEM-2를 이용하였다. 획득자료는2차장의 동상성분(in phase) 및 이상성분(out of phase: quadrature)을 1 차장으로 정규화시킨 2차장 크기 (ppm 단위 ) 및 겉보기 전기전도도이며, 이때 겉보기 전기전도도는 겉보기 비저항으로 변환하여 사용이 가능하다(송윤호 외, 2001). 그렇지만 겉보기 전기전도도는 지하하부에 존재하는 모든 이상체에 대한 영향을 반영하는 것이므로 이상체의 위치나 전기전도도분포 등 정량적 정보를 도출하기 위해서는 적절한 자료처리 및 역산법의 적용이 필수적이다.

성능/효과

2차원 전기비저항 탐사는 전극간격을 20 m로 설정하여 변형된 단극배열과 슐럼버져 배열을 동시에 적용하였는데, 변형된 단극배열법이 제주도의 지질조건에 따른 전극의 접지 불량을 극복하는데 효과적이었으며, 신호 대 잡음비를 향상시킴에 따라 매립지 주변의 수리지질구조를 밝히는데 효율적임을 확인하였다. 특히 매립지 상부에서 수행된 탐사 결과 나타난 저비저항의 이상대가 매립지 하류부에서 두 갈래로 나뉘어지는 영상화를 효과적으로 구현함에 따라, 매립지 침출수 누출 등 효율적인 관리를 위해서는 이러한 저비저항대의 위치에 추가적인 정밀조사와 지하수 수질변화를 모니터링할 수 있는 장기관측정을 설치흐}는 것이 바람직할 것으로 나타났다.
특히 매립지 상부에서 수행된 탐사 결과 나타난 저비저항의 이상대가 매립지 하류부에서 두 갈래로 나뉘어지는 영상화를 효과적으로 구현함에 따라, 매립지 침출수 누출 등 효율적인 관리를 위해서는 이러한 저비저항대의 위치에 추가적인 정밀조사와 지하수 수질변화를 모니터링할 수 있는 장기관측정을 설치흐}는 것이 바람직할 것으로 나타났다. 또한 동일한 측선에서 수행된 자연전위 탐사 결과도 전기비저항 탐사의 결과를 효과적으로 뒷받침하는 것으로 나타났다.
나타나는 결과와 일치된다. 또한 매립장 외부에서 수행된 EM-5 측선에 대한 탐사 결과는 매립장 내부에 대한 탐사 결과와 달리 일정한 경향성이 나타나지 않음에 따라 지표 하 약 10m 이내의 천부의 경우는 매립장으로부터 발생 가능한 침출수의 영향이 거의 없는 것으로 판단된다. 그러나 이러한 각 주파수별 겉보기 비저항은 지하의 비저항 변화를 신속하게 파악할 수 있지만, 심도별 전기비저항을 계산하기 위해서는 역산법을 이용해야 한다.
그러나 본 매립장은 남북방향으로 계단식 형태로 매립지를 조성하였기 때문에, EM-2 측선의 경우는 매립지 내부에서도 수평적인 변화폭이 상대적으로 크게 나타났다. 매립장 내부의 경우는 전체적으로 고주파수 대역인 14, 850 Hz와 20, 010 Hz에서 상대적으로 안정된 결과가 나타나는데, 이러한 결과는 매립물 상부에 토사 및 자갈 둥의 복토충과 최상부의 피복재가 매립장 전체에 균일하게 덮여있는 영향을 반영한 것으로 판단된다.
비위생매립지의 경우 과거 무분별한 매립으로 인하여 매립장의 경계부를 정확하게 확인하는 것이 중요한데, 지하 약 10m 이내의 천부를 대상으로 다중주파수 이동 송수신 방법인 고해상도 전자탐사 자료 처리 및 1차원 역산법을 적용한 결과매립장 경계부의 위치 및 매립장 내부에 대하여 심도별로 매립물에 의한 저비저항의 이상대를 효과적으로 규명할 수 있었다. 또한 매립지 경계부를 통한 침출수의 누출 가능성을 파악하기 위하여 매립장 하부 경계부와 하류부에 동서방향으로 탐사를 수행한 결과 하부 경계부의 경우 국부적으로 저비저항의 이상대가 나타나지만, 매립지 하류부에서는 이러한 저비저항의 이상대가 나타나지 않음에 따라 매립지로부터 발생될 수 있는 천부 토양층을 통한 침출수 발생 가능성은 매우 낮은 것으로 판단된다.
9는 각 측선별로 이상성분의 결과를 도시한 그래프로고 주파수 대역인 20, 010Hz의 반응이 가장 높은 반면 저주파수 대역 인 330 Hz의 반웅이 가장 낮게 나타났다. 이들 측선 중에서 매립지 내부 구간에서는 이상성분이 상대적으로 높게 나타나는데, 이 중 매립지를 동서방향으로 관통하는 측선인 EM-1, EM-7, EM-8에서는 매립에 의해 표고변화가 없는 내부 측점의 경우 이상성분이 공간적으로 급격한 변화가 없는 안정된 탐사 결과가 얻어졌다. 그러나 본 매립장은 남북방향으로 계단식 형태로 매립지를 조성하였기 때문에, EM-2 측선의 경우는 매립지 내부에서도 수평적인 변화폭이 상대적으로 크게 나타났다.
그러나 L-3 측선으로부터 약 100 m 이상 하류부에 대한 L-4 측선의 결과에서는 상부에서 나타난 뚜렷한 저비저항대의 연장성이 나타나지 않음에 따라 매립물에 의한 직접적인 영향은 없는 것으로 판단된다. 이상과 같은 수평적인 측선들과 수직방향으로 배열한 L-5와 L-6 측선의 탐사 결과에 의하면 매립지 주변에 위치한 두 측선의 시작점 주변에서 40 아ttn-m 내외의 낮은 비저항대가 나타남에 따라 수평적으로 배열된 L-2와 L-3 측선에서 해석된 결과가 타당함을 알 수 있다.
9%로 구성되어 있으며, 평균 매립고는 약 25 m이다(제주시 , 2000). 침출수집수정에서 채취된 시료의 수질 분석 결과에 따르면 일반적인 침출수 농도에 비하여 상대적으로 저농도를 나타내는 것으로 나타났는데, 이는 고농도의 침출수와 우수가 혼합되어 이동하면서 생물학적 분해와 매립된 연탄재 등에 의한 흡착에 의한 것으로 분석되었다. 또한 최근 지표수 차수막과 수직 차수벽을 설치하기 이전의 침출수 발생량을 합리식, 경험식 및 HELP 모델을 이용하여 산정한 결과 일평균 약 70m3/day로 추정된바 있다.

후속연구

매립지 하류 경계부에 대한 L-1 측선의 경우는 40~80 ohm-m의 낮은 비저항 구간이 매립물 주변에 나타나는데, 이는 매립지를 관통하는 구간과 일치된다. L-1 측선으로부터 약 50 m 하류부에 평행하게 배열한 L-2와 L-3 측선에서는 이러한 저비저항대가 두 개로 나뉘어 지는데, 특히 21~26 측점 주변은 계곡부에 위치한 측점으로 지표수에 의한 포화의 영향으로 판단되지만,8~11 측점 주변은 지형적인 영향이 나타나지 않음에 따라 지표하의 수리지질 구조에 대한 추가적인 정밀 조사가 요구된다. 그러나 L-3 측선으로부터 약 100 m 이상 하류부에 대한 L-4 측선의 결과에서는 상부에서 나타난 뚜렷한 저비저항대의 연장성이 나타나지 않음에 따라 매립물에 의한 직접적인 영향은 없는 것으로 판단된다.
특히 모식도 우측에 나타난 이상대는 계곡의 방향과 일치되며, 왼쪽으로 나타나는 이상대는 도로를 따라 발달되는 형태를 보여준다. 이러한 국부적인 이상대 중 계곡부의 경우는 지표수의 흐름과 연관되어 해석이 가능하지만, 반대쪽에 나타나는 이상대의 경우는 지형 및 수리지질 구조로 설명이 불가능함에 따라 향후 시추조사 등의 추가적인 조사가 필요하다고 판단된다.
특히 매립지 상부에서 수행된 탐사 결과 나타난 저비저항의 이상대가 매립지 하류부에서 두 갈래로 나뉘어지는 영상화를 효과적으로 구현함에 따라, 매립지 침출수 누출 등 효율적인 관리를 위해서는 이러한 저비저항대의 위치에 추가적인 정밀조사와 지하수 수질변화를 모니터링할 수 있는 장기관측정을 설치흐}는 것이 바람직할 것으로 나타났다. 또한 동일한 측선에서 수행된 자연전위 탐사 결과도 전기비저항 탐사의 결과를 효과적으로 뒷받침하는 것으로 나타났다.

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