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문제 정의
- 이에 따라 본 연구에서는 해수역류의 영향권인 섬진 강 하류지역 주변의 지하수를 대상으로 수리화학적 특성을 조사하여 지하수질 및 오염정도를 규명하고, 이를 바탕으로 해수침투정도, 기타 오염원 및 그 기여율을 추적함과 동시에 농업용수로써 지하수질의 적정성을 평가하여 제시함으로서, 섬진강 유역지하수의 오염특성 및 경로를 이해하고 적정한 관리대책을 수립하는데 우선적으로 필요한 기초자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- 수온, pH, 전기전도도(EC) 등 지하수의 물리적 특성들은 현장에서 pH meter (Orion, model 250A)와 Conductivity meter (Orion, model 130)로 직접 측정하였고, 중탄산이온(HCQf)의 농도 또한 Standard Method 2320-Alkality에 명시되어 있는 적정법에 따라 현장에서 메틸오렌지를 지시약으로 하고 산으로 적정하여 정량 분석하였다. Ca2+, Mg2*, Na+, K+ 등 양이온의 정량분석은 ICP-AES 및 AAS (Shimadzu, AA-6701F)를 이용하여, F, Cl; Br; NO2; NO3; PO43-, SCV-를 포함하는 음이온의 정량분석은 Waters 사의 이온크로마토그래프 (Waters-Alliance IC system)를 이용하여 각각 실시하였다.
- 농업용수로써 연구지역 지하수를 사용할 경우 그 적합성을 우리나라 농업용수 수질기준과 비교하여 판별 하여 보았다(Fig. 10). 주된 오염원이 해수로 간주되는 Cl-이온의 경우 농업용수 수질기준인 250 mg/l를 초과 하는 것은 대부분 하류와 중류지역의 지하수로 광양측 조사대상 지하수 중 20%, 하동즉 조사대상 지하수 중 25%에 해당하였다.
- 섬진강 유역지하수의 수질에 해수침투가 미친 영향력 을 평가하기 위하여 지하수 중의 3이온과 Na+, K+, Mg2++ 및 SO42- 이온의 농도변화를 비교하여 Fig. 8에 나타내었다. 이들 이온들은 모두 일반 지하수에 비해 해수에 다량 부화되어 있는 것들로, 연구지역의 지하 수대에 해수가 유입된 섬진강물이 침투되어 지하수의 수질이 변화되었다면 해수성분의 유입비율이 증가함에 따라 이들 이온들의 농도가 상호 비례적으로 증가하는 변화거동을 나타내게 될 것이다.
- 수온, pH, 전기전도도(EC) 등 지하수의 물리적 특성들은 현장에서 pH meter (Orion, model 250A)와 Conductivity meter (Orion, model 130)로 직접 측정하였고, 중탄산이온(HCQf)의 농도 또한 Standard Method 2320-Alkality에 명시되어 있는 적정법에 따라 현장에서 메틸오렌지를 지시약으로 하고 산으로 적정하여 정량 분석하였다. Ca2+, Mg2*, Na+, K+ 등 양이온의 정량분석은 ICP-AES 및 AAS (Shimadzu, AA-6701F)를 이용하여, F, Cl; Br; NO2; NO3; PO43-, SCV-를 포함하는 음이온의 정량분석은 Waters 사의 이온크로마토그래프 (Waters-Alliance IC system)를 이용하여 각각 실시하였다.
- 45 pn 여과지로 여과하였다. 양이온 분석용 시료는 100 m2 플라스틱 용기에 분취한 후 시간경과에 따른 흡착과 변질을 막기 위하여 농질산을 가해 pH 2 이하로 조정하였으며, 음이온 분석용 시료는 4m;의 유리제 vial에 분취하여 밀봉한 후 분석시까지 냉장 보관하였다.
- 연구지역 지하수의 수질유형을 알아보기 위하여 양이온 Na+, K+, Ca2+, Mg2+와 음이온 Cl; SO42; HCO3-를 meq/l의 단위로 환산하여 Piper diagram (Fig. 5)에 도시하였다. 지하수의 양이온 수질유형을 살펴보면, J3, JU, J12, J15, H4지역을 제외하고는 일반적으로 Na++K+ 형의 수질유형으로 분류되었으며, 음이온은 J2, JU, J12, H4 지역의 SCW一 형을 제외한 지하수에서는 hcc>3一와 cr의 수질유형을 나타내었다.
- 3). 지하수의 채수 및 현장분석은 지하수의 양수관내 정체 등에 의한 국부적 오염 및 수질변화 영향을 최소화하기 위해 최소 10분 이상 양수한 후 실시하였으며, 실험실내 분석용 시료는 21 무균채수병에 채수, 아이스박스를 이용하여 저온상태를 유지하며 실험실로 운반한 후, 0.45 pn 여과지로 여과하였다. 양이온 분석용 시료는 100 m2 플라스틱 용기에 분취한 후 시간경과에 따른 흡착과 변질을 막기 위하여 농질산을 가해 pH 2 이하로 조정하였으며, 음이온 분석용 시료는 4m;의 유리제 vial에 분취하여 밀봉한 후 분석시까지 냉장 보관하였다.
대상 데이터
- 연구지역은 섬진강 하류의 전남 광양시 일대와 경남하동군 일대로 북위 34°57'00"~35°09'00", 동경 127°40'00''〜127。52'00"까지 이다(Fig. 1(a)).
- Table 1. Hydrochemical data of groundwater collected from the west side of Seomjin River (Kwangyang).
- 지하수 시료는 현재 사용하고 있는 비닐하우스의 농업용수를 중심으로 섬진강 서쪽 강변(이하 광양측)과 섬진강 동쪽 강변(이하 하동측)에서 각각 20개 지점을 선정하여 2003년 10월에 채취하였다(Fig. 3). 지하수의 채수 및 현장분석은 지하수의 양수관내 정체 등에 의한 국부적 오염 및 수질변화 영향을 최소화하기 위해 최소 10분 이상 양수한 후 실시하였으며, 실험실내 분석용 시료는 21 무균채수병에 채수, 아이스박스를 이용하여 저온상태를 유지하며 실험실로 운반한 후, 0.
이론/모형
- 이는 H17과 같이 낮은 C1 농도와 높은 SAR값 을 갖는 지하수의 경우 인위적 오염지표인 NO3-농도 가 낮고 그 수질유형이 Na-HCQj형이라는 점과 H10 과 같이 높은 C1 농도와 낮은 SAR값을 갖는 지하수의 경우 N03- 농도가 매우 높을 뿐만 아니라 그 수질유형이 Mg(Ca)-S()4 형이라는 점으로 미루어, 전자는 대수 층내의 Ca-Na 교대반응에 의한 Na의 상대적 부화, 후자는 비료오염에 의한 Mg(또는 Ca)의 상대적 부화가 지하수의 SAR값에 영향을 끼쳤음을 추론할 수 있다. 한편 지하수의 SAR과 전기전도도를 조합하여 토양의 소다질화와 염류화에 미치는 유해성을 판단하기 위한 방법으로 U.S. Salinity Research Laboratory에서 제 안한 U.S. Salinity staffs diagram (Rao, 1998)에 연구지역 지하수를 적용하여 보았다(Fig. 12). 그 결과 소다질화 유해성 (sodium hazard)을 나타내는 SAR 기 준선이 High 이상으로 관개용수로써 토양에 미치는 소다질화 유해성이 높은 지하수는 광양측이 약 10%, 하동측이 20%로 나타났으며, 염류화 유해성 (salinity hazard)의 척도인 전기전도도가 750 gS/cm 이상으로 관개용수로써 토양에 미치는 염류화 유해성이 높은 지하수는 광양측이 약 25%, 하동측이 35%로 나타났다.
성능/효과
- 섬진강은 4대강 중 유일하게 1급수를 유지하고 있으나, 72년부터 98년까지 계속된 하상모래채취로 인한 하상고 변화(Fig. 1(b)), 1980년대 초부터 시작된 하구언 개발로 인한 사주훼손 및 상류의 댐건설과 취수로 인한 유량감소 등이 복합적으로 영향을 미쳐 1978년에 상류 5km까지 이던 해수유입범위가 현재는 상류 20km까지 확대되어있는 상태 (Fig. 1(c))이다.
- 1. 섬진강 유역지하수의 수질특성은 Na-Cl과 Na- HCO3 유형이 가장 우세하며, 대단위 시설하우스가 밀집한 중류지역의 일부에서는 Ca(Mg)-SO4 유형이 나타나기도 한다.
- 2. EC값은 76〜3, 931 μS/cm로 매우 넓은 범위를 보이며 높은 EC값은 주로 사질퇴적층을 대수층으로 하 는 하류와 중류지역의 분기지나 포인트바의 지하수에 서 관측된다. 또한 EC값이 높아질수록 총 이온에 대해 Na++C「이 차지하는 당량분율이 증가하는 경향을 보인다.
- 3. 총 이온에 대한 Na++Cl-의 당량분율은 10m 이하 천부지하수를 주로 사용하는 광양측(40.7土21.2%) 에 비해 30 m 이상 보다 심부지하수를 사용하는 하동 측(52.7±18.5%)이 상대적으로 높게 나타남에 따라, 심부로 갈수록 해수성분의 영향이 많아짐을 시사한다.
- 4. 각 이온간 농도변화거동을 바탕으로 해수와 비료 성분의 영향력을 검토한 결과, Na+와 CL 은 대부분 해수성분으로부터, K+, Mg2+ 및, 아는 대부분 비료 성분으로부터 유래된 것임을 알 수 있다. 또한 하류에 서 상류로 갈수록 해수에 의한 오염보다 비료에 의한 오염이 상대적으로 커지는 경향을 보인다.
- 5. 우리나라의 농업수질기준과 비교할 때, 주된 오염 원이 해수로 간주되는 cr의 경우 조사대상 지하수의 23%가 기준을 초과한 반면, 대표적인 인위적 오염물질 인 NO3의 경우 50%가 기준을 초과하는 것으로 나타나 해수오염보다 오히려 비료 등 인위적인 오염이 보 다 광범위하게 진행되어 있음을 알 수 있다.
- 6. EC와 SAR-S- 바탕으로 지하수의 염류화 및 소다 질화 유해성을 평가한 결과, 전체로는 조사대상 지하 수의 40%, 지역별로는 광양측의 50%, 하동측의 약 13%만이 관개용수로서 적정한 수질로 분류된다.
- 지하수 이용현황은 2001년을 기준으로 광양시의 경우 관정수 4, 100g여공, 년간 사용량 2, 500여만톤으로 농업용이 60%로 가장 많은 사용량을 보이며, 하동 군의 경우 관정수 4, 400여공, 년간 사용량 800여만톤으로 생활용수가 55%로 가장 많은 비율을 차지하고 있다. 광양시와 하동군 모두 2001년 지하수 공수가 급격히 증가하였지만 사용량이 급격히 증가하지는 않았으며 하동 군의 경우 오히려 사용량이 감소하였다는 점으로 미루 어, 과다 양수 및 염분상승으로 인한 지하수 자원의 고갈 및 오염현상이 가속화되고 있음을 추론할 수 있다.
- 12). 그 결과 소다질화 유해성 (sodium hazard)을 나타내는 SAR 기 준선이 High 이상으로 관개용수로써 토양에 미치는 소다질화 유해성이 높은 지하수는 광양측이 약 10%, 하동측이 20%로 나타났으며, 염류화 유해성 (salinity hazard)의 척도인 전기전도도가 750 gS/cm 이상으로 관개용수로써 토양에 미치는 염류화 유해성이 높은 지하수는 광양측이 약 25%, 하동측이 35%로 나타났다. 상기의 두개 인자를 모두 고려할 경우 연구대상 지역 내 지하수중 그 수질이 토양의 소다질화나 염류화를 유발시킬 가능성 없이 관개용수로서 적정한 지하수는 조사대상 전체 지하수의 40%에 불과하였으며, 양인 자에서 High 이상으로 그 수질이 토양의 소다질화나 염류화에 심각한 영향을 끼칠 것으로 예상되는 지하수 도 전체 지하수의 35%에 달하였다.
- 4), 전기전도도가 높아질수록 Na+와 C1 의 영향력이 상대적으로 커지는 경향을 보였다. 또한 섬진강변과의 거리에 반비례하여 지하수의 전기전도도가 감소하는 경향이 뚜렷하게 나타났다(Fig. 4(a)).
- 그 결과 소다질화 유해성 (sodium hazard)을 나타내는 SAR 기 준선이 High 이상으로 관개용수로써 토양에 미치는 소다질화 유해성이 높은 지하수는 광양측이 약 10%, 하동측이 20%로 나타났으며, 염류화 유해성 (salinity hazard)의 척도인 전기전도도가 750 gS/cm 이상으로 관개용수로써 토양에 미치는 염류화 유해성이 높은 지하수는 광양측이 약 25%, 하동측이 35%로 나타났다. 상기의 두개 인자를 모두 고려할 경우 연구대상 지역 내 지하수중 그 수질이 토양의 소다질화나 염류화를 유발시킬 가능성 없이 관개용수로서 적정한 지하수는 조사대상 전체 지하수의 40%에 불과하였으며, 양인 자에서 High 이상으로 그 수질이 토양의 소다질화나 염류화에 심각한 영향을 끼칠 것으로 예상되는 지하수 도 전체 지하수의 35%에 달하였다. 지역별로는 광양측 지하수의 50%가 농업용수로써 적정한 수질을 보이는데 반해 하동측은 불과 12.
- , 1991). 연구지역 지하수의 SAR값을 산출하여 상기 기준에 적용하여 보면, 광양측의 J2와 J8, 하동측의 H3, H17과 H20이 10 이상의 SAR을 보여 이들 지하수를 관개용수로 계속 사용할 경우 토양이 소다질화될 가능성이 있음을 시사 한다. 일반 지하수의 SAR은 대부분 1 이하로 낮은 반면 해수의 SAR은 96 전후로 매우 높기 때문에 해수가 혼입비율이 증가할수록 지하수의 SAR은 점차 증가하게 된다.
- 연구지역에서 채취한 지하수 시료의 현장측정 및 화 학분석 결과는 Table 1과 Table 2에 나타냈다, 연구지역 지하수의 pH는 5.73〜7.72의 범위와 평균 6.7±0.5로 우리나라 지하수 수질기준인 생활용수 pH 5.8〜8.5 및 농업용수 pH 6.0〜85의 범위를 대부분 만족하나 광양측 중도지역의 J13(5.73), J14(5.75) 및 하동측 상류의 H19(5.73) 시료는 생활용수 및 농업용수의 기준치보다 약간 산성을 나타냈다. 전기전도도(EC)는 76-3, 931 gS/cm로 매우 넓은 범위를 나타냈다.
- 2로 매우 낮은 값을 나타내는 등 SAR값이 해 수혼입비율을 비례적으로 반영하지 못하고 있음을 보였다. 이는 H17과 같이 낮은 C1 농도와 높은 SAR값 을 갖는 지하수의 경우 인위적 오염지표인 NO3-농도 가 낮고 그 수질유형이 Na-HCQj형이라는 점과 H10 과 같이 높은 C1 농도와 낮은 SAR값을 갖는 지하수의 경우 N03- 농도가 매우 높을 뿐만 아니라 그 수질유형이 Mg(Ca)-S()4 형이라는 점으로 미루어, 전자는 대수 층내의 Ca-Na 교대반응에 의한 Na의 상대적 부화, 후자는 비료오염에 의한 Mg(또는 Ca)의 상대적 부화가 지하수의 SAR값에 영향을 끼쳤음을 추론할 수 있다. 한편 지하수의 SAR과 전기전도도를 조합하여 토양의 소다질화와 염류화에 미치는 유해성을 판단하기 위한 방법으로 U.
- 9는 EC 대 so/a비를 나타낸 것으로 지하수의 EC가 증가함에 따라 SO4/CI비가 증가하는 그룹과 감소하는 그룹으로 나누어짐을 보여주고 있다. 이를 지역별로 분류해보면 일정하지는 않지만 SO/C1 비가 1 이상으로 EC와 함께 증가하는 경향을 보이는 그룹은 대체로 중상류 지하수인데 반해 1 이하이면서 EC가 증가함에 따라 감소하는 그룹은 중하류 지하수로 나타나, 중상류에서는 비료의 오염이, 중하류에서는 해수의 오염이 상대적으로 강하게 작용하고 있음을 시사한다.
- 4(a)). 이상의 결과들은 섬진강의 해 수성분이 지하수계로 유입되고 있음을 나타낸다. 총이 온에 대해 해수성분(* Na 와 C1)이 차지하는 당량분율은 전체적으로 47.
- 이상의 결과로 연구지역 지하수중의 K+와 Mg2+ 및 SC#의 대부분은 비료성분의 유입에 의해 유래된 것이며, 상대적으로 cr의 대부분은 해수성분의 유입에 의해 유래된 것임을 알 수 있다. 지하수중의 cr농도가 증가된 원인이 대부분 해수성분의 유입에 의한 것으로 보고 증가된 cr농도로부터 연구지역 지하수의 해수혼 합비율을 추산한 결과, 조사대상 지하수의 약 25%에서 해수혼합비율이 1% 이상으로 나타났다.
- 28mg/Z가 검출되었다. 조사지역 지하수의 SO42-이온 농도범위는 2.33-178 mg//(51.5±54.1 mg/l 보였으며, 지역별로는 광양측이 2.85〜165mg/Z(42.9±48.1 mg/l), 하동측이 2.33〜 178mg//(58.9±59.0mg/l)로 CF의 경우처럼 하동측에서 높게 검출되었다. HCO3는 연 구지역에서 11.
- 높은 전기전도도는 주로 분기지나 포인트바인 광양측의 오사리, 중도리 및 하동측의 문도리, 전도리 등의 사질퇴 적층을 대수층으로 하는 지하수에서 측정되었다. 지하 수의 전기전도도에 미치는 총 이온종 중 해수성분(Na+와 C1)과 기타 이온종(K+, Ca2+, &+, N03; HCO3; SO42' 등)의 영향력을 살펴본 결과(Fig. 4), 전기전도도가 높아질수록 Na+와 C1 의 영향력이 상대적으로 커지는 경향을 보였다. 또한 섬진강변과의 거리에 반비례하여 지하수의 전기전도도가 감소하는 경향이 뚜렷하게 나타났다(Fig.
- 이상의 결과로 연구지역 지하수중의 K+와 Mg2+ 및 SC#의 대부분은 비료성분의 유입에 의해 유래된 것이며, 상대적으로 cr의 대부분은 해수성분의 유입에 의해 유래된 것임을 알 수 있다. 지하수중의 cr농도가 증가된 원인이 대부분 해수성분의 유입에 의한 것으로 보고 증가된 cr농도로부터 연구지역 지하수의 해수혼 합비율을 추산한 결과, 조사대상 지하수의 약 25%에서 해수혼합비율이 1% 이상으로 나타났다.
- 이상의 결과들은 섬진강의 해 수성분이 지하수계로 유입되고 있음을 나타낸다. 총이 온에 대해 해수성분(* Na 와 C1)이 차지하는 당량분율은 전체적으로 47.2±20.4%에 달하였으며, 지역별로는 광양측이 40.7+21.2%, 하동측이 52.7土18.5%로 나타나 하동측이 상대적으로 높게 나타났다. 이는 광양측 지하수공이 대부분 10 m 이하로 천부관정인데 비해 하동측 지하수공은 대부분 30 m 이상으로 보다 깊게 착정된 관정이기 때문으로 판단된다.
- 이는 해수침투 이외에 또 다른 오염원이 지하수의 수질에 영향을 끼치고 있음을 시사한다. 특히 복합 비료 고특 BB(황산가리, 고토W2% 함유)의 주요 성분인 K+(11.36%)와 SO42-(22.44%)5] 농도가 해수 혼입에 의해 예측되는 CF 대비 증가율보다 대부분 훨씬 높으며, 또 이들 비료의 부성분인 Mg2+(L2%)역시 높게 나타나는 점으로 미루어, 이들 성분들의 상당부분이 비료로부터 유래한 것임을 추측할 수 있다. Fig.
- 11은 지하수내 해수 혼입의 척도인 C1 농도와 SAR의 관계로, 지하수에서의 SAR값 변화를 단순히 해수혼입에 의한 영향으로만 해석할 수 없음을 나타내고 있다. 특히 하동측의 H17은 해수의 영 향이 거의 없고 비료 등 인위적 오염도 비교적 낮은 상류지역의 지하수임에도 불구하고 SAR 22.6으로 가장 높은 값을 나타내는 반면 H10은 해수와 인위적 오염이 비교적 높은 중류지역 지하수임에도 불구하고 SAR 1.2로 매우 낮은 값을 나타내는 등 SAR값이 해 수혼입비율을 비례적으로 반영하지 못하고 있음을 보였다. 이는 H17과 같이 낮은 C1 농도와 높은 SAR값 을 갖는 지하수의 경우 인위적 오염지표인 NO3-농도 가 낮고 그 수질유형이 Na-HCQj형이라는 점과 H10 과 같이 높은 C1 농도와 낮은 SAR값을 갖는 지하수의 경우 N03- 농도가 매우 높을 뿐만 아니라 그 수질유형이 Mg(Ca)-S()4 형이라는 점으로 미루어, 전자는 대수 층내의 Ca-Na 교대반응에 의한 Na의 상대적 부화, 후자는 비료오염에 의한 Mg(또는 Ca)의 상대적 부화가 지하수의 SAR값에 영향을 끼쳤음을 추론할 수 있다.
후속연구
- 7. 결론적으로, 섬진강 유역은 농업활동에 따른 인위적 오염성분과 더불어 섬진강에 역류된 해수성분이 부가적 오염성분으로 지하수대에 유입됨에 따라 지하수의 오염도가 가중되고 있는 지역으로, 적정한 지하수 질을 유지하기 위해서는 지표오염물질은 물론 해수의 유입을 방지할 수 있는 지하수 관리대책이 시급히 요 구된다.
- 8에 나타내었다. 이들 이온들은 모두 일반 지하수에 비해 해수에 다량 부화되어 있는 것들로, 연구지역의 지하 수대에 해수가 유입된 섬진강물이 침투되어 지하수의 수질이 변화되었다면 해수성분의 유입비율이 증가함에 따라 이들 이온들의 농도가 상호 비례적으로 증가하는 변화거동을 나타내게 될 것이다. 또한 Fig.
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