[논문]경북 영천지역 지하수의 지구화학 및 환경동위원소 연구

김건영; 고용권; 배대석; 원종호; 정도환; 최병영

경북 영천지역 지하수의 지구화학 및 환경동위원소 연구
Geochemical and Environmental Isotope Study on the Groundwater from the Youngcheon Area, Gyeongbuk Province 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.12 no.4, 2007년, pp.35 - 53

김건영 (한국원자력연구원) , 고용권 (한국원자력연구원) , 배대석 (한국원자력연구원) , 원종호 (한국수자원공사) , 정도환 (경북대학교) , 최병영 (한국원자력연구원)

초록
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영천지역 지하수의 지구화학적 특성 연구를 수행하였다. 연구지역의 지하수는 Ca-$HCO_3$형에서부터 Ca-$SO_4$형까지의 영역에 해당하고 일부 시료는 Na-$HCO_3$형에 해당한다. 이들의 지화학적 특성은 주로 시추공이 위치한 지역의 기반암에 의해 영향받았다. 국지적으로 퇴적암내의 황산염광물 및 황화광물과의 반응에 의하여 지하수내의 $SO_4$ 함량이 높은 지하수가 산출되며, Ca이온은 퇴적암내의 탄산염광물에서 유래되었다. Na-$HCO_3$형을 보이는 지하수는 초기에는 주로 방해석과의 반응에 의해 지하수내에 Ca 함량이 증가되었고, 방해석에 대해서 포화상태에 도달한 이후에는 주로 사장석과의 반응에 의해 지하수내 Na의 함량이 조절된 것으로 판단된다. 이와 같은 해석은 이들 지하수들의 낮은 삼중수소 함량으로 뒷받침된다. 수소 및 산소동위원소 분석결과에 의하면 연구지역 지하수는 모두 강수에서 기원하였으며 유형별로 명확히 구별되지 않는다. BH-1, BH-9, BH-12 지하수 수질은 화학적 및 동위원소적으로 심부지하수의 특성을 보여주며, 이들 시추공을 제외한 모든 시추공들에서 시료채취심도에 따른 지화학적 및 동위원소 변화를 명확히 보여주지 않기 때문에 연구지역 전반에 걸쳐 천부지하수와 심부지하수의 혼합양상을 지시한다. 수질분석결과는 연구지역 전반에 걸쳐 농업활동에 의한 지하수 오염이 상당히 진행되고 있음을 알 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Geochemical and isotope studies on the groundwater system of the Youngcheon area were carried out. Most groundwaters belong to Ca-$HCO_3$ and Ca-$SO_4$ types and some groundwaters belong to Na-$HCO_3$ type. Geochemical characteristics of these groundwaters were mainly affected by their basement rocks around the boreholes. High $SO_4$ content of groundwater is the result of reaction with sulfate or sulfide minerals in the host rock. Ca was originated from the carbonate minerals in the sedimentary rock. After the groundwater was saturated with calcite, the Na-$HCO_3$ type groundwaters were evolved by the reaction with plagioclase for a relatively long residence time. This explanation was supported by low tritium contents of Na-$HCO_3$ type groundwaters. ${\delt}a^{18}O$ and ${\delta}D$ data indicate that the groundwaters are of meteoric water origin and there was no difference between the various types of waters. Grondwaters from the boreholes BH-1, BH-9 and BH-12 showed the geochemical and isotopic characteristics of deep groundwater. Most borehole groundwaters except them did not show the systematic geochemical variations with sampling depth indicating that the shallow and deep groundwaters were mixed with each other throughout the study area. The results of water quality analysis indicate that the study area is highly contaminated by the introduction of agricultural sewage.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구는 영천지역 지하수 기초조사의 일환으로 수행된 연구로서 연구지역내에 부존하는 여러 유형별 자연수 (암반지하수 또는 심부 암반지하수, 충적층지하수, 천부지 하수, 지표수, 강수)의 기원과 수리화학적 특성 및 진화양상, 그리고 그 상호관계를 규명하고자 하였다. 기존의 영천지역에 대한 연구로는 임하댐과 영천댐을 잇는 연장 33 km의 도수로 터널과 관련된 연구가 다수 수행된 바 있다 (Koh, et al.
또한 연구지역 전반에 걸친 농작지역과 시 중심부의 생활주거지역때문에 인위적인 오염의 잠재성을 지니고 있으며 이들은 계절적인 강수량 변화에 의해 영향받을 수 있다. 이번 연구에서는 이처럼 연구지역의 지하수화학에 영향을 줄 수 있는 다양한 요소들에 대한 검토를 위해 연구지역의 유형별 자연수를 시기별, 심도별로 채수하고, 이들에 대하여 수리화학적 분석를 수행하였다.
지하수의 수리지화학적 특성에 직접적으로 영향을 미칠수 있는 영천지역의 강수량 변화를 고찰해 보았다. 영천 기상관측소의 관측자료를 토대로 과거 10여년간의 장기적인 강수량 변화를 살펴보면, 연구수행 직전 10년간 1991년~2000년 사이의 연평균 총강수량은 1,093 mm이며, 조사기간에 해당하는 2001년도의 총 강수량은 928.

제안 방법

모든 시료에 대하여 온도, 수소이온농도(pH), 산화-환원 전위(Eh), 전기전도도(EC), 용존산소량(DO) 등의 물리화학적 특성자료를 Multi-parameter meter(Model Orion 1230)를 이용하여 현장에서 측정하였다. 시료의 주요 양이온 및 미량원소 함량은 한국기초과학지원연구원에서 유도결합플라즈마 방출분석기(ICP-AES, Shimadzu ICPS11000 III)와 유도결합플라즈마질량분석기(ICP-MS, FISONS PlasmaTrace)로 분석하였고 음이온은 한국원자력연구원내 이온 크로마토그래피(Dionex 500)를 이용하여 분석하였다.
모든 암반 및 충적층지하수와 지표수, 천부지하수 16개소에 대하여는 수질분석을 위한 시료채취도 수행되었다. 모든 심도별 시료채취시에는 나공상태에서 원하는 심도에 샘플러를 내린 후 지상에서 메신저를 하강시켜 상하뚜껑을 동시에 작동시켜 시료를 채취할 수 있는 Kemmerer water sampler(Model no. 304 SS)와 GRUNDFOS사의 Well Sampler(Model no. 1A106003)를 현장 상황에 따라 이용하였다. 앞으로 12곳의 시추공 지하수는 10곳의 암반지하수와 2곳의 충적층 지하수로 구분되고, 26곳의 기존관정 지하수는 천부지하수로 명칭한다.
이들의 심도는 대부분 5 m 이내로서(< 20 m) 천부지하수에 해당한다. 모든 암반 및 충적층지하수와 지표수, 천부지하수 16개소에 대하여는 수질분석을 위한 시료채취도 수행되었다. 모든 심도별 시료채취시에는 나공상태에서 원하는 심도에 샘플러를 내린 후 지상에서 메신저를 하강시켜 상하뚜껑을 동시에 작동시켜 시료를 채취할 수 있는 Kemmerer water sampler(Model no.
시료의 주요 양이온 및 미량원소 함량은 한국기초과학지원연구원에서 유도결합플라즈마 방출분석기(ICP-AES, Shimadzu ICPS11000 III)와 유도결합플라즈마질량분석기(ICP-MS, FISONS PlasmaTrace)로 분석하였고 음이온은 한국원자력연구원내 이온 크로마토그래피(Dionex 500)를 이용하여 분석하였다. 산소 및 수소 안정동위원소 분석은 한국원자력연구원내 안정동위원소분석기(Model VG SIRA II 및 Micromass Optima)를 이용하였으며, 삼중수소(tritium)는 한국원자력연구원내 액체섬광계측기(Model Parkard Tricarb 2770TR/SL)를 이용하여 분석하였다. 수질 분석은 경북 구미수질 분석소에서 먹는물 수질기준항목에 따라 분석하였다.
모든 시료에 대하여 온도, 수소이온농도(pH), 산화-환원 전위(Eh), 전기전도도(EC), 용존산소량(DO) 등의 물리화학적 특성자료를 Multi-parameter meter(Model Orion 1230)를 이용하여 현장에서 측정하였다. 시료의 주요 양이온 및 미량원소 함량은 한국기초과학지원연구원에서 유도결합플라즈마 방출분석기(ICP-AES, Shimadzu ICPS11000 III)와 유도결합플라즈마질량분석기(ICP-MS, FISONS PlasmaTrace)로 분석하였고 음이온은 한국원자력연구원내 이온 크로마토그래피(Dionex 500)를 이용하여 분석하였다. 산소 및 수소 안정동위원소 분석은 한국원자력연구원내 안정동위원소분석기(Model VG SIRA II 및 Micromass Optima)를 이용하였으며, 삼중수소(tritium)는 한국원자력연구원내 액체섬광계측기(Model Parkard Tricarb 2770TR/SL)를 이용하여 분석하였다.
영천 지역 지하수시료들은 BH-1, BH9, BH-12 공을 제외하고는 지화학적으로 천부지하수의 혼입양상을 보이지만 전체적으로는 삼중수소 함량과 산소동위원소값이 정의 상관관계를 보이면서 삼중수소 함량이 감소함에 따라 상대적으로 긴 체류시간 동안의 물-암석반응에 의해 TDS값이 증가하는 일반적인 경향을 잘 보여주고 있다. 아울러 앞서 용존이온 분포특성과 물-암석 반응에서 살펴본 바와 같이 Na-HCO₃ 유형의 지하수의 기원을 알아보기 위해 삼중수소 함량에 대한 1/Na 함량 및 Na/Ca비를 도시하여 보았다 (Fig. 13). Fig.
총 10곳의 암반층 지하수 시추공에 대해 심도별로 채취된 시료의 분석결과를 시료채취시기에 따른 현장측정자료, 이온함량변화 및 동위원소변화로 분리하여 각각 Fig. 8, Fig. 9, Fig. 10에 도시하였다. 심도에 따른 지화학적 특성의 변화양상은 BH-8과 10번 공에서의 NO₃ 함량 변화와 BH-7번 공에서의 삼중수소 함량 변화를 제외하고는 채수시기에 따른 차이를 보이지 않는다.

대상 데이터

연구지역의 지형은 서쪽으로 팔공산(1192.3 m)에서 시루봉(714.0 m), 은해사에 이르는 NNE-SSW방향의 산계를 형성하고 있으며, 북쪽으로는 보현산(1124.4 m)을 중심으로 비교적 험준한 산세가 동서방향으로 이어져 있다. 동쪽방향으로는 비교적 완만하며 자호천 유역이 형성되어 있다.
영천 지역 지하수 및 지표수들 중 총 31개 시료(충적층 지하수 2곳, 암반 지하수 10곳, 관측공 지하수 10곳, 대수성공 지하수 6곳, 지표수 3곳)의 수질분석결과를 먹는물 수질기준 불합격 항목에 대하여 Table 5에 요약하였다. 분석된 31개 시료 모두 기준부적합 판정을 받았으며, 총 48개의 분석항목 중 기준초과로 나타난 항목들에 대한 순위는 일반세균(총 28곳) > 대장균군(총 13곳) > 질산성질소 > (총 10곳) > 증발잔류물(총 7곳) > 탁도(총 6곳) > 경도 (총 4곳) > 아연(총 2곳) > 황산이온(총 1곳) = 수소이온농도(총 1곳) 순으로서 주로 인위적인 오염에 의한 항목에서 불합격률이 높음을 알 수 있다.
2곳의 충적층 지하수는 10 m 내외의 심도로 착정되었다. 이들 시추공 지하수의 화학분석 및 환경동위원소 분석을 위하여 2001년 6월과 9월, 2회에 걸쳐 25-30 m 간격으로 심도별 채취를 수행하였으며 암반지하수 중 3곳을 선정하여 주변 지표수 3곳의 시료도 함께 채수하였다. 총 12곳의 시추공 중 4곳의 시추공에 대해서는 2001년 5월부터 11월 까지 7개월 동안 매 1개월마다 환경동위원소 분석을 위한 시료채취가 수행되었으며 이 경우에도 역시 25-30 m 간격으로 심도별 채취를 수행하였다.
총 12곳의 시추공 중 4곳의 시추공에 대해서는 2001년 5월부터 11월 까지 7개월 동안 매 1개월마다 환경동위원소 분석을 위한 시료채취가 수행되었으며 이 경우에도 역시 25-30 m 간격으로 심도별 채취를 수행하였다. 이밖에 기존에 개발되어 있는 관정에서 26개소를 선정하여 화학분석 및 환경동위원소 분석을 위한 시료를 채수하였다. 이들의 심도는 대부분 5 m 이내로서(< 20 m) 천부지하수에 해당한다.
이들 시추공 지하수의 화학분석 및 환경동위원소 분석을 위하여 2001년 6월과 9월, 2회에 걸쳐 25-30 m 간격으로 심도별 채취를 수행하였으며 암반지하수 중 3곳을 선정하여 주변 지표수 3곳의 시료도 함께 채수하였다. 총 12곳의 시추공 중 4곳의 시추공에 대해서는 2001년 5월부터 11월 까지 7개월 동안 매 1개월마다 환경동위원소 분석을 위한 시료채취가 수행되었으며 이 경우에도 역시 25-30 m 간격으로 심도별 채취를 수행하였다. 이밖에 기존에 개발되어 있는 관정에서 26개소를 선정하여 화학분석 및 환경동위원소 분석을 위한 시료를 채수하였다.

데이터처리

이상과 같은 용존이온들의 분포특성과 관련하여 퇴적암 구성광물의 용해에 대한 영향을 알아보기 위하여 방해석 (calcite), 돌로마이트(dolomite), 석고(gypsum)의 포화지수를 SOLVEQ 프로그램(Reed, 1982)으로 계산하여 pH에 관해 도시하여 보았다(Fig. 7). 유형별 지하수시료들간의 뚜렷한 구분은 보여주지 않으나 석고에 대해서는 모든 자연수들이 불포화상태이며 뚜렷한 변화양상이 관찰되지 않음에 비해, 방해석과 돌로마이트에 대해서는 pH가 증가함에 따라 평형상태 및 과포화상태에 도달함을 알 수 있다.

이론/모형

산소 및 수소 안정동위원소 분석은 한국원자력연구원내 안정동위원소분석기(Model VG SIRA II 및 Micromass Optima)를 이용하였으며, 삼중수소(tritium)는 한국원자력연구원내 액체섬광계측기(Model Parkard Tricarb 2770TR/SL)를 이용하여 분석하였다. 수질 분석은 경북 구미수질 분석소에서 먹는물 수질기준항목에 따라 분석하였다.

성능/효과

이는 앞서 연구지역 지하수의 방해석에 대한 포화지수에 대하여 살펴보았듯이, 지하수와 모암과의 반응초기에는 탄산염광물과 사장석의 반응에 의해 Ca와 Na가 함께 용해되다가 반응이 계속 진행되면서 방해석에 대한 포화상태에 이르러서는 지하수내의 Ca 함량이 조절되지만 Na는 계속 용해되어 상대적으로 Na의 함량이 증가하게 된 것으로 해석된다. 따라서 연구지역의 높은 Na 함량을 보이는 지하수는 오랜 기간 동안의 물-암석 반응에 의한 진화 결과임을 지시한다.
이는 주로 방해석과의 반응에 의해 Ca가 기인했을 경우의 일반적인 현상이다(Kenoyer and Bowser, 1992). 따라서 영천지역 지하수가 주변암석과의 반응을 통해 진화하면서 주로 방해석이나 돌로마이트의 용해에 의해 지하수 내에 Ca와 Mg 이온 함량이 증가되었으며, 이들에 대해서 포화상태에 도달한 이후에는 주로 장석과의 반응에 의해 지하수내 Na의 함량이 조절된 것으로 판단된다. 동위원소에서 설명하겠지만 동일한 춘산층 퇴적암을 기반암으로 하는 시추공들 중, 삼중수소 함량이 가장 낮아서 주변암석과 가장 오랜기간의 물-암석반응이 진행되었음을 지시하는 시료인 BH-9번공 지하수의 Na/Ca 함량비가(0.
또한 각 시료유형별로 일반세균의 평균값을 구해본 결과, 충적층 지하수는 4,250 CFU/ml로 기준치를 약 43배 초과하며, 암반 지하수는 3,367 CFU/ml로 약 34배, 지표수는 1,133 CFU/ml로 약 11배, 천부지하수는 1,184 CFU/ml로 약 12배로서 충적층 지하수 > 암반지하수 > 천 부지하수 > 지표수 순으로 초과하고 있다.
대장균 항목 및 질산성 질소의 경우에도 전체 불합격률이 각각 약 42%및 32%에 달한다. 또한 각 유형별 물시료들에 대한 기준을 초과한 항목들의 평균수가 암반지하수는 총 3.3개 항목, 충적층지하수 총 2.0개 항목, 천부지하수 총 1.9개 항목, 지표수 1.7개 항목으로 지표환경보다 오히려 암반지하 수가 가장 많은 항목에서 기준치를 초과하고 있는 사실은 연구지역의 오염정도가 천부환경에 그치지 않고 있음을 지시한다.
분석된 31개 시료 모두 기준부적합 판정을 받았으며, 총 48개의 분석항목 중 기준초과로 나타난 항목들에 대한 순위는 일반세균(총 28곳) > 대장균군(총 13곳) > 질산성질소 > (총 10곳) > 증발잔류물(총 7곳) > 탁도(총 6곳) > 경도 (총 4곳) > 아연(총 2곳) > 황산이온(총 1곳) = 수소이온농도(총 1곳) 순으로서 주로 인위적인 오염에 의한 항목에서 불합격률이 높음을 알 수 있다.
연구지역에 부존하는 자연수의 지화학적 특성은 유형별 (암반지하수, 충적층지하수, 천부지하수, 지표수) 특성을 보이는 것이 아니라 시추공이 위치한 지역의 다양한 지질에 따른 특성을 보이고 있다. 또한 연구지역 전반에 걸쳐 농업활동에 의한 지하수 오염이 상당히 진행되고 있으며 국지적으로는 암반지하수도 인위적 오염의 영향을 받고 있는 것으로 판단된다.
2는 우리나라의 월별 평균강수량과 연구지역의 지난 10년간의 월별 평균강수량, 2001년의 월별 강수량을 도시한 결과이다. 연구지역의 지난 10년간의 월별 평균강수량변화는 우리나라 전체의 강수량 변화와 유사하게 7월과 8월에 집중적인 강수가 있었으나 2001년의 강수량변화는 예년과 달리 6월과 9월에 집중적으로 강수가 있었음을 알 수 있다. 영천 지역의 2001년도 월별 강수량은 6월이 288 mm, 8월이 68.
7). 유형별 지하수시료들간의 뚜렷한 구분은 보여주지 않으나 석고에 대해서는 모든 자연수들이 불포화상태이며 뚜렷한 변화양상이 관찰되지 않음에 비해, 방해석과 돌로마이트에 대해서는 pH가 증가함에 따라 평형상태 및 과포화상태에 도달함을 알 수 있다. 이는 주로 방해석과의 반응에 의해 Ca가 기인했을 경우의 일반적인 현상이다(Kenoyer and Bowser, 1992).

후속연구

그러나 Ca 함량의 경우는 SO4 함량 증가에 따라 비례적으로 증가하는 경향을 보여주어 지하수내 SO₄의 기원으로서 황산염광물의 용해 가능성이 높음을 지시하지만 Ca 함량은 시기적 변화를 보여주지 않는다. 따라서 NO₃와 SO₄의 시기적 변화는 여러 다양한 요인들의 복합적인 작용에 의한 것으로 사료 되며, 보다 명확한 기원규명을 위해서는 황동위원소 분석 등의 추가적인 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지하수의 수리화학적 특성은 어디에 영향을 받는가?	일반적으로 지하수의 수리화학적 특성은 지하수 부존 지역의 암석광물화학 및 지질 구조 등의 복합적인 지질학적 특성에 의해 영향을 받는다. 또한 지하심부의 암석및 단열대 분포 특성에 따라 다양한 물-암석 반응을 거치면서 부존 심도에 따라 변화할 수 있다. 지역적으로는 주변 오염원에 의해 다양한 정도로 영향을 받기도 한다.
	영천지역의 지질은 대부분 무엇으로 구성되어있는가?	영천지역의 지질은 대부분 경상누층군으로 구성되어 있으며 경상계 퇴적암류는 지역적인 변화가 있긴 하지만 대체적으로 연녹색에서 흑회색계통의 셰일, 석회암및 사암으로 구성되어 있다. 하부로부터 하양층군에 속하는 후평동층, 점곡층, 사곡층, 춘산층 등의 퇴적암류가 주로 분포하며 이밖에 유천층군에 속하는 중성 및 염기성 화산암, 산성화산암, 안산암 및 안산암질 응회암 등이 분포한다.
	영천지역에는 지하수 기초조사를 위해 설치된 시추공 중 암반 지하수가 몇 곳인가?	1). 이 중 암반지하수가 10곳이며 충적층 지하수가 2곳이다. 각 시추공의 심도는 암반지하수의 경우 80~120 m의 심도로 착정되었으며 이중 BH-3과 BH-5공은 시추완료후의 붕괴로 각각 32와 60 m의 심도를 갖는다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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