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문제 정의
- 지난 약 20년간 지하수법 제정과 병행하여 지하수 기초 조사, 지하수 영향조사 및 개발 조사, 국가지하수 관측망, 수질측정망 등 다양한 조사와 관측을 수행하였으며, 이를 통하여 얻어진 수리특성 자료, 수질분석 자료, 토지이용 자료 및 오염원 자료 등을 종합적으로 활용한다면 보다 국내 실정에 적합한 오염취약성 평가 기준과 방법을 마련할 수 있을 것으로 보며, 작금이 그 시기에 이른 것으로 생각한다. 이에 따라, 본 고에서는 기존의 국내외의 다양한 지하수 오염취약성 평가 기법을 소개하고, 일부 기법의 국내 적용을 통하여 효용성을 살펴보았으며 향후 국내 여건에 맞는 오염취약성 평가 기법 개발 방향을 제시하고자 하였다.
제안 방법
- 함평-나주지역의 경우에는 벨기에 수리지질학자들이 개발한 Flemish 방법이 적용되었는데 대수층의 구성 암석, 토양의 성상 및 지하수위 깊이 등 3개의 인자가 사용되었으며, 지역 실정에 맞게 각 인자의 속성을 수정하여 사용한 바 있다. 대수층의 구성 암석은 암석의 투수성에 따라 4개로, 토양의 성상은 SCS 토양분류법에 따라 3개로, 지하수위 깊이는 3.23 m를 기준으로 양분하였으며, 이들을 조합하여 16개의 오염취약성 지수를 생성하고 도면으로 표현하였다.
이론/모형
- 국내에 설치되어 있는 국토해양부에서 운영하는 국가지하수관측망(163개소)과 환경부의 지하수 수질측정망(781개소)의 1996년부터 2001년 기간 동안 연 2회 분석된 수질관측자료(질산성질소, 염소이온농도)를 이용한 특정 오염취약성을 평가하기 위하여 CI(Contamination Index) 방법을 적용하였다. 2종류의 관측정에 대한 평균 농도를 보면, 대부분의 국가지하수 관측망은 오염의 가능성이 매우 낮고 오염원으로부터 떨어진 곳에 설치되어 있는 반면에 지하수 수질측정망은 13개의 토지용도로 분류된 오염우려지역에 설치되어 있어 농도가 현저히 높은 것으로 나타난다(Fig.
- 이 방법은 지하수의 물리적 및 화학적 처리 과정의 특성에 기반을 둔 방법으로서, 오염의 취약 지역 분포를 물과 용질의 이동 모델을 사용하여 평가한다. 이 방법은 분석 과정에서 도출되는 것이 영향 인자에 대한 점수가 아니므로 오염취약성을 상, 중, 하 등 그룹으로 분류하진 않는다.
성능/효과
- 유성렬(2001)은 무주지역을 대상으로1) DRASTIC 모델, 2) 지질구조선이 포함된 DRASTIC 모델 및3) 지하 수면의 깊이, 대수층 매질, 토양 매질, 지형경사율의 4가지 인자만을 고려한 간이 오염취약성도 모델을 각각 적용하여 오염취약성을 평가한 결과, 실제 지하수 수질 농도 분포와의 상관성은 지질구조선이 포함된 DRASTIC 방법에 의한 것이 가장 높게 나타났고 다음은 간이 취약성도, 마지막으로 기존 방법에 의한 DRASTIC의 순으로 나타났다고 연구한 바 있다.
- 국내에 설치되어 있는 국토해양부에서 운영하는 국가지하수관측망(163개소)과 환경부의 지하수 수질측정망(781개소)의 1996년부터 2001년 기간 동안 연 2회 분석된 수질관측자료(질산성질소, 염소이온농도)를 이용한 특정 오염취약성을 평가하기 위하여 CI(Contamination Index) 방법을 적용하였다. 2종류의 관측정에 대한 평균 농도를 보면, 대부분의 국가지하수 관측망은 오염의 가능성이 매우 낮고 오염원으로부터 떨어진 곳에 설치되어 있는 반면에 지하수 수질측정망은 13개의 토지용도로 분류된 오염우려지역에 설치되어 있어 농도가 현저히 높은 것으로 나타난다(Fig. 2). 우선 국가지하수관측망 수질자료로부터 배경수질을 파악하기 위하여 누적빈도와 로그변환된 농도값 도표로부터 임계값(Threshold value)을 파악한 결과, 질산성질소는 2.
- 국내에서도 지하수 산출성과 지질구조선의 상관 관계 연구가 수행된 바 있는데, 김규범(2005)은 천안과 포항지역의 관정에서의 지하수 산출성(규모 10 m3/m 이상의 경우)이 지질구조선 길이 밀도와 선형 상관관계가 있음을 밝힌 바 있다. 또한, 화강암 및 편마암류로 주로 구성되어 상대적으로 균질한 암석 분포를 보이는 천안지역이 두 인자간의 상관성이 더 높은 것으로 나타났다. 한국지질자원연구원(2004)은 성격이 상이한 지질구조선의 개수와 길이 등 두가지 요소를 동시에 고려한 밀도 인자 추출 기법을 개발하였으며, 이로부터 산정된 지질구조선 밀도와 관정의 지하수 산출성을 비교한 결과 지질구조선의 연장성을 고려한 선구조 밀도가 그렇지 않은 밀도에 비하여 높은 상관도를 보이는 것으로 해석되었다.
- 모형의 적합도에서 보듯이 상수항으로만 적합시켰을 때에 비하여 최종 모델에서 −2 Log Likelihood 값이 17.619 줄어 들었고 유의확률이 0.039로 모형 적합이 타당한 것으로 나타났다.
- 33으로 비교적 낮게 나타나 설명력은 다소 낮은 편이다. 본 모형을 이용하여 염소이온농도를 예측한 결과 17.21 mg/L를 초과하는 경우는 91%의 정확성을 갖는 것으로 나타났다. 예를 들어, 특정 지점이 하천으로부터 약 75 m 떨어져 있고, 구릉지이며, 토지용도가 농작물 주산단지라면 기준을 초과하는 염소이온농도의 발생 확률은,
- 1). 본 방법에서 구조선 밀도의 점수는 1에서 5까지 분배하였고, 토지이용은 0에서 10까지 분배하였으며 각 인자들간의 상관관계를 이용하여 구조선밀도는 1.5, 토지이용은 3.5의 가중치를 부여하여 고전적인 DRASTIC에 추가하였다.
- 함세영 등(2004)는 고전적 DRASTIC 방법을 이용하여 창원시의 공단지역과 주거상업지역에 대한 오염취약성을 평가하였으며, 예상과 달리 주거상업지역에 해당하는 용지동 지역은 연구지역중 가장 낮은 DRASTIC 평가 지수를 나타내고 있음에도 불구하고 실제 지하수 오염도는 매우 높은 것으로 나타난 것에 착안하여, 기존의 DRASTIC 평가 인자에 지하수 사용량과 지하수 관정 분포 밀도와 같은 인위적인 요소를 함께 고려해야 한다고 제시한 바 있다. 이 연구에 따르면, DRASTIC 평가 지수와 먹는물 수질 부적합의 상관계수는 0.4, 지하수 사용량에 대한 상관계수는 0.7, 지하수 관정 분포 밀도와의 상관계수는 0.87로 나타나 추가적인 2개의 인자가 고려되어야 함을 제시하였다.
- 이 임계값을 CI 방법의 CNi로 고려하여 임의의 지점에 대한 분석값(CAi)과 비교한 후 수질 항목별로 이 값을 모두 합한다면 최종적으로 해당 지역의 오염 취약성을 평가할 수 있다. 지하수 수질측정망 설치 대상지역인 13개 토지용도별로 오염취약성이 어떤 차이가 있는지 질산성질소와 염소이온농도 2가지 항목을 이용하여 평가한 결과(여기에서 수질농도는 6년 평균 값을 이용), 13개 토지용도지역 공히 Cd가 0보다 커서 오염 취약성이 높은 것으로 나타났다(Table 2). 이는 환경부에서 정한 13개 토지용도 분류가 오염우려지역에 속하고 평균 농도가 높다는 점을 고려한다면 의미있는 결과이다.
후속연구
- 사용자 및 관리자의 요구에 따라 특정 오염취약성에 대한 접근도 필요할 것이며 보다 수리적인 특성 자료를 활용한 고유 오염취약성에 대한 접근이 필요하다. 다양한 연구자들에 의하여 다양한 방법들이 개발 적용되고 그 결과는 실제 현장의 자료와 비교 분석이 이루어짐으로써 궁극적으로 국내 실정에 맞는 오염취약성 평가 도구가 개발될 것으로 본다.
- 또한, 지난 10여년간 지하수기초조사 및 각종 국책 조사연구 사업을 통하여 각 지역별 기초적인 수리특성 자료들이 확보되어 있는 상태이다. 따라서, 상기에서 언급한 통계적 방법 및 변형된 DRASTIC외에도 일반적인 오염취약성 평가 방법인 GOD, GLA, AVI 및 IT 등 새로운 지수 방법의 적용 및 시도가 가능할 것이다. 아울러 국내에 기 구축되어 있는 GIS 데이터(지형, 토지이용, 토양, 식생, 수문 특성, 지질 등)를 이용한 IT 기술을 활용한다면 혼합 평가 기법의 적용이 가능할 것이며 아울러 인터넷 등을 통한 사용자 접근성 및 활용성도 보다 개선될 것이다.
- GLA 방법이 수직 침투 속도가 느리고 지형경사가 완만하며 카르스트화 되지 않은 경우에 적용되는 반면, PI 방법은 투수성의 변화가 심하고 지형경사도 급하며 하천 소실이 발생되는 지역에 적용성이 좋은 방법이다. 또한, GLA와 PI 방법은 DRASTIC에 비하여 인자의 점수 계산에 보다 객관적이고 논리적인 접근이 이루어진 것으로서 대상 지역에 대한 충분한 수리특성인자 들이 확보된다면 보다 효율적인 방법이 된다.
- 또한, 가용 데이터의 최대한 활용과 현장 실증 및 정부와 연구기관의 공동 노력-예산의 확보, 제도의 보완, 데이터의 제공, 분석기법의 개발 및 검증 등-이 이루어 진다면, 수리지질학자는 의사결정자에게 보다 합리적이고 과학적인 근거가 있는 국가 표준에 해당하는 오염취약성 평가 도구를 제공할 수 있을 것이다. 또한, 의사결정자는 지하수 오염과 관련된 토지 이용에 관한 필요한 제도를 정착하고 그 제도적 근거하에 활용 가능한 도구로서 평가 기법을 사용한다면 보다 선진화된 물 관리가 가능할 것이다.
- 또한, 가용 데이터의 최대한 활용과 현장 실증 및 정부와 연구기관의 공동 노력-예산의 확보, 제도의 보완, 데이터의 제공, 분석기법의 개발 및 검증 등-이 이루어 진다면, 수리지질학자는 의사결정자에게 보다 합리적이고 과학적인 근거가 있는 국가 표준에 해당하는 오염취약성 평가 도구를 제공할 수 있을 것이다. 또한, 의사결정자는 지하수 오염과 관련된 토지 이용에 관한 필요한 제도를 정착하고 그 제도적 근거하에 활용 가능한 도구로서 평가 기법을 사용한다면 보다 선진화된 물 관리가 가능할 것이다.
- 본 방법에는 기본 통계량인 평균, 백분율, 중앙값 등이 지도상에서 특정 지점의 오염 특성을 설명하는데 활용되기도 하며, 고 농도와 지질특성과의 관련성을 파악하는데도 이용이 된다. Ryker(2001)는 미국 전역의 31,000개 우물내 지하수의 비소 함량에 대한 기술통계량을 활용하여 전국의 비소 농도 분포도를 작성한 바 있고, Helsel and Hirsch(1992), Erwin and Tesoriero(1997) 및 Nolan et al.
- 이와 같이, 오염취약성 평가에 적합한 수질항목을 선정하여 전국에 산재된 수질자료를 이용하여 CI 방법을 적용한다면 보다 용이한 특정 오염취약성 평가가 가능할 것이며 아울러, 이 결과는 환경부에서 향후 추가 설치 예정인 지하수 수질측정망의 위치를 토지용도별로 검토할 경우 위치 선정 기준으로도 활용 가능하다. 본 방법은 국내 운영중인 관측정 지점에 대한 토지용도, 지형, 지질 등의 정확한 특성 분류를 요구하며, 오염취약성 평가에 필요한 대표성과 일반성을 갖는 수질 항목을 선정하는 작업이 선행되어야 하며, 수질검사에 불합격된 자료도 평가에 포함되는 것이 보다 정확한 오염취약성 평가 결과를 얻을 수 있을 것이다.
- 따라서, 상기에서 언급한 통계적 방법 및 변형된 DRASTIC외에도 일반적인 오염취약성 평가 방법인 GOD, GLA, AVI 및 IT 등 새로운 지수 방법의 적용 및 시도가 가능할 것이다. 아울러 국내에 기 구축되어 있는 GIS 데이터(지형, 토지이용, 토양, 식생, 수문 특성, 지질 등)를 이용한 IT 기술을 활용한다면 혼합 평가 기법의 적용이 가능할 것이며 아울러 인터넷 등을 통한 사용자 접근성 및 활용성도 보다 개선될 것이다.
- 3). 이 임계값을 CI 방법의 CNi로 고려하여 임의의 지점에 대한 분석값(CAi)과 비교한 후 수질 항목별로 이 값을 모두 합한다면 최종적으로 해당 지역의 오염 취약성을 평가할 수 있다. 지하수 수질측정망 설치 대상지역인 13개 토지용도별로 오염취약성이 어떤 차이가 있는지 질산성질소와 염소이온농도 2가지 항목을 이용하여 평가한 결과(여기에서 수질농도는 6년 평균 값을 이용), 13개 토지용도지역 공히 Cd가 0보다 커서 오염 취약성이 높은 것으로 나타났다(Table 2).
- 예를 들어, 폴란드 지역에서 5개 수질 항목을 이용한 Dragon(2007)의 연구에서는, Cd가 0보다 작은 경우는 인위적 오염의 증거가 없고, 3보다 큰 경우에는 높은 지하수 오염을 의미하며, 7 이상인 경우에는 아주 심한 오염에 해당한다고 연구한 바 있다. 이와 같이, 오염취약성 평가에 적합한 수질항목을 선정하여 전국에 산재된 수질자료를 이용하여 CI 방법을 적용한다면 보다 용이한 특정 오염취약성 평가가 가능할 것이며 아울러, 이 결과는 환경부에서 향후 추가 설치 예정인 지하수 수질측정망의 위치를 토지용도별로 검토할 경우 위치 선정 기준으로도 활용 가능하다. 본 방법은 국내 운영중인 관측정 지점에 대한 토지용도, 지형, 지질 등의 정확한 특성 분류를 요구하며, 오염취약성 평가에 필요한 대표성과 일반성을 갖는 수질 항목을 선정하는 작업이 선행되어야 하며, 수질검사에 불합격된 자료도 평가에 포함되는 것이 보다 정확한 오염취약성 평가 결과를 얻을 수 있을 것이다.
- 지난 약 20년간 지하수법 제정과 병행하여 지하수 기초 조사, 지하수 영향조사 및 개발 조사, 국가지하수 관측망, 수질측정망 등 다양한 조사와 관측을 수행하였으며, 이를 통하여 얻어진 수리특성 자료, 수질분석 자료, 토지이용 자료 및 오염원 자료 등을 종합적으로 활용한다면 보다 국내 실정에 적합한 오염취약성 평가 기준과 방법을 마련할 수 있을 것으로 보며, 작금이 그 시기에 이른 것으로 생각한다. 이에 따라, 본 고에서는 기존의 국내외의 다양한 지하수 오염취약성 평가 기법을 소개하고, 일부 기법의 국내 적용을 통하여 효용성을 살펴보았으며 향후 국내 여건에 맞는 오염취약성 평가 기법 개발 방향을 제시하고자 하였다.
- 이와 같이, 국가 지하수 관측정의 일부 특성 자료를 활용하여 염소이온농도의 기준 초과 가능성에 대한 확률을 분석할 수 있으며 이로부터 발생 확률 분포도를 작성할 수 있어 오염 취약성 평가 기법으로서의 활용성이 있다. 특히, 국내의 환경부 수질측정망은 고정 관측정으로서 10년 이상된 장기간 관측 자료가 존재하며 이들 측정망 지점에 대한 정밀 현장조사를 통하여 지점 특성 정보가 수집, 분석된다면 보다 신뢰성 높은 오염취약성 평가가 가능할 것이다.
- 이와 같이 데이터의 불확실성을 정량화하고 최소화하기 위해서는, 1) 보다 신뢰도 높은 수질 분석 자료의 확보가 필수적이며, 2) 기존 수질 분석자료를 통계 처리하여 미지의 공간에 대한 분포 특성을 추정할 수 있어야 하며, 3) 제시된 오염 취약성과 실제 우물에서의 오염도를 비교하며, 4) 로짓(Logit) 및 Tobit 모형과 같은 확률론적 통계 기법으로 오염취약성을 검증하여야 한다. 현재 국내에는 환경부 및 지방자치단체에서 운영하는 지하수 수질측정망, 국토해양부 및 한국수자원공사에서 운영하는 국가지하수 관측망, 농림부에서 운영하는 해수침투 관측정, 먹는샘물 업체의 먹는샘물 관측정, 지방자치단체의 보조지하수 관측정 등 3,000개소 이상에서 연 1~2회의 지하수 수질 분석이 이루어지고 있고 매년 수만건 이상의 일반 관정 지하수에 대한 수질 분석이 이루어지고 있으므로 이들 자료를 활용하여 통계적 기법을 적용한다면 보다 정확한 데이터의 확보가 가능해지고 보다 신뢰성 높은 오염취약성 평가 도구가 개발될 수 있을 것이다.
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