충북 영동지역 지하수의 수리지화학적 특성 및 질산염 오염 특성 Hydro-geochemical Nature and Nitrates Contamination Charecters of Groundwater in the Youngdong, Chungbuk Province원문보기
농업지역인 충북 영동 지역 지하수의 지화학적 특성과 질산염의 기원을 규명하기 위하여 지화학 및 질소동위원소 연구가 수행되었다. 지하수의 pH는 평균 7.2 (6.0~8.2)로 약산성 내지 약알칼리성으로 나타났다. 지하수의 평균 전기전도도, 산화환원전위 및 용존산소량은 각각 369 ${\mu}S/cm$ (70~729 ${\mu}S/cm$), 165.6 mV (29-383.2 mV), 4.3 mg/L(1.8~8.0 mg/L)이다. 지하수 내 양이온을 함량이 높은 순으로 나열하면, $Ca^{2+}$>$Na^{2+}$>$Mg^{2+}$>$K^{2+}$이고, 음이온의 경우는 ${HCO_3}^-$>${NO_3}^-$>${SO_4}^{2-}$>$Cl^-$>$F^-$이다. 연구지역 지하수의 대부분은 물-암석과의 반응으로 기인된 Ca-$HCO_3$ 유형으로 나타났으며, Ca-Cl 유형 (2.5%) 과 Na-$HCO_3$ (2.5%) 유형은 농업활동 등의 영향으로 전이된 것으로 밝혀졌다. 지하수 내 질산성 질소의 함량은 10.2 mg/l~26.9 mg/l 범위로 검출되어 오염이 우려되는 것으로 밝혀졌다. 지하수 내 질산성 질소의 기원을 파악하기 위한 질소 동위원소 분석 결과, 질산성 질소의 동위원소비 (${\delta}^{15}N_{-}NO_3$)는 1.9‰~19.4‰ (평균 10.1‰)로 측정되었으며, 동위원소비에 따른 질산염의 기원은 축사의 동물 분뇨나 농지에 시비된 유기물 비료임을 나타낸다.
농업지역인 충북 영동 지역 지하수의 지화학적 특성과 질산염의 기원을 규명하기 위하여 지화학 및 질소동위원소 연구가 수행되었다. 지하수의 pH는 평균 7.2 (6.0~8.2)로 약산성 내지 약알칼리성으로 나타났다. 지하수의 평균 전기전도도, 산화환원전위 및 용존산소량은 각각 369 ${\mu}S/cm$ (70~729 ${\mu}S/cm$), 165.6 mV (29-383.2 mV), 4.3 mg/L(1.8~8.0 mg/L)이다. 지하수 내 양이온을 함량이 높은 순으로 나열하면, $Ca^{2+}$>$Na^{2+}$>$Mg^{2+}$>$K^{2+}$이고, 음이온의 경우는 ${HCO_3}^-$>${NO_3}^-$>${SO_4}^{2-}$>$Cl^-$>$F^-$이다. 연구지역 지하수의 대부분은 물-암석과의 반응으로 기인된 Ca-$HCO_3$ 유형으로 나타났으며, Ca-Cl 유형 (2.5%) 과 Na-$HCO_3$ (2.5%) 유형은 농업활동 등의 영향으로 전이된 것으로 밝혀졌다. 지하수 내 질산성 질소의 함량은 10.2 mg/l~26.9 mg/l 범위로 검출되어 오염이 우려되는 것으로 밝혀졌다. 지하수 내 질산성 질소의 기원을 파악하기 위한 질소 동위원소 분석 결과, 질산성 질소의 동위원소비 (${\delta}^{15}N_{-}NO_3$)는 1.9‰~19.4‰ (평균 10.1‰)로 측정되었으며, 동위원소비에 따른 질산염의 기원은 축사의 동물 분뇨나 농지에 시비된 유기물 비료임을 나타낸다.
Major ions and nitrogen isotopic analyses were performed to determine the geochemical characters and to identify the source of nitrate of the shallow groundwater around agricultural field in the Youngdong area. The pH value of groundwater ranges from 60. to 8.2 (pH 7.2, mean). The average of EC, Eh ...
Major ions and nitrogen isotopic analyses were performed to determine the geochemical characters and to identify the source of nitrate of the shallow groundwater around agricultural field in the Youngdong area. The pH value of groundwater ranges from 60. to 8.2 (pH 7.2, mean). The average of EC, Eh and DO is 369 ${\mu}S/cm$ (70~729 ${\mu}S/cm$), 165.6 mV (29~383.2 mV), 4.3 mg/L (1.8~8.0 mg/L) respectively. The ion concentraion of groundwater was in the order of $Ca^{2+}$>$Na^{2+}$>$Mg^{2+}$>$K^{2+}$ and ${HCO_3}^-$>${NO_3}^-$>${SO_4}^{2-}$>$Cl^-$>$F^-$. Most of groundwater is Ca-$HCO_3$ type. The groundwater was affected by water-rock interaction in the shallow depth. Some groundwater is Ca-Cl or Na-$HCO_3$ (2.5%) type that was due to agricultural activities. The $NO_3$_N concetration of grondwater range from 10.2 mg/l to 26.9 mg/l, which show that this area is under nitrate pollution. ${\delta}^{15}N-NO_3$ value of the groundwater is the origins of are a combination of animal wastes and man-made fertilizers.
Major ions and nitrogen isotopic analyses were performed to determine the geochemical characters and to identify the source of nitrate of the shallow groundwater around agricultural field in the Youngdong area. The pH value of groundwater ranges from 60. to 8.2 (pH 7.2, mean). The average of EC, Eh and DO is 369 ${\mu}S/cm$ (70~729 ${\mu}S/cm$), 165.6 mV (29~383.2 mV), 4.3 mg/L (1.8~8.0 mg/L) respectively. The ion concentraion of groundwater was in the order of $Ca^{2+}$>$Na^{2+}$>$Mg^{2+}$>$K^{2+}$ and ${HCO_3}^-$>${NO_3}^-$>${SO_4}^{2-}$>$Cl^-$>$F^-$. Most of groundwater is Ca-$HCO_3$ type. The groundwater was affected by water-rock interaction in the shallow depth. Some groundwater is Ca-Cl or Na-$HCO_3$ (2.5%) type that was due to agricultural activities. The $NO_3$_N concetration of grondwater range from 10.2 mg/l to 26.9 mg/l, which show that this area is under nitrate pollution. ${\delta}^{15}N-NO_3$ value of the groundwater is the origins of are a combination of animal wastes and man-made fertilizers.
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문제 정의
지하수의 잠재오염원은 폐수 및 오수배출시설, 유류저장시설 및 판매소, 축산시설 등의 점오염원과 넓은 지역에서 오염물질이 광범위하게 확산되는 비점오염원인 농경지에서의 농약 및 비료 살포 등의 농업오염원 등을 들 수 있다 (Ministry of Agriculture and Korea Rural Corporation, 2009). 이번 연구는 농촌 지역에 분포하는 천부 지하수에 대한 수리지화학적 특성을 파악하고, 농업활동으로 인한 지하수 오염을 평가하고자 한다.
제안 방법
2). 모든 지점에서 온도 (Temp.), 수소이온농도 (pH), 산화환원전위(Eh), 전기전도도 (EC), 용존산소 (DO) 등의 수질 특성은 현장에서 Orion사의 5-Star를 이용하여 모든 시료채취지점 현장에서 수행하였다. 천부지하수를 채취하여 공극 크기 0.
주요 용존 이온의 이화학 분석은 고려대학교 전략광물자원 연구센터 내 ‘지하수 및 토양환경 분석연구실’에서 수행하였다.
천부지하수를 채취하여 공극 크기 0.45 µm인 셀룰로오스 질산염 막필터에 통과시켜 부유 물질을 제거한 후, 폴리에틸렌 용기에 담았다.
45 µm인 셀룰로오스 질산염 막필터에 통과시켜 부유 물질을 제거한 후, 폴리에틸렌 용기에 담았다. 특히, 양이온 분석용 시료에 대해서는 용기 표면에서 발생하는 양이온의 흡착과 용존 이온의 침전및 미생물의 성장과 산화를 방지하기 위하여 농질산을 첨가하여 pH 2 이하로 유지하였다. 모든 채수 시료의 운반 및 저장 과정 동안에는 아이스박스와 냉장고를 이용하여 항상 4℃의 저온 상태를 유지하였다.
대상 데이터
2009년 6월 29부터 7월 13일까지 15일간에 걸쳐 140개 지하수 관정을 대상으로 현장수질측정 및 시료채취를 수행하였다. 이 중 지하수 수질 형성 및 오염에 관한 특성을 규명하기 위하여 80개 지점에서는 양이온 및 음이온 분석용 시료를 채수하였으며, 간이 측정 결과 질산성 질소 농도가 높은 44개 지점에서는 지하수 내 질산염 기원을 구분하기 위해 질산성 질소 동위원소 분석용 시료를 채수하였다 (Fig.
연구지역 지하수 내 질산염의 기원을 추정하기 위해 총 44개의 관정에서 채취된 시료를 대상으로, 질산성질소의 농도와 질소동위원소를 분석하였으며 그 결과를 Table 4에 제시하였다. 자연적인 지하수에서 발생할 수 있는 NO3-N의 함량은 3 mg/l 정도이며, 그 이상의 농도는 인위적인 오염원으로부터 기인된 것을 지시한다고 보고되었다 (Medidon and Brunett, 1995; Mueller and Helsel, 1996).
연구지역은 충청북도 남부에 위치하고 있는 영동군 양강면, 용화면, 학산면, 양산면 그리고 심천면을 포함하고 있으며, 127º32'~127º40'E, 36º41'~36º51'N에 해당하고, 면적은 51.93 km2이다.
연구지역 내 농경지 면적비율은 14%이며, 이 중 밭이 차지하는 비율은 49%에 해당된다. 연구지역의 지질은 소백산 편마암복합체에 해당하는 선캠브리아기 흑운모 편마암, 운모편암 그리고 화강편마암이 넓게 분포하고 상부에 부정합으로 백악기의 퇴적암인 영동층군이 피복하고 있다. 영동층군은 셰일, 사암 및 역암으로 구성된다.
2009년 6월 29부터 7월 13일까지 15일간에 걸쳐 140개 지하수 관정을 대상으로 현장수질측정 및 시료채취를 수행하였다. 이 중 지하수 수질 형성 및 오염에 관한 특성을 규명하기 위하여 80개 지점에서는 양이온 및 음이온 분석용 시료를 채수하였으며, 간이 측정 결과 질산성 질소 농도가 높은 44개 지점에서는 지하수 내 질산염 기원을 구분하기 위해 질산성 질소 동위원소 분석용 시료를 채수하였다 (Fig. 2). 모든 지점에서 온도 (Temp.
이론/모형
주요 용존 이온의 이화학 분석은 고려대학교 전략광물자원 연구센터 내 ‘지하수 및 토양환경 분석연구실’에서 수행하였다. 주요 용존 양이온의 정량 분석은 Perkin Elmer사의 유도결합플라즈마 방출분광분석기 (ICPAES, Model OPTIMA3000)를, 주요 용존 음이온의 정량분석은 Dionex사의 이온크로마토그래피 (IC, Model 120)를 이용하여 수행하였다. 분석된 양이온은 Ca2+, Mg2+, Na+, K+, SiO2, Fe2+, Al3+, Mn2+, Zn2+이며, 음이온은 SO42-, F-, Cl-, NO3-, Br-, PO43-이다.
질산성 질소의 질소동위원소 분석용 시료는 무균채수병에 채수하여 분석 전까지 냉동 보관하였다. 질산염의 질소동위원소 분석은 서울대학교 농업과학공동기기센터의 안정동위원소 질량분석기를 이용하여 수행되었다.
성능/효과
1) 대기 기원의 질산염은 대기 중의 NOx 성분이 강수에 용해되어 지표로 유입되는 것으로, 약 -5~+10‰의 값을 나타낸다.
3) 분뇨에서 기인하는 질산성 질소의 δ15N는 약 10~25‰의 범위 값을 갖는다.
평균 함량은 충적층에서 가강 높게, 변성암을 모암으로 하는 경우에서 가장 낮게 검출되었다. Na+함량은 인위적 오염으로 부화되는 NO3-과의 상관 계수가 0.55로 높은 경향성을 보이고, HCO3-과 0.32의 상관 계수를 보이므로, 지질 특성보다 인위적 오염의 영향이 강하게 반영된 것으로 판단된다 (Table 3).
Na-HCO3유형은 물-암석 반응에 의하여 형성되는 대표적인 수질 유형을 지시하는데, 일반적으로 Na 사장석과 지하 수와의 반응 및 양이온 교환 기작에 의하여 일반적으로 결정된다. 따라서, 연구 지역 지하수는 충진 과정의 자연적 수질유형 (Ca-HCO3유형)과 이것이 암반대수층에서 물-암석 반응 등의 수리지구화학적 기작에 영향을 받은 수질 유형 (Na-HCO3유형), 인위적인 영향을 받고 있는 수질 유형 (Ca-Cl유형)으로 구분된다.
주요 용존 양이온의 정량 분석은 Perkin Elmer사의 유도결합플라즈마 방출분광분석기 (ICPAES, Model OPTIMA3000)를, 주요 용존 음이온의 정량분석은 Dionex사의 이온크로마토그래피 (IC, Model 120)를 이용하여 수행하였다. 분석된 양이온은 Ca2+, Mg2+, Na+, K+, SiO2, Fe2+, Al3+, Mn2+, Zn2+이며, 음이온은 SO42-, F-, Cl-, NO3-, Br-, PO43-이다. 질산성 질소의 질소동위원소 분석용 시료는 무균채수병에 채수하여 분석 전까지 냉동 보관하였다.
한편, 유기물질 또는 화학물질 등 공장폐수에 의한 오염 또는 광산 또는 제련소 등에서 배출된 폐수로 기인될 수 있다. 연구지역 내 지하수의 염소이온 함량은 2.1~75.9 mg/l (12.8 mg/l)으로, 먹는 물 수질기준 4.0 mg/l보다 평균 함량이 초과하고 있는 것으로 밝혀졌다. 연구지역의 지하수의 F함량은 평균 1.
7 mg/l 이다. 연구지역 지하수의 대부분은 물-암석과의 반응으로부터 기인된 Ca-HCO3 유형 (95%) 으로 나타났으며, 농업활동 등의 영향으로 일부 Ca-Cl 유형(2.5%) 과 Na-HCO3 (2.5%) 유형으로 전이된 것으로 밝혀졌다. 지하수 내 질산성 질소의 함량은 10.
0 mg/l보다 평균 함량이 초과하고 있는 것으로 밝혀졌다. 연구지역의 지하수의 F함량은 평균 1.1 mg/l (0.1~15.7 mg)이고, NO2는 0.94 mg/l (0.0~8.8 mg/l), Br은 1.6 mg/l (0.0~2.3 mg/l)이며, PO43-는 검출한계 이하로 확인되었다.
자연수 중에 풍부한 이온 성분 중 하나인 Ca2+ 함량은 7.4~94 mg/l의 범위를 보이며, 최대값은 화강암에 분포하는 대수층에서 검출되었다 (Table 2). 자연수내 Ca2+의 공급은 사장석이나 탄산염광물의 용해가 주요 요인이며, 일부 인위적 활동에 의해 지하수에 용존 되어 존재할 수 있다 (Appeloand Postma, 1999, Jeong, 2001).
2 mg/l)이다. 지질 특성에 따른 K+ 함량을 보면, 화성암과 변성암 내 지하수에서 평균함량이 각각 3.5 mg/l, 3.6 mg/l로 퇴적암(2.2 mg/l)과 충적층(1.0 mg/l)에 비해 높게 검출되었다 (Table 2). Cl과의 상관 계수는 0.
4 mg/l) 이다. 지질 특성에 따른 평균함량은 화성암의 경우 5.5 mg/l (1.2~14.1 mg/l), 변성암의 경우 9.8 mg/l (3.3~28.4 mg/l), 퇴적암의 경우 6.1 mg/l (1.7~12.7 mg/l), 충적층은 3.2 mg/l (2.2~5.1 mg/l)로 변성암 내 대수층 지하수에서 가장 높은 것으로 확인되었다 (Table 2). SO42-과 HCO3-과의 상관 계수가 각각 0.
지하수 내 음이온들의 평균 함량을 비교해 보면, 중탄산염(HCO3-)>질산염(NO3-)>황산염(SO42-)>염소(Cl-)의 순으로 나타났다.
5%) 유형으로 전이된 것으로 밝혀졌다. 지하수 내 질산성 질소의 함량은 10.2 mg/l~26.9 mg/l 범위를 보이며, 모두 먹는물 수질기준 10 mg/l 를 초과하는 것으로 나타나 이에 대한 오염이 가장 우려되는 것으로 확인되었다. 지하수 내 질산성 질소의기원을 파악하기 위한 질소 동위원소 분석 결과, 질산성 질소의 동위원소비 (δ15N_NO3) 는 1.
지하수 내 질산성 질소의기원을 파악하기 위한 질소 동위원소 분석 결과, 질산성 질소의 동위원소비 (δ15N_NO3) 는 1.9‰~19.4‰(평균 10.1‰) 로 측정되었다.
지하수의 용존 Al과 Mn 그리고 Fe는 모든 지점에서 검출한계 이하이거나 극소량으로 검출되었다 (Table 2). 지하수의 Zn2+의 평균함량은 0.3 mg/l이며, 최대 4.7 mg/l가 검출되었으며 화성암에 분포하는 대수층에서 확인되었다. Zn의 음용수 수질기준은 1 mg/l이하로 평균 값은 이보다 낮지만, 이를 초과하여 검출된 연구 지역의 일부 지점 지하수의 경우 음용수로 활용은 적합하지 않은 것으로 판단된다.
지하수의 전기전도도는 평균 369.9 µS/cm (70.9~729.0 µS/cm)로 확인되었으며, 지하수 평균 산화환원전위는 165.6 mV(29~383.2 mV), 용존산소량은 평균 4.3 mg/L(1.8~8.0 mg/L)이었다.
2 mg/l이다 (Table 2). 평균 함량은 충적층에서 가강 높게, 변성암을 모암으로 하는 경우에서 가장 낮게 검출되었다. Na+함량은 인위적 오염으로 부화되는 NO3-과의 상관 계수가 0.
3에 도시하였다. 화학 분석을 수행한 80개의 지하수 중 Ca-HCO3유형이 76개소(95%)로 가장 빈도수가 높은 유형으로 확인되었으며, Na-HNO3 유형이 2개소 (2.5%), Ca-Cl 유형은 2개소(2.5%)로 나타났다. Ca-HCO3 유형의 수질은 지하수의 충진 과정 중 자연적으로 수질 특성이 결정되었음을 지시하며, 빗물이 암석 내지 토양 대수층을 거치면서 탄산염 광물의 용해 기작을 겪은 결과이다.
후속연구
따라서, 잔류하는 질산염의 δ15Nnitrate값이 점차 증가하는 기작이다 (Kendall and Mcdonnell, 1998). 이를 앞서 제시한 오염원들과 구분하기 위해서는 질산성 질소의 질소동위원소에 대한 분석과 더불어 산소동위원소 연구가 병행되어져야 한다. 만약 탈질 작용으로 인하여 무거운 질소동위원소가 부화되었다면, 이와 함께 무거운 산소동위원소도 부화되어 특정 범위의 산소동위원소비를 갖는 오염원과의 구분이 가능하게 된다 (Kendall and Mcdonnell, 1998).
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Piper diagram은 무엇인가?
Piper diagram은 지하수 화학특성을 표시하는데 널리 쓰이는 수단인데, 지하수내 주요 양이온과 음이온의 당량농도 (meq/l)를 비율로 나타냄으로써 지하수의 유형 (type)을 구분하는데 이용될 수 있다. 양이온의 경우 Na와 K의 당량농도의 합과 Ca와 Mg의 당량농도의 합을 비교하여 전자가 큰 경우 Na 유형으로, 후자가 큰 경우 Ca 유형으로, 음이온의 경우 HCO3와 CO3의 당량농도의 합과 Cl, SO4의 당량농도의 합을 비교하여 전자가 큰 경우 HCO3 유형, 후자가 큰 경우 Cl 유형으로 구분된다 (Piper, 1944).
질산성 질소가 원인이 되는 문제는 무엇인가?
지하수 중의 질산성 질소는 대기 중 질소의 생물학적 고착과 분해, 사람과 동물의 분뇨, 생활하수, 산업 슬러지, 폐수, 침출수, 화학적 및 유기적 비료 및 토양내 유기 질소 등 다양한 기원으로부터 유래된다. 질산성 질소는 유아 청색증을 유발하거나 가축의 번식을 저하시키거나, 하천과 해수의 부영양화를 일으키는 원인으로 작용한다 (Fennesy and Cronk, 1997).
Piper diagram에서 지하수의 유형을 구분하는 방법은 무엇인가?
Piper diagram은 지하수 화학특성을 표시하는데 널리 쓰이는 수단인데, 지하수내 주요 양이온과 음이온의 당량농도 (meq/l)를 비율로 나타냄으로써 지하수의 유형 (type)을 구분하는데 이용될 수 있다. 양이온의 경우 Na와 K의 당량농도의 합과 Ca와 Mg의 당량농도의 합을 비교하여 전자가 큰 경우 Na 유형으로, 후자가 큰 경우 Ca 유형으로, 음이온의 경우 HCO3와 CO3의 당량농도의 합과 Cl, SO4의 당량농도의 합을 비교하여 전자가 큰 경우 HCO3 유형, 후자가 큰 경우 Cl 유형으로 구분된다 (Piper, 1944).
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