[논문]지구화학적 해석을 이용한 하상여과 설계인자에 대한 연구

조강희; 김봉주; 안중혁; 임기성; 최낙철; 박천영

doi:10.9720/kseg.2013.4.493

지구화학적 해석을 이용한 하상여과 설계인자에 대한 연구
Design Parameters of Riverbed Filtration Estimated from Geochemical Data 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.23 no.4, 2013년, pp.493 - 502

조강희 (조선대학교 에너지자원공학과) , 김봉주 (조선대학교 에너지자원공학과) , 안중혁 (다주건설(주)) , 임기성 (다주건설(주)) , 최낙철 (서울대학교 지역시스템공학과) , 박천영 (조선대학교 에너지자원공학과)

초록
AI-Helper

본 연구는 하천수와 지하수에 대해 지구화학적 해석을 이용하여 하상여과의 설계인자에 대해 조사하였다. 연구지역은 충적층으로 구성되어 있으며, 지표환경의 비점오염원 영향을 쉽게 받을 뿐만 아니라, 하상여과 설계인자에 영향을 미칠 것으로판단된다. 하천흐름에 따라 하천수는 상류, 중류, 하류 3개 시료를 채취하였고, 하천으로부터 거리에 따라 지하수 9개 시료를 각각 채취하였다. 연구지역의 시료에 대한 화학분석자료를 통하여, 산업시설과 농업활동이 일차적인 오염원임을 추정하였다. 또한, 배경수질은 Ca-Na-$HCO_3$, Ca-Cl, Ca-$HCO_3$-Cl 유형을 보인다. 연구지역의 하상여과 설계인자는 K, $HCO_3$, $NO_3$ 및 Cl로 판단된다. 질소안정동위원소를 통해 연구지역은 A, B, C그룹으로 구분되며, A그룹은 하천수의 기원 및 탈질산화반응, B그룹은 지류의 유동방향에 따른 탈질산화작용, C그룹은 인위적인 오염인 자연토양, 생활하수유래의 질산성질소로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates the design parameters for riverbed filtration (RBF) based on the geochemistry of river water and groundwater. The study area consists of alluvium, and the area is readily affected by non-point sources of chemical contaminants in the surface environment; this is expected to affect the design parameters for RBF. River and groundwater samples were collected at three points along the river flow and at nine points along a transect normal to the river, respectively. The geochemical data indicate that the sources of individual chemical contaminants are industrial facilities and agricultural activity near the study area. In addition, The samples are mainly Ca-Na-$HCO_3$, Ca-Cl, and Ca-$HCO_3$-Cl type waters. The design parameters of RBF in the study area should consider K, $HCO_3$, $NO_3$, and Cl. We divided the study area into three regions based on the concentrations of stable nitrogen isotopes: Region A, the origin of the river and denitrification; Region B, denitrification in the flow direction of tributaries; and Region C, the origin of natural soil, sewage, and anthropogenic pollution.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

, 2003), 오염원 및 유해성 평가(Na and Son, 2005) 등과 같은 연구가 다양하게 진행 중이나, 하상여과 시설에 미치는 설계인자 해석은 부족한 실정이다. 이에 따라서, 본 연구는 현재 하상여과공법을 이용하여 시공 중인 충남 아산시 곡교천을 연구대상지역으로 선정하여 하천과 주변지하수의 이화학원소 함량과 안정동위원소 함량비 등과 같은 현장자료를 통해서 지구화학적 해석을 이용한 하상여과 설계인자에 미치는 영향인자를 파악하고, 기초자료 및 가능성을 제시하고자 한다.

제안 방법

온도, pH, Eh, DO, EC, TDS와 같은 물리적 특성은 현장에서 채수 즉시 다항목 수질측정기(U-5000, HORIBA)를 사용하여 현장에서 측정하였고, 중탄산 이온함량은 적정법을 이용하여 현장에서 pH meter(D-51, HORIBA)를 이용하여 직접 측정하였다. 양이온(Ca, Fe, K, Mg, Na, Si 등)의 함량은 유도결합플라즈마(ICP1000-III, SHIMADZ), 음이온(F, Cl, NO₂, Br, NO₃, PO₄, SO₄)의 함량은 이온크로마토그래피(883 Basic IC Plus, metrohm)를 이용하여 분석하였다. 안정동위원소인 질소안정동위원소(δ¹⁵N)는 가스-질량분석기(FIAstar 5000, Foss Tecator)를 이용하여 분석하였다.
연구대상지역에 대하여 하상여과에 미치는 설계인자를 파악하고자 하천수와 주변지하수에 대하여 시료를 채취하여 분석을 실시하였다. 하천수는 하천흐름방향에 따라 상류, 중류, 하류에서 각각 채취하였으며, 주변 지하수는 하천으로부터 거리에 따른 영향을 고려하여 9개의 지하수 관정에서 멸균시료용기를 이용하여 2 L 이상 채수하였다(Fig.
안정동위원소인 질소안정동위원소(δ¹⁵N)는 가스-질량분석기(FIAstar 5000, Foss Tecator)를 이용하여 분석하였다. 채취된 하천수 및 주변 지하수 시료내 미생물의 존재 유·무에 따른 탈질산화반응의 영향을 조사하기 위해 이들 시료는 0.2 µm 여과지를 이용하여, 글루타르알데히드(glutaraldehyde)와 에틸 알콜(ethyl alcohol, 75, 85, 95 및 100%)을 각각 이용하여 고정 및 단계별 탈수를 실시한 후, SEM(Hitachi, S4800)을 이용하여 관찰하였다.

대상 데이터

본 연구지역은 곡교천 하류지역을 중심으로 주변 논, 밭, 과수원 등의 농업활동이 활발하며, 축산농가 등의 비점오염원이 산재되어 있다. 또한 대상 지역의 남쪽으로는 아산시청이 위치해 있으며, 이로 인한 아파트 등의 주거 밀집지역이 존재한다.
연구지역인 충남 아산시 곡교천의 지질은 선캠브리아기의 호상편마암이 기반암으로 분포하고 있고, 중생대의 쥬라기 화강암류인 각섬석화강암, 흑운모화강암, 반상화강암과 백악기의 흑운모화강암이 관입하였으며, 이들 모든 지층을 관입한 백악기의 산성, 염기성 맥암류 및 제 4기 충적층으로 구성되어 나타난다(Kim et al., 1979). Kim et al.

데이터처리

양이온(Ca, Fe, K, Mg, Na, Si 등)의 함량은 유도결합플라즈마(ICP1000-III, SHIMADZ), 음이온(F, Cl, NO₂, Br, NO₃, PO₄, SO₄)의 함량은 이온크로마토그래피(883 Basic IC Plus, metrohm)를 이용하여 분석하였다. 안정동위원소인 질소안정동위원소(δ¹⁵N)는 가스-질량분석기(FIAstar 5000, Foss Tecator)를 이용하여 분석하였다. 채취된 하천수 및 주변 지하수 시료내 미생물의 존재 유·무에 따른 탈질산화반응의 영향을 조사하기 위해 이들 시료는 0.

이론/모형

온도, pH, Eh, DO, EC, TDS와 같은 물리적 특성은 현장에서 채수 즉시 다항목 수질측정기(U-5000, HORIBA)를 사용하여 현장에서 측정하였고, 중탄산 이온함량은 적정법을 이용하여 현장에서 pH meter(D-51, HORIBA)를 이용하여 직접 측정하였다. 양이온(Ca, Fe, K, Mg, Na, Si 등)의 함량은 유도결합플라즈마(ICP1000-III, SHIMADZ), 음이온(F, Cl, NO₂, Br, NO₃, PO₄, SO₄)의 함량은 이온크로마토그래피(883 Basic IC Plus, metrohm)를 이용하여 분석하였다.

성능/효과

연구지역은 NO₃의 농도에 대한 δ¹⁵N값에 따라 A, B, C그룹으로 구분되며, A그룹은 하천수의 기원 및 탈질산 화반응, B그룹은 지류의 유동방향에 따른 탈질산화작용에 의한 분별작용, C그룹은 인위적인 오염과 자연토양, 생활하수 유래의 질산성질소로 판단된다. 기존의 하상여과에 미치는 설계인자를 파악하기 위해 대부분 수치해석 및 모델링을 통한 실내조사가 진행되었으나, 하상여과 시공지역의 하천수와 주변 지하수를 대상으로 지구화학적 해석 및 주변 환경조사 등과 같은 현장조사를 통해서도 하상여과에 미치는 설계인자 파악이 가능한 것으로 판단된다.
연구지역 지질은 충적층으로 이루어져 분급이 양호하며 투수성이 높아 지하수 산출성이 좋으나, 미고결 퇴적물로 이루어진 충적층에서의 지하수 수위는 지표면에 가깝게 상승되어 있어 지표수 오염원의 영향을 받기 쉽고, 하상여과 취수량에 영향을 미칠 것으로 판단된다. 수리 화학적 특성은 배경수질의 차이를 구분한 결과 하천수와 지하수의 차이는 K, HCO₃가 지하수에서는 Cl, NO₃로 하천인근 지하수와 도심지 지하수로 구분되며, 하천 인근지하수 Cl 원소가 이상분포대를 형성되었다. 연구지역은 NO₃의 농도에 대한 δ¹⁵N값에 따라 A, B, C그룹으로 구분되며, A그룹은 하천수의 기원 및 탈질산 화반응, B그룹은 지류의 유동방향에 따른 탈질산화작용에 의한 분별작용, C그룹은 인위적인 오염과 자연토양, 생활하수 유래의 질산성질소로 판단된다.
연구지역 지질은 충적층으로 이루어져 분급이 양호하며 투수성이 높아 지하수 산출성이 좋으나, 미고결 퇴적물로 이루어진 충적층에서의 지하수 수위는 지표면에 가깝게 상승되어 있어 지표수 오염원의 영향을 받기 쉽고, 하상여과 취수량에 영향을 미칠 것으로 판단된다. 수리 화학적 특성은 배경수질의 차이를 구분한 결과 하천수와 지하수의 차이는 K, HCO₃가 지하수에서는 Cl, NO₃로 하천인근 지하수와 도심지 지하수로 구분되며, 하천 인근지하수 Cl 원소가 이상분포대를 형성되었다.
수리 화학적 특성은 배경수질의 차이를 구분한 결과 하천수와 지하수의 차이는 K, HCO₃가 지하수에서는 Cl, NO₃로 하천인근 지하수와 도심지 지하수로 구분되며, 하천 인근지하수 Cl 원소가 이상분포대를 형성되었다. 연구지역은 NO₃의 농도에 대한 δ¹⁵N값에 따라 A, B, C그룹으로 구분되며, A그룹은 하천수의 기원 및 탈질산 화반응, B그룹은 지류의 유동방향에 따른 탈질산화작용에 의한 분별작용, C그룹은 인위적인 오염과 자연토양, 생활하수 유래의 질산성질소로 판단된다. 기존의 하상여과에 미치는 설계인자를 파악하기 위해 대부분 수치해석 및 모델링을 통한 실내조사가 진행되었으나, 하상여과 시공지역의 하천수와 주변 지하수를 대상으로 지구화학적 해석 및 주변 환경조사 등과 같은 현장조사를 통해서도 하상여과에 미치는 설계인자 파악이 가능한 것으로 판단된다.

후속연구

서로 다른 기원의 질산염들은 특징적인 질소동위원소 조성을 보이기 때문에 동위원소는 여러 경우에서 질산염 오염원의 직접적인 파악의 수단을 제공하며, 이러한 특징을 이용하여 하상여과에 미치는 영향인자로 사용하였으나, 질소변환반응에는 암모니아화작용, 질산화작용, 탈질산화작용 및 동화작용 등 다양한 반응에 의해 변하기 때문에 정량적인 해석을 위해 추가적으로 산소, 탄소 동위원소 자료 및 주변 환경조사가 동시에 이루어진다면, 하상여과에 미치는 설계인자 해석에 정확성을 높일수 있을 것으로 판단된다.
하천인근 지하수의 경우 물-암석반응보다는 하천수의 혼합, 인간 활동에 의한 부화 및 지구화학적인 변화보다는 하상여과공사에 따른 오염물질의 유입과 하상퇴적물의 용존 이온흡착, 포화에 의한 용출작용(Kim and Nam, 2009)으로 생각된다. 하천수와 주변지하수의 물리·화학적 특성을 이용한 하상여과에 미치는 설계인자(산화-환원 전위의 차이, EC의 변화 및 상대적 변화량등)를 파악하기 위해서는 상대적 거리에 따른 시료채취와 강수기록 등 집중적이고 체계적인 자료가 요구될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하상여과공법이란 무엇인가?	하천아래 하상퇴적층의 적당한 깊이에 수평으로 한 개 혹은 여러 개의 집수관을 설치하고 이들을 집수정에 연결하여 이로부터 여과수를 확보하는 하상여과공법은 하천복원사업 중 수질개선, 취수량 증대 및 하천의 건천화 방지 효과를 얻기 위해 국내 지방자치단체(대전 갑천, 서울 홍제천 및 울산 태화강 등)에서 이용되고 있으며, 이를 통해 긍정적인 효과를 얻고 있다(Kim, 2007). 하상여과시설 시공을 위한 설계는 하천현황, 지반조사 등을 통해서 기본적인 현장자료를 획득하게 되고, 이를 바탕으로 수리학적 수치해석모델링을 통하여 목표취수량을 산정하게 된다.
	도시하천 환경 개선의 필요성에따라 지방자치단체는 어떠한 사업을 진행 중에 있는가?	특히 도시하천은 도심의 하수도 역할을 하는 단순한 배수로로 전략하게 되어 비점오염원에서의 오염물질 유입에 따른 수질오염 등으로 인해 생태기능 상실 및 생활환경에 직접적으로 영향을 미치게 되었다. 이에 따라 하천환경 개선의 필요성이 인식되어 각 지방자치단체는 매년 생태복원하천과 같은 사업을 진행하여 콘크리트를 이용한 인위적인 직선형 하천에서 각 지형에 적합한 형태 즉, 자연적인 굴곡형 물길, 수초대 및 정화 습지 등과 같은 자연정화 기능을 갖춘 하천복원사업을 활발히 진행 중이다.
	하상여과시설의 취수량은 어떤 것들에 의해 영향을 받게 되는가?	하상여과시설 시공을 위한 설계는 하천현황, 지반조사 등을 통해서 기본적인 현장자료를 획득하게 되고, 이를 바탕으로 수리학적 수치해석모델링을 통하여 목표취수량을 산정하게 된다. 하상여과시설의 취수량은 집수정의 개수, 길이, 방향 및 수평 집수관의 위치 등과 같은 설계인자에 따른 영향과 미립토사의 유입, 유기물의 축적에 따른 투수성 저하 및 주변지하수의 수위 등과 같은 시공지역의 환경에 따른 영향을 받게 된다(Sung et al., 2003).

참고문헌 (21)

Ahn, K. H., Moon, H. J., Kim, K. S., and Kim, S. H., 2005, An experimental study on the distributions of residual head and discharge rate along collector well laterals of a model riverbed filtration, Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 27(12), 1305-1310. (in Korean with English abstract)
Chon, H. T. and Ahn, H. I., 1998, Assessment of groundwater contamination using geographic information system, Journal of Korean Society of Soil and Groundwater Environment, 5(3), 129-140. (in Korean with English abstract)
Cortecci, G., Dinelli, E., Adorni-Braccesi, A., and La Ruffa, G., 2002, Natural and anthropogenic $SO_4$ sources in the Arno river catchment, northern Tuscany, Italy: a chemical and isotopic reconnaissance, Applied Geochemistry, 17, 79-92.

상세보기
David, R., 2001, $\delta^{15}N$ as integrator of the nitrogen cycle, Trends in Ecology & Evolution, 16(3), 153-162.

상세보기
Freeze, R. A. and Cherry, J. A., 1979, Groundwater, Prentice-Hall Inc., New Jersey, 604.
Hauck, R. D., Bartholomew, W. V., and Bremner, J. M., 1972, Use of variations in natural nitrogen isotope abundance for environmental studies: a questionable approach, Science, 177, 453-454.

상세보기
Kim, D. H., Choi, W. C., and O, I. S., 1979, Explanatory Text of the Geological Map of the ASAN Sheet, Korea Research Institute of Geoscience and Mineral Resources, 1-33 (in Korean with English abstract).
Kim, K. J., Lee, J. S., Oh, C. W., Hwang, G. S., Kim, J. S., Yeo, S. K., Kim, Y. K., and Park, S. M., 2002, Inorganic chemicals in an effluent-dominated stream as indicators for chemical reactions and stream flows, Journal of Hydrology, 264(1), 147-156.

상세보기
Kim, S. H., 2007, Comparison of riverbank and riverbed filtration in Korea, Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 29(10), 1154-1162 (in Korean with English abstract).
Kim, Y. K. and Nam, E. K., 2009, Geochemical and isotopic study of the Kumho River, Journal of Korean Society of Economic and Environmental Geology, 42(6), 527-539 (in Korean with English abstract).
Lamontagne, S., Leaney, F., and Herczeg, A., 2002, Stream-Groundwater Interaction : The River Murrary at Hattah-kulkyne Park, Victori : Summary of Results, CSIRO Land and Water, Technical Report, 27, 1-59.
Lee, B. S. and Woo, N. C., 2002, Groundwater Quality and Contamination in the 'A'section of Seoul Metropolitan Subway, The Journal of Engineering Geology, 12(4), 379-394. (in Korean with English abstract)
Lee, J. U., Chon, H. T., and John, Y. W., 1997, Geochemical Characteristics of Groundwater in Korea with Different Aquifer Geology and Temperature-Comparative Study with Granitic Groundwater, Journal of the Korean Society of Groundwater Environment, 4(4), 212-222 (in Korean with English abstract).
Mariotti, A., Landreau, A., and Simon, B, 1988, $^{15}N$ isotope biogeochemistry and natural denitrification process in groundwater: Application to the chalk aquifer of northern France, Geochimica et Cosmochimica Acta, 52(7), 1869-1878.

상세보기
Mayer, B., Boyer, E. W., Goodal, C., Jaworski, N. A., Van Breemen, N., Howarth, R. W., Seitzinger, S., Billen, G., Lajtha, K., can Dam, D., Hetling, L. J., Nosal, M., and Paustian, K. 2002, Sources of nitrate in rivers draining sixteen watersheds in the north-eastern U.S: Isotopic constraints, Biochemistry, 57(58), 171-197.
Na, C. K. and Son, C. I., 2005, Groundwater quality and pollution characteristics at Seomjin river basin: pollution source and risk assessment, Journal of Korean Society of Economic and Environmental Geology, 38(3), 261-272 (in Korean with English abstract).
Park, C. Y. and Cho, K. H., 2010, Bioaccumulation of arsenic on the sheathed-filament and twisted-stalk structures from the microbial Origin in the Hwasun Abandoned Coal Mine Drainage, Korea, Journal of Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers, 47(3), 369-382. (in Korean with English abstract)
Simpson, H. J. and Herczeg, A. L., 1991, Salinity and evaporation in the River Murray basin, Australia, Journal of Hydrology, 124(1-2), 1-27.

상세보기
Sohn, D. H., Park, J. Y., and Kim, S. H., 2011, A study on the design of artificial stream for riverbed filtration in multi-purpose filtration pond, Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 33(7), 536-543 (in Korean with English abstract).

원문보기 상세보기
Sung, C. D., Ahn, K. H., Lee, Y. H., Kong, I. C., and Kim, S. H., 2003, A study on the water quality improvement through riverbed filtration-model analysis and model verification, Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 25(5), 580-587. (in Korean with English abstract)

상세보기
Yun, U., Chi, S. J., and SO, C. S., 2003, The hydrochemical and stable isotope characteristics of shallow groundwater near the Gwangju stream, Journal of Korean Society of Economic and Environmental Geology, 35(6), 441-455. (in Korean with English abstract)

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증