간척지를 포함하고 있는 연구지역에서 육지에서 해안지역으로 근접할수록 측정된 지하수의 산화환원 전위 (Eh)와 용존 산소량 (DO)은 낮게 관찰되었다 (Eh: 0.57 V ${\rightarrow}$ 0.13 V, DO; 9.7 mg/l ${\rightarrow}$ 1.3 mg/l). 이는 연구지역 지하수의 산화환경이 육지에서 해안가로 근접할수록 호기성 환경에서 아혐기성/혐기성 환경으로 변화한다는 것을 의미한다. 또한 지하수 수질 분석 결과에 의하면 철이온 (Fe)이 지하수에 많이 포함되어 있으며 (> 20 mg/l), 대부분의 2가 철로 존재한다. 이러한 연구지역 해안가 지하수들의 특징들은 지하수들이 철의 환원작용 (Fe reduction)이 일어날 수 있는 혐기성 환경에 위치하고 있음을 지시해준다. 철 환원작용이 일어나기 위해서는 3가 철의 공급원이 필요한데, 관측정 퇴적물의 철이온 추출실험에 의하면 연구지역의 퇴적물은 철 환원작용에 필요한 3가 철이온에 대한 충분한 공급원 역할을 할 수 있다. 따라서 분석한 지하수 및 퇴적물의 결과들을 종합해석하면, 연구지역에서 일어나는 철 환원작용은 갯벌의 간척활동과 많은 관련을 가지고 있는 것으로 추정된다.
간척지를 포함하고 있는 연구지역에서 육지에서 해안지역으로 근접할수록 측정된 지하수의 산화환원 전위 (Eh)와 용존 산소량 (DO)은 낮게 관찰되었다 (Eh: 0.57 V ${\rightarrow}$ 0.13 V, DO; 9.7 mg/l ${\rightarrow}$ 1.3 mg/l). 이는 연구지역 지하수의 산화환경이 육지에서 해안가로 근접할수록 호기성 환경에서 아혐기성/혐기성 환경으로 변화한다는 것을 의미한다. 또한 지하수 수질 분석 결과에 의하면 철이온 (Fe)이 지하수에 많이 포함되어 있으며 (> 20 mg/l), 대부분의 2가 철로 존재한다. 이러한 연구지역 해안가 지하수들의 특징들은 지하수들이 철의 환원작용 (Fe reduction)이 일어날 수 있는 혐기성 환경에 위치하고 있음을 지시해준다. 철 환원작용이 일어나기 위해서는 3가 철의 공급원이 필요한데, 관측정 퇴적물의 철이온 추출실험에 의하면 연구지역의 퇴적물은 철 환원작용에 필요한 3가 철이온에 대한 충분한 공급원 역할을 할 수 있다. 따라서 분석한 지하수 및 퇴적물의 결과들을 종합해석하면, 연구지역에서 일어나는 철 환원작용은 갯벌의 간척활동과 많은 관련을 가지고 있는 것으로 추정된다.
The study area is located on the western coastal region of Korea, partly had been reclaimed lands. Groundwaters of the coastal area show lower Eh and DO values (Eh: 0.57 V ${\rightarrow}$ 0.13 V, DO; 9.7 mg/l ${\rightarrow}$ 1.3 mg/l), and higher Fe concentrations (> 20 mg/l) t...
The study area is located on the western coastal region of Korea, partly had been reclaimed lands. Groundwaters of the coastal area show lower Eh and DO values (Eh: 0.57 V ${\rightarrow}$ 0.13 V, DO; 9.7 mg/l ${\rightarrow}$ 1.3 mg/l), and higher Fe concentrations (> 20 mg/l) than those of the inner land (< 0.3 mg/l), indicating that the redox condition of groundwater changes from oxic into suboxic/anoxic conditions as it flows from the inland toward the coastal area. In addition, Fe speciation of groundwater from the coastal area demonstrates that the most dissolved Fe exist as $Fe^{2+}$, reflecting that groundwater is under the anoxic condition to sufficiently occur Fe reduction. According to the result of Fe extraction with the sediment samples from three wells (A, B, C), the sediments provide enough $Fe^{3+}$ to occur the Fe reduction in the groundwater. Integrated all results of the groundwater and sediment, we infer that the Fe reduction to occur in groundwater is associated with the reclamation processes of the study area.
The study area is located on the western coastal region of Korea, partly had been reclaimed lands. Groundwaters of the coastal area show lower Eh and DO values (Eh: 0.57 V ${\rightarrow}$ 0.13 V, DO; 9.7 mg/l ${\rightarrow}$ 1.3 mg/l), and higher Fe concentrations (> 20 mg/l) than those of the inner land (< 0.3 mg/l), indicating that the redox condition of groundwater changes from oxic into suboxic/anoxic conditions as it flows from the inland toward the coastal area. In addition, Fe speciation of groundwater from the coastal area demonstrates that the most dissolved Fe exist as $Fe^{2+}$, reflecting that groundwater is under the anoxic condition to sufficiently occur Fe reduction. According to the result of Fe extraction with the sediment samples from three wells (A, B, C), the sediments provide enough $Fe^{3+}$ to occur the Fe reduction in the groundwater. Integrated all results of the groundwater and sediment, we infer that the Fe reduction to occur in groundwater is associated with the reclamation processes of the study area.
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문제 정의
그러나 전 세계적으로 소수의 국가에서만 수행되는 간척사업과 관련하여 해안지역 간척지에서 발생하는 환원작용에 대한 연구는 매우 드물다. 따라서 본 연구에서는 김제지역 갯벌 간척지에서 일어나는 철 환원작용의 특징을 규명하는데 목적이 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해 본 연구에서는 1) 지하수 시료의 공간적인 수리지화학적인 특징과 2) 퇴적물을 이용한 원소분석 및 추출실험에 중점을 두고 연구를 실시하였다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 김제지역 갯벌 간척지에서 일어나는 철 환원작용의 특징을 규명하는데 목적이 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해 본 연구에서는 1) 지하수 시료의 공간적인 수리지화학적인 특징과 2) 퇴적물을 이용한 원소분석 및 추출실험에 중점을 두고 연구를 실시하였다.
관측정 C에서 일정한 간격으로 퇴적물을 채취하여 한국지질자원연구원에서 냉동건조기 (freezing dryer) 로 24시간 동안 퇴적물 시료를 건조한 후, 마노 절구(agate-mortar)를 이용하여 분말로 분쇄하여 골고루 혼합하였다. 퇴적물 내 총탄소 (TC: Total Carbon)와 총질소 (TN: Total Nitrogen) 함량은 한국지질자원연구원이 보유하고 있는 미국 Leco사의 CHN-900으로 분석하였다.
본 연구에서도 현장에서 측정된 pH의 범위가 6.55에서 7.38인 것을 바탕으로 하여 (Table 2), 측정된 pH 조건하에서 안정 영역을 갖는 Fe(OH)3(s)과 Fe2+를 산화환원쌍으로 이용하여 평형조건의 Eh를 재계산하였다. 또한 지하수의 수질 분석을 통해 대부분의 철이온 농도가 10-5~10-4 M의 범위에 존재하고 탄산염이 온의 농도도 10-3 M에 존재하기 때문에, 이들의 농도를 바탕으로 아래의 식 (2), (3), (4)을 이용하여 Eh를 재계산하였다.
양이온과 음이온 분석시료는 현장에서 0.45 µm 멤브레인 여과지 (membrane filter)를 이용하여 여과한 후, 양이온 분석시료에는 강한 질산 (pH<2)을 첨가하여 용기 표면에 양이온들이 흡착되거나 침전되는 것을 막았다.
45 µm 멤브레인 여과지 (membrane filter)를 이용하여 여과한 후, 양이온 분석시료에는 강한 질산 (pH<2)을 첨가하여 용기 표면에 양이온들이 흡착되거나 침전되는 것을 막았다. 양이온들 (Na+, Mg2+, K+, Ca2+, Fe2+ 및 Mn2+)은 한국기초과학지원연구원 (Korea Basic Science Institute; KBSI)의 Jobin Yvon 138 Ultrace ICPAES을 이용하여 분석하였으며, 음이온들 (Cl-, SO42-, NO3- 및 Br-)은 서울대학교 지구화학연구실의 Dionex DX-500 IC를 이용하여 분석하였다. 채취한 지하수 시료의 철이온들 (Fe2+와 Fe3+)을 분석하기 위해 APHA et al.
연구지역 지하수내 철 성분의 상평형관계를 살펴보기 위하여 현장에서 측정한 Eh와 pH를 이용하여 철상평형도 (phase diagram)를 도시하였다 (Fig. 4). 연구지역 지하수에서 측정된 Eh와 pH 조건 하에서는 모든 철이온들이 Fe(OH)3(s)의 안정영역에 위치한다(Fig.
해안가 지하수 시료 들의 물리 및 지화학성분 분석결과와 철이온의 상평형도는 연구지역 지하수가 철 환원작용이 발생하고 있음을 명확하게 보여준다. 이러한 철 환원작용이 일어나기 위해 필요한 철이온의 공급원을 조사하기위해 세 관측정(A, B 및 C)의 퇴적물을 층별로 채취하여 0.5 N 염산(HCl)을 이용하여 철이온 추출 실험을 실시하였다.
(1995)에 따라 채전처리한 후, 서울대학교 지구 화학연구실의 UV-visible spectrophotometer를 이용하여 분석하였다. 총유기탄소 (Total Organic Carbon; TOC)는 지하수내에서 미생물의 활동에 의한 분해를 방지하기 위해 현장에서 미량의 염화수은 (HgCl2)을 첨가한 후, 서울대학교 환경안전연구소의 총유기탄소 분석기 (total organic carbon analyzer)를 이용하여 분석하였다.
추출한 용액은 0.2 µm 멤브레인 여과지로 여과한 후, 서울대학교 지구화학연구실의 atomic absorption spectrometer (AAS)를 이용하여 측정하였다.
관측정 C에서 일정한 간격으로 퇴적물을 채취하여 한국지질자원연구원에서 냉동건조기 (freezing dryer) 로 24시간 동안 퇴적물 시료를 건조한 후, 마노 절구(agate-mortar)를 이용하여 분말로 분쇄하여 골고루 혼합하였다. 퇴적물 내 총탄소 (TC: Total Carbon)와 총질소 (TN: Total Nitrogen) 함량은 한국지질자원연구원이 보유하고 있는 미국 Leco사의 CHN-900으로 분석하였다. CHN 900의 탄소와 질소의 검출한계(detection limit)는 각각 0.
지하수 시료는 두 번에 걸쳐서 관정 부피의 2~3배 이상을 양수한 후 채취하였다. 현장에서 온도 (T), 산화환원 전위 (Eh), 전기전도도 (EC) 및 수소이온농도 (pH)를 전극 (electrode probe)을 이용하여 측정하였고, Eh는 Zobel 용액, EC 및 pH는 표준용액을 이용하여 현장에서 보정하였다(APHA et al., 1995). 알칼리도는 실험실에서 0.
대상 데이터
1에서 보듯이, 1910년대에 연구지역의 해안선은 XY와 X'Y' 선들의 오른쪽에 위치하였지만, 현재 해안선은 간척에 의해 인위적으로 XY와 X'Y' 선들의 왼쪽으로 이동되었다. 본 연구에서는 현재까지 간척활동이 활발히 진행된 대창리 지역에서 채취한 지하수 시료를 해안 시료 (coastal sample)로, 대창리 지역을 제외한 다른 지역에서 채취한 지하수 시료를 육지 (inland sample) 시료로 구분하였다.
연구지역은 행정구역상 한반도의 남동쪽인 전라북도 김제지역에 위치하며, 북위 35o 45' 00''에서 35º 55'00'', 동경 126º 40' 00''에서 126º 57' 10''에 걸쳐 위치하는 약 100 km2 면적의 서해와 인접한 해안가 지역이다.
면적의 서해와 인접한 해안가 지역이다. 연구지역의 고도는 0 m에서 40 m이며 전반적으로 해안가로 갈수록 고도가 낮아지는 경향이다(Fig. 1). 또한 연구지역이 만경강 및 신평천과 매우 인접하기 때문에 많은 유기물질을 포함하고 있는 육성 퇴적물이 두 하천을 통하여 현재까지 서해로 운반되고 있다.
연구지역의 기반암은 쥬라기 화강암으로 구성되어 있으며, 제4기 퇴적물이 기반암 위에 놓인다 (Park et al., 2001). 한국지질자원연구원 (Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources; KIGAM)에 의해 해안가로부터 육지쪽으로 시추한 관측정 C, B, A에서 취득한 시추코어자료에 의하면, 제4기 퇴적물은 0 m에서 4 m까지는 점토층으로, 4 m에서 17 m까지는 세립질 모래층으로, 17 m에서 28 m까지는 조립질 모래층으로 구성되었으며, 기반암과 조립질 모래층 사이에는 풍화작용의 부산물인 역 (gravel)이 존재한다.
연구지역의 관정들은 대부분 농업용 및 가정용으로 개발되어 이용하고 있으며, 관정들 수심은 지표면으로부터 30 m 이내로 매우 낮다. 지하수 시료는 두 번에 걸쳐서 관정 부피의 2~3배 이상을 양수한 후 채취하였다. 현장에서 온도 (T), 산화환원 전위 (Eh), 전기전도도 (EC) 및 수소이온농도 (pH)를 전극 (electrode probe)을 이용하여 측정하였고, Eh는 Zobel 용액, EC 및 pH는 표준용액을 이용하여 현장에서 보정하였다(APHA et al.
이론/모형
, 1995). 알칼리도는 실험실에서 0.1N 염산(HCl)을 이용한 그랜적정법 (Gran titration method), 용존 산소량은 윙클러 요오드 적정법 (Winkler iodometric titration method)을 이용하여 측정하였다. 양이온과 음이온 분석시료는 현장에서 0.
양이온들 (Na+, Mg2+, K+, Ca2+, Fe2+ 및 Mn2+)은 한국기초과학지원연구원 (Korea Basic Science Institute; KBSI)의 Jobin Yvon 138 Ultrace ICPAES을 이용하여 분석하였으며, 음이온들 (Cl-, SO42-, NO3- 및 Br-)은 서울대학교 지구화학연구실의 Dionex DX-500 IC를 이용하여 분석하였다. 채취한 지하수 시료의 철이온들 (Fe2+와 Fe3+)을 분석하기 위해 APHA et al. (1995)에 따라 채전처리한 후, 서울대학교 지구 화학연구실의 UV-visible spectrophotometer를 이용하여 분석하였다. 총유기탄소 (Total Organic Carbon; TOC)는 지하수내에서 미생물의 활동에 의한 분해를 방지하기 위해 현장에서 미량의 염화수은 (HgCl2)을 첨가한 후, 서울대학교 환경안전연구소의 총유기탄소 분석기 (total organic carbon analyzer)를 이용하여 분석하였다.
01%이다. 총유기 탄소 함량 (TOC)은 한국지질자원연구원의 Rock-Eval Turbo 6을 이용하여 실시하였다. Rock-Eval 열분해 시 생성되는 열분해 탄소 (pyrolyzed carbon; PC)와 잔류 탄소 (residual carbon; RC)의 합으로 TOC 함량이 계산된다 (Arthur et al.
성능/효과
이와같은 결과는 지하수 흐름방향에 따라 육지에서 해안가로 갈수록 지표면 아래의 산화환원 환경이 호기성 (oxic)에서 점점 아혐기성/혐기 (suboxic/anoxic)으로 변화한다는 것을 지시한다. 2가 철 (Fe2+), 망간 (Mn2+), 질산염 (NO3-), 탄산염 (HCO3-) 및 총유기탄소 (TOC)의 농도에 대한 상관관계를 도시하면, 지하수내 용존 철, 망간, 질산염, 탄산염 및 총유기탄소의 농도는 아혐기성/혐기성 환경이 호기성 환경보다 높은 값을 보여주지만 질산염 농도는 아혐기성/혐기성 환경보다 호기성 환경에서 높은 값을 보여준다 (Fig. 3). 따라서 연구지역의 지하수가 육지에서 해안가로 갈수록 용존 산소량에 따른 산화환경이 호기성 (oxic)에서 점점 아혐기성/혐기성 (suboxic/anoxic)으로 변화하여 탈질화작용 (denitrification)이 완료되고 철 및 망간의 환원작용이 일어난다는 것을 의미한다.
3). 따라서 연구지역의 지하수가 육지에서 해안가로 갈수록 용존 산소량에 따른 산화환경이 호기성 (oxic)에서 점점 아혐기성/혐기성 (suboxic/anoxic)으로 변화하여 탈질화작용 (denitrification)이 완료되고 철 및 망간의 환원작용이 일어난다는 것을 의미한다.
또한 관측정의 시추 퇴적물 추출실험 결과에 의하면, 연구지역의 퇴적물들은 철 환원작용에 필요한 3가 철이온을 충분하게 공급하는 공급원 역할을 할 수 있다. 따라서본 연구 결과들을 종합하면, 연구지역의 철 환원작용은 자연적으로 일어났을 가능성보다 인위적인 시행된 간척활동과 많은 연관성이 있다. 즉, 연구지역에서 실시하였던 간척활동은 지표면하의 환경을 인위적으로 변화시켜, 해안가 지하수에서 일반적으로 관찰되는 해수 침투뿐만 아니라 지하수 흐름, 산화환원환경 등 전반적인 지하수의 물리적 및 화학적 특성의 변화를 유발시킨 것으로 판단된다.
이러한 결과들은 해안가 지역에서 철환원작용이 활발히 일어나고 있음을 지시한다. 또한 관측정의 시추 퇴적물 추출실험 결과에 의하면, 연구지역의 퇴적물들은 철 환원작용에 필요한 3가 철이온을 충분하게 공급하는 공급원 역할을 할 수 있다. 따라서본 연구 결과들을 종합하면, 연구지역의 철 환원작용은 자연적으로 일어났을 가능성보다 인위적인 시행된 간척활동과 많은 연관성이 있다.
6). 또한 퇴적물내 무기탄소와 총질소의 수직적인 농도변화 경향은 퇴적물의 깊이가 깊어질수록 전반적으로 낮아지는 경향을 보여준다. 이와같은 퇴적물들 원소의 수직적인 분포 양상은 농업활동에 사용된 화학비료의 영향을 받고 있음을 지시한다.
설치한 관측정 중 해안에 가장 인접한 C 관측정의 퇴적물 원소분석 결과는 총탄소, 총유기탄소, 무기탄소및 총질소가 전반적으로 상부 층인 점토층에서 많이 존재하고 점토층 아래에서는 거의 존재하지 않는다는 것을 보여 준다 (Fig. 6). 또한 퇴적물내 무기탄소와 총질소의 수직적인 농도변화 경향은 퇴적물의 깊이가 깊어질수록 전반적으로 낮아지는 경향을 보여준다.
, 2003), 연구지역의 용존 무기탄소 (DIC)의 탄소 동위원소성분 (δ13C) 분석결과는 환원작용이 미생물의 활동과 매우 밀접한 관련이 있음이 지시한다. 연구지역의 지하수는 해안가로 갈수록 EC, Na+, Ca2+, Mg2+, K+, Cl-, Br의 값이 증가하고 (Fig. 2; Table 2), 지하수의 Br/Cl가 일반적인 해수의 범위 (0.0029-0.0038)를 가지 때문에, 해수 침투에 의해 지하수 수질이 영향을 많이 받고 있음을 알 수 있다. 해수의 Cl의 농도를 19,000 mg/l로, 해수의 영향을 받지 않은 지하수의 Cl 농도를 50 mg/l로 가정하여 간단한 질량 혼합모델 (simple mass balance model, Clsample= (1 − X)·Clbackgroud+ X·Clseawater)에 의해 연구지역의 지하수에 영향을 주는 해수의 비율을 계산하면, 해안가 지역에서 지하수는 최대 약 20% 해수에 의해 영향을 받았음을 알 수 있다.
연구지역에서 채취된 지하수 분석결과에 대한 BoxWhisker도를 도시하면 대부분 지하수 분석 성분의 농도는 육지에서 해안가로 근접할수록 증가하는 경향을 보여준다. 이러한 결과는 연구지역의 지하수 수질이 해안가로 갈수록 해수에 의해 많은 영향을 받고 있다는 것을 지시한다. 그러나 용존 산소량 (DO), 산화환원 전위 (Eh)와 질산염 (NO3-) 농도는 육지에서 해안가로 근접할수록 전반적으로 감소하는 경향이 관찰되었다(Fig.
철이온 추출 실험결과를 살펴보면, 모든 관측정의 퇴적물에서 추출된 총철이온 농도가 25-175 mg/l의 범위를 가지고 있고 해안가로 갈수록 추출한 총철이온 농도가 높다 (Fig. 5). 0.
해수의 Cl의 농도를 19,000 mg/l로, 해수의 영향을 받지 않은 지하수의 Cl 농도를 50 mg/l로 가정하여 간단한 질량 혼합모델 (simple mass balance model, Clsample= (1 − X)·Clbackgroud+ X·Clseawater)에 의해 연구지역의 지하수에 영향을 주는 해수의 비율을 계산하면, 해안가 지역에서 지하수는 최대 약 20% 해수에 의해 영향을 받았음을 알 수 있다.
후속연구
즉, 연구지역에서 실시하였던 간척활동은 지표면하의 환경을 인위적으로 변화시켜, 해안가 지하수에서 일반적으로 관찰되는 해수 침투뿐만 아니라 지하수 흐름, 산화환원환경 등 전반적인 지하수의 물리적 및 화학적 특성의 변화를 유발시킨 것으로 판단된다. 새만금 간척사업처럼 서해안 지역에서 현재까지 간척활동에 의해 많은 갯벌들이 매몰되고 있는데, 이러한 간척활동이 진행되었거나 진행되고 있는 지역에서 지하수의 수질은 철 환원작용 뿐만 아니라 다양한 환원작용에 의해 영향을 받을 것으로 판단되기 때문에, 향후 간척지역에 대한 지하수 수질 변환 관련 연구가 추가적으로 많이 필요할 것으로 판단된다.
따라서, 연구지역 지하수가 아혐기성/혐기성 환경에 놓여 있고 미생물에 의한 철 환원작용이 일어나고 있는 사실을 고려할 때, 연구지역 내 퇴적물에는 철 환원작용이 일어날 수 있는 충분한 양의 3가 철이온을 함유하고 있다고 볼 수 있다. 하지만 철산화물의 구체적인 광물상을 확인하기 위해서는 XRD, 전자현미경 등의 추가적인 연구가 수행되어야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우리나라 서해는 어떤 지역 중 하나인가?
우리나라 서해는 수심이 낮은 천해로서 자연지리학적으로 세계에서 가장 큰 갯벌을 가지고 있는 지역 중의 하나이며 조석간만의 차가 심하다 (Frey et al., 1989).
육지에서 해안지역으로 근접할수록 측정된 지하수의 산화환원 전위 (Eh)와 용존 산소량이 낮게 관찰되는 것은 무엇을 의미하는가?
3 mg/l). 이는 연구지역 지하수의 산화환경이 육지에서 해안가로 근접할수록 호기성 환경에서 아혐기성/혐기성 환경으로 변화한다는 것을 의미한다. 또한 지하수 수질 분석 결과에 의하면 철이온 (Fe)이 지하수에 많이 포함되어 있으며 (> 20 mg/l), 대부분의 2가 철로 존재한다.
지하수 수질 분석 결과는 어떠한가?
이는 연구지역 지하수의 산화환경이 육지에서 해안가로 근접할수록 호기성 환경에서 아혐기성/혐기성 환경으로 변화한다는 것을 의미한다. 또한 지하수 수질 분석 결과에 의하면 철이온 (Fe)이 지하수에 많이 포함되어 있으며 (> 20 mg/l), 대부분의 2가 철로 존재한다. 이러한 연구지역 해안가 지하수들의 특징들은 지하수들이 철의 환원작용 (Fe reduction)이 일어날 수 있는 혐기성 환경에 위치하고 있음을 지시해준다.
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