[논문]방사성폐기물 처분을 위한 결정질 기반암의 지하수 수질 평가

이정환; 정해룡; 정재열; 박주완; 윤시태

doi:10.7733/jnfcwt.2014.12.4.275

방사성폐기물 처분을 위한 결정질 기반암의 지하수 수질 평가
Evaluation of Groundwater Quality in Crystalline Bedrock Site for Disposal of Radioactive Waste 원문보기

Journal of nuclear fuel cycle and waste technology = 방사성폐기물학회지, v.12 no.4, 2014년, pp.275 - 286

이정환 (한국원자력환경공단) , 정해룡 (한국원자력환경공단) , 정재열 (한국원자력환경공단) , 박주완 (한국원자력환경공단) , 윤시태 (한국원자력환경공단)

초록
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본 연구에서는 결정질 기반암에 위치하는 12개 시추공의 지하수 수질을 분석하여, 다변량 통계 분석법을 활용하여 지하수 수질 진화 특성 및 성분 기원을 평가하였다. 지하수 수질 유형은 Na(Ca)-$HCO_3$형과 Ca-$HCO_3$형이 가장 우세하여, 물-암석 반응에 의한 직접적인 양이온 교환 반응($Ca^{2+}{\rightarrow}Na^+$)을 지시하며, 현장 지하수 특성과 실내 지하수 분석 결과에 기초한 연구지역의 지하수 수질 진화는 초기 내지 중간 정도의 단계를 지시하는 것으로 사료된다. 다변량 분석 결과, 인위적인 기원인 $NO_3{^-}$와 다른 성분들 간의 상관성을 살펴보면, $Na^+$, $Cl^-$와 양의 상관성을 나타난다. 염무의 기원인 $Cl^-$와는 $Na^+$, $SO{_4}^{2-}$, $Mg^{2+}$, $K^+$와 양의 상관성을 나타낸다. 그러나 다른 성분들($Ca^{2+}$, $Fe^{2+}$, $HCO_3{^-}$, $F^-$, $SiO_2$)과는 상관성이 나타나지 않는다. $Cl^-$ 농도가 일반적인 지하수 수질 범위에 포함되고 $NO_3{^-}$ 농도는 먹는물 수질기준치 이하로서 농도가 매우 낮으며, 대부분의 광물에 대해서 지하수 화학성분들은 불포화상태를 지시한다. 따라서, 연구지역의 수질 성분들은 대부분 물-암석 반응을 통한 자연적인 기원을 지시하고 부분적으로는 자연적인 염무와 농업과 관련된 인위적인 오염으로부터 기인된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study evaluated the evolution stage and origin of chemical components of 12 boreholes at crystalline bedrock using multivariate statistical and groundwater quality analyses. Groundwater types are mostly belonged to Na(Ca)-$HCO_3$ and Ca-$HCO_3$ types, indicating that directly reaction of cation exchange ($Ca^{2+}{\rightarrow}Na^+$) prevailed. The degree of groundwater evolution is included the range from low to intermediate stage based on field and laboratory analytical conditions. As a result of multivariate statistical analysis, a typical indicator of groundwater contamination, $NO_3$-, has the positive correlation with $Na^+$ and $Cl^-$. The origin of sea spary ($Cl^-$) has the positive correlation with $Na^+$, $SO{_4}^{2-}$, $Mg^{2+}$, and $K^+$, while not correlation with $Ca^{2+}$, $Fe^{2+}$, $HCO_3{^-}$, $F^-$, and $SiO_2$. The concentration of $Cl^-$ and $NO_3{^-}$ belongs to general quality of groundwater and not exceeds over the Korean standard for drinking water. And the negative values of saturation index of minerals are calculated with chemical components in groundwater. Therefore, most of chemical components of groundwater in the study area are originated from natural process between rock and groundwater, whereas some of components are derived from sea spary and anthropogenic sources related to agricultural activities.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 지하수 화학을 통하여 심부 지하수 시스템의 진화 특성을 평가는 연구는 미진한 실정이다. 따라서 본 논문은 결정질 기반암에 위치하는 12개 시추공의 지하수 수질을 분석하여, 다변량 통계 분석법을 활용하여 지하수 수질 진화 특성 및 성분 기원을 평가하고자 한다.
그 중에서 지하수 화학은 지하수 침투, 방사성 핵종의 용해도, 이동 및 생태계로의 유출 등의 특성에 일차적으로 영향을 미친다. 또한 현재 부지의 수리지구 화학적 조건 뿐만 아니라, 향후 안전성을 예측하기 위한 시간 종속적 경계조건을 설정하기 위해 요구되는 심부 지하수 시스템의 과거 진화 특성을 규명하는데 기초 정보들을 제공한다[5].
본 연구는 결정질 기반암에 위치하는 12개 시추공의 지하수 수질을 분석하여, 다변량 통계 분석법을 활용하여 지하수 수질 진화 특성 및 성분 기원을 평가하고자 하였다. 총 4회에 걸친 지하수 분석 결과, 지하수 수질의 뚜렷한 계절적인 변화를 보이지 않는 안정된 심부 지하수 시스템을 형성하는 것으로 판단된다.

제안 방법

HCO3- 및 CO32-은 현장에서 측정된 알칼리도와 pH를 이용하여 환산하여 계산하였다.
지하수 시료의 무기 양이온 분석은 한국기초과학지원연구원에 수행하였으며, 무기물 중에서 K⁺, Fe²⁺는 원자흡광분광분석기(Unicam model 989 Flame AAS and Flameless AAS)를 이용하여 분석하였고 Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, SiO₂는 유도결합쌍 플라즈마 원자방출분광 분석기(Shimadzu 모델 ICPS-1000 III, ICP-AES)로 분석하였다. 무기 음이온 성분인 SO₄^2-, Cl^-, NO₃^-, F^-는 이온크로마토그래피(IC, Dionex 320i)을 장비를 사용하여 대전대학교에서 분석하였다. HCO₃^-및 CO₃^2-은 현장에서 측정된 알칼리도와 pH를 이용하여 환산하여 계산하였다.
무기 화학성분들의 기원을 정량적으로 평가하기 위해서 요인분석을 실시하였다. 연구지역의 지하수 수질은 계절적인 변동이 없기 때문에 4회에 결쳐 분석된 화학 성분값의 평균값을 사용하였다[16].
시료 채취 동안에 쉽게 변화되는 온도, pH, 산화-환원전위(Eh), 전기전도도(EC), 용존산소(DO), 알칼리도는 현장에서 시료채취와 동시에 측정되었다. 현장 측정 항목들을 측정하는데 Orion사의 Multi-parameter(Model No.
083010 전극을 각각 사용하였다. 알칼리도는 100 mL의 시료를 채취하여 0.05 M HCl을 이용하여 산중화적정법을 이용하여 측정하였다. 지하수 시료의 무기 양이온 분석은 한국기초과학지원연구원에 수행하였으며, 무기물 중에서 K⁺, Fe²⁺는 원자흡광분광분석기(Unicam model 989 Flame AAS and Flameless AAS)를 이용하여 분석하였고 Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, SiO₂는 유도결합쌍 플라즈마 원자방출분광 분석기(Shimadzu 모델 ICPS-1000 III, ICP-AES)로 분석하였다.
1). 지하수 시료 채취시기는 연구지역의 건기와 우기 특성을 반영 하기 위해서 2006년 5월(봄), 8월(여름), 10월(가을), 12월(겨울)에 걸쳐서 총 4회를 수행하였다. 시료채취 지점은 평균적으로 지표하 45 m이며, 더블패커를 설치한 후 지하수를 충분히 양수하여 화학적으로 안정된 후에 지하수 시료를 채취하였다.
05 M HCl을 이용하여 산중화적정법을 이용하여 측정하였다. 지하수 시료의 무기 양이온 분석은 한국기초과학지원연구원에 수행하였으며, 무기물 중에서 K⁺, Fe²⁺는 원자흡광분광분석기(Unicam model 989 Flame AAS and Flameless AAS)를 이용하여 분석하였고 Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, SiO₂는 유도결합쌍 플라즈마 원자방출분광 분석기(Shimadzu 모델 ICPS-1000 III, ICP-AES)로 분석하였다. 무기 음이온 성분인 SO₄^2-, Cl^-, NO₃^-, F^-는 이온크로마토그래피(IC, Dionex 320i)을 장비를 사용하여 대전대학교에서 분석하였다.

대상 데이터

지하수 시료 채취시기는 연구지역의 건기와 우기 특성을 반영 하기 위해서 2006년 5월(봄), 8월(여름), 10월(가을), 12월(겨울)에 걸쳐서 총 4회를 수행하였다. 시료채취 지점은 평균적으로 지표하 45 m이며, 더블패커를 설치한 후 지하수를 충분히 양수하여 화학적으로 안정된 후에 지하수 시료를 채취하였다.
연구지역은 경상북도 경주시 양북면 일원으로서, 해발고도는 300 m 이하, 경사도는 약 30% 미만의 완만한 지형을 형성하고 서고동저형의 지형 경사로 인해서 동서방향의 산지들이 발달해 있다(Fig. 1). 지질은 하부로부터 상부로 백악기 퇴적암, 제3기 관입암류에 포함되는 섬록암, 화강섬록암, 흑운모화강암, 유문암, 반상질 조면암질 안산암과 이들 모두를 피복하는 제4기 충적층이 분포한다[11].
연구지역의 12개 지하수공(KB-1, KB-2, KB-3, KB-5, KB-6, KB-7, KB-10, KB-11, KB-13, KB-14, KB-15, KB-16-2)에서 지하수 시료를 채취하여 분석을 수행하였다(Fig. 1). 지하수 시료 채취시기는 연구지역의 건기와 우기 특성을 반영 하기 위해서 2006년 5월(봄), 8월(여름), 10월(가을), 12월(겨울)에 걸쳐서 총 4회를 수행하였다.
백악기 퇴적암은 연구지역의 서쪽과 남쪽으로 넓게 분포하고 있으며, 주로 녹회색, 암회색 내지 담회색 사암과 녹회색 및 암회색 셰일이 교호하면서 발달되고 제3기 관입암류에 의해 접촉부 경계를 따라 혼펠스화 되어있다. 연구지역의 대부분을 차지하는 제 3기 관입암류의 섬록암과 화강섬록암은 남쪽에서 북쪽으로 갈수록 섬록암에서 화강섬록암으로 전이되며 입자의 크기도 세립질에서 조립질로 변화된다. 주구성광물은 사장석, 각섬석, 흑운모, K-장석, 석영, 불투명광물(자철석과 티탄철석)로 구성되며, 녹리석이 관찰된다.

데이터처리

005mg/L)으로 변환하여 적용하였다[18]. 또한 성분들 간의 상대적인 비교와 자료의 측정 규모 편향을 방지하기 위해서 화학성분값에 대해서 표준화를 수행한 후 통계분석을 실시하였다[19].
연구지역의 공간적인 지하수 수질 진화 특성을 규명하기 위해서 다변량 분석 중에서 요인분석(factor analysis)을 수행하였다. 요인분석은 대규모 자료집단을 단순화하고 체계화하여 일반화시킴으로서 자료의 의미를 고찰하는 기법으로서, 상관성이 큰 최초 변수들로 집단화할 수 있다[14].
무기 화학성분들의 기원을 정량적으로 평가하기 위해서 요인분석을 실시하였다. 연구지역의 지하수 수질은 계절적인 변동이 없기 때문에 4회에 결쳐 분석된 화학 성분값의 평균값을 사용하였다[16]. 요인분석 결과(Table 3), 요인에 의한 전체 설명율은 91.

이론/모형

시료 채취 동안에 쉽게 변화되는 온도, pH, 산화-환원전위(Eh), 전기전도도(EC), 용존산소(DO), 알칼리도는 현장에서 시료채취와 동시에 측정되었다. 현장 측정 항목들을 측정하는데 Orion사의 Multi-parameter(Model No. 1230)을 이용하였으며, pH는 모델 No. 9107WP 전극, Eh는 모델 No. 9678BN 전극, 전기전도도는 모델 No. 013010 전극, 용존산소는 모델 No. 083010 전극을 각각 사용하였다. 알칼리도는 100 mL의 시료를 채취하여 0.

성능/효과

인위적인 원인으로는 생활하수, 산업용 폐수, 축산폐수, 동물의 배설물, 제설제 등 다양한 오염원이 존재한다[34]. 1, 2, 3, 4차 조사 자료의 평균값을 이용하여 Cl^-와 다른 성분들 간의 상관성을 살펴보면, EC와는 상관계수 0.72이다. 또한 Na⁺(0.
한편, 인위적인 기원으로는 농경지역에 살포되는 비료, 퇴비와 주변 거주지에서 배출되는 인위적인 오염원들(분뇨, 축산폐수, 동물의 배설물, 생활하수 등) 등으로 매우 다양하다[39]. 1, 2, 3, 4차 조사 자료의 평균값을 이용하여 NO₃^-와 다른 성분들 간의 상관성을 살펴보면, Na⁺(0.71)과는 높은 상관성을 보이며 Cl^-(0.42)과도 낮은 상관성을 나타낸다. 그러나 다른 성분들과는 상관성이 거의 없다.
해수의 영향을 받는 해안지역에서는 해수에서 유래하는 황산염이 담지하수에 용해될 수 있다. 1, 2, 3, 4차 조사 자료의 평균값을 이용하여 SO4₄^2-와 다른 성분들 간의 상관성을 살펴보면, Ca²⁺(0.69), Mg²⁺(0.68), K⁺(0.56), HCO₃^-(0.33) 이온과는 양의 상관성을 가진다. 또한 SO4₄^2-이온이 황산염광물의 용해에 의해서 생성되는지는 알기 위하여 석고와 경석고 포화도를 구한 결과, 모든 시료에서 불포화 상태로 나타났다 (Table 2).
지하수내 Mg²⁺이온은 중간 심도의 지하수까지는 다소 증가하다가 심부지하수에서는 급격히 감소하는 경향성 나타낸다[32, 33]. 4차례의 분석 자료의 평균값을 이용하여 Mg²⁺이온과 다른 화학성분간의 상관성을 살펴보면, HCO₃^-,Ca²⁺와의 상관계수가 각각 0.78, 0.70의 상관도를 나타내고, K⁺(0.68), SO4₄^2-(0.68), Cl^-(0.50)과도 양의 상관성을 지시한다. 한편, KB-5, KB-16-2을 제외한 모든 지하수공에서 백운석, 활석(talc)에 대해서 불포화상태를 지시한다(Table 2).
인위적으로는 농업용 카리비료(KCl 또는 K₂SO₄)와 생활하수로부터 기인될 수 있다[31]. 4차례의 지하수 분석 자료의 평균값을 이용하여 K⁺이온과 다른 화학성분간의 상관성을 살펴보면, Mg²⁺(0.68), HCO₃^-(0.59), SO4₄^2-(0.56), Ca²⁺(0.53), Cl^-(0.46)와 양의 상관도를 나타낸다. 따라서, K⁺이온은 토양의 유기물의 분해 및 K-사장적 용해 등의 자연적인 기원과 카리비료, 생활하수 등의 인위적인 영향을 함께 받고 있음을 의미한다.
03)을 나타내고 있으며, 비정질의 SiO₂도 불포화 상태를 지시한다. 따라서, 본 연구지역에서의 SiO₂는 콘크리트 등의 인위적인 요인보다는 주로 규산염광물의 용해로부터 기인됨을 의미한다.
그러나, 요인 2(NO₃^-, Na⁺, Cl^-)는 인위적인 오염과 자연적인 해무의 영향을 반영하는 인자이다. 따라서, 연구지역의 수질 성분들은 대부분 물-암석 반응을 통한 자연적인 기원을 반영하며 부분적으로 자연적인 염무와 농업활동, 축산폐수 등의 인위적 오염의 영향을 반영하는 것으로 판단된다.
33) 이온과는 양의 상관성을 가진다. 또한 SO4₄^2-이온이 황산염광물의 용해에 의해서 생성되는지는 알기 위하여 석고와 경석고 포화도를 구한 결과, 모든 시료에서 불포화 상태로 나타났다 (Table 2). 따라서, SO4₄^2-이온은 황산염광물, 황화광물의 용해와 유기물의 분해 등으로 주로 기인되며, 부분적으로 화학비료 등의 인위적인 영향을 받고 있음을 의미한다.
26)과는 상관성이 매우 낮다. 또한 방해석, 백운석(dolomite), 회장석, 경석고(anhydrite), 석고(gypsum)과의 포화도를 구한 결과, 일부 KB2, KB-5를 제외한 모든 시추공에서 불포화 상태로 나타났다(Table 2). 위의 증거들로 볼 때, Ca²⁺이온은 주로 탄산염광물과 규산염광물의 물-암석 반응으로부터 유래되며, 해무와 인위적인 오염원으로부터 기인은 없음을 지시한다.
59)와는 양의 상관성을 보인다. 또한 방해석, 백운석(dolomite), 회장석과의 포화도를 구한 결과, 일부 KB-2, KB-5를 제외한 모든 시추공에서 불포화 상태로 나타났다(Table 2). 이는 연구지역에서 HCO₃^-이온은 탄산염광물, 대기 및 토양 CO₂ 가스 또는 유기물 기원의 CO₂ 가스에 의해서 형성되는 것을 의미한다.
연구지역의 지하수 수질은 계절적인 변동이 없기 때문에 4회에 결쳐 분석된 화학 성분값의 평균값을 사용하였다[16]. 요인분석 결과(Table 3), 요인에 의한 전체 설명율은 91.14%이며, 요인 1의 설명율은 42.5%, 요인 2는 20.9%, 요인 3는 14.2%, 요인 4는 8.1%, 요인 5는 5.4%이다. 5개의 요인에 의해서 변수(화학성분)들의 분산도를 설명할 수 있는 공통분산인자(communality)는 모든 성분들에 대해서 0.
지하수 성분들의 이온 평형도를 구한 결과 모든 시료에 대해서 ±5% 내외의 값을 나타내어 분석치의 신뢰도를 확인할 수 있다.
한편 오염원에서 유래하는 Ca²⁺이온은 생활하수나 제설제로 뿌려지는 CaCl₂에서 유래한다[29]. 총 4차례의 지하수 분석 자료의 평균값을 이용하여 Ca²⁺이온과 다른 화학성 분간의 상관성을 살펴보면, HCO₃^-(0.71), Mg²⁺(0.70), SO4₄^2-(0.69)이온과 상관성이 높게 나타나는 반면에 Cl^-(0.13)과 NO₃^-(-0.26)과는 상관성이 매우 낮다. 또한 방해석, 백운석(dolomite), 회장석, 경석고(anhydrite), 석고(gypsum)과의 포화도를 구한 결과, 일부 KB2, KB-5를 제외한 모든 시추공에서 불포화 상태로 나타났다(Table 2).
인위적인 요인으로는 겨울철에 도로에 뿌리는 제설제에 의해서 Na⁺이온 농도가 증가할 수 있다[29]. 총 4차례의 평균값을 이용하여 Na⁺이온과 다른 화학성분간의 상관성을 살펴보면, Cl^-와의 상관계수가 0.89이고 NO₃^-과도 0.71의 상관도를 나타난다. 또한 KB-2, KB-3, KB-15를 제외한 모든 시추공에서 조장석에 대해서 불포화 상태에 있다(Table 2).
본 연구는 결정질 기반암에 위치하는 12개 시추공의 지하수 수질을 분석하여, 다변량 통계 분석법을 활용하여 지하수 수질 진화 특성 및 성분 기원을 평가하고자 하였다. 총 4회에 걸친 지하수 분석 결과, 지하수 수질의 뚜렷한 계절적인 변화를 보이지 않는 안정된 심부 지하수 시스템을 형성하는 것으로 판단된다. 지하수 수질 유형은 Na(Ca)-HCO₃형과 Ca-HCO₃형이 가장 우세하여, 물-암석 반응에 의한 직접적인 양이온 교환 반응을 지시한다.

후속연구

본 연구를 통하여 도출된 지하수 수질의 진화 및 기원 분석 결과는 결정질 암반의 심부 수리지구화학적 환경 특성의 규명과 향후 상세 3D 부지 특성화 모델 설계 및 구축시 기초적인 해석 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 그러나, 기반암 고유의 수질 성분들의 기원과 진화특성을 보다 정량적으로 규명하기 위해서는 지질 심도별 수질 분석과 함께 다양한 변수들(토지피복도, 수문자료, 단열대 특성, 지하수 방향 등)을 고려한 종합적인 자료 해석이 요구된다.
본 연구를 통하여 도출된 지하수 수질의 진화 및 기원 분석 결과는 결정질 암반의 심부 수리지구화학적 환경 특성의 규명과 향후 상세 3D 부지 특성화 모델 설계 및 구축시 기초적인 해석 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 그러나, 기반암 고유의 수질 성분들의 기원과 진화특성을 보다 정량적으로 규명하기 위해서는 지질 심도별 수질 분석과 함께 다양한 변수들(토지피복도, 수문자료, 단열대 특성, 지하수 방향 등)을 고려한 종합적인 자료 해석이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지하수 화학이 제공하는 정보는 어떤 특성을 규명하는가?	그 중에서 지하수 화학은 지하수 침투, 방사성 핵종의 용해도, 이동 및 생태계로의 유출 등의 특성에 일차적으로 영향을 미친다. 또한 현재 부지의 수리지구 화학적 조건 뿐만 아니라, 향후 안전성을 예측하기 위한 시간 종속적 경계조건을 설정하기 위해 요구되는 심부 지하수 시스템의 과거 진화 특성을 규명하는데 기초 정보들을 제공한다[5].
	원자력 발전 후 발생되는 방사성폐기물의 안전한 관리 방안 모색이 대두되는 이유는 무엇인가?	전 세계적으로 화석연료의 고갈과 이들의 과도한 사용으로 인해 야기된 대기 오염 및 지구 온난화 등 부작용 때문에 대체에너지로 원자력 에너지 사용의 확대가 증가됨에 따라, 원자력 발전 후 발생되는 방사성폐기물의 안전한 관리 방안 모색이 점차 대두되고 있다[1]. 방사성폐기물의 지층 처분목표는 방사성폐기물을 생태계로부터 그 위해성이 정의되는 기간까지 격납 및 격리할 수 있는 시설 또는 위치에서 폐기하는 것이다[2].
	요인분석이란 무엇인가?	연구지역의 공간적인 지하수 수질 진화 특성을 규명하기 위해서 다변량 분석 중에서 요인분석(factor analysis)을 수행하였다. 요인분석은 대규모 자료집단을 단순화하고 체계화하여 일반화시킴으로서 자료의 의미를 고찰하는 기법으로서, 상관성이 큰 최초 변수들로 집단화할 수 있다[14]. 요인 추출 모델은 보통 PCA(Principal Component analysis) 기법으로 도출되며 1 이상의 고유값(eigenvalue)을 선택하고, 각 요인들에 대한 요인적재의 분산을 최대화하도록 베리맥스(Varimax) 직각회전 방식을 이용하여 요인들에 대해 직교변환 절차를 수행한다[15].

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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].

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