수리지화학적 특성 분석을 이용한 농촌 마을 천부 음용지하수의 수질 저하 원인 분석 Evaluation of Groundwater Quality Deterioration using the Hydrogeochemical Characteristics of Shallow Portable Groundwater in an Agricultural Area원문보기
음용수 및 생활용수로 이용되고 있는 농촌 지역 천부대수층 음용지하수를 대상으로 계절적·공간적 수리지화학적 특성과 수질 저하 원인을 분석하였다. 지하수 관정이 설치된 대수층은 지표로부터 전답토, 풍화토, 풍화암, 기반암으로 구성되어 있으며 음용지하수의 대부분은 풍화토와 풍화암에 형성된 지하수가 이용되는 것으로 조사되었다. 음용지하수의 지화학적 유형은 대부분 오염물로 분류되고 있는 NO3−와 Cl− 이온의 영향을 받는 것으로 보이며 또한 상류로부터 유출된 오염물들이 하류 방향으로 이동하면서 불규칙적으로 분포하는 오염원에 의해 농도 증가가 일어나고 있는 것으로 나타났다. 음용지하수내 주 양이온 성분은 계절에 따라 큰 변화를 보이지 않으며 NO3−와 Cl− 성분은 배경 지하수에 비해 고농도 분포를 보여 외부로부터의 오염원 유입을 나타내주고 있다. 전기전도도 변화에 따른 주요 오염물 농도는 양의 상관관계를 보여 지하수 수질에 주요 오염물들의 영향이 크게 작용하고 있는 것을 보여준다. 오염물질 상관성 분석과 Ternary plot 분석 결과, 유기질 비료 내 오염물 성분은 음용지하수의 NO3−, Cl−, SO42−와 양의 상관관계를 보여주어 유기질 비료가 음용지하수내 주 오염원임을 보여준다. 또한 유기질 비료의 NO3−와 Cl−과 함께 가축분뇨 등 다른 오염원에 의해 추가적으로 발생된 SO42−가 수질을 저하시키는 주요 요인으로 분석되었다. 음용지하수 및 오염원내 포함되어 있는 오염물질 성분은 농도 분포에 있어 차이가 크지만 각각의 음용지하수를 구성하는 성분 비율 특성 그리고 오염물질 상호간의 상관성 분석을 이용하게 되면 음용지하수 수질 저하 요인 분석에 매우 유용한 정보를 제공해줄 수 있을 것으로 판단된다.
음용수 및 생활용수로 이용되고 있는 농촌 지역 천부대수층 음용지하수를 대상으로 계절적·공간적 수리지화학적 특성과 수질 저하 원인을 분석하였다. 지하수 관정이 설치된 대수층은 지표로부터 전답토, 풍화토, 풍화암, 기반암으로 구성되어 있으며 음용지하수의 대부분은 풍화토와 풍화암에 형성된 지하수가 이용되는 것으로 조사되었다. 음용지하수의 지화학적 유형은 대부분 오염물로 분류되고 있는 NO3−와 Cl− 이온의 영향을 받는 것으로 보이며 또한 상류로부터 유출된 오염물들이 하류 방향으로 이동하면서 불규칙적으로 분포하는 오염원에 의해 농도 증가가 일어나고 있는 것으로 나타났다. 음용지하수내 주 양이온 성분은 계절에 따라 큰 변화를 보이지 않으며 NO3−와 Cl− 성분은 배경 지하수에 비해 고농도 분포를 보여 외부로부터의 오염원 유입을 나타내주고 있다. 전기전도도 변화에 따른 주요 오염물 농도는 양의 상관관계를 보여 지하수 수질에 주요 오염물들의 영향이 크게 작용하고 있는 것을 보여준다. 오염물질 상관성 분석과 Ternary plot 분석 결과, 유기질 비료 내 오염물 성분은 음용지하수의 NO3−, Cl−, SO42−와 양의 상관관계를 보여주어 유기질 비료가 음용지하수내 주 오염원임을 보여준다. 또한 유기질 비료의 NO3−와 Cl−과 함께 가축분뇨 등 다른 오염원에 의해 추가적으로 발생된 SO42−가 수질을 저하시키는 주요 요인으로 분석되었다. 음용지하수 및 오염원내 포함되어 있는 오염물질 성분은 농도 분포에 있어 차이가 크지만 각각의 음용지하수를 구성하는 성분 비율 특성 그리고 오염물질 상호간의 상관성 분석을 이용하게 되면 음용지하수 수질 저하 요인 분석에 매우 유용한 정보를 제공해줄 수 있을 것으로 판단된다.
Spatial and seasonal variations in hydrogeochemical characteristics and the factors affecting the deterioration in quality of shallow portable groundwater in an agricultural area are examined. The aquifer consists of (from the surface to depth) agricultural soil, weathered soil, weathered rock, and ...
Spatial and seasonal variations in hydrogeochemical characteristics and the factors affecting the deterioration in quality of shallow portable groundwater in an agricultural area are examined. The aquifer consists of (from the surface to depth) agricultural soil, weathered soil, weathered rock, and bedrock. The geochemical signatures of the shallow groundwater are mostly affected by the NO3− and Cl− contaminants that show a gradual downward increase in concentration from the upper area, due to the irregular distribution of contamination sources. The concentrations of the major cations do not varied with the elapsed time and the NO3− and Cl− ions, when compared with concentrations in background groundwater, increase gradually with the distance from the upper area. This result suggests that the water quality in shallow groundwater deteriorates due to contaminant sources at the surface. The contaminations of the major contaminants in groundwater show a positive linear relationship with electrical conductivity, indicating the deterioration in water quality is related to the effects of the contaminants. The relationships between contaminant concentrations, as inferred from the ternary plots, show the contaminant concentrations in organic fertilizer are positively related to concentrations of NO3−, Cl−, and SO42− ions in the shallow portable groundwaters, which means the fertilizer is the main contaminant source. The results also show that the deterioration in shallow groundwater quality is caused mainly by NO3− and Cl− derived from organic fertilizer with additional SO42− contaminant from livestock wastes. Even though the concentrations of the contaminants within the shallow groundwaters and the contaminant sources are largely variable, it is useful to consider the ratio of contaminant concentrations and the relationship between contaminants in groundwater samples and in the contaminant source when analyzing deterioration in water quality.
Spatial and seasonal variations in hydrogeochemical characteristics and the factors affecting the deterioration in quality of shallow portable groundwater in an agricultural area are examined. The aquifer consists of (from the surface to depth) agricultural soil, weathered soil, weathered rock, and bedrock. The geochemical signatures of the shallow groundwater are mostly affected by the NO3− and Cl− contaminants that show a gradual downward increase in concentration from the upper area, due to the irregular distribution of contamination sources. The concentrations of the major cations do not varied with the elapsed time and the NO3− and Cl− ions, when compared with concentrations in background groundwater, increase gradually with the distance from the upper area. This result suggests that the water quality in shallow groundwater deteriorates due to contaminant sources at the surface. The contaminations of the major contaminants in groundwater show a positive linear relationship with electrical conductivity, indicating the deterioration in water quality is related to the effects of the contaminants. The relationships between contaminant concentrations, as inferred from the ternary plots, show the contaminant concentrations in organic fertilizer are positively related to concentrations of NO3−, Cl−, and SO42− ions in the shallow portable groundwaters, which means the fertilizer is the main contaminant source. The results also show that the deterioration in shallow groundwater quality is caused mainly by NO3− and Cl− derived from organic fertilizer with additional SO42− contaminant from livestock wastes. Even though the concentrations of the contaminants within the shallow groundwaters and the contaminant sources are largely variable, it is useful to consider the ratio of contaminant concentrations and the relationship between contaminants in groundwater samples and in the contaminant source when analyzing deterioration in water quality.
본 연구에서는 음용수 및 생활용수로 이용되고 있는 천부대수층 음용지하수의 계절적·공간적 수질 특성과 수질 저하 원인 분석을 목적으로 하고 있다. 또한 지화학적 특성 분석을 통해 음용지하수로 사용되고 있는 천부대수층에 대한 주 오염원 분석을 수행하였다.
가설 설정
음이온의 주성분인 HCO3−+CO32−를 기본으로 하여 NO3−와 Cl− 그리고 SO42− 이온 농도를 밀리 당량(milliequivalent)으로 변환 후, 이들 4가지 성분을 각각 백분율(%)로 계산하여 분석에 이용하였다. 오염원 각각의 상관성 및 오염 기여를 분석하기 위해 HCO3−+CO32−와 함께 오염원 중 두 가지 성분의 밀리당량 합이 100%로 가정하였으며 NO3−와 Cl− 그리고 SO42−에 대한 오염원 분석을 수행하였다.
제안 방법
30개의 천부대수층 음용지하수와 1개의 배경 지하수(spring water: SP1)에 대한 수질분석을 6월과 8월 2회에 걸쳐 진행하였으며 시료 채취 시 온도, pH, DO, EC, ORP에 대한 현장측정을 실시하였다. 또한 8월 분석에는 3개의 생활하수 시료와 1개의 강우 시료를 분석하였다.
가축 사육과 관련된 오염원(source)이 존재하지 않는 연구지역에서 고농도의 NO3-N, Cl−, 그리고 SO42− 오염원을 분석하기 위해 Ternary plot을 이용하여 오염원 분석을 시도하였다. 음이온의 주성분인 HCO3−+CO32−를 기본으로 하여 NO3−와 Cl− 그리고 SO42− 이온 농도를 밀리 당량(milliequivalent)으로 변환 후, 이들 4가지 성분을 각각 백분율(%)로 계산하여 분석에 이용하였다.
각 음용지하수 관정은 설치된 펌프를 이용하여 온도와 ORP 값이 안정화될 때까지 충분히 양수 후 채수하였다. 각 관정의 지하수는 대기와의 접촉을 최소화 할 수 있는 조건으로 온도(temperature), 수소이온농도(pH), 용존산소(dissolved oxygen), 전기전도도(electrical conductivity), 산화환원전위(oxidation and reduction potential)를 Thermo orion star A329 측정 장비를 이용하여 현장에서 측정하였다. 또한 0.
본 연구에서는 음용수 및 생활용수로 이용되고 있는 천부대수층 음용지하수의 계절적·공간적 수질 특성과 수질 저하 원인 분석을 목적으로 하고 있다. 또한 지화학적 특성 분석을 통해 음용지하수로 사용되고 있는 천부대수층에 대한 주 오염원 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 연구지역 지하수 거동에 있어서 천부대수층 음용지하수를 대상으로 하기 때문에 지표 지형에 따라 다른 수리지질학적 특성을 보일 것으로 예상되는 A 지역과 B 지역으로 나누어 분석에 이용하였다.
연구 지역 음용지하수의 수질에 영향을 미치는 요인을 확인하기 위해 지하수내 용존되어 있는 오염물 농도와 전기전도도(electrical conductivity)의 관련성 분석을 수행하였다.
음용수 및 생활용수로 이용되고 있는 천부대수층 음용지하수의 수질 저하 원인을 분석하기 위해 음용지하수의 계절적·공간적 수질 특성과 오염원 분석을 수행하였다. 지하수의 수질 변화 특성을 파악하고 오염원을 확인하기 위해 30개의 음용지하수에 대한 지화학적 분석을 수행하였으며 이를 통해 지하수내 주 오염원 및 각 오염물질의 기여 정도를 분석하였다.
주요 양이온인 Ca, Mg, Na, K, Si, Mn, Fe에 대한 분석을 ICP-OES (Perkin Elmer optima 8300)를 이용하여 분석하였으며 주요 음이온인 F, Cl, NO2, Br, NO3, SO4, PO4를 IC (Dionex ICS-5000+ DP)를 이용하여 분석하였다.
음용수 및 생활용수로 이용되고 있는 천부대수층 음용지하수의 수질 저하 원인을 분석하기 위해 음용지하수의 계절적·공간적 수질 특성과 오염원 분석을 수행하였다. 지하수의 수질 변화 특성을 파악하고 오염원을 확인하기 위해 30개의 음용지하수에 대한 지화학적 분석을 수행하였으며 이를 통해 지하수내 주 오염원 및 각 오염물질의 기여 정도를 분석하였다.
대상 데이터
연구지역은 총 39가구에 약 55여명의 주민이 거주하고 있으며 모든 음용수 및 생활용수를 천부대수층에 설치된 지하수 관정(30개)을 이용하고 있다. 천부 지하수 관정들은 각 가정집과 근거리에 위치하고 있으며 주변 오염원에 대한 고려는 전혀 이루어지고 있지 않은 것으로 조사되었다.
음용수 및 생활용수로 사용되고 있는 천부대수층 지하수의 수질 변화 특성을 파악하고 오염원을 확인하기 위해 2015년 6월과 8월(2회)에 걸쳐 연구지역에 위치한 30개의 음용지하수에 대한 지화학적 분석을 수행하였다.
천부 대수층 음용지하수의 수질 특성을 분석하기 위해 충남 부여군의 한 지역을 연구지역으로 정하였으며 수리지질학적 영역을 고려하여 연구 영역을 설정하였다(Fig. 1).
데이터처리
연구 지역 음용지하수내 주 오염물질로 분류되고 있는 NO3-N, Cl−, SO42−에 대해서 6월과 8월 분석된 농도 분포를 버블다이어그램(bubble diagram)을 통해 나타내었다.
이론/모형
연구 지역 음용지하수의 지화학적 성분을 파이퍼도(Piper, 1994)에 도시하여 유형을 확인하였다(Fig. 5).
유기질 비료 및 가축 분뇨의 성분을 알아보기 위해 포화침출 방법을 이용하여 분석을 수행하였다. 수분 함량을 알고 있는 풍건 시료를 시료 컵에 담고 시료 컵을 포함한 전체 무게를 측정 후 증류수를 첨가하여 약숟가 락(spatula)을 이용하여 혼합하였다.
성능/효과
전기전도도 증가에 따른 NO3-N, Cl−, 그리고 SO42− 농도 변화 분석에서는 각 오염물질의 농도가 전기전도도 변화와 양의 상관관계를 보이는 것으로 나타났으며 계절 변화에 따른 상관관계 및 농도 변화는 큰 변화를 보이지 않는 다. B 지역에서의 SO42− 농도는 A 지역과 전혀 다른 특성을 보였으며 이는 두 지역의 오염원 및 오염 농도 기여에 있어서 차이가 있음을 나타내주고 있다.
포화추출법을 통해 분석된 유기질 비료(organic fertilizer)의 오염물 성분은 음용지하수내 NO3-N, Cl−, SO42− 농도 분포와 양의 상관관계를 보이지만 가축 분뇨(livestock waste)의 경우, NO3-N의 증가와 관련하여 관련성이 없는 것으로 분석되었다. Cl− 농도 변화에 따른 NO3-N 농도는 A 지역과 B 지역에서 큰 차이 없이 나타났지만 SO42− 농도 분포와는 뚜렷한 구분이 되어 A 지역 내 위치한 음용지하수로의 추가적인 SO42− 유입을 나타내주고 있다. 또한 SO42−와 NO3-N 농도 분포 역시 유기질 비료와 관련된 SO42−의 오염과 더불어 추가적인 SO42− 유입을 암시하고 있다.
그러나 NO3-N, Cl−, 그리고 SO42−의 주 오염원에 대한 명확한 분석을 위해 수행된 본 연구의 Ternary plot 분석에서는 보다 쉽고 비용 경제적으로 NO3-N과 Cl− 오염물이 유기질 비료로부터 유래된 주오염원임을 나타내 주고 있으며 또한 SO42− 역시 A 지역과 B 지역에서 유기질 비료에 의해 발생된 오염원으로 분석되었다. Cl− 증가에 따른 SO42− 농도 비율 분석에서는 A 지역의 SO42− 농도 비율 증가 원인이 유기질 비료뿐만 아니라 가축 분뇨와 같은 오염물에 의해 추가적으로 유입되어 나타나는 현상으로 분석되었다.
NO3-N과 같은 지하수내 용존 오염물의 오염원(source)를 확인하기 위한 일반적인 방법으로는 각각의 오염물 동위원소 분석을 통해 분류하는 방법을 이용하지만 분석 절차와 비용 경제적 측면에서 다소 어려움이 있을 수 있다. 그러나 NO3-N, Cl−, 그리고 SO42−의 주 오염원에 대한 명확한 분석을 위해 수행된 본 연구의 Ternary plot 분석에서는 보다 쉽고 비용 경제적으로 NO3-N과 Cl− 오염물이 유기질 비료로부터 유래된 주오염원임을 나타내 주고 있으며 또한 SO42− 역시 A 지역과 B 지역에서 유기질 비료에 의해 발생된 오염원으로 분석되었다. Cl− 증가에 따른 SO42− 농도 비율 분석에서는 A 지역의 SO42− 농도 비율 증가 원인이 유기질 비료뿐만 아니라 가축 분뇨와 같은 오염물에 의해 추가적으로 유입되어 나타나는 현상으로 분석되었다.
Cl− 농도 변화에 따른 NO3-N 농도는 A 지역과 B 지역에서 큰 차이 없이 나타났지만 SO42− 농도 분포와는 뚜렷한 구분이 되어 A 지역 내 위치한 음용지하수로의 추가적인 SO42− 유입을 나타내주고 있다. 또한 SO42−와 NO3-N 농도 분포 역시 유기질 비료와 관련된 SO42−의 오염과 더불어 추가적인 SO42− 유입을 암시하고 있다.
연구지역 천부대수층은 지표로부터 전답토, 풍화토, 풍화암, 그리고 기반암으로 구성되어 있으며 풍화토까지의 깊이는 대부분 10~20 m 내외인 것으로 조사되어 주로 풍화토와 풍화암에 형성된 지하수가 이용되는 것으로 조사되었다. 천부대수층 음용지하수의 주 양이온 성분은 계절에 따라 큰 차이를 보이지 않지만 오염물로 분류되는 NO3−와 Cl− 농도는 배경지하수(SP1)과 비교하였을 때 고농도로 나타나고 있어 외부로부터의 오염이 불규칙적으로 유입되고 있는 것으로 나타났다.
음용지하수의 지화학적 유형은 대부분 오염물로 분류되고 있는 NO3와 Cl 이온의 영향을 크게 받는 것으로 보이며 또한 대부분의 음용지하수의 지화학적 유형은 상류에서 하류로 갈수록 NO3와 Cl의 영향이 증대되는 것이 아니라 각각의 위치에 따라 영향이 불규칙적으로 나타나는 것으로 분석되었다. 이는 상류로부터 유출된 오염물들이 하류 방향으로 조금씩 증대되는 것이 아니라 불규칙적으로 분포하고 있는 점오염 형태의 오염원(source)들에 의한 영향이 음용지하수 수질에 영향을 주기 때문인 것으로 보인다.
파이퍼도를 이용한 음용지하수의 지화학적 유형은 대부분 Ca-Cl(NO3) 유형을 보였으며 특히 계절적·공간적 분포를 통해 볼 때, 음용지하수내 오염원으로 분류되는 NO3−와 Cl−가 비점오염원뿐만 아니라 점오염원 형태의 오염원에 영향을 많이 받고 있는 것으로 나타났다. 전기전도도 증가에 따른 NO3-N, Cl−, 그리고 SO42− 농도 변화 분석에서는 각 오염물질의 농도가 전기전도도 변화와 양의 상관관계를 보이는 것으로 나타났으며 계절 변화에 따른 상관관계 및 농도 변화는 큰 변화를 보이지 않는 다. B 지역에서의 SO42− 농도는 A 지역과 전혀 다른 특성을 보였으며 이는 두 지역의 오염원 및 오염 농도 기여에 있어서 차이가 있음을 나타내주고 있다.
전기전도도와 NO3-N, Cl−, SO42− 농도에 대한 상관관계 분석결과, A 지역과 B 지역의 음용지하수는 각각 수리지질학적 특성 변화에 따라 시기별로 다른 오염물 거동 특성을 보였으며 오염물 농도 증가가 전기전도도 증가와 매우 밀접한 관련이 있는 것으로 분석되었다. 또한 A 지역과 B 지역은 수리지질학적 특성 변화에 따라 수질(오염물 농도) 변화에 있어서 큰 차이를 보이는 것으로 분석되었다.
연구지역 천부대수층은 지표로부터 전답토, 풍화토, 풍화암, 그리고 기반암으로 구성되어 있으며 풍화토까지의 깊이는 대부분 10~20 m 내외인 것으로 조사되어 주로 풍화토와 풍화암에 형성된 지하수가 이용되는 것으로 조사되었다. 천부대수층 음용지하수의 주 양이온 성분은 계절에 따라 큰 차이를 보이지 않지만 오염물로 분류되는 NO3−와 Cl− 농도는 배경지하수(SP1)과 비교하였을 때 고농도로 나타나고 있어 외부로부터의 오염이 불규칙적으로 유입되고 있는 것으로 나타났다. 파이퍼도를 이용한 음용지하수의 지화학적 유형은 대부분 Ca-Cl(NO3) 유형을 보였으며 특히 계절적·공간적 분포를 통해 볼 때, 음용지하수내 오염원으로 분류되는 NO3−와 Cl−가 비점오염원뿐만 아니라 점오염원 형태의 오염원에 영향을 많이 받고 있는 것으로 나타났다.
천부대수층 음용지하수의 주 양이온 성분은 계절에 따라 큰 차이를 보이지 않지만 오염물로 분류되는 NO3−와 Cl− 농도는 배경지하수(SP1)과 비교하였을 때 고농도로 나타나고 있어 외부로부터의 오염이 불규칙적으로 유입되고 있는 것으로 나타났다. 파이퍼도를 이용한 음용지하수의 지화학적 유형은 대부분 Ca-Cl(NO3) 유형을 보였으며 특히 계절적·공간적 분포를 통해 볼 때, 음용지하수내 오염원으로 분류되는 NO3−와 Cl−가 비점오염원뿐만 아니라 점오염원 형태의 오염원에 영향을 많이 받고 있는 것으로 나타났다. 전기전도도 증가에 따른 NO3-N, Cl−, 그리고 SO42− 농도 변화 분석에서는 각 오염물질의 농도가 전기전도도 변화와 양의 상관관계를 보이는 것으로 나타났으며 계절 변화에 따른 상관관계 및 농도 변화는 큰 변화를 보이지 않는 다.
포화추출법을 통해 분석된 유기질 비료(organic fertilizer)의 오염물 성분은 음용지하수내 NO3-N, Cl−, SO42− 농도 분포와 양의 상관관계를 보이지만 가축 분뇨(livestock waste)의 경우, NO3-N의 증가와 관련하여 관련성이 없는 것으로 분석되었다. Cl− 농도 변화에 따른 NO3-N 농도는 A 지역과 B 지역에서 큰 차이 없이 나타났지만 SO42− 농도 분포와는 뚜렷한 구분이 되어 A 지역 내 위치한 음용지하수로의 추가적인 SO42− 유입을 나타내주고 있다.
현장 수질 측정 결과, 6월과 8월 음용지하수의 pH는 각각 5.1~6.8과 5.2~6.6의 값으로 큰 변화를 보이지 않았으며 평균 또한 6.1과 5.8로서 약산성의 특성을 보인다. 용존산소량의 경우, 6월과 8월 각각 2.
후속연구
각각의 음용지하수 및 유기질 비료 그리고 가축 분뇨는 구성 성분에 있어서 농도의 차이가 크지만 오염원으로 인식되고 있는 음이온 성분(NO3−, Cl−, SO42−)을 각 음용지하수를 구성하는 성분 비율로 분석하게 된다면 각 성분의 오염원 기여 분석에 매우 유용한 정보를 제공해 줄 수 있을 것으로 판단된다.
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