[논문]주성분 분석을 이용한 해안지역 결정질 기반암 지하수의 수리지구화학적 평가

이정환; 윤정현; 정재열; 정해룡; 김수진

doi:10.7857/jsge.2017.22.3.010

주성분 분석을 이용한 해안지역 결정질 기반암 지하수의 수리지구화학적 평가
Hydrogeochemical Evaluation of Crystalline bedrock Grondwater in a Coastal Area using Principal Component Analysis 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.22 no.3, 2017년, pp.10 - 17

이정환 (한국원자력환경공단) , 윤정현 (한국원자력환경공단) , 정재열 (한국원자력환경공단) , 정해룡 (한국원자력환경공단) , 김수진 (한국원자력환경공단)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the evolution and origin of major dissolved constituents of crystalline bedrock groundwater in a coastal area were evaluated using multivariate statistical and groundwater quality analyses. The groundwater types mostly belonged to the $Na(Ca)-HCO_3$ and $Ca-HCO_3$ types, indicating the effect of cation exchange. Stable isotopes of water showed two areas divided by first and secondary evaporative effects, indicating a pattern of rapid hydrological cycling. Saturation indices of minerals showed undersaturation states. Thus, the degree of evolution of groundwater is suggested as in the low to intermediate stage, based on field and laboratory analytical conditions. According to the principal component analysis (PCA) results, the chemical components of EC, $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$, $K^+$, $HCO_3{^-}$, $SO{_4}^{2-}$ (PCA 1), $F^-$ (PCA 3), $SiO_2$ (PCA 4), and $Fe^{2+}$ (PCA 5) are derived from various water-rock interactions. However, $NO_3{^-}$, $Na^+$, and $Cl^-$ (PCA 2) represented the chemical characteristics of both anthropogenic sources and natural sea spray.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

, 2016), 지하수의 주성분 이온들과 안정동위원소 결과를 활용한 심부 지하수 환경의 특성을 규명한 연구는 상대적으로 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구는 해안지역 결정질 기반의 지하수 화학성분과 안정동위원소 분석을 통해 방사성폐기물 처분부지 주변의 지하수 진화환경 및 지하수 성분들의 기원을 규명하고자 한다.
본 연구는 해안지역 결정질 기반암의 수리지구화학적 분석을 통해 지하수의 물-암석 진화 특성과 지하수 수질의 기원을 평가하였다. 총 4회에 걸쳐 채수된 지하수 분석 결과, 지하수 수질 유형은 Na-HCO₃ 형과 Ca-HCO₃형이 우세하여 Ca²⁺이온이 Na⁺이온 으로의 양이온 교환 반응이 우세하게 발생되고 있음을 지시한다.

제안 방법

Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, SiO₂ 는 유도결합 쌍 플라즈마 원자방출분광분석기(Shimadzu 모델 ICPS-1000 III, ICP-AES), K⁺, Fe²⁺는 원자흡광분광분석기(Unicam model 989 Flame AAS and Flameless AAS)으로 분석하였으며 분석수행은 한국기초과학지원연구원이다. SO₄²⁻, Cl⁻, NO₃⁻, F⁻ 는 이온크로마토그래피(IC, Dionex 320i)로 분석하였으며 분석 수행은 대전대학교이다.
1‰ 이내이다. 또한 수소안정동위원소 분석은 PyrOH (EuroVector사, continuous flow 전처리장치)를 이용하여 물 시료를 Cr(EuroVector사, Max Chrome)과 반응시켜 수소를 발생시켜 한국원자력연구원의 질량분석기(Isoprime, GV instruments, UK)로 분석하였다. 분석오차는 ± 0.
무기 화학성분들의 기원을 정량적으로 평가하기 위해서 주성분 분석을 실시하였다..
실외분석에는 온도, pH, 산화-환원전위(Eh), 전기전도도(EC), 용존산소(DO), 알칼리도 등을 측정하였다. 온도, pH, Eh, EC, DO는 Orion사의 Multi-parameter(Model No.
연구지역 지하수의 수문학적 순환 특성을 규명하기 위해서 산소/수소 안정동위원소 분석을 실시하였다. 산소 안정동위원소는 -9.
연구지역에 분포되는 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)에 대해서, 2006년 동안 4차례(5월, 8월, 10월, 12월) 걸쳐서 지하수를 채취하고 실내·외 분석을 실시하였다.

대상 데이터

SO42−, Cl −, NO3−, F− 는 이온크로마토그래피(IC, Dionex 320i)로 분석하였으며 분석 수행은 대전대학교이다.
연구지역은 해발고도가 300 m 이하로서 지형경사는 약 30% 내로 서측으로는 산지 및 구릉지, 동측으로는 동해안과 인접하고 있다. 지질 분포는 백악기의 퇴적암, 제3기 화성암(섬록암, 화강섬록암, 흑운모화강암, 유문암, 반상질 조면암질 안산암), 제4기 충적층 등이 나타난다(Fig 1; Hwang et al.
연구지역의 수리지질 특성을 규명하고자 총 10개 시추공(KB-1~KB-3, KB-7, KB-9~KB11, KB-13~KB-15) 수행된 수압시험 결과를 활용하였다(Lee et al., 2014). KB-3, KB-13들은 시추공전체 심도에 수리전도도의 중앙 값이 1.

데이터처리

. 연구지역의 지하수 수질은 외부환경과 동적 평형상태를 지시하기 때문에 4회에 걸쳐서 분석된 화학 성분값의 평균값을 활용하여 분석하였다. 주성분 분석 결과(Table 3), 전체 설명율은 81.

이론/모형

산소동위원소 조성은 H₂O-CO₂평형법을 활용하여 한국기초과학지원연구원의 안정동위원소 질량분석기(Stable Isotope Ratio Mass Spectrometer)(영국 GV Instruments사, 모델 Isoprime)와 한국원자력연구원의 안정동위원소 질량분석기(VG SIRA II)를 이용하여 분석하였다. 실험실 표준시료를 반복 분석한 자료의 분석 재현성은 ± 0.
083010)의 검침기를 활용하였다. 알칼리도는 산화중화적정법으로 분석하였다.
연구지역의 지하수 진화환경 및 지하수 수질 성분의 기원을 규명하기 위해서 주성분 분석(Principal component analysis) 방법을 적용하였다. 주성분 분석기법은 분석 대상 변수 간의 관련성을 파악하여 변수들에 내포된 의미를 규명하는 방법이다(Mumford et al.
실외분석에는 온도, pH, 산화-환원전위(Eh), 전기전도도(EC), 용존산소(DO), 알칼리도 등을 측정하였다. 온도, pH, Eh, EC, DO는 Orion사의 Multi-parameter(Model No. 1230)을 이용하여 pH전극(모델No. 9107WP), Eh전극(모델 No. 9678BN), 전기전도도 전극(모델 No. 013010), 용존산소 전극(모델 No. 083010)의 검침기를 활용하였다. 알칼리도는 산화중화적정법으로 분석하였다.

성능/효과

또한 양이온 이온교환 반응 정도 및 특성을 규명하기 위해 Expanded Durov diagram로 도시한 결과(Fig. 3), 양이온은 Na+ , 음이온은 HCO3− 가 우세하고 사각형 도표의 1사분면에 거의 도시됨에 따라, 연구지역의 지하수 수질은 물-암석 반응에 의한 직접적인 Ca2+ 와 Na+ 의 기 양이온 교환 작용을 지시하나, 야외 및 실내 분석 결과를 종합해 볼 때 지하수 수질 진화는 초기 내지 중간 정도의 특성을 나타낸다(Jeong et al., 2011).
모든 시료에 대해서 이온 평형도는 ± 5% 내외로서, 분석치의 신뢰도가 확보되었다.
연구지역의 지하수 수질 유형을 파악하기 위해서 총 4회 조사의 모든 수질 자료를 Piper diagram에 도시한 결과, 주로 Ca-HCO₃형과 Na-HCO₃형이 도시되며 NaHCO₃형이 더 우세하게 나타난다(Fig. 2). 이는 연구지역의 지하수 수질이 외부 지하수 수문순환과 심부지하수 시스템 사이에 동적 평형상태임을 반영하는 것으로 판단된다.
연구지역의 지하수 수질은 외부환경과 동적 평형상태를 지시하기 때문에 4회에 걸쳐서 분석된 화학 성분값의 평균값을 활용하여 분석하였다. 주성분 분석 결과(Table 3), 전체 설명율은 81.4%이며, 주성분 1의 설명율은 52.0%, 주성분 2는 17.9%, 주성분 3은 11.5%이다. 세 개의 주성분에 의해서 화학성분들의 분산도를 설명하는 공통분산인자(communality)는 모든 성분들에 대해서 0.
지하수 수질의 기원을 판단하기 위해서 주성분 분석을 실시한 결과, EC, Ca2+ , Mg2+ , K+ , HCO3− , SO42− (주성분 1), F− ,(주성분 3), SiO2 (주성분 4), Fe2+ (주성분 5)는 지하수 내 용해되어있는 수질성분들을 나타내고, 이는 자연적인 물-암석 결과로부터 기원되어 지하수 수질을 결정 하는 주요한 성분들임을 지시한다.
본 연구는 해안지역 결정질 기반암의 수리지구화학적 분석을 통해 지하수의 물-암석 진화 특성과 지하수 수질의 기원을 평가하였다. 총 4회에 걸쳐 채수된 지하수 분석 결과, 지하수 수질 유형은 Na-HCO₃ 형과 Ca-HCO₃형이 우세하여 Ca²⁺이온이 Na⁺이온 으로의 양이온 교환 반응이 우세하게 발생되고 있음을 지시한다. 한편, 산소/수소 안정동위원소 분포 특성은 전지구적 기상수선을 기준으로 2개의 영역으로 명확하게 구분되어, 직접적인 대기 증발(1차 증발 효과) 및 침투된 후 증발(2차 증발 효과) 도 동시에 일어남을 반영한다.
평균값의 Na+이온과 상관성은 Cl −(0.89), NO3−(0.71)과 높은 상관관계를 보이고 KB-2, KB-3, KB-15를 제외한 모든 시추공에서 조장석(Albite)과 불포화 조건을 반영하고 있다(Table 2).

후속연구

본 논문을 통하여 도출된 수리지구화학적 분석은 방사성 폐기물 처분을 위한 부지의 자연적인 기준 환경 조건 설정 및 수리 화학적 부지특성모델 개념 설계 시 기초적인 자료로 활용될 수 있을 것이다. 다만, 본 연구결과는 지하수면 직상부 지역의 지하수 수질 특성을 반영한 것으로 전체적인 수리지구화학적 특성을 규명하는 것에는 한계성이 있다. 따라서, 향후 심도별 지하수 수질 특성이 더 규명이 된다면 부지를 대표할 수 있는 정밀도가 높은 수리지구화 학적 시스템이 개발될 것으로 판단된다.
다만, 본 연구결과는 지하수면 직상부 지역의 지하수 수질 특성을 반영한 것으로 전체적인 수리지구화학적 특성을 규명하는 것에는 한계성이 있다. 따라서, 향후 심도별 지하수 수질 특성이 더 규명이 된다면 부지를 대표할 수 있는 정밀도가 높은 수리지구화 학적 시스템이 개발될 것으로 판단된다.
본 논문을 통하여 도출된 수리지구화학적 분석은 방사성 폐기물 처분을 위한 부지의 자연적인 기준 환경 조건 설정 및 수리 화학적 부지특성모델 개념 설계 시 기초적인 자료로 활용될 수 있을 것이다. 다만, 본 연구결과는 지하수면 직상부 지역의 지하수 수질 특성을 반영한 것으로 전체적인 수리지구화학적 특성을 규명하는 것에는 한계성이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	심층 처분방식의 범위는?	방사성폐기물의 안전한 관리방안 중 가장 안전한 접근 방법으로 도출된 심층 처분방식은 방사성폐기물의 최종 단계를 의미하며 처분 안전성의 성능을 보장하기 위해서 방사성핵종의 이동에 대해 요구되는 격납과 격리를 제공하는 것을 포함한다(IAEA, 2003). 이러한 심층처분 안전성 성능은 시설이 위치되는 부지의 수리지질 및 수리 화학적 시스템에 크게 좌우된다(Choi et al.
	전기에너지의 한계점은?	18세기 산업혁명 이후 산업화 사회로의 전환으로 인해 기하급수적으로 전기에너지의 사용량이 증대되고 있다. 대부분의 전기에너지는 화석연료에 의한 화력발전소로부터 대부분 생산되어 왔으나, 화석연료의 단가 상승 및 전력 발전 효율성 등으로 인해 많은 한계점들이 발생되고 있다. 이러한 화석발전의 대안으로서 경제적인이고 친환경적인 원자력 발전에 의한 전기에너지의 사용이 전 세계적으로 확대되고 있으나, 원자력 발전 후 발생되는 다양한 방사성 폐기물 안전한 관리대책의 모색이 동시에 요구되고 있다(Gascoyne and Laaksoharju, 2008).
	주성분 분석기법이 활용되는 곳은?	, 1976). 주성분분석을 통하여 지하 매질 차이에 따른 지하수 화학 조성의 해석 및 인위적인 오염의 영향 여부 등의 평가에 활용되고 있다(Hamm et al., 2006).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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