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문제 정의
- 따라서 제주도 지하수자원의 지속가능하고 효율적인 관리를 위해서는 질산성질소 오염에 대한 과학적 재평가에 기반한 체계적인 관리 체계 수립이 필요한 실정이다. 이에, 본 연구에서는 제주도 전 지역에서 장기간 관측된 지하수 수질자료(N = 21,568)를 기반으로 하여 1) 제주도 지하수의 수질 현황을 여러 측면(예: 고도, 행정구역, 용도 등)에서 평가하고, 2) 다년간 구축된 수질관측 자료에 기반하여 질산성질소 농도의 변화 추이(trend)와 공간적 분포 양상을 밝히며, 이러한 결과를 종합하여 지하수의 질산성질소 오염을 합리적으로 평가함으로써 합리적인 중장기 지하수 관리방안 마련에 기여하고자 한다.
- 본 연구는 제주지역 지하수의 장기모니터링 자료 (N = 21,568)를 활용하여 제주 지하수의 질산성질소 오염 현황과 추세를 평가하고 다양한 환경인자와의 상관성을 파악하고자 수행되었다. 주요 연구 결과는 다음과 같다:
- 본 연구에서는 장기간 축적된 모니터링 자료로부터 주요 오염지표의 시공간적 분포 및 변화 양상을 파악함으로써 오염에 관한 유의미한 정보를 도출하고자 하였다. 이를 위해 결측 및 이상값에 비교적 덜 민감하고 비정규분포 자료의 처리에 적합한 것으로 알려진 비모 수적 방법(Nonparametric method)인 Mann-Kendall 검정(Mann, 1945; Kendall, 1975)과 Sen’s 검정(Sen, 1968)을 적용하였다.
- (2003)와 Langmuir(1997)는 각각 95와 98th 분위수를 통해 수질 현황을 해석하였다. 본 연구에서는 통상적으로 활용되는 90th 분위수를 오염영향을 대표하는 문턱값으로 설정하고 이와 함께 질산염의 수질기준치를 사용하여 지역적 오염 영향을 파악하고자 하였다.
제안 방법
- 운반 시 아이스박스를 이용하여 4oC를 유지하였다. NO3-N 분석을 위하여 IC(이온크로마토그래피) 분석을 적용하였다. 사용된 장비는 1993에서 2005년까지는 Dionex의 DX-500이며, 2006년부터는 동일 회사의 제품인 ICS-3000을 사용하였다.
- 본 연구에서는 MK 검정상에서 유의한 것으로 판정된 관정 분석결과들을 대상으로 Sen’s 추정을 적용하여 n 쌍의 자료에 대한 추세 기울기를 평가하였다.
- 1), 1993년에서 2015년까지 총 4,835개 지하수 관정에서 획득한 21,568개 시료의 분석결과를 분석 대상으로 하였다. 시료 채취시 현장에서는 온도, EC(전기전도도)를 측정하였고, 수질분석 시료 채취 시에는 대표성을 확보하기 위해 EC가 안정될 때까지 펌핑한 이후 채수하였다. 양이온과 음이온 분석용 시료는 각각 60 ml씩 채수하였고, 공극 크기 0.
- 양이온과 음이온 분석용 시료는 각각 60 ml씩 채수하였고, 공극 크기 0.45μm인 셀룰로오스 질산염 막필터에 통과시켜 부유물질을 제거한 후 폴리에틸렌 용기에 담았다.
- 제주 지역의 질산성질소 오염의 수준을 비교 평가하기 위하여 다른 국가/대륙 규모에서의 질소 장기모니터링 결과와 비교하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 질산성질소 농도의 시간에 따른 증가·감소·유지 패턴을 평가하고, 이러한 경향이 공간정보와 어떠한 상관성이 있는지를 분석하였다.
대상 데이터
- 4 및 Table 2에 표현하였다. 각 군집은 표고 50 m 간격으로 구분하였으며, 지하수 관정이 분포하는 표고인 최소 0 m에서 최대 800 m 구간을 대상으로 분석하였다. Fig.
- 본 연구는 제주보건환경연구원의 지하수 채취 및 분석 결과를 기반으로 수행하였는데(Fig. 1), 1993년에서 2015년까지 총 4,835개 지하수 관정에서 획득한 21,568개 시료의 분석결과를 분석 대상으로 하였다. 시료 채취시 현장에서는 온도, EC(전기전도도)를 측정하였고, 수질분석 시료 채취 시에는 대표성을 확보하기 위해 EC가 안정될 때까지 펌핑한 이후 채수하였다.
- 본 연구에서 활용된 자료의 총 개수는 4,875개의 관측지점에서 획득한 21,568개 질산성질소이며, 이 중 Mann-Kendall 검정에서 유의수준이 α = 0.10 이상으로 판정된 관측지점을 대상으로 추세분석을 실시한 결과, 총 141개의 관정(총 3,603개 수질자료 포함)이 이에 해당하였다.
- NO3-N 분석을 위하여 IC(이온크로마토그래피) 분석을 적용하였다. 사용된 장비는 1993에서 2005년까지는 Dionex의 DX-500이며, 2006년부터는 동일 회사의 제품인 ICS-3000을 사용하였다. 기기의 검출한계는 0.
데이터처리
- 본 연구에서는 추세분석을 위해 상용프로그램인 Matlab 2016b(MathWorks)를 활용하였으며, 확장 파일인 ktaub code(Burkey, 2006)를 수정하여 Mann-Kendall 및 Sen’s test를 통합 계산하였다(http:// www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/ authors /23983).
- G3 군집 (n = 23)은 온천수, 먹는샘물, 식음료 공장 등 지하수 개발 이용 허가 관정들을 포함한다. 시료수가 적고 비오염을 대표하는 G3 군집을 제외하고, 지하수 용도별 질소농도의 차이를 비교하기 위해 Mann Whitney U Test를 적용하였다. 그 결과, 농업과 도심 사용에 따라 질소 오염의 차이가 있음(p = 0.
- 행정구역별로 질산성질소 오염 현황을 파악하기 위하여 기초 통계(Table 3) 및 누적확률도표(Fig. 5)를 제시하였다. 행정구역별로 질산성질소의 평균은 2.
이론/모형
- 본 연구에서는 Mann-Kendall 검정의 유의수준(α = 0.10)에 따라 신뢰구간을 계산하였다.
- 이를 위해 결측 및 이상값에 비교적 덜 민감하고 비정규분포 자료의 처리에 적합한 것으로 알려진 비모 수적 방법(Nonparametric method)인 Mann-Kendall 검정(Mann, 1945; Kendall, 1975)과 Sen’s 검정(Sen, 1968)을 적용하였다.
성능/효과
- 1) 전체 조사 대상 지하수 관정 중 먹는물 수질기준을 초과하는 관정은 9.14%이며, 질산성질소 농도의 중앙값은 2.50 mg/L이고 평균은 4.09 mg/L이다. 따라서 제주 지하수에서는 비교적 높은 수준의 질소 오염이 관측되고 있다.
- 2) 행정구역별로는 특히 한경, 조천, 한림, 안덕, 대정의 경우, 질산성질소 농도의 90th 분위수(즉, 문턱값)는 11.1~18.1 mg/L 범위로 나타나며 먹는물 수질기준을 초과하는 비율도 높다. 특히, 농축산업이 발달한 제주도 서부지역에서 높은 문턱값이 나타나고 있다.
- 3) 관정이 위치한 지역의 지형고도별로 질산성질소 오염 현황을 분석한 결과, 중산간지역에 비해 하류 저고도 지역의 질산성질소 농도가 높게 관측되었다. 이는 농축산활동 등 인위 오염원이 중산간 지역에 비해 하류지역에 보다 밀집 분포하기 때문이다.
- 4) 비모수 추세분석을 활용하여 최근 20여년 간의 질산성질소 농도의 추세를 분석한 결과, 특히 중산간지 역에서 질산성질소 농도의 점진적 증가 추세가 확인되었다. 중산간을 포함한 상류 지역은 지하수 함양에 있어 중요한 지역이므로, 제주도 지하수의 효율적이고 지속가능한 수자원 관리를 위해서는 특히 중산간지역의 오염원 증가를 조절하는 등 효과적이고도 과학적인 질소오염관리 방안이 마련되어 조속히 시행되어야 한다.
- 5) 기존에 지정된 지하수자원특별관리구역에서는 전반적으로 질산성질소 농도의 감소 추세가 관측되고 있어, 향후 수질관리 차원에서 좋은 시사점을 나타내었다. 그러나 관리구역 지정과 함께 시행되어 온 주요 정책과의 인과성, 즉 효율성을 면밀히 파악하기 위해 서는 수질 자료의 확대(즉, 모니터링 확대)와 더불어 오염원 특성을 해석하기 위한 다양한 기법(특히, 환경 동위원소 및 지하수 연령 분석 등)이 적용되어 정밀하게 종합 해석함이 필요하다.
- 서귀포와 성산의 강우량은 1,900 mm 이상으로 관측되었으며, 제주 및 고산은 각각 1,497 및 1,142 mm로서 지역별 편차가 크게 나타난다. 60개소 강우 측점 지점을 대상으로 고도별 강우 특성을 분석한 결과, 고도가 100 m 증가함에 따라 연강우량은 동부 유역에서는 약 235 mm, 서부 유역에서는 약 144 mm, 남부유역에서는 약 69 mm, 북부유역에서는 약 153 mm씩 증가하였다(Jeju Do, 2013).
- 16*elevation(binned into 50 m intervals)). 각 군집별 고도별로 질산성질소 오염 경향을 상자도표를 통해 파악한 결과, 저지대 및 해안가에 가까운 관정일수록 오염에 취약한 것으로 평가되며, 반면 중산간 및 고지대에 위치한 관정일수록 오염 수준이 전반 적으로 낮음을 알 수 있다. 한편, 고도가 높아질수록 농도값의 변동계수가 점진적으로 증가함이 확인되며, 특히 중산간 및 상위 고도지역에서의 농도의 시공간별 차이가 하위 고도지역에 비해 크게 변동함을 알 수 있다.
- 00 )을 지시하였다. 군집 간 비교시 G1에서 높은 수준의 오염이 관측되고 있었으며(mean = 5.14 mg/L, med. = 3.15 mg/L), 먹는물 수질기준 초과율도 G1 (14.42%)이 G2 (3.20%)에 비하여 크게 높은 것으로 나타났다. 이는 제주 지역의 지하수의 질산성질소 오염이 주로 농업 및 축산 활동에 기인함을 지시한다.
- 8). 그러나 동-서에 위치한 성산 및 한경 지역에서는 고도와 상관없이 오염 추세가 증가하는 경향을 갖는 것으로 나타났으며, 또한 남-북쪽 저고도 지역에 분포하는 지하수특별관리구역에 위치한 관정들은 감소 추세를 보이는 것으로 평가되었다.
- 반면, 고도 100~200 m, 200~300 m 및 300 m 이상의 중산간 지역에서는 각각 78%, 78% 및 67% 비율의 지하수 관정이 질산성질소 농도의 증가 추세를 갖는 것으로 평가되었다. 앞에서 기술한 고도별 질산성질소 농도의 비교 결과에서는 해안 저지대 지역에 비해 중산간 지역에서 상대적으로 낮은 질소오염이 관측되었다(Fig.
- 8 mm로 보고되었다(Korea Meterological Association, 2011). 서귀포와 성산의 강우량은 1,900 mm 이상으로 관측되었으며, 제주 및 고산은 각각 1,497 및 1,142 mm로서 지역별 편차가 크게 나타난다. 60개소 강우 측점 지점을 대상으로 고도별 강우 특성을 분석한 결과, 고도가 100 m 증가함에 따라 연강우량은 동부 유역에서는 약 235 mm, 서부 유역에서는 약 144 mm, 남부유역에서는 약 69 mm, 북부유역에서는 약 153 mm씩 증가하였다(Jeju Do, 2013).
- 아울러, 낮은 고도의 하류 지역에서는 전반적으로 질산성질소 오염 추세가 감소하고 있으며, 반면에 중산간 및 높은 고도에 위치한 지역에서는 점진적인 농도 증가가 있음이 평가되었다. 질산성질소 오염의 고도별 추세(증감) 경향 비율을 살펴보면, 특히 100 m 미만의 저고도에 위치한 관정들은 감소 추세가 우세함(61 %)을 확인할 수 있다(Fig.
- 8 mg/L 범위로서 타 지역에 비해 낮은 오염 수준을 나타내었다. 이렇게 확인한 행정구역별 질산성질소의 90th 분위수를 공간상에 도시한 결과, 전반적으로 제주도 서쪽 지역에서 높은 수준의 질소 오염이 확인되었다(Fig. 6). 실제로 제주도 농축산업은 주로 서부 지역에 밀집 분포하며 (Jeju Do, 2013; Jung et al.
- 14%(n = 2,046)가 먹는물 수질기준(10 NO3-N mg/L)을 초과한 것으로 나타났다(Table 1). 일반적으로 표본의 크기가 매우 큰 경우 중심극한정리에 의해 자료가 정규성을 만족하게 되지만, 본 연구 자료(N = 21,568)를 대상으로 정규성 검정 분석인 Kolmogorov-Smirnov test와 Shapiro-wilk test를 적용한 결과, 두 결과 모두 p-value가 0.05 미만으로 귀무가설을 기각함으로써 분석된 자료가 정규분포를 만족하지 않는 것으로 나타났다. 한편, 질산성질소의 변동계수(coefficient variation; C.
- 4 mg/L의 중앙값을 보고하였다. 전체 시료 중 8%가 수질기준을 초과하는 것으로 나타났으며, 용도별로는 농업관 정에서 20%, 도심 지하수에서 3%가 초과한 것을 확인하였다. Scheidleder et al.
- 지하수자원특별 관리구역은 1) 지하수위가 현저히 낮아졌거나 낮아질 우려가 높은 지역, 2) 염수 침입의 우려가 높거나 염소 농도가 수질기준을 초과하는 지역, 3) 장래 수자원 수요를 위해 지하수 개발 및 이용을 제한할 필요가 있는 지역, 4) 지하수 이용에 있어 지하수 오염이 심각한 지장을 초래하는 지역 등을 기준으로 선정되었다 (Jeju Do, 2017). 지하수자원특별관리구역에 포함된 관측정을 대상으로 추세분석 결과를 살펴본 결과, 해당 구역 내에 위치한 전체 관정 중 88%(n = 23)에서 질소 오염의 유의한 감소추세가 나타났으며, 반면 지하 수자원특별관리구역 이외의 지역에서는 전체 관정 중 30%(n = 34)만이 질소 오염의 유의한 감소추세가 나타나는 것으로 확인되었다(Fig. 7). 이는 관리구역 지정운영이 질산성질소 농도의 감소 추세에 유효하게 기여하고 있음을 시사한다.
- 2는 제주지역에서 1993년부터 2015년까지 관측된 지하수 장기 모니터링 자료(N = 21,568)를 기반으로 질산성질소의 기초통계와 누적확률 분포도를 제시한 결과이다. 질산성질소 농도는 중앙값 2.5 mg/L, 평균 4.09 mg/L로서 정적편포(positive skewed distribution)를 보이고 있으며, 전체 시료 중 9.14%(n = 2,046)가 먹는물 수질기준(10 NO3-N mg/L)을 초과한 것으로 나타났다(Table 1). 일반적으로 표본의 크기가 매우 큰 경우 중심극한정리에 의해 자료가 정규성을 만족하게 되지만, 본 연구 자료(N = 21,568)를 대상으로 정규성 검정 분석인 Kolmogorov-Smirnov test와 Shapiro-wilk test를 적용한 결과, 두 결과 모두 p-value가 0.
- 아울러, 낮은 고도의 하류 지역에서는 전반적으로 질산성질소 오염 추세가 감소하고 있으며, 반면에 중산간 및 높은 고도에 위치한 지역에서는 점진적인 농도 증가가 있음이 평가되었다. 질산성질소 오염의 고도별 추세(증감) 경향 비율을 살펴보면, 특히 100 m 미만의 저고도에 위치한 관정들은 감소 추세가 우세함(61 %)을 확인할 수 있다(Fig. 8). 그러나 동-서에 위치한 성산 및 한경 지역에서는 고도와 상관없이 오염 추세가 증가하는 경향을 갖는 것으로 나타났으며, 또한 남-북쪽 저고도 지역에 분포하는 지하수특별관리구역에 위치한 관정들은 감소 추세를 보이는 것으로 평가되었다.
- 질산성질소 농도의 시간에 따른 증가·감소·유지 패턴을 평가하고, 이러한 경향이 공간정보와 어떠한 상관성이 있는지를 분석하였다. 총 4,845개의 지하수 조사 관측정에 대하여 비모수 추세분석을 수행한 결과, 141개 관정의 질산성질소 농도 변화가 통계적으로 유의성을 만족하는 것으로 나타났다. 이 중 60개 관정에서감소 추세가, 그리고 나머지 81개 관정에서 증가 추세가 있음이 평가되었다(Fig.
- 각 군집별 고도별로 질산성질소 오염 경향을 상자도표를 통해 파악한 결과, 저지대 및 해안가에 가까운 관정일수록 오염에 취약한 것으로 평가되며, 반면 중산간 및 고지대에 위치한 관정일수록 오염 수준이 전반 적으로 낮음을 알 수 있다. 한편, 고도가 높아질수록 농도값의 변동계수가 점진적으로 증가함이 확인되며, 특히 중산간 및 상위 고도지역에서의 농도의 시공간별 차이가 하위 고도지역에 비해 크게 변동함을 알 수 있다. Kruskal-Wallis test에서도 고도 군집별로 통계적으로 유의한 농도 차이가 있음을 지시하였다(p = 0.
- 행정구역별 질산성질소 농도의 90th 분위수(즉 문턱값)를 살펴보면, 한경, 조천, 한림, 안덕, 대정지역에서 11.1 mg/L에서 18.10 mg/L의 범위로 나타났다. 반면, 서귀포, 남원 및 애월지역의 90th 분위수는 7.
후속연구
- 이는 관리구역 지정운영이 질산성질소 농도의 감소 추세에 유효하게 기여하고 있음을 시사한다. 그러나 지하수자원특별관리구역의 지정 및 그에 따른 관리 조치 행동 적용이 질소오염 방지 및 개선에 있어 직접적인 효과를 나타내었는 지를 정확히 평가하기 위해서는 충분한 대표성을 가질 수 있도록 추가적인 지하수 모니터링 자료의 보강, 그리고 수화학 및 동위원소 자료 등을 활용한 오염원 추적(환경수사 기법의 적용) 등 보다 구체적인 정밀평가가 필요하다.
- 2장) 등으로 인하여 문제점의 정확한 파악이 왜곡될 수 있다. 따라서 제주 지하수의 수질오염을 보다 정확하고 체계적으로 이해하고, 이를 토대로 합리적 수질관리 정책방안을 도출하기 위해서는 향후 모니터링 관측정의 균등 분포성을 향상시키고, 선진국에서의 사례와 같이 지하수, 지표수, 해양수 등을 포괄하는 다양한 수체의 수화학 특성에 대한 장기 종합 분석이 제도화되어야 할 것이다. 또한, 기존의 모니터링 관정이 변경되거나 임의적으로 폐공되어 장기 관측에 있어 중요한 일관성이 상실되지 않도록 적절한조치가 필요하다.
- 그러나, 이러한 수문지질 특성은 건천을 발달시켜 지표수 개발을 어렵게 하고 지하수 의존도를 높이는 원인이 되기도 한다. 따라서, 제주지역의 지속가능한 수자원 이용을 도모하고 이상기후 등 환경변화로 인해 발생할 수 있는 수자원 문제 등에 대해 능동적으로 대처하기 위해서는 지하수자원에 대한 오염관리 대책과 지속적인 과학적 조사 연구가 수반되어야 한다.
- 추가 지정 예정 지역은 해발 300 m 이상의 중산간에 위치한 비교적 청정한 지역인데, 이들 지역의 상류에서는 지하수의 함양이 일어나기에 지하수 수질 유지에 있어 중요한 역할을 하는 것으로 평가된 바 있다(Ryuh, 2017). 앞서 기술하였듯이, 특별관리구역 적용에 따른 오염 저감 양상과 함께 중산간지 역에서의 질산성질소 농도의 증가 추세를 고려하면, 추가적으로 계획 중에 있는 특별관리구역 지정계획안은 제주도 지하수의 지속가능한 수질관리를 위해 합리적이고도 미래지향적인 정책이 될 것으로 기대된다.
- 한편, 중산간지역의 오염원 증가는 향후 인구가 밀집된 하류 지역에서의 지하수 오염 증가를 야기할 가능성이 크다. 이러한 오염은 앞으로 장기간에 걸쳐 나타날 것이며, 수리지질 특성에 따라 지역적으로 좀 더 복잡한 양상을 나타낼 것으로 예상된다. 아울러, 대수층의 불균질성이 지하수 유동과 질소 오염물질의 이동 및 거동에 큰 영향을 미치기 때문에, 농도 자료만으로 오염원 및 오염 양상을 해석한다는 것은 한계가 있음을 명기한다.
- 중산간지역에서의 이러한 오염도 증가 경향은 지역 적인 신규 오염원의 증가때문으로 판단되지만, 이에 대해서는 향후 보다 자세한 정밀 검토가 필요하다. 제주도 토지이용 변화를 연관지어 고찰하면, 중산간지역에 서의 오염 상승 경향의 원인을 간접적으로 추정할 수 있다.
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