[논문]국내 대수층 유형 분류를 통한 지하수위와 수질의 특성화

이재민; 고경석; 우남칠

doi:10.9719/eeg.2020.53.5.619

국내 대수층 유형 분류를 통한 지하수위와 수질의 특성화
Characterization of Groundwater Level and Water Quality by Classification of Aquifer Types in South Korea 원문보기

자원환경지질 = Economic and environmental geology, v.53 no.5, 2020년, pp.619 - 629

이재민 (한국지질자원연구원 지하수연구센터) , 고경석 (한국지질자원연구원 지하수연구센터) , 우남칠 (연세대학교 지구시스템과학과)

초록
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국가지하수관측망은 지하수 장해 예방과 지하수자원의 효율적 관리를 위해 유역별로 암반 대수층 또는 충적과 암반 대수층 모두에 설치·운영되고 있다. 본 연구에서는 수리지질학적 유형인 자유면과 피압 대수층으로 재분류하여 국내 지하수의 수위와 수질 특성을 재평가하고, 모니터링 자료의 활용방안을 모색하고자 하였다. 충적-암반 쌍으로 구성된 관측소에서 산출된 지하수위 관측자료의 주성분 분석(PCA) 결과, 충적-암반 대수층의 수위변동 주성분은 유사한 변동 패턴을 보였다. 강수량에 따른 수위 상승율과 질산성질소 농도에서도 유의미한 차이가 없었다. 반면, 수리지질학적 유형으로 분류한 경우, 자유면 대수층과 피압 대수층의 지하수위 변동 주성분이 서로 다른 특성을 보였다. 강수에 대한 지하수위 반응에서도 차이가 나타났는데, 수위 상승률은 자유면 대수층과 피압 대수층에서 각각 4.6 (R²=0.8)과 2.1 (R²=0.4)로 산정되어 피압 대수층에서는 강수 함양의 영향을 덜 받는 것으로 판단된다. 피압 대수층으로 분류된 관정들에서는 질산성질소 평균 농도가 3 mg/L 이하로, 인위적 오염의 영향을 거의 받지 않은 자연배경농도로 판단된다. 결과적으로, 국가지하수관측망의 대수층을 수리지질학적 유형으로 재분류했을 때, 수위변동 패턴과 질산성 질소 농도 분포에서 유형별 차이가 구분되어 대수층 유형 분류의 타당성을 검증할 수 있었다. 이러한 대수층의 수리지질학적 상태는 함양량 평가에 따른 지하수자원의 양적 관리와 잠재오염원으로부터의 수질 관리에 필요한 핵심정보를 제공함으로 지하수자원 관리에 기여할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The National Groundwater Monitoring Network (NGMN) in South Korea has been implemented in alluvial/ bedrock aquifers for efficient management of groundwater resources. In this study, aquifer types were reclassified with unconfined and confined aquifers based on water-level fluctuation and water quality characteristics. Principal component analysis (PCA) of water-level data from paired monitoring wells of alluvial/bedrock aquifers results in the principal components of both aquifers showing similar water-level fluctuation pattern. There was no significant difference in the rate of water-level rises responding to precipitations and in the NO3-N concentrations between the alluvial and bedrock aquifers. In contrast, in the results classified with the hydrogeological type, the principal components of water level were different between unconfined and confined conditions. The water-level rises to precipitation events were estimated to be 4.6 (R2=0.8) in the unconfined and 2.1 (R2=0.4) in the confined aquifers, respectively, indicating less impact of precipitation recharge to the confined aquifer. The confined aquifers have the average NO3-N concentration below 3 mg/L, implying the natural background level protected from the sources at surface. In summary, reclassification of aquifers into hydrogeological types clearly shows the differences between unconfined and confined aquifers in the water-level fluctuation pattern and NO3-N concentrations. The hydrogeologic condition of aquifer could improve groundwater resource management by providing critical information on groundwater quantity through recharge estimation and quality for protection from potential contamination sources.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Locations of the 159 monitoring well pairs from the National Groundwater Monitoring Network (NGMN) and the neighboring Automatic Weather Station (AWS) in South Korea.
그림 Fig. 2. Execution screen of the program developed for calculating the apparent recharge coefficient.
그림 Fig. 3. Groundwater hydrographs of three principal components for (a - c) shallow alluvial (S) and (d - f) deep bedrock (D) monitoring wells.
그림 Fig. 4. Factor scores for the PC1 and PC2 of each aquifer type analyzed by principal component analysis (modified from Lee et al., 2017).
그림 Fig. 5. Box plots comparing the nitrate nitrogen concentrations of the different data sets; (a) alluvial and bedrock aquifers, (b) unconfined, semi-confined, and confined aquifers.
그림 Fig. 6. Spatial distribution of NO3-N concentration depending on the classification criteria; (a) alluvial and bedrock aquifers, (b) unconfined, semi-confined, and confined aquifers.

AI 본문요약
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문제 정의

외부에 노출된 경우 직접적으로 영향을 받을 수 있고, 가압층의 누수에 의해 함양되는 경우는 느리게 진행된다. 국가지하수관측공이 설치된 대수층을 수리지질학적 유형으로 구분하고, 강수에 대한 수위상승을 산정하여 비교함으로써 대수층 특성을 평가하고자 하였다.
본 연구에서는 기존 국가지하수관측망 충적/암반 관측공 쌍에서의 수위변동과 수질특성을 수리지질학적 유형인 자유면/피압 대수층으로 재분류하여 그에 따른 수위와 수질특성 변화를 비교함으로써, 대수층 특성을 평가하고 모니터링 활용방안을 모색하고자 하였다. 이를 위해 1) 국가지하수관측망의 지하수위 시계열 자료에 대한 PCA분석을 수행하여 충적/암반과 자유면/피압 대수층의 수위변화 주성분을 비교하고, 2) 각 관정에서의 강수에 의한 지하수위 상승률을 산정하고 대수층 유형별 차이를 비교하였으며, 3) 자유면/피압 대수층에서의 질산성질소 농도 차이를 비교하였다.
본 연구에서는, 기존 국가지하수관측망의 충적과 암반 대수층에서 모니터링 하고 있는 수위와 수질 자료를 수리지질학적 유형인 자유면과 피압 대수층으로 재분류 하였다. 수위변동 주성분 차이, 강수에 대한 지하수위 상승 특성, 그리고 질산성질소 농도 차이를 분류하고 대수층 유형별로 비교함으로써 그에 따른 국내 지하수의 수위와 수질 특성을 재평가하고, 모니터링 자료의 활용과 관리 방안을 모색하고자 하였다. 충적과 암반 대수층의 수위변동 주성분들은 서로 명확히 구분되지 않고 유사한 패턴이 나타났지만, 자유면과 피압 대수층의 수위변동은 주성분별로 각 대수층에서 상이한 패턴이 나타났다.

제안 방법

S2와 K1 신호가 존재하고, M2 신호가 부재한 경우를 자유면 대수층으로 분류하고, M2 신호가 미약하게 나타나지만 여전히 S2와 K1 신호가 우세한 경우를 준피압 대수층, 상부의 가압층으로 인해 유체가 압력을 받게되어 M2 신호가 우세한 경우 피압 대수층으로 분류하였다. 본 연구에서는 159개 관정쌍에서 획득한 1시간 간격 지하수위시계열 자료의 주성분 분석을 수행하고, 여기에서 도출된 자료를 충적층과 암반층에서의 수위 주성분으로 도시하여 비교하고, 이것을 다시 대수층 유형으로 분류한 수위 주성분을 도시하여 차이를 비교하였다.
환경부(2018년 이전, 국토교통부)에서는 지하수 배경수질 특성을 분석하고 오염우려 지역에 대한 모니터링을 위해 상반기와 하반기에 각각 수질분석을 수행하고, 주이온 분석은 연 1회 분석하여 결과를 제공하고 있다. 본 연구에서는 2010년의 수질분석 결과 중에서 주이온(Ca, K, Na, Mg, Cl, HCO₃, SO₄) 성분 분석 결과를 참고해 질산성질소(NO₃-N) 농도를 활용하여 충적층과 암반 관측공 쌍의 수질을 비교하였다(MLTM, 2011). 질산성질소는 가축분뇨와 비료 등 인위적 요인에 의한 대표적인 지하수 오염원으로써, 심도변화 및 산화환원 조건에 따른 탈질화로 인해 오염농도의 차이가 나타날 수 있지만(Singleton et al.
본 연구에서는, 기존 국가지하수관측망의 충적과 암반 대수층에서 모니터링 하고 있는 수위와 수질 자료를 수리지질학적 유형인 자유면과 피압 대수층으로 재분류 하였다. 수위변동 주성분 차이, 강수에 대한 지하수위 상승 특성, 그리고 질산성질소 농도 차이를 분류하고 대수층 유형별로 비교함으로써 그에 따른 국내 지하수의 수위와 수질 특성을 재평가하고, 모니터링 자료의 활용과 관리 방안을 모색하고자 하였다.
ARC방법을 기반으로 전국 국가지하수관측망의 지하수위 자료, 그리고 관측공에 인접한 기상관측소에서 측정된 강수량 자료를 활용하여 강수량에 대한 수위상승 그래프를 산정하고, 기울기를 산출하는 프로그램이 개발되었으며, 구동화면의 예시는 다음 Figure 2와 같다. 이 연구에서는 159개 관측공 쌍에 대한 수위상승률을 산정하여 충적층-암반층, 그리고 자유면-피압 대수층으로 구분하여 각각의 차이를 비교하였다. 프로그램의 수위상승률 산정에 활용된 지하수위와 강수량은 일자료이며, 관측 기간은 대부분 2008년부터 2017년 1월까지 이지만, 일부 관측기간이 짧은 관정 자료도 존재한다.
본 연구에서는 기존 국가지하수관측망 충적/암반 관측공 쌍에서의 수위변동과 수질특성을 수리지질학적 유형인 자유면/피압 대수층으로 재분류하여 그에 따른 수위와 수질특성 변화를 비교함으로써, 대수층 특성을 평가하고 모니터링 활용방안을 모색하고자 하였다. 이를 위해 1) 국가지하수관측망의 지하수위 시계열 자료에 대한 PCA분석을 수행하여 충적/암반과 자유면/피압 대수층의 수위변화 주성분을 비교하고, 2) 각 관정에서의 강수에 의한 지하수위 상승률을 산정하고 대수층 유형별 차이를 비교하였으며, 3) 자유면/피압 대수층에서의 질산성질소 농도 차이를 비교하였다.
본 연구에서는 2010년의 수질분석 결과 중에서 주이온(Ca, K, Na, Mg, Cl, HCO₃, SO₄) 성분 분석 결과를 참고해 질산성질소(NO₃-N) 농도를 활용하여 충적층과 암반 관측공 쌍의 수질을 비교하였다(MLTM, 2011). 질산성질소는 가축분뇨와 비료 등 인위적 요인에 의한 대표적인 지하수 오염원으로써, 심도변화 및 산화환원 조건에 따른 탈질화로 인해 오염농도의 차이가 나타날 수 있지만(Singleton et al., 2007), 지표오염 물질의 대수층으로의 유입 차이에 따라 농도 차이가 나타날 수 있기 때문에 자유면과 피압 대수층에서의 질산성질소를 재분류하여 농도분포 특성을 분석하였다.

대상 데이터

대수층 유형 구분 자료는 Lee et al. (2017)에서 분류한 159쌍의 국가지하수 관측공(2010년 기준) 1시간 간격 지하수위 자료를 활용하였다(Fig. 1).
159 쌍의 관측공, 총 318개 중에서 대수층 유형이 분류된 161개 관측공에 대한 질산성질소 농도를 비교하였다(Fig. 5b).
전국에 분포되어 있는 국가지하수관측망 중에서 관측공이 암반층과 충적층에 쌍으로 설치된 지점의 관측자료를 수집하여 분석하였다. 대수층 유형 구분 자료는 Lee et al.

성능/효과

159쌍의 충적층과 암반층에서의 수위변동 특성을 구분하기 위하여 각각의 지하수위에 대한 주성분 분석(PCA)을 수행한 결과, 충적층과 암반층의 수위변동 유형은 유사한 패턴을 보이는 것으로 나타났다(Fig. 3).
충적과 암반 대수층의 수위변동 주성분들은 서로 명확히 구분되지 않고 유사한 패턴이 나타났지만, 자유면과 피압 대수층의 수위변동은 주성분별로 각 대수층에서 상이한 패턴이 나타났다. 강수량에 따른 지하수위 상승률과 지연시간 차이도 충적-암반 대수층보다는 자유면-피압 대수층 유형에서 더 크게 나타나 피압 대수층에서는 투수성이 낮은 층으로 인한 영향을 받는 것으로 판단된다. 수질항목 중, 대표적인 인위적 지표오염 물질인 질산성질소의 농도를 비교했을 때, 충적-암반 대수층 간 질산성질소의 평균 농도는 서로 유의미한 차이가 나타나지 않았지만, 자유면-피압 대수층에서는 농도차이가 구분되었다.

후속연구

국가지하수 관측망은 지속적인 모니터링을 통해 지하수의 양적/질적 배경값(background level)을 확보하여 수량 부족과 수질 오염 등의 지하수 장해를 예방하고 지하수자원을 효율적으로 관리하기 위한 기초자료 제공을 목적으로 설치·확장되고 있다. 따라서 모니터링 관정 구축과 자료의 활용 시, 기본적인 관정의 제원과 이들 관측 대상 대수층의 수리지질학적 상태를 지시하는 유형에 대한 정보도 함께 제공해 줄 필요가 있다고 판단된다.
질산성질소오염 특성은 토지이용, 분뇨 및 비료, 다양한 수리지질 인자가 고려되어야 하며, 단순히 대수층 유형으로 특정하기는 어렵다. 또한, 피압 대수층으로 분류된 관측지점 갯수가 적어서 공간적 분포 특성을 설명하기에는 한계가 있지만, 피압 대수층에서의 평균 질산성질소 농도가 자연배경농도 이하로 낮아져 자유면 대수층과는 구분이 되는 것은 확인할 수 있었으며, 추가적인 자료의 분석과 공간적 분포 특성을 토지이용 또는 지질특성과 연계하여 해석하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국가지하수관측망의 사용 목적은?	국가지하수관측망은 지하수 장해 예방과 지하수자원의 효율적 관리를 위해 유역별로 암반 대수층 또는 충적과 암반 대수층 모두에 설치·운영되고 있다. 본 연구에서는 수리지질학적 유형인 자유면과 피압 대수층으로 재분류하여 국내 지하수의 수위와 수질 특성을 재평가하고, 모니터링 자료의 활용방안을 모색하고자 하였다.
	수위변동 패턴과 질산성 질소 농도 분포에서 유형별 차이가 구분되어 대수층 유형 분류의 타당성을 검증할 수 있음을 보여주는 근거는?	강수량에 따른 수위 상승율과 질산성질소 농도에서도 유의미한 차이가 없었다. 반면, 수리지질학적 유형으로 분류한 경우, 자유면 대수층과 피압 대수층의 지하수위 변동 주성분이 서로 다른 특성을 보였다. 강수에 대한 지하수위 반응에서도 차이가 나타났는데, 수위 상승률은 자유면 대수층과 피압 대수층에서 각각 4.6 (R2=0.8)과 2.1 (R2=0.4)로 산정되어 피압 대수층에서는 강수 함양의 영향을 덜 받는 것으로 판단된다. 피압 대수층으로 분류된 관정들에서는 질산성질소 평균 농도가 3 mg/L 이하로, 인위적 오염의 영향을 거의 받지 않은 자연배경농도로 판단된다. 결과적으로, 국가지하수관측망의 대수층을 수리지질학적 유형으로 재분류했을 때, 수위변동 패턴과 질산성 질소 농도 분포에서 유형별 차이가 구분되어 대수층 유형 분류의 타당성을 검증할 수 있었다.
	충적-암반 쌍으로 구성된 관측소에서 산출된 지하수위 관측자료의 주성분 분석(PCA) 결과는 어떠한가?	본 연구에서는 수리지질학적 유형인 자유면과 피압 대수층으로 재분류하여 국내 지하수의 수위와 수질 특성을 재평가하고, 모니터링 자료의 활용방안을 모색하고자 하였다. 충적-암반 쌍으로 구성된 관측소에서 산출된 지하수위 관측자료의 주성분 분석(PCA) 결과, 충적-암반 대수층의 수위변동 주성분은 유사한 변동 패턴을 보였다. 강수량에 따른 수위 상승율과 질산성질소 농도에서도 유의미한 차이가 없었다.

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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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