Evaluation of Groundwater Quality Deterioration using the Hydrogeochemical Characteristics of Shallow Portable Groundwater in an Agricultural Area

수리지화학적 특성 분석을 이용한 농촌 마을 천부 음용지하수의 수질 저하 원인 분석

Abstract

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.

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.

서 론

2013년 말 현재 우리나라 상수도 보급률은 총 52,127 천명 중 51,325천명에게 공급되고 있어 98.5%를 기록하고 있으며 총 급수량은 6,159 백만m3/년으로 매년 꾸준한 증가를 보이는 것으로 분석되었다(ME, 2014). 반면, 대도시를 제외한 면단위 농어촌 지역의 상수도 보급률은 약 65.9%로 전체 보급률에 비해 큰 차이를 보이는 것으로 조사되었으며 상수도가 보급되지 않은 대부분의 지역은 지하수를 먹는물과 생활용수로써 이용하고 있는 것으로 조사되었다. 이러한 면단위 상수도 보급률이 현저히 떨어지는 이유는 지역내 상수도 관로의 연결과 상관없이 각 가정에서의 상수도 연결을 위한 자비 부담이 원인으로 분석되고 있다.

우리나라의 일부 농축산지역 음용지하수에서는 먹는물 수질 기준 초과율이 40~50%로 관리의 사각지대에 방치되고 있어 환경부에서는 이에 대한 대책 마련을 위해 급수 취약지역에 대한 수질 현황을 조사 중에 있다(NIER, 2014). 2014년 17개 시군에 대한 28,797개의 음용지하수 수질 조사 결과, 질산성질소의 수질기준 초과율은 23.1% 그리고 총대장균 초과율은 24.4%를 보였으며 두 개 항목 중 한 가지 이상의 수질기준을 초과한 음용지하수는 38.3%의 초과율을 보였다. 특히 산간지역(홍천 15%, 원주 14%)보다는 해안지역(무안 66%, 당진 45%)에서 음용지하수의 수질 악화가 심각한 것으로 나타났다.

농촌 지역 천부대수층 내 지하수 오염을 유발시키는 것은 대부분 질소 비료 및 퇴비에 의한 원인으로 알려져 있다. 특히 동물의 배설물은 질소 비료와 함께 천부대수층을 오염시키는 주 오염원으로 알려져 있다(Gooddy et al., 1998; Koh et al., 2010; Jeon et al., 2011; Koh et al., 2011; Kim et al., 2015). 최근 농촌지역에서 많이 사용하고 있는 비료는 동물의 배설물과 함께 관련기관에서 제공하고 있는 유기질 비료를 많이 사용하고 있는 것으로 보이며 논밭 또는 작물 종류와 상관없이 적정량 이상의 사용이 수질저하의 주요인으로 알려져 있다(Kirchmann and Pettersson, 1995; Adesemoye and Kloepper, 2009).

천부대수층 지하수 수질을 저하시키는 오염 원인을 밝히기 위해 다양한 환경추적자 및 환경동위원소 등을 이용하는 많은 연구가 활발히 진행되어 왔으며 이를 통해 지하수 수질을 개선시키기 위한 노력을 꾸준히 진행해 오고 있다(Kim and Woo, 2003; Li et al., 2006; Savard et al., 2010; Zhang et al., 2014). 농촌지역 지하수 오염의 주 원인은 농업활동, 도시화, 산업활동 등 인간 활동에 의해 생성된 오염원에 의한 것이 대부분이 며 이러한 인간활동에 의해 생성된 다양한 오염원의 영향이 지하수 내에 복합적으로 나타나고 있는 것으로 알려져 있다(Li et al., 2006). 그러나 이러한 지하수에 대한 관심은 농업 또는 축산 지역 지하수에 대한 연구가 주를 이루고 있으며 농촌 마을 주민들의 먹는물과 생활용수로 사용하고 있는 천부대수층 음용지하수에 대한 수질 특성 및 오염원 분석에 대한 연구는 부족한 실정이다.

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.

 

연구 지역 및 연구 방법

연구지역 특성

천부 대수층 음용지하수의 수질 특성을 분석하기 위해 충남 부여군의 한 지역을 연구지역으로 정하였으며 수리지질학적 영역을 고려하여 연구 영역을 설정하였다(Fig. 1). 연구지역은 약 283,000 m2의 크기를 가지고 있지만 수리지질학적 영역에 속한 지역은 약 174,000 m2로서 논 지역은 약 30,000 m2, 밭은 약 23,000 m2, 그리고 밤나무 농사 지역은 약 23,000 m2의 넓이를 차지하고 있다. 논 농사 지역은 연구지역 중앙에 위치하여 큰 영역을 차지하고 있지만 밭 농사 지역은 대부분 음용지하수 관정이 설치된 상부지역을 넓은 범위로 차지하고 있다. 또한 마을 거주지 곳곳에 작은 크기의 밭들이 위치하고 있으며 상부에 넓은 범위로 차지하고 있는 밤나무 농사 지역은 연구지역 남쪽 야산의 일정부분을 차지하며 위치하고 있다.

Fig. 1.Location of the study area showing the shallow drinking groundwater wells and monitoring wells.

2015년 연구지역 강우량(1월~10월)은 최근 5년(2010~2014년) 평균 강우량인 1,462 mm/년보다 월등히 적은 662 mm를 기록했으며 월평균 강우량 또한 최근 5년(122 mm/month)보다 50% 적은 66.2 mm/month를 기록하고 있다(Fig. 2). 연구지역 천부 대수층은 기반암까지 약 5~20 m 깊이의 토양층이 발달하고 있으며 지표로부터 전답토, 풍화토, 풍화암, 기반암으로 구성되어 있다(Fig. 3). 2015년 8월 측정된 지하수위는 지표로부터 약 1.13~7.37 m의 깊이에 위치하고 있으며 연구지역 남쪽에 위치한 야산으로부터 북쪽에 위치한 도로 방향으로 완만한 수리경사(hydraulic gradient)를 이루고 있다.

Fig. 2.Monthly rainfall and annual average rainfalls at the study area.

Fig. 3.Hydrogeological section showing the well intervals and water table locations measured on June 2015.

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.

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.

지하수 시료 채취 및 분석

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.

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 0.05 N의 염산을 이용하여 산중화적정법으로 중탄산이온(HCO3−) 분석을 수행하였다. 음용지하수의 주요 양·음이온 분석을 위해 원수를 0.45 μm 공극을 갖는 여과지를 통과시켜 부유물질을 제거한 후 각각 120 mL 폴리에틸렌 용기에 채수하였다. 양이온 시료에는 용존 이온이 용기에 흡착되거나 침전되는 것을 방지하기 위해 적정량의 농질산을 첨가하여 2 이하의 pH를 유지하였으며 실내 분석 전까지 0~4℃의 온도를 유지하여 운반하고 냉장 보관하였다.

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.

유기질 비료 및 가축 분뇨 성분 분석

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. 시료 컵의 뚜껑을 덮은 후 16시간 동안 시료가 수분을 충분히 흡수 할 수 있도록 하였으며 약숟가락을 이용해 저었을 때 반죽이 깨끗이 떨어지면 포화상태에 도달한 것으로 가정하였다. 완전히 포화 상태가 된 뒤 무게를 재어 첨가한 물의 양을 기록하였으며 여과지를 깐 Buchner funnel을 통해 진공을 가하여 토양 용액을 추출하고 이를 분석하였다.

토양 추출액의 양이온 성분은 유도결합 프라즈마분광기(Inductively Coupled Plasma Emission Spectrometry)와 원자흡광분광기(Atomic Absorption Spectrometer)를 이용하여 분석하였다. 음이온 성분은 이온 크로마토그래피를 이용하여 분석하였다.

 

천부지하수의 지화학적 특성

현장수질측정결과

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.

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 2.3~7.0 mg/L와 1.4~8.7 mg/L를 보였으며 평균 농도는 각각 4.8 mg/L와 4.4 mg/L를 보였다. 배경 지하수(SP1)의 용존산소는 6월 4.6 mg/L에서 8월 6.29 mg/L의 농도를 보인다. 전기전도도의 경우, 6월과 8월 각각 67~983 μS/cm와 66~749 μS/cm의 범위를 보여 위치에 따라 매우 큰 차이를 보이며 특히 주거지 근처에 위치한 몇몇 음용지하수에서 매우 높은 전기전도도 값을 보인다. 전기전도도 값의 분포를 통해 볼 때 상류보다는 하류 지역의 값이 대체적으로 높은 값을 보이지만 일부 음용지하수에서는 상류부에서도 매우 높은 값을 보여 근처에 위치한 오염물의 영향에 의해 높은 값을 보이는 것으로 추측된다. 6월과 8월 산화환원전위는 각각 32.9~154.5 mV와 202.2~370.1 mV의 값을 보이며 평균은 각각 106.2 mV와 316.2 mV의 값으로 큰 차이를 보인다.

논 경작에 사용된 농업용수(paddy water)의 경우, pH와 EC 그리고 ORP 값은 각각 6.58, 306.8 μS/cm, 그리고 270 mV의 값을 보였으며 생활하수의 현장 측정값과 비교하였을 때 매우 유사한 값을 보인다. 또한 용존 산소의 경우 다른 천부대수층 음용지하수보다 월등히 낮은 1.65 mg/L 값을 보이는 것으로 나타났다.

주요 이온 성분 및 주 오염원 농도

양이온의 주성분 중 하나인 Ca+Mg는 6월 A 지역과 B 지역에서 각각 8.11~68.48 mg/L와 12.68~84.06 mg/L의 범위를 보이며 최고 농도에서 약간의 차이를 보이지만 중앙값은 각각 24.09 mg/L와 24.93 mg/L로 거의 동일한 값을 보인다(Fig. 4a). 8월의 Ca+Mg 농도 또한 6월과 비슷한 범위의 농도를 보인다. 배경지하수(SP1)의 경우, 6월과 8월의 값은 각각 5.11 mg/L와 5.30 mg/L로 거의 동일한 값을 보이며 이는 다른 음용지하수에 비해 물-암석 반응 시간이 비교적 짧기 때문인 것으로 보인다. 8월 측정된 생활하수(sewage)에서의 Ca+Mg는 33.8 mg/L 농도를 보인다.

Fig. 4.Box-Whisker diagram showing the variations of major ions in shallow groundwater.

Na+K 농도는 6월 A 지역과 B 지역에서 각각 8.70~47.21 mg/L와 16.13~41.79 mg/L의 범위를 보여 큰 차이를 보이지 않는다(Fig. 4b). 8월 농도 분포 또한 큰 변화를 보이지 않는 것으로 나타났다. 배경지하수(SP1)는 6월과 8월 각각 6.67 mg/L와 7.49 mg/L의 농도를 보여 큰 변화를 보이지 않았다. 8월 측정된 생활하수에서의 Na+K 농도는 62.88 mg/L의 농도를 보이는데 이 중 Na의 농도가 대부분을 차지하고 있으며 이는 인간 활동의 부산물로 나타나는 현상으로 보인다.

농촌 음용지하수 내 주 오염원으로 분류되고 있는 NO3+Cl의 농도는 6월 A 지역과 B 지역에서 각각 11.38~92.32 mg/L와 24.87~90.32 mg/L의 농도 분포를 보여 최저 농도를 제외하고 대체적으로 비슷한 농도 분포를 보인다(Fig. 4c). 8월의 A 지역과 B 지역 농도는 각각 10.47~84.22 mg/L와 23.55~86.39 mg/L의 범위를 보이고 중앙값은 각각 33.86 mg/L와 40.13 mg/L를 보여 시기별 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 6월과 8월 측정된 배경지하수(SP1)에서의 NO3+Cl 농도는 각각 5.16 mg/L와 4.92 mg/L를 보였고 8월 측정된 생활하수에서의 NO3+Cl 농도는 5.08~5.11 mg/L의 범위로 음용지하수에 비해 상대적으로 매우 낮은 농도 분포를 보인다. 이는 생활하수에 의한 음용지하수 오염이 비교적 크지 않다는 것을 의미하는 것으로 보인다.

음용지하수 내 많은 비율을 차지하고 있는 HCO3−의 농도는 6월 A 지역과 B 지역에서 각각 10.68~176.9 mg/L와 15.25~186.05 mg/L의 범위를 보였으며 8월의 HCO3− 농도는 각각 18.30~207.40mg/L와 24.40~186.05mg/L의 농도 분포를 보여 계절적·공간적으로 큰 변화를 보이지 않는 것으로 나타났다(Fig. 4d). 배경지하수에서의 HCO3− 농도는 6월과 8월 각각 22.88 mg/L와 33.55mg/L를 보이며 8월 측정된 생활하수에서의 HCO3− 농도는 103.7~109.8 mg/L의 범위로 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다.

수리지화학적 유형 특성

연구 지역 음용지하수의 지화학적 성분을 파이퍼도(Piper, 1994)에 도시하여 유형을 확인하였다(Fig. 5). 파이퍼도를 이용한 음용지하수의 지화학적 유형은 대부분 Ca-Cl(NO3) 유형을 보였으며 특히 음용지하수내 오염원으로 분류되는 NO3와 Cl의 영향을 많이 받고 있는 형태를 보인다. 6월과 8월 음용지하수의 지화학적 유형은 유사한 형태를 보이며 A 지역과 B 지역에서 SO42− 이온 영향에 있어서 미미한 차이를 보이는 것으로 나타났다. 8월 측정된 강우 시료의 경우, Na-HCO3 유형을 보이며 배경지하수인 SP1 역시 물-암석 반응에 의한 Ca2+ 영향 보다는 강우와 비슷한 Na-HCO3 유형에 가까운 형태를 보인다. 생활하수는 HCO3의 영향이 좀 더 큰 Na-HCO3 유형을 보이며 농업용수(paddy water)는 Ca-HCO3 유형을 보인다.

Fig. 5.Trilinear diagram showing the chemical compositions of shallow groundwaters at the study area.

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.

 

지하수 수질에 영향을 미치는 주 오염원 분석

주 오염원 공간 분포 특성

연구 지역 음용지하수내 주 오염물질로 분류되고 있는 NO3-N, Cl−, SO42−에 대해서 6월과 8월 분석된 농도 분포를 버블다이어그램(bubble diagram)을 통해 나타내었다.

6월 측정된 NO3-N의 경우, A 지역의 농도 범위는 3.74~32.38 mg/L의 범위로 나타났으며 평균농도는 14.56 mg/L를 보인다. B 지역은 2.39~35.88 mg/L의 범위와 16.78 mg/L의 평균농도를 보인다(Fig. 6a). 8월 분석된 A 지역의 NO3-N 농도는 3.46~28.33 mg/L의 범위와 16.78 mg/L의 평균 농도를 보이며 B 지역에서는 1.72~34.56 mg/L의 범위와 16.70 mg/L의 평균농도를 보인다. 수리지질학적으로 다른 두 영역에서의 농도는 대체적으로 비슷한 농도 범위를 보이는 것으로 조사되었지만 공간적 분포를 볼 때 상류로부터 형성된 오염 농도가 하류 방향으로 축적되어 나타나는 현상이 아닌 위치에 따른 고농도 NO3-N 농도가 나타나는 것으로 분석되었다. 특히 B 지역에 속한 DW-23은 수리지질학적으로 최상부에 위치한 음용지하수 관정으로서 6월과 8월에 걸쳐 가장 높은 농도를 보이는 것으로 나타났다. 공간적 NO3-N 농도 분포를 볼 때, 이는 앞서 음용지하수의 지화학적 유형 특성에서 언급하였듯이 NO3-N 농도가 상류 오염원으로부터 영향과 더불어 하류 방향에 위치한 점 오염원 형태의 오염원에 의해 큰 영향을 받는 것으로 보인다. 반면 A 지역의 상부에 위치한 배경지하수(SP1)와 몇몇 주변 음용지하수 그리고 B 지역에 위치한 몇몇 음용지하수의 농도는 NO3-N에 대한 먹는물 수질기준인 10 mg/L 이하의 농도 분포를 보여 앞서 언급한 불규칙적으로 분포하고 있는 점 오염원에 의한 음용지하수 오염을 간접적으로 지시하는 것으로 판단된다.

Fig. 6.Bubble plots showing the spatial distribution of the contaminant concentrations at the study area.

Cl−에 대한 공간적 농도 분포의 경우, 6월 A 지역의 농도는 7.64~59.98 mg/L의 범위와 21.67 mg/L의 평균 농도를 보인다(Fig. 6b). B 지역의 경우, 11.77~54.44 mg/L의 범위와 25.38 mg/L의 평균농도로 나타났다. 8월 Cl−에 대한 A 지역의 농도는 7.01~55.97 mg/L의 범위와 21.36 mg/L의 평균 농도를 보였으며 B 지역의 농도는 15.68~51.83mg/L의 범위와 27.39 mg/L의 평균 농도로 6월과 비슷한 분포를 보인다. NO3-N과 비교하였을 때, Cl−의 공간적 농도 분포는 NO3-N과 거의 일치하는 경향을 보이고 있으며 또한 최고 농도의 Cl−와 NO3-N 농도를 보이는 위치가 일치하는 것으로 나타났다. 이는 연구지역 음용지하수에서의 NO3-N과 Cl−이 동일한 오염원(source)에 의해 영향을 받는 것으로 보이며 또한 음용지하수 관정 위치에 따라 점오염원 형태의 오염원에 의해 영향을 받고 있는 것을 암시하는 것으로 보인다.

천부대수층 지하수내에 높은 농도로 나타나는 황산염(SO42−) 농도는 일반적으로 화학 비료, 퇴비 및 생활하수 등 인간 활동에 의해 생성되는 오염물질로 알려져 있다(Kim et al., 2002; Jeon et al., 2011). 6월 측정된 A 지역에서의 SO42− 농도는 6.10~40.27 mg/L의 범위와 16.88 mg/L 평균 농도를 보이고 B 지역에서는 3.35~15.47 mg/L의 범위와 9.36 mg/L의 평균 농도를 보인다(Fig. 6c). 8월의 경우, A 지역에서는 6.60~38.41 mg/L의 농도 범위와 17.23mg/L의 평균 농도를 보였다. B 지역의 8월 SO42− 농도는 5.67~15.98의 농도 범위와 9.54 mg/L의 평균 농도를 보인다. 8월의 농도는 6월과 비교했을 때, 최고 농도에 있어서 큰 폭의 변화를 보인것으로 나타났다.

연구지역 SO42− 농도 분포를 보면, A 지역에서는 NO3-N과 Cl− 농도가 비슷한 농도 분포를 보인 반면 B 지역에서는 큰 차이를 보이고 있어 이는 음용지하수를 오염시키는 주 오염원의 종류 또는 오염 부하량의 차이에서 나타나는 현상으로 보인다.

오염물 농도에 따른 전기전도도 변화

연구 지역 음용지하수의 수질에 영향을 미치는 요인을 확인하기 위해 지하수내 용존되어 있는 오염물 농도와 전기전도도(electrical conductivity)의 관련성 분석을 수행하였다.

천부대수층 음용지하수의 NO3-N 농도와 전기전도도의 변화에 대한 분석 결과, 6월 측정된 A 지역과 B 지역의 Regression coefficient는 각각 0.04와 0.03으로 나타났으며 결정계수(determination coefficient) 값은 각각 0.71과 0.58로 계산되어 A 지역이 B 지역에 비해 전기전도도와 관련하여 NO3-N 영향이 더 큰 것으로 보인다(Fig. 7a). 반면 8월 분석된 A 지역과 B 지역의 NO3-N과 전기전도도의 상관관계 분석 결과, Regression coefficient는 각각 0.03와 0.05 그리고 결정계수는 0.44와 0.78로 분석되어 6월과 다르게 B 지역이 A 지역에 비해 영향 정도가 더 크게 나타났다. 이는 두 지역이 강우 등 수리지질학적 영향에 따라 다른 반응에 의한 것으로 보인다.

Fig. 7.The relationship between the electrical conductivity and major contaminant concentrations in the shallow groundwater.

NO3-N과 더불어 음용지하수내 대표적인 오염물로 분류되고 있는 Cl− 농도와 전기전도도 상관관계 분석 결과, A 지역과 B 지역의 Regression coefficient는 각각 0.09와 0.04로 분석되었으며 결정계수는 각각 0.91과 0.64로 분석되어 NO3-N과 더불어 전기전도도와의 상관성이 매우 높은 것으로 나타났다(Fig. 7b). 8월 분석된 A 지역과 B 지역의 Cl− 농도는 전기전도도와의 상관성 분석에서 각각의 Regression coefficient가 0.07과 0.06으로 분석되었으며 또한 결정계수는 각각 0.77과 0.94로 분석되어 NO3-N과 같이 전기전도도와의 상관성은 매우 높은 것으로 분석되었다. 8월 B 지역의 Cl− 농도는 A 지역에 비해 전기전도도 증가에 따라 Cl− 농도 증가에 있어서 더 높은 양의 상관관계를 보인다.

6월 측정된 SO42− 농도와 전기전도도의 상관관계는 A 지역과 B 지역에서 Regression coefficient 값이 각각 0.05와 0.01 그리고 결정계수 값이 각각 0.56과 0.71을 보여 뚜렷한 차이를 보인다(Fig. 7c). 8월 측정된 SO42− 농도는 6월과 같이 A 지역(Regression coefficient: 0.04)에서 상대적으로 B 지역(Regression coefficient: 0.02)에 비해 더 높은 값을 보였으며 8월 측정된 결정계수 값은 각각 0.4와 0.6으로 분석되었다.

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.

음용지하수 수질 오염 요인 분석

연구 지역 음용지하수 수질은 Cl−, NO3-N, SO42− 이온 농도를 통해 볼 때, 대부분 농업용수(paddy water)보다 높은 농도를 보이고 있으며 특히 NO3-N 농도는 먹는물 수질기준인 10 mg/L를 초과하는 음용지하수가 6월과 8월 각각 67%와 70%로 조사되었다. 또한 연구지역 음용지하수내 오염물 농도는 상류로부터 하류로 갈수록 오염물 농도는 증가 경향을 보이지만 공간적으로 매우 불규칙한 분포를 보인다. 이 중 Cl− 이온은 생활하수, 동물 배설물, 그리고 유기물 분해 산물로 자연환경에 많이 배출되는 물질로 알려져 있고 대수층 내에서 수리지질학적 영향에 의해 침전, 흡착, 그리고 미생물에 의한 저감 등에 반응이 거의 나타나지 않기 때문에 다양한 환경 추적자로 많이 사용되고 있다(Sherwood, 1989; Negrel, 1999; Negrel et al., 2004). 이를 통해 음용지하수 수질 저하 원인을 분석하고 NO3-N과의 상관관계를 분석하였다.

포화추출법으로 측정된 유기질 비료(organic fertilizer)에서 분석된 NO3-N과 Cl− 이온 농도는 각각 2,392.6 mg/L와 7,246.6 mg/L의 농도로 분석되었으며 가축의 분뇨(livestock waste)의 경우 각각 0.0(검출한계 이하)와 3,447.1 mg/L로 분석되었다. 이를 이용하여 천부대수층 음용지하수의 수질 오염 요인을 분석하였다.

6월의 Cl− 농도에 대한 NO3-N 농도는 모두 A 지역과 B 지역에서 양의 상관관계를 보이는 것으로 분석되었다(Fig. 8a). 연구지역 가장 상류지역에 위치한 배경지하수(SP1)에서의 배경치 오염물 농도와 포화추출법을 통해 분석된 유기질 비료내 오염물 농도를 기준으로 하였을 때, A 지역과 B 지역의 Cl−에 대한 NO3-N 농도는 양의 상관관계를 보이며 두 지역 사이의 NO3-N 농도는 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다. 8월 분석된 음용지하수에서의 NO3-N 농도 또한 큰 변화를 보이지 않는 것으로 나타났다. 8월 분석된 생활하수와 농업용수에서의 Cl−에 대한 NO3-N 농도는 상관관계는 크지 않은 것으로 보인다.

Fig. 8.The relationship between Cl− vs NO3-N and SO42− concentrations of the shallow groundwater in the study area.

6월과 8월 측정된 Cl−에 대한 SO42− 이온 농도 분포를 보면, A 지역과 B 지역의 SO42− 이온 농도에 있어서 뚜렷한 차이를 보이는 것으로 나타났다(Fig. 8b). 이것은 유기질 비료 기원의 Cl−과 SO42− 농도 증가가 매우 밀접한 관련이 있다는 것을 보이는 것이며 또한 A 지역과 B 지역에서 뚜렷한 농도 차이를 보는 것은 A 지역에서 추가적인 SO42−의 유입이 있다는 것을 암시하는 것으로 보인다. 이에 대한 내용은 아래에 추가적으로 논의하였다.

NO3-N 농도 증가에 따른 SO42− 농도 변화에서는 유기질 비료에 의해 NO3-N과 SO42− 이온 증가가 발생하고 있음을 암시하는 것으로 보이며 앞서 언급한 바와 같이 A 지역과 B 지역의 농도 분포에서 있어서 뚜렷한 차이를 보이는 것으로 나타났다(Fig. 8c).

대부분의 음용지하수들의 상부에 경작지가 위치하고 있고 또한 농가 주변으로 경작지가 위치하고 있기 때문에 비료에 의한 고농도의 NO3-N이 발생하는 것으로 보인다. 과다 사용된 질소 비료(urea and ammonium bicarbonate)는 토양내 고농도의 질소 오염원을 유발시키고 또한 지하수내 고농도의 NO3-N을 초래하는 것으로 알려져 있다(Liu et al., 2005). 고농도의 NO3-N을 유발하는 다른 원인은 가축 분뇨와 정화조와 같은 농장에서 발생되는 유기질 부산물이 음용지하수내 고농도 NO3-N을 유발시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 연구지역은 가축을 사육하는 농장이 존재하지는 않지만 외부로부터 유입된 퇴비를 살포하고 있어 음용지하수내 NO3-N을 유발시킬 수 있는 있는 것으로 보인다. 생활하수나 농업용수 수질 분석 결과, 음용지하수내 고농도 NO3-N에 대한 영향은 매우 미약한 것으로 보인다. 천부대수층 음용지하수에서의 오염원에 대한 분석은 아래에 언급하였다.

음용지하수 내 주 오염원 분석

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. 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.

HCO3−+CO32−를 기본으로 Cl−와 NO3− 농도에 대한 6월과 8월의 Ternary plot 분석 결과, 음이온 성분 중 HCO3−가 주성분인 배경지하수(SP1)로부터 유기질 비료(organic fertilizer) 성분 비율 방향으로 갈수록 NO3− 농도는 양의 상관관계를 보이지만 A 지역과 B 지역에서 뚜렷한 차이를 보이지는 않는다(Fig. 9a). 이는 A 지역과 B 지역 천부대수층 음용지하수에서의 NO3−와 Cl− 오염원이 주로 유기질 비료에 의한 것임을 나타내주는 것으로 보이며 또한 함께 분석된 가축 분뇨(livestock waste)의 성분 비율로 근접하는 음용지하수는 없는 것으로 보아 주오염원이 유기질 비료임을 암시하는 것으로 보인다. 이와 함께 8월 분석된 농업용수(paddy water)와 생활하수(sewage)의 경우, 음이온의 주성분이 HCO3−로 나타났으며 Cl−와 NO3− 성분 비율이 낮아 음용지하수로의 오염 유출은 매우 미미할 것으로 보인다.

Fig. 9.Modified ternary plot showing the component ratio of the major contaminant sources and the relationship between the groundwaters and the contaminants.

6월과 8월 분석된 Cl−와 SO42− 성분 비율 분석 결과, A 지역의 Cl− 비율은 배경지하수(SP1)으로부터 유기질 비료 방향으로 양의 상관관계를 보이며 SO42− 비율 증가와 함께 불규칙한 분포를 보인다. B 지역의 Cl− 비율은 SO42− 비율 증가 없이 양의 상관관계를 보이며 증가하는 경향을 보인다(Fig. 9b). 이는 B 지역과 달리 A 지역에서는 유기질 비료 오염원에 의해 Cl−와 SO42− 비율이 증가함과 동시에 또한 유기질 비료 오염 외에 추가적으로 SO42− 오염원의 유입을 나타내고 있는 것으로 보인다. B 지역에서는 음용지하수내 유기질 비료에 의한 Cl−과 미미한 SO42−의 비율 증가가 A 지역에 비해 뚜렷한 차이를 보이고 있어 앞서 언급한 A 지역에서의 다른 오염원에 의한 추가적인 SO42− 유입을 나타내는 것으로 보인다.

음용지하수내 추가적인 SO42− 오염원 분석을 위해 HCO3−+CO32−를 기본으로 NO3−와 SO42− 농도 비율 및 분포 특성을 분석하였다(Fig. 9c). 6월과 8월 분석된 A 지역의 음용지하수내 NO3−와 SO42− 성분은 유기질 비료를 구성하는 오염원 비율 방향으로 양의 상관관계를 보임과 함께 SO42− 비율 또한 증가 경향을 보인다. 반면 B 지역에서는 뚜렷한 SO42− 증가 없이 NO3− 비율 증가 현상만 나타난다. 이러한 분석 결과는 B 지역에서 나타난 NO3− 농도 비율 증가가 한 종류의 유기질 비료에 의한 농도 증가를 나타내는 것으로 보이며 또한 이러한 유기질 비료에 의해 뚜렷한 SO42− 증가 없이 NO3− 비율 증가만 나타나는 것으로 보인다. A 지역에서 다른 오염원에 의한 추가적인 NO3−와 SO42− 유입이 없다면 B 지역에서와 같이 NO3− 농도 비율은 유기질 비료 구성 성분 비율 방향으로 일정한 양의 상관관계를 보일 것이며 또한 B 지역의 음용지하수들과 같은 영역에 중첩되어 나타날 것으로 판단된다. 결과적으로 A 지역에서는 B 지역과 같은 유기질 비료 외에 외부로부터 유입된 가축 분뇨(livestock waste)를 기원으로 하는 추가적인 SO42− 유입이 발생하고 있는 것으로 보인다.

 

결 론

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.

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. 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.

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.

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.