Gaussian process regression (GPR) is proposed as a tool of long-term groundwater quality predictions. The major advantage of GPR is that both prediction and the prediction related uncertainty are provided simultaneously. To demonstrate the applicability of the proposed tool, GPR and a conventional non-parametric trend analysis tool are comparatively applied to synthetic examples. From the application, it has been found that GPR shows better performance compared to the conventional method, especially when the groundwater quality data shows typical non-linear trend. The GPR model is further employed to the long-term groundwater quality predictions based on the data from two domestically operated groundwater monitoring stations. From the applications, it has been shown that the model can make reasonable predictions for the majority of the linear trend cases with a few exceptions of severely non-Gaussian data. Furthermore, for the data shows non-linear trend, GPR with mean of second order equation is successfully applied.
Lab scale rhizofiltration by using four plants was performed to investigate the uranium removal efficiency from groundwater. Lettuce (Lactuca sativa L.), Chinese cabbage (Brassica campestris L.), radish sprouts (Raphanus sativus L.) and buttercup (Oenanthe javanica) were cultivated during 3 weeks in the phytotron. Glass jar ($12cm{\times}12cm{\times}8cm$ for each), containing 350 ml of the artificially uranium contaminated solution was used for 72 hours of the rhizofiltration. In experiments with different initial uranium concentration ($18.00{\mu}g/L$, $31.00{\mu}g/L$, $84.00{\mu}g/L$ and $116.00{\mu}g/L$) in solution, more than 70% of the initial uranium were removed by using lettuce, Chinese cabbage and radish sprouts and the residual uranium concentration in solution maintained lower than USEPA water tolerance limit ($30{\mu}g/L$). From the rhizofiltration experiments at various pH conditions, the highest uranium removal for all four plants was acquired at pH 3 in solution. Rhizofiltration experiments testing two field samples of groundwaters having high uranium concentrations ($86.00{\mu}g/L$ and $173.00{\mu}g/L$) were duplicated and more than 83% of the initial uranium were removed from the groundwater within 72 hours of rhizofiltration by using radish sprouts, which, suggests that the rhizofiltration can be a useful process to remediate uranium contaminated groundwater in the field. After the rhizofiltration experiment, the SEM and EDS analyses for the root surface of the radish sprouts were conducted, suggesting that the main mechanism of the rhizofiltration for the removal of uranium from groundwater would be surface precipitation on the root surface of the plant.
Alluvial beds are intimately associated with electrical properties related to soil types, including clay mineral content, porosity, and water content. The hydraulic property governs water movement and storage in alluvial beds. This study revealed electrical resistivity and hydraulic properties in space and time in relation to the hydrogeological data, groundwater pumping, and rainfall infiltration into the alluvial bed located in Daesan-myeon, Changwon City. An electrical resistivity survey with electrode spacings of 2 and 4m using a dipole-dipole array indicates that electrical resistivity changes in the alluvial bed depend on groundwater pumping and rainfall events. Additionally, rainfall infiltration varies with hydraulic conductivity in the shallow zone of the alluvial bed. The 2 m electrode spacing survey confirms that electrical resistivity values decrease at shallow depths, corresponding with rainfall and increased water content in the soil, indicating rainfall infiltration approximately 1-2 m below the land surface. The 4m electrode spacing survey reveals that hydraulic conductivity (K) values and electrical resistivity (ρ) values display an inverse relationship from the surface to the water table (approximately 9 m) and at deeper levels than the water table. Notably, ρ values are impacted by pumping around the depth of the water table at 9 m. This study suggests that time-lapsed electrical resistivity surveys in space and time could be effective tools for detecting the impact of rainfall and pumping, as well as hydraulic conductivity in shallow alluvial beds.
In recent years, various social issues related to the natural radioactive elements detected in household goods and building materials are addressed, and should be solved promptly. In Korea, for more than 20 years, the Ministry of Environment has investigated the natural radioactive materials such as heavy metals, uranium, and radon in soil or groundwater. The origins of natural radioactive materials in them may have a close correlation with the geological factors including classification of rocks, petrogenetic origins, and deformation characteristics, but the exact geological correlations are not clarified because of the absence of the government policy preserved in the basement rocks, soils as well as groundwater in fault-related reservoirs. This study aims to perform a research on the correlation between the petrogeneses of the Phanerozoic plutonic rocks and natural radioactive concentrations in rocks (radon, uranium, thorium, potassium etc.) in Korea. Among the Phanerozoic plutonic rocks, alkaline plutonic rocks (syenite, monzonite and monzodiorite and alkali granite) show high U and Th concentrations by high solubilities of U, Th, Zr, REE, and Nb until the most extreme stages of magmatic fractionation (viz. crystal fractionation) due to high magma temperature and high alkalinity tendency. The highly fractionated high-K calalkaline and peraluminous granitic rocks (leucogranite, two-mica granite and leucocratic pegmatite are also U and Th concentrations compared with other less or medium fractionated granitic rocks (diorite, granodiorite and granite). The alkaline plutonic rocks are associated with intracontinental rifting and extensional environment after crustal thickening by collisional and subductional processes. In contrast, the dominant calc-alkaline granitic rocks in Korea are related to the arc environment of the subduction zone. In summary, the trends of the U, Th and K concentration from the Phanerozoic plutonic rocks in Korea are closely linked to the petrogenesis of the rocks in tectonic environment. The preliminary data for gamma-spectrometric mesurments of natural radionuclide contents (226Ra, 232Th and 40K) in the Phanerozoic plutonic rocks show high values in the alkaline and highly fractionated granitic rocks.
Park, Jin-young;Kim, Hyun-a;Park, Kihong;Kim, Kyoung-woong
Economic and Environmental Geology
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v.50
no.5
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pp.341-352
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2017
Along with Cs-137 (half-life: 30.17 years), Sr-90 (half-life: 28.8 years) is one of the most important environmental monitoring radioactive elements. Rapid and easy monitoring method for Sr-90 using Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) has been studied. Strontium belongs to a bivalent alkaline earth metal such as calcium and has similar electron arrangement and size. Due to these similar chemical properties, it can easily enter into the human body through the food chain via water, soil, and crops when leaked into the environment. In addition, it is immersed into the bone at the case of human influx and causes the toxicity for a long time (biological half-life: about 50 years). It is a very reductive and related with the specific reaction that makes wet analysis difficult. In particular, radioactive strontium should be monitored by nuclear power plants but it is very difficult to be analysed from high-cost problems as well as low accuracy of analysis due to complicated analysis procedures, expensive analysis equipment, and a pretreatment process of using massive chemicals. Therefore, we introduce the Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) analysis method that analyzes the elements in the sample using the inherent spectrum by generating plasma on the sample using pulse energy, and it can be analyzed in a few seconds without preprocessing. A variety of analytical plates for samples were developed to improve the analytical sensitivity by optimizing the laser, wavelength, and time resolution. This can be effectively applied to real-time monitoring of radioactive wastewater discharged from a nuclear power plant, and furthermore, it can be applied as an emergency monitoring means such as possible future accidents at a nuclear power plants.
When constructing tunnels, it is important to understand structural, geological and hydrogeological conditions. Geumgeong tunnel that has been constructed in Mt. Geumjeong for the Gyeongbu express railway induced rapid drawdown of groundwater in the tunnel construction area and surroundings. This study aimed to analyze groundwater flow system and baseflow using long-term monitoring and groundwater flow modeling around Geumgeong tunnel. Field hydraulic tests were carried out in order to estimate hydraulic conductivity, transmissivity, and storativity in the study area. Following the formula of Turc and groundwater flow modeling, the annual evapotranspiration and recharge rate including baseflow were estimated as 48% and 23% compared to annual precipitation, respectively. According to the transient modeling for 12 years after tunnel excavation, baseflow was estimated as $9,796-9,402m^3/day$ with a decreasing tendency.
In spite of colossal efforts taken for safe handling and storage of radioactive waste, the uncontrolled release of radiocesium ($^{137}Cs$ and $^{134}Cs$ isotopes) into the natural environment is inevitable. $^{137}Cs$ is of particular concern because of its long half-life, ability to transfer into biota through food chains, as well as its great mobility, bioavailability, and chemical and ecophysiological similarity with potassium. Radiocesium is released anthropogenically into the environment. Mushrooms are known for their ability to accumulate radionuclides, particularly radiocesium, which is heterogeneously distributed in the individual parts of mushrooms, and it is found that mushrooms are a hyper-accumulator of radiocesium from their environment than other vegetation. Mushrooms play a major role in the mobilization, accumulation, and translocation of cesium, i.e., decontamination of soils (mycoextraction) polluted with cesium radioisotopes, and this capacity appears to be a relevant bioindicator of cesium contamination in the environment. Moreover, the extension of mycelium into the soil makes the use of mushrooms as bioindicators of radiocesium possible. This paper reviews the potential of mushrooms in the accumulation of radiocesium from the environment, and dissertates the salient features to support the employment of mushrooms in environmental biomonitoring as a sensitive bioindicator of radiocesium contamination.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.20
no.4
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pp.371-382
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2022
Carbonates are inorganic ligands that are abundant in natural groundwater. They strongly influence radionuclide mobility by forming strong complexes, thereby increasing solubility and reducing soil absorption rates. We characterized the spectroscopic properties of Am(III)-carbonate species using UV-Vis absorption and time-resolved laser-induced fluorescence spectroscopy. The deconvoluted absorption spectra of aqueous Am(CO3)2- and Am(CO3)33- species were identified at red-shifted positions with lower molar absorption coefficients compared to the absorption spectrum of aqua Am3+. The luminescence spectrum of Am(CO3)33- was red-shifted from 688 nm for Am3+ to 695 nm with enhanced intensity and an extended lifetime. Colloidal Am(III)-carbonate compounds exhibited absorption at approximately 506 nm but had non-luminescent properties. Slow formation of colloidal particles was monitored based on the absorption spectral changes over the sample aging time. The experimental results showed that the solubility of Am(III) in carbonate solutions was higher than the predicted values from the thermodynamic constants in OECD-NEA reviews. These results emphasize the importance of kinetic parameters as well as thermodynamic constants to predict radionuclide migration. The identified spectroscopic properties of Am(III)-carbonate species enable monitoring time-dependent species evolution in addition to determining the thermodynamics of Am(III) in carbonate systems.
A pot experiment was conducted to study the influence of potassium and cesium carrier on the uptake of radionuclide $Cs^{137}$ which is an element released usually from nuclear facilities, by paddy rice upon prolonged cropping of contaminated soils. The results are summarized as follows: 1) Visual toxic symptoms on the growth of rice plant due to treatment of radioactive cesium were not observed up to $20 {\mu}Ci/10Kg$ soil in a pot. 2) The yield and potassium content in rice plant were increased with potassium application, while the reverse was true for the calcium and magnesium. The addition of potassium to the soil markedly reduced $Cs^{137}$ uptake by rice plant but the addition of Cs carrier increased $Cs^{137}$ uptake. 3) Potassium and $Cs^{137}$ showed uniform distribution in all parts of plant and the contents of these two elements were high in the stems and leaves, and low in the heads. The ratio of $Cs^{137}$ to K was, however, not uniform in all parts of a plant. It was shown that this ratio was higher in the seed part, that is, chaff and hulled grain than in the leaves and stems. 4) $Cs^{137}$ absorption rate in rice plant was remarkably reduced with increase of potassium application and it was ranged from $0.02{\sim}0.47%$ in potassium non-treated plot to 0.01∼0.04% in plot treated with a concentration of 16Kg/10a. 5) The amount of $Cs^{137}$ and potassium uptake of rice plant depended on soil type. Uptake of $Cs^{137}$ by rice plant was higher in the soil with low pH and potassium content. The $Cs^{137}$ uptake by rice plant decreased as the potassium content and pH of soil was increased, but $Cs^{137}$ uptake increased when CEC and clay content in soil was high.
The effects of a simultaneous application of KCl and lime on the root uptake of $^{54}Mn,\;^{60}Co,\;^{85}Sr\;and\;^{137}Cs$ by rice, soybean, Chinese cabbage and radish were investigated through 2 years' greenhouse experiments. At their early growth stages, a mixed solution of the radionuclides was applied to the water or soil surfaces of the culture boxes filled with an acidic loamy-sandy soil for the upper 20cm and $83g/m^2$ of fertilizer KCl and $200g/m^2$ of slake lime were applied to the surfaces. Distribution of radioactivities among plant parts and change in uptake pattern with plant species were not, on the whole, significantly affected by the application. It reduced effectively soil-to-plant transfer factors of $^{85}Sr\;and\;^{137}Cs$ for rice, of all for Chinese cabbage and of $^{54}Mn,\;^{60}Co,\;and\;^{137}Cs$ for radish without their growth inhibition. In rice, $^{85}Sr$ showed the highest decrease $({\sim}60%)$ while, in Chinese cabbage and radish, $^{54}Mn$ did $({\sim}80%)$. The exprimental results can become valuable reference data to establish countermeasures against a radioactive contamination of farm-land during plant growth.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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