IEG 환경지질연구정보센터

순창지역 농촌 지하수의 수리지화학적 특성 및 질산성질소오염원 추정

전서령

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요 약

순창군 지하수의 수리지화학적 특성 및 오염정도 파악을 위해 90개 관정(충적;29, 암반;61)에 대한 화학 및 질소동위원소분석을 실시하였다. 그 결과 pH는 먹는 물 수질기준에 적합하며, EC는 전국 평균치를 상회한다.

암반관정보다 충적관정의 경도가 높고, 관정 심도에 따른 경도차이는 보이지 않으며, 지질에 따라서는 풍화가 심한 변성암지대가 높고, 화산암지역이 낮은 경도를 보인다. 전반적인 지하수의 수질유형은 Ca-HCO

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가 인위적 오염의 우려가 있으며, 이중 먹는물 수질기준을 초과한 관정이 16%, 생활용수 기준치를 초과한 관정 이 3.3%이다. 또한, 암반관정의 질산염 오염율(10%)에 비해, 충적관정의 오염율(23%)이 높다. 질소동위원소 분석결과 이 지역 오염 지하수의 57%가량이 분뇨에서 기인하고 나머지는 생활하수에 의한 오염으로 보인다.

비료에 의한 오염 가능성은 희박하다. 이 지역 지하수의 대부분은 농업에서 사용되는 유기질 비료가 오염원이 되고 있다.

주요어: 지하수, 수리지화학, 오염, 질산염, 질소동위원소

Jeon Seo-Ryeong, Park Soo-Jung, Kim Hyung Soo, Jung Suk-Kyoung, Lee Young Up and Chung Jae-il, 2011, Hydrogeochemical Characteristics and Estimation of Nitrate Contamination Sources of Groundwater in the Sunchang area, Korea. Journal of the Geological Society of Korea. v. 47, no. 2, p.

185-197

ABSTRACT: To investigate the hydro-geochemical condition and the extent of groundwater contamination

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The pH was found to be within the limits of the drinking water base. The EC was slightly higher than the mean value of that of the whole country. Water hardness of the alluvial aquifer was greater than that of bedrock. Moreover, the weathered metamorphic rock area was found to have harder water than the volcanic rock area. The types of groundwater were identified as Ca-HCO

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NO

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Key words: groundwater, hydro-geochemical, contaminate, nitrate, δ ¹⁵

(Jeon Seo-Ryeong, Jung Suk-Kyoung, Lee Young Up and Chung Jae-il, Department of Earth and Environmental Sciences, Chonbuk National University, Jeonju 561-756, Korea; Park Soo-Jung and Kim Hyung Soo, Korea Rural Community Corporation, Jeonju 561-832, Korea)

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1. 서 론

상수도 공급이 이루어지지 않은 농촌지역은 농ㆍ 공ㆍ생활용수의 대부분을 지하수에 의존하고 있어 지하수의 보전관리는 매우 중요하다. 주로 사용하는 지하수는 충적층과 암반풍화대 지하수로 알려져 있 으며, 이들 지하수는 지표수 함양 등에 의해 잘 보충 되지만, 동시에 수질 오염에도 민감하다(김연태와 우 남칠, 2003; Boulding, 1995). 축산폐수 및 생활하수 의 무단방류, 농업활동에 이용되는 질소 비료 등으 로 농촌지역 지하수의 질산염에 의한 오염실태는 심 각한 것으로 알려져 있다(오윤근과 현익현, 1997; 김 연태와 우남칠, 2003; 김건영 외, 2007; 이은재 외, 2008). 지하수의 수질은 대수층의 종류, 물이 통과하 는 암석의 종류, 물의 온도, 지층 중에 포획되어 있는 물의 수량과 강수에 의해 공급되는 물 수량 간 의 비 등 여러 가지 요인으로 결정된다. 따라서 지 하수의 수질 특성을 밝히는 일은 각 유역의 지질 특 성 및 수리지구화학적 자료의 분석을 통하여 이루어 져야 한다.

연구지역인 순창군은 장수의 고장으로 그 원인이 맑은 공기와 물에 있는 것으로 알려져 있다. 이 지역 지하수에 대한 꾸준한 수질조사가 한국농어촌공사 에 의해 이루어지고 있으나, 이에 대한 공개적인 학 술보고는 이루어지지 않고 있다. 본 연구는 한국농 어촌공사 농촌지하수 관리조사의 일환으로 순창지 역 지하수를 대상으로 행하여진 조사의 일부로서, 지하수 관정의 대수층의 종류 및 주변 지질과의 관 계 등을 기초로 지하수의 수리지화학적 특성 및 오 염현황을 파악하고자 하였다.

2. 지형 및 지질개요

순창군은 전라북도 남부중앙의 산간지대에 위치 하여, 임야가 전체 면적의 67%로 서쪽과 북쪽은 높 은 산들이 분포하고 남쪽과 동쪽은 섬진강과 적성 강, 경천 등의 크고 작은 하천이 흐른다. 연구 지역의 전반적인 지질은 박희인(1966)에 의하면 고생대로 추정되는 변성퇴적암류가 북북동-남남서 방향으로 대상 분포하며 기저를 이루고 있고, 이를 관입한 화

Fig. 1. Geological and sampling site map on the studied area.

성암류 및 백악기 분출암류로 크게 분류된다(그림 1).

변성퇴적암류층은 이 지역 최고기의 암류로서 미그 마타이트질편마암, 화강편마암, 주로 규암 및 석회 암 등으로 구성되는 설옥리층으로 구분된다. 이들은 화강암류에 의해 관입되고 지역 중앙에 일부 분포하 는 편암은 분출암류에 의해 부정합으로 덮여있다.

지역의 동북부에는 이 변성퇴적암류를 관입하여 삼 첩기의 엽리상화강암이 분포한다(이병주 외, 1997).

연구지역 중앙부에 순창엽리상화강암이라 명하는 쥬라기의 엽리상화강암이 분포하고 있다(박희인, 1966). 이들은 백악기 퇴적암과 화강암에 피복되거나 관입 당한다. 백악기의 퇴적암인 사암 및 이암은 화 산쇄설물이 풍부한 응회암질 사암으로, 곳곳에서 응 회암과 교호한다. 이들 사암과 응회암중에는 얇은 두께의 이암층이 협재되기도 한다. 백악기의 화산암 류는 쇄설성퇴적암을 정합적으로 덮거나, 혹은 퇴적 암과 교호하는 상태로 나타나지만, 일부는 관입암체 의 형태로 나타나기도 한다. 이는 대부분 유문암과 응회암으로 구성되며, 역암, 사암, 셰일 등의 쇄설성 퇴적암이 협재되어 나타나기도 한다(이병주 외, 1997).

3. 시료 채취 및 연구방법

순창지역 지하수의 수질조사를 위해 2005~2007 년까지 3개년에 걸쳐 농업용 및 생활용으로 개발한 지하수 등을 암반관정와 충적관정으로 구분하여 채 수하였다. 화학분석용시료 90점(충적;29점, 암반;61 점), 질소동위원소 분석용 27점(충적;20점, 암반;7점) 을 채수하였다. 각각의 시료는 중복 분석된 경우도 있으나 대부분 중복을 피하여 분석되어졌다. 수소이 온농도(pH meter, TOA HM-20P), 온도(T), 산화환 원전위(ORP, TOA RM-20P) 및 전기전도도(EC, TOA CM-14P) 등은 현장에서 채수하는 즉시 측정하였으 며, 수동펌프를 이용한 0.45 ㎛ 멤브레인 필터로 부 유물질을 제거하고 양이온 분석용 시료는 농질산을 가하여 pH 2이하로 산성화 시켜 시료 용기 벽면에 양이온의 흡착, 침전을 방지하였으며, 음이온 분석 용 시료는 여과 후 용기에 공기가 들어가지 않도록 채취하여 분석 전까지 냉장 보관하였다.

음이온 분석은 전북대학교 공과대학 공동실험실 의 IC (Ion Chromatography; DX-100, DIONEX) 및 군 산대학교 공과대학 환경공학과의 IC (Ion Chromatography;

DX-500, DIONEX)로 F, Cl, NO

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기반암의 종류에 따라서는 화산암류(15개), 엽리 상화강암류(66개), 변성암류(7개), 퇴적암류(2개)로 나뉘어 지며, 퇴적암류 지역은 2개 관정뿐이어서 사 실상 암상별 통계분석은 어렵다.

4. 분석결과 및 토의

순창군에서 채취한 지하수 시료에 대한 물리.화 학적 분석결과는 표 1과 표 2에 대수층의 종류, 기반 암의 종류에 따른 분석 값의 통계치를 각각 기재하 였다. 질소동위원소 분석결과는 표 4 에 기재하였다.

분석결과에 대한 신뢰성을 알아보기 위한 이온균 형 측정에서 16개 시료의 탄산농도측정이 결여되어 있어, 이들 시료에서는 이온균형 측정을 배제시켰으 며, 이를 제외한 나머지 73개는 전체적인 이온균형 이 ± 10% 내외의 범위를 보여 분석결과에 대한 신뢰 도는 비교적 높은 편이라 볼 수 있다.

4.1 물리.화학적 특성

순창지역 지하수의 pH는 전체 90개 중 4곳이 측 정에서 빠졌다. 측정된 86개 관정 중 충적관정의 경 우 pH 5.6~7.0(평균 6.1), 암반관정의 경우 pH 5.4~

7.6(평균 6.4)으로 모두 약산성에서 약알카리성을 나 타내며(표 1), 암반관정의 평균 pH가 충적관정에 비 해 높은 편이나 분포 면에서 큰 차이는 없고, 전반적 으로 약산성을 보이는 것은 이 지역이 엽리상화강암 이나 산성화산암류가 주를 이루고 있어 이러한 지질 매체의 영향이나, 농업용으로 살포된 축산 분뇨와

비료 성분에서 침출된 암모늄 이온의 질산화 작용에 의한 것일 가능성이 있다(이은재 외, 2008). 농업용 수 기준치(pH 6.0~8.5) 보다 낮은 pH를 보이는 곳 이 21곳(24.4%)이 있으며, 이 중 생활용수 및 음용수 기준치(pH 5.8~8.5) 보다 낮은 pH를 보이는 곳도 10곳(11.6%)이 있으나 산성화 정도는 우수의 자연 산성도인 pH 5.6을 약간 밑도는 정도에 불과하다.

Eh 는 pH와 함께 지하수 성분의 산출상태와 농 도 등에 중요한 영향을 주는 변수로 물과 공기와의 접촉, 즉 천층지하수인지 심부지하수인지에 따라 많 은 영향을 받는다. 순창지역 지하수의 경우 충적관 정는 -37~79 ㎷ (평균 18 ㎷)이며, 암반관정의 경우 -75~88 ㎷ (평균 5 ㎷)로 나타난다. Cey et al. (1999) 은 산화환원전위 < 200 ㎷, 용존산소 < 2 ㎎ /ℓ이면 환원환경이라고 말한 것으로 보아 전반적으로 낮은 산화환원전위값을 가지는 이 지역은 환원환경임을 암시하고 있다. 그러나 Eh 변화는 지하수의 유동특 성을 결정하는 기반암의 종류 및 구성광물의 종류와 대수층까지의 깊이 등의 복합적인 영향을 받는다.

암상에 따라서는 화산암류가 31.6 ㎷, 엽리상화강암 류가 7.9 ㎷, 변성암류가 -18.9 ㎷, 퇴적암류는 1개 지역으로 -22 ㎷로 암상에 따른 Eh값을 논하기는 다 소 어렵다. 변성암류가 보다 환원환경을 보이고 있 어 공극발달과 연관된 지하수의 유동특성에 의해 영 향을 크게 받는 것으로 생각되어진다.

EC는 충적관정의 경우 59~587 μS/㎝ (평균 197 μS/㎝), 암반관정의 경우 39~371 μS/㎝ (평균 191 μS/㎝)로 충적관정에 비해 낮다. EC의 값은 지하수 의 유동속도 및 지질특성, 오염 여부와도 관련이 있 으나 충적관정에서 높게 나타나는 것은 일반적으로 농경활동에 의한 오염의 가능성을 시사한다. 암상에 따라서는 화산암류가 142 μS/㎝, 엽리상 화강암류가 205 μS/㎝, 변성암류가 200 μS/㎝, 퇴적암류는 158 μS/㎝로, 화산암류는 풍화에 강해 높은 산악지형을 형 성하고 있어 전반적으로 낮고, 엽리상 화강암류나 변성암류는 풍화되어 평야지형을 형성하고 있으며, 이부분에서 농경활동이 활발하여 전반적으로 높게 나타나는 것으로 보인다.

Table 1. The statistics of physical and chemical analysis for the groundwater in the Sunchang area.

alluvium (29) bedrock (61)

units MIN. MAX. AVE. STD. n MIN. MAX. AVE. STD. n T ℃ 13.00 22.30 17.77 2.17 28 14.00 22.30 17.17 1.83 58 pH 5.56 6.96 6.10 0.40 28 5.42 7.61 6.39 0.49 58 Eh ㎷ -37.4 79.0 18.0 26.6 27 -74.6 88.0 5.2 30.3 48 EC ㎲/㎝ 59 587 196 103 28 39 371 191 78 58 HCO

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경도가 50 ㎎ /ℓ이하인 물을 연수, 그 이상인 물은 경수라 하며, 경도가 20~150 ㎎ /ℓ사이의 물은 여러 용도로 사용가능하다. 순창지역 지하수의 경도는 암 반관정는 평균 60 ㎎ /ℓ, 충적관정는 62 ㎎ /ℓ로 모 두 경수에 속하며, 국내 먹는샘물 지하수의 평균경 도(57.9 ㎎ /ℓ)보다는 약간 높다(조병욱 외, 1998). 암상 에 따라서는 화산암이 47.7 ㎎ /ℓ, 엽리상 화강암이 61.4

㎎/ℓ, 변성암이 77.3 ㎎ /ℓ, 퇴적암류가 62.7 ㎎ /ℓ 로 나타난다(표 2). 화산암류가 낮은 것은 풍화에 강 한 특성을 반영하는 것과 더불어 Ca, Mg를 함유한 사장석 및 운모류가 풍부하지 못한 것과 관련이 있 다고 볼 수 있다. 변성암류 지역이 높은 것은 설옥리 층의 변성퇴적암류가 석회암이 협재 되어 있는 경우 도 보고되어 있어 이들 탄산염암의 풍화에 의한 영 향이 클 것으로 생각된다.

4.2 대수층의 종류에 따른 수리 지화학적 특성

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90%이상을 차지한다(Fetter, 1988). 분석된 양이온 중 Al, Fe, Mn 은 일부 관정을 제외하면 대부분은 지 하수에 미량으로 존재하는 원소로서 검출한계(0.005

㎎/ℓ) 이하였으며, 음이온 중 F

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그림 2에 이 지역 지하수를 대수층별로 파이퍼다 이아그램(Piper, 1944)에 도시해 본 결과, 대부분 Ca-HCO

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나 (Na+K)-Cl형으로 전이하는 형태를 보인다. 암반 관정과 충적관정이 큰 차이는 없으나, 암반관정의 경우 양이온함량 변화의 폭이 비교적 크다.

지하수에 따라 용존이온 함량변화가 크게 나타나 는 것은 지하수가 위치한 지역의 다양한 지질 및 지 형 특성을 반영한다(김건영 외, 2007). 순창지역 충 적관정 및 암반관정의 양이온 농도는 Ca

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Mg

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>NO

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>Cl

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SO

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Fig. 2. Piper diagram of groundwater according to aquifer type (alluvium or bedrock).

Ta b le 2 . Th e statistics o f ph ys ical an d ch emical an aly sis fo r th e gr ou nd water acco rd in g to b ed ro ck ty pe s in th e Su nc ha ng area. vo lcan ic fo liated g ran ite met amo rp hi c r ock s se di m ent ar y ro ck s un its MI N . MAX. AV E . STD. n MI N . MAX. AV E . STD. n MI N . MA X . AV E . ST D. n MI N. MA X . AV E . ST D. n T ℃ 14 .7 19. 3 16 .7 1. 2 15 13 .0 22. 3 17 .4 2. 1 62 17 .1 20 .6 19 .2 1.5 7 15. 3 18 .0 16 .7 1.9 2 pH 5. 4 7.1 6. 2 0 .5 15 5. 6 7. 6 6 .3 0 .4 62 6.0 7. 3 6 .6 0.4 7 6.9 7 .6 7.3 0.5 2 Eh ㎷ -1 8. 1 88. 0 31 .6 32 .6 15 -7 4. 6 75. 0 7. 9 24 .9 52 -5 4.9 15 .5 - 18 .9 2 5.8 7 -2 2.0 -2 2. 0 -2 2.0 N .A . 1 EC ㎲ /㎝ 39 257 142 67.5 15 59 58 7 2 05 89.5 62 108 27 8 2 00 66.7 7 122 1 95 158 51. 4 2 HCO 3 ㎎ /ℓ 7. 1 104. 6 44 .8 29.3 15 22.1 141 .8 66 .8 24 .4 51 50 .4 151 .9 91 .7 45 .0 7 68. 8 68 .8 68.8 N .A . 1 F ㎎ /ℓ n. d. 0.5 0. 1 0 .1 15 n. d. 1. 6 0 .1 0 .2 65 n. d. 0. 2 0 .1 0.1 7 0.1 0 .9 0.5 0.6 2 Cl ㎎ /ℓ 4. 6 18. 9 9. 8 5. 0 15 2. 0 42. 3 17 .9 9 .8 66 7.5 14 .1 12 .0 3.0 7 5.5 8. 0 6.7 1.8 2 NO 3 ㎎ /ℓ 2. 7 54. 8 15 .3 1 4.0 15 n. d. 11 8.1 28 .1 2 7.1 66 1.6 29 .9 1 4.0 10 .8 7 2.5 21 .2 11 .9 13. 3 2 SO 4 ㎎ /ℓ 1. 9 10. 4 6. 1 2 .7 15 n. d. 61. 1 9. 5 10 .8 66 3.3 36 .4 15 .0 11 .2 7 2.6 9 .3 5.9 4.7 2 Br ㎎ /ℓ n. d. 0. 1 N. A. N.A. 13 n. d. 1. 0 N. A. N.A. 34 n. d. n. d. N.A. N.A. 2 n.d . n. d. N.A. N.A. 2 PO 4 ㎎ /ℓ n. d. 0.1 N .A . N .A . 13 n. d. 2. 6 0 .1 0 .4 34 n. d. n. d. N .A . N .A . 2 n.d . n. d. N .A . N .A . 2 Na ㎎ /ℓ 4. 3 12. 9 8. 9 2. 8 15 4. 6 29. 8 12 .4 4 .0 66 5.2 12 .2 7 .4 2.4 7 6.0 10 .7 8.3 3.3 2 Mg ㎎ /ℓ 0. 2 7.1 2. 6 2 .4 15 0. 6 14. 9 4. 4 2 .5 66 2.6 12 .5 6. 2 3.8 7 0.5 3 .6 2.1 2.2 2 K ㎎ /ℓ n. d. 4.6 1. 5 1 .5 15 n. d. 58. 8 2. 5 8 .1 66 1.1 3. 2 2 .0 0.8 7 n.d . 0.1 0.1 0.1 2 Ca ㎎ /ℓ 0. 9 32. 6 14 .8 8. 7 15 5. 0 33. 3 17 .3 6. 9 66 11 .4 30 .9 2 0.7 7.2 7 14. 3 29 .0 2 1.7 10. 4 2 Al ㎎ /ℓ n. d. n. d. N. A. N.A. 15 n. d. 0. 1 N. A. N.A. 66 n. d. n. d. N.A. N.A. 7 n.d . n. d. N.A. N.A. 2 Mn ㎎ /ℓ n. d. n.d . N .A . N .A . 15 n. d. 2. 4 0 .1 0 .3 66 n. d. 0. 1 N .A . N .A . 7 n.d . n. d. N .A . N .A . 2 Fe ㎎ /ℓ n. d. n.d . N .A . N .A . 15 n. d. 11 .8 0. 4 1 .8 54 n. d. 0. 3 0 .1 0.1 7 n.d . n. d. N .A . N .A . 1 ha rdne ss 4. 0 103. 4 47 .7 29 .8 15 17 .2 140 .4 61 .4 25 .8 66 39 .4 118. 0 77 .3 30 .8 7 37. 9 87 .4 62 .7 35. 0 2 MI N. ; min imu m, MAX.; m ax im um , STD.; s tan da rd d ev iatio n, n ; o bserv atio n n umb er , n .d .; n o d etectio n, N.A. ; n ot acco un t.

소(Cl

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)의 농도에 비해 높은 것은 인위적 오염의 가능성을 시사하고 있으며, 일 부 지하수의 경우 황산염의 농도가 최고 61 ㎎ /ℓ를 초과하는 경우가 있으며, 이는 유안이나 황산가리 비료의 영향으로 생각할 수 있다(김경호 외, 2002).

자연상태 지하수의 질산염 농도는 2 ㎎ /ℓ이하이 며, 최대 13.3 ㎎ /ℓ정도로 그 이상의 농도는 인위적 인 오염원으로부터 유입을 의미한다(Medison and Brunett, 1985; Mueller and Helsel, 1996). 측정된 전체 90개 관정 가운데 49개(54%)가 13.3 ㎎ /ℓ이상 이며, 질산성질소(NO

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㎎/ℓ)이상인 관정이 3개(3.3%)가 존재한다. 또한, 암반관정의 질산염 오염율(10%)에 비해, 충적관정 의 오염율(23%)이 높게 나타난다.

충적층 내 투수성이 낮고 유기물이 많은 퇴적층 이 존재하는 경우에 강한 환원환경을 조성함으로 써, 질산염의 탈질 반응이 효과적으로 일어날 수 있는 것으로 알려져 있다(김경호 외, 2002; 현승규 외, 2006; Min et al., 2002). 그러나, 연구지역 지하 수의 경우 질산염 농도가 암반관정(20.4 ㎎ /ℓ)에 비해 충적관정(32.8 ㎎ /ℓ)에서 보다 높게 나타나 며, 산화환원전위값도 암반관정에 비해 높다.

질산성질소의 오염 원인은 관측지점 주변 오염물 질이 직접 유입된 것이라고 볼 수 있다(현승규 외, 2006). Fetter (1988)는 일반적으로 오염원으로부터 1 Km이상을 이동하지 않으며, 대부분 100 m이상을 넘지 않는 것으로 보고한 바 있어 오염의 원인은 주 변 농지에서의 농경활동의 영향이나 생활하수에 있 다고 볼 수 있다.

인위적 오염의 지표가 될 수 있는 원소로서 Cl

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㎎/ℓ (평균; 18 ㎎ /ℓ), 암반관정은 2.0~36.4 ㎎ /ℓ

(평균; 14.8 ㎎ /ℓ)를 보여, 먹는물 기준치에는 적합 하나 인위적 오염의 영향이 있음을 알 수 있다. 또한, 암반관정에 비해 충적관정의 Cl 농도가 다소 높은 것은 질산염과 마찬가지로 충적층지역에 주로 농경 지나 인가가 분포하고 있어 농경활동이나 생활하수 의 영향을 받는 것으로 생각된다.

4.3 기반암의 종류에 따른 주요 양. 음이온의 수리

변성암과 퇴적암에 위치하고 있는 관정은 각각 7 개, 2개 관정에 불과하며, 대부분이 화산암(15개)이 나 엽리상화강암(66개)지역에 해당한다. 기반암별 수리화학적 특성을 알아보기 위해 파이퍼 다이아그 램에 도시하면(그림 4), 변성암과 퇴적암 지역은 양 이온 중 Ca 함량이 비교적 높고, 음이온에서는 HCO

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함량이 높아 Ca-HCO

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Ca는 화산암에서 가장 낮은 농도(14.8 ㎎ /ℓ)를 보이며, 변성암이나 퇴적암에서는 높다(21.7 ㎎ /ℓ).

국내 먹는물 지하수 평균인 17.4 ㎎ /ℓ와 유사하며 (성익환 외, 1998; 조병욱 외,1998; 추창오 외, 1998), 국내 화강암질 내 심부지하수(12.8 ㎎ /ℓ)나 천부지 하수(8.1 ㎎ /ℓ)보다는 높다(이종운 외, 1997). Ca가 높은 함량을 보이는 것은 일반적으로 화강암지역에 서는 사장석의 풍화로 용출 되지만, 천부에서는 용 해도가 높은 탄산염 광물의 용해 및 탄산기 해리 반

Fig. 3. Plots of NO 3

Ta b le 3 . C orr elatio n co ef fi cien t o f g ro un dwater ch emistry fro m th e Su nch an g ar ea (α =0. 01~ 0.0 5) . pH Eh T EC TD S HCO 3 F Cl NO 3 SO 4 Br PO 4 Na Mg K Ca Al Mn Fe pH 1.0 0 Eh -0.8 2 1 .00 T -0.1 4 - 0. 04 1.0 0 E C 0.0 6 -0. 14 0.0 0 1. 00 T D S 0.0 8 -0 .13 0.0 4 0. 97 1 .00 HCO 3 0.4 4 -0. 56 0. 11 0. 47 0 .46 1. 00 F 0.3 9 -0. 42 -0 .06 -0. 14 -0 .16 0. 04 1. 00 Cl -0 .3 1 0. 10 0.1 2 0. 61 0 .61 0. 38 -0 .32 1.0 0 NO 3 -0.2 0 0. 10 0.2 2 0. 43 0 .42 0. 06 -0. 30 0.6 1 1. 00 SO 4 -0.0 6 -0. 04 0.2 5 0. 39 0 .39 0. 37 0 .01 0.5 2 0. 36 1.0 0 B r -0.0 5 0 .02 0.1 8 - 0. 21 -0 .21 0. 39 - 0. 09 0.3 9 0. 47 0.7 5 1. 00 PO 4 -0.0 5 -0. 03 0.2 0 - 0. 20 -0 .20 0. 41 - 0. 07 0.4 1 0. 47 0.7 4 0. 99 1. 00 N a -0.1 7 0. 04 -0 .02 0. 44 0 .47 0. 41 -0. 19 0.7 8 0. 51 0.4 7 0. 55 0 .58 1.0 0 Mg -0.0 4 -0. 15 0.1 6 0. 71 0 .72 0. 65 -0. 28 0.6 6 0. 44 0.5 8 0. 41 0 .42 0.5 1 1 .00 K -0.1 5 0. 17 0.1 7 -0. 06 -0 .05 0. 19 -0. 12 0.3 6 0. 37 0.5 9 0. 88 0 .86 0.4 7 0 .26 1.0 0 Ca 0.3 0 -0. 36 0.1 0 0. 70 0 .70 0. 74 0 .00 0.5 9 0. 42 0.5 4 0. 29 0 .28 0.5 6 0 .73 0.2 0 1. 00 A l -0.0 2 -0. 12 0.2 6 0. 26 0 .25 0. 28 -0. 01 0.2 3 0. 08 0.1 5 0. 03 0 .08 0.0 9 0 .25 0.0 3 0. 13 1 .00 Mn -0.1 4 0 .05 -0 .01 0. 05 0. 04 0. 13 - 0. 04 -0.0 1 -0. 15 -0 .02 -0.0 4 -0 .03 0.1 4 0. 01 -0 .03 0. 01 0. 00 1. 00 Fe -0 .0 8 0. 01 0.0 1 0. 04 0. 03 0. 09 -0. 05 -0 .0 7 -0. 16 -0 .0 5 -0 .0 6 -0 .0 4 0.1 3 -0. 02 -0 .0 4 -0. 04 -0 .0 1 0. 91 1. 00

응이 더욱 중요한 역할을 한다.

본 지역은 대부분이 화강암질 기반암을 이루지만, 원소별 상관계수(표 3)를 보면, Ca-HCO

3

3

4

4

Na는 엽리상화강암지역에서 평균농도가 가장 높 고(12.4 ㎎ /ℓ) 변성암지역에서 가장 낮다(7.4 ㎎ /ℓ).

Na가 풍부한 것은 조장석 성분이 많은 장석의 용존 에 의한 것으로 점토광물에 쉽게 흡착되지 않으므로

지하수에 많이 존재하며, 생활하수의 유입에 의해 공급되기도 한다(김학명 외, 1996). Na가 Ca에 비해 낮은 농도를 보이는데 이는 정장석의 양이 사장석에 비해 소량이며 풍화에 강하기 때문이다. 국내 화강 암질의 심부지하수의 Na는 23.2 ㎎ /ℓ, 중간지하수 는 6.9 ㎎ /ℓ, 천부지하수는 6.7 ㎎ /ℓ로 보고되어 있 어(이종운 외, 1997) 천부나 중간 지하수보다는 좀더 높은 농도를 보인다. Na는 Cl과의 상관계수가 0.78, NO

3

4

3

용존 Mg의 주요 기원은 백운석 또는 Mg을 포함 한 방해석 등의 용해 및 Mg-산화광물이나 규산염 광물의 용해에 의한 것이 일반적이다. 천층이나 중 간심도의 지하수에서는 농도가 높으나 심도가 300 m 이상이 되면 산화물이나 수화물로 침전되거나 점토 류에 흡착되어 농도가 감소하는 경향을 보인다(이종 운 외, 1997). 순창지역 지하수는 평균 Mg 농도가 변

Fig. 4. Piper diagram of groundwater according to bedrock type.

성암지역에서 가장 높고(6.2 ㎎ /ℓ), 퇴적암(2.1 ㎎ /ℓ) 이나 화산암(2.6 ㎎ /ℓ) 지역에서는 낮다. 화강암지 역 천부지하수(1.37 ㎎ /ℓ)나 중간지하수(1.75 ㎎ /ℓ) 에 비해서는 높은 농도를 보인다. HCO

3

4

K는 일부 시료에서 검출한계 이하로 나타나기도 하며, 주요 양이온중에서는 가장 낮은 농도를 보이 며, 천부지하수(0.77 ㎎ /ℓ)나 중간지하수(0.75 ㎎ /ℓ), 심부지하수(0.82 ㎎ /ℓ)에 비해 다소 높은 농도를 보 인다(이종운 외, 1997). 자연수 중 K의 기원은 주로 K-장석, 운모류의 용해에서 기원되며, K함량이 Ca 나 Na 함량에 비하여 낮은 것은 장석류의 풍화속도

차이에 기인한다. K-장석 보다는 사장석의 풍화속도 가 빨라 Ca와 Na 용탈이 K 보다 먼저 일어나는 것 으로 보고되고 있다(이종운 외, 1997; Nesbitt and Young, 1984). Na와 함께 비슷한 용해도를 가지고 규산염광물에서 용해되지만 지구화학적 거동은 상 이하다. K는 광물로부터 빠져 나오더라도 점토광물 이나 유기성 콜로이드입자에 강하게 흡착되거나 광 물의 구조 내에 치환되어 들어갈 수 있다. 따라서 지 하수에서는 K의 농도가 Na보다 훨씬 낮게 나타난 다(성익환 외, 1998; 조병욱 외, 1998). 그러나 1개 관 정에서 K의 농도가 58 ㎎ /ℓ를 보이며, 이 관정의 경 우 Cl농도도 최고값인 42 ㎎ /ℓ를 보여 인위적 오염 의 가능성을 시사하고 있다.

음이온 중 오염의 지표가 되는 Cl과 NO

3

Table 4. Nitrate concentration and isotope compositions of the groundwater from the Sunchang area.

name aquifer bedrock type NO

³

¹⁵

1 BH-0225 bedrock volc. 0.30 6.3

2 BH-0461 bedrock volc. 0.09 9.3

3 BH-0765 bedrock volc. 0.16 10.4

4 DG-0172 bedrock f-Gr. 8.20 8.1

5 JS-0465 bedrock f-Gr. 1.72 36.2

6 SH-0233 bedrock volc. 0.01 9.4

7 SH-0345 bedrock volc. 0.01 9.1

1 BH-0356 alluvium volc. 6.35 0.2

2 DG-0130 alluvium f-Gr. 0.46 21.5

3 DG-0285 alluvium f-Gr. 5.39 14.6

4 GR-0025 alluvium f-Gr. 5.58 16.0

5 GR-0242 alluvium f-Gr. 1.37 11.7

6 IG-0265 alluvium f-Gr. 5.00 10.2

7 IG-0297 alluvium f-Gr. 4.20 18.8

8 IG-0517 alluvium f-Gr. 6.20 12.0

9 JS-0142 alluvium f-Gr. 8.91 20.5

10 JS-O488 alluvium f-Gr. 16.69 4.6

11 KK-0383 alluvium f-Gr. 13.70 23.0

12 KK-0456 alluvium f-Gr. 28.58 11.8

13 PD-0519 alluvium f-Gr. 16.31 12.3

14 PS-0072 alluvium f-Gr. 14.00 18.3

15 PS-0744 alluvium meta. 2.21 22.0

16 SC-0022 alluvium f-Gr. 15.56 7.4

17 SC-0199 alluvium f-Gr. 3.51 23.0

18 SH-0083 alluvium volc. 0.01 8.7

19 YD-0103 alluvium f-Gr. 8.28 15.3

20 YD-0421 alluvium meta. 16.92 5.9

* volc.; volcanic rock, f-Gr.; foliated Granites, meta.; metamorphic rocks.

암의 종류별로 도시해보면(그림 5), 관정수가 많은 탓이기도 하지만, 엽리상 화강암지역에서 대부분 고 농도를 보이고 있다. 이들 엽리상 화강암지대는 완 만한 평야지대로 대부분 농지를 형성하고 있어 농경 활동에 의한 오염의 영향으로 생각되어진다. 응회암 류로 구성된 화산암지대는 대부분 산간 고지대를 형 성하고 있어, 비교적 오염의 영향이 적게 나타나고 있다.

4.4 질소동위원소 화학

질산성 질소는 일반적으로 축산폐수, 생활하수, 질소비료 등으로부터 생성되어 토양보유 능력 초과

시 지하로 충진 되는 지표수를 따라 지하 환경으로 유입되며(우남칠 외, 1999), 이 과정에서 비반응성 용질로 토양 매질에 흡착되지 않아 그 이동성이 크 다(Freeze and Cherry, 1979).

육지의 일반적인 질소동위원소는 -20~+20‰ 범 위로 알려져 있다(Zhu et al., 2000). 화학비료에서 유래된 질산성 질소는 δ

¹⁵

+10‰, 동물이나 사람의 분뇨의 경우는 +10~+ 22‰

를 갖는 것으로 밝혀졌다(오윤근과 현익현, 1997; Heaton, 1986; Komor and Anderson, 1993).

순창지하수 27개 관정에 대해 질소동위원소 및 질산성질소 농도를 측정하였다(표 4). 충적관정은 20개 관정으로 이중 16(80%)개 관정에서 질산성질 소 농도가 인위적 오염의 영향이 있는 것으로 생각 되는 3 ㎎ /ℓ이상을 보인다. 이중 7개 관정(26%)에 서 먹는 물 기준(10 ㎎ /ℓ)을 초과한 농도를 보였다.

암반관정의 경우 7개 관정 중 1개 관정에서 8.2 ㎎ /ℓ 의 비교적 높은 질산성질소 농도를 보였으며 나머지 는 2 ㎎ /ℓ이하였다.

충적관정의 질소 동위원소는 20개 중 15개(59 %) 에서 δ

¹⁵

¹⁵

8.7‰로 자연 토양의 유기질소 기원인 것으로 볼 수 있으나, 화학비료와 분뇨의 혼합에 의한 희석의 가 능성도 내포하고 있다(류순호 외, 1999).

질산성 질소농도와 질소동위원소 값의 관계를 그 림 8에 도시하여 6가지 그룹으로 구분하였다.

그룹 Ⅰ ; 질산성 질소 농도가 10 ㎎ /ℓ내외로 오 염된 지역이며, δ

¹⁵

그룹 Ⅱ ; 질산성 질소 농도가 10 ㎎ /ℓ이상으로 오염된 지역이며, δ

¹⁵

그룹 Ⅲ ; 질산성 질소 농도는 10 ㎎ /ℓ이하이나 6.35 ㎎ /ℓ로 비교적 고농도를 보이고, δ

¹⁵

로 오염원이 화학비료에서 유래된 것으로 추정되는

Fig. 6. Plots of NO 3

¹⁵

NO

3

Fig. 5. Plots of NO 3

지역이다(3.7%).

그룹 Ⅳ ; 질산성 질소 농도는 1 ㎎ /ℓ이하로 오염 의 영향이 거의 없으며(18.5%), δ

¹⁵

로 생활하수에서 유래된 것으로 추정되는 지역이다.

그룹 Ⅴ ; 질산성 질소 농도가 10 ㎎ /ℓ이하로 먹 는물 기준치에는 적합하나 δ

¹⁵

그룹 Ⅵ ; 질산성 질소 농도가 1.72 ㎎ /ℓ로 비오 염관정이나 δ

¹⁵

¹⁵

결과적으로 이 지역 지하수는 질산성질소에 의한 오염율(먹는물 수질기준)이 30%에 달하며, 질소 오 염원으로서는 60%가량이 분뇨에서 기인하고 나머 지는 생활하수에 의한 것으로 보인다.

5. 결 론

화학분석용 시료 90점(충적;29점, 암반;61점), 질 소동위원소 분석용 27점(충적;20점, 암반;7점)의 지 하수를 채수하여 지화학적 특성을 분석한 결과, 순 창지역 지하수는 모두 경수에 속하며, 암반관정보다 충적관정의 경도가 약간 높다. 관정 심도에 따른 경 도의 차이는 보이지 않으며, 암상에 따라서는 풍화 되어 농지가 많은 변성암지대가 가장 높고 풍화에 강한 화산암지역의 경도가 가장 낮다. 순창지역 지 하수는 대부분 Ca-HCO

3

4

3 -

)이나 염소(Cl

^-

4 2-

)의 농도에 비해 높아 인위적 오염이 진행되고 있음을 알 수 있고, 충적관정이 암반관정에 비해 질산염이 나 염소 농도가 높아 인위적 오염의 우려도 높다.

질산성질소(NO

3

이고 있어, 암반의 균열을 따라 오염물질이 지하 심 부로 유입되고 있다고 보인다. 질소동위원소 분석결 과 이 지역 지하수는 질산성질소에 의한 오염율(먹 는물 수질기준)이 30%에 달하며, 오염 지하수의 57%

가량이 분뇨에서 기인하고 43%는 생활하수에 의한 오염으로 보인다. 이는 대부분 농업에서 사용되는 유기질 비료에서 기인한 것으로 과도한 비료의 사용 을 자제하고, 정화조시설 등을 통해 생활하수를 관 리하여야만 지하수의 수질개선이 이루어 질 것으로 판단된다.

사 사

본 연구를 위한 기초조사 및 채수, 분석 및 데이터 의 정리에 함께하여준 전북대학교 지구환경과학과 의 관계 학생들에게 감사하며, 또한 이 연구 데이터 의 공개에 동의해준 농어촌공사 환경지질팀의 관계 자 여러분에게도 감사드립니다.

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투 고 일 : 2010년 9월 15일 심 사 일 : 2010년 9월 16일 심사완료일 : 2011년 4월 5일