KSEG Conference / April 8 - 9, 2010 / Gyeongju / Korea
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양수시험에 의한 강변여과수의 지화학적 특성
신선호 Seon-Ho Shin, 김병우 Byung-Woo Kim, 최두형 Doo-Houng Choi, 김규범 Gyoo-Bum Kim
*한국수자원공사 K-water연구원 지질지하수연구팀, Korea Water Resources Corporation
* 교신저자:
[email protected]
요약문: 강변여과수 개발 예정지에서 양수시험이 수행되었으며, 양수시험시 양수관정으로부터 유입된 강변여과수의 지화학적 특성을 파악하였다. 본 연구지역의 시료들은 주로 충적층에서 채취된 시료로서 pH의 증가 경향은 지하수의 일반적 진화경향에 의한 것이 아니고 하천수나 강우에 의해 동시적으로 광범위하게 영향 받기 때문인 것으로 사료된다. 취수정에서 최종적으 로 식수로 공급하려는 목적에서 가장 큰 문제점으로 나타나는 철과 망간은 먹는물 기준치를 모 두 초과하는 것으로 나타났다. 따라서 양수시험시 강변여과수에 대한 지구화학적 분석결과 낙 동강변에 위치한 충적층인 점을 고려해보면 장기양수에 의한 지표수와 강우에 대한 직접적인 영향을 받고 있는 것으로 판단된다.
주요어: 양수시험, 강변여과수, 철-망간, 지구화학
1. 서 론
물에 대한 관심은 수자원 확보와 수질문제가 국가적인 관심사로 대두되면서 양질의 수자원을 확보하기 위한 다양한 노력이 활발히 진행되고 있다. 특히, 강변여과수는 양수에 의한 하천수가 강변충적층을 통과하면서 오염물질을 여과하여 양질의 수질을 확보할 수 있는 간접인공함양방 식이다. 이는 양질의 수질을 얻을 수 있으나 장기 취수에 의한 침전, 흡착 및 기타 화학작용에 의해 수질특성은 주변 지하수 및 하천수에 의한 변화 가능성이 있다. 특히 Fe, Mn 이온은 먹는 물 수질기준치에 근접하거나 초과되어 수질문제에 큰 영향을 미칠 수 있다. 이러한 대책 방안 으로 Fe, Mn 이온농도를 저감시키기 위하여 산소를 지중으로 주입, 용존된 물을 주입정과 양수 정으로 반복적으로 순환하거나, 산소주입을 위한 에어서징과 서지블록을 실시하거나, 지속적인 장기양수를 실시하여 산화-환원환경에 민감한 Fe, Mn 이온농도를 저감시키는 연구가 진행되고 있다(김규범 외, 2009). 따라서 강변여과수 개발 예정지역에서 양수시험에 따른 지화학적 수질 특성뿐만 아니라 Fe과 Mn 이온의 화학적 변화특성을 파악하는데 목적을 두었다.
2. 지화학적 특성
양수시험시 획득된 수질시료에서 수온의 경우 최대값이 24.5℃ 최소값이 9.9℃로 관정마다 수
온의 차이를 보이며, 용존 이온량을 나타내는 전기전도도(EC)의 경우 평균값이 386.9㎲/cm로
일반적인 충적층의 지하수 전기전도도를 나타내고 있다. 산화환원전위 측정값은 최대값 334mV,
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최소값 -57mV로 값의 차이가 크게 나타나며, 일부 관정의 지하수는 환원환경에 놓여 있음을 알 수 있다(그림 1). 양수 초기 현장 측정 결과와 비교하였을 때 다른 측정항목은 변화를 보이 지 않으나 산화환원전위는 장기양수로 인하여 산화환경으로 바뀌는 것으로 나타났다.
6.0 6.3 6.6 6.9 7.2
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pH
PW-1 OB-3 OB-5 OB-6 NB-1 SW-1
-100 0 100 200 300 400
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Eh(mV)
<그림 202> 장기양수에 의한 현장측정 결과(pH, Eh)
0 1 2 3 4 5
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Fe(mg/L)
PW-1 OB-3 OB-5 OB-6 NB-1 SW-1
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
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Time
Mn(mg/L)
<그림 203> 장기양수에 의한 철-망간 농도 변화
산화 환원전위에 민감한 화학종인 질산성 질소, 철, 망간은 충적지하수에서 흔히 검출되는 오 염물질이며, 특히 철과 망간은 주로 산화환경에서 산ㆍ수소화합물(oxyhydroxides)의 형태로 침 전되어 환원환경에서 이들이 용존 이온 상태로 산출된다. 그 반면에 질산성질소는 산화환경에 서 용존 이온 상태로 나타나며, 환원환경에서는 탈질작용으로 인해 분해된다. 철과 망간은 대부 분 산화환원전위가 음의 값을 가지는 관정에서 측정값이 높게 나타나고, 양수 초기 용존 이온 농도와 비교하여 보았을 때 장기양수에 의한 철과 망간의 이온농도 변화는 나타나지 않는다(그 림 2). 철과 망간의 최고값은 각각 5.48mg/L, 3.1mg/L로 철과 망간의 먹는 물 기준치(0.3mg/L) 와 비교하였을 때 각각 18배, 10배 정도 초과하는 것으로 나타났다. 이는 충적지하수가 환원환 경을 이루고 있으며, 이때 박테리아가 철ㆍ망간 산화물을 전자수용체로 이용하여 철ㆍ망간 산 화물이 Fe2+, Fe3+, Mn2+로 환원되면서 이온농도가 높게 나타난다.
용존 이온(Na+, Ca2+, SO42-, HCO3-), 분석 결과를 <그림 3>에 도시하였으며, 양수초기에 는 이온 농도가 증감하였으나 장기양수가 진행될 수 록 안정화되었다. 양수시험 과정에서 OB-3, 6호공에서 HCO3- 이온 함량이 상대적으로 낮고, SO42- 이온 함량은 높게 나타났다. 이 는 낙동강 주변에 위치한 충적층에서 장기양수에 의한 지표수의 영향을 직접적으로 받고 있는 것으로 판단된다. 인위적인 오염의 지표인 NO3- 이온 경우 OB-3, 6호공에서 높은 함량을 보이 므 장기양수에 의한 하천수, 강우 그리고 주변 오염물질의 유입이 있을 것으로 판단된다.
선행 연구 결과에 따르면 HCO3-이온 농도가 높고, 상대적으로 산화환원전위가 낮은 곳에서
탈질화 현상이 발생하기 때문에 질산염(NO3-)농도가 낮아지며, 철에 대한 환원작용에 의해 용
존 철 2가 이온(Fe2+)의 농도가 증가된다(채기탁 등. 2002; Chae. 2002). PW-1호정(양수정)에서
철 2가 이온(Fe2+)의 농도는 1.2～1.75mg/L, 망간의 농도는 0.7～1.4mg/L의 범위를 보이며, 산
화환원전위는 -37～91mV 범위를 보인다. 평균 산화환원전위와 비교할 때에는 값의 차이를 보
이지만, PW-1호정(양수정)에서 질산염이온이 검출되지 않은 것은 지하수가 환원환경 상태로
존재하여 탈질반응이 일어나기 때문으로 해석된다.
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10 20 30 40
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Na+(mg/L) OB-3OB-5
OB-6 NB-1 SW-1
10 20 30 40 50
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Ca2+(mg/L)
30 60 90 120
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SO42-(mg/L)
40 80 120 160 200
05/25 13:12 05/25 18:00 05/25 22:48 05/26 3:36 05/26 8:24 05/26 13:12 05/26 18:00
Time HCO3-(mg/L)
<그림 204> 장기양수에 의한 용존 이온 농도 변화
원수의 주요 이온종을 대상으로 물의 유형 및 진화 양상을 규명하고, 양수시험 이전과 양수 시의 이온 농도의 변화를 파악하기 위하여 파이퍼 다이아그램으로 도시하였다(그림 4). 그 결과 연구지역의 시료들은 Ca-HCO3유형, Ca-Cl-SO4유형을 보여준다. OB-5호공을 제외한 나머지 관정에서 Ca-Cl-SO4유형을 보여주는데, 이는 양수 초기에 하천수의 영향을 많이 받았으나 장 기양수로 인해 SO42-이온과 Cl-이온 함량이 감소하여 양수가 진행될수록 하천수의 영향이 적 어 Ca-Cl-SO4유형에서 Ca-HCO3유형으로 변화된다(그림 4 (b)). 양수시험을 실시하기 이전의 이온 농도와 비교하면 OB-3호공에서는 하천수, 강우 그리고 주변 오염물질의 영향으로 변화를 보이는데, 양수정과 나머지 관측정에서는 큰 변화는 나타나지 않는다.
(a) 양수시험 전(배경수질) (b) 양수시험 후
<그림 4> 지하수 및 지표수에 대한 파이퍼 다이아그램
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3. 결 론
양수시험시 양수관정으로부터 유입된 강변여과수의 수질의 지화학적 특성을 파악하였다.
그 결과 충적층에서 pH의 증가는 하천수, 강우 그리고 오염물질에 의해서 나타나는 것으로 판 단된다. 특히 이온성분 중에 철과 망간은 먹는 물 기준치 모두 초과하는 것으로 나타났다. 이는 충적지하수가 환원환경을 이루고 있으며, 이때 박테리아가 철ㆍ망간 산화물을 전자수용체로 이 용하여 철ㆍ망간 산화물이 Fe2+, Fe3+, Mn2+로 환원되면서 이온농도가 높게 나타난다.
이온 분석 결과, 양수시험 초기에는 이온 농도가 증감하였으나 장기양수시 수위가 안정화 되 면서 이온 농도 또한 안정화되었다. 양수시험시 OB-3, 6호공의 HCO3- 이온 함량은 상대적으 로 낮고, SO42- 이온 함량은 높게 나타나는데, 이는 장기양수 시 주변의 하천수가 양수관정으 로 유입되는 것으로 나타났다. 인위적인 오염물질의 지표인 NO3- 이온의 경우 OB-3, 6호공에 서 장기양수시 하천수, 강우 그리고 주변 오염물질의 유입으로 인하여 NO3- 이온 성분이 높게 나타난다. 연구지역의 HCO3-이온 농도가 높게 나타나고, 상대적으로 산화환원전위가 낮은 곳 에서 탈질화 현상이 발생하기 때문에 질산염(NO3-)농도가 낮아진다. 이로 인하여 철의 환원작 용에 의해 용존된 철 2가 이온(Fe2+) 농도가 증가되는 것으로 판단된다.
연구지역의 주요 이온종을 대상으로 물의 유형 및 진화 양상을 규명하고 양수시험에 의한 이온 농도 변화를 파악하였으며, 이를 파이퍼 다이아그램으로 도시한 결과 본 연구지역의 시료 들은 Ca-HCO3, Ca-Cl-SO4유형으로 나타났다.
사 사
연구는 21세기 프론티어 연구개발사업인 수자원의 지속적 확보기술개발사업단의 연구비지원 (과제번호 3-4-3)에 의해 수행되었습니다.
참고문헌
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