IEG 환경지질연구정보센터
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(2) 지하수토양환경 제25권 제2호. 2020년 6월. 《연구논문》 방사형 집수정의 적정 설계를 위한 조사 물량 제안 ·························································································································· 최명락·김규범*. 1. 비결정질철산화물 원위치 형성을 통한 비소오염토양 안정화 및 X선 분광분석법의 활용에 대한 연구 ·························································································· 박진희·정현용·김상현·안진성·남경필*. 9. 수리지화학적 추적자(222Rn, 주요용존이온)와 미생물 군집 분석을 통한 도심 지역 하천에서의 지하수 유출 특성 평가 ························································································· 오용화·김동훈·이수형·문희선·조수영*. 사단 법인. 한국지하수토양환경학회. 16.
(3) Journal of Soil and Groundwater Environment Vol. 25, No. 2. June 2020. 《Research Papers》 A Proposal for the Number of Investigation Wells for Optimal Radial Collector Well Design ································································································Myoung-Rak Choi·Gyoo-Bum Kim*. 1. Study on Stabilization of Arsenic in Soil through in situ Formation of Amorphous Fe Oxides and use of X-ray Absorption Spectroscopy ··································· Jinhee Park·Hyeonyong Chung·Sang Hyun Kim·Jinsung An·Kyoungphile Nam*. 9. Determining Characteristics of Groundwater Inflow to the Stream in an Urban Area using Hydrogeochemical Tracers (222Rn and Major Dissolved Ions) and Microbial Community Analysis ································ Yong Hwa Oh·Dong-Hun Kim·Soo-Hyoung Lee·Hee Sun Moon·Soo Young Cho*. Korean Society of Soil and Groundwater Environment. 16.
(4) J. Soil Groundwater Environ. Vol. 25(2), p. 1~8, 2020. https://doi.org/10.7857/JSGE.2020.25.2.001 ISSN 1598-6438 (Print), ISSN 2287-8831 (Online). ≪ Research Paper ≫. 방사형 집수정의 적정 설계를 위한 조사 물량 제안 최명락1·김규범2* 1. 대전대학교 일반대학원 방재학과 대전대학교 건설안전방재공학과. 2. A Proposal for the Number of Investigation Wells for Optimal Radial Collector Well Design Myoung-Rak Choi1·Gyoo-Bum Kim2* 1. Department of Disaster Prevention, Graduate School of Daejeon University Department of Construction Safety and Disaster Prevention, Daejeon University. 2. ABSTRACT In general, the estimation of optimum yield for the radial collector well is determined by the empirical equation or numerical modeling, in which hydraulic conductivity of the aquifer is a main influence factor. Hydraulic conductivities of 164 soil samples collected from boreholes and horizontal wells (average length: about 50 m) installed during well construction in the Anseong stream were drawn in two-dimensional map by the Kriging method and utilized in this study. Hydraulic conductivity analyses by Representative Elementary Count (REC) indicated the average hydraulic conductivity is similar to that of the pumping test when the number of samples reaches about 1,000, which correspond to 1,000 m2. Pumping test was also conducted at 1 pumping well and 13 observation wells to estimate hydraulic conductivities at each observation well. REC analysis indicated that the average value of hydraulic conductivity calculated from at least four observation wells is valid as a representative value. The overall result suggested that multiple observation wells or multiple pumping-observation well systems that are located within the range of horizontal wells should be utilized to properly estimate the representative hydraulic conductivity values and the yield of a radial collector well. Key words : Radial collector well, Representative Elementary Count, Hydraulic conductivity, Investigation well. 1. 서. 언. 관계에서 매우 중요한 요인으로 작용한다. 방사형 집수정 방식의 강변여과 설계시 취수량 예측은 경험식을 이용하. 인공함양 방법 중 하나인 강변여과(riverside infiltration). 거나 Modflow 등의 수치모델을 활용하는데, 이 때 취수. 는 강변 또는 호소변에 평행하게 일정한 간격의 우물 또. 량 예측에 있어 수리전도도가 큰 영향을 미치게 되므로. 는 수평집수관 등의 취수시설을 설치하여 강변 충적층의. 개발대상 지역의 대표 수리전도도의 산정이 중요하다. 방. 자연정화 효과를 이용하여 취수하는 방식으로 국내의 경. 사형 집수정을 대상으로 Milojevic, Kordas, Babac 등의. 우 창녕군, 합천군, 의령군 등 36개소가 개발 대상지로. 경험식을 이용한 취수량 추정의 적정성 평가 연구에 따르. 검토된 바 있다(K-water, 2002).. 면, 각 방법별로 수리전도도와 취수량은 비례하는 것으로. 강변여과수 개발에서 대수층의 수리특성은 취수량과의. 평가된 바 있다(Oh et al., 2012, Kim et al., 2014, Hong et al., 2016, Kim et al., 2018). 우리나라의 경우 방사. 주저자: 최명락, 대전대학교 일반대학원 방재학과 건설안전방재 공학전공, 박사과정 *교신저자: 김규범, 대전대학교 건설안전방재공학과, 교수 Email: [email protected]. 형 집수정의 설계시 조사비용을 고려하여 최소한의 양수. Received : 2020. 3. 23 Reviewed : 2020. 5. 12 Accepted : 2020. 6. 5 Discussion until : 2020. 9. 30. 지 않은 실정이다.. 시험 또는 시추조사에 의하여 수리상수를 추정하고 이로 부터 적정 취수량을 산정하고 있으나, 최적의 수리전도도 를 추정하기 위한 적정 물량에 대한 기준이 마련되어 있. 1.
(5) 2. 최명락·김규범. 본 연구에서는, 안성천에 설치된 방사형 집수정의 설계,. 쪽보다 높은 특성을 보인다. 수리전도도의 원자료 및 크. 시공시 채취되었던 수평집수관 및 수직정의 토양 시료로. 리깅에 의하여 생성된 자료의 히스토그램이 유사한 형태. 부터 추정된 수리전도도의 분포 자료 및 양수시험 자료를 이용하여, 대표 수리전도도를 결정하기 위하여 대표요소. 로 작도되어 합리적인 표본 추출이 가능함을 보여준다 (Fig. 2).. 개수(representative elementary count, REC)에 기초한 적. 연구 지역에는 2015년에 수평집수관 7개를 갖는 방사. 정 조사공의 개수를 제안하고자 하였다.. 형 집수정 1기가 설치되었으며, 지표로부터 6.5 m 하부의 모래자갈층에 위치한 수평집수관은 직경 200 mm, 길이. 2. 연구 방법. 30~70 m로 굴착되어 있다(Choi et al., 2019). 방사형 집수정의 평면상 규모별로 적정 조사공의 수가. 연구에 사용된 입도 분석 자료는 안성천의 방사형 집수. 달라질 수 있으므로, 상기 수리전도도 분포도를 반경. 정 굴착시 채취된 수평집수관의 2 m 간격의 토양 시료. 20 m, 30 m, 40 m, 50 m, 60 m, 70 m로 분류하여 분석. 156개, 관측정 굴착시 채취된 토양 시료 8개 등 총 164. 영역을 설정한 후 각 영역내에서 임의의 표본을 추출하도. 개로서, 수리전도도는 Carman(1956) 및 Slichter(1898)의. 록 하였다(Fig. 1 참조). 표본 추출은 임의의 지점 100개. 식(1), (2)에 의하여 추정한 후 두 결과의 평균을 구하여. 부터 2,000개까지 점차 증가시키면서 추출한 후 평균 수 리전도도를 산정하였으며, 각 반경별로 각기 다른 케이스. 사용하였다(Fig. 1; Choi et al., 2019). 3. 를 10 회 반복하여 추출하였다. 이와 같이 표본의 수와. g n –3 2 K = --- 8.3 10 ----------------- d10 2 1 – n. (1). g –2 3.287 2 K = --- 1.0 10 n d10 . (2). 평균 수리전도도의 분포를 도시한 후 대표요소체적 (representative elementary volume, REV)과 유사하게 대. 여기에서, K는 수리전도도(L/T), g는 중력가속도(L/T2), 는 동점성계수(L2/T), n은 공극율, d10은 유효입경(L)이다. Carman 식은 중립질 토양이고 유효입경이 3 mm 이하 일 때 사용할 수 있으며 Slichter 식은 유효입경이 0.01~5 mm 일 때 사용할 수 있다. 이들 자료는 단순-크리깅 (linear variogram)을 통하여 2차원적 분포로 도시하여 1 m 간격의 약 35,000개의 데이터를 생성하였으며, 분석 을 위한 표본 추출의 기본 자료로 활용하였다. 위 식을 이용하여 추정한 연구지역 수리전도도의 공간적 분포는 방사형 집수정을 기준으로 북쪽과 남서쪽이 북서쪽과 동. Fig. 1. Location of soil sampling point around the radial collector well: contouring for a distribution of hydraulic conductivity and dotted circles for target area with diverse radius.. Fig. 2. Comparison of two histograms for hydraulic conductivity: (a) original and (b) kriging result. J. Soil Groundwater Environ. Vol. 25(2), p. 1~8, 2020.
(6) 방사형 집수정의 적정 설계를 위한 조사 물량 제안. 3. 지게 된다(Fig. 1 참조). 따라서, 방사형 집수정의 수평집 수관의 규모 및 분포를 고려하여 토양 시료 채취 및 입 도 분석을 수행해야 상대적으로 적정한 수리전도도 추정 이 가능함을 보여준다. 따라서, 본 현장과 같이 수평집수관이 약 50 m 정도 굴착되어 있는 경우에는 이 범위내에서 약 1,000개 정도 의 자료를 취득하면 표준편차가 2 m/day 이내로서 표본의 균질성이 확보되고 수리전도도가 의미 있음을 알 수 있다 (Fig. 4b). 그러나, 실제 현장에서 토양 입도분석에 의한 Fig. 3. Concept of representative elementary count.. 수리전도도를 수 백 개 이상 취득하는 것은 거의 불가능 하다. 따라서, 이들 입도분석에 의한 평균 수리전도도의 분포 특성과 실제 양수시험 결과와의 비교를 통하여 적정. 표요소개수(REC)의 개념을 적용하여 적정 표본의 수를 결. 수리전도도를 산정하는데 필요한 양수시험용 우물 및 관측. 정하였다(Katagiri et al., 2020). 대표요소개수(REC)는 대. 정의 수 및 상응하는 분석 영역에 대하여 검토해 보았다.. 표요소체적과 유사하게 전체를 대표하는 값을 산출 할 수. 한편, 방사형 집수정의 수직 우물통 인근에서 설계 단. 있는 가장 작은 면적에 해당하는 것으로서 표본의 크기를. 계에서 양수시험을 실시하였는데, 양수정 1개소에서 취수. 증가시킬수록 일정한 값으로 수렴하여 안정화되기 시작할. 하고 20~30 m 내에 위치한 13개 관측정에서 지하수위를. 때의 값을 추출하는 방법이다(Fig. 3; Kim et al., 2004).. 측정하였으며, 이들 각 관측정에서의 수위 자료를 토대로 각 지점별 수리전도도를 산정하였다(Fig. 5). 양수시험에. 3. 적정 조사 수량 분석. 의한 수리전도도는 입도분석과 달리 양수정의 영향권 내 에 위치한 대수층의 평균적인 수리특성을 반영하는 것으. 각 분석영역에 대하여 표본의 수에 따른 평균 수리전도. 로서 양수정과 관측정 사이의 대수층 분포 특성에 의하여. 도를 도시하였다(Fig. 4a). 반경 20 m 및 30 m 분석 영. 지배를 받는다. 각 관측정에서 분석된 수리전도도는 방향. 역의 경우는 평균 수리전도도가 각각 약 60.8 m/day 및. 별, 지점별로 다양한 값을 보이고 있다. 현장 양수시험 시. 52.9 m/day로서 실제 양수시험에서 얻어진 수리전도도. 적정 관측정의 개수를 검토하고자 인근 13개 관측정의 수. 41.6 m/day와 비교할 때 지나치게 높은 값을 보였는데. 리전도도 자료를 이용하여 위와 동일한 방법으로 임의의. (Kim et al., 2018), 이는 표본의 대표성이 결여되었음을. 지점 1개부터 12개까지 표본을 추출하였으며, 각기 다른. 의미한다. 또한, 최소 30 m 최대 70 m의 수평집수관 7개. 케이스를 10회 반복 추출하였다. 적정 개수 추출 결과 본. 로 구성된 방사형 집수정의 규모를 고려할 때 반경. 양수시험에서는 4개 정도의 관측정이 운영된다면 추정된. 20~30 m 이내의 입도 분석 자료로는 대수층의 전반적인. 평균 수리전도도가 40.3 m/day를 기준으로 표준편차가 약. 특성을 설명하는데 부족함을 의미한다.. 3 m/day 이내로 나타나 전체 평균과 유사해 지는 것으로. 반면에, 반경 40 m와 50 m인 경우의 평균 수리전도도. 평가되었다(Fig. 6). 또한, 이 경우 각 방향별로 수리전도. 는 약 44.7 m/day 및 42.9 m/day로서 양수시험 결과와. 도를 추정하는 것이 가능해 지기 때문에 수평집수관의 설. 유사함을 보여준다. 양수시험 결과와 약간의 차이가 존재. 계에 도움이 된다.. 하는 것은 입도분석에서 구해진 수리전도도의 원 자료와. 상기에서 입도 분석에 의한 적정 개수 1,000개에 대한. 크리깅에 의하여 생성된 자료의 분포에 미세한 차이가 존. 평균 수리전도도를 단일 영역에서 추출한다고 가정하면. 재하기 때문으로 보인다(Fig. 2 참조). 그러나, 반경 60 m. 가로 33 × 세로 33 m 범위에 해당된다. 한편, 1개 양수정. 및 70 m의 평균 수리전도도는 약 37.2 m/day 및 35.1. 주변에 4개 관측정의 위치와 방향이 매우 다양할 수 있는. m/day로 나타나 양수시험 결과보다 작은 것으로 나타났다.. 데, 두 방향 이상에 4개가 존재하는 경우(최소 반경 약. 이와 같은 결과는, 반경 40~50 m는 방향별 수평집수관의. 7 m, 최대 반경 약 18 m) 또는 단일 방향으로 4개가 존. 분포 범위를 대부분 포함하는 영역인 반면에, 그 이상의. 재하는 경우(최소 반경 약 15 m, 최대 반경 약 20 m) 등. 범위에서는 1개 수평집수관을 제외하고는 굴착되어 있지. 을 평균적으로 검토하면 1개 양수정과 4개 관측정이 차지. 않고 토양 시료도 채취되지 않았기 때문에 대표성이 낮아. 하는 면적은 반경 약 15~16 m 정도로 고려할 수 있다 J. Soil Groundwater Environ. Vol. 25(2), p. 1~8, 2020.
(7) 4. 최명락·김규범. Fig. 4. Distribution of the relationship between hydraulic conductivity and sample count for each target size: a) 10 cases, b) standard deviation of 10 cases. J. Soil Groundwater Environ. Vol. 25(2), p. 1~8, 2020.
(8) 방사형 집수정의 적정 설계를 위한 조사 물량 제안. 5. (Fig. 5 참조). 이를 일반화하면, 1,000개의 수리전도도 평. 평집수관의 설계에 의하여 영향을 받게 되는데, 보다 정. 균값이 의미하는 면적은 평균적으로 반경 약 15~16 m 지. 확한 설계를 위해서는 각 수평집수관 주변의 대수층 수리. 점에 4개의 관측정을 갖는 양수시험 시 구해진 수리전도. 특성의 이방성이 평가되어야 한다. 1개 양수정에 의한 수. 도의 평균과 유사함을 알 수 있다. 이 면적은 1,000개 수. 리전도도 추정 결과는 이와 같은 방향별 대수층의 수리특. 리전도도가 차지하는 단일 면적의 약 70~80%에 해당하. 성을 구분할 수 없으나, 다수의 관측정 및 양수정은 방향. 는 것으로서, 양수 시 지하수의 3차원 흐름이 발생되는. 별 수리특성을 제공해 주어 이방성을 파악할 수 있도록. 영역이 관측정 외곽에도 존재하고 곡선 흐름이 존재하는. 함으로서 보다 정확한 수평관의 설계를 가능하게 한다.. 점을 고려할 때 적정한 것으로 파악된다.. 이상 결과를 종합해 보면,. 그러나, 실제 강변여과수의 조사 단계에서 수행하는 양. 1) 방사형 집수정의 수평집수관의 설치 범위를 고려하. 수시험은 양수정 1개 및 관측정 1개로 이루어지는 경우가. 여 토양 시료 채취 및 입도분석에 의한 수리전도도. 일반적이다. 따라서, 대표성을 갖는 정확한 수리전도도를. 추정이 필요한데, 각 방향별 수평집수관의 평균 길이. 추출하기 위해서는 1) 1개 양수정과 4개의 관측정으로 구. 가 지배하는 면적 내에서 토양 시료 분석이 수행되. 성된 1 세트의 실험 체계가 기본적으로 요구되며, 대안으. 어야 함을 보여주고 있다.. 로서 2) 양수정 1개와 관측정 2개로 구성된 2 세트의 실. 2) 또한, 이 지배 면적 하에서 최대한 많은 수의 입도. 험 체계, 또는 3) 양수정 1개와 관측정 1개로 구성된 4. 분석이 가능할 수 있으나, 조사단계의 수직정에서 충. 세트의 실험 체계 등이 가능하며, 이로부터 산정된 다수. 분한 토양 시료를 얻는 것은 비용적인 측면에서 거. 의 수리전도도가 필요하다. 방사형 집수정의 취수량은 수. 의 불가능하다. 따라서, 적정 수준의 양수정과 관측 정을 설치하여 평균 수리전도도를 구하는 것이 필요 하다. 3) 이 때 양수정과 관측정을 각각 1개씩 굴착하여 시험 하는 것은 산정된 수리전도도의 대표성이 매우 낮을 것으로 추정되므로, 최소 4개의 관측정을 설치하거나 양수정과 관측정으로 구성된 다수의 실험 세트를 설 치하여 실험 후 평균을 취하는 것이 바람직한 것으 로 나타났다.. 4. 타 지역 적용성 한편, 양수정과 관측정의 구성을 달리하는 경우에도 유 사한 결과를 얻을 수 있는지 평가하기 위하여 창녕군 증 Fig. 5. Location of pumping well and observation wells and their hydraulic conductivities in the study area.. 산리 지역에서 실시한 양수시험 자료를 분석하였다 (Taeyoung Construction, 2015). 이 지역에는 1개 양수정. Fig. 6. Distribution of the relationship between hydraulic conductivity and the number of monitoring wells in the study area: a) 10 cases, b) standard deviation of 10 cases. J. Soil Groundwater Environ. Vol. 25(2), p. 1~8, 2020.
(9) 6. 최명락·김규범. 과 2~5 m 이격된 지점의 5개 관측정이 설치되었으며, 장. 산리 지역의 경우처럼 관측정의 공간적 영역이 수 m 이. 기양수시험 및 회복시험 등을 통하여 결정된 수리전도도. 내로 좁은 경우는 오차를 발생시킬 수 있기 때문에 수평. 는 65.2 m/day로 평가되었다. 안성천의 사례와 유사하게. 집수관의 분포 범위를 고려한 양수시험 설계가 필요해 보. 임의의 1개부터 5개까지 수리전도도 표본을 추출한 후 평. 인다.. 균을 구하였으며 총 10회 반복 수행하였다(Fig. 7). 임의. 한편, 본 연구는 안성천에 국한된 토양 입도 분포 조건. 의 4개 수리전도도를 추출한 경우는 평균 64.0 m/day를. 에 대하여 분석한 것으로서, 본 연구 결과를 타 지역에. 기준으로 표준편차 3.7 m/day 이내의 값을 보여 당초 수. 확대 적용하기 위해서는 표본 추출의 동일성이 검증되어. 리전도도와 유사한 값을 보이고 있다(Fig. 8). 그러나, 이. 야 하는데, 이를 위하여 타 지역 간의 토양 입도 분포의. 값은 강변여과수 사업 진행과정에서 추가적인 양수시험. 유사성을 검토하였다. 안성천에 비하여 수 배 이상 큰 규. 등을 통하여 결정된 수리전도도 71.3 m/day와는 차이를. 모의 충적층을 갖는 낙동강 지역인 창녕군 증산리 지역. 보이고 있다. 이 원인은 처음 실시하였던 양수시험시 양. 강변여과수 개발 현장의 토양 입도의 분포 특성을 검토하. 수정과 관측정의 거리가 가까워 지배 면적이 작은 것이. 고자, 방사형 집수정 주변 시추공 20개에서 지표하 31 m. 영향을 미친 것으로 보인다. 따라서, 기본적으로는 1개 양. 까지 2 m 간격으로 채취된 토양시료 82개의 입도 분석. 수정에 최소 4개의 관측정을 설치하거나 전 절에서 언급. 자료를 이용하여 안성천과 동일한 방법으로 수리전도도를. 한 다수의 양수-관측 세트를 설치하는 것이 필요하며, 증. 추정하고 평균값을 산정한 바 있다(Kim et al., 2018). 금회 분석한 안성천의 수리전도도와 창녕군 증산리의 수 리전도도에 대한 히스토그램 분포 분석 결과, 두 지역 공 히 낮은 수리전도도의 분포가 많이 나타나는 positive skewness 특성을 잘 보이며, skewness 값은 안성천은 2.694, 창녕군 증산리는 2.927로 유사하게 나타났다(Fig. 2 및 Fig. 9). 이와 같은 분포의 유사성은 두 지역에서 유사한 규모의 무작위 표본 추출이 가능함을 보여주고 있 으며, 대표요소개수(REC)를 활용한 본 연구의 결과를 타 지역에서도 적용 가능함을 의미한다. 또한, 금회 분석에서 는 수직정에서 취득된 토양의 수리전도도가 분석에 활용 되었는데, 수평집수관에서 산정된 수리전도도와 수직정의 수리전도도의 분포가 유사한 것으로 평가된 바 있어 다수 의 수직정에서 취득된 수리전도도도 활용 가능함을 알 수 있다(Kim et al., 2018). 본 연구에서는 안성천의 사례인 반경 약 50 m 정도의. Fig. 7. Location of pumping well and observation wells and their hydraulic conductivities in Changnyeong area.. 방사형 집수정을 대상으로 수리전도도 산정에 필요한 토 양 시료 채취의 적정 범위 및 조사 물량을 검토하였다.. Fig. 8. Distribution of the relationship between hydraulic conductivity and the number of monitoring wells in Changnyeong area: a) 10 cases, b) standard deviation of 10 cases. J. Soil Groundwater Environ. Vol. 25(2), p. 1~8, 2020.
(10) 방사형 집수정의 적정 설계를 위한 조사 물량 제안. 7. 정확한 대표 수리전도도 산정이 어려운 만큼, 위와 유사 한 효과를 얻기 위해서는 다수의 시스템(예를 들면, 1개 양수정과 2개 관측정 시스템 2 세트 또는 1개 양수정과 1개 관측정 시스템 4 세트)으로 구성된 현장 실험이 수행 될 필요가 있다. 방사형 집수정에 의한 강변여과수의 적정 취수량 산정 은 대수층의 수리전도도에 의하여 영향을 받을 뿐 아니라, 방향별 입도 분포 및 수리 특성 등을 반영한 정확한 수 평집수관의 설계에 의해서도 영향을 받는다. 따라서, 강변 여과수 개발에 있어서 클로깅 등 취수량을 감소시키는 추 Fig. 9. Histograms of hydraulic conductivity in Changnyeong area (Kim et al., 2018).. 가적인 요인이 존재하기도 하나, 보다 정확한 설계에 의 한 안정적 취수량 확보를 위해서는 조사 단계에서의 대수 층의 이방성에 대한 평가가 체계적으로 규명되어야 한다.. 본 연구에서는 방사형 집수정의 수평집수관의 규모별로 적정 조사 물량을 제시하기에는 양수시험 자료가 부족하. 사. 사. 여 수행되지 못하였으나, 국내 대부분의 수평집수관이 70 m를 넘지 않으므로 본 연구 결과를 참고하여 적정 조. 본 연구는 환경부(한국환경산업기술원)의 수요대응형 물. 사 물량을 검토한다면 최적 취수량 산정에 필요한 대표. 공급 서비스사업 과제(상시 가뭄지역의 지하수 최적공급. 수리전도도 산정에 효과적일 것으로 판단된다.. 관리를 위한 IoT 기반 인공함양 및 Well network 기술 개발, #146523)의 지원으로 수행되었습니다.. 5. 토의 및 결언. References. 우리나라는 이상 가뭄 등에 대비한 수원 다변화 정책의 일환으로 대하천을 중심으로 강변여과수 개발 사업이 수 행되고 있다. 그러나, 현재까지 강변여과수의 적정 취수량 을 평가하기 위하여 필요한 대표 수리전도도를 결정하는 조사 물량에 대한 기준이 마련되어 있지 않다. 사업의 발 주 기관 및 수행 시공사 등에서는 예산 절감 차원에서 방사형 집수정 1기당 1개 정도의 양수시험을 수행하고 있 는 실정인데, 이와 같은 시험 물량으로는 반경 60~70 m 의 방사형 집수정의 양수 영향권 내의 수리특성의 대표 값을 구하거나 방향별 이방성을 찾는 것은 용이하지 않다. 따라서 본 연구에서는 대표요소개수 기법을 적용하여 방 사형 집수정 설계 시 대표 수리전도도 추출을 위한 적정 조사 개수를 분석하였다. 대표요소개수 기법을 적용하여 적정 조사물량을 추정한 결과 반경 약 50 m의 방사형 집 수정 설계 시 1 m 간격의 1,000개의 입도 분석에 의한 수리전도도 평균이 의미 있는 것으로 나타났다. 이 결과 와 유사한 정확한 수리전도도를 산정하기 위해서는 최소 양수정 1개에 관측정 4개가 필요한 것으로 분석되었으며, 이를 통하여 방향별 수리전도도의 이방성을 파악하는데 도움이 된다. 따라서, 현재 일반적으로 1개 양수정과 1개 관측정으로 구성된 실험 체계가 현장에서 수행되고 있어. Carman, P.C., 1956, Flow of gases through porous media. Butterworths Scientific Publications, London. Choi, M.R., Lee, H.J., and Kim, G.B., 2019, Relationship between groundwater level changes and aquifer characteristics during pumping a radial collector well, J. Eng. Geol., 29(3), 279-288. Hong, S.W., Song, S.H., An, J.G., and Kim, J.S., 2016, Agricultural Radial Collector Wells in South Korea and Sustainability, J. Eng. Geol., 26(3), 331-337 Katagiri, J., Kimura, S., and Noda, S., 2020, Significance of shape factor on permeability anisotropy of sand: representative elementary volume study for pore-scale analysis. Acta Geotechnica. https://doi.org/10.1007/s11440-020-00912-0. Kim, G.B., Jeong, J.H., and Lee, S.H., 2014, Evaluation of groundwater yield from riverbank filtration system considering water levels’ increase in the middle Nakdong River. J. Geo. Soc. Korea, 50(3), 401-407. Kim, G.B., Lee, H.J., and Choi, M.R., 2018, Applicability and limitations of groundwater yield estimation equations for radial collector wells, J. Eng. Geol., 28(3), 443-453. Kim, G.B., Lee, J.Y., and Lee, K.K., 2004, Application of representative elementary area (REA) to lineament density analysis J. Soil Groundwater Environ. Vol. 25(2), p. 1~8, 2020.
(11) 8. 최명락·김규범. for groundwater implications, Geo. Sci. J., 8(1), 27-42.. ron., 17(3), 10-20.. K-water, 2002, Report on the development of riverside filtration and its amount, 56p.. Slichter C.S., 1898, Theoretical investigations of the motions of groundwater, USGS, 295–384.. Oh, S.H., Jeong, J.H., and Park, S.G., 2012, Evaluation of pumping capacity of radial collector wells using Milojevic’s equation in the National River Watershed, Korea, J. Soil Groundw. Envi-. Taeyoung Construction, 2015, Geotechnical survey report on the riverside filtration facility construction in the Nakdong River (Section 1), 148p.. J. Soil Groundwater Environ. Vol. 25(2), p. 1~8, 2020.
(12) J. Soil Groundwater Environ. Vol. 25(2), p. 9~15, 2020. https://doi.org/10.7857/JSGE.2020.25.2.009 ISSN 1598-6438 (Print), ISSN 2287-8831 (Online). ≪ Research Paper ≫. 비결정질철산화물 원위치 형성을 통한 비소오염토양 안정화 및 X선 분광분석법의 활용에 대한 연구 박진희1·정현용1·김상현1·안진성2·남경필1* 1. 서울대학교 건설환경공학부 세명대학교 바이오환경공학과. 2. Study on Stabilization of Arsenic in Soil through in situ Formation of Amorphous Fe Oxides and use of X-ray Absorption Spectroscopy Jinhee Park1·Hyeonyong Chung1·Sang Hyun Kim1·Jinsung An2·Kyoungphile Nam1* 1. Department of Civil & Environmental Engineering, Seoul National University, 1 Gwanak-ro, Gwanak-gu, Seoul 08826, Republic of Korea 2 Department of Biological & Environmental Engineering, Semyung University, 65 Semyung-ro, Jecheon-si, Chungcheongbuk-do 27136, Republic of Korea. ABSTRACT This study was conducted to investigate the in situ formation of amorphous Fe oxides as a stabilization technology in Ascontaminated soil. After addition of ferric nitrate and the neutralizing agent, most of extractable fractions of As in soil (i.e., SO42- and PO43--extractable As) was converted into As bound to amorphous Fe oxides. In addition, results of solubility bioavailability research consortium (SBRC) test indicated that a significant amount of As in untreated soil changed to a non-bioaccessible form after stabilization. The reason was attributed to the newly formed amorphous Fe oxides in the stabilized soil, which was confirmed by linear combination of fitting (LCF) using X-ray absorption spectroscopy (XAS) analysis. Interestingly, after five months of aging of the stabilized soil, ferrihydrite and schwertmannite newly formed in the soil were transformed to crystalline Fe oxides such as goethite, and further decrease in SBRC extractable fraction of As was observed. The results suggest that co-precipitated As with amorphous Fe oxides can be further immobilized with time, due to the crystallization of amorphous Fe oxides. Key words : Co-precipitation, Arsenic, Amorphous Fe oxides, Crystallization, X-ray absorption spectroscopy (XAS). 1. 서. 론. 오염물질의 이동성(mobility) 및 생물학적이용성(bioavailability)을 낮추기 위한 안정화 공법이 적용되고 있다. 중금속으로 인한 토양오염이 발생하는 경우 오염원 및. (Jeong et al., 2016; Yang et al., 2016). 특히 토양 내. 부지의 특성에 따라 다양한 정화공법을 선택하여 적용할. 에서 산화 음이온으로 존재하는 비소는 철산화물과 쉽게. 수 있으나, 현장에서의 토양 굴착 및 적극적 정화공법의. 결합할 수 있는 것으로 알려져 있어 철화합물을 기반으로. 적용이 어려운 경우 환경매질 내에 안정화제를 주입하여. 한 안정화 공법이 연구되어 왔다(An et al., 2019; Gimenez et al., 2007; Voegelin and Hug 2003). 기 형성된 철산. 주저자: 박진희, 서울대학교 건설환경공학부 공동저자: 정현용 박사후연구원, 서울대학교 건설환경공학부, 김상현 박사후연구원, 서울대학교 건설환경공학부, 안진성 교수, 세명대학교 *교신저자: 남경필 교수, 서울대학교 건설환경공학부 E-mail: [email protected]. 화물을 비소오염토양에 주입하는 경우에는 일반적으로 흡 착(adsorption)을 통한 안정화 효과를 기대할 수 있는 것 으로 알려져 있다(An et al., 2017; Jeong et al., 2016). 그러나 실제로 비소오염토양에 원위치 안정화 공법을 적 용하여 비소의 화학적 추출성 및 Solubility/bioavailability. Received : 2020. 4. 30 Reviewed : 2020. 5. 7 Accepted : 2020. 6. 5 Discussion until : 2020. 9. 30. research consortium(SBRC)를 통한 경구 생물학적접근성 (bioaccessibility)을 평가한 결과 안정화 효과는 비특이적 9.
(13) 10. 박진희·정현용·김상현·안진성·남경필. 으로 결합된 비소의 감소에 국한될 뿐만 아니라 생물학적. 양을 대상으로 에이징 효과에 따른 비소 및 철산화물에. 접근성의 감소율은 최대 19% 정도에 불과한 것으로 확인. 대한 화학적 추출성, 생물학적접근성평가 및 XAS 분석을. 되었다(An et al., 2019).. 통해 적용된 안정화 공법의 장기적 안정성을 추가적으로. 일반적으로 기 형성된 철산화물에 비소가 유입되는 환경. 검증하고자하였다.. 에서는 흡착과 같은 현상을 통해 비소와 철산화물의 결합. 2. 재료 및 방법. 이 발생하는 것으로 알려져 있다. 그러나 비소가 존재하는 상태에서 철산화물이 형성되는 경우 비소와 철산화물이 함 께 침전되면서(co-precipitation) 보다 안정한 형태로 비소가 결합될 수 있다고 알려져 있다(Crawford et al., 1993). 광. 2.1. 시료채취 및 토양특성분석. 산폐수와 같은 용액 상의 중금속을 효과적으로 제거하기. 풍건하여 2 mm 체 거름한 임야 토양을 As(V) 용액 (13.3 mM sodium arsenate dibasic heptahydrate solution). 위해 철산화물 공침과 같은 기작이 활용되고 있으나(Dave. 과 혼합하여 3일 간 교반하여 인공오염시킨 후 실험에 사. and Chopda 2014; Mello et al., 2018) 실제 중금속 오염. 용하였다. 전함량 분석 결과(USEPA 1996), 토양시료의. 토양의 원위치 안정화 기술로써의 활용에 대한 연구는 미. 비소농도는 1,014 mg/kg으로 확인되었다. 토양 시료에 대. 비한 실정이다. 공침현상을 이용한 기술은 산성광산배수 및. 해 토양 pH, 유기물 함량, Fe/Al/Mn 산화물 함량, 양이. 중금속 함유 폐수의 처리를 위해서도 사용될 수 있다는 점 에서 그 활용성이 높고(Gault et al., 2005; Regenspurg et. 온 교환능 및 토성(texture)을 분석하였다(Table 1) (An et al., 2017; Gee and Bauder 1986; Sumner and Miller. al., 2004; Wang et al., 2003) 비소가 철산화물과 공침되. 1996; Thomas 1996; USEPA 1996; Walkley and Black. 었을 때 흡착에 비해 화학적 추출성이 낮은 형태로 존재. 1934). Table 1에 나타낸 토양 시료의 물리화학적특성은. 하게 된다는 점에서(Jeong et al., 2017) 비소오염토양에. 다음과 같다. 위 시료는 모래(sand) 및 실트(silt)의 함량. 이를 적용하는 경우 비소의 생물학적이용성을 효과적으로. 이 높은 sandy loam 으로 분류되었으며, CEC 는 27.31. 감소시킬 수 있을 것으로 기대할 수 있다.. cmol/kg, 유기물 함량은 8.9%로 확인되었다. 또한 안정화. 이에 본 연구에서는 토양 내에서 비결정질 철산화물를 형성시키고 그 과정에서 비소를 보다 화학적 추출성이 낮. 전 토양 시료에서의 철산화물의 함량은 2,527 mg/kg 수준 으로 확인되었다.. 은 공침의 형태로 안정화시킬 수 있으며 현장에서 굴착 없이 용이하게 적용될 수 있는 원위치 비소오염토양 안정. 2.2. 비소오염토양 원위치 안정화 실험. 화 공법을 제시하고자 하였으며, SBRC를 통해 평가한 비. 토양 내에서 비결정질 철산화물을 형성시키고 토양 비. 소의 생물학적접근성을 바탕으로 본 공정에 대한 위해저. 소와의 공침을 유도하기 위해 토양시료에 질량 대비 2%. 감효과를 검증하고자 하였다. 또한 비결정질 철산화물 형. 수준의 3가 철(Iron (III) nitrate nonahyrate, Daejung,. 성을 통한 원위치 안정화 공법을 수행함에 따라 토양 내. +98.0% purity)을 주입하고 고액비 30%(v/w) 가량이 되. 에 형성될 수 있는 비결정질 철산화물의 종류와 변화를. 도록 증류수를 주입하였다. 토양에서의 비결정질 철산화. 규명하고자 X-ray absorption spectroscopy(XAS) 분석을. 물의 형성 및 침전을 유도하기 위해 고체 시약의 NaOH. 활용하였다. 선행연구를 통해 토양에서의 에이징 효과에. 를 이용하여 pH를 7로 조절한 후 24시간 동안 상온에서. 따라 비소의 화학종(speciation) 및 생물학적접근성의 변화. 반응시킨 후 해당 토양시료를 “안정화 토양(stabilized. 에 대한 연구가 수행된 바 있으나(Tang et al., 2007;. soil)”으로 명명하였으며, 장기적인 비소의 안정화 효과를. Wang et al., 2015) 실제 철산화물 원위치 형성을 통한. 검증하기 위하여 다섯 달 동안 상온에서 에이징을 수행한. 안정화 공법을 적용한 후 토양에서의 에이징 효과를 확인. 토양시료의 경우 “안정화 후 에이징 토양(aged soil after. 한 사례는 전무하다. 따라서 본 연구에서는 안정화 후 토. stabilization)”으로 구분하였다.. Table 1. Physicochemical properties and As concentrations of the soil used in this study As conc. Sample (mg/kg) soil. 1,014. pH. Organic matter (%). 5.9. 8.9. Cation exchange capacity (cmol/kg) 27.31. Oxides (mg/kg). Texture (%). Fe. Al. Mn. sand. silt. clay. 2,527. 280. 74. 55.2. 31.5. 13.3. J. Soil Groundwater Environ. Vol. 25(2), p. 9~15, 2020. Classification sandy loam.
(14) 비결정질철산화물 원위치 형성을 통한 비소오염토양 안정화 및 X선 분광분석법의 활용에 대한 연구. 11. Table 2. Method of sequential extraction of As in soil used in this study Fraction 1 2. Chemical form Non-specifically bound As Specifically bound As. Extractant 0.05 M (NH4)2SO4 0.05 M (NH4)H2PO4. 3. As bound to amorphous Fe/Al oxides. 0.2 M NH4-oxalate buffer (pH 3.25). 4. As bound to crystalline Fe/Al oxides. 5. Residual As. Extraction conditions 4 h shaking at room temperature 16 h shaking at room temperature 4 h shaking at room temperature (in the dark). 0.2 M NH4-oxalate buffer + 30 min in a water basin at 96 ± 3oC 0.1 M ascorbic acid (pH 3.25) 9 mL HNO3 + 3 mL HF + 1 mL H2O2 Microwave-assisted acid digestion + 1 mL dH2O at 180oC for 15 min. 2.3. 토양 내 비소의 화학적 추출성 평가 원위치 비소오염토양 안정화 적용성을 평가하기 위해. 2.4. X선 흡수 분광법(X-ray absorption spectroscopy) 분석. Wenzel의 5단계 연속추출 방법에 따라 토양 내 비소의. 토양 시료 및 다양한 reference 물질 간 Extended X-. 화학적 추출성을 조사하였다(Wenzel et al., 2001). 토양. ray absorption fine structure(EXAFS) 데이터의 선형조합. 에 비특이적으로 결합한 비소(Non-specifically sorbed. 피팅(Linear combination fitting)을 통해 토양 내 비결정. As: F1)와 특이적으로 결합한 비소(Specifically sorbed. 질 철산화물의 형성여부를 확인하였다. 또한 안정화시킨. As: F2)를 추출하기 위해 각각 (NH4)2SO4와 (NH4)H2PO4. 토양을 상온에서 다섯 달 동안 에이징시킨 후 토양 내. 용매를 사용하였다. 반면에 철산화물에 흡착 또는 공침하. 비소 및 철산화물에 대한 변화를 관찰하여 이에 따른 장. 여 존재하는 비소의 경우 비결정질에 결합한 비소(As. 기적 안정화 효과를 검증하고자 하였다. 이에 앞서 안정. bound to amorphous Fe oxides: F3), 결정질에 결합한. 화 공법 전후 토양 내 비소의 산화수를 확인하기 위하여. 비소(As bound to crystalline Fe oxides: F4)로 구분할. As K-edge 스펙트럼의 X-ray absorption near edge. 수 있는데, 이는 각각 NH4-oxlate buffer(pH 3.25) 용액. structure(XANES) 분석을 수행하였다. As K-edge 스펙트. 과 NH4-oxalate buffer/ascorbic acid(pH 3.25) 용매를. 럼은 포항공과대학교 가속기 연구소의 빔라인 10C를 형. 이용하여 추출하였다. 최종적으로 잔류성 비소(Residual. 광 모드(fluorescence)로 측정하였으며, 안정화 전후 토양. As: F5)의 농도는 USEPA 3052 방법에 따라 추출하였다. 시료 내 비소의 산화수는 3가 비소(iAs(III), arsenite) 및. (USEPA 1996). 각 단계별 추출을 완료한 용액을 원심분. 5가 비소(iAs(V), arsenate)의 XANES 스펙트럼 분석을. 리(14,000 g, 15 min)하고 0.45 μm(Pall, Port Washington,. 통해 결정되었다. 안정화 전후 토양 시료에 존재하거나 혹은 존재하게 될. NY) 필터로 거른 후 ICP-OES(inductively coupled plasma optical emission spectrometer(iCAP7000 Series, Thermo. 것으로 예상되는 다양한 철산화물을 준비하여 Fe K-edge. Scientific, USA)를 이용하여 상등액의 비소 농도를 분석. 선형조합피팅을 위한 reference 시료로 활용하였다. 토양. 하였다. 단계별 추출방법에 대해 보다 자세한 내용은. 시료 및 reference 시료에서의 Fe K-edge 스펙트럼은 포. Table 2에 나타내었다.. 항공과대학교 가속기 연구소의 빔라인 10C를 통해 투과. 인체로 유입되어 생물학적으로 이용될 수 있는 비소의. 모드(transmission mode)로 측정하였다. 결정질 철산화물. 농도를 평가하기 위하여 in vitro 생물학적접근성평가방법. 인 hematite(α-Fe2O3), goethite(α-FeOOH), magnetite(Fe3O4). 인 SBRC를 수행하였다(Ruby et al., 1999). 인체로 유입. 와 비결정질 철산화물로 구분되는 ferrihydrite((Fe3+)2O3·. 된 토양입자의 위(Stomach phase)에서의 소화과정을 모사. 0.5H2O). 하기 위해 HCl을 이용해 pH 1.5 ± 0.05 수준으로 조절한. 사용하여 안정화 전 토양(original soil), 안정화 후 토양. 0.4 M glycine buffer 용액을 사용하였다. 모사된 인공 소. (stabilized soil), 안정화 후 에이징 토양(aged soil after. 및. schwertmannite(Fe8O8(OH)6(SO4)·nH2O)를. 화액을 100 mL 취하여 150 µm 이하로 체거름시킨 토양. stabilization)의 철산화물 구성을 확인할 수 있는 선형조합. 시료 1 g과 혼합하여 교반하고(37oC, 1 hr) 필터링 후 상. 피팅(Linear combination fitting: LCF)을 수행하였다. 각. 등액의 비소 농도를 분석하였다. 최종적으로 토양 내 비. 시료의 Extended X-ray absorption fine structure(EXAFS). 소의 생물학적접근성은 전체 비소 농도 중에서 SBRC 방. 스펙트럼을 바탕으로 k-range 2.0-9.0 Å-1에서 선형조합피. 법을 통해 추출된 비소의 농도 비를 통해 결정하였다 (Yang et al., 2014)]. 팅을 수행하고 안정화 전후 토양에서의 철산화물 변화를 조사하였다. 데이터의 보정, 정규화, 선형조합피팅 등은 J. Soil Groundwater Environ. Vol. 25(2), p. 9~15, 2020.
(15) 12. 박진희·정현용·김상현·안진성·남경필. ATHENA software를 사용하여 진행하였다 (Ravel and Newville 2005).. 3. 결과 및 고찰 3.1. 토양시료의 물리화학적특성 및 비소오염특성 Table 1에 나타낸 토양 시료의 물리화학적특성은 다음 과 같다. 위 시료는 모래(sand) 및 실트(silt)의 함량이 높 은 sandy loam으로 분류되었으며, CEC는 27.31 cmol/kg, 유기물 함량은 8.9% 로 확인되었다. 또한 안정화 전 토 양 시료에서의 철산화물의 함량은 2,527 mg/kg 수준으로 확인되었다. 분석 결과는 Table 1을 통해 확인할 수 있다. 3.2. 비소오염토양의 원위치 안정화 효과 안정화 전후 토양 내 비소의 화학적 결합 형태에 대한 변화는 두드러지는 것으로 확인되었다(Fig. 1). 안정화 전 토양에서는 약 62.9% 가량의 비소가 SO42-, PO43-에 의 해 용출이 되었으며, 이는 화학적 추출성이 높은 F1과. Fig. 1. Changes of the chemical forms and bioaccessibility of As in soil before and after stabilization. Stabilized soil was aged for five-months at room temperature, which sample was classified as ‘Aged-after stabilization’.. F2 형태의 비소이다. 그러나 안정화 후 토양에서는 그 비 율이 약 2배 이상 감소하였으며, 대신 비결정질 철산화물 과 결합된 비소인 F3가 21.4%에서 52.3%까지 큰 폭으로 증가되었다. 예비실험을 통해 질산철만을 주입하여 반응 을 완료한 토양에서는 F3가 증가하지 않으나 질산철과 중 화제를 모두 주입하여 안정화를 유도한 토양에서만 F3이 증가되는 것이 확인되었다. 따라서 안정화 후 F3의 증가 는 새롭게 생성된 비결정질 철산화물에 의한 것으로 판단 할 수 있다. 실제 안정화된 토양 내 철산화물의 함량 또 한 8 배 이상 증가된 것으로 확인되었다. 일반적으로 철산화물과 결합한 비소는 F1과 F2에 비해 (Wang et al., 2017; Wang et al., 2015) 화학적 추출성 이 낮은 편이지만, 화학적 결합의 종류에 따라 그 생물학 적접근성이 달라질 수 있는 것으로 알려져 있다. 실제 Ferrihydrite에 흡착된 비소에 비해 철산화물의 침전과정에 서 공침된 비소가 화학적추출성과 생물학적접근성 모두 현저히 낮은 것으로 확인되었다(Jeong et al., 2017). SBRC 방법을 통해 비소의 생물학적접근성을 평가한 결 과, 안정화 전 토양 내 비소의 생물학적접근성은 77%였 으며 이를 연속추출결과와 비교해 보면 F1, F2 대부분과 F3의 41% 정도에 해당되는 것을 알 수 있다(Fig. 1). 이. Fig. 2. Oxidation states of As in soil before and after stabilization, which were confirmed by XANES analysis.. 는 화학적추출성이 높은 것으로 알려진 F1과 F2뿐만 아 니라 비결정질 철산화물과 결합하고 있는 F3 형태의 비. 적접근성은 33%까지 감소하였는데 이를 바탕으로 F1, F2. 소도 상당량이 생물학적으로 이용 가능한 형태일 수 있음. 대부분과 F3 중 극히 일부(5%)만이 안정화 후 SBRC에. 을 의미한다. 반면, 안정화 직후 토양에서 비소의 생물학. 의해 추출되는 것을 확인할 수 있었다.. J. Soil Groundwater Environ. Vol. 25(2), p. 9~15, 2020.
(16) 비결정질철산화물 원위치 형성을 통한 비소오염토양 안정화 및 X선 분광분석법의 활용에 대한 연구. 13. 자연환경에서 유입된 토양 내 비소는 공극수로 용출되. 다는 것으로 해석될 수 있다. 실제로 Sb(V)와 Se(IV) 등. 는 과정에서 토양에 존재하는 철/알루미늄 산화물 등에 흡. 의 경우 ferrihydrite와 공침된 후 에이징 효과에 의해. 착하여 존재할 수 있는 것으로 알려져 있다(An et al.,. hematite나 goethite와 같은 결정질 철산화물로 변화되는. 2017). 그러나 토양 환경의 변화로 인해 비소가 철산화물. 과정에서 철산화물 격자에 격리된 상태로 고정(immobili-. 에 흡착하는 경우에도 비소의 생물학적접근성은 크게 감. zation)되거나 입자의 집적(aggregation)에 의해 더욱 안정. 소하지 않을 수 있다. 실제로 철산화물을 기반으로 한 안. 한 형태로 유지될 수 있음이 확인되었다(Francisco et al.,. 정화제를 비소오염토양에 주입하여 원위치 안정화 공법을. 2018; Mitsunobu et al., 2013). 이에 본 연구에서는 추. 수행한 경우, 철산화물에 결합한 비소의 증가에도 불구하. 가적으로 X-선 흡수 분광법의 선형조합피팅을 활용하여. 고 생물학적접근성의 측면에서 주목할 만한 수준으로의. 안정화 공법 적용에 따른 토양 내 철산화물의 구성에 대. 감소는 관찰되지 않았다(An et al., 2019; An et al.,. 한 변화를 관찰하였다.. 2017). 그러나 본 연구에서는 비결정질철산화물의 원위치. Fe K-edge EXAFS 스펙트럼 분석을 통해 안정화 전후. 형성을 통해 비소-철산화물 공침을 유도하고 이에 따른. 토양에서의 철산화물 변화를 확인하기에 앞서 As K-edge. 생물학적접근성 저감 효과를 달성할 수 있다는 사실을 확. XANES 분석을 수행하여 안정화 전후 비소의 산화수를. 인하였다.. 확인하고자 하였다. 안정화 전후 토양을 대상으로 3가 및 5가 비소의 XANES 스펙트럼과 비교한 결과 안정화 공. 3.3. 철산화물 결정화에 의한 장기적 안정화 효과. 법을 적용한 후에도 토양 내 비소는 환원되지 않고 5가. 안정화된 토양에서의 비소의 생물학적접근성은 시간이. 비소 상태로 유지되는 것으로 나타났다(Fig. 2). 또한 Fe. 지남에 따라 더욱 감소되는 것으로 나타났다(Fig. 1). 안. K-edge EXAFS 스펙트럼을 바탕으로 안정화 전후 토양시. 정화 후 토양을 상온에서 다섯 달 동안 에이징시킨 결과. 료에 대하여 reference 물질과 선형조합피팅을 수행한 결. 비소의 생물학적접근성은 안정화 직후 토양에 비해 43%. 과를 Fig. 3에 나타내었다. 안정화 전 토양에서는. 정도 더 감소되었다. 또한 연속추출 결과 에이징된 토양. schwermtannite와 goethite가 존재하는 것이 확인되었으나. 에서는 결정질 철산화물에 결합한 비소인 F4의 분율이. 안정화 공법을 적용한 후에는 토양에서 비결정질철산화물. 14.0%에서 23.5%까지 큰 폭으로 증가하였다. 이는 안정. 인 ferrihydrite와 schwertmannite이 새롭게 형성되는 것으. 화 직후 침전된 비결정질 철산화물이 시간이 지남에 따라. 로 확인되었다. 그러나 안정화 후 토양을 상온에서 다섯. 결정화될 수 있다는 것을 시사한다. 또한 비결정질 철산. 달 동안 에이징시킨 경우에는 ferrihydrite와 schwertmannit. 화물과 결합하여 안정화된 비소가 철산화물이 결정화됨에. 의 비율이 큰 폭으로 감소하였고 오히려 결정질 철산화물. 따라 화학적 추출성이 더욱 낮은 형태로 안정화될 수 있. 인 goethite의 비율이 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 4).. Fig. 3. (A) Fe K-edge EXAFS spectra of the (a) aged soil after stabilization, (b) stabilized soil, and (c) original soil. Dotted line indicates the fitted results with various reference materials. (B) Radial structure functions (RSF) of the soils. J. Soil Groundwater Environ. Vol. 25(2), p. 9~15, 2020.
(17) 14. 박진희·정현용·김상현·안진성·남경필. Fig. 4. Mineralogical changes of Fe oxides in original soil, freshly stabilized soil, and aged soil after stabilization. The compositional results were acquired from EXAFS-LCF.. 이를 바탕으로 비결정질 철산화물 형성을 통한 비소 오염. Hazard. Mater., 367, 137-143.. 토양 안정화 공법을 적용하는 경우에는 에이징 과정에서. An, J., Yang, K., Kang, W., Lee, J.S., and Nam, K., 2017, Risk Mitigation Measures in Arsenic-contaminated Soil at the Forest Area Near the Former Janghang Smelter Site: Applicability of Stabilization Technique and Follow-up Management Plan, J. Soil Groundw., 22(6), 1-11.. 토양 내 철산화물이 더욱 안정한 형태로 결정화될 수 있 을 뿐만 아니라 이 과정에서 비소와 철산화물의 결합이 오랫동안 유지될 수 있다는 사실을 확인하였다.. 4. 결. 론. 본 연구에서는 비결정질 철산화물의 원위치 형성을 통 해 토양 비소의 공침을 유도하였고 그로 인한 생물학적접 근성 저감 현상을 확인하였다. 화학적 추출시험을 통해 안 정화된 토양에서 생물학적접근성이 낮은 형태인 비소-철 산화물 형성의 증가를 확인하였으며, X-선 흡수 분광법을 통해 ferrihydrite와 schwertmannite와 같은 비결정질 철산 화물이 안정화 과정에서 토양에 형성 및 침전될 수 있다 는 사실을 발견하였다. 나아가 시간이 경과함에 따라 이 러한 비결정질 철산화물이 결정화되는 것을 확인하였으며 이는 안정화된 비소의 장기적인 안정화 효과를 기대할 수 있다는 것을 의미할 수 있다.. 사. 사. 본 연구는 환경부의 재원으로 한국환경산업기술원의 지 중환경오염∙위해관리기술개발사업의 지원을 받아 연구되 었습니다(2018002450002). 또한, 서울대학교 공학연구원 의 기술적 지원에도 감사드립니다.. Crawford, R.J., Harding, I.H., and Mainwaring, D.E., 1993, Adsorption and coprecipitation of single heavy metal ions onto the hydrated oxides of iron and chromium, Langmuir, 9(11), 3050-3056. Dave, P.N. and Chopda, L.V., 2014, Application of iron oxide nanomaterials for the removal of heavy metals, J. Nanotechnol., 2014(1), 1-14. Francisco, P.C.M., Sato, T., Otake, T., Kasama, T., Suzuki, S., Shiwaku, H., and Yaita, T., 2018, Mechanisms of Se (IV) coprecipitation with ferrihydrite at acidic and alkaline conditions and its behavior during aging, Environ. Sci. Technol., 52(8), 4817-4826. Gault, A.G., Cooke, D.R., Townsend, A.T., Charnock, J.M., and Polya, D.A., 2005, Mechanisms of arsenic attenuation in acid mine drainage from Mount Bischoff, western Tasmania, Sci. Total Environ., 345(1-3), 219-228. Gee, G.W. and Bauder, J.W., 1986, Particle-size analysis, Methods of Soil Analysis: Part 1, Physical and Mineralogical Methods, Soil Science Society of America Inc., Madison, WI, USA, 383-411. Gimenez, J., Martinez, M., de Pablo, J., Rovira, M., and Duro, L., 2007, Arsenic sorption onto natural hematite, magnetite, and goethite, J. Hazard. Mater., 141(3), 575-580.. References. Jeong, S., Moon, H.S., Yang, W., and Nam, K., 2016, Applicability of Enhanced-phytoremediation for Arsenic-contaminated Soil, J. Soil Groundw., 21(1), 40-48.. An, J., Jeong, B., and Nam, K., 2019, Evaluation of the effectiveness of in situ stabilization in the field aged arsenic-contaminated soil: Chemical extractability and biological response, J.. Jeong, S., Yang, K., Jho, E.H., and Nam, K., 2017, Importance of chemical binding type between As and iron-oxide on bioaccessibility in soil: Test with synthesized two line ferrihydrite, J. Hazard. Mater., 330, 157-164.. J. Soil Groundwater Environ. Vol. 25(2), p. 9~15, 2020.
(18) 비결정질철산화물 원위치 형성을 통한 비소오염토양 안정화 및 X선 분광분석법의 활용에 대한 연구. 15. Mello, J.W.V.d., Gasparon, M., and Silva, J., 2018, Effectiveness of arsenic co-precipitation with Fe-Al hydroxides for treatment of contaminated water, Rev. Bras. Cienc. Solo., 42.. Voegelin, A. and Hug, S.J., 2003, Catalyzed oxidation of arsenic (III) by hydrogen peroxide on the surface of ferrihydrite: an in situ ATR-FTIR study, Environ. Sci. Technol., 37(5), 972-978.. Mitsunobu, S., Muramatsu, C., Watanabe, K., and Sakata, M., 2013, Behavior of antimony (V) during the transformation of ferrihydrite and its environmental implications, Environ. Sci. Technol., 47(17), 9660-9667.. Walkley, A. and Black, I.A., 1934, An examination of the Degtjareff method for determining soil organic matter, and a proposed modification of the chromic acid titration method, Soil Sci., 37(1), 29-38.. Ravel, B. and Newville, M., 2005, ATHENA, ARTEMIS, HEPHAESTUS: data analysis for X-ray absorption spectroscopy using IFEFFIT, J. Synchrotron Radiat., 12(4), 537-541.. Wang, J.W., Bejan, D., and Bunce, N.J., 2003, Removal of arsenic from synthetic acid mine drainage by electrochemical pH adjustment and coprecipitation with iron hydroxide, Environ. Sci. Technol., 37(19), 4500-4506.. Regenspurg, S., Brand, A., and Peiffer, S., 2004, Formation and stability of schwertmannite in acidic mining lakes, Geochim. Cosmochim. Acta, 68(6), 1185-1197.. Wang, Y., Zeng, X., Lu, Y., Bai, L., Su, S., and Wu, C., 2017, Dynamic arsenic aging processes and their mechanisms in nine types of Chinese soils, Chemosphere, 187, 404-412.. Ruby, M.V., Schoof, R., Brattin, W., Goldade, M., Post, G., Harnois, M., Mosby, D., Casteel, S., Berti, W., and Carpenter, M., 1999, Advances in evaluating the oral bioavailability of inorganics in soil for use in human health risk assessment, Environ. Sci. Technol., 33(21), 3697-3705.. Wang, Y., Zeng, X., Lu, Y., Su, S., Bai, L., Li, L., and Wu, C., 2015, Effect of aging on the bioavailability and fractionation of arsenic in soils derived from five parent materials in a red soil region of Southern China, Environ. Pollut., 207, 79-87.. Sumner, M.E. and Miller, W., 1996, Cation exchange capacity and exchange coefficients. Methods of Soil Analysis: Part 3, Chemical Methods, Soil Science Society of America Inc., Madison, WI, USA, 1201-1229.. Wenzel, W.W., Kirchbaumer, N., Prohaska, T., Stingeder, G., Lombi, E., and Adriano, D.C., 2001, Arsenic fractionation in soils using an improved sequential extraction procedure, Anal. Chim. Acta, 436(2), 309-323.. Tang, X.-Y., Zhu, Y.-G., Shan, X.-Q., McLaren, R., and Duan, J., 2007, The ageing effect on the bioaccessibility and fractionation of arsenic in soils from China, Chemosphere, 66(7), 1183-1190.. Yang, K., Jeong, S., Jho, E.H., and Nam, K., 2016, Effect of biogeochemical interactions on bioaccessibility of arsenic in soils of a former smelter site in Republic of Korea, Environ. Geochem. Health, 38(6), 1347-1354.. Thomas, G.W., 1996, Soil pH and soil acidity, Methods of Soil Analysis: Part 3, Chemical Methods, Soil Science Society of America Inc., Madison, WI, USA, 475-490. USEPA, 1996, Method 3052-Microwave Assisted Acid Digestion of Siliceous and Organically Based Matrices.. Yang, K., Kim, Y.-J., Im, J., and Nam, K., 2014, Determination of human health risk incorporated with arsenic bioaccessibility and remediation goals at the former Janghang smelter site, J. Soil Groundw., 19(4), 52-61.. J. Soil Groundwater Environ. Vol. 25(2), p. 9~15, 2020.
(19) J. Soil Groundwater Environ. Vol. 25(2), p. 16~23, 2020. https://doi.org/10.7857/JSGE.2020.25.2.016 ISSN 1598-6438 (Print), ISSN 2287-8831 (Online). ≪ Research Paper ≫. 수리지화학적 추적자(222Rn, 주요용존이온)와 미생물 군집 분석을 통한 도심 지역 하천에서의 지하수 유출 특성 평가 오용화1·김동훈1·이수형1·문희선1,2·조수영1* 1. 한국지질자원연구원 지질환경연구본부 지하수연구센터 2. 과학기술연합대학원대학교 광물·지하수자원학과. Determining Characteristics of Groundwater Inflow to the Stream in an Urban Area using Hydrogeochemical Tracers (222Rn and Major Dissolved Ions) and Microbial Community Analysis Yong Hwa Oh1·Dong-Hun Kim1·Soo-Hyoung Lee1·Hee Sun Moon1,2·Soo Young Cho1* 1. Groundwater Research Center, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM) Department of Mineral and Groundwater Resources, Korea University of Science and Technology (UST). 2. ABSTRACT In this work, 222Rn activity, major dissolved ions, and microbial community in ground- and surface waters were investigated to characterize groundwater inflow to the stream located in an urban area, Daejeon, Korea. The measured 222 Rn activities in groundwater and stream water ranged from 136 to 231 Bq L-1 and 0.3 to 48.8 Bq L-1, respectively. The spatial distributions of 222Rn activity in the stream strongly suggested groundwater inflow to the stream. The change of geochemical composition of the stream water indicated the effect of groundwater discharge became more pronounced as the stream flows downstream. Furthermore, microbial community composition of the stream water had good similarity to that of groundwater, which is another evidence of groundwater discharge. Although groundwater inflow could not be estimated quantitatively in this study, the results can provide useful information to understand interactions between groundwater and surface water, and determine hydrological processes governing groundwater recharge and hydrogeological cycles of dissolved substances such as nutrients and trace metals. Key words : Groundwater inflow, 222Rn, Hydrogeochemistry, Microbial community analysis, Stream. 1. 서. 론. 성 지표면의 증가로 인해, 강수 시 지하수 함양량이 감소 하고 지표유출이 증가하게 되었다. 또한, 매립지나 공장에. 1960년대 이후, 우리나라는 고도의 경제성장과 함께 도. 서 배출되는 다양한 오염물(TCE, PCE 등)은 도심의 지. 시의 급격한 팽창이 이루어졌다. 이러한 도시화로 인한 주. 하수를 오염시키기도 한다(Yun, 2014). 대전에 위치한 갑. 거지/택지의 증가, 자연녹지/농지의 감소 등으로, 대도시의. 천 유역의 지하수 관정 수는 약 22,000개이고, 이들 관정. 지하수는 양과 질 측면에서 큰 영향을 받기 시작했다. 에서 연간 약 6,000 m3의 지하수가 생활용수로 이용되고. (Yun, 2014). 특히, 도심지역의 아스팔트화로 인한 불투수. 있기 때문에(Kim and Hong, 2011), 도심 지역에서의 지 하수 이용 또한 농촌 지역 못지 않게 중요한 실정이다.. 주저자: 오용화, 박사후 연수자 공저자: 김동훈, 선임연구원; 이수형, 선임연구원; 문희선, 책임연 구원 *교신저자: 조수영, 책임기술원 E-mail: [email protected]. 이러한 환경 변화와 더불어, 우리나라 하천은 하상 경 사가 급하고 유로 연장이 짧기 때문에 지속적 사용 가능 한 지하수 확보와 관리에 매우 불리한 조건이다. 또한, 우 리나라는 최근 극심한 가뭄으로 지하수 부족 현상을 겪고. Received : 2020. 6. 8 Reviewed : 2020. 6. 10 Accepted : 2020. 6. 19 Discussion until : 2020. 9. 30. 있고 있다. 따라서, 하천의 유량과 지하수 이용 가능량에 영향을 미치는 하천이나 강에서의 지하수 유출에 대한 연 16.
(20) 수리지화학적 추적자(222Rn, 주요용존이온)와 미생물 군집 분석을 통한 도심 지역 하천에서의 지하수 유출 특성 평가. 17. 구는 중요하지만, 국내에서는 아직 활발히 진행되고 있지. Jr., 2004; Hinkle et al., 2001; Lamontagne et al.,. 않은 실정이다. 지표면을 통한 강우 유출과는 달리, 하천. 2005; Yehdeghoa et al., 1997).. 이나 강에서의 지하수 유출은 강우 종료 이후에도 장기간. 이러한 자연 추적자 중,. 222. Rn(반감기: 3.8일)은 무색무. 지속적으로 하천 유량과 수위에 영향을 주기 때문에, 하. 취의 방사성 기체로, 암석이나 토양에 존재하는 우라늄의. 천이나 강에서의 지하수 기저 유출에 대한 연구는 기후. 붕괴로 생성된 뒤, 대기 중으로 방출되거나 물–토양 반응. 변화와 관련된 물 수지 분석에 있어 중요할 뿐만 아니라,. 에 의해 지하수로 함유된다. 따라서, 지하수 중. 222. Rn 농. 지하수 함양량 산정 연구에 중요한 기저유출분리와 관련. 도는 지표수에 비해 상대적으로 100-1,000배 정도 높기. 된 연구에서도 활용될 수 있다. 또한, 지하수 오염이 심한. 때문에,. 지역에서의 지하수 유출에 의한 오염물질의 지표수로의. 적으로 연안, 하천, 습지 등 여러 수 환경에서 활발히 진. 유입량 산정과 관련된 연구에서 기본적인 자료를 제공할 수 있음으로, 지하수-지표수 상호작용(지하수의 지표수로. 행되고 있다(Cook et al., 2008; Gilfedder et al., 2015; Kim et al., 2011; Su et al., 2011).. 의 유입 또는 지표수의 지하수로의 유입)에 대한 이해는. 본 연구에서는 계룡산에서 시작하여 도심 지역인 대전. 도심 지역의 지하수 오염 및 활용과 정책 결정에 매우. 을 통과하는 화산천(약 7 km)과 주변 지하수 관정에서 1. 중요한 요소이다.. 년 동안 총 9차례에 걸쳐 시공간적으로 하천수와 지하수. 하천에서의 지하수 유출을 평가하기 위한 방법으로,. 중. 222. Rn을 지하수 추적자로 이용한 연구가 전 세계. 222. Rn 농도를 조사하고, 주요 용존이온, 미생물 군집. seepage meter를 이용하여 하천 기저를 통해 하천으로 유. 분포 자료 분석을 통해 하천으로 유입되는 지하수 유출. 입되는 지하수 유출량을 직접적으로 측정하거나(Lee,. 특성을 파악하고자 하였다.. 1977), 수문지질학적 모델을 이용하여 연안지역, 농촌지역. 2. 연구 지역 및 방법. 등 다양한 환경의 대수층에서의 지하수 유동을 파악하여 지표수-지하수 상호작용을 연구하는 방법 등이 있다 (Nyholm et al., 2002; Rodríguez et al., 2005). 또한, 222. 2.1. 연구 지역의 지질 및 지형. Rn, 물 동위원소. 연구 지역인 화산천은 대전광역시 유성에 위치한 계룡. (δ18O and δ2H) 등의 환경 추적자 조사와 수리지구화학적. 산 상류에서 발원하여, 성전천, 진잠천과 함께 갑천으로. 조사를 통해 지하수의 유출 특성에 대한 연구도 활발히. 합류되는 하천이다(Fig. 1). 화산천 부근의 지질은 주로. 진행되고 있다(Cartwright and Gilfedder, 2015; Conant. 중생대 복운모화강암과 충적층으로 이루어져 있다. 화산. 전기전도도, 주요용존이온(Na, Si 등),. Fig. 1. Sampling locations of stream water and groundwater in the Hwasan Stream. J. Soil Groundwater Environ. Vol. 25(2), p. 16~23, 2020.
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