밀양지역 암반지하수의 수리지화학적 특성 연구
Hydrogeochemical Characteristics of Groundwater in the Bedrock Aquifers of the Miryang Area
김태형, 정상용1), 권해우, 유인걸2)
1) 부경대학교 환경지질과학과
2) 대한광업진흥공사 국내탐사팀
요약 (Abstract): This study identified the seasonal variation of groundwater quality and the hydrogeochemical characteristics in the bedrock aquifers of the Miryang area. The average concentrations of cations, anions, heavy metals and other inorganic components except nitrate were more decreased in November than August. Piper diagrams showed that Ca-HCO3 type was the most predominant in this area, and Ca-Cl, Na-Cl and Na-HCO3 type were in order. The number of Ca-Cl and Na-HCO3 type was more decreased in November than August, but that of Na-Cl type was more increased. This fact indicates that groundwater contamination was more increased in November than August. Factor analysis of groundwater quality expressed the possibility of seawater contamination in August and November, and the possibility of nitrate contamination in November. The seawater and nitrate contaminations were also shown very possibly below 80m in elevation.
주요어 (Keywords): Hydrogeochemical characteristics, piper diagram, factor analysis, seawater and nitrate contaminations.
1. 서론
연구지역인 경상남도 밀양시는 30년 간 연평균 강수량이 1,233mm로서 우리나라 전 체 연평균 강수량 1,283mm 보다 약간 적은 양이며, 강수량의 연도별, 계절별 변화가 심하고, 지표 저류시설의 부족 등으로 지하수의 의존도가 높아 지하수의 보전 및 관 리를 위해 체계적인 조사가 필요한 지역이다. 본 연구에서는 밀양지역에서 계절별로 지하수질을 분석하여 이에 따른 변화 양상과 수질유형을 분류하고, 다변량 통계분석 기법인 요인분석을 실시하여 수질에 영향을 주는 수리지화학적 특성을 파악하고자 하 였다. 이러한 수질 특성에 관한 수리지화학적 연구는 향후 밀양지역에서 발생할 수 있는 수질 문제에 대비하여, 지하수 보전 및 관리 대책의 수립에 필요한 기초 자료를
제공할 수 있을 것으로 기대된다.
2. 지형 및 지질
연구지역은 행정구역상 경상남도 밀양시 전역으로 1개시, 2개읍, 9개면으로 밀양시, 삼랑진읍, 하남읍, 부북면, 상동면, 산외면, 산내면, 단장면, 상남면, 초동면, 무안면, 청 도면이 포함된다. 전체면적은 798.98km2이며, 동서간 연장은 38km, 남북간 연장은 24.5km이다. 지리좌표는 동경 128°34'23＂에서 129°01'41＂이며 북위 35°20'30＂에서 35°38'07＂사이에 위치한다(밀양시 통계연보, 2003). 지형은 동, 북, 서측이 고지대의 산계를 형성, 지형적․수리적 분수령으로 작용하고, 남측단을 따라 동류하는 낙동강으 로 능선, 계곡 및 작은 수계들이 남향하면서 발달하고 있다. 중심부인 밀양시 남측으 로 평야가 넓게 분포하고 있다. 수계는 연구지역 중앙으로 밀양강이 남류하고 서측단 에 청도천이 또한 남류하여 연구지역 남단부에 걸쳐 동으로 유하하는 낙동강에 유입 되므로 연구지역의 수리적 경계로 작용한다. 또한 산내면에서 발원한 동천이 산외면 을 거쳐 사행하여 단장천, 밀양강과 합류한다.
지질구조의 주방향은 N40°E로 밀양단층이 연구지역 밖 동편 양산단층의 방향과 평 행한 방향성이 우세하다. 경상계 화산암류(주산안산암)가 연구지역 전역에 걸쳐 분포 하며, 상동면, 산외면, 단장면 일대에 불국사 관입암류가 일부 분포하여 주로 험준한 산계를 형성한다. 연구지역에서 기저지질인 진동층은 무안면 서측에 일부 존재한다.
그밖에 화산활동에 의한 응회암류들이 주로 연구지역 서측에 분포하며 반상석리를 포 함한 유동구조나 유리질 조직을 보이기도 한다. 관입의 영향이 없는 연구지역 남측에 서는 구릉성 저지대를 형성하고 있다(농림부․농어촌진흥공사, 1998). Fig. 1에 연구지 역의 지질도를 도시하였으며, 지질도에서 밀양단층은 실선으로 표시하였다.
3. 연구방법
연구지역에서 암반지하수를 대상으로 시료채취지점을 77지점 선정하였고, 선정된 지하수공의 심도 범위는 50～180m 사이였다. Fig. 2에 선정된 시료채취지점을 나타내 었고, 행정구역상 산내면, 단장면 및 삼랑진읍에 시료채취지점이 고루 분포되지 못했 는데 이는 산지의 발달로 지하수공 개발이 불가하기 때문이다. 시료채취는 2002년 8 월과 11월에 2회 걸쳐 수행되었다.
현장에서 시료채취 시 충분히 양수한 다음 수온, pH(수소이온농도), EC(전기전도 도)가 안정된 후 채취하였고, 알칼리도(alkalinity)는 0.02N HNO3용액을 이용하여 적 정법으로 현장에서 바로 분석하였다. 채취용기는 시료로 3회 정도 씻은 다음, 양이온 과 중금속 및 기타 무기 분석용 시료는 0.45㎛ 크기의 필터로 여과한 후 흡착을 방지 하기 위해 60%의 농질산으로 pH 2 이하로 안정시킨 후 4℃이하에서 냉장보관 하였
으며, 음이온 분석용 시료는 필터 여과 후 냉장보관 하였다. 채취된 시료의 분석은 대 한광업진흥공사에서 수행되었으며, 양이온과 중금속 및 기타 무기 성분은 원자흡광분 광기(AAS)와 유도결합플라즈마발광분광기(ICP-AES)를 이용하였고, 음이온은 이온크 로마토그래피(IC)를 이용하여 분석이 수행되었다.
A nd esitic ro ck s(C c a) Se dim en tary ro ck s(C c h ) P aly ong san tuff(C pt) C ho ng gaksan form atio n(K ch ) D yk es(K d) D acite (K d a) G ran odiorite (K fg d) R hyo litic roc ks(K fh ) B io tite granite (K g r) R hyo litic - dac itic tuff(K rdf) A lluviu m (Q a) P orph yry roc ks(Q p)
N E W
S
- Leg end - A nd esitic ro ck s(C c a) Se dim en tary ro ck s(C c h ) P aly ong san tuff(C pt) C ho ng gaksan form atio n(K ch ) D yk es(K d) D acite (K d a) G ran odiorite (K fg d) R hyo litic roc ks(K fh ) B io tite granite (K g r) R hyo litic - dac itic tuff(K rdf) A lluviu m (Q a) P orph yry roc ks(Q p) A nd esitic ro ck s(C c a) Se dim en tary ro ck s(C c h ) P aly ong san tuff(C pt) C ho ng gaksan form atio n(K ch ) D yk es(K d) D acite (K d a) G ran odiorite (K fg d) R hyo litic roc ks(K fh ) B io tite granite (K g r) R hyo litic - dac itic tuff(K rdf) A lluviu m (Q a) P orph yry roc ks(Q p)
N E W
S N
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S
- Leg end -
0 (m ) 50 00 (m ) 1 0 000 (m )
Fig. 1. Geological map of the study area (MOCT, 2003).
Fig. 2. Location map of sampling wells.
4. 연구결과 4.1. 지하수질 특성
분석된 지하수질 성분의 함량에 대한 최대값, 최소값, 평균, 중위수, 표준편차를 Table 1에 정리하였다. 주 요 양이온 인 Na+, K+, Ca2+ 및 Mg2+의 평균 농도는 8월 에 비해 11월 에 감소하 는 경향을 보 이고, 주 요 음이온 인 Cl-, HCO3- 및 SO42-
도 평균농 도가 감소하 는 경 향을 나타내 었다. CO32-는 8월 분 석 자 료에서 는 불 검출 로 나타났 으나, 11월 분석 자료 에서는 농 도가 검출되 었다. 중금속 및 기타 무기 성분도 모두 8월에 비해 11월 에 평균농 도가 감소 하는 경향 을 나타내 었으 나, NO3-N만 11월에 평 균농도 가 증가 함을 나 타내었 다. 계절별 로 분석 된 수질 성분 자 료의 검토 결과 , 이 와 같은 수질 성분 의 농 도 변화는 강수 량, 지하 수 사용 량 등에 의한 영 향으로 판단된 다.
Fig. 3은 지하수 질의 성분 에 대한 분석 결 과로부 터 수질 유형 을 파악하 고자 이를 파 이퍼 다이 아그램 (piper diagram)에 도 시하였 다. 연 구지역 의 수질 유형 은 Ca-HCO3형이 가장 우세하 고, Ca-Cl형 , Na-Cl형 및 Na-HCO3형 의 순으 로 나타 났다(Fig. 4). Ca-Cl형과 Na-HCO3형은 8월 에 비 해 11월에 감소 하는 경 향 을 나 타내고 , Na-Cl형 은 증가 하는 경 향을 나 타내는 데 이는 지하수 오염의 가 능성 을 지시 하는 것 으로 판 단된다 .
4.2. 요인분석
요인분석(factor analysis)은 여러 변수들 사이의 상관관계를 기초로 하여 정보의 손 실을 최소화 하면서 변수의 개수 보다 적은 수의 요인으로 자료 변동을 설명하는 다 변량 분석기법이다. 다른 다변량 분석기법과 차이가 나는 것은 독립변수와 종속변수 가 지정되지 않고 변수들 간의 상호작용을 분석하는데 있다.
지하수질 자료에 대한 요인분석의 변수들로는 Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, HCO3-
, SO42-
및 NO3-N의 8개 성분이고, 각각의 변수가 정규분포를 이루게 하기 위하여 대 수변환(log transform)을 해서 요인분석에 이용하였다. 수질 자료의 요인분석 적용가 능성을 점검한 결과, 8월의 수질자료에서는 SO42-
와 NO3-N을 제외한 변수들 간의 상 관관계가 높은 것으로 나타났고, 11월의 수질 자료에서는 NO3-N을 제외한 변수들 간 의 상관관계가 높은 것으로 나타났다. 수질 자료가 요인분석에 적합한지 여부를 판단 하기 위하여 KMO(Kaiser-Meyer-Olkin) 측도 및 바틀렛(Bartlett)의 구형성 검정(test of sphericity)을 실시한 결과, 8월과 11월의 수질 자료에서 KMO 측도는 각각 0.623, 0.744로 변수들의 상관관계에 대한 설명 정도가 좋은 것으로 나타났고, 바틀렛의 구형 성 검정에서는 8월과 11월의 수질 자료 모두 모상관행렬이 단위행렬을 이루지 않는 것으로 나타났다. 이러한 검정결과는 이들 자료가 요인분석을 적용하기에 적합함을
지시한다.
August, 2002 (mg/L) November, 2002 (mg/L)
G.Q. Max. Min. Mean Median S.D. G.Q. Max. Min. Mean Median S.D.
Al 1.82 0.01 0.15 0.06 0.28 Al 0.02 0.01 0.01 0.01 0.00
As 0.14 0.01 0.02 0.01 0.03 As 0.09 0.01 0.02 0.01 0.02
Cu 0.65 0.01 0.06 0.01 0.14 Cu 0.01 0.01 0.01 0.01 0.00
Fe 16.50 0.01 1.18 0.26 2.79 Fe 0.03 0.01 0.01 0.01 0.01
Pb 0.12 0.01 0.02 0.02 0.02 Pb 0.02 0.01 0.01 0.01 0.00
Mg2+ 63.20 0.49 10.80 7.75 10.89 Mg2+ 121.72 0.29 8.56 5.91 14.50
Zn 8.36 0.01 0.57 0.08 1.37 Zn 1.72 0.01 0.10 0.05 0.22
Mn 4.63 0.01 0.26 0.02 0.78 Mn 2.96 0.01 0.29 0.04 0.56
Cr 0.01 0.01 0.01 0.01 0.00 Cr 0.00 0.00 - - -
K+ 24.50 0.09 2.16 1.23 3.24 K+ 21.40 0.02 1.90 0.92 3.30
Na+ 412.00 0.08 40.15 20.70 69.99 Na+ 290.00 5.11 26.49 14.30 41.42
SiO2 48.20 2.14 21.45 21.10 8.46 SiO2 23.90 5.91 14.91 15.20 4.25
Li 0.25 0.01 0.03 0.02 0.05 Li 0.26 0.01 0.03 0.01 0.04
Sr 19.90 0.03 0.95 0.27 2.56 Sr 5.02 0.01 0.45 0.20 0.85
Ba 0.31 0.01 0.04 0.02 0.05 Ba 0.13 0.01 0.03 0.02 0.03
Ni 0.01 0.01 0.01 0.01 0.00 Ni 0.01 0.01 0.01 0.01 0.00
Co 0.01 0.01 0.01 0.01 - Co 0.01 0.01 0.01 0.01 0.00
Ca2+ 933.00 3.31 66.53 35.40 123.86 Ca2+ 292.00 2.86 40.03 25.50 48.49
F 1.29 0.01 0.19 0.08 0.27 F 4.85 0.01 0.19 0.06 0.59
Cl- 342.90 0.70 26.18 6.30 56.47 Cl- 862.61 0.12 25.86 5.84 99.68
NO3-N 27.60 0.10 3.69 2.30 4.39 NO3-N 62.49 0.02 6.37 3.97 10.00
SO42- 641.40 0.20 35.89 10.40 92.66 SO42- 648.53 0.50 28.92 6.25 87.94
PO4-P 0.10 0.10 0.10 0.10 - PO4-P 0.00 0.00 - - -
CO32- 0.00 0.00 - - - CO32- 5.28 1.32 3.30 3.30 2.80
HCO3- 400.16 6.10 89.04 69.54 64.83 HCO3- 246.44 8.54 73.76 68.32 51.01
Table 1. Statistics of the groundwater quality data
(a) August, 2002
(b) November, 2002 Fig. 3. Piper diagrams of the groundwater quality.
(a) August, 2002
(b) November, 2002 Fig. 4. Pie charts of the groundwater quality types.
Table 2와 3은 요인분석에 이용된 지하수질 변수들 간의 상관관계를 나타낸 것으로 SO42-
와 NO3-N을 제외한 변수들 간의 상관관계가 높은 것으로 나타났다.
Variable Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Cl- HCO3- SO42- NO3-N Na+ 1.000
K+ 0.676 1.000
Ca2+ 0.471 0.185 1.000
Mg2+ 0.604 0.508 0.664 1.000
Cl- 0.719 0.605 0.249 0.585 1.000
HCO3- 0.786 0.592 0.293 0.672 0.792 1.000 SO42-
0.036 -0.037 0.276 0.260 0.194 0.046 1.000
NO3-N 0.035 0.082 -0.031 0.231 0.110 0.083 -0.134 1.000 Table 2. Correlation matrix between groundwater quality variables for factor analysis (August, 2002)
Variable Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Cl- HCO3- SO42- NO3-N Na+ 1.000
K+ 0.940 1.000
Ca2+ 0.889 0.769 1.000
Mg2+ 0.958 0.924 0.884 1.000
Cl- 0.386 0.292 0.570 0.346 1.000 HCO3-
0.628 0.515 0.736 0.647 0.402 1.000 SO42-
0.244 0.081 0.437 0.104 0.582 0.168 1.000
NO3-N -0.050 -0.063 0.188 0.017 0.489 0.133 0.064 1.000 Table 3. Correlation matrix between groundwater quality variables for factor analysis (November, 2002)
Table 4와 5는 요인분석 결과로 얻어진 주요인들의 고유값(eigen value)과 이들 각 요인에 의해 설명되는 분산의 비율, 각 변수들의 요인부하량(factor loading)과 공통성 (communality)을 정리하였다. 여기에서 요인분석은 주성분분석(principal component analysis: PCA)방식에 의해 공통성을 추출하였고, 요인의 결정은 고유값이 1이상인 경우로 하였다. 변수들의 요인부하량이 어느 한 요인에 높게 나타나도록 요인축을 회 전시키는데 직각회전방식 중 베리멕스(Varimax)방식을 이용하였다. 요인부하량의 절 대값이 0.4 이상이면 유의한 변수로 간주하고 0.5를 넘으면 아주 중요한 변수라고 할 수 있다(강병서․김계수, 2001).
Table 4에서 8월의 수질 자료는 2개 요인이 총분산의 60.7%를 차지하고 있다. 다시 말하면 2개 요인이 전체 자료에 대하여 60.7%의 설명이 가능하다. 요인부하량은 요인 1에서는 Cl-, Mg2+, Na+, HCO3-, Ca2+ 및 K+의 순으로 높게 나타나며, 요인 2에서는 SO42-만 높게 나타났다. 요인 1에서 요인부하량이 높게 나타나는 Cl-, Mg2+, Na+ 및 K+는 일반 지하수에 비해 해수에 풍부한 수질성분들로서(Ruiz et al., 1990), 이들 변 수가 높은 요인부하량을 보이는 것은 요인 1이 해수에 영향을 받는 수리지화학적 작 용을 지시한다. 이는 연구지역 남단부에 걸쳐 동쪽으로 흐르는 낙동강의 원인으로 주 변지역 지하수에 영향을 주는 것으로 판단된다. HCO3-는 해수에 의해 영향을 받지 않 은 일반 지하수에서 우세한 성분인데(Jeen et al., 2001), Cl-, Mg2+, Na+ 및 K+와 높은 상관관계를 나타내는 것은 연구지역에서 해수에 영향을 받는 지하수와 일반 지하수가 같이 존재하고 있음을 지시한다. 요인 2에서는 SO42-성분만으로 수리지화학적 작용에 대한 구체적인 설명이 힘들다.
Variable Factor 1 Factor 2 Communality
log Na+ 0.771 0.102 0.604
log K+ 0.671 -0.118 0.464
log Ca2+ 0.686 0.291 0.555
log Mg2+ 0.797 -0.227 0.687
log Cl- 0.839 0.113 0.718
log HCO3-
0.748 -0.048 0.562
log SO42-
0.275 0.809 0.731
log NO3-N 0.240 -0.690 0.534
Eigen value 3.556 1.300
% of variance 44.451 16.248
Table 4. Factor matrix for groundwater quality variables by principal component analysis (August, 2002)
Variable Factor 1 Factor 2 Communality
log Na+ 0.920 -0.137 0.866
log K+ 0.575 -0.173 0.361
log Ca2+ 0.933 0.049 0.874
log Mg2+ 0.862 -0.008 0.744
log Cl- 0.828 0.404 0.848
log HCO3-
0.794 -0.120 0.645
log SO42-
0.613 0.258 0.442
log NO3-N -0.068 0.926 0.863
Eigen value 4.496 1.147
% of variance 56.201 14.338
Table 5. Factor matrix for groundwater quality variables by principal component analysis (November, 2002)
Table 5에서 11월의 수질 자료는 2개 요인이 총분산의 70.5%를 나타내고 있다. 요 인부하량은 요인 1에서 Na+, Ca2+, Mg2+, Cl-, HCO3-
, SO42-
및 K+의 순으로 높게 나 타나며, 요인 2에서는 NO3-N만 높게 나타났다. 요인 1은 8월의 수질 자료 요인분석 결과와 동일하게 연구지역에서 해수에 영향을 받는 지하수와 일반 지하수가 같이 존 재하고 있는 것으로 나타났고, 요인 2는 지표면의 인위적 오염원에 관련된 수리지화 학적 작용을 나타낸다. 질산성 질소의 배출원으로는 화학비료, 시비, 축산폐수의 유출, 정화조 시스템으로부터의 유출, 토양의 유기질소 등이 있다.
요인분석은 변수들을 요약하고 설명하는 것 이외에도 요인점수(factor score)를 산 정하여 요인분석에 포함되지 않은 다른 변수들간의 상관관계를 분석할 수 있는데, Fig. 5와 6은 요인분석에 이용된 각 변수들의 요인점수와 시료채취 지하수공의 표고 와의 산점도(scatter diagram)를 도시하였고, 요인분석에 이용된 각 변수들의 요인점 수와 시료채취 지하수공의 심도와의 상관관계는 연관성이 나타나지 않았다.
Fig. 5에 도시된 요인 1의 요인점수와 시료채취 지하수공의 표고와의 산점도에서 요인점수가 표고 80m를 경계로 이원화되어 있음을 나타내고 있다. 지하수공의 표고 80m 이하에서는 0 이상의 요인점수와 0 이하의 요인점수를 갖는 반면, 지하수공의 표 고 80m 이상에서는 대부분 0이하의 요인점수를 갖는다. 이는 요인 1에 의해 설명되는 해수에 영향을 받는 지하수와 일반 지하수가 같이 존재하는 지역이 표고가 80m 이하 지역에서 나타나고 있음을 지시한다. 요인 2의 요인점수와 지하수공의 표고와의 산점 도에서는 이러한 연관성이 나타나지 않았다.
Fig. 6의 산점도에서도 요인 1의 요인점수와 시료채취 지하수공의 표고가 80m를 경 계로 이원화되어 있는 것으로 나타났다. 해수에 영향을 받는 지하수와 일반 지하수가 같이 존재하는 지역의 표고가 80m 이하 지역임을 지시한다. 지표면의 인위적 오염원
인 NO3-N에 관련된 수리지화학적 작용을 나타내고 있는 요인 2의 요인점수와 지하 수공의 표고도 80m를 경계로 이원화되어 있는 것으로 나타났다. 이는 NO3-N의 수리 지화학적 작용이 많은 지역이 표고가 80m 이하 지역임을 지시하고 있다.
Fig. 5. Plots of factor scores for each of two factors versus elevation of wells (August, 2002).
Fig. 6. Plots of factor scores for each of two factors versus elevation of wells (November, 2002).
5. 결론
연구지역인 밀양지역에서 2002년에 암반지하수를 대상으로 계절별로 지하수질을 분 석한 결과에 의하면, 양이온, 음이온, 중금속 및 기타 무기 성분들은 8월에 비해 11 월에 평균농 도가 감 소하는 경향을 나타내 었으나 , NO3-N만 평균 농도가 증가함 을 나타 내었다 . 이와 같 은 수질 성분 의 농도 변화 는 강수량 , 지하수 사 용량 등 에 의 한 영향 으로 판 단된다 . 수 질 유형 은 Ca-HCO3형 이 가장 우세하 고, Ca-Cl
형, Na-Cl형 및 Na-HCO3형의 순으 로 나타났 다. Ca-Cl형과 Na-HCO3형은 8 월에 비 해 11월에 감소 하는 경향 을 나타내 었고, Na-Cl형은 8월에 비 해 11월에 증가 하는 경 향을 나 타내었 는데, 이는 지 하수 오 염의 가 능성을 지시한 다.
지하수질 자료 중 Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, HCO3-, SO42- 및 NO3-N의 성분을 이용 하여 실시한 요인분석 결과에 의하면, 8월과 11월의 수질 자료 모두 해수에 영향을 받는 지하수와 일반 지하수가 같이 존재하고 있는 것으로 나타나 해수에 의한 오염 가능성을 나타내었고, 11월의 수질 자료에서는 NO3-N에 의한 오염 가능성을 나타내 었다. 요인분석에 이용된 각 성분들의 요인점수를 산정하여 시료채취 지하수공의 표 고와의 상관분석 결과에 의하면, 연구지역에서 해수에 의한 오염 가능성 지역과 NO3-N에 의한 오염 가능성 지역 모두 표고가 80m 이하인 지역으로 나타났다.
참고문헌
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건설교통부․한국수자원공사, 2003, 지하수조사연보.
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