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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.41 No.6 pp.630-646
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2020.41.6.630

Chemical Characteristics of Shallow Groundwater in an Agricultural District of Hyogyo-ri Area, Chungnam Province

Hang-Tak Jeon1, Se-Yeong Hamm1*, Eun-Gyeong Choi2, HyunKoo Kim3, MoonSu Kim3, Ki-Hoon Park4, Woo-Ri Lim1
1Department of Geological Sciences, Pusan National University, Busan 46241, Korea
2GI Co., Busan 47598, Korea
3Soil and Groundwater Research Division, National Institute of Environmental Research, Incheon 22689, Korea
4Geogreen 21 Co., Seoul 08376, Korea
*Corresponding author: hsy@pusan.ac.kr Tel: +82-51-510-2252
December 13, 2020 December 21, 2020 December 24, 2020

Abstract


In rural areas, nitrate-nitrogen (NO3-N) pollution caused by agricultural activities is a major obstacle to the use of shallow groundwater as domestic water or drinking water. In this study, the water quality characteristics of shallow groundwater in Hyogyo-ri agricultural area of Yesan-gun, Chungcheongnam-do province was studied in connection with land use and chemical composition of soil layer. The average NO3-N concentration in groundwater exceeds the domestic and agricultural standard water qualities of Korea and is caused by anthropogenic sources such as fertilizer, livestock wastewater, and domestic sewage. The groundwater type mainly belongs to Ca(Na)-Cl type, unlike Ca-HCO3 type, a general type of shallow groundwater. The average NO3-N concentration (7.7 mg L−1 ) in groundwater in rice paddy/other (upstream, ranch, and residential) area is lower than the average concentration (22.8 mg L−1 ) in farm field area, due to a lower permeability in paddy area than that in farm field area. According to the trend analysis by the Mann-Kendall and Sen tests, the NO3-N concentration in the shallow groundwater shows a very weak decreasing trend with ~0.011 mg L−1 yr -1 with indicating almost equilibrium state. Meanwhile, SO42− and HCO3 concentrations display annual decreasing trend by 15.48 and 13.15%, respectively. At a zone of 0 to 5 m below the surface, the average hydraulic conductivity is 1.86×10−5 cms −1 , with a greater value (1.03×10−4 cm s−1 ) in sand layer and a smaller value (2.50×10−8 cm s−1 ) in silt layer.



충남 효교리 농업지역 천부지하수의 화학적 특성

전 항탁1, 함 세영1*, 최 은경2, 김 현구3, 김 문수3, 박 기훈4, 임 우리1
1부산대학교 지질환경과학과, 46241, 부산광역시 금정구 부산대학로 63번길 2
2(주)지아이, 47598, 부산광역시 연제구 중앙대로 1048번길 11
3국립환경과학원 토양지하수과, 22689, 인천광역시 서구 환경로 42
4(주)지오그린21, 08376, 서울특별시 구로구 디지털로33길 55

초록


농촌지역에서는 농업활동의 영향에 의한 질산성질소 오염이 천부지하수를 생활용수나 먹는물로 사용하는데 큰 장애요인이 되고 있다. 본 연구에서는 충남 예산군 효교리 농업지역의 천부지하수의 수질특성을 토지용도 및 토양층의 화학성분과 연계하여 고찰하였다. 지하수의 NO3-N 평균 농도는 생활용수와 농업용수 수질 기준을 초과하며, 이는 비료, 축산폐수, 생활하수 등의 인위적인 오염원으로부터 유래하는 것으로 판단된다. 연구지역 지하수 수질형은 주로 Ca(Na)-Cl형에 속하는 것으로 나타나며, 일반적인 천부지하수의 수질형인 Ca-HCO3형과는 다르다. 논 및 기타(상류, 목장, 주거) 지역과 밭 지역으로 구분하여 지하수의 NO3-N 농도를 비교한 결과, 밭 지역의 NO3-N의 평균 농도는 22.8 mg L−1이고, 논 및 기타 지역의 NO3-N 평균 농도는 7.7 mg L−1로서 밭 지역의 NO3-N의 평균 농도가 높게 나타난다. 이는 논지역이 낮은 투수성을 가지고, 밭지역은 높은 투수성을 가지기 때문이다. Mann-Kendall 검정과 Sen 검정에 의한 경향성 분석 에 의하면, NO3-N 농도는 매년 0.011 mg/L 정도로 매우 약한 감소 추세를 보여주고 있으며, 이는 현재 지하수내 NO3-N 농도가 거의 평형상태에 있음을 지시한다. 한편 SO42− 농도는 매년 −15.48% 씩 감소하며, HCO3 농도는 매년 −13.75% 씩 감소하는 것으로 나타났다. 입도분석에 의한 수리전도도는 지표하 5 m까지의 심도에서 평균 1.86×10−5 cm s−1을 보이 며, 모래층에서는 1.03×10−4 cm s−1을 그리고 실트층에서는 2.50×10−8 cm s−1을 보인다.



    Ministry of Environment(MOE)
    NIER-2020- 04-02-052National Research Foundation of Korea(NRF)
    NRF-2017R1A2B2009033

    서 론

    2015년 기준으로 한국의 전체 인구 중 96.1%가 수 돗물을 공급받고 있으나, 나머지 3.9% (약 2,140,000 명)는 지하수를 먹는물로 이용하고 있으며 이들은 주 로 농촌지역에 거주하고 있다(Lee et al., 2017). 농촌 지역에서는 농업활동의 영향에 의한 질산성질소 오염 으로 인하여 천부지하수를 생활용수나 먹는물로 사용 하는데 큰 장애가 되고 있다. 또한 국내 농촌의 일부 지역에서는 주민들이 오래된 지하수공으로부터 정기 적인 수질 검사 없이 지하수를 먹는물로 섭취하고 있어서 수질의 안전성이 보장되지 못하고 있다. 따라 서 이들 지역에서는 지하수 수질 오염이 매우 중요 한 관건이다. 또한 최근에 들어서서 전 지구적인 기 후변화와 온실효과와 관련한 강수 패턴의 급변으로 인해서 수자원 관리가 점점 더 어려워지고 있으며, 이에 따라 먹는물에 있어서 지하수의 중요성이 증대 될 것으로 예상된다. 한편, 미국은 총 일일 수자원 이용량(약 1.34억 m3 ) 중 약 22% (0.3억 m3 )을 지하 수로 사용하고 있다(Maupin et al., 2014). 2015년 기 준으로 미국 전체 인구의 44%가 지하수를 음용수로 사용하고 있으며, 농업용 지하수 이용량은 전체 지하 수 이용량 중 72.1%를 차지하고 있다(Kim, 2019). 중국은 총 수자원 사용량 중 약 20%를 지하수로 사 용하고 있다(Ministry of Water Resources, 2011a, 2011b;Shen, 2015).

    국내에서는 지하수 자원의 수량 및 수질 변화를 감시하기 위하여 환경부와 한국수자원공사에서는 전 국에 지하수 관측망과 지하수 수질 관측망을 운영하 고 있다(Kang et al., 2020). 또한 지자체에서는 보조 지하수 관측망을 통하여 지자체별로 보다 상세하게 지하수 수질과 이용량을 감시하고 있다. 또한, 환경 부와 국립환경과학원에서는 수돗물을 공급받지 못하 는 일부 농촌지역 주민들에게 양호한 수질의 지하수 를 공급함으로써 이들 주민들의 물 복지 향상에 도 움을 주고자 2016부터 지금까지 ‘안심지하수사업’을 진행하여 오고 있다. 이와 같이 정부에서는 농촌지역 주민들의 먹는물 수질 향상을 위하여 노력하고 있으 나, 농촌지역의 다양한 점오염원과 비점오염 때문에 지하수 수질을 보전하는 것은 쉽지 않은 과제이다.

    Kim and Woo (2003)에 의하면, 경기도 일죽지역 천부지하수의 질산성질소는 농업활동과 대규모 축산 업으로 인해서 지하수 조사공 중 32-42%가 먹는물 수질기준을 초과하는 것으로 나타났으며, 특히 59% 가 가축분뇨에서 유래된 질소의 영향을 받고 있는 것으로 나타났다. Kim et al. (2002)은 금강 유역의 농업활동에 따른 질소계 비료의 사용으로 인해서, 충 적층의 186개 천부지하수 시료 중 약 29%가 질산염 의 먹는물 수질 기준(44mg L−1 )을 초과하고 있음을 보고하였다. Choi et al. (2002)은 한강 유역 북부 농 업지역의 천부지하수내 질산성질소 농도와 질소 동위 원소 분석에 의해서 질산성질소의 계절적인 변동과 오염물질의 기원에 대해서 연구하였다. 한편, Yun et al. (2017)은 강원도 해안분지 농업지역의 지하수의 낮은 질산염 농도를 경작지가 주로 논으로 되어 있 어서 탈질 효과가 크기 때문으로 해석하였다.

    Lee et al. (2020)에 의하면, 국내 금강유역의 최상 류 소유역에서 지하수의 평균 질산성질소 농도(7.373 mg L−1 )는 하천수의 질산성질소 농도의 1.9배 정도 더 높으며, 농업활동에서 유래하는 지하수내 질산성 질소가 하천수의 질산성질소에 영향을 주고 있음을 제시하였다. 미국의 온난 습윤 환경의 농업지역에서 천부지하수는 식물성장과 탈질화작용에 의해서 낮은 질산성질소 농도를 보이는 반면에, 산화환경에서 투 수성이 높은 토양층이 분포하는 지역에서는 천부지하 수내 질산성질소의 농도가 수질기준(10mg L−1 )을 초 과하는 것으로 나타났다(Burow et al., 2010;Spalding and Exner, 1993). 또한 미국 도시지역의 천부지하수 질산염 농도는 중간값 1.4mg L−1로서 농업지역의 질 산성질소 중간값(3.1 mg L−1 ) 보다 낮게 나타났으나, 주요 대수층의 질산성질소의 중간값(0.56mgL−1 ) 보다 는 높게 나타났다.

    본 연구는 충남 예산군 봉산면 효교리 농업지역 천부지하수의 수질 특성을 토지 이용과 토양층과의 관련성의 측면에서 고찰하고자 한다.

    연구 방법

    지하수 분석방법

    지하수 현장수질 측정은 YSI Professional Plus (Pro Plus) Multiparameter Instrument로 측정하였다. pH가 8.3보다 낮은 지하수 시료의 경우에는 0.05N HCl 용액을 넣어 pH 4.5까지 낮추면서 적정한 염산 의 부피(V1)를 기록한다. 그리고 c ( H C l ) × V 1 × 1000 V 식을 이용하여 알칼리도를 구한다. 이때 c(HCl)은 적 정에 사용된 염산의 농도(0.05N), V는 시료의 부피이 다. 한편, 지하수 시료의 pH가 8.3보다 높으면, 8.3까 지 적정하고 적정한 염산의 부피(V2) 를 기록한 뒤 pH 4.5까지 낮추면서 적정한 염산의 부피(V1)를 기록 한다. 그리고 c ( H C l ) × ( V 1 + 2 V 2 ) × 1000 V 식을 이용 하여 시료의 알칼리도를 구한다.

    지하수 실내분석은 양이온(Na, Mg, K, Ca, SiO2) 은 ICP (Thermo사의 모델 iCAP6500DUO)로 분석하 였으며, 음이온(Cl- , NO3-N, SO42−, PO4-P)은 IC (Thermo 사의 모델 ICS-1000)로 (주)신성생명환경연 구원에서 분석하였다.

    토양시료 분석 방법

    심도별로 채취된 토양 시료의 구성광물의 종류와 양을 확인하기 위하여 X선 회절분석(XRD)을 실시하 였다. 퇴적물 시료의 X선 회절분석을 위해서는 심도 별로 채취된 퇴적물 시료를 24시간 건조 후 2 μm 이 하의 분말 시편으로 제작한다. X-선 회절분석은 파우 더용 X선 회절분석기(Xpert 3, Malvern Panalytical Ltd., 영국)를 사용하였으며, 부산대학교 공동실험실습 관에서 수행하였다. X선 회절분석(XRD)은 CuKα X- 선을 이용하였으며, 전압은 40 kV, 전류는 30 mA, 연 속 스캔으로 스캔 범위(2θ)는 2° -60°, Scan step size 는 0.0262606, Time per step은 7.14, Divergent slit 은 0.38 mm의 조건으로 분석하였다. 분석된 X-선 회 절선을 정량해석프로그램(Siroquant)을 이용하여 정량 분석 하였다.

    심도별로 채취된 토양시료의 화학성분의 특성을 파 악하기 위해서는 NIER(2016)의 방법을 준용하여 건 조한 시료를 미분한 후 증류수와 1:10 비율로 현탁 하였다. 그리고 원심분리기를 사용해서 상부에 뜬 부 유물을 제거한 후, 0.2 μm 시린지 필터를 사용하여 토양 용액을 추출하여 양이온과 음이온의 화학성분을 분석하였다. 화학분석을 위해서 부경대학교 공동실험 실습관의 이온크로마토그래피(DIONEX AQUION, Thermo Scientitic사)를 사용하였다(Michalski et al., 2019).

    토양층의 입도는 심도별로 채취된 시료를 건조하여 표준체와 레이저 입도분석기를 함께 사용하여 분석하 였다. 체분석은 표준체 4-200번체(4.75 mm-75 μm)를 사용하였으며, 세립질 토양의 입도(0.1-716 μm)는 BT-9300S (Bettersize Instruments Ltd., China) 레이 저 입도분석기를 사용하여 측정하였다. 레이저 소스 는 importer 반도체 레이저이다. 체분석과 레이저 입 도분석을 통한 심도별 토양층의 입도 구성비를 구하 고, USDA(1987)의 분류법으로 입도를 분류하였다.

    입도분석 방법

    입도분석을 통하여 잔류누적백분율과 통과누적백분 율을 구하며, 이 결과를 통하여 입도분포곡선을 그릴 수 있다. 이 입도분포곡선 상에서 다음 식과 같이 균 등계수(U)를 구한다.

    U=d 60 /d 10
    (1)

    여기서, d60은 통과누적백분율이 60%인 입자직경이 고, d10은 통과누적백분율이 10%인 입자직경이다. 매 질의 공극률, 구조, 입자 형태, 유효입경, 입자크기, 유체의 점성 등에 따라 달라지는 수리전도도의 특성 을 이용하여, 여러 가지 경험식들이 제안되었다 (Kasenow, 2002). 즉, 수리전도도는

    K= ( g / ν ) ( β ) ( υ ( n ) ) ( de 2 )
    (2)

    여기서, K는 수리전도도(LT−1 ), g는 중력가속도 (MT-2), ν는 동점성계수(L2 T−1), β는 다공질 매질의 특징에 따른 무차원 계수(조직, 입자의 모양, 암석의 조성, 이방성 등), υ(n)은 공극율 함수, n은 공극율(무 차원), de는 다공질 매질의 유효입경(L)이다. 본 연구 에서는 일반적으로 많이 쓰이는 Hazen(1892), Beyer (1964), Kozeny(1927)-Carman(1938, 1956), Sauerbrei (Kasenow, 2002), Slichter(1899) 식을 이용하여 표토 층의 수리전도도를 계산하였다(Table 1).

    시계열 분석

    수질 성분의 시간적인 경향성은 Mann-Kendall (MK)과 Sen의 검정 방법으로 판단할 수 있다. MK 검정 방법은 시계열 자료의 비모수 분석 방법으로서 자료들을 상대적인 비교하는 것이다(Mann, 1945;Kendall, 1975;Gilbert, 1987). 이 때, 직접 측정하지 않은 추정자료는 최소 측정값보다는 높은 값이어야 한다. 단일 기간에는 하나의 자료만을 취하며, 단일 기간에 여러 개의 자료가 존재할 경우에는 중간값을 취한다. 시계열상의 각 자료값은 후속 자료값과 비교 된다. MK 통계값 S는 (2)식과 같이 표현된다. S의 초기값은 0 (또는 경향성 없음)이고, 이후 기간의 자 료값과 이전 기간의 자료값을 비교하여 이후 기간의 자료값이 크면 S는 1 씩 증가하고, 작으면 S는 1 씩 감소한다. 그 결과는 S의 최종값이 된다. 이 최종값 이 매우 높은 양의 값이면 증가 추세를 나타내고, 반 대로 매우 낮은 음의 값이면 감소 추세를 나타낸다.

    S = k = 1 n 1 j = k + 1 n s i g n ( x j x k )
    (3)

    여기서, n은 자료의 개수, xj , xk는 각각 j시간(이전 시간), k시간(이후 시간)의 자료값이다.

    Sen(1968)의 검정 방법은 시계열이 선형 추세를 보 일 때 시간적인 추세 경사를 구하는 비모수 방법이 다. 이 방법은 추세 기울기를 추정하기 위해 선형모 델을 사용하며, 단위 구간의 기울기 추정량 Qi는 아 래와 같다.

    Q i = X j X k j k ( i = 1 , , n )
    (4)

    여기서, n은 자료의 총 개수이고, Xi, Xj는 각각 jk 시간의 자료값이다(j>k). Qi의 중앙값 (Qm)은 아래 와 같다.

    JKESS-41-6-630_EQ5.gif
    (5)

    JKESS-41-6-630_EQ6.gif
    (6)

    여기서, N = n(n-1)/2이다.

    연구지역 현황

    연구지역은 충남 예산군 봉산면 효교리 지역이다 (Fig. 1). 지형은 평탄지로서 지표고도는 13.3-23.2 m (평균고도 17.0 m)이며, 경사도는 0.0-6.9도(평균 경사 도 1.1도)이다. 토지 용도는 전체 연구지역의 약 41.0%가 논, 16.1%가 밭, 3.9%가 과수원, 1.0%가 임 야, 주거지역이 9.2%, 그 외가 1.6%이다. 연구지역 지하수의 잠재오염원은 주로 밭 주변에 적치되어 있 는 가축분뇨와 유기질비료이다. 축산농가 3군데는 소 규모 축사를 운영하며, 한우 35두가 있다. 주민수는 37명으로서 모두 생활하수 미처리 인구이다. 지방하 천인 효교천은 효교리를 동에서 서로 관통하여 결국 삽교천에 합류한다. 효교천의 유로 연장은 14.01 km, 유역면적은 32.07 km2이다.

    충적층은 효교천을 중심으로한 평탄한 저 지대에 발달되어 있으며, 이 지역을 중심으로 논밭 경작, 축 산 등의 농업활동이 활발하게 이루어지고 있다. 농업 에 사용하는 비료는 유기비료와 화학비료이다. 유기 비료 사용량은 2019년에 199,112 kg으로서, 이 중 대 부분은 가축분퇴비(우분)(196,793 kg)이고, 그 외는 포장단위 구매량(2,319 kg, 약 116포)이다. 효교리 지 역의 월별 오염조사에서 획득된 단위면적당 농경지의 질소 지표투입량은 208.6 kg/ha/yr이다.

    연구지역의 지질은 지표로부터 전답토, 풍화토, 풍 화암, 기반암(흑운모화강암)으로 구성되어 있다. 지하 수심도(DTW, depth to water)는 지하수 시료를 채취 한 지하수공 중에서 수위 측정이 가능한 지하수공에 측정하였다. 2018년에는 31개 지하수공에서 지표하 1.29-9.76 m (평균 4.13 m), 2019년에는 32개 지하수 공에서 지표하 0.92-10.30 m (평균 4.41m), 2020년에는 31개 지하수공에서 지표하 0.29-9.62 m (평균 3.46m)로 나타난다. 주 대수층은 풍화토와 풍화암이다. 홍성기 상대의 2016년부터 2019년까지 4년간의 연평균 강수 량은 998.2 mm yr−1이다.

    연구 결과

    지하수 수질 특성

    지하수 수질분석은 2018년 4회(7, 8, 9, 10월), 2019년 5회(4, 6, 7, 9, 10월), 2020년 5회(5, 6, 7, 8, 9월) 총 14회에 걸쳐서 시행되었으며, 분석 시료수는 시기에 따라 58-67개이다. 시료 수는 주민들의 시료 채취 동의 여부에 따라 달라진다. 2018년에는 NO3- N 농도가 불검출-82.0 mg L−1 (평균값 21.9mg L−1 )을 보였으며, 1차(7월)에서 불검출-56.3mg L−1 (평균값 22.2 mg L−1 ), 2차(8월)에서 불검출-62.0 mg L−1 (평균 값 19.8mg L−1 ), 3차(9월)에서 1.5-68.0 mg L−1 (평균 값 22.2 mg L−1 ), 4차(10월)에서 1.3-82.0 mg L−1 (평균 값 23.3 mg L−1 )로 나타났다(Table 2).

    2019년에는 불검출-64.8mg L−1 (평균값 20.5 mg L−1 ) 을 보였으며, 1차(4월)에서 불검출-46.4mg L−1 (평균 값 19.6 mg L−1 ), 2차(6월)에서 불검출-47.7mg L−1 (평 균값 18.9 mg L−1 ), 3차(7월)에서 0.1-60.7 mg L−1 (평 균값 21.4 mg L−1 ), 4차(9월)에서 1.3-64.8 mg L−1 (평 균값 21.4 mg L−1 ), 5차(10월)에서 1.0-61.1 mg L−1 (평 균값 21.1 mg L−1 )로 나타났다.

    2020년에는 불검출-67.1mg L−1 (평균값 22.0 mg L−1 ) 을 보였다. 시기별로는 1차(5월)에는 불검출-59.8mgL−1 (평균값 20.5mg L−1 ), 2차(6월)에는 불검출-67.1mgL−1 (평균값 22.0mg L−1 ), 3차(7월)에는 불검출-63.4mgL−1 (평균값 21.8mg L−1 ), 4차(8월)에는 불검출-59.3mgL−1 (평균값 23.9 mg L−1 ), 5차(9월)에는 0.1-59.5 mg L−1 (평균값 21.5 mg L−1 )을 보인다. 따라서 NO3-N 평균 농도(21.4 mg L−1 )는 생활용수와 농업용수 수질 기준 인 20 mg L−1를 초과한다. 기존의 연구에 의하면, 자 연적으로부터 기원되는 일반적인 지하수에서의 질산 성농도는 2-3 mg/L−1 이하이다(Medison and Brunett, 1985;Arthur, 1995;Mueller and Heisel, 1996). 또한, Kim and Woo (2003)는 경기도 일죽지역 1차 17개 지점, 2차 22개 지점에서 분석한 천부지하수 시료 중 77%가 3 mg L−1 이상의 NO3-N 농도를 보이고 있으 며, 농업활동과 대규모 축산업 등 인위적인 오염의 영향을 받고 있는 것으로 보고하였다. 한편, 연구지 역 천부지하수의 NO3-N 농도는 이보다 훨씬 높은 것으로 보아, 농작물 경작을 위한 비료 살포, 축산폐 수, 생활하수 등의 인위적인 오염원으로부터 유래하 는 것으로 판단된다.

    2017년의 지역지하수수질 측정망 중 오염우려지역 지하수내 질산성질소(NO3-N)의 전국 평균 농도는 3.6mg L−1 , 충남지역 평균 농도는 4.1mg L−1이다. 이 에 비해서, 연구지역의 분석 연도에 따른 NO3-N의 평균 농도는 20.5-22.0 mg L−1로서 충청남도 및 전국 의 NO3-N 평균 농도보다 높으며, 평균 농도가 시간 적으로 거의 일정하다.

    Cl 농도는 2018년에는 5.7-349.1 mg L−1 (평균값 38.0mg L−1 )을 보이며, 1차(7월)에는 9.8-291.4 mg L−1 (평균값 40.5 mg L−1 ), 2차(8월)에는 5.7−1 77.3 mg L−1 (평균값 32.8 mg L−1 ), 3차(9월)에는 6.2-259.2 mg L−1 (평균값 37.4 mg L−1 ), 4차(10월)에는 6.7-349.1 mg L−1 (평균값 41.7mg L−1 )이다(Table 2). 2019년에는 4.3- 318.3 mg L−1 (평균값 35.3mg L−1 )을 보이며, 1차(4월) 에는 6.4-302.4 mg L−1 (평균값 34.8mg L−1 ), 2차(6월) 에는 4.3-318.3 mg L−1 (평균값 34.4mg L−1 ), 3차(7월) 에는 5.0-278.7 mg L−1 (평균값 38.1mg L−1 ), 4차(9월) 에는 7.1-188.8mg L−1 (평균값 35.7mg L−1 ), 5차(10월) 에는 8.3-209.7 mg L−1 (평균값 33.5 mg L−1 )이다. 그리 고 2020년에는 4.8-196.9 mg L−1 (평균값 31.0 mg L−1 ) 을 보이며, 시기별로는 1차(5월)에는 4.8-196.9 mg L−1 (평균값 31.0 mg L−1 ), 2차(6월)에는 5.3-196.9 mg L−1 (평균값 33.1 mg L−1 ), 3차(7월)에는 5.0-159.4 mg L−1 (평균값 30.6 mg L−1 ), 4차(8월)에는 5.3-105.7 mg L−1 (평균값 31.9 mg L−1 ), 5차(9월)에는 4.9-90.7 mg L−1 (평균값 28.3 mg L−1 )을 보인다. 따라서 Cl 농도는 생 활용수 및 농업용수 기준(250 mg L−1 )를 초과하는 지 하수공은 2018년 7월에 2공, 9월에 1공, 10월에 2공 이며, 2019년 4, 6, 7월에 각 1공씩이지만, 전체적으 로는 오염도가 높지는 않은 편이다. 농업과 관련된 무기성분 중 카리비료로부터 유래하는 K+ , Cl과, 석 회질 비료로부터 유래하는 Ca2+ , Mg2+은 농업지역 지 하수에서 높은 농도를 보인다(Hamilton and Helsel, 1995). 연구지역의 지하수내 평균 농도는 K+가 3.3 mg /L−1 , Cl는 34.6 mg L−1 , Ca2+는 29.0 mg L−1 , Mg2+ 는 7.9 mg L−1로서, Yun et al. (2017)가 강원도 해안 분지 농업 밀집지역에서 분석한 지하수의 평균 농도 (K+ 1.5 mg L−1 , Cl- 8.1mg L−1 , Ca2+ 30.9mg L−1 , Mg2+ 3.7mg L−1 )와 비교할 때 Yun et al. (2017)보다 더 높거나 비슷하게 나타난다. 따라서 연구지역의 지 하수는 전형적인 농업지역의 특성인 화학비료 및 축 분의 영향을 받고 있는 것으로 판단된다.

    수질 유형

    주요 양이온과 음이온 각각의 meg/L (milliequivalents per liter) 비를 파이퍼도에 도시한 결과, 수질 유형은 2018년 7월, 9월, 10월에 Ca(Na)-Cl(HCO3)형으로 나 타나고, 그 외 기간의 시료에서는 모두 Ca(Na)-Cl형 에 속하는 것으로 나타난다(Fig. 1). 따라서 연구지역 의 지하수는 일반적인 천부지하수의 수질 유형인 Ca-HCO3형(Ministry of Environment, 2001)과는 다 르게 나타나며, 시기적으로 수질 유형이 거의 변하지 않는다. 염소이온은 염수, 규산염 광물(흑운모, 각섬 석 등)의 수화작용, 유체포유물 등으로부터 유래한다 (Nordstrom et al., 1989). 그러나, 본 연구지역에서 높은 농도의 염소이온은 인위적인 오염(농업, 주거지 등)의 영향을 많이 받고 있음을 지시한다(Cho et al., 2013;Lee and Choi, 2012;Hamilton, and Helsel, 1995). 이는 강원도 해안분지 농업 밀집지역 천부지 하수의 Cl- 평균농도가 8.1 mg L−1인데 반해서(Yun et al., 2017), 본 연구지역의 천부지하수의 Cl의 평균농 도는 34.6 mg L−1로서 4.3배 정도가 더 높은 것으로 도 알 수 있다.

    각 수질성분간의 상관분석을 실시한 결과, 농업지 역에서 카리비료로부터 유래하는 K+은 NO3-N 와 가 장 높은 양의 상관성(상관계수 0.80)를 보인다(Table 3). Mg2+은 농업지역에서 석회질 비료로부터 유래하 며, 연구지역에서 Mg2+ 역시 NO3-N와 높은 양의 상 관성(상관계수 0.59)를 보인다. 한편, Ca2+는 NO3-N 와 비교적 낮은 양의 상관성(상관계수 0.30)을 보이 며, Ca2+이 자연적인 요인과 인위적인 요인의 복합적 인 원인에 의해서 유래함을 지시한다. 강원도 해안분 지 농업 밀집지역 천부지하수에서도 Ca2+와 NO3-N 는 낮은 양의 상관성(상관계수 0.08)을 보이는 반면 에, Mg2+와 NO3-N 는 높은 양의 상관성(상관계수 0.59)을 보인다.

    한편, SiO2가 NO3-N 농도와의 상관계수가 −0.34로 서 낮은 음의 상관관계를 보인다. 상관계수는 낮은 편이지만, SiO2가 자연상태에서 물-광물 반응에 의해 서 지하수에 유입되고(Greenberg et al., 1992), NO3- N 은 인위적인 오염에서 유래하는(Lee and Choi, 2010;Pastn-Zapata et al., 2014) 반대의 경향성을 지 시한다고 생각된다.

    공간적 및 시간적 지하수 수질 특성

    토지이용도(Fig. 1)에서 대부분을 차지하는 두 지역 (논 및 기타(상류, 목장, 주거) 지역과 밭 지역)에 대 해서 NO3-N 농도를 비교하였다. 논 및 기타(상류, 목 장, 주거) 지역에 속하는 지하수공은 5-7개공이고, 밭 지역은 52-61개공으로서 수질분석 시기에 따라 공수 가 약간씩 달라진다. 밭 지역의 지하수공에서 NO3-N 의 평균 농도는 22.8mg L−1로서 상대적으로 높게 나 타나지만, 논 및 기타 지역의 NO3-N 평균 농도는 7.7 mg L−1로서 낮게 나타난다. 한편, 충남 홍성군 금 마면 화양천 유역의 농업지역에서 논지역 NO3-N 농 도의 중간값은 6.32 mg L−1인 반면, 밭 지역 NO3-N 농도의 중간값은 6.98 mg L−1로서 밭 지역의 NO3-N 의 중간값 농도가 더 약간 더 높게 나타났다(Lee et al., 2020).

    온도와 수질 항목들의 MK 분석을 통해서 시간적 인 수질의 경향성을 살펴보았다. 획득된 수질 분석 자료의 분석시기가 주로 봄, 여름, 초가을에 집중되 어 있으며, 연구과제의 사정상 늦가을에서 초봄까지 는 수질 분석을 실시하지 못하였다. 따라서 MK 분 석과 Sen 분석을 하기 전에 NIPALS (non-linear iterative partial least squares) 알고리즘을 이용하여 결측 시기의 수질 자료를 추정하였다(Preda et al., 2010). MK 분석과 Sen 분석에 의하면, 상승 추세인 온도를 제외한 모든 항목에서 감소 추세를 보이고 있다(Table 3, Fig. 3). 이는 천부지하수가 기온의 상 승에 의한 영향을 받고 있기 때문으로 여겨진다. NO3-N 농도는 2018년부터 2020년까지 거의 일정하 게 유지되며, 매년 0.011mg L−1 정도로 매우 약한 감 소 추세를 보여주고 있다(Table 3, Fig. 3). 이는 NO3-N 농도가 화학적으로 거의 평형상태에 있다는 것을 지시한다. 한편 SO42− 평균농도는 매년 − 15.48%씩 감소하며, HCO3 평균농도는 매년 − 13.75%씩 감소한다. 또한, 산화환원전위(ORP)도 매 년 −4.31%의 큰 감소율을 보이는데, 이는 지하수계 가 산화환경에서 점차 환원환경으로 바뀌고 있다는 것을 암시한다. 현재까지의 자료는 2018년, 2019년, 2020년의 제한된 화학분석 시료를 이용하여 추세변 화를 살펴보았으며, 늦가을에서 초봄까지의 결측구간 으로 인해서 불확실성이 존재한다. 따라서 좀 더 장 기간의 자료가 축적된다면, 보다 명확한 추세분석이 가능할 것으로 판단된다.

    계절적인 강우량 변화와 NO3-N 농도를 비교 분석 한 결과, 논 및 기타(상류, 목장, 주거) 지역에서는 NO3-N 농도의 최대값과 강수량이 정비례 관계를 보 이는 반면에, 밭지역에서는 NO3-N 농도의 최대값과 강수량이 반비례 관계를 보인다(Fig. 4). 이는 논지역 의 표토층이 낮은 투수성을 가지므로 포화대로의 NO3-N이 유입량이 적고, 반면에 밭지역의 표토층은 높은 투수성을 가지므로 포화대로의 NO3-N이 유입 량이 많기 때문이다.

    미고결층의 화학적 및 물리적 특성

    미고결층의 화학적 특성

    밭지역의 PS-M1, PS-M2, PS-MM1, PS-MM2, PSMM3 지점(Fig. 1)에서 지하 10 m 까지 미고결층의 시추를 한 결과, 지하 5 m까지는 토양층, 그리고 5- 10 m 구간은 풍화토층 내지 풍화암으로 나타난다. 토 양층에서는 지하 약 1.5 m까지는 모래층, 1.5-3 m 구 간은 실트층, 3-3.5 m 구간은 모래층, 3.5-4 m 구간은 실트층, 그리고 4-5 m 구간은 모래층으로 나타난다.

    지표로부터 지하 10 m까지 심도별로 토양시료를 채취하여 이온분석을 한 결과, Ca2+ , Mg2+ , Na+ , Cl, SO42−, NO3-N, PO42−, Br은 검출되었으나, HCO3와 NH4 +은 전 심도에서 검출되지 않았다(Fig. 5). 음이온 의 농도값은 위치에 따라서 큰 변화를 보이지 않는 다. NO3-N 농도는 지하로 갈수록 낮아지는 경향성을 보이며, 지표부근에서 약 80-180 mg L−1 , 지하 5 m 보다 깊은 심도에서는 약 70 mg L−1를 보인다. 특히, 천부 모래층(0-1.5 m)에서 NO3-N 농도는 낮아지며, 그 밑의 실트층(1.5-3 m)에서는 투수성이 낮으므로 농도가 거의 일정하게 유지된다.

    SO42− 농도는 PS-MM1과 PS-M1에서 지하 1.5 m 부근에서 약 1,120 mg L−1 정도로 높게 나타나며, 나 머지 구간에서는 약 300 mg L−1를 보인다. PO42−는 지 표부근에서만 약 300-400 mg L−1로 검출되고, 그 외 심도에서는 검출되지 않는다. Br은 일부 심도에서만 불규칙하게 나타나며, 농도는 2.3-6.9 mg L−1이다.

    Na+ 농도는 630-750 mg L−1이며, 모든 시추공에서 농도 변화가 거의 없다. Ca2+ 농도는 PS-MM1, PSMM2 시추공의 표토층에서 690 mg L−1의 농도로서 높게 나타나며 지하 1.5-2.5 m에서는 100 mg L−1 이 하로 감소하다가 그 보다 깊은 심도에서는 300mg L−1 농도를 보인다. K+ 농도는 시추공 PS-MM1의 표토 층에서 619 mg L−1로 가장 높게 나타나고, 지하 2.5 m까지 감소 추세를 보이다가 그 보다 깊은 심도에서 는 약 70 mg L−1를 유지한다.

    심도별로 5개(PS-M1, PS-M2, PS-MM1, PS-MM2, PS-MM3) 지점의 토양내 이온 농도의 평균값과 이에 대응하는 지하수내 이온 농도 평균값의 상관성을 살 펴본 결과, NO3-N 와 는 다른 이온에 비해서 상대적 으로 높은 상관성을 보인다. 미고결층의 NO3-N 농도 와 지하수의 NO3-N 농도간의 상관성은 천부 구간에 서는 낮으며, 7 m 보다 깊은 심도에서 약 0.8 이상의 높은 상관계수를 보인다. 이는 하부 구간에서 지하수 와 미고결층의 NO3-N 간에 평형상태를 유지하고 있 음을 지시한다. 가장 높은 상관성(상관계수 0.8686)을 보이는 심도는 지하 8.0 m로 나타나며, 지하 6.0 m에 서는 상관성이 없는 것으로 나타난다(Fig. 6).

    미고결층의 Na 농도와 지하수의 Na 농도간의 상 관성은 토양층에서는 증가 추세를 보이고, 그 보다 깊은 미고결층에서는 낮아진다. 그리고 7 m 보다 깊 은 심도에서는 약 0.4-0.5의 상관계수를 보인다. Ca, K, Mg, Cl, SO4의 경우에는 심도에 따라서 미고결층 과 지하수 간의 상관성이 불규칙하게 나타난다.

    토양층의 물리적 및 광물학적 특성

    PS-M1, PS-M2, PS-MM1, PS-MM2 시추공 시료 에 대해서 입도 분석을 그리고 PS-M1, PS-M2, PSMM1, PS-MM2, PS-MM3 시추공에서 시료에는 X- 선 회절분석을 실시하였다. 레이저 입도분석과 체분 석을 통해 심도에 따른 입도분석 결과를 가지고 토 양을 분류한 결과, 토양층은 대부분 사질양토(sandy loam) 내지 양토(loam)에 해당되며, 지하 1.5-2.5 m 구간에서 실트 및 점토의 함량비가 높게 나타난다.

    PS-M1 시추공에서는 전체 심도에 대해서 그리고 PS-M2, PS-MM1, PS-MM2, PS-MM3 시추공에서는 지하 5m 구간에 대해서 X-선 회절분석을 실시한 결 과, 석영, 정장석(K-feldspar), 사장석, 운모, 흑운모, 각섬석(hornblende)과 점토광물(일라이트, 녹니석, 카 올리나이트, 몬모릴로나이트)가 관찰된다. 지표에서 지하 5 m까지 구간에서 점토광물의 함량비는 0.0- 17.4%이며, 1.15-3.00 m 구간에서 최대값을 보인다. 시추공 별 점토광물의 함량비는 PS-M1가 0.0-10.1%, PS-M2가 3.2-17.4%, PS-MM1가 1.0-14.3%, PSMM2가 4.0-14.1%, PS-MM3가 0.8-15.1%이다.

    입도분석에 의한 수리전도도 값은 5m까지 심도에 서 2.50×10−8 -1.03×10−4 cm s−1의 (평균 1.86×10−5 cm s−1 ) 을 보인다. 수리전도도는 1.0-1.5 m의 구간(모래층)에 서 높은 값(1.03×10−4 cm s−1 )을 그리고 실트층인 2.5- 3.0 m 구간에서는 낮은 값(2.50×10−8 cm s−1 )을 보인다.

    결 론

    본 연구는 2018-2020년의 충남 예산군 봉산면 효 교리 농업지역 천부지하수의 수질의 시간적인 변화 특성을 살펴보았으며, 토지 이용과 미고결층과의 상 관성 측면에서도 고찰하였다. 천부지하수의 수질분석 결과, NO3-N 평균 농도(21.4 mg L−1 )는 생활용수와 농업용수 수질 기준인 20 mg /L−1를 초과하며, NO3-N 는 농작물 경작을 위한 비료 살포, 축산폐수, 생활하 수 등의 인위적인 오염원으로부터 유래하는 것으로 판단된다. 한편, 연구지역의 지하수는 주로 Ca(Na)- Cl형에 속하는 것으로 나타나며, 일반적인 천부지하 수의 수질형인 Ca-HCO3형과는 다르게 나타난다.

    연구지역을 토지용도에 따라 논 및 기타(상류, 목 장, 주거) 지역과 밭 지역으로 구분하여 NO3-N 농도 를 비교한 결과, 밭 지역의 지하수공에서 NO3-N의 평균 농도는 22.8 mg L−1이고, 논 및 기타 지역의 NO3-N 평균 농도는 7.7 mg L−1로서 밭 지역의 NO3- N의 평균 농도가 높게 나타난다. 한편, 계절적인 강 수량과 NO3-N 농도를 비교한 결과, 논 및 기타 지역 에서는 NO3-N 농도의 최대값과 강수량이 정비례 관 계를 보이는 반면에, 밭지역에서는 NO3-N 농도의 최 대값과 강수량이 반비례 관계를 보인다. 이는 논지역 이 낮은 투수성을 가지고, 밭지역은 높은 투수성을 가지기 때문이다.

    MK 검정과 Sen 검정에 의한 경향성 분석에 의하 면, 수온은 시간에 따라서 상승하며, 이는 천부지하 수가 기온 상승의 영향을 받고 있기 때문으로 여겨 진다. 한편, NO3-N 농도는 매년 0.011mg L−1 정도로 매우 약한 감소 추세를 보여주고 있으며, 이는 현재 지하수내 NO3-N 농도가 거의 평형상태에 있음을 지 시한다. 한편 SO42− 평균농도는 매년 15.48%씩 감소 하며, HCO3 평균농도는 매년 13.75%씩 감소하는 것으로 나타났다.

    지하 10 m까지 미고결층 분포를 보면, 지하 5 m까 지는 토양층 그리고 5-10 m 구간은 풍화토층 내지 풍화암으로 나타난다. X-선 회절분석에 의한 점토광 물의 함량비는 지하 5 m까지는 0.0-17.4%이며, 1.15- 3.00 m 구간에서 최대값을 보인다. 심도에 따른 NO3- N 농도는 지하로 갈수록 낮아지는 경향성을 보이며, 지표부근에서 약 80-180 mg L−1 , 지하 5 m 보다 깊은 심도에서는 약 70 mg L−1를 보인다. 미고결층과 지하 수의 NO3-N 농도들 간의 상관성은 천부 구간에서는 낮으며, 7 m 보다 깊은 심도에서 약 0.8 이상의 높은 상관계수를 보인다. 이는 하부 구간에서 지하수와 미 고결층의 NO3-N 간에 평형상태를 유지하고 있음을 지시한다. 한편, 미고결층의 Na 농도와 지하수의 Na 농도간의 상관성은 토양층에서는 증가 추세를 보이고, 그 보다 깊은 미고결층에서는 낮아진다. 그리고 7 m 보다 깊은 심도에서는 약 0.4-0.5의 상관계수를 보인 다. 반면에, Ca, K, Mg, Cl, SO4의 경우에는 심도에 따라서 미고결층과 지하수 간의 상관성이 불규칙하게 나타난다.

    심도 5 m까지의 입도분석에 의한 수리전도도 값은 2.50×10−8 -1.03×10−4 cm s−1의 (평균 1.86×10−5 cm s−1 )을 보이며, 1.0-1.5 m의 구간(모래층)에서 높은 값(1.03× 10−4 cm s−1 )을 그리고 실트층인 2.5-3.0 m 구간에서는 낮은 값(2.50×10−8 cm s−1 )을 보인다.

    감사의 글

    이 연구는 환경부(국립환경과학원)의 농축산지역 지하수중 질산성질소 수질관리 개선사업(NIER-2020- 04-02-052)과 과학기술정보통신부의 한국연구재단 중 견연구사업 (NRF-2017R1A2B2009033)으로 수행되었 습니다.

    Figure

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    Sampling locations of groundwater with land uses in the study area.

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    Piper diagram showing groundwater types.

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    Results of Mann-Kendall and Sen’s tests using chemical and physical components in groundwater samples. Boxes in the graph indicate the period of missing data and the points in the box are the estimated values by the NIPALS algorithm.

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    Seasonal variation of NO3-N in (a) paddy filed/other area and (b) field area with monthly rainfall amount (white bar).

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    Cation and anion concentrations with depth at PS-M1, PS-M2, PS-MM1, PS-MM2, and PS-MM3 wells.

    JKESS-41-6-630_F6.gif

    Correlation coefficient (R) between average concentration of chemical constituents in unconsolidated samples and that in groundwater samples at corresponding depths using data from PS-M1, PS-M2, PS-MM1, PS-MM2, and PS-MM3 boreholes.

    JKESS-41-6-630_F7.gif

    USDA (1987) classification of soil samples from PS-M1, PS-M2, PS-MM1, and PS-MM2 boreholes.

    Table

    Empirical equations for estimating hydraulic conductivity. d is grain size

    Results of groundwater quality analysis

    Kendall’s tau and Sen’s slope of chemical and physical components in groundwater samples

    Correlation analysis between groundwater components

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