지하수수질측정망 자료를 이용한 지하수의 비소 농도 특성 = Characteristics of the Arsenic Concentration in Groundwater of Korea using Groundwater Quality Monitoring Network data

국문 초록 (Abstract)

비소는 전세계적으로 널리 알려진 독성물질로서 음용수를 통해 장기적으로 섭취할 경우 건강에 심각한 손상을 줄 수 있다. 국내 지하수수질측정망 운영결과 특정유해물질 중에서 비소가 가장 높은 수질기준 초과 비율을 갖는 것으로 나타나며, 매년 비소 오염 지하수에 의한 피해가 발생하고 있다.
본 연구는 지하수 내 비소 농도의 현황 파악과 지구조적 위치 및 수문지질단위에 따른 지하수 내 비소 농도의 상관성을 평가하기 위하여 환경부의 최근 10년간(2006년~2015년)의 지하수수질측정망 자료(총 3,596개 지점)를 종합적으로 분석하였다. 그리고 지구통계학적 분석을 통하여 전국의 지하수내 비소 검출 확률도 및 비소 오염 지하수 분포 확률도를 작성하고, 비소 오염 지하수에 대한 이용 및 관리방안을 제시하였다.
지하수수질측정망 지점별 최대 농도값에 대한 검토결과 먹는물 수질기준을 초과한 지점들은 주로 수도권, 충청도, 경상도 지역에 밀집되어 나타났으며, 생활용 수질기준을 초과하는 지점들은 전국적으로 산재되어 분포하는 것으로 나타났다.
지하수수질측정에서 수문지질단위별로 일원분산분석을 수행한 결과 통계적으로 유의한 평균값 차이를 갖는 총 4개 그룹으로 분류되었다. 그룹 1은 다공질화산암, 그룹 2는 변성암, 탄산염암, 그룹 3은 관입화성암, 쇄설성퇴적암, 그룹 4는 비다공질화산암, 반고결쇄설퇴적암, 미고결쇄설성퇴적층으로 구분된다. 지질시대 및 암종별로 비소의 먹는물 수질기준 초과현황을 살펴본 결과, 제4기 응회암류 및 용암에서 높은 불검출율과 매우 낮은 비소 함량을 보였으며, 퇴적암류는 타 지질에 비해 높은 최대 농도값 및 먹는물 수질기준 초과율을 보였고, 변성암류 중 옥천층군은 생활용수 수질기준 초과율이 가장 높게 나타났다.
지하수수질측정망에 대하여 장기적 비소 농도 추세변화는 철 또는 망간을 함유한 광물의 산화, 산화-환원 상태 또는 Eh-pH의 변화, 황화광물의 용해, 기반암의 암종에 따른 영향으로 판단되며, 해안에 위치한 측정망에서는 해수침투에 의한 간접적 영향으로 비소의 농도가 증가 또는 감소되는 것으로 나타났다.
지하수수질측정망 자료를 바탕으로 지시자 크리깅 기법을 적용하여 전국을 대상으로 비소 검출 확률도와 비소 오염 지하수 분포 확률도를 작성하였으며, 확률 임계치 0.2를 적용하여 비소 오염 지하수 분포 확률도를 작성하였다.
지하수내 비소의 산출 현황과 지질기원의 관련성을 파악하기 위하여 수문지질단위별로 지하수 수질기준을 지속적으로 초과하는 대표지점의 암석․광물분석을 수행한 결과 일부 지점에서 함비소 광물 또는 비소 성분이 검출되어 구성광물로부터 비소가 유입되었음을 지시하였으며, 비소 성분이 불검출로 나타난 지점들은 주변 지역의 오염원으로부터 비소가 지하수로 함유되었을 가능성이 있는 것으로 판단되었다.
비소 오염 지하수 분포지역에서는 지역별 수질특성을 고려한 오염 저감과 이용 및 관리방안을 수립하여야 한다.
본 연구성과는 향후 비소 오염지하수에 대한 평가와 체계적인 지하수 이용 및 수질관리를 위한 국가 지하수 정책 수립의 기초자료로 활용이 가능할 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Arsenic is a globally known for toxic substance, and prolonged intake of arsenic through drinking water can cause serious health damages. As a result of operation of groundwater quality monitoring networks, arsenic is found to have the highest groundwater quality standard excess rate among the specific hazardous substances, and the damage caused by groundwater contaminated with arsenic is occurring every year.
This study comprehensively analyzed the groundwater quality data of the last 10 years(2006~2015 year) provided by the Ministry of Environment to evaluate the status of arsenic concentration, and the correlation of arsenic concentration in groundwater with geotectonic location and hydrologeologic units.
Through the geostatistical analysis, the national arsenic contaminated groundwater distribution map was prepared and the use and management plan of arsenic contaminated groundwater have been proposed.
The maximum concentration value analysis of each groundwater quality monitoring networks showed that the excess drinking water quality standard sites are mainly concentrated in the Seoul metropolitan area, Chungcheong province and Gyeongsang province, and the excess residential groundwater quality standard sites are scattered nationwide.
As a result of the one-way ANOVA by the hydrologeologic units for the groundwater quality monitoring sites, hydrogeologic units were classified into four groups with statistically significant mean value differences. Group 1 was vesicular volcanic rock, Group 2 was metamorphic rocks and carbonate rocks, Group 3 was intrusive igneous rocks and clastic sedimentary rocks, and Group 4 was classified as non-vesicular volcanic rocks, semi consolidated clastic sedimentary rocks, and unconsolidated clastic sediments.
The status of arsenic exceeding of groundwater quality standards by geologic age and rock types showed high non-detection rate and very low arsenic content in quaternary tuff and lava. In sedimentary rocks, higher maximum concentration value and groundwater quality standard exceeding rate than other hydrogeologic units is observed, and the Okcheon group showed the highest exceeding rate of residential groundwater quality standards.
The long-term arsenic concentration trends change pattern in the groundwater quality monitoring networks can be attributed to oxidation of of iron or manganese minerals, redox condition, Eh-pH changes, dissolution of sulfide minerals, bedrock types and etc. In the costal zone, the concentration of arsenic can be increased or decreased due to the indirect effect of seawater infiltration.
Based on the groundwater quality monitoring networks data, the indicator kriging method was applied to produce the probability map of the arsenic detection in groundwater and the probability distribut map of arsenic contaminated groundwater using 0.2 probabilistic threshold.
Mineral component analysis was performed for rocks of representative site where consistently exceed groundwater quality standards in each hydrological and geological unit. Arsenic mineral or arsenic component was detected at some sites and it is indicating that arsenic was introduced from the constituent minerals. On the other hand it was considered that the sites where arsenic content was not detected were likely to contain arsenic from the pollusion sources in the surrounding area.
Arsenic contaminated groundwater region should establish pollution abatement, utilization and management plan considering regional characteristics of groundwater quality.
The results of this research can be used as basic data for evaluation of arsenic contaminated groundwater and establishment of national groundwater policy for systematic groundwater use and groundwater quality management in the future.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1.1. 연구 배경 및 목적 1
• 2. 지하수 내 비소 오염 특성 4
• 2.1. 비소 산출 특성 4
• 2.2. 비소 오염 기작 11
• 2.3. 지하수에 대한 비소 수질기준 15
• 3. 분석자료 및 분석방법 16
• 3.1. 분석자료 16
• 3.2. 분석방법 26
• 4. 지하수수질측정망 운영결과 48
• 4.1. 년도별 수질기준 초과 현황 48
• 5. 지하수의 비소 농도 현황 57
• 5.1. 지하수수질측정망의 비소 농도 현황 57
• 5.2. 수문지질단위별 비소 농도 비교 분석 61
• 5.3. 수문지질단위를 고려한 지체구조별 비소 농도 비교 분석 75
• 5.4. 지질시대 및 암종별 비소 농도 현황 95
• 5.5. 장기적 비소 농도 추세 변화 특성 98
• 6. 지하수내 비소 분포도 작성 146
• 6.1. 지하수내 비소 검출 확률도 146
• 6.2. 비소 오염 지하수 분포 확률도 154
• 6.3. 임계값 선정 및 오염 지역 구분 161
• 7. 암석, 광물 분석 결과 165
• 7.1. XRD/XRF 분석결과 165
• 7.2. 지점별 분석결과 169
• 8. 비소 오염 지하수 수질관리 방안 및 이용 대책 172
• 8.1. 관련법 현황 172
• 8.2. 국내외 관리사례 177
• 8.3. 비소 오염 지하수 처리 기술 184
• 8.4. 비소 오염 지하수 대책 방안 187
• 9. 결 론 192
• 추가 연구 제언 194
• 참고 문헌 195
• Abstract 209