서론

해안지역에서 해수침투에 의한 지하수 오염은 오래 전부터 심각한 문제로 인식되어 왔으며 이를 해결하기 위해 다양한 분야에서 많은 연구가 활발하게 진행되었다(Shin and Byun, 2010; Chang, 2014). 해수침투는 해수면 변동, 함양량 감소 등의 자연적인 요인과 지하수 사용량 증가, 토지 이용 형태 변화 등의 인위적인 요인에 의해서 발생된다. 특히 최근의 기후변화로 인한 해수면 상승, 강우 패턴의 변화 등의 해수침투를 가속화 시켜 넓은 지역에 영향을 줄 것으로 예상된다(Shim et al., 2002; Kim et al., 2009b; Chang, 2014).

국내에서 최근에는 지구물리탐사와 수치모델링 기법을 활용한 해수의 영향 범위 평가(Hwang et al., 2000; Shim et al., 2002; Hwang et al., 2007), 수치모델링을 이용한 해수침투 모형 검증 및 담수와 해수의 경계면의 특성 평가(Kim et al., 2003a; Shim and Chung, 2003), 지하수의 화학 및 동위원소 조성을 이용한 해수의 영향을 평가하는 등 다양한 분야에서 해수침투에 대한 연구들이 활발히 수행되었다(Shin et al., 2002; Na and Son, 2005; Lee and Moon, 2008; Kim et al., 2009a). 또한 해수침투를 저감시키고 염지하수를 활용하기 위한 연구도 활발히 수행되었다(Park et al., 2007; Shin and Byun, 2010).

국내 해안지역 지하수는 주로 단열대를 따라 발달하기 때문에 해수침투 지역은 해안으로부터의 거리와 뚜렷한 상관관계를 보이지 않는다(Kim et al., 2006). 또한 해안지역에서 활발하게 이루어지고 있는 농업활동의 영향으로 지하수가 오염되는 사례가 많아 해수침투의 초기 단계를 명확하게 평가하는 것은 매우 어렵다(Na and Son, 2005; Kim et al., 2009a). 최근에는 해수침투가 일어난 지하수의 염수화와 담수화에 대한 관심이 크게 증가하였으며 이에 따라 합리적인 관리방안을 마련하는 것이 매우 중요하다(Park et al., 2016).

화학 및 동위원소 조성을 이용하여 해수침투를 정량적으로 평가하는 연구들이 활발히 이루어져 많은 평가방법들이 개발되었지만 사업비의 적절성과 전문 인력의 부족으로 인해 이전에 개발된 평가기술이 활발하게 사용되지 않았다. 따라서 이미 개발된 해수침투 평가 기법을 활용하기 위한 노력이 필요하다. 이 연구에서는 다양한 해수침투 평가 방법을 소개하고 이전에 개발된 방법들을 순차적으로 사용함으로써 해수침투 영향 평가 시 효율성을 증대시킬 수 있는 방법을 소개하고자 한다.

해수침투 모니터링

국내에서는 국가지하수관측망, 보조지하수관측망, 지하수 수질관측망, 해수침투관측망을 운영하고 있으며 이들 관측망으로부터 축적된 자료는 지하수 자원의 관리방안 마련 시 기초자료로써 활용되고 있다. 해수침투관측망은 1998년부터 현재까지 지속적으로 설치되어 운영되고 있으며 2014년말 현재 145개의 관측정이 운영되고 있으며 서해안, 남해안, 동해안에 각각 65, 56, 24개소가 설치되었으며 전라남도(JN), 경상남도(GN), 경기도(GG)에 관측정이 주로 설치되었다(MAFRA and KRC, 2014)(Fig. 1).

Fig. 1.

Status and locations of installation of seawater intrusion monitoring stations from 1998 to 2014. Data from MAFRA and KRC (2014).

해수침투관측망의 관정깊이는 30~200 m 범위이고 해안선으로부터 2.5 km 이내에 설치되었다(Lee and Song, 2007). 수리전도도는 5.20×10⁻⁵~4.00×10⁻³ cm/sec의 범위를 보인다(Lee et al., 2008). 각 관측정에서는 지하수 수위, 수온, 전기전도도를 매 시간 측정하여 서버로 전송하며 측정결과는 매년 보고서로 발행한다.

국내 해수침투관측망에서 매년 1회 수질을 분석하며 Cl/HCO₃ 몰비가 1.3보다 크면 해수의 영향이 있는 것으로 평가한다(MAFRA and KRC, 2014). 1998년부터 지금까지 이 평가방법으로 해수의 영향을 평가하고 있지만 최근에 Cl⁻와 HCO₃⁻를 공급하는 물질들이 다양해졌기 때문에 이 평가방법의 효율성과 적합성을 평가할 필요가 있으며 최근까지 개발된 다양한 해수침투 평가방법이 적용되지 않고 있다. 따라서 해수침투를 명확하게 평가하기 위해서는 좀 더 다양한 평가방법들이 적용되어야 될 것이다.

해수침투 영향 평가 방법

전기전도도를 이용한 해수침투 평가방법

지하수가 해수의 영향을 받으면 전기전도도가 급격하게 증가하는 경향을 보이며 이러한 특징을 이용하여 해수가 지하수에 미치는 영향을 대략적으로 평가할 수 있다(Mondal et al., 2010). Mandal et al. (2010)은 전기전도도를 이용하여 지하수를 담수(<1,500 μS/cm), 기수(1,500~3,000 μS/cm), 염수(>3,000 μS/cm)로 분류하였다. 이 기준은 수리지질학적 특성, 토지이용형태, 오염원 분포 등에 따라 달라질 수 있으므로 각 지역에 적합한 기준을 마련하는 것이 필요하다.

2010~2014년까지 해수침투측정망 중에 49~59%는 전기전도도가 2,000 μS/cm보다 낮았고 31~46%는 전기전도도가 4,000 μS/cm보다 높았다(MFAF and KRC, 2010, 2011, 2012; MAFRA and KRC, 2013, 2014)(Fig. 2). Mandal et al. (2010)의 분류법에 따르면 해수침투관측망의 관측정 중에 약 36%는 해수의 영향을 받은 것으로 평가된다.

Fig. 2.

Range of EC measured at seawater intrusion monitoring stations from 2010 to 2014. Data from MFAF and KRC (2010, 2011, and 2012) and MAFRA and KRC (2013 and 2014).

화학조성을 이용한 해수침투 평가방법

지하수의 화학조성을 이용하여 해수의 영향을 평가하는 방법은 최근까지 꾸준히 사용하고 있다. 지하수에 비해서 해수 내 Cl⁻, SO₄²⁻, Br⁻, Na⁺, K⁺, Mg²⁺의 농도가 매우 높은 특징을 보인다. 지하수 내 이들 성분들은 해수이외의 다양한 물질들로부터 공급되지만 Cl⁻, Br⁻, K⁺는 주로 해수로부터 공급되기 때문에 해수침투의 지시자로서 활발히 사용된다(Stuyfzand, 1986; Vengosh and Rosenthal, 1994; Park et al., 2016). Cl⁻, Br⁻, K⁺, HCO₃⁻와 같은 지시자들은 누적도수분포로부터 배경값을 추정하여 해수에 의한 영향을 정량적으로 평가할 수 있다(Park et al., 2005; Lee and Song, 2007a, 2007b; Kim et al., 2009a; Park et al., 2012)(Table 1). 그렇지만 누적도수분포로부터 배경값을 추정하기 위해서는 광역적인 시료채취와 다량의 자료가 필요하다. Stuyfzand (1986)과 Vengosh and Rosenthal (1994)는 Cl⁻의 농도를 기준으로 지하수를 담수, 기수, 염수로 분류하였다(Table 2). 이들의 기준에 따르면 해수침투관측망 중에 약 30% 이상이 해수에 의한 영향을 받고 있는 것으로 평가되었다(Park et al., 2016).

해수 내 성분비도 해수가 지하수에 미치는 영향을 정량적으로 해석하는데 많이 사용된다(Lee and Moon, 2008; Park et al., 2012, 2016). 일반적으로 해수 내 주요 성분들은 물과 거의 비슷한 속도로 이동을 하지만 매질의 특성에 따라 용존 성분들의 이동속도가 차이를 보일 수 있다(Mikolajkow, 2003). 또한 용존성분의 성분비를 사용하기 위해서는 주변 환경에 영향을 거의 받지 않는 성분을 기준으로 평가하는 것이 가장 좋다. 최근까지는 대부분 Cl⁻에 대한 상대적인 농도비를 사용하였지만 농업형태가 대규모의 집약적인 형태로 바뀌면서 살충제의 사용량이 증가하고 제 설제의 사용이 크게 늘면서 Cl⁻가 해수 이외의 다른 물질들로부터도 다량 공급될 수 있는 가능성이 매우 높아졌으므로 주변 환경을 고려해서 해수침투 지시자를 선정하는 것이 필요하다.

해수침투의 영향을 평가하기 위하여 파이퍼 다이어그램도 사용된다. 해안지역 지하수는 염수화가 진행될수록 Ca-HCO₃형 → Ca-Cl형 → Na-Cl형으로 진화하고 해수에 영향을 받은 지역에서 지하수의 담수화가 진행될수록 Na-Cl형 → Na-HCO₃형 → Ca-HCO₃형으로 진화한다(Walraevens and Van Camp, 2004; Lu et al., 2008; Park et al., 2012)(Fig. 3). Stuyfzand (1993)는 기수와 염수 지하수에 담수 지하수가 유입될 때 지각물질과 지하수 사이에 일어나는 양 이온 교환반응을 이용하여 양이온교환지수(base exchange index, BEX)를 제안하였고 BEX > 0인 지역에서는 담수화가 진행되고 BEX < 0인 지역에서는 염수화가 진행된다고 평가하였다. Park et al. (2016)은 국내 해수침투관측정 중에 15지점에서 BEX > 0인 것을 확인하고 이들 지역에서 담수화가 일어나는 것으로 보고하였다. 서해와 남해의 간척지 내 해수의 영향을 받은 지역 및 주변 지역에서는 현재 염수화 또는 담수화가 일어나는지 인지하는 것은 매우 중요하며 평가결과를 기초하여 장기적인 지하수 자원의 관리방안이 마련되어야 한다.

Fig. 3.

Evolution of groundwater chemistry by salinization and freshening modified from Walraevens and Van Camp (2004).

동위원소 조성을 이용한 해수침투 평가방법

지하수 내 용존성분들은 다양한 물질로부터 공급될 수 있으므로 이들의 기원을 명확하게 규명하는 것은 어렵다. 그러나 국내 오염되지 않은 지하수의 산소(δ¹⁸O)와 수소 동위 원소 조성(δD)은 그 지역 강우의 평균 값을 나타내고 위도 효과에 의해 지역에 따라 차이를 보이기는 하지만 산소 동위원소 조성은 -7~12‰의 범위를 보인다. 반면에 해수는 산소 동위원소 조성은 약 0‰ 보인다. 따라서 해수의 영향을 받은 지역에서는 지하수의 동위원소 조성이 점차 부하되므로 이러한 특성을 이용하여 해수의 영향을 정량적으로 평가 할 수 있다(Kim et al., 2003b)(Fig. 4). 그러나 논 농사가 활발히 이루어지는 해안지역에서도 증발로 인해 동위원소 조성이 부하된 지하수가 유입될 수 있으므로 해수의 영향과 구분할 필요가 있다. 다만, 해수에는 NO₃⁻가 존재하지 않기 때문에 해수의 영향을 받은 지역에서는 동위원소 조성은 부하되는 반면에 NO₃⁻는 희석되는 경향을 보이고 관계용수의 영향을 받은 지역에서는 동위원소가 부하되고 NO₃⁻의 농도가 주변 지하수에 비해서 상대적으로 높아지는 특징을 보인다(Fig. 5).

Fig. 4.

Evaluation of seawater on groundwater in coastal area using δ¹⁸O and δD. Data from Kim et al. (2003b).

Fig. 5.

Relationship between δ¹⁸O and NO₃^- by seawater intrusion and inflow of irrigation return flow. Data from Kim et al. (2003b).

계층적 해수침투 평가방법

위에서 기술한 다양한 해수침투 평가방법들을 이용하여 해수침투를 연구한 사례는 매우 많이 있으며 최근에도 해수 침투와 관련된 연구에서 사용된다. 그러나 고비용의 분석비로 인해 해수침투조사사업과 지하수기초조사사업에서는 이러한 방법들이 활발하게 사용되지 않는다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 체계적인 분석방법 개발을 통해 해수침투 평가방법의 효율성을 높이는 것이 중요하다.

이 연구에서 제시한 계층적 해수침투 평가방법을 Fig. 6에 나타내었다. 전기전도도가 3,000 μS/cm 이상으로 해수침 투가 의심되는 지역을 선정한 후에 선정된 지역을 대상으로 Cl⁻, Br⁻, K⁺ 등의 해수침투 지시자의 농도가 배경 값보다 높거나 지하수 유형이 Ca-Cl 및 Na-Cl형에 포함되는 지역은 해수의 영향을 받은 지역으로 선정할 수 있다. 그러나 농업활동이 활발한 지역에서는 염수화의 초기 또는 담수화는 마지막 단계와 구분하는 것이 매우 어려우므로 산소와 수소 동위원소 조성을 이용하여 해수의 영향을 정량적으로 평가할 수 있다.

Fig. 6.

Systematic analysis of seawater intrusion using EC and chemical and isotopic compositions of groundwater in coastal area.

결과

국내 해안지역의 지하수는 해수침투에 대해 매우 취약하여 해수침투를 평가하기 위해 다양한 분야에서 많은 연구들이 수행되어 많은 해수침투 평가방법들이 개발되었다. 그러나 이미 개발된 해수침투 평가방법들이 효율성의 문제로 인해 실제로 수행되는 사업에 활발하게 사용되지 못하였다. 따라서 해수침투 조사 시 측정되는 현장수질항목을 이용하여 해수침투의 가능성이 높은 지역을 선정하고 이들 지역에 대해서만 추가적인 화학 및 동위원소 분석을 수행함으로써 해수침투 평가방법의 효율성을 증대시킬 수 있다.