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Original Article

J Environ Health Sci. 2022; 48(2): 86-95

Published online April 30, 2022 https://doi.org/10.5668/JEHS.2022.48.2.86

Copyright © The Korean Society of Environmental Health.

Distribution Characteristics of Uranium and Radon Concentrations of Groundwater in Gwangju Area

광주지역 지하수 중 우라늄과 라돈의 함량 분포 특성

Heejeong Seo1* , Kyoungwoo Min1, Jiyoung Park1, Juhyun Park1, Hoyeon Hwang1, Seil Park1, Seonjeong Kim1, Sukkyung Jeong1, Seokjin Bae1, Seongjun Kim2

서희정1*, 민경우1, 박지영1, 박주현1, 황호연1, 박세일1, 김선정1, 정숙경1, 배석진1, 김성준2

1Health and Environment Research Institute of Gwangju, 2Department of Environmental and Energy Engineering, Chonnam National University

1광주광역시보건환경연구원, 2전남대학교 환경에너지공학과

Correspondence to:Health and Environment Research Institute of Gwangju, 584 Mujin-daero, Seo-gu, Gwangju 61954, Republic of Korea
Tel: +82-62-613-7602
Fax: +82-62-613-7619
E-mail: hjseo@korea.kr

Received: March 1, 2022; Revised: March 17, 2022; Accepted: March 21, 2022

This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/), which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Highlights

ㆍ There is limited data on natural radioactive substances in groundwater in urban area.
ㆍ U and Rn were investigated in 62 groundwater in Gwangju.
ㆍ U and Rn in the groundwater ranged 0~29.3 μg/L and 4.8~313.2 Bq/L, respectively.
ㆍ For Rn, about 11% of the samples exceeded the drinking water standard.

Background: As high concentrations of uranium and radon have been detected in some areas in Korea, it is considered necessary to investigate natural radioactive materials in the Gwangju area.
Objectives: This study aimed to identify the hydrochemical characteristics of groundwater in Gwangju and investigate the distribution characteristics of uranium and radon, which are naturally radioactive substances.
Methods: To determine the uranium and radon concentrations in groundwater according to the geology of the Gwangju area, we measured 62 groundwater wells. A geological distribution map of uranium and radon content was prepared for this study.
Results: The groundwater type, defined using a Piper diagram, was mainly Ca-HCO3. The concentration of uranium in the groundwater ranged from 0 to 29.3 μg/L, with a mean of 3.3 μg/L and a median of 0.9 μg/L. The median concentration of uranium in groundwater was highest in alluvium, granitic gneiss, and biotite granite (classified by geological unit), in that order. The concentration of radon in the groundwater ranged from 4.8 to 313.2 Bq/L, with a mean of 75.6 Bq/L and a median of 59.6 Bq/L. The median concentration of radon in groundwater was highest in biotite granite, alluvium, and granitic gneiss, in that order. As a result of the correlation analysis of groundwater in the study area, there was no significant correlation between uranium and radon.
Conclusions: In this study area, uranium was shown to be far below the concentrations allowed by drinking water quality standards, but radon concentrations exceeded drinking water quality monitoring standards in 11% of the samples. It was judged that appropriate measures, such as the installation of radon reduction facilities, will be required after a thorough review of high-concentration radon detection sites of in the research area.

KeywordsGroundwater, uranium, radon, Gwangju area, geology

자연계에 존재하는 원자번호가 큰 우라늄(U), 라돈(Rn)과 같은 원소의 원자핵이 붕괴하면서 방사선을 방출하는 원소를 자연방사성물질이라 한다. 미국 국립과학아카데미 보고서에 따르면 인간이 연간 노출되는 방사선 중 82%는 자연방사성물질에 의한 것으로 보고되고 있다.1) 우라늄은 주로 음식섭취를 통해 노출되고 반감기가 45억년으로 길기 때문에 혈액을 통해 체내에 잔존하고 뼈로 이동하여 수년간 잔류하게 되며, 고농도에 장기간 노출 시에 신장에 영향을 주게 된다.1,2) 라돈은 인간에게 피폭되는 방사선 양의 50% 이상을 차지하며 라돈의 위해성은 실내공기 중 라돈이 약 80%로 큰 비중을 차지하나 지하수 음용시 호흡과 섭취에 의한 위해성도 크다.3) EPA는 먹는물 중 라돈에 의해 연간 약 168명이 암으로 사망한다고 추정하며, 이 중 89%는 지하수에서 실내 공기로 방출되는 라돈 호흡으로 인해 폐암이 발생하고, 11%는 라돈이 함유된 지하수 음용으로 인해 위암이 발생한다고 보고하고 있다.1) 이러한 자연방사성물질은 일정량 이상에 장기간 노출되거나 고농도로 노출될 경우 인체에 위해할 수 있으므로 체계적인 관리가 필요하다.

우라늄과 라돈에 대한 국내외 연구 사례를 살펴보면, 미국을 비롯한 북유럽 일부 선진국들은 1960년대부터 지하수의 자연방사성물질에 대한 연구를 수행해 왔고, 국내에서는 1998년 대전지역 지하수에서 방사성물질인 우라늄이 외국의 음용기준치를 초과했다는 보도 이후 새로운 환경문제로 대두되면서 이에 대한 연구가 본격적으로 이루어졌다.4) 1999년부터 3단계에 걸쳐 국립환경과학원에서 전국 단위로 지하수 중 자연방사성물질 함유 실태 및 원인 조사가 수행되었다.5)

최근까지 수행된 연구 결과에 따르면 지하수의 자연방사성물질은 지질과 연관성이 있고 우라늄 및 라돈 함량은 화강암 지역에서 가장 높으며, 특히 중생대 쥬라기화강암 분포지역 지하수에서 퇴적암이나 변성암지역 지하수 보다 높은 것으로 보고되고 있다.3,5,6) 국내 지하수 중 우라늄 함량은 대전지역 복운모화강암지역 지하수에서 가장 높게 검출되었으며, 최고 3,607 μg/L로 먹는물 수질기준의 약 120배 높은 것으로 나타났다.3) 화강암 중에서도 특히 복운모화강암지역에서 높게 나타나는 것은 복운모화강암의 광물내 우라늄 함량이 높으며, 우라늄 광물이 쉽게 용해되어 나오기 때문이다.3) 국내 5,453개 지하수의 라돈 함량을 분석한 연구에서는 라돈의 수질감시기준 148 Bq/L를 넘는 비율이 17.7%이고, 최고 함량은 7,218 Bq/L, 중앙값은 48.8 Bq/L로 나타났으며, 국내와 비슷한 지질분포를 갖는 핀란드, 노르웨이 등에 비해서 낮은 편인 것으로 나타났다.6) 전남지역과 경상남북도 지하수 연구결과에서는 우라늄과 라돈간의 상관성은 매우 낮으며 서로 거의 무관한 거동특성을 보이나 주요 수질항목들 간에는 높은 상관계수를 나타냈다.2,7)

우라늄의 먹는물 수질기준은 미국 EPA와 WHO의 경우 30 μg/L로 설정되어 있고, 라돈 권고기준은 미국 148 Bq/L, 핀란드 300 Bq/L, 노르웨이 500 Bq/L로 설정되어 있다.5,6) 국내의 경우 2018년에 우라늄을 먹는물 수질감시항목으로 지정하고 지속적인 모니터링을 통해 2019년 먹는물 수질기준항목으로 추가하였으며, 라돈은 2018년에 먹는물 수질감시항목으로 지정하면서 점차적으로 방사성물질에 대한 관리를 확대하고 있다. 우리나라의 우라늄 먹는물 수질기준은 미국 및 WHO와 같은 30 μg/L, 라돈 먹는물 수질감시기준은 148 Bq/L로 설정되어 관리되고 있다.

국립환경과학원에서는 지하수를 원수로 사용하고 있는 전국의 마을상수도 및 소규모 급수시설을 대상으로 지하수 중 자연방사성물질의 실태조사를 수행했으며, 전국적으로 지하수 중 자연방사성물질 관련 연구가 활발하게 진행되고 있다.2) 그러나 도심 내 지하수의 자연방사성물질에 대한 조사 자료는 다소 부족한 실정이다. 특히 민방위 비상급수 시설은 전시 등 비상사태 발생에 따른 상수도 공급 중단 시 최소의 음용 및 생활용수를 주민들에게 공급하기 위한 시설이며 평상시에는 공공용 시설로 활용되는 만큼 지하수 중 방사성물질 함량을 파악하고 적절한 대책을 마련하여 해당 시설을 이용하는 주민들의 불안감을 해소해야 할 필요가 있다. 한편 민방위 비상급수 시설은 지하수 중 자연방사성물질 실태 조사 결과로는 충북지역에서 우라늄이 8%, 라돈이 15% 기준을 초과하였으며8) 대전지역에서는 라돈이 28% 기준을 초과한 것으로 보고되고 있다.9)

이에 따라 본 연구에서는 지하수를 원수로 사용하고 있는 광주지역 민방위 비상급수 시설은 62개소를 대상으로 지질별 라돈 및 우라늄의 함량 분포 특성을 파악하여 민방위 비상급수 시설을 이용하는 주민들의 먹는물 안전성을 확보하고 효율적인 수질관리 방안을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.

1. 연구대상

본 연구는 광주지역 민방위 비상급수 시설 중 음용수로 지정된 시설의 지하수를 중심으로 지질특성, 조사의 용이성 등을 고려하여 조사지점을 선정하였다.

광주지역의 지질은 선캠브리아기 화강편마암(PCEggn), 쥬라기 흑운모화강암(Jbgr), 백악기 화산암(Kha), 신생대 제4기 충적층(Qa) 등으로 구성되어 있다(Fig. 1). 선캠브리아기 화강편마암은 광주지역의 북서부, 북부와 중북부에 발달하며 분포율은 약 16.5%를 차지한다.10) 쥬라기 흑운모화강암은 광주지역 남서부에서 북동부 방향에 걸쳐 넓게 분포하며 약 35.3%를 차지하며 광주지역의 지질시대별 구성암류에서 가장 큰 분포를 이루고 백악기의 화산암은 광주지역 남동부에서 걸쳐 분포하며 약 11.7%를 차지한다.10) 신생대 제4기 충적층은 광주지역의 서부와 중부일대에 발달하며, 대부분 황룡강과 영산강, 이들의 합류부와 지천을 따라 발달하며 분포율은 약 27.8%를 차지하여 쥬라기 흑운모화강암 다음으로 큰 비중을 차지한다.10)

Figure 1.Geological map and sampling sites of the study area

연구대상 지점은 민방위 비상급수 시설 중 많은 비중을 차지하는 지질을 중심으로 총 62개소를 선정하였으며 이중 쥬라기 흑운모화강암 지역이 28개소, 선캠브리아기 화강편마암이 10개소, 신생대 제4기 충적층이 24개소이다(Fig. 1). 연구대상 지하수 관정의 심도는 56~200 m 범위이며, 평균 심도는 108 m, 표준편차는 33 m로 조사되었으며 주로 전체 지하수 중 100 m 이상의 심부 지하수가 약 70%를 차지한다. 흑운모화강암 지역 지하수의 경우 심도는 68~200 m 범위이며, 평균 심도는 118 m, 화강편마암 지역은 80~170 m 범위이며, 평균 심도는 101 m, 충적층 지역은 56~200 m, 평균 심도는 99 m이다.

2. 시료채취 및 분석

연구지역 지하수의 수리지화학적 특성과 자연방사성물질인 우라늄과 라돈의 함량 분포 특성을 파악하기 위하여 2021년 7월부터 8월까지 62개소의 지하수 관정에서 시료를 채취하였다. 음이온성분(F, Cl, NO3, SO4, HCO3), 양이온성분(Ca, Na, K, Mg) 그리고 자연방사성물질인 우라늄과 라돈을 분석하였다. 현장에서 시료채취와 시료의 보존 및 분석은 먹는물 수질공정시험기준11)과 먹는물 수질감시항목 시험방법12)에 준하여 실시하였으며, 각 성분들을 분석하기 위한 분석 장비는 Table 1과 같다.

Table 1 Analytical instrument for items

ItemsAnalytical instruments
pH, EC, DO, TempMulti Sensor Meter(556MPS, YSI)
Ca, Na, K, MgICP (Avio500, PerkinElmer)
F, Cl, NO3, SO4, HCO3IC (881 compact IC pro, Metrom)
UICP-MS (Nexion 300D, PerkinElmer)
RnLiquid Scintillation Counter (300SL, Hidex)

시료채취는 가능하면 지하수 관정에서 직접 이루어졌으며, 지하수 관정에 설치된 펌프를 10분 이상 가동시켜 관정 내에 저장된 지하수를 토출시키고, pH, 전기전도도, 수온 등이 안정된 상태를 확인한 후 시료를 채취하였다. 자연방사성물질 분석용 및 수질특성 분석용 시료를 각각 채취하였으며, 다항목측정기를 이용해 현장에서 수온, pH, 전기전도도, 용존산소를 측정하였다. 우라늄 및 양이온 분석용 시료는 60 mL 폴리에틸렌 용기에 시료를 채취하고 진한 질산을 가한 후 pH 2 이하로 산성화시켜 용존성분들의 결합이나 응집을 방지하도록 시료를 보존하였다. 음이온 분석용 시료는 산처리 없이 시료를 채취하고 모든 시료는 4℃ 냉장 보관하여 실험실에서 기기분석을 실시하였다. 우라늄은 ICP-MS로 분석하였으며, Ca, Na, K, Mg 등 양이온은 ICP로, F, Cl, NO3, SO4, HCO3 등 음이온은 IC를 이용하여 분석하였다. 라돈 분석용 시료는 실험실에서 미리 준비한 12 mL 칵테일용액(MaxiLight+, Hidex)이 들어있는 22 mL 폴리에틸렌 바이알에 지하수 시료 8 mL를 채취하여 천천히 주입하고 누수되지 않도록 뚜껑을 꼭 닫고 칵테일 용액과 시료가 혼합되도록 30회 이상 충분히 흔들었다. 바이알 뚜껑에 시료채취지점과 채취일, 채취시간을 기재하여 분석 시에 시간보정 자료로 사용하였다. 또한 시료 채취 시에 물의 유속을 낮추어 기포가 발생하지 않도록 플라스틱 재질의 비커에 지하수를 받은 다음 채취하였으며 모든 시료채취 과정에서 라돈이 휘발하여 손실되지 않도록 주의하였다. 채취된 시료는 4℃ 이하로 암소에 보관하여 실험실로 운반하였으며 액체섬광계수기를 이용하여 분석하였다.

3. 지질분석 및 통계분석

연구지역의 지질도는 한국지질자원연구원 지오빅데이터 오픈플랫폼에서 제공하는 수치지질도13)를 이용하여 제작하였다. 영광, 송정, 동복, 나주, 창평, 광주 등 6개 지역의 1:50,000 지질도폭을 지리정보체계응용프로그램인 QGIS 3.16을 이용하여 공간데이터를 편집하고 추출하여 광주지역 행정구역에 해당하는 지질도를 제작하여 연구대상의 지질을 분석하였다. 또한 연구대상 시설의 위치를 지질도 위에 표시하기 위해 지하수 관정 주소를 GPS 좌표로 변환하여 지질도에 표시하였고, 우라늄과 라돈의 함량 분포도를 작성하였다.

지하수의 수질 유형 및 특성을 파악하기 위해서 주요 양이온과 음이온의 당량 농도 상대비로 도시한 그래프인 Piper Diagram을 이용하였는데 이는 미국지질조사국(USGS)에서 지하수 조사 연구에 사용되는 프로그램인 GW_Chart를 활용하였다.14) 지하수의 주요 항목간 상관성 분석 및 지질에 따른 자연방사성물질과 주요 성분들과의 상관관계는 통계프로그램인 SPSS (v.27)를 사용하여 분석하였다.

1. 지하수의 수리지화학적 특성

1.1. 주요 수질항목 및 수리지화학 성분

연구대상 지하수 62개소에 대한 현장수질 항목 및 주요 양∙음이온성분 분석 결과에 대한 통계자료는 Table 2에 나타냈다. 전체 지하수의 pH의 범위는 6.2~8.3이고, 평균은 7.0으로 국내 pH 기준치(5.8~8.5)를 초과한 지점은 없었다. 지질별 지하수의 pH는 흑운모화강암 지하수는 6.2~8.3, 화강편마암 지하수는 6.3~7.1, 충적층 지하수는 6.4~7.8로 지질별 유의미한 차이는 보이지 않았다. 전체 지하수의 전기전도도의 범위는 148~840 µS/cm이고, 평균 408 µS/cm을 나타내고 있다. 흑운모화강암 지하수는 148~707 µS/cm, 화강편마암 지하수는 197~621 µS/cm, 충적층 지하수는 170~840 µS/cm으로 충적층 지하수의 전기전도도 범위가 넓으며 평균값도 높게 나타났다.

Table 2 Statistical analysis of various hydrochemical parameters (n=62)

T
(°C)
pHEC
(µS/cm)
DOFNO3ClSO4HCO3CaMgNaKDepth
(m)










(mg/L)
Total (n=62)Min.15.96.21482.50.000.35.923612.22.65.90.556
Max.24.18.384010.90.7413.999.95026586.726.0124.47.5200
Mean18.87.04085.60.064.638.41613642.210.217.81.6108
Med.18.57.03835.10.004.335.91213640.49.115.61.2100
Std.dev.1.80.41511.80.132.819.9136218.75.516.11.233
Jbgr (n=28)Min.15.96.21482.50.000.45.924512.22.65.90.568
Max.22.88.370710.90.328.870.25022563.926.0124.42.9200
Mean18.37.13756.00.064.333.31413437.09.217.91.2118
Med.18.17.23485.70.004.028.41212639.58.811.01.0110
Std.dev.1.70.51241.90.102.117.7125114.74.822.90.634
PCEggn (n=10)Min.16.76.31973.20.000.312.523820.22.69.70.880
Max.23.17.16219.10.2213.957.53822675.819.620.45.9170
Mean19.26.83485.70.066.032.6129834.77.916.21.8101
Med.19.56.93055.20.005.930.166027.36.916.71.2100
Std.dev.2.00.31422.00.094.016.3127218.35.13.51.526
Qa (n=24)Min.16.96.41703.40.000.315.923613.13.18.40.956
Max.24.17.88408.50.7411.099.94926586.722.543.37.5200
Mean19.26.94725.20.074.246.72115451.312.218.42.099
Med.19.06.94944.70.004.343.42316254.711.917.81.6100
Std.dev.1.80.31671.60.172.921.5136520.05.97.91.533

Jbgr: Jurassic biotite granite, PCEggn: Precambrian granitic gneiss, Qa: Quaternary alluvium.


연구대상 전체 지하수의 양이온 조사 결과 Ca 이온은 12.2~86.7 mg/L, Mg 이온은 2.6~26.0 mg/L, Na 이온은 5.9~124.4 mg/L, K 이온은 0.5~7.5 mg/L의 범위를 나타냈다. 지하수에서 가장 풍부한 양이온인 Ca 이온은 충적층 지역의 지하수에서 가장 넓은 범위를 보였으며, 평균 51.3 mg/L를 나타냈다. Na 이온은 흑운모화강암 지역의 일부 지하수에서 최대 124.4 mg/L를 나타냈으며, 평균은 17.8 mg/L로 Ca 이온 다음으로 지하수에서 차지하는 양이온 함량이 높은 것으로 나타났다. Mg 이온은 충적층 지역의 지하수에서 가장 넓은 범위를 보였으며, 평균 12.2 mg/L를 나타냈다. 양이온 성분 중 K 이온은 상대적으로 가장 함량이 낮은 것으로 나타났으며, 지질별 유의미한 차이는 보이지 않았다. 조암광물인 사장석과 K-장석의 풍화에 의하여 Na, K, Ca 이온이 증가할 수 있으며, Na와 Ca 고용체인 사장석의 풍화는 사장석의 Na, Ca 비율에 따라 지하수의 Na, Ca 이온 함량도 증가시킬 수 있다.4) 따라서 광주지역의 지하수는 Na과 Ca 이온의 함량이 비교적 높아 사장석의 풍화에 영향을 받고 있는 것으로 판단된다.

연구대상 전체 지하수의 음이온 조사 결과 F 이온은 0~0.74 mg/L, NO3 이온은 0.3~13.9 mg/L, Cl 이온은 5.9~99.9 mg/L, SO4 이온은 2~50 mg/L, HCO3 이온은 36~265 mg/L의 범위를 나타냈다. 음이온 성분 중 오염지시 항목으로 사용되는 NO3 이온은 2건이 먹는물 수질기준치(10 mg/L)를 초과하였다. F 이온은 타지역 화강암류에서 약 10% 기준 초과된 것으로 보고15)되고 있으나, 연구대상 지하수에서는 기준 초과는 없었으며 지질별 차이도 보이지 않았다. 음이온 성분 중 가장 풍부한 HCO3 성분은 충적층 지하수에서 가장 넓은 범위를 보였으며, 평균 154 mg/L로 가장 높은 농도를 보였고 화강편마암 지하수에서 평균 98 mg/L로 가장 낮은 농도를 나타냈다. 지하수 내 HCO3 성분은 특별한 유기오염원이 없는 경우에 탄산염 광물의 용해, 대기와 토양 내 CO2 가스의 융해와 같은 자연적 반응으로부터 주로 기원한다.16) 전체적으로 지하수에서 Ca 성분이 증가할수록 HCO3 이온이 증가하는 경향을 보여 탄산염 광물의 용해가 지하수의 수질에 영향을 미치는 것으로 판단된다.

1.2. 수리화학적 유형

지하수의 수질유형을 분석하기 위해 파이퍼 다이어그램(Piper diagram)에 주요 양이온, 음이온들의 당량농도의 상대비를 도시하였다(Fig. 2). 지하수의 수질유형을 해석한 결과 연구지역의 지하수는 전체적으로 Ca-HCO3 유형의 지하수의 특징을 보이며, 음이온은 HCO3 이온이, 양이온은 Ca 이온이 넓은 범위를 보였다. 흑운모화강암 지역의 지하수에서는 주로 Ca-HCO3 유형이 우세하여 화강암의 지질특성을 잘 반영한다.2) 일부 지하수에서는 Na-HCO3 유형을 보였으며 이 지점들은 다른 지하수보다 Na 함량이 높은 특징을 보였으며, 공통적으로 목욕장에서 이용하는 지하수로 조사되었다. 화강편마암 지역의 지하수에서는 Ca-HCO3 유형이 60%로 우세한 유형을 보였으며, 그 다음으로 Ca-Cl 유형이 우세한데, 이는 화산암 특성을 반영하는 것으로 알려져 있다.2) 음이온은 HCO3 이온이 가장 풍부하고, Cl 이온이 넓은 범위를 보였으며, SO4 이온은 Cl 이온에 비해 좁은 범위를 보인다. 충적층 지하수는 흑운모화강암 지하수와 유사한 특성을 보였다. 화강암과 화강편마암 지하수의 지화학적 진화과정은 진화초기에 중성 또는 약산성의 Ca-HCO3 유형에서 Ca (Na)-HCO3의 유형을 거쳐 진화의 마지막 단계에는 고알칼리성의 Na-HCO3 유형의 단계를 거친다.16) 따라서 연구지역의 지하수는 대체적으로 지하수의 진화 단계 관점으로 보면 초기 진화 단계인 Ca-HCO3 유형으로 보이며 선행연구와 유사한 결과를 보였다.17)

Figure 2.Piper diagram of groundwater samples in the Gwangju area (Jbgr: Jurassic biotite granite, PCEggn: Precambrian granitic gneiss, Qa: Quaternary alluvium)

2. 자연방사성물질의 분포 특성

2.1. 지하수의 우라늄 함량 분포

연구대상 지하수 62개소의 우라늄 함량에 대한 전체 지하수 및 지질별 통계자료를 Table 3에 나타냈으며, 지질에 따른 우라늄의 통계분포를 Fig. 3에 나타냈다.

Table 3 Statistical analysis of uranium and radon concentrations in each geological unit

Total
(n=62)
Jbgr
(n=28)
PCEggn
(n=10)
Qa
(n=24)
U (µg/L)Min.0000
Max.29.316.42.429.3
Mean3.32.00.86.0
Med.0.90.20.54.4
Std.dev.5.83.50.97.9
Skew.3.02.90.72.0
Rn (Bq/L)Min.4.84.88.35.7
Max.313.2202.0208.7313.2
Mean75.679.268.874.2
Med.59.677.227.650.6
Std.dev.65.550.477.277.6
Skew.1.40.61.21.9
Figure 3.Box-and-whisker plots showing statistical variation of uranium in groundwater measurement data for each geology [(Total (n=62), Jbgr (n=28), PCEggn (n=10), Qa (n=24)]

연구지역 지하수 전체 시료의 우라늄 함량은 불검출~29.3 µg/L의 범위를 나타내고, 평균 3.3 µg/L, 중앙값 0.9 µg/L이다. 왜도가 3.0으로 양의 값을 보이며 평균 농도보다 중앙값이 매우 낮아 우라늄 함량의 통계적 분포가 낮은 값으로 크게 치우쳐 있다는 것을 알 수 있다. 연구지역 지하수의 우라늄 평균은 일부 고함량 지하수의 영향으로 중앙값과 차이가 크며 국내 다른 지역 지하수 보다 매우 낮은 농도임을 알 수 있다.3,18-20) 연구지역의 우라늄 함량과 지질도를 이용하여 우라늄의 함량분포도를 Fig. 4에 나타내었다. 우라늄 함량 분포도를 살펴보면 미국 EPA의 기준치(Maximum Contaminant Level, MCL) 및 국내 먹는물수질기준 기준치인 30 µg/L를 넘는 지점은 없었으며, 연구대상 지하수 전체 시료의 92%가 10 µg/L 이하로 Lowry et al. (1987)21)이 보고한 자연 상태의 우라늄 농도 값을 나타내고 있다. 또한 국립환경과학원 조사에 따르면 국내 4,136개 지하수의 우라늄 함량이 30 µg/L를 초과한 비율이 3.9%인 것으로 보고되었는데 이보다 더 낮은 값을 보였다.18)

Figure 4.Spatial distribution of uranium concentrations in groundwater of the Gwangju area

연구지역 지질별로 지하수의 우라늄 함량을 살펴보면 흑운모화강암 지하수는 불검출~16.4 µg/L 범위로 평균 2.0 µg/L, 중앙값 0.2 µg/L이며, 화강편마암 지하수는 불검출~2.4 µg/L 범위로 평균 0.8 µg/L, 중앙값 0.5 µg/L이다. 충적층 지하수는 불검출~29.3 µg/L 범위로 평균 6.0 µg/L, 중앙값 4.4 µg/L이다. 중앙값을 기준으로 우라늄 함량은 충적층 지역의 지하수가 가장 높았으며, 흑운모화강암 지하수가 가장 낮은 값을 보였다. 흑운모화강암 지하수는 일부 고함량 지하수가 전체 평균값에 영향을 미쳐 중앙값은 매우 낮으나 평균값은 약 10배 높은 값을 보였다. 화강편마암 지하수의 약 40%가 우라늄이 검출되지 않았으며 최대값이 2.4 µg/L로 매우 낮은 농도 분포를 보였다. 충적층 지하수의 경우는 관정의 심도가 190 m인 지점에서 29.3 µg/L, 150 m인 지점에서 27.4 µg/L로 심도가 깊은 일부 지점에서 높은 우라늄 함량을 보였다. 이는 충적층 지하수의 경우 지표 지질상 충적층으로 분류되지만 지하 심부로 내려가면 화강암 관입의 영향 가능성 때문에 우라늄 함량이 높게 검출된 것으로 판단된다.6) 또한 흑운모화강암 지역의 지하수는 국내 다른 흑운모화강암 지하수의 함량보다 낮거나 비슷한 수준인 것으로 나타났다.18-20)

2.2. 지하수의 라돈 함량 분포

연구지역 지하수 전체 시료의 라돈 함량은 4.8~313.2 Bq/L의 범위를 나타내고, 평균 함량은 75.6 Bq/L, 중앙값 59.6 Bq/L이었다(Table 3). 연구대상 지하수 전 지점에서 라돈은 검출되었으며, 왜도가 1.4로 양의 값을 보이며 평균 농도보다 중앙값이 낮으며 대부분의 데이터가 높은 농도보다는 낮은 농도 범위에 치우쳐 있는 것을 알 수 있다. 또한 연구지역의 라돈 중앙값은 국내 5,453개 지하수의 라돈 중앙값인 48.8 Bq/L보다6) 높은 것으로 조사되었다. 연구지역의 라돈 함량과 지질도를 이용하여 라돈의 함량분포도를 나타내었는데 연구대상 지하수 중 미국 EPA의 제안치(Alternative Maximum Contaminant Level, AMCL)와 국내 먹는물 수질감시기준인 148 Bq/L를 초과한 비율은 11%로 전국 지하수 라돈 기준치 초과율인 17.7%보다6) 낮게 나타났다. 전체 62개소 중 7개소에서 기준을 초과하였으며, 이 중 핀란드 수질기준인 300 Bq/L를 초과한 지점은 1개소였다. 연구지역 라돈 함량은 타지역 지하수 그리고 우리나라와 지질여건이 비슷한 노르웨이나 핀란드에 비해서 낮은 편이라는 것을 알 수 있었다.4)

연구지역 지질별 지하수의 라돈 함량은 흑운모화강암 지하수는 4.8~202 Bq/L 범위로 평균 79.2 Bq/L, 중앙값 77.2 Bq/L이다(Fig. 5). 화강편마암 지하수는 8.3~208.7 Bq/L 범위로 평균 68.8 Bq/L, 중앙값 27.6 Bq/L이다. 충적층 지하수는 5.7~313.2 Bq/L 범위로 평균 74.2 Bq/L, 중앙값 50.6 Bq/L이다. 라돈 함량은 중앙값을 기준으로 흑운모화강암, 충적층, 화강편마암 지하수 순으로 높게 나타났으며, 충적층 지하수에서 라돈 최대값이 313.2 Bq/L 검출되었다. 또한 화강편마암 지역은 일부 고함량 지하수가 전체 평균값에 영향을 크게 미치는 것으로 나타났다. 먹는물 수질감시기준 초과율은 화강편마암 지하수가 20%로 가장 높았으며, 충척층과 흑운모화강암 지하수가 13, 7%로 나타났다(Fig. 6). 충적층 지하수의 경우 라돈 함량이 높은 경우는 우라늄과 마찬가지로 지표 지질상 충적층으로 분류되지만 심부로 내려가면서 화강암이 관입의 영향 때문에 라돈 함량이 높게 검출된 것으로 판단된다. 한편 연구지역의 마을상수도 중 라돈 실태를 조사한 선행 연구에서는 15개 지점을 조사한 결과 라돈 함량은 4.0~69.6 Bq/L 범위를 보였으며 지질의 영향은 크지 않은 것으로 보고하고 있다.22)

Figure 5.Box-and-whisker plots showing statistical variation of radon in groundwater measurement data for each geology [(Total(n=62), Jbgr (n=28), PCEggn (n=10), Qa (n=24)]
Figure 6.Spatial distribution of radon concentrations in groundwater of the Gwangju area

지하수의 라돈을 저감하거나 제거하는 방법은 폭기와 활성탄, 정치 등이 있다.23) 폭기에 의한 지하수의 라돈 저감은 일반적으로 중규모 크기 이상의 급수시설, 지하수 중 라돈 함량이 740 Bq/L 이상 높은 급수시설에 주로 이용되며 약 71% 이상의 저감효율을 보인다.24) 활성탄에 의한 라돈 저감은 소규모 급수시설 또는 740 Bq/L 이하의 라돈 농도에 적합하며, 공상체류시간이 30~130분일 때의 라돈 저감효율은 70~99%로 알려져 있다.23) 정치(storage)는 지하수의 라돈 농도가 비교적 낮을 경우 일정기간 용기에 저장하여 라돈을 저감하는 방법이다. 정치는 대기와 접촉면이 있는 상태에서 이루어지기 때문에 그 제거는 붕괴에 의한 감소뿐만 아니라 기액 계면에서의 물질이동에 의해서도 결정된다.25) 이 저감 방법은 저수조가 설치되어 있는 시설의 경우 가장 적합한 것으로 알려진다. 지하수의 라돈 자연 저감율이 25.6~45.6%인 선행 연구결과25)와 연구지역 지하수의 먹는물 수질감시기준 초과시설에는 저수조가 설치되어 있으므로 일정시간 정치가 가능한 것을 고려하면 간단한 폭기시설이나 정치만으로 라돈 저감이 가능할 것으로 판단된다.

3. 자연방사성물질과 주요 수질항목간 상관분석

연구대상 전체 지하수의 우라늄, 라돈 그리고 주요 수질 성분 결과를 이용하여 수질항목간 상관분석 결과를 Fig. 7에 나타내었으며, 지질에 따른 주요 성분간 상관분석 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 수온, pH, DO, 전기전도도 등 현장 측정항목 간 상관성 분석 결과 항목간의 상관성은 수온과 pH (r=–0.283)를 제외하고는 유의적인 상관관계가 없는 것으로 나타났다. 전체 지하수를 대상으로 분석한 결과에서는 수온과 pH는 낮은 음의 상관성을 보였으나 지질별 상관분석 결과에서는 3개의 지질 모두 유의미한 상관성을 보이지는 않았다. 전기전도도는 Ca (r=0.867), Mg (r=0.815), Cl (r=0.858), SO4 (r=0.800), HCO3 (r=0.811) 등 주요 양이온, 음이온 성분과과 높은 양의 상관성을 보여 전기전도도 증가와 더불어 양이온과 음이온 함량이 증가한는 경향을 보였다. Ca은 Mg (r=0.853), HCO3 (r=0.807)과 높은 양의 상관성을 보였으며, 특히 충적층 지하수에서는 Ca-HCO3 (r=0.941), Ca-Mg (r=0.905)이 매우 높은 상관성을 보였다. 이는 Ca-Mg 탄산염광물의 용해로 지하수 수질에 밀접한 영향을 받은 것으로 판단된다.16) 또한 대부분의 지질에서 주요 수질항목들 간에 높은 상관계수를 보이는 것은 일반적인 물-암석반응의 영향임을 시사한다.7)

Figure 7.Heatmaps of a correlation matrix of components in groundwater of Gwangju area (n=62)
Figure 8.Heatmaps of a correlation matrix of groundwater components in each geological unit [(A) Jbgr (n=28), (B) PCEggn (n=10), (C) Qa(n=24)]

우라늄은 전체 시료를 대상으로 상관성을 분석한 결과 전기전도도(r=0.504), SO4 (r=0.561), F (r=0.503), HCO3 (r=0.467), Ca (r=0.426) 등 주요 양이온, 음이온과 보통의 양의 상관성을 보여주었다. 지질별 상관분석에서는 흑운모화강암 지하수에서 우라늄과 나트륨의 상관계수가 0.728, 충적층 지하수에서는 우라늄과 심도의 상관계수가 0.609로 비교적 높은 상관성을 보였다. 상관성 분석 결과 라돈은 수온을 제외한 어떤 성분과도 유의미한 상관성이 없는 것으로 나타났다. 라돈과 수온은 낮은 상관관계를 보였는데 전체 지하수를 대상으로 분석할 경우에는 상관계수가 –0.275로 매우 낮은 상관성을 보였으며, 충적층 지하수에서는 –0.421로 보통의 음의 상관성을 나타내었다. 또한 라돈은 지하수 관정의 심도와 상관성이 전혀 없는 것으로 나타났다. 연구지역 전체 지하수를 대상으로 수행한 상관분석에서 우라늄과 라돈 간에는 유의미한 상관관계가 없었으며, 지질별 지하수 분석결과에서도 상관성은 전혀 없는 것으로 나타났다. 그러므로 우라늄과 라돈의 거동 특성은 밀접한 관련성이 없는 것으로 판단되며, 특히 라돈은 지하수 관정의 심도, 주요 지하수 수질성분과의 뚜렷한 관련성이 없는 것으로 나타나 선행 연구와 유사한 결과를 보였다.3,4,7)

본 연구의 전체 시료를 대상으로 요인분석을 실시한 결과 의미있는 요인은 5개가 추출되었으나, 분산값으로 판단하면 요인 1의 분산이 32.167%로 높고 나머지 요인은 분산이 10%로 비슷한 수준을 보여 요인 1 외에 여러 요인이 복합적으로 작용하는 것으로 보인다(Table 4). 요인 1에는 Ca, Mg, Cl, K, SO4, Cl, HCO3 등 주요 양이온, 음이온과 전기전도도가 영향을 주로 받으며 거동 특성이 유사한 것으로 나타났고 이는 물과 암석반응에 의한 영향 요인으로 판단된다(Fig. 9). 우라늄은 요인 2에 약간 영향을 받지만 라돈은 특정한 성분과 크게 영향을 받지 않으며 다소 독립적인 거동 특성을 나타내는 것으로 볼 수 있다.

Table 4 Total variance explained and loadings of components in groundwater of the Gwangju area (n=62)

ComponentInitial eigenvaluesRotation sums of squared loadings


TotalVariance (%)Cumulative (%)TotalVariance (%)Cumulative (%)
15.37833.61033.6105.14732.16732.167
21.88811.79745.4071.76311.02143.187
31.83911.49656.9031.70810.67253.860
41.5129.45266.3551.61010.06463.924
51.0976.85873.2131.4869.28973.213
60.8725.45178.664
70.7714.82183.485
80.7054.40687.891
90.6133.83291.723
100.4062.53794.260
110.3842.39796.657
120.2161.34998.005
130.2001.25099.255
140.0760.47799.732
150.0360.22799.959
160.0070.041100.000

Rotation Method : Varimax with Kaiser Normalization.

Figure 9.Factor analysis of geochemical components in groundwater of the Gwangju area

광주지역 지하수 62개소를 대상으로 지하수 수리지화학적 특성을 파악하고, 우라늄과 라돈의 함량 분포 특성을 연구하였다. 연구지역 지하수의 수질유형을 분석한 결과 전체적으로 Ca-HCO3가 우세한 유형을 보여 전형적인 칼슘-중탄산형 지하수 특징을 보였다. 지하수의 우라늄 함량은 불검출에서부터 최대 29.3 μg/L의 범위를 나타내고, 평균 3.3 μg/L, 중앙값 0.9 μg/L을 보였으며 전 지점이 먹는물수질기준 30 μg/L 이내로 낮은 농도를 보였다. 지질별 지하수의 우라늄 함량 분포는 충적층, 화강편마암, 흑운모화강암 순으로 높고, 충적층에서는 심도가 깊을수록 우라늄 함량이 높게 검출되었다. 지하수의 라돈 함량은 4.8~313.2 Bq/L의 범위를 나타내고, 평균 75.6 Bq/L, 중앙값 59.6 Bq/L을 보이며, 먹는물 수질감시기준 148 Bq/L 초과율은 11%를 나타냈다. 지질별 지하수의 라돈 함량 분포를 살펴보면, 흑운모화강암, 충적층, 화강편마암 순으로 높고, 충적층 지하수에서 최대값이 검출되었다. 연구지역 지하수에 대한 상관성 분석 결과 우라늄과 라돈은 유의미한 상관성이 없었으며, 우라늄은 주요 양∙음이온 및 심도와 비교적 상관성이 높았고, 라돈은 수온과 낮은 상관관계를 보였다. 연구지역 지하수 중 고농도 라돈 검출지점은 보다 정밀한 검토를 거쳐 라돈저감시설 설치 등 적절한 조치가 필요할 것으로 판단된다.

본 연구는 2021년도 환경부 “환경분야 시험검사의 국제적 적합성 기반구축” 사업과 광주광역시보건환경연구원 ““연구지원 및 역량강화” 사업 지원으로 수행되었습니다.

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

서희정(환경연구사), 민경우(환경연구사), 박지영(환경연구사),

박주현(환경연구사), 황호연(환경연구사), 박세일(공무직),

김선정(환경연구사), 정숙경(환경연구관), 배석진(환경연구관),

김성준(교수)

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Article

Original Article

J Environ Health Sci. 2022; 48(2): 86-95

Published online April 30, 2022 https://doi.org/10.5668/JEHS.2022.48.2.86

Copyright © The Korean Society of Environmental Health.

Distribution Characteristics of Uranium and Radon Concentrations of Groundwater in Gwangju Area

Heejeong Seo1* , Kyoungwoo Min1, Jiyoung Park1, Juhyun Park1, Hoyeon Hwang1, Seil Park1, Seonjeong Kim1, Sukkyung Jeong1, Seokjin Bae1, Seongjun Kim2

1Health and Environment Research Institute of Gwangju, 2Department of Environmental and Energy Engineering, Chonnam National University

Correspondence to:Health and Environment Research Institute of Gwangju, 584 Mujin-daero, Seo-gu, Gwangju 61954, Republic of Korea
Tel: +82-62-613-7602
Fax: +82-62-613-7619
E-mail: hjseo@korea.kr

Received: March 1, 2022; Revised: March 17, 2022; Accepted: March 21, 2022

This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/), which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

Background: As high concentrations of uranium and radon have been detected in some areas in Korea, it is considered necessary to investigate natural radioactive materials in the Gwangju area.
Objectives: This study aimed to identify the hydrochemical characteristics of groundwater in Gwangju and investigate the distribution characteristics of uranium and radon, which are naturally radioactive substances.
Methods: To determine the uranium and radon concentrations in groundwater according to the geology of the Gwangju area, we measured 62 groundwater wells. A geological distribution map of uranium and radon content was prepared for this study.
Results: The groundwater type, defined using a Piper diagram, was mainly Ca-HCO3. The concentration of uranium in the groundwater ranged from 0 to 29.3 μg/L, with a mean of 3.3 μg/L and a median of 0.9 μg/L. The median concentration of uranium in groundwater was highest in alluvium, granitic gneiss, and biotite granite (classified by geological unit), in that order. The concentration of radon in the groundwater ranged from 4.8 to 313.2 Bq/L, with a mean of 75.6 Bq/L and a median of 59.6 Bq/L. The median concentration of radon in groundwater was highest in biotite granite, alluvium, and granitic gneiss, in that order. As a result of the correlation analysis of groundwater in the study area, there was no significant correlation between uranium and radon.
Conclusions: In this study area, uranium was shown to be far below the concentrations allowed by drinking water quality standards, but radon concentrations exceeded drinking water quality monitoring standards in 11% of the samples. It was judged that appropriate measures, such as the installation of radon reduction facilities, will be required after a thorough review of high-concentration radon detection sites of in the research area.

Keywords: Groundwater, uranium, radon, Gwangju area, geology

I. 서 론

자연계에 존재하는 원자번호가 큰 우라늄(U), 라돈(Rn)과 같은 원소의 원자핵이 붕괴하면서 방사선을 방출하는 원소를 자연방사성물질이라 한다. 미국 국립과학아카데미 보고서에 따르면 인간이 연간 노출되는 방사선 중 82%는 자연방사성물질에 의한 것으로 보고되고 있다.1) 우라늄은 주로 음식섭취를 통해 노출되고 반감기가 45억년으로 길기 때문에 혈액을 통해 체내에 잔존하고 뼈로 이동하여 수년간 잔류하게 되며, 고농도에 장기간 노출 시에 신장에 영향을 주게 된다.1,2) 라돈은 인간에게 피폭되는 방사선 양의 50% 이상을 차지하며 라돈의 위해성은 실내공기 중 라돈이 약 80%로 큰 비중을 차지하나 지하수 음용시 호흡과 섭취에 의한 위해성도 크다.3) EPA는 먹는물 중 라돈에 의해 연간 약 168명이 암으로 사망한다고 추정하며, 이 중 89%는 지하수에서 실내 공기로 방출되는 라돈 호흡으로 인해 폐암이 발생하고, 11%는 라돈이 함유된 지하수 음용으로 인해 위암이 발생한다고 보고하고 있다.1) 이러한 자연방사성물질은 일정량 이상에 장기간 노출되거나 고농도로 노출될 경우 인체에 위해할 수 있으므로 체계적인 관리가 필요하다.

우라늄과 라돈에 대한 국내외 연구 사례를 살펴보면, 미국을 비롯한 북유럽 일부 선진국들은 1960년대부터 지하수의 자연방사성물질에 대한 연구를 수행해 왔고, 국내에서는 1998년 대전지역 지하수에서 방사성물질인 우라늄이 외국의 음용기준치를 초과했다는 보도 이후 새로운 환경문제로 대두되면서 이에 대한 연구가 본격적으로 이루어졌다.4) 1999년부터 3단계에 걸쳐 국립환경과학원에서 전국 단위로 지하수 중 자연방사성물질 함유 실태 및 원인 조사가 수행되었다.5)

최근까지 수행된 연구 결과에 따르면 지하수의 자연방사성물질은 지질과 연관성이 있고 우라늄 및 라돈 함량은 화강암 지역에서 가장 높으며, 특히 중생대 쥬라기화강암 분포지역 지하수에서 퇴적암이나 변성암지역 지하수 보다 높은 것으로 보고되고 있다.3,5,6) 국내 지하수 중 우라늄 함량은 대전지역 복운모화강암지역 지하수에서 가장 높게 검출되었으며, 최고 3,607 μg/L로 먹는물 수질기준의 약 120배 높은 것으로 나타났다.3) 화강암 중에서도 특히 복운모화강암지역에서 높게 나타나는 것은 복운모화강암의 광물내 우라늄 함량이 높으며, 우라늄 광물이 쉽게 용해되어 나오기 때문이다.3) 국내 5,453개 지하수의 라돈 함량을 분석한 연구에서는 라돈의 수질감시기준 148 Bq/L를 넘는 비율이 17.7%이고, 최고 함량은 7,218 Bq/L, 중앙값은 48.8 Bq/L로 나타났으며, 국내와 비슷한 지질분포를 갖는 핀란드, 노르웨이 등에 비해서 낮은 편인 것으로 나타났다.6) 전남지역과 경상남북도 지하수 연구결과에서는 우라늄과 라돈간의 상관성은 매우 낮으며 서로 거의 무관한 거동특성을 보이나 주요 수질항목들 간에는 높은 상관계수를 나타냈다.2,7)

우라늄의 먹는물 수질기준은 미국 EPA와 WHO의 경우 30 μg/L로 설정되어 있고, 라돈 권고기준은 미국 148 Bq/L, 핀란드 300 Bq/L, 노르웨이 500 Bq/L로 설정되어 있다.5,6) 국내의 경우 2018년에 우라늄을 먹는물 수질감시항목으로 지정하고 지속적인 모니터링을 통해 2019년 먹는물 수질기준항목으로 추가하였으며, 라돈은 2018년에 먹는물 수질감시항목으로 지정하면서 점차적으로 방사성물질에 대한 관리를 확대하고 있다. 우리나라의 우라늄 먹는물 수질기준은 미국 및 WHO와 같은 30 μg/L, 라돈 먹는물 수질감시기준은 148 Bq/L로 설정되어 관리되고 있다.

국립환경과학원에서는 지하수를 원수로 사용하고 있는 전국의 마을상수도 및 소규모 급수시설을 대상으로 지하수 중 자연방사성물질의 실태조사를 수행했으며, 전국적으로 지하수 중 자연방사성물질 관련 연구가 활발하게 진행되고 있다.2) 그러나 도심 내 지하수의 자연방사성물질에 대한 조사 자료는 다소 부족한 실정이다. 특히 민방위 비상급수 시설은 전시 등 비상사태 발생에 따른 상수도 공급 중단 시 최소의 음용 및 생활용수를 주민들에게 공급하기 위한 시설이며 평상시에는 공공용 시설로 활용되는 만큼 지하수 중 방사성물질 함량을 파악하고 적절한 대책을 마련하여 해당 시설을 이용하는 주민들의 불안감을 해소해야 할 필요가 있다. 한편 민방위 비상급수 시설은 지하수 중 자연방사성물질 실태 조사 결과로는 충북지역에서 우라늄이 8%, 라돈이 15% 기준을 초과하였으며8) 대전지역에서는 라돈이 28% 기준을 초과한 것으로 보고되고 있다.9)

이에 따라 본 연구에서는 지하수를 원수로 사용하고 있는 광주지역 민방위 비상급수 시설은 62개소를 대상으로 지질별 라돈 및 우라늄의 함량 분포 특성을 파악하여 민방위 비상급수 시설을 이용하는 주민들의 먹는물 안전성을 확보하고 효율적인 수질관리 방안을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.

II. 연구 방법

1. 연구대상

본 연구는 광주지역 민방위 비상급수 시설 중 음용수로 지정된 시설의 지하수를 중심으로 지질특성, 조사의 용이성 등을 고려하여 조사지점을 선정하였다.

광주지역의 지질은 선캠브리아기 화강편마암(PCEggn), 쥬라기 흑운모화강암(Jbgr), 백악기 화산암(Kha), 신생대 제4기 충적층(Qa) 등으로 구성되어 있다(Fig. 1). 선캠브리아기 화강편마암은 광주지역의 북서부, 북부와 중북부에 발달하며 분포율은 약 16.5%를 차지한다.10) 쥬라기 흑운모화강암은 광주지역 남서부에서 북동부 방향에 걸쳐 넓게 분포하며 약 35.3%를 차지하며 광주지역의 지질시대별 구성암류에서 가장 큰 분포를 이루고 백악기의 화산암은 광주지역 남동부에서 걸쳐 분포하며 약 11.7%를 차지한다.10) 신생대 제4기 충적층은 광주지역의 서부와 중부일대에 발달하며, 대부분 황룡강과 영산강, 이들의 합류부와 지천을 따라 발달하며 분포율은 약 27.8%를 차지하여 쥬라기 흑운모화강암 다음으로 큰 비중을 차지한다.10)

Figure 1. Geological map and sampling sites of the study area

연구대상 지점은 민방위 비상급수 시설 중 많은 비중을 차지하는 지질을 중심으로 총 62개소를 선정하였으며 이중 쥬라기 흑운모화강암 지역이 28개소, 선캠브리아기 화강편마암이 10개소, 신생대 제4기 충적층이 24개소이다(Fig. 1). 연구대상 지하수 관정의 심도는 56~200 m 범위이며, 평균 심도는 108 m, 표준편차는 33 m로 조사되었으며 주로 전체 지하수 중 100 m 이상의 심부 지하수가 약 70%를 차지한다. 흑운모화강암 지역 지하수의 경우 심도는 68~200 m 범위이며, 평균 심도는 118 m, 화강편마암 지역은 80~170 m 범위이며, 평균 심도는 101 m, 충적층 지역은 56~200 m, 평균 심도는 99 m이다.

2. 시료채취 및 분석

연구지역 지하수의 수리지화학적 특성과 자연방사성물질인 우라늄과 라돈의 함량 분포 특성을 파악하기 위하여 2021년 7월부터 8월까지 62개소의 지하수 관정에서 시료를 채취하였다. 음이온성분(F, Cl, NO3, SO4, HCO3), 양이온성분(Ca, Na, K, Mg) 그리고 자연방사성물질인 우라늄과 라돈을 분석하였다. 현장에서 시료채취와 시료의 보존 및 분석은 먹는물 수질공정시험기준11)과 먹는물 수질감시항목 시험방법12)에 준하여 실시하였으며, 각 성분들을 분석하기 위한 분석 장비는 Table 1과 같다.

Table 1 . Analytical instrument for items.

ItemsAnalytical instruments
pH, EC, DO, TempMulti Sensor Meter(556MPS, YSI)
Ca, Na, K, MgICP (Avio500, PerkinElmer)
F, Cl, NO3, SO4, HCO3IC (881 compact IC pro, Metrom)
UICP-MS (Nexion 300D, PerkinElmer)
RnLiquid Scintillation Counter (300SL, Hidex)


시료채취는 가능하면 지하수 관정에서 직접 이루어졌으며, 지하수 관정에 설치된 펌프를 10분 이상 가동시켜 관정 내에 저장된 지하수를 토출시키고, pH, 전기전도도, 수온 등이 안정된 상태를 확인한 후 시료를 채취하였다. 자연방사성물질 분석용 및 수질특성 분석용 시료를 각각 채취하였으며, 다항목측정기를 이용해 현장에서 수온, pH, 전기전도도, 용존산소를 측정하였다. 우라늄 및 양이온 분석용 시료는 60 mL 폴리에틸렌 용기에 시료를 채취하고 진한 질산을 가한 후 pH 2 이하로 산성화시켜 용존성분들의 결합이나 응집을 방지하도록 시료를 보존하였다. 음이온 분석용 시료는 산처리 없이 시료를 채취하고 모든 시료는 4℃ 냉장 보관하여 실험실에서 기기분석을 실시하였다. 우라늄은 ICP-MS로 분석하였으며, Ca, Na, K, Mg 등 양이온은 ICP로, F, Cl, NO3, SO4, HCO3 등 음이온은 IC를 이용하여 분석하였다. 라돈 분석용 시료는 실험실에서 미리 준비한 12 mL 칵테일용액(MaxiLight+, Hidex)이 들어있는 22 mL 폴리에틸렌 바이알에 지하수 시료 8 mL를 채취하여 천천히 주입하고 누수되지 않도록 뚜껑을 꼭 닫고 칵테일 용액과 시료가 혼합되도록 30회 이상 충분히 흔들었다. 바이알 뚜껑에 시료채취지점과 채취일, 채취시간을 기재하여 분석 시에 시간보정 자료로 사용하였다. 또한 시료 채취 시에 물의 유속을 낮추어 기포가 발생하지 않도록 플라스틱 재질의 비커에 지하수를 받은 다음 채취하였으며 모든 시료채취 과정에서 라돈이 휘발하여 손실되지 않도록 주의하였다. 채취된 시료는 4℃ 이하로 암소에 보관하여 실험실로 운반하였으며 액체섬광계수기를 이용하여 분석하였다.

3. 지질분석 및 통계분석

연구지역의 지질도는 한국지질자원연구원 지오빅데이터 오픈플랫폼에서 제공하는 수치지질도13)를 이용하여 제작하였다. 영광, 송정, 동복, 나주, 창평, 광주 등 6개 지역의 1:50,000 지질도폭을 지리정보체계응용프로그램인 QGIS 3.16을 이용하여 공간데이터를 편집하고 추출하여 광주지역 행정구역에 해당하는 지질도를 제작하여 연구대상의 지질을 분석하였다. 또한 연구대상 시설의 위치를 지질도 위에 표시하기 위해 지하수 관정 주소를 GPS 좌표로 변환하여 지질도에 표시하였고, 우라늄과 라돈의 함량 분포도를 작성하였다.

지하수의 수질 유형 및 특성을 파악하기 위해서 주요 양이온과 음이온의 당량 농도 상대비로 도시한 그래프인 Piper Diagram을 이용하였는데 이는 미국지질조사국(USGS)에서 지하수 조사 연구에 사용되는 프로그램인 GW_Chart를 활용하였다.14) 지하수의 주요 항목간 상관성 분석 및 지질에 따른 자연방사성물질과 주요 성분들과의 상관관계는 통계프로그램인 SPSS (v.27)를 사용하여 분석하였다.

III. 결과 및 고찰

1. 지하수의 수리지화학적 특성

1.1. 주요 수질항목 및 수리지화학 성분

연구대상 지하수 62개소에 대한 현장수질 항목 및 주요 양∙음이온성분 분석 결과에 대한 통계자료는 Table 2에 나타냈다. 전체 지하수의 pH의 범위는 6.2~8.3이고, 평균은 7.0으로 국내 pH 기준치(5.8~8.5)를 초과한 지점은 없었다. 지질별 지하수의 pH는 흑운모화강암 지하수는 6.2~8.3, 화강편마암 지하수는 6.3~7.1, 충적층 지하수는 6.4~7.8로 지질별 유의미한 차이는 보이지 않았다. 전체 지하수의 전기전도도의 범위는 148~840 µS/cm이고, 평균 408 µS/cm을 나타내고 있다. 흑운모화강암 지하수는 148~707 µS/cm, 화강편마암 지하수는 197~621 µS/cm, 충적층 지하수는 170~840 µS/cm으로 충적층 지하수의 전기전도도 범위가 넓으며 평균값도 높게 나타났다.

Table 2 . Statistical analysis of various hydrochemical parameters (n=62).

T
(°C)
pHEC
(µS/cm)
DOFNO3ClSO4HCO3CaMgNaKDepth
(m)










(mg/L)
Total (n=62)Min.15.96.21482.50.000.35.923612.22.65.90.556
Max.24.18.384010.90.7413.999.95026586.726.0124.47.5200
Mean18.87.04085.60.064.638.41613642.210.217.81.6108
Med.18.57.03835.10.004.335.91213640.49.115.61.2100
Std.dev.1.80.41511.80.132.819.9136218.75.516.11.233
Jbgr (n=28)Min.15.96.21482.50.000.45.924512.22.65.90.568
Max.22.88.370710.90.328.870.25022563.926.0124.42.9200
Mean18.37.13756.00.064.333.31413437.09.217.91.2118
Med.18.17.23485.70.004.028.41212639.58.811.01.0110
Std.dev.1.70.51241.90.102.117.7125114.74.822.90.634
PCEggn (n=10)Min.16.76.31973.20.000.312.523820.22.69.70.880
Max.23.17.16219.10.2213.957.53822675.819.620.45.9170
Mean19.26.83485.70.066.032.6129834.77.916.21.8101
Med.19.56.93055.20.005.930.166027.36.916.71.2100
Std.dev.2.00.31422.00.094.016.3127218.35.13.51.526
Qa (n=24)Min.16.96.41703.40.000.315.923613.13.18.40.956
Max.24.17.88408.50.7411.099.94926586.722.543.37.5200
Mean19.26.94725.20.074.246.72115451.312.218.42.099
Med.19.06.94944.70.004.343.42316254.711.917.81.6100
Std.dev.1.80.31671.60.172.921.5136520.05.97.91.533

Jbgr: Jurassic biotite granite, PCEggn: Precambrian granitic gneiss, Qa: Quaternary alluvium..



연구대상 전체 지하수의 양이온 조사 결과 Ca 이온은 12.2~86.7 mg/L, Mg 이온은 2.6~26.0 mg/L, Na 이온은 5.9~124.4 mg/L, K 이온은 0.5~7.5 mg/L의 범위를 나타냈다. 지하수에서 가장 풍부한 양이온인 Ca 이온은 충적층 지역의 지하수에서 가장 넓은 범위를 보였으며, 평균 51.3 mg/L를 나타냈다. Na 이온은 흑운모화강암 지역의 일부 지하수에서 최대 124.4 mg/L를 나타냈으며, 평균은 17.8 mg/L로 Ca 이온 다음으로 지하수에서 차지하는 양이온 함량이 높은 것으로 나타났다. Mg 이온은 충적층 지역의 지하수에서 가장 넓은 범위를 보였으며, 평균 12.2 mg/L를 나타냈다. 양이온 성분 중 K 이온은 상대적으로 가장 함량이 낮은 것으로 나타났으며, 지질별 유의미한 차이는 보이지 않았다. 조암광물인 사장석과 K-장석의 풍화에 의하여 Na, K, Ca 이온이 증가할 수 있으며, Na와 Ca 고용체인 사장석의 풍화는 사장석의 Na, Ca 비율에 따라 지하수의 Na, Ca 이온 함량도 증가시킬 수 있다.4) 따라서 광주지역의 지하수는 Na과 Ca 이온의 함량이 비교적 높아 사장석의 풍화에 영향을 받고 있는 것으로 판단된다.

연구대상 전체 지하수의 음이온 조사 결과 F 이온은 0~0.74 mg/L, NO3 이온은 0.3~13.9 mg/L, Cl 이온은 5.9~99.9 mg/L, SO4 이온은 2~50 mg/L, HCO3 이온은 36~265 mg/L의 범위를 나타냈다. 음이온 성분 중 오염지시 항목으로 사용되는 NO3 이온은 2건이 먹는물 수질기준치(10 mg/L)를 초과하였다. F 이온은 타지역 화강암류에서 약 10% 기준 초과된 것으로 보고15)되고 있으나, 연구대상 지하수에서는 기준 초과는 없었으며 지질별 차이도 보이지 않았다. 음이온 성분 중 가장 풍부한 HCO3 성분은 충적층 지하수에서 가장 넓은 범위를 보였으며, 평균 154 mg/L로 가장 높은 농도를 보였고 화강편마암 지하수에서 평균 98 mg/L로 가장 낮은 농도를 나타냈다. 지하수 내 HCO3 성분은 특별한 유기오염원이 없는 경우에 탄산염 광물의 용해, 대기와 토양 내 CO2 가스의 융해와 같은 자연적 반응으로부터 주로 기원한다.16) 전체적으로 지하수에서 Ca 성분이 증가할수록 HCO3 이온이 증가하는 경향을 보여 탄산염 광물의 용해가 지하수의 수질에 영향을 미치는 것으로 판단된다.

1.2. 수리화학적 유형

지하수의 수질유형을 분석하기 위해 파이퍼 다이어그램(Piper diagram)에 주요 양이온, 음이온들의 당량농도의 상대비를 도시하였다(Fig. 2). 지하수의 수질유형을 해석한 결과 연구지역의 지하수는 전체적으로 Ca-HCO3 유형의 지하수의 특징을 보이며, 음이온은 HCO3 이온이, 양이온은 Ca 이온이 넓은 범위를 보였다. 흑운모화강암 지역의 지하수에서는 주로 Ca-HCO3 유형이 우세하여 화강암의 지질특성을 잘 반영한다.2) 일부 지하수에서는 Na-HCO3 유형을 보였으며 이 지점들은 다른 지하수보다 Na 함량이 높은 특징을 보였으며, 공통적으로 목욕장에서 이용하는 지하수로 조사되었다. 화강편마암 지역의 지하수에서는 Ca-HCO3 유형이 60%로 우세한 유형을 보였으며, 그 다음으로 Ca-Cl 유형이 우세한데, 이는 화산암 특성을 반영하는 것으로 알려져 있다.2) 음이온은 HCO3 이온이 가장 풍부하고, Cl 이온이 넓은 범위를 보였으며, SO4 이온은 Cl 이온에 비해 좁은 범위를 보인다. 충적층 지하수는 흑운모화강암 지하수와 유사한 특성을 보였다. 화강암과 화강편마암 지하수의 지화학적 진화과정은 진화초기에 중성 또는 약산성의 Ca-HCO3 유형에서 Ca (Na)-HCO3의 유형을 거쳐 진화의 마지막 단계에는 고알칼리성의 Na-HCO3 유형의 단계를 거친다.16) 따라서 연구지역의 지하수는 대체적으로 지하수의 진화 단계 관점으로 보면 초기 진화 단계인 Ca-HCO3 유형으로 보이며 선행연구와 유사한 결과를 보였다.17)

Figure 2. Piper diagram of groundwater samples in the Gwangju area (Jbgr: Jurassic biotite granite, PCEggn: Precambrian granitic gneiss, Qa: Quaternary alluvium)

2. 자연방사성물질의 분포 특성

2.1. 지하수의 우라늄 함량 분포

연구대상 지하수 62개소의 우라늄 함량에 대한 전체 지하수 및 지질별 통계자료를 Table 3에 나타냈으며, 지질에 따른 우라늄의 통계분포를 Fig. 3에 나타냈다.

Table 3 . Statistical analysis of uranium and radon concentrations in each geological unit.

Total
(n=62)
Jbgr
(n=28)
PCEggn
(n=10)
Qa
(n=24)
U (µg/L)Min.0000
Max.29.316.42.429.3
Mean3.32.00.86.0
Med.0.90.20.54.4
Std.dev.5.83.50.97.9
Skew.3.02.90.72.0
Rn (Bq/L)Min.4.84.88.35.7
Max.313.2202.0208.7313.2
Mean75.679.268.874.2
Med.59.677.227.650.6
Std.dev.65.550.477.277.6
Skew.1.40.61.21.9

Figure 3. Box-and-whisker plots showing statistical variation of uranium in groundwater measurement data for each geology [(Total (n=62), Jbgr (n=28), PCEggn (n=10), Qa (n=24)]

연구지역 지하수 전체 시료의 우라늄 함량은 불검출~29.3 µg/L의 범위를 나타내고, 평균 3.3 µg/L, 중앙값 0.9 µg/L이다. 왜도가 3.0으로 양의 값을 보이며 평균 농도보다 중앙값이 매우 낮아 우라늄 함량의 통계적 분포가 낮은 값으로 크게 치우쳐 있다는 것을 알 수 있다. 연구지역 지하수의 우라늄 평균은 일부 고함량 지하수의 영향으로 중앙값과 차이가 크며 국내 다른 지역 지하수 보다 매우 낮은 농도임을 알 수 있다.3,18-20) 연구지역의 우라늄 함량과 지질도를 이용하여 우라늄의 함량분포도를 Fig. 4에 나타내었다. 우라늄 함량 분포도를 살펴보면 미국 EPA의 기준치(Maximum Contaminant Level, MCL) 및 국내 먹는물수질기준 기준치인 30 µg/L를 넘는 지점은 없었으며, 연구대상 지하수 전체 시료의 92%가 10 µg/L 이하로 Lowry et al. (1987)21)이 보고한 자연 상태의 우라늄 농도 값을 나타내고 있다. 또한 국립환경과학원 조사에 따르면 국내 4,136개 지하수의 우라늄 함량이 30 µg/L를 초과한 비율이 3.9%인 것으로 보고되었는데 이보다 더 낮은 값을 보였다.18)

Figure 4. Spatial distribution of uranium concentrations in groundwater of the Gwangju area

연구지역 지질별로 지하수의 우라늄 함량을 살펴보면 흑운모화강암 지하수는 불검출~16.4 µg/L 범위로 평균 2.0 µg/L, 중앙값 0.2 µg/L이며, 화강편마암 지하수는 불검출~2.4 µg/L 범위로 평균 0.8 µg/L, 중앙값 0.5 µg/L이다. 충적층 지하수는 불검출~29.3 µg/L 범위로 평균 6.0 µg/L, 중앙값 4.4 µg/L이다. 중앙값을 기준으로 우라늄 함량은 충적층 지역의 지하수가 가장 높았으며, 흑운모화강암 지하수가 가장 낮은 값을 보였다. 흑운모화강암 지하수는 일부 고함량 지하수가 전체 평균값에 영향을 미쳐 중앙값은 매우 낮으나 평균값은 약 10배 높은 값을 보였다. 화강편마암 지하수의 약 40%가 우라늄이 검출되지 않았으며 최대값이 2.4 µg/L로 매우 낮은 농도 분포를 보였다. 충적층 지하수의 경우는 관정의 심도가 190 m인 지점에서 29.3 µg/L, 150 m인 지점에서 27.4 µg/L로 심도가 깊은 일부 지점에서 높은 우라늄 함량을 보였다. 이는 충적층 지하수의 경우 지표 지질상 충적층으로 분류되지만 지하 심부로 내려가면 화강암 관입의 영향 가능성 때문에 우라늄 함량이 높게 검출된 것으로 판단된다.6) 또한 흑운모화강암 지역의 지하수는 국내 다른 흑운모화강암 지하수의 함량보다 낮거나 비슷한 수준인 것으로 나타났다.18-20)

2.2. 지하수의 라돈 함량 분포

연구지역 지하수 전체 시료의 라돈 함량은 4.8~313.2 Bq/L의 범위를 나타내고, 평균 함량은 75.6 Bq/L, 중앙값 59.6 Bq/L이었다(Table 3). 연구대상 지하수 전 지점에서 라돈은 검출되었으며, 왜도가 1.4로 양의 값을 보이며 평균 농도보다 중앙값이 낮으며 대부분의 데이터가 높은 농도보다는 낮은 농도 범위에 치우쳐 있는 것을 알 수 있다. 또한 연구지역의 라돈 중앙값은 국내 5,453개 지하수의 라돈 중앙값인 48.8 Bq/L보다6) 높은 것으로 조사되었다. 연구지역의 라돈 함량과 지질도를 이용하여 라돈의 함량분포도를 나타내었는데 연구대상 지하수 중 미국 EPA의 제안치(Alternative Maximum Contaminant Level, AMCL)와 국내 먹는물 수질감시기준인 148 Bq/L를 초과한 비율은 11%로 전국 지하수 라돈 기준치 초과율인 17.7%보다6) 낮게 나타났다. 전체 62개소 중 7개소에서 기준을 초과하였으며, 이 중 핀란드 수질기준인 300 Bq/L를 초과한 지점은 1개소였다. 연구지역 라돈 함량은 타지역 지하수 그리고 우리나라와 지질여건이 비슷한 노르웨이나 핀란드에 비해서 낮은 편이라는 것을 알 수 있었다.4)

연구지역 지질별 지하수의 라돈 함량은 흑운모화강암 지하수는 4.8~202 Bq/L 범위로 평균 79.2 Bq/L, 중앙값 77.2 Bq/L이다(Fig. 5). 화강편마암 지하수는 8.3~208.7 Bq/L 범위로 평균 68.8 Bq/L, 중앙값 27.6 Bq/L이다. 충적층 지하수는 5.7~313.2 Bq/L 범위로 평균 74.2 Bq/L, 중앙값 50.6 Bq/L이다. 라돈 함량은 중앙값을 기준으로 흑운모화강암, 충적층, 화강편마암 지하수 순으로 높게 나타났으며, 충적층 지하수에서 라돈 최대값이 313.2 Bq/L 검출되었다. 또한 화강편마암 지역은 일부 고함량 지하수가 전체 평균값에 영향을 크게 미치는 것으로 나타났다. 먹는물 수질감시기준 초과율은 화강편마암 지하수가 20%로 가장 높았으며, 충척층과 흑운모화강암 지하수가 13, 7%로 나타났다(Fig. 6). 충적층 지하수의 경우 라돈 함량이 높은 경우는 우라늄과 마찬가지로 지표 지질상 충적층으로 분류되지만 심부로 내려가면서 화강암이 관입의 영향 때문에 라돈 함량이 높게 검출된 것으로 판단된다. 한편 연구지역의 마을상수도 중 라돈 실태를 조사한 선행 연구에서는 15개 지점을 조사한 결과 라돈 함량은 4.0~69.6 Bq/L 범위를 보였으며 지질의 영향은 크지 않은 것으로 보고하고 있다.22)

Figure 5. Box-and-whisker plots showing statistical variation of radon in groundwater measurement data for each geology [(Total(n=62), Jbgr (n=28), PCEggn (n=10), Qa (n=24)]
Figure 6. Spatial distribution of radon concentrations in groundwater of the Gwangju area

지하수의 라돈을 저감하거나 제거하는 방법은 폭기와 활성탄, 정치 등이 있다.23) 폭기에 의한 지하수의 라돈 저감은 일반적으로 중규모 크기 이상의 급수시설, 지하수 중 라돈 함량이 740 Bq/L 이상 높은 급수시설에 주로 이용되며 약 71% 이상의 저감효율을 보인다.24) 활성탄에 의한 라돈 저감은 소규모 급수시설 또는 740 Bq/L 이하의 라돈 농도에 적합하며, 공상체류시간이 30~130분일 때의 라돈 저감효율은 70~99%로 알려져 있다.23) 정치(storage)는 지하수의 라돈 농도가 비교적 낮을 경우 일정기간 용기에 저장하여 라돈을 저감하는 방법이다. 정치는 대기와 접촉면이 있는 상태에서 이루어지기 때문에 그 제거는 붕괴에 의한 감소뿐만 아니라 기액 계면에서의 물질이동에 의해서도 결정된다.25) 이 저감 방법은 저수조가 설치되어 있는 시설의 경우 가장 적합한 것으로 알려진다. 지하수의 라돈 자연 저감율이 25.6~45.6%인 선행 연구결과25)와 연구지역 지하수의 먹는물 수질감시기준 초과시설에는 저수조가 설치되어 있으므로 일정시간 정치가 가능한 것을 고려하면 간단한 폭기시설이나 정치만으로 라돈 저감이 가능할 것으로 판단된다.

3. 자연방사성물질과 주요 수질항목간 상관분석

연구대상 전체 지하수의 우라늄, 라돈 그리고 주요 수질 성분 결과를 이용하여 수질항목간 상관분석 결과를 Fig. 7에 나타내었으며, 지질에 따른 주요 성분간 상관분석 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 수온, pH, DO, 전기전도도 등 현장 측정항목 간 상관성 분석 결과 항목간의 상관성은 수온과 pH (r=–0.283)를 제외하고는 유의적인 상관관계가 없는 것으로 나타났다. 전체 지하수를 대상으로 분석한 결과에서는 수온과 pH는 낮은 음의 상관성을 보였으나 지질별 상관분석 결과에서는 3개의 지질 모두 유의미한 상관성을 보이지는 않았다. 전기전도도는 Ca (r=0.867), Mg (r=0.815), Cl (r=0.858), SO4 (r=0.800), HCO3 (r=0.811) 등 주요 양이온, 음이온 성분과과 높은 양의 상관성을 보여 전기전도도 증가와 더불어 양이온과 음이온 함량이 증가한는 경향을 보였다. Ca은 Mg (r=0.853), HCO3 (r=0.807)과 높은 양의 상관성을 보였으며, 특히 충적층 지하수에서는 Ca-HCO3 (r=0.941), Ca-Mg (r=0.905)이 매우 높은 상관성을 보였다. 이는 Ca-Mg 탄산염광물의 용해로 지하수 수질에 밀접한 영향을 받은 것으로 판단된다.16) 또한 대부분의 지질에서 주요 수질항목들 간에 높은 상관계수를 보이는 것은 일반적인 물-암석반응의 영향임을 시사한다.7)

Figure 7. Heatmaps of a correlation matrix of components in groundwater of Gwangju area (n=62)
Figure 8. Heatmaps of a correlation matrix of groundwater components in each geological unit [(A) Jbgr (n=28), (B) PCEggn (n=10), (C) Qa(n=24)]

우라늄은 전체 시료를 대상으로 상관성을 분석한 결과 전기전도도(r=0.504), SO4 (r=0.561), F (r=0.503), HCO3 (r=0.467), Ca (r=0.426) 등 주요 양이온, 음이온과 보통의 양의 상관성을 보여주었다. 지질별 상관분석에서는 흑운모화강암 지하수에서 우라늄과 나트륨의 상관계수가 0.728, 충적층 지하수에서는 우라늄과 심도의 상관계수가 0.609로 비교적 높은 상관성을 보였다. 상관성 분석 결과 라돈은 수온을 제외한 어떤 성분과도 유의미한 상관성이 없는 것으로 나타났다. 라돈과 수온은 낮은 상관관계를 보였는데 전체 지하수를 대상으로 분석할 경우에는 상관계수가 –0.275로 매우 낮은 상관성을 보였으며, 충적층 지하수에서는 –0.421로 보통의 음의 상관성을 나타내었다. 또한 라돈은 지하수 관정의 심도와 상관성이 전혀 없는 것으로 나타났다. 연구지역 전체 지하수를 대상으로 수행한 상관분석에서 우라늄과 라돈 간에는 유의미한 상관관계가 없었으며, 지질별 지하수 분석결과에서도 상관성은 전혀 없는 것으로 나타났다. 그러므로 우라늄과 라돈의 거동 특성은 밀접한 관련성이 없는 것으로 판단되며, 특히 라돈은 지하수 관정의 심도, 주요 지하수 수질성분과의 뚜렷한 관련성이 없는 것으로 나타나 선행 연구와 유사한 결과를 보였다.3,4,7)

본 연구의 전체 시료를 대상으로 요인분석을 실시한 결과 의미있는 요인은 5개가 추출되었으나, 분산값으로 판단하면 요인 1의 분산이 32.167%로 높고 나머지 요인은 분산이 10%로 비슷한 수준을 보여 요인 1 외에 여러 요인이 복합적으로 작용하는 것으로 보인다(Table 4). 요인 1에는 Ca, Mg, Cl, K, SO4, Cl, HCO3 등 주요 양이온, 음이온과 전기전도도가 영향을 주로 받으며 거동 특성이 유사한 것으로 나타났고 이는 물과 암석반응에 의한 영향 요인으로 판단된다(Fig. 9). 우라늄은 요인 2에 약간 영향을 받지만 라돈은 특정한 성분과 크게 영향을 받지 않으며 다소 독립적인 거동 특성을 나타내는 것으로 볼 수 있다.

Table 4 . Total variance explained and loadings of components in groundwater of the Gwangju area (n=62).

ComponentInitial eigenvaluesRotation sums of squared loadings


TotalVariance (%)Cumulative (%)TotalVariance (%)Cumulative (%)
15.37833.61033.6105.14732.16732.167
21.88811.79745.4071.76311.02143.187
31.83911.49656.9031.70810.67253.860
41.5129.45266.3551.61010.06463.924
51.0976.85873.2131.4869.28973.213
60.8725.45178.664
70.7714.82183.485
80.7054.40687.891
90.6133.83291.723
100.4062.53794.260
110.3842.39796.657
120.2161.34998.005
130.2001.25099.255
140.0760.47799.732
150.0360.22799.959
160.0070.041100.000

Rotation Method : Varimax with Kaiser Normalization..


Figure 9. Factor analysis of geochemical components in groundwater of the Gwangju area

IV. 결 론

광주지역 지하수 62개소를 대상으로 지하수 수리지화학적 특성을 파악하고, 우라늄과 라돈의 함량 분포 특성을 연구하였다. 연구지역 지하수의 수질유형을 분석한 결과 전체적으로 Ca-HCO3가 우세한 유형을 보여 전형적인 칼슘-중탄산형 지하수 특징을 보였다. 지하수의 우라늄 함량은 불검출에서부터 최대 29.3 μg/L의 범위를 나타내고, 평균 3.3 μg/L, 중앙값 0.9 μg/L을 보였으며 전 지점이 먹는물수질기준 30 μg/L 이내로 낮은 농도를 보였다. 지질별 지하수의 우라늄 함량 분포는 충적층, 화강편마암, 흑운모화강암 순으로 높고, 충적층에서는 심도가 깊을수록 우라늄 함량이 높게 검출되었다. 지하수의 라돈 함량은 4.8~313.2 Bq/L의 범위를 나타내고, 평균 75.6 Bq/L, 중앙값 59.6 Bq/L을 보이며, 먹는물 수질감시기준 148 Bq/L 초과율은 11%를 나타냈다. 지질별 지하수의 라돈 함량 분포를 살펴보면, 흑운모화강암, 충적층, 화강편마암 순으로 높고, 충적층 지하수에서 최대값이 검출되었다. 연구지역 지하수에 대한 상관성 분석 결과 우라늄과 라돈은 유의미한 상관성이 없었으며, 우라늄은 주요 양∙음이온 및 심도와 비교적 상관성이 높았고, 라돈은 수온과 낮은 상관관계를 보였다. 연구지역 지하수 중 고농도 라돈 검출지점은 보다 정밀한 검토를 거쳐 라돈저감시설 설치 등 적절한 조치가 필요할 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 2021년도 환경부 “환경분야 시험검사의 국제적 적합성 기반구축” 사업과 광주광역시보건환경연구원 ““연구지원 및 역량강화” 사업 지원으로 수행되었습니다.

CONFLICT OF INTEREST

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

<저자정보>

서희정(환경연구사), 민경우(환경연구사), 박지영(환경연구사),

박주현(환경연구사), 황호연(환경연구사), 박세일(공무직),

김선정(환경연구사), 정숙경(환경연구관), 배석진(환경연구관),

김성준(교수)

Fig 1.

Figure 1.Geological map and sampling sites of the study area
Journal of Environmental Health Sciences 2022; 48: 86-95https://doi.org/10.5668/JEHS.2022.48.2.86

Fig 2.

Figure 2.Piper diagram of groundwater samples in the Gwangju area (Jbgr: Jurassic biotite granite, PCEggn: Precambrian granitic gneiss, Qa: Quaternary alluvium)
Journal of Environmental Health Sciences 2022; 48: 86-95https://doi.org/10.5668/JEHS.2022.48.2.86

Fig 3.

Figure 3.Box-and-whisker plots showing statistical variation of uranium in groundwater measurement data for each geology [(Total (n=62), Jbgr (n=28), PCEggn (n=10), Qa (n=24)]
Journal of Environmental Health Sciences 2022; 48: 86-95https://doi.org/10.5668/JEHS.2022.48.2.86

Fig 4.

Figure 4.Spatial distribution of uranium concentrations in groundwater of the Gwangju area
Journal of Environmental Health Sciences 2022; 48: 86-95https://doi.org/10.5668/JEHS.2022.48.2.86

Fig 5.

Figure 5.Box-and-whisker plots showing statistical variation of radon in groundwater measurement data for each geology [(Total(n=62), Jbgr (n=28), PCEggn (n=10), Qa (n=24)]
Journal of Environmental Health Sciences 2022; 48: 86-95https://doi.org/10.5668/JEHS.2022.48.2.86

Fig 6.

Figure 6.Spatial distribution of radon concentrations in groundwater of the Gwangju area
Journal of Environmental Health Sciences 2022; 48: 86-95https://doi.org/10.5668/JEHS.2022.48.2.86

Fig 7.

Figure 7.Heatmaps of a correlation matrix of components in groundwater of Gwangju area (n=62)
Journal of Environmental Health Sciences 2022; 48: 86-95https://doi.org/10.5668/JEHS.2022.48.2.86

Fig 8.

Figure 8.Heatmaps of a correlation matrix of groundwater components in each geological unit [(A) Jbgr (n=28), (B) PCEggn (n=10), (C) Qa(n=24)]
Journal of Environmental Health Sciences 2022; 48: 86-95https://doi.org/10.5668/JEHS.2022.48.2.86

Fig 9.

Figure 9.Factor analysis of geochemical components in groundwater of the Gwangju area
Journal of Environmental Health Sciences 2022; 48: 86-95https://doi.org/10.5668/JEHS.2022.48.2.86

Table 1 Analytical instrument for items

ItemsAnalytical instruments
pH, EC, DO, TempMulti Sensor Meter(556MPS, YSI)
Ca, Na, K, MgICP (Avio500, PerkinElmer)
F, Cl, NO3, SO4, HCO3IC (881 compact IC pro, Metrom)
UICP-MS (Nexion 300D, PerkinElmer)
RnLiquid Scintillation Counter (300SL, Hidex)

Table 2 Statistical analysis of various hydrochemical parameters (n=62)

T
(°C)
pHEC
(µS/cm)
DOFNO3ClSO4HCO3CaMgNaKDepth
(m)










(mg/L)
Total (n=62)Min.15.96.21482.50.000.35.923612.22.65.90.556
Max.24.18.384010.90.7413.999.95026586.726.0124.47.5200
Mean18.87.04085.60.064.638.41613642.210.217.81.6108
Med.18.57.03835.10.004.335.91213640.49.115.61.2100
Std.dev.1.80.41511.80.132.819.9136218.75.516.11.233
Jbgr (n=28)Min.15.96.21482.50.000.45.924512.22.65.90.568
Max.22.88.370710.90.328.870.25022563.926.0124.42.9200
Mean18.37.13756.00.064.333.31413437.09.217.91.2118
Med.18.17.23485.70.004.028.41212639.58.811.01.0110
Std.dev.1.70.51241.90.102.117.7125114.74.822.90.634
PCEggn (n=10)Min.16.76.31973.20.000.312.523820.22.69.70.880
Max.23.17.16219.10.2213.957.53822675.819.620.45.9170
Mean19.26.83485.70.066.032.6129834.77.916.21.8101
Med.19.56.93055.20.005.930.166027.36.916.71.2100
Std.dev.2.00.31422.00.094.016.3127218.35.13.51.526
Qa (n=24)Min.16.96.41703.40.000.315.923613.13.18.40.956
Max.24.17.88408.50.7411.099.94926586.722.543.37.5200
Mean19.26.94725.20.074.246.72115451.312.218.42.099
Med.19.06.94944.70.004.343.42316254.711.917.81.6100
Std.dev.1.80.31671.60.172.921.5136520.05.97.91.533

Jbgr: Jurassic biotite granite, PCEggn: Precambrian granitic gneiss, Qa: Quaternary alluvium.


Table 3 Statistical analysis of uranium and radon concentrations in each geological unit

Total
(n=62)
Jbgr
(n=28)
PCEggn
(n=10)
Qa
(n=24)
U (µg/L)Min.0000
Max.29.316.42.429.3
Mean3.32.00.86.0
Med.0.90.20.54.4
Std.dev.5.83.50.97.9
Skew.3.02.90.72.0
Rn (Bq/L)Min.4.84.88.35.7
Max.313.2202.0208.7313.2
Mean75.679.268.874.2
Med.59.677.227.650.6
Std.dev.65.550.477.277.6
Skew.1.40.61.21.9

Table 4 Total variance explained and loadings of components in groundwater of the Gwangju area (n=62)

ComponentInitial eigenvaluesRotation sums of squared loadings


TotalVariance (%)Cumulative (%)TotalVariance (%)Cumulative (%)
15.37833.61033.6105.14732.16732.167
21.88811.79745.4071.76311.02143.187
31.83911.49656.9031.70810.67253.860
41.5129.45266.3551.61010.06463.924
51.0976.85873.2131.4869.28973.213
60.8725.45178.664
70.7714.82183.485
80.7054.40687.891
90.6133.83291.723
100.4062.53794.260
110.3842.39796.657
120.2161.34998.005
130.2001.25099.255
140.0760.47799.732
150.0360.22799.959
160.0070.041100.000

Rotation Method : Varimax with Kaiser Normalization.


References

  1. EPA. Drinking Water Requirements for States and Public Water Systems. Available: https://www.epa.gov/dwreginfo/drinking-water-regulations [accessed 28 January 2022]. https://www.epa.gov/dwreginfo/drinking-water-regulations
  2. Cho BW, Choo CO, Yun U, Lee BD, Hwang JH, Kim MS. Hydrogeochemical characteristics, occurrence, and distribution of natural radioactive materials (uranium and radon) in groundwater of Gyeongnam and Gyeongbuk provinces. J Eng Geol. 2014; 24(4): 551-574. http://koreascience.or.kr/article/JAKO201404035708263.page
    CrossRef
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The Korean Society of Environmental Health

Vol.48 No.3
June, 2022

pISSN 1738-4087
eISSN 2233-8616

Frequency: Bimonthly

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