Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.28 No.1 pp.37-54
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2019.28.1.37

Development of a Groundwater Quality Sampling Method for Livestock Excreta Survey

Deok-Woo Kim, Hong-Duck Ryu,Unil Baek,Sunjung Kim,Dong Seok Shin,Jae Gwan Lee,Eu Gene Chung*
Watershed and Total Load Management Research Division, Water Environment Research Department, National
Institute of Environmental Research, Incheon 22689, Korea
*Corresponding author: Eu Gene Chung, Division of Watershed and Total Load Management Research, National Institute of Environ -mental Research, Incheon 22689, Korea Phone : +82-32-560-7384
05/09/2018 22/10/2018 05/11/2018

Abstract


The groundwater quality through livestock excreta survey based on “Act of the management and use of livestock excreta” was investigated by selecting sampling sites within 1 km of the farmland without considering hydrogeological units. However, these sites can be affected by various pollution sources such as chemical fertilizers and livestock excretions. Additionally, the effects of pollution sources on groundwater quality in the sites cannot be clearly distinguished from naturally occurring backgrounds. In this study, a method was developed to select the sampling sites for groundwater quality through livestock excreta survey in order to understand the effects of pollution sources especially livestock excreta. First, the concentrations of nitrate within the radius of 200 m, 300 m, 500 m and 750 m, respectively, from the farms regarded as pollution sources in hydrogeological units were compared in 2016-2017. All the nitrate concentrations at 200 - 500 m from the farms exceeded a background concentration, 13.3 mg/L. Those at 750 m and the background concentrations measured by the Ministry of Environment were comparable. Therefore, the appropriate radius was suggested as 500 m for livestock excretions survey. In this study, the areas within 500 m from the farms could be considered under the influence of livestock excretions, while those beyond 500 from the pollution sources as background in hydrogeological units. The developed method was validated by applying it to the sites selected based on both administrative divisions and watersheds for livestock excretion survey. The average densities for the developed method were 0.82 and 0.39 points/km2, respectively, which were considered as appropriate levels according to those of the European Environmental Agency.



가축분뇨실태조사를 위한 지하수 오염현황조사 지점 선정 방법 개발

김덕우, 류홍덕,백운일,김선정,신동석,이재관,정유진*
국립환경과학원 물환경연구부 유역총량연구과
    Ministry of Environment
    2018-03-03-003

    1. 서 론

    지하수의 수질은 일차적으로 지질과의 지화학적 반응 에 의한 영향을 받게 되며, 이차적으로는 지표상 다양한 오염원의 비점 형태로 지하수 수체 내 유입됨으로써 영 향을 받게 된다(Park et al,. 2015;Yang et al., 2015). 외부 유입 오염원으로는 지표 상 토지이용현황에 따른 인간 활동에 기인된 오염원이 있으며 농경지의 비료와 축사에서 발생되는 가축분뇨 중 잔류항생제, 공업·산업 단지 및 주거지역에서 발생되는 폐수 및 강우에 의한 유 출수, 골프장 유지관리를 위한 살충제 등이 여기에 해당 된다(Lee et al., 2009;Kim et al., 2018). 또한 자연·지 리적 특성에 의해서도 지하수 수질의 변화가 나타나며, 대표적으로는 해수유입에 의한 염분 변화 등을 들 수 있 다(Kim and Chung, 2011). 축사가 밀집된 농촌 지역에 서는 가축분뇨 자원화물인 퇴비·액비의 농경지 과잉 공 급에 의해 지하수 수질이 심각한 것으로 보고되고 있다 (Choung et al., 2004). 가축분뇨에 의해 악화된 지하수 수질은 질산성 질소가 매우 높은 특징을 보이며, 오염된 지하수와 주변 하천 내 질산성 질소의 동위원소 분석 결 과 저·갈수기 뿐만 아니라 우기시에도 동물분뇨에 기원 된 질소성분이 지속적으로 하천 수체로 유입됨으로써 하 천의 부영양화에 영향을 주는 것으로 나타났다(Kim et al., 2005).

    우리나라의 경우 축산업의 기업화·대기업화로 사육두 수는 지속적으로 증가하고 있으며(NIER, 2014), 집약적 인 사육환경으로 인한 주변 수체 내 수질이 악화되는 등 사회·환경적 문제가 대두되었다(NIER, 2015). 환경부에 서는 2006년 가축분뇨를 활용한 농경지의 양분을 공급 하는 가축분뇨의 자원화 지원, 공공처리시설을 통한 적 정 처리, 바이오가스 등을 통한 자원순환 등 환경과 축산 업의 지속 가능한 발전을 목적으로 가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률(이하 ‘가축분뇨법’) 을 제정하였다. 2014년에는 자원화를 통해 생산되는 가축분뇨 퇴비·액 비의 과잉공급에 의한 주변 환경오염의 사전적 예방을 목 적으로 가축분뇨법이 개정되었으며, 같은법 제7조에 근 거하여 ‘가축분뇨실태조사(Livestock Excreta Survey, LES)’의 법적 근거가 마련되었다.

    가축분뇨실태조사란 농경지 내 토양에 있는 비료의 함량, 비료 살포량, 가축분뇨 자원화로 인해 생성되는 퇴 비·액비 공급량, 작물 생산 및 재배 등으로 인한 토양양 분 제거 등 가축분뇨를 기반으로 다양한 자연·인위적 활 동에 의한 환경오염실태를 조사하는 것을 말한다(Kim et al., 2017). 현재 가축분뇨실태조사는 가축분뇨법 시행 령 제4조에 근거하여 ‘축산·양분현황조사’와 ‘환경오염 현황조사’로 구분된다. 축산·양분현황조사는 축종별 사 육두수, 가축분뇨 발생량, 퇴비·액비 처리현황, 작물현 황 등을 조사함으로써 농경지의 질소, 인 등 양분 현황을 조사하는 것을 의미하며, 환경오염현황조사는 지표수, 지하수 및 토양 등을 대상으로 가축분뇨에 기인한 오염 현황을 조사하는 것을 의미한다(Ryu et al., 2015). 축산 양분현황조사 및 환경오염현황 조사는 기초조사와 상세 조사로 구분된다(Fig. 1). 기초조사는 대상 지역의 오염 현황을 전반적으로 파악하기 위한 조사이며, 기초조사 결과를 바탕으로 오염이 상대적으로 심각한 지역 혹은 세부유역을 대상으로 상세조사를 수행함으로써 조사 지 점 및 측정 빈도 확장 등 집중적으로 오염현황을 조사하 게 된다. 가축분뇨실태조사를 위한 대상지역은 가축분 뇨법 시행령 제4조제2항에 근거하며, 조사 목적에 따라 특별자치시·특별자치도(이하 ‘시·도’), 특별자치시·군· 구(이하 ‘시·군·구’) 혹은 소권역, 세부유역 단위로 조사 를 수행하고 있다.

    환경오염현황 조사 절차는 가축분뇨실태조사의 세 부 절차 및 방법 등에 관한 고시 에 근거하여 수행하고 있다. 지하수의 경우 가축분뇨와 퇴비·액비에 의한 지하 수 오염이 예상되는 지역을 대상으로 하며, 농경지를 중 심으로 반경 1 km 이내 위치한 관정을 조사지점으로 선 정하고 있다. 이는 우리나라 가축분뇨의 약 89%가 퇴비· 액비 형태로 자원화 처리되고 있으며(ME, 2016), 생성 된 퇴비·액비는 주변 농경지에 살포되어 지하수 수질에 영향을 미치는 것을 고려한 것으로 판단된다. 하지만 농 경지에 살포된 퇴비·액비는 비점오염원 형태로 지하수에 유입됨으로써 정확한 오염원의 유입지점에 대한 파악이 불가능할 뿐만 아니라, 사전조사를 통해 축산농가 별 퇴 비·액비의 살포 농경지 정보를 수집하기에는 시간·인력 및 예산 등의 한계가 있다. 또한 농경지에 살포되는 비료 는 퇴비·액비 뿐만 아니라 화학비료, 유기질 비료 등 재 배 작물에 따라 복합적으로 사용될 수 있으므로 가축분 뇨에 의한 지하수 수질 현황을 파악하기 위해서는 오염 원의 유입에 의한 지하수 수질 현황을 명확히 구분할 수 있는 체계적인 조사 방안이 마련되어야 한다.

    우리나라 지하수 수질조사는 지하수법 제18조 및 지하수의 수질보전 등에 관한 규칙 제9조에 근거 하여 ‘지하수수질측정망’을 운영하고 있으며, 국가지하 수 수질측정망과 지역지하수 수질측정망으로 구분된다 (Fig. 2). 국가지하수 수질측정망은 지하수수질전용 측정 망과 타기관측정망으로 다시 세분화 된다. 지하수수질전 용측정망은 환경부에서 운영하고 있으며, 배경수질전용 측정망과 오염감시전용 측정망으로 구성되어 있다. 타기 관측정망은 국토교통부에서 운영하는 국가지하수관측망 과 농림축산식품부에서 운영하는 농촌지하수관리관측망 을 연계하여 관측자료를 활용하고 있다. 배경수질전용 측정망은 국내 8개의 주요 지질단위(미고결퇴적물, 다공 질화산암, 반고결퇴적암, 비다공질화산암, 관입화성암, 쇄설성퇴적암, 석회암, 변성암)와 수치지형도, 중권역 유 역도을 이용하여 지하수 흐름방향을 고려한 수문지질단 위 별 1개 관정을 측정 지점으로 선정하게 된다(ME, 2017). 오염감시전용 측정망은 폐광산지역, 산업단지지 역, 축산/농업지역, 도시주거지역, 매립지 그리고 하수처 리지역 등 6개 주요 오염원을 중심으로 전국에 총 64개 지점을 운영하고 있으나, 이 중 축산/농업지역은 2개 지 점만 포함하고 있다. 조사 지점 선정 방법은 오염원을 중 심으로 일정 반경에 대한 기준 없이 인접 지하수 관정을 대상으로 조사하고 있는 실정이다. 배경수질전용 측정망 은 지하수 수질을 결정하는 일차적 요인인 지질특성에 의한 수질 현황을 파악할 수 있는 중요한 조사이다 (Moon and You, 2006). 하지만 환경부에서 운영하고 있는 배경수질전용 측정망의 경우 조사 지점의 주변 오 염원은 고려하지 않기 때문에 지질과의 상호작용에 의한 지하수 수질 특성과 오염원의 영향에 의한 특성을 명확 히 구분할 수 없는 문제가 있다. 오염감시전용 측정망의 경우도 수문지질단위의 구분 없이 오염원 영향만 고려하 고 있기 때문에 수문지질단위에 의한 지화학적 반응을 명확히 구분할 수 없는 한계가 있다. 타기관측정망의 경 우 각 기관 별 지하수위 감시 및 수량 확보와 해안·도서 지방의 염수침입 관측 등을 목적으로 운영하고 있기 때 문에 오염원에 의한 지하수 수질 특성 파악, 특히 가축분 뇨에 의한 지하수 수질 조사에 활용하기에는 적합하지 않다. 지역지하수 수질측정망의 경우 오염우려지역과 일 반지역으로 구분된다. 오염우려지역 측정망에서는 영농, 수질, 폐기물 그리고 기타지역(골프장, 주거지역 등)을 오염원으로 고려하여 지하수 수질을 측정하고 있으나, 가축분뇨를 오염원에 구분하고 있지 않은 실정이며, 일 반지역은 오염원의 영향이 없는 지역을 대상으로 지하수 수질 조사를 수행하고 있다.

    주기적으로 지하수 수질을 조사하는 지하수수질측정 망 뿐만 아니라 가축매몰지, 유류오염사고 등 지하수 수 질 오염이 예상되거나 관리가 필요한 경우 각 사고별 지 하수 수질 측정 방안을 마련해 놓고 있다. 가축매몰지역 환경조사지침(ME, 2013)에 따르면 가축 매몰지역을 중 심으로 300 m 반경 내 위치한 지하수 관측지점을 대상 으로 지하수 오염여부를 조사하고 있으며, 지하수의 수 질보전 등에 관한 통합업무처리지침(ME et al., 2014)에 서는 지하수 수질측정망 자료의 측정결과에 따라 15종의 특정유해물질(카드뮴, 비소, 시안, 수은, 유기인, 페놀, 납, 6가크롬, 트리클로로에틸렌, 테트라클로로에틸렌, 1.1.1-트리글로로에탄, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌) 의 검출 혹은 5종의 일반 오염물질(수소이온농도, 대장 균군수, 질산성질소, 염소이온, 일반세균)이 높게 측정될 경우에는 오염원을 중심으로 1 ~ 2 km 이내 주변시설물 에 대한 상세조사를 수행하도록 되어 있다. 하지만 각 지 침별 오염원을 중심으로 최소 300 m에서 최대 2 km 까 지 조사하도록 되어 있어 반경 범위가 넓고, 거리 설정에 대한 명확한 기준도 부족하기 때문에 이들 자료를 활용 하기엔 한계가 있다고 판단된다.

    따라서 가축분뇨실태조사를 위한 지하수 환경오염현 황 조사에 국가지하수 수질측정망 자료를 직접적으로 자 료를 인용하거나 각 지하수 조사 지침별 제안하는 지점 선정 방안을 활용하기에는 다음과 같은 문제가 존재한다. (1) 국가지하수 수질측정망 내 배경수질전용 지점은 오 염원의 영향을 고려하지 못하고 있기 때문에 측정 자료 에 오염원의 영향을 배제할 수 없다. (2) 국가지하수 수 질측정망 내 오염감시전용 지점은 전국을 대상으로 총 64개 지점만 운영하고 있으며, 이 중 단 2개 지점만 축산/ 농업지역에 위치하고 있다. (3) 오염원의 영향을 고려한 지하수 측정 지점 선정 시 오염원을 중심으로 300 m 에 서 최대 2 km 까지 조사 범위가 다양하며, 거리에 대한 명확한 근거가 없기 때문에 가축분뇨에 의한 지하수 오 염 현황을 명확히 분석하기에는 체계적인 기준 마련이 필요하다. 본 연구에서는 지질단위에 의한 배경수질과 외부 오염원의 영향에 의한 지하수 수질을 동시에 구분 할 수 있는 가축분뇨실태조사 지하수 환경오염현황조사 지점 선정 방안을 마련하는데 있다.

    2. 재료 및 방법

    2.1. 공간범위 구분

    기초조사와 상세조사를 수행하기 위한 대상 지역의 세부 단위 공간을 구분하기 위하여 각 공간범위 별 다음 과 같은 방법을 적용하였다.

    시·도 혹은 시·군·구 단위의 행정구역을 대상으로 조 사할 경우에는 선정된 행정구역 단위의 하위단계 행정구 역을 이용하여 하위단위 공간범위를 설정하였다(Fig. 3(a)). 만약 대상지역이 시·도 단위 행정구역일 경우에는 시·도 하위 행정구역인 시·군·구 단위의 행정구역을 세부 공간 범위로 선정할 수 있다. 행정구역 단위 지도는 공공 데이터포털(MOIS, 2018)을 통해 확보하였으며, 시스템 에서 제공하는 전국단위 최신 자료인 2018년 8월 4일 생 성자료를 활용하였다. 소권역 혹은 세부유역을 대상으로 조사를 수행할 경우에는 대상지역의 지형 특성을 고려한 집수구역 단위의 면적을 기반으로 세부 공간 범위를 구 분하였다(Fig. 3(b)). 본 연구에서는 집수구역을 생성하 기 위하여 Geographic Information System (GIS) 프로 그램 내 공간분석기능(Spatial analysis tools)을 이용하 였다. 일반적인 집수구역 생성 절차는 다음과 같다. 대상 지역의 수치지도(Digital Elevation Map, DEM) 자료를 이용하여 하천차수를 생성하고, 누적 하천차수의 임계값 을 설정함으로써 대상지역의 하천 흐름을 정의한다. 하 천 흐름이 정의되면 각 하천의 말단을 대상으로 수치지 도의 고도값을 고려하여 집수구역이 생성된다. 수치지도 (DEM)은 국토지리연구원(MOLIT, 2018)에서 제공하 고 있으며, 본 연구에서는 30 m × 30 m 해상도의 자료 를 활용하였다.

    2.2. 수문지질단위 별 축사에 의한 지하수 수질 영향 반 경 검토

    본 연구에서는 축사를 기준으로 200 m, 300 m, 500 m, 750 m 경계면을 설정한 후, 각 경계면 내 위치한 지 하수의 질산성 질소 농도를 비교함으로써 축사에 의한 지하수 수질에 영향을 주는 적정 반경을 분석하였다.

    지하수의 질산성 질소 분석 자료는 기존 수행된 가축 분뇨실태조사 자료를 활용하였다. 가축분뇨실태조사 대 상 지역은 두 개의 유역 단위의 소권역을 대상으로 수행 되었으며(Fig. 4), 측정지점은 가축분뇨실태조사의 세 부 절차 및 방법 등에 관한 고시 에 근거하여 선정하였 다. 조사기간은 2016년~2017년이며 총 223개 자료를 이용하였다. 가축분뇨실태조사 대상지역의 수문지질단 위는 총 3개로 관입화성암, 변성암 그리고 미고결퇴적물 로 구성되어 있다. 또한 환경부 배경수질전용 측정망의 동일지질단위 별 측정농도를 같이 비교함으로써 지질단 위별 배경농도의 기준에 활용하였다. 환경부에서 운영하 는 국가지하수 배경수질전용 측정망 자료는 토양지하수 정보시스템(ME, 2018)에서 제공하고 있으며, 현재 2016 년 자료까지만 제공하고 있어 해당 자료로만 비교하였다. 수문지질단위 지도는 국가지하수정보센터(K-water, 2018)에서 제공하고 있으며, 축사 정보는 국립환경과학 원에서 수행하는 전국오염원자료(NIER, 2018)에서 축 종별 축사 규모에 따른 위치정보를 제공하고 있다. 대상 오염원인 축사의 선정 기준은 가축분뇨법 시행령 제6 조 및 제8조에 따른 신고·허가대상 배출시설을 기준으로 하였으며(Table 1), 대상 축종은 한우, 육우(젖소), 돼지, 닭 그리고 오리 등 5가지 가축을 대상으로 오염원을 고려 하였다.

    경계면을 1 km 이하로 설정한 기준은 다음과 같다. 첫 번째로 축사와 멀어질수록 다양한 오염원의 유입에 의해 지하수 수질이 변화할 수 있으며, 두 번째는 소권역 혹은 세부유역을 대상으로 조사할 경우 조사 대상의 면적이 매우 작기 때문에 1 km 이상의 경계면을 설정할 경우 전 체 범위를 벗어날 수 있기 때문이다. 질산성 질소의 경우 인위적 오염물질 유입에 의한 지하수 수질의 오염 영향 이 큰 항목 중 하나로 알려져 있으며, 특히 축산업이 발달 된 지역의 지하수 수질 항목 중 가축분뇨의 영향을 직접 적으로 받는 항목이므로(Kim and Woo, 2003;Kim et al., 2005;Jeon et al., 2011), 축사에 의한 지하수 오염 여부를 판단하는 기준으로 적합한 것으로 판단된다.

    2.3. 배경수질 및 오염우려 지점 선정 방법

    지하수 측정지점을 선정하는 절차는 다음과 같다. 가 축분뇨실태조사 대상지역의 행정구역 혹은 세부유역 지 도를 GIS 프로그램을 이용하여 불러온 후(Fig. 5(a), Fig. 6(a)), 수문지질단위 지도를 중첩하였다(Fig. 5(b), Fig. 6(b)). 다음은 오염원 및 지하수 관정 현황을 중첩한 후(Fig. 5(c), Fig. 6(c)), 오염원을 중심으로 배경수질과 오염우려 지점을 구분하는 반경을 적용하여 경계면을 생 성한 후(Fig. 5(d), Fig. 6(d)), 경계면 내 위치한 관정은 오염우려 지점으로 분류하고 경계면을 벗어난 관정에 대 해서는 배경지하수 지점으로 분류하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1. 지하수 수질에 영향을 주는 적정 반경 검토

    각 지질단위별 거리에 따른 질산성 질소 농도 변화를 box-plot을 작성하여 비교하였다(Fig. 7). 관입화성암의 경우, 축사를 기준으로 200 m 내 위치한 지하수 질산성 질소의 농도는 최대 약 60 mg/L의 높은 농도까지 관측 되었다. 하지만 300 m부터는 약 30 mg/L로 낮게 나타났 으며, 500 m 최대 농도에서도 유사한 값을 보이고 있다. 중앙값과 25 percentile 및 75 percentile 분포를 보면 200 m, 300 m 그리고 500 m에서 약 10 mg/L ~ 20 mg/L 내외로 유사한 경향을 보이고 있다. 오염원의 유입 이 없는 자연 상태에서의 지하수 내 질산성 질소 농도는 약 2.0 mg/L ~ 13.3 mg/L 범위를 갖는 것으로 알려져 있다(Medison and Brunett, 1985;Mueller and Helel, 1996). 500 m 경계면에서 관측된 질산성 질소 농도가 이미 배경농도 기준의 최대값인 13.3 mg/L를 초과하고 있기 때문에 축사에 의한 오염원이 500 m 까지 영향을 주는 것으로 판단된다. 동일 지질단위에서 축사가 밀집 된 영동군의 질산성 질소의 농도는 평균과 표준편차는 각각 36.8 mg/L와 49.5 mg/L로 나타났으며, 최대값은 약 168 mg/L로 매우 높은 수준을 보였다(Lee and Choi, 2012). 본 연구의 대상지역에서 측정된 농도범위보다는 높은 수치이나 200 m ~ 500 m 지점의 최대값 범위가 약 30 mg/L ~ 60 mg/L 분포를 가지고 있으므로 영동 군의 평균 농도와 유사하게 나타나고 있다. 따라서 축사 에 의한 지하수 오염 영향이 500 m 까지는 미치고 있음 을 알 수 있으며, 자연 상태의 질산성 질소 농도 범위와 비교한 영향 반경과도 일치하고 있다. 환경부 배경수질 전용 측정망 결과는 25 percentile 이내 농도 범위에서 자연 상태의 질산성 질소 범위와 유사하게 관측되었으나, 최대값은 13.3 mg/L를 초과하고 있다. 이는 배경수질전 용 측정망 지점을 선정할 때 주변 오염원을 고려하지 않 기 때문에 외부 오염원의 영향으로 높게 관측된 것으로 판단된다.

    변성암에서는 축사를 기준으로 거리가 멀어질수록 질 산성 질소의 농도 저감이 뚜렷하게 나타났다. 각 거리별 최대농도는 축사가 가장 인접한 200 m에서는 약 45 mg/L로 나타났으나, 300 m와 500 m 지점에서는 약 25 mg/L로 유사하였으며 750 m 에서는 약 10 mg/L로 낮 은 농도를 보였다. 자연 상태의 질산성 질소 배경농도와 비교하면 200 및 300 m 거리에서는 배경농도 기준 범위 를 초과하고 있었다. 500 m의 경우 25 percentile 농도 이하에서는 배경수질 범위 이내로 관측되었으나, 최대값 이 13.3 mg/L를 초과하고 있었다. 750 m에서는 모든 농 도 값이 배경농도 범위 안에 포함되어 있으므로, 축사에 의한 오염원의 유입으로 지하수 수질에 영향을 주는 거 리는 약 500 m로 판단된다. 가축사육이 밀집되어 있는 영동군 내 변성암 수문지질단위에 위치한 지하수의 질산 성 질소 농도는 평균 27.2 mg/L로 조사되었고, 농도범위 는 0.0 mg/L ~ 80.0 mg/L로 넓게 분포하고 있다(Lee and Choi, 2012). 본 연구에서는 200 m ~ 500 m 거리 의 최대농도 분포가 약 20 mg/L ~ 45 mg/L로 영동군의 평균 농도와 유사하게 나타나 해당 거리에 위치한 관정 에서 축사에 의한 지하수 수질의 오염 가능성이 있다고 판단된다. 750 m 지점에서는 모든 측정값이 10 mg/L로 낮게 관측되었으며, 자연 상태의 질산성 질소 농도 범위 와 환경부에서 측정한 동일 수문지질단위의 배경수질전 용 측정값의 범위와도 유사하게 나타나 축사에 의한 지하 수 수질 영향이 감소하였음을 알 수 있다. 다만 환경부 배 경수질전용 측정망의 최대값은 자연 상태의 질산성 질소 범위보다 높게 관측되었으며, 이는 배경수질전용 측정 지 점을 선정하는 방법에서 갖고 있는 한계로 판단된다.

    미고결퇴적물의 경우 200 m와 300 m에서 서로 유 사한 농도분포를 보이고 있다. 최대값은 30 mg/L 이상 관측되었으며, 25 percentile 및 75 percentile의 값은 2 mg/L ~ 15 mg/L 분포를 보이고 있으며, 중앙값의 경우 5 mg/L로 관측되었다. 500 m 에서는 최대값과 25 percentile의 값이 각각 20 mg/L, 11 mg/L로 이전 거리 보다 다소 감소하는 경향을 보이고 있다. 안성 일죽 지역 의 축사가 밀집된 지역에서 동일 수문지질단위의 지하수 질산성 질소 농도 범위는 약 0.7 mg/L ~ 34.7 mg/L를 보였으며(Kim and Woo, 2003), 충남 부여의 경우 동일 한 조건에서 약 1.72 mg/L ~ 35.9 mg/L의 농도 범위를 보이는 것으로 조사되었다(Yang et al., 2015). 본 연구 에서는 200 m ~ 300 m 거리에서 측정된 질산성 질소의 농도 분포와 유사하게 나타나, 300 m 이내 위치한 관정 에서는 축사에 의한 오염원의 영향을 받고 있음을 알 수 있다. 자연 상태의 질산성 질소 기준과 비교해 보면 500 m 이내 위치한 과정에서 모두 25 percentile 이내 농도 는 범위 안에 만족하였으나 최대값의 경우 기준을 초과 하였다. 따라서 축사에 의한 오염원이 주변 500 m 까지 유입됨으로써 지하수 수질에 영향을 줄 수 있다고 판단 된다.

    관입화성암과 미고결퇴적물은 각각 500 m 이내 위치 한 지점의 질산성 질소 농도 분포가 서로 유사한 특징을 보였으며, 변성암의 경우 오염원으로부터 거리가 멀어질 수록 농도가 뚜렷이 감소하는 특징을 보였다. 자연 상태 의 질산성 질소 농도범위인 2.0 mg/L ~ 13.3 mg/L와 비 교한 결과 모든 수문지질단위에서 500 m 지점까지는 초 과하는 것으로 나타났다. 환경부 배경전용전용 측정망 농도를 자연 상태의 질산성 질소 농도와 비교한 결과 미 고결퇴적물을 제외한 관입화성암과 변성암에서 최대값 을 기준으로 범위를 초과하는 것으로 나타났다. 이는 환 경부 배경수질전용 측정망 지점을 선정하는 과정에서 주 변의 오염원을 고려하지 않았기 때문에, 외부 오염원의 유입에 의한 영향으로 판단된다. 결과적으로, 배경수질 과 오염우려 지점을 구분할 수 있는 적정 거리의 기준은 각 지질단위 별 자연 상태의 질산성 질소 범위를 초과하 고 있는 500 m 거리 이상 위치한 지점이 지질 특성에 의 한 배경수질지점으로 구분될 수 있다고 판단된다.

    따라서 본 연구에서는 배경수질과 오염원 우려지점을 구분하는 기준은 500 m 설정하였으며, 이는 Kolpin (1997)이 제안한 질산성 질소의 농도와 토지이용 간의 상관성 분석을 통한 최적 영향 반경과 McLay et al. (2001)에서 적용한 지하수 내 질산성 질소의 농도와 토 지이용 간의 상관성 분석 연구에 적용된 범위와 일치하 였다.

    3.2. 행정구역별/소권역(세부유역)별 지하수 측정지점 선 정 적용

    A 시·군·구의 경우 36개의 동·리가 위치하고 있으며, 총 5개의 수문지질단위가 분포하였다. 각 동·리를 기준 으로 수문지질단위별 배경지하수와 오염우려지점을 선 정한 결과 배경지하수와 오염우려지점은 각각 47개와 38개로 선정되었으며, 단위면적 당 지점 수는 0.12 ~ 8.39 개/km2의 밀도를 보였다(Table 2). A 시·군·구 전 체 면적 대비 전체 지점 수를 기준으로는 약 0.82 개/km2 이며, 배경 및 오염우려지점은 각각 0.45 개/km2 및 0.36 개/km2의 밀도를 나타냈다.

    소권역의 경우 9개의 세부유역으로 구분되어 있으며, 총 2개의 수문지질단위가 분포하였다. 각 세부유역별 배 경지하수와 오염우려지점을 선정한 결과 각 12개의 지점 이 선정되었으며, 단위면적 당 지점 수는 0.19 ~ 1.06 개 /km2의 밀도를 보였다(Table 3). 전체 소권역에 대해서 는 0.39 개/km2이며, 배경 및 오염우려지점은 각각 0.20 개/km2의 밀도를 보였다.

    국내에서 운영하고 있는 지하수 수질관측 지점은 환 경부에서 운영하는 배경수질전용과 오염감시전용 지점 외 국토교통부 및 농림축산식품부 등 타기관에서 수행하 는 지점과 지자체에서 운영하는 지점 등 2016년을 기준 으로 총 2754개 지점이 있다. 이들 전체 지점에 대해 우 리나라 전체 면적을 기준으로 밀도를 산정하면 약 0.028 개/km2이며, 배경수질전용과 오염감시전용 지점은 각각 0.002 개/km2, 0.001 개/km2 수준을 보이고 있다. 국내 에서 운영하고 있는 전체 지하수 수질측정망 지점의 밀 도보다 최소 10배 이상의 높은 지점 수를 확보할 수 있기 때문에 가축분뇨에 의한 지하수 수질 현황을 명확히 파 악할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 환경부에서 운영하 는 배경수질전용과 오염감시전용 지점의 밀도보다 100 배 이상의 높은 밀도로 대상 지역의 지하수 수질 현황을 파악할 수 있기 때문에 지질특성 및 가축분뇨에 의한 지 하수 수질 현황도 명확히 구분할 수 있을 것으로 판단된 다. 또한 유럽(평균 0.0052 개/km2), 인도(0.005 개/km2) 그리고 아프리카(평균 0.0020 개/km2)에서 운영하고 있 는 지하수 수질 측정망의 밀도보다도 높은 수치이며, European Environmental Agency (EEA)에서 제안 (Nixon, 1996)하는 적정 관측밀도인 0.04 개/km2 기준 보다 높기 때문에 상세한 지하수 수질 현황 파악과 다양 한 오염원 및 수문지질단위 별 수질 자료 확보 등 수준 높 은 자료를 확보할 수 있을 것으로 판단된다(Table 4).

    3.3. 지하수 측정지점 선정방법 적용 및 비교

    본 연구에서 제안하는 지하수 측정 지점 선정 방법을 이용하여 기존 가축분뇨실태조사 대상지역에 적용함 으로써 기존 조사지점을 배경수질과 오염원 우려 지점으 로 구분하였다. 기존 가축분뇨실태조사 대상지역의 전체 면적은 약 79.89 km2이며, 총 10개의 집수구역 단위로 구분되어 있다. 대상지역의 수문지질단위는 변성암, 관 입화성암과 미고결퇴적물로 구성되어 있다. 지하수 측정 지점은 총 76개 지점으로 각 집수구역 별 4 ~ 8개 지점이 위치하고 있다.

    기존 측정 지점은 지질단위에 대한 구분은 하고 있지 않았으며 모든 지점을 오염우려 지점으로 고려하여 선정 되었다. 본 연구에서 개발된 방법을 적용한 결과 전체 조 사지점의 위치가 축사를 기준으로 500 m 이내 위치하고 있으므로 오염원의 영향을 적절히 고려하고 있다고 판단 된다(Table 5). 하지만 변성암 수문지질단위에서는 조사 지점이 없어 배경수질 및 축사에 의한 오염 현황을 파악 하지 못하고 있었으며, 각 집수구역 단위별 배경수질을 파악하기 위한 지점이 없어 측정된 지하수 수질 현황에 대한 배경수질과 오염원의 영향에 의한 수질을 명확히 구분할 수 있는 기준이 필요한 것으로 나타났다. 각 집수 구역을 대상으로 기존 조사 지점에 대한 밀도를 산정한 결과 전체 면적 기준으로 0.95 개/km2의 밀도를 보였다. 높은 밀도의 측정 지점을 확보하는 것은 대상 지역의 수 질 현황을 자세히 파악하는데 장점이 될 수 있으나, 전체 대상 지역을 대상으로 전반적인 수질 현황을 파악할 경 우 시간·인력 등 효과적인 업무 수행에 한계가 있을 수 있다. 특히 기초조사의 경우 전체 대상지역의 전반적인 수질 현황을 파악하기 위한 조사이므로 집수구역 별 조 사지점을 적절히 분배하는 과정이 중요하다. 집수구역 내 수문지질단위 별 기초조사 및 상세조사에 대한 지점 수를 1개와 2개로 선정할 경우 전체 면적 기준으로는 각 각 0.55 개/km2 및 1.10 개/km2의 밀도로 조사할 수 있 다. 기초조사를 수행할 경우 기존 지점이 갖는 밀도보다 는 낮지만 EEA에서 제안하는 적정 밀도(0.04 개/km2) 보다 높은 수치로 대상 지역의 지하수 수질 현황을 파악 하는데 충분한 지점 수를 확보할 수 있다고 판단된다. 또 한 상세조사를 수행할 경우에도 기존 지점 밀도보다도 높기 때문에 상세한 수질 현황 파악이 가능할 것으로 판 단된다.

    지하수 수질은 대상 지역의 수문지질 특성과 오염원 의 영향이 복합적으로 나타나기 때문에 배경수질과 오 염원에 의한 수질 특성을 동시에 측정함으로써 명확히 구분할 수 있어야 한다. 국내 뿐만 아니라 유럽에서도 수 문지질단위 별 지하수 수질 특성 파악과 수질관리의 중 요성이 대두됨에 따라 수문지질단위 별 지하수 수질 조 사를 수행되고 있으나(Lanz and Scheuer, 2001; You and Kim, 2003;Maupin and Barber, 2005), 오염원을 동시에 고려하고 있지는 못한 실정이다. 가축분뇨에 의 한 지하수 수질현황을 파악을 목적으로 하는 가축분뇨실 태조사에서도 오염원의 영향만 고려함으로써 지질특성 에 의한 지하수 특성을 구분하는데 한계가 있었다. 본 연 구에서는 축사에 기인된 지하수 오염영향 반경을 사전에 파악함으로써 가축분뇨에 의한 지하수 수질현황을 파악 할 수 있는 지점을 선정할 수 있으며, 동시에 동일 수문지 질단위별로 배경수질을 파악함으로써 가축분뇨에 의한 지하수 영향을 명확하게 구분할 수 있을 것으로 기대된다.

    4. 결 론

    국내 지하수 수질조사는 ‘지하수수질 측정망’을 통해 지속적으로 관리하고 있으나, 축산업에 의한 지하수 수 질을 조사하는 지점은 2016년 기준으로 전체 2756개 지 점 중에 단 2군데 밖에 운영하고 있지 않은 실정이다. 또 한 조사 지점 선정 방법에서도 배경수질전용 측정망에서 는 오염원의 구분이 명확하지 않았으며, 오염감시전용 지점 선정에서도 수문지질단위에 대한 구분이 없어 가축 분뇨의 영향을 파악하기 위한 가축분뇨실태조사에 활용 하기에는 한계가 있었다. 본 연구에서는 가축분뇨에 의 한 지하수 수질현황을 명확히 파악하기 위하여 지질 특 성에 의한 배경농도를 파악할 수 있는 배경농도 지점과 오염원의 영향에 의해 나타날 수 있는 오염우려 지점을 동시에 고려할 수 있는 지점 선정 방법을 개발하였다.

    우선 축사에 의한 지하수 수질에 영향을 줄 수 있는 영 향반경을 파악하였다. 이를 위해 질산성 질소 항목을 이 용하여, 지질 단위별 200 m, 300 m, 500 m 그리고 750 m 거리의 농도변화를 비교하였다. 관입화성암과 미고결 퇴적물은 각각 500 m 이내 위치한 지점의 질산성 질소 농도 분포가 서로 유사한 특징을 보였으며, 변성암의 경 우 오염원으로부터 거리가 멀어질 수록 농도가 뚜렷이 감소하는 특징을 보였다. 자연 상태의 질산성 질소 농도 범위인 2.0 mg/L ~ 13.3 mg/L와 비교한 결과 모든 수문 지질단위에서 500 m 지점까지는 초과하는 것으로 나타 났다. 환경부 배경전용 측정망 농도의 최대값은 자연 상 태의 농도 기준을 초과하는 것으로 나타나, 주변 오염원 을 고려하지 않은 영향으로 기인된 결과로 판단된다. 결 과적으로, 배경수질과 오염우려 지점을 구분할 수 있는 적정 거리의 기준은 각 지질단위 별 자연 상태의 질산성 질소 범위를 초과하고 있고, 국내 주요 축산업이 발달된 지역에서 관측된 질산성 질소 농도 범위와 유사한 값을 나타내고 있는 500 m 거리 이상 위치한 지점이 지질 특 성에 의한 배경수질지점으로 구분될 수 있다고 판단된다. 따라서 본 연구에서는 배경수질과 오염우려지점을 구분 하는 기준으로 500 m를 설정하였다.

    본 연구를 통해 개발된 방법을 이용하여 임의의 행정 구역과 세부유역에 적용한 결과 각각 85개와 24개 지점 이 선정되었다. 전체 면적 대비 지점 수에 대한 밀도를 계 산해 보면 행정구역 단위에서는 약 0.82 개/km2을 보였 으며, 세부유역에서는 0.39 개/km2으로 나타났다. 이는 환경부에서 운영하는 지하수수질 측정망 전체 밀도인 0.028 개/km2보다 높았으며, EEA에서 제안하는 적정 밀도인 0.04 개/km2 이상의 수치를 보임으로써 대상 지 역의 지하수 수질 현황을 보다 상세히 파악할 수 있을 것 으로 판단된다. 또한 환경부에서 운영하는 지하수 수질 측정망의 배경수질 뿐만 아니라 오염감시 지점의 축산/ 농업 지점이 갖고 있는 낮은 밀도와 제한된 지점수에 의 한 수질 현황 파악에 있어 상호 보완할 수 있는 역할도 가 능할 것으로 기대된다.

    본 연구에 활용된 수문지질단위는 국내 수문지질단위 총 8개 항목 중 3개만 고려하였기 때문에 전국 단위 가축 분뇨실태조사를 위해서는 나머지 5개 지질단위에 대한 축사 오염원의 지하수 수질 영향 반경에 대한 추가 연구 가 필요하다. 또한 지하수의 유동 특성을 파악하여 지하 수 흐름 방향을 고려한 지점 선정 방안에 대한 연구도 추 가된다면 지하수 내 수질의 거동 특성과 하천, 호소 등 수 체 내 지하수 유입에 의한 수질 변화 등 전체 시스템에서 의 가축분뇨 영향을 명확히 파악할 수 있을 것으로 판단 된다.

    감사의 글

    본 연구는 환경부 예산(공공수역 녹조발생 대응: NIER-2018-03-03-003)으로 수행되었습니다.

    Figure

    JESI-28-37_F1.gif

    Procedures of livestock excreta survey.

    JESI-28-37_F2.gif

    Diagram of the national and local groundwater monitoring networks in Korea.

    JESI-28-37_F3.gif

    Examples of segmentation of the sites for the livestock excreta survey: (a) administrative division (b) watershed.

    JESI-28-37_F4.gif

    Application of 200 m, 300 m, 500 m and 750 m buffers from the farm locations to the two sites for livestock excreta survey.

    JESI-28-37_F5.gif

    Procedure for the developed method of groundwater sampling for livestock excreta survey based on administrative divisions.

    JESI-28-37_F6.gif

    Procedure for the developed method of groundwater sampling for livestock excreta survey based on watersheds.

    JESI-28-37_F7.gif

    Comparisons of nitrate concentrations depending on the distances from the farms.

    Table

    The farm areas by livestock species according to ‘Act on the management and use of livestock excreta’

    Application of the developed method of groundwater sampling for livestock excreta survey based on administrative divisions

    Application of the developed method of groundwater sampling for livestock excreta survey based on watersheds

    Comparison of the densities of groundwater monitoring networks by Country

    Comparison of the densities of the developed method with those of the existing sampling method for livestock excreta survey

    Reference

    1. Choung, S. W. , Woo, N. C. , Lee, K. S. , 2004, Temporal & spatial variations of groundwater quality in Hanlim,Jeju island , J. Geo. Soc. Korea, 40(4), 537-558.
    2. International Groundwater Resources Assessment Centre (IGRAC), 2013, Groundwater monitoring in theSADC Region: Overview prepared for the stockholm world water week 2013, IGRAC, Netherlands.
    3. Jeon, S. R. , Park, S, J. , Kim, H. S. , Jung, S. K. , Lee, Y. U. , Chung, J. I. , 2011, Hydrogeochemical characteristics and estimation of nitrate contamination sources of groundwater in the Sunchang area, Korea , J. Geo. Soc. Korea, 47(2), 185-197.
    4. Jousma, G. , Willems, J. W. , 1996, Groundwater monitoring networks , Eur. Water Pollut. Contr., 6(5), 52-62.
    5. Kim, C. S. , Ryu, H. D. , Chung, E. G. , Kim, Y. S. , Lee, J. K. , 2018, A review of analytical procedures for the simultaneous determination of medically important veterinary antibiotics in environmental water: Sample preparation, liquid chromatography, and mass spectrometry , J. Environ. Manage., 217, 629-645.
    6. Kim, D, W. , Ryu, H. D. , Lim, D. Y. , Chung. E. G. , Kim, Y. , 2017, Development of a nutrient budget model for livestock excreta survey , J. Korean Soc. Water Environ., 33(6), 767-779.
    7. Kim, T. H. , Chung, S. Y. , 2011, Application of multivariate statistical analysis for the evaluation of groundwater contamination characteristics at the Suyeong-gu of Busan City, Korea , J. Geo. Soc. Korea, 47(1), 45-58.
    8. Kim, Y. T. , Woo, N. C. , Lee, K. S. , Song, Y. , 2005,  Seasonal variation of surface water quality in acatchment contaminated by NO3-N, J . Soil & Groundwater Env., 10(2), 20-27.
    9. Kim, Y. T. , Woo, N. C. , 2003, Nitrate contamination of shallow groundwater in an agricultural area having intensive livestock facilities , J. Soil & Groundwater Env., 8(1), 57-67.
    10. Kolpin, D. W. , 1997, Agricultural chemicals in ground -water of the Midwetern United States: Relations toland use , J. Environ. Qual., 26, 1025-1037.
    11. K-Water, 2018, http://www.gims.go.kr.
    12. Lanz, K. , Scheuer, S. , 2001, European environmental bureau (EEB) handbook on european union (EU) water policy under the water framework directive, The European Environmental Bureau, Brussels, 1-60.
    13. Lee, B. S. , Um, J. Y. , Kim, Y. B. , Woo, N. C. , Nam, K. , Lee, J. M. , 2009, Effect of non-agricultural facilities on water quality and contamination in rural area , J. Soil & Groundwater Env., 14(2), 1-9.
    14. Lee, I. G. , Choi, S, H. , 2012, Hydro-geochemical nature and nitrates contamination characters of groundwaterin the Youngdong, Chungbuk province , Econ. Environ. Geol., 45(1), 23-30.
    15. Maupin, M. A. , Barber, N. L. , 2005, Estimated withdrawals from principal aquifers in the UnitedStates, U.S. geological survey circular1279, U.S. Department of the Interior, Virginia, USA.
    16. McLay, C. D. A. Dregten, R. , Sparling, G. , Selvarajah, N. , 2001, Predicting groundwater nitrate concentrations in a region of mixed agricultural land use: A comparison of three approaches , Environ. Pollut., 115, 191-204.
    17. Medison, R. J. , Brunett, J. O. , 1985, Overview of the occurrence of nitrate in ground water of the Unite States, U.S. Geo. Survey Water-supply Paper, 2275,93-105.
    18. Ministry of Environment (ME), 2013, Guideline for environmental survey of livestock burial site, Ministry of Environment.
    19. Ministry of Environment (ME), 2016, White paper of environment, 11-1480000-000586-10, Ministry ofEnvironment.
    20. Ministry of Environment (ME), 2017, Installation of groundwater measuring network and actual ground -water quality pollutant measurement plan, Ministry ofEnvironment.
    21. Ministry of Environment (ME), 2018, http://sgis.nier.go.kr.
    22. Ministry of Environment (ME), Ministry of Education (MOE), Ministry of Land, Infrastructure and Transport (MOLIT), Ministry of National Defense(MND), Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs (MAFRA), Ministry of Culture, Sports and Tourism (MCST), Ministry of Health and Welfare (MOHW), Ministry of Interior and Safety (MOIS), Ministry of Food and Drug Safety (MFDS), National Fire Agency (NFA), 2014, Guideline for integrated work for water quality conservation in groundwater, Ministry of Environment.
    23. Ministry of Interior and Safety (MOIS), 2018, http://data.go.kr.
    24. Ministry of Land, Infrastructure and Transport (MOLIT), 2018, http://www.ngii.go.kr.
    25. Moon, Y. R. , Yoo, E. H. , 2006, Comparative study for the ground water management based on geological condition, WO-06, Korea Environment Institute.
    26. Mueller, D, K. , Helsel, D. R. , 1996, Nutrients in the nation's water-too much of a good thing, U.S.
    27. Geological Survey, Circular 1136, U.S. Department of the Interior, Virginia, USA.
    28. National Institute of Environmental Research (NIER), 2018, http://wems.nier.go.kr.
    29. National Institute of Environmental Research (NIER), 2014, The study on the status of resource recuvery system of livestock maure, NIER-RP2014-320, Minitry of Environment.
    30. National Institute of Environmental Research (NIER), 2015, Example field-study of rural non-point source pollution caused by livestock excretions, NIERRP2015-367, Minitry of Environment.
    31. Nixon, S. C. , 1996, European freshwater monitoring network design, Topic Rep. No. 1/1996, European Environment Agency, Copenhagen, Denmark.
    32. Park, H. R. , Kim, M. K. , Hong, S. P. , 2015, Characteristics of nitrate contamination of groundwater Case study of Ogcheon area , J. Envrion. Impact Assess., 24(1), 87-98.
    33. Ray, A. , Jain, S. K. , Shekhar, S. , Chandra, S. R. , Srivastava, K. K. , Sharma, V. , Srivastava, S. K. , 2010, Ground water quality in shallow aquifers of India, 1st ed., Central Ground Water Board, India, 1-117.
    34. Ryu, H. D. , Park, B. K. , Chung, E. G. , Ahn, K. H. , Choi, W. S. , Kim, Y. , and Rhew, D. , 2015, Determination of prior areas for livestock excreta pollutant survey , J. Environ. Sci. Int., 24(8), 1085-1099.
    35. Yang, J. H. , Kim, H. K. , Kim, M. S. , Lee, M. K. , Shin, I. K. , Park, S. H. , Kim, H. S. , Ju, B. K. , Kim, D. S. , Kim,T. S. , 2015, Evaluation of groundwater quality deterioration using the hydrogeochemical characteristics of shallow portable groundwater in an agricultural area , J. Eng. Geol., 25(4), 533-545.
    36. You, S. J. , Kim, K. S. , 2003, A Study on the characteristics of groundwater quality in Busan , Rep. Busan Inst.Health & Environ., 13(2), 90-136.