GIS를 이용한 지하수내 질산성질소 영향요인 분석 = Analysis of influential factors on nitrate concentrations in groundwater using GIS

국문 초록 (Abstract)

이 논문의 목적은 GIS 및 통계 분석을 통하여 지하수내 질산성질소의 분포에 미치는 영향요인을 분석하는 것이다. 이를 위하여 이 논문에서는 두개의 Part로 분석하였다. Part I 에서는 서울시 전역에 대하여 배수분구 단위로 질산성질소 영향요인을 분석하였고, 이를 바탕으로 질산성질소 지시기준 초과비율의 예측 가능성을 검토하였다. 그리고 Part Ⅱ에서는 성내천 유역에 대하여 관정단위로 질산성질소 오염 영향을 분석하였다.
Part I 에서는, 서울시 전역에서 2000년도에 측정된 6905개의 수질자료를 대상으로 하여, 질산성질소의 인위적 오염가능성을 지시하는 것으로 여겨지는 3mg/l를 기준으로(이하 ‘지시기준’으로 표기한다) 초과비율을 계산하여 배수분구 단위로 입력하였다. 이외에 관정심도, 풍화대심도, 개발이용량, 지하철배출량, 토지이용, 인구밀도, 음식점밀도, 하수관밀도 및 폐공밀도 등의 영향요인도 배수분구 단위로 입력하였다. 이들을 바탕으로 소유역 별로 영향요인의 분포 및 상관도 분석을 실시하고, 지하수내 질산성질소의 지시기준 초과 예측모형을 작성하였다.
영향요인 분포 및 상관도 분석 결과, 소유역 범위로 지시기준 초과비율 분포와, 지시기준 초과비율과 영향요인간 상관도를 산출할 수 있었다. 그리고, 다중선형회귀분석을 통한 지시기준 초과 예측모형 작성 결과, 배수분구 단위별 지시기준 초과비율의 발생 가능성을 공간적 분포로 산출할 수 있었으며, 평균 이상의 지시기준 초과비율이 발생 정도를 83.4% 가량 예측할 수 있었다. 또한, 2001년도 자료를 바탕으로 예측모형에 대하여 통계적으로 유의함을 검증하였다.
Part I 에서 도출된 분석 결과는 서울시 전역 범위의 지하수관리에 적당한 것이므로, 소유역 범위의 지하수 관리를 위해서는 보다 상세한 분석이 필요하다. 이에 따라, Part Ⅱ에서는 지시기준 초과비율이 높고, 경작지와 도시지역이 두루 나타나는 성내천 유역에 대하여 관정단위별로 계절, 토지이용, 관정심도, 하수관거리, 불투수율, 녹지율 등 영향요인과 질산성질소 분포에 관하여 분석하였다.
성내천 유역 관측정의 수위와 강수량을 분석한 결과를 바탕으로 3월부터 5월까지를 건기로, 6월부터 9월까지를 우기로 구분하였다. 두 그룹간의 질산성질소 농도 분포의 차이는 계절에 따라 통계적으로 유의하게 나타나지 않았다. 이는 도시의 복잡한 지하수 이용과 표면피복에 의한 강우 영향의 교란 가능성을 지시한다.
성내천 유역 토지이용을 도시, 녹지, 경작지, 기타(하천, 나지, 조사불능지 등을 포함한다)로 구분하여 질산성질소 농도 분포를 분석 결과, 도시 지역과 경작지, 녹지와 경작지 등의 분포 차이는 통계적으로 유의하게 나타났으나, 도시 지역과 녹지, 도시 지역과 기타 지역간에서는 분포의 차이가 통계적으로 유의하게 나타나지 않았다. 도시 지역에는 하수관이, 경작지에서는 비료의 영향이 뚜렷하여 질산성질소 오염양상이 구분될 수 있으나, 녹지 및 기타 지역은 도시지역에 포함되거나 인접하고 있어, 도시 지역의 질산성질소 농도 분포와 유사하게 나타난 것으로 추정된다.
관정심도에 따라서는, 질산성질소 분포가 전체적으로 일정한 경향을 보이지 않았으나, 도시 지역 관정들과 점토·실트층 하부 대수층 관정들에서 관정심도의 증가에 따라서 질산성질소 농도가 감소하는 경향을 보였다. 이는 도시지역 천부의 오염, 점토·실트층의 낮은 투수성에 의한 오염물질 확산방지 특성 및 점토·실트층에 포함된 유기물에 의한 탈질 가능성을 지시한다. 따라서 지하수 개발 시에 지질매체의 특성을 정확히 기록하고 규명하면 자연적인 오염방지 기능을 확보할 수 있을 것이다.
하수관에 의한 영향을 분석한 결과, 관정에서 하수관까지의 거리가 60∼75m 정도 되는 지점까지는 거리의 증가에 따라 질산성질소 농도가 감소하지만, 그 이후에서는 거리의 증가에 따라 질산성질소 농도가 증가하는 양상을 보였다. 이는 도시 지역 지하수의 주 오염원이 하수관으로부터 누출된 오폐수임을 지시한다. 지표면이 포장된 도시화 지역에서는 하수관을 포함한 지하구조물에 대해 철저한 관리와 정기적인 관측이 필요하다고 할 수 있다.
도시지역에서는 지표 불투수율, 관정심도 및 하수관 거리 등과 역의 상관관계를 나타낸 것으로 보아, 지표로부터의 오염물질 유입으로 인하여 질산성질소 농도가 높아질 수 있다는 것을 지시한다고 볼 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The objective of this study is to analyze the influential factors on spatial distribution of NO_(3)-N in groundwater using GIS. This study consists of two parts. Part I is to analyze the influential factors on nitrate in groundwater in the whole basin of Seoul by the sewage management unit(abbreviated as SMU). In the Part II, the influential factors on nitrate were analyzed for the watershed of Seongnae in Seoul basin by the individual well unit.
In part I, a total of 6905 data for NO_(3)-N concentration in groundwater for the year of 2000 were used to predict the ratio of wells with high nitrate levels(abbreviated as WHNL) for each SMU. In the WHNL, high nitrate level was defined in this study as NO_(3)-N concentrations of greater than 3 mg/l, which indicates inputs of nitrate source materials from surface and possible anthropogenic sources. The possible influential factors, including land-use, distance to the sewage line, depths of wells and weathered zones, groundwater pumpage of the SMU and from subway stations, population density, restaurant density, and abandoned well density, were constructed to the data linked to SMU.
For the Seoul basin, the distribution of WHNL values was analyzed by the SMU and the predictive model was developed using statistical approaches with previously constructed spatial data-sets in GIS. The model could reproduce the WHNL distribution of the Seoul basin by the SMU in the accuracy of 83.4%.
In the Part II, a local watershed of Seongnae was analyzed by the individual well unit. The relations between the distribution of NO_(3)-N in groundwater and the influential factors were analyzed including season, land-use, depth of wells, distance to sewage lines, the ratio of impervious surface, and the ratio of green area.
Seasonal variation was tested for dry and wet seasons, and appeared to be insignificant in nitrate distribution in the watershed. The land-use types were classified into urban, forest, crop field and others(including river, denuded area, and inaccessible area). The distribution of NO_(3)-N in the land-use types shows differences between urban and crop field possibly due to the sewage networks in urban areas and the agro-chemical uses in crop field.
The depth of wells had no significant correlations with the distribution of NO_(3)-N in groundwater. However, the nitrate distribution in the wells in urban area and under silt or clay beds showed reducing trends with depth of wells, probably resulting from the low permeability of and/or denitrification by organic matters contained in those beds. This kind of natural barriers of nitrate in groundwater could be identified with thorough and detailed survey of local hydrogeology.
The distribution of nitrate in groundwater showed the reducing trends with the distance to the sewage lines to the class of 60-75m, and over the class, showed the increasing trends. In addition, the distance of sewage lines showed negative correlations with the nitrate distribution in urban areas. This indicates that the nitrate contamination was induced from the sewage system and specially significant in urban areas. Therefore, the periodic monitoring and firm management of underground facilities including sewage is significant to prevent groundwater contamination by nitrate.
The negative correlation of depth of wells and the ratio of impervious surface to the distribution of NO_(3)-N showed in urban areas, indicating that the sources materials of nitrate are probably introduced from the surface.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = I
• 국문요약 = IX
• 서언 = 1
• Part I. 배수분구 단위 영향요인 분석을 통한 지하수내 질산성질소의 예측 = 5
• 1. 서론 = 7
• 2. 대상지역 및 연구방법 = 9
• 3. 서울시 지하수 수질 영향요인 검토 및 GIS 데이터 구축 = 21
• 4. 요인별 지시기준 초과 현황 = 35
• 5. 지하수 오염과 지하수 특성간 상관도 분석 = 47
• 6. 지하수 오염과 지하수 특성간 회귀 분석 = 63
• 7. 소유역별 오염특성 평가 및 예측 = 69
• 8. 결론 = 75
• 참고문헌 = 77
• Part II. 성내천 유역 지하수의 관정단위 질산성질소 오염 영향인자 분석 = 79
• 1. 서론 = 81
• 2. 대상지역 및 연구방법 = 83
• 3. 지하수내 질산성질소 분포에 대한 계절 영향 분석 = 97
• 4. 지하수내 질산성질소 분포에 대한 토지이용의 영향 = 105
• 5. 지하수내 따른 질산성질소 분포에 대한 관정심도의 영향 = 107
• 6. 하수관 거리와의 상관성 = 113
• 7. 요약 = 123
• 8. 결론 = 127
• 참고문헌 = 129
• Part III. 종합결론 및 향후 연구계획 = 131
• 1. 종합결론 = 133
• 2. 향후 연구과제 = 134
• Abstract = 135
• Appendices = 137
• Appendix 1. WHNL 값과 토지이용간의 Spearman's rho test 결과 = 139
• Appendix 2. 주성분 부하량(Principal component loading) = 143
• Appendix 3. NO_(3)-N과 토지이용간 Mann-Whitney's U test 결과 = 147
• Appendix 4. 성내천 유역의 시추자료 = 149
• Appendix 5. 하수관거리, 불투수율, 녹지율과 NO_(3)-N 농도의 기술통계량 = 165