1. 서 론

지하수를 끌어올려 이용하기 위해서는 대수층의 발달 상태에 따라 수십~수백 미터 깊이까지 지층을 뚫고 관정을 설치해야 한다. 그러나, 자연 상태의 지층을 인위적으로 뚫고 관정을 설치하는 과정에서 부적절하게 시공이 되었을 경우, 지표의 오염물질이 강우 등에 섞여 관정 속으로 유입되거나, 비포화대로 침투한 물이 관정으로 유입되어 지하수를 오염시킬 우려가 있다. 따라서, 우리나라를 비롯한 세계 여러 나라에서는 지하수 관정의 적절한 시공을 통해 지하수가 오염되거나, 폐공이 발생하지 않도록 하기 위해 지하수 관정 시설기준을 제정해 시행하고 있다.

특히, 관정 굴착 공벽과 케이싱 사이 공간(annular space; 환상공간)을 통해 오염물질이 관정 속으로 유입되는 것을 차단하기 위해 환상공간에 불투수성 물질을 투입하는 그라우팅을 하도록 요구하고 있다. 우리나라 ｢지하수법 시행규칙｣제12조 제5항의 지하수개발·이용시설의 표준도에서는 케이싱(지표 하부보호벽)의 하단부는 지표면 아래 3 m 이상 깊이와 5 cm 이상의 두께를 확보하고, 차수용 재료로 그라우팅을 하도록 정하고 있다. 또한, 제주특별자치도는 지표면에서 50 m 깊이까지 최소 14 cm 이상의 환상공간이 확보될 수 있도록 케이싱 파이프보다 넓은 구경으로 굴착한 후, 채움 그라우팅을 하도록 ｢제주특별자치도 지하수 관리 조례 시행규칙｣에 정하고 있다. 제주도와 같이 다공질 화산암류 이루어진 미국 하와이주의 경우, 대수층 상단에서 지표면까지 수직거리의 70% 구간 혹은 152 m (500 feet) 구간을 최소 3.8 cm (1.5 inch) 이상 두께로 그라우팅 시공을 하도록 요구하고 있다(CWRM, 2004).

｢지하수법 시행규칙｣제28조의 관정 오염방지를 위한 그라우팅에 관한 기준이 제정된 이후, 다양한 그라우팅 시공 기술이 현장에 적용되어 오염물질 유입 차단 및 수질개선 효과가 보고되었다(Cho et al., 2003; Cho and Choi, 2009; Lee et al., 2010; Choo et al., 2013). 이에 반해 채굴 광산에서 지반 강화를 위해 지하에 설치된 그라우팅 영역에서 2가철(Fe²⁺)이 누출되어 지하수를 오염시킬 수 있음이 중국에서 보고됐다(Ding et al., 2023). 또한, 보통 포틀랜드 시멘트를 주재료로 사용하는 각종 교반공법 또는 고압분사주입의 경우, 발암물질인 6가크롬(Cr⁶⁺) 등의 유해물질이 발생하여 지반을 오염시킬 수 있다(Nam and Lee, 2022). 그러나, 국내에서 관정 오염방지를 위한 환상공간 그라우팅으로 인하여 지하수의 수질이 오염되거나, 이상 현상이 발생했다는 보고는 지금까지 없다.

한편, 2018~2020년까지 제주도 서부 한경-대정수역에 설치된 관정 중 10개 관정 지하수에서 특이한 수질을 나타냈다. 전기전도도(이하 EC)와 수소이온농도(이하 pH)가 주변 관정 지하수보다 훨씬 높은 값을 나타냈다. 본 연구는 이상 수질 현상을 나타낸 관정을 대상으로 EC 및 영상 검층, 음·양이온 이온 분석, 지하수 내 부유물질에 대한 SEM-EDS 분석 등을 통하여 이상치 발생 원인을 해석하고, 재발 방지를 위한 제도 개선 방향을 제시하였다.

2. 연구대상 관정의 시공 구조

이상수질이 관측된 지하수 관정[이하 ABW (abnormal water quality well) 그룹]은 제주도 서부 한경-대정수역 해발 60~112 m에 위치한 10개 관정으로서(Fig. 1, Table 1), 1개 지점에 굴착 심도를 달리하여 2공씩 2018~2020년 사이에 5개 지점에 개발되었다. 굴착 심도는 지표 하 70~150 m 범위이고, 굴착 구경은 200~350 mm이다.

Fig. 1.

Location map of the studied groundwater wells (ABW: abnormal water quality well, NBW: nearby water quality well) in the Hankyung-Daejeong watershed, Jeju Island

준공 보고서(JRI, 2018; JC, 2019; KRC, 2019, 2020)에 의하면, 회수된 시추코어는 전반적으로 용암류가 지배적이며 용암류 중간에 수~수십 m의 파쇄대(절리, 클링커)가 발달해 있다(Fig. 2). 또한, 고토양층이 1~6 m의 두께로 불규칙하게 협재되어 있고, CS1-1 및 2, KN1-2 관정에서는 하부구간에 퇴적층이 최대 40 m의 두께로 발달되어 있음이 확인된다. 관정 시공은 350 mm 구경으로 50~100 m를 굴착한 후, 시멘트 몰탈로 채움 그라우팅을 실시하고, 일정 시간 지난 다음 200 mm 구경으로 그라우팅 구간을 재굴착하였다. 즉, 굴착벽과 외부 케이싱 파이프 사이 75 mm의 환상공간이 그라우팅 시공되었다. 그라우팅이 끝난 지점부터 공저까지는 200 mm 구경의 스크린이 설치되었다. ABW 그룹 관정 중 6공(CS1-1 및 2, CS2-2, KN1-1 및 2, WR1-2)은 지하수위 하 7~40 m 구간까지 그라우팅이 이루어졌고(Fig. 2), 나머지 관정은 지하수위 상부 비포화대 구간까지 시공되었다. 그러나, CS1-2 관정의 경우, 그라우팅이 이루어진 구간(약 30 m)에 스크린이 설치되어 있다.

Fig. 2.

Construction structure and geologic information of the studied groundwater wells, along with the vertical variation in groundwater electrical conductivity (EC)

3. 연구방법

지하수 수질분석은 이상수질 현상이 나타난 관정(ABW 그룹)을 대상으로 2021년 8월에 실시하였다. 미국 Mount Sopris사의 채수기를 사용해 수직적인 수질 교란을 최소화하기 위해 저속(2 m/min 내외)으로 채수기를 관정 하부(심도 76~149 m; Table 2)까지 내린 후 지하수를 채수하였다. 지하수 채수 현장에서 현장 수질 측정장비(미국 Thermo Scientific사의 Orion Star A329)를 이용하여 EC, 수온, pH를 측정하였다. 채수된 지하수는 0.45 µm 멤브레인 필터로 여과한 후, 양이온 시료에는 이온의 흡착 및 침전을 방지하기 위하여 0.1N HNO₃를 첨가하였다. 지하수의 대표적인 용존 성분인 주요 음·양이온(Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃^-, Cl^-, NO₃-N, SO₄^2-)은 제주특별자치도 보건환경연구원에서 분석하였다. Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Cl^-, NO₃-N, SO₄^2- 성분은 이온크로마토그래피(940 professional IC Vario, Metrohm, Switzerland)를 이용하였으며, HCO₃^-는 0.01N-HCl 적정법으로 분석하였다. 아울러 ABW 그룹의 CS2-2 관정에서 채수된 백색 부유물은 제주특별자치도개발공사에서 SEM-EDS (Scanning Electron Microscope/Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy)로 화학조성을 분석하였다. SEM-EDS는 시료 표면에 전자빔을 주사하여 방출되는 X-ray Spectrum을 토대로 시료의 화학조성을 분석하는 장비로서, 일본(SEM, JEOL사의 JSM-6510LV)과 영국(EDS, OXFORD INSTRUMENTS사의 Ultra Max 40)에서 제조된 장비를 사용하였다. 분석대상 시료는 건조 후 표면을 금으로 코팅하여 전도성을 띄도록 전처리하였다.분석은 결과의 객관성을 확보하기 위해 시료의 세 지점을 대상으로 이루어졌다. 또한 관정 상태와 지하수의 수직적 수질 변화를 파악하기 위해 영상 및 EC 검층을 미국 Mount Sopris사의 MSI-360 디지털 카메라와 QL40-FTC 존대(zonde)를 이용하여 실시하였다.

한편, 제주지하수연구센터에서 2021년 8월 실시한 제주도 지하수 관측망 일제 수질조사 자료(JGRC, 2022)를 이용하여 ABW 그룹 인근 한경유역에 위치한 6개소의 지하수 관정을 인근 지하수 수질 그룹[이하 NBW (nearby water quality well) 그룹; SD, YS, GS1-1, GS1-2, GA, HJ; Fig. 1]으로 선정하고, 연구대상 관정 지하수의 수질과 비교 해석하는데 활용하였다.

4. 결 과

4.1 관정 내부 상태 및 EC 수직 검층

연구대상 관정의 내부 상태를 파악하기 위해 실시한 영상 검층 결과, 대부분의 관정에서 지하수 내 백색의 부유물이 확인되었고(Fig. 3(a)), 특히 WR1-1 관정은 공저에서 상부로 약 14 m 구간(해발고도 1~15 m)에 백색의 미확인 물질이 침전되어 있다(Fig. 3(b)). 해당 침전물은 공내 지하수 부유물과 같은 색을 띠는 것으로 보아 동일 물질로 추정된다.

Fig. 3.

Images showing (a) white-colored suspended particles (CS2-1) and (b) white-colored sediments accumulating (WR1-1) in the groundwater wells

한편 EC 수직검층 결과, EC 범위는 300~10,000 µS/cm 값을 나타냈다(Fig. 2). EC 값이 1,000 µS/cm 이상으로 높게 나타나는 관정은 총 6개소(CS2-1 및 2, JJ1-1, KN1-1 및 2, WR1-1)로, 관정 심도가 깊어짐에 따라 EC가 변화하는 양상은 크게 세 가지 유형으로 나타난다: (1) 점진적 증가(CS2-1, KN1-1, WR1-1), (2) 급격한 증가(JJ1-1), (3) 전 구간에서 높은 값 유지(KN1-2). CS2-2 관정의 경우 그라우팅 완료 지점에서 EC가 급격하게 증가한 후 공저로 내려가면서 점차 감소하는 경향을 보였다. 그 외 관정에서는 대체로 심도에 따른 EC 변화 폭이 크지 않고 전 구간에 걸쳐 EC가 비교적 일정하게 유지되는 모습이 관찰된다.

4.2 지하수 수질특성 및 부유물질 화학조성

이상수질을 나타낸 ABW 그룹의 지하수는 수온 14.7~16.0°C, pH 8.2~12.7, EC 145~8,723 µS/cm의 범위를 나타냈고(Table 2), 인근에 위치한 NBW 그룹 지하수는 수온 15.2~17.1°C, pH 6.7~7.9, EC 281~960 µS/cm의 범위를 보여, ABW 그룹 지하수의 pH와 EC는 NBW 그룹의 측정 범위를 상회한다. 특히, ABW 그룹 CS2-1, KN1-1, WR1-1 관정에서의 EC는 1,000 µS/cm 이상이었으며, WR1-1은 8,723 µS/cm로 연구대상 관정 중 최고치를 나타냈다.

주요 음·양이온 분석결과, ABW 그룹 지하수는 HCO₃^-: 48.40~2530.00 mg/L, Cl^-: 10.30~41.53 mg/L, SO₄^2-: 3.47~119.11 mg/L, NO₃-N: 0.26~24.43 mg/L, Mg²⁺: ND (불검출)~8.30 mg/L, Ca²⁺: 7.07~568.58 mg/L, Na⁺: 14.57~156.97 mg/L, K⁺: 4.90~344.91 mg/L의 범위를 보이며(Table 3), NBW 그룹 지하수는 HCO₃^-: 39.60~61.00 mg/L, Cl^-: 14.83~207.90 mg/L, SO₄^2-: 8.44~45.36 mg/L, NO₃-N: 7.24~26.77 mg/L, Mg²⁺: 12.40~37.40 mg/L, Ca²⁺: 13.07~36.60 mg/L, Na⁺: 14.54~114.48 mg/L, K⁺: 3.42~8.80 mg/L의 범위를 나타냈다. ABW 그룹 지하수는 HCO₃^-, SO₄^2-, Ca²⁺, K⁺ 이온의 농도가 NBW 그룹보다 높게 나타나며, Mg²⁺이온의 경우에는 낮은 농도 범위를 갖는 특징을 보인다.

지하수 수질 성분간의 관계를 파악하고자 ABW 및 NBW 그룹 관정의 수질자료를 이용하여 EC와 이온성분의 농도를 비교하였다(Fig. 4). 지하수의 용존이온 함량을 지시하는 EC는 NBW 그룹에서는 EC 증가와 무관하게 6.7~7.9의 일반적 지하수의 pH 범위(Fig. 4(a), Table 2)를 보이나, ABW 그룹에서는 EC와 pH 사이에 선형관계가 나타나 지하수 용존이온의 증가가 pH 상승과 연관됨을 알 수 있다. 자연환경에서 지하수의 pH 증가는 물-암석 반응에 의해 지하수 내 용존이온 함량 증가와 함께 동반되며(Appelo and Postma, 1994), 자연적 물-암석 반응을 대표하는 HCO₃^- 성분 또한 함께 증가하는 양상(Koh et al., 2009)을 나타난다. pH와 유사하게, EC 값이 증가함에도 불구하고 일정한 범위의 HCO₃^- 농도를 갖는 NBW 그룹(Fig. 4(b))과는 다르게 ABW 그룹의 HCO₃^-는 EC와 선형적 증가 관계를 나타내 자연적 물-암석 반응 외에 다른 기작이 작용하고 있는 것으로 추정된다.

Fig. 4.

Binary plot of groundwater quality parameters verses EC: (a) pH, (b) HCO^3-, (c) NO₃-N, (d) Cl^-, (e) Mg²⁺, (f) Ca²⁺ (ABW: abnormal water quality well, NBW: nearby water quality well). A trend line in ABW group is added for a relation having a statistically significance of p<0.05

NBW 그룹은 해안변에 위치한 HJ 관정을 제외하고 NO₃-N와 EC 간의 선형적 수치 증가가 뚜렷하지만(Fig. 4(c)), ABW 그룹의 CS2-1, KN1-1, WR1-1 관정에서는 높은 EC 값 대비 낮은 NO₃-N 농도를 보인다. 제주도 지하수에서 1,000 µS/cm 이상의 EC 값은 해수 영향을 받은 염지하수에서 주로 관측된다(Ko et al., 2005). NBW 그룹에서는 EC 값이 증가함에 따라 지하수의 Cl^- 농도도 증가하는 양상을 보이며, 해안에 가깝게 위치한 HJ 관정에서 최고치의 EC (960 µS/cm)와 Cl^-(207.90 mg/L) 농도를 나타낸다(Fig. 4(d), Table 3). ABW 그룹에서도 EC와 Cl^- 간의 선형적 증가 경향을 보이기는 하지만, 높은 EC 값(1,321~8,723 µS/cm)에 비해서 낮은 Cl^- 농도(25.70~41.53 mg/L) 범위을 보인다.

지하수의 주요 양이온 중 Mg²⁺은 암석 내 광물(감람석, 흑운모, 방해석 등)의 용해, 화학비료, 해수 등에 의해 지하수에 공급된다(Appelo and Postma, 1994). EC와 Mg²⁺ 농도 변화를 보면(Fig. 4(e)), NBW 그룹에서 EC와 Mg²⁺ 농도의 선형적 증가가 뚜렷하게 나타나는 반면, ABW 그룹에서는 이와 반대의 경향을 보인다. 즉, Mg²⁺는 EC가 낮아짐에 따라 높은 값이 관측되는데 특히, EC가 500 µS/cm를 초과하는 관정(CS2-1 및 2, JJ1-1, KN1-1, WR1-1)에서 1.5 mg/L 이하의 매우 낮은 Mg²⁺ 농도를 보인다. Ca²⁺는 ABW 및 NBW 두 그룹에서 모두 EC가 높아짐에 따라 농도가 증가하는 양상이 관찰(Fig. 4(f))되며 앞서 매우 낮은 Mg²⁺ 농도를 보이며 300 mg/L 이상의 HCO₃^- 이온 함량을 보이는 ABW 그룹의 관정(CS2-1, JJ1-1, KN1-1)에서 NBW 그룹보다 높은 Ca²⁺ 농도(>100 mg/L)가 검출되는 특징을 보인다.

파이퍼 다이어그램 도시 결과(Fig. 5), NBW 그룹 대부분의 관정은 질산성질소 오염 영향이 나타나는 지하수 수질 유형인 Mg-Cl+NO₃형에 속한다. NBW의 HJ 관정의 경우 높은 Na⁺ 및 Cl^-, NO₃-N 농도를 보여 해수 혼합과 함께 질소 오염원의 영향이 복합적으로 나타나는 Na-Cl+NO₃형의 수질 유형을 보인다. ABW 그룹 중에서 10 mg/L 이상의 높은 NO₃-N 농도를 갖는 JJ1-1, CS1-1, 및 CS1-2 관정은 음이온의 경우 앞선 NBW의 질산성질소 오염이 나타나는 관정과 유사한 위치에 도시되나 양이온은 해당 관정보다 낮은 Mg 함량비를 보여 (Na, Ca)-Cl+NO₃ 수질 유형에 속한다. 1,000 µS/cm 이상의 EC 값을 보인 CS2-1, KN1-1, WR1-1 관정은 Ca-HCO₃형의 수질 유형을 나타내 해수 영향이 나타나는 NBW 그룹의 HJ 관정과는 다른 수질 유형을 보인다.

Fig. 5.

Piper diagram of groundwater samples (ABW: abnormal water quality well, NBW: nearby water quality well)

한편, CS2-1 관정에서 채수된 지하수 시료 내 존재하는 백색 부유물에 대한 SEM-EDS 분석결과(Fig. 6, Table 4), 구성 원소의 평균 체적비는 탄소 5.7 wt%, 산소 53.7 wt%, 마그네슘 27.9 wt%, 알루미늄 2.0 wt%, 규소 9.2 wt%, 칼슘 1.4 wt%로서, 산소와 마그네슘이 주 구성원소로 나타났다.

Fig. 6.

(a) White-colored suspended particles in groundwater sampled at the CS2-2 well, (b) SEM photograph, and (c) spectrum of SEM-EDS analysis

4. 토 의

4.1 지하수 수질 이상치 발생 원인

연구지역인 한경-대정유역은 1980년대부터 농업활동이 활발하게 이루어지고 있으며, 과다한 화학비료의 사용으로 인해 지하수의 질산성질소 오염 발생이 보고되었다(Koh et al., 2005; Koh et al., 2012). 또한, 한경-대정유역 해안변에 위치한 지하수 관정에서는 해수침투에 의한 영향이 관측되고 있다(Woo et al., 2001). 제주도에서 질소 오염원 및 해수침투의 영향을 받은 경우, 지하수 내 용존이온 함량이 증가하여 배경수질 값(140 µs/cm; Jejudo, 2001)을 초과하는 EC가 관측되므로 ABW 그룹에서 질산성질소 오염 및 해수침투로 인한 이상 수질 발생 가능성을 우선 평가하고자 한다.

연구지역의 지하수 수질분석 결과, ABW 그룹의 일부 관정(WR1-1, WR1-2, KN1-2)을 제외하고 자연기원의 NO₃-N 농도 상한치인 3 mg/L (Babiker et al., 2004)를 초과하는 높은 NO₃-N 농도 범위(ABW 그룹: 3.39~24.43 mg/L, NBW 그룹: 7.24~26.77 mg/L; Table 3)가 나타났다. 두 관정 그룹의 주요 토지이용이 농경지(Table 2)인 점 또한 고려할 때, ABW 및 NBW 그룹의 지하수에서 화학비료에 의한 질산성질소 오염이 발생하였다. 제주도 지하수에서 농업활동에 의한 수질 영향이 나타나는 경우, EC와 함께 화학비료에서 기인한 성분인 NO₃-N, Cl^-, Ca²⁺, Mg²⁺ 농도가 동반 증가하는 경향을 보인다(Choung et al., 2004; Koh et al., 2007). NBW 그룹에서는 EC와 NO₃-N, Cl^-, Mg²⁺, 및 Ca²⁺ 농도가 선형적으로 증가하는 경향이 나타나는 반면, ABW 그룹에서는 EC와 이온들의 선형적 관계가 관찰되지 않는다(Fig. 4). 특히, ABW 그룹에서 1,000 µs/cm 이상의 고EC 값을 갖는 관정(CS2-1, KN1-1, WR1-1)은 저EC 값을 갖는 관정에 비해 낮은 NO₃-N 농도를 보인다(Fig. 4(c)). 또한 Cl^-의 경우, ABW 그룹에서 해수침투 영향을 받은 NBW 그룹의 HJ 관정에 비하여 낮은 Cl^- 농도가 나타나는 점(Fig. 4(d))과 더불어 ABW 관정은 해안선으로부터 최소 6 km 떨어진 준기저지하수(해수와의 혼합이 나타나지 않는 지하수) 부존지역에 위치하는 점으로 보아 해수침투에 의한 지하수 수질 영향은 없는 것으로 판단된다. 이를 종합하여 보면, 한경-대정유역의 이상 수질 현상은 질소 오염원이나 해수의 영향에 의해 유발된 것이 아니라, 다른 원인으로부터 비롯되었을 가능성을 시사한다.

연구대상 관정의 지하수는 EC, pH, 주요 음양이온 성분 값에서 매우 특이한 수질 특성을 나타내며, 특히 pH가 8.2~12.7(평균 10.3)로 강한 염기성을 나타냈다. 이는 제주도 지하수의 일반적 범위(pH: 6.9~8.7; Koh et al., 2009)를 초과하는 매우 이례적인 현상이다. 지하수에서 pH가 10 이상으로 강염기의 성질을 띠는 경우는 고염의 증발호수, 석탄재와의 반응, 시멘트 성분의 용해를 꼽을 수 있다(Roadcap et al., 2005). 이 중 제주도의 환경에 가장 적합한 요인은 시멘트 성분의 용해로서, 지하수 관정 개발 당시 오염물질의 공내 유입을 차단하기 위해 시공된 그라우팅이 이에 해당된다. 시멘트의 주요 성분인 산화칼슘(CaO)은 물(지하수)과 반응하여 수산화칼슘(Ca(OH)₂)을 생성하고(Eq. (1)), 이 화학적 반응 과정에서 물은 pH 12 정도의 강염기성으로 변하게 된다. 이후 Ca(OH)₂는 물에 용해되어 Ca²⁺와 OH^- 이온으로 해리되고(Eq. (2)), 지하수 내의 OH^-는 Mg와 결합하여 수산화마그네슘(Mg(OH)₂; Eq. (3)) 침전물을 형성한다(Brobst and Buszka, 1986; Gascoyne, 2002; Nilsson and Sandberg, 2017). Mg(OH)₂ 침전물이 형성되면, 높은 EC 값과 Mg²⁺ 농도 결핍 현상을 나타내는데, 이 같은 수질 특징은 연구대상 관정(WR1-1, KN1-1, CS2-1; Mg²⁺ 농도: ND(불검출)~1.49 mg/L; Table 3)에서 확인되며, CS2-2 관정에서 채취된 백색 부유물질이 높은 산소와 마그네슘 체적비와도 일치한다.

연구대상 관정은 지표 및 비포화대를 통한 오염물질 유입을 차단하기 위해 시멘트 몰탈 그라우팅 시공이 이루어졌다. 특히, 6개 관정(CS1-1 및 2, CS2-2, KN1-1 및 2, WR1-2)은 지하수면 하부 7~40 m까지 그라우팅되었다. 오염방지 그라우팅 시공 과정에서 누출된 시멘트 성분이 관정 내부로 유입된 결과, 연구대상 관정 지하수가 높은 pH 값과 수질 이상 현상을 나타내는 것으로 해석된다.

이처럼 외부 요인이 아닌 지하수 관정 설치 과정에서 사용한 물질이 포화대로 유입되어 원상태와는 다른 지하수 수질이 유발되는 것을 ‘설치과정 상의 외상(installation trauma)’이라 부르며, 굴착 이수나 그라우팅 물질의 용해와 유입이 주요인으로 알려져 있다(Walker, 1983; Brobst and Buszka, 1986). 특히, 그라우팅 재료 물질과 용해 반응이 일어난 지하수에서 매우 높은 pH (> 10) 값과 함께 자연적인 물-암석 반응으로는 설명하기 어려운 고농도의 이온 분포가 해외에서 보고된 바 있다(Gascoyne, 2002; Nilsson and Sandberg, 2017; Dvory and Tsafrir, 2024).

4.2 연구 결과 시사점

본 연구에서 지하수 관정 오염방지 그라우팅 시공으로부터 유발된 지하수 수질 이상 현상을 국내 최초로 보고한다. ｢지하수법 시행규칙｣제28조의 지하수오염방지시설의 세부 설치기준이 마련·시행된 이후, 오염방지 그라우팅 공법에 대한 다양한 기술이 개발되고 현장 적용 연구를 통해 수질 개선 효과가 보고되었다(Cho et al., 2003; Cho and Choi, 2009; Lee et al., 2010; Choo et al., 2013). 그러나, 국외와는 달리 오염방지 그라우팅 시공이 지하수의 수질 변화 또는 오염을 유발할 수 있음은 국내에서 보고되지 않았다. 지하수 수질 오염에 관한 연구가 특정 점오염원이나 비점오염원, 혹은 해수침투 등에 집중된 반해 지반보강이나 차수 목적의 그라우팅 시공 영향에 관한 연구는 상대적으로 부족한 실정이다. 특히, 수중 토목공사나 포화대 그라우팅에 사용되는 수중불분리 그라우트재가 지하수 수질에 미치는 영향에 대한 보다 체계적인 연구가 필요함을 강조한다.

한편, 현행｢지하수법 시행규칙｣제28조 상의 지하수오염방지시설의 세부 설치기준은 ‘지하수 개발·이용시설기준’으로 개정될 필요가 있다. 현행 오염방지시설 세부 기준은 포괄적·개략적으로 규정하고 있을 뿐 아니라, 지하수 개발·이용시설의 표준도(표준형 가형~라형)만 제시되어 있다. 따라서, 지하수 관정의 개발 위치, 굴착심도, 관정의 공곡 유지, 케이싱 파이프 및 스크린 규격과 재질, 지표면 오염방지 콘크리트 패드의 규격, 환상공간 그라우팅 두께·심도·재료·시공방법, 관정소독, 대수성 시험, 수질검사, 지질주상도 작성, 펌프(수중 또는 육상) 및 양수시설의 설치, 폐공의 원상복구, 준공보고서 작성 등 지하수 관정의 개발 및 폐공처리 전 과정에 대한 기술적 사항을 포함한 ‘지하수 개발·이용시설기준’ 제정이 필요하며, 더불어 시설기준의 이행 여부에 대한 지도 감독 또한 요구된다.

5. 결 론

제주도 서부 한경-대정수역에 설치된 관정 중 특이한 지하수 수질을 나타낸 10개 관정에 대한 영상 및 EC 수직 검층, 음·양이온 이온 분석, 지하수 내 백색 부유물에 대한 SEM-EDS 분석으로부터 얻어진 자료를 해석한 결과는 다음과 같다.

1)연구대상 관정의 지하수는 EC, pH, 주요 음·양이온 농도가 인근 지하수 관정보다 높은 값을 나타내며, 인근 지하수 관정 그룹의 이온 성분 간의 상관관계에서 이탈되거나, 반대의 현상을 나타냈다. 이 같은 수질특성은 연구대상 관정의 이상 수질 현상이 질소 오염원이나 해수의 영향에 의해 유발된 것이 아니라, 다른 원인으로부터 비롯되었을 가능성을 시사한다.

2)연구대상 관정 지하수의 pH는 제주도 지하수의 일반적 범위(pH: 6.9~8.7)를 초과한 8.2~12.7(평균: 10.3) 범위의 강한 염기성을 나타냈으며, CS2-2 관정에서 채취한 백색 부유물은 SEM-EDS 분석 결과, 산소와 마그네슘 성분의 높은 체적비가 확인되었다.

3)지하수 관정 그라우팅에 사용된 시멘트의 주요 성분인 생석회(CaO)와 물(지하수)과의 화학반응 과정에서 지하수의 EC가 높아지고, pH가 강염기성을 띠는 것으로 해석되었다.

4)연구대상 관정 지하수의 이상 수질 현상은 비포화대 및 포화대 구간에 대한 채움그라우팅에 사용된 시멘트 몰탈에 기인한 것임을 국내 최초로 보고한다.

5)지하수 관정 개발 과정에서 이루어지는 오염방지 그라우팅이 수질에 영향을 미치지 않도록 하기 위해서는 현행 ｢지하수법 시행규칙｣제28조 상의 지하수오염방지시설의 세부 설치기준을 ‘지하수 개발·이용시설기준’으로 개정이 필요하다.

6)본 연구결과를 통해서 오염방지 그라우팅에 의한 지하수 수질 이상현상이 발생하지 않도록 관정 시공과정에서 관심과 주의를 가질 것으로 기대된다.