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제1장 지하수 개론 18
1. 지하수와 지하수면 19
2. 대수층 20
2.1. 대수층, 반대수층, 난대수층 20
2.2. 자유면대수층과 피압대수층 20
2.3. 다공질대수층과 파쇄대수층 22
2.4. 충적대수층과 암반대수층 24
2.5. 공극률 24
2.6. 대수층의 투수성 26
2.7. 대수층의 저류성 27
3. 지하수의 움직임 29
3.1. 수두(head) 29
3.2. Darcy의 법칙 31
3.3. 지하수의 속도 32
3.4. 지하수 유동방정식 32
3.5. 지하수와 지표수 34
4. 우리나라의 물이용과 지하수 35
4.1. 국내 지하수 이용현황 35
4.2. 지하수 관련법 39
4.3. 지하수수질 관련 법률 40
제2장 지하수오염 개론 43
1. 지하수오염 및 오염원 44
1.1. 토지이용별 지하수 잠재 오염원들 44
1.2. 지하수 오염물질별 오염원인 및 독성 45
2. 오염물질의 이동 52
2.1. 확산 및 분산 52
2.2. 이산 54
2.3. 분산-이산 방정식 54
3. 지하수 수질기준 55
3.1. 법체계 55
3.2. 비음용지하수 수질기준 56
3.3. 음용지하수 수질기준 58
4. 국내 지하수 오염 현황 65
4.1. 국내 지하수 수질측정망 운영 65
4.2. 국내 지하수 수질현황 66
제3장 지하수오염 조사 69
1. 지질학적 조사 70
1.1. 지구물리탐사 70
1.2. 시추조사 75
1.3. 토양 및 암석조사 77
2. 오염 현장조사 78
2.1. 오염 기초조사 78
2.2. 지하수위조사 81
2.3. 기존관정 이용 오염 조사 86
2.4. 지하수 관측정 이용 오염조사 87
3. 수리시험 96
3.1. 순간충격시험 96
3.2. 수압 시험 97
3.3. 양수 시험 98
3.4. 추적자 시험 99
4. 시료 채취 및 분석 102
4.1. 지하수 채수 장비 103
4.2. 관정 개량 및 현장 수질 인자 측정 105
4.3. 시료채취 및 전처리 108
4.4. 실내분석 방법 112
5. 오염 및 오염원인 평가 117
5.1. 오염 평가 118
5.2. 지하수 유동 및 오염물질 이동 모사 119
5.3. 오염원인 및 오염경로 평가 119
5.4. 오염원 판별 방법 121
제4장 지하수오염 정화 및 관리 124
1. 오염원(source zone)의 제어 126
1.1. 봉쇄(containment) 126
1.2. 처리(treatment) 133
2. 오염운(plume)에 대한 현장 외(ex-situ) 정화법 134
2.1. 양수처리법의 처리개요 134
2.2. 양수처리법의 디자인 136
2.3. 양수처리법의 제한점 140
3. 오염운(plume)에 대한 원위치(in-situ) 정화법 141
3.1. 생물학적 정화(bioremediation) 141
3.2. 화학적 산화처리(in-situ chemical oxidation) 147
3.3. 화학적 환원처리(in-situ chemical reduction) 152
3.4. 투과성 반응벽(permeable reactive barrier) 156
3.5. 식물복원법(phytoremediation) 164
3.6. 그 외 방법들 167
4. 자연저감 관측기법(monitored natural attenuation) 169
4.1. 개요 169
4.2. 자연저감의 평가 171
5. 정화 방법의 선택 173
6. 비점오염원 관리 및 처리 179
6.1. 개요 179
6.2. 비점오염 저감시설의 요소 181
6.3. 저영향개발 접근방법의 적용사례 183
7. 오염 정화/복원 모니터링 185
7.1. 정화/복원 모니터링 계획 수립과 수행 185
7.2. 모니터링 결과에 의한 정화/복원 판단 189
8. 국내 오염지하수 정화 지침 193
제5장 지하수오염 조사 및 관리사례 197
1. 유기오염물질 198
1.1. TCE/PCE 198
1.2. BTEX 207
2. 질산성 질소 211
2.1. 질산성 질소의 특성 211
2.2. 질산성 질소 오염원 특성 214
2.3. 질산성 질소 오염 조사 사례 218
2.4. 질산성 질소 오염 관리 221
3. 불소 232
3.1. 불소 특성 232
3.2. 불소 산출현황 234
3.3. 불소 오염 관리 236
4. 비소 237
4.1. 비소 오염 지하수의 위해성 및 수질기준 237
4.2. 지하수의 비소 오염 기원 239
4.3. 비소의 지구화학적 특성 및 지하수의 비소 오염 과정 240
4.4. 비소 오염 지하수의 산출현황 243
4.5. 비소 오염 지하수의 관리 246
5. 자연방사성물질 246
5.1. 자연방사성물질 특성 및 수질기준 246
5.2. 자연방사성물질 산출현황 250
5.3. 자연방사성물질 오염 관리 251
[부록] 지하수관련 용어 253
참고문헌 265
판권기 276
표 1-1. 퇴적물과 공극률의 관계 25
표 1-2. 퇴적물과 투수성과의 관계 27
표 1-3. 퇴적물의 종류별 비산출률 28
표 1-4. 대수층 조건별 2차원 지하수 유동방정식 33
표 1-5. 2010년 기준 지하수이용현황 37
표 1-6. 전국 지하수이용 현황 38
표 1-7. 지하수 개발 및 이용 관련 법률 현황 39
표 1-8. 「지하수법」에 따른 지하수이용시설 관리현황(2010년 자료) 40
표 1-9. 지하수 수질 관련 법령 현황 41
표 1-10. 공적용도, 개인용도, 영업용도에 따른 지하수수질 관련 법규 구분 42
표 2-1. 미국 환경보호국(US EPA, 1991)이 토지이용에 따라 분류한 주요 잠재오염원들 45
표 2-2. 무기오염물질(중금속 포함)들의 오염기원 및 위해성 46
표 2-3. 무기오염물질들(기타)의 오염기원 및 위해성 47
표 2-4. 유기오염물질들의 오염기원 및 위해성 49
표 2-5. 각종 물리적 지표들의 기원 및 위해성 51
표 2-6. 비음용 지하수의 법규별 수질기준 57
표 2-7. 미국 EPA(2014)의 먹는물 수질기준 요약 59
표 2-8. 미국 EPA와 우리나라(샘물)의 먹는물 수질기준 비교-소독제 및 소독부산물질 62
표 2-9. 미국 EPA와 우리나라(샘물)의 먹는물 수질기준 비교-미생물 기준 62
표 2-10. 미국 EPA와 우리나라(샘물)의 먹는물 수질기준 비교-심미적 영향물질 63
표 2-11. 미국 EPA와 우리나라(샘물)의 먹는물 수질기준 비교-건강상 유해영향 무기물질 63
표 2-12. 미국 EPA와 우리나라(샘물)의 먹는물 수질기준 비교-방사능에 관한 기준 64
표 2-13. 미국 EPA와 우리나라(샘물)의 먹는물 수질기준 비교-건강상 유해영향 유기물질 64
표 2-14. 연도별 지하수 수질측정망 운영현황 66
표 3-1. 시추조사 굴착방법 75
표 3-2. 잠재오염원(출처: 지하수의 수질보전 등에 관한 업무처리지침(환경부, 2010)) 80
표 3-3. 지하수위 변동을 야기하는 요인(출처: 지하수업무수행지침(국토교통부, 2006)) 86
표 3-4. 지하수오염 관측정의 설치방법 92
표 3-5. 추적자의 종류와 특징 101
표 3-6. 지하수 시료채취 장비(출처: Pohlmann and Hess, 1988) 104
표 3-7. 현장수질 인자 안정기준(출처: 뉴질랜드 환경부, 2006) 106
표 3-8. 현장수질 인자 항목별 특성 107
표 3-9. 지하수 시료 채취 방법 흐름도(출처: Barcelona et al., 1985) 110
표 3-10. 수질분석을 위한 지하수 시료 채취와 보존방법(출처: 환경부 먹는물수질공정시험기준 (2012)) 111
표 3-11. 먹는물, 샘물 및 염지하수 중 금속류의 시험방법(출처: 먹는물수질공정시험기준) 114
표 3-12. 먹는물 중 음이온의 시험방법(출처: 먹는물수질공정시험기준) 115
표 3-13. 먹는물, 샘물 및 염지하수 중 휘발성유기화합물의 시험방법(출처: 먹는물수질공정시험기준) 116
표 4-1. 양수처리법에서의 처리 기술들(출처: US EPA(1997)으로부터 수정) 139
표 4-2. 생분해가 가능한 오염물들과 선호되는 분해 조건(출처: ICSS(2006)로부터 수정) 146
표 4-3. ISCO에서 이용되는 대표적인 산화제의 반응기작(출처: US EPA(2006b)로부터 수정) 150
표 4-4. ISCO에서 이용되는 산화제와 처리 가능한 오염물(출처: US EPA(2006b)로부터 수정) 151
표 4-5. ISCO를 수행하기 위해 필요한 현장 특성 자료(출처: US EPA(2006b)로부터 수정) 152
표 4-6. 무기원소와 잠재적인 현장 침전물(출처: http://clu-in.org/remediation 사이트로부터 수정) 154
표 4-7. 투과성 반응벽을 이용하기에 적합한 현장조건들의 특성(출처: ITRC(2011)로부터 수정) 156
표 4-8. 투과성 반응벽으로 처리 가능한 오염물과 반응매체 예(출처: ITRC(2011)로부터 수정) 163
표 4-9. 오염원 처리에 사용된 방법들(FY 2005-2011)(출처: US EPA(2013)으로부터 수정) 175
표 4-10. 지하수 처리에 사용된 방법들(FY 2005-2011)(출처: US EPA(2013)으로부터 수정) 177
표 5-1. TCE/PCE 저감을 위해 양수처리법을 적용한 해외 관리 사례(출처: US EPA, 2001) 200
표 5-2. TCE/PCE 저감을 위해 원위치 생물학적 정화를 적용한 해외 관리 사례(출처: US EPA, 2000a) 201
표 5-3. TCE/PCE 저감을 위해 ICSO를 적용한 해외 관리 사례(출처: US EPA, 1998) 202
표 5-4. TCE/PCE 저감을 위해 투과성 반응벽을 적용한 해외 관리 사례(출처: http://www.rtdf.org/public/permbarr) 203
표 5-5. TCE/PCE 저감을 위해 식물복원법을 적용한 해외 관리 사례(출처: US EPA, 2000b) 204
표 5-6. TCE/PCE 오염에 대한 국내 조사 사례 205
표 5-7. TCE/PCE 오염에 대한 국내 관리 사례 206
표 5-8. BTEX 저감을 위해 양수처리법을 적용한 해외 관리 사례(출처: US EPA, 2001) 208
표 5-9. BTEX 저감을 위해 원위치 생물학적 정화를 적용한 해외 관리 사례(출처: Cunningham et al., 2001) 209
표 5-10. BTEX 저감을 위해 ISCO를 적용한 해외 관리 사례(출처: US EPA, 1998, ITRC, 2005b) 210
표 5-11. BTEX 저감을 위해 투과성 반응벽을 적용한 해외 관리 사례(출처: http://www.rtdf.org/public/permbarr) 211
표 5-12. 농업활동에서 질소사용효율과 질산성 질소 침출을 감소시키기 위한 관리 방안 225
표 5-13. 두 가지 지하수 질소 부하량 감소 시나리오에 의한 평가 결과 228
표 5-14. 지하수 질산성 질소 오염 대처 방안의 기대효과 231
표 5-15. 각국의 자연방사성물질 기준 및 권고치 249
그림 1-1. 포화대(saturated zone), 불포화대(unsaturated zone), 지하수면(water table), 모관수대(capillary zone)에 대한 모식도(출처: Alley et al. (1999)와 Musy (2001)의 자료를 기반으로 수정) 19
그림 1-2. 자유면대수층과 피압대수층의 모식도(출처: http://www.ngwa.org) 21
그림 1-3. 암반파쇄대 사진(출처: 인터넷) 23
그림 1-4. 입도와 공극, 공극률과의 관계(입도가 크면 입자의 크기가 균일하지 않고, 이에 따라 작은 입자가 큰 입자 사이에 끼어든다. 따라서 입도가 큰 퇴적물일수록 공극의 크기는 커지지만 공극률은 작아지는 경향이 있다.)... 25
그림 1-5. 피압대수층에 설치된 수두계(piezometer)와 수두 30
그림 1-6. Darcy의 법칙에 대한 설명(컬럼이 매질로 채워진 경우의 통수단면적은 nA가 된다. (n ＝ 매질의 유효공극률)) 31
그림 1-7. 이득하천(A)과 손실하천(B, C) (출처: Alley et al., 1999) 35
그림 1-8. 우리나라 연간 물 이용량(2007년 기준)(출처: 수자원장기종합계획(2011~2020), 국토해양부, 2011) 36
그림 1-9. 연도별 지하수 시설 및 이용량 추이(출처: 지하수관리기본계획(2012-2021), 국토해양부, 2012) 37
그림 1-10. 지역별 지하수 개발 현황(출처: 지하수조사연보(국토해양부ㆍ한국수자원공사, 2011)) 38
그림 2-1. LNAPL과 DNAPL의 거동 특성(출처: http://www.interpore.org) 49
그림 2-2. 분산이 생기는 현상에 대한 도식적 설명 54
그림 2-3. 연도별 측정망별 오염초과 현황(출처: 환경부, 2013, 2012년 지하수 수질측정망 운영결과) 67
그림 2-4. 항목별 및 지역별 오염초과 현황(출처: 환경부, 2012년 지하수 수질측정망 운영결과, 2013) 68
그림 3-1. 대표적인 물리탐사 방법 개념도 71
그림 3-2. 물리탐사에서 대상물의 깊이와 분해능과의 관계 73
그림 3-3. 물리탐사 측선 또는 측점의 다양한 배열 사례 74
그림 3-4. 경사 지역에서의 관측정 설치의 예 82
그림 3-5. 여러 대수층 존재 지역에서의 관측정 설치의 예 83
그림 3-6. 지하수 함양 및 배출지역에서의 지하수 흐름방향 84
그림 3-7. 지하수오염 관측정 구조도 90
그림 3-8. 지하수 흐름의 방향 인지여부에 따른 관측정 설치 위치 선정 92
그림 3-9. 오염물질의 특성에 따른관측정 설치 방법 93
그림 3-10. 지하수위와 스크린 구간에 따른 시료채취 93
그림 3-11. 수압시험 모식도 98
그림 3-12. 추적자 시험의 예 100
그림 3-13. 지하수 시료채취 장비 예시 105
그림 3-14. flow-through cell을 이용한 현장수질 측정 108
그림 3-15. 유동상태에서 현장수질 측정 108
그림 3-16. 지하수 오염도(예시) 118
그림 4-1. 슬러리 벽의 개념도(출처: Pearlman, 1999) 129
그림 4-2. 양수처리법을 이용한 오염원 봉쇄의 여러 가지 개념도(출처: US EPA, 1997) 132
그림 4-3. 양수처리법의 모식도(출처: US EPA, 1997) 135
그림 4-4. 양수처리법에서의 포획구간(capture zone)의 예: a) 양수정, b) 유출구(drain)(출처: US EPA, 1997) 137
그림 4-5. 공기 탈기법(air stripping)과 입상 활성 탄소(granular activated carbon)를 이용한 양수 처리 시스템에서의 처리 흐름도(출처: US EPA, 1997) 138
그림 4-6. "꼬리끌림(tailing)"과 "반동(rebound)" 효과를 보여주는 양수 처리 시스템에서의 양수 시간과 농도와의 상관관계(출처: US EPA, 1997) 141
그림 4-7. 생분해에 관여하는 산화-환원 반응들의 에너지 레벨(출처: ICSS(2006)로부터 수정) 143
그림 4-8. 과망간산염을 이용한 화학적 산화처리의 모식도(출처: US EPA, 2006b) 149
그림 4-9. Fenton's 시약을 이용한 화학적 산화처리의 모식도(출처: US EPA, 2006b) 149
그림 4-10. 연속 트렌치 방식의 투과성 반응벽(출처: Gavaskar et al., 2000) 158
그림 4-11. (a) 세립질의 영가철, (b) 영가철을 트렌치 방식의 투과성 반응벽에 설치하는 현장(출처: ITRC, 2011) 159
그림 4-12. 염대유도벽(funnel-and-gate) 방식의 투과성 반응벽(출처: ITRC, 1999) 159
그림 4-13. 주입정 방식의 투과성 반응벽 배치 방법(출처: ITRC, 1999) 160
그림 4-14. 영가철을 이용한 PCE/TCE 분해과정의 모식도(출처: Arnold and Roberts(2000)로부터 수정) 161
그림 4-15. 식물복원법에 의한 오염물 제거 모식도(출처: US EPA, 2012) 165
그림 4-16. 건설습지의 예(출처: Taylor et al., 2005) 166
그림 4-17. 인공습지에 사용되는 식물 예: (a) Typha latifolia, (b) Juncus polyanthemos, (c) Scipus atrovirens(출처: http://en.wikipedia.org) 166
그림 4-18. 염소계 유기용매가 지하에서 이동하면서 저감되는 자연적 기작들에 대한 모식도(출처: US EPA, 1999) 171
그림 4-19. NPL 사이트에서 선택된 처리 방안(FY 1982-2011)(출처: US EPA, 2013) 174
그림 4-20. 오염원 처리에 대한 선택의 흐름(FY 1998-2011)(출처: US EPA, 2013) 174
그림 4-21. 오염원 처리에 선택된 방법 중 원위치 정화법에 사용된 주요 6가지 방법들(FY 2005-2011)(출처: US EPA, 2013) 176
그림 4-22. 지하수 정화 방법의 선택 흐름(FY 1986-2011)(출처: US EPA, 2013) 177
그림 4-23. 환경 친화적인 순서대로 배열된 지하수 정화 방법의 연속체(가장 덜 친화적: 굴착(excavation) → 가장 친화적: 자연저감 관측기법(MNA)(출처: ITRC(2011)로부터 수정) 178
그림 4-24. 오염총량관리 개발사업 비점오염원 최적관리 기본방향(출처: 한강수계관리위원회, 2009) 181
그림 4-25. 비점오염 저감시설-자연형 시설: a) 저류지, b) 인공습지, c) 투수성 포장, d) 식생수로 (출처: 환경부, 2013) 182
그림 4-26. 비점오염 저감시설-장치형 시설: a) 모래여과시설, b) 제조 여과시스템의 예 (출처: 국립환경과학원, 2010) 183
그림 4-27. 미국 Seattle의 생태수로 예(출처: Washingston State University, 2005) 184
그림 4-28. 예비 현장 개념 모델의 예(출처: US EPA, 2010) 186
그림 4-29. 현장 개념 모델의 3차원 시각화의 예(출처: US EPA, 2010) 187
그림 4-30. 투과성 반응벽을 위한 성능 목적(POs)과 기능적 필요조건(FRs) 사이의 관계를 보여주는 예(출처: ITRC(2011)로부터 수정) 188
그림 4-31. 생물학적 처리벽(Biowall)을 이용한 정화시스템에서의 관측정 횡단면을 나타낸 예(출처: ITRC, 2011) 191
그림 5-1. 지하수내 용존 질소 화합물의 기원에 따른 질소 동위원소의 조성 218
그림 5-2. 미국 캘리포니아 연구지역에서 계산된 전체 질소 위험 지수도 227
그림 5-3. 방글라데시에서 관찰되는 비소 환자들(출처: 인도 Jadapur University의 Dipanka Chakrobati 교수의 자료) 238
그림 5-4. 미국의지하수(좌) 및 토양(우)의비소오염지도(출처: http://www.usgs.gov/) 243
그림 5-5. 비소 오염 지하수의 전 세계적 산출현황(출처: Smedly and Kinniburgh, 2002) 244
그림 5-6. 2001~2006년 지하수 수질측정망자료를 바탕으로 한 우리나라 비소오염지하수(5μg/L 이상) 산출현황(출처: 안주성 등, 2007) 245
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