11-B552584-000017-01

발 간 등 록 번 호

지하수오염 관리 및 정화기술

2014

지하수오염

관리

및

정화기술

2014

KECO2014-RF11-42KEC

O2014

-RF11-

42

지하수오염 관리 및 정화기술

2014

발 간 사

지구상 물의 양은 약 14억km3이며 이 중 담수의 양은 2.5% 정도인 약

3천5백만km3입니다. 여기서 빙하, 만년설 등 이용할 수 없는 빙설을 제외

하면 실제 이용 가능한 수자원은 전체 담수의 30% 정도인 1천5십만km3에

불과합니다. 그 중에서 98%를 차지하는 지하수는 하천, 호수와 더불어 인간이

이용할 수 있는 중요한 수자원이라 할 수 있습니다.

지하수는 일정한 수온과 화학조성을 가지며 지표수에 비해 단기간의 가뭄과

화학적 또는 생물학적 오염의 영향을 크게 받지 않아 농업·공업·가정 및

기타 용수로 다양하게 이용됩니다. 특히 상수도 공급이 부족한 국가나 지역 및

강수량과 지표수가 절대적으로 부족한 건조지방에서 취수원으로 중요한

역할을 하고 있습니다.

그러나 지하수 오염은 장기간 점진적으로 진행됨에 따라 오염 현상이

바로 발생하지 않고 수십년 후에 나타나므로 하천이나 호수에 비해 발생

오염을 신속하게 처리하기 어렵습니다. 따라서 지하수 오염이 발견될 경우

오염 정도가 대부분 심각하며 이 때문에 장기간의 원인규명, 막대한 비용의

오염정화 및 피해보상 등의 문제를 초래할 수 있습니다.

이에 본 환경기술전문서는 지하수오염 관리 및 정화업무에 도움이 될 수

있도록 지하수오염 및 정화·관리 방법과 이에 대한 다양한 사례를 제시하

고 있습니다.

본 환경기술전문서가 지하수오염 관리 및 정화기술의 이해도를 제고하고

관련 분야 현장 실무자들의 정책적·기술적 업무 수행에 유용하게 활용되기를

바랍니다.

2014년 12월

한국환경공단 이사장 이 시 진

편 저

한국지질자원연구원 고 동 찬

군 산 대 학 교 김 강 주

전 북 대 학 교 진 성 욱

한 국 환 경 공 단 김 락 현

정 상 용

임 규 영

김 상 희

신 영 섭

감 수

군 산 대 학 교 김 강 주

[ 목 차 ]

제 1 장 지하수 개론 ·············································································3

1. 지하수와 지하수면 ·····································································3

2. 대수층 ·····························································································4

2.1 대수층, 반대수층, 난대수층 ···················································4

2.2 자유면대수층과 피압대수층 ···················································4

2.3 다공질대수층과 파쇄대수층 ···················································6

2.4 충적대수층과 암반대수층 ·······················································8

2.5 공극률 ·························································································8

2.6 대수층의 투수성 ····································································10

2.7 대수층의 저류성 ····································································11

3. 지하수의 움직임 ·········································································13

3.1 수두(head) ·············································································13

3.2 Darcy의 법칙 ·········································································15

3.3 지하수의 속도 ········································································16

3.4 지하수의 유동방정식 ····························································16

3.5 지하수와 지표수 ····································································18

4. 우리나라의 물이용과 지하수 ···················································19

4.1 국내 지하수 이용 현황 ························································19

4.2 지하수 관련법 ········································································23

4.3 지하수수질 관련 법률 ··························································24

제 2 장 지하수오염 개론 ·······································································29

1. 지하수오염 및 오염원 ···································································29

1.1 토지이용별 지하수 잠재 오염원들 ········································29

1.2 지하수 오염원별 오염원인 및 독성 ······································30

2. 오염물질의 이동 ·············································································37

2.1 확산 및 분산 ··············································································37

2.2 이산 ······························································································39

2.3 분산-이산 방정식 ·····································································39

3. 지하수 수질기준 ·············································································40

3.1 법체계 ··························································································40

3.2 비음용지하수 수질기준 ····························································41

3.3 음용지하수 수질기준 ································································43

4. 국내 지하수 오염 현황 ·································································50

4.1 국내 지하수 수질측정망 운영 ················································50

4.2 국내 지하수 수질현황 ······························································51

제 3 장 지하수오염 조사 ·······································································57

1. 지질학적 조사 ·················································································57

1.1 지구물리탐사 ··············································································57

1.2 시추조사 ······················································································62

1.3 토양 및 암석조사 ······································································64

2. 오염 현장조사 ·················································································65

2.1 오염 기초조사 ············································································65

2.2 지하수위조사 ··············································································68

2.3 기존관정 이용 오염조사 ··························································73

2.4 지하수 관측정 이용 오염조사 ················································74

3. 수리시험 ···························································································83

3.1 순간충격시험 ··············································································83

3.2 수압시험 ······················································································84

3.3 양수시험 ······················································································85

3.4 추적자시험 ··················································································86

4. 시료 채취 및 분석 ·········································································89

4.1 지하수 채수 장비 ······································································90

4.2 관정 개량 및 현장 수질 인자 측정 ······································92

4.3 시료채취 및 전처리 ··································································95

4.4 실내분석 방법 ············································································99

5. 오염 및 오염원인 평가 ······························································104

5.1 오염 평가 ··················································································105

5.2 지하수 유동 및 오염물질 이동 모사 ··································106

5.3 오염원인 및 오염경로 평가 ··················································106

5.4 오염원 판별 방법 ····································································108

제 4 장 지하수오염 정화 및 관리 ····················································113

1. 오염원(source zone)의 제어 ··············································114

1.1 봉쇄(containment) ····························································114

1.2 처리(treatment) ·································································121

2. 오염운(plume)에 대한 현장 외(ex-situ) 정화법 ······· 122

2.1 양수처리법의 처리개요 ······················································122

2.2 양수처리법의 디자인 ··························································124

2.3 양수처리법의 제한점 ··························································128

3. 오염운(plume)에 대한 원위치(in-situ) 정화법 ·············129

3.1 생물학적 정화(bioremediation) ·····································129

3.2 화학적 산화처리(in-situ chemical oxidation) ·········135

3.3 화학적 환원처리(in-situ chemical reduction) ·········140

3.4 투과성 반응벽(permeable reactive barrier) ············144

3.5 식물복원법(phytoremediation) ······································152

3.6 그 외 방법들 ········································································155

4. 자연저감 관측기법(monitored natural attenuation) ····157

4.1 개요 ························································································157

4.2 자연저감의 평가 ··································································159

5. 정화방법의 선택 ······································································161

6. 비점오염원 관리 및 처리 ······················································167

6.1 개요 ························································································167

6.2 비점오염 저감시설의 요소 ················································169

6.3 저영향개발 접근방법의 적용사례 ····································171

7. 오염 정화/복원 모니터링 ·······················································173

7.1 정화/복원 모니터링 계획 수립과 수행 ··························173

7.2 모니터링 결과에 의한 정화/복원 판단 ··························177

8. 국내 오염지하수 정화 지침 ··················································181

제 5 장 지하수오염 조사 및 관리사례 ············································187

1. 유기오염물질 ············································································187

1.1 TCE/PCE ·············································································187

1.2 BTEX ····················································································196

2. 질산성 질소 ··············································································200

2.1 질산성 질소의 특성 ····························································200

2.2 질산성 질소 오염원 특성 ··················································203

2.3 질산성 질소 오염 조사 사례 ············································207

2.4 질산성 질소 오염 관리 ······················································210

3. 불소 ····························································································221

3.1 불소 특성 ··············································································221

3.2 불소 산출현황 ······································································223

3.3 불소 오염 관리 ····································································225

4. 비소 ····························································································226

4.1 비소 오염 지하수의 위해성 및 수질기준 ······················226

4.2 지하수의 비소 오염 기원 ··················································228

4.3 비소의 지구화학적 특징 및 지하수의 비소 오염 과정 ·229

4.4 비소 오염 지하수의 산출현황 ··········································232

4.5 비소 오염 지하수 관리 ······················································235

5. 자연방사성물질 ············································································235

5.1 자연방사성물질 특성 및 수질기준 ······································235

5.2 자연방사성물질 산출현황 ······················································239

5.3 자연방사성물질 오염 관리 ····················································240

부 록 ·······································································································245

1. 지하수관련 용어 ······································································245

참고문헌 ···································································································256

[ 표 목 차 ]

표 1-1 퇴적물과 공극률의 관계 ···························································9

표 1-2 퇴적물과 투수성과의 관계 ·····················································11

표 1-3 퇴적물의 종류별 비산출률 ·····················································12

표 1-4 대수층 조건별 2차원 지하수 유동방정식 ··························17

표 1-5 2010년 기준 지하수이용현황 ···············································21

표 1-6 전국 지하수이용 현황 ·····························································22

표 1-7 지하수 개발 및 이용 관련 법률 현황 ·································23

표 1-8 지하수법에 따른 지하수이용시설 관리현황 ·······················24

표 1-9 지하수 수질 관련 법령 현황 ·················································25

표 1-10 공적용도, 개인용도, 영업용도에 따른 지하수수질 관련 법규

구분 ···························································································26

표 2-1 미국 환경보호국(US EPA, 1991)이 토지이용에 따라 분류한

주요 잠재오염원들 ·····································································30

표 2-2 무기오염물질(중금속 포함)들의 오염기원 및 위해성 ·····31

표 2-3 무기오염물질들(기타)의 오염기원 및 위해성 ···················32

표 2-4 유기오염물질들의 오염기원 및 위해성 ·······························34

표 2-5 각종 물리적 지표들의 기원 및 위해성 ·······························36

표 2-6 비음용 지하수의 법규별 수질기준 ·······································42

표 2-7 미국 EPA(2014)의 먹는물 수질기준 요약 ······················44

표 2-8 미국 EPA와 우리나라(샘물)의 먹는물 수질기준 비교-소독제

및 소독부산물질 ·······································································47

표 2-9 미국 EPA와 우리나라(샘물)의 먹는물 수질기준 비교-미생물 기준·47

표 2-10 미국 EPA와 우리나라(샘물)의 먹는물 수질기준 비교-심미적

영향물질 ···················································································48

표 2-11 미국 EPA와 우리나라(샘물)의 먹는물 수질기준 비교-건강상

유해영향 무기물질 ·································································48

표 2-12 미국 EPA와 우리나라(샘물)의 먹는물 수질기준 비교-방사능에

관한 기준 ·················································································49

표 2-13 미국 EPA와 우리나라(샘물)의 먹는물 수질기준 비교-건강상

유해영향 유기물질 ·································································49

표 2-14 연도별 지하수 수질측정망 운영현황 ································51

표 3-1 시추조사 굴착방법 ···································································62

표 3-2 잠재오염원 ·················································································67

표 3-3 지하수위 변동을 야기하는 요인 ···········································73

표 3-4 지하수오염 관측정의 설치방법 ·············································79

표 3-5 추적자의 종류와 특징 ·····························································88

표 3-6 지하수 시료채취 장비 ·····························································91

표 3-7 현장수질 인자 안정기준 ·························································93

표 3-8 현장수질 인자 항목별 특성 ···················································94

표 3-9 지하수 시료 채취 방법 흐름도 ·············································97

표 3-10 수질분석을 위한 지하수 시료 채취와 보존방법 ············98

표 3-11 먹는물, 샘물 및 염지하수 중 금속류의 시험방법 ·······101

표 3-12 먹는물 중 음이온의 시험방법 ··········································102

표 3-13 먹는물, 샘물 및 염지하수 중 휘발성유기화합물의 시험방법·103

표 4-1 양수처리법에서의 처리 기술들 ··········································127

표 4-2 생분해가 가능한 오염물들과 선호되는 분해 조건 ········134

표 4-3 ISCO에서 이용되는 대표적인 산화제의 반응기작 ········138

표 4-4 ISCO에서 이용되는 산화제와 처리 가능한 오염물 ······139

표 4-5 ISCO를 수행하기 위해 필요한 현장 특성 자료 ············140

표 4-6 무기원소와 잠재적인 현장 침전물 ····································142

표 4-7 투과성 반응벽을 이용하기에 적합한 현장조건들의 특성 ····144

표 4-8 투과성 반응벽으로 처리 가능한 오염물과 반응매체 예 ···151

표 4-9 오염원 처리에 사용된 방법들 ············································163

표 4-10 지하수 처리에 사용된 방법들 ··········································165

표 5-1 TCE/PCE 저감을 위해 양수처리법을 적용한 해외 관리 사례··189

표 5-2 TCE/PCE 저감을 위해 원위치 생물학적 정화를 적용한 해외 관리

사례···························································································190

표 5-3 TCE/PCE 저감을 위해 ICSO를 적용한 해외 관리 사례 ···191

표 5-4 TCE/PCE 저감을 위해 투과성 반응벽을 적용한 해외 관리 사례·192

표 5-5 TCE/PCE 저감을 위해 식물복원법을 적용한 해외 관리 사례··193

표 5-6 TCE/PCE 오염에 대한 국내 조사 사례 ··························194

표 5-7 TCE/PCE 오염에 대한 국내 관리 사례 ··························195

표 5-8 BTEX 저감을 위해 양수처리법을 적용한 해외 관리 사례···197

표 5-9 BTEX 저감을 위해 원위치 생물학적 정화를 적용한 해외 관리

사례 ···························································································198

표 5-10 BTEX 저감을 위해 ISCO를 적용한 해외 관리 사례 ···199

표 5-11 BTEX 저감을 위해 투과성 반응벽을 적용한 해외 관리 사례···200

표 5-12 농업활동에서 질소사용효율과 질산성 질소 침출을 감소시키기

위한 관리 방안 ·····································································214

표 5-13 두 가지 지하수 질소 부하량 감소 시나리오에 의한 평가 결과·217

표 5-14 지하수 질산성 질소 오염 대처 방안의 기대효과 ········220

표 5-15 각국의 자연방사성물질 기준 및 권고치 ························238

[ 그 림 목 차 ]

그림 1-1 포화대(saturated zone), 불포화대(unsaturated zone), 지하수면

(water table), 모관수대(capillary zone)에 대한 모식도 ·3

그림 1-2 자유면대수층과 피압대수층의 모식도 ·······························5

그림 1-3 암반파쇄대 사진 ·····································································7

그림 1-4 입도와 공극, 공극률과의 관계 ············································9

그림 1-5 피압대수층에 설치된 수두계(piezometer)와 수두 ·····14

그림 1-6 Darcy의 법칙에 대한 설명 ···············································15

그림 1-7 이득하천(A)과 손실하천(B, C) ·······································19

그림 1-8 우리나라 연간 물 이용량 ···················································20

그림 1-9 연도별 지하수 시설 및 이용량 추이 ·······························21

그림 1-10 지역별 지하수 개발 현황 ················································22

그림 2-1 LNAPL과 DNAPL의 거동 특성 ······································34

그림 2-2 분산이 생기는 현상에 대한 도식적 설명 ·······················39

그림 2-3 연도별 측정망별 오염초과 현황 ·······································52

그림 2-4 항목별 및 지역별 오염초과 현황 ·····································53

그림 3-1 대표적인 물리탐사 방법 개념도 ·······································58

그림 3-2 물리탐사에서 대상물의 깊이와 분해능과의 관계 ·········60

그림 3-3 물리탐사 측선 또는 측점의 다양한 배열 사례 ·············61

그림 3-4 경사 지역에서의 관측정 설치의 예 ·································69

그림 3-5 여러 대수층 존재 지역에서의 관측정 설치의 예 ·········70

그림 3-6 지하수 함양 및 배출지역에서의 지하수 흐름방향 ·······71

그림 3-7 지하수오염 관측정 구조도 ·················································77

그림 3-8 지하수 흐름의 방향 인지여부에 따른 관측정 설치 위치

선정 ··························································································79

그림 3-9 오염물질의 특성에 따른 관측정 설치 방법 ···················80

그림 3-10 지하수위와 스크린 구간에 따른 시료채취 ··················80

그림 3-11 수압시험 모식도 ································································85

그림 3-12 추적자 시험의 예 ······························································87

그림 3-13 지하수 시료채취 장비 예시 ············································92

그림 3-14 flow-through cell을 이용한 현장수질 측정 ·············95

그림 3-15 유동상태에서 현장수질 측정 ··········································95

그림 3-16 지하수 오염도(예시) ······················································105

그림 4-1 슬러리 벽의 개념도 ··························································117

그림 4-2 양수처리법을 이용한 오염원 봉쇄의 여러 가지 개념도 ·120

그림 4-3 양수처리법의 모식도 ························································123

그림 4-4 양수처리법에서의 포획구간(capture zone)의 예 ······125

그림 4-5 공기 탈기법(air stripping)과 입상 활성 탄소(granular

activated carbon)를 이용한 양수 처리 시스템에서의 처리

흐름도 ···················································································126

그림 4-6“꼬리끌림(tailing)”과 “반동(rebound)” 효과를 보여주는

양수 처리 시스템에서의 양수 시간과 농도와의 상관관계·129

그림 4-7 생분해에 관여하는 산화-환원 반응들의 에너지 레벨 ···131

그림 4-8 과망간산염을 이용한 화학적 산화처리의 모식도 ······137

그림 4-9 Fenton’s 시약을 이용한 화학적 산화처리의 모식도·········137

그림 4-10 연속 트렌치 방식의 투과성 반응벽 ····························146

그림 4-11 (a) 세립질의 영가철, (b) 영가철을 트렌치 방식의 투과성

반응벽에 설치하는 현장 ················································147

그림 4-12 염대유도벽(funnel-and-gate) 방식의 투과성 반응벽··147

그림 4-13 주입정 방식의 투과성 반응벽 배치 방법 ··················148

그림 4-14 영가철을 이용한 PCE/TCE 분해과정의 모식도 ·····149

그림 4-15 식물복원법에 의한 오염물 제거 모식도 ····················153

그림 4-16 건설습지의 예 ··································································154

그림 4-17 인공습지에 사용되는 식물 예 ······································154

그림 4-18 염소계 유기용매가 지하에서 이동하면서 저감되는 자연적

기작들에 대한 모식도 ····················································159

그림 4-19 NPL 사이트에서 선택된 처리 방안 ···························162

그림 4-20 오염원 처리에 대한 선택의 흐름 ································162

그림 4-21 오염원 처리에 선택된 방법 중 원위치 정화법에 사용된

주요 6가지 방법들 ·························································164

그림 4-22 지하수 정화 방법의 선택 흐름 ····································165

그림 4-23 환경 친화적인 순서대로 배열된 지하수 정화 방법의 연속체·166

그림 4-24 오염총량관리 개발사업 비점오염원 최적관리 기본방향·169

그림 4-25 비점오염 저감시설-자연형 시설 ·································170

그림 4-26 비점오염 저감시설-장치형 시설 ·································171

그림 4-27 미국 Seattle의 생태수로 예 ········································172

그림 4-28 예비 현장 개념 모델의 예 ············································174

그림 4-29 현장 개념 모델의 3차원 시각화의 예 ·······················175

그림 4-30 투과성 반응벽을 위한 성능 목적(POs)과 기능적 필요조건

(FRs) 사이의 관계를 보여주는 예 ····························176

그림 4-31 생물학적 처리벽(Biowall)을 이용한 정화시스템에서의

관측정 횡단면을 나타낸 예 ··········································179

그림 5-1 지하수내 용존 질소 화합물의 기원에 따른 질소 동위원소의 조성·207

그림 5-2 미국 캘리포니아 연구지역에서 계산된 전체 질소 위험 지수도·216

그림 5-3 방글라데시에서 관찰되는 비소 환자들 ························227

그림 5-4 미국의 지하수 및 토양의 비소 오염 지도 ··················232

그림 5-5 비소 오염 지하수의 전 세계적 산출현황 ····················233

그림 5-6 2001~2006년 지하수 수질측정망자료를 바탕으로 한

우리나라 비소오염지하수(5μg/L 이상) 산출현황 ····234

1절 지하수와 지하수면

2절 대수층

3절 지하수의 움직임

4절 우리나라의 물이용과 지하수

제1장 지하수 개론

제1장 지하수 개론

- 3 -

제 1 장 지하수 개론

1. 지하수와 지하수면

땅에 구덩이를 파다보면 어느 순간부터는 구덩이에 물이 고이는 것을

누구나 본 적이 있을 것이다. 이 물이 바로 지하수(groundwater)이다. 구

덩이에 물이 고인 것은 지하수면(water table) 아래까지 구덩이를 팠기 때

문이다. 땅 속 어느 면 아래에서는 빈공간이 모두 물로 채워지게 되는데

이면을 지하수면이라 한다(그림 1-1). 지하수면 아래를 포화대(saturated

zone 또는 phreatic zone)라 한다. 반면, 지하수면 위에 있는 빈 공간들은

물로 모두 채워지지 않고 공기와 공존한다. 그래서 지하수면 상부는 불포

화대(unsaturated zone 또는 vadose zone)라고 한다. 지하수면의 바로 상

부는 불포화대지만 모세관현상에 의해 지하수가 올라와 공극들이 모두 물

로 채워져 있는데, 이를 모관수대(capillary fringe)라고 한다.

■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)

지하수오염 관리 및 정화기술

- 4 -

지하수는 땅 속에 있는 물 모두를 의미하기도 하나, 보통은 지하수면아래의 물, 즉, 포화대에 있는 물만을 지칭한다. 불포화대에 있는 물은 보

통 토양수분(soil moisture)라고 칭한다. 우리나라 지하수법령에는 지하수

를 “지하의 지층이나 암석사이의 빈틈을 채우고 있거나 흐르는 물”로 정

의 하고 있다.

2. 대수층

2.1 대수층, 반대수층, 난대수층

Ÿ 대수층(aquifer): 우물에 물을 잘 공급하여 줄 수 있는 지층을 말한

다. 지층이 우물에 물을 잘 공급하기 위해서는 물을 많이 지니는 동

시에 물을 잘 통과시킬 수 있어야 한다. 모래/자갈층, 사암, 역암, 파

쇄암, 다공질 화산암 등이 주로 대수층의 역할을 한다.

Ÿ 반대수층(半帶水層, aquitard): 투수성이 낮아 지하수의 흐름을 방해

하는 층이며, 불투수층을 의미하는 것은 아니다. 이암, 셰일, 점토층,

미사층, 파쇄대가 발달하지 않은 결정질암 등이 여기에 해당한다.

Ÿ 난대수층(難帶水層, aquiclude): 투수성이 매우 낮아 물이 거의 통과

하지 못하는 불투수층을 말한다.

2.2 자유면대수층과 피압대수층

대수층 내에 지하수면의 존재여부에 따라, 대수층을 자유면대수층과 피

압대수층으로 구분할 수 있다. 자유면대수층 또는 피압대수층 여부에 따

라 지하수의 산출특성(특히 저류성)과 지하수유동 지배방정식이 달라지므

제1장 지하수 개론

- 5 -

로, 이들의 정의를 잘 이해할 필요가 있다.

■그림 1-2 자유면대수층과 피압대수층의 모식도(출처: http://www.ngwa.org)

Ÿ 자유면대수층(water table aquifer): 지하수면이 존재하는 대수층으로

불압대수층(不壓帶水層; unconfined aquifer)이라고도 한다. 자유면

대수층에 우물을 설치하면, 우물의 내부로 차오르는 수면은 지하수

면과 거의 같아진다(그림 1-1, 1-2).

Ÿ 피압대수층(被壓帶水層, confined aquifer 또는 artesian aquifer): 물

로 모두 채워져 내부에 지하수면이 존재하지 않는 대수층을 말한다.

상부는 불투수층으로 덮여 있어 상층부의 무게가 이곳 대수층에 가

해지게 되므로 압력을 받는 의미의 피압대수층이라고 한다. 영어로

가두어졌다는 의미의 confined aquifer라고 한다.

지하수오염 관리 및 정화기술

- 6 -

참고)

Ÿ 가압층(加壓層; confining unit): 피압대수층 상하부의 투수성이 낮은

지층을 말하며, 상부 지층의 무게로 인하여 아래의 대수층에 압력을

가하는 역할을 한다고 해서 ‘가압층’이라고 한다. 영어로 가두는 지층

이라는 의미의 ‘confining unit’이라고 한다.

Ÿ 정수압면(potentiometric surface): 피압대수층에 우물을 설치하였을

때, 우물에 차오르는 높이. 수리적으로는 피압대수층의 지하수면이라

고 할 수 있다.

Ÿ 부유지하수면(perched water table): 국지적으로 투수성이 낮은 지층

에 의해 광역지하수면 위에 떠서 형성된 지하수면을 말한다.

Ÿ 자유면정(water table well): 우물에서 물이 유입되는 구간(스크린 또

는 나공 부분)이 지하수면에 걸쳐있는 우물을 말한다.

Ÿ 불압정(不壓井, unconfined well): 자유면대수층에 설치된 우물을 말

한다. 자유면정도 일종의 불압정이라고 할 수 있다.

Ÿ 찬정(鑽井, artesian well): 피압대수층에 설치된 우물을 말한다.

Ÿ 자분정(自噴井, flowing well): 찬정 중 동력 없이도 지하수가 우물

바깥으로 배출되는 경우가 있으며, 이를 자분정이라고 한다. 자분정

은 정수압면이 지표면보다 높기 때문에 나타난다.

Ÿ 수두계(piezometer): 특정 심도의 수두를 측정하기 위한 관정(管井,

tube well)으로 유입되는 구간이 짧게 설계된다.

2.3 다공질대수층과 파쇄대수층

Ÿ 다공질대수층(porous aquifer): 연결성이 있는 작은 공극들이 대수층

전체에 산재되어 지하수가 수두차이와 수리전도도에 의해 어느 방향

제1장 지하수 개론

- 7 -

이든 흘러갈 수 있는 대수층을 말한다. 연속대수층(continuous

aquifer)이라고도 하며 1차 공극(primary pore)1)으로 이루어진 미고

결퇴적층들이 이에 해당한다.

Ÿ 파쇄대수층(fractured aquifer): 다공질대수층에 상대되는 개념으로

파쇄된 틈(즉, 2차 공극, secondary pore)(그림 1-3)을 통하여 지하수

가 흘러가는 대수층을 말하며, 암반대수층이 주로 이에 해당한다. 지

하수는 파쇄면만 따라 흐르므로 지하수의 흐름이 연속적이지 않아서

불연속대수층(discontinuous aquifer)이라고도 한다. 일반적으로 투수

성과 공극률이 매우 작으며, 오염물질의 이동예측과 지하수개발에

어려움이 있다. 공극률이 작아 주어진 수두차이에 대한 지하수의 속

도가 매우 빠르다. 암반의 파쇄밀도가 높아지면 점차 연속대수층의

특성을 보인다.

■그림 1-3 암반파쇄대 사진(출처: 인터넷)

1) 지층이 형성될 때 같이 만들어진 공극을 말한다. 암석이 후에 지각변동으로 파쇄되어 만들어진 공극은 2차 공극(secondary pore)이라 한다.

지하수오염 관리 및 정화기술

- 8 -

2.4 충적대수층과 암반대수층

Ÿ 충적대수층(alluvial aquifer): 충적층(alluvium)은 물에 의해 퇴적된

미고결 지층을 말하며, 충적대수층은 충적층에 형성된 대수층을 말

한다. 토양이나 미고결퇴적물로 구성된 대수층을 모두 포함하여 지

칭하는 사람들도 있다. 지표면에 가까워 오염에 취약하며 수리적으

로는 연속대수층에 해당한다.

Ÿ 암반대수층(bedrock aquifer): 암반으로 이루어진 대수층을 말하며

보통은 (특히 화성암이나 변성암의 경우) 파쇄대의 밀도와 연결성에

의해 물의 흐름이 좌우되나, 일부 퇴적암(예, 다공성 사암, 역암 등)

이나 화산암(예: 제주도 현무암) 등은 다공질인 경우도 있다. 암반

대수층은 충적대수층의 하부에 존재하여 상대적으로 지표오염에는

취약하지 않으나, 파쇄대가 많이 발달되지 않은 경우는 투수성과 공

극률이 낮고 오염물질의 이동속도는 매우 빠르다.

2.5 공극률

Ÿ 공극률(porosity): 토양이나 대수층에서 전체 부피에서 빈 공간(pore

또는 void)의 부피비율을 말한다(그림 1-4, 표 1-1). 입자의 크기가

균일한 완벽한 구(球, sphere)형 모래가 있다고 가정할 때 공극률은

입자가 쌓이는 방식에 따라 다르다. 가장 조밀하게 쌓이는 경우 이

론상 공극률은 36%이며, 이 값은 크기가 같은 구라면 입자의 크기에

는 상관이 없이 동일하다. 자연 상의 퇴적물이나 토양의 공극률은

입도가 클수록 커지는 경향을 갖는다. 이는 자연 상의 퇴적물은 균

일하지 않으며 입자가 큰 퇴적물일수록 입자의 크기가 더 불균일한

제1장 지하수 개론

- 9 -

특성을 갖기 때문이다. 이 경우, 작은 입자들이 큰 입자사이의 틈으

로 들어가 공극을 메우게 되어 공극률이 작아진다.

■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.)(출처: http://www.

comet.ucar.edu)

매체 공극률 (%)

분급이 좋은 모래나 자갈 25-50

모래자갈혼합층 (sand and gravel, mixed) 20-35

빙적토(glacial till) 10-20

미사(silt) 35-50

점토 33-60

(출처: Meinzer (1923), Davis (1969), Cohen (1965), MacCary and

Lambert (1962) 등의 자료를 Fetter (2001)가 정리)

■표 1-1 퇴적물과 공극률의 관계

지하수오염 관리 및 정화기술

- 10 -

Ÿ 유효공극률(effective porosity; ne 또는 n): 연결성이 있는 공극들만

을 고려한 공극률을 말한다. 지하수는 연결성이 있는 공극들을 통하

여 흐르기 때문에 지하수학에서 통상 ‘공극률’이라 함은 유효공극률

을 의미한다. 연결성이 없는 공극들까지를 포함한 공극률은 총공극

률(nT)이라고 한다.

2.6 대수층의 투수성

지질매체가 얼마나 물을 잘 통과시킬 수 있는지를 나타내는 변수들로는

수리전도도와 고유투수계수, 그리고 투수량계수가 있다.

Ÿ 수리전도도(K; hydraulic conductivity 또는 투수계수): ‘물’이 지질매

체를 얼마나 잘 흐르는 지를 나타내는 척도로서, 수리전도도는 속도

와 같은 단위(L/T)를 갖는다. ‘투수계수(permeability)’라는 말과 같이

사용된다. 이 값은 유체의 비중에 비례하고 동점성계수에 반비례한

다. 따라서 기름이나 가스는 물과 비중과 점성계수가 다르므로 같은

지질매체를 흐르더라도 이들의 흐름을 계산하기 위하여 ‘수리전도도’

값을 사용할 수 없다. 아울러, 같은 물이라도 밀도가 다른 해수나 뜨

거운 물의 경우에도 25 ℃의 물과는 다른 값을 갖는다. 수리전도도

값은 입자가 클수록, 분급(sorting)2)이 좋을수록 커지는 경향이 있다

(표 1-2).

2) 같은 크기의 입자들이 모여 있는 정도. 입자크기가 균질하면 분급이 좋다.

제1장 지하수 개론

- 11 -

매체 수리전도도(cm/s)

분급이 좋은 자갈 10-2 to 1

분급이 좋은 모래, glacial outwash 10-3 to 10-1

미사질 모래, 고운모래 10-5 to 10-3

미사, 모래질 미사, 점토질 모래, till 10-6 to 10-4

점토 10-9 to 10-6

(출처: Fetter (2001))

■표 1-2 퇴적물과 투수성과의 관계

Ÿ 고유투수계수(k; intrinsic permeability): 유체의 종류에 상관이 없는

지질매체 자체가 갖는 투수계수로 길이 제곱차원의 단위를 갖는다.

Ÿ 투수량계수(T; transmissivity): 피압대수층에 사용하는 용어로 수리

전도도에 대수층의 두께를 곱한 값이다.

∙

m = 대수층의 두께

(※ 실제 현장에서는 대수층의 두께를 정확히 알지 못하므로 관정

의 스크린길이를 대수층의 두께로 가정하여 사용하기도 한다.)

따라서 대수층의 두께가 커질수록, 대수층의 두께를 알 수 없는 현장

에서는 우물의 물 유입구간(나공 또는 스크린구간)을 두께로 가정하

므로 우물의 물 유입구간이 길어질수록 큰 값을 갖게 되어 대수층의

투수성을 정확하게 대변한다고 볼 수 없다.

2.7 대수층의 저류성

대수층이 물을 얼마나 많이 가지고 있는지를 나타내는 척도로서 비산출

지하수오염 관리 및 정화기술

- 12 -

률(Sy, specific yield), 비저류계수(Ss, specific storage), 저류계수(S,

storativity)가 있다.

Ÿ 비저류계수(Ss, specific storage): 단위 부피의 대수층에서 단위 길이

의 수두감소를 위해 빠져나와야 하는 물의 양. 길이의 역수와 같은

차원의 단위를 갖는다.

Ÿ 비산출률(Sy, specific yield): 단위 면적의 자유면대수층에서 단위 길

이의 수두감소를 야기하기 위하여 빠져나와야 하는 물의 양을 의미

하며, 단위가 없다. 피압대수층에서와는 달리 대수층의 두께와 상관

이 없는 자유면대수층 고유의 값이다. 비산출률은 입도가 작을수록

작은 값을 가지며, 유효공극률보다는 항상 작은 값을 갖는다. 특히

점토나 미사의 경우는 매우 큰 공극률을 갖지만 비산출률은 아주 작

다(표 1-3).

퇴적물 최대 최소 평균

조립질 자갈 26 12 22

중립질 자갈 26 13 23

세립질 자갈 35 21 25

자갈모래 35 20 25

조립질 모래 35 20 27

중립질 모래 32 15 26

세립질 모래 28 10 21

미사 19 3 18

사질 점토 12 3 7

점토 5 0 2

(출처: Johnson (1967), Fetter (2001))

■표 1-3 퇴적물의 종류별 비산출률(%)

제1장 지하수 개론

- 13 -

Ÿ 저류계수(storativity, S): 단위 면적의 피압대수층에서 단위 길이의

수두감소를 위해 빠져나와야 하는 물의 양을 의미하며, Sy와 마찬가

지로 단위가 없다. 이는 비저류계수에 대수층의 두께를 곱한 값에

해당한다. 따라서 대수층이 두꺼워질수록 큰 값을 가지므로 대수층

의 본질적인 특성은 아니다. 피압대수층에 사용되는 용어이며 저류

계수는 비산출률에 비하여 매우 작은 값(

지하수오염 관리 및 정화기술

- 14 -

■그림 1-5 피압대수층에 설치된 수두계(piezometer)3)와 수두

아래가 터진 빈 관을 대수층에 박았을 때, 관이 박힌 곳 주변의 수압에

의해 물은 관내부로 올라오게 된다. 이 때 관내부로 올라오는 물의 높이

는 관의 터진 부분(물 유입부 또는 screen)에서 관의 내부로 물을 밀어주

는 수압과 관 내부의 물기둥이 누르는 힘(물기둥 무게)이 같아질 때까지

물기둥의 높이이다. 여기서 기준면(z=0)에서 우물의 물 유입부까지 높이

는 위치수두, 물 유입부에서 우물수면까지의 높이는 압력수두가 된다(그

림 1-5).

3) 지하수의 수두를 재는 장치이다. PVC 파이프나 스테인레스 관에 물이 들어올 수 있는 좁은 구간(screen)을 만들어 이용한다.

제1장 지하수 개론

- 15 -

3.2 Darcy의 법칙

Darcy의 법칙은 지하수의 흐름을 지배하는 기본 법칙이다(그림 1-6).

이 법칙에 의하면 비유량(q: specific discharge), 즉 단위면적의 대수층을

통과하여 빠져 나오는 유량(q=Q/A, 여기서 Q(유량)=부피/시간, A=단면

적)은 지질매체의 투수성(즉 수리전도도 K)에 비례하고, 물이 통과하는

두 지점사이의 거리 차( )에 반비례하며, 두 지점에서의 수두

차이( )에 비례한다. 물은 수두가 높은 곳에서 낮은 곳으로

흐르므로 물이 에서 지점으로 흐른다면 는 보다 작아야 한다.

이 때문에 는 항상 음의 값을 가지게 되며, Darcy의 법칙에서는 식의

앞에 ‘-’를 붙여 q값이 항상 양이 되게 한다.

■그림 1-6 Darcy의 법칙에 대한 설명(컬럼이 매질로 채워진 경우의

통수단면적은 nA가 된다. (n = 매질의 유효공극률))

지하수오염 관리 및 정화기술

- 16 -

Darcy의 법칙은 층류(laminar flow)4)를 가정하기 때문에 지하수의 속도

가 빨라져 난류(turbulent flow)가 되면 맞지 않는다.

3.3 지하수의 속도

Darcy의 법칙에서 q는 유량(Q)를 단면적(A)으로 나눈 값이기 때문이

속도의 차원을 가지며, 이 때문에 Darcy 속도(Darcy velocity)라고도 한

다. 수리학이나 유체역학에서는 빈 관을 흐르는 물의 속도는 물의 유량

(Q)을 관의 단면적(A)으로 나누어 구하기 때문에 Darcy 속도를 지하수의

속도로 잘못 이해하는 경우가 종종 있다. 그러나 지하수는 빈 관을 흐르

는 것이 아니라 모래가 채워진 관에서 공극을 통하여 흐른다. 이처럼 모

래가 채워진 관의 ‘통수단면’은 관의 전체 단면적 A가 아니라, 여기에 공

극률을 곱한 것(nA)이라고 할 수 있다. 따라서 지하수의 속도(v)는 유량

Q를 통수단면적 nA로 나눈 값으로 정의되어야 한다.

지하수 속도

3.4 지하수 유동방정식

지하수의 유동방정식은 질량보전의 법칙을 이용하여 구한다. 표 1-4는

2차원 지하수 유동방정식을 대수층의 조건별로 정리한 것이다. 이들 방정

식을 요약정리하면, 피압대수층에서는 종속변수가 h이고 저류계수(S)와

투수량계수(T)가 대수층의 수리특성을 나타내는 변수로 사용된다. 반면

4) 층류는 물입자의 운동궤적(유선)이 서로 나란한 흐름을 말하며, 유속이 느릴 때 형성된다. 유속이 빨라지면 물입자의 유선이 서로 교차되는 난류가 된다.

제1장 지하수 개론

- 17 -

자유면 대수층에서는 종속변수가 h2이고 비산출률(Sy)과 수리전도도(K)가

수리특성을 나타내는 변수로 사용된다. 아울러 균일한(homogeneous) 대

수층은 K나 T값이 일정한 상태를 의미하며, 지하수 유동방정식에서는 이

들 변수들을 상수로 처리(즉 Kx, Ky, Tx, Ty = 상수)한다. 등방성

(isotropic) 대수층에서는 K와 T값이 방향에 상관없이 일정한 값을 갖는

것을 의미하므로 유동방정식에서는 Kx=Ky=K 또는 Tx=Ty=T로 처리한다.

방향에 따라 K와 T값이 변화하는 대수층을 이방성(anisotropic) 대수층이라

한다. 시간에 따른 수두변화가 없는 흐름( ,

)을 정류(steady

flow)라 하며, 시간에 따라 수두 값이 변화되는 흐름은 부정류(transient

flow)라 한다.

피압대수층 자유면대수층

일반형:

불균질&이방성

대수층, 부정류

b: 포화두께

균질&이방성

대수층, 부정류

균질&등방성

대수층, 부정류

균질&등방성

대수층, 정류

■표 1-4 대수층 조건별 2차원 지하수 유동방정식

지하수오염 관리 및 정화기술

- 18 -

3.5 지하수와 지표수

지하수와 지표수는 서로 연결되어 있다. 지하수의 입장에서 보면 지표

수는 지하수면이 땅 위로 노출된 것이라고 할 수 있다. 지구 내에 분포하

는 물을 생각할 때, 지하수량이 강, 호수와 같은 지표수량보다 약 500배나

많은 점을 고려하면 이러한 얘기는 틀린 말이 아니다. 이러한 관점에서

보면 우리가 눈으로 보는 저수지도 매우 큰 우물이라고 할 수 있다. 따라

서 지하수를 과잉 채수하거나, 빗물 침투가 억제되어 지하수위가 낮아지

면 지표를 흐르는 하천과 저수지도 결국 마르게 된다.

지하수가 유입되어 유량이 늘어나는 하천을 이득하천(gaining stream)

이라고 한다(그림 1-7). 그러나 지하수면이 낮은 지역을 흐르게 되거나

지하수의 과잉채수로 지하수면이 낮아지게 되면, 하천의 물이 땅속으로

스며들게 되어 하천의 유량은 줄어들게 된다. 이처럼 물이 지하로 스며들

어 유량이 줄어드는 하천을 손실하천(losing stream)이라고 한다.

제1장 지하수 개론

- 19 -

■그림 1-7 이득하천(A)과 손실하천(B, C) (출처: Alley et al., 1999)

4. 우리나라의 물이용과 지하수

4.1 국내 지하수 이용현황

2007년 현재 우리나라의 연간 총 수자원 이용량은 333억 톤이며, 이 중

지하수는 약 37억 톤으로 전체 수자원 이용량의 11%를 차지한다(그림

1-8).

지하수오염 관리 및 정화기술

- 20 -

■그림 1-8 우리나라 연간 물 이용량(2007년 기준)(출처: 수자원장기종합계획

(2011～2020), 국토해양부, 2011)

지하수 이용량은 1994년부터 2010년까지 연평균 2.6%씩 증가하였으며,

2010년 지하수 이용량은 1994년 25.7억㎥에 비해 48% 증가한 38.1억㎥이

다(그림 1-9). 지하수이용시설(관정) 수도 1994년부터 2010년까지 연평균

5.1%씩 증가하여 2010년 말 기준의 총 시설 수는 1994년 63만여 공의 2

배가 넘는 138만여 공이 되었다.

제1장 지하수 개론

- 21 -

■그림 1-9 연도별 지하수 시설 및 이용량 추이(출처: 지하수관리기본계획

(2012-2021), 국토해양부, 2012)

2010년 말을 기준으로 우리나라에서는 138만 개 관정에서 총 38.1억 톤

의 지하수를 사용하고 있다(표 1-5). 지하수 이용시설을 용도별로 보면

생활용관정이 78만 개소로 가장 많고 농업용이 약 58.4만 개소로 그 다음

을 차지한다. 그러나 용도별 연간 이용량은 농업용이 18.6억 톤으로 생활

용 17.5억 톤보다 다소 많다.

■ 표 1-5 2010년 기준 지하수이용현황

출처: 지하수관리기본계획(2012-2021)(국토해양부, 2012)

지하수오염 관리 및 정화기술

- 22 -

공당 지하수 이용량은 전국 평균 2.8천㎥/년이며, 제주도가 평균 25.0천

㎥/년으로 가장 높고 대전이 평균 1.9천㎥/년으로 가장 낮다(표 1-6). 단

위면적 당 지하수 이용량은 전국 평균 38.2천㎥/년/㎢이며, 대전(74.2천㎥/

년/㎢), 제주(67.4천㎥/년/㎢), 충남(62.3천㎥/년/㎢) 순으로 높고 강원도가

12.8천㎥/년/㎢로 가장 낮다(표 1-6, 그림 1-10). 대전과 충남의 단위면적

당 지하수 이용량이 높은 이유는 이들 지역이 관정 당 이용량은 작지만

㎢당 관정수가 대전 39.4공, 충남 29.8공으로 타 지역(전국 평균 13.9공/

㎢)에 비하여 월등히 많았기 때문이다. 제주도는 단위면적 당 지하수 공

수는 전국 최저이나, 공당 이용량이 타 지역에 비하여 월등히 높아서 단

위면적 당 지하수 이용량이 대전에 이어 두 번째로 높았다.

전국 서울 부산 대구 인천 광주 대전 울산 경기 강원 충북 충남 전북 전남 경북 경남 제주

연평균 ㎢당이용량(천m3)

38.2 39.4 45.2 28.3 44.5 51.3 74.2 45.6 54.1 12.8 53.1 62.3 46.7 45.1 24.1 36.1 67.4

연평균 공당 이용량(천m3)

2.8 2.3 4.2 5.4 3.5 2.8 1.9 9.4 2.6 2.3 2.5 2.1 2.2 2.4 4.4 4.5 25

개발 밀도(공/㎢)

13.9 16.8 10.8 5.2 12.5 18.1 39.4 4.8 20.8 5.5 21.4 29.8 21.4 18.7 5.5 8 2.7

출처: 지하수조사연보(국토해양부·한국수자원공사, 2011)

■표 1-6 전국 지하수이용 현황

■그림 1-10 지역별 지하수 개발 현황(출처: 지하수조사연보(국토해양부·

한국수자원공사, 2011))

제1장 지하수 개론

- 23 -

4.2 지하수 관련법

우리나라에서 지하수 관리의 근간이 되는 법은 지하수법 이다. 그러나

지하수 관리체계는 크게 수량과 수질로 이원화되어 있는데 수량에 관한

사항은 지하수법 과 그 하위 규정에 의하여 국토교통부에 의해 관리되고

있으며, 지하수의 수질에 관한 사항은 환경부령인 지하수의 수질보전 등

에 관한 규칙 에 의하여 관리된다. 지하수법 외에도 지하수이용과 관련된

법에는 온천법 , 먹는물관리법 , 농어촌정비법 , 민방위기본법 , 제주

특별자치도 설치 및 국제자유도시 조성을 위한 특별법 , 국방군사시설사

업에 관한 법률 등이 있다(표 1-7).

법령 대상 규정내용 관장 부처

지하수법타법에

적용받지 않는 모든 지하수

-지하수의 적절한 개발․이용과 보전관리에 관한 사항

-지하수 시설허가, 신고 사항-지하수질 보전과 정화에 관한 사항

국토교통부

온천법 온천수-섭씨25도 이상의 온천수개발을 위한 굴착허가, 온천지구 지정

행정자치부

먹는물관리법 먹는샘물 -먹는 샘물 제조업 허가 환경부

농어촌정비법 농업용수-농림부장관은 농어촌용수이용합리화계획에 따라 용수 개발

-신고, 허가에 대한 규정 없음농림축산식품부

민방위기본법 지하양수시설-민방위계획에 따라 지하양수시설 설치 및 정비

국민안전처

제주특별자치도 설치 및 국제자유도시

조성을 위한 특별법제주도지역

-제주도에서 지하수를 개발하는 자는 시도지사 허가

국토교통부

국방군사시설사업에

관한 법률국방군사시설 -군사목적상 필요한 지하수시설 국방부

■표 1-7 지하수 개발 및 이용 관련 법률 현황

지하수법 에서 관리되는 지하수의 범위는 ‘타법에 의해 적용을 받지

않는 지하수’로 한정되어 있다. 따라서 타법의 규정이 지하수법에 우선한

지하수오염 관리 및 정화기술

- 24 -

다. 2010년 말 현재 지하수법 에 의해 관리되는 지하수 개발이용시설은

총 시설의 80%인 1.1백만 개소이며, 연간 이용량은 전체 이용량(38억 m3/

년)의 87%에 해당하는 33억 m3/년이다(표 1-8).

■표 1-8 지하수법 에 따른 지하수이용시설 관리현황(2010년 자료)

구 분 총 계 지하수법 관리대상

기 타*소 계 허가시설 신고시설

시설수천개소 1,381 1,104 25 1,079 277

비율(%) 100 80 1.8 78.2 20

이용량백만m3/년 3,807 3,298 469 2,829 509

비율(%) 100 87 12 74 13

* 온천법 , 먹는물관리법 , 제주특별자치도 설치 및 국제자유도시조성을 위한

특별법 에 의해 인허가를 받은 시설 및 개정 지하수법(2002)에 의거 신고시

설로 전환되지 못한 시설을 포함하여 집계한 것임

출처: 지하수관리기본계획 2012(국토해양부)

4.3 지하수수질 관련 법률

지하수개발이용과 마찬가지로 지하수수질관리에 있어서도 다양한 법의

적용을 받고 있다. 예를 들어, 음용지하수수질과 관련된 법규로는 먹는물

관리법 (먹는물공동시설, 먹는 샘물), 지하수 수질보전 등에 관한 규칙

(타 법에 적용을 받지 않는 음용시설), 수도법 (각종 상수도 및 소규모

급수용 지하수), 학교보건법 (학교 음용수 급수용 지하수), 식품위생법

(식품/식품첨가물제조 및 식품접객업용 지하수), 온천법 (음용 온천수),

민방위기본법 (민방위 급수용 지하수) 등이 있고, 비음용지하수수질과 관

련된 법규로는 지하수법 (타 법에 적용을 받지 않는 비음용시설), 온천

제1장 지하수 개론

- 25 -

법(비음용 온천수), 공중위생관리법 (목욕장 욕수용) 등이 있으며, 이들

법률의 소관 부처는 환경부, 행정자치부, 국민안전처, 보건복지부, 교육부

등 다양하다(표 1-9).

법령 대상 지하수 지하수수질관련 규정내용 관장 부처

지하수법(지하수 수질보전 등에 관한 규칙)

타법에 적용받지 않는 모든 지하수

- 지하수질 보전과 정화에 관한 사항- 수질검사에 관한 사항- 비음용수 수질기준

국토교통부

수도법 각종 상수도 및

소규모급수 용 지하수- 수질검사에 관한 사항 환경부

먹는물 관리법먹는샘물

먹는물공동시설

- 음용수 수질기준- 먹는샘물, 먹는물 공동시설 수질검사에 관한 사항

환경부

식품위생법식품접객업, 식품 및 식품첨가물 제조용

지하수- 수질검사에 관한 사항 식품의약품안전처

영유아보육법 어린이집 - 수질검사에 관한 사항 보건복지부

공중위생관리법 목욕장용지하수- 수질검사에 관한 사항- 수질기준

보건복지부

농어촌정비법 농어촌 지하수 - 농어촌 지하수 수질관리 농림축산식품부

민방위기본법 비상급수용지하수 - 수질검사에 관한 사항 국민안전처

체육시설의 설치․이용에 관한

법률수영장용수

- 수질검사- 수질기준

문화체육관광부

관광진흥법물놀이형 유기시설 및

유기기구용 용수- 수질검사- 수질기준

문화체육관광부

학교보건법 학교음용수 급수용 - 수질검사에 관한 사항 교육부

온천법 온천수- 수질검사에 관한 사항- 온천수수질기준

행정자치부

■표 1-9 지하수 수질 관련 법령 현황

지하수법 시행규칙 에 의하면 지하수개발이용허가 신청서에 지하수를

용도별로 생활용수, 공업용수, 농/어업용수로 구분하도록 되어 있으며, 특

히 이들 지하수가 음용으로 이용될 경우에는 별도로 음용임을 표시하도록

하고 있다. 음용으로 이용되는 지하수는 먹는물관리법 의 먹는물수질기

지하수오염 관리 및 정화기술

- 26 -

준을, 그리고 비음용으로 이용되는 경우는 지하수법의 하위 규정인 지하

수의 수질보전 등에 관한규칙 에 의하여 각각의 용도별 수질기준을 적용

받는다. 단, 생활용수, 농/어업용수, 공업용수로 이용되는 경우라도 음용으

로 이용될 경우에는 먹는물수질기준을 적용받는다. 따라서 지하수는 음용

수와 비음용수로 구분되며, 비음용수는 다시 생활용수, 농/어업용수, 공업

용수로 구분된다.

이들 수질관련 법규들이 관할하는 대상 지하수를 공적인 용도와 사적인

용도 그리고 영업용으로 구분하면 수도법 , 학교보건법 , 민방위기본법

적용지하수와 먹는물관리법 의 먹는물공동시설 지하수는 공공에게 공급

하기 위한 공공용이라고 할 수 있다(표 1-10). 반면, 식품위생법 , 온천법 ,

공중위생관리법 적용지하수와 먹는물관리법 의 먹는 샘물 제조용 지하

수는 대체로 영리를 위한 용도라고 할 수 있다. 반면 개인이나 법인이 자

체적인 이용을 위하여 개발한 지하수들은 지하수법 의 적용을 받는다.

■표 1-10 공적용도, 개인용도, 영업용도에 따른 지하수수질 관련 법규 구분

공공용도 기타 시설* 영리용**

음용

․ 먹는물관리법 (먹는물공동시설)․ 수도법 (각종 상수도 및 소규모 급수시설)․ 학교보건법 (학교음용수급수시설)․ 민방위기본법 (음용비상급수)

․ 지하수법 (음용)

․ 먹는물관리법 (먹는 샘물)․ 식품위생법 (식품 및 식품첨가물 제조가공업, 식품접객업용)․ 온천법 (음용온천수)

비음용․ 민방위기본법 (생활용 비상급수)

․ 지하수법 (생활용, 농/어업용, 공업용)

․ 온천법 (온천욕용)․ 공중위생관리법 (목욕장욕수용)

* 대부분의 개인용 관정이 여기에 해당한다.

** 일반적인 상황에 대한 분류이기 때문에 꼭 맞는 것은 아니다.

( ) 대상 지하수

1절 지하수오염 및 오염원

2절 오염물질의 이동

3절 지하수 수질기준

4절 국내지하수 오염 현황

제2장 지하수오염 개론

제2장 지하수오염 개론

- 29 -

제 2 장 지하수오염 개론

1. 지하수오염 및 오염원

지하수가 흘러가면서 함유되어 있는 입자상물질 등이 토양층에 여과되

기 때문에 지표수에 비하여 지하수는 부유물질이 매우 적고 더 깨끗하다.

그러나 깨끗하게 보이는 지하수에도 자연적 또는 인위적 기원의 오염물질

들이 포함되어 있을 수 있다. 보통 대수층에는 각종 중금속들이 포함되어

있고 지하수가 오랜 기간 대수층과 접촉함에 따라 경우에 따라서 지질기

원 중금속들의 농도가 크게 높아지기도 한다. 또한 산업 활동, 도시 활동,

농업 활동, 주거/생활 등과 같은 인간의 활동에 의해서 지하수의 수질은

영향을 받는다. 지하수오염은 유류저장탱크의 누유나 독성물질 누출 등에

의해 발생할 수 있으며, 화단이나 농경지에 뿌려진 농약이나 비료가 지하

수면에 도달하여 발생할 수도 있다. 정화조나 매립장의 누출로 지하수에

박테리아가 유입되는 경우도 있다. 따라서 지하수에서는 지표수에서 관찰

될 수 있는 대부분의 오염물질이 관찰된다. 본 절에서는 지하수에서 관찰

되는 오염물질들과 그들의 독성 및 오염원에 대하여 알아보도록 한다.

1.1 토지이용별 지하수 잠재 오염원들

표 2-1은 지하수의 주요 오염원들을 토지이용별로 구분한 것이다.

지하수오염 관리 및 정화기술

- 30 -

토지분류 오염원

농업가축(동물)매몰지

가축(동물)사육장

비료저장 및 살포

관개지역

분뇨살포지/구덩이

농약저장 및 살포

상업

비행장

자동차정비소

보트 보관/정비소

건설현장

세차장

공동묘지

드라이클리닝(세탁소)

주유소

골프코스

보석/금속도금

셀프세탁소

의료기관

페인트샵

사진인화

기차선로, 기차 주차/정비소

연구실험실

고철/폐품 처리장

저장탱크

산업

아스팔트 공장

화학제품제조/보관

전자제품제조

전기도금

주물공장/금속조립

금속기계샵

광산개발/광산배수

석유생산 및 저장

파이프라인

정화池/슬러지 처분장

저장탱크

독성 유해물질 누출

우물(사용공 또는 방치공)

목재보관시설

주거

연료유

가구칠

가정 발생 유해물질

가정 잔디밭

정화시스템, 정화조

하수관망

수영장 (약품 저장)

기타

유해폐기물매립장

도시소각로

도시매립장

도시하수관망

개방식 소각장

재활용 시설

도로 제설

도로관리창고

폭우배수/배수지

환승정거장

US EPA: United States Environmental Protection Agency

■표 2-1 미국 환경보호국(US EPA, 1991)이 토지이용에 따라 분류한 주요

잠재오염원들

1.2 지하수 오염물질별 오염원인 및 독성

다음은 지하수에서 관찰되는 주요 오염물질들의 기원 및 위해성을 정리

한 것이다.

(가) 지하수에서 관찰되는 무기오염물질(표 2-2, 2-3)

제2장 지하수오염 개론

- 31 -

오염물질 오염기원 위해성

알루미늄주로 지질기원. 몇몇 암종과 산성광산배수 등과 관련

탁도를 증가시킴. 인체에 별다른 독성은 없으나 식물생장에는 영향. 치매를 유발한다는 주장도 있음.

안티모니암석의 풍화, 정유, 생활폐기물, 발화지연제 생산, 세라믹, 유리, 전지, 폭죽, 폭발물 생산

혈액 내 콜레스테롤을 높이고 글루코스를 낮춤.

비소암석의 풍화, 토양으로부터 탈착, 산업활동, 산업폐기물, 농약, 금속(구리, 연, 아연)제련.

피부, 신장, 간, 순환기계의 손상. 1급 발암물질.

베릴륨자연적 기원. 인위적 기원: 전자산업, 핵발전, 우주산업 등에 종종 이용. 광산 채광 및 선광, 부적절한 폐기 등

급성 만성 독성; 장, 폐와 뼈의 손상 가능성. 발암의심물질.

카드뮴

암석, 석탄, 석유 등에서 낮은 농도로 관찰, 산성용액에 의해 용출. 산업폐수, 광산폐기물, 금속도금, 도금관의 부식, 전지, 페인트, 안료, 매립장 침출수 등을 통하여도 환경에 배출됨.

몸에서 아연을 생화학적으로 치환하며 고혈압, 간/신장의 손상 및 빈혈 야기. 고환조직과 적혈구 파괴. 수생생물에 독성.

크롬

광산활동, 화석연료연소, 시멘트공장 배기가스, 광물처리, 폐기물 소각 등에서 발생. 안료, 금속도금이나 냉각탑의 첨가제로도 사용된다.

3가 크롬은 영양학적으로 유용함. 6가 크롬은 독성이 있으며, 신장과 간에 손상을 줌. 고농도에서는 내부 출혈, 호흡기 손상, 피부염, 피부궤양 등도 초래.

구리금속도금, 산업/가정 폐기물, 광산활동, 광물처리 등과 관련

위나 장의 장애, 간과 신장의 손상, 고농도 섭취시 빈혈을 초래. 좋지 않은 물맛. 의복에 얼룩. 필수미량원소이나 농도가 높으면 식물과 조류에 독성.

철자연적으로 발생하나, 광산, 산업폐기물, 금속의 부식 등에 의해서도 발생.

좋지 않은 물맛. 세탁물의 갈색 변색. 철 자체의 독성은 크지 않음. 철농도가 높은 물은 다른 중금속의 농도도 높아지는 경향

납산업활동, 광산, 배관, 가솔린, 석탄, 그리고 물첨가물 등으로부터 자연으로 배출됨.

적혈구에 영향. 유아 및 아동의 경우 근력과 정신 발달 지연. 아동의 주의지속시간, 청취력, 학습능력 등이 다소 저하됨. 성인은 혈압 상승. 발암의심물질

망간자연상에서 광물의 형태로 나타남. 광산과 산업폐기물에서도 발생.

심미적인 영향물질. 세탁물에 갈색얼룩. 물의 맛에 영향. 배관접합부에 암갈색 또는 검은 얼룩. 고농도에서도 동물에는 독성이 크지 않으나, 식물에는 독성이 있음.

수은무기염 또는 유기화합물로 나타남. 산업폐기물, 광산활동, 농약, 석탄, 전기제품(전지, 전등, 스위치), 제련, 화석연료연소.

만성/급성 독성을 야기. 신장과 신경계 장애 초래.

니켈토양, 지하수, 지표수에 자연적으로 나타남. 간혹, 전기도금, 스테인리스 제품, 광산활동, 정제공정 등에 사용됨.

동물실험에서 평생 고농도로 노출되었을 때 심장과 간에 손상

셀레늄지질기원, 특히, 석탄과 관련.정유공장/광산 폐수, 광상의 풍화

영양학적으로 필수원소이나 과다섭취시 독성. 모발/손톱의 손실. 손끝/발끝의 무감각, 순환기 문제

탈륨(Thallium)

지질기원 및 인위기원; 전자제품, 의약품 생산, 유리, 합금 등과 관련

동물을 평생 고농도에 노출시켰을 때, 신장, 간, 뇌, 장 등이 손상.

아연자연적으로 발생, 특히 광산주변에서 많이 관찰. 산업폐기물, 금속도금, 배관, 슬러지 등과 관련

상처치료에 도움. 아주 높은 온도가 아니면 건강적인 영향은 없음. 좋지 않은 물맛. 식물에 독성.

■표 2-2 무기오염물질(중금속 포함)들의 오염기원 및 위해성

지하수오염 관리 및 정화기술

- 32 -

오염물질 오염기원 위해성

바륨암석, 토양 등에서 자연 발생. 시추폐기물, 금속정제.

심장, 위장, 신경 등에 장애를 초래할 수 있음. 혈압상승.

염소이온농도가 높을 경우 Na와 같이 나타남. 종종 염수침투, 광물용해, 산업/가정 폐기물로부터 발생.

배관이나 수도관의 부식, 고농도일 경우 맛도 느낄 수 있다.

시안전기도금, 철강제조, 플라스틱, 합성섬유, 비료생산 등에 종종 사용되며, 부적절한 폐기물처리에 의해서도 발생한다.

중독되면 비장, 뇌, 허파에 손상을 준다.

용존고형물

자연적인 요인과 매립장 침출수, 가축사육장, 하수 등과 같은 인위적인 원인에 의해서도 발생. 주로 용존 염류나 용존 광물질이나, 용존 유기물도 포함됨.

심미적인 영향물질. 이의 수치가 높으면 먹는물에 부적합한 특정 물질이 과도하게 녹아 있을 수 있음을 의미. 과도하면 스케일이 발생되어 온수난방기의 수명 단축.

불소자연적/인위적 발생. 산업에 광범위하게 이용. 일부 국가에서는 치아건강을 위해 상수도에 첨가하기도 함.

충치발생을 억제하나, 치아의 변색 또는 반상치가 야기되기도 함. 고농도에서는 골/관절 석회화와 같은 골 장애 초래.

경도주로 탄산칼슘에 의해 발생. 석회석의 용해나 광산배수 등에 의해 발생.

비누거품발생 감소, 보일러나 온수 난방기에 스케일발생

질산성질소

농경, 축산활동, 하수누출 등과 밀접하게 관련. 호기조건에서 안정한 형태의 질소화합물. 광범위하게 개발된 지역에서도 높은 농도를 보임.

유아는 혈액의 산소전달능력 저하로 청색증 유발. 지표수계에 유출시 부영양화

아질산성질소

질산성질소의 탈질이나 암모니아성질소의 질산화과정 중 발생

유아는 혈액의 산소전달능력 저하로 청색증 유발. 지표수계에 유출시 부영양화

암모니아성 질소

유기물의 분해, 비료사람이나 포유동물에는 크게 문제되지 않음. 지표수계에 유출시 부영양화. 어류 등 수생동물에는 강한 독성.

은광석채광 및 처리과정 중 환경에 유출. 사진현상, 전기/전자장비, 은도금/전기도금, 합금, 납땜 등에 사용.

만성적으로 노출되었을 때 피부, 점막, 안구, 장기가 청회색으로 염색되는 은침착증 야기.

나트륨

암염(rock salt)의 용출이나 광물의 풍화, 염수침투 등과 같이 지질학적으로 발생될 수도 있으며, 제설제, 하수, 세제 등과도 관련.

저염식을 하는 사람들의 건강에 영향을 줄 수 있음.

황산이온염수침투, 광물용해, 산업/가정폐기물 등에 의해 발생

보일러나 열교환기에 스케일을 형성. 물맛 변질, 고농도섭취 시 설사

석면 석면함유 암석의 풍화 발암물질. 양성내장용종의 발생 위험 증가.

■표 2-3 무기오염물질들(기타)의 오염기원 및 위해성

(나) 유기오염물질

유기오염물질들에 의한 오염은 대부분 인간의 활동에 의한 것이라고 할

수 있다(표 2-4).

제2장 지하수오염 개론

- 33 -

Ÿ 휘발성유기화합물(VOCs, volatile organic carbons): 25°C, 1기압에서

0.13kPa이상의 증기압을 가지고 있는 유기물질로 벤젠, 톨루엔, 크실

렌, 에틸벤젠, 1,1-디클로로에탄, 트리클로로에틸렌(TCE), 1,1,1-트리

클로로에탄, 테트라클로로에틸렌(PCE), 디클로로메탄 등이 우리나라

먹는물관리법으로 관리하는 VOC류이다.

Ÿ 염소계 유기용매(chlorinated organic solvent): 염소가 붙어 있는 유

기용매로 큰 독성을 갖는다. 우리나라의 먹는물수질항목 중에는 1,1-

디클로로에탄, TCE, 1,1,1-트리클로로에탄, PCE, 디클로로메탄 등이

여기에 해당한다.

Ÿ NAPL(nonaqueous phase liquid; 비수용상 액체): 물과 쉽게 섞이지

못하는 액체를 말한다. 물보다 비중이 큰 DNAPL과 물보다 비중이

작은 LNAPL로 구분된다. 비수용상 액체가 유출되었을 경우

LNAPL은 지하수면에 떠서 지하수의 흐름방향을 따라 이동하는 반

면, DNAPL은 공극을 따라 지하수면 아래로 계속 내려가고 최종적

으로는 대수층 바닥의 경사를 따라 흐르게 된다(그림 2-1). 이 때문

에 DNAPL은 지하수 흐름의 역방향으로 흘러가기도 하며 오염범�