Hydrogeochemical characteristics and source apportionment in the upper Nakdong River

Abstract

In the upstream of Andong Lake, many mines are scattered and can exhibit different hydrogeological characteristic. Therefore, it is necessary to understand river by geochemical factors such as major element, trace element, and isotopes. In this study, PCA was used for figuring out sources which characterize the upper stream chemistry and then isotopic compositions (sulfur, oxygen stable isotopes of sulfate and strontium isotopes) were analyzed for tracing contaminant sources. In October 7 to 9, 2015, thirty three water samples were collected which were including the samples of seven mine tributaries. Major Anions, major cations, trace elements and water isotopes were analyzed and this results were divided into four groups by PCA; first, the chemical composition of the river is mainly dominated by chemical weathering. Second, it shows ‘Excess sulfate’ in the samples of the main stream near a Zn∙Cd smelter. Third, it is thought that the upper part of study area is affected by domestic pollutants. Fourth, the samples collected Janggun mine tributary and after a junction of this tributary show different patterns from other points because of carbonate bedrock. However, the estimation of pollutants based on river chemistry provides information not of exact pollution sources but only of general chemical variation. After above conclusions, fifteen water samples covering five mine tributaries were collected on July 20 to 22, 2016 and May 27 to 28, 2017. Sulfur, oxygen isotopes of dissolved sulfates and dissolved strontium isotopes also were analyzed. The results of the analysis show that there are two sources of sulfates in the upper Nakdong River. The densely populated residential area in the Taebaek can releases sulfates into rivers, the beginning of the Nakdong River. This input also determines the sulfur and oxygen isotopic compositions with another source produced in some coal mine at the uppermost area. As the river progresses downstream, the area of residence decreases, and the composition of sulfur and oxygen isotopes changed due to the inflow of various tributaries. The dissolved sulfate gradually reflects the isotopic composition of the soil organic S. The degree of reflection could be influenced by hydrological characteristics. In contrast, the strontium isotopic ratios are classified according to the bedrock and the effects of other pollutants on the ratios are not seen. ; 안동호 이상의 낙동강 상류에는 다수의 광산이 산재하고 있어 하류와는 다른 수리지화학적 특성을 보일 수 있다. 따라서 주 원소, 미량 원소, 동위원소 등의 지구화학적 요소를 활용하여 하천을 이해하는 것이 필요하다. 이 연구에서는 낙동강 최상류 수계를 대상으로 강의 수리지화학적 특성을 결정하는 요인을 파악하기 위하여 화학조성 분석과 주성분 분석을 실시하였으며, 광산지역에서 효과적인 오염 지시자로 사용 될 수 있는 황산염의 황과 산소 동위원소 및 스트론튬 동위원소를 적용해 인위적 오염원을 규명하고자 했다. 2015년 10월 7일부터 9일에 7개의 광산지류와 본류를 대상으로 33개의 하천수 시료를 채취하였다. 주 원소 및 미량 원소 분석 결과와 주성분 분석결과를 통해 수계의 영향을 미치는 요인을 총 4가지로 구분하였다. 첫 번째, 수계는 주로 화학적 풍화에 의해 그 조성이 지배된다. 두 번째, 제련소 인근 본류 이후 높은 ‘황산염 부화’와 중금속 농도의 증가 경향은 광업 산업에 의한 영향을 지시한다. 세 번째, 연구지역 상류는 밀집된 주거지역에 의한 인위적 오염원에 의한 오염이 있는 것으로 판단된다. 네 번째, 장군광산 지류로부터 유입되는 지류는 광산의 기반암인 석회암의 영향을 받아 다른 광산지류와는 다른 패턴을 보인다. 그러나 화학 조성의 농도에 기반 한 오염원의 추정은 수계의 조성의 전반적인 정보를 제공하지만 정확한 오염원을 지시하지 못하는 한계를 가졌다. 이와 같은 결과를 바탕으로 2016년 7월 20일부터 22일과 2017년 5월 27일부터 28일 사이에 수계에 영향을 미칠 것으로 예상된 광산지류 4곳을 포함하여 총 15지점의 하천수를 채취하였다. 시료의 주 원소를 비롯해 오염원을 특정하기 위하여 용존 황산염의 황과 산소 안정동위원소와 스트론튬 동위원소 비를 분석하였다. 분석결과를 통해 낙동강 상류에는 두 가지의 황산염 유입원이 있음을 확인하였다. 먼저 연구지역 최상류인 태백 지역에는 거주지역이 밀집되어 있으며 이 거주지역의 생활하수 및 농업하수로부터 하천에 황산염이 유입된다. 이렇게 유입된 황산염은 상류의 광산으로부터 생성된 황산염과 함께 하천의 황과 산소 동위원소 조성을 결정한다. 이후 강이 하류로 진행함에 따라 주거지역이 감소하고 여러 광산 지류가 합류된다. 이에 따라 강의 황과 산소 동위원소의 조성은 지류로부터 유입된 토양 황산염의 동위원소 조성에 가깝게 진화하게 된다. 그러나 이러한 진화의 정도는 해당 시기의 수리수문학적 특성에 의해 영향을 받는 것으로 나타났다. 스트론튬 동위원소 비는 기반암의 변화를 뚜렷하게 반영했으며, 동위원소 조성에서 다른 오염원의 영향이 보이지 않았다.