서 론
온천법 제2조에 의하면, 온천수는 ‘지하로부터 용출되는 25°C 이상의 온수로서 그 성분이 인체에 해롭지 아니한 것’으로 정의되어 있으며, 온천수 온도는 일반적으로 그 해당지역의 연평균 기온 보다 5°C 이상 높다(Kim, 2007). 온천수는 기상수, 해수/지층수, 마그마수, 그리고 광물 성분을 포함한다(Ellis and Mahon, 1964; Seyfried and Bischoff, 1981). Chon et al.(1998)에 의하면, 온천은 화산성 온천과 비화산성 온천으로 나누어진다. 세계적으로 많은 온천들은 화산활동과 밀접하게 관련되는 화산성 온천이다(Du et al., 2005; Papp and Nitoi, 2006; Sanada et al., 2006; Liu et al., 2011). 한편, 비화산성 온천은 우리나라와 같이 지판의 수렴경계부에서 비교적 멀리 떨어져 있고, 안정된 대륙내에서 화산과는 직접적인 관련 없이 산출하는 온천은 비화산성 온천에 속한다(Kim, 2007). 우리나라의 비화산성 온천은 잔류마그마형 온천과 심부지하수형 온천으로 분류할 수 있다(Tamanyu, 1985; Lee et al., 2014; Jeon et al., 2018). 잔류마그마형 온천은 지질시대 상으로 대체로 중생대~신생대의 화성활동에 의한 심성암의 관입으로 인한 상대적으로 높은 지열에서 유래하는 온천이고, 심부지하수형 온천은 일반적인 지온구배에 의해서 지하 심부에서 데워진 비교적 저온의 온천이다. 잔류마그마형 온천은 대체로 35°C 이상의 높은 온도를 보이며, 동래온천, 해운대온천, 부곡온천, 마금산온천, 백암온천, 덕구온천, 온양온천, 유성온천, 수안보온천 등이 이에 속한다(Lee et al., 2014). 이에 비해서 심부지하수형 온천은 대체로 25~30°C의 낮은 온도를 가지며, 대체로 1981년에 온천법이 발효된 이후에 개발된 온천들이 이에 속한다.
Ministry of Interior(1983)에는 동래온천의 현황과 역사가 제시되어 있다. 그 이후 동래온천의 물리학적 또는 화학적인 특성에 대해서 여러 연구들이 수행되어 왔다(Han et al., 1999; Lee et al., 2008; Jeong et al., 2008; Jeon et al., 2018). Lee et al.(2008)에 의하면, 동래온천수는 화강암과 해수의 반응과 함께 매우 오래된 지하수(paleo-groundwater)에서 유래한다고 추정하였다. 또한 Lee et al.(2009), Lee et al.(2016)은 14C 연대 측정을 통해서 동래 온천수의 연령을 기원전 1401~2979년으로 제시하였다. Sung et al.(2001)은 동래온천수가 심부로 순환하는 해수와 모암간의 상호반응의 영향을 받았다고 판단하였다. 한편, Jeong et al.(2008)은 영족기체(He, Ar, Ne) 동위원소, 안정동위원소 그리고 삼중수소 자료로 부터 동래온천수가 8.85 TU의 높은 삼중수소 함량을 보여서 체류기간이 오래되지 않은 젊은 연령의 온천수임을 지시하며, 해수 혼입의 영향을 받고 있다고 보고하였다. Han et al.(1999)은 동래온천의 수질 자료로부터 지열 대수층의 온도를 약 130°C 그리고 깊이를 4.1 km로 산정한 바 있다. Jeon et al.(2018)은 1992년부터 2018년 7월까지의 장기적인 온천수 수위 변동 자료, 온천수 이용량, 강수량 자료로부터 온천수 사용량이 동래온천의 수위 변화의 주요 원인임을 제시하였다.
동래온천에 대해서는 일제강점기 자료(Komada, 1923; Ministry of Interior, 1983)부터 온천법 발효 이후 한국지질자원연구원(KIGAM, 1992), (주)하나엔지니어링(Hana Engineering, 2003, Hana Engineering, 2005, Hana Engineering, 2009, Hana Engineering, 2014), (주)중앙온천연구소(Korea Jungang Hot Spring Institute, 2019) 등의 수질자료들이 축적되어 있다. 그러나 동래 온천에 대한 수질분석값은 장기적인 수질 변동에 대한 평가 이루어지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 1922년부터 오랜 기간 동안 축적된 동래온천 수질 자료를 바탕으로 온천수 수질성분의 장지적인 변동 특성을 파악하고자 한다.
동래온천의 개요
동래온천은 신라시대(BC 57- AC 936)부터 알려져 왔고, 일제 강점기부터 본격적으로 개발되었다. 1920년도에 43개의 온천공이 개발되었고, 1926년에는 공유공 하나만을 개발하여 배분하고 개인 소유공은 모두 폐쇄시켰다. 1942년도에 동래 온천주식회사가 설립되고, 1946년도에 부산시가 회사를 인수하게 되었다. 1970년대에는 토지소유권자들이 온천공을 개발하여 40여개 이상의 온천공이 개발되자, 1970년 7월부터 동래온천지역을 관광지구로 고시하여 온천의 신규개발을 억제하였다. 1981년 9월부터 온천법에 의해 관광지구를 온천지구로 지정 고시하여 모든 지하 굴착행위를 규제하고 기존 온천공들을 관리하게 되었다.
부산광역시 상수도사업본부의 동래구 지하수관리대장에 의하면, 온천지구내에는 총 34개소의 온천공(현재 사용하고 있는 이용허가공은 23개소이고, 예비공은 11개소)이 분포하고 있으며(Fig. 1), 부산시 양탕장의 온천공(관리대장 4번공)은 폐공처리되었다(Table 1). 동래온천 온천공의 착정심도는 107~280 m의 범위이며, 총 이용허가량은 3,252 m3/day이다.
Table 1.
Specification of the wells in Dongrae Hot Spring district
동래온천지구는 경도 129° 04′32″~129° 05′10″, 위도 35° 13′05″~ 35° 13′32″범위로써 행정구역상으로는 부산광역시 동래구에 속한다. 서쪽으로는 부산광역시 금정구와 경상남도 양산시 동면 경계를 이루는 금정산(해발 801 m)과 인접하고 있으며, 동쪽으로는 금정산의 북동쪽으로부터 구월산을 거쳐 안락동에 이르러 수영강과 합류하는 온천천과 접하고 있다(Fig. 1).
연구지역의 지질은 하부로부터 이천리층, 유천층군, 불국사 관입암류, 맥암류, 그리고 제4기 충적층으로 구성되어 있다(Son et al., 1978). 유천층군은 하부로부터 안산암류와 화산력 응회암으로 구성되며, 이들을 관입한 불국사 화강암류는 하부로부터 섬록반암, 화강섬록암, 각섬석 화강암, 그리고 흑운모 화강암으로 구성된다. 또한, 이들을 관입한 맥암류가 나타나며 그 상부는 제4기 충적층으로 피복되어 있다. 맥암류와 충적층 사이에는 부정합이 존재한다.
온천수 수질 특성
온천수나 지하수의 지화학적 특성은 그 지역의 지하수와 물ㆍ암석 반응에 따라 지배되며, 수소이온농도, 산화환원 전위, 온도 등과 같은 수리지화학적 조건에 의해 영향을 받는다(Kim and Choi, 1998). 일제강점기 자료(Komada, 1923; Ministry of Interior, 1983)부터 온천법 발효 이후 한국지질자원연구원(KIGAM, 1992), (주)하나엔지니어링(Hana Engineering, 2003, Hana Engineering, 2005, Hana Engineering, 2009, Hana Engineering, 2014), (주)중앙온천연구소(Korea Jungang Hot Spring Institute, 2019), Lee et al.(2008) & Jeong et al.(2008) 등의 동래온천수 화학성분(수온, 전기전도도, pH, K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+, Li+, Sr2+, Cu2+, Pb2+, Zn2+, SiO2, Cl-, SO42-, F-, HCO3-)의 평균값은 Table 2와 같다. 동래온천수의 온도는 51~68°C이고 평균값은 59.3°C이다. Jeong et al.(2008)에 의하면, 동래온천수는 고온형 온천(50°C 이상)으로 분류된다. pH는 7.5~8.3을 보이며, 평균값은 7.9로서 약염기성을 나타낸다. 수온과 pH의 상관계수(R)는 0.5로서 상관성이 있는 편이다(Table 3). 지하수가 지하 심부로 유동할수록 pH는 높아지는 경향성을 가지며, 따라서 동래온천수가 지하 심부에서 유래함을 지시한다. 동래온천수의 전기전도도(EC)는 1,269.0~1,821.1 µS/cm이며, 평균값은 1,499.3 µS/cm이다. 이는 동래온천이 해안 근처에 위치하기 때문에 해수의 혼합의 영향을 받기 때문으로 보인다(Jeong et al., 2008).
Table 2.
Statistics of the chemical components in Dongrae Hot Spring water
Table 3.
Correlation coefficient between the chemical components in Dongrae Hot Spring water
Na+ 농도는 172.0~243.0 mg/L를 보이며, 평균값은 210.7 mg/L이다. Na+ 농도와 수온의 상관성은 R=0.65로서 비교적 높은 편이다. Ca2+ 농도는 47.0~143.0 mg/L를 보이며, 평균값은 64.1 mg/L이다. K+ 농도는 3.2~40.7 mg/L를 보이며, 평균값은 9.9 mg/L이다. 자연상태의 물에서 K+은 K-장석이 카올리나이트 변질되거나 운모류의 변질 과정에서 기원된다(Saether and De Caritat, 1997). Mg2+ 농도는 0.1~3.5 mg/L를 보이며, 평균값은 1.1 mg/L이다. SiO2 농도는 29.2~51.7 mg/L를 보이며, 평균값은 43.9 mg/L이다. SiO2 농도와 수온의 상관성은 없는 것으로 나타난다(Table 3). 자연상태의 물에서 SiO2는 사장석, 정장석과 같은 규산염광물의 용해로부터 유래하며(Hem, 1985), 동래온천 지역에서는 지하 심부의 고온의 온천수와 천부의 일반 지하수의 혼합의 영향을 받고 있음을 지시한다(Han et al., 1999).
Cl- 농도는 267.4~454.0 mg/L를 보이며, 평균값은 347.5 mg/L이다. Cl- 농도와 수온의 상관성은 R=0.62로서 비교적 높은 편이다. 자연상태에서 Cl-은 염수, 흑운모, 각섬석과 같은 규산염광물의 수화반응 그리고 유체포유물로부터 유래한다(Nordstrom et al., 1989). 동래온천의 Cl-은 온천수와 기반암의 물-암석반응과 고염수(paleo-seawater)와 관련되는 것으로 보인다(Lee et al., 2016). SO42- 농도는 46.0~78.4 mg/L를 보이며, 평균값은 65.3 mg/L이다. HCO3- 농도는 11.6~262.0 mg/L를 보이며, 평균값은 83.0 mg/L이다. 한편 F- 농도는 0.50~2.40 mg/L를 보이며, 평균값은 1.53 mg/L이다.
온천수의 미량원소인 Fe2+, Mn2+, Li+, Sr2+, Cu2+, Pb2+, Zn2+ 농도를 보면, Fe2+농도는 0.01~0.40 mg/L를 보이며, 평균값은 0.11 mg/L, 0.09 mg/L이다. Mn2+농도는 0.01~0.02 mg/L를 보이며, 평균값은 0.02 mg/L이다. Li+ 농도는 0.08~0.77 mg/L로서 평균값은 0.21 mg/L이다. Sr2+ 농도는 0.21~1.10 mg/L이며, 평균값은 0.78 mg/L이다. Cu2+ 농도는 0.01~0.15 mg/L를 보이며, 평균값은 0.06 mg/L이다. Pb2+ 농도는 0.02~0.03 mg/L를 보이며, 평균값은 0.03 mg/L이다. 한편, Zn2+ 농도는 <0.01~0.13 mg/L를 보이며, 평균값은 0.06 mg/L이다.
상기 동래온천수 수질 특성에 의하면, 동래온천수는 일반 지하수와는 달리 지하 심부의 기반암으로부터 유래한다는 것을 알 수 있다. 또한 동래온천의 지리적인 조건에 의해서 해수(seawater) 또는 고염수(paleo-seawater) 혼합의 영향을 받고 있는 것으로 보인다(Jeong et al., 2008; Lee et al., 2016). 또한, 1922년부터 2019년까지 시간경과에 따른 동래온천수의 수질유형을 파이퍼도에서 파악하면, 모두 Na-Cl형에 속한다(Fig. 2). 이는 동래온천수의 수질이 장기적으로 안정된 상태에 있음을 지시한다.
동래온천수 수질 변동 특성
동래온천에서 1922년부터 2019년 사이에 총 16회에 걸쳐서 분석된 모든 수질자료의 시기별 평균값을 토대로 장기적인 따른 수질 변동을 Mann-Kendall분석(Mann, 1945; Kendall, 1975)과 Sen의 기울기(Sen, 1968)에 의해서 추세 분석하였다(Table 4). 분석 항목은 온도와 전기전도도(EC) 값 그리고 Na, K, Ca, Mg, Cl, SO4, HCO3, SiO2 농도이다(Fig. 3).
Table 4.
Temporal physicochemical properties of Dongrae Hot Spring
ND means not detected. 1, Komada et al. (1923); 2, 3, 4, 5, Ministry of Interior (1983); 6, Lim et al. (1992); 7, KIGAM (1992); 8, Lim et al. (1996); 9, Han et al. (1999); 10, Sung et al. (2001); 11, Hana Engineering (2003); 12, Hana Engineering (2005); 13, Lee et al. (2008) & Jeong et al. (2008); 14, Hana Engineering (2009); 15, Hana Engineering (2014); 16, Korea Jungang Hot Spring Institute (2019).
온도는 1922년 68°C를 기록한 이후, 변동을 보이지만 2009년 이후에는 대체로 60°C 정도를 보인다. 1940년에 가장 낮은 51°C를 보였는데, 이 값은 측정 오류이거나 직수가 아닌 온천수가 식은 이후에 온도를 측정하였기 때문이라고 추정된다. Sen의 기울기는 0.069로서 매우 약한 증가 추세를 보이고 있다.
EC값은 1991년에 1,821 µS/cm에서 점차 하강하다가 2004년부터 상승하는 추세를 보이고 있으며, 2019년에는 약 1,440 µS/cm를 보인다. Sen의 기울기는 -56.516으로서 상당한 감소 추세를 보이고 있다. Na+ 농도는 1996년에 최고값(243 mg/L)을 보였으나, 2000년 이후에는 대체로 195~210 mg/L를 보이고 있다. Sen의 기울기는 -1.07로서 EC 값과 비슷하게 감소 추세를 보인다. K+ 농도는 1970년 이전에는 상당히 큰 폭의 변동을 보이나, 1982년 이후부터 2019년 까지는 대체로 5~6 mg/L를 보인다. 다만, 2009년에 12.4 mg/L로서 상대적으로 크게 변동하였다. Sen의 기울기는 -0.167로서 감소 추세를 보인다. Ca2+ 농도는 1970년 이전에는 상당히 큰 폭으로 변동하지만, 1991년 이후부터 2019년 까지는 대체로 55~60 mg/L를 보이고 있다. Sen의 기울기는 0.269로서 증가 추세를 보인다. Mg2+ 농도는 1922년에는 검출되지 않다가 1956년 이후 약간의 변동성을 보였으며 2005년부터 2019까지는 대체로 0.5~0.7 mg/L을 유지하고 있다. Sen의 기울기도 -0.006으로서 시간적인 경향성을 거의 보이지 않는다.
Cl- 농도는 1922년에 최대값(454.0 mg/L) 이후에 변동성을 보이다가, 1996년에 412.5 mg/L로 높은 값을 보였다. 그 이후 2019년까지는 대체로 300~370 mg/L를 보인다. Sen의 기울기는 -3.979로서 감소 추세를 보인다. SO42- 농도는 1922년부터 1970년 까지는 약 65~70 mg/L를 보였으나, 그 이후에는 대체로 64~68 mg/L를 보인다. Sen의 기울기는 -0.073으로서 약한 감소 추세를 보인다. HCO3-농도는 1940년에 최대값(262 mg/L)을 보였으나, 2000년 이후에는 대체로 60~90 mg/L를 보인다. Sen의 기울기는 2.09로서 증가 추세를 보인다. SiO2의 농도는 1922년의 50.2 mg/L로부터 감소하다가 1970년부터 증가하는 추세를 보여서 50 mg/L 정도를 보인다. Sen의 기울기는 0.888로서 역시 증가 추세를 보인다.
따라서 Mann-Kendall 분석과 Sen의 기울기에 의한 추세 분석에 따르면, 온도, Ca, SiO2, HCO3는 증가 추세를 보이지만, 그 외 수질 성분은 감소 추세 또는 거의 변화하지 않는 양상을 보인다. 이와 같이, 수질 항목에 따라 증가 또는 감소하는 추세를 보이고 있으나, 장기적으로 보다 정확한 수질 변화 분석을 위해서는 시간적인 자료의 축적이 요구된다.
동래온천수 수질의 공간적 분포 특성
장기적인 동래온천수 수질 분석 자료 중 비교적 많은 수질 분석을 실시한 2004년, 2009년, 2014년, 2019년에 대하여 수온과 주요 수질 성분(Na+, Ca2+, SiO2, Cl-, SO42-)의 공간적인 수질 분포 특성을 살펴보았다. Fig. 4에 나타낸 대로 2004년, 2009년, 2014년, 2019년도의 수질 분석 온천공 개수는 거의 비슷하다. 온천수 수질의 공간적인 분포는 크리깅기법을 이용하였으며, 반베리오그램의 모델은 선형모델을 적용하였다(Table 5). 이방성은 2, lag distance는 140 m로 결정되었으며, nugget 효과는 성분에 따라서 최소 11.7 m, 최대 840 m이다.
Table 5.
Semivariogram model parameters for the components of temperature, Na+, Ca2+, SiO2, Cl-, SO42-
| Min. | Max | Spacing | Nodes | |
| x direction | 207,200 | 207,400 | 2.53 | 100 |
| y direction | 291,520 | 291,920 | 4.04 | 100 |
| Model | Nugget effect (m) | Anisotropy | Lag distance (m) | |
| Max. | Min. | |||
| Linear | 840.0 | 11.7 | 2 | 140 |
Na+ 농도 분포도를 보면, 년도에 따라 공간적인 분포가 달라지며, 19번, 22번, 27번공 부근에서 높은 농도를 보인다(Fig. 5). Ca+ 농도 분포도는 년도에 따라 달라지는 공간적 분포를 보이며, 19번, 22번공 부근에서 높은 농도를 보인다(Fig. 6). 2004년, 2009년, 2014년, 2019년의 Cl- 농도의 공간적인 분포가 달라지며, 22번공 부근에서 높은 농도를 보인다(Fig. 7). 2004년, 2009년, 2014년, 2019년의 SiO2 농도의 공간적인 분포도 달라지고 있으며, 22번공 부근에서 높은 농도를 보인다(Fig. 8). 특히, SO42- 농도 분포도는 2004년, 2009년, 2014년, 2019년에 따라 크게 달라지며, 21번, 22번공 부근에서 높은 농도를 보인다(Fig. 9). 한편, 2004년, 2009년, 2014년, 2019년의 수온의 공간적인 분포는 다른 성분들 보다는 비교적 비슷하게 보이며, 21번, 26번공 부근에서 높은 온도를 보인다(Fig. 10).
상기와 같이, 2004년, 2009년, 2014년, 2019년의 수온 및 수질 자료를 이용하여 공간적인 분포 특성을 살펴본 결과, 시기별로 공간적 분포의 차이를 보이고 있다. 이는 각각의 온천공의 수질 변동이 일정하지 않기 때문으로 판단된다. 또한, 2014년에 북서쪽의 31~35번공 지역에서 수질의 변동폭이 증가하였다가 2019년 다시 회복되는 것으로 나타났다. 이러한 2014년도 자료와 다른 연도의 차이도 수질의 공간적인 분포 차이를 유발한 원인일 수 있다.
토의 및 결론
본 연구에서는 1922년부터 2019년까지의 동래온천수 수질의 장기적인 특성을 분석하였다. 주요 성분 중에서 Na+ 농도와 Ca+ 농도는 수온과 비교적 높은 상관성(각각 상관계수 0.65, 0.62)을 보인다. 한편, SiO2 농도는 29.2~51.7 mg/L를 보이며, 수온과의 상관성은 없는 것으로 나타난다. 천부의 일반지하수는 Ca-HCO3 형을 보이는 반면에(Lee et al., 2008), 동래온천수의 수질유형은 1922년부터 2019년까지 장기간 동안에도 안정적으로 Na-Cl형을 보이고 있다. 한편, 산소-수소 동위원소 비는 동래온천수가 순환수 기원이며(Jeong et al., 2008; Lee et al., 2016), 87Sr/86Sr 비는 동래온천수와 천부의 차가운 지하수 간에 평형상태를 지시한다(Lee et al., 2016). 따라서 동래온천 지역에서는 지하 심부의 고온의 온천수와 천부의 차가운 지하수간에 혼합이 일어나고 있음을 지시한다(Lee et al., 2009). 또한 주변의 천부지하수, 지표수, 강우 보다 동래온천수의 87Sr/86Sr 비가 낮다는 것은 동래온천수와 기상수(지하수, 지표수, 강우) 간의 순환이 매우 느리다는 것을 나타낸다(Lee et al., 2008). 아울러서, 동래온천은 해안에 가까운 지역에 위치하는 여건에 의해서 지하의 비교적 심부에서 해수 혼입의 영향(Jeong et al., 2008) 또는 고염수(paleo-seawater) 혼합의 영향을 받고 있다(Lee et al., 2016).
1922년부터 2019년까지 동래온천수의 장기적인 수질 특성 변화를 Mann-Kendall 분석과 Sen의 기울기에 의해서 추세 분석하면, 온도, Ca, SiO2, HCO3는 증가 추세를 보인다. 특히, SiO2의 농도는 1922년의 50.2 mg/L로부터 감소하다가 1970년부터 증가하는 추세를 보이며 2019년에 50 mg/L를 나타낸다. 그러나 온도의 증가 추세는 미약하여 거의 안정된 상태와 비슷하다. 한편, EC, Na, K, Mg, Cl, SO4은 감소 추세 또는 거의 추세 변화가 나타나지 않는다. 그러므로, 시간 경과에 따라서 화학성분의 농도가 증가 또는 감소 추세를 보이고 있으나, 장기적인 수질 변화를 분석하기 위해서는 더 많은 시간적인 자료의 축적이 요구된다. 현재까지는, 천부지하수의 혼입과 지속적인 양수에 따른 수위하강에도 불구하고(Jeon et al., 2018), 동래온천수의 수질은 대체로 평형 상태를 유지하고 있는 것으로 판단된다.
한편, 2004년, 2009년, 2014년, 2019년의 수온과 수질 자료(Na+, Ca2+, SiO2, Cl-, SO42-)의 공간적인 분포 특성을 살펴본 결과, 시기별로 공간 분포도의 차이를 보이고 있으며, 이는 각각의 온천공의 수질 변동이 일정하지 않기 때문으로 판단된다.
