물의 순환과 대수층

물의 순환과 대수층


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그리스 신화에 따르면 대지의 여신인 가이아가 하늘과 합하여 대양을 만들었다. 대양(大洋)의 신은 ‘오케아노스(Oceanos)’로 모든 바다와 강, 샘과 물을 관장한다. 대양의 신에게는 끝없이 잉태하고 낳는 힘이 있다. 세계의 끝을 돌아 다시 오는 환류의 순환을 계속한다.
그래서 인류에게 있어 물은 문명의 상징이며 생명 그 자체다. 45억 년 전에 지구가 탄생하여 구름이 생기고 첫 비가 내렸다. 이후 오늘날까지 지구상에 존재하는 물은 영원한 운동을 계속하고 있다. 물의 순환은 지구 구석구석까지 생명을 운반한다. 마치 사람 몸의 혈관이 모든 영양분을 장기 곳곳에 운반하는 것처럼 말이다.
혈관의 흐름이 아주 미세하게라도 막히면 건강에 적신호가 온다. 마찬가지로 지구도 물 순환에 장애가 오면 많은 문제가 발생한다. 여기에서는 물 순환의 개요를 알아본 후 지구의 물 순환에서 이슈가 되고 있는 대수층(帶水層)에 관해 서술하도록 하겠다.
• 물의 순환
물은 지구상의 어느 곳에서도 존재한다. 빙하나 강, 호수는 물론 공기나 땅에도 물은 존재한다. 이 중 가장 많은 양의 물을 보유하는 곳이 해양이다.
* 지구상에 존재하는 물은 모두 1.36억㎦ 정도 된다. 이 중 97.2%가 바다에, 2.15%가 빙하나 눈으로 저장되어 있다. 호수나 강, 지하수에 저장된 물의 양은 놀랍게도 1% 미만이다. 그런데 물은 끊임없이 순환을 한다. 이렇게 끝없이 일어나고 있는 물의 이동을 물 순환(water cycle)이라고 한다.



물 순환의 상대적인 양 <출처: 수자원공사>
물 순환의 동력은 태양 에너지다. 태양이 바닷물을 데우면 증발에 의해 대기 중으로 수증기가 공급된다. 수증기는 상승기류에 의해 구름으로 만들어진다. 구름은 비구름으로 발전하여 비로 내린다. 내린 비는 바다에서 증발하여 다시 비구름을 만든다. 육지에 떨어진 물은 지하수로 침투하거나 지표면을 따라 흐른다. 이 중 일부는 증발하여 다시 대기로 돌아간다. 식물은 물을 흡수하여 일부를 증산을 통해 대기로 내보낸다. 이 순환과정을 상대적인 양으로 나타낸 것이 위의 그림이다.
바다에서 증발한 수증기의 양을 424, 육지에서 증발한 수증기의 양을 61로 본다. 상공에 올라간 수증기가 비나 눈이 되어 내린다. 이때 바다로 내려오는 양이 385, 육지로 내려오는 양이 100 정도 된다. 육지에 내린 비나 눈은 하천이나 강을 통해 바다로 흐른다. 일부는 땅으로 스며들어 토양을 적신다. 이 중 일부는 깊은 땅으로 스며들어 대수층의 물을 만든다. 물의 순환에서 각각의 형태로 체류하는 시간은 다음 표와 같다. 이 중 깊은 땅에 스며든 지하수, 즉 대수층의 물은 평균 10,000년의 체류시간을 가진다.



물이 각각의 형태로 체류하는 평균시간
대수층(aquifer)의 물

지하수위의 지역적 분포양상 <출처: 국내대수층의 수리지질학적 분포, 지질학회지, 2011년>
대수층은 물을 보유하고 있는 층이다. 투수성이 좋은 지층 혹은 지층군을 말한다. 대수층은 지하수의 통로 및 저수지로의 역할을 하고 있다. 일반적으로 모래, 자갈층으로 되어 있다. 점토층은 사암이나 역암층과 번갈아 나타날 때 대수층이 된다. 수천 년에 걸쳐 축적된 이 지하수들은 매년 눈과 비로 조금씩 채워진다. 그런데 세계적인 사막화, 가뭄과 함께 물 사용량이 증가하면서 대수층의 물을 뽑아 쓰기 시작했다.
전 세계적으로 가뭄이 심한 지역에서는 무분별하게 지하수를 끌어 썼다. 그러다 보니 지하수가 빠르게 고갈되고 있다. 지하대수층은 전 세계적으로 인간이 사용하는 물의 35%를 공급한다. 2015년 가뭄이 극심했던 미국 캘리포니아 주는 지하대수층에서 끌어 쓴 물의 양이 60%에 이르고 있다.
우리나라 지하대수층의 물 상태는 외국에 비해 심각한 편은 아니다. 우리나라 지하대수층을 그림으로 보자. 대부분의 지역에서 지하수면은 지표로부터 약 10m 이내에 형성되어 있다. 다만 제주의 경우 주로 현무암으로 구성된 지질학적 특성으로 인해 지하수면이 깊은 곳에 위치한다. 강원도와 경상도는 대수층의 두께가 다른 구역에 비해 얇다.
이들 지역은 대수층이 덜 발달되어 있고 그 규모 또한 작다. 따라서 이 지역에서는 지하수를 이용할 때 주상절리나 단층 등을 중심으로 관정(管井)을 설치해 운영한다. 대수층의 투수성은 지질분포와 크게 관계없이 전국적으로 고르게 나타난다.
• 대수층의 물 고갈 현상

NASA의 제트추진연구소와 UC어바인 대학이 2003년에서 2013년에 걸쳐 세계 37개 대수층을 분석하였다. 10년간 GRACE 위성 자료와 지역 기후 등을 토대로 각 대수층의 부하 상태를 연구1)한 것이다. 이들의 결론을 보면 전 세계의 주요 지하수가 고갈되고 있다. 37개의 대수층 중에 21개가 티핑포인트를 넘어 고갈이 진행되고 있다. 13개 대수층은 고갈이 심각한 상태이고, 8개의 대수층은 물의 자연적인 보충이 불가능할 정도라고 한다.
사우디아라비아와 인도 북서부, 파키스탄, 북아프리카 지역의 지하수가 가장 빠르게 줄어들고 있다.
미국은 캘리포니아와 함께 플로리다, 루이지애나, 텍사스 등 멕시코 만 연안 지역의 지하수가 빠르게 줄어들고 있다.
유럽은 프랑스와 러시아, 발트 해 연안이 지하수 고갈지역이다. 아프리카에서는 이집트, 리비아, 나이지리아, 니제르 등의 지하수가 말라가고 있다.
호주는 북서부의 캐닝 분지가 지하수 고갈지역으로 나타났다. 아시아에서는 베이징, 상하이 등 중국 해안 도시가 심각하다.
다행히도 이들 연구에서 우리나라는 지하수 고갈지역에 해당이 되지 않는다.
지하수 고갈지역의 특성은 심각한 사막화와 가뭄이 닥친 지역이다. 그리고 기후구로는 비나 눈이 조금 오는 건조기후지역이다. 또 인구가 밀집해 있거나 광산이나 유전, 농업 등이 발달한 지역이다. 가장 심하게 대수층 물이 줄어들고 있는 지역은 대체할 수자원이 없기에 더 문제가 심각하다. 예를 들어 아라비아 대수층의 경우 인구 6천만 명에게 물을 공급한다. 그러다 보니 미래가 암울해질 수밖에 없다.
다행히도 우리나라는 지하대수층의 물 변동이 크지 않다. 아직은 안정적이라는 이야기다. 10년간(2001년~2010년) 지하수의 수위를 측정해 보았더니(국가지하수정보센터) 전체 264개 중 무변동(-0.1m~0.1m)이 235개소였다. 15개소는 상승, 14개소는 하강 경향을 보였다.


• 대수층 물 고갈로 발생되는 문제

지하대수층의 물이 사라지면서 나타나는 가장 큰 문제는 싱크홀이다. 싱크홀의 원인이 반드시 대수층에 있는 것은 아니다. 복잡한 지하수 네트워크가 융기와 침강, 단층과 습곡, 지진 등 지각변동의 영향을 받아 싱크홀이 생겨날 수도 있다. 그러나 최근 들어 싱크홀이 발생하는 가장 큰 원인은 지하대수층의 물 고갈이다.
싱크홀은 지하수 네트워크에 이상이 생기면서 만들어진다. 지하수를 너무 많이 뽑아 쓰면 지하수위가 낮아진다. 그렇게 되면 지하수가 감당하던 압력을 땅 속 공간이 받게 된다. 결국 지표가 무너지면서 싱크홀이 만들어지는 것이다.
땅속에서는 수직으로 2.5m당 1기압씩 압력이 증가한다. 250m 지점에서는 100기압의 압력을 받는다. 이 압력을 지하대수층의 물이 버텨내고 있는 것이다. 이 물이 빠져나가면 땅 속 공간이 압력을 버티지 못해 결국 땅이 가라앉는다. 뽑아 쓴 지하수의 양이 많을수록 싱크홀의 규모도 커질 수밖에 없다.

가장 대표적인 사례가 2010년 7월 과테말라 시 한복판에서 발생했다. 20층 건물 높이만한 구멍이 생기면서 그곳에 있었던 3층 건물이 흔적도 없이 사라졌다. 과테말라 정부는 도시 개발로 지하수가 말라 지반이 무너져 내린 것이라고 밝혔다. 일본 도쿄 한복판의 오차노미즈 역에 지름 10m 정도의 싱크홀이 발생했었던 것도 좋은 예다.
지하대수층의 물을 많이 뽑아 쓴 곳에서만 싱크홀이 생기는 것은 아니다. 지하수를 너무 뽑아 쓰면 멀리 떨어진 곳의 지반도 내려앉는다. 지하수위가 낮은 지점에서 물을 많이 끌어 쓰면 높은 곳에 있는 지하수가 이동한다. 결국 높은 곳에 먼저 공동이 생기면서 땅이 내려앉는 것이다. 2005년 6월 전남 무안과 2008년 5월 충북 음성에서 발생한 싱크홀이 좋은 예이다.
지하대수층 물의 고갈로 발생하는 문제 중에 지반침하가 있다. 대만에서는 고속철도 주위에서 지반침하 현상이 발생했다. 지하대수층 물의 고갈로 생긴 일이었다. 최근 많은 비가 내리면서 지하대수층에 물이 충전되고 있지만 속도가 느려 침하현상이 계속 진행될 것이라고 타이완 고속철도사가 밝혔다. 창화(Changhua) 지역은 2011년에 6.6㎝, 2012년에 4.3㎝, 2013년에 3.5㎝의 지반침하가 있었다. 이로 인해 이 지역에서는 고속철도가 느린 속도로 운행하고 있다.
미국 캘리포니아 샌호아킨밸리의 지면침하. 지하수 고갈로 1925년과 1977년 사이에 8미터 이상이 낮아졌다.

태국의 방콕은 지하대수층 물을 과도하게 끌어 써, 도시 전체에 수m 이상의 지반침하가 발생했다. 2002년 방콕 도심의 지하수위는 1981년에 비해 15.0m나 낮아졌다. 방콕 도심의 지하수위 강하로 인해 매년 10cm 이상의 지반침하가 발생하고 있다. 이로 인해 건축물 및 도로, 상하수도의 파괴가 잇따르고 있다.
*일본 도쿄도 지반침하가 심각한 곳이다. 지하수위가 낮아지면서 도쿄 전역에서 매년 수cm 이상의 지반침하가 발생하고 있다. 이로 인한 철도, 도로, 항만, 시설물 등의 피해 복구로 2억 달러 이상이 투입되었다.
*중국은 물 부족 극복을 위해 지하수를 과다 사용했다. 2000년 이후 매년 2백억 톤의 지하수가 농업용수로 사용되었다. 이로 인해 지하수위가 낮아지면서 거대한 함몰이나 지반침하가 발생했다. 중국은 지하수 사용 저감 정책을 시행하면서 최근에는 지하수위가 서서히 회복되고 있다고 한다.
지하대수층 물 사용으로 인해 발생하는 문제 중에 해수침투가 있다.
바닷물이 지하수에 침투하여 해수의 성분이 혼합되는 현상이다. 해수가 지하수에 3% 정도 혼합되면 지하수는 사람들이 소비하기에 부적절해진다. 해수침투 현상은 과도한 지하수 개발로 인한 지하수면 저하가 발생할 때 나타난다. 자연적으로 안정한 상태에 있던 해수와 담수 경계면의 평형이 깨어지면서, 두 물의 밀도 차이로 인해 해수가 담수대수층 내로 침입하게 된다. 염도가 증가하면서 식음용수는 물론 농공업용수로서의 기능도 상실한다. 해수침투가 이루어지면 지하수계를 원상태로 되돌리기 위해 엄청난 돈과 시간이 필요하다.
• 미래의 대응
세계적으로 대수층의 물 고갈이 심각하지만 우리나라는 아직 충분한 양의 물이 남아 있다. 그러다 보니 대수층 고갈에 대한 인식이 부족하다. 2015년 봄 가뭄이 심각했을 때 대수층의 지하수 개발을 늘려야 한다는 주장이 있었던 것은 이 때문이다. K-Water에 따르면 우리나라의 지하수 개발이용량은 전국 150만 공에서 연간 약 40억㎥ 수준이다. 이것은 전체 물 이용량 가운데 11%가량 된다. 우리나라에서 개발 가능한 지하수 양은 연간 약 129억㎥에 달한다. 그러니 지하수 개발을 현재보다 늘려야 한다는 말이 나오는 것이다.
그런데 현재는 그렇다 치고, 미래에 기후변화로 인한 대 가뭄기가 찾아오면 어떻게 될 것인가?
결국 물 부족을 해결하기 위해 무분별하게 지하대수층의 물을 뽑아 사용하게 되지 않을까?
제주도가 좋은 예다.
제주도 보건환경연구원은 2011년도 용수 수요량이 일일 52만4229㎥, 공급 가능량은 45만 2863㎥였다고 발표했다. 지하수에 거의 전적으로 의존하는 제주도로서는 13.6%가 부족한 실정이다. 제주도는 물 부족이 심각한 상태로 진전되고 있다. 지하대수층에 대한 장기적인 모니터링과 연구가 필요한 이유다.

• 지하대수층의 물 고갈
영국, 도쿄, 파리, 상하이 등에서 적용하는 방법이다. 또 해수침투를 모니터링하기 위한 해수침투 관측망을 많은 나라에서 운영하고 있다. 대수층을 외부의 오염물질로부터 보호하기 위한 시설도 만들어 나가고 있다. 지반침하나 해수침투, 오염물질 유입을 막는 것도 중요하지만 근본적으로는 자연을 원상태로 유지하려는 마인드를 가져야 한다. 대수층의 물이 자연 그대로 오랜 세월 흐르도록

글반기성 | 케이웨더 기후산업연구소