땅속에 있는 물 - 지하수

[겨울의 꿈]

중국 루티암(蘆笛岩, 노적암) 지하 동굴. 아름다운 지하 하천과 호수로 유명하다. <출처: (cc) Romain Pontida>

사람의 몸은 대체적으로 단백질, 지방, 무기질 및 물로 구성되는데, 체형에 따라 최저 55%에서 95%가 물로 이루어진다. 몸속의 물이 1~2%만 부족해도 심한 갈증과 식욕부진을 느끼며 10%이상 부족하게 되면 사망까지 이를 수도 있다. 우리 몸이 정상적으로 기능하기 위해서는 매일 2리터의 물을 마셔야 탈수 현상을 막을 수 있다고 알려져 있다. 그런데 우리가 마시는 물의 대부분은 어디에서 올까?

지하수란?

지하수란 땅속에 있는 물이다. 지하수는 대부분 비, 눈, 우박 등이 땅으로 스며들어 형성된다. 지구상에서 물은 바닷물(97.33%), 빙하(2.04%), 지하수(0.61%), 호수와 강(0.01%) 및 기타(0.01%)로 이루어지는데 이들 모두를 합한 양은 약 1,360,000,000km³ 로 추정된다. 지하수는 전 세계 민물의 약 30%를 차지하며, 인간은 마시는 물은 대부분을 지하수나 호수와 강으로부터 구한다. 지하수는 식수나 청소 등의 생활용 이외에도 논, 밭 등의 농업용, 공장시설내 공업용 등으로 많이 이용되고 있다.

지구상의 물의 분포를 보여주는 그림. 지구상의 물 중 바닷물은 약 97%이고 민물은 약 3%이다. 민물은 만년빙과 빙하 68.7%, 지하수는 30%, 지표수는 0.3%, 그리고 기타 0.9%로 이루어진다. 이 중 지표수는 호수 87%, 늪지 11%, 그리고 강 2%로 이루어진다.

지하수는 어디에 저장될까?

지하수는 지표면과 암반 사이의 공간에 들어 있는데, 인간이 사용하는 대부분의 지하수는 지표면으로부터 750m 이내에서 산출된다. 지표면에서 암반 사이의 공간은 물이 포함된 양에 따라 위에서부터 아래로 지표면, 토양, 통기대(=불포화대), 지하수면, 포화대, 암반으로 구분된다. 이중 통기대는 지하의 흙이나 암석 내의 공극이 주로 공기로 채워진 공간이다. 이 공간은 물이 일부분 포함되어 있지만 그 양이 매우 적어 해당 공간을 완전히 포화시키지는 못한다고 해서 불포화대라고도 불린다. 포화대는 흙이나 암석 내의 모든 공극이 물로 채워져 있는 공간이며, 포화대에 놓여 있는 투수성이 높은 암석 또는 토양을 대수층이라 한다. 통기대와 포화대의 경계면은 지하수면이라 한다. 강, 호수, 늪, 하천은 지하수면이 지표면과 만나는 곳에서 형성된다. 지역에 따라 내리는 비의 양이 변하기 때문에 지하수면도 지역과 계절에 따라 변하게 된다. 암반은 물이 스며들지 못하는 불투수층이다.

토양, 통기대, 지하수면, 포화대를 보여주는 그림

우물. 깊이 구멍을 파서 지하의 물이 고이게 한 것이다. <출처: (cc) Sugeesh at ml.wikipedia>

암반수

지표면에 내린 비는 지하로 스며들고 중력에 의해 점차 아래로 흐르게 되는데, 그러다가 물이 스며들지 못하는 암반을 만나게 되면 암반 위에서 고이거나 흐르게 되는데 우리가 일반적으로 알고 있는 지하수가 바로 이것이다. 우물은 암반(불투수층)의 깊이까지 구멍을 파서 지하의 물이 고이게 한 것이다. 한편, 암반에 난 균열을 통해 지하수가 암반으로 스며들어 암반과 암반 사이에 물이 고이기도 하는데, 이 물을 암반수라고 한다. 암반수는 환경오염에 의한 피해가 적기 때문에 일반적으로 깨끗한 물로 알려져 있다.

지하수는 어떻게 흐를까?

포화대에 저장되어 있는 지하수는 중력에 의해 지하수면이 높은 지역에서 지하수면이 낮은 지역으로 이동한다. 보통 하루에 수 mm ~ 수 cm 또는 일 년에 수 m 가량 이동하는 것으로 알려져 있지만 그 이동속도는 매우 다양하다. 실제로 지하수의 이동은 이동하는 방향에 놓인 암석 또는 퇴적물의 성질에 의해 크게 좌우된다. 일반적으로 모래가 뭉쳐서 만들어진 사암이나 토양 속에 단층 또는 절리 같은 틈이 생긴 곳에선 더 잘 이동한다.

지하수가 석회암과 반응하여 생긴 석회 동굴 천장의 종유석

지하수의 작용

지하수는 지하수를 포함하는 암석(토양)인 대수층과 반응할 뿐만 아니라 지하수가 이동할 때 만나는 암석(토양)과도 반응하기 때문에, 지하수의 수질은 대수층의 종류, 지하수가 통과하는 암석의 종류, 강수량, 온도 등의 영향을 받는다. 예를 들어, 석회암이 주로 분포하는 강원도지역에서는 석회암과 지하수의 반응에 의해 탄산칼슘과 중탄산마그네슘이 풍부한 지하수를 갖게 된다. 지하수에 포함된 탄산(H₂CO₃) 은 암석을 용해하기도 하는데, 강원도 석회암 지역에서는 지하수의 용해작용에 의해 지하에 커다란 동굴이나 카르스트지형 등이 형성되기도 한다. 반대로 지하수에 용해되어 있던 광물질이 침전되기도 하는데, 침전물은 퇴적물을 단단하게 하거나 종유석, 석순, 석주 같은 동굴생성물을 형성하기도 한다. 지하수가 아주 깊은 곳에서 뜨거운 화성암체나 지열 등에 의해 데워진 후 상승하면 지표면에서 온천이나 간헐천의 형태로 나타날 수 있다.

아이슬란드의 스트로퀴르(Strokkur) 간헐천 <출처: (cc) Andreas Tille>

우리나라 지하수 현황

단위면적당 지하수 이용량. <출처: 국가지하수정보센터>

우리나라 강수량은 연평균 1,245mm로 남해안, 영동, 제주도 지역은 강수량이 많은 반면, 충청, 경북 등의 내륙지방은 강수량이 적다. 우리나라의 수자원 총량은 1,240억m³이고 수자원 이용량은 연간 337억m³이다. 우리나라에서 빗물 등이 땅 속으로 스며드는 지하수 함양량은 연간 약 163억 m³인데, 이중 안정적으로 이용할 수 있는 지하수 개발가능량은 약 108억m³이고, 연간 지하수 이용량은 약 37억m³으로 알려져 있다. (국가지하수정보센터 : http://www.gims.go.kr)그림6을 보면 인천, 충주, 서산, 청주, 대전, 김제, 고창, 광주, 울산, 부산, 제주도 등의 지하수 이용량은 1일 km² 당 120m³ 이상으로 상대적으로 높은 반면, 인제, 강릉, 태백, 포항 등의 지하수 이용량은 1일 km² 당 40m³ 미만으로 상대적으로 낮음을 알 수 있다.

지하수의 오염

일반적으로 빗물은 통기대를 통과하는 동안 이물질 등이 걸러져 포화대에 다다른 지하수는 깨끗하다. 그러나 인간이 배출한 오물이나 생활용수, 주유소의 기름 탱크, 쓰레기 매립지의 폐기물에서 흘러나오는 침출수, 산업폐기물, 농약 등의 오염물질은 지하 깊숙한 곳까지 침투하여 지하수를 오염시킨다. 실제로 국가별 수질을 표현한 그림을 보면 우리나라도 중국, 인도, 브라질과 마찬가지로 모든 사람이 깨끗한 물을 마시지는 못하는 나라로 표현되어 있다. 상대적으로 북미, 유럽, 오스트레일리아는 모든 국민이 깨끗한 물을 마실 수 있는 것으로 나타난 반면, 아프리카는 4명 중에 1명은 깨끗한 물을 마시지 못하는 것으로 나타났다.

국가별 수질을 나타낸 그림(녹색 100-95%, 황색 75-94.9%, 적색 74.9%이하. 2006년 UNDP) <출처: (cc) Ionut_Cojocaru at Wikimedia.org>

일반적으로 많은 사람들이 지하수는 무한정 재생 가능한 자원으로 생각하고 있지만, 새로 보충되는 양보다 사용량이 많은 일부 지역에서 지하수는 재생 불가능하다. 이런 지역에서는 고갈된 지하수를 다시 채우려면 수천 년의 시간이 걸린다.

글

김동희 / 국립중앙과학관 연구사

호칭·직책

충북대학교 과학교육학과를 졸업하고 서울대학교 지질과학과에서 이학박사 학위를 받았다. 미국 오클라호마대학 자연사박물관과 서울대학교 지구환경과학부에서 박사 후 연구원으로 일했으며 지금은 국립중앙과학관 연구사로 일하고 있다. 저·역서로는 [공룡화석은 왜 우리나라에서 많이 발견될까요], [지구], [지구시스템의 이해] 등이 있다.

출처:네이버캐스트