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지하수

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목차

1. 개요

지하수는 토양 및 암석의 공극에 있는 담수이며, 자연적인 물의 순환 과정에서 저수지 역할을 한다. 강수, 하천, 강 등에서 지하로 스며들어 함양되며, 샘이나 해양으로 유출된다. 지하수는 전 세계 담수 공급량의 약 30%를 차지하며, 식수, 관개용수, 산업용수로 널리 사용된다. 그러나 과도한 양수, 지반 침하, 염분화, 해수 침입, 오염 등의 문제점이 발생할 수 있으며, 기후 변화의 영향도 받는다. 지하수 관리는 지속 가능한 이용을 위해 중요하며, 관련 법규 및 거버넌스 체계가 필요하다.

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지하수
개요
정의지표면 아래에 위치한 물
관련 분야수문학
지구 축 이동 영향과도한 양수로 지구 축이 이동함.
참고 자료
국제 지하수 자원 평가 센터국제 지하수 자원 평가 센터
미국 지질 조사국미국 지질 조사국
네이처 기후 변화네이처 기후 변화
CNNCNN
사이언티픽 아메리칸사이언티픽 아메리칸
스미소니언 매거진스미소니언 매거진

2. 물의 순환

지하수는 전 세계 민물의 약 20%를 차지하며, 이는 바다와 영구적인 얼음을 포함한 전 세계 물의 0.76%에 해당한다. 가뭄 기간에 지표수 부족을 메꿔 줄 수 있는 중요한 천연자원이다.[72]

지하수는 강수, 개울, 강으로부터의 지표수로 자연스럽게 채워진다. 지하수는 자연적인 물의 순환에서 저수지 역할을 하며, 대기와 깨끗한 지표수(반응 시간이 수분에서 수년)와는 달리 물 순환을 마치는 데 매우 긴 시간이 걸릴 수 있다. 이는 지하수의 깊이에 따라 달라진다.[9]

지하수는 지표수와 마찬가지로 유입, 유출, 저장의 관점에서 생각할 수 있다. 자연적 유입은 지표수의 침투이며, 자연적 유출은 샘과 해양으로의 침투이다. 지하수는 순환 속도가 느려 저장량은 일반적으로 지표수보다 훨씬 크다. 이러한 이유로 사람들은 오랫동안 지하수를 지속 불가능하게 사용해 왔지만, 장기적으로는 지하수 함양량이 평균 소비량의 상한선이다.[9]

지구에서 물은 지표면과 지하, 대기 중을 오랜 시간에 걸쳐 순환한다. 지하 깊숙이 스며든 물은 “함양”, “유동”, “유출”이라는 과정을 거쳐 다시 지표면에 나타나는 거대한 순환계를 구성한다. 이러한 지구 규모의 순환에서 지표면과 대기 중의 물 순환을 “지표수 순환계”, 지표면 아래의 물 순환을 “지하수 순환계”라고 부른다.[58]

수분 균형

2. 1. 함양

지하수는 강수, 하천, 강에서의 지표수가 지하로 스며들어 자연적으로 채워진다. 이처럼 강수 등으로 인해 물이 지하로 유입되는 것을 「함양」이라고 하며, 천수라고도 불리는 강수는 지표의 침투능에 따라 대부분 땅속으로 스며든다.[58]

바닷물이 기원인 지하수도 존재한다. 과거 바다였던 지역이 육지로 변하면서 바닷물이 땅속에 남아 지하수가 된 경우인데, 이를 '''화석해수'''라고 한다. 화석해수는 수천만 년에서 수억 년 전에 형성된 것으로 추정되며, 염분을 다량 함유하고 있어 이용하기 어려운 경우가 많다. 그러나 일본 간토 지방 남부 지층의 화석해수는 메탄과 요오드를 다량 함유하여 산업적으로 이용되기도 한다.[58] 2007년 시부야 온천 시설 폭발 사고는 화석해수에서 분리된 메탄가스를 제대로 처리하지 않아 발생한 사고였다.

플레이트 테크토닉스와 관련된 지하수도 있다. 대륙판이 해구 등에서 다른 대륙판 아래로 침강할 때, 주변의 바닷물도 함께 끌려 들어간다. 지각 내부로 들어간 바닷물은 마그마 열 등에 의해 지표면 가까이 상승하여 지하수가 되기도 하는데, 이러한 지하수는 고온인 경우가 많아 온천을 형성하기도 한다.[58]

2. 2. 유동

지중에 침투한 지하수는 그 자리에 완전히 머무르지 않고, 토양 입자 사이를 천천히 흘러 멀리 이동한다. 유량이 많은 지하수는 "순환 지하수", 적은 지하수는 "화석수"라고 구분하기도 한다.[58]

지표면 근처에서 지하수는 다시 지표면으로 용출되어 하천이나 연못 같은 지표수가 되거나, 해안선을 통해 연안 해저로 용출된다. 지표면의 침투능은 매우 높기 때문에, 포장된 도시 지역이 아니라면 강수의 대부분은 땅속으로 흡수되어 지하수가 된다. 동위원소를 이용한 조사에 따르면, 홍수 때조차도 지표수는 지하수로부터 공급된다. 즉, 홍수는 강수가 지중에 침투하지 못해서가 아니라, 다량의 강수가 땅속으로 스며들어 기존 지하수가 밀려나와 발생한다.

2. 2. 1. 유속

지하수는 매우 느리게 흐르는데, 하루에 수 cm에서 수백 m 정도 이동하며, 평균적으로는 하루에 1m 정도 이동한다. 일반적으로 불압 지하수는 피압 지하수보다 빠르게 흐르며, 특히 하천을 따라 흐르는 지하수는 지표수의 흐름과 유사하게 비교적 빠르게 움직인다. 반대로 피압 지하수의 흐름은 느리고, 거의 정체되어 있는 경우도 있다.[58]

지하수의 유속은 다르시의 법칙으로 계산할 수 있다. 다르시의 법칙은 1856년 프랑스 기술자 앙리 다르시(Henri Darcy, 1803-1858)가 발견했다.

  • '''지하수의 유속 = 투수계수 × 동수경사'''
  • * 투수계수: 지층이 물을 통과시키는 정도를 나타낸다.
  • * 동수경사: 2지점 간의 수두 차이를 거리를 나눈 값으로, 기울기로 표현한다.


투수계수와 동수경사는 해당 지층의 지질 구조에 따라 달라진다. 지질 구조를 정확하게 파악하려면 현장 조사가 필요하다. 따라서 지하수의 실제 상태를 파악하기 위해서는 현장 조사가 중요하다.

현장 조사 방법으로는 우물이나 보링 구멍을 뚫어 지하를 직접 조사하는 방법, 땅 속에 전류를 흘려 전기전도도를 측정하는 방법, pH, 수온, 탄성파를 이용하는 방법 등이 있다. 하지만 가장 효과적인 방법은 지하수에 포함된 수소의 동위원소인 트리튬을 측정하는 것이다.[58] 이 동위원소 측정법을 통해 실제 지하수의 유속과 이동 방향을 지역에 따라 매우 상세하게 파악할 수 있다.

2. 2. 2. 지하수면

지하를 관찰하면 모래와 흙 입자 사이의 빈 공간(공극)에 물이 스며들어 있다. 물이 완전히 채워지지 않은 상태(불포화 상태)이면 "토양수"라 하고, 공극이 물로 완전히 채워진 상태(포화 상태)이면 "지층수", "간극수", 또는 "지하수"라고 한다. 토양수와 지하수의 경계를 '''지하수면'''이라고 하며, 이는 우물이나 시추공에서 보이는 수면으로 정의되기도 한다.[60]

지하수면을 기준으로 위쪽(토양수가 있는 부분)은 불포화대, 아래쪽(지하수가 있는 곳)은 포화대 또는 대수층이라 한다. 불포화대는 다시 하부의 모관수대와 상부의 현수수대로 나뉜다. 대수층의 두께, 상태, 물의 흐름에 따라 지하수면 높이는 달라진다.[58]

지하수면 위 불포화대와 지하수면에 있는 물은 토양 공극을 통해 지상과 연결되어 대기압과 거의 같은 압력 상태에 있어 "무압 지하수" 또는 "자유 지하수"라고 한다. 지하수면 아래 포화대의 물은 주변 토양과 물 자체의 무게로 압력을 받아 대기압보다 높은 압력 상태가 되며, 이를 "피압 지하수"라고 한다.[58]

지하수는 면적 또는 공간적으로 존재한다. "지하수맥"이라는 개념이 있지만, 지하수를 선으로 파악하는 것은 정확하지 않다. 다만, 카르스트 지형과 같은 암반 내 지하수는 선 형태로 나타나기도 한다.

지하수위와 지하수면은 비슷하지만 엄밀히는 다르다. 지하수위는 지하수 포텐셜의 크기를 나타내는 반면, 지하수면은 대수층 상부 경계를 의미한다. 단기적으로 지하수면 위치는 일정하지만, 지하수위는 깊이에 따라 다르다. 지하수면은 지하수 포텐셜과 중력 포텐셜이 같아지는 점들의 연속면으로 정의할 수 있으며, 이 경우 지하수면과 지하수위는 같다.

2. 2. 3. 저류량

지하수는 지표수와 마찬가지로 유입, 유출, 저장의 관점에서 생각할 수 있다. 지하수의 자연적인 유입은 지표수가 땅 속으로 스며드는 것이고, 자연적인 유출은 샘이나 바다로 흘러가는 것이다. 지하수는 매우 천천히 순환하기 때문에, 저장량은 보통 지표수보다 훨씬 많다.[9] 이러한 이유로 사람들은 오랫동안 지하수를 지속 불가능하게 사용해 왔다. 그러나 장기적으로는 지하수 함양량이 평균 소비량의 상한선이 된다.

강수, 하천, 강 등에서 지하수는 함양을 통해 자연적으로 보충된다.[9]

지하수는 대기나 담수 지표수(며칠에서 몇 년 정도 머무름)와 달리, 자연 물 순환에서 장기간 '저수지'(수일에서 수천 년 동안 머무름) 역할을 할 수 있다.[10][11] 지표면에서 멀리 떨어진 깊은 곳의 지하수는 자연 순환을 완료하는 데 매우 오랜 시간이 걸릴 수 있다.

특정 지역에 존재하는 지하수의 양은 '''저류량'''으로 표현된다. 저류량은 함양이나 다른 곳에서 지하를 통해 유입되어 증가하고, 지표면이나 지하로 유출되어 감소한다. 지하 깊은 곳에 고여 있는 다량의 지하수 중에는 유입량이 적은 것도 있다. 우물 등을 통해 많은 양의 물을 인공적으로 퍼 올리면 저류량이 급격히 감소하고, 심하면 고갈될 수도 있다.[58]

지하수가 지하에 머무는 평균 시간을 "체류 시간"이라고 하며, 예상되는 저류량과 유동량으로 계산한다. 오스트레일리아의 대아르테시안 분지에서는 최대 110만 년, 흑부가와 부채꼴 평야의 사구에서는 0.14년으로 추정된다.[61]

체류 시간의 예[58]
지역대수층체류 시간
오스트레일리아대아르테시안 분지최대 1,100,000년
이집트사하라 사막 북동부최대 45,000년
시나이 반도서쪽 끝의 샘과 사해 근처의 우물약 30,000년
중앙 유럽심도 100-800m10,000-10,500년
베네수엘라마라카이보 시4,000-35,000년
남아프리카 공화국칼라하리 사막430-33,700년
구 체코슬로바키아산하 소유역의 지하수2.5년
뉴질랜드와이콜로푸 샘0-20년
미국 텍사스주칼리조 사암최대 27,000년
미국 하와이주오아후 섬100년
미국 인디애나주빙하 퇴적물25년
한국제주도2-9년
도쿄 만 연안심도 200-2,000m2,840-36,750년
이와테 화산산록 용출수17-38년
야가타케산록 용출수1-100년
아이즈 분지자분정 심도 30m13년
지바현 이치하라시요로가와 유역 1520m 이내0-30년
세토 내해의 작은 섬화강암 기반0-30년
흑부가와 부채꼴 평야아시자키 사구0.14년
나스산 주변저수시 하천수2-3년 이상


2. 2. 4. 체류 시간

지하수는 대기와 담수 지표수(수일에서 수년의 체류 시간을 가짐)와 달리 자연 수순환의 장기적인 '저수지'(수일에서 수천 년의 체류 시간을 가짐)가 될 수 있다.[10][11] 지표면 함양에서 상당히 멀리 떨어져 있는 심층 지하수는 자연 순환을 완료하는 데 매우 오랜 시간이 걸릴 수 있다.

지하수가 지하에 머무는 평균 시간을 "체류 시간"이라고 하며, 예상되는 저류량과 유동량으로부터 계산된다. 오스트레일리아의 대아르테시안 분지에서는 110만 년 이상, 흑부가와 부채꼴 평야의 사구에서는 0.14년으로 추정되고 있다.[61]

체류 시간의 예
지역대수층체류 시간
오스트레일리아대아르테시안 분지1,100,000년 (최대)
이집트사하라 사막 북동부45,000년 (최대)
시나이반도서쪽 끝의 샘과 사해 근처의 우물약 30,000년
중앙 유럽심도 100-800m10,000-10,500년
베네수엘라마라카이보 시4,000-35,000년
남아프리카 공화국칼라하리 사막430-33,700년
구 체코슬로바키아산하 소유역의 지하수2.5년
뉴질랜드와이콜로푸 샘0-20년
미국 텍사스주칼리조 사암27,000년 (최대)
미국 하와이주오아후 섬100년
미국 인디애나주빙하 퇴적물25년
한국제주도2-9년
도쿄 만 연안심도 200-2,000m2,840-36,750년
이와테 화산산록 용출수17-38년
야가타케산록 용출수1-100년
아이즈 분지자분정 심도 30m13년
지바현 이치하라시요로가와 유역 1520m 이내0-30년
세토 내해의 작은 섬화강암 기반0-30년
흑부가와 부채꼴 평야아시자키 사구0.14년
나스산 주변저수시 하천수2-3년 이상

[58]

2. 2. 5. 지하수 포텐셜

지하수 포텐셜(유체 포텐셜, 수리 포텐셜이라고도 함)은 특정 지점에서 지하수의 존재 상태를 나타내는 지표이다. 수리학에서는 포텐셜 개념을 '''수두'''라고 부른다.

지하수 포텐셜은 속도, 밀도, 고도, 압력을 변수(스칼라)로 하지만, 실제로는 속도가 매우 느려 무시할 수 있다. 또한 관측 지역 내 밀도 차이도 매우 작아 무시할 수 있으므로, 지하수 포텐셜은 고도(위치 에너지)와 압력 포텐셜의 합으로 표현할 수 있다.

  • '''지하수 포텐셜'''(수리 수두) = '''중력 포텐셜'''(위치 수두) + '''압력 포텐셜'''(압력 수두)


지하수는 지하수 포텐셜이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는데, 이를 '''포텐셜 흐름'''이라고 한다.[62] 지하수가 이동할 때 생기는 포텐셜 차이는 운동 에너지와 지층과의 마찰로 인해 열에너지로 변환된다. 에너지 보존 법칙에 따라, 이동 후의 지하수 포텐셜, 운동 에너지, 발생한 열에너지의 합은 이동 전의 지하수 포텐셜과 같다.

우물을 뚫어 지하수 포텐셜을 측정할 수 있는데, 우물 속 수위까지의 높이가 지하수 포텐셜의 높이를 나타낸다. 이때 우물 속 수위를 '''지하수위'''라고도 한다. 지하수 포텐셜(지하수위)은 같은 지점이라도 깊이에 따라 다르다. 예를 들어, 낮은 표고의 평야에서는 얕은 지층보다 깊은 지층에서 지하수 포텐셜이 더 높은 경우가 많으며, 깊은 우물을 뚫으면 지하수위가 지표면보다 높아져 자분하는 자분정이 되기도 한다.

지하수위와 지하수면은 비슷하지만, 엄밀히 말하면 다르다. 지하수위는 지하수 포텐셜의 크기를, 지하수면은 지하수 대수층의 상부 경계를 나타낸다. 단기적으로 지하수면의 위치는 일정하지만, 지하수위는 깊이에 따라 달라진다. 지하수면은 지하수 포텐셜과 중력 포텐셜이 같아지는 지점들의 연속면으로 정의할 수 있으며, 지하수면에서는 지하수면과 지하수위가 같다.

2. 3. 유출

지하수는 샘이나 우물 등의 시설을 통해 인공적으로 지표면에 유출된다.[72] 특히 깊은 지하에 있으면서 물을 잘 통과시키지 않는 난투수층(難透水層) 사이에 끼어있는 투수층(透水層, 물을 잘 통과시키는 지층) 속의 물은 높은 압력을 받는 경우가 있다. 이러한 투수층이 지표면 가까이에 있을 경우, 약간의 깊이의 우물에서도 물이 솟아오르는 자분정(自噴井)이 만들어지기도 한다. 불압 지하수(자유 지하수)가 존재하는 지하까지 파인 비교적 얕은 우물은 "얕은 우물", 피압 지하수가 존재하는 지하까지 파인 비교적 깊은 우물은 "깊은 우물"이라고 불린다.[58] 또한 지하수는 해안선을 통해 연안 해저로 유출되기도 한다.

3. 공학적 특징

지하수는 지표수에 비해 수질이 양호하며 광물질을 많이 포함하고 있다. 깊이와 흐름 형태에 따라 천층수, 심층수, 복류수로 나뉜다.[73] 천층수는 지하의 불투수층 위에 흐르는 자유수면 지하수이다. 심층수는 불투수층 아래를 흐르는 피압수면 지하수이다.[74] 복류수(伏流水)는 하천, 저수지, 호수 따위의 바닥이나 변두리 자갈, 모래층에 함유되어 있는 물이다.

4. 지하수와 단층, 단열대

단층 및 절리와 같은 단열대(fracture zone)를 지하 구조물 굴착 과정에서 통과할 경우 주변 지하수의 유로가 변하게 된다. 이로 인해 지하 구조물 내로 지하수가 유입되어 굴착 지역 인근에 지하수 고갈, 지반 침하, 생태계 변화 등 환경 변화가 발생하고, 주민 생활에도 악영향을 미칠 수 있다.[75] 따라서 대형 지하 구조물 건설 시에는 인근 지하수 유동 체계를 파악하고, 굴착 이후 발생할 변화를 정확히 예측해야 한다. 특히 굴착 지역 지질이 화강암 같은 결정질(結晶質) 암석일 경우, 지하수 유로가 되는 각종 단층이나 단열대의 특성과 공간적인 밀도 분포 파악 작업이 선행되어야 한다.[75]

지반 침하는 지하에서 과도한 지하수를 퍼 올릴 때 발생한다. 지하 공간이 수축하면서 지표면이 함몰되는 현상으로, 토지에 분화구와 같은 모습이 나타날 수 있다. 자연 상태에서 대수층(aquifer)과 저투수층(aquitard) 공극(pore spaces) 내 지하수의 수압이 상부 퇴적물 무게를 일부 지탱하는데, 과도한 양수로 대수층 지하수가 제거되면 대수층 공극압이 떨어지고 압축이 발생할 수 있다. 압력이 회복되면 이 압축은 부분적으로 회복될 수 있지만, 대부분은 회복되지 않는다. 대수층이 압축되면 지표면 하강인 지반 침하가 발생한다.[38]

다져지지 않은 대수층에서는 자갈, 모래, 미사 입자 사이 공극에서 지하수가 생성된다. 대수층이 저투수층으로 둘러싸여 있을 때, 모래와 자갈 내 감소된 수압으로 인해 인접 저투수층에서 물이 천천히 배출된다. 저투수층이 압축성이 있는 미사 또는 점토로 구성된 경우, 대수층으로 물이 손실되면 저투수층 수압이 감소하여 상부 지질 물질 무게로 압축된다. 심각한 경우, 이러한 압축은 지표면에서 지반 침하로 관찰될 수 있다. 지하수 추출로 인한 지반 침하는 대부분 영구적이며 (탄성 반발은 적다), 압축된 대수층은 물 저장 용량이 영구적으로 감소한다.[38]

루이지애나 주 뉴올리언스시는 현재 해수면 아래에 있으며, 그 침하는 부분적으로 그 아래 여러 대수층/저투수층 시스템에서 지하수를 제거한 결과이다.[39] 20세기 전반기에 샌호아킨 계곡은 어떤 곳에서는 최대 8.5m에 달하는 심각한 침하를 경험했는데,[40] 이는 지하수 제거 때문이다. 이탈리아 베네치아[41]와 태국 방콕[42]을 포함한 강 삼각주에 있는 도시들은 지표면 침하를 경험했다. 옛 호수 바닥 위에 세워진 멕시코시티는 연간 최대 40cm의 침하율을 경험했다.[43]

해안 도시의 경우, 지반 침하는 해수면 상승과 같은 다른 환경 문제의 위험을 증가시킬 수 있다.[44] 예를 들어, 방콕은 이러한 요인들이 결합되어 2070년까지 해안 홍수에 노출될 것으로 예상되는 인구가 513만 8천 명에 달할 것으로 예상된다.[44]

5. 한국

한국에서는 화강암, 편마암, 편암 등 다양한 지질 환경에서 지하수가 발견된다. 진해시에서는 1962년부터 1969년 사이에 지하수 우물 7개를 뚫어 상수도로 사용하였으며, 하루 채수량은 2170m3이었다. 경기도 내 여러 편암, 편마암, 화강암 지역에서는 하루 100m3에서 500m3을 채수하였다.[76]

6. 정의

지하수는 토양과 암석의 지하 공극 공간에 있는 담수이며, 지하수면 아래 대수층 내에서 흐르는 물을 의미한다. 지표수와 밀접하게 관련된 지하수와 대수층 내 깊은 지하수(수천 년 전에 지하로 스며든 경우 "화석수"라고 함[8])를 구분하는 것이 유용하기도 하다.

7. 특징

지하수는 지표면 아래 흙이나 암석 틈새에 존재하는 물이다. 지하수는 온도 변화가 적고, 비열이 높아 지표면 구조물의 온도 조절에 활용될 수 있다는 특징이 있다.[58]

지구에서 물은 지표면, 지하, 대기 사이를 오랜 시간 동안 순환한다. 지하 깊숙이 스며든 물은 '함양', '유동', '유출' 과정을 거쳐 다시 지표면으로 나타나는 순환계를 이루는데, 지표면 아래의 물 순환을 "지하수 순환계"라고 부른다.[58]

지하를 관찰하면 흙과 모래 입자 사이의 틈(공극)에 물이 스며들어 있다. 물이 틈을 완전히 채우지 않은 상태(불포화 상태)는 "토양수", 완전히 채운 상태(포화 상태)는 "지층수", "간극수" 또는 "지하수"라고 한다. 토양수와 지하수의 경계는 지하수면이라고 하며, 우물이나 시추공에서 보이는 수면으로 정의되기도 한다.[60]

지하수면 위쪽(토양수가 있는 곳)은 불포화대, 아래쪽(지하수가 있는 곳)은 포화대 또는 대수층이라고 한다. 지하수면 위의 물은 대기압과 거의 같아 "무압 지하수" 또는 "자유 지하수"라고 불린다. 지하수면 아래의 물은 주변 흙과 물 자체의 무게 때문에 대기압보다 높아 "피압 지하수"라고 불린다.[58]

지하수는 면적 또는 공간적으로 존재하며, 카르스트와 같은 암반 내에서는 선적인 부존 상태를 보이기도 한다. 평야 지역에는 깊은 우물이 많고, 지하수는 여러 층의 대수층으로 겹쳐 있다. 지하수 흐름 방향은 각 대수층에 따라 다르며, 반대 방향으로 흐르기도 한다.

지하수 포텐셜(수리 포텐셜 또는 수두)은 특정 지점에서 지하수의 존재 상태를 의미하며, 고도(위치 에너지)와 압력 포텐셜의 합으로 근사할 수 있다. 지하수는 포텐셜이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르며, 이를 "포텐셜 흐름"이라고 한다.[62]

지하수 포텐셜은 우물을 통해 측정할 수 있으며, 우물 속 수위를 '지하수위'라고도 한다. 지하수위는 지하수 포텐셜의 크기를, 지하수면은 대수층의 상부 경계를 나타낸다.

지하수를 장기간 이용하기 위해서는 지하수 보전이 필요하다. 지하수는 저류량이 크지만 직접 확인하기 어렵고, 반응이 느리므로 장기적인 관리가 필요하다. 함양량이 저류량에 비해 적어 과도한 양수는 지반 침하를 유발할 수 있다.

지하수의 평균 체류 시간은 저류량과 유동량으로 계산되며, 지역에 따라 큰 차이를 보인다.

체류 시간의 예[58]
지역대수층체류 시간
오스트레일리아대아르테시안 분지최대 1,100,000년
이집트사하라 사막 북동부최대 45,000년
시나이 반도서쪽 끝의 샘과 사해 근처의 우물약 30,000년
중앙 유럽심도 100-800m10,000-10,500년
베네수엘라마라카이보 시4,000-35,000년
남아프리카 공화국칼라하리 사막430-33,700년
구 체코슬로바키아산하 소유역의 지하수2.5년
뉴질랜드와이콜로푸 샘0-20년
미국 텍사스주칼리조 사암최대 27,000년
미국 하와이주오아후 섬100년
미국 인디애나주빙하 퇴적물25년
한국제주도2-9년
도쿄 만 연안심도 200-2,000m2,840-36,750년
이와테 화산산록 용출수17-38년
야가타케산록 용출수1-100년
아이즈 분지자분정 심도 30m13년
지바현 이치하라시요로가와 유역 1520m 이내0-30년
세토 내해의 작은 섬화강암 기반0-30년
흑부가와 부채꼴 평야아시자키 사구0.14년
나스산 주변저수시 하천수2-3년 이상


7. 1. 온도

물의 높은 비열과 토양 및 암석의 단열 효과는 기후의 영향을 완화하여 지하수의 온도를 비교적 일정하게 유지할 수 있게 해준다. 어떤 지역에서는 이러한 효과로 지하수 온도가 약 10°C로 유지되기도 하는데, 이때문에 지하수를 이용하여 지표면 구조물 내부의 온도를 조절할 수도 있다. 예를 들어, 더운 날씨에는 비교적 차가운 지하수를 가정의 라디에이터를 통해 순환시킨 후 다른 우물로 되돌려 보낼 수 있다. 추운 계절에는 지하수가 상대적으로 따뜻하기 때문에, 공기를 사용하는 것보다 훨씬 효율적인 히트펌프의 열원으로 같은 방식을 사용할 수 있다.[58]

7. 2. 이용 가능성

지하수는 전 세계 담수 공급량의 약 30%를 차지하며, 이는 바다와 영구 동토층을 포함한 전 세계 물의 약 0.76%에 해당한다.[12][13] 전 세계 액체 담수의 약 99%는 지하수이며,[14] 전 세계 지하수 저장량은 북극과 남극을 포함한 눈과 얼음층에 저장된 담수 총량과 거의 같다. 이는 지표수 부족(예: 가뭄 시)에 대한 완충 작용을 하는 중요한 자원이다.[15]

대수층의 지하수량은 지역 우물의 수위를 측정하고, 우물 시추 시 지질 기록을 조사하여 함수성 퇴적물과 암석의 범위, 깊이, 두께를 확인하여 추정할 수 있다. 생산정에 투자하기 전에 시험정을 시추하여 지하수가 발견되는 깊이를 측정하고 토양, 암석 및 지하수 샘플을 채취하여 실험실 분석을 수행할 수 있다. 대수층의 유동 특성을 결정하기 위해 시험정에서 양수 시험을 수행할 수도 있다.[3]

대수층의 특성은 대수층이 존재하는 기반암의 지질 및 구조와 지형에 따라 다르다. 일반적으로 생산성이 높은 대수층은 퇴적암 지층에서 발견된다. 반면에 풍화 및 단열된 결정질 암석은 많은 환경에서 소량의 지하수를 생성한다. 주요 강 계곡과 지질학적으로 침하하는 구조 분지에 충적토로 퇴적된 비고결 또는 저고결 충적층은 가장 생산성이 높은 지하수원 중 하나이다. 암석학적 환경에서 단층대 암석의 취성 변형에 의해 유체 흐름이 변할 수 있으며, 이러한 현상이 발생하는 메커니즘은 단층대 수문지질학의 주제이다.[16]

지하수는 강수, 하천, 강에서의 지하수 함양이 지하수면에 도달할 때 자연적으로 보충된다.[9] 지하수는 대기와 담수 지표수(수일에서 수년의 체류 시간을 가짐)와는 달리 자연 수순환의 장기적인 '저수지'(수일에서 수천 년의 체류 시간을 가짐)가 될 수 있다.[10][11] 지표면 함양에서 상당히 멀리 떨어져 있는 심층 지하수는 자연 순환을 완료하는 데 매우 오랜 시간이 걸릴 수 있다.

지하수의 평균 체류 시간은 "체류 시간"이라고 하며, 예상되는 저류량과 유동량으로부터 계산된다. 오스트레일리아의 대아르테시안 분지에서는 110만 년 이상, 흑부가와 부채꼴 평야의 사구에서는 0.14년으로 추정되고 있다.[61]

체류 시간의 예[58]
지역대수층체류 시간
오스트레일리아대아르테시안 분지1,100,000년 (최대)
이집트사하라 사막 북동부45,000년 (최대)
시나이 반도서쪽 끝의 샘과 사해 근처의 우물약 30,000년
중앙 유럽심도 100-800m10,000-10,500년
베네수엘라마라카이보 시4,000-35,000년
남아프리카 공화국칼라하리 사막430-33,700년
구 체코슬로바키아산하 소유역의 지하수2.5년
뉴질랜드와이콜로푸 샘0-20년
미국 텍사스주칼리조 사암27,000년 (최대)
미국 하와이주오아후 섬100년
미국 인디애나주빙하 퇴적물25년
한국제주도2-9년
도쿄 만 연안심도 200-2,000m2,840-36,750년
이와테 화산산록 용출수17-38년
야가타케산록 용출수1-100년
아이즈 분지자분정 심도 30m13년
지바현 이치하라시요로가와 유역 1520m 이내0-30년
세토 내해의 작은 섬화강암 기반0-30년
흑부가와 부채꼴 평야아시자키 사구0.14년
나스산 주변저수시 하천수2-3년 이상


8. 인간에 의한 이용

지하수는 생활용수, 관개용수, 공업용수 등 다양한 용도로 활용되며, 전 세계 식수의 약 절반, 관개용수의 40%, 산업용수의 1/3을 차지한다.[72] 강수, 개울, 강으로부터의 지표수가 지하로 스며들어 자연적으로 보충되며, 물의 순환에서 저수지 역할을 한다.[9]

우크라이나의 한 마을에서 흔히 볼 수 있는 식수원인 드제를로


지하수는 지표수와 마찬가지로 유입, 유출, 저장의 관점에서 생각할 수 있다. 지표수가 땅속으로 스며들어 지하수로 유입되며, 샘이나 바다로 흘러나가 유출된다.[10][11] 지하수는 순환 속도가 느려 저장량이 유입량보다 훨씬 크다.

지하수는 우물을 통해 추출될 수 있다


오스트레일리아 중부와 동부의 그레이트 아테시안 분지는 세계에서 가장 큰 갇힌 대수층 시스템 중 하나인데, 여기서 채취한 물은 100만 년 이상 된 것으로 밝혀졌다.

광업이 발전하면서 지하수 오염 사례가 많이 나타나고 있다. 일본 오사카의 한 사업소에서는 지하 55m 깊이에서 오염이 확인되었는데, 이는 인간 활동이 지하수를 오염시킨 사례이다.

전 세계적으로 20억 명 이상이 지하수에 의존하여 식수와 관개용수로 사용하고 있다. 그러나 지하수 고갈 문제가 심각하며, 100년 안에 완전히 보충되는 지하수는 전체 공급량의 절반에 그칠 것이라는 연구 결과도 있다.[64]

8. 1. 수량

지구 전체적으로 지하수는 생활용수, 관개용수, 제조업용수 등 여러 분야에서 가장 널리 사용되는 담수 자원이다. 전 세계 식수의 약 절반, 관개용수의 40%, 산업용수의 1/3을 지하수가 차지한다.[14] 다른 추정에 따르면 전 세계 인구의 최소 50%가 식수를 지하수에 의존하며, 약 25억 명은 기본적인 식수 수요를 지하수로 충족한다.[19]

2021년 자료에 따르면 지하수는 농업, 산업, 가정의 수요를 충족하기 위해 전 세계 연간 담수 취수량의 1/4에서 3/3을 공급하는 것으로 추정된다.[20]

1900년 전 세계 담수 취수량은 연간 약 600km³였으나, 2017년에는 연간 3,880km³로 크게 증가했다. 특히 1950년부터 1980년까지 연간 약 3%의 높은 증가율을 보였는데, 이는 인구 증가와 관개용 지하수 개발의 급증 때문이었다. 2022년 기준 현재 증가율은 연간 약 1% 수준이다.[17]

아시아 태평양 지역은 세계에서 지하수를 가장 많이 사용하는 지역으로, 지하수 사용량이 많은 상위 10개국 중 7개국 (방글라데시, 중국, 인도, 인도네시아, 이란, 파키스탄, 터키)이 이 지역에 속한다. 이들 국가만으로도 전 세계 지하수 취수량의 약 60%를 차지한다.[17]

하지만 전 세계적으로 지하수 고갈량은 연간 100~300km³로 추정되며, 이는 주로 건조지에서 관개 농업의 확장으로 인해 발생한다.[20]

8. 2. 음용수 수질 측면

지하수는 안전한 식수원이 될 수도 있고 아닐 수도 있다. 서로 다른 수문지질학적 환경에서 지하수에 대한 불확실성이 상당하기 때문이다. 비소, 불소, 염분과 같은 오염 물질이 널리 존재하기 때문에 지하수의 식수원으로서의 적합성이 감소할 수 있다. 비소와 불소는 국가마다 우선 순위 화학 물질이 다르지만, 세계적으로 ''우선 오염 물질''로 간주되어 왔다.[19]

수문지질학적 특성의 이질성이 매우 크다. 이러한 이유로 지하수의 염분은 공간적으로 매우 다양하다. 이는 특정 지역 내에서도 지하수 안전 위험이 매우 다양하게 나타나는 데 기여한다.[19] 지하수의 염분은 물을 마시기에 불쾌하고 사용할 수 없게 만들며, 예를 들어 방글라데시와 동서 아프리카의 해안 지역에서 자주 발생한다.[19]

총 염류 농도에 따라 다음 세 가지로 나누는 것이 가장 일반적이다.

염수(해수(해수)나 화석염수(화석해수)라고도 함)와의 교환, 염기치환 등의 수질 변화 및 진행 현상을 해석할 때, 다음과 같은 당량비로 구분한다.

  • Na / Cl
  • Mg / Cl
  • SO4 / Cl


이들을 통해 염기 치환, 탄산의 변화, 유기물의 분해, 산화환원 등을 지하수와 지층의 접촉 시간이나 체류 시간 등의 분석에 이용한다.

8. 3. 도시 및 산업 용수 공급

지하수는 지자체 및 산업용 상수 공급에 중요한 역할을 한다. 대규모 우물을 통해 공급되는데, 하나의 상수 공급원에 여러 개의 우물이 있는 경우 "우물군"이라고 하며, 갇힌 대수층 또는 갇히지 않은 대수층에서 물을 끌어올릴 수 있다. 깊고 갇힌 대수층의 지하수를 사용하면 지표수 오염으로부터 더 잘 보호받을 수 있다. "집수 우물"이라고 하는 일부 우물은 지표수(일반적으로 강물)의 침투를 유도하도록 특별히 설계되었다.[17]

도시 지역과 농업 관개에 지속 가능한 담수 지하수를 제공하는 대수층은 일반적으로 지표면 가까이(수백 미터 이내)에 있으며 담수에 의한 어느 정도의 함양이 있다. 이러한 함양은 강이나 대기수(강수)가 상부의 불포화 물질을 통해 대수층으로 스며들면서 발생한다.

광업의 발전과 함께 지하수가 오염되는 사례가 많은 지역에서 나타나고 있다. 일본에서는 오염된 물을 지하에 침투시키는 것을 금지한 지 얼마 되지 않았다. 예를 들어, 오사카의 광산안전법 적용 사업소(OAP)에서 지하 55m 부근의 심부에서 오염이 확인되었는데, 이는 인간의 경제 활동이 깨끗한 지하수를 이용하고 오염시켜 온 역사의 나쁜 사례이다. 건전한 물 순환은 인간 활동에 필수적인 조건이며, 도시 지역이라 할지라도 긴급 상황에서는 깨끗한 지하수 확보가 생명줄이 되므로, 도시에서의 지하수 환경 보전이 요구된다.

8. 4. 관개

지하수는 관개용수로 널리 사용되며, 특히 건조 지역에서 중요한 수자원이다. 전 세계적으로 추출된 지하수의 대부분(70%)은 농업용으로 사용된다.[25] 인도에서는 관개의 65%가 지하수에서 이루어지며,[26] 추출된 지하수의 약 90%가 관개에 사용된다.[27]

중앙 피봇 관개 방식으로 관개되는 캔자스(Kansas)주의 넓은 경작지. 오갈랄라 대수층의 지하수를 이용한다.


전 세계 경작지의 20%에 대한 관개(다양한 수원 이용)가 식량 생산의 40%를 차지한다.[21][22] 전 세계의 관개 기술에는 지표수를 돌리는 수로,[23][24] 지하수 양수, 댐에서 물을 돌리는 방식 등이 포함된다.

때때로 퇴적층 또는 화석 대수층이 도시 지역에 관개 및 식수를 제공하는 데 사용된다. 예를 들어 리비아에서는 무아마르 카다피(Muammar Gaddafi)의 대인공수로(Great Manmade River) 프로젝트가 사하라 사막 아래 대수층에서 많은 양의 지하수를 해안 근처 인구 밀집 지역으로 퍼 올렸다.[28] 이는 해수 담수화라는 대안보다 리비아의 비용을 절감했지만, 대수층은 60년에서 100년 안에 고갈될 가능성이 높다.[28]

8. 5. 개발도상국에서



개발도상국에서 지하수는 중요한 식수 공급원이며, WASH(Water, Sanitation and Hygiene) 프로그램에서 중요한 역할을 한다. 지하수에 대한 의존도는 주로 모든 부문의 증가하는 물 수요와 강수 패턴의 변동 증가로 인해 계속 증가할 것이다.[17]

9. 문제점

지하수는 전 세계 민물의 상당 부분을 차지하며, 가뭄 시 지표수를 보충하는 중요한 자원이다.[72] 그러나 지하수는 여러 문제점을 안고 있다.

지하수 순환은 강수, 강 등 지표수를 통해 자연스럽게 이루어지지만, 지하 구조물 굴착 시 단층 및 절리와 같은 단열대를 통과하면 유로가 변하고, 이로 인해 지하수 고갈, 지반 침하, 생태계 변화 등이 발생할 수 있다.[75] 특히 화강암과 같은 결정질 암석 지역에서는 단층 및 단열대 특성 파악이 중요하다.[75]

홍수터 인프라 보호를 위한 홍수 완화 계획은 대수층 함양 감소, 장기적인 지하수 고갈로 인한 토지 침하 및 인프라 손상, 염수 침입을 야기할 수 있다.[29] 저지대 해안 평야에서는 산성 황산염 토양 배수로 인해 하천 및 하구 지역의 수질이 악화될 수 있다.[30]

바닷물이 육지화되면서 지중에 남아 형성된 화석해수는 염분을 많이 함유하여 이용이 어렵지만, 일본 간토 지방 남부 지층의 화석해수는 메탄과 요오드를 다량 함유하여 산업적으로 이용되기도 한다. (남칸토 가스전) 플레이트 테크토닉스로 인해 발생하는 지하수는 고온인 경우가 많아 온천을 형성하기도 한다.

광업 발전과 함께 지하수 오염이 여러 지역에서 나타나고 있다. 일본 오사카의 OAP에서는 지하 55m 부근에서 오염이 확인되었는데, 이는 인간 활동으로 인한 지하수 오염의 사례이다. 도시 지역에서도 긴급 상황 시 깨끗한 지하수 확보가 중요하므로, 도시 지하수 환경 보전이 필요하다.

세계적으로 20억 명 이상이 지하수에 의존하고 있지만, 과도한 이용으로 인해 "환경의 시한폭탄"이라고 불릴 정도로 심각한 상황이다. 향후 100년 이내에 완전히 보충되는 지하수는 공급량의 절반에 불과하다는 연구 결과도 있다.[64]

지하수 보전을 위해서는 장기적인 관점에서 접근해야 하며, 함양량에 비해 저류량이 적으므로 양수량이 함양량을 초과하면 지반 침하가 발생할 수 있다. 산업 활동으로 인한 화학 물질 등에 의한 오염도 여러 곳에서 발생하고 있다. 농약, 공업 폐기물 등이 지하로 스며들어 지하수 오염을 유발한다.

지하수 오염 방지를 위해서는 지역 지하수 순환 실태 파악이 필수적이다. 그러나 충분하고 정확한 지하수 관찰이 이루어지지 않는 문제도 있다. 일본 오사카 아메니티 파크에서는 부지 경계 부근에서 환경 기준의 1700배에 달하는 중금속 오염이 검출되었으나, 부지 외부 오염 조사는 실시되지 않았다. 이후 행정 지도에 따라 조사한 결과, 환경 기준의 400배에 달하는 오염이 확인되었다.

9. 1. 과잉 양수



대수층의 수분 균형 다이어그램


지하수는 매우 유용하고 종종 풍부한 자원이다. 지구 대부분의 육지 지역에는 어떤 형태의 대수층이 존재하며, 때로는 상당한 깊이에 위치하기도 한다. 어떤 경우에는 이러한 대수층이 인구 증가로 인해 빠르게 고갈되고 있다. 이러한 과다 사용, 과잉 채취 또는 과다 양수는 인간 사용자와 환경에 심각한 문제를 야기할 수 있다. (인간의 지하수 사용과 관련하여) 가장 명백한 문제는 기존 우물의 범위를 넘어서서 지하수면이 저하되는 것이다. 결과적으로 지하수에 도달하기 위해 우물을 더 깊이 파야 한다. 일부 지역(예: 캘리포니아주, 텍사스주, 인도)에서는 광범위한 우물 양수로 인해 지하수면이 수백 피트나 떨어졌다.[32] GRACE 위성은 지구의 37개 주요 대수층 중 21개가 고갈되고 있음을 보여주는 데이터를 수집했다.[14] 예를 들어 인도의 펀자브 지역에서는 1979년 이후 지하수면이 10미터나 떨어졌고 고갈 속도는 더욱 빨라지고 있다.[33] 지하수면 저하는 지하수 함몰 및 염수 침입과 같은 다른 문제를 야기할 수 있다.[34]

또 다른 우려 사항은 과다 배분된 대수층에서의 지하수 감소가 육상 및 수생 생태계에 심각한 피해를 줄 수 있다는 것이다. 어떤 경우에는 매우 눈에 띄게 나타나지만, 다른 경우에는 피해가 발생하는 데 걸리는 기간이 길기 때문에 눈에 잘 띄지 않을 수 있다.[29] 담수 생물학자와 생태학자조차도 생태계에 대한 지하수의 중요성을 종종 간과한다. 지하수는 강, 습지, 호수뿐만 아니라 카르스트 또는 충적 대수층 내의 지하 생태계도 유지한다.

모든 생태계가 지하수를 필요로 하는 것은 아니다. 예를 들어, 개방된 사막 및 유사한 건조 환경의 일부 육상 생태계는 불규칙적인 강우와 토양에 전달되는 수분, 그리고 공기 중의 수분으로 생존한다. 더 살기 좋은 환경에 지하수가 중심적인 역할을 하지 않는 다른 육상 생태계가 있지만, 실제로 지하수는 세계 주요 생태계의 많은 부분에 근본적인 역할을 한다. 지하수와 지표수 사이에는 물이 흐른다. 대부분의 강, 호수 및 습지는 다양한 정도로 지하수에 의해 공급되고 (다른 장소나 시간에) 지하수를 공급한다. 지하수는 침투를 통해 토양 수분을 공급하며, 많은 육상 식물 군집은 매년 적어도 일부 기간 동안 지하수 또는 대수층 위의 침투된 토양 수분에 직접 의존한다. 하천 저층수대(하천수와 지하수의 혼합대)와 하천변 지역은 지하수에 크게 또는 전적으로 의존하는 전이대의 예이다.

2021년 연구에 따르면, 조사된 약 3900만 개의 지하수 우물 중 6~20%가 지역 지하수면이 수 미터 감소하면 고갈 위험이 높다고 한다. 많은 지역과 아마도 주요 대수층의 절반 이상이 계속 감소하고 있다.[35][36][37]

특히 눈이나 비에 의한 재충전이 제한적인 담수 대수층(즉, 대기성 물로 알려짐)은 과도하게 개발될 수 있으며, 지역 수문 지질학에 따라 비음용수 또는 수리적으로 연결된 대수층이나 지표수에서 염수 침입을 유발할 수 있다. 이는 특히 해안 지역과 대수층 양수가 과도한 지역에서 심각한 문제가 될 수 있다.

9. 2. 침하

지반 침하는 지하에서 과도한 지하수를 퍼 올릴 때 발생한다. 지하 공간이 수축하면서 지표면이 함몰되는 현상으로, 토지에 분화구와 같은 모습이 나타날 수 있다. 이는 자연 평형 상태에서 대수층(aquifer)과 저투수층(aquitard)의 공극(pore spaces) 내 지하수의 수압이 상부 퇴적물의 무게를 일부 지탱하기 때문인데,[38] 과도한 양수로 대수층에서 지하수가 제거되면 대수층의 공극압이 떨어지고 대수층의 압축이 발생할 수 있다. 압력이 회복되면 이 압축은 부분적으로 회복될 수 있지만, 대부분은 회복되지 않는다. 대수층이 압축되면 지표면이 하강하는 지반 침하가 발생한다.[38]

다져지지 않은 대수층에서는 자갈, 모래, 미사 입자 사이의 공극에서 지하수가 생성된다. 대수층이 저투수층으로 둘러싸여 있는 경우, 모래와 자갈 내 감소된 수압으로 인해 인접한 저투수층에서 물이 천천히 배출된다. 이러한 저투수층이 압축성이 있는 미사 또는 점토로 구성된 경우, 대수층으로의 물 손실은 저투수층의 수압을 감소시켜 상부 지질 물질의 무게로 인해 압축되도록 한다. 심각한 경우, 이러한 압축은 지표면에서 지반 침하로 관찰될 수 있다. 지하수 추출로 인한 지반 침하는 대부분 영구적이며 탄성 반발은 적다. 따라서 침하는 영구적일 뿐만 아니라 압축된 대수층은 물을 저장할 수 있는 용량이 영구적으로 감소한다.

루이지애나주 뉴올리언스는 현재 해수면 아래에 있으며, 그 침하는 부분적으로 그 아래에 있는 여러 대수층/저투수층 시스템에서 지하수를 제거한 결과이다.[39] 20세기 전반기에 샌호아킨 계곡은 어떤 곳에서는 최대 8.5m에 달하는 심각한 침하를 경험했는데,[40] 이는 지하수 제거 때문이다. 이탈리아의 베네치아[41]와 태국의 방콕[42]을 포함한 강 삼각주에 있는 도시들은 지표면 침하를 경험했다. 옛 호수 바닥 위에 세워진 멕시코시티는 연간 최대 40cm의 침하율을 경험했다.[43]

해안 도시의 경우, 지반 침하는 해수면 상승과 같은 다른 환경 문제의 위험을 증가시킬 수 있다.[44] 예를 들어, 방콕은 이러한 요인들이 결합되어 2070년까지 해안 홍수에 노출될 것으로 예상되는 인구가 513만 8천 명에 달할 것으로 예상된다.[44]

일본에서는, 2차 세계대전 전부터 저렴한 지하수가 공업용수로 이용되어 왔다. 산업화가 진행되던 1960년대 무렵부터, 간토·노우비 등의 지역에서 광역적인 지반침하[68]가 확인되었고, 해면보다 낮은 지역(해발 제로미터 지대)이 출현했다. 지하수가 대규모 공해 문제로 주목받은 최초의 사례이다. 지반침하에서는 대부분 불균등 침하가 발생하여, 상대적으로 솟아오르는 매설물도 있다.[69][58] 각지에서 지하수 양수를 규제하는 조례가 제정되었고, 지반침하는 진정되었다.

양수 규제가 시행된 이후, 저하되었던 지하수위가 회복되기 시작했다. 침하는 억제되는 한편, 지하수위가 낮았던 시기에 지하에 설치된 구조물에 몇 가지 문제가 발생하기 시작했다. 예를 들어 도쿄에서는 지하실의 부상(도쿄역 지하 영역)이나 지하 매설 관로로의 지하수 유입 등이 발생하여, 대책 공사가 시행되고 있다.

9. 3. 증발로 인한 염분화

지표수원이 증발을 많이 겪으면 지하수원이 염분화될 수 있다. 이러한 현상은 내륙호에서 자연적으로, 또는 관개 농지에서 인위적으로 발생할 수 있다. 해안 지역에서는 지하수를 사람이 많이 사용하면 바다로의 침투 방향이 바뀌어 토양 염류화가 발생할 수 있다.[45]

물이 지형을 통과하면서 염화나트륨과 같은 녹기 쉬운 염을 모으는데, 이 물이 증발산으로 대기로 들어가면 염분이 남게 된다. 관개 지역에서 토양과 지표 대수층의 배수가 잘 안되면 저지대에서 지하수면이 지표면까지 올라올 수 있다. 이는 토양 염분화와 과습이라는 토지 황폐화 문제를 일으키고[45], 지표수의 염분 농도를 높여 지역 경제와 환경에 큰 피해를 준다.[46]

반건조 지역의 표면 관개 지역 대수층은 관개수 손실을 재이용하여 우물에서 보충 관개를 통해 지하로 침투하면 염류화될 위험이 있다.[47]

표면 관개수는 보통 0.5g/L 이상의 염을 포함하고, 연간 관개 요구량은 10000m3/ha 이상이므로, 연간 염 유입량은 5000kg/ha 이상이다.[48]

지속적인 증발로 인해 대수층 물의 염분 농도가 계속 증가하면 환경 문제가 발생할 수 있다.

이 경우 염분 관리를 위해 매년 지하 배수 시스템을 통해 대수층에서 일정량의 물을 배출하고 안전하게 처리해야 한다. 배수 시스템은 파이프, 타일 배수구, 도랑을 사용하는 '수평' 방식이나 우물 배수를 이용하는 '수직' 방식이 있다. 배수 요구량을 추정하기 위해 농업-수문-염분 성분을 포함하는 지하수 모델(예: SahysMod)을 사용하는 것이 유용하다.

9. 4. 해수 침입

해안 근처 대수층은 지표면 가까이에 담수 렌즈가 있고, 그 아래에는 밀도가 더 높은 해수가 존재한다. 해수는 바다에서 확산되어 대수층으로 침투하며 담수보다 밀도가 높다. 해안 근처의 다공성(모래 등) 대수층의 경우, 염수 위 담수의 두께는 해수면 위 담수 수두 약 0.30m당 약 약 12.19m이다. 이 관계를 Ghyben-Herzberg 방정식이라고 한다.

해안 근처에서 지하수를 너무 많이 퍼내면 염수가 담수 대수층으로 침입하여 식수 공급원을 오염시킬 수 있다. 비스케인 대수층(마이애미 근처)과 뉴저지 해안 평야 대수층과 같은 많은 해안 대수층은 과도한 양수와 해수면 상승으로 인해 염수 침입 문제를 겪고 있다.

염수 침입은 해수가 해안 대수층으로 유입되거나 존재하는 현상이며, 염수 침입의 한 유형이다. 이는 자연 현상이지만, 기후 변화로 인한 해수면 상승과 같은 인위적인 요인으로 인해 발생하거나 악화될 수도 있다.[49] 균질한 대수층의 경우, 염수 침입은 담수 지하수로의 전이대 아래에 염수 쐐기 형태를 이루며, 상부에서 해양 쪽으로 흐른다.[50][51]

해수면 상승으로 해수가 해안 지하수와 혼합되어 저수지의 2~3%를 초과하면 사용할 수 없게 된다. 미국 해안선의 약 15%에 걸쳐 대부분의 지역 지하수 수위는 이미 해수면보다 낮다.[52]

9. 5. 오염

수인성 질병은 오물이 묻은 화장실에서 나온 병원균에 오염된 지하수를 통해 전파될 수 있다


지하수 오염은 인간의 활동이나 자연적인 원인으로 발생하며, 이는 수인성 질병을 일으킬 수 있다. 세계적으로 20억 명 이상이 지하수를 식수 및 관개용수로 사용하고 있는데, 지하수원의 함양량을 초과하는 과도한 이용은 "환경의 시한폭탄"이라고 불릴 정도로 심각한 문제이다. 향후 100년 이내에 완전히 보충되는 지하수는 전체 공급량의 절반에 불과할 것이라는 연구 결과도 있다.[64]

광업의 발전과 함께 지하수 오염 사례가 여러 지역에서 나타나고 있다. 일본에서는 오염된 물을 지하에 침투시키는 것을 금지하고 있지만, 오사카의 광산안전법 적용 사업소(OAP)에서는 지하 55m 부근에서 오염이 확인되기도 했다. 이는 인간의 경제 활동이 깨끗한 지하수를 오염시킨 사례이다. 건전한 물 순환은 인간 활동에 필수적이며, 도시 지역에서도 긴급 상황 시 깨끗한 지하수 확보는 생명줄이 되므로, 도시에서의 지하수 환경 보전이 요구된다.

유해물질을 포함한 지하수가 강이나 연못 등으로 유입되면 유해물질은 응집, 침전하여 수저에 퇴적된다. 저질에 많은 유해물질이 축적되면 저질오염이 발생한다. 수저나 저질에 사는 동식물이 유해물질을 농축하고, 먹이사슬을 통해 더 고농도의 유해물질이 동물의 체내에 축적된다. 사람이 이를 섭취하면 인체 건강에 피해가 발생할 수 있다.

9. 5. 1. 인위적 오염원

산업 활동으로 인한 각종 화학 물질 등에 의한 오염이 여러 곳에서 발생하고 있다. 예를 들어, 농업에서 사용하는 농약이나, 공업 등에서 배출되는 폐기물이 지하로 스며들어 지하수 오염이 발생하고 있다.[64]

9. 5. 2. 자연적 오염원

지하수는 비소, 불소와 같이 자연적으로 발생하는 물질에 의해 오염될 수 있다.[64]

9. 6. 기후 변화

기후 변화는 강수 패턴 변화, 극심한 기상 현상 등을 통해 지하수 저장량, 재충전, 수질 등에 영향을 미친다.[53]

기후 변화는 물 순환의 변화를 초래하며, 이는 여러 가지 방식으로 지하수에 영향을 미친다. 극심한 기상 현상은 지하수 저장량 감소, 지하수 재충전 감소, 수질 악화를 유발할 수 있다.[53] 열대 지방에서는 강한 강수와 홍수로 인해 지하수 재충전이 증가하는 것으로 나타났다.[53]

하지만 기후 변화가 지하수에 미치는 정확한 영향은 아직 연구 중이다.[53] 이는 지하수 모니터링으로 얻은 과학적 데이터, 예를 들어 공간 및 시간의 변화, 취수 데이터 및 "지하수 재충전 과정의 수치적 표현"이 여전히 부족하기 때문이다.[53]

기후 변화는 지하수 저장량에 다양한 영향을 미칠 수 있다. 예상되는 더 강렬하지만 빈도가 적은 주요 강우 사건은 많은 환경에서 지하수 재충전을 증가시킬 수 있다.[17] 그러나 더 강렬한 가뭄 기간은 토양 건조 및 다짐을 초래하여 지하수로의 침투를 감소시킬 수 있다.[54]

고지대 지역의 경우 눈의 지속 시간과 양이 감소하면 봄철 지하수 재충전이 감소할 수 있다.[53] 후퇴하는 고산 빙하가 지하수 시스템에 미치는 영향은 잘 알려져 있지 않다.[17]

기후 변화로 인한 전 세계적인 해수면 상승은 전 세계 연안 대수층으로의 해수 침입을 유발했으며, 특히 저지대와 작은 섬에서 두드러진다.[53] 그러나 해수 침입의 주요 원인은 해수면 상승이 아니라 일반적으로 지하수 취수이다(해수 침입에 관한 부분 참조).[17]

지하수 오염 또한 기후 변화로 인해 간접적으로 증가할 수 있다. 더 빈번하고 강렬한 폭풍은 오염 물질(예: 비료, 폐수, 웅덩이 화장실의 인분)을 이동시켜 지하수를 오염시킬 수 있다.[53] 가뭄은 강의 희석 능력과 지하수위를 감소시켜 지하수 오염 위험을 증가시킨다.

9. 6. 1. 기후 변화 적응

지하수 사용 증가는 기후 변화로 인한 가뭄에 대한 적응 방안으로 고려될 수 있다.[55] 특히 사하라 사막 이남 아프리카 지역에서 이러한 경향이 두드러진다.

분산된 지하수 저장량과 계절적 또는 일시적인 수자원 과잉을 저장하는 대수층 시스템의 용량을 활용하면, 지표면 댐과 같은 기존 인프라보다 증발 손실이 훨씬 적어 기후변화 적응에 유리하다.[17] 예를 들어, 열대 아프리카에서는 지하수 저장고에서 물을 퍼 올리는 것이 물과 식량 공급의 기후 회복력을 향상시키는 데 도움이 될 수 있다.[17]

9. 6. 2. 기후 변화 완화

지열 에너지는 지속 가능한 에너지원으로, 이산화탄소 배출량을 줄여 기후변화 완화에 기여한다.[17] 지하수는 지열 에너지의 저장, 이동 및 추출 과정에서 중요한 매개체 역할을 한다.[17]

네덜란드와 스웨덴 같은 국가에서는 지하수를 지역난방 및 냉방 네트워크에서 계절별 에너지원, 흡수원 또는 열 완충 장치로 활용하고 있다.[17]

10. 지하수 거버넌스

지하수 관리는 지하수 관리, 계획 및 정책 시행을 가능하게 한다. 이는 지역 및 국가 간 협력을 통해 이루어진다.[17]

지하수 관리는 실제 이행 활동과 일상적인 운영에 중점을 둔다. 지하수는 종종 사유 자원(토지 소유와 밀접하게 관련되고 일부 지역에서는 사유 재산으로 간주됨)으로 인식되기 때문에 규제 및 상향식 거버넌스와 관리가 어렵다. 정부는 지하수의 공공재적 측면을 고려하여 자원 관리자로서의 역할을 수행해야 한다.[17]

국내법 및 규정은 지하수 접근 및 지하수 품질에 영향을 미치는 인간 활동을 규제한다. 법적 프레임워크에는 배출 및 함양 지역과 용수 공급 우물 주변 지역의 보호, 지속 가능한 수율 기준 및 취수량 통제, 병용 사용 규정도 포함되어야 한다. 일부 지역에서는 강을 포함한 지표수와 함께 지하수가 규제된다.[17]

11. 관련 용어


  • '''투수성''': 토지가 수분을 흡수하는 능력(성질)이다.
  • '''수문학'''과 '''수리학''': 지하수를 다루는 연구 분야이다.
  • '''보유수''': 폐기물 최종처리장에서 토양에 포함된 물을 말하며, 일반적인 지하수와 구분된다.
  • '''화석해수''': 과거 바다였던 지역이 육지화되면서 바닷물이 지중에 남아 형성된 지하수이다.
  • '''호턴 지표류''': 지표면의 침투능이 낮아 지중에 침투하지 않고 지표수가 되는 수류이다.
  • '''다르시의 법칙''': 지하수의 유속을 구하는 데 사용되는 법칙으로, 1856년 프랑스 기술자 앙리 다르시가 발견했다.
  • '''지하수의 유속 = 투수계수 × 동수경사'''
  • '''투수계수''': 지층이 물을 통과시키는 정도
  • '''동수경사''': 2점 간의 수두 차를 거리로 나눈 값 (기울기)
  • '''지하수면''': 토양수와 지하수의 경계이다.
  • '''피압 지하수''': 지하수면 아래 포화대 내의 물로, 주변 토양과 물 자체의 무게 때문에 대기압보다 높은 압력을 가진다.

12. 일본

일본에서는 지하수 관련 연구 분야로 수문학과 수리학이 있다.

1960년대부터 간토, 노비 등지에서 광역적인 지반침하[68]가 확인되었고, 해면보다 낮은 지역(해발 제로미터 지대)이 나타났다. 이는 지하수가 대규모 공해 문제로 주목받은 최초의 사례이다. 지반침하로 인해 불균등 침하가 발생하여 매설물이 솟아오르는 경우도 있었다.[69][58] 각지에서 지하수 양수 규제 조례가 제정되면서 지반침하는 진정되었다.

광업 발전과 함께 지하수 오염 사례도 많이 나타나고 있다. 일본에서는 오염된 물을 지하에 침투시키는 것을 비교적 최근에야 금지했다. 오사카의 광산안전법 적용 사업소(OAP) 지하 55m 부근에서 오염이 확인된 것은 인간의 경제 활동이 깨끗한 지하수를 오염시킨 대표적인 사례이다.

12. 1. 자원

지하수는 지하수학이라는 전문 학문 분야에서 다루어지며[65], 지하수 자원 탐사 방법은 크게 세 가지로 나눌 수 있다.

탐사 방법설명
문헌 자료하천, 호수, 용천 등 과거 상황을 파악한다.
현지 지형 확인지표면의 요철, 하천, 호수 등 물의 흐름을 보고 지하 상황을 추측한다.
지하 조사보링을 통해 토양과 물을 채취(물리적 방법), 지면 저항값 측정[66], 전자파를 이용한 전류 측정(전기·자기적 방법)[67], 균열에서 새어나오는 가스 측정(화학적 방법), 중력을 이용한 암석 종류 추정 등 다양한 방법이 사용된다.[58]


12. 1. 1. 일본의 공수론과 사수론

1970년대부터 지하수는 공공재적 성격이 강하다는 "'''공수론'''"과, 토지 소유자가 우물 등을 설치하여 개인적으로 이용할 수 있는 것이므로 사적 재산에 포함된다는 "'''사수론'''"이 논의되어 왔다. 이는 1950년대부터 심화된 지반침하의 원인이 지하수 양수 때문이라는 결론이 내려진 이후의 일이다.[1]

법적으로 토지 소유권은 "법령의 제한 내에서 그 토지의 상하에 미친다"(민법 제207조)고 규정되어, 지하수는 사유재산으로 간주되지만, 공수로 보는 판례도 있다. 현재까지 각 부처에서 논의가 진행되어 왔지만, 지하수에 대한 확정되거나 통일된 생각은 없다.[1]

1990년대 중반부터 지하수 오염이 각지에서 표면화되고, 지반침하 방지 대책과 여론의 환경 의식 향상에 따라 지하수를 공수로 생각하는 사회적 배경이 형성되었다. 한편, 토지 소유권을 지반 소유 권리로 보는 관점에서는 지하수를 지반 구성 3요소(1. 암석·토양 입자 등 고체, 2. 지하수 등 액체, 3. 공기 등 기체) 중 하나로 보아, 지하수가 토지 소유권에 부수한다는 개념은 현재도 남아 있다. 덧붙여 지하수는 자유롭게 유동하는 액체이므로 사유재산에 해당하지 않는다는 생각도 있다.[1]

12. 2. 환경 문제

광업의 발전과 함께 지하수가 오염되는 사례가 여러 지역에서 나타나고 있다. 일본에서는 오염된 물을 지하에 침투시키는 것을 금지한 지 얼마 되지 않았다. 예를 들어, 오사카의 광산안전법 적용 사업소(OAP)에서 지하 55m 부근의 심부에서 오염이 확인되었는데, 이는 인간의 경제 활동이 깨끗한 지하수를 이용하고 오염시켜 온 역사의 나쁜 사례이다. 건전한 물 순환은 인간 활동을 하는 데 필수적인 조건이며, 도시 지역이라 할지라도 긴급 상황에서는 깨끗한 지하수 확보가 생명줄이 되므로, 도시에서의 지하수 환경 보전이 요구된다.

세계적으로 20억 명 이상이 식수 및 관개용수로 지하수에 의존하고 있으며, 지하수원의 함양량을 초과하는 용수 이용은 "환경의 시한폭탄"이라고도 불린다.[64] 향후 100년 이내에 완전히 보충되는 지하수는 공급량 전체의 절반에 그친다는 연구 결과도 제시되고 있다.

일본에서는 제2차 세계대전 전부터 저렴한 지하수가 공업용수로 이용되어 왔다. 1960년대 무렵부터 간토·노우비 등의 지역에서 광역적인 지반침하[68]가 확인되었고, 해면보다 낮은 지역(해발 제로미터 지대)이 출현했다. 지하수가 대규모 공해 문제로 주목받은 최초의 사례이다. 지반침하에서는 대부분 불균등 침하가 발생하여, 상대적으로 솟아오르는 매설물도 있다.[69][58] 각지에서 지하수 양수를 규제하는 조례가 제정되어 지반침하는 진정되었다.

양수 규제 이후, 저하되었던 지하수위가 회복되기 시작했다. 침하는 억제되는 한편, 지하수위가 낮았던 시기에 지하에 설치된 구조물에 몇 가지 문제가 발생하기 시작했다. 예를 들어 도쿄에서는 지하실의 부상(도쿄역 지하 영역)이나 지하 매설 관로로의 지하수 유입 등이 발생하여, 대책 공사가 시행되고 있다.

13. 국가별 현황

지하수는 특히 건조한 국가에서 식수 공급을 위한 중요한 수자원이다.

아랍 지역은 세계에서 가장 물이 부족한 지역 중 하나이며, 22개 아랍 국가 중 최소 11개국에서는 지하수가 가장 의존적인 수자원이다. 이 지역의 많은 곳에서 지하수 과다 추출로 인해 지하수면이 하강하고 있으며, 인구 밀도가 높고 농업이 발달한 지역에서 특히 심각하다.[17]

14. 수원림 보호의 과제

최근 일본에서는 해외 기업이 경제적으로 어려운 임업 사업자로부터 산림을 대규모로 매입하여, 일본 내 양질의 지하수(표면수의 일부 포함)를 수출하는 사례가 나타나고 있다. 그러나 일본에는 이를 규제하는 법령이 미비하여 대량 취수 및 외부 유출로 인한 물 순환 저해 우려가 제기되고 있다.[70]

2019년, 농림수산성이 외국 자본의 산림 매입 사례를 조사한 결과, 2018년에 해외 거주 개인이나 법인이 산림을 매입한 사례는 총 30건, 373ha였다. 2006년부터 2018년까지 누계는 223건, 2076ha로[71], 일본 전체 산림 면적(약 25.1억ha)과 비교하면 매우 적은 수치이다.

참조

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[61] 서적 地下水の年代測定は考古学調査などと同様に炭素14の半減期から推定する放射性炭素年代測定法が用いられている。
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[65] 서적 「地下水学」では、地表面より下の不飽和帯と飽和帯の水全体を包めて扱う。
[66] 서적 長ければ数キロの間に幾本も電極を地面に打ち込んで電流を流し地面の抵抗値を測る「電気探査」では、水平方向での地下の状況に関する手がかりを得ることができ、これとボーリングによって得る垂直方向での電気探査の測定データを重ね合わせる「比抵抗トモグラフィー」も行われている。
[67] 서적 電磁波を用いた地上探査では、発信側と受信側の2箇所以上で作業を行う。発信側では1kmほどの長さの電線を伸ばし両端の電極から電流を地下に流して順番に複数の長周期波長の電磁波を作る。受信側は、発信側に対向して4-8kmほど離れた地点で1-1.5kmほど直線上の数箇所に20mほどの長さの電場センサーと1個の磁気センサーを用意し、地下から生じる電気・磁気の変化を測定する。このような地上探査は作業に手間がかかり広域を探査するには長期間かかるため、ヘリコプターからセンサーを吊り下げて行う「空中電磁波探査」が普及している。空中電磁波探査では深さ150m程度までと限界がある。
[68] 서적 「地盤沈下」は、涵養による流入量の少ない地下から地下水を過剰に汲み上げることにより水を含む帯水層そのものの体積は変化しないまま、帯水層に接する、通常は上や下などに存在する粘土層のような強固な構造を持たない難透水層中の地下水が帯水層へ移動することで絞り出され、これにより不透水層が収縮することで地上では地面が沈下する現象である。このような収縮は特に「圧密」と呼ばれる。帯水層（透水層）が直接収縮するのではない。
[69] 서적 地盤沈下によって地上付近の埋設物が相対的に浮上する事を「抜け上がり」と呼ぶ。
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[71] 웹사이트 外国資本による森林買収に関する調査の結果について https://www.rinya.ma[...] 農林水産省 2021-03-09
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[73] 서적 토목기사 대비 상하수도 공학 한솔아카데미 2016-00-00 #날짜 형식이 부족하여 00-00-00으로 설정
[74] 서적 토목기사 대비 상하수도 공학 한솔아카데미 2016-00-00 #날짜 형식이 부족하여 00-00-00으로 설정
[75] 웹인용 부산시 금정산 일원의 지하수 유동 해석을 위한 단열계 분석 (Fracture Analysis for Evaluation of Groundwater Flow around the Geumjeong Mountain, Busan) https://www.dbpia.co[...] 2002-00-00 #날짜 형식이 부족하여 00-00-00으로 설정
[76] 저널 Ground Water from Fractured Crystalline Rocks in Korea 韓國 結晶質 岩層의 地下水 https://www.dbpia.co[...] 1975-12-00 #날짜 형식이 부족하여 00-00으로 설정


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