지하수는 땅속 암석과 토양의 틈새를 채우고 있는 물입니다. 전 세계 담수의 약 30퍼센트가 지하수로 존재하며, 인류가 사용하는 식수의 절반 이상을 공급합니다. 강이나 호수가 없는 건조 지역에서는 지하수가 유일한 수원입니다. 사우디아라비아는 물 수요의 90퍼센트 이상을 지하수에 의존하고, 인도에서는 수억 명이 지하수로 농사를 짓습니다. 지하수는 느리지만 끊임없이 움직입니다. 비가 땅속으로 스며들어 대수층을 채우고, 수십 년에서 수천 년에 걸쳐 천천히 흐르다가 샘이나 하천으로 나옵니다. 하지만 인간이 퍼 올리는 속도가 보충되는 속도보다 빠르면 지하수위가 낮아지고 우물이 마릅니다. 북중국 평원, 인도 북부, 미국 대평원에서 지하수 고갈이 심각합니다. 일부 대수층에는 수만 년 전 빙하기에 저장된 화석 지하수가 있지만, 이것도 빠르게 소진되고 있습니다. 이 글에서는 지하수가 어떻게 형성되고 저장되는지, 대수층의 종류와 특징, 지하수의 이용과 문제점, 그리고 지속 가능한 관리 방법을 상세히 알아보겠습니다.
지하수의 형성과 저장
지하수는 강수가 땅속으로 침투하여 만들어집니다. 비나 눈이 땅에 떨어지면 일부는 증발하고, 일부는 지표수로 흘러가며, 나머지는 땅속으로 스며듭니다. 이를 침투 또는 함양이라고 합니다. 침투된 물은 중력에 이끌려 아래로 내려가며 토양과 암석의 공극을 채웁니다. 지하는 두 개의 대에 나뉩니다. 불포화대는 지표면 바로 아래로, 공극이 부분적으로 물로 채워져 있고 나머지는 공기로 채워진 구역입니다. 토양수대라고도 하며, 식물 뿌리가 이 구역의 물을 이용합니다. 포화대는 모든 공극이 물로 완전히 채워진 구역입니다. 지하수대라고 하며, 진정한 지하수가 존재하는 곳입니다. 지하수면은 불포화대와 포화대의 경계면입니다. 지하수면 위치는 고정되어 있지 않고 강수량, 계절, 지하수 사용량에 따라 올라가거나 내려갑니다. 비가 많이 오면 지하수면이 상승하고, 가뭄이나 과다 사용으로 하강합니다. 암석과 토양의 성질이 지하수 저장과 이동에 영향을 줍니다. 공극률은 암석이나 토양 부피 중 공극이 차지하는 비율입니다. 공극률이 높을수록 많은 물을 저장할 수 있습니다. 모래와 자갈은 공극률이 25~50퍼센트로 높고, 점토도 공극률은 높지만 입자가 미세하여 물이 천천히 움직입니다. 투수성은 물이 암석이나 토양을 통과하는 능력입니다. 공극들이 서로 연결되어 있어야 물이 흐를 수 있습니다. 모래와 자갈은 투수성이 높아 좋은 대수층을 만듭니다. 점토는 공극률은 높지만 공극이 너무 작아 투수성이 낮습니다. 화강암 같은 치밀한 암석은 공극률과 투수성이 모두 낮지만, 균열이 발달하면 균열을 따라 지하수가 흐릅니다. 석회암은 용식 작용으로 만들어진 동굴과 통로로 많은 지하수를 저장하고 빠르게 이동시킵니다.
대수층의 종류
대수층은 지하수를 포함하고 경제적으로 채수할 수 있는 충분한 양의 물을 공급할 수 있는 지층입니다. 투수성이 높은 모래, 자갈, 사암, 석회암으로 이루어집니다. 불투수층은 물을 거의 통과시키지 않는 지층으로 점토, 이암, 치밀한 화강암 등입니다. 대수층은 자유면 대수층과 피압 대수층으로 나뉩니다. 자유면 대수층 또는 부압 대수층은 위에 불투수층이 없어 지하수면이 자유롭게 변동하는 대수층입니다. 가장 흔한 유형이며, 지하수면이 대기압에 노출되어 있습니다. 비가 오면 직접 함양되어 지하수면이 상승합니다. 우물을 파면 물이 지하수면 높이까지만 차오릅니다. 지하수 오염에 취약합니다. 피압 대수층 또는 자승정 대수층은 위아래가 불투수층으로 둘러싸인 대수층입니다. 지하수가 압력을 받고 있어 우물을 뚫으면 물이 자동으로 솟아오릅니다. 자분정 또는 분천정이라고 합니다. 압력이 충분히 높으면 물이 지표 위로 분수처럼 솟아오릅니다. 함양 지역은 대수층이 지표에 노출된 곳으로, 여기서 물이 스며들어 대수층을 채웁니다. 함양 지역은 피압 대수층에서 멀리 떨어져 있을 수 있습니다. 따라서 피압 대수층의 함양은 매우 느립니다. 오갈랄라 대수층은 미국 대평원 아래 있는 거대한 대수층입니다. 네브래스카에서 텍사스까지 뻗어 있으며, 면적이 45만 제곱킬로미터입니다. 마지막 빙하기와 그 이후에 형성되었으며, 대평원 농업의 생명선입니다. 하지만 지난 50년간 과도한 관개로 지하수위가 급격히 낮아졌고, 일부 지역에서는 30미터 이상 하강했습니다. 현재 추출량이 함양량의 10배 이상이며, 지속 불가능한 상태입니다. 수백만 년에 걸쳐 저장된 물을 수십 년 만에 소진하고 있습니다.
지하수의 이용과 문제
지하수의 이용
지하수는 식수로 가장 중요합니다. 전 세계 인구의 약 절반이 식수를 지하수에 의존하며, 유럽은 75퍼센트, 미국은 50퍼센트가 지하수를 마십니다. 지하수는 일반적으로 지표수보다 깨끗합니다. 토양과 암석을 통과하면서 자연적으로 여과되고, 병원균이 제거됩니다. 하지만 화학 오염물질은 제거되지 않을 수 있습니다. 농업은 지하수의 가장 큰 사용처입니다. 전 세계 관개 농업의 40퍼센트가 지하수를 이용합니다. 인도, 중국, 파키스탄, 미국이 가장 많이 사용합니다. 지하수는 안정적인 수원이지만, 과도한 사용은 고갈을 초래합니다. 산업도 많은 지하수를 사용합니다. 냉각수, 제조 공정, 채광에 필요합니다. 온천은 지하 깊은 곳의 뜨거운 물이 지표로 솟아나는 것입니다. 지열로 가열된 지하수가 균열을 따라 올라옵니다. 아이슬란드와 뉴질랜드는 지열 지하수로 난방과 발전을 합니다.
지하수 문제
지하수 고갈이 심각합니다. 전 세계 주요 대수층의 3분의 1이 고갈되고 있습니다. 북중국 평원, 인도 북부, 중동, 미국 캘리포니아에서 특히 심각합니다. 우물이 말라가고 더 깊이 파야 하며, 펌핑 비용이 증가합니다. 지하수위 하강은 여러 문제를 일으킵니다. 지반 침하가 발생합니다. 대수층의 물이 빠져나가면 지층이 압축되어 땅이 내려앉습니다. 멕시코시티는 지하수 과다 추출로 100년간 9미터 이상 침하했습니다. 건물이 기울고 도로가 갈라지며 하수관이 파손됩니다. 한번 침하된 지층은 회복되지 않습니다. 해수 침투도 문제입니다. 해안 지역에서 지하수를 과다하게 퍼 올리면 지하수위가 해수면보다 낮아져 바닷물이 대수층으로 침투합니다. 지하수가 염수로 오염되면 식수와 농업용수로 사용할 수 없습니다. 플로리다, 지중해 연안, 동남아시아에서 발생하고 있습니다. 지하수 오염은 심각하고 정화가 어렵습니다. 일단 오염되면 오염 물질이 수십 년간 남아 있습니다. 지표수는 흘러가며 자정 작용을 하지만, 지하수는 천천히 움직여 오염이 오래 지속됩니다. 질산염은 가장 흔한 오염 물질로, 비료와 축산 폐기물에서 나옵니다. 농업 지역의 지하수 다수가 질산염으로 오염되었습니다. 높은 농도의 질산염은 건강에 해롭습니다. 살충제와 제초제도 지하수를 오염시킵니다. 공업 화학물질, 중금속, 유류도 지하수로 스며듭니다. 지하 저장 탱크 누출, 산업 폐기물 투기, 광산 침출수가 원인입니다. 방사성 물질도 일부 지역에서 문제입니다.
지속 가능한 관리
지하수를 지속 가능하게 이용하려면 추출량을 함양량 이하로 유지해야 합니다. 지하수 예산을 맞추는 것입니다. 현재 많은 지역이 지하수 적자 상태입니다. 함양을 증가시키는 방법이 있습니다. 우수 저류지를 만들어 빗물이 천천히 스며들게 하고, 도시의 불투수 표면을 줄이며, 농경지에 침투 연못을 만듭니다. 인도와 중국에서 인공 함양 프로젝트가 진행 중입니다. 사용량을 줄이는 것도 중요합니다. 점적 관개로 물 사용 효율을 높이고, 가뭄에 강한 작물을 재배하며, 물 재활용을 확대합니다. 빗물 수확으로 지하수 의존도를 낮춥니다. 오염 방지가 필수적입니다. 비료와 살충제 사용을 줄이고, 산업 폐기물을 적절히 처리하며, 지하 저장 탱크를 점검하고 보호 구역을 지정합니다. 지하수 모니터링도 중요합니다. 지하수위와 수질을 정기적으로 측정하여 변화를 추적하고, 조기 경고로 대응합니다. 법적 규제와 관리 체계가 필요합니다. 많은 곳에서 지하수는 규제 없이 자유롭게 추출됩니다. 지하수 권리를 명확히 하고, 허가제를 도입하며, 사용량을 제한해야 합니다. 지하수는 보이지 않지만 생명을 지탱하는 숨은 자원입니다. 보호하지 않으면 사라지고, 회복하기 매우 어렵습니다. 미래 세대를 위해 지하수를 현명하게 관리해야 합니다.