지하수는 땅속에 숨어 있는 물입니다. 강이나 호수처럼 보이지 않지만, 지구 담수의 약 30퍼센트를 차지하며 인류가 사용하는 물의 절반 이상을 공급합니다. 전 세계 20억 명 이상이 지하수에 의존하여 식수를 얻고, 농업 관개의 40퍼센트가 지하수를 사용합니다. 인도, 중국, 파키스탄, 미국, 이란은 지하수를 대량으로 퍼올려 농작물을 재배하며, 지하수 없이는 현재 식량 생산이 불가능합니다. 하지만 지하수는 보이지 않아 관리가 어렵습니다. 얼마나 있는지, 얼마나 빨리 재충전되는지, 언제 고갈될지 정확히 알기 힘들고, 오염되면 정화가 거의 불가능하며, 과다 채취는 땅을 가라앉히고 생태계를 파괴합니다. 전 세계 주요 대수층이 고갈되고 있습니다. 인도 북부와 중국 화북평원, 미국 오갈랄라 대수층, 중동 아라비아 대수층은 재충전보다 빠르게 퍼내어 수위가 해마다 수 미터씩 낮아지고, 일부는 수천 년 전 빙하기에 채워진 화석 지하수로 재생되지 않습니다. 한번 고갈되면 영원히 잃는 것입니다. 멕시코시티와 방콕, 자카르타는 과도한 지하수 채취로 땅이 가라앉아 건물이 기울고 홍수 위험이 증가하며, 연간 수십 센티미터씩 침하하여 수십 년 후 일부 지역은 해수면 아래로 내려갈 것입니다. 방글라데시와 베트남, 대만 일부 지역에서는 지하수가 비소에 오염되어 수백만 명이 중독되고 있습니다. 자연적으로 암석에 포함된 비소가 지하수에 녹아들어 마시면 암과 피부병을 일으키며, 정화가 어려워 대체 수원이 필요하지만 가난한 지역은 선택의 여지가 없습니다. 기후 변화는 지하수를 더 불안정하게 만듭니다. 강수 패턴이 바뀌어 재충전이 감소하고, 가뭄이 빈번해져 지하수 의존도가 높아지며, 악순환이 시작됩니다. 하지만 잘 관리하면 지하수는 지속 가능합니다. 빗물 수확, 인공 재충전, 효율적 관개, 오염 방지로 보전할 수 있으며, 일부 국가는 성공하고 있습니다. 이 글에서는 지하수의 형성과 대수층 구조, 채취와 이용, 그리고 고갈과 오염 문제 및 해결 방안을 상세히 알아보겠습니다.
지하수의 형성과 대수층
지하수는 빗물과 눈이 땅속으로 스며들어 만들어집니다. 침투라고 하며, 땅에 떨어진 물이 중력으로 아래로 내려가 토양과 암석 틈을 채웁니다. 모든 물이 스며드는 것은 아니고, 일부는 증발하고 일부는 지표를 따라 흘러 강으로 갑니다. 침투량은 여러 요인에 달렸습니다. 토양과 암석의 투수성이 중요합니다. 모래와 자갈은 구멍이 크고 많아 물이 빠르게 스며들지만, 점토와 셰일은 빽빽하여 침투가 느립니다. 식생도 영향을 줍니다. 나무 뿌리와 풀이 토양에 통로를 만들어 침투를 돕지만, 식물이 없는 맨땅은 빗물이 표면을 흘러가 침식을 일으킵니다. 경사가 급하면 물이 빠르게 흘러내려 침투 시간이 짧고, 평지는 물이 고여 천천히 스며듭니다. 강수 강도도 중요합니다. 약한 비가 오래 내리면 침투가 잘 되지만, 폭우는 땅이 흡수하지 못해 대부분 흘러갑니다. 지하에는 두 구역이 있습니다. 불포화대는 지표 아래 얕은 곳으로 토양과 암석 구멍에 공기와 물이 섞여 있습니다. 뿌리가 여기서 물을 흡수하고, 물은 계속 아래로 내려갑니다. 포화대는 깊은 곳으로 모든 구멍이 물로 가득 차 있습니다. 대수층이 여기 있고, 위쪽 경계를 지하수면이라 합니다. 지하수면 위치는 지형과 기후에 따라 다르며, 지표에서 수 미터에서 수백 미터 깊이입니다. 습윤 지역과 계곡은 얕고, 건조 지역과 고지대는 깊습니다. 대수층은 물을 저장하고 전달하는 지층입니다. 다공질 암석이나 퇴적물로 이루어지며, 모래, 자갈, 사암, 석회암이 대표적입니다. 구멍이 많고 서로 연결되어 물이 흐를 수 있어야 합니다. 공극률은 암석 부피 중 구멍 비율이고, 투수성은 물이 흐르는 능력입니다. 자갈은 공극률과 투수성이 모두 높고, 점토는 공극률은 높지만 구멍이 작고 연결이 안 되어 투수성이 낮습니다. 대수층 종류는 두 가지입니다. 피압 대수층은 위아래가 불투수층으로 막혀 압력을 받습니다. 물이 갇혀 있어 우물을 뚫으면 자연적으로 솟아오르며, 자분정이라 합니다. 압력이 충분하면 지표 위로 분출하고, 과거에는 파리와 런던에서 자분정이 분수처럼 솟았지만 과다 채취로 압력이 떨어져 현재는 펌프가 필요합니다. 비피압 대수층은 위가 지하수면으로 열려 있고 대기압과 같습니다. 가장 흔하며, 빗물이 직접 재충전하고 우물은 펌프로 퍼올려야 합니다. 대수층 경계층도 중요합니다. 대수층 위나 아래 불투수층은 물이 빠져나가지 못하게 막습니다. 셰일, 점토, 단단한 화강암이 이에 해당하며, 피압 대수층을 만들고 물이 보존되게 합니다. 하지만 오염물도 갇히게 하여 정화가 어렵습니다. 지하수는 천천히 움직입니다. 하루 수 센티미터에서 수 미터 정도로 강물보다 수천 배 느리며, 대수층에 따라 다르지만 일반적으로 매우 느립니다. 이것은 오염물이 멀리 퍼지는 데 오래 걸린다는 의미이지만, 한번 오염되면 정화도 오래 걸립니다. 지하수 체류 시간은 수 년에서 수만 년입니다. 얕은 지하수는 빠르게 순환하지만, 깊은 지하수는 수천 년 전 빙하기에 스며든 것일 수 있습니다. 화석 지하수는 현재 재충전되지 않으며, 사하라 사막 아래와 중동 아라비아 대수층이 이에 해당합니다. 수만 년 전 기후가 습할 때 채워졌고, 현재는 거의 보충되지 않아 채취하면 고갈됩니다.
지하수 채취와 이용
지하수 채취는 우물을 파서 물을 끌어올리는 것입니다. 역사적으로 인류는 수천 년간 우물을 파왔고, 고대 문명도 지하수에 의존했습니다. 페르시아의 카나트는 지하 수로로 산기슭에서 지하수를 모아 마을로 운반했으며, 수천 년 전 개발되어 현재도 이란과 중앙아시아에서 사용됩니다. 중국과 인도에서도 고대부터 우물을 팠고, 유럽 중세 마을마다 우물이 있었습니다. 현대 우물은 깊고 효율적입니다. 시추 기술로 수백 미터 깊이까지 뚫고, 강력한 펌프로 대량 채취합니다. 관정이라 하며, 케이싱을 설치하여 무너지지 않게 하고, 스크린으로 물만 걸러 들어오게 합니다. 펌프는 전기나 디젤로 작동하며, 하루 수천 톤을 끌어올립니다. 농업이 가장 큰 사용처입니다. 전 세계 지하수 사용의 약 70퍼센트가 관개이고, 건조 및 반건조 지역에서 필수적입니다. 인도는 세계 최대 지하수 사용국으로 연간 약 2500억 세제곱미터를 퍼올리며, 대부분 농업용입니다. 펀자브와 하리아나 주는 벼와 밀 재배로 녹색혁명을 이뤘지만, 지하수 수위가 해마다 수십 센티미터씩 낮아져 위기입니다. 중국 화북평원도 비슷합니다. 인구 밀집 지역으로 농업이 발달했지만, 강수량이 적어 지하수에 의존하며, 수위가 급격히 하락하여 일부 지역은 이미 바닥을 드러냈습니다. 베이징 주변은 지하 수백 미터까지 내려가야 물을 찾을 수 있고, 우물이 말라 버려집니다. 미국 오갈랄라 대수층은 대평원 아래 거대한 대수층으로 네브래스카, 캔자스, 텍사스, 오클라호마 등 8개 주에 걸쳐 있으며, 면적 45만 제곱킬로미터입니다. 미국 농업의 핵심으로 옥수수, 밀, 목화를 재배하지만, 1950년대 이후 과도하게 퍼내어 수위가 평균 4.3미터 낮아졌고, 일부 지역은 30미터 이상 하락했습니다. 재충전은 연 2.5센티미터에 불과하지만 채취는 연 수십 센티미터로 지속 불가능합니다. 텍사스 남부는 이미 고갈되어 관개 면적이 급감했습니다. 도시 용수도 중요합니다. 많은 도시가 지하수에 의존하며, 멕시코시티는 70퍼센트 이상을 지하수에서 얻고, 자카르타와 방콕도 비슷합니다. 하지만 인구 증가로 수요가 급증하여 과다 채취합니다. 산업용수도 상당합니다. 공장 냉각, 제조 공정, 광산에서 사용하며, 일부는 오염되어 되돌아갑니다. 지하수는 수질이 좋습니다. 땅속을 천천히 통과하며 여과되어 박테리아와 부유물이 제거되고, 표면수보다 깨끗하여 처리 비용이 적습니다. 하지만 광물이 녹아 있어 경도가 높고, 칼슘과 마그네슘이 많으면 센물이 되어 비누가 잘 안 풀리며, 철과 망간이 많으면 물이 붉거나 검게 보입니다. 지하수는 가뭄에 강합니다. 표면수는 가뭄 시 빠르게 마르지만, 지하수는 천천히 변하여 완충 역할을 합니다. 캘리포니아는 가뭄 시 지하수 사용을 늘려 농업을 유지하지만, 이는 대수층을 고갈시킵니다. 가뭄이 끝나면 재충전되지만, 반복되는 가뭄으로 회복 시간이 부족하며, 기후 변화로 상황이 악화됩니다.
고갈과 오염 문제
대수층 고갈
전 세계 주요 대수층이 고갈되고 있습니다. NASA 위성 GRACE는 중력 변화로 지하수 감소를 측정하며, 2015년 연구에 따르면 세계 37개 대수층 중 21개가 재충전보다 빠르게 고갈되고 있습니다. 가장 심각한 곳은 중동 아라비아 대수층입니다. 사우디아라비아, 예멘, 시리아에 걸친 거대 대수층으로, 재충전이 거의 없는 화석 지하수이며, 사우디는 1970년대 밀 자급자족을 목표로 대량 퍼내 사막에서 밀을 재배했지만, 수십 년 만에 대수층이 고갈되어 2016년 밀 생산을 중단했습니다. 예멘은 수도 사나의 지하수가 2025년경 바닥날 것으로 예상되며, 물 부족은 내전을 악화시킵니다. 인도-갠지스 대수층도 위험합니다. 인도 북부와 파키스탄, 방글라데시에 걸쳐 있으며 수억 명이 의존하지만, 펀자브와 하리아나는 연 수십 센티미터씩 수위가 하락하고, 농부들은 더 깊은 우물을 파지만 비용이 증가하며 가난한 농부는 포기합니다. 불평등이 심화되고, 파키스탄도 비슷하여 인더스 강 관개 지역 지하수가 급감하며 농업이 위협받습니다. 중국 화북평원 대수층은 수도 베이징과 인구 밀집 지역을 지원하지만, 과도한 채취로 수위가 연 1~3미터 낮아지며, 얕은 대수층은 고갈되어 깊은 대수층을 뚫지만 재충전이 매우 느립니다. 캘리포니아 센트럴 밸리는 미국 채소와 과일의 상당 부분을 생산하지만, 가뭄 시 지하수에 과도 의존하여 수위가 급락하고 일부 지역은 수십 미터 하락했습니다. 2014~16년 가뭄 때 연간 200억 세제곱미터 이상 고갈되었고, 이란 대수층도 심각합니다. 건조한 기후와 인구 증가, 농업 확대로 지하수가 급감하며, 이스파한과 야즈드 지역은 수위가 수십 미터 하락하여 우물이 말랐습니다. 농부들이 더 깊이 파지만 한계에 도달하고 있습니다. 지반 침하는 과다 채취의 결과입니다. 지하수가 빠지면 대수층 틈이 닫히며 땅이 가라앉고, 비가역적이어서 다시 올라오지 않습니다. 멕시코시티는 1900년 이후 약 9미터 가라앉았고, 연 수십 센티미터씩 계속 침하하여 건물이 기울고 하수관이 역류하며 홍수 위험이 증가합니다. 일부 건물은 1층이 땅속에 묻혔습니다. 방콕은 1980년대까지 연 10센티미터 침하했지만, 규제 강화로 속도가 줄었습니다. 하지만 여전히 가라앉고 있고, 해수면 상승과 겹쳐 홍수 위험이 큽니다. 자카르타는 세계에서 가장 빠르게 가라앉는 도시로, 북부 해안 지역은 연 25센티미터 침하하며, 2050년까지 대부분이 바다 아래로 내려갈 것으로 예상됩니다. 인도네시아 정부는 수도를 칼리만탄으로 이전하기로 결정했습니다. 샌호아킨 밸리 캘리포니아는 가뭄 시 최대 연 30센티미터 침하하여 수로와 다리가 손상되고 인프라 복구에 수억 달러가 듭니다.
지하수 오염
지하수 오염은 정화가 거의 불가능합니다. 한번 오염되면 수십 년 또는 수백 년 지속되며, 천천히 흐르고 접근이 어려워 처리할 방법이 없습니다. 비소 오염은 자연적 독입니다. 방글라데시, 인도 서벵골, 베트남, 대만 일부에서 지하수에 비소가 높은 농도로 녹아있고, 암석에 자연적으로 포함된 비소가 지하수에 용해되었습니다. 수백만 명이 마시며 만성 중독되어 피부 병변, 암, 심혈관 질환을 일으킵니다. 방글라데시는 1970년대 표면수 오염 문제로 얕은 우물을 대량으로 팠지만, 비소 함유를 몰랐습니다. 1990년대 발견 시 수천만 명이 노출되었고, 세계 최대 대중 독극물 사건이라 불립니다. 깊은 우물로 바꾸거나 빗물 수확으로 대처하지만 비용이 많이 듭니다. 질산염 오염은 농업 비료에서 옵니다. 과도한 질소 비료가 토양을 통과하여 지하수로 스며들고, 높은 농도는 유아에게 청색증을 일으키며 산소 운반을 방해합니다. 미국 중서부와 유럽 농업 지역에서 흔하고, 네덜란드와 덴마크는 지하수 질산염 농도가 높아 처리가 필요합니다. 살충제와 제초제도 침투합니다. 농업 화학물질이 빗물과 관개수에 씻겨 지하수로 가며, 일부는 발암물질입니다. 미국 옥수수 벨트에서 아트라진이 자주 검출되고, 유럽은 금지했지만 미국은 계속 사용합니다. 산업 오염은 매우 독성입니다. 공장 폐수, 석유 유출, 광산 배수가 지하수를 오염시키며, 중금속, 용매, 석유 화합물이 포함됩니다. 미국 러브 캐널 사건은 1970년대 뉴욕 나이아가라 폴스에서 발견되어 화학 폐기물이 묻힌 곳 위에 주택이 지어졌고, 폐기물이 누출되어 지하수와 토양을 오염시켰으며, 주민들이 암과 기형아 출산이 증가하여 수백 가구가 철거되었습니다. 생활 하수도 문제입니다. 정화조가 새거나 하수관이 파손되면 박테리아와 바이러스가 지하수를 오염시키고, 개발도상국에서 흔하며 설사병과 콜레라를 일으킵니다. 염수 침입은 해안 지역 문제입니다. 과도한 지하수 채취로 담수 압력이 낮아지면 바닷물이 대수층으로 밀려들어 염분이 높아져 사용 불가능해집니다. 플로리다, 지중해 연안, 동남아 해안 도시에서 발생하고, 기후 변화로 해수면이 상승하며 악화됩니다. 자카르타와 방콕 해안은 이미 염수 침입으로 우물이 짜졌습니다.
해결 방안
지속 가능한 관리가 필수입니다. 인공 재충전은 빗물이나 처리한 물을 의도적으로 지하로 보내는 것입니다. 저류지나 침투 연못을 만들어 물이 천천히 스며들게 하고, 인도 라자스탄은 전통 빗물 수확 기술을 부활시켜 수천 개 연못을 복원했으며, 강이 다시 흐르기 시작했습니다. 이스라엘은 하수를 고도 처리하여 지하로 주입하며, 재활용수의 90퍼센트 이상을 재사용하여 세계 최고입니다. 효율적 관개는 물을 절약합니다. 점적 관개는 식물 뿌리에 직접 물을 주어 증발을 줄이고, 이스라엘이 개발하여 전 세계로 확산되었으며, 전통 관개보다 물을 50퍼센트 이상 절약합니다. 캘리포니아는 가뭄 후 점적 관개를 확대하고 있습니다. 스마트 관개는 센서로 토양 수분을 측정하여 필요할 때만 물을 주며, 낭비를 막습니다. 작물 전환도 효과적입니다. 물을 적게 쓰는 작물로 바꾸면 지하수 사용을 줄일 수 있고, 벼 대신 밀이나 옥수수를 심으면 물이 절반 이하로 줄어듭니다. 인도 펀자브는 벼 재배를 줄이려 노력하지만 농부 저항이 큽니다. 규제와 거버넌스가 중요합니다. 지하수 채취량을 제한하고 허가제로 관리하며, 미터를 설치하여 사용량을 측정하고 요금을 부과해야 하지만, 많은 나라에서 무료이거나 거의 공짜라 과다 사용을 부추깁니다. 인도는 전기 요금이 낮거나 무료라 농부들이 무제한 퍼내며, 펌프 전기 요금을 올리면 지하수 사용이 줄지만 정치적으로 어렵습니다. 호주 머레이 달링 유역은 지하수 권리를 거래 가능하게 만들어 효율적 배분을 유도하며, 물이 가장 가치 있는 곳에 사용되도록 합니다. 오염 방지는 근원 차단입니다. 비료와 살충제 사용을 줄이고, 산업 폐수를 처리하며, 정화조를 관리하고, 오염 지역을 정화하는 것은 매우 어렵고 비용이 많이 들지만, 일부는 가능합니다. 펌프 앤 트리트는 오염된 물을 퍼올려 처리 후 방출하지만 수십 년 걸립니다. 생물 정화는 박테리아를 이용하여 오염물을 분해하며, 일부 유기 오염물에 효과적입니다. 지하수는 보이지 않지만 생명줄입니다. 잘 관리하면 수십억 명을 지속 가능하게 지원할 수 있지만, 계속 착취하면 고갈되어 돌이킬 수 없습니다.