▲ 김 규 범 박사

오늘날 국민들은 건강한 생태계로부터 나오는 안전한 물을 요구하고 있으며, 이에 대해 정책결정자들은 물자원의 평가와 운영에 대한 보다 체계적이고 과학적인 기법과 적용을 필요로 하고 있다.

이러한 것들 중에서 지하수 오염은 그 일부가 되고 있으며 대수층에 대한 인위적인 오염과 자연적인 오염에 대한 비교 및 분류에 필요한 정량적·정성적인 평가 기준의 개발이 시급하다. 일반적으로 환경 인자에 대한 평가 기준은 간단하고도 저비용적이며 적용성이 높은 방법이 되어야 한다.

‘지하수 오염 취약성의 평가(Groundwater vulnerability assessment)’라는 용어는 1968년 프랑스 수리지질학자인 J. Margat이 사용했으며, 최초의 취약성도(Vulnerability map)는 1970년 M. Albinet에 의해 프랑스에서 작성된 바 있으나(Albinet and Margat, 1970년), 본격적인 대수층의 오염 취약성(Aquifer pollution vulnerability)이란 용어는 대수층에서 발생되는 오염에 대한 관심을 제고하기 위해 1980년대 초 프랑스에서 사용되기 시작했다.

미국의 1996년 「음용수법(Safe Drinking Water Act)」은 음용수의 오염방지에 새로운 시대를 시작하게 되었는데 특히 수원 안정적 유지에 대한 중요성이 강조되었다. 이 법에 의해서 시작된 미 환경청(U.S. Enviromental Protection Agency, 이하 US EPA)의 수자원 평가 프로그램은 각 주로 하여금 “물이 오염될 수 있는 정도를 평가하라”고 했다(US EPA, 1997년).

이와 관련하여 음용수를 보호하는 방안으로서 △다중 방어벽을 설치하는 방법 △우물에 지붕을 설치하는 방법 △지하수 오염취약성 평가와 관련된 지하수 소독 프로그램 등 다양한 연구들이 수행되었다. 또한, 각 주의 살충제 사용 및 처리 계획, 지하의 쓰레기 매립과 가축의 사육 등에 대한 대책 방안들도 수립되기도 했다.

현재 국내에서는 지하수 오염 취약성에 대한 인식이 체계적으로 정립되지 않고 일부 전문가들 사이에서만 부분적으로 연구되고 있으나, 선진국에서는 1960년대에 오염취약성 개념이 도입되어 1990년대 이후에 활발히 연구가 이루어지고 있는 분야이다.

 

지구에서 지표 아래의 거의 모든 지역에는 지하수가 있다. 다양한 오염들로부터의 방어벽과 같은 역할을 하는 대수층의 자정 작용은 미국 국민의 절반이 음용수로 지하수를 사용한다는 점에서 매우 중요하다.

이와 같은 측면에서 미국에서는 지하수의 오염도 평가를 중요한 연구 과제로 이해하고 있으며 오염의 기작을 이루는 지하수 유동계에 대한 연구와 이해가 매우 활발히 이루어지고 있다.

또한, 지각 및 물의 화학적 특성은 자연적인 오염의 조절과 감시에 중요한 기능을 담당하고 있어 수리지질학적, 지화학적 과정 및 영향에 대한 종합적인 이해는 지하수 오염 취약성 평가의 기초가 된다.

 

■ 지하수의 유동 물의 흐름은 잠재 오염원의 이동을 지배하므로, 이를 이해하기 위해서는 물의 이동과 통제에 관한 모든 물리적인 인자들을 이해해야 한다. 자연조건에서 지하수는 함양되는 곳에서 분출되는 곳으로 흐르며, 함양은 강수가 땅을 포화시키고 물이 불포화대를 통과해 포화대로 들어가는 현상을 이른다.

함양은 강수로부터 발생되는 것뿐만 아니라 지표면의 수분이 지하로 이동하는 경우도 포함 한다. 이와 같이 함양된 지하수는 샘, 강, 호수, 습지, 만, 바다 등으로 배출되며, 해안가와 식물에 의한 증발산 된다.

지하수 유동 시스템은 수㎢에서 수천㎢에 걸쳐 형성이 되는데 일반적으로 하천 인근에서는 함양대와 배출대가 가깝고 수리적으로 연결성이 좋은 반면에 함양대와 배출대가 먼 경우에는 수리적 연결성이 미약한 특성을 보이기도 한다.

지하수의 연령은 천층 지하수 시스템의 경우에는 1일 이내이기도 하고 심부의 경우는 1년 이상 수천 년에 걸쳐서 이루어지기도 한다. 이와 같이 깊고 시간이 오래된 지하수는 오랜 시간을 거치면서 자연적으로 만들어진 오염원과 만나게 되므로 지하수의 유동방향, 유동특성 및 오염 농도에 대한 종합적인 이해는 오염관리의 근간이 된다.

지하수의 일부 특성은 오염에 노출되는 경우 대수층의 고유 취약성 정도를 결정하는 인자로 작용한다. 대수층은 모래나 자갈과 같이 미고결 물질로 이루어져 있거나 딱딱하게 굳어진 암체들로 이루어져 있어, 지하수는 간극을 통해서 흐르거나 대수층의 공극을 통해서 흐른다. 수리전도도는 다공질 매체와 유체의 특성이고 지질학적인 매질이 물을 얼마나 잘 흘릴 수 있는가를 나타내는 것이다. 비록 다공질 매체에서 일반적인 Darcy 방정식이 지하수 흐름 해석에 사용되지만, 고결 대수층을 통한 흐름의 경우에는 복잡해진다.

예를 들어, 암반 대수층에서 균열의 특성에 따라서 지하수 흐름 특성이 바뀔 수 있기 때문에, 균열의 조밀한 정도와 분포가 항상 지하수 흐름을 지시하는 인자가 되는 것은 아니다. 그 동안 공(孔) 내 검층 기술은 균열이 많은 지역이 꼭 수리전도도가 높은 지역과 일치하지는 않다는 것을 보여왔다.

즉, 균열의 생성 메커니즘과 간극의 폭 및 연결성 등이 지하수를 포함하고 이동시킬 수 있는 능력에 영향을 미치기 때문에 균열의 존재만으로 유동 특성이 결정되진 않는다. 또한, 균열 내 공극률은 상대적으로 작지만 유체 흐름에서는 큰 영향력을 지닐 수도 있다.

오염물질의 이동은 통로의 특성, 이동시간, 화학적인 반응 등과 관련이 있다. 지하수의 이류 현상을 이해하기 위해서는 수리지질학적 구조에 대한 정확한 묘사가 필요하고 이는 곧 고유 오염취약성을 규명하는 길이 된다.

대수층 내 지하수의 통로에서 오염물질의 이동은 지하수 유동장(유동 체계)에 의해서 조절되며, 지하수의 함양되는 위치와 함양율은 취수정에서 빠져나가는 물의 질을 결정하는 중요한 요인으로 작용한다.

 

■ 지구화학 반응의 이해 인위적인 잠재 오염원은 일반적으로 지하수계 인근에 위치하여 물의 함양 등에 의해 지하 시스템 내로 이동하게 된다. 자연적인 오염원은 대수층을 이루는 광물이나 지화학적 요인들에 의하여 결정되고 대수층이 분포하는 광역적인 범위 또는 국지적인 범위에 걸쳐서 어느 곳에서나 분포할 수 있는 것이다.

일반적으로 오염원은 점오염원 또는 비점오염원으로 구분되며, 점오염원은 특정한 점에서 오염물이 퍼져나가는 반면에, 비점 오염원은 넓은 지역에 광범위하게 퍼져나가는 특징을 갖는다.

또한 오염원은 시간에 의해서 지속적인 오염원과 순간적인 오염원으로 구분이 되는데, 지속적인 오염원은 오랜 시간동안 계속적으로 오염물이 영향을 주는 반면, 순간적인 오염원은 단지 짧은 시간 동안에 오염을 발생시키게 된다.

이와 같은 공간적이거나 시간적인 오염원(점오염원, 비점오염원, 지속적인 오염원, 순간적인 오염원)에 대한 분류 및 이해는 지하수 시스템 안에서 시간적이고 공간적으로 오염물질의 농도와 분포를 파악하고 분석하는데 중요한 역할을 한다.

오염물질은 지하수계의 지화학적 환경, 방사능 물질 혹은 미생물의 영향에 의해서 변화한다. 지하수계에서 일어나는 화학적 변화는 독성물질의 강도를 낮추기도 하거나 강하게 하여 생태계나 인간에 영향을 미치며, 물질의 유동성을 변화시켜 오염물의 이동을 결정하기도 한다.

방사성 원소의 붕괴는 물질의 변화를 야기시키기도 하며 미생물의 활동은 지하수계의 자정 능력의 일환으로 오염물질의 농도를 낮추거나 생존 능력을 약화시키는 효과를 가져오기도 한다.

이와 같이, 지하수 유동 경로와 소요 시간에 관한 정보 및 오염물에 대한 화학적이고 생물학적인 정보는 오염물질의 이동과 특성을 예측하는데 매우 중요하며 물질의 변형에도 영향을 미친다.

확산과 분산 작용은 지하수계를 통하여 오염물을 퍼지게 하는 중요한 메커니즘이다. 오염물질의 확산은 이온이나 분자가 농도가 높은 지역에서 농도가 낮은 지역으로 이동하는 것이며, 분산은 공극 내 흐름의 변화와 수리전도도 분포의 비 균질성이 원인이 되어 속도변화 때문에 용질이 이류 도중에 섞이게 되는 것으로서 일반적으로 분자 확산이 더 잘되게 되는 원인이 된다.

 

일반적으로 지하수 오염취약성 평가기법은 2가지 방법으로 나누어진다. 첫째는 주관적 평가 기법(Subjective rating methods)이며, 둘째는 통계 및 공정기반 평가기법(Statistical and process-based methods)이다.

 

■ 주관적 평가기법 주로 오염에 영향을 주는 인자들간의 비율을 이용하는 방법으로서, 정책입안자의 입장에서 주로 개발된 기법이며 단순한 방법에서부터 다소 복잡한 방법까지 다양하게 개발되어 있다.

이 방법에서는 지하수 오염취약성의 높음, 보통, 낮음 등과 같은 상대적인 중요성을 제시하게 된다. 여기에는 다시 지수방법(Index method)과 통합 방법(Hybrid method)이 있다.

지수방법은 오염취약성에 대한 중요도를 숫자나 비율 등으로 직접 제시하는 방법으로, 여러 가지의 물리적인 특성을 평가기준으로 사용하는 방법이다. 지수방법은 현재 세계적으로 가장 많이 보편적으로 사용되는 방법이기도 하다.

가장 보편적으로 사용되는 지수방법은 DRASTIC이며 이 방법은 7가지의 요인을 평가 인자로 고려한 것이다. D는 물까지의 깊이, R을 의미하는 함양, A는 대수층의 구성성분, S는 토양의 구성성분, I는 지하수보다 높은 상부지층의 영향, 그리고 대수층의 수리전도도를 의미하는 C로 나누어진다.

이 DRASTIC 방법은 국내에서도 일부 사용되고 있으며 세계적으로는 미국, 이스라엘, 포르투갈, 나카라과, 남아프리카 등에서 오염취약성도 제작에 사용되어 왔다. 이 방법에 의한 오염취약성도는 국가 단위, 주 단위, 각각의 도시나 지방 등과 같이 여러 가지의 축척에 따라 제작되어 왔는데, 이 방법이 상대적으로 간단하고 비용이 적으며 쉽게 적용 가능하다는 장점이 있다.

 

▲ [그림 1] 지수 방법의 적용 사례

[그림 1]은 지수 방법의 한 예를 소개한 것으로서, 연구 지역의 각 주제별(지하수위, 토지이용, 토양배출 등) 가중치와 점수를 통하여 최종 점수를 계산한 후 각 점수를 주관적 판단에 의해(또는 객관적 실증 자료를 이용하여) 4개의 그룹으로 분류하여 오염취약성을 평가하고 있다.

통합 방법은 객관적 통합방법과 주관적 통합방법이 있는데, 전자는 보다 통계에 의존적이며 사용되는 자료는 지수화하여 보다 객관화시키는 것이며, 후자는 인자들의 지수에 의존하기 보다는 개별 프로젝트에 맞는 방법을 개발 적용하는 것이다.

Vowinkel et al.(1996년)은 공급정 부근에서 쓰인 농약의 양, 대수층의 함양대로부터 우물까지의 거리, 토양의 유기물 양, 우물 구조 데이터들을 이용하여 뉴저지(New Jersey)주 전역에 걸친 농약에 대한 지하수의 오염취약성 등급을 낮음, 중간, 높음 등 3단계로 표현한 지도를 제작했다.

Nolan et al.(1997)은 질소 농도, 인구 밀도, 토양 수문학적 특성, 산림지와 농경지의 비율 등을 이용하여 질소 오염 위험도를 제작했다. 점수 부여방법은 주변의 질소 농도가 2mg/L를 초과할 경우 질소에 영향을 주는 4가지 인자와 결정 요인을 고려하여 이와 관련된 질소의 농도를 산포도와 박스플롯을 이용하여 개발했다.

등급화 방법은 Wilcoxon의 통계기법을 사용하여 질소 농도를 상호 비교하여 개발했다. 이 도면에서는 질소 농도의 위험성이 높고 낮은 지역으로 2분하여 나타내었다. Rupert(2001년)는 변수를 사용하지 않고 지하수내의 질소 농도와 지하수까지의 깊이, 토지용도, 토양 배출량들 사이의 통계적인 상관관계를 사용하여 질소 농도 분포도를 작성했으며 실제 농도자료와의 비교를 통하여 도면의 정확성을 논했다.

또 다른 통합 모형의 예로는, 모델을 이용하는 공정기반 방법과 지수 방법을 조합하여 사용하는 것으로서, PATRIOT(Pesticide Assessment Tool for Rating Inverstigation of Transport) 방법이 대표적이다. Morgan(1998년)이 개발한 PATRIOT는 연구지역에 구성된 단위 지역에 대한 지수를 계산하는데 PRZM(Pesticide Root-Zone Model)을 기반으로 했다.

 

■ 통계 및 공정기반 방법 통계 방법(Statistical method)은 오염물의 농도를 이용하여 통계량을 산정하거나 보다 복잡한 회귀분석 등의 기법을 이용하는 방법이다. 이는 통계적인 농도 분포를 도식화할 수 있어 공간적인 오염 분포를 설명하는데 보다 효과적일 수 있다. 일반적으로 사용되고 있는 통계적 기법은 확률론적 개념을 도입한 로짓 회귀분석 등이다.

오염농도에 대한 평균, 백분율(%), 중앙값과 같은 기본적인 통계인자들은 오염 취약성도를 작성하거나 해석할 때보다 유용하게 활용된다. 예를 들어 Ryker(2001년)는 비소의 농도를 그래프화 해서 미국 전역의 3만1천 개의 우물에서의 물 샘플을 모아 분석했는데, 전국 규모의 비소 농도 분포도를 작성하고 비소 농도의 특성을 통계량을 이용하여 간략히 제시했다. 통계기법 사용의 이점은 가설 검증 등을 통해 평가에 영향을 미치지 않는 인자를 추출해 낼 수 있으며 가중치를 결정함에 있어서 통계 결과를 이용하여 객관성을 확보할 수 있다.

▲ [그림 2] Logit 회귀분석을 활용한 오염취약성 평가 사례

예를 들어, Logistic 회귀 분석에서 통계적으로 유의하지 않는 설명변수는 제거가 되며 남는 변수들은 상호관계의 기울기에 의하여 가중치가 결정되며 최종적으로 제시되는 값은 확률론적으로 계산되기 때문에 주관적인 요소가 거의 배제되어 객관성을 확보할 수 있다.

Erwin and Tesoriero(1997년)는 Puget Sound 지역에서 여러 가지 독립변수들을 이용하여 지하수의 질소농도가 3mg/L보다 높은 지역을 찾아내는 확률 모델을 만들었다. 여기에 사용된 인자는 확률적으로 우물의 깊이, 지표면의 형태, 토지용도(우물 반경 2마일 이내)와 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났다[그림 2 참조].

Rupert(1998년)는 Logistic 회귀방법을 이용하여 제초제와 질소 두 가지에 대한 평가를 수행하였으며, 성분의 화학적인 작용에 따라서 특성이 나타날 수 있다는 결론을 도출했다. Squillace and Moran(2000년)는 지하수 음용수에서 MTBE가 나타나는 확률을 제시했다.

또 공정기반 방법(Process-based method)은 지하수계의 유동 및 용질 이동 모델 등을 이용하여 오염취약성을 평가하는 과정으로서, 적용 모델에 의존적이거나 물리화학적인 여러 가지 법칙에 기반한 통합 방법을 사용하기도 한다.

▲ 지하수 오염취약성 평가에 대한 불확실성은 피할 수 없는 부분으로서, 제한된 자료를 이용하여 불확실성을 최소화하는 과학적인 접근 방법은 설계 단계에서부터 신중히 고려되고 데이터를 이용한 검증 등을 거쳐서 합리적으로 이루어져야 한다.

또는, 수리적 화학적인 과정을 복합적으로 적용한 시뮬레이션 기법을 용이하게 하기 위해 회귀방정식과 같은 통계적인 인자들을 사용하기도 한다. 이 공정기반 방법은 오염취약성을 평가하기 위하여 단독으로 사용되기보다는 여러 가지 복합적인 지하수 유동 및 오염 이동 현상을 설명하는데 사용된다. 따라서, 이 방법은 지배 방정식뿐만 아니라 사용되는 인자의 정확성, 물리적 특성 자료 등이 기초 데이터 형성에 중요한 역할을 한다.

지하수 모델을 모사하는 과정은 △대수층의 고유 취약성을 결정하는 방법 △오염원별 지하수 공급 수질에의 취약성 평가 방법 등으로 구분되어 적용된다. 기작을 모사하는 모델들은 고유 오염취약성을 평가하는데 사용되기도 하며, 물의 이동과 근원을 이해하는데 쓰인다.

MODFLOW는 지하수 흐름 지배방정식을 잘 풀어주는 가장 일반적인 모델링 프로그램으로서 대수층의 고유 오염취약성 평가와 지하수 흐름 분석을 위한 정량적인 모델링에 사용된다. MODFLOW에 포함된 다양한 모듈을 이용하여 지하수 흐름을 보다 정확하게 모사할 수 있으며, 정확한 변수값의 추정 기법들이 개발되어 있어 오염취약성 평가에 유용하게 사용된다.

지하수 모델의 보정을 위해 친환경적 추적자를 사용하며 지하수의 근원이나 연령을 측정하는데 활용된다. 수소와 산소같은 안정 동위원소들은 지하수 시스템 내에서 물의 근원을 파악하게 하며, 탄소14, CFC, 삼중수소(3H)나 이중수소(2H)를 통한 지하수의 연령 계산 등은 인위적인 오염원들에 대한 고유 오염취약성을 평가하는데 사용된다.

예를 들면, 최근에 함양된 지하수는 최근의 인위적인 오염물의 유입에 의해 오염특성을 나타내는데, 최근의 오염물질의 유입 정도는 지하수의 흐름을 나타내는 지시자와 지하수의 체류시간 및 대수층의 고유 특성 등을 정량화함으로써 알 수 있다.
Bolhke and Denver(1995년)는 Coastal Plain의 질소 오염물의 역사를 평가하기 위해 지화학적 분석과 동위원소 분석을 수행하였는데, 이 방법은 지하수 연령 계산과 친환경적 추적자를 이용해서 얻어지는 대수층의 고유 민감도를 평가함으로써 궁극적으로 오염취약성을 평가한다.

Seiler et al.(1999년)은 관정 내부에 카페인과 제초제가 있다는 것은 대수층이 폐수로 오염되었을 가능성을 지시하는 것이라고 했으며, Shelton et al.(2001년)은 우물 내에 존재하는 소량의 VOCs는 지하수의 취약성을 지시하는 인자로 이용할 수 있다고 했다.

지하수의 취약성 평가에서 요구되는 여러 가지 요인들 가운데 이류(泥流, mudflow)에 의한 이동은 이동 메카니즘 가운데 가장 중요하지만, 이류만으로는 유체의 이동 경로를 정확하게 파악할 수 없기 때문에 평가 시 유의해야 한다.

 

3. 평가의 신뢰성

지하수 오염취약성 평가에 대한 불확실성은 피할 수 없는 부분으로서, 제한된 자료를 이용하여 불확실성을 최소화하는 과학적인 접근 방법은 설계 단계에서부터 신중히 고려되고 데이터를 이용한 검증 등을 거쳐서 합리적으로 이루어져야 한다. 과학적인 평가의 불확실성은 데이터나 입력인자에 에러가 있거나 부정확하기 때문이며 모델 자체의 부정확도나 수치적인 작업상의 에러도 한 원인이 된다.

▲ 지하수 오염취약성 평가는 과학적 범주에서 벗어나 의사결정자가 정책을 결정하고 운영하며 관리할 수 있도록 활용되어야 하므로 상호간의 긴밀한 정보 교류가 요구된다. 사진은 국한국수자원공사가 주최한 ‘2006년 지하수대회’ 장면.

예를 들면, 우물에서 채수된 지하수의 수질 상태는 채수 시간 및 채수 심도 등에 따라 다르며 인근의 우물과의 수질도 차이가 발생할 수 있으므로 수질의 정확성에 의하여 오염취약성 평가 결과가 의존하게 된다.

또한, 지하수 샘플을 채취하는 우물의 스크린 길이, 케이싱의 직경, 케이싱과 스크린의 제질 등도 다양하기 때문에 다양한 기원과 연령대가 섞인 지하수가 우물 내에 포함된다. 즉, 시료 채취지점의 불확실성이 분석 결과의 불확실성을 높이는 인자로 추가되게 된다.

이와 같은 불확실성을 줄이기 위해서 통계적 방법이나 Monte Carlo 모사기법 등도 적용가능한 기법들이다. 불확실성을 유발하는 인자를 최소화하고 정량적 평가를 수행하기 위해서는 공정기반 방법과 통계적 접근 방법을 조합하는 것도 좋은 방안이 된다. 이를 통해 객관적이고 합리적인 결과를 도출하게 되나 장기간의 분석과 대용량의 데이터를 필요로 한다.

 

[그림 3]은 보다 과학적인 근거를 갖출 수 있는 오염취약성 평가 기법의 적용에 대한 방법론을 정리한 것이다. 그림은 지하수계를 이해하면 할 수록 지하수계 특성과 관련된 입력인자는 증가하게 되나 이로 인해 분석의 복잡도가 지하수계 특성의 복잡도 증가와 동일한 수준으로 증가하지는 않으며, 또한 보다 비례하여 정확한 결과를 얻어내는 것도 아님을 의미한다.

즉, 과학적이면서 합리적인 지하수 오염취약성 평가기법을 설계하는 것은 사용 모델의 복잡성, 가용 자원의 획득성, 불확실성 등을 포괄적으로 검토하여 균형있는 방법이 되도록 하는 것이 바람직하다.

[그림 3]의 4사분면은 평가의 복잡성도 줄고 입력 인자도 줄이면서 평가의 불확실성을 감소시킬 수 있는 방법이 가장 바람직함을 의미하고 있다.

 

4. 제 언

수리과학자들은 의사결정자들에게 과학적으로 설득력이 있는 정보들을 제공하고자 한다. 지하수 오염취약성을 평가함에 있어서 불확실성이 최소화되고 정량적인 분석 결과가 도출되는 것은 제시 모델의 과학적인 설득력과 유용성을 증가시키게 된다.
궁극적으로 지하수 오염취약성 평가는 과학적 범주에서 벗어나 의사결정자가 정책을 결정하고 운영하며 관리할 수 있도록 활용되어야 하므로 상호간의 긴밀한 정보 교류가 요구된다.

국내에서는 1993년 「지하수법」이 제정되면서 오염취약성에 대한 개념이 도입되기 시작했으나, 현재까지 국내 실정에 맞는 오염취약성 평가기법이 마련되지 못하고 있는 실정이다. 앞으로 국내 실정에 맞는 최적 기법을 개발하기 위해서는 앞에서 언급한 바와 같이 정책 입안자, 지역 지하수 관리자, 지하수 개발자 및 지하수 전문가들이 함께 참여하여 객관성, 보편성 및 지역별 특성에 맞는 적합성이 확보되도록 해야 한다.

또한, 지하수의 오염은 토지이용과 밀접한 관련이 있는 등 타 분야에서의 활용도가 있기 때문에, 지하수 비 전공자가 이해하고 활용할 수 있도록 입력 인자의 신뢰도가 보장되고 개발 모델의 편의성이 함께 보장될 필요가 있다.

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