연재_김범철 교수의 호수의 과학 44

호수와 지하수 수질의 연관

깨끗한 지하수가 호수를 오염시킬 수도 있다

김범철 강원대학교 환경학부 교수

호수와 지하수는 서로 다른 수체인 것처럼 보이지만 지하수의 영향을 크게 받는 호수의 사례들이 많이 있다. 일반적으로 하천수가 호수물의 공급원이지만 지형과 토질에 따라 지하수의 유입이 양적으로 큰 비중을 차지하는 경우도 있고 호수의 수질에 큰 영향을 주는 경우도 있다.
빗물이 지면에 내리면 일단 토양으로 스며들어가 지하수가 되고 지하수는 서서히 하천으로 용출되어 하천수가 된다. 비가 내리지 않을 때에도 하천수가 흐를 수 있는 것은 지하수가 지속적으로 공급되기 때문이다. 비가 많이 내리면 미처 지하로 침투하지 못하고 지표로 직접 유출되기도 하지만 이때에도 많은 빗물이 스며들어가 지하수로 충진되고 오래된 지하수는 밀려나오는 현상이 일어나므로 하천은 지표수와 지하수의 혼합이 된다. 궁극적으로 지하수는 하천과 호수의 궁극적 물의 근원으로서 하천과 호수에 큰 영향을 준다.

지하수가 호수물의 궁극적 근원
자연호에서는 호수의 수위와 지하수면의 수위가 일치한다. 지하수와 호수의 물이 항상 교환하고 있기 때문이다. 하천에서도 수위는 대체로 지하수와 일치한다. 지하수위가 하천보다 낮으면 하천의 바닥으로 물이 스며들어가는 ‘손실하천’이 되고 지하수면이 하천 수위보다 높으면 지하수가 하천 바닥에서 용출되는 ‘이득하천’이 된다. 갈수기에 하천의 중간이 끊어지는 건천화 현상이 발생하는 것은 지하수면이 하천 바닥보다 낮아져 많은 물이 하천 바닥으로 스며들어갔다는 뜻이다.
지하수의 수질도 하천의 수질을 좌우할 수 있다. 지하수는 토양과 오래 접촉하므로 암석의 종류에 따라 수질이 달라지는데 대표적인 수질항목이 칼슘이온의 함량이다. 화강암지대에서는 칼슘이 적고 석회암지대에서는 칼슘이 많아지는데, 우리나라에서는 남한강 상류지역이 석회암이 많은 지역으로서 칼슘이 많고 pH가 8.5 이상의 알칼리성을 보인다. 석회암 지대의 지하수는 칼슘과 함께 이산화탄소의 농도도 월등히 높다. 석회암이 용해될 때 이산화탄소도 함께 발생하기 때문이다.
칼슘이 많은 지하수는 공기 중에 노출시키면 칼슘 침전이 생성되어 바닥에 회갈색의 침전물이 생긴다. 지하수가 땅속에 있을 때에는 이산화탄소가 많이 함유되어 있어 석회암을 녹이고 칼슘이 많아지지만 지표에 노출되면 이산화탄소가 휘발하여 감소한다. 마치 사이다의 이산화탄소가 휘발하는 것과 같은 현상인데, 이산화탄소가 감소하면 지하수 중에 녹아 있던 칼슘이 다시 침전된다.
수년 전 서울시에서 관리하는 호수의 수질관리 자문을 위해 몇 개의 공원호수를 방문하였는데 남산 기슭의 자그마한 호수의 관리자가 매일 호수 바닥에 쌓이는 침전물을 청소하느라 고생한다는 말을 하기에 호수에 공급하는 수원이 무엇인가 물었더니 인근의 지하수였다. 지하수에 함유되어 있는 칼슘이 지표에 노출되어 침전되는 현상이 일어나고 있었다. 관리자는 맑은 지하수를 공급하였는데 왜 물이 더러워지는지 모르겠다고 의아해하기에 지하수의 칼슘이 침전되는 것이고 호수가 크지 않으니까 지하수를 중단하고 수돗물을 공급하라고 조언해 주었다.
여의도공원의 연못에서도 지하수를 공급하고 있는데 이곳에서는 철분이 문제를 일으키고 있었다. 철은 산소가 없는 환경에서는 물에 잘 녹고 무색인데 산소가 공급되면 철이 산화되어 붉은 녹물이 생성되는 특성을 가진다. 지하수는 일반적으로 산소가 없으므로 철이 많은 지역에서는 지하수에 철분이 많고 이를 공기에 노출시키면 산소가 공급되어 철이 산화된다. 이곳에서도 역시 맑고 깨끗한 지하수를 공급했는데 침전물이 저절로 생성되는 문제점이 있었다. 결국 필자의 자문대로 지하수에서 철분을 화학적으로 제거한 후에 지하수를 연못에 공급하는 대책을 시행하였다.
깨끗한 음용수도 연못물로는 부적합할 수 있다
지하수에는 인과 질소가 많이 함유되어 있어 호수 부영양화의 원인이 되기도 한다. 도시지역에서는 하수관거의 누수로 인하여 지하수의 오염이 흔한 현상이며 농촌지역에서는 비료가 스며들어가 지하수의 인의 농도가 높아진다. 인은 음용수로 사용하는 데에는 지장이 없는 물질이지만 호수에서 햇빛을 받으면 조류의 번식을 촉진하여 부영양화가 일어난다.
필자가 근무하는 강원대학교 캠퍼스에는 예쁜 연못이 있는데 늘 플랑크톤이 많아 갈색을 띠고 혼탁하다. 원인을 조사해 보니 연못에 공급하는 지하수에 인과 질소가 많이 함유되어 있었다. 관리자가 보기에는 음용수로 쓸 수 있을 정도로 맑고 깨끗한 좋은 물을 연못에 넣어 주었는데 연못에 조류가 번성하여 물이 혼탁해지는 현상이 나타난 것이다. 지하수로 인한 부영양화는 도시지역의 호수에서는 흔한 현상이다. 올림픽공원에서도 유입하는 지하수를 측정해 보니 인의 농도가 매우 높아 하수의 침투가 있고 부영양화의 원인이 되는 것으로 추정되고, 석촌호에서도 지하수의 영향이 추정된다.
음용수로서 필요한 수질과 호수물로서 필요한 수질이 다르므로 지하수가 맑아 보이고 음용수로 사용할 정도로 깨끗하더라도 연못물로 사용하기에는 적절하지 않을 수도 있는 것이다.

1 춘천시 인근의 하천(후하천)에서 지하수의 철분이 침전되어 붉은 색을 띠는 모습. 지하수에는 산소가 없고 이산화탄소가 많아 칼슘, 철, 알루미늄, 망간, 등의 금속이 잘 용해되어 있다. 대기 중에 노출되어 산소가 공급되고 이산화탄소가 휘발하면 금속이 흰색, 붉은색, 검은색 등의 침전물을 생성한다.
2 하천과 호수는 지하수와 연결되어 있다. 하천의 수면이 지하수면보다 낮으면 물이 용출되는 이득하천이 되고 지하수면이 낮아지면 물이 바닥으로 스며들어가는 손실하천이 된다.