지하수 고갈 속 새로운 담수원을 여는 초심층수 우물

세계 도처의 험한 지형에서 대수층을 개발하다

*너태샤 스펜서-졸리프(Natasha Spencer-Jolliffe)

원문 링크 보기: https://www.theearthandi.org/post/super-deep-wells-open-new-freshwater-sources-amid-depleting-groundwater

심층수.  ©아쿠아터렉스(AquaterreX) LLC

액체 상태의 담수에 의존하는 세계에서는 거의 모든 물(99%)이 지표면 아래에 묻혀 있다. 나머지 1%가 강과 호수에 존재한다.

고대로부터 사람들은 우물을 통해 지하수를 이용해왔다. 대부분은 얕은 깊이까지만 내려가지만, 일부는 약 60~90미터 아래 대수층에 도달하기도 한다.

1860년대 미국 중서부 지역에서 최초의 초심층 대수층이 발견되었다. 심부 사암(주: 모래 입자가 굳어진 암석으로 투수성이 좋다) 대수층으로 알려진 이 지층은 지금도 시카고와 다른 4개 주에 매일 수백만 갤런의 물을 공급하고 있다.

기술 발전으로 지표면 아래에는 훨씬 더 많은 거대한 수역이 존재한다는 사실이 밝혀졌다.

유엔은 2022 지속가능 개발목표 보고서에서 이미 약 20억 인구가 안전한 식수에 접근하지 못하고 있다고 밝혔다. 36개국의 많은 사람들이 가뭄이나 극심한 스트레스로 사람들이 위협을 받고 있는 가운데, 험난한 지형에 위치한 담수원을 포함하여 이러한 대규모 담수원을 확보하기 위한 새로운 노력이 진행되고 있다.

이러한 소중한 자원을 더럽히는 각종 오염물질과 이를 안전하게 확보하는 방법에 대해 시급한 대응이 필요하다는 우려가 높아지고 있다.

자체 보충하는 대수층이 풍부

캐나다 자선단체인 ’지하수 프로젝트‘에 따르면 전 세계 인구 중 40억 명이 얕은 지하수에 의존해 식수와 음료를 생산하고 있다. 유엔의 물 개발 보고서 2024에 따르면 전체 담수의 약 25%가 관개용, 절반은 가정용으로 사용된다.

이러한 지하자원의 대부분은 눈비와 여타 경로를 통해 스스로 보충되거나 성장하지만 일부는 그렇지 않다.

2024년 연구에서 연구자들은 전 세계에 분포한 1693개 대수층 시스템 중 지하수위가 낮아진 곳은 617(39%)개였으며, 반면 시간이 지남에 따라 얕아진 곳은 97개(6%)에 그쳤음을 발견했다.

연구진은 또한 1980년부터 2000년까지 542개의 대수층 시스템 추이 데이터도 수집했다. 그 결과 이 시스템들 중 30%에서 지하수위가 빠른 속도로 하락한 것을 확인할 수 있었다. 그러나 거의 절반(49%)은 지하수위가 상승했다.

지하수 오염에 대한 우려

물이 있는 지하수 우물. ©TS 사진/셔터스톡

담수 접근성에 대한 우려 외에도 식품 포장, 의류 원단, 소방용 발포 고무에 사용되는 내용물 등 일상용품에서 발견되는 제조 화학물질 그룹인 과불화화합물(퍼-폴리플루오로알킬화합물, PFAS)이 지하수 오염뿐만 아니라 사람과 환경에 축적될 수 있다는 우려스러운 증거가 있다.

PFAS는 산업에 효과적인 합성 화학물질로 환영받고 있지만, 비판론자들은 건강에 해로운 영향과 지하수에 미치는 부정적인 영향으로 인해 금지할 것을 요구하고 있다. 2022년 환경과학기술저널(Environmental Science & Technology Journal)에 발표된 한 연구에서는 2019년 미국 동부 주에서 채취한 지하수 샘플 254개를 분석한 결과가 소개됐다. 연구원들은 샘플의 54%에서 최소 1개 이상, 47%에서 최소 2개 이상의 PFAS를 검출하였다.

 USGS의 2024년 연구에서 연구원들은 미국 48개 주에서 채취한 1238개의 지하수 샘플을 평가한 결과 샘플의 37%에서 최소 한 가지 이상의 PFAS가 검출되었다. 전반적으로 USGS 연구진의 모델에 따르면 해당 주에 거주하는 9500만 명에 달하는 사람들이 PFAS가 검출된 지역에서 사전 처리된 지하수를 식수로 사용할 수 있는 것으로 나타났다.

지하수 공급원에 대해 더 깊이 알아보기

오갈랄라 대수층은 콜로라도, 캔자스, 뉴멕시코, 오클라호마, 사우스다코타, 텍사스, 와이오밍 주에 걸쳐 있다.  위키미디어/Kbh3rd(CC BY-SA 3.0)

인구가 증가하고 일부 대수층이 줄면서 새로운 지하 심층 수원의 탐사 개발 필요성이 높아지고 있다.

미국에서 가장 큰 지하수역은 텍사스에서 사우스다코타까지 하이플레인 지역에 걸쳐 있는 약 9만3998제곱킬로미터 규모의 오갈랄라 대수층이다. 

대부분의 지하수 인출이 가능한 부분은 최대 60미터 깊이에 있지만, 시스템 구성 요소는 300미터에서 360미터 깊이에 이른다. 이 범위는 기업들이 지하수에 접근하고 소싱 역량을 개발할 수 있는 잠재력을 제공한다.

텍사스 수자원개발위원회는 "펌프로 퍼 올리는 지하수의 약 95%가 관개농업에 사용되기 때문에 오갈랄라 대수층의 물 가용성은 지역경제에 매우 중요하다."고 말한다.

또한 대수층의 대부분에서 "지하수 인출량이 재충전량을 초과하고 시간이 지남에 따라 수위가 상당히 일관되게 감소했다."고 말한다.

실제로 USGS 데이터에 따르면 오갈랄라 대수층의 수위는 1950년부터 2015년까지 4미터낮아진 것으로 추정된다. 이는 새로운 지하수 공급원이 필요하다는 것을 의미한다.

심층 대수층에 접근하기

캘리포니아, 플로리다, 호주에 지사를 두고 있는 글로벌 환경 서비스 기업인 아쿠아터렉스(AquaterreX)는 일반적으로 얕은 대수층 아래에 위치한 더 깊은 대수층에서 공급되는 고품질 지하수를 설명하는 상표인 'DSW(심층수)'에 도달하는 능력으로 유명하다.

아쿠아터렉스는 지리공간 데이터 분석 및 평가 방법을 사용하여 지표면 아래 200~300미터에 있는 물을 찾는다.

환경에 미치는 영향과 우려를 완화하기 위해 접근 방식을 설계했다고 밝힌 이 회사는 2018년 설립 이후 뉴멕시코, 텍사스, 호주, 그리고 현재 칠레에서 지하수 프로젝트를 수행했다.

아쿠아터렉스의 제임스 다레조 사장은 "이러한 기술을 결합하여 담수의 원천을 찾아 수면 위로 끌어올리는 회사는 우리 회사가 유일하다."면서 "또한 심층수는 지구의 물 문제를 해결하기 위해 아직 공급되지 않은 보충적인 물 공급원이 될 것이다."고 말한다.

대수층은 지역 집수 유역으로 유입되는 눈비를 통해 보충된다. 심수층은 얕은 대수층보다 깊기 때문에 강우 및 기후와 관련된 지역 수문순환(水文循環: 증발과 강수에 의한 물의 순환)의 급격한 변화의 영향을 덜 받는다고 아쿠아터렉스는 말한다. 또한 이러한 지하 수역에 있는 방대한 양의 물은 더 깊은 수원을 찾는 데 사용될 수 있다.

아쿠아터렉스는 전 세계가 물 부족뿐 아니라 어디서 물을 찾을 수 있는지에 대한 지식 부족에 직면해 있다고 말한다. 2015년의 한 연구에 따르면 지각의 상위 2km에 2260만 제곱킬로미터의 지하수가 있는 것으로 추정된다. 유엔 식량농업기구(FAO)의 AQUASTAT(수온자동조절기) 보급 시스템(2021년 추정치)에 따르면 이는 오늘날 전 세계 담수 소비량인 3949억 제곱미터(3949제곱킬로미터)를 기준으로 5700년 이상 지구에 공급하기에 충분한 물이다.

담수화나 지속 불가능한 물 관리 관행 등 지하수를 대체할 수원(水源)이 존재하지만, 빈곤층에게는 비용이 많이 들거나 아예 접근이 불가능하다.

비영리 단체 배경

아쿠아터렉스의 심층수 관정 연구개발은 아쿠아터렉스의 비영리 모기업인 로런스앤서니 지구기구(LAEO)에서 시작되었다. LAEO의 공동 설립자이자 국제회장인 바버라 와이즈먼은 자신의 전기에서 "물에 대한 비교적 알려지지 않은 과학을 접하게 되었다. 이를 계기로 과학자들로 구성된 팀이 ‘가뭄에 취약한 지역에서 지속 가능한 수자원을 찾기 위해’ 등록 용어인 DSW 기술을 개발하게 되었다.”고 썼다.

2018년에는 영리 회사인 아쿠아터렉스 LLC를 설립했다. 다레조 사장은 “그 이후로 아쿠아터렉스는 지하 수원의 위치를 거의 100% 확실하게 파악할 수 있을 정도로 기술이 크게 향상되었다."고 말한다.

다레조 사장은 DSW 기술을 사용하기에 가장 적합한 곳 중 하나가 호주였다면서 “호주는 세계에서 가장 건조한 거주 대륙이며 지질학을 비롯한 천연자원 매핑에 있어 선도적인 국가 중 하나"라고 말한다.

방법론의 한계

거의 20년에 걸친 개발에도 불구하고 아쿠아터렉스의 DSW 지하수 프로세스에는 여전히 과제가 남아 있다. 예를 들어, 방대한 양의 데이터를 수집하고 자사의 독점적인 컴퓨터 알고리즘을 통해 처리하는 것은 복잡한 과정이다.

"이는 지질, 수문, 대기, 지형, 우물 로그 데이터, 위성 이미지 및 기타 정보를 수집하고, 이를 결합하면 심층수 최적의 위치를 파악할 수 있다는 것을 의미한다."고 다레조는 설명한다. 아쿠아터렉스는 날씨, 지형, 접근성 등의 문제를 해결하기 위해 현장 조사도 실시해야 한다.

이러한 장애물에도 불구하고 DSW 기술은 호주, 미국, 아프리카, 아시아 전역의 1500개 이상의 우물에서 지하수를 찾는 데 사용되었다. 이 회사는 이러한 시추가 "물을 찾을 수 없는" 우물에서 이루어졌다고 말한다. 또한 자사의 기술을 활용하면 "업계 평균 40%"에 비해 거의 100%의 정확도로 지하수를 식별할 수 있다고 말한다.

칠레 아타카마 고원에서 발굴하기

알티플라노 아타카마. 너태샤 스펜서졸리프의 사진 라이선스 제공

아쿠아터렉스의 현재 프로젝트 가운데에는 세계 최대 리튬 공급처인 칠레 아타카마 소금평원 근처의 극도로 건조한 지역인 아타카마 고원(사막)에 DSW 관정을 설치하는 것이 포함되어 있다.

"우리는 이 지역에 거주하는 원주민 부족의 물 수요에 방해가 되지 않는 물을 찾고자 하는 캐나다의 킨로스 광업(Kinross Mining)을 위해 이 작업을 수행했다."고 다레조는 말한다.

해발 약 4270미터의 아타카마 고원에서 측량 작업을 수행하는 아쿠아터렉스의 수석 수문학자 알린 하울스.  ©AquaterreX LLC

칠레 프로젝트의 일환으로 아쿠아터렉스는 약 3600~4270미터 고도에서 관심 지역을 조사하기 위해 팀을 파견하는 등 일반적인 1단계 및 2단계 활동을 수행했다.

1단계의 일환으로 아쿠아터렉스는 위성 이미지와 데이터 분석을 통해 잠재적인 수자원 의 위치를 탐색했다. 이 회사는 지질학, 수문학, 대기 데이터와 고급 알고리즘을 조합하여 관심 지역을 찾아냈다.

그런 다음 2단계로 특허 받은 내진 및 전기 저항 기술을 사용하여 현장 평가를 진행했다. 이를 통해 우물 시추공 위치를 정확히 찾아내고 아쿠아터렉스가 지하수를 탐색할 특정 지역을 식별했다.

아쿠아터렉스는 지상 데이터를 사용하여 굴착 전에 목표 지역에 얼마나 많은 담수가 포함되어 있는지를 정확하게 파악할 수 있었다. 가상 관정 데이터는 지하수의 깊이, 물을 함유한 지층의 두께, 예상 유량 등 다양한 요소에 대한 정보를 제공했다.

지난 8월, 아쿠아터렉스는 정확한 관정 위치로 깊은 물을 찾아냈으며, 지역 주민들이 의존하는 "얕은 대수층 생태계를 방해하지 않으면서 채굴 회사가 원하는 물의 양을 충족시킬 수 있다"고 보고했다.

편집자 노트

출처: 아쿠아터렉스 사장 제임스 다레조 인터뷰

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*너태샤 스펜서졸리프는 프리랜서 저널리스트이자 편집자다. 지난 10년 동안 너태샤는 환경, 과학, 비즈니스, 법률 및 사회학적 관점에서 더 넓은 세계와 산업을 탐구하며 다양한 출판물에 기고해 왔다. 또한 연구 기관 및 콘퍼런스에서 인사이트 제공자로 인터뷰하기도 했다.