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일반인을 위한 물교실
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제1장 물과 환경
제2장 물의 이용
제3장 물과 재해
제4장 물의성질
제5장 물자원 현황

지켜야 할 수자원

지구와 비슷한 행성의 탄생을 묘사한 개념화

지구는 태양계에서 유일한 수행성이며, 지구상에 액체의 물이 존재한다는 것은 바로 생명이 존재할 수 있음을 뜻한다. 지구 이외의 어디엔가 있는 별에 혹시라도 생물이 존재할지 모르지만, 적어도 우리가 생물이라고 부르고 있는 것과 같은 물체가 존재하기 위해서는 우선 물질대사에 필요한 에너지원, 그리고 액체상의 물이 존재해야 한다. 이 두 가지는 생명이 존재하기 위한 불가결한 조건이며, 비록 물이란 무기화합물이 존재하여도 그것이 기체나 고체라면 생명의 탄생은 아마 불가능하다고 말할 수 있다.
지구에 처음 물이 어떻게 생겼는지 설명해 주는 확실한 근거는 없으며, 학자들 사이에서도 여러 가지 주장이 있다.
과학자들은 약 46억 년 전에 태양을 감싸고 있던 가스 구름 속에서 지구를 비롯한 태양계의 행성들이 생겨났고, 최초의 지구는 뜨거운 가스로 구성된 것으로 추정한다. 그리고 오랜 세월 동안 가스가 냉각되어 수소와 산소의 원자가 만나 안개처럼 한 덩어리가 되었다. 이 수증기 안개가 수백 년 동안 끊임없이 비를 뿌려 지표면이 식어가면서 단단한 층을 이루었다. 여기서 시냇물이 흘러 둥근 모양의 지구가 만들어졌으며, 여기저기서 일어난 화산 폭발은 산의 형태를 만들었고 이것이 세월이 지나면서 대륙으로 되었다는 것이다.
지구 탄생의 역사에서 물은 최초로 생긴 물질 중의 하나이며, 지구에서 가장 풍부한 자원이다. 그렇기 때문에 우주에서는 지구가 파란색으로 보인다. 물은 분자량 18의 단순한 화합물이지만, 다른 물체에는 없는 특이한 성질을 많이 가지고 있다. 앞에서 언급했듯이 물은 지구에서 가장 풍부한 물질이면서 독특한 특성을 지니고 있어 온화한 기후를 유지하게 하고 생물의 생존을 가능하게 한다.

지구 상의 물 분포

지구상에서 물은 해수, 빙하 및 만년설, 하천수, 호소수, 수증기 등 고체, 액체, 기체의 다양한 형태로 분포한다. 해양, 대기, 육지에 분포되어 있는 지구상 물의 양에 대하여 많은 연구자들이 추정해 왔으나, 아직 불명확한 요소로 남아 있다. 그러나 1965년부터 1974년까지 계속된 국제수문학 10년 계획(IHD, International Hydrological Decade), 이후 국제수문학계획(IHP, International Hydrological Programme) 등에 의해 그 대략적인 값이 결정되어, 지구상에 존재하는 물의 총량 약 14×108 km3으로 추정되었다. 한편 UN의 물 관리 전문가 시클로마노프(Shiklomanov)는 지구상에 존재하는 물의 예측 곤란성에 대해 말하면서, 특히 영구동토층에 얼음 형태로 있는 물의 양과 습지에 있는 물의 양은 아무도 알 수 없다고 말하였다.
지구상에 존재하는 물의 총량 약 14×108 km3은 지구 전체를 2.7km 깊이로 덮을 수 있는 양이며, 전체 물의 약 2.6%에 불과한 담수는 지구 전체를 약 70m 깊이로 덮을 수 있는 양이다.
지구의 물 존재량
구 분 부피(×106km3) 비율(%) 비고
총 량 1,386 100
염 수 1,351 97.5 지하염수, 염수호수 포함
담 수 35 2.53 담수 중 상대적인 비율(%)
- 빙 설
(빙하, 만년설, 영구동토)
24 1.73 (68.6)
- 지하수 11 0.79 (31.4)
- 하천, 호수 등 0.1 0.0072 (0.03)

※출처 : Water in Crisis(Gleick, P. H., 1993)

위의 그림과 표는 지구상에 존재하는 물의 양과 비율을 나타낸 것으로, 그 총량은 엄청나지만 대부분이 해수(96.7%), 빙하나 만년설(1.73%) 등으로 존재한다. 나머지 0.77%도 대부분이 지하수(0.79%)이고, 수자원으로 주로 이용하는 하천수, 호소수 등 지표수는 지구 전체 물 양의 0.0072%에 지나지 않는다. 이것으로 지구표면을 덮는다면 평균 수심이 1.82 m에 이르며, 지구상의 전체 물을 5ℓ용기에 담는다고 가정하면 이용가능한 수자원은 찻숟가락 한 술에 해당한다. 염수의 대부분인 해수는 지구상 물 총량 중 96.7%에 해당하며, 담수 중 빙하, 만년설, 빙산 등의 빙설은 담수 전체의 69.55%에 해당하는 24×106 km3으로 추정되고 있다. 지표수의 분포는 다시 지역적으로 큰 편차를 보이는데, 밀림, 열대우림 등과 같이 강우량이 많아서 사용 가능한 지표수량이 많은 지역이 있는 반면 사막 지대처럼 물이 귀한 지역도 있다. 담수로 존재하는 물 가운데 21%는 아시아, 26% 정도는 미국, 캐나다 등의 북미주, 28% 정도는 아프리카에 있으며 나머지 25%의 물은 이 3대주를 제외한 곳에 있다.

수자원의 종류

생물이나 인간생활에 이용되는 지구상의 물을 통틀어 수자원이라고 한다. 수자원에는 강수(우수), 지표수, 지하수, 그리고 해수 등이 있다. 지표수는 지하수의 상대적인 명칭으로 사용되며, 하천수, 호소수, 해수를 모두 포함하는 개념이다. 이 중에서 해수는 특수한 경우 이외에는 이용되지 않으며, 대개 하천수와 호소수가 이용되어 왔다. 지하수에 있어서는 채수깊이가 지극히 깊은 것은 실제 이용하기 어렵고, 200m 이내의 물이 주로 이용되고 있다.
가. 강수
비, 눈을 가리키며, 주체는 우수(雨水)이다. 원래 우수는 증류수에 가까운데, 대기중에서 강하하는 사이에 먼지, 세균, 가스 등을 흡수한다. 이들 불순물은 초기 우수에 많이 함유되어 있으며, 특히 대도시의 우수에 많이 함유되어 있다. 하천이 없거나 지하수를 얻기 곤란한 외딴 섬 등에서는 우수를 나무통 등에 담아 두었다가 직접 가정용수로 이용하는 수가 있다. 우수를 계속해서 음용수로 사용하면 칼슘(Ca) 성분이 부족하여 병을 일으킬 수 있기 때문에 주의해야 한다.
우수의 주성분은 육수(陸水)보다는 해수의 주성분과 거의 동일하다고 할 수 있다. 즉 Na+, K+, Mg2+, SO42-, Cl-등을 포함하고 있어 육수의 주성분인 SiO2, HCO3-와는 차이가 크다. 해안 가까운 곳의 우수는 염분 함량의 변화가 커서 매우 적은 것에서부터 수천 mg/L에 이르는 것까지 볼 수 있다. 내륙에서는 일반적으로 염분의 함량이 적은데, Na/Cl, Ca/Cl, SO4/Cl 등의 값은 내륙으로 들어감에 따라 커진다. 이와 같이 우수는 대기중의 각종 성분을 운반하기 때문에 처음 내리는 비는 분진 등 각종 성분의 함유도가 일반적으로 높다.
비가 내리기 위해서는 몇 가지 기상 조건이 구비되어야 하는 것으로 알려져 있다. 첫째로 공기를 이슬점(dew point)까지 냉각시킬 수 있어야 하고, 둘째로 수분입자를 형성시킬 수 있는 응결핵이 존재하여야 하며, 셋째로 응결된 작은 수분입자를 점점 크게 하여 충분한 강도의 수분을 집적할 수 있어야 한다. 응결핵으로는 바닷물의 증발에 의한 해염 입자, 화산 분출물, 토양 입자 및 대기오염물질 등이 있는데, 도시에서는 높이 떠 있는 대기오염물질이 응결핵 작용을 하여 인근 시골에 비해 많은 비가 내리는 경향이 있으며, 산성비의 원인이 되기도 한다.
나. 지표수
지표수는 지표면에 흐르는 하천이나 저수지, 호수 등에 모여 있는 물을 말한다. 지표수는 비교적 유기질을 많이 함유하고 있고, 세균 및 미생물 번식에 알맞기 때문에 탁도가 높다. 그리고 토양층을 통하지 않기 때문에 광물질의 함량이 적다. 하천수는 산간 계곡을 흐르는 동안 낙엽, 고목, 동물 사체 등에 의하여 오염되기는 하나 그 기회가 아주 적어 그 정도는 하천의 자정작용에 의해서 정화된다. 그러나 인구가 많고 공장이 많은 지역을 통과할 때는 도시 하수, 공장폐수 등에 의해서 오염될 기회가 많으므로 수질의 변화를 가져오기 쉽다.
일반적으로 상수도의 수원(水源)으로서 하천수가 이용된다. 따라서 하천수에 대한 위생 관리가 소홀하면 수인성 질병에 감염될 우려가 높다. 지표수의 구성은 매우 유동적이며, 집수지역(集水地域)의 특성에 크게 의존한다. 비주거지대의 암반층이나 모래, 자갈 위로 흘러내리는 물은 늪에 고여있는 물에 비하여 유기성 불순물을 훨씬 적게 함유한다. 지표수는 표면 세척물과 운반물질에 의해서 직접 오염에 노출되어 위험하고 의심스러운 물이지만 대부분의 도시는 강이나 호소 또는 저수지로부터 취수된 지표수에 의존하고 있는 실정이다.
하천수

국가하천인 울산 태화강

※출처: 국토교통부 사이버홍보관

지하로 스며들지 않거나 증발되지 않는 물이 지표면에 남아서 흐를 때 이를 하천 또는 강이라 한다. 하천은 물의 순환과정에서 물이 육상에서 바다로 흘러가는 가장 중요한 경로 중의 하나이다. 하천은 지하수와 함께 생물이 살아가는 데 필요한 음용수와 생활용수의 담수 자원일 뿐만 아니라, 운반수단, 관개수 또는 수력발전의 주 기능을 담당한다. 또 하천은 침식작용과 강으로 흘러 들어온 물질을 운반하는 작용을 하는데, 침식작용으로 생긴 운반물질은 부유모래와 점토입자, 그리고 퇴적물로 식물의 영양소가 되는 용해된 물질과 함께 하천수에 섞인다. 하천수 속에 용해되는 물질은 기후나 암석의 종류 또는 토양성분에 따라 달라진다.
일반적으로 하천수는 무기·유기의 부유물질을 많이 함유하고 있으며, 용존산소가 상당히 풍부하고, 경도가 낮기 때문에 수원으로 이상적이다. 또한, 취수가 용이하며, 대량취수가 가능하므로 가장 많이 이용되고 있다. 하천수는 하류로 흘러감에 따라 수질이 악화된다. 상류에서 탁도 성분은 거의 무기물에서 유래하고 일반적으로 탁도는 2∼3도로 낮다. 도시지역에서 방출되는 하수나 공장폐수에 의한 오염을 받으면, 탁도는 10∼20도 정도로 증가하고, 세균이나 용해성 유기물은 더욱 증가한다.
비가 내리면 탁도는 급격하게 증가하고, 2000∼5000도에 달할 때도 종종 있다. 탁도 변동이 큰 것은 하천수의 특징 중 하나이다. 또한 유량 변동에 따라 수질이 변하는데, 일반적으로 유량이 적은 시기에는 수질이 악화된다. 그러나 강우 초기에는 지표면에 퇴적되어있던 오염물 등이 유출하므로 유량이 많아도 수질은 일시 악화된다.
호소수
호수의 물은 지표수나 지하수 또는 이 두 가지가 합쳐져 이루어진다. 호수는 극지에서 열대지방에 이르기까지 서로 기후조건이 다르므로 염도나 산도가 다양하다. 저수지의 물은 그 성질상 호소수에 포함될 수 있다. 일반적으로 호소수는 하천수에 비해 수질이 양호하며, 자정능력도 크다. 호소수의 큰 특징은 1년 중 봄과 가을에 물이 자연적으로 탁해진다는 점이다. 이 기간을 순환기라고 하며, 여름과 겨울에 물이 맑은 시기를 정체기라 한다. 여름에는 수온이 수면에서 가장 높고 깊어짐에 따라 점차 낮아지는 수층을 형성한다. 수층 형성은 수온에 기초한 밀도 차에 의해 가능하다. 수온 저하는 어떤 깊이까지는 천천히 진행되다가 그 후 급격히 이루어지는데 이 기준이 되는 층을 수온약층 또는 변수층이라하고 이보다 상부를 표수층, 하부를 심수층이라고 한다. 표수층의 물은 바람이나 대류에 의해 수평 또는 연직으로 운동하기도 하지만 심수층의 물은 완전히 정지해있다. 이 때문에 심수층의 물에는 용존산소가 없어지며 환원작용이 일어나기도 한다. 또한 호소의 수심이 매우 깊을 때는 수온약층이 2개 이상 될 수도 있다.
가을이 되면 수면의 물은 점점 차가워져서 밀도가 증가하여 가라앉기 시작하는데, 점차 그것이 심해져서 결국에는 수면에서 수저(水底)에 걸쳐 심한 상하운동이 일어나 물이 탁하게 된다. 이것은 연직방향의 수온이 같아질 때까지 일제히 계속되다가 겨울을 맞이한다. 겨울에는 물이 정체되어 깨끗해진다. 물론 열대지방의 경우에는 이와 다르며, 보통 한국기후에서는 수온이 4℃이하로 되는 경우가 많다. 4℃이하로 되면 호수면의 물은 최저 온도로 되며, 여름과는 반대로 깊어짐에 따라 약간 따뜻해지는 수층이 형성된다. 얼음이 수면에서 생기는 것은 이 때문이다.
호소에는 이상과 같이 특이한 성질이 있으므로 수질은 계절에따라 크게 변화한다. 또한 하수나 비료 등이 유입되어 호소내에 인이나 질소가 많아지면 부영양화가 일어나 플랑크톤이 증식하고, 수질악화가 빨리 진행된다.
다. 지하수
지표면에 내린 빗물이 땅 위로 흐르는 사이에 일부는 증발하고 일부는 토양으로 침투한다. 지하로 침투한 물은 지하수를 이루는데 지각의 윗부분인 토양층과 암석층에 보존된다. 이 중 토양은 통기대로서 공극을 많이 포함하고 있는데, 이 공극은 공기와 물로 채워져 있으며, 식물은 필요한 물을 이 부분에서 흡수한다. 식물에 의해 이용되지 않고 토양층에 남아있는 물은 중력의 영향으로 통기대를 거쳐 포화대까지 서서히 내려가 모이게 된다. 포화대는 지하수를 보존하는 장소가 된다.
통기대와 포화대의 경계를 지하수면(water table)이라하는데, 지하수면은 대개 지표에서 30m 이내에 있으나 수백 미터 깊이에 있는 곳도 있다. 흙이나 바위가 물을 통과시키는 성질을 투수성이라 하며 투수성이 높아 물을 포함할 수 있는 물질로 된 층을 대수층이라 한다. 사토자갈층은 좋은 대수층이 되며, 점토, 화성암, 변성암층은 투수성이 미약하다.

지하수의 수질은 지질에 따라 큰 영향을 받는데, 일반적으로 무기물 성분이 풍부하고 경수가 많다. 또한, 철이나 망간이 함유된 것도 많다. 그러나 지표수보다도 깨끗하며 수온도 1년 내내 그다지 변화가 없다. 오염된 지표수는 대지의 정화작용을 받거나 그대로 지하에 침투해서 이동하는데 얕은 곳에 있는 지하수는 정화를 적게 받기 때문에 위생상 위험할 수도 있으며, 때로는 대장균이 출현하는 경우도 있다. 대지의 정화능력에도 일정한 한계가 있으므로 도시와 같이 지표수의 오염이 심한 곳에서는 지하수가 불량해지고 특히 얕은 지하수는 위험하다.
이에 비해 깊은 곳에 있는 지하수는 거의 대지의 정화작용이 완료되어 있으므로 극히 양질의 물이다. 하지만 역으로 너무 깊으면 공기공급이 차단되어 무산소 상태가 되며 환원작용에 의해 때로는 황화수소나 암모니아를 포함할 수 있다.
라. 해수

※출처: 국토교통부 사이버홍보관

해양은 지구 표면적의 약 71%를 차지하며, 수자원 중에서 97% 이상을 차지하므로 양적으로는 무한하나 염류를 다량 함유하고 있어서 용도가 극히 한정되어 있다. 고작 발전소 등의 냉각수로 사용되는 정도이며, 생활용수나 공업용수로서의 해수 이용은 미미한 실정이다. 그러나 장래에는 해수의 이용가치가 점차 높아질 전망이다.
해수는 염분, 온도, pH 등 물리·화학적 성상에 관하여 안정성이 있으며, 염류농도는 곳에 따라 다소 차이가 있으나 각 성분 간 비율은 거의 일정하다. 해수 중의 염분은 금속을 부식시키고 토양에서 배수를 나쁘게 하여 토양을 빈약하게 만든다.
하지만 해양은 방대한 식량자원의 보고임과 동시에 풍부한 광물자원을 함유하고 있어 그 이용가치가 점차 확대되고 있는 실정이다. 그러나 해수이용에서 문제는 근래 인류의 경제활동이 매우 대형화되고 그 결과로써 해양에 커다란 변화를 가져오고 있다는 사실이다. 인류의 경제활동에 따라 직·간접으로 오염이 점차 확대되고 있으며, 자칫 잘못하다가는 역으로 인류의 생존을 위협할지 모른다는 우려를 자아내고 있다.

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