지하수와 대수층

1. 대수층의 종류(type) 및 분류(classification)

대수층(=함수층, 지하수의 저수지, aquifer)이란 지층 중에서 투수성이 있으며 물로 포화되어 있고, 상당한 양의 물을 배출할 수 있을 만큼 충분한 투수성과 수리적 연속성을 가지고 있는 지층을 말한다.(예, 미고결 상태의 모래나 자갈 등으로 이루어진 지층) 이러한 대수층은 지하수의 부존 공간 및 채수를 위한 공간 틈이 발달해야 하며 균질한 등방성 대수층을 이상적 대수층이라 한다.

대수층은 지하수면에 따라 자유면대수층(Unconfined Aquifer)과 피압대수층(Confined Aquifer)으로 크게 구분된다.

[그림. 지하수의 산출특성과 대수층의 형태] 

 (1) 자유면대수층(unconfined aquifer)
  ① 대수층의 지하수면의 압력이 대기압과 동일한 대수층.
  ② 자유면 대수층에서는 지하수면이 상부 경계가 되며, 하부는 불투수층이 경계를 이룸. 자유면 대수층의 두께는 지하수위의 변동에 따라 자유롭게 변화 되며, 지하수의 충진은 강우 등의 지표침투에 의해 이루어 짐.

 (2) 피압대수층(confined aquifer)
  ① 포화대 내의 상·하부가 불투수층으로 피복되어 피압층을 이루어 대수층의 최상부의 압력이 대기압보다 높은 구속 대수층.
  ② 피압대수층 내의 지하수압은 일반적으로 대기압보다 크기 때문에 피압면(Piezometric surface)은 대수층의 상부경계보다  높은 지점에 형성되고 피압면은 가상의 면으로서 피압대수층내에 많은 관측 공을 설치했을 경우 각 관측공의 수위를 연결한 면을 말함.
  ③ 피압대수층 중에는 피압면이 지표보다 높은 곳에 형성되는 경우가 있는데 이러한 대수층에 우물을 설치하면 인위적인 양수 없이도 지하수가 지상으로 분출하게 되며, 이를 자분정(Artesian well)이라함. 피압대수층의 충진은 지표와 가까운 자유면 대수층을 통하여 이루어짐.

 (3) 부유대수층(perched aquifer)
  ① 부분적인 난대수층의 존재로 인해 주 지하수면 보다 높은 위치에 지하수를 함유하고 있는 대수층
  ② 부유대수층은 비교적 은 면적의 불투수층 위에 발생하는 대수층으로서 지하수면과 지표사이에 존재하며, 일정한 지하수 공급원이 없기 때문에 비교적 짧은 시간 동안만 존재하는 일종의 자유면대수층임.

 (4) 누수 대수층(참고)
  ① 피압 대수층이나 자유면 대수층에서 상하의 불투수층들로부터 물이 새어 나가거나 들어오는 대수층 
  ② 대수층의 종류에 관계없이 대수층 상하부의 경계를 이루는 누수피압층을 통하여 지하수의 이동이 발생하는 대수층을 누수대수층이라고 함. 누수피압층의 구별은 명확하지는 않으나 주대수층에 비해 두께가 상대적으로 얇고 수리전도도가 매우 낮은 지층을 누수피압층으로 간주할 수 있음. 

 (5) 기타
그 외 지층 중에는 투수성이 매우 낮아 대수층으로 고려할 수 없는 것들이 있는데 이를 투수성이 낮은 순서로 분류하면 다음과 같음.

  ① 준(반)대수층 혹은 지연대수층(Semi-permeable layer or Aquitard) : 물로 포화 되어 있지만 아주적은 양의 물만이 이동되거나 산출될 수 있는 지층. 대수층에 비해 상당히 낮은 투수성을 나타내나 인접한 대수층간의 지하수 이동에 대한 통로 역할을 하며, 상당한 양의 물을 포함함.  ex) 모래질 점토
  ② 난대수층(Very weakly permeable layer or Aquiclude) : 물을 포함하고 있을 수 있으나, 보통의 현지조건하에서는 다량의 물을 통과시킬 수 없는 불투수성 지층.  ex) 점토층
  ③ 불투수층(Truly impermeable layer or Aquifuge) : 물을 포함하지도 않고 통과시키지도 않는 불투수성 지층.  ex) 결정질 암석


2. 지하수정의 구분

         ① 자유면정  ② 봉압정  ③ 피압정  ④ 자분정

(1) 자유면정(water table well) : 우물물의 높이가 지하수면의 높이와 같은 경우의 우물

(2) 봉압정(unconfined well) : 암반층 지하수층으로서 양수를 계속했을 때, 지하수위가 강하하여 정수압면이 난대수층이하로 강하하는 지하수정. 즉, 지하수면보다 낮은 우물.

(3) 피압정(찬정, artesian well)
  ① 지하수위보다 수위가 높을 경우 부분적으로 올라오는 우물. 즉, 우물물의 높이가 지하수위보다 높은 우물
  ② 투수층을 사이에 두고 상하에 불투수층이 있을 경우, 아래로 경사진 구조에서 구멍을 뚫어 투수층에 도달하면 사암층의 물이 솟구쳐 올라오는 우물.

(4) 자분정(flowing well)
  ① 우물물이 저절로 지표위로 분출되는 우물.
  ② 즉, 피압지하수면이 지표면보다 높아서 지하수가 정호를 통해 지표로 유출 되는 우물로서 자분정은 피압정의 한 종류로 볼 수 있음.


3. 지하수의 충진 및 유출

 (1) 지하수의 충진(Groundwater Recharge) 

  ① 개념 : 포화대 내로 지표 및 지하의 물이 침투, 충진되는 과정 및 현상
   ▪ 물이 토양대나 중간대 및 모관대에 흡수되는 것은 지하수 충진이라 하지 않음. 지하수는 보통 강우나 하천, 호수의 물이 지하로 침투하여 포화대를 이룰 때 형성된 물을 말함
   ▪ 보통 지하로 지표의 물이 충진 되는 주 요인으로는 지표부에 발달된 싱크홀, 암석 내에 발달된 공동, 모세관 현상에 의한 흡착수, 대기중의 수증기의 흡수 및 손실하천에 의한 것이 있음.
  ② 충진지역 및 집수지역
   ▪ 지하수의 충진역할을 하는 지역을 충진지역 이라 하며, 이 술어는 침투수가 포화대까지 침투하여 지하저수지를 충진할 수 있는 지역에 한해서만 사용할 수 있으나 이에 비해서 집수지역(Catchment area)이란 지표수가 충진지역에 영향을 미치는 전 지역을 의미.
  ③ 지하수의 충진량
   ▪ 일반적으로 지하수 충진량은 지하수위의 변동치로써 추산해낼 수 있음. 강우 후 강우가 토양과 중간대를 통해 포화대내로 침투하여 충진되면 결국 지하수위가 상승하므로 지하수의 상승치를 정확히 알 수 있으면, 그 충진량을 간단히 계산해 낼 수 있음. 

 (2) 지하수의 유출

표면하의 물의 흐름은 지하수의 유출, 포화대로부터 유출과 부유수의 유출로 구분하며, 지하수의 유출은 다시 수리적인 유출과 증발유출로 구분함. 

  ① 지하수 및 포화대에서의 유출
   ▪ 수리적 유출 : 포화대내의 지하수가 액체상태로서 지표로 직접 유출되는 것
    ┏ 용천을 통한 유출
    ┗ 정호나 집수정을 통한 유출
   ▪ 증발 유출
    ┏ 토양을 통한 유출
    ┗ 식물에 의한 유출
  ② 부유수 유출
   ▪ 식물에 의한 유출
   ▪ 토양을 통한 유출

(3) 손실하천 및 이득하천

  ① 손실하천(Losing stream) : 지하수면이 하천수위보다 훨씬 낮을 때는 하천수가 지하로 유입하여 지하저수지를 충진시키며 이와 같이 하천수가 지하로 스며드는 하천
  ② 이득하천(Gaining stream) : 포화대로부터 하천으로 지하수가 유출되어 하천수위가 지속되는 경우의 하천. 

   -  기저유출(base flow)
      지하수면이 하천수면보다 높을 때 지하수가 하천으로 유출되는 것을 기저유출(base flow)이라고 하며 이는 장기간의 갈수기시 하천의 유량을 유지시키는 중요한 인자임.
   -  지하수위를 변화시키는 요인 : 시간, 유량, 사용량, 대수층의 유형, 기압과 중력의 변화, 조수 등

(4) 기타 용어 및 중요사항

① 샘(= 중력천, spring) : 지하수면이 지표면과 접한 곳에서 지하수가 새어나오는 곳.
② 용천
    ┏ 피압 지하수면이 지표면 상부에 있을 경우 물이 지표로 솟아오르는 분수 같은 샘.
    ┗ 암석이나 토양으로부터 지하수가 자연적으로 지표나 지표수 형태로 유출되는 것
③ 간헐 용천(Geyser)
   변동 용천에 해당하는 것으로 상당히 열이 높은 증기의 팽창력(지열에 의한 팽창작용)에 의해서 다소 규칙적인 지하수의 유출을 일으키는 용천