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우물

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아프가니스탄 파르야브주의 한 마을에 있는 인력관정
우물과 물탱크의 차이는 수원에 있다. 물탱크는 빗물을 모으는 반면, 우물은 지하수에서 물을 끌어올린다.

우물은 물을 얻기 위하여 땅을 파고 물이 괴게 만든 시설이다.[1] 액체 자원(대개 물)에 접근하기 위해 땅을 굴착, 박기 또는 천공하여 만든 구덩이나 구조물이다. 가장 오래되고 흔한 종류의 우물은 지하 대수층의 지하수를 이용하기 위한 식수 우물이다. 우물물은 펌프를 이용하거나, 기계 또는 인력으로 들어 올리는 양동이와 같은 용기를 사용하여 길어 올린다. 우물을 통해 대수층으로 물을 다시 주입할 수도 있다. 우물은 적어도 8,000년 전부터 만들어졌으며, 역사적으로 건천의 퇴적물부터 이란의 카나트, 인도의 계단식 우물과 사키에에 이르기까지 그 구조가 다양하다. 우물 내벽에 안감을 설치하면 안정성을 높이는 데 도움이 되며, 나무나 고리버들로 만든 안감은 적어도 철기 시대까지 거슬러 올라간다.

우물은 전통적으로 개발도상국의 농촌 지역에서 여전히 행해지는 것처럼 수작업 굴착으로 만들어져 왔다. 이러한 우물은 주로 수작업에 의존하므로 비용이 저렴하고 기술 수준이 낮으며, 굴착이 진행됨에 따라 벽돌이나 돌로 내벽을 쌓을 수 있다. 케이슨이라 불리는 현대적인 방법은 미리 제작된 철근 콘크리트 우물 링을 구멍 속으로 내리는 방식을 사용한다. 타설관정(Driven wells)은 비고결 물질층에서 경화된 드라이브 포인트와 구멍 뚫린 파이프 스크린으로 구성된 구조로 만들 수 있으며, 이후 물을 모으기 위해 펌프를 설치한다. 더 깊은 우물은 수동 천공 방식이나 기계 천공을 사용하여 보어홀에 드릴 비트를 넣어 굴착할 수 있다. 천공정은 대개 강철이나 플라스틱으로 된 공장제 파이프로 케이싱을 한다. 천공정은 인력관정보다 훨씬 더 깊은 곳의 물에 접근할 수 있다.

우물의 큰 두 가지 분류는 해당 위치의 최상부 포화 대수층 내에서 완성되는 얕은 우물(비피압 대수층 우물)과, 불투수층을 지나 그 아래의 대수층까지 뚫고 들어가는 깊은 우물(피압 대수층 우물)이다. 집수 우물은 민물 호수나 하천 인접한 곳에 건설되어 중간 물질을 통해 스며드는 물을 모을 수 있다. 우물의 위치는 수문지질학자나 지하수 조사관이 선정할 수 있다. 물은 펌프로 퍼 올리거나 손으로 길어 올릴 수 있다. 지표면의 불순물은 얕은 수원에 쉽게 도달할 수 있으므로 병원균이나 화학적 오염 물질에 의한 공급원의 오염을 피해야 한다. 우물물은 일반적으로 지표수보다 용해된 미네랄이 더 많이 포함되어 있으며, 마시기 전에 물 처리가 필요할 수 있다. 지하수위가 낮아지고 주변 토양이 마르기 시작하면서 염류집적이 발생할 수 있다. 또 다른 환경 문제는 메테인이 물로 스며들 가능성이다.

우물의 영향원은 우물에서 수면이 지하수를 양수했을 때 영향을 받지 않는 곳까지의 거리를 가리킨다.[2] 투과율 T = K·a로 정의한다.[3]

역사

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튀니지 제르바섬에서 낙타가 우물물을 긷고 있는 모습, 1960년

매우 초기 신석기 시대의 우물들은 동지중해 지역에서 발견된다.[4] 신뢰할 수 있는 연대가 측정된 가장 오래된 우물은 키프로스의 토기 없는 신석기(PPN) 유적인 키소네르가-밀루트키아(Kissonerga-Mylouthkia)에서 발견된 것이다. 기원전 8400년경에 원형 지름의 수직갱(우물 116호)이 석회암을 뚫고 설치되어 8 미터 (26 ft) 깊이의 대수층에 도달했다. PPN 후기의 키소네르가-밀루트키아 2070호 우물은 13 미터 (43 ft) 깊이에 달한다. 이 유적과 인근의 파레클리샤-실루로캄보스(Parekklisha-Shillourokambos)에서도 이보다 약간 나중에 만들어진 우물들이 발견되었다. 이스라엘 현대 도시 하이파 인근 해안의 수몰된 PPN 말기(약 기원전 7000년) 유적인 '아틀릿-얌에서는 깊이 5.5 미터 (18 ft)의 최초의 석조 내벽[5] 우물이 기록되었다.

기원전 5300년경 신석기 선형 토기 문화 우물, 독일 에르켈렌츠

나무 내벽 우물은 초기 신석기 선형 토기 문화에서 알려져 있는데, 예를 들어 기원전 5265년으로 측정된 체코 공화국의 오스트로프(Ostrov),[6] 기원전 5300년경으로 측정된 큌호벤(Kückhoven, 에르켈렌츠의 외곽 중심지),[7] 그리고 기원전 5200년경으로 측정된 오스트리아 슐레츠의 아이트라(아스파른안데어차야의 외곽 중심지) 우물이 있다.[8]

신석기 시대 중국인들은 식수를 위해 깊이 천공된 지하수를 발견하고 광범위하게 사용했다. 원래 서주 왕조(기원전 1046-771년)의 점술서였던 중국 문헌 역경에는 고대 중국인들이 우물을 유지하고 수원을 보호한 방법이 설명되어 있다.[9] 허무두 문화 발굴 현장에서 발굴된 우물은 신석기 시대에 건설된 것으로 추정된다.[10] 이 우물은 네 줄의 통나무로 케이싱되었으며 상단에는 사각형 프레임이 부착되어 있었다. 베이징 남서부의 추가적인 60개 타일 우물도 식수와 관개를 위해 기원전 600년경에 건설된 것으로 여겨진다.[10][11]

한나라(기원전 202년 ~ 서기 220년) 시대 무덤에서 출토된 수동 도르래 시스템을 갖춘 우물의 중국 도자기 모델

이집트에서는 샤두프와 사키아가 사용된다.[12][13] 사키아는 10미터 깊이(샤두프의 3미터에 비해)에서 물을 끌어올릴 수 있어 훨씬 더 효율적이다. 사키아는 이집트판 노리아이다. 키프로스에 위치한 세계에서 가장 오래된 우물 중 일부는 기원전 7000~8500년경의 것이다.[14] 기원전 6500년경 신석기 시대의 우물 두 개가 이스라엘에서 발견되었다. 하나는 이스라엘 북부 해안의 아틀릿에 있고, 다른 하나는 이스르엘 계곡에 있다.[15]

다른 목적을 위한 우물들은 역사적으로 훨씬 나중에 등장했다. 기록된 최초의 염정은 약 2,250년 전 중국 쓰촨성에서 파졌다. 이것은 고대 식수 우물 기술이 소금 채취에 성공적으로 적용된 최초의 사례였으며 쓰촨성 소금 시추 산업의 시작을 알렸다.[9] 알려진 최초의 유정 역시 서기 347년 중국에서 시추되었다. 이 우물들은 깊이가 약 240 미터 (790 ft)에 달했으며 대나무 장대에 부착된 드릴 비트를 사용하여 시추되었다.[16] 석유는 고염수를 증발시켜 소금을 생산하기 위해 연소되었다. 10세기경에는 광범위한 대나무 파이프라인이 유정과 염천을 연결했다. 중국과 일본의 고대 기록에는 조명과 난방을 위해 천연가스를 사용했다는 암시가 많이 포함되어 있다고 한다. 석유는 7세기 일본에서 "타는 물"로 알려져 있었다.[17]

종류

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카타르 동부 심외스마 인근의 우물
우물에 사용되는 가죽 양동이
인도 펀자브 루디아나 바이니 사힙 역사 마을의 우물

인력관정

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콘크리트 링으로 케이싱된 수동 인력관정의 내부 모습. 말리 웰레스부구.
인도 케랄라주의 한 마을에 있는 인력관정
꽃바구니 모양의 벽과 단이 있는 우물

최근 몇 세기 전까지 모든 인공 우물은 다양한 정교함을 갖춘 펌프 없는 수동 인력관정(dug well)이었으며, 오늘날에도 일상적으로 파고 사용되는 일부 개발도상국 농촌 지역에서는 여전히 매우 중요한 식수 공급원이다. 이러한 필수 불가결성은 성경에서 예수가 야곱의 우물에서 여인을 만난 사건(요한의 복음서 4:6)에 대한 언급이나 우물에 빠진 고양이에 관한 너서리 라임 "딩동벨" 등 직간접적인 수많은 문학적 언급을 낳았다. 사람의 힘이나 굴착 기계로 파여 있으며 보통 지름 60 센티미터가 넘는다.[18]

수동 인력관정은 한 명 이상의 사람이 삽을 들고 지하수위 아래까지 내려가 파기에 충분한 지름을 가진 굴착 시설이다. 굴착 작업은 땅을 파는 사람들을 위험하게 하는 산사태나 침식을 방지하기 위해 수평으로 지지된다. 돌이나 벽돌로 내벽을 쌓을 수 있으며, 이 내벽을 지표면 위로 연장하여 우물 주변에 벽을 형성하면 오염을 줄이고 우물에 빠지는 사고를 방지하는 역할을 한다.

케이슨이라 불리는 더 현대적인 방법은 구멍 속으로 내리는 철근 콘크리트 또는 일반 콘크리트 프리캐스트 우물 링을 사용한다. 우물 굴착 팀이 절단 링 아래를 파면 우물 기둥이 서서히 대수층 속으로 가라앉는 동시에 팀을 우물 구멍의 붕괴로부터 보호한다.

수동 인력관정은 (천공 방식에 비해) 저렴하고 기술 수준이 낮으며, 개발도상국의 농촌 지역에서 지하수를 이용하기 위해 주로 수작업을 사용한다. 지역 사회의 높은 참여로 건설되거나 수동 인력관정을 전문으로 하는 현지 사업자에 의해 건설될 수 있다. 최대 60 미터 (200 ft)까지 성공적으로 굴착된 사례가 있다. 펌프 없이 수동으로 물을 끌어올릴 수 있어 운영 및 유지 보수 비용이 저렴하다. 물은 대개 대수층이나 지하수에서 나오며, 지하수 수위가 떨어질 경우 내벽을 대수층 더 아래로 밀어 넣어 쉽게 깊게 만들 수 있다. 기존의 수동 인력관정의 수량은 더 깊게 파거나 수직 터널 또는 구멍 뚫린 파이프를 도입하여 개선할 수 있다.

수동 인력관정의 단점은 수없이 많다. 단단한 암석이 있는 지역에서는 수동으로 파는 것이 불가능할 수 있으며, 유리한 지역에서도 땅을 파고 내벽을 쌓는 데 시간이 많이 걸릴 수 있다. 얕은 대수층을 이용하기 때문에 수량 변동에 취약하고 하수를 포함한 지표수의 오염 가능성이 있다. 수동 인력관정 건설은 일반적으로 잘 훈련된 건설 팀이 필요하며, 콘크리트 링 몰드, 중장비 인양 장비, 우물 샤프트 거푸집, 동력 배수 펌프 및 연료와 같은 장비에 대한 자본 투자는 개발도상국 사람들에게 클 수 있다. 수동 인력관정 건설은 우물 구멍의 붕괴, 낙하물, 배수 펌프 배기가스로 인한 질식 등으로 인해 위험할 수 있다.

1858년에서 1862년 사이에 수동으로 파진 우딩딘 우물(Woodingdean Water Well)은 392 미터 (1,285 ft)로 세계에서 가장 깊은 수동 인력관정이다.[19] 캔자스주 그린즈버그의 빅 웰은 깊이 109 피트 (33 m), 지름 32 피트 (9.8 m)로 세계 최대의 수동 인력관정로 알려져 있다. 그러나 깊이 280 피트 (85 m)의 카이로 성채 내의 요셉의 우물과 1527년 이탈리아 오르비에토에 건설된 깊이 61 미터 (200 ft), 폭 13 미터 (43 ft)의 성 패트릭 우물(Pozzo di San Patrizio)[20]은 부피 면에서 둘 다 더 크다.

타설관정

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타설관정(driven wells)은 경화된 드라이브 포인트와 스크린(구멍 뚫린 파이프)으로 구성된 우물 구멍 구조를 사용하여 비고결 물질층에서 아주 간단하게 만들 수 있다. 포인트는 대개 삼각대와 드라이버를 사용하여 땅속으로 두드려 박으며, 필요에 따라 파이프 섹션을 추가한다. 드라이버는 박으려는 파이프 위로 미끄러져 내려가며 반복적으로 떨어뜨리는 가중치가 있는 파이프이다. 지하수를 만나면 우물의 퇴적물을 씻어내고 펌프를 설치한다.[21] 굴착기계, 오우거, 제트 기계를 쓰지 않고 아래가 날카롭게 되어 있는 관을 타설하여 만든 지하수 우물이다.[22]

천공정

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천공정(drilled water)은 탑헤드 로터리, 테이블 로터리 또는 케이블 툴과 같은 다양한 유형의 시추기를 사용하여 건설되며, 이들은 모두 회전하여 지층을 깎아내는 드릴 스템을 사용하므로 "시추" 또는 "천공"이라는 용어를 사용한다.

천공정은 간단한 수동 천공 방식(오거, 슬러징, 제팅, 드라이빙, 수동 타격)이나 기계 천공(오거, 로터리, 타격, 다운더홀 해머)으로 굴착할 수 있다. 심부 암반 로터리 시추 방식이 가장 일반적이다. 로터리 방식은 지층 유형의 90%(고결 지층)에서 사용될 수 있다.

천공정은 인력관정보다 훨씬 더 깊은 수준에서 물을 얻을 수 있으며, 종종 수백 미터 아래까지 내려간다.[23]

전기 펌프가 달린 천공정은 전 세계적으로 사용되며, 대개 농촌이나 인구 밀도가 낮은 지역에서 쓰이지만 많은 도시 지역도 부분적으로 시 우물에 의해 공급된다. 대부분의 얕은 우물 시추기는 대형 트럭, 트레일러 또는 궤도 차량에 장착된다. 수동 우물은 일반적으로 깊이가 3 to 18 미터 (10–60 ft) 정도이지만, 일부 지역에서는 900 미터 (3,000 ft)보다 더 깊어질 수 있다.

케이블 툴 방식을 사용하는 웨스트버지니아주 킴벌의 우물 시추기
이스라엘 지질학자 레오 피카드(흰 셔츠)가 팔레스타인의 버려진 마을 베이트나쿠바(Bayt Naqquba) 외곽에서 시추된 우물을 점검하고 있다.

로터리 시추기는 일반적으로 나사로 연결된 3m(10피트), 6 m (20 ft)에서 8m(26피트) 길이의 강철 튜브 섹션으로 구성된 분할된 강철 드릴 스트링을 사용하며 하단 끝에 드릴 비트나 기타 시추 장치가 있다. 일부 로터리 시추기는 실제 구멍 시추와 병행하여 강철 케이싱을 우물 안으로 설치(박거나 뚫기)하도록 설계되었다. 시추 중 절삭물을 배출하고 비트를 냉각하기 위해 공기나 물을 순환 유체로 사용한다. 머드 로터리라 불리는 또 다른 형태의 로터리 스타일 시추는 시추 중에 지속적으로 성질을 변화시키는 특수 제작된 진흙 또는 시추 유체를 사용한다. 이는 우물의 케이싱 존재 여부와 관계없이 구멍의 측벽을 열어두기에 충분한 수압을 일정하게 생성할 수 있게 한다. 일반적으로 단단한 암석에 뚫린 보어홀은 사용된 기계에 관계없이 시추 과정이 완료될 때까지 케이싱을 하지 않는다.

가장 오래된 형태의 시추 장비는 오늘날에도 사용되는 케이블 툴이다. 비트를 구멍 속으로 올리고 내리도록 특별히 설계된 드릴의 스퍼딩(spudding)은 비트를 들어 올렸다가 구멍 바닥에 떨어뜨리게 하며, 케이블 설계에 의해 비트가 낙하당 약 1⁄4 회전하게 되어 시추 작용을 일으킨다. 로터리 시추와 달리 케이블 툴 시추는 보어홀에서 시추 절삭물을 퍼내거나 비우기 위해 시추 작업을 멈춰야 한다. 케이블 툴 시추기는 비슷한 직경의 로터리 에어나 머드 장비에 비해 재료를 뚫는 속도가 10배 정도 느리기 때문에 드물게 사용된다.

천공정은 일반적으로 공장제 파이프로 케이싱을 하며, 대개 강철(로터리 에어나 케이블 툴 시추 시) 또는 플라스틱/PVC(머드 로터리 우물이나 단단한 암석에 뚫린 우물)를 사용한다. 케이싱은 케이싱 섹션들을 화학적 또는 열적으로 용접하여 조립한다. 시추 중에 케이싱을 설치하는 경우 대부분의 드릴은 구멍이 진행됨에 따라 케이싱을 땅속으로 박으며, 일부 최신 기계는 바로 아래의 비트가 나아가는 것과 비슷한 방식으로 케이싱을 회전시켜 지층을 뚫고 들어갈 수 있게 한다. PVC나 플라스틱은 대개 용제 용접 후 시추된 우물 안으로 내리는데, 끝부분을 끼워 맞추고 접착하거나 스플라인으로 연결하여 수직으로 쌓는다. 케이싱 섹션은 우물의 용도와 지역 지하수 조건에 따라 대개 길이가 6 미터 (20 ft) 이상이고 지름이 4 to 12 in (10 to 30 cm)이다.

미국의 우물 지표면 오염은 일반적으로 표면 씰(surface seal)을 사용하여 제어된다. 미리 정해진 깊이나 감금층(예: 점토나 기반암)까지 큰 구멍을 뚫고, 그 지점부터 우물을 위한 더 작은 구멍을 완성한다. 우물은 일반적으로 지표면에서 작은 구멍 안으로 그 구멍과 지름이 같은 케이싱을 설치한다. 큰 보어홀과 작은 케이싱 사이의 환상 공간은 벤토나이트 점토, 콘크리트 또는 기타 밀봉재로 채운다. 이는 지표면에서 다음 감금층까지 불투수성 씰을 형성하여 오염 물질이 케이싱이나 보어홀의 외부 측벽을 따라 대수층으로 내려가는 것을 방지한다. 또한, 우물은 대개 공기는 통하지만 곤충, 작은 동물 및 무단 침입자가 우물에 접근하지 못하게 하는 설계된 우물 캡이나 씰로 덮는다.

우물 바닥에는 지층에 따라 물이 우물로 흐르도록 하는 스크린 장치, 필터 팩, 슬롯형 케이싱 또는 개방형 보어홀을 남겨둔다. 제작된 스크린은 대개 비고결 지층(모래, 자갈 등)에 사용되어 물과 지층의 일부가 스크린을 통과하도록 한다. 일부 물질이 통과하게 함으로써 나머지 지층으로 큰 면적의 필터를 형성하게 되는데, 우물로 들어오는 물질의 양이 점차 줄어들어 우물에서 제거되기 때문이다. 암반 우물은 대개 PVC 라이너/케이싱과 하단의 스크린 또는 슬롯형 케이싱으로 케이싱을 하는데, 이는 주로 암석이 펌프 어셈블리로 들어오는 것을 막기 위해 존재한다. 일부 우물은 필터 팩 방식을 사용하는데, 소형 스크린이나 슬롯형 케이싱을 우물 안에 배치하고 스크린과 보어홀 또는 케이싱 사이에 필터 매체를 채운다. 이를 통해 물이 우물과 펌핑 구역으로 들어오기 전에 원치 않는 물질을 여과할 수 있다.

분류

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우물의 종류
굴착정

우물이 위치한 대수층의 유형에 따라 천공정은 두 가지 큰 부류로 나뉜다.

  • 얕은 우물(천정호, shallow well) 또는 비피압 우물은 해당 위치의 최상부 포화 대수층(상부 비피압 대수층)에서 완성된다. 집수정 바닥이 불투수층까지 도달하지 못한 우물로, 자유수면 지하수를 양수하며 심정호에 비해 수질이 떨어진다.[24]
  • 깊은 우물(심정호, deep well) 또는 피압 우물은 두 개의 불투수층(반대수층 또는 불투수층) 사이에 끼어 있는 대수층까지 불투수층을 뚫고 설치된다. 대다수의 깊은 대수층은 자분 대수층으로 분류되는데, 이는 피압 우물의 수두가 대수층 상단 높이보다 높기 때문이다. 피압 우물의 수두가 지표면보다 높으면 "자분" 우물(굴착정, 굴정호[24], 프랑스 아르투아의 이름을 따옴)이 된다.[25]
핀란드 우타얘르비의 시골에 있는 구식 우물

특수한 유형의 식수 우물은 민물 호수나 하천 옆에 건설될 수 있다. 흔히 집수 우물이라고 부르지만 때때로 상표명인 래니 우물(Ranney well) 또는 래니 집수정으로 불리는 이 유형의 우물은 대수층 상단 아래로 케이슨을 수직으로 내린 다음 케이슨에서 수평 집수관을 지표수체 아래로 뻗게 하는 방식이다. 케이슨 내부에서 펌핑을 하면 지표수체에서 대수층으로 물이 침투하게 되며, 이 물은 집수관에 의해 수집되어 케이슨으로 운반된 후 지표면으로 펌핑된다.

우물의 용도에 따라 두 가지 추가적인 큰 부류로 나눌 수 있다.

  • 생산 우물 또는 펌핑 우물은 지름이 크고(15cm 이상) 케이싱(금속, 플라스틱 또는 콘크리트)이 된 우물로, 펌프를 통해 대수층에서 물을 추출하기 위해 건설된다(우물이 자분 대수층이 아닌 경우).
지하수 관측정의 도식도
  • 관측정 또는 피에조미터는 종종 지름이 더 작은 우물로, 수두를 관측하거나 지하수의 화학 성분을 샘플링하는 데 사용된다. 피에조미터는 대수층의 아주 짧은 구간에 걸쳐 완성된 관측정이다. 관측정은 여러 수준에서 완성될 수 있어 동일한 지도 위치에서 수직 고도에 따라 별도의 샘플을 채취하거나 측정을 할 수 있다.[26]

지하수를 퍼 올리기 위해 건설된 식수 우물을 관측정으로 수동적으로 사용할 수 있고 지름이 작은 우물로도 물을 퍼 올릴 수 있지만, 용도에 따른 이러한 구분은 일반적이다.

위치 선정

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굴착 전에 지질, 지하수위 깊이, 계절적 변동, 충전 구역 및 속도에 대한 정보를 가능한 한 찾아야 한다. 이 작업은 수문지질학자나 지하수 조사관이 전기 지진 조사,[27] 인근 우물의 가용 정보, 지질도 및 때로는 물리탐사 영상을 포함한 다양한 도구를 사용하여 수행할 수 있다. 이러한 전문가들은 인근 우물/보어에 대한 경험과 지식을 갖춘 시추업자와 거의 비슷한 수준의 정확한 조언과 예상 대상 깊이에 기반한 가장 적합한 시추 기술을 제공한다.

오염

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수인성 질병은 재래식 화장실의 분변 병원균으로 오염된 우물을 통해 퍼질 수 있다.
카메룬 야운데에서 우물을 청소하는 남자
인도 첸나이 인근 마을의 우물에서 물을 퍼 올리는 수동 펌프. 인근 재래식 화장실에 의해 우물물이 오염되었을 가능성이 있다.

얕은 펌핑 우물은 종종 매우 저렴한 비용으로 식수를 공급할 수 있다. 그러나 지표면의 불순물이 얕은 수원에 쉽게 도달하므로 이러한 우물은 깊은 우물에 비해 오염 위험이 더 크다. 오염된 우물은 다양한 수인성 질병의 확산으로 이어질 수 있다. 인력관정과 타설관정은 상대적으로 오염되기 쉽다. 예를 들어 미국의 대다수 지역에서 대부분의 인력관정은 신뢰할 수 없는 것으로 간주된다.[28] 일부 연구에 따르면 추운 지역에서는 극심한 강우나 눈 녹음으로 인한 하천 유량 변화와 홍수가 우물물의 수질을 저하시킬 수 있다.[29]

병원균

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우물물을 오염시키는 대부분의 세균, 바이러스, 기생생물 및 곰팡이는 인간과 다른 동물의 분변 물질에서 나온다. 일반적인 세균 오염 물질로는 살모넬라, 이질균, 제주니피로박터가 있다. 일반적인 바이러스 오염 물질로는 노로바이러스, 사포바이러스, 로타바이러스, 엔테로바이러스, A형 간염 및 E형 간염이 있다. 기생생물로는 람블편모충, 와포자충속, 사이클로스포라 카예타넨시스(Cyclospora cayetanensis), 미포자충류 등이 있다.[28]

화학적 오염

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화학적 오염은 지하수에서 흔히 발생하는 문제이다.[30] 폐수, 하수 슬러지 또는 비료에서 나온 질산염은 특히 영유아에게 문제가 된다. 오염 화학 물질에는 농약, 휘발유의 휘발성 유기 화합물, 드라이클리닝, 연료 첨가제인 메틸 터셔리 부틸 에테르(MTBE), 로켓 연료, 에어백 팽창기 및 기타 인공 및 자연 발생원에서 나온 과염소산염이 포함된다.

황동 피팅이나 오래된 납 파이프에서 침출된 납, 전기 도금 등에서 나온 크롬 VI, 자연 발생하는 비소, 라돈, 우라늄과 같은 여러 미네랄도 오염 물질이며 이들은 모두 암을 유발할 수 있다. 또한 자연 발생하는 플루오린화물은 충치 예방을 위해 소량은 바람직하지만 농도가 높으면 반상치를 유발할 수 있다.[28]

일부 화학 물질은 독성이 없는 수준으로 우물물에 흔히 존재하지만 다른 문제를 일으킬 수 있다. 칼슘과 마그네슘은 센물을 만들어 파이프에 침전물을 쌓아 막히게 하거나 온수기를 태울 수 있다. 철과 망가니즈는 의류와 배관을 변색시키는 어두운 얼룩으로 나타날 수 있으며 파이프를 막는 끈적끈적한 검은 집락을 형성하는 철 및 망가니즈 세균의 성장을 촉진할 수 있다.[28]

예방

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우물의 수질은 우물 내벽 설치, 우물 머리 밀봉, 자흡식 수동 펌프 장착, 앞치마(apron) 건설, 주변을 깨끗하게 유지하고 고인 물과 동물이 없도록 관리, 오염원(재래식 화장실, 쓰레기 구덩이, 현장 하수 시스템) 이동, 위생 교육 실시 등을 통해 크게 개선될 수 있다. 우물은 건설 후와 6개월마다 주기적으로 1% 염소 용액으로 청소해야 한다.

우물 구멍은 쓰레기, 동물, 동물의 배설물 및 바람에 날리는 이물질이 구멍에 떨어져 부패하는 것을 방지하기 위해 덮어야 한다. 덮개는 우물에서 물을 길어 올릴 때를 포함하여 항상 제자리에 있어야 한다. 열린 구멍 위에 매달린 지붕은 어느 정도 도움이 되지만, 이상적으로는 덮개가 잘 맞고 완전히 밀폐되어야 하며 스크린이 달린 공기 환기구만 있어야 한다.

하수 처리 시설과 우물 사이의 최소 거리 및 토양 침투 요구 사항을 준수해야 한다. 개인 및 시의 정화조 시스템의 설계 및 설치에 관한 규칙은 인근 식수원을 보호하기 위해 이러한 모든 요소를 고려한다.

사회의 일반 인구에 대한 교육도 식수를 보호하는 데 중요한 역할을 한다.

완화

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오염된 지하수의 정화는 매우 비용이 많이 드는 경향이 있다. 효과적인 지하수 복원은 일반적으로 매우 어렵다. 지표 및 지하 오염원으로부터의 지하수 오염은 일반적으로 건설 중에 케이싱의 중심을 올바르게 잡고 케이싱 환상 공간을 적절한 밀봉재로 채움으로써 획기적으로 줄일 수 있다. 밀봉재(그라우트)는 생산 구역 바로 위부터 지표면까지 채워야 한다. 케이싱 씰이 올바르게 구성되지 않으면 오염된 액체가 케이싱 환상 공간을 통해 우물로 유입될 수 있기 때문이다. 그라우팅된 환상 공간의 두께가 일정하도록 하기 위해 중앙 정렬 장치(보통 케이싱 길이당 하나 또는 최대 9m 간격으로 설치)가 중요하다.

새로운 시험 우물을 건설할 때는 해당 우물물에 대해 화학적 및 생물학적 테스트를 종합적으로 수행하는 것이 가장 좋은 방법으로 간주된다. 개별 자산에 대해 사용 지점 처리가 가능하며, 오염된 시 수도 공급을 위해 정수 처리장이 종종 건설된다. 이러한 처리 방법의 대부분은 관심 오염 물질의 여과를 포함하며, 오염이 없는 깊이에만 우물 케이싱 스크린을 설치함으로써 추가적인 보호를 얻을 수 있다.

개인용 우물물은 종종 역삼투 정수기로 여과하며, 이 과정에서 아주 작은 입자까지 제거할 수 있다. 미생물을 죽이는 간단하고 효과적인 방법은 위치에 따라 1~3분 동안 물을 완전히 끓이는 것이다. 미생물에 오염된 가정용 우물은 처음에는 표백제를 사용하는 충격 염소 소독으로 처리할 수 있는데, 이는 지역 사회 수도 시스템에서 발견되는 것보다 수백 배 높은 농도를 생성한다. 그러나 이것은 오염을 유발한 구조적 문제를 해결하지 못하며 일반적으로 효과적인 적용을 위해 전문가의 지식과 테스트가 필요하다.[28]

여과 과정 후에 물속의 병원균을 죽이기 위해 자외선(UV) 시스템을 도입하는 것이 일반적이다. 자외선은 세포벽을 뚫고 들어가는 UV-C 광자에 의해 병원균의 DNA에 영향을 미친다. 자외선 소독은 화학 물질을 사용하지 않는 수처리 방법으로서 지난 수십 년 동안 인기를 얻고 있다.[31]

환경 문제

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우물 설치 시의 위험 중 하나는 토양의 지하수위가 떨어지기 시작하고 토양이 마르면서 소금이 축적되는 염류집적이다.[32] 우물 시추 시 널리 퍼져 있는 또 다른 환경 문제는 메테인이 스며들 가능성이다.

염류집적

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우물 위치를 정할 때 염류집적 가능성은 큰 위험 요소이다. 염류집적은 시간이 지남에 따라 토양의 지하수위가 떨어지고 소금이 축적되기 시작할 때 발생한다. 결국 늘어난 소금 양은 토양을 건조하게 만들기 시작한다. 토양 내 소금 수위의 증가는 토양의 질 저하를 초래할 수 있으며 식생에 매우 해로울 수 있다.

메테인

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질식제인 메테인은 천연가스의 주성분인 화합물이다. 메테인이 밀폐된 공간에 유입되면 산소를 밀어내어 산소 농도를 인간과 다른 호기성 생물에게 위협이 될 정도로 낮추지만 여전히 자연발화나 외부 요인에 의한 폭발 위험이 있을 정도로 높게 유지한다. 이러한 폭발 가능성이 우물의 시추 및 위치 선정과 관련하여 위험을 초래한다.

식수 내의 낮은 농도의 메테인은 독성이 없는 것으로 간주된다. 메테인이 수도 공급원으로 스며드는 것을 흔히 "메테인 이동"이라고 한다. 이는 우물 시스템 근처의 오래된 천연가스정이 버려지고 더 이상 모니터링되지 않을 때 발생할 수 있다.

그러나 최근에는 앞서 설명한 우물/펌프가 더 이상 효율적이지 않아 수동 펌프나 트레드블 펌프로 교체될 수 있다. 다른 대안으로는 자가 인력관정, 전기 심정 펌프(더 깊은 깊이용)를 사용하는 것이다. 프랙티컬 액션(Practical Action)과 같은 적정기술 단체들은 이제 실제 생활에서 수동 펌프와 트레드블 펌프를 직접 만들고 설치하는(DIY) 정보를 제공하고 있다.[33][34]

PFAS/PFOS 소방 폼

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과불화화합물(PFAS 또는 PFASs)은 알킬 사슬에 여러 개의 플루오린 원자가 붙어 있는 합성 유기 플루오린 화합물 그룹이다. PFAS는 지하수에서 매우 빠르고 멀리 퍼져 영구적으로 오염시키는 "영원한 화학 물질" 그룹이다. 2010년까지 폼 소방이나 훈련 활동이 있었던 특정 공항 근처의 우물은 PFAS에 의해 오염되었을 가능성이 크다.

수자원 안보

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한 연구에 따르면 약 3,900만 개의 지하수 우물 중 9~20%가 지역 지하수 수위가 5미터 미만으로 떨어지거나, 많은 지역과 아마도 주요 대수층의 절반 이상에서처럼[35] 수위가 계속 낮아질 경우 우물이 마를 위험이 크다고 결론지었다.[36][37]

사회와 문화

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물의 사용, 타쿠이눔 사니타티스, 카사나텐세 도서관 (14세기)

샘과 우물은 선사 시대부터 문화적 중요성을 가져왔으며, 이는 서머싯주의 웰스와 바스와 같은 도시 건설로 이어졌다. 건강상의 이점에 대한 관심은 이름에 우물(Well)이 들어간 많은 도시를 포함한 온천 마을의 성장을 이끌었으며, 그 예로는 랜드린도드웰스와 로열턴브리지웰스가 있다.[38]

에라토스테네스가 지구의 둘레를 계산할 때 우물을 사용했다고 종종 주장되지만, 이는 클레오메데스의 짧은 설명에서 사용된 단순화된 내용일 뿐이며 에라토스테네스는 더 정교하고 정확한 방법을 사용했다.[39]

성경의 많은 사건이 우물가에서 일어난다. 예를 들어 창세기에서 이사악의 아내를 찾는 일이나 복음서에서 예수가 사마리아 여인과 대화하는 장면 등이 있다.[40]

우물 회복을 위한 간단한 모델

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대수층 상단이 zT인 곳에서 수위 z까지 부분적으로 채워진 우물의 도식도

불투수성 벽을 가진 우물의 경우, 우물의 물은 우물 바닥에서 다시 보충된다. 물이 우물로 흐르는 속도는 우물 바닥의 지하수와 우물 바닥의 우물물 사이의 압력 차이에 따라 달라진다. 높이 z인 물기둥의 압력은 물기둥 내 물의 무게를 기둥의 단면적으로 나눈 것과 같으므로, 지하수위 상단 아래로 거리 zT인 지점의 지하수 압력은 다음과 같다.

여기서 ρ는 물의 질량 밀도이고 g는 중력 가속도이다. 우물의 물이 지하수위보다 낮을 때, 우물 속 물에 의한 우물 바닥의 압력은 Pg보다 낮아지고 물이 우물로 밀려 들어온다. 도표를 참고하면, z가 우물 바닥에서 우물 수위까지의 거리이고 zT가 우물 바닥에서 지하수위 상단까지의 거리일 때 압력 차이는 다음과 같다.

다르시의 법칙을 적용하면 물이 우물로 밀려 들어오는 부피 유량(F)은 이 압력 차이에 비례한다.

여기서 R은 흐름에 대한 저항으로, 우물의 단면적, 우물 바닥의 압력 구배, 그리고 우물 바닥 기질의 특성(예: 공극률)에 따라 달라진다. 우물로 유입되는 부피 유량은 우물 수위의 변화율의 함수로 쓸 수 있다.

위의 세 식을 결합하면 z에 관한 간단한 미분 방정식을 얻을 수 있다.

이를 풀면 다음과 같다.

여기서 z0는 시간 t=0일 때의 우물 수위이고 τ는 우물 시간 상수이다.

고갈된 우물에 대해 dz/dt를 측정할 수 있다면 이는 와 같으며 시간 상수 τ를 계산할 수 있다. 위 모델에 따르면 우물이 완전히 회복되는 데는 무한한 시간이 걸리지만, 99% 회복된 우물을 "실질적으로" 회복된 것으로 간주한다면 수위 z에서 실질적으로 회복되는 데 걸리는 시간은 다음과 같다.

완전히 고갈된 우물(z=0)의 경우 실질적으로 회복되는 데 약 4.6 τ의 시간이 걸린다.

위의 모델은 우물 수위를 낮춘 펌핑으로 인한 대수층의 고갈을 고려하지 않았다(대수층 시험 및 지하수 흐름 방정식 참조). 또한 실제 우물은 기반암까지만 불투수성 벽을 가질 수 있으며, 이는 물이 우물로 들어오는 더 넓은 표면적을 제공할 수 있다.[41][42]

유사 및 관련 수자원 구조물

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    • 세탁
      • 빨래터, 빨래를 하기 위한 공공장소.

각주

[편집]
  1. ↑ 이재수 2018, 231쪽.
  2. ↑ 성안당, <토목기사 과년도 시리즈 수리수문학>, 352쪽, (2015)
  3. ↑ 이재수 2018, 234쪽.
  4. ↑ Peltenburg, Edgar (2012). 〈East Mediterranean water wells of the 9th–7th millennium BC〉. Klimscha, Florian (편집). 《Wasserwirtschaftliche Innovationen im archäologischen Kontext. Von den prähistorischen Anfängen bis zu den Metropolen의 Antike》. Rahden/Westfalia: Leidorf. 69–82쪽.
  5. ↑ Galili, Ehud; Nir, Yaacov (1993). “The submerged Pre-Pottery Neolithic water well of Atlit-Yam, northern Israel, and its palaeoenvironmental implications”. 《The Holocene》 3 (3): 265–270. Bibcode:1993Holoc...3..265G. doi:10.1177/095968369300300309. S2CID 130032420.
  6. ↑ Rybníček, Michal; Kočár, Petr; Muigg, Bernhard; Peška, Jaroslav; Sedláček, Radko; Tegel, Willy; Kolář, Tomáš (2020). “World's oldest dendrochronologically dated archaeological wood construction”. 《Journal of Archaeological Science》 115. Bibcode:2020JArSc.115j5082R. doi:10.1016/j.jas.2020.105082. S2CID 213707193.
  7. ↑ “Kückhovener Brunnen – Dorfgemeinschaft Kückhoven E. V.”. 2024년 12월 4일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2026년 4월 29일에 확인함.
  8. ↑ Tegel W, Elburg R, Hakelberg D, Stäuble H, Büntgen U (2012). “Early Neolithic Water Wells Reveal the World's Oldest Wood Architecture”. 《PLOS ONE》 7 (12). Bibcode:2012PLoSO...751374T. doi:10.1371/journal.pone.0051374. PMC 3526582. PMID 23284685.
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  10. 1 2 Chang, Mingteh (2012). 《Forest Hydrology: An Introduction to Water and Forests》 3판. CRC Press (2012년 11월 1일에 출판됨). 31쪽. ISBN 978-1-4398-7994-8.
  11. ↑ Koon, Wee Kek (2015년 7월 25일). “How the ancient Chinese looked after their drinking water”. 《South China Morning Post》.
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  18. ↑ 성안당, <토목기사 과년도 시리즈 수리수문학>, 353쪽, (2015)
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  20. ↑ “St. Patrick's Well”. Umbriatravel.com. 2012년 1월 28일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2011년 12월 19일에 확인함.
  21. ↑ "How I drill a Well." Popular Science, April 1952, pp. 177–181.
  22. ↑ 성안당, <토목기사 과년도 시리즈 수리수문학>, 354쪽, (2015)
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  37. ↑ Jasechko, Scott; Perrone, Debra (2021년 4월 23일). “Global groundwater wells at risk of running dry” (영어). 《Science》 372 (6540): 418–421. Bibcode:2021Sci...372..418J. doi:10.1126/science.abc2755. ISSN 0036-8075. PMID 33888642. S2CID 233353207. 2021년 5월 10일에 확인함.
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  39. ↑ Russo, Lucio (2004). 《The Forgotten Revolution》. Berlin: Springer. 273–277쪽.
  40. ↑ Bromiley, Geoffrey W. (1982), 《International Standard Bible Encyclopedia: E-J》, Wm. B. Eerdmans Publishing, 955쪽, ISBN 978-0-8028-3782-0
  41. ↑ “Well Flow Equations” (PDF). Cal Poly Humboldt, Department of Geology. 2022년 6월 13일에 확인함.
  42. ↑ “How Much Water Can the Well Deliver”. Inspectapedia. 2022년 6월 13일에 확인함.

참고 문헌

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같이 보기

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외부 링크

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