기저수위, 자연과 인공댐 및 수력발전

-기저수위

하천이 하류로 흘러감에 따라 하천의 위치 에너지는 점차 감소하여 바다에 이르게 되면 영이 되어 버린다. 이 고도에서 하천은 더 이상 하도를 아래쪽으로 침식할 능력을 상실해 버린다. 하천이 육지를 더 이상 침식하지 못하는 한계 고도를 하천의 기저수위(base level)라고 한다. 대부분의 하천들의 기저 수위는 해수면이다(그림10.10). 예외가 있다면, 바다로 통하는 출구가 전혀 없는 폐쇄된 내륙 분지로 흐르는 하천들일 것이다. 구조 운동으로 형성된 분지의 바닥이 해수면보다 낮을 경우(예, 캘리포니아 데스 벨리), 기저 수위는 분지의 바닥이 될 것이다. 이런 분지로 유입하는 하천을 해수면보다 낮은 고도로 하도를 깎을 수 있다. 하천의 기저 수위를 해수면과 연관 지을 때, 해수면이 해양 분지의 모양과 용적의 변화, 그리고 대륙 빙하의 확장과 수축에 의해 지질학적으로 긴 시간을 통해 변동한다는 사실을 인식해야만 한다. 기저 수위는 항상 서서히 변화하고 있다. 하천이 호수로 유입할 경우, 호수면은 지역적 기저 수위 역할을 한다(그림10.10). 하지만 호수의 출구가 침식에 의해 낮아져 물이 유출되어 버릴 수가 있다. 일단 지역적 기저 수위가 파괴되면 하천의 종단면은 새로운 조건에 맞게 변화한다.

그림 10.10 기저수위 지역적 기저수위와 하천과의 관계. 우측의 하천은 기저수위인 바다로 직접 흘러 들고 있다. 댐이 건설된 중간의 하천은 지역적 기저수위를 이루는 저수지로 흘러 들고 있다. 댐 아래쪽 하천의 기저수위는 바다이다. 오른쪽의 하천은 사태 및 용암류에 의해 두 곳에서 막혀 있어 지역적 기저 수위를 이루는 호수가 형성되어 있다. 용암류 아래쪽 하천의 기저 수위는 바다이다.

-자연 및 인공댐

모든 하천이 근원지로부터 바다까지 지속적으로 흘러가지는 않는다. 많은 하천들의 경로는 사태 퇴적층, 빙하나 하천퇴적층, 용암류, 또는 빙하의 얼음으로 이루어진 자연 댐 상류쪽에 마들어진 호수 때문에 교란을 받는다(그림10.10). 이러한 댐은 지역적 기저 수위 역할을 하며 하천의 종단면을 불규칙하게 만든다. 하지만 모든 자연 댐은 한시적인 구조이며 결국을 파괴되고 침식되어 사라져 버린다. 대규모의 인공 댐도 하천의 자연스런 흐름을 교란한다. 인공 댐은 물을 저장하고, 홍수를 조절하고, 수력 발전을 위해 건설이 증가일로에 이다. 하천을 가로 질러 건설된 인공 댐은 이전에 방해 받지 않고 바다로 운반되던 모든 퇴적물을 저수지에 침전하게 만든다. 수력 발전의 주된 장기적인 문제점이 바로 여기-침전하는 퇴적물이 보통 50 내지 200년 이내에 저수지를 채워 저수지를 쓸모 없이 만드는 것-에 놓여 있다. 나일강의 아스완 댐에 의해 형성된 나서 호수(Lake Nasser)는 다음 세기 중에 실트로 절반 가량이 채워질 것이다. 따라서 하천이 영속적인 에너지원이긴 하지만 하천의 에너지를 전기로 바꾸기 위해 필요한 저수지는 한시적인 생명을 지니고 있다.(에세이:나일강의 치수를 참조)

-수력발전

수력발전으로 얻어지는 전기 에너지는 바다로 흘러가는 하천수의 위치 에너지로부터 회수된다. 물의 순환을 일으키는 것은 태양의 열 에너지이기 때문에 수력 에너지는 태양 에너지의 또 다른 형태로 볼 수 있다. 물의 순환은 지속적인 작용이므로 흐르는 물로부터 얻어지는 에너지 또한 지속적인 성격을 갖고 있다. 수력 에너지느느 지난 수천 년 동안 소규모로 이용되어 왔으나, 20세기에 들어서야 전기를 얻기 위해 광범위하게 이용되기 시작하였다. 지구상의 모든 하천에서 흐르는 물은 9.2×1019J/년으로 추산되는 회수 가능한 에너지를 갖고 있다. 이 양은 매년 150역 배럴의 석유를 연소하여 얻을 수 있는 에너지의 양과 비슷하낟. 석탄이나 석유와는 달리 수력 에너지는 고갈되지 않으며 재생 가능한 자원이다. 하지만 수력 에너지가 오늘날 지구상의 모든 에너지 문제를 해결해 줄수는 없다. 왜냐하면 대량의 에너지를 공급해 줄수 있는 큰 하천의 수가 많지 않을 뿐만 아니라 이들이 항상 동력이 필요한 지역을 따라 흐르지 않기 땜누이다 게다가 저수지 내부의 침전 현상은 발전용 댐의 유효 수명을 제한하며, 나중에 쓸모 없어진 거대한 콘크리트 구조물과 댐 뒤에 쌓인 방대한 양의 퇴적물을 처리해야 하는 문제점도 발생한다. 발전용 댐이 건설된 장소는 때로 높은 인구 밀도를 가진 지역이다.

 

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