지하수면, 공극율과 투수도, 지하수의 유동에 대하여

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지하수면

경험으로부터 땅을 관통하는 구멍은 처음에 수분 토양층을 통과하고, 다음은 토양 혹은 기반암의 공극이 주로 공기로 채워져 있는 곳을 지나게 됨을 알게 됨(그림 11.1). 이 곳을 통기대(불포화대)라 부른다. 그 다음은 모든 공극이 물로 채워져 있는 포화대를 만나게 된다. 포화대의 상부면을 지하수면(water table)라 부른다. 정상적일 때 지하수면은 가장 가까이에 있는 하천이나 호수 쪽을 향하여 경사한다. 물이 지면 아래에서 도처에 존재할 수 있는 바와같이 지하수면 또한 항상 그렇게 존재한다. 세립 퇴적물에서 지하수면 상부에는 약60cm 두께를 갖는 가장자리 부분이 지하수면 상부에서 통기대로 물을 끌어당기는 모세관인력으로 인하여 계속 젖어있다.

모세관인력은 물을 관 같은 틈 속으로 끌어 들이게 하는 액체와 고체 사이 점착력 임. 지하수면은 상부 지면의 모양과 유사하다(그림.1). 언덕 지역에서는 높고 계곡에서는 낮은데 이는 물이 지형적으로 낮은 점을 향해 이동하는 경향이 있기 때문이다

공극율과 투수도

공극율(porosity)은 공극이라 불리는 열린 공간을 갖는 토양 혹은 기반암의 전 체적에 대한 공극 체적의 비이다. 즉 주어진 체적의 퇴적물 혹은 암석이 포함할 수 있는 물의 양을 결정하는 것이 공극율이다. 퇴적물 공극율은 구성 입자 배열의 치밀도와 입자들의 크기 및 모양에 의해 영향을 받는다(그림.2A와B). 분급이 좋은 모래와 자갈에서 공극률은 20%정도인데 반해 매우 다공질인 점토는 60%이상의 공극률을 갖는다.

퇴적암 공극율은 입자 분급과 배열에 영향을 받을 뿐만 아니라 공극이 교결물로 충전되는 정도에 의해서도 영향을 받는다(그림.2C). 화성암과 변성암의 공극률은 일반적으로 낮다. 그러나 이들의 많은 절리와 단열을 갖는다면 공극률은 높아질 것이다.

투수도(permeability)는 유체가 고체를 통해 얼마나 쉽게 통과할 수 있느냐의 척도이다. 매우 낮은 공극률을 갖는 암석은 낮은 투수도를 갖는 것 같다. 높은 공극율은 이에 상응하게 높은 투수도를 의미하지는 않는다. 공극 크기, 공극의 연결성, 통과로의 굴곡 정도 이 모두가 암석 혹은 퇴적물의 투수도를 결정하게 된다. 높은 공극율과 낮은 투수도를 갖는 퇴적물의 예는 0.005mm이하의 입자 직경을 갖는 점토이다(표6.1). 점토는 공극률이 높음에도 공극이 매우 작기 때문에 투수도는 낮다.

모래 입자의 퇴적물에서 공극은 포화되지 않은 퇴적물에서는 인접 입자에 부착된 물의 엷은 층을 보탠 두께보다도 흔히 더 넓다. 그러므로 물은 공극의 중심에서 자유로이 이동할 수 있으며, 이런 퇴적물은 투수성이 높다. 공극의 직경이 증가함에 따라 투수도는 증가한다. 매우 큰 공극을 갖는 자갈은 모래보다도 더 투수성이 높으며 우물에서 대량의 물을 기대할 수 있다.

포화대에서 이동

포화대의 지하수 이동을 투과(percolation)라고 하며 포화된 스펀지를 눌렀을 때 물이 흐르는 것과 유사하다. 물은 매우 작은 공극을 통해 투과에 의해 천천히 이동한다. 공간의 중앙부에서 이동이 쉽고 각 공간의 측면에 매우 가까워지면 영으로 감소하게 된다. 왜냐하면 거기서 물은 광물입자 표면을 젖게 하는 경향으로 방해받기 때문이다.

중력에 상응하여 물은 지하수면이 높은 지역으로부터 가장 낮은 지역을 향해 투과한다. 다시 말하면, 물은 일반적으로 지표 하천 혹은 호수를 향해 투과 한다(그림11.3). 대부분의 물은 땅속을 통해 보다 깊어지는 무수한 긴 곡선 경로를 따라 흐른다. 보다 깊은 경로 중 약간은 중력의 힘에 반하여 위로 방향을 바꾸어, 즉 아래로부터 하천 혹은 호수로 흘러 들어간다. 이 위로 향한 유동은 물은 압력이 최소인 곳으로의 점을 향해 흐르는 경향이 있기 때문에 가능하다. 하천으로 유입되는 지하수는 지하수면 아래에서 멀지 않는 얕은 경로를 따라 여행한다.

 

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