2. 수질에 영향을 미치는 요인들
 
수질은 물이 순환하는 동안 접촉하는 모든 것들과의 상호 작용에 의해 결정되므로, 물의 순환 과정 중 접촉하는 모든 것들이 다 수질에 영향을 미치는 요인이 된다. 이러한 요인들은 셀 수 없을 정도로 많으나, 크게 나누어 지질, 기후, 생물의 활동, 그리고 인간의 활동에 기인한 요인들로 대분할 수 있다. 중요한 것은, 이렇게 나누어진 요인들은 편의상 몇 개로 대분된 것일 뿐이지 실제로 각 요인들이 서로 독립적으로 수질을 결정한다는 것은 아니라는 점이다. 다시말해서, 수질이 각각의 요인들에 의해 독립적으로 영향 받는다기 보다는 요인들의 상호 인과 관계에 의해 복합적으로 영향을 받는다는 것이다. 그러므로, 편의상 아래에 수질에 영향을 미치는 요인들 각각에 대해 독립적으로 간단히 기술했으나, 이들 요인들은 항상 서로 긴밀한 유기적 관계를 갖으며 수질에 복합적으로 영향을 미침을 기억해야 한다.

2-1. 지질

 
    수질은 다른 어떠한 요인보다도 지질학적 요인에 의해 가장 근본적이고 일차적인 영향을 받는다. 이는 지각을 구성하는 암석들은 생물과 물이 존재하기 전부터 존재하여 왔으며, 그로부터 이들 암석들은 수질에 영향을 미치는 다른 요인들의 모체가 되거나 또는 성격 형성에 주요한 역할을 해왔기 때문이다. 수질에 영향을 미치는 지질학적 요인은 크게 암석 화학적인 요인과 지질 구조적인 요인 두 가지로 다시 구분된다. 암석화학적인 요인이란 물의 이동 경로에 있는 암석들의 화학 조성과 이들의 반응성에 관련된 것으로, 이는 주로 암석들의 광물 조성과 광물-물간의 상호 반응 정도에 따라 결정된다. 그러므로, 이와 같은 암석 화학적인 요인은 달리 말해 광물학적인 요인이며, 이 요인에 대해서는 뒤에 "광물이 수질에 미치는 영향"에서 좀 더 자세히 다룰 것이다. 수질에 영향을 미치는 지질 구조적인 요인은 주로 물과 암석과의 반응에 필요한 공간과 시간을 지질 구조가 어떻게 제공하느냐에 관련된 요인이다. 대륙에 존재하는 물 (육지수; terrestrial water)은 크게 지표수 (surface water)와 지하수 (ground water)로 나뉜다. 지표수가 암석 및 토양을 구성하는 광물들과 접촉하여 반응하는 시간은 직접적으로는 지형에 따라 결정된다. 그러나, 지형이란 지구상에서 일어나는 지표 형성 작용의 결과물이며, 지표 형성 작용이란 다시 암종 및 지질 구조에 의해 좌우되므로, 지표수의 수질 또한 지질 구조에 의해 상당한 영향을 받는 것이다. 지표수에 비해 지하수는 좀 더 직접적으로 지질 구조에 영향을 받는다. 지하수의 양 및 유동 속도는 지하에 발달된 공간의 양 (공극률) 및 이들 공간이 3차원적으로 얼마나 잘 연결되어 물을 원활하게 흐르게 할 수 있는가 (투수율)에 따라 결정된다. 이와 같이 지하에 발달된 공간의 양 및 이들의 연결 정도는 바로 암석에 발달된 공극, 절리, 층리, 엽리, 단층면, 그리고 부정합면 등과 같은 지질 구조에 의해 결정되는 것이다. 그러므로 지하수가 한 암종 또는 여러종의 암종과 얼마나 많이, 그리고 얼마나 오래 반응하며, 또 이렇게 반응하는 물은 얼마나 빨리 이동하느냐 하는 것은 전적으로 지질 구조에 의해 결정된다고 해도 과언이 아니다.

2-2. 기후

 
    수질에 영향을 미치는 요인들 중, 지질 조건만큼 중요한 것이 기후 조건이다. 여기서 기후 조건이라 함은 주로 강수량과 온도를 지칭하는 것이다. 우리가 기후를 한랭 기후, 온난습윤 기후, 건조 기후, 열대우림 기후 등으로 구분하는 것은 바로 온도와 강수량을 기준으로 하는 것이다. 그러므로 우리는 여기서 각 기후 유형에 따라 수질의 변화를 일일이 살피기보다는 전체적으로 온도와 강수량에 따라 수질이 어떻게 영향을 받는지 살피는 것이 바람직할 것이다. 온도는 물의 상태를 결정하고 물과 접촉 물질과의 상호 반응 속도 및 정도를 결정한다. 이미 잘 알려져 있는 것처럼, 온도가 지나치게 낮거나 높으면 물은 얼음이나 수증기가 되어 다른 물질들과 충분히 반응할 시간을 갖지 못하게 되므로, 물의 이동 경로 상의 상호 접촉 물질이 수질에 영향을 주는 바가 미미하게 된다. 그러나 온도가 물의 어는점과 끓는점 사이의 값을 가질 때, 일반적으로 온도가 높아짐에 따라 물과 접촉 물질과의 반응 속도는 훨씬 빨라질 뿐만 아니라, 이 상호 반응의 결과물, 즉 용존 물질의 양도 증가해 물은 더욱 많은 용존 물질을 포함하게 된다. 이는 다시 말해 물이 똑 같은 물질들과 접촉하며 이동한다 해도 온도에 따라 수질 지시자의 값들은 상당히 다를 수 있으며, 결국에는 온도가 수질에 중요한 영향을 미치게 됨을 의미한다. 여기서 한 가지 주의할 것은, 온도가 증가한다고 해서 항상 모든 용존 물질의 양이 증가하는 것이 아니라는 점이다. 반대로 온도가 감소하면 오히려 그 양이 증가하는 용존 성분도 있다. 예를 들면, 대부분의 가스 성분이 그러한데, 용존 CO2의 경우 온도가 낮아지면 오히려 그 양이 증가하게 되며, 이는 다시 물의 pH를 낮추고, 이렇게 낮아진 pH가 탄산염 광물 같이 산에 약한 물질들을 좀 더 많이 용해시켜 물의 경도 및 총 용존 고형 물질량을 오히려 높이기도 한다. 이와 유사한 예를 석회암의 퇴적 환경에서도 찾아볼 수 있는데, 흔히 석회암은 상대적으로 얕고 따뜻한 바다와 같은 환경에서 주로 만들어진다고 알려져 있다. 그 이유는 온도가 낮거나 깊은 바다에서는 (깊어질수록 일반적으로 온도가 낮아지며, 더우기 깊어짐에 따라 압력이 증가하게 되어) 이산화탄소가 상대적으로 다량 물에 용해되고 이는 다시 물의 pH를 낮추며 이와 같이 낮은 pH는 주로 탄산염 광물인 방해석으로 이루어진 석회암의 형성을 방해하기 때문이다. 강수량은 우리가 사용하는 수자원의 규모를 결정할 뿐만 아니라, 물에 녹아 있는 성분들의 희석 및 농집, 그리고 이들의 운반량 조절 등을 통해 수질에 영향을 미친다. 인간에 의한 오염이 없을 경우, 보통 육지수 내 용존 성분의 대부분은 광물로부터 유래됨은 이미 이야기한 바 있으며, 이때 강수량이 많으면 많을수록 좀 더 많은 물이 광물과 접촉하여 전체적으로 좀 더 많은 용존 성분을 광물들로부터 유리시킨다. 얼마나 많은 성분이 광물로부터 유리되는가는 얼마나 빨리 토양이 형성되는가 또는 풍화가 진행되는가를 보고 간접적으로 알 수 있다. 토양의 형성 또는 풍화가 제일 빠른 곳은 열대 우림 기후 지역이고, 반대로 제일 느린 곳은 건조 기후 지역이다. 이는 말할 필요도 없이 열대 우림 기후에서의 강수량이 건조 기후에서보다 훨씬 많을 뿐만 아니라, 높은 온도에서 상당한 시간 동안 광물과 접촉할 수 있기 때문이다. 그러나 여기서 한 가지 주의할 것은 전체적으로 용존 성분이 광물로부터 많이 유리된다고 해서 이들 용존 성분의 함량이 반드시 높은 것이 아니며, 오히려 그 반대일 경우가 더 많다는 것이다. 예를 들면, 열대 우림 지역을 흐르는 아마존 강이 일년간 운반하는 주요 용존 성분의 양은 대략 2억 7천 9백만 톤인데 비해 건조 및 아건조 지역을 흐르는 콜로라도 강이 일년간 운반하는 주요 용존 성분의 양은 천 4백만 톤으로 아마존강의 20분의 1 수준밖에 안된다. 그러나 용존 성분의 함량을 비교해보면, 아마존 강이 38.5mg/L로 매우 낮은데 비해 콜로라도 강은 703.3mg/L로 아마존 강에 비해 약 18배 높다. 표 2는 지구상의 주요 강들이 운반하는 용존 성분들의 평균 함량 및 유량을 정리한 것이다 (Berner and Berner, 1987). 이 표에 비교된 강들이 흐르는 지역의 연평균 기온과 강수량 그리고 용존 물질의 함량과 총량 등을 상호 비교해보면, 온도와 강수량이 수질에 어떠한 영향을 미치는지 대략 알 수 있을 것이다.

표 2. 세계 주요 강들의 용존 성분들의 평균 함량 (단위; mg/l) 및 유량 (단위; km3/년)
(Berner and Berner, 1987).

강 이름

Ca

Mg

Na

K

C

SO4

HCO3

SiO2

유량

미시시피

34

8.9

11.0

2.8

10.3

25.5

118

7.6

580

유콘

31

5.5

2.7

1.4

0.7

22

104

6.4

195

콜로라도

83

24

95

5.0

82

270

135

9.3

20

다뉴브

49

9

9

1

19.5

24

190

5

203

라인(상류)

41

7.2

1.4

1.2

1.1

36

114

3.7

?>

아마존(상류)

5.2

1.0

1.5

0.8

1.1

1.7

20

7.2

7245

귀아나

2.6

1.1

2.6

0.8

3.9

2.0

12

10.9

240

콩고

2.4

1.3

1.7

1.1

2.9

3

11

9.8

1230

나일

25

7.0

17

4.0

7.7

9

134

21

83

양쯔

45

6.4

4.1

1.2

4.1

17.9

148

5.8

1063

메콩

14.2

3.2

3.6

2.0

5.3

3.8

58

8.9

577

겐지스

24.5

5.0

4.9

3.1

3.4

8.5

105

12.8

450

세계 평균

14.7

3.7

7.2

1.4

8.3

11.5

53.0

10.4

37,400

2-3. 생물의 활동

 
    수질에 영향을 미치는 또 하나의 중요한 요소는 생물의 활동이다. 여기서 생물이라 함은 인간을 제외한 모든 동식물을 지칭하는 것으로, 인간에 의한 영향은 다음에 좀 더 자세히 언급하기 때문에 제외하였다. 생물에 의한 수질의 변화는 생물의 신진대사, 번식 및 소멸 등 거의 대부분의 활동과 관련해서 일어난다. 모든 생물은 자신의 개체 유지, 성장 및 번식을 위해 신진 대사를 한다. 이 대사 작용 중, 가장 대표적인 것이 호흡이라 하겠다. 호흡은 생물이 유기물을 산소와 결합시켜 연소시킴으로써 필요한 에너지를 얻는 것인데, 아주 간단하게는 다음과 같은 화학식으로 표시할 수 있다;

nC6H12O6 + n6O2 → n6CO2 + n6H2O         (R1)

이와 같은 호흡을 통해, 수서 생물은 산소를 소모하고 이산화탄소를 배출하여 용존 산소의 양을 감소시키고 탄산의 양을 증가시킨다. 만일 물에서, 이와 같은 호흡만이 일방적으로 계속 진행된다면, 물에는 곧 모든 용존 산소가 사라지고 발생된 이산화탄소만 가득하게 될 것이다. 물에 산소가 없음은 다른 생물들 (엄밀하게 말하면 호기성 생물들)이 살 수 없음을 뜻하며, 이는 곧 생태계의 균형이 무너졌음을 알리는 것이다. 다행이 산소는 대기로부터 계속 공급될 뿐만 아니라, 광합성을 하는 수중 생물이 위 호흡 반응의 역반응인

n6CO2 + n6H2O → nC6H12O6 + n6O2        (R2)

같은 반응을 통해 유기물을 합성하면서 물에 꾸준히 산소를 공급하기 때문에 물 속에서도 지상에서와 마찬가지로 조화로운 생태계가 유지될 수 있는 것이다. 놀랍게도 수질은 일반적으로 덩치가 큰 생명체들보다는 매우 작은, 그래서 미생물들이라 부르는 생명체들에 의해서 좌우되는 경우가 더 많다. 이와 같이 수질이 주로 미생물들에 의해 좌우되는 이유는 첫째는 미생물 각각의 대사량은 작지만 그들의 수는 엄청나게 많아 전체 대사량이 덩치가 큰 생명체들보다 많다는 것, 둘째는 이들의 번식 속도가 덩치가 큰 생명체보다 훨씬 빨라 번성과 쇠퇴가 상당히 단기간에 이루어 질 수 있다는 것, 그리고 세 번째로는 미생물들이 고등 생물보다 수질 변화에 좀 더 민감하게 반응하기 때문이다. 이들 미생물 중, 가장 기본적으로 수질에 영향을 미치는 것은 식물성 플랑크톤과 같이 광합성을 하는 미생물들이다. 이들은 먹이사슬의 근간을 이루면서 이들을 먹고 사는 다른 생물들의 번성과 쇠퇴를 조절하기 때문이다. 언뜻 생각하면, 모든 생물들이 제 나름대로 번성하고 행복하기 위해서는 먹이 사슬의 근간이 되는 생물들이 크게 번성해야 할 것같지만, 사실은 이 마저도 먹이 사슬 상의 여러 집단간의 조화와 균형에 따라 예민하게 이루어져야 한다. 만일 한 생물 집단이 갑자기 번성하면, 이는 오히려 주변 생태계를 연쇄적으로 파괴할 수도 있다. 한 생물 집단의 갑작스러운 번성이 얼마나 심각한 결과를 초래하는지는 우리 나라에서도 자주 문제가 되는 부영양화 같은 것에서 그 일면을 볼 수 있다. 미생물의 생장 및 번식은 대개 영양분이 얼마나 공급되느냐에 따라 결정된다. 자연수 내에는 여러 필수 영양분 중, 질소와 인의 함량이 상대적으로 매우 낮아 생물의 번식 및 생장이 실제로는 이들 영양분이 얼마나 공급되느냐에 따라 결정된다. 부영양화는 인간에 의한 오염으로 이들 질소 또는 인이 풍부히 공급되어 조류 (藻類; algae)와 같은 미생물이 이를 섭취하면서 갑작스럽게 성장하거나 개체 증식을 하는 현상을 지칭하는 것이다. 이와 같은 부영양화는 갑작스러운 개체 성장 및 증식에 따른 호흡량의 급격한 증가로 물 내에 녹아 있는 용존 산소를 모두 소모하게 되고, 이로 인한 산소 결핍은 결국 수중 생태계의 파괴를 초래한다. 수질에 영향을 주는 미생물들은 그야말로 밤하늘의 별들처럼 헤아릴 수 없이 많이 있지만, 그 중에서도 특히 지질학자 및 환경 지구화학자의 관심을 끄는 것들이 있다. 그 것들 중 대표적인 것으로는 황 환원 박테리아 (sulfur reducing bacteria 또는 줄여서 sulfur reducer라고도 함), 황 박테리아 (thiobacilus), 그리고 메탄 발생 박테리아 (methanogens) 등이 있다. 표 3은 이들 박테리아에 의한 주요 반응과 그로 인한 수질 변화를 간단히 정리한 것이며, 이들 생물에 대한 좀 더 자세한 정보는 관련 서적 (예; Ehrlich, 1996)을 참고하길 바란다.

표 3. 황 환원 박테리아, 황 박테리아 및 메탄 발생 박테리아의 비교

박테리아 명

황 환원 박테리아

황 박테리아

메탄 발생 박테리아

활동 환경

환원 환경 (혐기성)

산화 환경 (호기성)

환원 환경 (혐기성)

주요 반응

SO42- + 2H+ →
2O2 + H2S(g)

2S- + 3.5O2 + H2O → 2SO42- + 2H+

CO32- + H2O + 2H+ → 2O2 + CH4(g)

반응 목적

호흡을 위한 산소를 얻기 위해

유기물 합성 (화학 합성)을 위한 에너지를 얻기 위해

호흡을 하기 위한 산소를 얻기 위해

수질 변화

- pH 증가

- 황화 수소 개스 발생

- 전도도 감소

- pH 감소

- 황산 이온 증가

- 용존 산소량 감소

- pH 증가

-탄산 이온 감소

-메탄 가스 발생

이차적인 변화

- 황화 광물 침전

-대부분 광물의 용해

2-4. 인간에 의한 오염

 
    산업이 발달할수록 인간이 수질에 미치는 영향은 점차 증대되어 왔으며, 결국 현대 산업 사회에 들어 인간에 의한 수질 변화가 지금까지 거론한 여러 요인들에 의한 것보다 훨씬 크고 심각한 경우가 빈번하게 되었다. 인간에 의한 수질 변화는 인간의 일상 생활 및 산업 활동으로부터 발생한 부산물 또는 그 결과물이 물의 순환계에 유입되어 일어난다. 이때 인간이 물의 순환계를 포함하는 자연계에 물질을 유입시키는 행위 또는 그 현상을 총칭해서 오염 (pollution)이라고 한다. 여기서 주목할 것은, 오염이란 용어는 인간에 의한 물질의 유입으로 인해 자연계에 미치는 결과가 좋고 나쁨을 가리지 않고 사용된다는 것이다. 이와 같이 오염이란 용어를 정의하는 배경에는 선의든 악의든 인간에 의한 물질 유입은 그 결과를 불문하고 자연계의 균형에 교란을 일으키는 행위라는 개념이 깔려있다. 인간에 의한 오염은 어떠한 과정을 통한 것이든 수질을 악화시키는 것이 보통이다. 이는 대부분의 오염 물질이 자연수 내에서는 매우 적은 양 존재하거나 또는 거의 발견되지 않는 것들인데, 만일 이러한 물질들의 함량이 오염으로 인해 비정상적으로 높아지면 생물에게 부작용을 일으키거나 경우에 따라 치명적인 독소로 작용하기 때문이다. 인간은 여러 가지 활동을 통해 다양한 오염 물질을 유입시키는데, 표 4는 인간의 활동에 따라 유입 가능한 오염 물질의 종류를 정리한 것이다. 오염 물질의 공급처인 오염원 (pollution source)은 추적 가능 여부에 따라 점오염원 (point-source)과 비점오염원 (nonpoint-source)으로 구분한다. 점오염원이란 오염 물질의 공급처를 추적해서 정확히 규정할 수 있는 오염원으로, 대표적인 것으로는 광산, 제련소, 및 각종 산업 시설 등이 있다. 이에 반해, 비점오염원은 오염 물질의 공급처를 추적하기 곤란하여 어느 곳에서 오염 물질들이 유래되었는지 정확히 규정할 수 없는 것들로, 대표적인 비점오염원으로는 농약, 비료, 및 폐수처리 찌꺼기 등이 있다. 점오염원과 비점오염원에 대해 좀 더 자세히 알고자 한다면 Mattigod and Page (1983) 같은 문헌을 참고하길 권한다.

표 4. 인간의 활동에 따른 오염 물질의 종류.

인간 활동의 종류

오염 물질

공업

제지

Cr, Cu, Hg, Pb, Ni, Zn, 기타 표백제

비료

Cr, Cu, Hg, Pb, Ni, Zn, N, P, S 및 기타 유기물

화학

Cd, Cr, Zn, 각종 화학 물질

정유

Cd, Cr, Cu, Pb, Ni, Zn, 유기물

금속

거의 대부분의 금속 원소

자동차, 도금

Cd, Cr, Cu, Hg, Ni

발전

Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Zn, SO2, fly ash

섬유

Cr, 각종 염료

농업

비료

Cr, Cu, Hg, Pb, Ni, Zn, N, P, S 및 기타 유기물

살충제

각종 유기 살충제

축산

N, P, S를 포함한 각종 오폐수

광업

채광

먼지, 산성 배수 (Fe, SO4), 각종 중금속

선광

산성 배수, 각종 중금속, 선광용 유기 제재

기타

생활 폐수

N, P, 세재

자동차/난방

Pb, CO2, SO2, NOx, 먼지

  머릿말
  1. 수질의 개념 및 수질 지시자
  3. 광물과 수질
  4. 맺음말
  5. 참고문헌