위홍쥔（于洪軍）/ 푸텅페이（付騰飛）
중국 자연자원부 제1해양연구소
대륙-해양 상호 작용 구역이란, 대륙과 해양이라는 상이한 생태계 물질과 에너지가 융합, 축적, 운송되는 구역이자, 다양한 생물이 존재하고 지구 화학 활동이 활발하여 전지구 탄소 순환과 영양염 순환이 활발히 이루어지는 구역이기도하다(그림1). 또한, 전 세계의 약 40%에 달하는 인구가 연안 100km 이내의 지역에 거주하고, 매년 25만 억 달러의 경제적 가치를 창출함으로써 지구 시스템 순환과 인류의 생계에 있어서도 중요한 의미를 지닌 구역이다.
그림1. 대륙-해양 상호 작용 구역 생태계 일반 특징(Ward N D et al., Nature Communications, 2020)
그러나 전지구 기후 변화로 인한 해수면 상승과 인간의 연안 이동으로 인한 스트레스 증대에 따라 해당 구역의 생태계는 한층 더 취약해졌다. 에 따르면, 1901-2010년 전지구 해수면 높이는 0.19 m 상승， 1880-2012년 전지구 온도는 0.85℃ 상승, 1975-2017년 간에는 1.5-1.8 ℃ 상승하였으며, 2017년 해수면 평균 높이는 1993년보다 77mm 높게 나타났다. 이러한 변화가 현 속도를 유지하게 될 경우, 2100년이 되는 해에 6.3억명에 달하는 인구는 홍수 수위보다 낮은 위치의 토지에서 살게 될 것이다. 또한 <2017년 중국 해수면 공보>에 따르면, 2017년 중국 연안역 온도가 평년 평균치보다 0.90℃ 높았고, 해수면 높이는 58mm 상승했는데 이는 전 세계 평균보다 높은 수치였다. 그리고 이는 중국의 연안역 지질 재해의 발전 추세가 더욱 심각한 상황에 직면할 것임을 의미한다. 해수면의 상승은 연안역 재해 격화, 연안생태시스템 파괴, 심각한 생태 및 사회경제적으로 상당한 영향을 미친다. 이는 전지구의 지속가능 한 발전에 있어 연안지역이 주요한 위치를 점하고 있는데, 대륙-해양 상호작용 구역의 생태 취약성과 복잡성이 전 세계 기후변화와 인간 활동의 신속한 반응을 야기하기 때문이다.
그림2, 대륙-해양 상호 작용구역 수문학(Hydrology)과 수력학적(Hydrodynamical) 설명도(A. R. Costall et al., Scientific Reports, 2020)
대륙과 해양의 상호 작용 경계면 간 에너지와 물질의 역학적 교환은 주로 수문학과 수력학적 과정의 영향을 받는다. 지하수의 흐름은 연안역 생태계의 중요한 구성 부분이며, 자연 조건 하에 해당 과정은 그림2처럼 동력학적 평형(Dynamic equilibrium) 상태에 놓이게 된다. 그러나 해수면 상승이나 지하수의 과도한 채굴 시에는 해안지역 대수층(aquifer)의 담수와 해수(함수) 간의 균형 상태가 파괴되어 해수는 대수층을 따라 대륙으로 침입하거나 섞이게 되어 담수 자원의 파괴와 해수 침입 재해를 일으킨다. 이 과정에서 지하수 수위의 높이가 변화되어 퇴적물의 포화상태와 산화환원상태를 변화시킨다. 더 나아가, 해당 지역의 생산력 뿐만 아니라 퇴적물의 염도까지 지하수 흐름에 따라 변하게 된다. 해수 침입이 발생한 후에 지하수의 염분은 모세관 현상과 증발 작용에 따라 토양의 표층으로 이동하여 농축되는데 이것이 바로 해수 침입이 유발하는 토양 염류화(soil salinization)이다. 해수 침입과 토양염류화라는 두 종류의 지질 재해는 시간적, 공간적, 기원적으로 서로 관련을 가지고 있어 대륙-해양 상호 작용 구역의 연쇄적 재해를 발생시킨다.
연쇄적 재해의 발생 과정은 증대효과(amplification effect), 재난 발생 강도는 상가효과(additive effect)를 지닌다. 또한, 연쇄 재해는 형성 메커니즘이 복잡하고, 예보가 어려우며, 예방에 필요한 요구 수준이 높고, 막중한 손해를 야기하기 때문에 재해 발생과 관리 메커니즘 연구는 현재 국제사회의 주요 이슈이다. 관련 학계에서 연쇄 재해 분류는 주로 재해 유형, 시공간 구조, 재해 시스템 요소 등 3가지 사항에 기반하여 구분된다. 그 가운데 발생 요인에 따라 지질 연쇄 재해는 내부 동력, 외부 동력, 인간의 공학 활동, 내외 지질 작용의 연계, 복합형 등 5개의 유형으로 구분된다. 해수 침입-토양 염류화 재해의 본질은 염분의 수문-토양 시스템에서의 이동 및 농축이라 할 수 있으며, 지하 기수(fresh water-salt water)의 혼합 과정 및 물-소금의 이동 변화 과정을 이해하는 것은 연쇄 재해의 실시간 변화 과정을 파악하기 위한 핵심 사항이다. 해수 침입과 토양 염류화 간의 관계와 시공간적 분포 특징을 종합적으로 분석해보면 해수 침입과 토양 염류화 연쇄 재해는 전형적인 시공간적인 연쇄 재해에 속하고, 자연 요인과 인간 활동의 연합작용으로 유발되는 복합적 연쇄 지질 재해임을 알 수 있다. 연쇄 재해 구조는 그림3과 같다.
그림3. 해수 침입-토양 염류화 연쇄 재해 구조(쉬싱용(徐兴永) 등, 해양과학진전, 2020)
인간 활동으로 인해 자연생태계를 교란해오면서 완만하게 발생해온 해수 침입은 겉으로 잘 드러나지 않고, 다변적이며, 관리가 어렵다는 특징이 있다. 현재 전세계 수십 개의 나라나 지역에서 해수 침입 문제가 발견되었고, 바다로 흐르는 담수나 지하수의 감소가 해수 침입을 야기할 수 있음을 확인하였다. 또한, 연안역 식수의 안전 뿐만 아니라 각종 질병 유발, 관개 용수의 수질 건강에도 영향을 미쳤으며, 공업 제품 품질 하락, 생산설비 부식 등의 문제, 육지 해저 지하수에 배출되는 영양 물질에 의존하는 연안역 생태계에까지 영향을 미쳐 막대한 경제적 손실을 야기하고, 사회경제의 지속 발전을 심각하게 방해하기도 한다.(그림4)
그림4. 해수 침입으로 인한 재해(중국 바이두 사이트 사진 인용)
해수 침입의 형성은 반드시 2가지 요건을 지녀야 한다. 하나는 기수(fresh water-salt water) 사이에 일정한 낙차가 존재해야 하는 수력학적 조건, 다른 하나는 기수 사이에 동일한 대수층으로 연결되어야 하는 수문학적 지질 조건이다. 지하수의 과도 채굴, 강 상류 수리 공정(저수지) 등 인간의 각종 경제 활동은 인류에 일정한 이익을 가져다 주지만, 이러한 활동은 지하수의 자연적 동력 조건과 균형 상태를 파괴함으로써 해수 침입 재해를 한층 더 심각하게 만든다. 자연계는 고정불별하는 것이 아니다. 예컨대 가뭄이 지속되면 강우량이 줄어드는데 이는 표층수의 수위 하강에 영향을 미치고, 강우량이 지하수를 보충하는데도 영향을 주면서 지하수 수위를 낮추게 된다. 동시에 이는 해수 침입 정도와 범위 확대에도 영향을 준다.
해수 침입 유형을 구분하기 위해서는 침입 통로와 침입 요소의 유형을 동시에 고려해야 된다. 해수 침입 통로는 주로 대수층(aquifer) 침입, 구하도(paleo-channel)나 단열대(fracture zone) 침입, 현대 하구 침입, 기암 풍화층이나 반풍화층 침입, 누수 대수층 침입 등이 있다. 대수층 침입은 주로 바다로 흐르는 강 유역의 충적평야 지역에서 일어나며, 이러한 지역의 대수층은 층상 분포를 나타낸다. 해수가 대수층을 따라 내륙으로 침투하면서 층리면을 따라 서서히 해수화를 형성한다. 몇몇 지역의 지층은 다원적 구조를 보임과 동시에 몇 개의 대수층을 보유하고 있다. 지하수 수위가 대폭 줄어들 때 해수는 동시에 두 개 혹은 그 이상의 대수층을 따라 침입하는 경우도 있다. 구하도나 단열대의 경우 일반적으로 투수성이 강하다. 만약 지하수 수위가 낮아지면, 해수 역시 그러한 구조대를 따라 침투한다. 오늘날 하구 침입은 대조기(spring tide) 때 해수가 저지대의 현대 하구를 거슬러 올라가며 침입하는 것을 가리킨다. 기암 풍화층이나 반풍화층 침입은 제4기(Quaternary) 두께가 비교적 얇거나 기반암이 변성암, 편마암 등 풍화 되기 쉬운 암반 지역에서 해수가 기반 풍화층을 따라 침입하는 것이다. 누수 피압대수층침입(vertical cross-flow intrusion leakage recharge)은 제4기 이래 신구조운동과 고기후 변화로 인해 연안역 일부 지역에서 빈번히 발생하는 해수 침입을 가리킨다. 반복적인 해수 침입은 대량의 해양 퇴적층(marine strata)을 축적하고, 층 내에 본래의 염수를 보존하여 천연해수침입층을 형성했다. 해수 침입 물질의 출처로 해수 침입 유형을 분류하면, 해수 침입, 염수 침입, 그리고 복합 침입으로 구분할 수 있다.
그림5. 해수 침입 순환 과정 설명도(Adrian D. Werner et al., Advances in Water Resources, 2013)
토양염류화란 토양에서 증발량이 활발하고, 지하수 수위가 상대적으로 높은 지역에서 가용성 염분이 응집되고, 염분 생산이 끊임없이 높아지는 현상이다. 유엔식량농업기구
(Food and Agriculture Organization)의 통계에 따르면, 중국의 염류화 토양 면적은 약36,000,000ha이며, 그 가운데 연안역 염류화 토양 면적은 총량의 7%를 차지하는2,520,000ha에 이른다.
연안역 염류화 토양은 대개 연해에 분포되며, 염화과정(salification process)의 주요 염분 보급 방식은 해수 침지와 소하성 역류가 있다. 바다로 흐르는 하류는 대량의 뻘과 모래를 운반하여 근해에 축적하고, 수중 퇴적 단계에 이르면, 해수에 침전하여 함염 실트(saline silt)를 이룬다. 퇴적물이 육지를 형성하고, 그 위에 고등식물이 성장하기 이전에는 염분의 축적이 지질 과정에 속하고, 고등식물이 착생한 이후, 토양의 염류화 과정이 시작된다. 그러므로 연안역 함염 토양의 염분은 주로 해수를 통해 유입되고, 기본적으로는 함염 실트에서 성장하며, 염분 축적의 과정은 일반적으로 토양 생성보다 이르다. 연안의 함염 토양은 중국의 중요한 예비 토지 자원이며, 가까운 시일 내에 농업 개발의 잠재력을 지닌 함염 토지는 약 10,000km² 정도이다. 주로 장강(长江) 하류, 황하(黄河) 삼각주, 하이허(海河)유역, 랴오동 만(辽东湾), 화남(华南) 지역에 분포되어 있다. 그러나 연안역 함염 토지의 염분은 식물의 수분 이용효율을 떨어뜨리고, 식물에 대한 독성을 지니며, 토양 구조 파괴, 뿌리 성장 방해 등 토지 황폐화와 생태 퇴화, 수질-토양 자원의 유실을 일으켜 대륙-해양 간 상호 작용 구역의 지속가능 한 발전에 좋지 않은 영향을 준다.
그림6. 알칼리 토양의 수분-염분 이동 설명도
현재 국내외에서는 해수 침입과 연안역 지역 토양염류화 문제에 대해 주로 단일 재해 연구와 방제를 하고 있는 상황이다. 그러나 연쇄 재해의 발생 과정은 증대효과, 재난 발생 강도는 누적효과를 지닌다. 또한, 연쇄 재해는 형성 메커니즘이 복잡하고, 예보가 어려우며, 예방에 필요한 요구 수준이 높고, 막중한 손해를 야기한다. 따라서 향후 연구에서는 해수 침입과 토양 염류화를 종합하여, 연쇄 재해의 물-소금 간 고리의 실시간 동태 변화 과정 파악, 정량적 평가를 통한 연쇄 재해의 정교화 수준 제고가 필요하다. 그래야만 연쇄 재해의 전체 구조 특징의 명확한 묘사를 통해 연쇄 재해의 차단과 재해 저감을 실현할 수 있는 방법을 확실하게 찾을 수 있을 것이다.
그림7. 대륙-해양 간 상호작용 구역의 해수 침입-토양 염류화 연쇄 재해 설명도(쉬싱용(徐兴永) 등, 해양과학 진전, 2020)
중국 자연자원부 제1해양연구소 해수 침입-토양 염류화 연구팀은 약 30년 전부터 이 두 가지 재해와 관련한 연구를 수행해왔다. 최근 연구팀은 하나의 핵심 구역(대륙-해양 상호 작용 구역)에서 두 개의 핵심 과정(해수면 상승, 인간 활동)이 해수 침입과 토양 염류화 연쇄 재해에 미치는 영향 과정에 초점을 두고 있다(그림7). 국가자연기금, 국가중점연구개발사업, 국가과학기술발전계획사업, 863, 973, 908 프로젝트, 국가 해양 공익성 업종 특별 프로젝트, 국가해양국(자연자원부 전신)의 특별 프로젝트 등 다수의 사업을 성공적으로 수행하며 해수 침입-토양 염류화 연쇄 재해의 발생 원리, 모니터링 및 조기경보, 장비 개발, 재해 방제, 복원 등을 체계적으로 연구하고 있다. 또한, 전문 연구팀을 구성하여 중국 전역의 해수 침입-토양 염류화 연쇄 재해에 관한 역사 자료를 분석하고, 이와 관련된 관측망과 데이터 베이스를 구축하여 관련 업무를 수행하는 그룹의 조직과 운영을 지도하고, 관련 업계 기준 등을 제정하였다.
향후 연구팀은 해수 침입-토양 염류화 연쇄 재해에 관한 핫 이슈를 지속적으로 추적하여 각 종류별 연안역 해수 침입-토양 염류화 연쇄 재해의 유발관계, 누적효과(accumulative effect), 연계 메커니즘(coupling mechanism) 등을 규명할 것이다. 또한 물리적 인자(physical factor)와 인간 활동이 해수 침입-토양 염류화 연쇄 재해에 미치는 영향을 정량화하여 분석할 예정이며, 각 종류별 연안역 연쇄 재해 맞춤형 협력 예방 제어 기술 방안과 패러다임을 제시할 것이다. 더 나아가 연구 간 연결고리를 개선함으로써, 국가의 재해 예방 및 저감, 수분과 토양 자원의 보호에 기여할 것이다.
