전 세계 수자원은 기후변화와 인구 증가에 의해 점점 늘어나고 있으며, 농장과 도시에서는 그들의 물수요를 채우기 위해 지하수에 의존한다. 

지하수의 양수는 대수층에서 물이 배수되고, 지반의 건축물이 무너지게 만들어 지반침하를 야기한다.

과학자들의 새로운 연구는 전 세계 지하수 저장 능력의 손실을 지도화했다. 

『네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)』 저널에 지난 10월 발표된 이 연구에서 DRI, 콜로라도 주립대학교, 미주리 과학기술대학의 연구원들은 지하수 추출이 어떻게 지반침하와 대수층 붕괴를 야기하는지 조사했다.

파임 하산(Fahim Hasan) 콜로라도 주립대학의 박사과정 학생은 “이 연구는 과도한 지하수 양수로 인해 발생하는 지반침하를 전 세계적 맥락에서 파악한다”고 말했다.

연구진은 공개된 데이터와 컴퓨터 모델링의 예측 기능을 결합해 전 세계 대수층 저장 용량이 연간 약 17㎦(기자(Giza)의 피라미드 약 7천 개 크기) 속도로 사라지고 있음을 확인했다.  

이러한 지하수 저장고의 손실은 영구적이며, 포집 및 저장할 수 있는 물의 양을 영원히 감소시킨다. 이 침하의 약 75%는 농경지와 도시 지역에서 발생하고 있으며, 전 세계적으로 지하수 관리 개선의 중요성을 강조한다. 

사얀탄 마줌다르(Sayantan Majumdar) DRI의 수문학 및 원격 감지 분야 박사, 연구 조수이자 이번 연구의 공동 저자는 “연구를 통해 우리는 전 세계적으로 지반침하 역학을 이해하고 싶었고, 지역 관리 당국을 도울 수 있을 만큼 충분히 높은 해상도로 이해하고 싶었다”라고 말했다. 

연구팀은 자료가 없는 지역에서 지하수 양수로 인해 지반이 얼마나 침하하고 있는지 식별하고, 정량화하기 위해, 첨단 머신러닝 기법을 활용했다. 

그들은 먼저 연방 및 주 정부 기관과 과학 연구에서 찾을 수 있는 모든 공개된 자료를 수집했다. 

그들은 이 데이터를 사용해 토지이용, 기후 데이터와 같은 지반침하 위험요인을 이용해 다른 지역의 지반침하에 대한 통계적 예측을 할 수 있는 컴퓨터 모델을 개발했다.

그들은 침하가 확인된 지역에서 컴퓨터 모델이 침하를 얼마나 잘 예측했는지 평가함으로써 예측 능력의 정확성을 시험했다. 

마줌다르는 “세계 대부분의 지역에는 지하수 양수를 위한 모니터링 프로그램이 없다”라며 “이러한 데이터는 전 세계적으로 관련된 문제를 이해하는데 매우 중요하다”고 강조했다.

연구에 따르면, 미국·중국·이란이 전 세계 지하수 저장 손실의 대부분을 차지하고 있으며, 일부 지역은 매년 5cm 이상의 지반침하를 경험하고 있는 것으로 나타났다.

캘리포니아와 아리조나는 농작물을 관개하기 위해 지하수에 의존하는 건조한 지역으로 이로 인해 상당한 지반침하를 보였다. 멕시코 시티와 같은 지역에서는 도시 지하수 이용이 지반침하와 더 밀접한 관련이 있었다.

또한 이 연구는 지하수 유출의 영향을 기록한 데이터가 없는 아프가니스탄, 우즈베키스탄, 아제르바이잔, 시리아의 관개 지역과 도시 지역 모두에서 높은 지반 침하율을 예측했다. 

이 연구는 유럽의 대부분 지역이 매년 1cm 미만의 낮은 지반 침하율을 경험하고 있다고 예측했다. 저자들은 이조차도 기반시설에 피해를 입히고, 해수면 상승의 위협을 받고 있는 해안 지역에 문제를 일으킬 수 있다고 지적한다.

지반침하는 비소 오염과 바닷물 침입을 야기하며, 이 둘은 남아있는 지하수의 수질에 영향을 미친다.

이 문제는 건조한 지역에만 국한된 것이 아니며 방글라데시, 인도 및 베트남과 같은 습한 기후 전역에 침하 지도가 형성돼 있다고 연구 저자들은 말한다. 이는 강우량이 많은 지역에서도 지하수에 대한 높은 의존도를 보이고 있음을 시사한다.

과학자들은 “물 관리자들이 그들의 지역에서 발생하는 지하수 저장 손실의 규모와 정도를 이해하기 위해 그들의 데이터를 사용할 수 있기를 바란다”고 말했다. 

[원문보기]

Scientists Map Loss of Groundwater Storage Around the World
A new study maps, for the first time, the permanent loss of aquifer storage capacity occurring globally

Global water resources are stretched by climate change and human population growth, and farms and cities are increasingly turning to groundwater to fill their needs. Unfortunately, the pumping of groundwater can cause the ground surface above to sink, as the aquifers below are drained and the architecture of the ground collapses. For the first time, a new study maps this loss of groundwater storage capacity around the world.

In the study, published October in the journal Nature Communications, researchers from DRI, Colorado State University, and the Missouri University of Science and Technology examined how groundwater extraction is driving land subsidence and aquifer collapse.

“Our study puts land subsidence happening from excessive groundwater pumping to a global context,” said Fahim Hasan, a Ph.D. candidate at Colorado State University and the study’s lead author.

By combining publicly available data with the predictive capabilities of computer modeling, they found global aquifer storage capacity is disappearing at a rate of approximately 17 km3 per year (about the size of 7,000 Great Pyramids of Giza). This loss of groundwater storage is permanent, forever reducing the amount of water that can be captured and stored. Approximately 75% of this subsidence is occurring over cropland and urban regions, underscoring the importance of improving groundwater management globally.

“With this study, we wanted to understand land subsidence dynamics globally, and at a sufficiently high resolution to help local management authorities,” says Sayantan Majumdar, Ph.D., assistant research professor of hydrologic sciences and remote sensing at DRI who co-authored the study.

To identify and quantify how much land is subsiding due to groundwater pumping in regions where no data is available, the team utilized advanced machine learning techniques. They first compiled all the publicly available information they could find from federal and state agencies and scientific studies. Then, they used this data to build a computer model that can use risk factors for land subsidence, like land use and climate data, to produce statistical predictions for ground subsidence in other regions. They tested the accuracy of the model’s predictive capacity by assessing how well it predicted subsidence in regions where subsidence has been verified. In this way, they could expand the study to include rural and little-studied regions around the world.

“Most regions of the world do not have monitoring programs for groundwater pumping,” Majumdar says. “This kind of data is crucial for helping understand the issue on a global scale.”

The study found that the United States, China, and Iran account for most of the global groundwater storage loss, with some regions experiencing more than 5 cm/year of land subsidence. California ,and Arizona show significant land subsidence due to the arid region’s reliance on groundwater to irrigate crops. In places like Mexico City, subsidence is more strongly tied to urban groundwater use.

The research also predicts high land subsidence rates in both irrigated and urban regions of Afghanistan, Uzbekistan, Azerbaijan, and Syria, where no previous data has documented the impacts of groundwater withdrawal. Although the study predicts that most of Europe is experiencing low rates of land subsidence of less than 1 cm/year, the authors note that even this amount can cause damage to infrastructure and create issues for coastal regions that are also threatened by sea level rise. Additional consequences of land subsidence include arsenic contamination and saltwater intrusion, both of which can impact the quality of the remaining groundwater.

The problem is not limited to arid regions, the study authors note, with subsidence mapped throughout humid climates like Bangladesh, India, and Vietnam. This underscores a high reliance on groundwater even in regions where rainfall is plentiful.

The scientists hope that water managers can use their data to understand the scale, and extent, of groundwater storage loss occurring in their region.

[출처 = DRI(https://www.dri.edu/scientists-map-loss-of-groundwater-storage-around-the-world/) / 2023년 11월 2일]

[번역 = 박원희 기자]