Original Article

Ecology and Resilient Infrastructure. 31 December 2025. 231-239
https://doi.org/10.17820/eri.2025.12.4.231

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 연구 방법

  •   2.1 실규모 실험 방법 및 조건

  •   2.2 지형 정보 획득 및 하상재료 변화 분석 방법

  • 3. 결 과

  •   3.1 하상의 공간적 변화

  •   3.2 하상 종단 변화의 시간적 변화

  •   3.3 하상토의 입경 분포 및 분급 특성 변화

  • 4. 결 론

1. 서 론

하천 생태계에서 식생은 단순한 생물학적 요소를 넘어 수리학적 과정과 하도의 지형변화를 주도하는 핵심적인 인자로 기능한다. 특히 군락 형태로 분포하는 식생패치는 국부적인 흐름을 교란하여 복잡한 와류 구조를 형성하고, 그 결과 주변에서 독특한 세굴과 퇴적 패턴을 유도한다는 점에서 하천 하상의 형태학적 변화 연구의 중요한 대상이 되어 왔다(Gurnell et al. 2012, Nepf 2012). 최근 기후변화로 인한 하천의 식생 이입과 활착의 급격한 증가는 홍수위 상승으로 인한 홍수위험 증가를 야기할 수 있다. 그러나 하천식생은 수질 정화, 생태서식지 제공 등과 같은 생태환경적 이점 또한 지니고 있어 지속가능한 하천 관리를 위해서는 홍수위험과 생태환경적 이점 사이의 균형을 고려한 선택적 식생관리가 필요하다. 식생과 흐름, 하상변동의 상호작용은 복합적이고 비선형적인 특성 때문에 설계홍수량 조건에서 적정 식생의 정도를 정량적으로 결정하는 것은 여전히 불확실하다. 특히 계절적 유량 변동성이 크고 홍수 규모가 극단적인 한국과 같은 몬순 기후 환경에서는 홍수기에 나타나는 식생의 물리적 거동과 이에 따른 하상변동을 명확히 이해하고 예측하는 것이 기후위기 시대의 하천관리를 위한 시급한 과제이다.

식생하천의 흐름과 하상변동에 대한 기존 연구들은 단일 식생 요소나 이상화된 배열을 대상으로 연구를 수행하였다. Tsujimoto (1999)는 단일 실린더 주변의 세굴 메커니즘을 체계적으로 규명하였으며, 식생이 존재하는 하천에서의 유동과 하상변동을 수치모델링으로 분석하였다. 특히 2차원 해석모델을 구축하여 식생 저항, 난류 생성, 그리고 침식·퇴적 패턴의 변화를 계산하였고, 이를 실내수로 실험 결과와 비교·검증함으로써 식생이 유동장과 하상형태에 미치는 상호작용을 정량적으로 제시하였다. Bennett et al. (2008)은 수치모델을 이용하여 하천 내 목본성 식생이 유동 패턴과 하상 변동에 미치는 영향을 규명하였다. 실험 결과, 식생의 형상과 밀도에 따라 흐름 편향과 세굴·퇴적 분포가 달라지며, 이를 복원 설계에 활용할 수 있음을 제시하였다. 또한 Follett and Nepf (2012)는 식생패치 밀도에 따른 하상 입자 이동의 임계 전단응력 변화를 규명하였으며, 더 나아가 Liu and Nepf (2016)는 수리모형 실험을 통해 식생패치 내부 및 주변에서의 퇴적 분포와 침전 메커니즘을 규명하였으며, 유속과 줄기 난류 발생 여부가 퇴적 패턴을 결정하는 주요 요인임을 밝혔다. Tranmer et al. (2024)은 실규모 하천수로에서 실제 활엽수 식생패치를 대상으로, 홍수 수문곡선(hydrograph)과 유사공급량 변화에 따른 식생 주변의 침식·퇴적 과정을 분석하였다. 연구는 국지적 유사공급과 유동 의존적 난류 특성이 식생패치 내·외부의 침전 및 세굴 양상을 결정하는 핵심 요인임을 규명하였다. 하지만 이러한 연구들은 공통적으로 몇 가지 한계를 지니고 있다. 축소 모형 실험에서는 Shields 수와 입자 Reynolds 수를 동시에 만족시키기 어려운 상사 조건 문제가 존재하며, 실제 식생 대신 강체 실린더를 사용함으로써 자연 식생의 유연성이나 생리적 특성을 반영하지 못하였다(Ji et al. 2023). 또한 기존 연구들은 주로 국부적인 지점에서 측정한 자료에 의존하였기 때문에 공간적 해상도가 제한되었고, 많은 경우 경험적 관찰에 기초한 정성적 해석에 머무르는 한계가 있었다. 따라서 실질적인 하천 관리와 설계에 활용되기 위해서는 보다 현실적인 규모와 조건에서 수행할 수 있는 실험적 접근이 필요하다.

본 연구에서는 목본성 식생패치가 있는 실규모 하천 실험을 수행하여 흐름이 발생하기 전후 하상변동과 흐름이 발생하는 동안의 식생하도의 하상변동을 공간적으로 분석하였다. 실규모 실험 전과 후 하상의 정밀한 정보를 취득하기 위해 드론 영상과 3차원 레이저 스캐닝을 활용하여 식생패치 주변의 공간적 하상변동을 분석하였고, 음향 기반 모니터링 센서를 이용하여 시간에 따른 하상변동을 흐름이 발생하는 동안 시간에 따라 연속적으로 추적하였다. 또한 흐름 발생이 완료된 후 하도의 하상 시료 채취와 입도 분석을 통해 식생패치 주변의 하상재료 분급 특성을 정량적으로 평가하였다. 본 연구는 이러한 세 가지 분석 결과를 종합하여 식생패치가 주변 하상형태와 하상재료 분포를 어떻게 변화시키는지를 실규모 조건에서 규명하고자 하였다. 이는 기존의 소규모 실내 실험이나 형태적으로 단순화된 식생조건에서 수행된 연구 결과의 한계를 보완하며, 하천 식생이 하상변동에 미치는 영향에 대한 이해를 심화시켜 향후 하천관리 및 하천사업의 수리적 설계를 위한 과학적 근거를 제공할 수 있을 것이다.

2. 연구 방법

2.1 실규모 실험 방법 및 조건

실규모 실험은 경상북도 안동시에 위치한 한국건설기술연구원 하천실험센터의 수로에서 수행되었다. 실험 수로는 길이 600 m, 폭 11 m, 최대 수심 2 m로 구성되어 있으며, 수로에는 최대 10 m3/s의 유량을 공급할 수 있다. 실험 구간은 상류 경계로부터 300 m 하류 지점에 설정하여 충분히 발달된 흐름 조건을 확보하였다(Fig. 1(a)).

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Fig. 1.

Experimental set-up: (a) channel arrangement, (b) vegetation patch layout, (c) physical properties of artificial willow (Ji et al. 2023).

식생패치는 1.8 m × 7 m 크기로 구성되었으며, 59개의 인공 버드나무를 균등 격자 패턴으로 배치하였다(Fig. 1(b)). 식생패치의 인공 버드나무는 실제 버드나무와 유사한 물리적 특성을 갖도록 특별히 제작되었으며, Ji et al. (2023)의 실험에서 사용된 인공 버드나무와 동일한 것을 사용하였다. 줄기는 실제 나무 재료를 활용한 것이며 직경은 약 2.3 cm이고, 가지는 직경 1.48 cm의 폴리에틸렌 튜브를 사용하여 자연적인 분지 패턴을 재현하였다(Fig. 1(c)). 각 나무당 평균 511개의 유연한 잎을 부착하여 실제 버드나무의 저항 특성을 모사하였다.

실험은 유량 3.24 m3/s, 수위 98.96 cm, 평균유속 0.545 m/s의 단일 유량 조건에서 수행되었다. 이는 수로 크기가 유사한 소하천 규모에서 일반적인 홍수 조건을 모사한 것으로, 식생패치 주변에서 상당한 하상변동을 유도할 수 있는 조건이다. 본 실험에서는 상류 유입 유량에 직접적으로 공급되는 별도의 유사 공급장치는 없었으며, 유사는 접근 수로의 하상에 포설된 하상토가 흐름에 의해 자연스럽게 침식 및 이동되면서 공급되는 하상토 유사만 유효하였다. 상류 접근수로의 하상토는 침식에 의해 하상토 유사 공급에 제한이 없도록 접근 하도에 충분한 깊이의 하상토를 포설하였다. 본 연구에서는 실험 지속 시간을 총 6시간으로 설정하였다.

2.2 지형 정보 획득 및 하상재료 변화 분석 방법

본 연구에서는 하상 형태역학적 변화를 정량적으로 분석하기 위해 다음의 측정 방식을 통합적으로 활용하였다. 각 측정 방식은 서로 다른 시공간 해상도와 정밀도를 가지며, 상호 보완적으로 운영되어 종합적인 지형 정보 데이터를 확보하였다.

3차원 지형 측량은 레이저 스캐너를 사용하여 실험 전후 정밀한 하상 지형을 측정하였으며, 약 70 m 구간을 대상으로 하였다. 식생패치 내부의 하상 측정은 레이저 스캐너의 빔이 식생 사이를 통과하여 하상 표면에 도달한 점들을 활용하였으며, 고밀도 점군 데이터에서 지면 점만을 추출하여 내부 하상 형상을 재구성하였다. 획득된 점군 데이터는 정합하고 노이즈를 제거한 후, 0.01 m 해상도의 Digital Elevation Model (DEM)로 구성하였다.

시간에 따른 연속적인 하상변동을 관측하기 위해 Echo Logger ECT 400 싱글빔 음향측심기를 RTK-GPS(정확도 ±2 cm)와 연동하여 측정하였다(Fig. 2, Yellow Line). 측정 주파수 400 Hz, 빔 각도 7°, 측정 정확도 ±5 mm의 사양으로 30분 간격 반복 측정을 6시간 동안 수행하였다. 측정 경로는 식생패치 구간을 포함하여 약 30 m 구간을 중앙 수로와 좌안측 수로를 따라 종방향으로 설정하였다.

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Fig. 2.

Measurement tracks for bed elevation change (yellow lines) and bed material sampling points (red dots).

하상토 입도 분석은 실험 전후 총 12개 지점에서 실시하였다(Fig. 2, Red Dot). 상류 2개 지점(D2-C, D8-C), 식생패치 내부 3개 지점(D10-L, D10-C, D10-R), 후류영역 2개 지점(D11-L, D11-C, D11-R, D12-L, D12-C, D12-R), 하류 1개 지점(D14-C)에서 하상토 샘플을 채취하였다. 입도 분석은 표준 체분석법(ASTM D422-63)에 따라 수행하였으며, 중앙입경(D50), 세립분(Fines, %), 균등계수(Cu), 곡률계수(Cc)를 산정하였다. 균등계수는 입도 분포의 폭을 나타내는 지표로, 값이 클수록 분급 폭이 넓고 불균질하며 일반적으로 Cu > 6이면 균질입도로 간주된다. 곡률계수는 입도 곡선의 곡률을 나타내며, 1 ≤ Cc ≤ 3 범위면 균질한 분포를 의미한다. 두 계수는 각각 다음 Eq. 12로 정의된다.

(Eq. 1)
Cu=D60D10
(Eq. 2)
Cc=D302D60×D10

여기서, D10은 통과율 10%에 해당하는 입경, D60은 통과율 60%에 해당하는 입경, D30은 통과율 30%에 해당하는 입경을 의미한다.

3. 결 과

3.1 하상의 공간적 변화

실험 전후의 공간적 하상변동을 종합적으로 검토한 결과, 식생패치 구간을 중심으로 뚜렷한 침식과 퇴적 양상이 확인되었다. Fig. 3은 실험 전후 하상을 드론으로 촬영한 사진이며, 식생패치가 설치된 구간 주변에서 하상의 형태가 명확히 변화했음을 시각적으로 확인할 수 있다. 실험 전 패치 주변의 평탄한 하상이 실험 후에는 패치 전면부에서 침식 흔적이 나타나고 후류영역에서는 퇴적이 집중된 것을 확인할 수 있다. 이러한 변화는 드론 촬영을 통해 직관적으로 파악할 수 있으며, 식생패치가 국지적인 흐름저항 요소로 작용하여 하상변동을 유발했음을 보여준다.

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Fig. 3.

Aerial images of the experimental channels: (a), (c) before and (b), (d) after the experimental flow.

이러한 변화를 정량적으로 확인하기 위해 3차원 레이저 스캐너로 측정한 DEM 자료를 실험 전후로 비교하였다(Fig. 4). 전체 채널 구간을 살펴보면, 식생패치가 설치된 지점 부근에서 가장 큰 하상변동이 발생한 것을 확인할 수 있다. 패치 전면부에서는 하상이 낮아진 영역이 뚜렷하게 형성되어 침식이 우세하게 나타났으며, 반대로 패치 후류영역에서는 하상이 높아진 영역이 넓게 분포하여 퇴적이 집중적으로 발생하였다. 이러한 패턴은 식생패치 주변에 국한되어 나타났고, 패치 외부 구간에서는 상대적으로 변화가 미미하였다. 이는 식생패치의 존재가 국부적인 흐름 저항체로 작용하여 유속 분포와 전단응력의 공간적 불균형을 초래했음을 간접적으로 시사한다.

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Fig. 4.

Overall channel bed topography (El.m) measured by 3D laser scanning before and after the experimental flow.

Fig. 5는 DEM 결과 중 식생패치 구간을 확대한 것으로, 하상변동이 집중적으로 발생한 구간의 세부 분포를 보여준다. 패치 전면부에서는 집중적인 하상 저하가 관찰되었으며, 이는 패치 전방에서 흐름이 수렴하거나 국지적으로 가속되면서 발생한 침식 현상으로 해석할 수 있다. 또한 패치 후류영역에서는 비교적 넓은 범위에 걸쳐 하상 상승이 나타났는데, 이는 흐름이 패치 뒤에서 감속되며 퇴적이 유도된 결과로 판단된다. 특히 패치의 중앙을 따라 전후로 이어지는 뚜렷한 침식–퇴적 분포가 나타났으며, 패치 주변부로 갈수록 변화의 정도가 완화되는 특징이 확인되었다. 이는 패치가 수로 내에서 부분적으로 유동 구조를 바꾸며 국지적인 하상변동을 유발한다는 점을 잘 보여준다.

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Fig. 5.

Detailed bed topography (El.m) of the vegetated zone before and after the experimental flow.

초기 하상 지형과 실험 후 하상 지형의 차이를 나타내는 하상변동 분포는 Fig. 6과 같다. 본 결과는 실험 수로에서 발생한 흐름에 의해 침식과 퇴적이 공간적으로 어떻게 분포하는지를 정량적으로 보여준다. 붉은 계열 영역은 하상이 상승한 퇴적 구간을, 푸른 계열 영역은 하상이 저하된 침식 구간을 의미한다. 분석 결과, 식생패치의 중앙선을 따라 침식–퇴적이 뚜렷하게 연속적으로 연결되는 패턴이 확인되었으며, 패치 양측에서는 제한적이지만 선형으로 이어지는 침식 구간이 확인되었다. 이는 측면부에 흐름이 집중되어 발생한 것으로 해석된다. 전체적으로 침식과 퇴적의 규모는 식생패치 구간에 국한되어 나타났으며, 수로 전반에 걸쳐 균일하게 분포하지 않고 패치 주변에서만 뚜렷하게 나타나는 특징을 보였다.

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Fig. 6.

Bed elevation changes (m) obtained by DEM differencing before and after the experiment flow.

3.2 하상 종단 변화의 시간적 변화

에코 사운더를 활용한 시계열 하상 종단 변화를 관측한 결과는 식생대 전후 구간에서 시간이 지남에 따라 하상이 어떻게 변화하는지를 명확하게 보여준다. Fig. 7은 (a) 중앙 수로와 (b) 좌안측 수로에서 각각 30분, 2.5시간, 6시간 후 측정한 하상 프로파일을 제시하고 있다. 이를 통해 동일한 실험 조건에서 하상이 시간에 따라 어떻게 진화했는지를 직관적으로 확인할 수 있다.

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Fig. 7.

Temporal evolution of bed elevation profiles longitudinally measured by echo sounder: (a) along the centerline and (b) along the side channel.

중앙선 하상 프로파일(Fig. 7(a))의 경우 실험 초기부터 식생대 전면부에서 하상이 낮아지는 양상이 나타났으며, 시간이 지남에 따라 하상 저하가 더욱 뚜렷해졌다. 실험 시작 30분 시점에서는 국지적인 하상 저하가 제한적으로 나타났으나, 2.5시간 이후에는 식생대 전면부를 따라 침식 범위가 확장되었고, 6시간 경과 후에는 하상이 일정한 깊이로 유지되는 경향을 보였다. 이는 초기에는 하상이 불안정하게 변동하다가 시간이 지남에 따라 점차 안정화되는 과정을 보여주는 것으로 해석할 수 있다. 반대로 식생대 후류영역에서는 시간이 흐를수록 하상이 상승하는 경향이 나타났는데, 이는 후류영역에서 흐름이 상대적으로 완만해지며 퇴적이 진행된 결과로 이해된다. 전면부의 침식과 후류영역의 퇴적이 동시에 발생하면서, 중앙선에서는 명확하게 대비되는 공간적 변화 양상이 형성되었다.

좌안측 하상 프로파일(Fig. 7(b))에서는 중앙선에 비해 전반적인 하상변동의 폭이 상대적으로 작게 나타났다. 실험 초기에는 뚜렷한 변화를 보이지 않았지만, 시간이 지남에 따라 식생대 전면부에서 완만한 하상 저하가 관측되었다. 2.5시간 이후에는 후류영역 구간에서 국지적인 하상 상승이 확인되었으며, 6시간 시점에는 이러한 퇴적이 더욱 누적된 형태로 나타났다. 특히 좌안측 수로에서는 중앙선과 달리 퇴적이 일정하게 분포하기보다는 일부 구간에 집중되는 국지적인 양상을 보였다는 점이 특징적이다. 중앙 수로와 좌안 수로 하상을 비교하면, 식생대 전면부에서는 두 구간 모두 공통적으로 침식이 발생하였음을 확인할 수 있다. 그러나 후류영역에서는 차이가 뚜렷하게 나타났다. 중앙 수로에서는 비교적 연속적이고 완만한 퇴적이 발생한 반면, 좌안 수로에서는 국지적이고 불균질한 퇴적 패턴이 두드러졌다. 이러한 차이는 식생대의 위치와 형태에 따른 흐름 분포 변화에 따라 하상변동이 공간적으로 달리 나타날 수 있음을 의미한다.

3.3 하상토의 입경 분포 및 분급 특성 변화

하상토의 입도 분포 변화를 분석하기 위해 주요 지표로 중앙입경(D50), 세립분 함량(Fines, %), 균등계수(Cu), 곡률계수(Cc)를 비교하였다(Table 1Fig. 8). 실험 전후의 변화는 식생패치 내부와 후류영역에서 뚜렷하게 나타났으며, 플랭크 지점에서도 대조적인 양상이 관찰되었다.

Table 1.

Grain-size variation at different measured points before and after the experiment

Sample*D50 Fines CuCc
Before
(mm)
After
(mm)
Change
(mm)
Before
(%)
After 
(%)
Change
(%)
Before After Change Before After Change
D2-C 1.14 1.25 0.11 13.16 14.64 1.48 8.62 5.55 -3.07 1.39 1.05 -0.34
D8-C 1.07 1.03 -0.04 32.19 22.25 -9.94 8.5 7.93 -0.57 1.33 1.12 -0.21
D10-C 1.08 1.08 0 22.63 24.58 1.95 8.08 8.09 0.01 1.3 1.12 -0.18
D10-L 1.06 1.06 0 22.16 22.64 0.48 8.11 8.33 0.22 1.29 1.27 -0.02
D10-R 1.17 1.04 -0.13 15.86 21.09 5.23 8.09 7.22 -0.87 1.29 1.15 -0.14
D11-C 1.09 0.42 -0.67 13.13 23.1 9.97 7 4.22 -2.78 1.17 0.71 -0.46
D11-L 1.25 1.05 -0.2 18.95 15.07 -3.88 5.85 5.52 -0.33 1.05 0.85 -0.2
D11-R 1.07 1 -0.07 22.66 17.32 -5.34 7.63 5.52 -2.11 1.23 0.85 -0.38
D12-C 1.07 0.98 -0.09 23.63 15.35 -8.28 7.66 4.41 -3.25 1.15 0.97 -0.18
D12-L 1.31 1.28 -0.03 18.31 26.57 8.26 7.67 5.57 -2.1 1.21 1.05 -0.16
D12-R 1.09 1.19 0.1 22.66 24.5 1.84 7.66 5.57 -2.09 1.15 1.05 -0.1
D14-C 1.12 0.94 -0.18 23.53 30.15 6.62 7.67 5.83 -1.84 1.29 0.95 -0.34

*Note: Sample ID consists of cross-section number (NO.) and sampling position (-C: Center, -L: Left, -R: Right).

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Fig. 8.

Comparison of grain-size metrics before (blue) and after (orange) the experiment with changes (green bars): (a) median grain size (D50), (b) fines content, (c) uniformity coefficient (Cu), and (d) curvature (gradation) coefficient (Cc).

먼저, 중앙입경(D50)의 경우 상류 기준점인 D2-C (D2 단면의 중앙(C))에서 약 9.65% 증가하여 조립화 경향이 확인되었다. 반면 식생패치 내부에서는 전반적으로 입도가 감소하는 세립화가 지배적이었다. 특히 D11-C에서 D50이 1.09 mm에서 0.42 mm로 감소(약 61%)하여 급격한 변화를 보였고, D11-L (D11 단면의 좌안측(L))에서도 약 16% 감소하였다. 이처럼 식생대 내부에서는 중앙입경이 현저히 감소한 반면, D10-C에서는 변화가 거의 없어(0%) 동일 구간 내에서도 공간적 차이가 존재함을 알 수 있다. 후류영역 지점에서는 다소 복합적인 결과가 나타났는데, D12-R (D12 단면의 우안측(R))에서는 오히려 입도가 9% 증가하여 조립화 경향을 보였으나, D14-C에서는 약 16% 감소하며 세립화가 지배적으로 나타났다. 이는 식생대 후류영역 내에서도 위치에 따라 다른 결과가 발생했음을 시사한다. 세립분 함량(Fines, % 0.075 mm)은 D50 변화와 반대 경향을 보였다. D11-C에서는 세립분 함량이 약 10% 증가하여 가장 큰 폭의 세립분 축적이 확인되었고, D14-C에서도 약 6% 증가하였다. 이와 달리 D8-C와 D11-R에서는 세립분 함량이 각각 약 9.9%p, 5.3% 감소하여, 같은 식생패치 구간이라 하더라도 측면 지점에서는 세립분이 유실되는 경향이 두드러졌다. 이는 Table 1Fig. 8(b) 모두에서 일관되게 확인되는 결과로, 측면에서는 제거되는 세립분이 중앙축으로 축적되는 것을 예상할 수 있다.

균등계수(Cu)는 대부분의 지점에서 감소하였다. D11-C에서는 7에서 4.22로 크게 낮아졌고, D12-C에서도 7.66에서 4.41로 감소하였다. 이는 실험 후 입도 분포가 전반적으로 균질해졌음을 의미한다. 다만 일부 지점(D10-C, D10-L)에서는 소폭 증가(+0.01, +0.22)를 보여, 국지적으로는 오히려 분급 폭이 넓어진 경우도 존재하였다. 이러한 차이는 Fig. 8(c)에서 실험 전과 후 곡선 간 차이를 통해 확인할 수 있으며, 식생대 내부와 후류영역에서는 감소 폭이 상대적으로 크게 나타났다. 곡률계수(Cc) 역시 전반적으로 낮아지는 경향을 보였다. D11-C에서는 1.17에서 0.71로 감소하여 가장 두드러졌고, D14-C에서도 1.29에서 0.95로 낮아졌다. Cu와 유사하게 식생패치 내부와 후류영역에서 변화 폭이 크게 나타났으며, 이는 입도 분포 곡선이 단순화되며 특정 입경대의 비중이 줄어든 것을 의미한다. Fig. 8(d)에서도 식생패치 내부에서 실험 전과 후 차이가 크게 나타났으며, 변화율(녹색 막대그래프 %) 역시 대부분 음(-)의 값을 보여 감소가 지배적임을 알 수 있다.

4. 결 론

본 연구는 실규모 하천 실험 수로에서 목본성 인공 식생패치를 설치하고, 그 주변에서 나타나는 공간적, 시간적 하상 형태역학적 변화와 하상재료적 변화를 정량적으로 분석하였다.

첫째, 드론 촬영 이미지 분석과 3차원 레이저 스캐닝을 통해 식생패치 주변의 3차원 하상변동을 고해상도로 정량화하였다. 패치 전면에서는 침식이 우세하게 나타나 국지적 세굴이 발생하였고, 후류영역에서는 유속 감속으로 인해 퇴적이 집중적으로 나타났다. 또한 측면 지점에서는 국지적인 세굴이 관찰되어, 식생패치가 전면–측면–후류영역에 걸쳐 서로 다른 하상변동을 유도함을 확인하였다. 이러한 변화는 패치 구간에 국한되어 나타났으며, 수로 전체로 확산되지는 않았다. 이는 식생패치가 흐름과 퇴적 과정을 국지적으로 조절하는 중요한 인자임을 보여준다.

둘째, 음향 기반 모니터링을 활용한 시계열 관측을 통해 하상변동의 시간적 진화를 추적하였다. 실험 초기에는 빠른 침식이 진행되었고, 시간이 지남에 따라 후류영역에서 퇴적이 누적되면서 전반적인 변화 양상이 점차 안정화되었다. 특히 동일한 조건에서도 중앙 수로와 좌안 수로에서 하상변동 양상이 달리 나타나, 식생대가 단순히 평균적 변화를 유도하는 것이 아니라 위치에 따라 상이적인 침식과 퇴적을 발생시킴을 보여주었다.

셋째, 하상재료 입도 분석 결과 식생패치 주변에서 뚜렷한 이질적 변화가 확인되었다. 측면 지점에서는 세립분이 감소하고 중앙입경(D50)이 증가하는 조립화 경향이 나타난 반면, 중앙축과 후류영역에서는 D50이 감소하고 세립분이 증가하는 세립화가 지배적이었다. 또한 균등계수(Cu)와 곡률계수(Cc)가 대부분의 지점에서 감소하여, 입도 분포가 균질화되는 경향을 보였다. 이는 식생패치가 국지적인 침식과 퇴적을 동시에 유발하여 하상재료의 분급 특성을 재편성한다는 점을 정량적으로 보여준다.

본 연구의 실규모 실험 결과는 소규모 수리실험 연구(Follett and Nepf 2012, Liu and Nepf 2016)에서 관찰된 식생패치 전면부의 세굴과 후류영역의 퇴적 패턴을 정성적으로 재현하였다. 그러나 실규모 실험에서는 식생패치 내부와 측면에서 공간적으로 이질적인 하상변동과 입도 분급 특성이 나타났으며, 기존의 소규모 모형 실험에서는 이러한 현상을 포착하는데 한계가 있었을 것으로 판단된다. 이러한 차이는 Reynolds 수와 Froude 수의 상사 조건, 그리고 실제 식생의 유연성과 형상이 실규모에서 더욱 현실적으로 반영되었기 때문으로 판단된다. 본 논문에서는 목본성 식생패치가 있는 실규모 하도의 공간적이고 시간적인 하상변동과 입도분포 변화 분석 결과를 종합적으로 제시함으로써, 식생하천의 관리 전략 수립에 필요한 기초 자료를 제공하였다. 향후 다양한 식생 밀도와 배치 조건, 수리 조건을 고려한 추가 실규모 식생하도 실험 연구를 통해 기존의 연구결과들이 보다 일반화된 예측 모델로 발전될 수 있을 것이다.

Acknowledgements

This research was funded by the Korea Environment Industry & Technology Institute (KEITI) through the Smart Water-supply Service Research Program, funded by the Korea Ministry of Climate, Energy, Environment (MCEE)(RS-2022-KE002091).

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