1. 서 론

이 논문은 자매논문(Woo et al. 2025)의 제2편으로서, 실트, 모래, 자갈 등으로 구성된 하천 사주와 홍수터가 식생이 이입, 활착, 번무하여 사주 및 홍수터 색상이 ‘흰색(white)’에서 ‘녹색(green)’으로 바뀌는 현상을 다룬다. 이른바 ‘화이트리버’의 ‘그린리버’화이다. 이러한 현상은 유황과 유사이송의 인위적 조절뿐만 아니라 기후변화 등의 이유로 특정 시기에 강우양상 및 그에 따른 유량변화의 경우 등 다양한 조건에서 국내(Woo and Park 2016, Kim and Kim 2019)는 물론 해외에서 나타나고 있다(Asaeda et al. 2015, Garófano-Gómez et al. 2013).

그린리버는 하천의 흐름저항을 키우고 하안 사주 및 홍수터에 유사퇴적으로 통수능을 줄여서 홍수위험을 높이는 심각한 공학적 문제를 일으킬 수 있다(Okabe et al. 2001, Jourdain et al. 2018). 반면에 이러한 경관생태적 변화는 하천의 미세지형 및 흐름조건의 다양성을 높이고 수변생태계 먹이망의 기반 등을 조성한다(Kim et al. 2011a).

본 연구는 위와 같은 현상이 하천관리에 주는 시사점에 초점을 맞춘다. 구체적으로 그린리버의 치수측면 하천관리와 환경측면 하천습지 보호라는 상반된 관점(Darby and Thorne 1994)을 과학적으로 접근한다. 본 연구에서는 제1부와 같이 낙동강 중상류 안동시 소재 병산서원 앞 사주가 수림화 된 약 1.8 km 하천구간을 조사구간으로 하여 수치모의를 통해 치수측면에서 수림화에 따른 문제를 검토한다. 즉, 식생의 과다 번무 및 그에 따른 홍수위험 문제, 하안 수림대의 제거에 따른 홍수위 저감 및 하도안정 효과 등 하천관리에 초점을 맞춘다.

본 연구는 과거 하천 지형 및 식생 자료의 한계(식생은 항공사진에 의존)와 주기적 벌채와 같은 하천변화 이력의 불확실성 등으로 제1부 연구와 마찬가지로 도출된 결과는 어느 정도 불확실성이 있다. 또한 상류 하천구간의 식생관리가 하류구간의 홍수위험에 미치는 영향은 본 연구의 범위에서 벗어나기 때문에 제외한다.

참고로, 본 연구에서 식생(vegetation)은 목본류(trees)와 초본류(herbaceous plants)를 망라하는 용어로서, 수목(trees)은 교목(trees)과 관목(shrubs)를 망라하는 용어로 사용한다. 본 연구에서는 교목과 관목 모두를 지칭하는 경우 수목, 또는 목본류로 표현한다.

2. 국내외 연구연혁

하도변 식생, 또는 하반림(riparian vegetation)에 의한 홍수위 상승은 잘 알려져 있으며, 이를 흐름계산에 고려하기 위해 1940년대부터 미국 등에서 경험적 조도계수를 사용하여 왔다(Woo et al. 2025). 하천에서 식생과 흐름은 식물의 종, 밀도, 규모, 배치에 따라 다양한 수문곡선과 수위-유량 관계곡선을 보여준다. Fig. 1은 그 중 본 연구와 직결되는 사례로서, 한 하천 단면과 하천구간에서 식생배치에 따른 흐름상태 변화를 도식적으로 보여준다. Fig. 1의 2와 같이 한 하천단면에 걸쳐 식생, 특히 목본류가 있으면 ‘단면규모’ 그림의 우측 그림과 같이 흐름저항이 커져 같은 유량조건에서 수위는 상승하게 된다. 반면 구간규모로 식생이 있으면 Fig. 1의 3 우측과 같이 하류 한 지점에서 홍수파 속도는 작아지고 홍수량도 줄어든다(이 그림에서 식생 유무 그림이 바뀐 것으로 보임). 이러한 지체 효과는 식생으로 인해 홍수터 수위상승의 저류효과(쐐기 저류) 때문이다. 마지막으로, 유역규모로 보면 Fig. 1의 그림4와 같이 각 하천의 구간규모가 겹쳐서 더 큰 지체효과가 나타난다. 구간규모의 경우 하류 어느 지점부터 상류 식생군에 의한 저류효과가 실제적인 홍수파 감쇄효과로 나타나는 지이다. 이는 그 하천의 특성에 따라 달라질 것이다(Rutherfurd et al. 2007, Giovannini et al. 2025).

Fig. 1.

Conceptual diagram of the effect of riparian vegetation on discharge and stage at a cross-section and a reach scale (Source: Rutherfurd et al. 2007) (Note that the hydrographs in the right side of 3 in the figure may be wrong; the solid line should be read without vegetation, while the dotted line should be read with vegetation).

국내에서 Kim et al. (2011b)은 낙동강 본류 합천보 상류를 대상으로 FESWMS 모형을 적용하여 식재로 인한 홍수위 변화 및 유속분포를 평가하였다. 그들은 개별 수목에 작용하는 항력을 직접 계산하여 수목으로 인한 흐름저항의 증가를 계산하고, 모형의 적용성 검증을 위하여 홍수터 식재 후 횡방향 유속변화를 수리실험 결과와 비교하였다. 나아가 2020년 섬진강 대홍수를 기회로 하천식생의 홍수위험에 미치는 영향에 대해 정량적 조사연구가 수행되어(Lee et al. 2021), 조사구간에 버드나무 군락이 없었다면 그 당시 홍수위가 지점에 따라 최대 1m 정도 저하되었을 것으로 추정되었다. Fig. 2는 그 당시 홍수로 쓰러진 수목군을 보여준다.

Fig. 2.

Collapsed vegetation (mostly willows) due to the 2020 flood in the Seomjin-gang River (left: G-1 Gajeong area, right: H-2 Hanan area) (Source: Lee et al. 2021).

외국의 경우 2011년 이탈리아 투스카니 지방의 Magra강의 홍수를 계기로 하반림에 의한 홍수위험 증가 문제가 나타났다(Vargas-Luna et al. 2015). 그 당시 200년 빈도 대홍수로 Aulla 마을이 큰 피해 입었으며, 1차 조사 결과 마을 근처 홍수터 하반림 때문에 홍수위가 0.8 m 정도 높아져 피해가 컸던 것으로 나타났다(Fig. 3 참조). 그 후 지역당국은 홍수터 식생을 제거하였으나 그 때문에 생태적 영향과 하천지형 변화가 나타났다. 그 후 200년 빈도의 2011년 홍수를 기준으로 2차원 고정상/이동상 흐름모형을 적용하여 식생제거 및 사주제거 등 2개의 홍수위험 저감 대안을 2년, 10년, 100년 빈도 각각의 홍수위에 해당하는 구역의 식생만 제거하는 시나리오를 비교 검토하였다. 그 결과 2년 빈도의 홍수에 침수하는 구역의 식생제거가 효과적인 것으로 나타났다. 흐름모의를 위해 식생에 의한 흐름저항 증가는 Baptist et al. (2007) 모형을 이용하여 Chezy C값으로 나타냈다. 이 연구에서 하천의 사주제거는 홍수위 저감에 큰 도움이 안 되는 것으로 나타났다.

Fig. 3.

The Magna River, Toscany, Italy, after the 2011 flood (left; maximum flood stage, right; bars and riparian vegetation in the river).

그러나 같은 식생하천의 경우라도 홍수위험 평가지점을 어디에 두는지에 따라 식생효과는 상반되게 나타난다. Fig. 1의 3, 4 경우와 같이 식생하천구간의 하류를 평가하는 경우(홍수터의 식생 보전/복원이라는 자연기반해법(NbS)이 그 대표적인 사례임), 상류 하천의 식생군락은 홍수저류를 통해 홍수 전파속도와 첨두홍수량을 줄여서 하류 홍수위험을 줄이게 된다. 구체적인 예로서, Giovannini et al. (2025)은 이탈리아의 Ombrone Pistoiese 강을 대상으로 상류하천의 하안식생을 1) 생태계 영향을 줄이면서 간벌하는 경우, 2) 모두 벌채한 4년 후, 3) 벌채 직후로 나누어 1차원 부정류 하천모형을 적용하여 평가하였다. 그 결과 대상구간 전체에서 경우 2)가 수위가 가장 높게 나타나고(4년만에 바로 식생이 복원되었음), 그 다음 경우 1)이, 마지막으로 경우 3)이 가장 낮게 나타나지만 이러한 차이는 하류로 갈수록 줄어들게 된다. 다만 본 연구는 식생에 의한 하류구간의 홍수위험이 아니라 그 구간 자체의 홍수위험을 연구대상으로 하기 때문에 이 경우가 아니라 위 Magna 강 사례에 해당된다.

마지막으로, Leu et al. (2008)은 3차원 Navier-Stokes 방정식을 수심평균하고, 수목부피를 고려한 2차원 수치모형을 적용하여 실험실 규모의 복단면 하도를 대상으로 수목군의 벌채방법에 따른 흐름특성과 벌채효과를 분석하였다. 이 연구는 2차원 수치모형의 적용, 식생의 흐름저항 효과의 정량화 등 면에서 대상하천이 실험실 규모인 것을 제외하고 본 연구와 유사하다.

3. 연구방법

3.1 홍수 측면에서 조사대상구간의 특성

본 연구의 조사대상구간은 제1부와 같이 Fig. 4의 B 구간이다. 이 구간은 2024년 전반기까지 제1부에서 조사한 바와 같이 20-30년생 버드나무가 수목군을 형성하였다. 이러한 수목 배치는 Fig. 1의 ‘구간규모’에 해당한다. 수목군에 의해 하도의 유효 통수 폭이 줄어들어 유속이 커지는 효과가 있다. Fig. 5는 2024년 인위적으로 벌목하기 전 후 비교 사진이다. Fig. 4의 C 구간은 병산서원 문화재 관리차원에서 수시로 수목을 제거하여 초본류만 자라고 있는 구역이며, D 구간은 초본류도 제거하여 하천모래가 노출되도록 관리한 구간이다. 참고로 좌안 A 구간은 1970년대부터 경작과 식목 등으로 지속적으로 교란된 구간으로서, 본 연구에서 단순히 수목군으로 가정한다. 따라서 본 연구의 주요 대상구간은 제1부와 같이 B 구간이다.

Fig. 4.

The farmed area (A), vegetated study area (B), tree-managed area (C), and managed bare sand area (D) (Aerial photo in 2021).

Fig. 5.

(left) Willow tree community in the study reach B (DBH: 24-51 cm, height: 12-18 m, age: 20-30 years) (photo in Sept. 2023); (right) clear-cutting of the same area for river management in Aug. 2024.

3.2 홍수 수치모의

본 연구에서는 조사구간 B의 수목군집으로 인한 주변 하도의 홍수시 흐름특성 변화를 검토하기 위해 해당하천에 정해진 설계홍수량을 기준으로 수치모의를 하였다. 이를 위해 조사구간 B와 경작구간 A 및 관리구간 C, D를 포함하는 전체구간에 제1부에서와 같이 iRIC에 탑재된 2차원수치모형인 Nays2D를 적용하였다(Shimizu et al. 2019). 이 모형에 대해서는 이 논문의 자매논문 (Ⅰ)을 참고할 수 있다.

구체적으로, Fig. 6과 같이 본 연구의 계산구간은 상류단은 낙동강 하류 금호강 합류점에서 상류방향으로 139.02 km, 하류단은133.68 km 로서(Ministry of Land, Transport and Maritime Affair/MLTM 2009), 총 5.34 km 구간이다. 계산격자도 제1부 연구와 같이 흐름방향으로 78개, 횡방향으로 13개를 설정하여 총 1,014개로 구성하였다. 계산격자는 하폭이 좁은 만곡부에서 촘촘하게 설정하고, 하폭이 넓은 구간에서 상대적으로 느슨하게 설정하여 수치적인 안정성을 확보하였다.

Fig. 6.

Grid construction for computation (The orange color is the study zone B).

본 수치모의에서 상류경계조건으로 계산영역 상류인 139.02 km 지점에서 설계홍수량이 적용되었고, 하류단 경계조건으로 133.68 km 지점에서 등류수심이 적용되었다.

B 구간에서 식생관리에 의한 수리특성을 분석하기 위하여, 최근 상태와 같이 홍수터 사주에 목본류가, 그 바닥에 초본류가 분포하는 경우(그린리버, Run-1), 하천관리 차원에서 수목을 벌채하여 바닥에 초본류만 남은 경우(Run-2), 그리고 홍수터에 수목과 초본류를 모두 제거하여 모래가 노출된 화이트리버로 복원하는 경우(Run-3) 등 세 조건을 설정하였다. 여기서 Run-2는 수목이 벌채된 2024년 이후 현재 상황이며, Run-3는 1990년대 이전에 댐으로 인한 유량 및 유사량 영향이 상대적으로 적거나 없었던 시기, 즉 원 하천상황(화이트리버)이다. 계산 홍수량은 이 구간의 100년 빈도 설계홍수량 7,000 m³/s (MLTM 2009)를 적용하였다.

식생하천의 수치모의에서 중요한 것은 원 하상재료에 의한 조도와 식생에 의한 추가적인 조도(흐름저항)을 추정하는 것이다. 본 연구에서 하상의 기본 조도계수는 하천기본계획에서 제시된 0.026을 일괄 적용하였다(MLTM 2009). Fig. 5에서와 같이 바닥에 깔린 초본류에 대한 조도계수는 Chow (1959)가 제시한0.035를 적용하였다. 모래하상 및 초본류 이외에 수목(여기서는 버드나무 교목류)에 의한 추가저항을 산정하기 위해 수목의 줄기(stem)만을 고려하여 투과성을 나타내는 식생(수목) 밀도(현장조사로 추정된 0.01 stems/m)를 적용하였다. 항력계수는 1.0을 적용하였다.

2차원 수치모의를 위하여 제1부에서와 같이 조사구간에서 가장 가까운 하류에 위치한 경북 예천군 구담교 수위관측소(경상북도 예천군 지보면 암천리 708, 36°32'22.0"N 128°27'47.0"E) 자료를 이용하였다.

수치모형 결과를 검증하기 위하여, 구담교 수위관측소 상하류 5.5 km 구간을 대상으로 2020년 8월 7일 05시부터 2020년 8월 14일 12시까지 발생한 홍수사상에 대하여 부정류 수치모의를 수행하고, 그 결과를 구담교 관측자료(수위)와 비교하였다. 관측자료가 있는 구담교를 포함하여 No. 618지점에서 No. 629 지점까지 직선구간을 검증구간(validation reach)으로 하였다(Fig. 7). 이 구간의 식생구간은 항공사진을 이용하여 구별하고, 식생밀도는 조사구간의 현장조사에서 추정된 0.01 stems/m, 항력계수는 1.0을 적용하였다. 하상 조도계수는 Table 1에서 제시된 Run-1의 조건을 적용하였다.

Fig. 7.

Validation reach and study reach.

Fig. 8은 구담교 수위표 지점에서 2020년 홍수에 대한 수치모의 결과를 보여주고 있다. 이 그림에서와 같이 첨두홍수가 발생한 시간과 홍수위 모두 관측치와 계산치가 서로 잘 맞고, 홍수위 상승과 하강에 따라 두 값들이 잘 일치한다.

Fig. 8.

Simulation result of the unsteady flow at Gudam gauging station.

관측치와 수치모의 결과를 정량적으로 비교 검증하기 위한 지표로 NSE (Nash-Sutcliffe Efficiency)와 RMSE (Root Mean Square Error)를 이용하였다. NSE는 Nash-Sutcliffe 효율로 수치모의 결과의 정확성을 검증하는 지표이며, 지표치가 1에 가까울수록 관측치와 수치모의 결과가 일치하는 것을 의미한다(Gupta and Kling 2011). RMSE는 평균제곱근 오차로 오차의 제곱을 산술 평균값의 제곱근으로 불일치도를 나타내는 지표이며, 지표값이 0에 가까울수록 일치하는 것을 의미한다(Chai and Draxier 2014). NSE, RMSE의 산정식은 각각 Eqs. 1 - 2와 같다.

여기서 Ho는 측정값, Ho¯는 측정값의 평균, Hm은 모의결과이다.

위 식을 이용하여 관측치와 2차원 수치모의 결과를 비교 분석한 결과, NSEC는 0.975, RMSE는 0.11로 나타났으며, 두 값들이 서로 잘 맞는 것으로 나타났다.

4. 결과 및 검토

위 모형을 이용하여 세 조건에 대한 흐름 및 유사이송 특성을 분석하기 위해 해당구간에 정류모형을 적용하였다.

4.1 유속분포

Fig. 9는 Run-1, Run-2, Run-3에 대한 유속분포를 보여준다. 세 조건 모두 검정색 삼각형(▶)으로 표시된 상류 만곡부에서 흐름은 만곡부 외측으로 집중되고 수충부가 형성되었다. 현재의 식생조건을 고려한(그린 리버) Run-1에서Fig. 9a의 B구간 직전에 상류 만곡부의 영향과 우안의 홍수터 수목군에 의하여 흐름이 좌안에 집중되었고, 좌안을 따라 하류 만곡부가 형성되는 구간까지 주 흐름이 형성되었다. 특히 B구간 우안의 수목이 있는 식생대에서 유속이 느리고 흐름을 좌안으로 집중시켰다.

Fig. 9.

Velocity distributions for Runs 1, 2 and 3.

홍수터에 수목은 없지만 초본류가 있는 Run-2의 조건(Fig. 9b)에서 B구간 직전에 하도 좌안을 따라 형성된 흐름은 B구간에서 만곡부가 끝나고 하폭이 넓어지면서 하도중앙에 흐름이 집중되고, 만곡부가 형성되는 구간까지 주흐름이 형성되었다. 특히 B구간에서 횡방향 유속분포는 우안의 초본류의 영향을 크게 받지 않는 것으로 보인다.

홍수터에 식생이 없는(화이트 리버) Run-3의 조건(Fig. 9c)에서 Run-2의 결과와 마찬가지로 B구간 직전에 하도 좌안을 따라 형성된 흐름은 B구간에서 만곡부가 끝나고 하폭이 넓어지면서 하도중앙에 흐름이 집중되고 만곡부가 형성되는 구간까지 주 흐름이 형성되었다. 이는 Run-2의 경우 홍수터 B의 조도계수로 0.035, Run-3의 경우 0.026을 적용한 결과로서 사실상 두 경우는 큰 차이를 보이지 않은 것으로 추정되었다.

Fig. 10은 Fig. 6에 나타난 각 단면 1, 2에서 유속분포를 보여준다. Fig. 10a는 단면 1(수목이 없는 하류단면)에서 각 흐름 조건에 대한 유속 분포를 보여주고 있다. 예상한 대로 Run-2와 Run-3의 유속분포는 큰 차이를 보이지 않는다. 다만 Run-1의 조건에서 최고 유속은 우안으로부터 250 m 지점에서 3.4 m/s로 나타나나, 수목이 없는 Run-2와 3 조건에서 최고유속은 우안으로 더 치우친 곳에서 각각3.0 m/s와 2.9 m/s로 나타난다. 이러한 결과는 홍수터 B에 수목이 있으면 최고유속은 13% 커지고, 발생지점도 수목구간에서 더 멀어지는 것을 보여준다.

Fig. 10.

Velocity distributions at cross sections 1 and 2 in Fig. 6.

Fig. 10b는 수목군을 지나는 단면 2에서 각 흐름 조건에 대한 유속 분포를 보여주고 있다. 단면 1의 경우와 마찬가지로 Run-2와 Run-3의 유속분포는 큰 차이를 보이지 않는다. 다만 Run-1의 조건에서 최고 유속은 우안으로부터 250 m 지점에서 3.8 m/s로 나타나나, 수목이 없는 Run-2와 3 조건에서 최고유속은 우안으로부터 210 m 지점(수목군과 저수로 경계부)에서 3.3 m/s로 나타나서 B 구간의 수목군에 의해 하도 흐름이 더 집중되고 유속이 15% 커지는 것을 보여준다. 이는 하도관리 차원에서 불리하다. 반면에 홍수터 B에 수목군이 없는 경우 최고유속은 15% 줄고, 흐름분포도 하천단면에 걸쳐 비교적 완만하게 나타나 하천관리 측면에서 유리할 것으로 나타났다.

4.2 하상소류력 분포

무차원 하상소류력(τ*)은 제1부 연구와 마찬가지로 쉴즈(Shields) 도표에서 사립자 이동한계를 결정하는 중요한 변수이다. 쉴즈 도표에 의하면 모래의 경우 무차원 소류력이 0.06보다 크면 유사가 이동하기 시작하며 하상이 불안정해진다. 이 현상은 식생이 사주에 이입, 발아, 생장, 활착하는데 방해가 되며(Woo et al. 2010), 하천에서 식생의 공간적 분포와 성장 특성을 파악하는데 지하수위와 같이 기본적으로 중요하다. 식생의 발아기, 유년기, 활착기 등에 따라 식생의 뿌리와 줄기를 매몰, 침식하여 고사하게 하는 무차원 소류력은 적어도 0.06보다는 클 것이다. 이에 대해서는 관련 연구성과가 아직 없기 때문에 본 연구에서 보수적으로 0.1 이상이면 모래하상과 같은 나대지에 식생의 이입과 활착이 불안정한 상태가 되는 것으로 상정한다.

Fig. 11은 각 식생조건에 대하여 무차원 소류력인 쉴즈 수의 평면분포를 보여주고 있다. 수목군이 있는 Run-1에서 Fig. 11a의 B구간 직전에 상류 만곡부의 영향과 우안의 홍수터 수목군에 의하여 흐름이 좌안에 집중되었고, 쉴즈 수는 2.5 이상이다. 흐름이 집중된 주수로에서 무차원 소류력이 상대적으로 크고 유사는 더 많이 이송하며, 이에 따라 사주의 발생과 이동, 그리고 하상변동이 활발하게 된다. 또한 식생대와 주수로의 경계면을 따라 쉴즈 수가 크게 나타난다. 이 경계면에서 식생대와 주수로의 유속이나 난류강도 등 흐름조건이 다르기 때문에 이 경계면에서 운동량의 교환이 활발하게 일어나며, 유속분포, 에너지소산 그리고 유사이송 등에 영향을 준다. 주수로와 식생대 사이에서 에너지 교환이 일어나며, 주수로에 흐름이 집중되어, 홍수시 하상 침식이 발생하고, 홍수터나 식생대에서 유사가 퇴적된다(Gran and Paola 2001, Jang and Shimizu 2007). 또한 유사가 퇴적되면서 유사입경이 작아지며, 하도 역동성은 작아진다(Jang and Shimizu 2007). 대안 홍수터(A)에서도 유속이 빠르며, 쉴즈 수는 0.3 이상이 된다.

Fig. 11.

Shields-number distribution for each run.

Run-2와 Run-3의 경우 앞서 분석한 유속분포와 마찬가지로 쉴즈 수 분포도 서로 상당히 비슷하게 나타난다. 수목은 없지만 초본류가 있는 Run-2의 조건에서 B구간 직전에 만곡부에 흐름이 집중되면서, 쉴즈 수는 2.5 이상이었다. B구간에서 만곡부가 끝나고 하폭이 넓어지면서 쉴즈 수는 작아진다. 더욱이 이러한 영향은 A 구간에서 마찬가지로 받게 된다. Fig. 11b에서 보여주고 있는 것처럼B구간에서 횡방향 유속분포는 우안의 초본류에 영향을 크게 받지 않았다. 홍수터에 목본류와 초본류가 없고 원 모래하상 상태 인 Run-3의 조건(Fig. 11c)은 Run-2의 조건의 결과와 마찬가지로 B구간 직전에 하도 좌안을 따라 형성된 흐름은 B구간에서 만곡부가 끝나고 하폭이 넓어지면서 쉴즈 수가 전체적으로 작아졌다. 이러한 현상은 A구간에서도 비슷하게 나타났다.

Fig. 12a는 수목구간 B 직전 단면 1에서 각 조건에 대한 무차원 소류력의 분포를 보여주고 있다. Run-1의 조건에서 최고 쉴즈 수는 우안에서 300 m 지점에서 2.1이며, 최고 유속이 발생하는 지점보다 좌안으로 40 m 치우쳐 있다. 수목이 없는 Run-2 조건에서 최고 쉴즈 수는 우안에서 300 m 지점에서 1.6 이고, Run-3 조건에서 최고 쉴즈 수는 우안에서 260 m 지점에서 1.2 이다.

Fig. 12.

Shield number distributions at cross sections 1 and 2 in Fig. 6

Fig. 12b는 수목이 있는 단면 2에서 각 조건에 대한 쉴즈 수 분포를 보여주고 있다. Run-1의 조건에서 최고 쉴즈 수는 우안에서 250 m 지점에서 1.7이며, 최고 유속이 발생하는 지점과 일치한다. 이 경우 주수로에서 유사의 이송은 매우 활발하고 하상세굴이 지배적일 적으로 판단된다. 그러나 수목이 있는 식생대에서 쉴즈 수는 매우 작으며, 이 경우 초본류 사이로 세립자의 이동, 침전이 지배적일 것으로 판단된다. 수목이 없는 Run-2에서 최고 쉴즈 수는 우안에서 145 m 지점에서 1.5이고, Run-3에서 같은 지점은 1.1 정도이다. 이는 우안 홍수터 식생 조도와 저수로 조도가 국부적으로 수위상승에 의해 커진 것으로 판단된다. 모래하상인 Run-3에서는 210 m 지점에서 1.2이다. 전제적으로 하도 중앙 부근에서 유사의 이송이 활발하고 좌안과 우안 부근에서는 상대적으로 적을 것으로 판단된다. 수목이 있는 조건에서 최대 쉴즈 수는 없는 조건에서 최대 쉴즈 수보다 42% 커진다. 그러나 쉴즈 수는 수목군이 있는 홍수터의 경우 0.2에서 원 모래하천 경우 1.5로 대폭 증가한다. 이는 수목이 있는 조건은 수목이 없는 조건보다 흐름이 집중되는 주수로에서 유사이송이 매우 활발하지만, 수목군이 있는 구간에서는 유사이송이 활발하지 않다는 것을 의미한다. 또한 이는 식생하도에서 식생의 밀도가 증가할수록 한 단면에서 하상의 침식과 퇴적의 비를 나타내는 하상기복도가 크다는 것을 의미한다(Jang and Shimizu 2007).

4.3 홍수위 변화

Fig.13은 각 식생조건에 대하여 종방향 수위 변화를 보여주고 있다. 여기서 한 단면 측선에서 수위는 횡방향으로 큰 차이는 없지만 단면 평균한 값으로 비교한 것이다. 수목군락이 있는 Run-1에서 수위는 식생구간 시작 전 1,400 m 지점부터 상승하여, 식생대가 끝나는 3,055 m 지점 상류로 계속 상승하고, 지형적인 영향(Fig. 9)으로 4,500 m 지점에서 최고 수위를 나타낸다. 홍수터에 수목은 없지만 초본류가 있는 Run-2 조건에서도 수위는 Run-1과 마찬가지로 유사한 경향을 보여준다. 그러나 홍수터에 식생이 하나도 없는 Run-3의 조건에서는 2,100 m 지점부터 3,055 m 지점까지 수위가 일정하게 유지되지만, 3,055 m 상류부터 수위가 상승하고, 4,500 m 지점에서 최고 수위가 나타난다. Run-1과 Run-2에서 3,055 m 지점 상류로 계속 상승하는 원인은 수목이나 초본류에 의한 흐름저항에 의해 상승한 수위가 급만곡부 및 좁은 하폭 등 지형적인 영향에 의하여 수위 상승을 지속시키는 것으로 사료된다 (Fig. 9).

Fig. 13.

Water surface elevation for each run (Distance 0 m in the graph corresponds to no. 637 in Figs 7 and 9).

식생에 의한 홍수위 변화를 정량적으로 파악하기 위하여 Run-1과 Run-2의 수위와 홍수터에 식생이 하나도 없는 화이트리버 조건인 Run-3의 수위 차를 분석하였으며, 그 결과는 Fig. 14와 같다. Run-1과 Run-2 모두 A지점인 882 m 지점에서 수위가 상승하기 시작하며, 식생대 구간인 2,621 m 지점에서 Run-3에 비해 Run-1에서 0.65 m 더 상승하였고, 3,259 m 지점에서는 0.55 m 더 상승하였다. Run-2에서는 2,621 m 지점에서 0.23 m 더 상승하였고, 3,259 m 지점에서는 0.2 m 더 상승하였다. 즉, 수목에 의하여 홍수위는 최고 0.65 m 상승하고, 초본류에 의해서는 0.23 m 상승한 것으로 나타났다. 이러한 차이는 수목이 초본류에 비해 흐름저항이 더 커서 홍수에 더 영향을 미친 결과이다. 다만 하천관리 실무에서 수목군의 제거는 가능한 반면 바탕에 깔린 초본류의 제거는 용이하지 않다. 따라서 수목제거에 따른 실제효과는 0.65 - 0.23 = 0.42 m 수준이다.

Fig. 14.

Differences of water surface elevation between Run-3 and Runs-1 and 2.

본 연구에서 나타난 0.65 m 수위상승은 이탈리아 Magra 강 홍수시 0.8 m 수위상승과 비교하면 작은 값이 아니다. 본 조사구간의 하천관리자들이 홍수위험 저감 차원에서 2024년에 B 구간의 수목을 모두 벌채한 것은 위와 같은 과학적 연구성과를 토대로 하지 않았을 것이다. 본 연구를 계기로 앞으로 하천관리자들이 홍수위험 저감을 목적으로 하천 수목을 제거하는 경우 이러한 과학적 분석을 바탕으로 벌채의 위치, 범위, 방법, 효과 등을 검토하는 것이 바람직할 것이다.

5. 결 론

국내외적으로 검증된 2차원 하천모형 Mays2D를 사용하여 조사구간에 1) 2024년 벌채 전까지 버드나무로 수림화 된 경우(그린리버), 2) 2024년 수목을 벌채하여 바탕에 초본류만 남은 경우(현 상태), 3) 식생이 들어오기 전 원래 하천의 경우(화이트리버)로 나누어 그 구간의 설계홍수량을 기준으로 흐름변화를 분석하였다. 동시에 간접적인 방법으로 유사이송 변화도 분석하였다. 이러한 분석을 통해 도출된 결론은 다음과 같다.

하천 홍수터에 수목군락이 있는 경우, (1) 수목군은 흐름장애 역할을 하여 그 구간 흐름은 하도에 집중된다. 이에 따라 하도의 유속과 소류력이 증가하여 하도 안정성에 부정적 영향을 준다. 본 조사구간에서 100년 빈도 설계홍수를 기준으로 수목군의 존재는 최대유속 3.8 m/s 정도 흐름의 하도 집중화를 야기하였으며, 이는 수목군이 없는 경우(2, 3)에 비해 약 15% 큰 값이다. 이와 같은 유속 증가는 하도세굴 및 맞은 편 하안의 강턱침식 위험을 높인다. 수목을 제거하여 초본류만 남은 경우 당초 원 하천 상태와 비교하여 흐름 차이는 크게 없는 것으로 나타났다.

수목군에 의한 하도의 소류력 증가로 수목이 없는 경우 (2)나 (3)에 비해 유사이송이 활발한 반면에 홍수터에서는 수목으로 인해 유사 이송보다는 퇴적이 활발하게 된다. 이 경우(1) 최대 쉴즈 수는 경우 (3)에 비해 최대 42% 커지는 것으로 나타났다. 반면에 수목군이 있는 홍수터에서 쉴즈 수는 경우 (3)의 1.5에서 0.2로 대폭 줄어드는 것으로 나타났다.

조사구간의 수목 및 초본류의 완전 제거는 100년 빈도 설계홍수에서 최대 약 0.65 m 정도의 홍수위 저하 효과가 있는 것으로 나타났다. 이 수치는 이탈리아 Magra 강 홍수 시 최대 0.8 m 수위차와 비교할 만한 것이다.

본 연구에서 수목제거에 따른 국지 수변생태계 영향에 대해서는 검토하지 않았지만 수목을 제거하여도 바탕 초본류가 남아있어 부정적 영향은 제한적일 것이다.

하천관리자들이 홍수위험 저감을 목적으로 하천수목을 관리하는 경우 본 연구와 같이 과학적 분석을 통해 추진하는 것이 바람직할 것이다