1. 서 론

충적하천은 흐름, 유사, 지형 간 상호균형이 맞아 단기간에 걸쳐서 일부 변화가 있을 수 있으나, 극적인 외부충격에 의한 반영구적인 변화를 제외하고 대부분의 경우 다시 원상태로 돌아온다(Nighton 1998). 즉 충적하천은 탄력성이 있다. 이는 흐름-유사-지형 등 세 인자 간의 상호작용의 과정과 기작을 다루는 수문지형학에서 흔히 나타난다. 여기서 외부충격은 홍수, 가뭄과 같은 자연적 요인도 있지만 댐건설, 제방축조 등과 같은 인위적 요인도 있다(Woo et al. 2022)

국내에서 1970년대 이후 댐건설, 하천정비 등 지속적인 하천개발사업으로 인해 흐름과 유사의 상태(regime)가 바뀌고, 이에 따라 하천지형의 변화가 가속화되었다. 특히 충적하천에 댐건설은 하류하천에 물과 유사이송에 극적인 변화를 주어 하천지형의 변화는 물론 과거 여름철 잦은 홍수로 식생 이입이 제한되었던 하천사주와 홍수터에 식생이 이입, 활착, 천이 되어 하천의 색상이 “흰색(white)”에서 “녹색(green)”으로 바뀌는 현상이 나타났다(Choi et al. 2005). 여기서 흰색은 모래와 자갈 사주를, 녹색은 식생을 의미한다. 이러한 현상은 학술적으로 수변의 수림화(樹林化)라고 불리며, 상징적으로 “from white river to green river” 라 불린다(Woo 2010). 이러한 현상은 유황과 유사이송의 인위적 조절 뿐만 아니라 기후변화 등의 이유로 특정 시기에 강우양상 및 그에 따른 유량이 변하는 경우 등 다양한 조건에서 나타날 수 있다(Woo et al. 2016, Kim and Kim 2019). 외국의 경우 우리와 같이 몬순기후의 영향을 받는 일본과(Asaeda et al. 2015) 지중해성 기후인 스페인에서도 비슷한 현상이 나타난다(Garófano-Gómez et al. 2013, de Jalón et al. 2020).

구체적으로, 1960년대 후반부터 하천개발이 본격적으로 시작되기 전에는 한반도의 거의 대부분 하천은 봄철 하천 사주에 식생이 이입, 발아, 활착하여도 바로 이어지는 여름철 홍수가 유발하는 강한 소류력으로 하상이 불안정하게 되어 유년기 식생이 매몰되거나 쓸려 나가면서 많은 경우 식생 활착이 해를 넘겨 이어지지 못하게 된다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 몬순기후의 영향을 받는 지역에서 일반적으로 나타나는 현상이다. 그러나 댐개발이나 하천정비, 또는 특정시기의 강수양상의 변화 등으로 만들어진 ‘그린리버’는 하천의 흐름저항을 키우고 하안사주 유사퇴적으로 통수능을 줄여서 홍수위험을 높이는 심각한 기술적 문제를 일으킬 수 있다(Lee et al. 2021). 동시에 하도 협착화, 다지하천의 단일하천화 현상을 가져온다(de Jalón et al. 2020). 반면에 이러한 경관생태적 변화는 하천의 미세지형 및 흐름조건의 다양성을 키우고 수변생태계 먹이망의 기반 등을 조성하게 된다. 본 연구의 대상구간인 낙동강 중상류 안동시 병산서원 앞 하천을 포함하여 국내에서 잘 알려진 하천습지인 고양시 장항습지(Ahn and Li 2024), 낙동강 중상류 구담습지, 영산강 담양습지 등이 그 대표적인 사례일 것이다.

본 연구는 “from white river to green river” 현상의 국내 대표적 사례들 중 하나로서 낙동강 중상류에 위치한 안동시 병산서원 직하류 낙동강 본류구간의 우안 약 1.8 km 수림화 현상을 대상으로 한다. 이 구간은 1976년 상류 안동댐 건설과 특히 1991년 임하댐 건설로 유황 및 유사이송 양상이 극적으로 변화하여 그 후 모래하천 하안 넓은 사주에 식생이 이입, 활착, 천이하여 수령 20-30년 정도의 버드나무류로 덮였다. 그에 따라 상류 두 댐에서 동시에 여수로 방류를 하는 경우 대상구간에서 홍수범람의 위험이 있다 하여 하천관리자들은 십수 년 정도 주기로 벌채하여 관리해 온 구역이다. 최근 벌채는 2024년 이루어졌다. 그러나 이러한 주기적 벌채는 특별한 과학적 근거와 기준 없이 임의로 행하는 면이 있다. 참고로 대상구간의 직상류에 있는 병산서원 앞 낙동강 사주에 이입되는 식생은 문화재 경관관리 차원에서 초본류라도 인위적으로 제거하고 그 하류 일정구간에서는 십수 년 주기로 목본류를 제거한다.

본 연구는 이러한 “그린리버”의 치수측면 하천관리와 환경측면 하천습지 보호라는 상반된 관점을 과학적으로 접근하여 대안을 제시하는 차원에서 시작하였다. 이 문제는 자연환경의 보전과 복원의 본질적 가치측면에서도 중요하다. 왜냐하면 인위적 영향으로 하천의 서식처와 그에 따른 생태환경이 변형되었다면 그것이 하천습지라도 보호할 것인지 아니면 원 모래하천으로 복원하려고 노력할 것인지를 심각하게 검토할 필요가 있을 것이다.

이를 위해 본 연구조사 대상구간의 수문, 수리, 지형, 식생 측면에서 제반 특성을 조사, 분석하고 적절한 수치모의를 통해 화이트리버가 그린리버로 변하는 임계상태를 확인하고, 나아가 식생에 의한 홍수위험 가능성을 검토한다. 조사 대상구간은 낙동강 중상류 안동시 소재 병산서원 앞 우안 수림화 된 약 1.8 km의 하천구간으로서, 이 구간에서 1) 수문/수리, 지형, 식생, 하천관리 관점에서 현지조사, 2) 관련 자료 수집 및 분석, 3) 수치모의, 4) 종합적 검토 등을 수행하였다.

본 연구는 대상 연구의 학제적 다양성 및 연구목표의 다중성 등을 고려하여 두부분으로 나누어 제1부에서는 조사 대상구간 지형 및 식생의 시대적 변화추이, 수문/수리, 지형/식생 등 분야별 조사분석, 식생이입 관점에서 수치모의 및 결과 검토 등으로 구성하고, 제2부에서는 특히 홍수위험관리 차원에서 하안 수림대의 제거에 따른 홍수위 저감 및 하도안정 효과 등을 수치해석을 통해 확인하며 이를 통해 우리나라에 보편적으로 나타나고 있는 하천 식생관리의 시사점을 도출한다.

본 연구는 과거 하천 수문, 지형 및 식생 자료의 한계(식생은 촬영 연도가 불규칙한 항공사진에 의존)와 주기적 벌채 등 하천관리 이력의 불확실성을 가진다. 그에 따라 본 연구에서 도출된 결과에는 어느 정도 불확실성이 존재한다. 나아가 하상재료 변화 이력이나 생태학적 식생천이 등은 본 연구에서 구체적으로 검토하지 않는다.

2. 국내외 연구연혁

충적하천은 흐름-유사-지형 등 다양한 인자 간 상호작용의 결과물이다. 이러한 상호작용의 과정과 기작은 이른바 수문지형학적 접근이 요구된다. 여기에 식생이라는 생물인자가 추가되는 경우 흐름-유사-지형-식생 간의 여러 과정과 기작이 포함된 생물수문지형학(bio-hydro-geomorphology)적 접근이 요구된다. 이러한 통합적, 학제간 연구의 최근 연구동향은 다양한 총설적 논문에 잘 나와있다(Corenblit et al. 2007, Camporeale et al. 2013, Solari et al. 2016, Woo et al. 2019). 생물수문지형학적 다양한 연구 중 특히 하천기술자들의 관심을 끌 연구분야는 이러한 상호작용을 수치모형화하여 정량적 답을 주는 것으로서, 관련된 모형 중에서 van Oorschot et al. (2016)의 모형이 수문지형동역학과 생태동역학을 통합적으로 고려한다.

국내에서 하천의 수림화 현상 자체와 그로 인한 하천의 공학적, 생태학적 검토는 낙동강 지류인 황강댐 하류구간에 대한 연구가 처음으로 보인다(Choi et al. 2005). 이들은 1989년 황강댐 준공후 하류 황강의 급속한 식생이입 및 수림화 현상을 관찰하였다. 다음 1차원 수치모의를 통해 댐에 의한 유황변화와 그에 따른 하상 소류력 변화로 하도변 모래사주에 갈대와 버드나무류의 식생이 이입, 활착 되어 그에 따라 하도변화가 나타나는 것을 확인하였다. 특히 본 연구의 조사 대상구간을 포함한 낙동강 반변천 합류점부터 하류 구담교까지 35 km 구간에 대해 2010년 선행연구가 수행되었다(Woo et al. 2010). 그 결과 사주의 식생이입률은 1971년 자연상태에서 8% 수준에서 안동댐 건설후 1988년에 25% 수준으로, 다시 임하댐 완공 후 1995년에 식생이입률은 43%가 되고, 그 후 10년이 지난 2005년에는 74%까지 증가한 것으로 나타났다. 댐에 의한 홍수량 감소와 그에 따른 하상소류력 감소가 사주 상 식생이입 및 활착을 가속화시켰다는 가설은 대표 단면에서 무차원 하상전단응력의 검토 결과 확인되었다.

이 연구 이후 유사한 연구가 낙동강 중상류에 수행되었으며(Egger et al. 2012, Woo et al. 2013), 특히 Egger 등은 이른바 동적 홍수터식생모형(DFVM)을 국내 처음으로 낙동강 하도에 적용하여 식생의 이입과 천이 과정을 모의하고 향후 수십년 예상되는 식생종 및 분포상황을 예측하였다.

그 후 국내하천의 식생 이입/활착의 통계적 분석(Park et al. 2008), 비조절하천에서의 “그린리버” 현상 조사(Kim and Kim 2019)등이 수행되었다. Woo et al. (2016)은 화이트리버의 그린리버화(化) 현상의 가능한 원인에 대해 유황과 유사량 등 전통적인 물리적 요인의 변화 외에 식생 이입/활착 임계상태에서 강수양상의 변화를 포함하여 나아가 비점오염물질을 통한 영양염류의 유입 등 다양한 원인을 제시하였다. 마지막으로 낙동강 지류 댐 가동 전 비조절하천이었던 내성천의 ‘그린리버’ 현상에 대해 국내외 연구진이 공동으로 조사한 결과 특정기간의 가뭄이 방아쇠 역할을 한 것을 확인하였다(Lee et al. 2023).

3. 연구방법

3.1 항공사진 분석

본 연구의 대상 하천구간은 우리나라 전형적인 모래하천인 낙동강 중상류에 있는 병산서원부터 하류 약 1.8 km 구간이다. 본 조사구간을 포함한 낙동강 반변천 합류점부터 내성천 합류점 구간은 1976년 11월 준공된 안동댐과 그 후 1992년 5월에 준공된 임하댐의 영향으로 흐름 및 유사 상태(flow and sediment regime)이 극적으로 바뀌었다. 따라서 본 연구대상 구간의 하천 변 수림화 현상을 분석하려면 위 두 댐의 준공시기가 중요하다.

Fig. 1은 두 댐의 준공시기 훨씬 전 1954년 항공사진이다. 본 연구의 중점조사 대상구간은 이 사진에서 사주 B(타원으로 표시)는 본류 우안사주 구간으로서, 상류단은 이 사진 우측 병산서원 앞이며 하류단은 우안 사주의 끝부분이다. 조사구간의 거리는 유심부를 기준으로 약 1.8 km이다. 하도 좌안 A 구간은 그 후 경작이나 식재 등으로 ‘오염’ 되었기 때문에 본 연구에서 제외한다. 본 연구의 조사대상구간은 하도주변 좌우 사주가 모두 모래로 덮인 모래하천이다. 좌안 사주(타원 A)에 일부 식생이 있는 것으로 보이지만 이는 월이나 연도에 따라 일시적으로 나타나는 촬영 시점의 문제로 보인다.

Fig. 1.

Aerial photo of the study reach (B) taken in 1954.

Fig. 2는 1971년 사진으로서 17년이 지났지만 사실상 사주의 기본형태는 변하지 않았다. 다만 사주 B의 하류부가 다지하천의 형태로 변하였고, 사주 A가 경작지로 일부 변환된 것을 볼 수 있다. 이 사진에서 적어도 1971년까지 사주에 자연적 식생이입은 없는 것으로 보인다.

Fig. 2.

Aerial photo of the study reach (B) taken in 1971.

Fig. 3은 1988년 항공사진으로서 사주 B에는 1971년 이후 큰 변화가 없는 것으로 보인다(사진에서 회색부분은 사구에 의한 그늘이며 식생이 아님). 1976년 11월에 안동댐이 준공되고 적어도 1988년까지 여수로 방류가 없었으며, 그에 따라 흐름이 대폭 조절되었다. 그럼에도 Fig. 3에서 조사구간 사주 B에 식생이입 등 유황변화에 따른 하천변화가 보이지 않은 것은 무엇보다도 상류 반변천에서 자연유량이 유입되어 조사구간에서 여전히 식생이입이 억지되었기 때문으로 추정된다(이에 대해서는 5. 흐름 및 유사 분석에서 구체적으로 검토함). 이 사진 상 A와 A’ 구역은 인위적인 식재(영농 및 조림)에 의한 것이나, 다만 A” 구역은 물가를 따라 식생이 일부 이입, 활착 된 것을 보여준다. 이는 안동댐 준공 후 어느 정도의 유황변화로 수매분산(hydrochory) 현상에 의해 식물 씨앗이 물가에 정착하여 활착한 것으로 보인다.

Fig. 3.

Aerial photo of the study reach taken in 1988.

Fig. 4는 임하댐 준공 3년 후인 1995년에 찍은 사진이다. 좌안사주의 중앙 공지와 주변 식생은 인위적인 농경활동의 결과이다. 여기서 우안 사주 B에 식생활착이 불규칙하게 나타난 것에 주목할 필요가 있다. 1991년 말부터 임하댐 담수가 시작되어 두 댐 하류 낙동강 본류는 매년 발생하던 홍수가 사실상 사라져서 유량과 유사량 상태(regime)가 대폭 변화하기 시작하였다. 그 결과 홍수시 하상소류력이 감소하고 그에 따라 사주에 식생의 이입, 활착이 시작한 것으로 판단된다. 이에 대해서는 추후 4.1절에서 구체적으로 검토한다. 사주 B 하류는 전형적인 다지하도를 보인다. 이 사진에서 흰색으로 보이는 사주 C는 병산서원 경관관리 차원에서 주기적으로 벌채한 것으로 보인다.

Fig. 4.

Aerial photo of the study reach taken in 1995.

Fig. 5는 그후 10년이 지난 2005년에 촬영된 사진으로서 우안 사주 B에서 흰색으로 나타난 부분을 제외하고 대부분 수림화된 것으로 보인다. 흰색으로 나타난 부분은 하상고가 상대적으로 낮아 홍수시 유로가 형성되는 구간으로 보인다. 흰색으로 나타난 상류구간 C는 병산서원 앞 구간으로서, 이 역시 주기적으로 벌채하여 모래사주가 드러나게 관리한 결과이다.

Fig. 5.

Aerial photo of the study reach taken in 2005.

마지막으로, Fig. 6은 그후 16년 지난 2021년에 촬영된 사진으로서 과거 2005년 사진에서 백사장이 노출된 부분에서도 초본류가 이입한 것으로 보인다(B’). 이 그림에 C 구역은 병산서원 경관관리 차원에서 목본류를 벌채하여 초본류가 이입된 것으로서, 생태계 천이과정 중 퇴행(retrogression) 상태라 할 수 있다. 이 그림에서 좌측 끝이 본 조사구간의 하류단이다. 본 연구구간의 식생은 목본류로 버드나무류, 초본류로 갈대와 달뿌리풀이다. 이에 대해서는 다음 4.3절에서 구체적으로 설명한다.

Fig. 6.

Aerial photo of the study reach taken in 2021 (The lines 641, 642, and 643 are explained in Fig. 11).

3.2 수문생물지형학적 특성 분석

3.2.1 수문특성 분석

대상구간의 수문특성은 본류 중상류에 위치한 안동댐(대상구간에서 약 30 km 상류)과 상류 반변천 지류에 있는 임하댐(대상구간에서 약 43 km 상류)에 주로 영향을 받는다. 부수적으로 두 댐 지점부터 하류 대상구간 사이로 유입하는 흐름에 영향을 받는다. 본 연구에서는 댐에 의한 영향을 분석하기 위해 낙동강홍수통제소 수문기록 데이터베이스에서 안동댐과 임하댐의 수문방류 기록을 조사하였다.

안동댐은 댐 운영 시작 후 1977년부터 2001년까지 25년 동안 여수로 방류는 한 번도 없었으며, 그후 2024년까지 단 8회 여수로 방류를 하여 평균 6년에 한번 여수로 방류를 하였다. 최대 방류량은 2023년 홍수시 발생한 500 m³/s로서 당시 댐 최대 유입량 2,224m³/s의 22% 수준이다. 댐의 유입량은 댐으로 유입되는 홍수량으로 댐이 없는 자연상태에서 해당지점 홍수량이라고 가정할 수 있고, 댐 유입량과 방류량의 차이는 댐에 의한 조절로 인해 발생한 것이다. 1977년에서 2024년까지의 안동댐 연최대 댐유입량 평균은 996 m³/s으로 2023년 최대 방류량의 2배 정도이다.

한편 임하댐의 경우 1993년 첫 방류를 한 이후 2024년까지 32년 동안 18회의 방류를 하여 평균 1.8년에 1회 여수로 방류를 하였다. 이는 안동댐과 비교하여 330% 많았다. 임하댐의 최대 여수로 방류량은 1999년 9월 1,140 m³/s로서 안동댐에 비해 1.5배 크다. 이 값은 1999년 홍수시 최대 방류량으로 해당 홍수사상에서 발생한 댐유입량 1,587 m³/s의 72%에 해당한다. 1992년부터 2024년까지의 임하댐 연최대 댐유입량 평균은 845 m³/s 이다.

안동댐의 상류유역면적과 총 저수량이 각각 1,584 km², 12.5억 m³, 임하댐이 각각 1,361 km², 5.95억 m³ 이므로 두 댐의 유역면적은 큰 차이가 없으나 임하댐의 저수량이 안동댐에 비해 절반 수준에도 못 미치므로 홍수시 여수로 방류가 상대적으로 잦을 수밖에 없을 것이다.

본 연구의 조사대상 구간에 대한 흐름변화 분석을 위해 대상 구간에서 하류 약 22 km 지점에 있는 의성군의 풍지교 수위관측소 자료를 분석하였다. 조사 대상구간 상류와 하류에는 각각 안동시의 안동대교, 예천군의 구담교 등 2개 수위관측소가 더 있다. 안동대교는 1918년에 관측을 시작하였는데 홍수기 위주로 간헐적 관측이 이루어지다가 1987년 이후 연중 관측이 이루어지고 있다. 이 지점은 4대강 살리기 사업으로 하류에 설치된 보로 인해 안정적인 수위자료의 확보가 곤란하여 분석대상에서 제외하였다. 구담교는 2005년부터 관측이 시작되어 기간이 짧은 관계로 본 분석대상에서 제외하였다. 의성군의 풍지교 관측소는 1987년부터 관측이 시작되었다. 이 지점 직하류에 있는 내성천 합류 직전의 본류 유역면적은 6,400 km² 이며, 상류 조사 대상구간과 이 지점 사이에 광산천(97.8 km²)과 신평천 (57.1 km²)이 유입된다. 두 하천의 유역면적 합 155 km² 는 전체 유역면적 6,400 km² 보다 상대적으로 작아(2.4%) 본 연구에서는 대상구간과 풍지교 수위관측소 지점의 수문상황이 유사한 것으로 가정하였다.

3.2.2 지형특성 분석

조사구간의 지형특성은 2009, 2013, 2023년 하천(정비) 기본계획(MLTM 2009)에 있는 종횡단 측량자료를 이용하여 각각 비교, 검토하였다.

3.2.3 식생특성 분석

조사구간의 식생특성을 분석하기 위해 항공사진을 이용한 원격탐사와 현장 조사를 함께 수행하였다. 원격탐사에 이용한 항공사진은 조사대상 지역을 1954, 1969, 1971, 1988, 1991, 1995, 2005, 2009, 2010, 2013, 2015, 2017 및 2022년에 촬영한 영상이었다. 제외지 항공사진 영상에서 피복 상태에 따라서 수면, 식생이 정착하지 않은 개방사주, 초본식생 및 목본식생으로 구분하여 각 피복지의 경계를 획정하였다. 획정된 각 피복지의 면적은 QGIS (ver. 3.32.0)를 이용하여 산출하였다(QGIS.org 2023). 한편 사주식생 천이의 방향을 파악하기 위하여 식생 천이의 경로를 개방사주–초본식생–목본식생의 순서로 가정하였다. 이에 따라서 각 조사연도의 피복지를 직전 조사연도와 비교하여 전진, 퇴행 및 유지로 구분하여 천이 방향을 파악하였다.

현장조사는 2023년에 조사구간 C의 우안 사주를 상류(머리), 중류(허리) 및 하류(꼬리)로 구분하여 식생 특성을 조사하였다. 각 사주 부분에 20 m × 20 m의 방형구를 설치하여, 출현 수목종, 밀도, 흉고직경, 수고 및 수령을 측정하였다. 수령은 각 지소에서 대표적인 크기의 수목을 선정하여 줄기를 톱으로 절단하여 횡단면에 나타나는 나이테의 계수하여 측정하였다.

3.3 수치모의

조사 대상구간의 흐름과 유사이송 특성 및 하상소류력 분포를 분석하기 위해 관심연도의 홍수량 자료를 이용하여 수치모의를 하였다. 첫째 관심유량은 상류 안동댐과 임하댐의 조절방류로 댐 하류 하천에 홍수량이 줄어들어 식생이입에 유리한 조건이 형성된 1991년 이후 항공사진에 식생이 처음 나타난 1995년(Fig. 4)까지 연 최대홍수량이다. 다음 관심 유량은 최근 환경조건에서 대상구간의 흐름 및 하상소류력 분석을 위해 2020 - 2023년 기간 중 가장 크게 나타난 연 최대 홍수량이다.

집중조사구간 B와 경작구간 A 및 관리구간 C를 포함하여 흐름과 유사이송 해석 구간에 본 연구에서 iRIC에 탑재된 2차원 수치모형인 Nays2D를 적용하였다(Shimizu et al. 2020). 이 수치모형은 복잡한 경계에서 높은 모의결과를 얻을 수 있도록 경계적합 좌표계(boundary fitted coordinates)를 이용하고 있다. 본 수치모형에서 흐름 계산은 평면 2차원, 비정상 비압축 흐름으로 가정하고, 운동량방정식에 식생항을 고려하였다. 식생항은 식생에 의한 수심평균 항력으로 나타냈다.

흐름과 유사이송 관련 지배방정식 중 운동량방정식을 해석하기 위하여 이류항에는 수치해석 기법으로 고정도 차분법인 CIP (Cubic Interpolated Psuedo-particle) 법을, 확산항에는 중앙차분법을 적용하였다. 하상저항 이외에 식생군락에 의한 추가저항력을 산정하기 위해 수목의 가지수를 고려하여 투과성을 나타내는 식생(수목) 밀도는 현장조사로 추정된 0.86 stems/m를 적용하였다. 여기서 항력계수는 0.7을 적용하였다. Fig. 7은 수치모의를 위한 격자구성을 보여준다. 2차원 수치모의를 위하여 연구 대상구간에서 가장 가까운 곳에 위치한 경북 예천군 구담교 수위관측소(경상북도 예천군 지보면 암천리 708, 36°32'22.0"N 128°27'47.0"E) 자료를 이용하였다. 이 관측소는 2005년 1월부터 관측을 시작하였으나, 2010년 자료부터 이용할 수 있으며, 연 최대유량은 2020년 8월 4-15일에 발생한 첨두홍수량으로 1,910 m³/s이다.

Fig. 7.

Grid construction for computation (The orange color is the study zone, Bar B, with vegetation density of 0.86 stems /m. Velocity distributions are analyzed across section of ① and ②).

본 연구에서는 수치모의를 통해 ‘화이트리버’가 ‘그린리버’로 변하는 임계상태를 확인하고, 나아가 현 식생상태에서 흐름과 하상소류력 분포를 알아보기 위해 다음과 같은 수리조건을 설정하였다. 임계상태 조건으로서 안동댐과 임하댐의 조절방류가 같이 시작된 후 1994년 6월 6일에 발생한 첨두홍수량(824 m³/s)이며, 이 당시는 홍수터에 식생이 아직 이입/활착 되지 않은 상태로 볼 수 있는 기간이다. 다음, 수림화 상태의 조건으로서 1995년 수림화 시작 후 가장 최근(2023년 7월 14일)에 발생한 첨두홍수량(1,794 m³/s)이며, 이 값을 기준으로 수림화에 의한 흐름 및 무차원소류력의 분포를 분석하였다. 자세한 계산 조건은 Table 1과 같다.

본 연구의 계산구간은 Fig. 7과 같이 상류단은 금호강 합류점으로부터139.02 km, 하류단은 133.68 km 로서(MLTM 2009), 총 5.34 km 구간이다. 계산격자는 흐름방향으로 78개, 횡방향으로 13개를 설정하여 총 1,014개로 구성하였다. 계산격자는 하폭이 좁고 만곡부에서 촘촘하게 설정하고, 하폭이 넓은 구간에서 상대적으로 느슨하게 설정하여 수치적인 안정성을 확보하였다. 이 그림에서 단면 1은 조사구간의 하류단 직 하류이고 단면 2는 사주 B의 하도방향 돌출부이다. 수치모의를 위하여 상류 경계조건으로 계산 영역 상류인 139.0 km 지점에서 유량을 적용하고, 하류단 경계조건으로는 133.7 km 지점에서 등류수심이 적용되었다(Table 1). 하상의 기본 조도계수는 하천기본계획에서 제시된 0.027을 일괄 적용하였다(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs 2009).

4. 결과 및 고찰

4.1 수문생물지형

4.1.1 수문분석

안동댐과 임하댐이 합류하는 안동시의 낙동강은 전형적으로 자연흐름이 아닌 조절흐름이다. 이로 인해 하류하천의 지형뿐만 아니라 사주상 식생 이입/천이에도 큰 영향을 미쳤을 것으로 추정된다. 구체적으로, 안동댐에 의한 흐름조절효과는 Fig. 8에 잘 나타난다. 이 그림에서 1987년부터 1996년까지 안동댐에 거의 매년 500 m³/s를 초과하는 홍수량이 유입되었지만 한번도 여수로 방류를 하지 않고 조정지댐을 통해 하류로 10-50 m³/s 정도 일정방류를 하였다. 하류하천에 홍수가 없어지면 평수위도 내려가서 더 많은 물가사주가 나타나고, 동시에 하상소류력도 줄어들어 식생이 이입되고 활착하는 데 유리한 조건이 형성된다(Choi et al. 2005, Woo et al. 2013). 다만 본 연구 대상구간은 안동댐 이외에 임하댐도 있고 두 댐의 준공시기가 다르므로 두 댐의 준공 기간 전후로 검토가 필요하다. 이와 같이 댐 건설로 인한 유량변화와 식생발생 사이에는 직접적인 연관성이 있지만 장기간 가뭄과 저수위의 지속, 이상 고온 등 유량 이외 다른 요소들의 영향 이 복합적으로 작용할 수 있다(Kim and Kim 2019, Sanjaya and Asaeda 2016).

Fig. 8.

Difference between inflow and outflow discharges due to dam operation (Andong Dam, 1987-1996).

대상구간의 흐름변화를 분석하기 위해 본 연구에서는 풍지교 수위표 지점에서 특정수위 초과시간을 분석하였다. 구체적으로, 연도별로 연중 최저수위를 기준으로 1.0 m 및 2.0 m를 초과하는 시간을 계산하였다. 이를 통해 연간 특정수위 초과시간과 식생발달 상황을 비교 검토하였다. 그 결과 Fig. 9와 Fig. 10에서와 같이 연중 최저수위 1.0 m 및 2.0 m 초과시간의 연도별 양상은 크게 다르지 않다. 2.0 m 초과기준으로 살펴보면 1989, 1992, 1994, 1996, 2001년 등이 연간 30시간(0.34%)에 미치지 못하고 있다. 2008년부터 2019년까지 12년 간은 매년 연간 60시간에 미치지 못하고 있다. 댐에 의한 영향이든 자연유량의 감소이든 이 같이 연중 수위가 낮게 지속되는 경우에 식생의 이입, 활착이 촉진될 수 있다. Fig. 4 (1995년) B 구간에 보이는 첫 식생 출현은 특히 1994년 가뭄의 영향으로 하천수위가 상당기간 저수위에 머물었기 때문으로 보인다. 실제 1994년 일년 동안 연간 최저수위에서 2 m를 초과한 시간은 0시간이고 1 m를 초과한 시간도 61시간(0.68%)에 불과하다. Fig. 5 (2005년) 사주 B에 나타난 식생은 그 이전에 발생한 식생이 활착한 것으로 보인다. Fig. 6에 나타난 B’ 구간 초본류는 2008년부터 2019년까지 지속된 저수위의 영향으로 추정된다. 12년 동안 홍수가 없었고 가장 높은 수위를 보였던 2011년에도 2 m 초과시간이 58시간(0.67%)에 불과하여 과거 홍수시 수로역할을 했던 B’ 구간에 초본류 활착에 좋은 조건을 조성하였을 것으로 보인다.

두 댐은 특히 2002, 2003, 2020, 2023년에 대부분 동기간 방류를 하였으며, 그 결과는 Fig. 9와 Fig. 10에 지속시간이 가장 큰 연도에 해당한다. 그밖에 임하댐 단독으로 여수로 방류를 한 연도는 위 두 그림에서 모두 상대적으로 높은 지속시간을 보인다.

Fig. 9.

Sum of duration times of the water level over 1.0 m from the lowest in a year (Pungjigyo Br.).

Fig. 10.

Sum of duration times of the water level over 2.0 m from the lowest in a year (Pungjigyo Br.).

4.1.2 지형분석

Fig. 11은 국토지리정보원에서 1:5,000 축척의 지형도를 내려 받아 디지타이징 한 것이다. 이 그림을 보면 1993년 임하댐 준공 후 2006년부터 2023년까지 하도 평면지형에 큰 변화는 없었다. 반면, 몇몇 하중도는 시간이 지남에 따라 크기와 위치 변화를 보여왔다. 예를 들어, 643번 측점에 위치한 하중도(약 300 m 길이)는 2011년부터 2년간 100 - 150 m 정도 하류로 이동한 후 2023년까지 그 위치를 유지하였다. 642번 측점과 641번 측점 사이 중앙부에 위치한 약 200 m 길이의 하중도는 17년간 상당한 수준의 위치와 크기 변화를 보이지 않았다. 그러나 641번 측점의 하류에 2006년 당시 200 m 정도 길이의 하중도가 2011년까지 100 m 이상 성장하였고 2013년에는 작은 두 개의 하중도로 분리되어 2023년까지 유지되었다.

Fig. 11.

Plan views of the study reach with three transects (Byungsanseowon located at northeat corner).

이러한 미소지형 변화는 상류 두 댐으로 인해 하천의 유황과 유사량이 변화하고 식생이 이입하여 사주가 고정되고 침식으로부터 하안이 보호되고 그에 따라 흐름의 수평 및 연직 분포가 변한 결과일 것이다. 다만 본 연구에서는 구체적으로 검토하지 않는다.

Fig. 12는 위에 언급된 세 측점 중 사주 B에 해당하는 두 측점, 641번과 642번의 단면변화를 보여준다. 641번 측점은 사주의 후반부에 속하여 단일하도가 다지하도로 변하는 단면이다. 그에 따라 하천단면이 상대적으로 역동적으로 변해왔다. 2009년과 2013년 사이에 우안과 좌안 홍수터에서 평균적으로 각각 74 cm, 12 cm 수준의 침식이 발생하였다. 2013년과 2023년 사이에는 각각 44 cm, 14 cm 정도의 퇴적이 발생하였다. 하도 내부에서는 2009년부터 2013년까지 평균적으로 33 cm 수준의 침식이 발생한 반면, 2013년과 2023년 사이에는 평균적으로 하상 고도가 일정했던 것으로 보인다. 642번 측점의 하상단면은 다른 지점들에 비해 안정적이었다.

Fig. 12.

Cross-sections of the selected transects in Fig. 11 (Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs 2009 and the same data from 2013 and 2023).

4.1.3 식생분석

Fig. 13은 1988년, 1995, 2022년의 피복변화를 대상구간(B)과 그 상류 인위적 관리구간(C)의 수면, 맨 사주, 초본류, 목본류의 분포면적으로 보여준다. Fig. 13(a)에서 보는 바와 같이 1988년까지 조사구간의 개방사주는 모두 충적토(모래)로 구성되고 식생은 사실상 없었다. 그후 Fig. 4와 Fig. 13b (1995년) 사진에 초본(herb) 및 목본(wood) 식생이 보였다. 본 조사구간 B에서는 1988년 후, 특히 1991년 임하댐 준공 후 개방수면이 감소하면서 증가한 개방사주에 식생이 정착(이입, 활착)하여 그 면적이 증가하였다. 주로 버드나무류의 목본식생이 0 ha에서 2022년 10.2 ha(총 하천면적의 56%, 총 사주면적 60%)로, 주로 갈대류의 초본식생이 0 ha에서 2022년 6.7 ha (총 하천면적의 37%, 총 사주면적 39%)로 증가하였다(Fig. 14a). 병산서원에 인접하여 하천식생을 주기적으로 관리하는 C구간에서는 1988년이 지나 개방수면이 감소하면서 증가한 사주에서 식생 분포면적이 증가하였지만 경관관리 차원의 벌채로 2015년 이후 목본류의 분포면적이 감소하였다 (Fig. 14b).

Fig. 13.

Changes in covers (open water, bare land, herb, wood) from 1988 to 2022.

Fig. 14.

Changes in areas occupied by woody and herbaceous vegetation, bare land and open water from 1954 to 2022.

사주식생 천이의 방향을 개방사주–초본식생–목본식생의 순서로 가정하고 조사연도 사이의 천이진행을 면적 기반으로 전진, 홍수 및 인간 교란에 의한 퇴행, 유지로 구분하여 백분율로 파악하였다(Fig. 15). 인위적 관리가 없는 조사구간(B)에서 1988-2005년에는 전진경로가 증가하였지만, 2005년 이후에는 목본식생 단계로 유지되는 비율이 높았다. 반면에 인위적 식생관리 사주인 C 구간에서는 2015년 이후에 벌목 또는 벌초에 의한 퇴행경로가 증가하였다. 결론적으로 1991년 임하댐 건설 후 조사구간 사주에서 식생천이가 진행되어 목본단계에 도달하여 안정화되는 경향을 보였다. 그러나 병산서원 앞 사주는 주기적인 식생관리에 의하여 천이가 퇴행하는 것으로 판단된다.

Fig. 15.

Changes in the successional direction of riparian vegetation on the sandbars from 1954 to 2022.

2023년 조사결과 버드나무류 사주식생의 특징을 살펴보면 Table 2에서와 같이 버드나무(왕버들)는 사주의 상류(머리)보다는 하류(꼬리)에서 먼저 정착하여 발달한 것으로 나타났다. 따라서 수목의 흉고직경은 사주 꼬리에서 더 컸고 밀도는 낮았다. 한편 과거 이곳에 식재 되었을 것으로 판단되는 은사시나무는 현재 수명이 다하여 고사목으로 남아있다. Fig. 16은 조사구간의 대표 수목인 버드나무 군락을 보여준다.

Fig. 16.

Willow tree community in the study reach C (photo in Sept. 2023) (DBH: 24-51 cm, height: 12-18 m, age: 20-30 year).

4.2. 수치모의

4.2.1 유속분포

Fig. 17은 Run-1과 Run-2에 대한 유속분포를 보여준다. 두 조건 모두 검정색으로 채워진 삼각형으로 표시된 상류 만곡부에서 흐름은 만곡부 외측으로 집중되고 수충부가 형성되었다. Fig. 4 (1995년)에서 보는 바와 같이 Fig. 17a의 사주 B 구간 직전에 상류 만곡부의 영향으로 흐름이 집중되었고, 우안을 따라 하류 만곡부가 형성되는 구간까지 주흐름이 형성되었다. 더욱이 이는 Fig. 4에서 보여주고 있는 저수로의 형태와 일치한다. 지표면 고도가 상대적으로 높은 사주 A 구간(원래 사주였으나 1970년대 이후 농경활동으로 홍수터가 되었음)은 침수되지 않았다(Fig. 17a).

수림화 이후 최근 상황인 Run-2에서는 Fig. 17b에서와 같이 사주 B는 잠긴 상태로 식생에 의해 유속이 감소하고, 흐름은 하도중앙과 좌안에 집중된다. 이를 Fig. 17a와 비교하면 식생이 없었던 1994년의 흐름과 다른 특성을 보여준다. 홍수터 A 구간에서 흐름은 분기되어, 주 흐름은 우안에 집중되어 수충부가 형성되었고, 좌안을 따라 2차흐름이 형성되었다.

Fig. 17.

Velocity distributions for Runs 1 and 2 (Information of each run is shown in Table 1).

Fig. 18은 Fig. 7에 나타난 두 하천 단면에서 각각의 흐름에 대한 유속분포를 보여준다. Fig. 18b와 같이 수림화 이후 흐름의 집중으로 최대유속은 2.5 m/s 이상이었고 좌측으로 분기된 흐름은 1 m/s 정도 였다.

Fig. 18.

Velocity distributions at cross sections 1 and 2 in Fig. 7.

4.2.2 하상소류력 분포

무차원 하상소류력(τ*)은 Shield(쉴즈) 도표에서 유사의 이동한계를 결정하는 중요한 변수로서, 다음과 같이 정의된다.

여기서, γ는 물의 단위중량, γ_s는 유사의 단위중량이다. D는 유사의 직경이며, τ0는 하상전단응력으로서, 다음과 같다.

여기서, h는 수심이며, S는 에너지 경사이다.

쉴즈 도표에 의하면 무차원소류력이 0.06보다 크면 유사가 이동하기 시작하며 하상이 불안정해진다. 이 현상은 식생이 사주에 이입, 발아, 생장, 활착 하는데 방해가 되며(Woo et al. 2010), 하천에서 식생의 공간적 분포와 성장 특성을 파악하는데 중요하다. 식생의 발아기, 유년기, 활착기 등에 따라 식생의 뿌리와 줄기를 매몰, 침식하여 고사하게 하는 무차원소류력은 적어도 0.06보다는 클 것이다. 이에 대해서는 정확한 연구성과가 아직 없기 때문에 본 연구에서 보수적으로 0.1 이상이면 모래바닥과 같은 나대지에 식생이입이 불안정한 상태로 간주한다.

Fig. 19는 각 유량조건에 대하여 무차원소류력인 쉴즈 수의 분포를 보여주고 있다. 1994년 6월 6일에 발생한 최대 홍수량인 824 m³/s (Run-1)에 대하여 흐름이 집중되는 주수로에서 쉴즈 수는 1.8이었다(Fig. 19a). 유사는 흐름이 집중된 주수로에서 무차원소류력이 상대적으로 작은 하안이나 만곡부 내측 보다 더 많이 이송하며, 이에 따라 사주의 발생과 이동, 그리고 하상변동이 활발하게 된다. 여기서 눈여겨 볼 것은 Fig. 19(a)에서 우안의 긴 하안과 B구간(A구간은 본 연구 초점에서 제외)이다. 이 구간들은 쉴즈 수가 대부분 0.1 이하로서 식생의 이입, 활착이 가능한 구간이다. 즉 1994년 연최대홍수에서도 B 구간은 하상교란이 상대적으로 적어 적어도 1988년 이후 1994년까지 이입된 식생이 생존, 활착할 수 있었을 것으로 추정된다. 이는 1995년 항공사진(Fig. 4)에서 확인할 수 있다.

2023년 7월 14에 발생한 홍수량인 1,910 m³/s (Run-2)에 대하여 흐름이 집중된 B구간 앞 주수로에서 쉴즈 수는 1.4 이상이나, 식생대에서 쉴즈 수는 0.2 이하로 작다. 더욱이 교목식생대 바닥은 Fig. 16과 같이 초본류로 덮여 있어 하상재료는 홍수소류력으로부터 보호된다. 유사이송은 흐름이 집중된 주수로와 좌안에서 발생하며, 하도변화 및 하상변동이 역동적으로 발생한다. 또한 식생대와 주수로의 경계면을 따라 쉴즈 수가 크다. 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. 19.

Shields-number distribution for each run.

4.3 식생 이입 및 천이

Fig. 1부터 Fig. 6까지 일련의 항공사진은 1950년대부터 2020년대까지 무려 70년 동안에 걸쳐 수문, 생물, 지형의 상호작용의 결과 나타나는 지형 및 식생 변화를 잘 보여준다. 이 조사 대상구간은 특히 1970년대 중반과 1990년대 초에 각각 안동댐과 임하댐이라는 인위적 영향을 받은 곳이며(Woo et al. 2013), 특히 2000년대 이후 기후변화로 인한 강수변화의 영향을 받았을 것으로 추정되는 지역이다(Lee et al. 2023). 특히 1990년대 이후 이 구간에서 식생의 이입, 활착, 천이 현상은 위 항공사진, 수문, 식생, 수리 분석 등으로 각각 나타났다.

조사구간인 사주 B에 초점을 맞추면 Figs. 1,2,3,4,5,6 항공사진 비교에서 1988년과 1995년 사이에 식생이 이입된 것으로 나타났다. 즉 1989년부터 1994년 사이가 식생이입 조건이 나타난 임계연도인 것으로 추정된다. 이 기간에 저수위가 상당 기간 계속되어 노출된 사주에 식생이 이입되고 그후 사주상 교란으로 유년기 식생이 매몰되거나 쓸려 내려가 고사할 홍수가 없었을 것이다. 이를 Fig. 9나 Fig. 10의 수문분석 결과와 비교하면 이 기간은 저수위가 지속된 것으로 나타난다. 한편, 식생분석 결과는 더욱 잘 나타나서 Fig. 13(a)와 같이 1988년에는 사주 B는 모두 모래가 노출된 상태였으나, 1995년에는 Fig. 13(b)와 같이 이미 대부분 초본류는 물론 목본류로 덮였다. 실제 Fig. 14(a)를 보면 1988년에 식생은 0에서 1991년에 노출된 사주에 식생이 나타나기 시작하여 1995년에 약 40%가 식생으로 덮였다(초본:목본=4:6). 따라서 이 구간에서 첫 식생이입은 1991년으로 추정되며 그 후 1994년 6월에 그 기간 중 비교적 큰 홍수를 겪었으며, 수리 및 유사 측면에서 결과는 4.2절과 같다. 이를 구체적으로 보면, Fig. 17과 Fig. 18(b)에서와 같이 사주 B (단면 2)에서 유속은 최대 2 m/s 정도로서 당해연도 발아한 유식물은 지탱하기 어려운 환경이었을 것이다. 따라서 1994년 이전에 사주 B에 이입된 식생은 2-3년 지난 상태였을 것으로 추정된다. Fig. 19(a) 무차원소류력 분포를 보면 사주 B는 하도주변을 제외하면 대부분 0.1 이하 구간으로서 초본류이든 목본류이든 유년기 식생이 흐름에 의해 고사할 정도의 교란을 받지 않았을 것으로 추정된다. 여기서 발아기 및 유년기 생장에 필수적인 토양습윤은 모래하천에서 하천수위의 평행선 이상으로 지하수위가 올라가므로 부족하지 않았을 것으로 추정된다.

1995년 이후(Fig. 4) 2005년에 사주 B에서 식생은 Fig. 5에서와 같이 일부 홍수시 분기수로 역할을 하는 구역만 제외하고 완전히 활착하여 수림대를 형성하였다. 그후 2021년에는 분기수로 역할을 하던 저수로 구간(B´)도 초본류가 이입하여 활착한 것으로 보인다. 한편, 천이 상황을 파악하면 Fig. 15(a)에서와 같이 1988 - 2005년 사이에는 전체적으로 식생천이가 순방향으로 ‘진행’되는 것으로 나타났지만, 2005년 이후에는 목본식생 단계로 ‘유지’되는 경향이 나타났다. 즉, 1991년 임하댐 건설 후 조사 대상구간 사주(B)에서 식생천이가 진행되어 2023년 기준으로 목본 단계에 도달하여 ‘수림화’ 된 것으로 나타났다.

이러한 수림화-생태적 안정화 상태에서 홍수시 흐름 및 유사이송 측면을 보면 Fig. 17b에서와 같이 만곡부 유입부에서 우안에 흐름이 집중되었다가 사주 B 식생군에 의해 흐름은 하도 중앙과 좌안에 집중되었다. 흐름은 다시 사주 B 하단부에서 분산된다. 여기서 원 모래사주 상태에서 사주 B는 흐름저항이 적기 때문에 수림화된 상태의 Fig. 17b나 Fig. 19b에서와 같이 흐름이 하도에 집중(최대 3 m/s)되지 않았을 것이다. 이러한 하도 수류집중화 현상은 Fig. 18b에 잘 나와있다. 사주 B의 수림화 때문에 해당 하도의 무차원소류력이 2.0까지 나타나 수치해석 구간 중에서 가장 크게 나타난다. 사주의 수림화는 하도에 흐름을 집중시켜 강턱침식이나 하상세굴을 가속화시킬 수 있으며, 이와 유사한 현상은 문헌에 나와 있다(de Jalón et al. 2020). 수림화로 인한 홍수위험 증가 문제는 이 논문의 제2부에서 다룬다.

5. 결 론

낙동강 중상류 병산서원 앞 조사구간은 1991년 이후 1994년까지 식생이 이입, 활착되어 천이를 거쳐 2023년 기준 버드나무류 중심의 수림화가 진행되었다. 이는 조사구간에서 수문, 지형, 식생, 수리 분석을 통해 교차확인 되었다.

1991년은 임하댐 준공기간으로 그전 1976년 안동댐 준공 이후 낙동강 본류구간에서 홍수가 사실상 사라지고, 지류 반변천에서도 홍수가 조절되어 1991-1994년 동안 조사구간 사주에서 하상소류력은 최대 0.1을 넘지 못했다. 이 기간에 식생 이입, 활착의 호조건이 조성된 것으로 추정된다. 동시에 1993-1994년는 전국적으로 가물었으므로 대상구간에서 자연유량의 감소도 식생 이입/활착에 일정역할을 하였을 것으로 추정되나 본 연구에서는 두 가능한 원인을 구분하지 못하였다.

조사구간 사주에 식생은 1991년에 이입이 시작되어 현재 수림화 안정단계로 천이되었다. 이는 홍수시 흐름저항 요인으로 작용하여 2023년 7월 14일 홍수 모의 결과 최대유속 3 m/s 정도 흐름의 하도 집중화 현상이 나타났으며, 이로 인한 강턱침식 및 하상세굴 위험이 있다.

수림화로 인한 조사구간의 계획 홍수위 상승 문제 및 그에 따른 하천관리 대책에 대해서는 이 논문의 제2부에서 다룬다.