1. 서 론

식생이 분포하는 하천에는 흐름저항 증가로 인한 홍수위 상승의 부정적인 영향(Kim and Kim 2019, Woo et al. 2019)과 다양한 환경적, 생태적 이점을 포함한 긍정적인 영향(Naiman et al. 1993, Wang and Zhang 2019)이 모두 공존하기 때문에 하천의 식생관리를 위한 보다 나은 의사결정을 위해 전 세계적으로 많은 연구자들이 하천 내 식생의 공간적 분포와 흐름 특성 간의 상호작용(Madsen et al. 2001, Järvelä 2002, Nepf 2012)을 규명하고자 하는 노력을 지속하고 있다. 식생의 흐름저항을 평가하기 위한 지금까지의 연구에는 주로 개별식생의 물리적 특성과 식생밀도를 고려하여 흐름저항계수를 추정하는 방법(Baptist et al. 2007, Järvelä 2002, Västilä and Järvelä, 2014)과 식생군락(vegeation colony)이나 식생패치(vegetation patch)의 차단지수(blockage factor)에 따른 흐름저항계수를 추정하는 방법들(Champion and Tanner 2000, Nikora et al. 2008, Ji et al. 2023a, Bae 2024, Bae et al. 2024)이 제시되고 있다. 특히 직접적인 현장 모니터링이나 상공에서 촬영된 사진 이미지를 분석하여 식생 배열을 균일하게 단순화하거나 자연 종자의 이동에 따른 배열을 고려한 이질적인 식생 분포 형태를 적용한 후 흐름 저항, 유속 분포, 난류 특성, 하상 변동 등의 특성을 분석한 연구들이 수행되어 왔다 (Pietri et al. 2009, Dijk et al. 2013, Cornacchia et al. 2019, Liu and Shan 2022, Licci et al. 2022, Kazem et al. 2021, Li et al. 2022, Ji et al. 2023b). 그러나 Cornacchia et al. (2023)은 대부분의 연구에서 적용된 식생 분포 형태와 배열은 실제 하천에서 관찰되는 식생의 복합적인 공간 분포 특성을 충분히 반영하는 데 한계가 있다고 지적한 바 있다.

Schoelynck et al. (2018)는 수생식생(aquatic vegetation) 군락에 대해 단일 또는 여러 종의 식물들이 분포하는 밀도 및 군락 경계의 모호함의 정도에 따라 식생 분포 특성을 네 가지로 구분한 바 있다. 구체적으로는 명확한 경계를 가진 단일종 식생패치, 밀도가 점진적으로 변화해 경계가 비교적 모호한 단일종 식생패치, 여러 식물종이 얽혀 경계가 모호한 식생패치, 여러 개의 식생패치가 함께 존재하여 하나의 큰 패치처럼 작용하는 형태로 구분하였다. Cornacchia et al. (2023)은 주로 물에 잠긴 상태를 유지하는 수중 식생의 공간적 분포를 개별 식생, 식생패치, 다중 식생패치와 같이 단계별로 구분하여 식생패치의 정면 높이, 평면 최대 폭과 길이, 패치 간 중심점 거리와 최소, 최대 거리를 산정하였고, 생태수리학 실험 설계에 자연 식생패치의 분포 특성을 반영하고자 하였다. Bae (2024)는 내성천의 일부 구간에서 식생패치의 분포 특성을 조사하여 단일 식생패치와 여러 개의 식생패치가 모인 군집 식생패치 형태를 정의하였고, 패치의 평면 폭, 길이, 면적과 여러 개의 식생패치에 대해 종방향과 횡방향으로 겹치는 정도를 정량화 하는 평면 기하학적 변수들을 제안한 바 있다.

그러나 현장에서 관측되는 하도 내 식생분포 형태 및 기하학적 특성은 식생이 이입되고 활착 되는 위치와 시점에 따라 식생군락이나 식생사주(vegetated bar)의 형태가 매우 복잡하고 다양하며 흐름특성과 하상변동에 따라 그 위치나 형태가 변화하기도 한다. 국내에서는 Lee et al. (2023)이 1991년부터 2019년까지 내성천의 위성 사진, 항공 사진 등과 랜덤 포레스트 알고리즘을 활용하여 하도 내 수역, 초본식생 영역, 목본식생 영역 등의 피복 분류 변화를 분석하였으며, 이를 통해 내성천의 식생 영역 확장을 정량적으로 제시한 바 있다. 이러한 연구를 통해 수집된 항공사진 및 하도 내 지표피복 분류 결과들은 실제 하천의 복잡한 식생분포 형태와 기하학적 특성을 규명하는데 적극 활용될 수 있다. 특히, 기존 식생하도(vegeataed channel) 연구에서 적용된 정형화된 식생이나 식생패치의 배열을 실제 하천의 형태로 개선하여 실제 하천의 식생사주 및 식생패치를 모사한 다양한 분석 연구를 수행하는 것은 식생하도 연구를 통해 도출되는 결과의 적용성과 신뢰성을 제고하는데 반드시 필요한 과정이라고 할 수 있다.

따라서, 본 연구에서는 내성천 항공 라이다 측량사진 수집을 통해 식생사주의 공간적 분포 형태를 분류하고, 평면 기하 특성을 정량화 함으로써, 이질적인 식생패치 또는 식생사주의 분포 형태를 분석하고자 한다. 이를 위해 식생사주의 공간적 분포의 유형을 구분하고, 식생사주의 길이, 폭, 면적, 종횡비, 중첩비율과 같은 이질적인 공간적 배치 형태를 정량화 하기 위한 평면 기하 변수들을 산정하였다. 본 연구에서는 하천 상류에서부터 하류, 전 구간을 포함하는 광역 하천에 분포하는 식생사주에 대해 범용적으로 적용 가능한 평면 기하 변수를 정의하고 각 유형별 식생사주의 분포 특성을 분석하였다.

2. 연구 방법

2.1 대상 하천

본 연구의 대상 하천인 내성천은 낙동강 제1지류로서 경상북도 봉화군 물야면 오전리에서 발원하여 본류로 합류하는 모래하천이다 (Hwang et al. 2013). 법정 유로연장은 108.2 km로, 이 중 상류와 중류 부근에는 지방하천 구간에 80.29 km, 국가하천 구간은 27.91 km이다 (Lee et al. 2019). 연구 대상 구간은 내성천의 상류에 위치한 영주댐에서 4 km 하류의 서천 합류 지점(경상북도 영주시 문수면)부터 낙동강과 합류하는 지점(경상북도 예천군 용궁면)까지 구간을 대상으로 진행하였다(Fig. 1(a)). 연구 구간은 총 57 km로, 영주댐 하류 4 km 구간에서 시작하여 낙동강 합류부까지 이어진다. 하상 경사는 0.09% - 0.17%, 하폭은 상류에서 약 100 m, 중류 및 하류에서는 약 450 m로 넓어진다 (Lee et al. 2023). 내성천 하상토의 입자 중간 크기는 0.92 mm에서 1.63 mm로, 주로 유역의 풍화된 화강암에서 기인한 조립 사질이다. 유역 면적은 1,814 km²이고, 연간 강수량은 평균 1,239 mm이며, 이 중 66%는 6월부터 9월까지의 우기에 집중된다 (Lee et al. 2019).

Lee et al. (2023)에 따르면 내성천 수변 식생은 2014년에서 2015년까지 이어진 가뭄 기간 동안 확산이 급격히 증가했으며, 특히 2013년부터 2019년까지 식생 면적이 3.5배 이상 증가한 것으로 나타났다. 영주댐으로부터 약 17 km 하류 구간에 대해 2013년과 2020년의 항공사진을 비교해보면, 사주 내 식생이 분포하는 면적이 눈에 띄게 증가한 것을 확인할 수 있다(Fig. 1(b)). 이는 가뭄과 같은 단기적인 수리수문학적 변화 뿐만 아니라, 장기적인 기후 변화에 의한 기온 변화, 흐름이나 토양 내 영양염류의 정도, 댐 건설 등의 복잡한 요인 등에 따라 발생한 것으로 추측하였다 (Lee et al. 2023). 본 연구에서는 하도 내 식생 분포 비율이 현저히 증가한 2020년 9월 경 대상 구간에 대해 촬영된 공간 해상도 0.25 m/px의 디지털 RGB 정사 항공사진을 활용하였다.

Fig. 1.

Study section in Naesungcheon stream: (a) location of study area on contour map, and (b) changes in vegetated bars between 2013 and 2020.

2.2 식생사주의 평면 기하 변수

Pickett et al. (1997)과 Erickson et al. (2005)에 따르면 식생패치(vegetation patch)란 특정 생태계 내에서 주변 환경과 구별되는 작은 규모의 식생 밀집 구역을 의미하며 단일 또는 다양한 종의 식생군락이 포함된다. Naden et al. (2006), Kleeberg et al. (2010), Schoelynck et al. (2014)은 식생이 밀집한 구역과 그 주변의 빈 영역까지 식생패치로 간주하였다. 식생패치는 모래 하상이 잘 발달된 충적하천에서 사주의 이동과 변화 과정에 큰 영향을 미친다 (Park et al. 2008). 또한 식생이 없던 이동사주에 식생의 정착 및 영역 확장에 따라 점차 여러 개의 식생패치가 존재하는 정지사주로 바뀌는 경향이 있음이 확인된 바 있다 (Lee et al. 2008). 따라서 본 연구에서는 내성천의 모래사주 내에서 식생이 밀집한 구역과 그 주변의 빈 영역까지를 모두 포함한 전체 사주를 식생패치로 간주하고 이를 식생사주로 정의하였다.

식생사주의 기하학적 특성을 정량화 하기 위한 평면 기하 변수는 선행연구(Cornacchia et al. 2023, Bae 2024)에서 정의된 변수를 주로 참고하였으며, 이를 종합하면 Table 1과 같다. Cornacchia et al. (2023)과 Bae (2024)가 공통적으로 제안한 식생패치의 최대 길이와 폭을 L_p와 W_p로 정의하고 Bae (2024)에서 활용한 식생패치의 종횡비(aspect ratio of patch, L_p / W_p)를 본 연구에서도 산정하였다. 또한 Bae (2024)가 규정한 식생패치의 수평 캐노피 면적(horizontal patch canopy area, A_b,p)을 산정하기 위해 항공사진 촬영 당시의 수위를 기준으로 노출된 영역의 경계를 디지타이징한 후 생성된 폴리곤의 면적을 계산하였다. 동시에 하도 내 식생사주의 상대적 평면 위치(e.g. centroid or bankside)도 변수화 하였다. 또한 Kazem et al. (2021), Bae (2024), Bae et al. (2024)은 식생패치의 폭, 흐름을 차단하는 면적과 부피 등의 변수를 연구에 활용한 바 있다. 본 연구에서는 흐름차단 면적과 부피와 유사하게 구간 내 최대 하폭(W)대비 식생사주의 최대 폭(W_p)의 비율(max. blockage width ratio, W_p / W)을 식생사주의 공간 분포 특성을 나타내는 변수로 추가하였다.

Cornacchia et al. (2023)은 여러 개의 식생패치가 분포하는 특성을 나타내는 변수로 패치 중심점 간 거리, 패치 간 최소 거리와 최대 거리를 제안하였다. 본 연구에서는 Cornacchia et al. (2023)의 변수를 참고하여 여러 개의 식생사주 간의 중심점 거리(d_c)를 산정하였다. 또한 Bae (2024)의 경우, 여러 개의 식생패치가 일정 구간 내에 분포하는 경우 전체를 하나의 그룹 패치로 구분할지 혹은 일정한 간격의 독립된 패치들로 구분할지를 결정하기 위해 패치 간 종방향 간격(longitudinal patch interval, L_p’)과 횡방향 패치 간격(lateral patch interval, W_p’)을 측정하고 종방향 중첩 비율(longitudinal-overlapping ratio, L_OR)과 횡방향 중첩 비율(lateral-overlapping ratio, W_OR)을 산정하였다. 각 변수는 구간 내 두 개 이상의 패치가 분포할 때 패치의 최대 길이(L_p) 대비 종방향 간격(L_p’), 패치의 최대 폭(W_p) 대비 횡방향 간격(W_p’)으로 정의되었으며 L_OR과 W_OR 값이 1보다 작으면 그룹 패치로 규정하였다. 본 연구에서도 이러한 변수를 참고하여, 여러 개의 식생사주가 분포하는 구간에서 종방향 및 횡방향 간격을 측정하고, 중첩 비율을 산정하여 식생사주를 단일 또는 군집 형태로 구분하였다. 이를 통해 구간 내 식생사주의 분포 특성을 보다 명확하게 파악하고자 하였다.

본 연구에서는 식생사주 및 식생패치의 평면 기하 변수들을 정량화 하기 위해 대상 하천의 항공사진을 QGIS (ver. 3.34.8.)를 이용하여 분석하였다. Fig. 2와 같이 매뉴얼 디지타이징을 통해 식생사주에 대한 좌표 및 위치 정보가 포함된 폴리곤을 생성하고 다각형 형상의 폴리곤에 대해 경계상자를 만들거나 중심점을 추출함으로써 식생사주의 최대 길이와 폭을 산정하고 여러 개의 식생사주가 모여 있는 구간에 대해 각 사주 간 중심점 거리 등을 측정하였다.

Fig. 2.

Manual digitization process in QGIS.

3. 연구 결과

3.1 식생사주의 평면적 형상 분류 및 특성

내성천의 2020년 항공사진을 이용한 식생사주의 평면적 형상 분류 결과, 식생사주의 분포 형태를 크게 네 가지로 분류할 수 있었다. 식생사주가 독립적으로 존재하는 단일 식생사주(Single vegetated bar), 여러 개의 사주가 모여 함께 한 구간을 차지하는 경우인 군집 식생사주(Grouped vegetated bars), 길이가 길고 면적이 넓어 홍수터와 구분이 어려운 점사주 및 교호사주가 연속적으로 분포하는 경우(Vegetated alternate/point bars), 그리고 넓고 긴 사주 및 홍수터와 단일 혹은 다수의 식생사주가 함께 존재하는 경우(Vegetated floodplain with single or multi-vegetated bars)로 분류된다.

먼저 단일 식생사주는 근처에 다른 식생사주가 없이 단독으로 존재하는 식생사주이다. 모래사주 위 식생은 전체 또는 부분적으로 분포하며, 하도 중앙의 하나의 식생사주를 둘러 흐름이 두 갈래로 나뉘거나 홍수터에 가까이 붙은 경우 하나의 지배적인 하도 흐름이 존재한다. Fig. 3에서 확인할 수 있는 것과 같이 단일 식생사주는 대상 구간 내 총 식생사주 면적의 약 3%만을 차지하고 있다. 이는 단일 식생사주는 상대적으로 분포율이 높지 않으며, 내성천에서는 식생사주가 독립적으로 분포하는 경우가 드물다는 것을 의미한다. 군집 식생사주는 두 개 이상의 단일 식생사주가 불규칙한 간격으로 분포하여 주변 물길이 여러 갈래로 나뉘는 형태이다. 대상 구간 내 총 식생사주 면적 중 약 6% 정도를 차지하는 분포 형태로, 단일 식생사주와 같이 비교적 출현율이 낮은 편이다. 식생이 분포한 교호사주 및 점사주는 전체 또는 부분적으로 식생이 우거진 사주이며, 비교적 길이가 길고 하도 만곡부 내측 또는 직선하도의 양안에 반복적으로 분포하는 형태이다. 전체 식생사주 면적의 약 59%를 차지한다. 특히 만곡도가 높은 내성천의 만곡부 내측에 발달한 점사주 위에서는 식생이 성장하고 활착하기에 좋은 환경이 제공되었을 것으로 예상된다. 마지막으로, 식생이 우거진 홍수터와 단일 또는 다수의 식생사주가 하도에 분포하는 형태는 주로 내성천의 하류 구간에 분포하며 넓게 확장된 홍수터와 하나 또는 여러 개의 식생사주가 함께 존재하는 복잡한 형상이다. 대상 구간 내 전체 식생사주 면적의 약 32%를 차지하는 분포 형태이며 하류에서 높은 빈도로 관찰된다. 항공사진 분석으로는 하류의 비교적 직선 하도인 구간에서 양안에 반복적으로 분포하는 식생 교호사주와 식생이 우거진 홍수터의 명확한 구분이 어려우며 하나 또는 여러 개의 식생사주가 하도 내에서 함께 분포하기도 한다.

내성천 하도에 대한 식생사주 평면형태 유형 분석 결과, 식생이 우거진 교호사주와 점사주 및 홍수터와 하도 내 단일 또는 다수의 식생사주가 함께 분포하는, 비교적 복잡한 형태의 두 유형이 전체 식생사주 면적의 90% 이상을 차지하는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 3). 이는 내성천 내 식생사주는 흐름 내 규칙적이고 단순한 형태로 존재하기보다 여러 형태가 혼재된 상태로 분포하는 경우가 대부분이라는 결과를 보여준다.

Fig. 3.

Occupied area and proportion by distribution type of vegetated bars along the study site.

3.2 우점 식생사주 분포 형태의 정량적 평면 기하

2020년 내성천 항공사진 분석 결과, 식생사주에서 두 가지 주요 분포 형태가 관찰되었다. 해당 절에서는 대상 구간의 상류, 중류, 하류에 비교적 균일하게 분포하는 연속적인 식생 점사주 형태와 하류에서 비교적 높은 분포도를 보이는 넓은 홍수터와 다수의 식생사주가 함께 존재하는 형태에 대해 기히학적 변수들의 산정 결과를 기술하였다.

첫 번째 사례(Fig. 4(a))는 대상 구간의 하류 구간인 낙동강 합류부로부터 30 km 상류에 존재하는 식생사주이다. 하천 만곡부 내측에 주로 존재하는 점사주가 발달된 상태이며, 식생이 사주 내 부분적으로 분포한다. 각 사주의 종횡비는 3:1 - 5:1로 확인되었으며, 면적은 55,388 m² - 221078 m² 로 비교적 큰 형태이다. 최대 하폭 대비 식생 사주 폭의 비율은 약 90% 이상이었지만 해당 사주는 식생이 부분적으로 덮여 있어 실질적인 흐름 차단에 유효한 폭은 그 이하였다. 식생사주 간 중심점 거리는 약 700 m에서 1,235 m 사이였다.

두 번째 사례(Fig. 4(b))와 같은 유형은 하류 구간 전반에 걸쳐 분포하며 식생의 밀도가 높은 비교적 넓은 홍수터와 다양한 크기를 갖는 여섯 개의 식생사주가 함께 분포하는 형태이다. 사주의 면적은 작게는 1,581 m² 부터 최대 13,145 m²로 다양하다. 해당 구간에서는 홍수터의 폭이 하폭의 40 % 이상을 차지하였으며, 하도 내 그룹 형태의 식생사주들만으로 차단된 폭은 약 42% 로, 전체 하도가 횡방향으로 총 80 % 이상 식생영역으로 인해 차단된 것을 확인할 수 있었다. 각 사주의 종횡비는 약 3.7:1 - 5.9:1로 비교적 균일한 비율을 보였고 사주 간 중심점의 거리는 최소 78 m에서 최대 534 m로 가깝게 분포하는 편에 속했다. 여러 개의 사주가 가까운 거리에 분포하는 만큼 종적 및 횡적 중첩 비율도 다른 구간에 비해 높았다. 특히, 횡적으로는 거의 일렬로 나열된 듯한 분포를 보였으며, W_OR은 0.13- 0.7이었고, L_OR은 0.55 - 0.78의 비율을 보였다. 분석결과는 Table 2와 같이 정리하였다.

Fig. 4.

Quantification of plane geometric properties of vegetated bars along Naesungcheon stream: (a) vegetated point bars, and (b) vegetated floodplain with multi-vegetated bars.

4. 고 찰

본 연구에서는 식생사주의 공간적 분포를 분석하는 과정에서 모래사주 내 식생패치가 존재하는 영역과 그 주변의 빈 영역까지를 모두 포한 영역을 식생사주로 정의하고 분석하였다. 이는 식생이 없던 이동사주에서 식생의 정착 및 영역확장에 따라 여러 개의 식생패치가 존재하는 정지사주로 바뀌는 내성천의 하도 변화 특성(Lee et al. 2008)을 고려한 것이다. 본 연구에서 도출한 결과들은 내성천과 같은 우리나라 하천에서 식생사주의 공간적 분포와 발달 특성을 이해하고 이로 인해 발생하는 흐름저항의 산정과 홍수위 변화를 분석하는데 적극 활용될 수 있다. 식생군락이나 식생사주가 흐름에 저항하는 정도를 나타내는 흐름저항계수(조도계수)는 식생패치가 흐름을 차단하는 정도를 나타내는 차단면적이나 차단지수에 따라 다르게 산정된다. 특히, 버드나무와 같은 목본성 식생의 경우 식생패치 내 분포하는 식생의 밀도 보다는 식생패치나 식생사주의 공간적 차단 정도가 흐름저항계수 상승에 더 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다 (Bae et al. 2024). 따라서, 식생사주의 발달 정도에 따른 차단면적 또는 차단지수의 정확한 산정이 흐름저항계수의 산정 정확도를 높일 수 있다. 식생하천의 정확한 흐름저항계수 산정은 극한홍수 발생으로 인한 홍수위 상승 예측 정확도를 높이는데 기여할 수 있으며, 이를 기반으로 홍수범람 위험을 사전에 분석함으로써 식생관리를 위한 합리적 의사결정이 가능하다.

본 연구에서는 내성천을 대상으로 2020년 항공사진을 활용하여 하도 내에 분포하는 식생사주들의 공간적 형태를 구분하고, 우점 분포 형태에 대해 평면 기하 변수를 정량적으로 산정하였다. 내성천에는 식생이 우거진 교호사주 및 점사주가 형태가 하도 전반에 걸쳐 분포 비율이 가장 높은 것으로 나타났으며, 다음으로는 홍수터 식생과 함께 하도에 단일 또는 다수의 식생패치가 복합적으로 존재하는 형태가 많았다. 내성천 내 식생사주가 흐름 내에서 규칙적이고 일정한 형태로 존재하기보다는 단순화하기 어려운 다양한 형태가 혼재하는 경우가 대부분이었다. 또한, 종방향 길이가 비교적 긴 넓은 면적의 점사주, 교호사주, 확장된 홍수터 형태의 식생사주가 하도의 중앙보다는 하안으로 치우쳐 분포하고 발달하는 경향이 있음을 확인하였다. 이러한 현상은 내성천의 수리수문 특성에 따라 모래사주가 발달하는 특성과 모래사주에 식생이 이입되어 천이 되는 과정이 복합적으로 영향을 미쳤기 때문인 것으로 해석된다. 또한 이러한 복합적인 형태의 식생사주 발생은 내성천이 자연하천에 가까운 하천이지만 여전히 하천 종단시설물인 제방으로 인해 하도의 횡방향 이동이 제한되는 개수 하천이라는 사실과 연계하여 해석할 수 있다.

5. 결 론

본 연구에서는 항공사진 이미지 디지타이징을 통해 내성천에 분포하는 각 식생사주들의 폴리곤을 생성하여 이질적인 식생사주의 공간적 분포를 분석하였으며, 식생사주의 형태와 크기, 군집 정도에 따라 네 가지 분포 형태로 분류하였다. 본 연구에서 제시한 내성천 식생사주의 공간적 분포 유형 중 90% 이상을 차지하는 우점 형태 유형 중 식생 점사주 및 교호사주 유형은 사주의 면적이 넓고 중심점 간 거리가 비교적 먼 편에 속해 종횡방향으로 중첩되어 분포하는 경우는 적었으며, 사주 위 식생이 부분적으로 분포하는 경우가 많았다. 반면, 홍수터와 다수의 식생사주가 혼재하는 유형에서는 비교적 조밀한 간격으로 여러 개의 사주가 군집한 상태로 분포하여 중첩비율이 높았다. 그리고 유형에 관계없이 대부분의 식생사주는 종횡비가 최소 약 3:1에서 최대 약 6:1로, 종방향 길이가 긴 편에 속하였다.

본 연구에서 도출한 결과들은 내성천과 유사한 국내 하천의 식생사주 분포 특성을 이해하고, 식생사주 혹은 식생군락이 홍수위 상승에 미치는 영향을 분석하는데 매우 중요한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다. 이를 통해 홍수 피해를 최소화할 수 있는 식생관리 및 하천관리를 위한 의사결정이 가능할 수 있으며, 하천환경정비사업 및 하천복원 사업의 효과를 극대화할 수 있는 설계를 위한 기초 자료로도 활용될 수 있을 것이다.