Short Communications

Ecology and Resilient Infrastructure. June 2021. 79-87
https://doi.org/10.17820/eri.2021.8.2.079

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 연구 방법

  • 3. 결과 및 고찰

  • 4. 결 론

1. 서 론

하천생태계에서 하안식생과 수문 및 지형 특성은 밀접하게 관련되어 있다 (Hupp and Osterkamp 1996). 하천에서 식생은 다양한 환경에 영향을 받을 뿐만 아니라 역작용으로 환경에 영향을 미치는 상호작용을 하고 있다 (Woo et al. 2019). 이러한 하천 환경요인 중에서 특히 홍수는 식생의 파괴 및 재생에 영향을 미치는 결정적인 환경요인이다 (Benjankar et al. 2020). 뿐만 아니라 하안식생이 홍수의 수리수문적 특성에 영향을 미치게 된다 (Darby 1999). 따라서 하천생태계의 생물다양성과 생태계 서비스 보전의 기반이 되는 하안식생이 홍수 재해와 밀접히 연관되므로 이들 식생의 생태적 관리가 필요하다 (Riis et al. 2020).

우리나라는 동아시아 몬순 기후대에 속하여 연강수량의 50% 이상이 여름에 집중되어 홍수 재해 위험이 크다. 2020년 여름 장마기간에 전국 강수량이 평균 840 mm로서 예년에 비하여 약 1.7배 많았다 (Mun et al. 2020). 특히 섬진강 유역에서는 장마 기간 강수량이 예년에 비하여 2배 많은 1,000 mm를 초과하여 역대 최대의 홍수가 발생하였다 (Mun et al. 2020). 이러한 기록적인 대홍수의 물리적 교란에 의하여 섬진강에 정착한 하안식생이 대규모 훼손되었다. 또한 지역에 따라서는 식생에 의한 흐름 저항의 증가는 홍수위를 상승시키는 등 제내지 범람의 주요 원인으로 제기되기도 한다.

따라서 본 연구의 목적은 섬진강에서 2020년 여름에 발생한 대홍수에서 수리적 특성과 하안식생의 관계를 파악하기 위하여, 하안식생에 의한 홍수위 변화를 추정하고 홍수 교란이 하안식생의 훼손에 미치는 영향을 규명하는 것이다. 이러한 결과를 바탕으로 치수안정성의 확보와 하천 생물다양성 보전을 위한 하안식생 관리에 대하여 논의하고자 한다.

2. 연구 방법

섬진강은 한반도의 남쪽에 위치하며 남해로 유출된다. 이 강의 본류 길이는 222 km이고 유역면적은 4,897 km2이다 (MOE 2021a). 연강수량은 1,300 mm가 넘고 6월부터 8월까지 강수량이 연강수량의 약 60%가 넘는 동아시아 몬순 기후의 특성을 나타낸다 (KMA 2021). 강의 상류에는 섬진강댐과 주암댐이 설치되어 있다. 섬진강의 하상은 일반적으로 상류부터 하류로 전석, 호박돌, 자갈, 모래 등의 순서로 분포되어 있지만, 일부 구간은 다양한 크기가 혼재되어 있다.

2020년 대홍수에서 하안식생과 수문특성의 관계를 조사하기 위하여 섬진강에서 2개 조사구간을 선정하였다 (Fig. 1). 조사구간 ‘가정’은 하구로부터 66.2 km 상류인 전남 곡성군 오곡면 송정리의 폐역인 가정역 앞에 위치하고 구간 길이는 0.9 km이다. 또 다른 조사구간인 ‘하한’은 가정 구간으로부터 5.3 km 하류인 전남 곡성군 죽곡면 하안리의 하안천이 유입되는 곳에 위치하고 구간 길이는 1.5 km이다. 선정된 조사구간에서 홍수 후 훼손 양상이 상이한 식생을 찾아 각각 2개 조사지소를 선정하였다. 조사구간 가정에서는 버드나무류 조사지 (G-1)와 상수리나무 조사지 (G-2)를, 조사구간 하한에서는 관목 버드나무류 조사지 (H-1)와 교목 버드나무류 조사지 (H-2)를 선정하였다.

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Fig. 1

Step-by-step habitat survey and National Park mapping procedure.

2020년 8월의 홍수를 재현하기 위한 수치모델은 이차원 비정상(unsteady) 흐름을 모의하는 Nay2DFlood를 이용하였다 (Shimizu et al. 2015). 모의 구간은 두곡교-구례교 사이의 13.4 km이었다 (Fig. 1). 하천 지형 자료는 WAMIS로부터 구하였다 (MOE 2021b). 계산 격자 크기는 10 m × 10 m로 하였고 불규칙한 하천지형에 맞추어 부분적으로 수정하였다. 계산 시간 단위는 0.05초로 설정하였다. 경계조건은 영산강홍수통제소의 측정자료를 이용하였다 (YRFCO 2021). 해당 홍수사상에서 고달교 측정소의 최대유량을 상류 하천 모의 경계로 이용하였다. 지류로부터 유입량은 태안교 측정소의 자료를 이용하였다. 수리모의에 식생의 영향을 반영하기 위하여 조사지 식생조건에 따라서 Manning 조도계수를 산정하였다. 모의구간의 식생분포는 Sentinel-2A의 다분광영상을 이용하였다 (ESA 2021). 먼저 수역은 수정정규차수면지수 (modified Normalized Difference Water Index, mNDWI)로부터 추출하였다 (Xu 2006). 수역을 제외한 육역에서는 정규차식생지수 (Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)에 의하여 식생을 6 등급으로 분류하였다 (Tucker 1979). 식생별 조도계수는 하상재료에 대한 조도계수 (0.025)에 식생에 의한 부가 조도계수를 합하여 산정하였다 (Arcement and Schneider 1989). 최종적으로 적용된 조도계수는 나지 0.025, 작은 식생 0.026, 중간 식생 0.036, 큰 식생 0.050, 아주 큰 식생 0.075, 최대 식생 0.125이었다. 모의 결과는 모의구간의 중간에 있는 예성교 측정소의 측정치로 검증하였는데 상대오차는 0.4%이었다.

홍수에 의한 수목의 반응을 파악하기 위한 현장조사는 2020년 10월 14-15일에 실시하였다. 각 조사지에서 수목을 임의로 선정하여 수목의 수령과 형태를 측정하였다. 수목의 수령은 줄기를 톱으로 절단하여 나이테를 측정하였다. 또한 수목의 형태로서는 기저직경, 높이, 수관아래 높이, 수관 폭, 줄기의 넘어진 각도를 측정하였다. 줄기의 기저직경은 줄자를 이용하여 관목은 지상 위 30 cm에서 줄기 둘레, 교목은 가슴높이 줄기 둘레를 측정하였다. 수목의 높이는 지면으로부터 줄기 최상부까지의 길이를, 수관아래 높이는 지면으로부터 수관 아래 줄기까지 길이를 측정하였다. 수관의 폭은 수관의 장경과 단경을 측정하여 평균을 구하였다. 줄기의 넘어진 각도는 지면의 수직선을 기준으로 줄기의 기운 각도를 휴대폰의 각도 측정 앱을 이용하여 측정하였다.

대홍수 후의 하안식생의 변화를 파악하기 위하여 대홍수 전과 후의 항공사진을 이용하였다. 대홍수 전의 항공사진은 국립지리원에서 제공하는 해상도가 0.25 m인 항공영상을 이용하였는데 조사구간 가정과 하안은 각각 2017년과 2019년 10월에 촬영된 것이었다 (NGII 2020). 두 조사구간에서 대홍수 후의 항공사진은 2020년 10월 15일에 무인항공기 (Phantom 4 pro, DJI, China)로 직접 촬영하여 OpenDroneMap (ODM 2020)을 이용하여 0.25 m 해상도로 제작하였다. 확보된 항공영상에서 0.25 m × 0.25 m 격자마다 적색, 녹색, 청색 지수를 추출한 뒤 초과녹색지수 (excess green index)와 초과적색지수 (excess red index)를 산출하고 식생/비식생으로 이진화하였다 (Meyer and Neto 2008). 최종적으로 대홍수 전후에 격자별로 식생 존재여부를 판정하여 식생의 유지, 파괴 및 유입으로 구분하였다.

3. 결과 및 고찰

섬진강 유역에서는 2020년 여름 장마에 기록적인 강우가 발생하여 본류에서 100년 빈도 설계홍수량을 크게 상회하였다 (YRFCO 2021). 섬진강 유역에 위치한 순창 관측소에서 2020년의 연강수량은 2,134 mm로서 1963년 이후 연평균강수량은 1,359 mm의 1.6배이었다 (Fig. 2). 여름 장마기간인 2020년 8월 8일의 일강수량인 361 mm는 1963년 이후 최대이었으며 최대일강수량의 평균인 120 mm의 3배이었다 (Fig. 2). 또한 2020년 8월 7-8일의 2일강수량인 515 mm는 1963년 이후 최대이었으며 최대2일강수량의 평균인 158 mm의 3.3배에 달하였다 (ㄱFig. 2).

2020년 8월 7-8일에 섬진강 유역에서 기록적인 강우가 발생함에 따라서 섬진강 본류의 수위도 급격하게 증가하였다. 본 연구의 조사구간보다 5 km 하류에 위치한 구례교 관측소에서 최대 수위는 2020년 8월 8일에 EL. 32.7 m에 달하였다 (Fig. 2). 이 수위는 1963년 이후 연중 최대수위의 평균인 EL. 27.4 m보다 5.3 m가 높았고, 2019년 이전 최대수위인 2010년 EL. 30.7 m보다 2.7 m가 높았다. 또한 본 연구의 두 조사구간 중간에 위치한 예성교 관측소에서 수위는 8월 7일 오후 2시에 EL. 32.5 m로부터 급격히 증가하여 8일 오후 3시에 최대 수위인 EL. 43.1 m에 도달하였다 (Fig. 3).

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Fig. 2

Annual, maximum daily, and maximum 2-day precipitations at the Sunchang rainfall gauge station, and maximum water elevation at the Gurye Bridge stage gauge station of the Seomjin-gang River. The Sunchang gauge station is located 34 km upstream from the Gurye Bridge gauge station. The dashed line indicates the mean value (data from FRFCO, 2021).

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Fig. 3

Changes in the water level from August 7, 2020, to August 9, 2020, at the Yeseong-bridge stage gauge station of the Seomjin-gang River (data from YRFCO, 2021).

2020년 8월 8일 최대 유량으로서 수리모의를 한 결과에서 따르면, 가정 구간의 A-A’과 B-B’ 단면에서 수위는 각각 EL. 47.5 m와 EL. 47.0 m이었고 하한 구간의 C-C’과 D-D’에서 각각 EL. 41.2 m와 EL. 40.0 m이었다 (Fig. 4). 한편 식생을 제거한 조건으로 모의하면 해당 홍수 사상에서 식생이 존재하는 대조 조건보다 수위가 감소하였는데, 수위 감소폭은 대체로 최대 1 m이었다 (Fig. 4). 대홍수시 각 조사지의 수리적 특성을 비교하면 수심은 G-2에서 가장 깊었고, 유속은 하한이 가장 조사지보다 빨랐으며 특히 H-1에서 가장 컸다 (Table 1). 전단응력 (shear stress)은 하한이 가정 조사지보다 4배 이상 커서, 하안 조사지가 가정 조사지보다 홍수의 물리적 교란력이 큰 것으로 파악되었다 (Table 1).

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Fig. 4

Comparison of water levels across the river when the vegetation was removed (dashed lines) and maintained (solid lines) at the maximum water level during the flood on August 8, 2020. The location of the section is shown in Fig. 1.

Table 1.

Hydraulic characteristics of the extreme flood at the sites on the Seomjin-gang River, South Korea, on August 8, 2020 (mean±SD, n=replicates). The location of the sites is shown in Fig. 1

Site Water depth (m) Water velocity (m/s) Shear stress (N/m2) n
Gajeong G-1 11.8±1.2 2.5±0.7 172±113 15
G-2 9.9±0.5 1.6±0.1 144±66 5
Hahan H-1 9.9±0.4 5.7±0.2 688±215 7
H-2 8.3±0.1 3.2±0.1 629±224 3

섬진강의 대홍수가 하안 식생에 미치는 영향은 광범위하고 다양하게 나타났다 (Fig. 5). 섬진강의 하안식생은 주로 버드나무 (Salix koreensis), 선버들 (S. subfragilis), 왕버들 (S. glandulosa), 키버들 (S. koriyanagi)과 같은 버드나무류가 분포하였고 조사구간 가정의 조사지 G-2에서는 상수리나무 (Quercus acutissima)가 고도가 높은 곳에서 강변을 따라서 줄지어 분포하였다. 조사구간 가정의 조사지 G-1에서는 수령 약 10년, 기저직경 14 cm, 수관 폭 3.9 m, 수고 5.5 m에 달하는 버드나무류가 평균 수직 방향에서 약 44°기울어져 있었다 (Table 2). 한편 조사지 G-2에서는 수고 17 m의 상수리나무가 홍수 후에도 줄기가 직립하여 있었는데 수관이 지면으로부터 5 m 이상에 위치하고 있었다. 따라서 이곳에서 버드나무류는 수관이 지면이 근접하여 홍수류에 영향을 크게 받지만 상수리나무 수관이 높이 형성되어 수류의 영향을 적게 받는 것으로 생각된다. 한편 조사구간 하한에서는 저수로에 가까운 사주 (H-1)에 분포하는 수고가 평균 2.6 m인 버드나무류는 대홍수에 의하여 약 30°가 기울어진 반면에 좀더 제방에 가까운 곳 (H-2)에 위치한 수고가 보다 큰 6.7 m의 버드나무류가 거의 지면에 완전히 쓰러져 있었다. 이상의 결과로 보아서 하안식생의 홍수교란에 대한 훼손도는 수목의 수고 및 수관의 공간적 분포에 의하여 크게 영향을 받는 것으로 생각된다. 일반적으로 연목인 버드나무류에서는 수고가 높을수록 대홍수의 물리적 교란에 민감하고 경목의 참나무류인 상수리나무는 수고가 큼에도 불구하고 수관이 높게 형성되어 대홍수의 교란에 견딘 것으로 생각된다.

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Fig. 5

Photographs of riparian trees at the study sites after the extreme flood on August 8, 2020. The location of the site is shown in Fig. 1.

Table 2.

Response of the riparian trees to the extreme floods at the sites on the Seomjin-gang River.

Site Tree species Ia
(°)
Ds
(cm)
Ht
(m)
Hc
(m)
Dc
(m)
At
(yr)
n
Gajeong G-1 Salix spp. 43.9±21.7 13.7±7.2 5.5±2.4 0.8±0.6 3.9±2.0 10.3±3.3 15
G-2 Quercus acutissima 0 - 16.7±3.1 4.9±1.0 7.9±3.1 - 5
Hahan H-1 Salix spp. 29.5±11.3 5.0±2.3 2.6±0.6 2.6±0.6 1.1±0.5 10.6±4.1 10
H-2 Salix spp. 87.0±5.2 31.3±15.0 6.7±1.4- - 4.3±2.4 - 3

* Ia: Inclination angle of the stem; Ds: Basal diameter of the stem; Ht: Height of the tree; Hc: Height below the canopy; Dc: Diameter of the canopy; At: Age of the tree; n: Replicates.

** Salix spp.: Salix glandulosa, S. koreensis, S. koriyanagi, S. subfragilis

2020년 대홍수에 의하여 하안식생의 분포가 크게 변화하였다. 조사구간 가정에서는 2020년 대홍수전 식생분포지 중에서 대홍수후 식생이 파괴되어 나지가 된 곳이 76%, 유지가 된 곳이 24%이었다 (Fig. 6, Table 3). 식생 파괴는 조사구간의 전역에서 일어났으며 유지된 곳은 주로 상류 우안 지형이 높은 곳이었다. 조사구간 하한에서는 대홍수후 식생이 파괴되어 나지가 된 곳이 80%, 유지가 된 곳이 20%로서 가정 구간과 유사한 변화를 나타내었다 (Fig. 7, Table 3). 따라서 2020년 대홍수 전 가정과 하한의 식생분포지는 평균 78%가 홍수 후에 대규모로 파괴되어 나지로 변하였다.

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Fig. 6

Changes in the riparian vegetation at the study sites in Gajeong after the occurrence of the flood on August 8, 2020. A) Aerial photographs by NGII (2020) in 2017, and 2020 from a drone. B) Vegetation maps showing the vegetation area estimated by excess green and excess red colors.

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Fig. 7

Changes in the riparian vegetation at the study sites in Hahan after the occurrence of the flood on August 8, 2020. A) Aerial photographs by NGII (2020) in 2017, and 2020 from a drone. B) Vegetation maps showing the vegetation area estimated by excess green and excess red colors.

Table 3.

Effects of the extreme flood on the riparian vegetation area of the Seomjin-gang River. Data before the flood was acquired from aerial images of the river; for Gajeong from Oct. 2017 and for Hahan from Oct. 2019.

Reach Before the flood After the flood
Vegetation (ha) Maintained vegetation (ha) Destroyed vegetation (ha) Colonized vegetation (ha)
Gajeong 3.06 (100%) 0.73 (24%) 2.33 (76%) 0.22
Hahan 9.59 (100%) 1.91 (20%) 7.68 (80%) 0.73

4. 결 론

동아시아 몬순 기후에 속하는 섬진강에서 2020년 8월 7-8일에 관측이래 최대인 기록적인 강우가 발생하여 100년 빈도 설계홍수량을 초과하는 수위로 인해 제내지가 범람하는 재해가 발생하였다. 이 홍수 사상에 의하여 곡성군의 섬진강에 선정한 조사구간에서 하안식생 분포지의 약 80%가 훼손되어 나지로 변하였다. 또한 하안식생의 우점 수목인 버드나무는 대홍수에 의하여 관목보다는 교목에서 훼손이 심하였다. 그러나 수관이 높게 형성된 상수리나무 교목은 이번 대홍수에 큰 피해를 받지 않았다. 따라서 대홍수가 하안식생에 미치는 영향은 수목의 종과 형태에 따라서 큰 차이가 있었다. 또한 하안식생에 의한 흐름 저항이 발생하여 이번 대홍수에서는 식생이 없을 때보다 최대 1 m 내외의 추가적인 수위상승이 일어난 것으로 추정되었다. 관리 홍수위에 근접하는 수위에서 이러한 식생에 의한 수위상승은 제내지 재해 위험을 증가시킬 것으로 생각된다. 따라서 섬진강에서 2020년의 대홍수에 의하여 하안식생이 영향을 받아 교란 및 훼손되었고, 또한 그 반대 방향으로 하안식생이 홍수위를 상승시키는 영향을 미침으로서 하천 생태계에서 하안식생과 홍수의 물리적 특성이 상호작용을 하고 있음을 확인할 수 있었다.

하천 생태계에서 하안식생은 에너지와 생물서식처를 제공하는 등의 생태계서비스를 유지하는데 중요한 역할을 수행하고 있다 (Riis et al. 2020). 그러나 홍수, 특히 예년의 홍수를 초과하는 대홍수가 발생하면 이들 식생이 물리적 교란에 의하여 대규모로 훼손된다. 식생의 훼손은 홍수의 물리적 파괴력과 더불어 식물 자체의 종, 수령, 형태에 따라서 다르게 나타난다 (Asami et al. 2012). 우리나라 하천에서 일반적인 버드나무류는 관목보다 교목이, 수령이 많고 수고가 높은 나무가 홍수교란에 민감하였다. 한편 하안식생은 홍수시 흐름 저항을 유발하여 홍수위를 상승시킬 수 있는데 이러한 흐름 저항은 관목보다는 수관이 넓은 버드나무 교목에서 클 것이라고 생각된다. 대홍수에 의하여 뿌리가 뽑혀 하류로 흘러가는 큰나무 (large wood)는 홍수시 하류에 홍수 재해 위험을 더욱 증가시킬 수 있다 (Francalanci et al. 2019). 따라서 하천생태계에서 생태계서비스 제공에 기여하는 하안식생을 이들에 의하여 발생될 수 있는 홍수 재해를 감소시키면서 관리할 수 있는 현명한 방안이 모색되어야 할 것으로 생각된다. 이러한 논의가 발전된다면 궁극적으로 홍수에 대한 선제적 대응과 적절한 사후 조치를 포함하는 통합적인 하천 관리를 위한 공간적 우선순위를 결정하는 데 도움이 될 수 있다. 현실적으로 관리와 복원의 대상이 되는 생태계 내부의 모든 지점에 대해 동일한 비용을 균등하게 투입할 수는 없다. 따라서 하천공학적 실천을 위해서는 면밀한 생태적 이론과 지식을 바탕으로 공간적 지점을 선택하여 집중하는 것이 바람직할 것이다.

본 연구에서는 하천 유수의 유속과 전단응력과 같은 물리적 특성과 이에 대한 식생의 반응을 직접적으로 살펴보지 못하고 나타난 현상을 기술하였다. 또한 선정된 조사지 수가 제한되어 다양한 식물의 종, 수령, 형태 등의 특성과 홍수 특성과의 관계를 구체적으로 파악하지 못하였다. 따라서 다양한 하안식생 특성과 홍수의 수리수문적 특성에 대한 체계적인 연구가 필요하다고 생각된다.

Acknowledgements

본 연구는 응용생태공학회 하천생물지형분과위원회 활동의 하나로서 수행되었습니다.

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