Ecology and Resilient Infrastructure. March 2019. 34-48
https://doi.org/10.17820/eri.2019.6.1.034


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 원격탐사 기반의 하도 변화 모니터링

  •   2.1 영상 자료를 통한 하도변화 분석

  •   2.2 LiDAR 기반의 하도 형태 모니터링

  • 3. 현장 조사에 의한 지형, 경관 및 생태 모니터링

  •   3.1 하도 형태의 변화

  •   3.2 하천 경관 촬영 자료

  •   3.3 식생 조사 자료

  • 4. 고찰 및 결론

  •   4.1 고찰

  •   4.2 결론

1. 서 론

내성천은 국내의 여러 모래하천 중에서 자연성이 비교적 높은 하천으로 몬순 기후의 수문학적 변동성을 반영하여 하폭이 넓고 수심은 얕은 특성을 가지고 있다. 내성천은 2010년대 이전에는 거의 대부분의 구간이 나지 상태의 사주로만 이루어진 사질 하상을 유지하였다가 2014 - 2015년을 전후로 식생이 광범위하게 활착한 이래로 하도 형태와 경관이 변화되었다. 또한 2010년부터 영주댐이 건설됨에 따라 댐으로 인한 하천 변화가 예상되었다. 요 약: 내성천은 경북 북부의 산지 및 농경지를 관류하는 자연성이 높은 사질 하상 하천으로 2010년대 이전에는 백사장이 발달한 경관적 특징을 유지하였다. 하지만 영주댐이 건설되기 시작하고 2015년 전후로 식생이 광범위하게 활착하는 등 하천 변화가 발생하였다. 이 연구에서는 이러한 변화를 객관적으로 분석하기 위해 영주댐 하류 내성천을 대상으로 장기 모니터링을 실시하였으며, 이 논문의 목적은 2012~2018년 기간에 대해 하천 지형 및 식생 등에 대한 조사 자료를 제공하는 것이다. 조사 방법으로 드론/지상 사진 촬영, LiDAR 항공측량, 현장 조사 등이 포함되었다. 장기 모니터링을 통해 발견한 주요한 사실들은 다음과 같다. 내성천 하도의 식생 활착은 1987년부터 시작되었으며, 2013년 이전에는 하류 구간에서, 그 이후로는 전체 구간에서 식생 활착이 발생하였다. 그 중 일부 지점은 홍수로 인해 재나지화 되었으나 여러 구간은 목본이 활착하였고, 퇴적으로 인해 하도의 형태 변화가 발생하기도 하였다. 내성천은 모래 하상의 본질적 특성을 유지해 왔지만, 최근 약간의 조립화 경향이 나타났으며, 조사 단면에서 최심하상의 저하가 관찰되었다. 본 연구의 조사 결과를 I편에서 분석한 수문학적 특성과 함께 종합하여 볼 때, 내성천에 나타난 식생 및 경관상의 변화는 주로 유량 감소 의한 것으로 생각된다. 이와 함께 영주댐이 하상 저하에 미친 영향을 간략하게 고찰하였다. 핵심어: 하도 형태, 경관, 장기 모니터링, 내성천, 식생

내성천에서 나타난 하천 지형, 경관 및 식생의 변화는 국내외 여러 하천에서도 발생한 바 있다 (Williams 1978, Choi et al. 2005, Woo et al. 2010). 여기에는 나지 사주의 감소와 하도에서의 식생 활착, 주하도 하폭의 감소, 댐으로 인한 하상과 식생 변화 등이 포함된다. 이에 대한 기존의 연구는 대부분은 사후 원인 분석에 치중하였는데, 이는 하천의 변화 과정에 대한 모니터링이 이루어지지 못했기 때문이다. 이에 따라 댐 건설을 전후하여 내성천에 대한 장기적인 추적 조사를 함으로써 하천 변화의 과정을 체계적으로 관찰, 분석하고 이를 통해 하천의 변화 과정에 대한 이해의 폭을 넓히고자 본 연구가 수행되었다.

이 논문은 내성천 장기 모니터링 자료의 두 번째 부분으로서 영주댐 건설 기간이 포함된 2012~2018년 기간에 내성천 하도의 형태와 식생 및 경관의 변화에 대해 하도 중심의 장기 모니터링 결과를 제시하는데 그 목적이 있다. 같은 연구의 선행 논문 (I편)에서는 장기간의 기초자료를 바탕으로 하천 변화의 지배요인인 기후, 유량, 유사량, 수질 등 수문학적 특성이 지난 40여년간 어떻게 변화했는지를 살펴보았다. 본 논문 (II편)은 원격탐사 자료와 현장 조사 자료를 통해 내성천에서의 나타난 하도 형태, 경관 및 식생 변화의 양상을 살펴보고자 한다.

2. 원격탐사 기반의 하도 변화 모니터링

2.1 영상 자료를 통한 하도변화 분석

2.1.1 공간정보 수집

내성천의 하도 형태와 식생 상태의 변화는 현재 시점 중심의 단기간의 모니터링과 함께 수십 년 이상의 장기적인 맥락에서 파악해야 한다. 과거 지도와 항공사진은 과거의 하천 실상을 담고 있는 기록으로서 장기간을 대상으로 하는 지리 및 환경 연구에 활용도가 증가하고 있다 (Clery et al. 2014).

내성천 하도에 대한 과거 영상자료는 국토지리정보원, 한국임업진흥원, 한국항공우주연구원, 국내 항측사, 미국지질조사국 등 국내외 여러 출처에서 얻을 수 있다. 본 연구에서 수집한 자료 중에 지도는 1915년부터, 아날로그 항공사진은 1954년부터, 디지털 항공사진은 2008년부터 있으며, 위성영상까지 포함하면 총 28건의 자료를 확보하였다 (Table 1 참조). 그리고 그 중에 17건에 대해 지표피복 분류를 실시하였다. 이외에도 비교적 최근인 2000년대 이후에는 훨씬 더 많은 원격탐사 자료가 있다. 한국항공우주연구원, 미국지질조사국, 유럽항공우주국 등의 자료, 무료로 볼 수 있는 Google Earth 등과 Ikonos, Quickbird, SPOT 계열 등 다수의 상업위성 자료가 있다.

Table 1. Topographic maps, aerial photos and satellite images collected from various sources. Abbreviations of NGII, USGS, KOFPI, and KARI represent National Geographic Information Institute of Korea, United States Geological Survey, Korea Aerospace Research Institute, Korea Forestry Promotion Institute, respectively. Samah co. indicates the name of a private aerial survey company

Year Type Color Scale/spatial resolution land surface cover classification Data source
1915 Old topographic map Panchromatic 1/50,000 NGII (map.ngii.go.kr)
1954 Aerial photo (analog) 1/20,000
1957 Topographic map Color 1/50,000
1963
1965 CORONA image (analog) Panchromatic 2.74 m/px USGS (earthexplorer.usgs.gov)
1968 Aerial photo (analog) NGII
1970/71 1/37,500
1974 1/15,000 KOFPI
1979
1980 1/20,000 NGII
1986/87 1/15,000 KOFPI
1988 NGII
1991 1/20,000
1995
1996 1/15,000 KOFPI
2000 KOMPSAT1 image (digital) 6.6 m/px KARI (ksatdb.kari.re.kr)
2005 Aerial photo (analog) 1/20,000 NGII
2008 Aerial photo (digital) RGB 0.25 m/px Samah co.
2009 Aerial photo (analog) Panchromatic 1/20,000 NGII
2009/2010 Aerial photo (digital) RGB 0.25 m/px Samah co.
2011
2012?
2013
2014
2015
2016
2017 0.5 m/px NGII
2018 0.25 m/px Samah co.

2.1.2 지표피복 변화 특성

수집된 원격탐사 자료는 정사보정을 수행한 후 1차적으로는 지표피복 분류도를 작성하는데 활용되었다. 지표피복은 연구 구간 전체에 대해 제외지를 대상으로 분류하였다. 지표피복의 유형은 총 9가지이며 (Table 2 참조), 분류된 지도는 GIS 파일 포맷 (.shp)으로 작성되었다.

Table 2. Types of land surface cover. HUP represent either areas of artificial tree plantation before 1990s or pastures of periodic mowing after 1990s

Type
Natural area Man-induced area
Open water (OWN) Bare bar (BAN) Incipient vegetation (BAV) Herbal vegetation (VGH) Woody vegetation (VGT) Cropland (HUC) Plantation or pasture (HUP) Disturbed land (BAC) Disturbed water surface (OWE)

Fig. 1은 연구 구간 중에 고평리 부근에 대해 1980년부터 2016년까지 지표피복의 시계열적 변화를 나타낸 것이다. 여기에는 지표피복 유형 9가지 중 배경인 항공사진 자체로부터 직접 확인 가능한 수역, 나지사주와 면적 비중이 낮은 초기식생, 교란 나지 및 교란 수역을 제외하고 4가지만 중첩하여 표시하였다. 고평리의 경우 1987년 이전에는 하도에 식생이 매우 제한적으로만 활착하였다. 하지만 1987년 이후로는 식생역의 위치는 변하지만 모든 연도에서 식생이 활착된 상태를 알 수 있다. 식생 활착 위치는 하도 중간의 하중사주와 좌우안 제방에 인접한 영역이다. 식생 유형은 1987년에는 목본이 많았으며, 1996년과 2005년은 초본, 그리고 2013년 이후에는 목본 면적 비중이 증가하였다.

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Fig. 1.

Temporal change in land surface cover near Gopyeongri. (Lee and Kim 2018).

연구 구간 전체를 볼 때, 1965년에는 수역과 나지사주가 전체의 97.9%을 차지하였으나 2016년에는 48.4%로 감소하였다 (Table 3 참조). 따라서 지난 50여 년간 내성천에서 식생의 활착이 상당히 이루어졌음을 알 수 있다.

Table 3. Change in the ratio of area occupied by open water and bare bars (1965~2016)

Year Open water (OWN) Bare bars (BAN)
1965 47.8% 50.1%
1988 43.9% 45.4%
2016 26.8% 21.6%
Reduction ratio 44.0% 56.8%

2.1.3 드론 영상

과거 항공사진이 장기적인 하도 형태와 식생 변화에 대한 기록을 제공하지만 현재 내성천에서 역동적인 하도 및 경관 변화를 모니터링하기에는 영상의 촬영 주기가 길고 수문 특성 변화나 계절에 따른 변화를 반영하기 어렵다. 현장에서의 영상 촬영의 경우 시시각각 변화하는 하천을 기록할 수는 있으나 촬영 범위가 제한적이고 정량적인 시계열 비교를 위한 좌표기반 지도화가 쉽지 않다. 이러한 배경에서 본 연구에서는 2017년부터 GIS 기반으로 역동적인 하도 변화를 추적하면서 식생 분류, DEM 구축 등이 가능한 드론 영상자료를 수집하였다. 사용된 드론은 DJI사의 Phantom4와 다중분광영상 센서 (Micasense사의 Rededge-M)를 장착한 3DR SOLO 등 2대이다.

드론 영상 취득과 활용은 세 가지 방식으로 이루어졌다. 그 하나는 60% 이상의 중첩도로 촬영한 연직 항공사진이다. 이는 정사영상 및 DSM (digital surface model) 제작에 활용할 수 있다. Fig. 2는 고평리에서 2018년 5 - 12월에 RGB로 촬영한 영상으로서 하도의 선형 변화, 주하도 배후의 하상 변화, 계절별 식생의 변화 등을 알 수 있다. 적색 사각형을 보면 주하도가 우안 쪽으로 횡방향 이동을 했음을 알 수 있는데, 5월과 비교하여 12월의 강턱침식 (적색 화살표 위치)은 폭이 최대 38 m에 달하며, 침식된 영역의 면적은 약 4,760 m2으로 저수위 대비 강턱 높이가 대략 1.2 m인 점을 고려하면 침식된 체적은 약 5,710 m3에 달한다. 침식이 일어날 때 그곳에 있던 버드나무가 6주 가량 제거되었다. 그리고 화살표 반대쪽에 새로이 형성된 만곡사주의 면적은 약 6,950 m2이다. 이러한 변화는 2차례에 걸친 2018년 홍수 때문인 것으로 추정되며, 드론 영상을 통해 하도의 이러한 역동적인 변화를 정량적으로 분석할 수 있다.

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Fig. 2.

Mosaicked aerial photos taken with drones at 16th May, 19th June, 13rd July and 17th December 2018. Yellow and red arrows indicate flow direction and location of bank retreat, respectively.

조감영상은 드론을 활용하여 하늘에서 경관을 촬영하는 것으로 지상 사진에 비해 넓은 영역을 관찰하고 하도 변화, 식생 유형과 활착의 공간적 패턴을 파악할 수 있다. Fig. 3과 Fig. 4는 오신교 상류 직선구간과 수도리의 큰 만곡사주를 촬영한 촬영한 것으로 직선 구간에서는 주하도 주변과 하중사주를 중심으로 버드나무류가 활착하였고 수도리에서는 수변선을 중심으로 폭을 이루면서 버드나무류 (salix sp.)가 활착하였음을 보여준다.

일반적인 RGB 외에 드론에 다양한 특수 센서를 설치하여 정보를 획득할 수 있다. 본 연구에서는 적색, 녹색, 청색의 주요 분광 외에 적색단 (red edge), 근적외선 (near infrared)을 촬영할 수 있는 다중분광센서를 장착하고 역시 50 % 이상의 중첩도를 적용하여 영상을 취득하였다. 이를 통해 일반적인 정사영상 뿐만 아니라 DSM 제작도 가능하며 식생 분석을 위한 NDVI나 클로로필 같은 지표 산정에도 활용할 수 있다. 본 연구에서 촬영하여 모니터링을 수행하는 드론 영상 지점은 Table 4와 같이 7개 지점이다. 본 연구에서 취득한 드론 영상 자료는 2017년 겨울부터 수집하기 시작하였으므로 자료가 많이 축적되지는 못하였으나 향후 계속 자료를 수집할 예정이다. 모든 영상은 GEOTIFF 파일로 제작되었다.

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Fig. 3.

Drone perspective image for an upstream reach of Osingyo, July 2018.

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Fig. 4.

Drone perspective image for a large point-bar at Sudori on July 2018.

Table 4. List of drone image collecting locations. Easting and Northing of each indicates the coordinate of the rough center of the target image

Name Easting (m) Northing (m) Image description Time of photographing
D01-O 167,770 459,018 Ortho-image for the Yonghyeol point bar 18JN
D01-P Perspective image for the Yonghyeol point bar 17DC, 18MA
D04-O 166,759 459,064 Ortho-image for the Sudori large point bar 18MY
D04-P Perspective image for Sudori large point bar 17DC, 18MY, 18JL
D06-O 160,847 455,564 Ortho-image for the upstream reach of the Naeseongcheongyo 18JN
D06-P1 Perspective image for upstream reach of the Osingyo 17DC, 18JN
D06-P2 159,891 455,839 Perspective image for downstream reach of the Osingyo 17DC, 18JN
D07-P1 156,986 452,853 Perspective image for upstream reach of the Mihogyo 18MY
D07-P2 156,957 452,147 Perspective image for downstream reach of the Mihogyo 18MY
D12-P 163,095 455,916 Perspective image for Wuraeri point bar 17DC
D16-O 154,491 448,542 Ortho-image for the Gopyeongri reach 18MY/JN/JL/DC, 19FB
D16-M Multispectral ortho-image for the Gopyeongri reach 18JL
D16-P1 154,642 449,237 Perspective image for Gopyeongri upstream reach 17DC, 18JN/JL/SE/DC, 19FB
D16-P2 154,408 447,983 Perspective image for Gopyeongri downstream reach 17DC, 18JN/JL/SE/DC, 19FB
D18-O 166,835 460,907 Ortho-image for the Seocheon reach around Seungpyeonggyo 18JL
D18-P1 Ortho-image for upstream reach of the Seungpyeonggyo 18MY/JL
D18-P2 166,903 460,326 Ortho-image for downstream reach of the Seungpyeonggyo 18MY/JL

2.2 LiDAR 기반의 하도 형태 모니터링

항공 LiDAR 기법으로 고해상도의 포인트 클라우드를 취득하고 이를 기반으로 고해상도 수치표고모델 (DEM)을 제작함으로써 지형을 세밀하게 측량할 수 있다. 동일한 대상지역에 대해 상이한 시점에서 측량 성과를 얻을 경우 시간에 따른 지형 변화를 분석할 수 있게 된다. 본 연구에서 사용한 적색광 LiDAR는 녹색광을 LiDAR와 달리 수면 아래 하상에 대한 측량을 할 수 없으나 수면 위로 노출된 하상의 변화를 탐지하기에는 충분하다. 본 연구에서는 삼아항업을 통해 RIEGL사의 Full-waveform을 지원하는 LiDAR 장비를 이용하여 내성천 연구 구간 57 km에 대해 2012년부터 2017년까지는 11 - 12월 사이에 그리고 2019년은 2월에 항공 LiDAR 측량을 실시하여 하도 형태의 변화를 분석하고자 하였다 (Table 5 참조). LiDAR 측량시 포인트 클라우드 수집은 1 m2당 4 - 5점 밀도로 이루어졌고, 이를 기반으로 구축한 DEM은 1 m의 지상해상도를 갖는다. 저장된 파일 형식은 .img와 .asc이다.

Table 5. List of airborne LiDAR survey data

Survey range Ground resolution Coordinate system Time of survey
NS downstream end ~ Bongwhaeup (90㎞) 1m GRS80, TM East 12NV
NS downstream end~Yeongju dam (57㎞) 13DC, 14NV, 15DC, 16DC, 17DC
NS downstream end~Yeoungju dam (57㎞)+Downstream reach of Seocheon (4㎞) 19FB

Fig. 5는 내성천 DEM 중에 일부를 발췌하여 제시한 그림으로 탄산리 직선구간에서 2012 - 2017년 기간에 얻은 LiDAR DEM을 Golden Software Inc.의 Surfer (8.0판)에서 도시한 것이다. 2012년과 수역과 나지사주만이 있었고 2013년에는 촬영시 수위가 높아 하상이 뚜렷하지 않았지만 식생 활착 영역은 없었다. 주하도의 폭은 대략 150 - 200 m 정도였다. 하지만 2014년부터 상황이 바뀌어 좌안을 따라 다수의 하중사주 (상류 쪽)와 수면 위로 드러난 퇴적 영역이 생겨났다. 이는 2014년 여름에 식생이 전반적으로 활착하고 8월 홍수시 식생 활착지에 퇴적이 이루어졌기 때문이다. 2015년에는 연중 홍수가 발생하지 않은 상태로 좌안을 따라 식생이 하상 대부분을 활착하여 2014년 지형에 비해 조밀한 퇴적지들이 확인되고 있다. 이러한 조건에서 2016년에 발생한 큰 홍수로 인해 퇴적이 더욱 진행되었으며, 그 결과 조밀한 퇴적지들은 연속된 덩어리 형태의 육상으로 형성되었다. 이후 2017년에는 큰 변화는 없으나 덩어리 형태의 육상에 침식으로 인해 틈이 발생한 것을 알 수 있다. 2017년을 기준으로 저수 주하도는 우안 쪽으로 치우쳤으며 수면폭은 40 - 70 m로 감소하였다. 이처럼 불과 5년이라는 짧은 기간 동안 가뭄과 식생 활착, 그리고 퇴적으로 인해 하도의 형태가 바뀌고 저수로가 좁아지는 현상이 나타났다. 이러한 현상은 지점에 따라 다르지만 내성천 여러 지점에서 확인된 바 있다 (Lee and Kim 2017).

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Fig. 5.

Bed form change along the straight reach near Tansanri during 2012 to 2017.

3. 현장 조사에 의한 지형, 경관 및 생태 모니터링

3.1 하도 형태의 변화

3.1.1 하천 측량 자료

현장 측량은 지형을 계량화하는 가장 기본적인 방법이며 하천의 형상은 종단 및 횡단측량을 통해 기술된다. 본 연구에서 고해상도 LiDAR을 이용하여 하천 전체를 입체적으로 조망하고 있지만 하상에서의 작은 변화나 홍수 전후의 하상 세굴과 퇴적처럼 짧은 기간에 나타나는 지형 변화를 파악하기 위해서는 횡단 측량이 필요하다. 또한 횡단 측량 자료는 LiDAR 측량을 검증하는데도 활용된다. 이에 본 연구에서는 과거에 측량한 자료를 모두 수집하였고 주요 지점을 중심으로 횡단 측량을 실시하였다.

내성천에 대해 공공 측량이 실시된 것은 1978년부터이다. 이후 하천기본계획 수립시마다 측량이 이루어졌는데, 국가하천 구간 (하구 - 고평교)에 1984, 2001, 2013년 자료가 있고, 지방하천 구간 (고평교 - 봉화읍)에는 1985년 2013년 자료가 있다. 이에 비해 본 연구에서는 자체 수위관측소, 사회적인 관심도, 영주댐으로부터의 거리, 댐 상하류 비교, 지류 비교 등을 고려하여 15개 주요 지점을 선정하고 횡단 측량을 수행하였다 (Table 6 참조). 각 지점에는 좌안 또는 우안에 기준점을 표시하였고, 기준점의 3차원 좌표는 수직정밀도 1 cm 급의 VRS GPS를 이용하여 측량하였는데, 이때 국토지리정보원의 통합기준점을 활용하여 로컬라이제이션을 수행하여 타원체고 뿐만 아니라 지반고를 획득하였다. 횡단 측량에는 주로 광파측량기가 사용되었다.

Table 6. List of river survey sites with corresponding cross-section of the river basic plans. Abbreviations of DS, SY, UY and SC in the column Reach indicate the downstream reach of the confluence with Seocheon to the end of the Naeseong stream, the reach between the confluence of Seocheon and Yeongju dam, the locations upstream of Yeongju dam and the downstream reach of the Seocheon, respectively. Abbreviations of R and L in the column Easting and Northing means reference points are located either right or left side of the cross-section. In the column river basic plan cross-section, N (national), 1st (1st grade local) and 2nd (2nd class local) river reach. In the column Time of direct river survey by KICT, MA (March), AP (April), MY (May), JN (June), JL (July), AG (August), OC (October), NV (November), DC (December)

Reach Location Easting (m) Northing (m) River basic plan cross-section no. Time of direct river survey by KICT
1984/85 2001 2013 2013 2014 2015 2016 2017 2018
DS 00aHyangseok   N8+50  N4.102             
01Hoiryong R442,094.979 R139,034.057 N14 N14+250 N7.479 MY06,JN04, JN26,DC11 MA21,DC08 OC21 AP14 AP27,NV08 AP18
02Sangwol L442,167.602 L140,829.695 N18 N18 N9.531 MY06 MA21 AP07 AP14   AP20
02aGopyeong N52 N52 N27.045            
03Miho L452,186.584 L157,039.480 1L18   1L7.239 MY16 MA20, DC09 MA17, OC21 AP14 NV08 AP18
03aMihogyo                  
04Wurae R455,958.762 R162,994.868 1L41   1L16.313   JL17,JL17, DC09 OC21 AP14 NV08 DC17
04aJoje     1L19.080            
05Sudo L459,262.938 L166,107.523 1L61   1L24.372 MY07,JN26, DC10 MA20 AP07 AP14 NV08 AP18
SY 06Yonghyeol1 R459,149.250 R167,773.663     1L26.552 MY07,JN04, JN26,DC10 MA20 AP07 AP14 AU17 AP26,JL18 NV07 AP19 NV14
07Yonghyeol2 R459,011.644 R167,849.858 1L67   1L26.796 MY07,JN04, JN26 MA20 AP21     AP19
08Yonghyeol3 R458,981.921 R168,014.057     1L26.996 MY07,JN04, JN26 MA20 AP21     AP19
09Yonghyeol4 L459,000.210 L168,294.760 1L68   1L27.191 MY07,DC10 MA20 AP21, OC21     AP19
10Mirim R458,028.839 R168,366.117 1L72   1L28.974 MY07,DC10 MA20 MA17 AP29 NV07 AP19
UY 11Seokpo 1L128   1L51.282       AP14    
12Sinam1 1L134,200   1L52.991       AG17 DC19  
13Sinam2 1L134,200   1L53.795       AP14    
SC 14Seocheon L460,110.736 L166,834.102   2L2 2L0+380           AP19
15Seongjam L462,135.250 L166,680.832   2L13 2L2+517           AP19
16Wolho     2L3+907             

Fig. 6은 본 연구에서 직접 측량한 지점 중에 용혈1 지점의 단면 변화를 수위와 함께 도시한 것이다. 이 지점은 영주댐 직하류에 위치하여 댐의 조절 영향을 직접 받을 것으로 예상하여 가장 빈번하게 측량이 이루어진 지점이다. 용혈1 지점의 단면은 수문 특성에 반응하여 시기별로 계속 변화하였는데, 이를 고려하여 2013년부터 2018년까지의 모니터링 기간을 다섯 시기로 구분하였다: ⅰ) 2013년 5월~2014년 7월. 이 시기는 단면의 좌우 대칭성이 높고 저수부 하상이 높은 상태이다. 수문학적으로는 2013년의 6월 홍수와 10월에 증수가 발생하였으며, 이 때 좌우안 제방사면을 제외한 하상 전체가 침수되었다. 그리고 2014년에는 7월말까지 홍수가 없었고 그 기간에 식생이 폭넓게 활착하였다. ⅱ) 2014년 8월~2016년 6월. 2014년 후반에 발생한 약한 홍수로 식생이 활착한 곳에 퇴적이 일어나서 수변에 가까운 만곡사주의 고도가 높아졌다. 2015년에는 홍수가 없었고 식생만 조밀하게 활착하였는데, 2016년 6월에도 이러한 경향은 지속되었다. ⅲ) 2016년 7월~2016년 12월. 2016년 7월초에 가장 큰 홍수가 발생하였고 식생이 활착하였던 만곡사주는 퇴적으로 인해 하상이 높아진 반면 저수부는 깊이 세굴되었다. 최심부는 110 m 부근까지 하강하였다. ⅳ) 2017년 1월~2018년 6월. 만곡사주의 고도가 다소 낮아지고 2017년 홍수는 만곡사주를 침수하지 못하였으나 저수로 폭을 증가시켰다. ⅴ) 2018년 6월~12월. 이 시기에는 2018년 7월, 9월 등 비교적 큰 홍수가 발생하였고 사주 전체가 침수되었다. 이 때 사주는 침식된 반면 저수부 하상은 홍수 후에 매립되어 최심하상은 오히려 상승하였다. 2016년의 홍수에는 사주에 퇴적이 이루어져 표고가 상승한 반면, 2018년의 홍수로 사주 표면의 침식과 표고 저하로 이어졌다. 즉, 식생의 활착 상황과 함께 수문학적인 조건에 반응하여 하상이 계속적으로 변화함으로써 모래하천의 역동성이 드러난다.

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Fig. 6.

Change in cross-section and water level during 2013 to 2018 at 06YH1 site.

용혈1 지점 외에도 주요 지점에서 측량한 결과로부터 수문학적인 변화에 반응하여 내성천에서 하상 변화가 역동적임을 알 수 있다. 여기에는 주하도의 하폭 변화나 식생 활착과 퇴적으로 인한 하도 주변부의 육역화 (Fig. 5 참조)와 식생 하중도 발달 (Lee and Kim 2017), 최심하상의 저하 등이 수반되었다. Fig. 7은 2013년부터 측량이 이루어진 8개 지점에서 최심하상고의 변화를 보인 것이다. 하류부터 회룡, 상월, 미호, 우래 등 4개 지점과 용혈3, 용혈1 지점에서 하상이 0.28 - 1.12 m (평균 0.51 m) 저하되었다. 미림 지점에서는 하상이 0.51 m 상승하였는데 이는 하천공사로 인해 하상이 인위적으로 정비된 영향이 큰 것으로 판단된다. 수도 지점에서는 2013년의 최심 하상으로 회복되었다. 시기적으로 볼 때 용혈1, 수도 지점은 2017년 이후 약간 상승하였으나 다른 지점들은 지속적으로 상승하였다. 8개 지점의 자료만으로 단정할 수는 없으나 댐에 의한 유사량 차단이 일부 영향을 미쳤을 것으로 판단된다.

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Fig. 7.

Change in the elevation of the deepest point of the cross-sections for major 8 sites during 2013 to 2018.

3.1.2 하상재료 특성

과거로부터 내성천의 하상은 화강암 풍화토에서 기원하는 조립질 모래가 공급되어 모래하천의 특성을 유지해 왔다. 내성천은 100여 년 전에도 백사장이 우세한 경관을 가지고 있었다 (JGGK 1920). 하지만 1980년대 이후로 지속적으로 이루어져온 골재 채취는 물론 영주댐에 의한 유사 이송의 차단 등은 하도의 유사량을 감소시킴으로써 하상 침식을 증가시키는 원인으로 작용해 왔다. 이러한 맥락에서 본 연구에서는 하상재료 조사를 실시하였다.

하상재료에 관해서는 먼저 하천기본계획 자료 (1984/ 1985년, 2001년, 2011년)를 수집하였다. 그리고 본 연구에서 2012년과 2014 - 2016년 기간 등 2차례에 걸쳐 연구 구간 전체에 대해 하상재료 조사를 실시하였다 (Table 7 참조). 표본의 채취 위치는 수중의 하상, 하중사주, 만곡사주 등을 고르게 포함하도록 하였으며, 비교를 위해 하천기본계획의 측선과 가급적 일치하도록 하였다. 그 외에 영주댐 직하류 하상의 변화를 파악하기 위해 용혈 사주 지점에서 별도로 2013년과 2018년에 조사를 실시하였다.

Table 7. List of survey on bed material size. * refers to the publishing year of each river basic plan

Time of survey Authority Purpose of survey Survey range No. of samples Data source
1984/85* MC/GBP River basic plan (national and local river) 0~57 km 16 www.wamis.go.kr
2001* MC River basic plan (national river) 0~28 km 8
2013/14* MLC/GBP River basic plan (national and local river) 0~57 km 58
2012 KICT This study 0~57 km 58 This study
2014~2016 KICT 0~57 km 63
2013 KICT This study (only for the Yonghyeol site) 0.4 km 9
2018 KICT 0.4 km 9

Fig. 8은 1984년부터 2014~2016년까지 총 5회에 걸친 하상재료 조사 결과에 대해 중위값 (D50) 및 90분위값 (D90)을 Box-Whisker 도표로 나타낸 것이다. 하류는 하구로부터 고평교까지로 국가하천 구간에 해당하며, 상류는 고평교부터 영주댐 하류 미림교까지이다. D50의 경우 하류 구간에서 입도가 점차 증가하고 있으며, 상류 구간에서는 변동성이 증가하고 있다. D90의 경우 하류 구간은 변동하는 반면, 상류의 경우 중간값은 낮아지면서도 세립질과 조립질이 모두 증가하여 하상재료의 불균질성이 커지고 있음을 알 수 있다. 영주댐 하류 3.5 km 지점에 있는 용혈 만곡사주의 경우 동일한 시료 채취 지점을 반복 비교한 결과 D50은 2.08 mm에서 2.10 mm으로, D90은 6.87 mm에서 7.20 mm로 약간 증가되나 통계적 유의성은 없는 수준이다.

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Fig. 8.

Change in representative bed material sizes during 1984 to 2016.

3.2 하천 경관 촬영 자료

하도의 형상과 수변 식생은 하천 경관을 구성한다. 내성천은 모래하천이므로 수문 변동에 따라 중규모 하상지형이 활발하게 변화된다. 식생은 계절에 따라 성장하고 시들면서 외양을 달리하며 수문 변동에 따라 하도에 이입하여 정착하거나 침식되기도 한다. 현장에 빈번하게 방문하여 촬영한 사진은 하천의 역동적인 변화를 추적하여 기록함으로써 직접적인 증거를 남겨 놓을 수 있고 1년 혹은 수년에 한번 이루어지는 항공사진이나 LiDAR 측량을 통해 파악한 변화의 과정을 해석하는데 활용될 수 있다.

내성천 현장 사진은 2018년 현재 내성천 16개 지역에서 촬영이 이루어지고 있으며, 지역별로 1 – 5개 대상을 피사체로 삼고 있다 (Table 8 참조). 촬영 횟수는 대상 지점의 사회적, 학술적 중요도와 방문 빈도에 따라 다르며 보통 연간 1 - 4회이다. 주된 촬영 위치는 교량 위이며 상하류 하도를 주로 촬영하고 있다.

Table 8. List of on-site photographing locations with their coordinates

No. Point of photographing Easting (m) Northing (m) Direction Object No. Point of photographing Easting (m) Northing (m) Direction Object
01-1 Yonghyeol rock 167,689.3 459,129.9 SE Yonghyeol point bar 09-2 Bbyongbbyongdari 138,778.2 442,016.2 NE Downstream channel of Hoiryong point bar
01-2 Yonghyeol road 168,612.4 459,074.4 W Yonghyeol stream channel 09-3 Bbyongbbyongdari E Middle part of Hoiryong point bar
02-1 Mirimgyo (upstream) 168,345.7 457,905.9 SE Upstream channel of Mirimgyo 09-4 Hoiryong Watergate 138,827.7 441,930.5 NE Downstream channel of Hoiryong point bar
02-2 Mirimgyo (downstream) NW Downstream channel of Mirimgyo 09-5 Hoiryongpo observatory 138,709.4 442,421.5 SE Landscape view on Hoiryong point bar
03-1 Sudogyo (upstream) 165,986.1 459,463.1 S Sudori point bar 10-1 Seongjeori right dyke 137,100.0 443,181.3 NE Seongjeo mid channel bar
03-2 Sudo dike 166,104.8 459,266.8 NW Sudogyo 11-1 Hyeonghogyo (upstream) 153,143.2 446,422.4 E Upstream channel of Hyeonghogyo
03-3 Sudo dike W Near gazebo 11-2 Hyeonghogyo (downstream) W Downstream channel of Hyeonghogyo
03-4 Sudo culture hall 166,322.6 459,146.6 E Sudori large point bar 12-1 Wurae road 163,186.3 456,105.2 S Upstream channel of Wurae point bar
04-1 Tansanri road 167,003.9 459,098.4 W Sudori large point bar 12-2 Wurae road 162,999.7 455,618.7 N Downstream channel of Wurae point bar
05-1 Soektapgyo (upstream) 164,263.61 457,648.3 E Upstream channel of Seoktapgyo 12-3 Wuraegyo (upstream) 163,087.4 455,372.9 N Upstream channel of Wuraegyo
05-2 Soektapgyo (downstream) W Downstream channel of Seoktapgyo 12-4 Wuraegyo (downstream) SW Downstream channel of Wuraegyo
06-1 Osingyo (upstream) 160,200.7 455,821.9 SE Upstream channel of Osingyo 12-5 Wuraeri 163,095.0 455,916.0 - Perspective view on Wurae point bar
06-2 Osingyo (downstream) NW Downstream channel of Osingyo 13-1 Sangwol right dyke 142,953.2 443,498.6 SE Sangwol mid channel island
07-1 Mihogyo (upstream) 156,911.53 452,466.3 N Upstream channel of Mihogyo 14-1 Ocheongyo  152,526.7 444,705.2 W Downstream channel of Ocheongyo
07-2 Mihogyo (downstream) " " S Downstream channel of Mihogyo 15-1 Hoiryonggyo (upstream) 139,084.0 443,305.5 E Upstream channel of Hoiryonggyo
07-3 Mihocheongarden (private house) 157,039.5 452,200.8 NW Near Mihogyo 15-2 Hoiryonggyo (downstream) W Downstream channel of Hoiryonggyo
08-1 Bonmungyo (downstream) 156,518.9 451,558.2 S Downstream channel of Bomungyo 16-1 Gopyeong right dyke 154,244.5 448,286.8 NE Upstream channel of Gopyoengri
09-1 Bbyongbbyongdari 138,778.2 442,016.2 SE Upstream channel of Hoiryong point bar 16-2 Gopyeong right dyke 154,238.2 448,241.6 SE Downstream channel of Gopyoengri

Fig. 9은 용혈리 만곡사주 지점 (01-1)의 2013 - 2018년 모습이다. 2013년 5월 이전에는 사주 전체가 나지 상태를 유지하였다. 2014년에는 초본인 명아자여뀌 (Persicaia nodosa)가 활착된 모습을 보여주는데 수변선을 따라 매우 조밀한 활착 상태를 보이고 있고 만곡부 내측에서 성글게 활착하였다. 2015년에도 명아자여뀌가 2014년과 유사하게 활착하였다. 2016년 7월 사진에서는 홍수시에 다량의 소류사가 만곡부에 퇴적되어 식생이 매몰, 침식되었으며 수변 부근이 몇 군데와 내측의 달뿌리풀 (Phragmites japonica) 활착지를 제외하면 식생이 없는 상태이다. 2017년에는 수변 부근의 식생 활착지가 버드나무류의 활착지임이 확인된다. 그리고 이 버드나무들은 성장하여 2018년에 최대 수고 3.0 m에 달하였다. 2017년에 저수로를 따라 길게 형성된 사주에 초본이 활착하였으나 2018년에는 없어졌고, 버드나무 활착지와 달뿌리풀 활착지만 잔존하였다.

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Fig. 9.

Change in landscape of Yonghyeol point bar at different dates. According to direction of upper left to lower right 2013-05-06, 2014-08-12, 2015-09-08, 2016- 07-14, 2017-07-10 and 2018-11-13.

용혈 만곡사주가 식생의 급격한 활착과 홍수시 매몰, 침식, 그리고 버드나무 목본의 잔존 등의 과정을 거쳤지만 이러한 식생 경관의 변화는 지점별로 다르게 나타났다. Fig. 3과 같이 오신교, 석탑교 주변의 직선 구간에서는 상당히 큰 면적에 식생이 전반적으로 활착해 있으며, 목본의 비율도 수변 부근에 조밀하게 분포한다. 반면에 만곡이 발달한 곳에서는 곳에 따라 식생 활착이 넓게 이루어지기도 하고 제한적인 면적에만 식생이 활착하기도 하였다 (Fig. 4 참조). 수도리 만곡사주 지점 (03-1)의 경우에는 관광지로서 나지사주 경관을 유지하기 위해 지역 주민이 적극 개입하여 식생이 활착하더라도 제거되기도 하였다. 본 연구에서는 Table 8의 지점 외에도 영주댐의 담수 상황, 하천공사나 교란 현장, 홍수시 상황, 주요 지류 (서천 등) 등도 촬영함으로서 내성천의 장단기 변화를 해석하기 위한 기록을 남기고 있다.

3.3 식생 조사 자료

현장 조사 측면에서 식생 모니터링은 주요 지점에 대한 월별 모니터링과 홍수전후 식생 모니터링으로 구분하여 실시하였다. 조사는 지점별로 하나의 단면에서 방형구 조사 방법으로 실시하였다. 대상 지점은 영주댐으로부터 내성천 하류 종점까지 4개 지점이다 (Table 9 참조). 조사 기간 중 4개 지점 모두 교란을 받았는데, 본 연구에서는 교란이 발생하기 전까지만 조사를 수행하였다. 용혈 상류, 용혈 만곡사주 지점은 하천공사에 영향을 받아 2015년까지만 수행하였고, 수도리 지점은 주민들이 직접 식생을 제거함에 따라 2013년 한 해만 실시한 후 중단하였는데 2013년에 식생이 관찰되지 않았다. 회룡포 지점은 2016년까지 계속적으로 식생 모니터링을 실시하였으나 문화재 관리 차원에서 일부 식생 (버드나무류)의 제거가 이루어졌다.

식생 조사 결과 총 51종이 출현하였으며, 유형별로는 양생식물 5종, 임의육상식물 7종, 임의습지식물 12종, 절대육상식물 23종, 절대습지식물 4종이다. Table 10에는 식생 조사시 2개 이상의 지점에서 출현한 식물종만을 제시하였다. 생활사별로는 1년생 25종, 2년생 11종, 다년생 15종이다. 가장 많이 나타나는 식물은 버드나무류, 명아자여뀌, 달뿌리풀 등이다.

Table 9. List of on-site vegetation monitoring

Site Spot Year of survey Easting (m) Northing (m) Remark
Yonghyeol Yonghyeol upstream channel 2013~2015 168,381.8 459,057.5 Site of previous establishment of willow before 2013
Yonghyeol point bar 2013~2015 166,770.1 459,017.8 Intensive survey site downstream of Yeongju dam
Sudori Sudori point bar 2013 166,075.2 459,173.9 Intensive survey site after the confluence of Seocheon
Hoiryongpo Hoiryong point bar 2015~2016 138,948.5 442,119.5 National cultural asset (a beauty spot)

Table 10. Plant species appearing in more than two survey sites. Abbreviations of FAC, FACU, FACW, OBU and OBW in the column of frequency of wetland occurrence indicate amphibious, arbitrary land, arbitrary wetland, obligatory land and obligatory wetland plant, respectively. Sites 1, 2 and 3 match Yonghyeol upstream channel, Yonghyeol point bar and Hoiryong point bar

Species Botanical name Life history Frequency of wetland occurrence Site of occurrence
Willows Salix sp. Perennial FACW 1,2,4
Erect willow Salix subfragilis FACW 1,2
Red Leaf Willow Salix chaenomeloides FACW 1,2
Node smartweed Persicaria nodosa Annual OBU 1,2,4
Runner reed Phragmites japonica Perennial OBW 1,2,4
Foxtail Setaria viridis Annual OBU 1,2,4
Shepherd's purse Capsella bursapastoris OBU 1,2,4
Crabgrass Digitaria ciliaris OBU 1,2,4
Marsh cress Rorippa palustris Bisannuel FAC 1,2,4
Figleaf goosefoot Chenopodium ficifolium Annual OBU 1,2,4
Oak-leaf goosefoot Chenopodium glaucum FACU 1,2,4
Japanese hop Humulus japonicus FACW 1,2,4
Korean persicary Persicaria thunbergii FACW 2,4
Spiderwort Commelina communis OBU 1,2
Japan clover Kummerowia striata OBU 2,4
Persicaria Persicaria senticosa FACU 2,4
Wormwood Artemisia selengensis Perennial FACW 2,4
Undulate speedwell Veronica undulata Bisannuel OBW 2,4
Barnyardgrass Echinochloacrusgalli var. oryzicola Annual FACW 1,4
Sticktight Bidens frondosa FACW 2,4
Edgeworth's hogpeanut Amphicarpaeabracteatasubsp.edgeworthii OBU 2,4
Spreading sneezeweed Centipeda minima FAC 2,4
Wavy bittercress Cardamine flexuosa Bisannuel FACW 2,4

Fig. 10은 2014 - 2016년 사이에 내성천 하도에 활착한 버드나무류, 달뿌리풀, 명아자여뀌 등 주요 식생 3종의 출현지점별 조사 결과를 조사 시점의 관측수위 대비 높이로 도시한 그림이다. 조사 시점의 수위는 연중 변화하므로 객관적인 비교는 곤란하지만, 상대적으로 각 식생의 공간적 분포 경향을 비교할 수 있다. 달뿌리풀은 수면고 대비 평균 0.89 m (표준편차 0.53 m)의 높이에 분포하는데, 낮게는 수면 부근의 하중사주에 분포하고 높게는 수면 대비 고도가 높은 만곡사주의 내측에도 분포한다. 명아자여뀌의 분포 높이는 수면고 대비 평균 0.58 m (표준편차 0.37 m)이며, 일부는 수면 (0 m) 이하 고도에서나 또는 만곡사주 내측에서도 발견된다. 하천에서 가장 흔한 목본인 버드나무류는 주요 3종의 식생 중 가장 낮은 상대고도 분포 (평균 0.34 m)를 보이며 표준편차도 0.25 m로 가장 작아 수변선을 따라 좁게 분포하는 특성을 반영하고 있다.

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Fig. 10.

Relative elevation of spots established by three dominant vegetation species such as a runner reed, a node smartweed and willows to water surface at the time of survey. Boxes and vertical lines indicate mean and maximum and minimum elevation of occurrences. Red and blue horizontal lines means mean and ±1 standard deviation.

4. 고찰 및 결론

4.1 고찰

본 논문에서는 내성천의 하도 변화를 살펴보기 위해 하도 형태, 경관 및 식생 등에 대한 장기 모니터링 결과를 요약하여 제시하였다. 본 연구의 주요 결과는 다음과 같다. 내성천에서 식생 활착 상태는 1987년 이후로 계속되었는데, 2013년 이전에는 하류 구간, 그 이후로는 전체 구간에서 식생이 활착하여 현재까지 지속되고 있다. LiDAR 측량을 통해 2014 - 2015년에 형성된 활착지에 2016년 홍수시 퇴적이 발생하였고 곳에 따라 육상화가 진행되었음을 보여주고 있으나 홍수로 인한 식생 활착지의 감소는 상대적으로 적어서 2013년 이전의 하도 상태로는 회복되지 못하였다. 내성천의 모래 하상은 본질적으로 동일하게 유지되어 왔지만 입경은 약간의 조립화 경향을 보이고 있으며 대부분의 단면에서 최심하상이 0.5 m 내외로 저하하는 경향이 관찰되고 있다.

장기 모니터링 기간 (2012 - 2018년)만을 고려하면 내성천에서 뚜렷하게 달라진 것은 영주댐의 건설과 하도 식생의 활착이다. 이 둘 사이의 간접적인 연관성을 무시할 수는 없겠으나 조사 결과만으로 본다면 식생의 활착은 주로 2014 - 2015년을 전후한 가뭄기에 발생한 것이라고 판단된다. 이는 영주댐이 완공되어 유량 조절이 시작되기 전인 2014 - 2015년의 가뭄이 역사적인 유량 감소를 초래한 점, 지류인 서천에서도 같은 시기에 나지사주에 버드나무류를 비롯한 식생이 광범위하게 활착한 점, 영주댐 상류 내성천 및 지류 서천에서도 식생 활착이 발생한 점 등을 근거로 들 수 있다. 아울러 1980년대에도 가뭄 기간 (1982년)이 포함된 시기에 하도에 식생이 활착했던 사실도 가뭄에 의한 식생 활착의 증거로 볼 수 있다. 이는 홍수 유량의 감소가 식생 활착과 하폭 감소를 야기한다는 기존의 연구 결과와도 일치한다 (Williams and Wolman 1984, Johnson 1994, Kondolf 1997). 영주댐 건설로 인한 영향은 식생 활착 이외의 변화로 나타났다. 영주댐 건설 기간에 댐 하류 구간에서 골재 채취가 크게 감소하였음을 감안하면, 주요 단면에서의 하상 저하와 입자의 조립화 경향에 영주댐 본체의 건설로 인한 유사이송 차단과 이로 인한 기존 하상에서의 세립질이 반영되었을 것으로 보인다.

4.2 결론

본 연구 (I, II 포함)는 내성천을 대상으로 수문, 지형, 식생 등 하천의 다각적인 측면을 지속적으로 조사함으로써 유수-물질-식생-지형 사이의 역동적인 상호작용을 이해하고 댐으로 인한 하천 변화를 추적하고 분석할 수 있는 과학적인 자료를 구축하기 위해 수행되었다. 본 논문의 내용은 2012 - 2018년까지의 자료이며, 향후 추가적인 모니터링은 계속될 것이다. 현재까지의 조사 결과에 따르면 내성천에서 2010년 이전에 널리 존재하던 백사장 경관은 크게 감소하고 대신 식생 활착을 특징으로 하는 이른바 그린 리버 (green river) 경관으로 변화되었다. 아울러 하상의 부분적인 저하와 입경의 조립화 등이 관찰되었다.

이 논문은 2018년까지 내성천의 과거를 기록하고 그 자료를 연구자들에게 제공할 목적으로 작성되었다. 보다 긴 시간 규모에서 하천 변화의 공간적 패턴, 방향성과 변동성을 분석하기 위해서는 앞으로도 지속적인 모니터링이 필요하다. 이와 함께 영주댐 운영 등으로 인해 초래될 수 있는 생태계 변화로서 어류와 저서생물 등의 조사 등 모니터링이 보다 다학제적인 협력 기반 하에 이루어질 필요가 있다. 이렇게 얻어진 자료는 내성천의 고유한 경관의 변화 과정과 이에 따른 생태계의 변화, 그리고 거기에 관여하는 주요 요인에 대한 이해를 증진시키는데 기여할 것으로 생각된다. 궁극적으로는 인간의 조절과 이용의 영향이 불가피한 현대의 하천을 관리함에 있어 인위적인 교란을 최소화하고 자연성을 유지하면서도 이수, 치수, 환경 등 하천 관리의 제반 목적을 달성할 수 있는 적응 관리 방안을 수립하는데 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

Acknowledgements

본 연구는 한국건설기술연구원 주요사업 ‘(19주요-대2-장기조사) 수공구조물 건설 전후 하천변화 분석’의 연구비 지원에 의해 수행되었습니다. 본 연구의 조사 과정에 함께 참여했던 많은 분들과 자료를 제공해 주신 한국임업진흥원, 그리고 항공사진 및 LiDAR 측량을 수행한 삼아항업 관계자들에게 심심한 감사의 말씀을 드립니다.

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