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문제 정의
- 본 연구는 우리나라의 산지 하천에서 잘 발생하는 곡류절단 및 하천쟁탈과 같은 하도 변위에 의해 형성된 7개 폭포를 대상으로 하여, 하도 변위에 의해 형성된 폭포의 유형과 형성과정을 설명하고, 폭포가 형성된 이후 현재까지의 변화 과정, 폭포의 후퇴 속도와 이에 영향을 미치는 요인을 분석하고자 한다.
제안 방법
- 초기 폭포의 높이는 하도 변위에 의해 남겨진 구하도 지형면 내에서 상·하류 지점 간의 고도차로 볼수 있다. 그러나 하도 변위에 의한 구하도 지형면은 현재 상당 부분 개석이 진행되어 있어, 구하도 지형면 내에서도 가장 높은 부분의 고도와 곡류절단부의 바로 하류 쪽에 위치한 구하도면과 연결되는 하안단구 지형면의 고도차를 토대로 하도 변위 직후에 형성된 초기 폭포의 높이를 추정하였다. 그 결과, 초기 폭포 높이가 11~14m로 가장 높은 삼형제 폭포는 후퇴 속도가 빠른 것으로 나타났으며, 초기 폭포 높이가 4~5m로 가장 낮은 용추 폭포는 후퇴 속도가 가장 느린 것으로 나타났다.
- 이광률(2012) 의 연구에서는 구하도 내부에 위치한 하안단구 퇴적층에서 OSL 연대 측정을 실시하여, 76±3(81±3)ka 의 연대 값을 얻었고, 철암천의 홍수위를 토대로 하각 률을 계산한 결과, 곡류절단의 시기를 약 4만년 전으로 추정하였다. 그러나 홍수위의 범위 설정이 모호한 관계로 수 m 고도의 편차가 발생하는 문제가 있어서, 본 연구에서는 기반암으로 이루어진 현 하상과 하안 단구 퇴적층 기저부와의 고도 차이를 통해 하각률과 곡류절단 시기를 계산하였다. 하안단구면의 기저부와 곡류절단 지점에 위치한 현 하상과의 고도차는 약 18m이고, 이를 토대로 이곳에서 황지천의 하각률은 0.
- 절대 연대 측정이 가능한 퇴적층이 발견되지 않는 곳에서는 폭포, 구하도, 현 하도에서 수집된 지형 정보와 선행 연구 자료를 토대로, 해당 하천의 하각률을 계산하여 폭포의 형성 시기를 추정하였다. 그리고 이러한 폭포의 연대 자료와 폭포의 후퇴 거리를 토대로, 폭포의 후퇴 속도를 계산하였다. 마지막으로 현지 지형 측정, 1:5,000 지형도 판독, 기상청의 강수량 자료 등을 토대로 폭포의 후퇴 속도에 영향을 미치는 요인에 대해 분석하였다.
- 하도 변위에 의한 폭포의 형성과 변화를 파악하기 위하여, 먼저, 우리나라 전국의 1:25,000 지형도를 토대로 하도 변위에 의해 형성된 폭포를 파악하였다. 그리고 폭포의 형성 유형을 감입곡류 절단, 하천 쟁탈, 인위적인 하도 변위의 3가지로 분류하여, 지형도 상에서 해당 유형의 폭포를 동정하고, 각 유형에 해당하는 대표적인 폭포를 총 7개 선별하였다. 해당 폭포가 위치한 1:5,000 수치 지형도를 토대로, 하도 변위 및 폭포의 형성 과정을 분석하고, ArcGIS 프로그램을 이용하여 폭포의 형성과정을 DEM 모식도로 작성하였다.
- 다음으로 폭포의 후퇴 속도에 영향을 미치는 요인이라고 볼 수 있는 유량, 기반암, 하도 폭과 후퇴 속도와의 관계를 파악하였다(표 2). 해당 지점의 평균 유량은 관측 자료를 구할 수 없어서, 유량에 직접적으로 영향을 미치는 요인인 폭포 상류부의 유역 면적과 해당 시군에 위치한 기상 관측소의 평균 연강수량 자료로 대체하였다.
- 그리고 이러한 폭포의 연대 자료와 폭포의 후퇴 거리를 토대로, 폭포의 후퇴 속도를 계산하였다. 마지막으로 현지 지형 측정, 1:5,000 지형도 판독, 기상청의 강수량 자료 등을 토대로 폭포의 후퇴 속도에 영향을 미치는 요인에 대해 분석하였다.
- 본 연구 대상인 우리나라의 7개 폭포 중에서도, 절대연대 측정이 가능하거나 지형 비고를 이용한 상대편년으로 폭포의 형성시기를 추정할 수 있고, 폭포가 형성된 이후 수천~수만 년 정도의 시간이 지나 하도 변위가 발생한 지점과 현재의 폭포 위치 간에 상당한 거리 차이가 존재하는 4개 폭포(불영 폭포, 용추 폭포, 직연 폭포, 삼형제 폭포)를 대상으로 폭포의 후퇴 거리와 후퇴 속도를 계산하고, 후퇴 속도에 영향을 미치는 요인을 분석하였다.
- 우리나라에는 266개의 감입곡류 절단 지점이 존재하는데(이광률, 2011a), 감입곡류 절단으로 인해 형성된 폭포 중에서 지형도에 표시되어 있는 것은 대략 6~7개 정도이다. 본 연구에서는 이 중에서도 울진군 광천의 불영 폭포, 영덕군 오십천의 용추 폭포, 양구군 수입천의 직연 폭포, 울진군 평해 남대천의 광품 폭포를 대표적인 유형으로 선별하여 폭포의 형성과정을 분석하였다.
- 삼형제 폭포의 형성 시기는 이광률(2012)의 연구에서 제시된 값을 수정하여 계산하였다. 이광률(2012) 의 연구에서는 구하도 내부에 위치한 하안단구 퇴적층에서 OSL 연대 측정을 실시하여, 76±3(81±3)ka 의 연대 값을 얻었고, 철암천의 홍수위를 토대로 하각 률을 계산한 결과, 곡류절단의 시기를 약 4만년 전으로 추정하였다.
- 하천 쟁탈이 발생하면, 쟁탈 지점 상·하류 간의 고도 차이로 인해 천이점이나 폭포가 형성되기 쉽다. 우리나라에서 하천쟁탈과 관련된 것으로 보이는 폭포는 4~5개 정도이며, 본 연구에서는 하천 쟁탈에 의해 형성된 폭포 중에서도 태백시 황지천의 삼형제 폭포와 남원시 원천천의 구룡 폭포를 대표적인 유형으로 선별하여 폭포의 형성과정을 분석하였다.
- 7개 폭포 가운데, 폭포의 후퇴 속도를 계산할 수 있는 폭포는 4곳이다. 이들 4개 폭포 중에서도 퇴적층 노두가 존재하는 3개 폭포에서는 시료를 수집하여 한국기초과학지원연구원에 OSL(Optically Simulated Luminescence) 연대 측정을 의뢰하였으며, 이 값을 토대로 폭포의 형성 시기를 추정하였다. 절대 연대 측정이 가능한 퇴적층이 발견되지 않는 곳에서는 폭포, 구하도, 현 하도에서 수집된 지형 정보와 선행 연구 자료를 토대로, 해당 하천의 하각률을 계산하여 폭포의 형성 시기를 추정하였다.
- 이들 4개 폭포 중에서도 퇴적층 노두가 존재하는 3개 폭포에서는 시료를 수집하여 한국기초과학지원연구원에 OSL(Optically Simulated Luminescence) 연대 측정을 의뢰하였으며, 이 값을 토대로 폭포의 형성 시기를 추정하였다. 절대 연대 측정이 가능한 퇴적층이 발견되지 않는 곳에서는 폭포, 구하도, 현 하도에서 수집된 지형 정보와 선행 연구 자료를 토대로, 해당 하천의 하각률을 계산하여 폭포의 형성 시기를 추정하였다. 그리고 이러한 폭포의 연대 자료와 폭포의 후퇴 거리를 토대로, 폭포의 후퇴 속도를 계산하였다.
- 하도 변위에 의한 폭포의 형성과 변화를 파악하기 위하여, 먼저, 우리나라 전국의 1:25,000 지형도를 토대로 하도 변위에 의해 형성된 폭포를 파악하였다. 그리고 폭포의 형성 유형을 감입곡류 절단, 하천 쟁탈, 인위적인 하도 변위의 3가지로 분류하여, 지형도 상에서 해당 유형의 폭포를 동정하고, 각 유형에 해당하는 대표적인 폭포를 총 7개 선별하였다.
- 다음으로 폭포의 후퇴 속도에 영향을 미치는 요인이라고 볼 수 있는 유량, 기반암, 하도 폭과 후퇴 속도와의 관계를 파악하였다(표 2). 해당 지점의 평균 유량은 관측 자료를 구할 수 없어서, 유량에 직접적으로 영향을 미치는 요인인 폭포 상류부의 유역 면적과 해당 시군에 위치한 기상 관측소의 평균 연강수량 자료로 대체하였다. 분석 결과, 4개 폭포의 후퇴 속도는 유량에 영향을 미치는 폭포 상류부의 유역 면적 및 연강수량과 완전한 양의 상관관계를 나타냈다.
- 그리고 폭포의 형성 유형을 감입곡류 절단, 하천 쟁탈, 인위적인 하도 변위의 3가지로 분류하여, 지형도 상에서 해당 유형의 폭포를 동정하고, 각 유형에 해당하는 대표적인 폭포를 총 7개 선별하였다. 해당 폭포가 위치한 1:5,000 수치 지형도를 토대로, 하도 변위 및 폭포의 형성 과정을 분석하고, ArcGIS 프로그램을 이용하여 폭포의 형성과정을 DEM 모식도로 작성하였다.
- 해당 폭포에 대한 야외조사 시에는 사진 촬영을 실시하고, 하도 변위가 발생한 지점, 구하도, 폭포에 대한 지표의 형태와 기반암 및 퇴적층 특성을 관찰하였다. 7개 폭포 가운데, 폭포의 후퇴 속도를 계산할 수 있는 폭포는 4곳이다.
대상 데이터
- 1m/ka에서 크게는 1,000m/ka 이상의 속도로 다양 하게 제시되고 있다(표 1). 특히, 본 연구 대상인 우리 나라 중소 하천들과 유사한 강수 및 지형 조건과 하천 규모를 가진 중국의 Yalu(압록)강 상류부 지류 하천에서는 1~6m/ka, 오스트레일리아 뉴사우스웨일스의 Shoalhaven강은 5.1m/ka로서, 수 m/ka의 후퇴 속도를 나타내고 있다.
성능/효과
- 4개 폭포에서 후퇴 속도에 영향을 미치는 요인을 살펴본 결과, 유역 면적, 강수량, 기반암, 초기 폭포 높이의 영향이 매우 뚜렷한 상관관계를 갖는 것으로 나타났다. 즉, 유역 면적이 넓을수록, 연강수량이 많은 곳일수록, 기반암 구성 광물의 용식이나 화학적 풍화 가능성이 높을수록, 형성 초기 폭포의 높이가 높을수록 폭포의 후퇴 속도는 빠른 것으로 분석되었다.
- 현재 곡류 절단 현상이 진행 중인 광품 폭포와 최근에 인위적으로 형성된 팔봉 폭포를 제외한 나머지 폭포들은 하천에 의한 두부 침식으로 인해 그 위치가 상류 쪽으로 이동했다. OSL 연대 측정과 하각률 자료 등을 토대로 폭포의 후퇴 속도를 파악한 결과, 불영, 용추, 직연, 삼형제 폭포의 후퇴 속도는 대체로 3~4m/ka로 측정되었다. 이 값은 외국의 선행 연구 지역중 중국 Yalu(압록)강 상류, 오스트레일리아 뉴사우스웨일스 Shoalhaven강과 유사하다.
- 저하 고도는 폭포 형성 직전의 구하도와 현 폭포 상단부와의 고도차로서, 폭포가 형성된 이후 현재까지 하각되어 낮아진 높이라고 할 수 있다. 결과적으로 4개 폭포 모두 후퇴뿐 아니라 고도 저하가 발생하였다. 고도 저하는 폭포의 형성 시기와 관계가 높아서, 형성 시기가 100ka 내외로 오래된 불영 폭포와 직연 폭포는 저하 고도가 각각 33m, 14m로 측정되었으나, 약 30ka로서 최근에 형성된 용추 폭포와 삼형제 폭포는 각각 3m와 5m의 고도 저하가 나타났다.
- 결과적으로 4개 폭포 모두 후퇴뿐 아니라 고도 저하가 발생하였다. 고도 저하는 폭포의 형성 시기와 관계가 높아서, 형성 시기가 100ka 내외로 오래된 불영 폭포와 직연 폭포는 저하 고도가 각각 33m, 14m로 측정되었으나, 약 30ka로서 최근에 형성된 용추 폭포와 삼형제 폭포는 각각 3m와 5m의 고도 저하가 나타났다.
- 그러나 하도 변위에 의한 구하도 지형면은 현재 상당 부분 개석이 진행되어 있어, 구하도 지형면 내에서도 가장 높은 부분의 고도와 곡류절단부의 바로 하류 쪽에 위치한 구하도면과 연결되는 하안단구 지형면의 고도차를 토대로 하도 변위 직후에 형성된 초기 폭포의 높이를 추정하였다. 그 결과, 초기 폭포 높이가 11~14m로 가장 높은 삼형제 폭포는 후퇴 속도가 빠른 것으로 나타났으며, 초기 폭포 높이가 4~5m로 가장 낮은 용추 폭포는 후퇴 속도가 가장 느린 것으로 나타났다. 따라서 초기의 폭포 높이가 국지적인 침식기준면과의 고도차를 발생시켜 폭포의 하각과 후퇴 속도에 영향을 미친다고 볼 수 있다.
- 이 연대 값은 현재의 구하도면에 유수가 흘렀던 마지막 시기를 지시한다고 볼 수 있기 때문에, 곡류절단이 발생하면서 폭포가 형성된 시기는 대략 90ka로 추정할 수 있다. 그리고 곡류절단 지점에서 현재 불영 폭포가 위치한 지점간의 거리 차이, 즉, 불영 폭포의 후퇴 거리는 약 280m로 측정되었다. 이러한 값을 토대로, 불영 폭포의 후퇴 속도는 3.
- 다음으로, 4개 하천에서는 하도 폭이 클수록 후퇴 속도가 빠른 것으로 분석되어, 앞서 제시한 일반적인 경향과는 상반되는 결과가 나타났다. 분석 대상 4개하천의 하도 폭은 유역 면적의 크기와 완전히 비례하고 있어, 4개 폭포의 후퇴 속도는 하도 폭보다는 유량에 의한 영향이 매우 큰 것으로 볼 수 있다.
- 해당 지점의 평균 유량은 관측 자료를 구할 수 없어서, 유량에 직접적으로 영향을 미치는 요인인 폭포 상류부의 유역 면적과 해당 시군에 위치한 기상 관측소의 평균 연강수량 자료로 대체하였다. 분석 결과, 4개 폭포의 후퇴 속도는 유량에 영향을 미치는 폭포 상류부의 유역 면적 및 연강수량과 완전한 양의 상관관계를 나타냈다. 즉, 유역 면적이 넓고 연강수량이 많은 곳일수록 폭포의 후퇴 속도는 빠른 것으로 분석되었다.
- 다음으로, 4개 하천에서는 하도 폭이 클수록 후퇴 속도가 빠른 것으로 분석되어, 앞서 제시한 일반적인 경향과는 상반되는 결과가 나타났다. 분석 대상 4개하천의 하도 폭은 유역 면적의 크기와 완전히 비례하고 있어, 4개 폭포의 후퇴 속도는 하도 폭보다는 유량에 의한 영향이 매우 큰 것으로 볼 수 있다.
- 하도 변위는 하천의 유로가 급격하게 변경되는 것으로, 새롭게 형성된 유로에서는 상·하류간의 고도차로 인해 폭포와 같은 천이점이 발생될 수 있다. 우리나라 산지 하천의 하도 변위에 의해 형성된 7개 폭포를 대상으로 살펴본 결과, 하도 변위에 의한 폭포의 유형은 자연적인 곡류 절단, 하천 쟁탈, 인위적인 하도 절단에 의한 것으로 유형화되었다.
- 이 퇴적층의 최상부 모래층을 대상으로 OSL 연대 측정을 실시한 결과, 30±2ka로 측정되었다.
- 분석 결과, 4개 폭포의 후퇴 속도는 유량에 영향을 미치는 폭포 상류부의 유역 면적 및 연강수량과 완전한 양의 상관관계를 나타냈다. 즉, 유역 면적이 넓고 연강수량이 많은 곳일수록 폭포의 후퇴 속도는 빠른 것으로 분석되었다.
- 4개 폭포에서 후퇴 속도에 영향을 미치는 요인을 살펴본 결과, 유역 면적, 강수량, 기반암, 초기 폭포 높이의 영향이 매우 뚜렷한 상관관계를 갖는 것으로 나타났다. 즉, 유역 면적이 넓을수록, 연강수량이 많은 곳일수록, 기반암 구성 광물의 용식이나 화학적 풍화 가능성이 높을수록, 형성 초기 폭포의 높이가 높을수록 폭포의 후퇴 속도는 빠른 것으로 분석되었다.
- 폭포의 후퇴 속도와 기반암과의 관계를 살펴보면, 석회암과 흑운모편마암 지역이 화강암과 화강편마암 지역에 비해 후퇴 속도가 높은 것으로 나타났다. 석회암과 흑운모편마암은 상대적으로 유수에 의한 용해나 수화작용이 활발하게 진행될 수 있는 조건을 가진다는 점에서, 기반암을 구성하는 광물의 용식이나 화학적 풍화 가능성이 폭포의 후퇴 속도에 영향을 미치는 것으로 보인다.
후속연구
- 그러나 하도 변위에 의해 형성된 폭포를 연구 대상으로 하였기 때문에, 다른 여러 가지 과정과 조건에 의해 형성된 폭포에 대한 언급이 없으며, 후퇴 속도를 측정하고 환경 조건을 분석한 폭포의 개수가 4곳에 불과하여 보다 구체적이고 객관적인 분석 결과가 제시되지 못하는 한계가 있다. 여러 가지 한계로 본 논문에서 풍부하게 설명하지 못한 우리나라 폭포를 대상으로 한 다양한 주제와 내용에 대한 연구는 보다 심층적이며 객관적인 자료와 분석 결과를 추가하여 후속 연구를 통해 밝혀나갈 필요가 있다.
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