김원석 교수팀, 사행천의 퇴적물 이동량 및 홍수 패턴 규명

하천 변화 예측 기술 초석 마련해 호우 등 기후 변화 대비 기대

지구과학 분야 최고 권위지 ‘Nature Geoscience’ 게재

[사진. (왼쪽부터) 김원석 교수(교신저자), 천리앙 우(Chenliang Wu) 박사(제1저자)]

이과대학 지구시스템과학과 김원석 교수 연구팀은 사행천(meandering river)의 공간적인 굽이(sinuosity) 변화를 통해 퇴적물의 이동량과 홍수 패턴에 대한 정보를 예측할 수 있다는 사실을 밝혔다. 

하천은 침식과 퇴적 이동 작용을 통해 지구 표면에 다양한 형태를 구성한다. 이러한 지표면 형성 과정은 주어진 환경에 민감하게 반응하고 특정한 규칙을 가진 형태로 나타난다. 이 중 굽이치는 하천의 형태인 ‘사행천’에 대해 다수의 연구들이 진행된 바 있으나, 상류에서 하류로의 공간적인 굽이 변화와 그 원인을 밝힌 연구는 거의 없었다.

이에 김원석 교수 연구팀은 미국 펜실베이니아주, 텍사스주, 루이지애나주에 위치한 5개 대학 및 중국 칭화대 연구진들과 사행천 컴퓨터 수치 모델링과 원격 탐사 기술을 활용해 지구의 21개 주요 하천과 화성(Mars)의 6개 고(古) 하천 자료를 분석했다.

[그림. 연구에 사용된 지형 자료 이미지(자료 출처: TNRIS & INEGI).

미국과 멕시코 국경을 흐르는 리오그란데강 주변 수치 표고 모형(DEM) 자료. 사행천의 굽이 변화를 자료 분석을 통해 획득]

그 결과, 하천의 하류로 갈수록 굽이의 정도가 작아진다는 기존 사실과는 다르게, 주요 하천의 굽이 정도는 일정하게 유지되는 그룹과 하류로 갈수록 오히려 증가하는 그룹으로 나타났다. 이 같은 결과는 화성의 하천을 분석한 자료에서도 동일하게 나타났다. 

사행천은 초기 생성 이후 그 굽이가 증가하다가 어느 시점에 도달해 하천 절개(Cutoff)가 시작되면 굽이가 다소 감소하며 평형 상태에 이르게 된다. 이후 사행천은 평균적으로 일정한 굽이를 유지하게 된다.

모든 자연 하천은 하천 이탈(avulsion) 현상을 통해 새로운 경로로 이동하고 초기화되는데, 얼마나 빨리 하천 이탈이 도래하느냐에 따라 하류 굽이가 평형 상태에 도달하거나 평형 상태보다 증가된 양상을 보인다. 

평형 상태에 상대적으로 빨리 도달한 그룹의 하천은 하상 퇴적물의 이동과 유량의 연중 변화가 크고, 홍수의 강도가 상대적으로 세서 하천의 측방 이동 또한 다른 그룹의 하천보다 크게 나타나는 대조를 보였다. 

김원석 교수는 “지표의 형태 속에 감춰진 또 하나의 암호를 발견했다.”며, “줄다리기할 때 ‘영차, 영차’ 하고 짧고 강하게 당기는 것이 더 효과적인 것처럼, 홍수의 강도도 전반적으로 강한 것보다, 짧더라도 센 것이 하천 성장에 더욱 효과적으로 영향을 미친다.”고 덧붙였다.

이번 연구 결과로 고(古) 수류의 공간적 변화를 통해 퇴적 환경을 해석할 수 있게 됐으며, 특히 화성에서 관찰된 사행천 기록은 수문학적 환경 변화를 예측하는 새로운 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 홍수와 퇴적물의 영향에 따른 수로 변화를 더욱 정밀하게 예측할 수 있게 돼, 지구 온난화로 인해 급격하게 변화하는 홍수 패턴에 대한 하천의 변화 예측 기술에 한발 다가서게 됐다.

이 연구는 한국연구재단 대학중점연구소지원사업과 우리 대학교 박사후연구원 지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 지구과학 분야 국제 학술지 ‘네이처 지구과학(Nature Geoscience)'에 8월 3일(현지시간) 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: Lowland river sinuosity on Earth and Mars set by the pace of meandering and avulsion

● 논문주소: https://doi.org/10.1038/s41561-023-01231-1

용어설명

● 굽이(sinuosity): 사행천에서 휘어지는 정도를 나타내 주는 계수. ‘곡선이 시작되고 끝나는 지점 사이 실제 하천 경로를 따른 길이/곡선의 최단 경로 길이’로 나타낸다. 따라서 경로가 직선에 가까울수록 굽이가 줄고, 곡률이 늘어날수록 굽이가 커진다.

● 하천 절개(cutoff): 사행천이 곡선의 바깥쪽에 계속적인 침식 작용으로 굽이가 커지고 굴곡이 심한 수로가 결국 하천의 하류 수로에 가까워져 침식 작용에 의해 연결돼 새롭게 짧은 거리의 수로를 형성하는 현상. 하천 절개로 사행천의 굽이는 줄어들게 된다. 

● 하천 이탈(avulsion): 모(母) 하천의 하도에서 하천이 제방을 침식해 새로운 수로를 형성하는 것. 하천과 제방의 퇴적 작용으로 주변 범람원보다 하상의 지형이 상승해 불안정화되고 자연적으로 범람원에 새로운 수로를 찾아 에너지를 분산하는 현상이다.