과거에는 하천 및 연안에서의 수변공간은 환경/경관적인 관점보다 방재에 대한 관점이 우선시 되었다. 최근 시민들의 여가 및 휴식공간으로 하천과 해안의 수변공간을 활용하고자 하는 수요가 점점 증가하고 있다. 하천은 평상시에 대부분의 물이 주수로를 따라 흐르기 때문에 홍수터를 수변공간으로 활용하여 체육시설 혹은 생태공원 등 친수시설을 조성하여 이용할 수 있다. 그러나 홍수시에는 주수로로부터 범람된 물이 홍수터로 범람되어 물이 흐르며 이로 인해 친수시설의 침수피해 가능성이 있으며 식생 및 구조물 등의 영향으로 흐름저항 증가하여 홍수위 상승을 유발할 수 있다. 이에 따라 하천에서 홍수위를 낮추기 위하여 흐름저항을 유발할 수 있는 식생을 제거하는 방안을 적용해 왔는데 이는 홍수위를 낮추는 효과를 보였지만 생태/환경적 측면에서는 악영향을 미쳤다. 연안에서의 식생은 고파랑 발생 시 이에 대한 영향을 감쇠시킬 수 있으며 유사의 퇴적을 증가시켜 식생영역이 점차 확대할 수 있다. 반대로 외해로부터 큰 파랑이 내습할 경우 식생역 파괴 및 생장에 영향을 미칠 수 있어 환경/생태학적 관점 및 해안수리학적 관점에서 이에 대한 면밀한 검토가 필요하다.

Ji et al. (2023)은 홍수터 식생의 물리적 특성과 분포를 고려하여 흐름저항계수를 산정하고 이를 2차원 수치모의에 적용하여 홍수터 식생분포가 하천의 흐름특성에 미치는 영향을 분석하였다. 이때 식생의 물리적 특성은 지상라이다를 이용하여 식생의 3차원 포인트 클라우드 분석을 수행하여 저항계수롤 산정하였다. 이러한 방법으로 기존 흐름저항공식을 개선할 수 있음을 확인하였다. Ku and Kim (2014)는 홍수시 홍수터 구간의 수리해석에 대한 검토를 위해 2차원 수치모형들을 적용하여 비교하였다. 준부정류와 부정류 해석모형을 적용하여 홍수터 유속 및 수위에 대한 민감도를 검토하였다. Kim and Park (2015)는 2차원 수치모형을 활용하여 개수로 내에 원형 식생군락이 존재하는 경우 흐름특성을 모의하였고 이를 통해 원형식생 군락 밀도에 따른 하류의 후류영역 및 와류거동을 분석하여 식생영역에 의해 발생한 전단층의 상호작용에 의해 난류운동에너지가 증폭할 수 있다고 하였다. Lee (2006)은 수치모형을 활용하여 연안해역에서 식생에 의한 파랑 감쇠효과를 검토하였다. 그 결과 수평방향 운동량 확산 변화에 의해 운동량 이동이 증가하여 에너지너 분산되고 파랑의 감쇠효과가 발생하는 것으로 나타났다. Lee and Kim (2014)는 식생에 의한 파랑 감쇠효과는 항력계수 및 공극률에 영향을 받으며 특히 해안림의 폭 변화가 수위, 수평유속 및 에너지 플럭스의 감쇠효과에 탁월함을 보였다. Caroppi and Juha Järvelä (2022)는 홍수터의 관목 및 목본 식생을 대상으로 식생의 밀도, 구조, 유연성에 따른 수리적 특성에 대하여 수리실험을 수행하였고 흐름장, 운동량플럭스, 레이놀즈 응력 등을 분석하였다. 밀도에 대한 영향은 다공성 구조물을 통과하는 경우와 유사함을 보였지만 수위차에 따라 식생이 유연성에 영향을 미쳤고 이를 통해 식생 재배열(reconfiguration)에 대한 영향을 식생 항력모델에 적절히 반영할 필요가 있음을 강조하였다. Truong and Uijttewaal (2018)은 식생이 있는 홍수터에서 질량과 운동량교환에 대한 메커니즘을 파악하고자 수리실험을 수행하였다. 레이놀즈 응력에 대한 사분면(quadrant)분석을 수행하였고 이를 통해 대규모 수평 와 구조와 전단층 폭의 관계를 통해 주요 인자들을 제안하였다. Zeng et al. (2022)은 식생으로 인한 흐름저항 증가로 홍수터의 유속이 감소하고 주수로의 유속이 증가하며 이로 인해 주수로의 하상전단응력이 증가한다고 하였다. 홍수터 식생 밀도가 증가할수록 홍수터의 하상전단응력은 감소하고 홍수터와 주수로의 접합부 근처에서 속도구배 증가에 따라 하상전단응력변화가 더욱 명확해짐을 확인하였다. Torabbeigi et al. (2024)는 입자기반의 SPH모형을 활용하여 연안에서의 식생과 파랑의 상호작용 및 파랑감쇠 효과를 수치모의하였다. 식생밀도가 높은 경우 고립파의 범람 영향을 크게 감소시켰으며 밀도가 0.022에서 이러한 영향은 52% 감소함을 보였다. 식생이 균일한 경우 파고를 가장 효과적으로 감소시켰으며 비균질 식생조건인 경우 고립파의 파고를 크게 개선하는 효과를 보였다

본 연구에서는 강원도 삼척시에 위치하고 동해로 흐르는 마읍천을 대상으로 하구에서 약 1 km 떨어진 구간에 식생구간 형성시 나타나는 하천 및 하구에서의 수위와 유속 특성을 수치모의 결과 분석을 통해 검토하였다. 이를 통해 하천에서 증가되고 있는 자연적인 식생영역이나 친수공간으로서 조성되는 식재에 의해 발생할 수 있는 하천 및 하구에서의 수위 및 유속 변동성을 분석하고자 하였다. 2차원 수치모형을 통한 수리분석을 통해 식생구간에서의 횡방향 흐름 분석과 약 3 km에 달하는 하구를 포함한 종방향의 흐름분석을 수행하여 그 특성을 제시하였다.

마읍천 하천고수부지 공원조성에 따른 식생의 영향에 대한 모의구간의 유속분포 결과를 Fig. 4에 제시하였다. 전반적인 유속분포를 검토해 보면 공원조성에 따른 식생의 영향을 조도계수를 조절하여 모의하였지만 명확한 차이는 발생하지 않았다. 수치모의 구간의 유속분포를 보면 하천 상류 유입부에는 낙차공이 설치되어 있어 유속이 급격히 증가하는 결과를 나타냈으며 이때 최대 5.2 m/s의 유속이 발생하였다. 이후 저수로를 따라 2.7 ~ 3.0 m/s의 유속을 갖는 흐름이 낙차공 하류에서 발생하는 것으로 나타났다. 수치모의 구간에는 두 지점의 만곡부가 존재하는데 부남리와 교가리 사이의 만곡구간은 하폭이 좁아지는 형태를 가지고 있다. 이로 인해, 유속이 국부적으로 증가하는 경향을 보였고 최대 4.1 m/s의 유속이 발생하는 것으로 나타났다. 이 구간을 지나면 좌안측 공원조성 부지인 식재영역 구간을 통과하게 된다. 식재영역 구간에서는 식생에 의한 저항에 의하여 유속이 급격히 감소하는 구간이 발생하였다. 이후 하류구간에서는 만곡부에서 국부적인 유속변화를 나타냈지만 2.5 ~ 3.5 m/s의 유속범위에서 흐름특성을 보였다. 유속분포 특성은 공원조성구간의 식재로 인하여 상하류 구간에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 나타났지만 식생영역에서 국부적인 유속감소로 인하여 저유속 구간이 발생하였다. 특히, 식재영역의 저유속 구간은 조도계수가 증가할수록 더욱 명확하게 나타났으며 그 범위에도 영향을 주는 것으로 보인다.

식재영역 구간에서 유속분포에 대한 상세한 검토를 위하여 Fig. 5에 해당 구간을 확대하여 비교한 결과를 도시하였다. 공원부지 식생영역의 조도계수 변화에 따라 유속 크기가 변화하는 양상을 보였다. 즉 조도계수가 증가할수록 식생영역 구간에서 감소하는 유속특성 및 범위 증가가 더욱 뚜렷하게 나타나고 주수로의 흐름과 식생영역의 흐름 경계가 명확하게 발생하였다. 조도계수가 0.05인 경우, 식생영역 구간의 유속은 서서히 감소하는 특성을 보였지만 조도계수가 0.15 이상이 되면서 횡방향으로 유속변화가 급격히 발생하는 것으로 나타났다. 이때 식생영역의 유속은 매우 작은 값을 나타냈으며 조도계수가 0.3인 경우에는 역방향 흐름 및 식생영역과 주수로 경계에서 전단층의 발생으로 불안정한 흐름이 발생하는 것으로 나타났다. 이는 식생영역 구간 흐름저항이 증가하면서 재순환 영역이 발생할 수 있음을 나타내며 경계층에서 와 흐름이 주기적으로 발생하고 있음을 암시한다. 또한, 식생영역과 주수로 경계면 근처에서 횡방향으로 유속경사가 발생하였고 유속경사의 크기는 조도계수 변화에 영향을 받는 것으로 나타났다. 즉, 횡방향 유속경사가 증가하는 것은 레이놀즈응력 값이 커지고 있음을 의미하며 이로 인하여 횡방향 운동량 교환이 더욱 활발하게 발생할 수 있다. Truong and Uijttewaal(2018)은 수리실험을 통하여 홍수터 식생에 의하여 횡방향 유속경사가 더욱 급해지며 식생영역과 비식생영역 경계면에서 레이놀즈응력이 최대가 발생할 수 있음을 보였다. 특히, 식생영역과 비식생영역 경계에서 전단층이 발생하고 이 영역에서 대규모 수평와(Lage scale horizontal vortices)가 발생할 수 있다고 하였다. 비록 본 수치모의에서는 격자 해상도 및 난류모형 등의 영향으로 전단층 구간에서 와의 거동에 대한 특성은 재현하지 못했지만 식생영역의 밀도가 증가한다면 대규모 와에 의한 상당한 운동량 교환이 발생할 것으로 예상되며 이는 유사의 이동 및 퇴적과도 상당한 관련이 있기 때문에 공원부지 관리측면에서 향후 면밀한 검토가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 6에는 공원부지 식생영역 중간지점에 해당하는 A-A’지점에 대해 수심분포를 제시하였으며 Fig. 7에는 해당지점의 유속분포를 비교하였다. 식생영역의 조도게수 변화에 따라 수심은 민감한 변화를 보이지 않았다. 식생영역의 조도계수가 증가하면 식생영역에서는 저항이 증가하여 수심이 상승할 수 있으며 저수로 구간에서도 식생영역에서 배제된 유량의 흐름집중으로 저수로 구간에서 수심이 상승할 수 있다. 그러나 수치모의 결과에서는 상승한 수심이 저수로 및 식생영역에서 발생하였지만 그 크기는 수심 대비 미미한 것으로 나타났다. 이는 하천폭 및 규모에 비하여 식생영역의 범위가 크지 않기 때문에 수위상승 효과가 무시할 정도로 적게 나타난 것으로 판단된다. 그러나 앞서 식생영역 근처에서의 유속분포 결과와 마찬가지로 A-A’지점에서 유속은 조도계수가 0.05보다 커지면서 급격히 변화하는 양상을 확인할 수 있다. 조도계수가 0.05인 경우 흐름방향 우안 측에서 최대 3.2 m/s의 유속이 발생하였고 좌안 측을 향하면서 점차 감소하는 결과를 나타냈으며 식생영역 경계에서 2.4 m/s의 유속을 보였다. 식생영역 구간에서 흐름저항에 의하여 점차적으로 유속이 감소하였고 유속은 약 0.2 m/s로 나타났다. 조도계수가 0.05보다 큰 경우(n=0.15, 0.20, 0.30) 유속분포는 유사한 경향과 크기를 보였다. 주수로에서는 약 6% 이상 유속이 상승하는 나타났으며 식생영역 경계면에서 유속이 급격히 감소함을 보였고 이후 유속이 거의 0에 수렴하는 것으로 나타났다. 이는 식생영향으로 인하여 흐름저항이 증가하여 유량이 식생영역으로 통과하지 못하고 대부분 저수로 구간에 집중되고 있는 것이며 이로 인해 저수로 구간에서 수위상승이 크지 않았지만 유속이 증가하는 것으로 나타난 것으로 볼 수 있다. 본 연구를 통해 조도계수 0.05-0.15 범위 내에서 식생에 의한 유속변화가 발생하는 것으로 나타났으며 이 범위에 대한 정교한 분석을 수행한다면 식재에 의한 유속과 수위영향이 최소화 되는 구간을 검토할 수 있을 것으로 판단된다.

공원부지 식생영역을 포함한 마읍천의 대상구간의 식재 전후 수위를 Fig. 8에 제시하였다. 종뱡향 흐름 검토를 위해 식재 이전의 조건은 0.03의 조도계수를, 식재 이후의 조건은 0.15의 조도계수를 적용하였다. 식재 이전 조도계수 0.03은 1차원 모형과 검증을 통해서 얻은 수치이며, 식재 이후 조도계수 0.15는 식재에 따른 수렴하는 결과는 나타내는 경계의 계수이기 때문에 적용하였다. 대상 구간의 상류측부터 하구측까지 수위 분포는 식재 전후에 있어 큰 차이를 보이지 않았다. 횡방향의 수심 분포와 유사하게 식생에 따른 하천 종뱡향의 수위 변동 또한 변화가 미미하였다. 마읍천의 경우 하상경사가 상대적으로 큰 연안하천에 속하여 하상 마찰을 증가시킬 경우 병목 등 흐름 정체 현상이 발생할 수 있음에도 하폭 대비 좁은 식생영역의 규모의 이유로 수위의 변화는 거의 나타나지 않았다. 또한, 식재 전후 하천 종뱡향의 유속 분포를 단면평균값을 통해 검토하였다(Fig. 9). 하천 식생 전후에 유속 또한 수위 변동과 같이 큰 변동성을 보이지 않았다. 본 연구에서 대상으로 한 식생영역은 하구로부터 1 km에서 1.7 km 지점에 설치되었는데 대상 영역 전반적으로 큰 유속변화는 나타나지 않았다. 다만, 식생영역의 하류구간(하구에서 1 km)에서 식재 후 유속이 상승하는 것을 확인하였는데 이는 식생영역이 하폭을 줄이는 효과를 나타내어 횡단면적 감소에 따른 비에너지에 의한 유속 상승일 수 있다. 식생영역보다 상류에서 나타난 유속 증가는 식생영역 구간 이전의 만곡부에서 발생한 강한 흐름이 만곡부 이후 내측에 형성된 식생영역으로 인해 와류와 같은 흐름을 감소시켜 유속이 증가할 수 있다. 하구 부분의 유속 및 수위는 식생구간 여부와 상관없이 변동성을 보이지 않았다. 마읍천의 특성상 여러 만곡부가 위치하고 하상경사가 크기 때문에 상류와 하류의 흐름 연속성 및 상호 영향이 적은 이유일 수 있다. 또한, 식생영역이 하폭 대비 크지 않을 경우 하천 수위 및 유속에 대한 영향이 크지 않다는 것을 알 수 있으며 특히 하천의 하구에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 강원도 삼척시에 위치하고 동해로 흐르는 마읍천을 대상으로 하구에서 약 1 km 떨어진 구간에 식생구간 형성시 나타나는 하천 및 하구에서의 수위와 유속 특성을 수치모의 결과 분석을 통해 검토하였다. 수치모의를 위해 천수방정식 기반 모형인 Nays2DH를 통한 수리분석을 통해 식생구간에서의 횡방향 흐름 분석과 약 3 km에 달하는 하구를 포함한 종방향의 흐름분석을 수행하여 그 특성을 제시하였다. 모형에서 식생영향을 적절히 반영하기 위해 다양한 조도계수를 적용하였으며, 식재에 따른 수위와 유속을 모의하여 식생영역에 의한 영향을 검토하였다. 식생영역 지점에서 횡방향으로의 흐름의 경우 수위 및 수심은 큰 변화를 보이지 않았으나 유속의 경우 식생구간에서 감소하는 경향과 함께 고수심 구간에서는 유속이 증가하는 양상을 보였다. 식생영역에 따른 흐름 저항 및 방해는 흐름을 고수심 영역으로 유도하여 식생영역에 따른 경계에 따라 전단류 흐름강도가 커질 수 있음을 알 수 있었다. 하구까지 연결된 종뱡향 흐름 분포로부터 수위 변동은 미미하고 유속의 경우 식생구간 하류부에서 유속이 증가하는 양상을 확인하였다. 식생에 따른 흐름 단면적 감소 효과가 발생하여 유속이 증가한 것으로 보이나 식생구간의 상류부와 중간부에서는 흐름 증가는 나타나지 않았다. 또한, 횡방향 및 종방향을 흐름 변화에도 하구에서의 수위 및 유속은 식생 전과 유사하여 조위 변화가 크지 않을 경우 식생에 따른 하구의 흐름 변동성은 크지 않았다. 다만, 동해안과 다르게 남해와 서해는 조석차가 크기 때문에 조위와 식생이 복합적인 상황에 대한 연구를 추후 수행할 필요가 있다.