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자연형 하천공법의 개념과 적용 ( 국내 시험하천 적용사례를 중심으로 )
우 효 섭· 유 대 영
1. 머리말
일반적으로 하천은 이수와 치수의 기능이 있다고 알려져 있다. 이수는 하천과 물이 주는 가치(Value)를 말하며, 치수는 기능이라기보다는 엄밀한 의미에서 하천관리의 목표이다. 하천은 이러한 이수적 가치와 치수적 관리대상 이외에 가장 기본적인 기능인 환경기능이 있다. 하천의 환경기능은 하천 동식물의 서식처 기능, 수질의 자정기능 그리고 심미적 기능으로 구분할 수 있다. 심미적 기능은 다른 표현으로 친수기능이라고 할 수 있다. 이수는 가치이며, 치수는 관리의 목표이며 환경만이 진정한 의미의 기능(자연이 물리·화학·생물 작용을 통하여 스스로 역할을 하는 것)이라고 할 수 있다. 따라서 하천의 가치(이수)와 관리(치수)와 기능(환경)은 상충될 수 있다. 문제는 위 하천의 요소는 모두 인간사회에 필수적인 요소라는 것이다.
지금까지 하천의 관리는 이·치수 관리를 위해 환경기능의 희생을 가져왔다. 1960년대 산업화와 도시화가 본격적으로 이루어진 이후로 하천의 관리는 치수기능과 경제성만을 위한 획일적이고 인공적인 하천정비에 초점이 맞추어져 왔다. 현재 전국의 3,600km의 국가하천 및 지방1급 하천의 대부분이 콘크리트로 덮이고, 직강화가 이루어져 인공화(Channelization)되어 있는 상태이며, 그보다 규모가 작은 지방2급 하천, 소하천의 상황도 비슷한 실정이다.
환경 보전과 개선이 우리의 삶의 질을 향상시키는 기본인자로 인식되는 최근에 들어서는 하천의 환경기능은 과거처럼 쉽게 포기하기 어렵다. 1990년대 들어 하천의 환경적 기능에 대한 인식이 확산되어 하천환경의 보전과 복원의 필요성이 대두되어왔다. 이러한 하천환경의 보전과 복원을 위한 방법으로 자연형 하천공법을 들 수 있다.
2. 자연형 하천공법의 정의
자연형 하천공법은 하천정비, 하천공사, 하천복원시 하천을 자연상태에 가깝게 만들기 위한 공법을 뜻한다. 자연형 하천공법에는 자연 상태의 가까운 하천환경을 이루기 위해서 직선화되고 균일한 단면을 갖는 인공하천을 만곡이 있고 비대칭 단면이 있는 하천형태로 바꾸는 과정이 포함되며 또한 하천 생태계가 자연스럽게 형성될 수 있는 여울과 소의 구조의 적용 또한 포함된다. 자연형 하천공법에서는 콘크리트와 같은 인공적인 재료의 사용을 지양하고 살아있는 통나무, 풀, 야자섬유 등의 생태재료를 사용하는 것을 원칙으로 한다.
자연형 하천공법은 1970년대 독일에서 근자연형 하천공법(Naturnahe Wasserbau)에 그 기초를 두고 있다. 독일의 근자연형 하천공법은 그후 1980년대 일본의 다자연형 하천공법(多自然型 河川工法)으로 발전하였다. 1990년대에 미국에서는 하천복원공법(Stream Restoration Technique)이라는 이름으로 자연형 하천공법을 정립한 바 있다.
자연형 하천공법의 적용 대상 구역은 하도 내, 저수로 선형과 저수호안, 고수부지, 고수호안(제방) 그리고 하천유역 등 기타 구역으로 구분할 수 있다. 하도 내에 적용되는 자연형 하천공법으로는 여울과 소 연속 구조, 비대칭 단면의 조성 등이 있을 수 있고 저수로 선형과 저수 호안이 적용 대상구역이 되는 경우에는 하천 선형의 만곡과 저수 호안의 생태재료 식재 등을 예로 들 수 있다. 또한 고수부지와 고수호안에도 생태계가 자연상태에 가깝게 형성될 수 있도록 인공적인 제방재료 대신에 그 지역에 적절한 식물의 식재 또한 자연형 하천공법의 범주에 든다.
국내에서는 1991년부터 1996년까지 건설부와 건설 기술연구원에서 수행한 하천환경 기초조사가 자연형 하천공법의 기초가 되었고 1996년부터 현재까지 환경부 G-7 과제로서 '국내 여건에 맞는 자연형 하천공법의 개발'의 연구가 한국 건설 기술연구원에서 수행 중이다. 이 연구에서는 양재천 과천과 우면동 구간에 공법을 직접 시험적용하여 계속적인 모니터링을 하고 있다. 또한 2001년 말에 이 연구의 최종 성과물로서 '하천환경개선(하천복원) 사업의 가이드라인'을 제작·보급할 예정이다.
국내에서 자연형 하천공법이 적용된 사례로는 1980년대 중반이 이루어진 서울 한강종합개발을 들 수 있다. 한강종합개발은 일본 오사카시의 요도카와 국정공원의 사업을 참고 하여 이루어졌다. 그 이후 1980년대 말부터 환경부의 오염하천 정화사업이 이루어졌는데 이는 주로 오염하천의 오니를 준설하는데 그 목적을 두었다. 1990년대 중반에 들어 건설교통부의 하천 환경개선사업으로 오산천 15km 구간에 자연형 하천공법이 적용된 바가 있고 그 외에도 중소하천정비에 자연형 하천 개념이 부분적으로 포함되고 있으나 아직은 저수호안에 돌붙임, 하천 공간의 친수공간으로의 이용 수준에 국한된 상태이다.
3. 외국의 하천복원사례
문헌에서 해외의 하천복원사례는 다양하게 제시되고 있다. 여기서는 외국의 사례로서 오스트리아 짤스부르크 하천복원사업과 미국 미시시피州 하천복원사업을 구체적으로 소개한다. 두 사업은 그 배경이 사뭇 다르지만(산지하천 대 평지하천; 도시하천 대 전원하천) 생물서식처의 회복, 복원이라는 점에서 공통점을 가지고 있다.
3.1 오스트리아 짤스부르크市의 Alterbach강 복원사례(Mader, 1999)
짤스부르크는 알프스 산맥 북쪽 기꽭에 있는 오스트리아의 한 도시로서 모차르트의 출생지로 유명하다. 이 도시에는 소하천인 Alterbach 강이 시내를 관류하고 있으며, 이 하천은 1940년대 나찌 시대에 하천의 이치수기능을 위해 정비되었다. 그러나 1980년대 후반 들어 지역 주민들의 하천 복원에 대한 욕구를 만족 시켜주기 위해서는 치수기능 유지와 생태 서식처의 개선을 목표로 하천복원 사업을 시작하였다. 사업 후 생물과 무생물의 특성을 고려한 학제간 모니터링 결과에 의하면, 복원사업이 생물서식처 가용성을 증가시킨 것으로 나타났다. 이 사업에 의해 100년 빈도의 홍수에 견디어냄과 동시에 자연에 가까운 서식처 조건이 달성된 것으로 나타났다.
이 하천은 유역 면적 30.2km2, 길이 10.5km, 낙차 186m 정도의 급경사 산지 하천으로, 때로는 매우 큰 홍수가 발생한다. 복원 사업 대상 구간의 길이는 1.2km, 하상 경사는 8/1,000 정도이다. 복원 사업에는 하천정비 사업 전 19세기 하천 지도를 참조하여 만곡을 조성하였다.
이 하천의 구체적인 복원 대책은 1) 하천의 만곡을 살리기 위해 가능한 주변 토지 구입, 2) 종단변화와 하폭의 변화, 3) 얕은 구역을 만들기 위해 하폭의 확대, 4) 수심변화의 조정, 5) 깊게 놓인 안정공(安定工, Stabilization Elements)을 이용한 하도 형태의 자동 조절, 6) 초기 식생과 물가 그늘의 조성, 7) 강턱의 변화(급함과 완만함), 8) 하상의 변화(교란요소의 조성), 9) 下水의 경감, 10) 위락기능, 자전거, 출구 등의 조성 등이다.
 
물고기는 황색 송어 한 종이었음 .물고기 종의 수가 8종으로 증가하였음
(a) 복원 전 (b) 복원 후
(사진 1) Alterbach강의 하천복원
사진 1과 같이 Alterbach 강 복원 사업은 자연에 가까운 하천형태의 조성으로 생태계 기능을 회복하고 동시에 친수성을 증진시켰다는 점에서 긍정적으로 평가되고 있다. 비록 하천변 도로, 자전거 도로, 건물, 기타 기존의 시설에 의해 완전한 하천복원이 되지 못하였지만 자연형 하천공법의 적용으로 서식처 가용성과 수중 유기체는 분명히 개선된 것으로 나타났다. 동시에 통수능도 유지되고 있다. 그러나 완전한 의미의 하천복원을 위해서는 장차 하천부근의 토지를 수용하여 하천에 편입시키는 노력이 필요하다.
3.2 Hotophia Creek 시험 사례(우효섭, 2001)
이 사례는 미국 미시시피州 북부에 있는 Hotophia Creek에 대해 국립 유사실험실(NSL)에서 1991년∼1993년 사이에 수행된 하천복원 시험 결과이다(Shields 등, 1995). 이 하천은 상류 유역에서 인간 활동으로 토지이용과 흐름이 변화하여 하류 하천의 하상과 강턱이 침식되어(Incised) 하천 서식처가 악화되어 생태계는 물론 심미적으로도 문제가 되었다.
(1) 시험구간의 개요
 시험하천 구간은 길이 약 1km로서 평면도는 사진 2와 같으며 전형적인 하천 전경은 사진 2과 같다. 이 구간의 상류 유역면적은 91km2, 만곡도는 1.2, 하폭은 44∼77m, 하도 깊이는 3∼4m, 최심선 경사는 0.0011, 하상 재료는 중앙 입경 0.2∼0.56mm의 모래, 평균 유량은 1.9m3/s, 연평균 비유사량은 985ton/km2/yr이다. 이 유역은 1830년대 이주민들이 정착한 후 삼림벌채와 개간 등 토지이용의 급격한 변화로 하류 하천은 퇴적되어 하상이 높아지다가 1930년대 이후 하천정비와 홍수 조절용 저수지 축조 등으로 하류 하천은 하도와 하상이 다시 침식되기 시작하였다. 이러한 하천 침식은 두부 침식, 만곡도의 축소와 하도 확대 등으로 나타났다. 그에 따라 1976년∼1991년 사이 하상은 평균 1.2m가 저하되었다. 이러한 하천변화는 결과적으로 생태 서식처를 악화시키고, 하천에 대한 친수성 또한 낮아졌다. (그림 1) Hotophia Creek 시험구간
(2) 설계와 시공
이 시험 사업에서는 사석과 생물 재료를 이용한 하천의 안정과 생태 서식처의 복원, 그리고 친수성 향상 등을 사업의 목적으로 두었다. 그러나 경제성 면에서 비용이 과다하게 소요되는 것은 고려하지 않았다.
하천복원 설계의 기본개념으로 1) 비용 절감을 위해 하천 경사를 바꾸거나 만곡도를 늘리는 대형 토목사업은 지양하고 기존의 수제를 활용하고 2) 기존의 사석 수제를 연장하여 여울과 소를 조성하되, 흐름 방향과 반대 방향으로 교대로 경사지게 설치하고(사진 3 참조), 3) 수제의 연장으로 인해 생길 수 있는 맞은 편 강턱의 불안정을 막기 위해 강턱 밑에 사석 호안을 하고, 4) 호안 주위와 사주(Sand Bars)에 토종 버드나무(Salix)를 삽목하는 것 등을 채택하였다. 길이가 연장된 수제는 최심선의 만곡을 유도하며, 수제 뒤로 소(沼)를 형성한다. 물가 식생은 수중에 유기물 공급과 그늘을 만들어준다는 점에서 중요하다. 또한 하도 내 식생은 유사의 퇴적을 유발하여 다른 식생의 자연 활착을 도와준다. 물가 식생 활착을 위해 총 3,445개의 휴면 버드나무 삽목을 심었다. 삽목의 직경은 2∼25cm, 길이는 150∼180cm 정도이며, 시험구간의 주위 1km 범위에서 잘라서 그 날로 삽목 하였다. 삽목 위치는 1) 강턱 밑 끝 사석의 바로 뒤, 2) 사주, 3) 수제가 강턱과 만나는 곳 주위 점착성 강턱 등이다.
(3) 성과의 평가 - 모니터링 결과
하천복원 시험의 성과를 평가하기 위해 사업 전후에 걸쳐 자료를 수집하였다. 복원 공사는 '92년 2월에 시작하여 '93년 3월에 끝났다. 하천단면은 100m 간격으로 12개 단면에 대해 사업 전·후 측량을 하였다. 물고기는 100∼137개의 격자점에서 1991∼1994년에 주기적으로 조사하였다.
 
(a) 사업 전 (b) 사업 후 2년
(사진 2) Hotophia Creek 시험구간(Shields 등, 1995)
공사가 끝 난지 10일 만에 최대 유량 380m3/s의 강턱 유량에 가까운 홍수가 났다. 그러나 모니터링 기간 중 하천 단면의 변화는 거의 없었다. 기저 유량에 의한 평균 수심은 전체적으로 공사 후 처음 1년은 9cm에서 22cm로 대폭 늘었다가 그 다음 해부터 15cm 정도를 유지하였다. 어류 서식처 조사 결과 수제가 만든 세굴공에서 개체 수, 종의 수, 평균길이 등이 3∼5배 정도 크게 증가하였다. 구체적으로, 종의 수와 물고기 평균길이는 약 50% 증가하였으며, 채집된 물고기 수는 사업 전 300마리 수준에서 사업 후에는 1,000마리 수준으로 3배정도 늘었다. 세굴공의 깊이도 32cm에서 84cm 정도로 크게 늘었다가 나중에 약간 줄었다. 이러한 세굴공 깊이의 감소는 시간이 감에 따라 돌 수제 바닥의 세굴로 수제가 점차 주저앉았기 때문이다. 사진 3(b)는 복원 사업 후 두 번의 성장기를 지난 후 하천 사진이다. 버드나무의 싹은 삽목 후 바로 1개월 후에 나기 시작하여 1년 이내에 강바닥에서 높이 2cm 정도까지 자라고, 물가는 진한 숲으로 변하였다. 강턱 밑 사석과 버드나무는 맞은 편에 연장 수제로 인한 강턱 침식에 잘 저항하고 있었다.
(4) 교훈과 개선
이번 시험 사업으로 하천의 단면형, 하상 재료, 마찰 계수 등의 변화는 거의 없었던 반면에, 식생을 지탱하는 물가 사주(Sandbars)의 길이는 두 배로 늘고, 세굴공의 확장 등으로 물고기 수도 3배로 늘었다. 그러나 일부 수제는 주저앉아 제대로 역할을 하지 못했다. 따라서 수제 마루의 높이는 1m에서 2m 정도로 늘리는 것이 바람직하다. 다음, 강턱 밑의 사석은 대부분 제 기능을 발휘하고 퇴사는 자연적으로 묻혔다. 여기서 강턱 밑에 심은 버드나무는 1.5m 정도 깊이로 심으면 사석 없이도 홀로 침식에 저항할 수 있다.
4. 국내 하천의 시험적용
4.1 시험구간의 개요
한국건설기술연구원에서 환경부 G-7 과제로 수행 중인 '국내 여건에 맞는 자연형 하천공법의 개발' 연구에서는 양재천을 시험하천으로 선정하여 자연형 하천공법을 시험적용중이다. 양재천은 시흥의 청계산, 과천의 관악산에서 발원하여 서울특별시 서초구, 강남구 등을 거쳐 탄천으로 유입되는 지방2급하천이다. 양재천의 유역과 물리적 특성을 표 1에 정리하였다.
<표 1> 양재천의 유역과 물리적 특성
양재천은 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이 국내 중소하천의 전형적인 특징을 가진 하천이며, 1970년대 정비되어 복단면과 제방으로 이루어진 횡단면을 가지고 있다. 하천의 선형은 준직강화되어 있는 상태이다. 수질 특성은 상て하류에 걸쳐 큰 변화 없이 BOD 3∼10ppm을 유지하고 있으며 이는 도시하천의 수질로는 양호한 편에 속한다고 할 수 있다. 양재천의 생물 특성은 개수된 인공 하천의 특징으로서 하천내에 수목이 제거되어 존재하지 않으며 고수부지에는 환삼덩굴과 잡풀이 무성한 상태이었다. 하천의 직강화와 단면의 획일화로 인해 하천 서식처의 물리조건이 훼손되었으므로 생물상은 사실상 존재하지 않는다고 판단되었다. 다만 홍수 직후에 소수의 물고기가 관찰된 적이 있다.
4.2 양재천 과천 구간
과천 구간은 양재천 상류에 속하는 구간으로서 시험구간은 과천시 부림동을 지나는 300 m 구간이다. 이 구간은 1996년도 말에 시험공법을 적용한 후 지속적인 모니터링을 하고 있으며 1997년 5월과 7월, 1998년 8월에 발생한 홍수로 일부 구역에 피해가 발생하여 복구 및 보강 작업을 수행하였다. 현재 이 구간에 적용된 공법은 정착단계에 있다. 양재천 과천 구간에 자연형 하천공법 적용 전·후의 모습을 사진 4에 나타내었다.
  (a) 1996년 4월 (b) 1997년 2월   (c) 1997년 5월 (d) 1997년 여름
(사진 3) 양재천 과천 구간의 자연형 하천공법 적용 전·후 비교
(1) 저수로 선형
저수로의 선형은 사진 4의 1997년 여름의 사진에 나타나 있는 바와 같이 만곡을 가지게 하였다. 저수로의 만곡은 자연하천에서 나타나는 현상으로 수로 횡단면에 걸쳐 유속이 빠른 부분과 느린 부분이 발생하게 하여 생물서식처를 제공하고 자연적인 유사의 퇴적이 일어나는 기능을 한다. 시험구간에 적용한 만곡은 그 파장의 길이가 하폭의 5∼7배에 해당한다.
(2) 저수호안
저수호안공법은 치수안정성을 만족시키는 동시에 자연성과 수변 생태계를 유지할 수 있는 재료와 시공방법을 사용하였다. 돌바구니, 나무수제, 나무틀, 사석쌓기, 야자섬유, 습생식물 군락 등 다양한 공법이 시험적용되었다. 사진 5에는 나무틀 공법과 사석과 갯버들 공법의 적용구간을 도시하였다.
   (a) 나무틀 공법 - 공사직후 (b) 나무틀 공법 - 97년 8월 (c) 나무틀 공법 - 98년 5월    (d)사석과 갯버들 공법 - 공사직후 (e)사석과 갯버들 공법 - 97년 8월 (f)사석과 갯버들 공법 - 98년 5월
(사진 4) 양재천 과천구간에 적용된 저수호안공법
(3) 하도내
양재천 과천 구간의 경우 하상 재료가 대부분 자갈 보다 큰 돌로 이루어져 있어 여울과 소로 인한 물고기 서식처 효과가 미흡할 것으로 판단되었기 여울과 소의 연속 구조를 새로 조성하지 않았다. 하상에는 큰 돌이 다양한 크기로 산재되어 있어 하천흐름의 다양성을 제공하고 있다.
(4) 고수부지
고수부지에는 갯버들, 부들, 갈대, 창포, 달뿌리풀, 물억새 등을 이식하였으나 갯버들을 제외한 식물의 상당부분이 고사하였다. 식재한 식물이 고사한 이유로는 원래 서식하고 있던 환삼덩굴로 인한 원인과 지하수위가 낮은 원인으로 분석된다. 즉, 식물종과 위치의 선정이 적절하지 못했다는 판단을 할 수 있다. 다만 과천구간 고수부지의 경우 달뿌리풀의 성장률이 다른 식물에 비해 비교적 높은 결과를 얻을 수 있었다(사진 5).
 (사진 5) 양재천 과천구간의 저수로와 고수부지(2000년 4월)
(5) 제 방
제방에 적용된 공법은 돌망테와 인동 덩굴, 블록떼기와 식생공법이다(사진 6). 이 공법은 1998년 8월 홍수에도 큰 피해 없이 잘 유지될 수 있었다.
(6) 1998년 8월 홍수 피해와 영향
1998년 8월 8일과 9일에 걸쳐 양재천 구간에 24시간 동안 약 430mm의 강우가 발생하였다. 이는 설계호우 385mm를 초과하는 집중 호우로서 시험구간을 포함한 양재천은 국부적으로 제방을 월류하였으며 시험구간 내에도 상류 만곡부에서 월류가 일어났다. 이 때의 유량은 250m3/s를 초과하였고 최대 유속은 3∼4m/s로서 추정된다. 이 홍수시에 수목 식재로 인한 홍수위상승 효과는 5% 정도에 국한된 것으로 추정된다.
  (a) 돌망테와 인동 덩굴 공법 (b) 블록떼기와 식생 공법
(사진 6) 양재천 과천구간의 제방(2000년 3월)
또한 시험구간 내에서 국부적인 세굴 현상은 있었지만 심각한 세굴 피해는 발생하지 않았는데 이는 생물 재료와 돌 등을 적절히 혼합하면 기존의 콘크리트 호안을 대신하여 설계 홍수에서도 유지될 수 있는 호안을 이룬다는 사실을 증명한다(사진 7).
 (a) 구간내 소규모 구조물의 세굴 (b) 하안 야자망의 세굴   (c) 고수부지의 세굴 (d)홍수 후의 시험구간 전경
(사진 7) 양재천 과천 구간의 1998년 8월 홍수피해
4.3 양재천 서초구 우면동 구간
양재천 우면동 구간은 양재천의 중류에 해당하는 구간으로서 하천 경사가 비교적 완만하며 하상재료는 모래로서 자연형 하천공법 적용 전에는 양안 고수부지에 환삼덩굴이 주로 번식하고 있었다. 또한 저수호안은 콘크리트로 이루어져 있고 하상 재료가 퇴적되어 식생이 활착된 상태를 유지하고 있었으며 고수호안은 콘크리트 블록으로 홍수위까지 시공되어 있었다(사진 8).
자연형 하천공법의 적용함에 있어 목표는 하천서식처의 물리기반을 복원하여 생태서식처로서의 기능을 담당할 수 있는 기반을 제공하는데 있다. 또한 하천의 경관을 자연형으로 복원하여 기존의 인공화된 하천의 비해 개선시킴으로써 친수성을 제고하는 것 역시 자연형 하천공법의 큰 목표라 할 수 있다. 물론 공법 적용시에는 치수능력을 계속 유지되어야 한다.
   (a) 적용 전 저수로와 고수부지 (b) 적용 후 첫 홍수(1999. 8) (c) 성숙기(2000. 9)
(사진 8) 양재천 우면동 구간의 자연형 하천공법 적용 전て후 모습
우면동 구간에 적용된 기본원칙은 저수로의 만곡을 하천폭의 2∼3배의 반경으로 설치하는 것이 포함되어 있다. 또한 저수로의 단면을 비대칭으로 만들고, 하천 단면을 하도, 저수로 호안, 고수부지, 제방의 4개의 소구간으로 구분하여 자연형 하천공법을 적용하는 것을 원칙으로 하였다. 치수를 위하여 하천제방을 그대로 유지하였으며 시범적인 하천수질정화시설을 설치하여 운영하였다.
(1) 저수로 호안
저수로 호안에 적용된 공법은 강자갈 호안, 윗가지 호안, 사석-섶단 호안, 사석-거석 호안, 녹화 마대 호안, 돌심기 호안, 돌망태 호안 등으로 다앙한 공법이 시험하천구간에 적용되었다. 이들 저수로 호안공법은 세굴에 충분히 견딜 수 있는 치수의 기능 뿐만 아니라 하천 생태계에 서식처를 마련하는 환경적 기능을 담당할 수 있는 재료와 공법을 선택하였다. 적용된 이들 공법 중에서 갯버들을 이용한 윗가지 호안공법과 녹화 마대 호안공법의 시공사진을 사진 10에 도시하였다.
  (a) 갯버들 윗가지 호안공법 (b) 녹화 마대 호안공법
(사진 9) 양재천 우면동 구간에 적용된 저수로 호안공법
(2) 하도내
하도내의 적용된 자연형 하천공법은 하천흐름에 속도의 변화를 주어 하천생물이 살아갈 수 있는 공간을 제공하고 또한 하천의 자정기능을 되살리는데 주된 목적이 있다. 이러한 목적을 위해서 외톨이 거석공법, 거석 수제공법, 징검다리 거석공법, V자 여울공법 등이 시험구간 내에 적용되었다. 외톨이 거석공법과 거석수제공법은 하천에 장애물을 설치하여 그 주변에 유속이 작아져서 생물의 서식처를 제공하는데 주된 목적이 있고 징검다리 거석공법과 V자 여울공법은 하천수의 유속을 증가시키고 공기와의 접촉면을 늘려 자정기능을 증대시키는데 목적이 있다(사진 10).
(3) 제 방
제방은 치수의 기능을 위해 녹화블록 공법을 부분적으로 적용하였다. 녹화블록 공법은 콘크리트 블록 중간을 비워 식물을 식재하는 방법으로 식생이 안착한 이후에는 충분한 지지력을 갖게 된다.
  (a) V자 여울공법 (b) 외톨이 거석 공법   (c) 징검다리 거석공법 (d) 거석 수제공법
(사진 11) 양재천 우면동 구간에 적용된 하도내 공법
(4) 비오톱과 수질정화시설
자연하천 서식처의 다양성을 창출하기 위하여 개방형과 폐쇄형 비오톱(Biotop)을 설치하였다(사진 12). 개방형 비오톱은 하도와 연결되어 샛강과 같은 구조로 이루어져 있고 폐쇄형 비오톱은 고수부지에 고립된 형태로 형성되었다. 시험적용된 비오톱은 개방형의 경우 토사의 유입으로 인해 일부가 매몰되었고 폐쇄형은 지하수위가 낮아 하천변의 지하수가 유입되지 않아 말라 버리는 문제가 발생하였다.
이러한 시험적용의 결과로부터 개방형 비오톱의 위치선정의 유의해야 하는 점과 폐쇄형 비오톱 설치시에는 지하수를 공급받을 수 있는 충분한 깊이를 유지하거나 물을 외부로부터 유입할 수 있게 해야 한다는 교훈을 얻을 수 있었다.
수질 정화시설로는 상향류식 자갈접촉산화시설, 수질정화 자유수면 습지, 수질정화 자갈여과 습지가 적용되었다. 상향류식 자갈접촉산화시설은 콘크리트 박스 안에 직경 20∼50mm, 50∼100mm, 100∼150mm의 자갈을 순서대로 깔고 물을 아래에서 윗쪽으로 이동시키면서 수질을 정화하는 공법으로 처리용량은 500m3/day이며 BOD와 SS의 제거률은 40∼70%이다(사진 13).
수질정화 자유수면 습지, 수질정화 자갈여과 습지는 각각 자유수면 또는 자갈 여과층을 가진 습지에 부들 또는 갈대를 심어 수질을 정화하는 시설이다(사진 14, 15). 이들 시설은 방류수 고도처리, 양재천 하천수 정화에 사용되며 BOD, SS, 및 질소, 인 등을 제거하는 능력을 갖추고 있다.
   (a) 식물 군락 (b) 개방형 비오톱 (c) 폐쇄형 비오톱
(사진 11) 양재천 우면동 구간에 설치된 비오톱
 (사진 12)) 상향류식 자갈접촉산화시설 사진(2000년 4월)  (그림 2) 상향류식 자갈 접촉산화시설의 BOD 처리 효율   (그림 3) 수질정화 자유수면 습지 개념도 (사진 13) 수질정화 자유수면 습지 공사 후 사진
5. 모니터링
시험하천에 대한 모니터링은 시공 모니터링(Implementation Monitoring), 효과 모니터링(Effectiveness Monitoring) 그리고 검증 모니터링(Validation Monitoring)으로 나눌 수 있다. 시공 모니터링은 계획한 시공이 설계대로 수행되었나를 확인하는 모니터링으로 모니터링의 단계 중 가장 기본이 되는 것이라 할 수 있다. 효과 모니터링은 사업의 목적이 달성되었는가를 확인하는 모니터링의 단계로서 사업의 계획과정에서 설정하였던 목표와 공법을 적용하고 나서 나타난 결과와의 비교단계이다. 검증 모니터링은 설계에 이용된 가정과 원인-결과 관계가 적절했는가를 확인하는 단계로서 모니터링을 통한 공법 적용의 결과의 면밀한 분석이 요구될 뿐만 아니라 차후의 공법의 개선을 위해서 필수적인 단계라고 할 수 있다.
  (그림 4) 수질정화 자갈여과 습지 개념도 (사진 14) 수질정화 자갈여과 습지 공사 후 사진
'국내 여건에 맞는 자연형 하천공법의 개발'의 연구에서는 공법의 시험적용 후 2∼4년 간 양재천 과천 구간과 우면동 구간에서 계속적인 모니터링을 수행하였다. 모니터링의 내용은 하천의 물리적, 화학적, 생물학적 특성을 계속적으로 조사하는 것으로서 하천의 수위-유량, 하천형태의 사진 촬영, 하도변화, 세굴과 퇴적 등이 물리적 조사내용의 범주에 든다. 화학적 조사로는 하천수질 및 저니질 조사가 있으며 생물학적 조사로는 식생 조사, 수서곤충, 양서파충류, 포유류, 어패류, 무척추동물, 조류 등의 조사가 이루어지고 있다.
6. 시험하천의 성과와 교훈
'국내 여건에 맞는 자연형 하천공법의 개발'의 연구에서 시험하천에 자연형 하천공법을 적용하여 계속적인 모니터링을 통해 얻은 교훈은 다음과 같이 정리할 수 있다.
- 홍수에 의한 홍수위상승과 세굴 우려 : 하천내에 식생에 의한 홍수위의 상승 효과는 식생이 없는 경우에 비해 5∼10% 수위상승이 추정된다. 홍수로 인한 세굴피해는 1997년 5월 홍수로 인한 피해 이후에 1998년 8월 홍수때 또다시 발생하였다. 이는 자연형 하천공법이 처음 개발된 유럽과 달리 우리나라의 경우 유역면적에 비해 첨두유량이 매우 크고 따라서 유속이 커서 홍수로 인한 세굴의 취약성을 보여준다. 그러나 대부분의 저수로 호안공법은 홍수에 견디는 결과를 보였고 특히 버드나무 다발은 설계 홍수를 초과하는 홍수에도 지탱하는 결과가 나타났다. 이는 살아있는 나무, 돌, 통나무 등의 생태 재료가 콘크리트를 대신하여 하천정비에 이용될 수 있다는 점을 시사한다.
- 하천 퇴적 : 시험하천 적용 이후로 여러 번의 홍수로 인해 시험구간 내에 하천 유사의 퇴적이 발생하였다. 인공적으로 직강화된 하천은 통수능과 유사 이송측면에서 자연형 하천공법 하천 보다 유리하다. 자연형 공법 구간 하천에서는 식생과 하도 만곡 등으로 와류발생이 많아 퇴적이 가속되어 과천 구간의 경우 1997년 시험적용 이후 현재 평균 10cm 정도의 퇴사가 발생하였다. 특히 저수로 호안에 대부분의 퇴사가 발생하여 공법이 적용된 호안의 특징이 부분적으로 소멸한 구간이 발생하였다. 퇴사로 인한 홍수위의 상승은 5% 이내로 간접 추정된다.
- 하도형태의 변화 : 양재천 우면동 구간에는 자연형 하천공법의 일부분으로 인공사주를 조성하였는데 그 이후 인공사주는 예상과 달리 퇴사가 계속되어 인공사주가 하안에 붙어버리는 결과가 나타났다. 이는 예상하지 못했던 하도 형태의 변화로서 자연하천공법의 적용시 하천형태에 대한 예측은 충분한 수리학적 검토가 필요하다는 점을 시사한다.
- 원하지 않는 식물의 우점 : 양재천 우면동 구간은 자연형 하천공법의 시험적용 전에는 고수부지에 환삼덩굴이 주로 서식하였다. 이 구간에 갯버들, 부들, 갈대 등 물가 식물을 식재하자 바로 환삼덩굴이 지배적으로 자생하여 새로 식재한 식물을 고사시켰다. 이러한 결과는 자연형 하천공법의 적용에 있어서 적용 지역의 지배적인 식물과 그 특성을 이해하고 식재를 해야 한다는 교훈을 준다.
또한 식재종과 위치의 선정 역시 중요한데, 자연형 하천공법 시험적용에서 갯버들이 아닌 일반 버드나무를 물가에 심어 너무 크게 자라서 통수능에 장애를 주거나, 물가식물을 고수부지에 심어 상당부분이 고사하는 시행착오를 거친 바가 있다.
- 자연형 공법의 유지·관리 : 자연형 하천공법은 공법의 적용과 함께 유지 관리가 중요하다. 양재천 과천 구간의 경우 물가 우안 하류에 심은 버드나무는 심은 지 3년 만에 높이 5∼7m, 줄기 직경 10cm 정도로 곧게 성장하여 홍수 시 통수능에 지장을 주었고 이에 따라 버드나무 다발 일부분을 밑둥치기를 하여 나무를 속아내었다. 이경우 처음부터 갯버들이 아닌 버드나무를 심어 문제가 되었지만 자연형 하천이 자연성을 가지면서 치수능력을 유지하기 위해서는 하천내 식생의 주기적인 관리가 필요하다는 교훈을 얻을 수 있었다.
7. 맺음말
자연형 하천공법은 콘크리트 공법, 직선 하도, 획일적인 단면 등으로 인공화 되어 배수로의 역할밖에 하지 못하고 있는 기존의 하천정비 관행의 문제를 해결할 수 있는 바람직한 방법으로 하천관리자의 이에 대한 적극적인 검토와 응용을 추천한다. 즉, 나무, 풀, 돌과 같은 생태 재료가 콘크리트를 대체할 수 있고 생물재료와 자연형 하천형태의 시공으로써 생태 서식처를 조성하고 하천의 친수성을 증진하면서도 치수기능을 유지한다는 점이 자연형 하천공법의 시험적용을 통해서 밝혀졌다. 개별적인 시행에 있어서는 하천의 특성이 각기 다르므로 어떤 공법을 선정해야 할 것인가는 경험을 가진 전문가의 자문을 얻는 것이 바람직하다고 판단된다.
자연형 하천공법은 하천 계획과 설계의 구체적 방안으로서 대상 하천의 하천환경관리 기본계획을 수립하여 하천구간 특성별로 구역구분을 하고 그 이후에 적극적인 정비와 복원이 필요한 구간에 대해 공법의 적용이 바람직하다.
공법의 시험적용을 통하여 얻은 결과를 바탕으로 잠정적으로 추천할 수 있는 공법은 다음과 같다.
[참 고 문 헌]
1. 우효섭, 하천 수리학, 제14장, 청문각, 2001년 출판 예정
2. 환경부/한국건설기술연구원, '국내 여건에 맞는 자연형 하천공법의 개발', 각 차년 연구보고서, 1996.12, 1997.12, 1998.12
3. Mader, H., "Successful River Restoration within the Urban Area of Salzburg shown at River Alterbach,"3rd International Symposium on Eco-Hydraulics, Salt Lake City, Utah, July, 1999.
4. Shields, Jr., F. D. and Cooper, C. M., and Knight, S. S., "Experiment in Stream Restoration", J. of Hydraulic Engineering, ASCE, vol. 121, no. 6, June, 1995.
우효섭-禹 孝 燮
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