Evaluation of Urbanization Impacts on Flood Generation in the Adigrat Watershed, Northern Ethiopia

너무 빨리 달리는 법을 배운 도시

유역을 거대한 천연 스펀지라고 상상해 보세요. 비가 내리면 이 스펀지는 물을 흡수하여 땅속으로 천천히 스며들게 하고, 시간이 흐름에 따라 강에 부드럽게 물을 공급합니다. 이것이 자연이 폭풍우를 다루는 일반적인 방식입니다. 하지만 도시는 다릅니다. 우리가 도로, 주택, 주차장을 건설할 때, 우리는 그 부드럽고 스펀지 같은 흙을 딱딱하고 변하지 않는 콘크리트와 아스팔트로 덮어버립니다. 수문학(물의 이동을 연구하는 과학)의 세계에서 이것은 매우 중요한 문제입니다. 이러한 단단한 표면을 '불투수성'이라고 부르는데, 이는 물이 통과할 수 없음을 의미합니다. 물은 스며드는 대신, 갈 곳이 없어져 트랙 위의 경주용 자동차처럼 경사면을 따라 위에서 아래로 빠르게 쏟아져 내려갑니다.

과학자들은 이러한 천연 스펀지가 콘크리트로 덮였을 때 어떤 일이 발생하는지 예측하기 위해 특수한 컴퓨터 프로그램을 사용합니다. 가장 인기 있는 도구 중 하나는 HEC-HMS라고 불립니다. 이것을 연구자들이 수년간의 날씨를 되감거나 빨리 감기 하여 도시의 지도를 변경함으로써 물이 어떻게 반응할지 볼 수 있게 해주는 '디지털 타임머신'이라고 생각하면 됩니다. 그들은 '곡선 번호(Curve Number)'와 같은 요소들을 살펴봅니다. 이는 특정 지역의 땅이 물을 얼마나 흡수할지, 아니면 얼마나 흘려보낼지를 알려주는 일종의 점수입니다. 점수가 높을수록 더 많은 물이 유출됩니다. 도시가 성장함에 따라 이 점수들은 올라가고, 강은 더 빨리 화를 냅니다. 이것이 중요한 이유는, 도시가 계획 없이 너무 빠르게 성장할 경우 그 결과는 단순히 물웅덩이가 생기는 것이 아니라, 집과 도로를 휩쓸어 갈 수 있는 홍수가 되기 때문입니다.

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아디그라트 실험: 스펀지가 돌로 변했을 때

에티오피아 북부에는 아디그라트라는 마을이 있습니다. 세계의 많은 곳과 마찬가지로 이곳도 매년 건물과 도로가 늘어나며 빠르게 성장하고 있습니다. 악숨 대학교의 연구팀은 다음과 같은 의문을 가졌습니다: 과연 이 성장이 지역 유역의 홍수 행동을 정확히 얼마나 변화시켰는가? 그들은 단순히 추측하지 않았습니다. 그들은 30미터 격자 형태의 지형 데이터와 2000년과 2018년이라는 두 가지 서로 다른 시점의 지형 지도를 사용하여 아디그라트 유역의 '디지털 트윈'을 구축했습니다.

아디그라트 유역 내부에 유량을 측정할 수 있는 수위계가 없었기 때문에, 과학자들은 영리하게 대처해야 했습니다. 그들은 인근의 슬루(Sluh)라는 관측소 데이터를 빌려왔고, '면적 비율법(area-ratio method)'이라는 수학적 기법을 사용하여 아디그라트의 유량을 추정했습니다. 그들은 이 데이터와 함께 토양도 및 강수 기록을 HEC-HMS 컴퓨터 모델에 입력했습니다. 그들은 1998년부터 2012년까지의 데이터를 사용하여 모델을 보정(라디오 주파수를 맞추듯 튜닝)했고, 2013년부터 2017년까지의 데이터로 모델을 검증하여 모델이 진실을 말하고 있는지 확인했습니다. 모델은 잘 작동했으며, 예측값과 실제 데이터 사이에 강력한 일치를 보여주었습니다.

이제 핵심적인 비교 단계가 왔습니다. 연구진은 모델을 두 번 실행했습니다. 첫째, 대규모 도시화가 일어나기 전인 2000년의 모습 그대로라면 유역에 어떤 일이 일어날지 시뮬레이션했습니다. 그다음, 더 많은 건물과 도로가 들어선 2018년의 지도로 다시 한 번 실행했습니다. 결과는 도시의 성장이 물의 행동을 변화시켰다는 명확한 신호를 보내왔습니다.

속도와 급증
가장 눈에 띄는 발견은 홍수가 얼마나 더 빠르고 커졌는가 하는 점이었습니다. 2000년 유역을 빠져나가는 물의 정점 유량(peak flow)은 6.1 m³ s⁻¹였습니다. 도시화가 진행된 후인 2018년, 이 정점 유량은 8.8 m³ s⁻¹로 뛰어올랐습니다. 이는 유출구에 도달하는 물의 속도와 힘이 30.68% 증가했음을 의미합니다. 단순히 조금 빨라진 것이 아니라, 물이 훨씬 더 강력한 힘을 실어 몰려온 것입니다.

단순히 속도뿐만 아니라, 홍수수의 총량도 늘어났습니다. 총 홍수량은 2000년 166.49 × 10⁶ m³에서 2018년 215.09 × 10⁶ m³로 증가했습니다. 이는 총량이 29.19% 증가했음을 나타냅니다. 간단히 말해, 유역은 물을 머금는 능력이 줄어들었고, 한꺼번에 더 많은 물을 쏟아내고 있었습니다.

왜 이런 일이 일어났는가?
논문에 따르면, 이는 '곡선 번호'(유출 점수)가 높아졌기 때문에 발생했습니다. 마을이 확장됨에 따라 '불투수 표면'(콘크리트와 암석)의 양은 늘어난 반면, '초기 추적량(initial abstraction)'(물이 흐르기 시작하기 전 땅이 흡수할 수 있는 양)은 줄어들었습니다. 물이 숨을 곳이 없어진 것입니다.

또한 모델은 '지체 시간(lag time)'과 '집중 시간(time of concentration)'이 짧아졌음을 보여주었습니다. 마치 주자들이 매 스테이션마다 멈춰 서서 신발 끈을 묶던 계주 경주에서, 이제는 멈추지 않고 바로 질주하는 것과 같습니다. 물이 유역의 하류에 훨씬 더 빨리 도달했습니다. 예를 들어, W600이라는 소유역의 경우 물이 이동하는 데 걸리는 시간이 14.87분에서 13.48분으로 단축되었습니다. 또 다른 구역인 W710에서는 7.46분에서 5.53분으로 줄어들었습니다. 물이 그 어느 때보다 빠르게 움직이고 있었습니다.

모든 구역이 동일하지는 않았다
흥有趣롭게도, 홍수는 모든 곳에서 똑같은 방식으로 악화되지는 않았습니다. 연구진은 홍수 정점이 가장 크게 증가한 곳이 J99 및 R330과 같은 합류점에서 여러 하천이 만나는 유역의 중심부라는 것을 발견했습니다. 이 중심 구역에서 정점 유량은 약 2.0 ~ 2.6 m³ s⁻¹ 정도 급증했습니다. 그러나 W710이라는 아주 작은 소유역의 경우, 정점 유량은 전혀 변하지 않았으며(0.2 m³ s⁻¹ 유지), 이는 도시 성장의 영향을 받기에는 너무 작았기 때문으로 보입니다. 하지만 그곳에서도 물은 더 빠르게 도착했습니다.

숨겨진 비용: 나중에 줄어드는 물
이러한 속도에는 부작면이 있었습니다. 물이 표면을 통해 너무 빨리 흘러 내려갔기 때문에, 땅속으로 스며들어 지하수를 충전하지 못했습니다. 모델은 '저유량(low flow)'(폭풍이 지나간 후 강에 남는 물)이 급격히 감소했음을 보여주었습니다. 유역 유출구에서 잔류 유량은 약 6.0 m³ s⁻¹에서 3.4 m³ s⁻¹로 떨어졌으며, 이는 43.3%의 감소를 의미합니다. 도시는 더 큰 홍수를 얻었지만, 그 이후의 강은 더 빨리 말라갔습니다.

미래를 위한 의미
저자들은 아디그라트의 급격한 도시화가 이 지역의 수문학적 특성을 근본적으로 변화시켰다고 결론지었습니다. 도시는 스펀지보다는 미끄럼틀에 가까워졌습니다. 그들은 만약 마을이 이러한 변화를 고려하지 않고 계속 성장한다면, 홍수는 더욱 심각해질 것이라고 경고합니다. 논문은 자연적인 배수 경로를 열어두고, 거대한 스펀지 역할을 하여 물을 일시적으로 잡아둘 수 있는 저류지를 건설하며, 투수성 포장을 사용하는 것과 같은 '수문학적 고려 사항'이 향ate 도시 계획에 반드시 포함되어야 한다고 권고합니다.

이 연구는 몇 가지 한계점을 인정하고 있습니다. 인근 관측소의 데이터를 빌려와 사용했기 때문에 어느 정도의 불확실성이 존재합니다. 또한, 2000년과 2018년이라는 두 시점만을 살펴보았으며 기후 변화를 고려하지 않고 강수량이 일정하다고 가정했습니다. 그러나 시뮬레이션 결과는 명확합니다. 콘크리트 도시는 물을 더 빠르고, 더 세게, 그리고 더 많은 양으로 흐르게 만들고 있습니다. 메시지는 분명합니다. 도시를 안전하게 유지하고 싶다면, 콘크리트를 붓기 전에 먼저 물을 계획해야 한다는 것입니다.