폭포의 유형 분류와 사례 - 우리나라와 미국을 대상으로 -

The types classification and cases of waterfalls in Korea and the USA

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  • ABSTRACT

    The waterfalls are identified that stream water fall down along nearly vertical rock face at knickpoint which steep point of longitudinal profile of stream. This study attempted types classification of waterfalls and suggested typical cases on Korea and the United States. The types of waterfalls classified as 1) falls by differential erosions, 2) falls by channel avulsion, 3) falls by marine erosions and sea level changes, 4) falls by glacial erosions, 5) falls by tectonic movements, 6) falls by karst processes, based on geomorphological formation factors. When they are based on sectional form, waterfalls classified as 1) hanging falls, 2) free falls, 3) slide falls, 4) tumbling, 5) cascade. Waterfalls are mostly appeared as hanging falls and cascade by differential erosion due to differences of rock hardness in the United State. Whereas they are mostly appeared as free and slide falls by differential erosion due to differences of geological structure in Korea.

  • KEYWORD

    falls , knickpoint , differential erosion , hardness of rock , geological structure , formation factors of falls , sectional shape of falls

  • I. 서 론

       1. 폭포의 지형학적 의미

    폭포(waterfall, falls)는 급경사의 암벽면(rock face) 위에서 물이 자유롭게 낙하하는 것으로(Goudie, 2004), 하천 종단면이 거의 수직으로 나타나는 지점이다(Mayhew, 2009). 대부분의 폭포는 하천의 침식 작용으로 형성되지만, 파랑이나 빙하의 침식 작용, 지반 융기, 해수면 하강, 탄산칼슘의 집적 작용 등에 의해서도 형성된다. 폭포는 국지적인 고도 변화가 나타나는 곳, 즉, 경사 급변점(천이점)을 하천이 흐를 때 형성되므로, 해안평야나 충적평야와 같은 평탄한 곳과 저지대에서는 거의 존재하지 않지만, 고도와 기복의 변화가 심한 산지, 고원의 말단부, 해식애가 발달한 암석 해안 지역을 흐르는 하천에서는 폭포가 형성되기 유리하다(Hudson, 2012). 따라서 폭포는 지역에 따라 전혀 발견되지 않기도 또는 매우 흔하기도 한, 지구상에서 분포가 고르지 않은 대표적인 하천 지형이다.

    세계에 존재하는 폭포의 규모와 형태는 매우 다양하다. 그러나 폭포의 경사, 높이, 폭, 유량 등을 규정한 정의나 기준은 존재하지 않는다. 그리고 폭포 또는 이와 유사한 지형을 지칭하는 용어 또한 영어권에서는 waterfall, falls, cascade, cataract 등으로 다양하게 표현되고 있어 폭포를 정의함에 있어 혼란을 초래하고 있다. 영어로 waterfall은 독립적이고 단일한 하나의 폭포이며, falls는 waterfall과 같은 의미로도 사용되지만 여러 개의 단일 폭포(waterfall)가 모인 집합체를 의미하기도 한다. 한편, cascade는 계단 모양의 작은 단애면을 흐르는 소규모 물줄기 또는 소형 폭포의 연속체를 의미하며, cataract는 단애가 아닌 75° 이하의 급경사면을 흘러내리는 대규모 물줄기 또는 주로 퇴적암 지역을 흐르는 연속적인 계단 모양의 하천 구간을 의미한다. 따라서 지형학적으로 보면 cascade와 cataract은 엄밀하게 폭포라고 규정하기 모호하지만, 일반적으로 cascade는 소형 폭포, cataract는 대형 폭포를 의미하는 표현으로 사용되고 있다.

    모든 지형이 변화하듯이 폭포 또한 변화한다. 지표 조건이 등질적이라면, 하천은 시간이 갈수록 하상의 돌출된 부분은 침식되고 낮거나 오목한 부분은 퇴적되어, 부드러운 요형의 하천 종단면으로 변화하므로, 평형(graded) 상태에 가까운 하천에서는 경사 급변점이 거의 사라져 폭포가 잔존하기 어렵다. 그러나 하천 유역분지 내에 풍화·침식 작용에 대한 저항력이 다른 이질적인 기반암이 분포하거나, 특정 구간 또는 지점에 수직 변위 단층 또는 국지적인 지반 융기가 발생하였거나, 하구에서 해수면의 급격한 하강이 발생하였다면, 하천 종단면 상에 또 다른 천이점이 발생하여 폭포가 형성될 수 있다(Bierman and Montgomery, 2014).

    폭포의 기저부에서는 낙하하는 유수와 암설이 기반암에 가하는 운동 에너지와 폭포수가 유발하는 기반암 내 공극수의 압력 증가로 인한 굴식(plucking), 낙하한 폭포수가 일으킨 와류로 인한 하상 하중(bed load)과 부유 하중(suspended load)의 마식(abrasion), 용해압 이하의 국지적인 수체에서 형성된 기포가 터지면서 발생하는 충격파에 의한 공동 현상(cavitation; Whipple et al., 2010), 암벽에 공급된 비말에 의한 건습(dry-wet) 및 동결 파쇄 작용 등이 발생한다(Goudie, 2004). 이러한 작용을 통해 가해진 압력과 충격으로 인해, 폭포 기저부의 암석은 기저 굴식(undercut) 및 굴착(excavation)되면서 폭호(plunge pool)가 형성된다(Figure 1-b). 그리고 활발한 기저 굴식에 의해 폭호가 단애의 내부로 점점 확장되면 단애면이 불안정해져 단애 상부가 붕괴되면서 단애의 위치가 상류 쪽으로 이동하는 두부 침식(head erosion)이 발생하고(Figure 1-c), 단애면 하부에는 암설이 쌓이고 단애의 상부 하상은 하각(incision)이 진행되어 단애면의 경사가 점차 완만해지면서, 결국 시간이 지나면 폭포는 사라질 것이다(Figure 1-d1). 그러나 단애면을 유지시키기 상대적으로 유리한 지질 구조인 저항력이 큰 암석이거나 단애의 하부에 비해 상부가 경암으로 이루어져 있고(Ritter et al., 2011), 단애면 하부에 쌓인 암설을 충분히 제거할 수 있는 많은 유량을 가진 하천이라면 폭포가 그 형태를 유지하면서 상류 쪽으로 후퇴(recession)할 수도 있다(Figure 1-d2). 폭포의 후퇴 속도는 하천의 유량과 유역 면적, 암석의 저항력과 지질 구조, 하도의 형태와 하상 구성 물질 등에 의해 좌우된다(Goudie, 2004; Loget and Van Den Driessche, 2009).

       2. 폭포 연구 동향

    인류의 활동과 함께, 폭포는 오래전부터 지리학자나 지질학자 뿐 아니라 지역 주민, 여행가, 예술가, 문학가 등에 의해서도 관심, 연구, 탐험, 표현의 대상이었다(Hudson, 2012). 폭포에 대한 과학적인 연구는 Gilbert에 의해 시작되었다. Gilbert(1890; 1907)는 북아메리카의 나이아가라(Niagara) 폭포에 대해서 연암인 하부 셰일(shale) 층이 기저 굴식을 받아 덮개암(caprock)을 이루는 상부 돌로마이트(dolomite) 층이 붕괴되면서, 처음 위치인 루이스턴(Lewiston)의 에스카프먼트(escarpment)에서 현재의 위치로 계속 후퇴하고 있다고 설명하였다. 나이가가라 폭포에 대한 연구는 이후 Philbrick(1970), Tinkler(1987), Hayakawa and Matsukura(2009; 2010)에 의해 최근까지 계속되고 있다. 최근 폭포를 주제로 한 국외의 지형학 연구는 폭포나 천이점의 형태, 분포, 형성 요인 등에 대한 분석(Alexandrowicz, 1994; Hayakawa and Oguchi, 2006; Hayakawa and Matsukura, 2009; 2010; Phillips et al., 2010; Ortega et al., 2013), 폭포나 천이점의 형성 및 변화 과정에 대한 수리적 또는 정량적인 분석(Crosby and Whipple, 2006; Haviv et al., 2006; Pasternack et al., 2006; Berlin and Anderson, 2009; Lamb and Dietrich, 2014; Mackey et al., 2014), 폭포나 천이점의 후퇴 속도에 대한 측정 및 분석(Hayakawa and Matsukura, 2003; Tomkins and Hesse, 2004; Bishop et al., 2005; Hayakawa et al., 2008; Zhang et al., 2011) 등이 활발히 이루어지고 있다.

    국외에 비해 우리나라에서 폭포를 주제로 한 지형학 논문은 4편 정도에 불과하다. Kim(1997)은 철원의 직탕폭포 주변의 지형에 대해 소개하였고, Kim(2012)은 용암류 특성에 따라 제주도 폭포의 유형을 분류하고 후퇴 과정을 검토하였다. Lee(2013)는 하도변위에 의해 형성된 폭포의 유형과 형성 과정을 설명하고 폭포의 후퇴 속도를 계산하였고, Park and Kim(2014)은 설악산, 제주도, 한탄강 일대의 폭포를 대상으로 유형 분류를 시도하였다.

       3. 연구 목적 및 방법

    우리나라에서 폭포의 유형 분류는 그동안 몇 편의연구 논문 및 보고서를 통해 시도되었다. 그러나 이들 연구는 대부분 대상 지역과 주제가 한정되어 있어, 다양한 지질, 지형, 기후 조건에 따른 지형 형성과정을 거치면서 여러 가지 형태로 나타나는 폭포의 특성을 종합하여 체계화한 유형 분류라고 보기 어렵다. 즉, 다양한 조건을 모두 고려한 종합적인 폭포의 유형 분류를 위해서는 연구 대상 지역이 충분히 넓어야 하며, 지형학적 관점에서 유형 분류에 초점을 두고 연구를 진행할 필요가 있다.

    본 연구는 우리나라의 폭포뿐만 아니라, 폭포에 대한 지형학적 연구가 시작되었으며 다양한 형태의 폭포가 존재하는 미국의 폭포를 사례로 하여 폭포의 유형 분류를 시도하고자 한다. 본 연구에서는 먼저, 폭포 관련 선행 연구를 종합하여 지형학적으로 의의를 갖는 폭포의 유형 분류 방안과 내용을 제시하고, 다음으로 우리나라와 미국에 분포하는 폭포 중에서 해당 유형에 가장 부합하는 전형적인 사례를 소개하고, 그 특징을 간단히 설명하고자 한다.

    앞서 설명했듯이 폭포를 정의하거나 규정하는 작업은 거의 불가능하기 때문에, 본 연구에서 제시하는 폭포는 이미 대중들에게 알려져 있는 유명 관광지를 대상으로 하였으며, 문헌 연구와 함께 현지 야외 조사를 통해 폭포를 관찰 및 촬영하고 그 특징을 파악하였다.

    II. 폭포의 유형 분류에 대한 선행 연구

    폭포의 유형 분류를 제시한 대표적인 국외 및 국내 연구로는 Alexandrowicz(1994), Letcher(2004), Cultural Heritage Administration(2011), Hudson(2012), Kim (2012), Park and Kim(2014) 등이 존재한다. 이 가운데에서 특정 암석 지역만을 대상으로 하여 전체적인 폭포의 유형 분류라고 보기 어려운 Alexandrowicz(1994)Kim(2012)의 연구를 제외한, 나머지 4개 연구에서 제시한 폭포의 유형 분류 내용을 정리하고 검토하였다(Table 1).

    폭포의 유형 분류 기준으로, Park and Kim(2014)은 형성 원인, 침식 유형, 지형 형상의 3가지 범주를 제시하였고, Cultural Heritage Administration(2011)은 성인과 형태로 구분하였다. Letcher(2004)는 폭포의 형태를 5가지로 묘사하고 폭포의 지질 및 형성과정을 설명하기 위해 6개 유형을 제시하였다. Hudson(2012)은 폭포의 형성 과정에서 대략 7개 유형을 제시하였으며, 폭포의 형태는 확실히 정립되지 않았지만 9개로 구분할 수 있다고 설명하고 있다. 따라서 선행 연구를 종합하면, 폭포의 유형 분류 기준은 크게 형성 요인과 형태로 구분할 수 있으며, 본 연구에서도 이러한 기준에 따라 폭포의 유형을 정리하였다.

    선행 연구 중에서는 지형적 관점에서 전 세계에 분포하는 다양한 폭포를 대상으로 유형을 분류한 Letcher(2004)Hudson(2012)의 분류 방식이 본 연구에 적용하기 가장 적합하다고 판단된다. 형성 요인의 측면에서는 지형 형성 요인과 형성 작용의 측면에서 폭포를 해석하고 구분한 Hudson(2012)의 유형 구분이, 형태의 측면에서는 개수가 너무 많고 실제로 적용하기에 다소 어려운 Hudson(2012)의 구분보다는 폭포의 단면 형태만을 기준으로 하여 이해가 쉽고 적용이 편한 Letcher(2004)의 유형 구분이 더 적합하다고 판단하였다. Letcher(2004)Hudson(2012)이 제시한 폭포의 유형을 바탕으로, 본 연구에서는 Table 1과 같이 유형을 보다 구체적으로 체계화하여 폭포의 유형 구분을 시도하고, 그 특징과 사례 지역을 제시하였다.

    III. 형성 요인에 따른 폭포의 유형 분류와 사례

    본 연구에서는 폭포를 지형 형성 요인을 기준으로, 1) 차별 침식에 의한 폭포, 2) 하도 변위에 의한 폭포, 3) 파식과 해수면 변화에 의한 폭포, 4) 빙식에 의한 폭포, 5) 지구조 운동에 의한 폭포, 6) 카르스트 작용에 의한 폭포로 구분하였다.

       1. 차별 침식에 의한 폭포

    차별 침식에 의한 폭포는 암석의 경연 차이와 지질 구조의 차이에 의해 하천의 차별 침식으로 형성된 폭포이다. 침식에 대한 저항력이 큰 경암과 저항력이 작은 연암이 접해 있는 하상에서는 유수에 의해 연암지역에 더 활발하게 침식이 발생하는 차별 침식이 진행되면서 고도가 낮아져 폭포가 형성될 수 있다. 또한 열극(fissure)과 높은 밀도의 절리가 분포하는 곳을 가로지르는 하천도 차별 침식을 통해 이러한 지점에 폭포를 형성할 수 있다. 이러한 하천의 차별 침식은 가장 흔하고 일반적인 폭포의 형성 과정이라고 할 수 있다. 차별 침식에 의한 폭포는 암석 종류와 지질 구조의 유무 및 배치에 따라 여러 가지 유형으로 다시 세분할 수 있다.

    경암과 연암이 수평의 지층을 이루는 경우, 하천종단면 상에서 경암층과 연암층이 접하는 지점에서는 차별 침식에 의해 연암층은 대부분 제거되고 경암층은 노출되기 때문에 폭포가 형성되기 유리하다(Figure 2-a). 미국 동부 지역은 우리나라에 비해 습곡 작용을 받은 완경사의 퇴적암 지층이 매우 넓게 발달하고 있어, 이러한 암석의 경연 차이에 의한 폭포가 매우 잘 나타난다. 이러한 폭포의 사례로는 미국 매릴랜드 주 포토맥 강(Potomac River)의 그레이트 폭포(Great Falls)가 대표적이다(Figure 3). 포토맥 강의 그레이트 폭포는 폭포 선(fall line)으로 불리는 미국 동부의 해안 지대에 위치한다. 폭포 선은 미국의 애팔래치아 산맥 동부에서 경암층으로 이루어진 산록과 연암층인 해안평야의 경계부를 따라서 지형 기복과 경사가 변화하는 지대로, 하천에는 천이점과 폭포가 잘 발달하여 있다(Letcher, 2004; Huggett, 2011). 미국 오하이오 주의 호킹 주립 산림 공원(Hocking State Forest Park)에 있는 시더 폭포(Cedar Falls)도 경암인 사암층을 단애면으로 하여 발달한 폭포이다(Figure 4). 우리나라의 퇴적암 지역에서도 상대적으로 경암인 사암, 역암, 안산암, 응회암층을 단애면으로 하는 폭포들이 다수 나타난다. 경북 청송군 청송읍의 달기폭포는 경암인 중생대 백악기 각력질안산암을 단애면으로 한 차별침식에 의해 형성된 폭포이다(Figure 5).

    특히, 경암층이 폭포 단애면의 상단부에 분포하여 덮개암을 이루면, 폭포의 상단부가 앞으로 돌출된 모양을 이루는 폭포가 발달하며, 하단부의 연암층에서는 침식이 집중되어 폭포의 후퇴가 더욱 활발히 진행될 수 있다(Figure 2-b). 이러한 돌출된 덮개암으로 이루어진 폭포는 우리나라에서 잘 나타나지 않지만, 사암, 셰일, 석회암 등의 퇴적암이 겹겹이 층을 이루고 있는 미국 동부 지역에서는 잘 발달한다. 가장 대표적인 것이 미국과 캐나다의 국경인 나이아가라 강(Niagara River)의 나이아가라 폭포(Niagara Falls)에서도 남쪽에 위치한 호스슈 폭포(Horseshoe Falls)이다(Figure 6). 이러한 유형의 폭포는 폭호가 단애면 안쪽으로 깊숙이 발달하여, 폭포수 안쪽에 비교적 넓은 공간이 존재하는 특징이 있다. 미국 펜실베니아 주의 야커게이니 강(Youghiogheny River)의 지류인 큐컴버 천(Cucumber Run)의 하류부에 위치한 큐컴버 폭포(Cucumber Falls)도 덮개암으로 인해 폭포수 안쪽의 공간이 상대적으로 넓은 폭포이다(Figure 7).

    또한, 경암과 연암이 수직적으로 접하는 경우에도 차별 침식의 결과로 인해 두 층의 경계부에서 폭포가 형성될 수 있다. 이러한 형태의 폭포는 퇴적암 지역에서도 형성될 수 있지만, 연암이 넓게 분포하는 지역에 상대적으로 경암인 화강암과 같은 관입암체나 암맥이 분포하는 경우에 더욱 잘 발달할 수 있다(Figure 2-c). 이렇게 지표로 돌출된 단단한 수직의 암맥으로 인해 형성된 폭포는 장벽 폭포(vertical barrier falls)라는 이름으로 불리기도 한다(Hudson, 2012). 미국의 뉴저지 주의 허드슨 강(Hudson River) 하안에 위치한 그린브룩 폭포(Greenbrook Falls)는 사암 지역을 덮은 용암류에 의해 형성된 급애에 발달한 폭포이다(Letcher, 2004).

    기반암의 경연 차이 뿐 아니라, 지질 구조의 차이에 따른 차별 침식에 의해서도 폭포가 형성될 수 있다. 화성 활동과 습곡, 단층 등의 지구조 작용에 의해 기반암 내에 길게 갈라진 틈인 열극은 지표에 노출되면 차별 풍화·침식에 의해 단애를 이루는 경우가 많기 때문에, 이러한 열극이 발달한 지점을 지나는 하천에서는 폭포가 형성되기에 유리하다(Figure 2-d). 그리고 이와 마찬가지로, 절리가 집중적으로 발달한 지점을 하천이 지날 때에도 절리면을 따라 집중적으로 발생한 차별 침식으로 인해, 절리 분포 지점의 고도가 낮아지면서 상류와의 고도 차이에 의해 폭포가 형성될 수 있다(Figure 2-e). 유명한 아프리카의 빅토리아 폭포(Victoria Falls)가 대표적인 열극 폭포이며, 미국에서는 뉴저지 주 파사익 강(Passaic River)의 패터슨 그레이트 폭포(Paterson Great Falls 또는 Passaic Falls)가 좁고 긴 열극으로 하천 유수가 떨어져 내리는 전형적인 형태이다(Figure 8).

    한편 우리나라의 폭포는 절리의 방향이나 밀도에 의한 영향이 매우 크다(Park and Kim, 2014). 우리나라에서 폭포가 가장 잘 발달되어 있는 화강암과 현무암 지역의 폭포들은(Cultural Heritage Administration, 2011) 거의 대부분 판상 절리, 수직 절리, 주상 절리 체계와 밀접한 관련이 있다. 경북 봉화군 명호면 관창리에 위치한 관창 폭포는 퇴적암에 발달한 수직의 절리를 따라 형성된 폭포이며(Figure 9), 강원도 철원군 한탄강에 위치한 직탕 폭포는 현무암의 주상 절리가 단애면의 발달과 폭포의 후퇴에 영향을 미치고 있다(Figure 10).

       2. 하도 변위에 의한 폭포

    곡류 절단, 하천 쟁탈과 같은 하도 변위(channel avulsion)는 새로운 하도 내에서 상·하류 지점 간의 고도 차이로 인해 폭포를 형성할 수 있다(Lee, 2013). 이러한 침식과 관련된 하도 변화 뿐 아니라, 지진이나 집중 호우 시에 하곡의 사면에서 발생한 대규모 산사태로 인해 하도에 다량의 암설이 매적되면서 하도를 막은 산사태 댐, 하곡으로 흘러들어 식어버린 용암류에 의해 형성된 용암 댐과 같이 퇴적 작용에 의한 하도 변화도 하상에서 상·하류간의 급격한 고도 차이를 유발하기 때문에 폭포가 형성될 수 있다. 하도 변위와 용암 댐에 의해 형성된 폭포는 단애면이 암석으로 이루어져 있어, 상대적으로 하천의 침식 작용에 대해 어느 정도 저항력을 가지므로 폭포가 일정기간 동안 유지될 수 있다. 그러나 하도의 매적으로 형성된 폭포는 하천 침식 작용에 대한 저항력이 매우 약한 비고결 퇴적물로 이루어져 있기 때문에 폭포는 오래 유지되지 못하고 짧은 기간 안에 소멸된다(Hudson, 2012).

    미국 애리조나 주 리틀 콜로라도 강(Little Colorado River)의 그랜드 폭포(Grand Falls)는 메리엄 분화구(Merriam Crater)에서 분출된 용암이 리틀 콜로라도 강 하류부의 협곡을 막아 형성된 용암 댐으로 인해 막혀버린 하천의 유로가 용암류의 가장자리를 따라 새로 만들어지면서 원래의 협곡과 합류하는 지점에 고도 차이로 형성된(Duffield et al., 2006), 미국의 대표적인 용암 댐에 의한 하도 변위 폭포이다(Figure 11). 우리나라에서는 경기도 연천군 연천읍 고문리의 산지를 흘러내리던 소하천이 하류부에서 용암대지의 개석곡 아래로 떨어지는 재인 폭포가 대표적인 용암댐 폭포라고 할 수 있다(Figure 12). 하도 변위에 의한 폭포는 우리나라의 강원도 양구군 직연 폭포, 태백시 삼형제 폭포, 경북 울진군 불영 폭포, 광품 폭포, 영덕군 용추 폭포, 전북 남원시 구룡 폭포 등 몇몇 곳에서 확인되고 있다(Lee, 2013).

       3. 파식과 해수면 변화에 의한 폭포

    하천의 하구부는 일반적으로 하천의 퇴적 작용에 의해 퇴적물이 쌓인 하상을 보이지만, 기반암이 경암이면서 하천의 유량이 매우 작거나 국지적인 지반 융기가 활발한 곳에서는 하구부의 하상이 해수면 부근에 도달하지 못하여 하천의 지속적인 침식 작용에 의해 기반암이 드러난 하구부가 형성될 수 있다. 이러한 암석 해안으로 이루어진 하구에서는 소하천에 의해 하상이 하방 침식되는 속도보다 더욱 강력한 에너지를 가지는 파랑에 의해 하구부가 내륙으로 후퇴되는 속도가 더 빠르다. 결국 이러한 조건의 소하천 하구부에는 해식애가 발달하며, 하천 유수는 해식애 아래로 낙하하여 바다에 유입하게 되면서 이른바, 해식애 폭포가 형성된다(Figure 13). 특히, 이러한 해식애폭포는 해수면 상승 속도보다 국지적인 융기 속도가 더 큰 지역에서 잘 나타난다. 또한 지난 최종 간빙기와 같은 과거 고해수면(sea-level highstand) 시기에 형성된 해식애 폭포는 시간이 흐르면서 두부 침식을 통해 천이점이 상류 쪽으로 이동하여, 현재는 하천 중·하류부에서 나타나기도 한다(Figure 13-3; Mackey et al., 2014).

    미국에서는 지반 융기가 활발한 태평양 해안에서 해식애 폭포가 확인되는데, 가장 대표적인 것이 캘리포니아 주 빅서어(Big Sur) 지역의 맥웨이 강(McWay River) 하구의 해식애에 발달한 맥웨이 폭포(McWay Falls)이다(Figure 14). 우리나라에서는 제주도 서귀포시의 정방 폭포가 대표적인 해식애 폭포이다(Figure 15).

       4. 빙식에 의한 폭포

    빙식에 의한 폭포는 대부분 현곡(hanging valley)에서 나타난다. 산악 빙하에서도 본류를 이루는 빙하는 지류 빙하에 비해 규모가 매우 커서 침식 작용도 매우 활발하며, 이로 인해 본류 빙식곡은 지류 빙식곡에 비해 매우 낮은 곡저를 형성한다. 그리고 빙하가 물러나 빙식곡이 지표에 노출되면, 본류 빙식곡을 이루는 높은 단애면 위에 지류 빙식곡의 곡저가 걸려있는 상태로 나타나는 지형인 현곡이 형성되며, 지류 빙식곡을 흐르던 하천이 현곡에서 떨어져 본류 빙식곡으로 유입하게 되면, 현곡에는 폭포가 형성된다. 미국에서 이러한 현곡 폭포로는 지난 최종 빙기에 대규모 산악 빙하가 덮였던 캘리포니아 주 요세미티 국립공원(Yosemite National Park)의 요세미티 계곡으로 유입하는 브라이들베일 천(Bridalveil Creek)의 하류부 현곡에 발달한 브라이들베일 폭포(Bridalveil Falls)가 가장 잘 알려져 있다(Figura 16). 한편, 우리나라는 지난 빙기에 산악 빙하가 존재하지 않았기 때문에 빙식에 의한 폭포는 존재하지 않는다.

       5. 지구조 운동에 의한 폭포

    하천 종단면 상에서 국지적인 단층 작용에 의해 상류부의 고도가 상승하거나 하류부가 하강한 지점에서는 상·하류간의 고도차로 천이점이 발생하여 폭포가 형성될 수 있다. 그러나 단층애의 경사와 규모가 폭포의 단애면을 이룰 만큼 크지 않은 경우가 많으며, 단층 작용에 의해 급애면이 형성되더라도 풍화·침식에 약한 단층면의 특성 상, 풍화 작용, 사면운반 작용, 하천의 침식 작용 등에 의해 사면의 경사가 완만해지면서 그 형태를 유지하기 어렵기 때문에, 단층 작용에 의해 형성된 폭포는 실제로 야외에서 거의 확인되지 않는다. 미국 캘리포니아 주의 빅서어(Big Sur)에 있는 파이퍼 폭포(Pfeiffer Falls)는 단층애에 발달한 폭포는 아니지만, 서어힐(Sur Hill) 충상 단층선(thrust fault line)이 지나는 지점에 위치하고 있어 단층 작용과 관련된 폭포라고 할 수 있다(Figure 17).

    단층 작용 뿐 아니라, 판구조 운동, 화산 활동, 대륙 빙하의 소멸 등으로 인해 최근 지반 융기가 빠르게 발생하는 지역에서는 융기된 지표면을 흐르는 하천이 침식 기준면과의 고도차를 극복하기 위해, 침식 기준면과 접한 하구에서부터 하방 침식과 두부 침식을 진행하게 된다. 이러한 과정에서 하각을 통해 침식 기준면에 근접한 하천 하류부와 아직까지 하각과 두부 침식이 충분히 진행되지 않은 상류부 사이에는 천이점이나 폭포가 잘 발생할 수 있다(Bishop et al., 2005; Crosby andWhipple, 2006; Hayakawa and Oguchi, 2006).

       6. 카르스트 작용에 의한 폭포

    지하수에 의한 석회암의 용식과 탄산칼슘의 침전에 의해서도 폭포가 형성될 수 있다. 지하수가 석회암 지역의 절리를 따라 아래로 흐르면서 용식을 진행하면, 절리는 점점 확대되어 물이 하천과 같은 형태로 흐를 수 있는 통로를 이루게 될 것이다. 게다가 수직의 절리 체계가 발달한 석회암 지역에서는 지하의 통로를 흐르던 유수가 수직으로 발달된 구멍이나 통로를 통해 아래로 떨어지게 되면, 석회 동굴 폭포가 형성될 수 있다. 용식 작용과는 반대로, 지하수에 용해되었던 탄산염 물질의 침전 및 집적 작용 또한 폭포를 형성할 수 있다. 지하 또는 지표를 흐르는 물에 과포화되어 있던 탄산염 물질은 물 속 이산화탄소의 방출이나 물의 증발 등으로 인해 탄산염의 용해압이 감소하면, 용해되어 있던 탄산염 물질을 침전 및 집적하게 된다. 이러한 탄산염의 침전 및 집적은 지하수가 용출되는 특정 지점을 따라 집중되는 경향이 있고, 그 과정에서 트래버틴(travertine, 석회화 단구)으로 알려진 계단 모양의 탄산염 집적체를 형성하기도 한다. 이러한 트래버틴에서 유수가 계단 모양의 단애면을 따라 떨어져 내리면 트래버틴 폭포가 형성된다. 가장 유명한 트래버틴 폭포는 크로아티아의 플리트비체 국립공원(Plitvice Lakes National Park)의 코라나(Korana) 강에 형성된 것이다. 또한 용식과 침전 작용을 함께 받은 경우에도 폭포가 형성될 수 있다. 미국 버지니아 주의 루레이 동굴(Luray Caverns)에는 상부와 하부 동굴 사이의 구멍으로 떨러져 내린 지하수가 탄산칼슘을 침전 및 집적시켜 수직의 단애면을 형성하였다(Figure 18). 현재는 동굴 내부에 지하수가 흐르지 않지만, 과거 탄산염 집적체를 형성할 당시에 이곳은 석회 동굴 폭포였다.

    IV. 형태에 따른 폭포의 유형 분류와 사례

    본 연구에서는 폭포의 단면 형태를 기준으로 하여, 1) 돌출형, 2) 수직형, 3) 요형, 4) 철형, 5) 계단형으로 폭포를 구분하였다.

       1. 돌출형

    돌출형 폭포(hanging falls)는 폭포수 배후에 공간을 갖는 돌출된 선반 모양의 암벽으로부터 떨어지는 폭포로서(Letcher, 2004), 단애면의 상부가 돌출되어 있어서 단애면의 전체 각도는 수직인 90°를 초과하여 나타난다. 돌출형 폭포는 일반적으로 단애면의 상부와 하부 사이에 차별 침식의 결과로 형성된다. 단애면의 최상부에만 경암층이 존재하거나 절리나 층리면이 발달하지 않았다면, 연암이거나 지질 구조가 취약한 단애면의 중·하단부에 집중적으로 침식이 발생하여 단애면이 후퇴하면서 상단부가 돌출된 형태를 띠게 된다. 앞서 제시한 미국 나이아가라의 호스슈 폭포(Horseshoe Falls)와 펜실베니아 주의 큐컴버 폭포(Cucumber Falls)도 경암으로 이루어진 덮개암이 돌출된 돌출형 폭포이며, 규모는 작지만 오하이오 주의 쿠야호가 밸리 국립공원(Kuyahoga Valley National Park)에 있는 블루헨 폭포(Blue Hen Falls)도 전형적인 돌출형 폭포이다. 블루헨 폭포는 단애면의 상단부에 경암인 사암이 얇은 선반 형태로 돌출되어 있으며, 안쪽으로 들어간 단애면의 중·하단부는 풍화를 받아 손으로도 부수어질 정도의 연약한 셰일층으로 이루어져 유수에 의해 쉽게 침식되고 있다(Figure 20). 우리나라에서는 제주도의 천지연 폭포, 정방 폭포 등이 돌출형에 가까운 형태를 띠는데, 이들은 암벽면의 하부가 상대적으로 연암인 신생대 3기 퇴적층이나 용암의 클링커층으로 이루어져 있다(Kim, 2012).

       2. 수직형

    수직형 폭포(free falls)는 수직에 가까운 단애면을 따라 유수가 자유롭게 거의 직선으로 떨어지는 폭포이다. 수직형 폭포는 수직의 단애면을 형성하기에 용이한 층리가 얇게 발달한 퇴적암이나 수직의 절리가 발달한 화산암 지역에서 상대적으로 잘 나타난다. 미국 동부의 퇴적암 지역에서는 수직형보다는 돌출형 폭포가 더 흔하게 관찰되지만, 절리가 잘 발달하지 않은 두꺼운 사암층으로 이루어져 있거나 층리 구조가 매우 얇은 상대적으로 경암의 퇴적암층에서는 수직형의 폭포가 발달하기도 한다. 미국에서는 앞서 제시한 브라이들베일 폭포와 맥웨이 폭포가 수직형이며, 그랜드 폭포도 각 단은 수직형 폭포를 이루고 있다. 또한 펜실베니아 주 야커게이니 강(Youghiogheny River)의 오하이오파일 폭포(Ohiopyle Falls)는 하상의 거대한 사암층이 폭포의 단애면 이루고 있는 수직형 폭포이다(Figure 21). 우리나라에서는 수직의 주상절리를 단애면으로 하는 서귀포시 천제연 폭포, 철원군 직탕 폭포, 연천군 재인 폭포가 수직형 폭포라고 볼 수 있다. 또한, 앞서 제시한 달기 폭포, 관창 폭포와 같이 급경사의 단애가 잘 발달하는 화산암 및 화강암 지역과 사암, 역암 등의 경암으로 이루어진 퇴적암 지역에서도 수직형의 폭포가 잘 나타난다. 풍화·침식에 강한 중생대 백악기 석영반암으로 이루어진 충북 영동군 심천면에 위치한 옥계 폭포는 수직의 단애면에서 유수가 낙하하는 수직형 폭포이다(Figure 22).

       3. 요형

    요형 폭포(slide falls)는 단애면이 경사져 있는 폭포로서, 대체로 아래로 갈수록 경사가 완만해지는 요형의 종단면을 갖는다. 유수가 미끄럼틀을 타고 내려오는 것 같은 모습의 요형 폭포는 미국보다는 화강암 산지가 발달한 우리나라에서 더 잘 나타나는 형태이다. 돔형의 판상 절리가 발달한 화강암 산지를 흐르는 하천은 절리면을 따라 미끄러져 내려오면서 유수의 와류가 더욱 강해지는 하단부에서 수압에 의한 굴식과 마식 작용을 활발히 진행한 결과, 폭포의 아래로 갈수록 경사가 완만해지는 요형 폭포를 형성하기 유리하다. 우리나라에서 폭포의 분포 빈도가 높은 화강암 지역에서는 요형 폭포를 쉽게 관찰할 수 있다. 중생대 백악기 불국사 화강암으로 이루어진 경북 영천시의 팔공산 북사면을 흐르는 신녕천 최상류의 공산 폭포는 3단으로 이루어져 있는데, 각 단은 요형 폭포를 이루고 있다(Figure 23). 퇴적암으로 이루어진 미국 펜실베니아 주의 딩맨스 천(Dingmans Creek)에 있는 딩맨스 폭포(Dingmans Falls)의 상부는 계단형을 이루지만, 하부는 마식을 받은 매끄러운 사암층을 흘러내리는 요형으로 나타난다(Figure 24).

       4. 철형

    철형 폭포(tumble)는 볼록하게 경사진 철형 또는 둥근 단애면을 가진 폭포이다. 즉, 폭포 단애면의 경사가 수직도 경사진 형태도 아닌, 급경사이지만 수직이라기 보기 어려우며 대체로 돌출된 경사면 형태를 갖는다. 수직의 절리 체계가 거의 발달하지 않은 괴상의 암체를 이루는 기반암에서는 이러한 철형의 폭포가 잘 나타난다. 미국 뉴욕 주의 모호크 강(Mohawk River)에 위치한 코호스 폭포(Cohoes Falls)는 괴상의 셰일을 기반암으로 하여 발달한 철형 폭포이다(Figure 25). 코호스 폭포에서는 19세기부터 폭포의 우안으로 모호크 강의 물길을 돌려서 폭포 하류 쪽 약 200m 거리에 위치한 수력 발전소에서 낙차를 이용해 주변 공장에 사용할 전력을 생산하였다. 우리나라에서도 철형 폭포는 잘 나타나는데, 강원도 강릉시 연곡면 오대산 국립공원에 위치한 구룡 폭포도 전체적으로는 2단 이상의 단을 이루며 유수가 흘러내리지만, 각 단을 이루는 폭포의 단애는 철형에 가까운 형태를 이루고 있다(Figure 26).

       5. 계단형

    마지막으로, 계단형 폭포는(cascade) 계단 모양으로 돌출된 기반암에 의해 여러 개의 단을 이루며 나타나는 폭포이다. 특히, 이러한 계단형 폭포는 계단모양의 지표 구조를 형성하기 용이한, 수평의 절리나 층리가 잘 발달한 퇴적암이나 화강암 지역에서 잘 발달하는 경향이 있다. 또한 절리가 밀집된 곳과 그러지 않은 지점이 반복적으로 나타나는, 즉 절리 분포밀도의 변화가 연속적으로 나타나는 급경사의 산지하천에서도 계단형의 천이점이나 폭포가 잘 발달한다. 미국 동부의 퇴적암 지역에서도, 얇은 두께의 경암과 연암이 반복된 층을 이루는 지역을 흐르는 산지하천에서는 계단형 폭포가 흔하게 나타난다. 미국 뉴욕 주의 치터냉고 천 (Chittenango Creek)에 위치한 치터냉고 폭포(Chittenango Falls)는 전체적으로도 2단의 계단 모양이지만, 각 단 또한 작은 여러 개의 작은 계단으로 이루어진 계단형으로 나타난다(Figure 27). 또한 뉴욕 주의 왓킨스 글렌 주립 공원(Watkins Glen State Park)의 글렌 천(Glen Creek) 계곡에는 계단 모양을 이룬 19개의 크고 작은 폭포가 연속적으로 발달하고 있다(Figure 28). 우리나라에서도 수평의 절리나 층리의 발달이 탁월한 지역을 흐르는 산지 하천에서는 하천 종단면을 따라 연속적인 천이점과 계단형의 폭포가 잘 나타나며, 앞서 제시한 영천시 공산 폭포와 강릉시 구룡 폭포의 전체적인 형상은 계단형이라고 할 수 있다.

    V. 결 론

    폭포는 하천 종단면이 급경사로 나타나는 천이점에서 수직에 가까운 암벽면을 따라 물이 낙하하는 것이다. 폭포는 대체로 고도와 기복의 변화가 심한 산지, 고원의 말단부, 해안 지역을 흐르는 하천에서 잘 형성된다. 본 연구는 우리나라와 미국의 폭포를 사례로 하여 폭포의 유형 분류를 시도하였다. 선행 연구를 종합할 때, 폭포의 유형 분류는 형성 요인과 형태를 기준으로 이루어졌다. 본 연구에서는 지형 형성요인을 기준으로, 차별 침식에 의한 폭포, 하도 변위에 의한 폭포, 파식과 해수면 변화에 의한 폭포, 빙식에 의한 폭포, 지구조 운동에 의한 폭포, 카르스트 작용에 의한 폭포로 유형을 구분하고, 형태를 기준으로 하여, 돌출형, 수직형, 요형, 철형, 계단형으로 폭포를 구분하였다.

    형성 요인에 의한 분류 중에서 차별 침식에 의한 폭포는 경암과 연암간의 침식 저항력의 차이와 열극이나 절리 분포와 같은 지질 구조의 차이에 의해 하천의 차별 침식으로 형성된 폭포이다. 암석 경연 차이에 의한 폭포의 사례로는 나이아가라 폭포, 포토맥 그레이트 폭포, 시더 폭포, 큐컴버 폭포 등 미국의 대다수 폭포와 우리나라에서는 달기 폭포가 이에 해당한다. 지질 구조의 차이에 의한 폭포의 사례로 미국은 패터슨 그레이트 폭포가, 우리나라에서는 관창 폭포, 직탕 폭포 등 상당수의 폭포가 이에 해당한다. 하도 변위, 산사태 댐, 용암 댐과 같은 급격한 하도 변화에 의해 형성된 폭포 중 용암 댐 폭포로는 미국의 그랜드 폭포와 우리나라의 재인 폭포가 대표적이다. 그리고 파식과 해수면 변화에 의해 형성된 해식애 폭포로는 미국의 맥웨이 폭포와 우리나라의 정방 폭포가 대표적인 사례이다. 본류 빙식곡과 지류 빙식곡의 침식 차이로 발생한 빙식에 의한 폭포로는 미국의 브라이들베일 폭포가 대표적이다. 단층이나 국지적인 지반 융기에 따른 지구조 운동에 의해 형성된 폭포로서는 미국의 파이퍼 폭포가 유사한 사례이다. 탄산칼슘의 용식과 집적 등 카르스트 작용에 의한 폭포로는 미국 루레이 동굴에서 소멸된 폭포의 단애면을 확인할 수 있다.

    다음으로, 형태에 의한 분류 중에서, 폭포수 배후에 공간을 갖는 돌출된 선반 모양의 단애면을 갖는 돌출형 폭포는 미국의 나이아가라 폭포, 큐컴버 폭포, 블루헨 폭포 등 퇴적암층이 발달한 미국 동부 지역에서 잘 관찰된다. 수직에 가까운 단애면을 따라 유수가 자유롭게 낙하하는 수직형 폭포로 우리나라에서는 천제연, 직탕 폭포, 재인 폭포, 달기 폭포, 관창 폭포, 옥계 폭포 등 상당수가 확인되며, 미국에서는 브라이들베일 폭포, 맥웨이 폭포, 그랜드 폭포의 각 단, 오하이오파일 폭포 등이 대표적인 사례이다. 단애면이 대체로 요형으로 경사진 요형 폭포는 우리나라의 화강암 산지 하천에서 잘 발달하여 공산 폭포의 각 단의 형태가 대표적인 사례이며, 미국에서는 딩맨스 폭포의 하단부가 이에 해당한다. 볼록하게 경사진 철형 또는 둥근 단애면을 가진 철형 폭포로는 미국의 코호스 폭포와 우리나라의 강릉시 구룡 폭포의 각 단이 이에 해당한다. 여러 개의 단을 이루며 나타나는 계단형 폭포는 미국의 치터냉고 폭포와 글렌 계곡의 여러 폭포가 이에 해당하며, 우리나라의 공산 폭포와 강릉시 구룡 폭포도 전체적인 형상은 계단형이다.

    본 연구는 폭포에 대한 지형학적 의의를 설명하고, 폭포의 유형을 보다 이해하기 쉬운 지형학적 분류 체계와 형태에 맞추어 분류를 시도하였다. 따라서 지형학자 뿐 아니라 폭포에 관심이 많은 일반인들에게도 폭포의 유형과 특성을 쉽게 이해할 수 있는 유용한 자료가 될 것으로 기대한다. 비록, 미국과 우리나라에 존재하는 모든 폭포를 사례로 하여 연구를 진행하지 못했지만, 지형학적으로 의의를 갖는 대표적인 몇몇 폭포들을 선별하여 유형에 맞는 사례로 제시함으로써, 지리 답사나 여행에 있어서도 유용한 자료가 될 것이다. 또한 본 연구를 토대로 많은 후속 연구가 진행되어, 우리나라의 많은 폭포에 대한 소개와 폭포를 주제로 한 지형학 및 지리학적 연구가 이루어지길 기대한다.

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  • [Figure 1.] Changing process of waterfall
    Changing process of waterfall
  • [Table 1.] The type classifications of waterfalls on preceding and this studies
    The type classifications of waterfalls on preceding and this studies
  • [Figure 2.] Several different types of waterfalls by differential erosion
    Several different types of waterfalls by differential erosion
  • [Figure 3.] Great Falls of the Potomac River in Maryland, US
    Great Falls of the Potomac River in Maryland, US
  • [Figure 4.] Cedar Falls at Hocking State Forest Park in Ohio, US
    Cedar Falls at Hocking State Forest Park in Ohio, US
  • [Figure 5.] Dalgi Falls at Cheongsong-gun in Gyeongbuk, South Korea
    Dalgi Falls at Cheongsong-gun in Gyeongbuk, South Korea
  • [Figure 6.] Horseshoe Falls of Niagara at border between US and Canada
    Horseshoe Falls of Niagara at border between US and Canada
  • [Figure 7.] Cucumber Falls in Pennsylvania, US
    Cucumber Falls in Pennsylvania, US
  • [Figure 8.] Paterson Great Falls in New Jersey, US
    Paterson Great Falls in New Jersey, US
  • [Figure 9.] Gwanchang Falls at Bonghwa-gun in Gyeongbuk, South Korea
    Gwanchang Falls at Bonghwa-gun in Gyeongbuk, South Korea
  • [Figure 10.] Jiktang Falls at Cheolwon-gun in Gangwon-do, South Korea
    Jiktang Falls at Cheolwon-gun in Gangwon-do, South Korea
  • [Figure 11.] Grand Falls of Little Colorado River in Arizona, US
    Grand Falls of Little Colorado River in Arizona, US
  • [Figure 12.] Jaein Falls at Yeoncheon-gun in Gyeonggi-do, South Korea
    Jaein Falls at Yeoncheon-gun in Gyeonggi-do, South Korea
  • [Figure 13.] Formation and recession processes of sea cliff falls(modified Mackey et al., 2014)
    Formation and recession processes of sea cliff falls(modified Mackey et al., 2014)
  • [Figure 14.] McWay Falls at Big Sur in California, US
    McWay Falls at Big Sur in California, US
  • [Figure 15.] Jeongbang Falls at Seogwipo-si in Jeju, South Korea
    Jeongbang Falls at Seogwipo-si in Jeju, South Korea
  • [Figure 16.] Bridalveil Falls of Yosemite Valley in California, US
    Bridalveil Falls of Yosemite Valley in California, US
  • [Figure 17.] Pfeiffer Falls at Big Sur in California, US
    Pfeiffer Falls at Big Sur in California, US
  • [Figure 18.] Relic landform of limestone cave falls at Luray Caverns in Virginia, US
    Relic landform of limestone cave falls at Luray Caverns in Virginia, US
  • [Figure 19.] Several different types of waterfalls by sectional form
    Several different types of waterfalls by sectional form
  • [Figure 20.] Blue Hen Falls at Kuyahoga Valley National Park in Ohio, US
    Blue Hen Falls at Kuyahoga Valley National Park in Ohio, US
  • [Figure 21.] Ohiopyle Falls of Youghiogheny River in Pennsylvania, US
    Ohiopyle Falls of Youghiogheny River in Pennsylvania, US
  • [Figure 22.] Okgye Falls at Yeongdong-gun in Chungbuk, South Korea
    Okgye Falls at Yeongdong-gun in Chungbuk, South Korea
  • [Figure 23.] Gongsan Falls at Yeoncheon-si in Gyeongbuk, South Korea
    Gongsan Falls at Yeoncheon-si in Gyeongbuk, South Korea
  • [Figure 24.] Dingmans Falls in Pennsylvania, US
    Dingmans Falls in Pennsylvania, US
  • [Figure 25.] Cohoes Falls in New York, US
    Cohoes Falls in New York, US
  • [Figure 26.] Guryong Falls at Gangreung-si in Kangwon, South Korea
    Guryong Falls at Gangreung-si in Kangwon, South Korea
  • [Figure 27.] Chittenango Falls in New York, US
    Chittenango Falls in New York, US
  • [Figure 28.] Falls of Glen Creek in New York, US
    Falls of Glen Creek in New York, US