[굿모닝 사이언스]비가 와야 살아나는 토왕성 폭포… 볼 수 있는 날을 과학으로 계산하다

강원도 설악산의 토왕성 폭포. 건설기술연구원 김현준 선임연구위원 제공

지난 주말 태풍이 지나가고 기상청은 22일부터 폭염 주의보를 발령했다. 비가 많이 와도 걱정이지만 너무 안내려도 걱정이다.

사람들은 국내외를 막론하고 탁 트인 바다와 시원한 계곡으로 휴가를 계획하고 있으리라. 그중에서도 계곡의 매력은 등줄기와 이마에 송글송글 땀이 맺힐 때 쯤이면 산골짜기에서 시원하게 물줄기가 떨어지는 폭포를 볼 수 있는 점이다.

그런데 비가 내려야 살고 비가 오지 않으면 죽는 폭포가 있다. 바로 강원도 설악산에 있는 토왕성 폭포다.

토왕성 폭포는 외설악에 위치하고 있으며, 노적봉 남쪽 토왕골에 있다. 이 폭포는 무려 320m의 높이에 3단으로 이어진 우리나라 최대의 폭포다. 폭포 상류의 유역면적이 0.54 ㎢에 불과해 평소에는 폭포의 물줄기를 전혀 볼 수 없지만 비가 온 뒤 며칠간은 하얗게 포말을 이루며 떨어지는 폭포의 모습을 볼 수 있다. 1년 중 이 폭포 물줄기를 볼 수 있는 날이 그리 많지 않다.

왜 토왕성 폭포의 물줄기는 비온 뒤 며칠 동안만 볼 수 있을까? 비가 얼마나 많이 내려야 폭포를 볼 수 있을까? 또 언제 가야 폭포의 물줄기를 볼 수 있을까?
이 질문의 답은 강우에 의해 발생하는 모든 과정을 탐구하는 수문학(水文學, Hydrology)이라는 과학을 이용해 찾을 수 있다.

한국건설기술연구원의 수문모델개발연구팀은 국가 연구개발 사업의 지원으로 물리적 기반의 '수문모형 CAT3.0'을 독자 개발해 국내외에 보급하고 있다. 이 모형을 이용해 강우시 토왕성 폭포의 유출량을 분석하고 강우량에 따른 유출이 지속되는 기간을 산정할 수 있다. 강우의 누적량과 지속기간에 따라서 폭포의 물줄기를 볼 수 있는 기간을 추정할 수 있는 것이다.

산 속에 위치한 폭포의 유출량을 측정하고 있지는 않지만 건설기술연구원의 김현준 선임연구위원이 2015년 토왕성 전망대가 만들어진 이후의 TV방송, 신문기사와 SNS 등에서 비온 뒤 폭포의 사진이나 동영상을 확인해 자료를 만들었다.

김현준 선임연구위원은 인터넷에 올라온 촬영일자를 확인하고, 촬영일 전후의 속초기상대에서 관측한 일강우량을 같이 비교했다. 김현준 연구위원은 "최소한 하루에 50mm 이상의 비가 와야 제대로 된 폭포의 물줄기를 볼 수 있다"고 말했다.

토왕성 폭포의 유출량을 분석하기 위해 2000년부터 2018년까지 19년간 속초기상대에서 관측한 강우와 기상자료를 이용했다. 토양의 깊이는 암반으로 이뤄진 산 정상 지역을 감안해 20cm로 가정했다. 토양은 비를 저장할 수 있는 자연의 저수지로써 유출분석에 중요한 요소다. 비를 저장할 수 있는 유역면적은 대략 0.54㎢로 나타났다. 그는 유출량을 산정하기 위해 하루 단위의 자료를 사용했으며, 강우 지속일수 및 누적 강우량에 따른 유출량을 산정하고 폭포의 물줄기가 확연히 보일 수 있는 한계유출량을 추정했다. SNS 등에서 확인된 정보를 참고해 0.01㎥/sec이면 약하나마 물줄기가 보이는 유량으로 가정하고 시원한 물줄기를 보려면 최소한 0.1㎥/sec 이상의 유량이 돼야 하는 것으로 추정했다.

김 연구위원은 2000년부터 2018년까지 일단위로 강우에 의한 토왕성 폭포의 일유량을 계산해 힘차게 떨어지는 폭포의 물줄기를 볼 수 있는 날을 연간 8일 정도로 추정했다.

7월부터 9월까지는 한 달에 적어도 두 번은 볼 수 있다. 강우량으로 보면, 일강우량이 100mm는 넘어야 장쾌한 모습의 물줄기를 볼 수 있고 비온 뒤 하루 정도만 볼 수 있는 것이다. 반면 폭포의 약한 물줄기는 일강우량 30mm 이면 볼 수 있는데 연간 55일 정도 볼 수 있다.

토왕성 폭포의 물줄기를 볼 수 있는 날이 이정도라면 설악산 정상에서 일출을 볼 수 있는 날보다 더 적은 것은 아닐까.

[e-mail] 김만기 기자

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