과거 약 2,000년 동안 익산 황등제 일대의 퇴적환경 변화 연구

2.1. 황등제의 역사와 문헌 기록

황등제에 대한 삼국시대나 고려시대의 문헌 기록은 거의 없으며, 조선시대 문헌에도 자주 언급되지는 않는다. 또한 문헌에 따라 명칭이 다르게 기술된 경우도 있어 정확한 정보를 파악하기가 쉽지 않다. 조선왕조실록 광해군일기 1614년 3월에는 전주의 옥야(현재 익산시 춘포면으로 추정)에서 황등호 까지 40리(약 16 km)를 연결하는 물길, 이른바 ‘독주항 수도’를 만들어 만경강의 물을 끌어온 것에 대한 기록이 나온다. 조선시대 유학자 유형원(1622-1673)은 그의 저서 반계수록(1670 저술, 1770 간행)에서 벽골제, 눌제, 황등제 등 3개 저수지를 언급하면서 저수지의 필요성을 강조하였다. 1780년에는 제방 보수와 교량 가설에 공을 세운 사람들을 알리기 위한 비석을 세웠는데, 이 비석은 매몰되었다가 1911년에 발굴되었다. 조선시대 실학자 정약용(1762-1836)도 목민심서(1818)에서 저수지 관리의 중요성을 강조하면서 벽골제, 눌제, 황등제 등 3개 저수지를 언급하였다. 조선시대 지리학자 김정호(1804-1866)의 대동여지도(1861)에는 황등제와 황등호의 위치가 모두 표기되어 있다. 그러나 1900년대 초에 황등제는 무너지고 황등호는 토사로 매몰되어 관리가 제대로 되지 않았던 것으로 보인다. 1911년 임익수리조합(1909 설립)은 황등제를 다시 보수하고, 또 익산시 신흥동에서 터질목을 지나 황등호로 연결되는 물길, 이른바 ‘비비정 수도’를 만들어 만경강 물을 끌어와 황등호를 채웠다. 이때 보수한 황등제와 황등호를 각각 요교제, 요교호로 불렀다. 그 후, 만경강 상류에 완주군 동상면 대아저수지(1922), 완주군 화산면 경천저수지(1937) 등의 저수지를 만들면서 황등호를 없애고 호수 바닥을 논으로 바꾸었으며, 황등제는 도로 시설로 이용하게 되었다(Park, 2011).

2.2. 황등제 일대의 지형․지질․기후 환경

익산의 황등제, 김제의 벽골제, 정읍의 눌제는 호남 지역의 대표적인 고대 수리시설로 알려져 있다(그림 1). 이 중에서 본 연구 대상인 익산 황등제 일대는 대체로 동북쪽에 산지와 구릉지, 서남쪽에 충적 평탄지가 분포하고 있다. 익산시 동부의 여산면, 금마면 일대는 선캄브리아기 옥천계 변성퇴적암류가 분포하면서 400-500 m 높이의 산지를 이룬다. 노령산맥의 지맥으로 완주군 비봉면 천호산(501 m), 익산시 금마면 미륵산(429 m) 등이 있다. 이 지역은 옥천변성대의 남부에 해당하여 고생대 조선누층군과 평안누층군이 분포한다(Kim et al., 2012). 특히 천호산 주변으로 익산시 여산면 천호동굴과 돌리네 등 석회암 카르스트 지형이 나타나기도 한다. 익산시 동남부의 금마면, 왕궁면 일대는 중생대 쥐라기 편마상화강암이 분포하면서 100-200 m 높이의 산지가 분포하며, 익산시 왕궁면 서대산(229 m), 익산시 금마면 금마산(115 m), 익산시 금마면 오금산(124 m) 등을 들 수 있다. 익산시 중부와 서부에는 대부분 중생대 쥐라기 대보화강암이 분포하는데, 풍화와 침식으로 인하여 대체로 해발고도 50 m 미만의 낮고 평탄한 구릉지와 평지로 구성된 준평원을 이룬다. 북서부 금강 연안의 용안면, 웅포면, 성당면, 함라면 등에는 규암, 편마암 등의 변성암류가 분포하면서 익산시 함라면 함라산(240 m), 익산시 함라면 봉화산(236 m) 등 낮은 구릉지를 이룬다. 익산시 남부의 만경강 연안의 목천동, 동산동, 신흥동, 춘포면, 오산면 등과 익산시 북부의 금강 연안의 망성면, 용동면, 용안면, 웅포면의 저지대에는 충적층이 분포한다. 만경강은 완주군 동상면 원등산(713 m)의 밤샘에서 발원하여 완주군 고산면, 완주군 삼례읍을 지나 익산시와 김제시의 경계를 흐르는 유로연장 77.4 km의 강이며, 김제시 진봉면에서 서해로 유출한다. 완주군 삼례읍을 지나 중-하류 지역으로 접어들면 하상구배가 1/30000 정도로 매우 완만하다. 만경강 중-하류 지역, 즉 하류에서 완주군 삼례읍 비비정과 삼례대교 일대까지는 조석의 영향을 받는 감조 구간에 해당하며, 목천천, 소양천, 전주천, 익산천, 탑천, 고척천 등의 지류가 만경강에 합류한다. 황등제가 위치한 익산시의 기후는 남부 해안형 온대기후구에 속한다. 연 평균기온 13℃, 1월 평균기온 -1.0℃, 8월 평균기온 27℃이며, 연 강수량은 1,210 mm이다(Jeonbuk Cultural Property Research Institute, 2020).

Fig. 1.

Map of the study area, with the locations of the Hwangdeung-je (Iksan city), Byeokgol-je (Gimje city), and Nul-je (Jeongeup city).

2.3. 연구 방법

이번 연구에서는 황등제 일대에서 확보한 ISL-06, ISL-12, ISL-16의 3개 시추공을 중심으로 분석 및 활용하였다(그림 2). 3개 시추공 모두 황등제 제방의 상류에 위치한다. ISL-06 시추공은 탑천이 평야로 흘러나온 부분, ISL-12 시추공은 ISL-06 시추공 보다 탑천의 상류부에 위치하면서 얕은 구릉 사이를 흐르는 부분, ISL-16은 기양천 상류부로서 구릉의 계곡부에 해당하는 부분에 위치한다. 시추공 시료는 직경 5 cm의 standard stationary piston sampler를 이용한 무수 회전식 시추 방법으로 채취하였다. 시추 시료는 절개하여 기재 및 사진 촬영을 하고, 부시료를 채취하여 분석에 이용하였다. 입도 분석은 한국지질자원연구원 제4기환경연구센터에서 보유하고 있는 Mastersizer 3000 laser particle analyzer (Malvern Instruments, Ltd., Worcestershire, UK)을 이용하여 수행하였다. 규조 분석을 위해서 건조시킨 0.1 g의 퇴적물을 부시료에서 수집하여 준비하였다. 이를 200 ml 비이커에 넣고 10 ml의 30% H₂O₂로 유기물을 제거한 후, 200 ml의 증류수를 넣어 1시간 가열하고 4시간 냉각시켰다. 그리고 증류수를 넣고 상등액을 따라내는 과정을 반복하면서 규조를 밀도가 높은 광물질에서 분리하였다. 규조 슬라이드는 400x과 1000x 배율 렌즈를 이용하여 관찰하고 동정하였다(Patrick and Reimer, 1975; Round et al., 1990; Hasle and Syvertsen, 1996). 규조 분석은 모래 함량이 높은 층준을 제외하고, 탄소 연대측정을 수행한 층준을 중심으로 수행하였다.

Fig. 2.

Topographic map of the Hwangdeung-je area, with the locations of core ISL-06, ISL-12, and ISL-16.

퇴적물 퇴적 시기를 추정하기 위하여 한국지질자원연구원 지질자원분석센터에서 방사성 탄소 연대측정을 수행하였으며, 탄소연대 보정에는 IntCal 20 보정곡선(Reimer et al., 2020)을 포함하는 Calib 8.1 program (Stuiver et al., 2023)을 이용하였다. 보정 탄소연대의 오차는 2-sigma (σ) (95.4% 신뢰구간)이다. 과거 해수면 변동을 유추하기 위해서는 오픈 소스 SELEN⁴ 빙하 지각평형 조정(Glacial Isostatic Adjustment, GIA) 모델을 사용했다. SELEN⁴는 해수면 방정식(sea-level equation, SLE) 프로그램으로서 해수면 변동에 대한 지구물리학적 영향을 모의하는데, 여기에는 후기 플라이스토세에 빙하가 녹으면서 상대 해수면이 변동하는 것, 빙하기 이후 해양의 고지리학적 분포가 시간에 따라 변하는 것, 지구 자전 특성이 변동하는 것 등을 포함한다(Spada and Melini, 2019). 본 연구에서 SELEN⁴는 빙하 모델 ICE-6G_C와 점탄성 지구 모델 VM5a로 구성하였다(Argus et al., 2014). 암석권의 두께는 90 km, 상부와 하부 맨틀의 점성도는 각각 0.5×10²¹ Pa·s와 3.2×10²¹ Pa·s이다. SELEN⁴는 현재의 전지구 지형 기복 모델인 ETOPO1을 사용하여 해안선이 수평 이동하는 정도를 계산하는데(Eakins and Sharman, 2012), 약 40 km 간격의 격자에서 maximum harmonic degree lmax=256에 해당하는 공간 해상도를 가진 pseudo-spectral approach를 사용한다. 본 연구에서 모델의 위치는 전북 곰소만 부근, 35°37'38.95"N, 126°33'14.67"E 일대이다.

3.1. ISL-06 시추공의 퇴적상․규조․연대 분석 결과

황등제 유적과 가장 인접한 ISL-06 시추공은 전라북도 익산시 황등면 황등리(35°59'14.97"N, 126°57'26.90"E)에 위치하며, 지표면 고도는 4.43 m, 시추 심도는 11.5 m이다. 시추공의 퇴적상, 규조 및 연대 분석 결과를 종합하면 다음과 같다.

고도 약 2.9 m의 7,300 yr BP 점토질 실트층에서 해수 규조가 우세하다. 고도 약 3.0 m 전후까지 해수의 영향이 있었던 것을 확인할 수 있다. 고도 약 3.7 m의 810 yr BP의 유기물층에서는 담수 규조가 우세한데, 일부 해수 규조가 산출되기도 한다. 이 유기물층은 육성 호수 또는 소택지 환경인 것으로 추정할 수 있다. 점토질 실트층과 유기물층 사이는 명확한 경계를 보이는 부정합면인데, 기존의 퇴적물이 일부 침식되고 유기물층이 퇴적된 것으로 보인다(그림 3, 4).

Fig. 3.

Simplified radiocarbon-dated sediment strata of the core ISL-06, ISL-12, and ISL-16.

Fig. 4.

Diatom occurrences of the core ISL-06 with radiocarbon age data.

3.2. ISL-12 시추공의 퇴적상․규조․연대 분석 결과

황등제로 유입하는 하천 중 하나인 탑천 유역에 위치한 ISL-12 시추공은 전라북도 익산시 부송동(35°58'36.15"N, 126°59'01.65"E)에 위치하며, 지표면 고도는 6.16 m, 시추 심도는 7.0 m이다. 시추공의 퇴적상, 규조 및 연대 분석 결과를 종합하면 다음과 같다.

고도 약 3.0 m의 점토질 실트층, 고도 약 3.4 m의 고토양층, 고도 약 3.8 m의 5,980 yr BP 유기물층, 고도 약 4.1 m의 고토양층 등 다양한 암상의 퇴적층이 분포하고 있는 것으로 미루어 본 시추공 위치의 퇴적환경은 퇴적, 퇴적 중단, 침식 등 다소 불안정했던 것으로 판단할 수 있다. 고도 약 3.8 m의 5,980 yr BP 유기물층과 고도 약 4.3 m의 4,480 yr BP 점토질 실트층에서는 해수 규조의 산출이 우세하여 해수의 영향을 많이 받은 것으로 보인다. 그 상부에 놓이는 고도 약 4.5 m의 1,640 yr BP 점토질 실트층에서는 담수 규조가 우세하게 산출된다(그림 3, 5). 3.3. ISL-16 시추공의 퇴적상․규조․연대 분석 결과황등제로 유입하는 하천 중 하나인 기양천 유역에 위치한 ISL-16 시추공은 전라북도 익산시 삼기면 간촌리(36° 00'41.70"N, 126°58'58.53"E)에 위치한다. 지표면 고도는 7.23 m이지만, 그림 3에는 상부의 교란층을 제외하고 고도 6.6 m 부터 표시하였다. 시추 심도는 7.0 m이다. 시추공의 퇴적상, 규조 및 연대 분석 결과를 종합하면 다음과 같다. 고도 약 4.5 m의 3,490 yr BP 점토질 실트층 이전의 퇴적층은 점토질 실트층, 유기물층, 모래층 등 다양하게 나타난다. 고도 4.8 m의 2,270 yr BP 점토질 실트층에서는 해수 규조가 어느 정도 관찰되는데, 고도 5.4 m의 2,050 yr BP 점토질 실트층에서는 담수 규조가 상대적으로 더 우세하다. 그 상부의 모래질 점토층에서는 규조 산출이 없다(그림 3, 6).

Fig. 5.

Diatom occurrences of the core ISL-12 with radiocarbon age data.

Fig. 6.

Diatom occurrences of the core ISL-16 with radiocarbon age data.

4.1. 약 7,000~2,000년 전의 퇴적환경

7,000-6,000 yr BP 정도에는 해수면이 현재 높이보다 약 2-3 m 정도 높았었던 이른바 홀로세 중기의 sea-level highstand가 있었던 것으로 보인다(Song et al., 2018). 이 때의 퇴적물은 ISL-06 시추공에서 확인할 수 있는데, 고도 약 2.8 m에서 주로 해수 규조가 산출되면서 해수의 영향을 크게 받은 것을 알 수 있다. ISL-12 시추공에서는 고도 약 3.8 m 정도에 약 6,000 yr BP 시기의 유기물층이 나오는데, 해수 규조의 산출이 우세하다. 5,000-3,000 yr BP 시기에는 해수면이 낮아지지만 연구지역 일대에서는 여전히 해수의 영향이 있었음을 볼 수 있다. ISL-12 시추공에서는 고도 약 4.3 m, 약 4,400 yr BP 시기의 점토질 실트층에서는 해수 규조 산출이 우세한 가운데 담수 규조의 산출 또한 증가하는 양상이 관찰된다. 본 연구지역은 때때로 해수의 영향을 받는 환경이었음을 유추할 수 있다. 한편, ISL-12 시추공에서는 약 6,000~4,000 yr BP 시기에 고토양층과 유기물층이 번갈아 나타나는데, 이로 미루어 탑천의 유로 변경이 빈번하여 퇴적-침식 작용이 자주 일어났을 가능성, 하천 범람이 있었을 가능성, 높은 해수면으로 인하여 지하수위가 상승하고 이에 습지나 소택지가 부분적으로 존재했을 가능성 등을 생각해 볼 수 있다.

4.2. 약 2,000년 전(AD 0년 전후) 해수의 영향 범위와 황등제의 역할

현재 전북 부안군 곰소만 일대의 평균 해수면(Mean Sea Level) 높이는 0.104 m, 대조 평균 고조면(Mean High Water Spring, MHWS) 높이는 3.053 m이다(National Geographic Institute of Korea, 1981). 이 두 높이의 차이 2.949 m는 조차 범위(tidal range)의 1/2값이다. SELEN⁴ 빙하 평형 조절(Glacio Isostatic Ajustment, GIA) Model (Spada and Melini, 2019)을 이용한 계산에 의하면 2,000 yr BP (약 AD 0년) 시기의 곰소만 일대의 평균 해수면 높이는 약 0.757 m이다(그림 7). 그 당시의 조차 범위를 알 수는 없으므로 현재의 상황과 비슷하다는 가정하에 2.949 m를 평균 해수면 높이에 더하여 대조 평균 고조면의 높이를 계산하면 3.706 m가 된다. 이를 통해 대체로 해수가 고도 3.7 m 정도까지 영향을 미쳤을 것으로 추정할 수 있다. 그리고 그 이후에 해수면 높이는 완만하게 하강하게 된다.

Table 1.

Summary of radiocarbon ages obtained from the core ISL-06, ISL-12, and ISL-16.

Fig. 7.

Relative sea level changes in the western coast of the Korean Peninsula, calculated by SELEN4 glacial isostatic adjustment (GIA) model.

시추공 자료를 보면 대체로 2,000 yr BP(약 AD 0년) 이전 시기의 고도 3.7 m 하부에는 해수 규조가 우세하고, 이후 시기의 고도 3.7 m 상부에는 담수 규조가 우세하게 나타난다. 그런데 고도 3.7 m 보다 더 높은 고도 4.8 m의 2,270 yr BP(약 BC 320년) 점토질 실트층에서도 해수 규조가 일부 산출된다. 이는 조수간만에 의한 tidal pumping, 즉 salt wedge와 같은 형태로 하천 감조 구간의 상한까지 밀려 올라온 조수에 의해서 퇴적된 규조각(frustule)으로 생각할 수 있다(Storme et al., 2020). 황등제 제방을 축조한 2,250 yr BP(약 BC 300년) 이후에도 고도 5.4 m의 2,050 yr BP(약 BC 100년) 점토질 실트층, 고도 4.5 m의 1,640 yr BP(약 AD 310년) 점토질 실트층에서 해수 규조가 소량이나마 산출된다. 이 시기에는 해수면이 보다 낮아져 시추공 위치까지 해수면 자체가 영향을 미치지는 않았을 것으로 판단되지만, 제방이 일부 붕괴되어 salt wedge 형태로 올라오는 조수를 충분히 막지 못하였거나 태풍이나 폭풍에 의하여 일시적으로 해수가 다소 높은 고도 까지 범람했던 것 등의 가능성을 생각할 수 있다. 이를 확인하기 위해서는 폭풍 퇴적체의 존재 유무를 관찰하여야 하는데, 시추공 시료에서 퇴적구조의 해상도가 다소 낮은 관계로 확인이 어려웠다.

제방 축조 이후에 대규모 저수지가 형성되었다면 호수 퇴적층이 두껍게 형성되었을 것으로 기대할 수 있겠지만, 시추공 자료에서는 제방 축조 이후의 퇴적층이 얇게 소규모로 남아있는 정도에 그쳤다. 그 원인으로서 저수지가 충분히 형성되지 않았거나 호수 퇴적층이 침식되어 소실되었을 가능성 등을 거론할 수 있다. 이러한 정황으로 미루어, 저수지가 없었거나 있었더라도 규모가 크지 않았을 가능성이 더 높아 보인다. 그렇다면 저수지를 만들기 위해서 황등제를 축조한 것이라기보다는 조수의 영향을 차단하기 위해서 축조한 것으로 보는 것이 더 타당할 것이다. 즉, 저수지가 아닌 해수의 침투를 막기 위한 방조제의 역할이 중심이었을 것으로 판단된다.

4.3. 약 500년 전(AD 1500년 전후) 황등제 일대의 퇴적환경 변화

황등호의 수원은 익산시 금마면 미륵산(429 m)에서 삼기면 쪽으로 내려오는 유로연장 9.8 km의 기양천(면천, 뱀내)과 금마면 쪽으로 내려오는 유로연장 27.9 km의 탑천(망동천, 두천)이다. 하지만 이 두 하천은 길이가 짧고 유량이 많지 않아 이들 하천이 공급하는 수량으로는 황등호를 채워 농업 용수로 쓰기에 부족했을 것이다. 수도(隧道) 또는 수로(水路)와 같은 인공 물길을 만들어 인위적으로 물을 끌어와 공급해야 하는 것이다(Park, 2018).

1614년 조선왕조실록 광해군일기에는 길이 약 16 km의 물길, 이른바 ‘독주항 수도’에 대한 내용이 나온다. 물길에 쌓인 토사를 퍼내어 물길을 다시 개통했다는 것이다. 이로 미루어 1614년 이전에도 물길이 있었던 것으로 생각할 수 있지만, 언제 어떻게 만들고 관리했었는지는 알 수 없다(Park, 2018). 황등제를 축조한 2,250 yr BP (약 BC 300년) 당시에도 논농사를 위한 저수지가 필요했다면 1614년의 ‘독주항 수도’와 같은 기반 시설을 만들어 수량을 확보했어야 했을 터인데, 이것이 가능했을지는 미지수이다. 보다 합리적인 추론은 황등제 일대에서 논농사나 식수 확보 등을 위하여 해수 범람에 의한 염해를 막아야 했으며, 이것이 제방 축조의 목적일 것으로 상정하는 것이다. 또한 황등제 축조 당시에 어느 정도 규모의 논이나 밭, 그리고 식량 생산량이 필요했을지를 추정하기 위해서 그 당시의 인구압(population pressure)을 연구할 필요도 있다. 또한 화분, 식물규소체 등의 분석을 통하여 과거 식생을 복원한다면 당시 논이나 밭, 습지, 숲 등 주변 환경을 파악하는데에 도움이 될 것이다. 조선시대 유학자 유형원은 그의 저서 반계수록에서 벽골제, 눌제, 황등제 모두 훼손되고 황폐해졌지만 이를 보수하여 다시 저수지를 만든다면 가뭄을 견딜 수 있을 것이라고 언급하였다. 그렇다면 1614년에 물길을 보수하여 개통하였는데 1670년에는 이 물길과 황등호 모두 황폐해졌다는 말이 된다. 조선시대에는 계갑 대기근(1593 계사년, 1594 갑오년), 병정 대기근(1626 병인년, 1627 정묘년), 경신 대기근(1670 경술년, 1671 신해년), 을병 대기근(1695 을해년, 1699 병자년) 등 수 차례의 대규모 가뭄 재해가 있었는데(Park, 2021), 이러한 대기근 시기는 황등호가 황폐화된 것과도 관련이 있을 것으로 보인다.

ISL-06과 ISL-12 시추공의 최상부에는 고토양층이 분포하는데, 이 고토양층이 형성된 시기를 정확하게 알 수는 없다. 그러나 층서상의 정황으로 미루어 대략 500 yr BP(약 AD 1500년) 때의 고토양층으로 추정할 수 있다. Choi et al. (2021)은 곰소만 일대의 해수면을 다루면서 약 1500년-1600년대, 즉 소빙하기의 전반기 시기에 해수면이 소폭 하강했었을 것이라고 주장한 바 있다. 본 고토양층은 이러한 해수면 높이가 하강하는 시기에 침식기준면이 낮아지면서 하천 주변까지 퇴적물 공급이 원활하지 않은 상황에서 기존의 퇴적면이 대기 중에 노출되어 형성되었을 가능성도 생각할 수 있다. 또한 앞서 언급한 가뭄의 영향으로 퇴적물을 공급하는 하천이 말랐을 가능성도 있을 것이다. 반면에, 해수면 높이가 낮아지지 않았다면 조수의 영향으로 하천이 범람할 수도 있었을 것이다. 이러한 상황이라면 토양화 작용이 일어나기는 어려웠을 것이고 해수 규조도 일부 확인할 수 있었을 것이다. 그러나 고토양층 전후의 지층에서 규조의 산출은 없었다. 황등제 일대는 이 시기에 해수면 높이 하강과 가뭄, 두 가지 요인의 영향을 함께 받았을 것으로 보인다.

한편, 고도 약 6.0 m의 모래질 점토층은 일시적으로 다량의 토사가 유입되어 형성된 퇴적층으로 생각할 수 있다. 그 시기를 특정하기는 어려우나, Ahn and Lee (2023)의 고지형 분석 결과에서도 황등제 일대의 퇴적량이 상당히 많은 것으로 파악된 바 있어 이러한 해석을 뒷받침한다.

조선시대를 중심으로 한 황등제의 역할은 농업용수를 공급하기 위한 저수지로 활용되었던 것으로 판단된다. 다만, 역사 문헌에서 인공적 물길이나 훼손된 상태 등을 언급한 바와 같이, 저수지로 활용하기 위하여 만경강 등에서 용수를 공급하거나 지류로부터 공급되는 퇴적물을 준설하는 작업 등이 요구되었던 것으로 보인다. 퇴적환경 변화에서 상당한 변화 양상을 보이는 것을 통해 해수면 변동과 가뭄 등 자연환경의 변화에 따라 저수지로의 기능이 약화된 것 역시 파악할 수 있었다.