1. 서 론

유역 내 생물 서식처는 외부와 격리되어 독립적으로 유지되는 것이 아니라 주변의 이웃한 생태계와 공간적인 경계를 넘어서 물질과 에너지를 주고받고 있다 (Lamberti et al. 2010). 특히, 하천은 유역의 경사에 따라 산지에서 발원하여 작은 지천들을 모아 큰 강을 만들어 다시 하구에서 바다로 흘러가는 일방향적 흐름 (unidirectional flow)을 가지기 때문에, 하류의 수용 (recipient) 생태계는 상류의 공급 (donor) 생태계에서 지속적으로 또는 간헐적으로 홍수기 때 대량 공급되는 유량과 유사의 에너지 조합과 균형에 의해 서식처의 물리적인 구조를 형성한다. 그리고 유기물과 무기영양소와 같은 물질들의 양적, 질적 연속성을 통해 생산, 공급, 조절 기능과 같은 생태계 서비스를 제공하고 있다 (Schlunz and Schneider 2000, Park and Ock 2017).

유역 내에서 이러한 생태계 간의 물질이동에 가장 큰 영향을 미치는 환경요인은 강과 하천을 가로막고 있는 댐이라고 할 수 있다. 댐은 연어와 같은 회유성 어류의 이동뿐만이 아니라, 산과 강을 거쳐 바다로 이동하는 물과 영양소, 그리고 자갈과 모래와 같은 토사의 흐름에 양적 단절과 질적 변이를 가져왔다 (Graf 2006, Wang et al. 2018). 그러나, 유역에서 대형댐이 건설되어 장기간 상류에서 공급되는 물질이동이 물리적으로 단절되거나 질적으로 교란되게 되면, 하류의 서식처는 여울과 소의 소실, 하상저하, 식생의 육역화와 같이 물리적 교란이 발생하고 (Kondolf 1997), 수용생태계는 녹조, 부영양화, 생물종 감소와 같은 환경문제가 유발된다 (Power et al. 1996, Ock and Takemon 2014, Wu et al. 2015).

국내에서도 2000년대 이후 댐 건설과 운영에 따른 환경과 생태계 영향에 대한 연구가 이어지고 있다. 낙동강 유역에서 합천댐 건설 이후 인위적인 유황변화에 따른 황강의 사주 식생확장을 조사하였으며 (Choi et al. 2004), 안동댐과 임하댐 건설 이후 하류 하회마을 식생화의 원인을 분석한 연구가 보고되었다 (Lee et al. 2008). 최근에는 영주댐의 영향을 모니터링하기 위해 내성천의 수문특성을 분석하고 (Jang 2017), 하도 형태와 식생특성 변화를 분석 (Lee et al. 2019)하는 연구가 수행되었다. 그리고 장흥댐 건설이후 탐진강 하도의 선형변화와 식생화 (Ock et al. 2018), 그리고 새만금방조제 건설이후 만경강 하도의 서식처 변화 연구 (Choi et al. 2019)가 보고되었다.

그렇지만, 상류에 두 개의 대형댐과 중류에 3개의 대형보, 그리고 하류의 하구둑이 연속적으로 건설되어 상류 대형댐-닫힌하구 특성을 갖는 금강 대하천 유역을 대상으로 하도지형의 변화와 물질이동의 단절성을 조사한 연구는 상대적으로 부족하다. 따라서, 본 연구는 금강 중상류역을 대상으로 용담댐과 대청댐의 상･하류의 하상재료 입도분포와 토양 유기물 함량을 분석하여, 대형댐에 의한 하상재료와 토양의 종적변화를 파악하고자 하였다. 그리고, 대청댐 하류역의 고지도와 항공사진을 이용하여 하도의 선형과 사주형태를 공간분석하여, 대형댐 건설 이후 하류 하천의 하도지형 변화를 연도별로 추적하였다. 이러한 연구를 통하여 댐 건설에 따른 서식처 변화의 인과관계를 파악하고 이를 기반으로 댐하류 조절하천의 자연성 회복을 위한 방안을 도출하는데 적용할 수 있을 것이다 (Ock et al. 2019).

2. 연구 방법

2.1 조사구간 및 지점

본 연구의 조사구간은 금강의 중상류역을 대상으로 조사항목에 따라 구분하였다. 대형댐 상･하류 하상재료 특성의 종적변화 연구를 위해서 금강 중상류에 위치한 두 개의 대형댐을 기준으로 용담댐 구간과 대청댐 구간으로 구분하였다. 현장조사를 위한 조사지점은 각 조사구간에서 댐 상류와 댐 하류를 구분하여 각 2개 지점씩 총 8개의 조사지점을 선정하였다 (Fig. 1a). 구체적인 지점의 선정은 지천 효과를 배제하기 위하여 주로 지천 유입점 이전으로 한정하였다. 용담댐 구간은 댐상류의 YU1 (뜬봉샘)와 YU2 (가막), 댐하류의 YD1 (직하류)과 YD2 (상굴교) 정점을, 대청댐 구간은 댐상류의 DU1 (이원)과 DU2 (옥천), 댐하류의 DD1 (직하류)과 DD2 (조정지댐 직하류) 정점을 포함된다.

하도지형 경년변화 연구를 위해서는 고지도와 댐건설 전 항공사진의 가용 자료가 존재하는 대청댐 하류에서 세종보 직상류 인근 금남교까지 약 30 km 구간을 대상으로 지천 합류점을 기준으로 3개의 조사구간을 선정하였다 (Fig. 1b). DD-A 구간은 대청댐에서 갑천 합류점까지 약 5.1 km 구간으로 대부분이 산지로 둘러싸인 협착부로 상대적으로 하폭이 좁은 구간이다. DD-B 구간은 갑천 하류점에서 미호천 합류점까지 약 15.7 km 구간으로 금강의 규모가 커지면서 하폭이 넓고 경사가 완만한 특성을 갖는다. DD-C 구간은 미호천 합류점에서 금남교까지 약 8.7 km 구간으로 세종시 개발로 도시가 확장되면서 대규모 하천정비가 진행된 곳이다.

Fig. 1.

Study area map for longitudinal changes in riverbed material characteristics (a) and temporal changes in river channel geomorphology (b) in the Geum River basin, Korea.

2.2 하상재료 입도 분석 및 토양 유기물 함량

하상재료와 토양시료의 채집은 2018년 홍수기 이후에 실시하였다. 각 조사지점에서 식생이 활착되지 않은 이동상 하상지점을 선정하여 격자틀 (50 × 50 cm)을 고정한 뒤 바닥에서 약 20 cm 정도 깊이까지 포함된 모든 재료를 채취하였다 (Ock and Lee 2012) (Fig. 2). 현장의 벌크 시료는 호박돌 이상의 굵은 재료와 자갈 이하의 비교적 가는 재료로 분리하였다. 유기물 함량이 높은 미립질 시료는 미생물 분해를 방지하기 위해 실험실까지 저온 냉장하여 이동하였다. 입도분석은 모래크기 이상의 재료는 체분석법으로, 실트 크기 이하의 재료는 침강법을 수행한 후 입경가적곡선을 작성하였다 (Fig. 4). 유기물함량은 체분석으로 모래 이하의 시료를 대상으로 토양수분을 제거 후 (80°C 48시간) 작열감량법(550°C 4시간)으로 AFDW (Ash free dry weight)를 계산하였다 (Heiri et al. 2001).

Fig. 2.

Grid sampling (50 x 50 cm) for collecting riverbed materials in the study sites.

2.3 하도 선형 분석

금강 중상류에서 가용할 수 있는 가장 오래된 공간자료는 국토지리정보원에서 제공하는 1910년대 고지도로서 대청댐 건설 전 약 70년 전의 공간정보를 보여준다. 해당 구간의 항공사진은 대청댐 건설 20년 전에 해당하는 1960년, 댐 완공 30년 후 2008년, 그리고 최근 2016년 영상을 사용하여 대청댐 건설 전･후 약 100여년간의 하도지형 변화를 조사하였다. 해당 고지도와 항공사진은 지형도를 기준으로 정사보정 하였으며 분석작업은 AcrGIS (ver 10.1)를 이용하였다 (Fig. 3). 하도의 사행도는 구간의 직선길이와 유심선의 비로 계산하였으며, 저수로폭은 구간을 500 m 간격으로 세분하여 저수로의 하폭을 측정하여 구간별 평균값을 계산하였다. 하도내 공간은 제외지 구간의 저수로와 범람원을 추출하여 사주면적, 사주내 식생비율, 사행도, 저수로폭을 측정하였다. 사주내 식생비율은 영상에서 사주를 추출한 후, 나지부 면적과 식생 피복 면적을 구분하여 그 비율을 계산하였다.

Fig. 3.

Old map of Year 1910 (a) and aerial photographs taken in 1960 (b), 2008 (c), 2016 (d) for analyzing temporal changes in channel geomorphology below Daecheong Dam in the Geum River, Korea.

3. 결과 및 고찰

3.1 대형댐에 의한 하상재료 특성 변화

금강의 발원지점 용담댐 상류 YU1의 하상재료는 중간입경 (D₅₀)이 3.1 mm 로서 모래와 자갈로 이루어진 산지계류의 특성을 보이고 있다. 댐 직상류 YU2에서는 중간입경이 54 mm인 대부분 굵은자갈 이상 호박돌이 대부분으로 모래 이하의 재료는 4% 이하였다. 용담댐 하류 YD1과 YD2의 하상재료는 중간입경이 39 - 48 mm로서 상대적으로 굵은자갈 크기로 약간 감소하였다 (Fig. 4a). 용담댐 구간에서는 댐에 의한 하상재료의 급격한 상･하류 변화를 보이지 않았으며, 전체적으로 중간자갈 이상의 굵은자갈과 호박돌과 같은 조립화된 특성을 보이고 있다.

이에 비하여, 대청댐 구간에서는 댐상류 지점들 (DU1, DU2)의 중간입경은 33 - 47 mm로 굵은자갈 크기에서 댐하류 지점들 (DD1, DD2)에서는 중간입경이 25 - 10 mm의 가는자갈 (fine gravel)과 매우가는자갈 (very fine gravel)로 감소하는 등 상대적으로 큰 종적 변이를 보였다 (Fig. 4b). 특히, 대청댐 직하류 (DD1)에서는 모래함량이 30% 비율까지 증가하였으며, 하류 DD2 지점에서는 미립자인 실트가 15% 이상 차지하는 등 댐하류 하상재료의 입자크기가 급격하게 감소하였다. 하상재료의 토양유기물 함량을 분석한 결과, 발원지인 YU1에서는 산림토양 (- 5%) 특성을 보였으며, 용담댐과 대청댐의 하류 (YD1, DD1)에서는 댐상류에 비해 유기물 함량이 증가하였다. 특히 대청댐 직하류 (DD1)에서는 댐 저수지에서 방류하는 유기물과 하류 조정지댐의 영향으로 최대값 (> 17%)을 나타내었다 (Fig. 5).

Fig. 4.

Grain size distribution curves of riverbed materials in the sections of Yongdam Dam and Daecheong Dam.

Fig. 5.

Longitudinal changes in soil organic matter contents of riverbed materials.

이러한 대청댐 하류의 하상재료에서 실트 이하의 미립토사가 증가하고 토양유기물 함량이 높아진 것은 유역에서 대청댐의 규모와 운영상의 특성을 반영하고 있는 것으로 보인다. 대청호는 저수지의 규모면에서 국내 세 번째 크기의 인공저수지로서 상류에서 이동하는 자갈이상의 조립토사의 공급이 대부분 차단되면서, 오직 실트이하의 미립토사만이 하류로 배출되고 있는 것이 주요한 원인으로 볼 수 있다. 더불어 하류에 홍수빈도가 급감하고 하류 조정지댐의 영향으로 홍수에너지가 감소하면서 하류로 공급된 미립토사가 홍수에너지에 의해 세류되지 못하고 퇴적되는 원인으로, 유역의 중상류에도 불구하고 하상재료 크기가 급감하고 미립토사의 공급량이 증가하고 유기물 함량이 높아지는 하상재료의 불연속성이 발생하는 것으로 판단된다.

3.2 대형댐 건설 이후 하도 지형 변화

대청댐 하류를 대상으로 100여년간의 하도지형 변화를 분석한 결과, 댐 건설전인 1910년대와 1960년대 하도 내에 발달했던 사주 지형이, 댐 건설 후 2008년과 2016년에는 양적으로 그리고 질적으로 뚜렷하게 변화하였다 (Fig. 6). DD-A 구간은 총 사주면적이 무려 93% 감소하였다 (1960년 0.8 km² → 2016년 0.05 km²). 또한 사주가 가장 발달한 DD-B구간은 1910년 총 사주면적이 3.3 km²에서 2016년 1.0 km²으로 86% 감소하였으며, DD-C구간도 92%의 큰 감소율 (1960년 2.5 km² → 2016년 0.2 km²)을 보였다(Fig. 7a). 이에 반하여, 사주 내 식생비율은 급격하게 증가하였다. DD-A구간에서 1910년과 1960년에는 식생이 관찰되지 않았으나 댐건설 이후인 2008년과 2016년에는 전체 사주에서 식생 분포가 확인되었다. 댐 건설 전･후의 사주내 식생피복도를 보면, DD-B구간에서는 1960년 6%에서 2016년 81%로, DD-C 구간에서는 8%에서 100%로 급격하게 증가하였다 (Fig. 7b).

Fig. 6.

Temporal changes in the distribution of bare- and vegetated bars in the downstream channels of Daecheong Dam.

금강 중상류에 위치한 대상 구간은 1910년도에 이미 고수부 제방이 설치되어 있어 시간이 경과하면서도 하도 선형 상에 가시적으로 뚜렷한 변화는 보이지 않았고, 주로 하도 내 사주 면적과 형태가 변화함에 따라서 사행도의 증감이 발생하였다. 대청댐 직하류 DD-A구간은 양안의 한 면이 급경사의 산지로 이루어져 있어서 1910년도에는 사행도가 1.27이었으며, 1960년대 이후에는 1.24 정도를 유지하면서 댐 건설 전후 큰 차이는 나타나지 않았다. DD-B 구간은 만곡부로서 상대적으로 높은 사행도 (1.70 - 1.78)를 보였다. DD-C 구간은 비교적 직선구간으로 사행도가 1.05 - 1.1 정도로 가장 낮았다 (Fig. 7c). 이 가운데 DD-B와 DD-C구간은 댐 건설 이후 사주 발달 저하로 사주 면적이 줄어들면서 사행도가 다소 감소하였다. 저수로폭 분석결과에 따르면 (Fig. 7d), DD-A구간은 산지로 둘러싸여 하천 폭의 변화가 발생하기 어렵기 때문에 대청댐 건설 전후의 변화가 거의 없었다. DD-B와 DD-C 구간은 댐 건설 후 저수로 폭의 감소가 뚜렷하게 나타났다. 갑천 합류 이후 DD-B 구간은 1960년 410 m에서 2016년 290 m로 29% 감소하였으며, 미호천 합류 이후 DD-C 구간은 1960년 700 m에서 2016년 320 m로 무려 54% 감소하였다. 이러한 결과는 대청댐 건설 이후 하도 내 사주공간에 식생이 발달하면서 점점 저수로 방향으로 확장되고, 과거 저수로가 경작지와 공원 등으로 고수부지화 되면서 저수로 폭이 감소한 것으로 판단된다. 특히, DD-C 구간은 최근의 항공사진에서도 세종시 개발에 따른 하도내 공사가 진행 중으로 앞으로 하천정비로 인한 저수로 폭의 변화가 예상된다.

댐과 같은 구조물은 유사의 흐름을 막아 하류 유사량을 감소시키고, 홍수 규모 및 빈도 저감에 따른 유량 안정화로 유사의 이송능력이 감소시켜 식생 활착의 기회를 증대시킨다. 본 연구결과는 수리구조물에 따른 하천 지형 변화를 정량적으로 제시하고 있으며, 이후 대청댐의 실 퇴사량을 조사하고 댐 하류역의 유사량 자료를 분석하여 인과관계를 해석하는 후속연구가 요구된다.

Fig. 7.

Spatiotemporal changes in total bar area (a), ratio of vegetated bar to total bar area low, sinuosity (c), and channel width (b) in the downstream channels of Daecheong Dam.

4. 결 론

유역 내에서 생태계 간의 물질이동에 가장 큰 영향을 미치는 환경 요인은 강과 하천을 가로막고 있는 댐이라고 할 수 있다. 본 연구에서는 금강 중상류에 위치한 두 개의 대형댐에 의한 유역의 하상재료 변화와 하도 지형 변화를 분석하였다. 댐 상･하류에서 수행한 입도분석 결과, 용담댐의 경우 상･하류 모두 호박돌, 굵은자갈로 조립화되었으나 하류로 갈수록 중간입경의 크기가 작아졌다. 그러나 대청댐의 경우, 상류에 비해 하류에서 중간입경이 가는자갈로 작아졌으며, 모래비율이 급증하였다. 토양유기물은 두 개댐 모두 하류에서 뚜렷한 증가를 보였으며 특히 대청댐 하류에서 최대값을 보였다. 이러한 결과는 댐하류 수용생태계의 서식처 특성은 상류댐에서 공급되는 미립질의 토사와 유기물 영향을 영향을 직접적으로 받고 있다는 것을 보여주는 것이다. 고지도와 항공사진을 이용한 댐 건설 전･후의 경년변화를 분석한 결과, 하도 내 사주면적은 대청댐 건설 전에 비해 86% 이상 뚜렷한 감소를 보였다. 이에 반해 사주 내 식생비율은 80% 이상 증가하였다. 하도 선형분석 결과 1910년 이전에 이미 고수부 제방이 설치되어 대규모의 선형 변화는 발생하지 않았지만, 하도 내 사주변화에 따라 사행도가 변화하고 있는 것을 발견하였다. 이러한 결과들은 금강 유역에서 두 개의 대형댐을 지나면서 하도의 서식처 지형과 물리화학적 특성이 변화해왔다는 것을 의미한다. 국내 대하천 유역에서도 상류의 보에서 발생한 조류 대발생 물질의 방류에 따른 하천생태계 변화, 하구둑 재개방에 따른 기수생태계 변화 등에 대한 사회적 관심이 증가하면서, 댐 하류 생태계의 지속가능한 관리를 위해서 상류에서 공급되는 물질의 양과 질에 대한 과학적 정보와 그 영향에 대한 연구 필요가 지속적으로 제기되고 있다. 본 연구는 댐 건설에 따른 서식처 변화를 정량적으로 분석하고 인과관계를 추정하여 조절하천에서 자연성 회복을 위한 복원관리 방안을 도출하는데 적용될 수 있을 것이다.