Ecology and Resilient Infrastructure. March 2019. 1-11
https://doi.org/10.17820/eri.2019.6.1.001


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 연구대상 지역 및 대상 어종

  • 3. 물리 서식처 분석

  •   3.1 흐름 모형

  •   3.2 서식처 모형

  • 4. 결 과

  •   4.1 생태 물길 복원 조성

  •   4.2 복합 서식처 적합도 지수 분포 및 가중가용면적

  • 5. 결 론

1. 서 론

하천은 인간에게 심미적인 기능뿐만 아니라 수생물이 살아갈 수 있는 공간을 제공한다. 특히, 수생물의 서식 공간은 무엇보다 수심과 유속에 민감하게 반응하기 때문에 적절한 유량을 보장해 주어야 한다. 그러나 댐에 의해 유량이 조절되는 조절하천의 경우 댐에 의해 방류되는 유량은 정해져 있으므로 생태적으로 안정적인 유량을 공급하기에는 어려움이 있다. 조절하천의 경우 댐의 방류로 인해 하류하천의 서식처가 악화되거나 서식지 구조 제거와 같은 기존의 연구성과는 많이 수행되었다 (Valentin et al. 1996, Booker and Dunbar 2004, Colosimo and Wilcock 2007, Garcia et al. 2011, Chen et al. 2015, Choi et al. 2017, Kang et al. 2017, Choi and Choi 2018). 따라서 조절하천은 생태 서식지, 자기 정화 및 미적 기능과 같은 생태계 서비스가 심각하게 저하되었다.

다행스럽게도 지난 수십 년 동안 하천의 관리 개념은 하천 내 수생태계에 대한 인간의 영향에 대해 관심과 인식을 높이고 있다. 수생태계가 주는 가치에 대한 인식이 높아지면서 하천 수생태계의 복원으로의 변화가 시작되었다 (Harper and Ferguson 1995, Bockelmann et al. 2004). 이는 하천 관리 개념이 인간 중심에서 지속 가능한 삶을 위한 공생 관계로 변화하는 것을 의미한다. 하천복원 또는 서식환경 조성에서 흐름 영역을 통한 수생태계 서식처 공간 조성은 무엇보다 중요하다. 수생태계의 위기에 대한 사회적 공감대의 형성에 따라, 하천 복원이라는 사회 수요가 증가하였고, 많은 사업들이 검증 과정 없이 수행되어 수 많은 시행 착오를 겪게 되었다 (Downs and Kondolf 2002). 우리나라에서도 이와 같은 시행 착오를 겪게 되었다. 하천 복원을 위해서 통나무, 돌 및 천연 또는 인조 직물과 같은 재료의 오남용이다. 일부 복원 사업에서 과도한 양의 초목, 통나무, 돌 및 콘크리트 블록 등이 자연하천화 한다는 것에 사용되었지만, 이는 의도치 않게 전혀 다른 유형의 인공화된 하천을 만들게 되었다 (Woo et al. 2005). 따라서 복원 사업의 성공 확률을 높이고 제한된 자원의 효과적인 사용을 통한 체계적인 전략이 필요하다.

최근 생태하천 조성사업 및 하천복원사업이 진행되면서 수생태계에 미치는 악영향을 최소화하기 위해 물리 서식처 평가를 통한 계획을 수립하고 있다. 생태유량 산정 (Tharme 2003, Papadaki et al. 2014, Choi and Choi 2015, Nikgahalb et al. 2016, Im et al. 2018), 댐 방류 시나리오 변경 (Zhang et al. 2016, Wen et al. 2016, Kang and Choi 2018), 보 철거의 영향 (Gillenwater et al. 2006, Tomsic et al. 2007, Im et al. 2011), 자연형 하도 복원 (Gard 2006), 여울-소 구조를 통한 복원 (Schwartz and Herricks 2007) 등을 들 수 있다. 이러한 기존 연구들은 대상하천의 우점종에 대한 물리 서식처 평가가 이루어져왔다. 그러나 수생태계는 다양한 어종이 서식하고 있으며, 각각의 어종 특성에 따라 다른 환경에서 생활한다. 특히 단일종에 대한 물리 서식처 평가는 특정 어종에 대해서는 서식처를 향상시킬 수 있을지라도 전체적인 여러 다양한 어종에 대해서는 서식환경을 오히려 악화시킬 수 있는 가능성이 있다.

따라서 본 연구는 생태 물길 복원 조성이 군집종에 미치는 영향에 대해 물리 서식처 분석을 수행하였다. 대상 어종은 피라미 (Zacco platypus), 참갈겨니 (Zacco koreanus), 쉬리 (Coreoleuciscus splendidus), 돌고기 (Pungtungia herzi), 가는돌고기 (Pseudopungtungia tenuicorpus), 묵납자루 (Tanakia signifer), 꾸구리 (Gobiobotia macrocephala), 줄납자루 (Acheilognathus yamatsutae), 밀어 (Rhinogobius brunneus)로 총 9종을 선정하였다. 2차원 흐름모형 중 하나인 River2D 모형을 이용하여 수리분석을 수행하고 서식처 적합도 모형을 이용하여 서식처 분석을 수행하였다. 생태 물길 복원 조성은 돌보 철거 및 하도내 여울-소 구조 조성, 하상고 및 하폭의 변화를 수행하였다. 그리고 서식처 분석을 통하여 생태 물길 복원 조성 전・후에 대한 복합 서식처 적합도 지수 분포와 가중가용면적의 변화를 비교・분석하였다.

2. 연구대상 지역 및 대상 어종

연구대상지역은 남한강의 제 1지류이며, 상류에 괴산댐이 위치한 달천의 3.35 km 구간이다 (Fig. 1). 모의구간은 괴산댐 직하류부터 대수보까지이며, 구간 내 수전교와 돌보가 위치해 있다. 돌보는 수전교로부터 상류 122 m에 위치해 있으며, 본 연구에서는 돌보를 고려하여 모의를 수행하였다. 달천은 남한간 수계의 최남부에 있는 지류로서 유로연장은 123 km, 평균 하상경사는 1/650, 그리고 유역면적은 1,606 km2이다. 연구대상지역의 갈수량 (Q355), 저수량 (Q275), 평수량 (Q185), 풍수량 (Q95)은 각각 1.82, 4.02, 7.23, 그리고 17.13 m3/s 이다.

연구대상지역에서는 2007년부터 2011년 이코리버 사업의 일환으로 어류의 현장모니터링을 실시하였다. 그 결과 피라미, 참갈겨니, 쉬리, 돌고기, 가는돌고기, 묵납자루, 꾸구리, 줄납자루, 밀어가 각각 27%, 15%, 15%, 11%, 8%, 6%, 5%, 4%, 그리고 4%로 분포하였다 (Fig. 2). 현장모니터링 결과 우점종과 아우점종은 총 9종이며, 이는 대상구간 어종의 약 95%에 해당된다. 본 연구에서는 생태 물길 조성이 다양한 군집종에 미치는 영향에 대해 파악하기 위해서 해당 연구대상지역의 모든 어종을 대상으로 물리 서식처분석을 수행하였다.

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Fig. 1.

Study area.

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Fig. 2.

Fish monitoring in study area.

3. 물리 서식처 분석

3.1 흐름 모형

본 연구에서는 수리분석을 수행하기 위하여 2차원 수심평균된 유속분포를 모의할 수 있는 River2D 모형을 사용하였다 (Steffler and Blackburn 2002). 지배방정식은 연속방정식과 종방향 (x)과 횡방향 (y)의 운동량 방정식으로 이루어지며 각각 다음 Eqs. 1-3과 같다

$$\frac{\partial H}{\partial t}+\frac{\displaystyle\partial q_x}{\displaystyle\partial x}+\frac{\displaystyle\partial q_y}{\displaystyle\partial y}=0$$ (1)
$$\frac{\partial q_x}{\partial t}+\frac{\displaystyle\partial}{\displaystyle\partial x}(Uq_x)+\frac{\displaystyle\partial}{\displaystyle\partial y}(Vq_x)+\frac g2\frac{\partial H^2}{\partial x}=gH(S_{ox}-S_{fx})+\frac1\rho\left\{\frac\partial{\partial x}(H\tau_{xx})\right\}+\frac{\displaystyle1}{\displaystyle\rho}\left\{\frac{\displaystyle\partial}{\displaystyle\partial y}(H\tau_{xy})\right\}$$ (2)
$$\frac{\partial q_x}{\partial t}+\frac{\displaystyle\partial}{\displaystyle\partial x}(Uq_y)+\frac{\displaystyle\partial}{\displaystyle\partial y}(Vq_y)+\frac g2\frac{\partial H^2}{\partial y}=gH(S_{oy}-S_{fy})+\frac1\rho\left\{\frac\partial{\partial x}(H\tau_{yx})\right\}+\frac{\displaystyle1}{\displaystyle\rho}\left\{\frac{\displaystyle\partial}{\displaystyle\partial y}(H\tau_{yy})\right\}$$ (3)

여기서 t는 시간, x, y는 각각 흐름방향과 횡방향 좌표, H는 수심, U, V는 각각 x, y방향의 수심평균된 유속, qx (=HU), qy (=HV)는 각각 x, y방향 단위 폭 당 유량, Soi, Sfi는 각각 i방향 하상경사와 마찰경사이며, τij는 난류 응력 텐서이다. Eqs. 2 and 3의 xy방향의 마찰경사를 표현하면 다음과 같다.

$$S_{fx}=\frac{u\sqrt[{}]{u^2+v^2}}{gHC_s^2},\;S_{fy}=\frac{v\sqrt[{}]{u^2+v^2}}{gHC_s^2}$$ (4a, 4b)

여기서 Cs는 무차원 Chezy 계수로 유효조도 높이 (ks)와 관련이 있다. Manning의 n과 유효조도 높이 모두 사용가능 하지만, River2D 모형에서는 유효조도 높이를 적용하는 것이 하상 마찰경사의 변화를 더욱 잘 반영할 수 있다고 알려져 있다 (Steffler and Blackburn 2002). 따라서 본 연구에서는 유효조도 높이를 0.73-1.27의 값을 사용하였다. River2D는 비정렬 삼각형 분할보간 방법을 격자를 구성하며, 유한요소법을 이용하여 수치해를 구한다. 본 연구에서 구축된 지형고는 Fig. 3과 같다. 모의 구간의 상류지점은 하상고의 변화가 크지 않은 것을 확인할 수 있으며, 수전교를 지나면서 거의 직선에 가까운 하도를 형성하다가 만곡부를 형성하면서 하상고가 낮아지는 지점이 존재한다. 만곡부를 지나고 난 후에는 하상고가 다시 상승하였다가 하류쪽으로 갈수록 하상고가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 본 연구의 대상구간은 여울과 소가 반복하여 나타나는 하도 형상을 보이고 있다.

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Fig. 3.

Distribution of bed elevation.

3.2 서식처 모형

본 연구에서 서식처 분석을 수행하기 HSI (Habitat Suitability Index) 모형을 사용하였다. HSI 모형은 대상 어종의 서식처 인자별로 서식처 적합도 곡선을 구축한 후에 상호 인자들 간의 관계를 이용하여 적합도를 산정하는 방법이다. 이때의 적합도는 복합 서식처 적합도 지수라 하며 일반적으로 곱셈법을 이용하여 산정한다. 본 연구에서는 곱셈법을 이용하여 복합 서식처 적합도 지수 (Composite Suitability Index, CSI)를 산정하였으며, 이를 통하여 연구 대상 구간 내 대상어종이 차지하는 서식처의 면적을 정량적으로 나타내는 가중가용면적 (Weighted Usable Area, WUA)을 산정하는데 이용하였다. 본 연구에서 사용된 복합 서식처 적합도 지수와 가중가용면적을 사용된 식은 다음과 같다.

$$CSI_i=f_v(v_i)\times f_H(H_i)\times f_s(s_i)$$ (5)

여기서 fv(vi), fH(Hi), fs(si) 각각 수심, 유속, 기층에 대한 서식처 적합도 값이다.

$$WUA={\textstyle\sum_{i=1}^n}\;A_i\times CSI_i=f(Q)$$ (6)

여기서 CSIiAi는 각각 i 셀에서의 복합 서식처 지수와 셀의 면적을 나타낸다.

본 연구에서는 서식처 분석을 수행하기 위하여 Gosse (1982)의 방법을 이용하여 대상 어종별 서식처 적합도 곡선을 구축하였다. 이 방법은 어류 모니터링 자료들의 각각의 물리적 인자들 조건에 대한 범위에 따라 개체수를 정리하였을 때, 개체수 분포가 전체 개체수의 상위 50%, 75%, 90%, 그리고 95%의 구간에 해당하는 값에 각각 서식처 적합도 지수의 값을 1.0, 0.5, 0.1, 그리고 0.05를 부여하는 방법이다. Fig. 4는 대상 어종인 군집종의 서식처 적합도 곡선을 구축한 것이다. 서식처 적합도는 0에서 1 사이에 분포하며, 0은 대상 어종의 서식처 조건이 나쁨이고 1은 좋음을 의미한다. 막대 그래프는 해당 범위 내에서 분포하는 개체수를 의미한다. 각각의 대상 어종에 대한 최적의 수심과 유속의 조건을 살펴보면 대상 어종의 특성을 파악할 수 있다. 피라미, 쉬리, 밀어, 묵납자루, 가는돌고기의 경우 수심이 0.15 m - 0.43 m의 범위이며, 유속이 0.18 m/s - 0.66 m/s의 범위에서 최적의 조건을 보이는 것으로 나타났다. 참갈겨니, 돌고기, 줄납자루의 경우 수심이 0.22 m - 0.45 m의 범위이며, 유속이 0.00 m/s - 0.35 m/s의 범위에서 최적의 조건임을 확인할 수 있다. 꾸구리의 경우는 수심이 0.28 m - 0.35 m 그리고 유속이 0.76 m/s - 0.96 m/s의 범위에서 최적의 조건으로 나타났다. 수심은 유속보다 상대적으로 좁은 범위에서 분포하고 있음을 확인할 수 있으며, 유속 조건에 따라 서식처 적합도의 변화가 크게 나타날 것으로 예상된다. 기층의 경우 대상 어종이 선호하는 기층이 모래와 자갈로 나타났다. 그러나 본 연구대상 지역은 상류 댐에 의해 조절되는 조절하천으로 장갑화가 진행되어 하상은 모래와 자갈로 이루어져있다. 따라서 서식처 적합도는 기층의 영향을 거의 받지 않을 것으로 판단된다.

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Fig. 4.

Habitat Suitability Curves.

4. 결 과

4.1 생태 물길 복원 조성

Fig. 5는 연구 대상 구간에 생태 물길을 조성한 결과이다. 생태 물길 조성은 달천에서의 강턱유량을 계산하고 본 대상지역에 대해 경계조건에 따른 흐름해석을 실시하였다. 달천의 강턱유량은 98.5 m3/s (Lee and Choi 2017)로 산정되었으며, 이에 대한 결과를 바탕으로 저수로 구간을 파악하고 이에 대한 생태 물길을 조성하였다. Fig. 5를 살펴보면, 달천의 상류, 중류, 하류에 대해 생태 물길 복원에 따른 대표적인 단면 변화를 나타내었다. 상류 지점의 경우, 하상고의 변화가 크지 않고 단순한 지형의 형태로 단면의 변화가 크게 변화되지 않았으며, 상류 지점에서의 생태 물길 복원은 수전교 인근에 위치한 돌보를 제거하는 것으로 조성하였다. 중류와 하류 지점은 상류에 비해 상대적으로 지형의 변화가 다양하게 나타났으며, 이에 따라 대상 어종이 선호하는 수심과 유속의 범위에 맞게 지형고와 하폭을 수정하였다. 또한, 상류와 중류 중간에 대해서는 여울과 소를 조성하여 다양한 흐름 양상을 주어 생태적으로 건강한 하천을 조성하도록 하였다. Fig. 4를 기반으로 대상 구간 내에 생태 물길을 복원하였기 때문에 이는 대상 어종에 대한 서식처가 향상될 것으로 기대된다.

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Fig. 5.

Restoration of ecological waterways for representative sections.

Fig. 6은 생태 물길 복원을 조성하고 유량이 7 m3/s 조건에서의 흐름 모의 결과를 나타내고 있다. 7 m3/s의 유량을 대상으로 모의한 이유는 본 연구의 대상 어종의 생태유량을 각각 계산하고 대상 어종이 차지하는 비율을 곱하여 산정하면 가중가용면적이 최대가 발생되는 7 m3/s의 유량이 산정된다. 대상 구간의 흐름분석 결과 하천의 지형학적인 특성이 잘 반영된 흐름을 보여주고 있다. 특히, 하도 내 위치한 여울-소 구조가 번갈아가며 발생한 것을 확인할 수 있다. 여울의 경우 수심은 0.6 m - 1.0 m 사이에 분포하며 유속은 0.7 m/s - 1.3 m/s의 분포를 가진다. 소의 경우 최대 2.5 m 깊이의 수심을 가지며, 유속은 0.1 m/s - 0.25 m/s의 분포를 갖는 것을 확인할 수 있다.

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Fig. 6.

Results of the flow modelling (Q=7 m3/s).

4.2 복합 서식처 적합도 지수 분포 및 가중가용면적

Fig. 7은 군집종에 대한 생태 물길 복원 조성 전・후에 대한 복합 서식처 적합도지수 분포를 나타내고 있다. 일반적으로 기존 하도보다 생태 물길 복원을 조성하였을 때 대상 어종의 서식처가 향상되었음을 확인할 수 있다. 특히 상류에 위치한 돌보를 철거하였을 때 서식처가 매우 향상되었으며, 만곡부 전・후로 여울과 소 구조뿐만 아니라 하상고의 변화를 주었기 때문에 서식처가 향상된 것으로 판단된다. 또한, 대수보가 위치한 하류단에도 생태 물길 복원을 수행한 결과 전반적으로 서식처가 향상됨을 확인할 수 있었다. 이는 생태 물길 복원을 수행하면서 대상 어종이 선호하는 수심과 유속의 범위에 포함되었기 때문이다. 그러나 꾸구리의 경우 수심이 낮고 유속이 상대적으로 매우 빠른 곳을 선호하는 어종이다. 따라서 돌보를 철거한 곳은 기존 하도보다 유속이 증가하였기 때문에 서식처가 향상되었지만, 이 부분을 제외하고는 서식처가 어느 정도 악화됨을 확인할 수 있었다.

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Fig. 7.

Distributions of CSI for the target species.

Fig. 8은 대상 어종에 대한 생태 물길 복원 전・후에 대한 가중가용면적의 변화를 나타낸 그림이다. 그 결과 생태 물길 복원 조성이 군집종에 대한 서식처를 매우 향상시키는 것을 확인할 수 있다. 피라미, 쉬리, 참갈겨니, 돌고기, 줄납자루, 밀어, 묵납자루, 가는돌고기의 경우 25.45%, 33.52%, 16.99%, 16.35%, 17.23%, 19.31%, 3.04%, 그리고 20.28%의 서식처가 향상되었다. 그러나 꾸구리의 경우 12.20%의 서식처가 감소되었으며, 이는 앞선 설명에서와 같이 돌보를 철거한 곳을 제외하고 나머지 구간에서 꾸구리의 선호하는 수심과 유속의 범위에 벗어났기 때문이라고 판단된다. 따라서 이와 같이 수심이 얕고 상대적으로 매우 빠른 곳을 선호하는 꾸구리의 경우의 어종의 서식처를 향상시키기 위해서는 다른 복원 기법을 도입하여야 할 것으로 판단된다.

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Fig. 8.

The change of WUA for the target species.

5. 결 론

본 연구는 생태 물길 복원 조성이 다양한 군집종에 미치는 영향에 대해 달천을 대상으로 물리 서식처 분석을 수행하였다. 대상 구간은 상류에 괴산댐이 위치한 달천의 3.35 km 구간이며, 어종은 피라미, 쉬리, 참갈겨니, 돌고기, 줄납자루, 밀어, 묵납자루, 꾸구리, 가는돌고기로 총 9종의 군집종을 대상으로 하였다. 수리분석과 서식처분석은 각각 River2D 모형과 서식처 적합도 모형을 사용하였다. 서식처 적합도 모형에 사용된 서식처 적합도 곡선은 Gosse (1982)의 방법을 이용하여 구축하였으며, 수심, 유속, 기층을 모두 고려하여 물리 서식처 분석을 수행하였다.

생태 물길 복원을 위하여 하도 내 위치한 돌보를 철거 및 여울-소 구조를 조성하였으며, 몇몇 지점은 하상고 및 하폭의 변화를 통하여 기존 하도보다 다양한 흐름 조건을 조성하도록 하였다. 생태 물길 복원을 조성한 결과, 다양한 군집종에 대하여 서식처가 매우 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 정량적으로 살펴보았을 때, 8종의 어종은 최소 약 3%에서 최대 33.52%까지 서식처가 향상되었다. 그러나 꾸구리의 경우, 기존 하도보다 생태 물길 복원을 조성하였을 때 서식처가 악화됨을 확인할 수 있었다. 이는 어종 특성상 수심이 얕고 상대적으로 매우 빠른 유속을 선호하는데, 돌보를 철거하여 유속이 빨라지게 된 구간에서만 서식처가 향상되고, 다른 구간에서는 꾸구리가 선호하는 수심과 유속의 범위를 벗어나게 되어 서식처가 악화되었다. 따라서 본 연구는 다양한 어류 군집종의 서식환경이 다양할 수 있음을 보여주고 있으며, 우점종을 대상으로 하는 물리서식처 분석은 다양한 수생물의 서식환경을 고려하지 못할 수 있다는 한계점을 보여준다. 또한, 생태 물길 조성과 같은 복원 기법이 다른 어종에 대해서는 악영향을 미칠 수 있으므로, 복원 기법에 따른 어종의 서식처에 미치는 영향에 대한 연구와 꾸준한 모니터링이 필요할 것으로 판단된다. 이를 통하여 하천 내 다양한 수생물의 통합적인 관리 측면에서 권장될 필요가 있다.

Acknowledgements

본 연구는 한국연구재단 이공분야기초연구사업 연구비지원 (NRF-2018R1D1A3B07049297)에 의해 수행되었습니다.

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