Original Article

Ecology and Resilient Infrastructure. March 2020. 53-62
https://doi.org/10.17820/eri.2020.7.1.053


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 환경생태유량과 다양한 여울-소 기법 적용

  •   4.2 복합서식처 적합도지수 분포와 가중가용면적

  • 5. 결 론

1. 서 론

과거부터 현재까지 하천이라는 공간은 이수, 치수, 환경, 생태적으로 매우 중요한 역할을 하고 있다. 과거에는 급속한 산업화를 거치면서 이수 및 치수 능력의 극대화를 위해 댐, 저수지 건설과 하천 직강화와 같은 하천정비사업이 진행되었다. 이로 인해 인간에게 주는 이로움은 증대되었지만, 하천 내 서식하는 수생물의 서식환경은 감소하고, 수생물의 종다양성에도 영향을 미치게 되었다. 그러나 2000년대부터 환경과 생태에 대한 관심이 증대되면서, 자연친화적인 하천 환경 조성 및 수생태계의 건강성 확보를 위해 다양한 하천복원 사업을 수행하고 이를 통하여 현장 모니터링 및 서식처 분석 관련 연구가 진행되고 있다 (Tharme 2003, Schwartz and Herricks 2007, Tomsic et al. 2007, Im et al. 2011, Papadaki et al. 2014, Schwartz et al. 2015, Choi et al. 2019a, 2019b).

국내에서는 수생물 중심의 서식공간 확보, 개선, 복원에 대한 관심을 갖게 되면서 하천의 자연성을 회복하기 위한 사업을 수행하였다. 양재천 복원사업 (과천시 부림동 - 서초구 양재동)은 다양한 자연형 하천공법을 적용하여 친수공간 확보는 물론 하천 내 서식하는 수생물의 서식공간을 개선하였다 (MOE 2011). 또한, 안양천, 경천, 학의천 등에서도 인간과 자연히 함께 공존하는 하천 조성을 목표로 환경기능, 자연기능, 생태기능을 보전 및 복원시켜 건강성과 친수성을 갖는 하천으로의 복원 사업을 수행하였다 (River Restoration Research Society 2008). 이와 같은 복원사업에 적용된 다양한 하천공법의 안정성과 적용성은 확인하였지만, 생태적으로 적합 여부에 대해서는 검증이 수행되지 않았다. 특히, 여러 복원공법 중 하나인 여울-소 구조는 하천복원에 가장 흔히 적용되지만 하도 내 적정한 구간 범위에 대한 설계 규정이 명확하게 제시되어 있지 않는 실정이다. 뿐만 아니라 여울-소 구조는 하천 내 서식하는 수생물에게 다양한 이로움을 제공하지만, 검증과정 없이 배치 및 설계하는 것은 반대적으로 악화시킬 수 있다는 우려가 있다.

따라서 본 연구는 여울-소 복원기법을 적용하였을 때 어류 군집종의 서식처에 미치는 영향에 대해 물리서식처 분석을 수행하였다. 대상 구간은 원주천 중류 구간 1.1 km 구간을 대상으로 하였으며, 대상 어종은 돌고기 (Pungtungia herzi), 피라미 (Zacco platypus), 참갈겨니 (Zacco koreanus)를 선정하였다. 구간 내 수심과 유속의 변화를 살펴보기 위하여 2차원 흐름모형 중 하나인 River2D 모형을 적용하였고, 서식처의 정성적 및 정량적인 변화를 분석하기 위해 서식처 적합도 모형을 사용하였다. 여울-소 구조 출현에 따른 서식처 변화를 살펴보기 위해 대상구간 내 여울-소 출현 구간을 50 m, 100 m, 200 m, 300 m로 설정하여 적용하였다. 그리고 대상어종에 대한 서식처 적합도 곡선을 이용하여 서식처 분석을 수행하고, 각각의 경우에 대한 서식처의 질적 및 양적 변화를 현상태와 비교 · 분석하였다.

2. 연구대상 지역 및 대상 어종

원주천은 한강 제1지류로 강원도 원주시 금대리에서 발원하여, 섬강에 합류하는 도시하천으로 원주시를 남북으로 관류하고 있다. 최근 원주천은 범람 등으로 인한 홍수 피해를 막기 위해서 원주천댐이 건설되고 있으며, 과거 지방하천이었던 원주천을 국가하천으로 승격하기로 확정하였다. Fig. 1은 연구 대상지역을 나타내고 있으며, 원주천 중류인 도시구간 1.1 km 구간을 대상으로 하였다. 본 대상구간은 하천정비 사업이 시행된 복단면 구간으로 생태 서식 환경이 좋지 않은 구간이라고 할 수 있다. 원주천의 갈수량 (Q355), 저수량 (Q275), 평수량 (Q185), 풍수량 (Q95)은 각각 0.401, 0.885, 1.596, 그리고 3.095 m3/s 이다.

본 연구에서 서식처 분석에 사용된 어종은 원주천의 어류 군집 분석 결과 (Choi et al. 2000) 우점종으로 서식하는 유수성 어종인 피라미, 참갈겨니, 돌고기를 선택하였다. 하천의 다양한 흐름 특성이 어류의 서식처에 미치는 영향을 파악하기 위해서는 유수성 및 정수성 어종을 모두 고려해야 하지만, 연구 대상구간에서 정수성 어종의 모니터링 자료는 많지 않기 때문에 추후에 어류 모니터링 자료가 확보가 된다면, 추후 연구를 진행할 수 있을 것으로 판단된다.

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Fig. 1.

Study area.

3. 물리 서식처 분석

3.1 흐름 모형

본 연구에서는 물리서식처 분석을 수행하기 위하여 수리분석과 서식처 모의를 수행할 수 있는 River2D 모형을 사용하였다 (Steffler and Blackburn 2002). 2차원 수심평균 된 연속방정식과 운동량 방정식은 다음 Eqs. (1) - (3)과 같다.

$$\frac{\partial H}{\partial t}+\frac{\partial q_x}{\partial x}+\frac{\partial q_y}{\partial y}=0$$ (1)
$$\frac{\partial q_x}{\partial t}+\frac\partial{\partial x}(Uq_x)+\frac\partial{\partial y}(Vq_x)+\frac g2\frac{\partial H^2}{\partial x}=gH(S_{ox}-S_{fx})+\frac1\rho\left\{\frac\partial{\partial x}(H\tau_{xx})\right\}+\frac1\rho\left\{\frac\partial{\partial y}(H\tau_{xy})\right\}$$ (2)
$$\frac{\partial q_x}{\partial t}+\frac\partial{\partial x}(Uq_y)+\frac\partial{\partial y}(Vq_y)+\frac g2\frac{\partial H^2}{\partial y}=gH(S_{oy}-S_{fy})+\frac1\rho\left\{\frac\partial{\partial x}(H\tau_{yx})\right\}+\frac1\rho\left\{\frac\partial{\partial y}(H\tau_{yy})\right\}$$ (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)와 (3)의 xy 방향의 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 있으며, 본 연구에서 사용한 모형의 경우 Manning의 조도계수 n과 유효조도 높이 모두 사용 가능하다. 그러나 Steffler and Blackburn (2002)은 실험 수로와 달리 다양한 하상고를 갖는 실제 하천의 경우 유효조도 높이를 적용하는 것이 하상 마찰경사의 변화를 더욱 잘 반영할 수 있기 때문에 흐름의 예측 정확도가 높다고 하였다. 따라서 본 연구에서는 흐름 분석을 수행하기 위하여 유효조도 높이를 0.56 - 1.12의 값을 사용하였다. Fig. 2는 본 연구에서 구축된 지형고를 나타낸다. 물리서식처 분석 구간은 원주천 중류에 위치해 있으며, 하천정비 사업이 시행된 구간이다. Case 0은 현상태를 의미하며, Case 1 - Case 4는 하천 복원 기법 중 하나인 여울-소 구조를 출현시킨 것이다. Case 1은 여울-소 구조를 50 m 간격으로 출현시킨 것이고, Case 2, Case 3, Case 4는 각각 여울-소 구조를 100 m, 200 m, 300 m 간격으로 출현시킨 것이다. 현상태의 하도 보다 여울-소 구조를 출현시킨 경우 다양한 흐름을 발생시킬 수 있고, 본 연구에서 대상으로 한 어종의 경우 유수성 어종이므로, 서식처의 변화가 발생할 것으로 판단된다.

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Fig. 2.

Distribution of bed elevation.

3.2 서식처 모형

본 연구에서는 서식처 분석을 수행하기 위하여 River2D 모형에서 사용되는 서식처 적합도 모형을 적용하였다. 서식처 적합도 모형은 대상 어종에 대해 대상으로 하는 물리적 및 화학적 인자들의 서식 적합성을 나타낸 서식처 적합도 곡선을 이용하여 산정하는 방법이다. 일반적으로는 각각의 인자들에 대한 서식처 적합도의 값을 곱하여 하나의 지수로 산정하게 되는데, 이 때의 결과값을 복합서식처 적합도지수 (Composite Suitability Index, CSI)라고 한다. 또한, 복합서식처 적합도지수를 이용하여 대상 어종이 차지하는 서식처의 면적을 정량적으로 나타내는 가중가용면적 (Weighted Usable Area, WUA)을 산정할 수 있다. 본 연구에서는 곱셈법을 이용하여 복합서식처 적합도지수를 산정하고 각각의 어종별로 서식처의 면적을 정량적으로 나타내었다. 복합서식처 적합도지수와 가중가용면적 계산에 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 어류 모니터링 자료와 Gosse (1982)의 방법을 이용하여 물리적 인자별 서식처 적합도 곡선을 구축하였다. 이 방법은 어류 모니터링 자료에서 각각의 물리적 인자의 범위를 균등하게 설정하고, 각 범위에 해당되는 어류의 개체수를 정리하였을 때 어류의 개체수 분포가 전체 대상 어종 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. 3은 Gosse (1982)의 방법을 이용하여 대상 어종에 대해 물리적 인자에 따른 서식처 적합도 곡선을 구축한 것이다. 서식처의 적합도는 0과 1 사이에 분포하며, 0은 대상 어종의 서식처 조건이 나쁨이고, 1에 가까울수록 좋음을 의미한다. 또한, 막대 그래프는 물리적 인자의 해당 범위 내에 분포하는 어종의 개체수를 의미한다. 각각의 어종별로 서식처 적합도 곡선을 통하여 물리적 인자들의 조건에 따라 대상 어종이 선호하는 최적의 서식처 조건 및 특성을 파악할 수 있다. 돌고기의 경우 수심이 0.3 m - 0.5 m의 범위이며, 유속이 0.0 m/s - 0.3 m/s의 범위에서 최적의 조건을 보이는 것으로 나타났다. 참갈겨니의 경우 선호하는 수심은 0.25 m - 0.45 m의 범위이며, 유속은 0.25 m/s - 0.65 m/s의 범위에서 최적의 조건을 보이는 것으로 나타났다. 피라미의 경우 선호하는 수심은 0.35 m - 0.4 m의 범위이며, 유속은 0.0 m/s - 0.25 m/s의 범위에서 최적의 조건을 보이는 것으로 나타났다. 기층의 경우 대상 어종 모두 자갈을 선호하는 것으로 나타났다. 본 연구 대상구간인 원주천 구간은 대부분의 기층이 자갈로 구성되어 있기 때문에 대상 어종의 서식처 변화는 기층의 영향을 거의 받지 않을 것으로 판단된다. 서식처 적합도 곡선을 살펴본 결과 본 연구에서 적용한 어종 모두 어느 정도 수심이 확보되고 다양한 유속의 조건이 형성되면 서식 가능한 공간이 확보되는 것으로 판단된다.

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Fig. 3.

Habitat suitability curves for target fishes.

4. 결 과

4.1 환경생태유량과 다양한 여울-소 기법 적용

환경생태유량은 일반적으로 대상 어종이 하천에서 서식하는데 필요한 최소한의 유량으로 정리할 수 있는데, 본 연구에서는 대상 어종의 가중가용면적이 최대가 발생하는 유량을 환경생태유량으로 설정하였다. 본 연구에서는 돌고기, 피라미, 참갈겨니 총 3 어종을 선정하였고, 각각의 어종에 대해 유량을 점진적으로 증가시켰을 때 가중가용면적의 변화를 살펴보았다. 그 결과 대상 어종의 서식처가 최대로 발생되는 유량은 5 m3/s로 나타났다. 산정된 유량을 적용하여 각각의 Case에 대해 적용하여 서식처의 변화를 분석하는데 사용될 것이다.

Fig. 4는 환경생태유량을 적용하였을 때 수리 분석 결과를 나타낸 것이다. 각각의 Case에 대해 모의를 수행하였으며, 그 결과 현상태인 Case 0의 결과와 비교하였을 때 Case 1 - Case 4의 경우가 여울-소 구조를 적용하였기 때문에 수심과 유속의 변화가 발생된 것을 확인할 수 있다. 여울-소 복원 출현을 구간에 따라 거리를 달리 적용한 결과 하상 지형의 변화가 발생되었기 때문에 현상태와 비교하였을 때 수리 구조가 다양화 된 것을 확인할 수 있다. 여울의 경우에는 상대적으로 수심이 얕고 유속이 빨라지는 양상을 보이며, 소의 경우에는 수심이 깊고 유속이 상대적으로 느린 구조로 본 모형을 사용하여 예측하였을 때 이에 대해 잘 모의된 것으로 판단된다. 또한, 현상태와 비교하였을 때 수심과 유속의 변화가 발생하였기 때문에 대상 어종 서식처의 변화가 발생할 것으로 판단된다.

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Fig. 4.

Results of the flow modelling (Q=5 m3/s).

4.2 복합서식처 적합도지수 분포와 가중가용면적

Fig. 5는 대상 어종별로 현상태와 여울-소 복원기법을 적용한 경우에 대해 정량적으로 살펴본 복합서식처 적합도지수 분포를 나타낸 것이다. 유량은 앞서 설명한 바와 같이 대상 어종별로 최적의 서식처가 발생되는 최적의 생태유량인 5 m3/s를 적용하였다. 현상태의 경우 대상 어종 모두 본 연구에서 선정한 구간이 복단면의 형태로 되어 있기 때문에 서식처가 악화되어 있는 것을 확인할 수 있다. 수로 중심부에서의 수심과 유속 분포가 대상 어종이 선호하는 물리적인 범위를 벗어나기 때문인 것으로 판단된다. Case 1 - Case 4의 경우는 현상태에서 여울-소 구조를 적용한 경우를 나타내고 있으며, 앞선 Fig. 4의 결과를 보면 알 수 있듯이 현상태와 비교하였을 때 수리특성의 변화가 발생되었기 때문에 서식처가 향상된 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서 대상으로 한 어종의 경우에는 상대적으로 수심과 유속의 변화가 발생되었을 때 서식처가 향상되는 것으로 판단된다. 특히, 소 구간보다는 여울 구간의 경우 현상태 대비 수심이 얕고 유속이 빠르게 발생되므로 서식처가 향상된 것을 확인할 수 있다.

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Fig. 5.

Distributions of CSI for the target species.

Fig. 6은 복합서식처 적합도지수 분포를 이용하여 정량적인 서식처 지표인 가중가용면적의 변화를 나타낸 것이다. 그림에서 보면 알 수 있듯이 여울-소 복원기법을 적용하였을 때 현상태 대비 서식처가 향상된 것을 확인할 수 있다. 어종별로 변화 양상을 살펴보면, 돌고기와 참갈겨니의 경우 여울-소 구조를 100 m 간격으로 하였을 때는 서식처가 여울-소 구조 50 m 구간으로 하였을 때보다 감소하였다가 다시 증가하는 양상을 보이는 것으로 나타났다. 그러나 피라미의 경우에는 여울-소 구조의 간격을 점점 증가시켰을 때, 여울-소 구조 200 m 구간까지는 증가하다가 여울-소 구조 300 m 간격에서는 약간 감소하는 것으로 나타났다. 대상 어종 모두 여울-소 구조 200 m 간격에서 300 m 간격으로 하였을 때 서식처 향상 정도는 크지 않은 것으로 나타났다. 본 결과를 살펴보면, 서식처 향상 정도와 경제적인 요인을 함께 고려한다면 여울-소 구조 간격을 200 m까지는 고려해야 할 것으로 판단된다. 현상태의 가중가용면적에서 여울-소 복원기법을 적용하였을 때 대상 어종별로의 변화를 평균적으로 살펴보면, 돌고기는 56.09%, 피라미는 46.92%, 마지막으로 참갈겨니는 55.23% 서식처가 향상된 것으로 나타났다. 연구 결과를 통해 복단면의 하천에서는 어류의 서식처가 적합하지 않다는 것을 확인할 수 있으며, 서식처를 향상시키기 위해서는 중요한 하천 복원기법 중 하나인 여울-소 구조를 구축하는 것이 필요하다. 여울-소 구조를 어느 정도의 구간으로 설치를 해야 서식처를 향상시킬 수 있다는 것에 대해 정확하게 명시가 되어 있지 않기 때문에, 본 연구를 통하여 여울-소 구조 출현 간격에 대해 생태학적으로 제시할 수 있는 중요한 기초 연구가 될 것으로 판단된다.

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Fig. 6.

Change of WUA for the target fishes.

5. 결 론

본 연구는 하천 복원 기법 중 하나인 여울-소 구조 적용을 통해 다양한 어종의 서식처에 미치는 영향에 대해 원주천을 대상으로 물리서식처 분석을 수행하였다. 대상 구간은 원주천 중류에 위치한 1.1 km 구간으로, 대상 어종은 우점종과 아우점종을 포함하여 돌고기, 피라미, 참갈겨니를 목표로 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.

기존의 복단면 수로에 하천 복원 기법 중 하나인 여울-소 구조 출현 구간을 50 m, 100 m, 200 m, 300 m으로 설정하여 적용하였다. 여울-소 구조 출현 구간을 다양하게 적용하였을 때의 서식처의 영향에 대해 살펴보기 위해 물리서식처 분석을 수행한 결과 대상 어종의 서식처가 향상되는 것을 확인하였다. 정량적으로 살펴보았을 때, 현상태 대비 대상 어종 서식처가 약 53% 향상되는 것으로 나타났다. 또한, 여울-소 구조 출현 구간을 200 m 이상으로 하였을 때 서식처의 변동량은 거의 발생하지 않는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 대상으로 한 어종 모두 소 구간 보다는 여울 구간에서 서식처가 향상된 것으로 나타났기 때문에 정수성 어종을 고려한다면 소 구간의 서식처가 향상될 것으로 판단된다. 추후에 다양한 어종을 고려하여 분석한다면 이런 한계점을 보완할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구를 통하여 생태학적인 여울-소 구조의 출현을 정의하고, 이에 대한 물리서식처 분석을 수행함에 따라 앞으로 수생물의 건강성을 향상시킬 수 있는 하천 복원 및 이를 평가하는 등의 통합적인 관리 측면에서 중요한 기초자료가 될 것으로 판단된다.

Acknowledgements

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

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