1. 서 론
2. 연구대상 지역 및 대상 어종
3. 물리 서식처 분석
3.1 흐름 모형
3.2 서식처 모형
3.3 제목
4. 결 과
4.1 저수로 하도 형성 유량
4.2 가중가용면적
4.3 저수로 물길 복원 조성 및 다양한 저수로 복원기법 적용
4.4 복합 서식처 적합도 지수 분포 및 가중가용면적
5. 결 론
1. 서 론
하천은 과거부터 현재까지 인간의 삶에 있어서 중요한 공간이며 환경적, 생태적으로도 중요한 가치를 지니고 있다. 특히, 하천은 물과 흙으로 이루어져 있기 때문에 수생물이 살아갈 수 있는 독특한 생태 서식처 공간을 제공한다. 그러나 1960년대 이후 급속한 도시화와 산업화, 국토자원 개발의 시작으로 하천의 정비와 직강화와 같은 하천정비사업이 본격적으로 시작되었다. 이로 인해 수생태계의 다양한 변화를 초래하여 하천 내 종다양성은 감소하고 건강한 서식처 공간이 줄어드는 상황이 발생하게 되었다. 따라서 최근에는 자연친화적인 하천 환경 공간을 조성하고 수생태계의 건강성 확보를 위해 다양한 하천복원 사업을 수행하고 이를 통하여 생태계 서식처 복원에 초점을 맞춘 연구가 진행되고 있다 (Stein et al. 2002, Tiegs et al. 2005, Choi and Choi 2009, Choi and Kim 2013).
국내에서는 1980년대 말부터 하천환경의 개선 및 복원에 대해 관심과 인식을 높이고 공감대를 형성하여 훼손된 하천을 원래 모습으로 되돌리는 사업을 수행하였다. 환경부는 과천시 부림동 구간과 서울 서초구 양재동 구간의 양재천 일부 구간에 다양한 자연형 하천공법을 적용하여 양재천 복원사업의 효과를 확인하였다 (MOE 2011). 서울시는 서울 도심부를 관통하여 흐르는 복개된 청계천을 하폭 및 저수로 폭, 저수호안과 고수호안의 높이 등의 복원을 통하여 도심재개발과 하천수변공간을 회복하였다 (Seoul City 2006). 또한, 정평천, 서호천, 경천, 안양천, 학의천 등에서도 인간과 자연이 함께하는 하천 조성을 목표로 자연기능과 환경기능을 보전 및 복원시켜 생태적으로 건강하고 친수성을 갖는 하천으로 복원사업을 수행하였다 (River Restoration Casebook, 2008). 이러한 하천복원사업이 하천에 서식하는 수생물에게 주는 영향을 분석하기 위해 최근에는 다양한 물리서식처 분석이 수행되고 이를 통해 계획을 수립하고 있다. 하천복원사업을 통한 생태유량 재산정 (Tharme 2003, Papadaki et al. 2014), 보 철거의 영향 (Gillenwater et al. 2006, Tomsic et al. 2007, Im et al. 2011), 다양한 복원기법을 통한 수생물에 미치는 영향 파악 (Tompkins and Herricks 2003, Gard 2006, Hesselink et al. 2006, Schwartz and Herricks 2007, Schwartz et al. 2015, Kim et al. 2015, Chegal et al. 2016) 등을 들 수 있다. 기존 연구들은 하천복원사업으로 인한 수리특성과 수생 서식처의 변화를 살펴보는 간접적인 영향에 대한 내용이었다. 그러나 직접적으로 영향을 미치는 하도의 단면을 재설계하고 다양한 복원기법을 적용하여 그 영향을 파악하는 연구도 수행되어야 할 것으로 판단된다.
따라서 본 연구는 수리학적으로 유리한 저수로 물길 복원이 우점종에 미치는 영향에 대해 물리서식처 분석을 수행하였다. 대상 구간은 원주천 중·상류 900 m 구간을 대상으로 하였으며, 대상 어종은 우점종인 참갈겨니 (Zacco koreanus)를 선정하였다. 2차원 흐름모형 중 하나인 River2D 모형을 이용하여 수리분석을 수행하고 서식처 적합도 모형을 이용하여 서식처 분석을 수행하였다. 저수로 물길 복원을 수행하기 위해 대상 구간의 강턱유량을 이용하여 저수로 물길을 확인하였으며, 이를 통해 수리학적으로 유리한 저수로 단면을 설계하고 거석, 여울/소 구조, 저수로 확폭과 같은 다양한 복원기법을 적용하였다. 그리고 서식처 분석을 통하여 저수로 복원 설계 전･후에 대한 서식처의 질적·양적 변화를 비교 및 분석하였다.
2. 연구대상 지역 및 대상 어종
원주천은 한강 제1지류인 섬강으로 합류하는 하천이며, 유로연장 25.66 km, 유역면적 152.9 km2인 도시하천으로 원주시를 남북으로 관류하고 있다. Fig. 1은 연구대상지역인 원주천을 나타내고 있으며, 900 m 구간을 대상으로 하였다. 원주천은 지속적으로 생태하천 조성사업이 이루어져 왔으나, 본 연구대상구간은 생태하천 조성사업이 시행되지 않은 원주천의 중·상류에 위치한 자연형 하천구간이다. 원주천 하천정비기본계획 (MOCT, 1999)에 의하면 대상 구간의 평균 중앙입경은 19.9 mm로 자갈하상인 것으로 나타났다. 연구대상지역의 갈수량 (Q355), 저수량 (Q355), 평수량 (Q185), 풍수량 (Q95)은 각각 0.401, 0.885, 1.596, 그리고 3.095 m3/s이다.
본 연구의 대상어종은 Choi et al. (2000)이 수행한 원주천의 군집특성 분석의 결과에 따라 원주천의 중·상류에 우점종으로 서식하고 있는 참갈겨니를 선택하였다. 목표 대상어종을 우점종으로 선택한 이유는 다른 아우점종의 어종보다 상대적으로 개체수가 많은 어종의 서식처 적합도 분석 결과가 신뢰성을 높일 수 있기 때문이다 (Bovee et al. 1998). 대상어종의 경우 산란기, 치어기, 성어기로 각각의 성장 단계별 분석이 필요하지만, 산란기와 치어기의 경우 서식처의 수리조건이 짧은 기간에 편중되어 있다. 그러나 성어기의 경우 겨울을 제외하고는 대부분의 기간을 고려할 수 있기 때문에 본 연구에서는 성어기의 참갈겨니를 대상어종으로 하여 분석을 수행하였다.
3. 물리 서식처 분석
3.1 흐름 모형
본 연구에서는 수리분석을 수행하기 위하여 2차원 수심평균된 수리분석 및 물리서식처 모의를 수행할 수 있는 River2D 모형을 사용하였다 (Steffler and Blackburn 2002). 지배방정식은 연속방정식과 종방향 (x)과 횡방향 (y)의 운동량 방정식으로 이루어지며 각각 다음 Eq. 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) |
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 방향 하상경사와 마찰경사이며, τij는 난류 응력 텐서이다. Eq. 2와 Eq. 3의 x와 y 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 있다. River2D 모형에서는 Manning의 n과 유효조도 높이 모두 사용가능 하지만, 실제 다양한 하상고를 갖는 실제 하천의 경우 유효조도 높이를 적용하는 것이 하상 마찰경사의 변화를 더욱 잘 반영할 수 있다고 알려져 있다 (Steffler and Blackburn 2002). 따라서 본 연구에서는 유효조도 높이를 0.80 - 1.52의 값을 사용하였다. River2D는 비정렬 삼각형 분할보간 방법을 이용하여 격자를 구성하며, 유한요소법을 이용하여 수치해를 구한다. Fig. 2는 본 연구에서 구축된 지형고를 나타낸다. 모의 구간은 원주천 중·상류에 위치해 있으며, 자연하천 구간이다. 모의 구간의 상류와 중류 지점은 하상의 하상고가 높고 낮음이 반복되는 지형을 갖고 있으며, 전 구간 거의 직선에 가까운 하도를 형성하고 있다. 또한 하류단에 위치한 대평교와 보의 영향으로 하상고가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 본 연구의 대상 구간은 여울과 소가 반복적으로 나타나는 자연형 하천의 하도 형상을 보이고 있다.
3.2 서식처 모형
본 연구에서 서식처 분석을 수행하기 서식처 적합도 모형을 사용하였다. 서식처 적합도 모형은 수심, 유속, 기층과 같은 물리적 인자들의 서식처 적합도 곡선을 구축하고 이를 이용하여 물리적 인자들 간의 관계를 통해 최종 대상 어종이 갖는 서식처의 적합도 정도를 산정하는 방법이다. 이때의 서식처 적합도를 복합 서식처 적합도 지수라 하며 일반적으로 곱셈법을 이용하여 산정한다. 본 연구에서는 곱셈법을 이용하여 복합 서식처 적합도 지수 (Composite Suitability Index, CSI)를 산정하였으며, 이를 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 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 Q는 유량을 나타내며, CSIi와 Ai는 각각 i 셀에서의 복합 서식처 지수와 셀의 면적을 나타낸다.
본 연구에서는 Gosse (1982)의 방법을 적용하여 대상 어종의 물리적 인자별 서식처 적합도 곡선을 구축하고 이를 이용하여 물리서식처 분석을 수행하였다. 이 방법은 수생물 모니터링 자료에서 각각의 물리적 인자들 조건에 대한 범위를 설정하고 이에 따라 개체수를 정리하였을 때, 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 어종인 참갈겨니의 서식처 적합도 곡선을 구축한 것이다. 서식처 적합도는 0에서 1 사이에 분포하며, 0은 대상 어종의 서식처 조건이 나쁨이고 1은 좋음을 의미한다. 막대 그래프는 해당 범위 내에 분포하는 대상 어종의 개체수를 의미한다. 서식처 적합도 곡선을 통하여 최적의 물리적 인자들의 조건을 살펴보면 대상 어종이 선호하는 서식처 조건 및 특성을 파악할 수 있다. 참갈겨니의 경우 선호하는 수심은 0.35 m - 0.45 m의 범위이며, 유속은 0.0 m/s - 0.3 m/s의 범위에서 최적의 조건을 보이는 것으로 나타났다. 기층의 경우 자갈을 선호하는 것으로 나타났다. 참갈겨니의 경우 수심이 확보되고 다양한 유속의 조건에서 서식할 수 있는 특성을 보이는 것으로 나타났다. 또한 본 연구 대상구간은 원주천 상류 지점으로 대부분의 기층은 자갈로 구성되어 있다. 따라서 대상 구간 내 어종의 서식처 적합도는 기층의 영향을 거의 받지 않을 것으로 판단된다.
4. 결 과
4.1 저수로 하도 형성 유량
저수로 물길 복원을 위해서는 저수로 하도를 형성하는 유량을 먼저 산정해야 한다. 일반적으로 안정하도에서의 강턱유량은 1년에서 2.5년 재현빈도를 갖는 유량 사이에 분포하는 것으로 연구되고 있다 (Leopold et al. 1964, Andrews 1980, Lee and Choi 2017). 특정 재현기간별 유량 산정 방법은 확률도시법에 의한 빈도해석으로 분석할 수 있다. 이는 과거 유량관측 자료가 존재할 경우 장래에 발생 가능한 특정 빈도의 수문사상을 추정하는 방법이다. Lee and Choi (2017)에 의하면 원주천의 강턱유량은 31.0 m3/s로 산정되었으며, 이를 이용하여 저수로 물길을 파악하였다. Fig. 4는 원주천의 강턱유량 조건에서의 수심과 유속의 결과를 나타내고 있다. 흐름 모의 결과 대상 구간의 지형학적인 특성이 잘 반영되어 모의되었음을 확인할 수 있다. 특히, 하도 내 지형고의 높고 낮음이 반복되는 여울-소 구조가 형성되어 있었는데, 수심과 유속의 결과가 이를 잘 반영하고 있음을 알 수 있다. 또한 대상 구간 하류에는 보 형태의 교량이 위치해 있어 하류의 하상고는 매우 낮음을 Fig. 2를 통해 확인할 수 있었다. 따라서 하류단에서는 수심이 최대 약 3.7 m까지 발생하며 유속은 거의 형성되지 않음을 알 수 있다. 하류단을 제외하고는 여울의 경우 수심은 0.7 m - 1.0 m 사이에 분포하며 유속은 1.5 m/s - 3.0 m/s의 분포를 가진다. 소의 경우 1.5 m - 2.3 m 깊이의 수심을 가지며, 유속은 0.6 m/s - 0.9 m/s의 분포를 갖는 것을 확인할 수 있다.
4.2 가중가용면적
Fig. 5는 참갈겨니의 유량에 따른 가중가용면적의 변화를 나타낸 결과이다. 원주천의 갈수량에 해당되는 유량부터 시작하여 유량을 점차적으로 증가시키면서 가중가용면적의 변화를 나타내었다. 그 결과 본 연구 대상 지역에서의 참갈겨니가 갖는 가중가용면적이 최대로 발생되는 유량은 3 m3/s로 나타났으며, 이는 원주천의 풍수량과 거의 비슷한 유량이다. 본 유량은 연구 대상 지역의 결과 즉, 수리학적으로 유리한 단면으로의 저수로 설계 및 다양한 복원 기법을 적용하였을 때 동일한 유량조건에서의 서식처 변화에 대해서 결과를 도출하는데 사용되었다.
4.3 저수로 물길 복원 조성 및 다양한 저수로 복원기법 적용
Fig. 6은 본 연구 대상 지역에서 사용된 9개 단면에 대해서 수리학적으로 유리한 저수로 물길 복원을 조성한 결과이다. 1번 단면은 대상 구간의 하류단이며, 9번 단면은 상류 지점의 단면이다. 빨간색으로 도시화 된 것은 현상태의 자연하천의 단면이고, 초록색은 수리학적으로 유리한 저수로 물길을 조성한 결과를 나타낸다. 수리학적으로 유리한 저수로 물길 복원 조성은 강턱유량 조건에서 모의를 하였을 때 저수로 물길을 확인하고, 이를 바탕으로 해당 단면에서의 수심 및 유속과 하폭을 이용하여 산정하였다. 각각의 단면은 하폭이 수심 방향 높이의 2배가 되도록 단면을 변경하였으며, 복단면의 형태를 나타낼 수 있도록 하였다. 기존의 자연하도의 형태보다 저수로 물길 복원을 조성하였을 때, 어류가 서식할 수 있는 공간이 상대적으로 줄어들기 때문에 서식처의 변화가 발생할 것으로 판단된다.
Fig. 7은 대상 구간인 원주천의 현상태에 해당되는 지형과 수리학적으로 유리한 저수로 물길 복원 및 다양한 하천복원기법을 적용하였을 때의 지형을 나타낸 결과이다. 각각의 적용된 복원 기법은 Table 1과 같습니다. 복원 기법에 대해서 살펴보면, case 1은 Fig. 6에서와 같이 수리학적으로 유리한 저수로 물길 복원을 조성한 결과이며, case 2 - case 4는 case 1의 지형에서 서로 다른 저수로 복원기법을 적용하여 구축한 지형자료이다. Case 2는 종방향 30 m 간격으로 거석을 적용하였으며, case 3은 여울/소 구조를 일정하게 반영한 결과이다. 마지막으로 case 4는 case 1의 저수로 하폭에서 1.5배를 100 m 간격으로 확폭한 결과를 나타내고 있다. 이는 단면의 급확대 및 급축소로 다양한 수리학적인 변화를 줄 수 있도록 하였다. 다양한 저수로 복원기법을 통하여 본 연구에서 목표종으로 하였던 참갈겨니의 서식처 변화가 발생될 것으로 판단된다.
4.4 복합 서식처 적합도 지수 분포 및 가중가용면적
Fig. 8은 대상 구간의 현상태와 저수로 물길 복원 조성 기법을 적용하였을 때 참갈겨니의 복합서식처 적합도지수 분포를 나타낸 그림이다. 현상태의 경우 자연하천의 상태로 대상 구간의 중·상류 구간에 서식처가 가장 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그러나 하류단으로 갈수록 수심이 깊고 유속이 거의 발생하지 않아 참갈겨니가 선호하는 물리적 인자의 범위를 벗어나는 것으로 나타났다. Case 1의 경우 수리학적으로 유리한 저수로를 설계한 것으로 Fig. 6과 Fig. 7에서 보면 알 수 있듯이 현상태의 저수로보다 하폭이 감소하였다. 그 결과 현상태보다 서식처가 악화되는 것으로 나타났으며, 이는 하폭의 감소로 인해 하천의 중심부에서 유속이 빠르고 수심이 증가한 흐름 양상을 보이기 때문에 참갈겨니가 선호하는 수심과 유속의 범위를 벗어난 것으로 판단된다. Case 2와 3은 수리학적으로 유리한 저수로 설계와 함께 거석과 여울/소 구조를 적용한 결과이다. Case 1에 비해 case 2와 3은 참갈겨니의 서식처 적합도가 향상된 것을 확인할 수 있으며, 이는 거석과 여울/소 구조로 인해 다양한 흐름 조건이 발생함에 따라 참갈겨니가 선호하는 범위에 속하게 된 것으로 판단된다. 마지막으로 case 4의 경우, 확폭의 변화를 통해서 저수로 복원을 실시한 경우인데, 그 결과 앞선 case 1, 2, 3과 비교하여 서식처가 가장 향상되는 것으로 나타났다. 이는 단면의 확폭을 통해 다양한 수심 및 유속의 변화뿐만 아니라 서식처의 단면적 확보로 인해 앞선 경우보다 상대적으로 서식처가 향상된 것으로 판단된다. 정량적으로 서식처의 변화를 살펴보면, 가중가용면적이 현상태는 5,662 m2, case 1은 3,519 m2, case 2는 3,721 m2, case 3은 3,645 m2, case 4는 4,707 m2로 나타났다. 수리학적으로 유리한 단면의 설계와 함께 하폭의 변화를 주었던 case 4의 경우 자연상태와 가장 근접한 가중가용면적을 갖는 것으로 나타났다. 수리학적으로 유리한 단면으로 저수로를 설계하였을 때, 기존 저수로 대비 하폭이 감소할 뿐만 아니라 다양한 흐름 조건을 발생시키지 못하기 때문에 현상태보다 서식처가 악화된 것으로 판단된다. 본 결과를 통해 추후에 자연하천을 대상으로 하천 복원을 수행할 경우, 수리학적으로 유리한 단면을 통해 치수 안정성을 확보하고 더불어 수생물이 건강하게 서식할 수 있는 다양하고 적절한 복원기법을 적용해야 할 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구는 수리학적으로 유리한 저수로 물길 복원 및 다양한 저수로 복원기법의 적용을 통해 우점종의 서식처에 미치는 영향에 대해 원주천을 대상으로 물리서식처 분석을 수행하였다. 대상 구간은 원주천 중·상류에 위치한 900 m 구간으로, 대상 어종은 원주천의 중·상류에 서식하는 우점종인 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.
저수로 물길 복원 조성을 위하여 수리학적으로 유리한 저수로 단면으로의 복원 및 거석, 여울/소 구조, 단면의 확폭을 통해 기존 자연형 하천과는 다른 복원을 조성하였다. 수리학적으로 유리한 저수로 단면의 설계는 본 대상 구간의 강턱유량으로 모의하였을 때의 저수로 물길을 확인한 후, 해당 당면의 강턱유량 조건에서의 수심 및 유속과 하폭을 이용하여 설계하였다. 수리학적으로 유리한 저수로 단면으로 복원하였을 때, 기존 자연하천의 하폭보다 상대적으로 줄어들었고, 단면이 단조로운 복단면 형태를 나타내었다. 수리학적으로 유리한 저수로 물길 복원을 조성한 결과를 이용하여 물리서식처 분석을 수행하였을 때, 기존 자연하천인 현상태 대비 약 37% 서식처가 악화되는 것으로 나타났다. 그러나 수리학적으로 유리한 저수로 단면의 설계 조건에서 거석, 여울/소 구조 및 단면의 확폭의 복원을 수행하였을 때 서식처가 최소 약 3%에서 최대 21%까지 서식처가 향상되었다. 이는 어종 특성상 선호하는 유속의 범위는 수심에 비해 상대적으로 넓게 분포하고 있으나, 수심의 경우 선호하는 범위가 너무 좁게 분포하는 경향이 있기 때문인 것으로 판단된다. 본 연구는 물리서식처 분석을 이용하여 치수적으로 유리한 저수로 설계 및 하천에 서식하는 우점종의 서식처를 향상시킬 수 있는 복원기법 도입을 통해 서식처의 변화 여부를 살펴보았다. 그러나 우점종에 대해 물리서식처 분석을 수행하였고 상대적으로 적용이 용이한 복원 기법을 적용하였다는 한계점이 있다. 따라서 추후에 다양한 군집종에 대한 분석뿐만 아니라 하천 내 여러 개의 저수로 물길 및 만곡의 변화 등과 같은 다양한 복원 기법을 적용하여 연구를 진행할 예정에 있다. 본 연구를 통하여 치수적으로 안전하고 수생물의 건강성을 도모할 수 있는 다양한 복원 기법의 적용 사례를 분석함에 따라 하천을 복원하고 이를 평가하는 등의 통합적인 측면에서 중요한 기초자료가 될 것으로 판단된다.
