[논문]FRAGSTATS 모델을 이용한 갑천 유역의 불투수면 변화에 따른 경관 구조 분석

최진영; 강문성; 배승종; 김학관; 정세웅

doi:10.5389/ksae.2010.52.4.053

문제 정의

본 연구의 목적은 갑천 유역에서의 불투수면 변화에 따른 경관구조를 분석하기 위하여, 1) 갑천 유역의 25년간 5년 주기 시계열 불투수면 변화를 조사 분석하고, 2) 경관분석 프로그램인 FRAGSTATS를 이용하여 대상유역의 과거 토지이용 변화에 따른 경관 지수를 산정하여 분석하며, 3) 불투수면 변화, 수질, 경관지수에 따른 불투수면 지표 모델 (Impervious Cover Model, ICM)을 평가함으로써, 향후 도시개발사업 계획 수립 시 경관 생태적 영향을 고려한 토지이용 관리방안을 모색하는 데 기초자료를 제공하는 데 있다.
기존의 불투수면 관련 연구와 본 연구의 차별성은 유역의 불투수면 비율만을 유역관리지표로서 활용하는 것 뿐만 아니라 불투수면 개별 조각 (패치)의 개수, 밀도, 비율, 가장자리 길이, 형태 등을 분석한 경관 지수를 산출하고, 이러한 결과와 취득한 수질자료를 바탕으로 ICM 모델을 제시하고 검토한 것이다. 본 연구에서 ICM 모델의 적용시 제한 요소를 극복하기에는 한계가 있다.
본 연구에서는 같은 피복유형을 갖는 패치 전체를 의미하는 클래스 (class) 수준의 분석을 수행하였다. 패치 (patch) 수준지수는 개별적 조각에 대해 지수를 산출하고 경관 (landscape) 수준 지수는 토지유형에 상관없이 유역내 모든 토지피복에 대한 경관 지수를 산출하기 때문에 (Jang, 2008), 본 연구와 같이 불투수면에 대한 경관 지수 산출에는 적합하지 않다.
본 연구에서는 앞서 분석한 경관 지수중에서 생물종 다양성과 관련이 깊은 CPLAND²⁾를 생물종 다양성 지표로 선정하고자 하였다. 그러나 갑천 유역이라는 경관 차원에서 불투수면 비율과 생물종 다양성 경관 지수를 함께 도시하기 위해 Patch, Class, Landscape 중에서 Landscape 수준에서 지수를 산출 하였고, CPLAND는 Landscape에서는 산출될 수 없기 때문에 의미가 유의한 TCA (Total core area)를 대신 선정하였다.
하지만 모델에서 제시하고 있는 10 %, 25 %라는 임계수치가 불투수면과 하천질 지표간의 통계적 편차로 인해 정확한 구분 점이 아니라 그 범위의 불투수면 비율에서의 일반적인 변화를 반영한 값이라는 점을 인식해야 한다 (Choi and Jang, 2003). 본 연구에서는 유역에서의 불투수면 비율 증가에 따른 생물종 다양성, 수질 영향 관계를 불투수면 모델을 통해 고찰해보고자 하였다.

제안 방법

3. 불투수면 모델 적용에서는 갑천 유역의 수질자료 중 BOD를 수질지표로, 경관 지수 중 TCA를 생물종 다양성 지표로 이용하였다. 그 결과 불투수면 비율 10 % 이하에서는 수질이나 생물종 다양성이 양호하였으나 15 %를 넘으면서 상태가 나빠짐을 확인할 수 있었다.
Fig. 5와 같이 불투수면 비율-수질 자료 (BOD), 불투수면 비율-생물종 다양성 관련 경관 지수 (TCA)와의 관계를 통해불투수면 모델 (ICM) 연관성을 검토하였다. 먼저 수질과의 관계에서는 불투수면 비율이 10 % 이하인 안정적인 하천 구간에서 BOD가 Class 2 ~ 3 수준에 해당하였다.
WAMIS에서 제공하는 8개 항목으로 분류된 Landsat 토지피복도를 이용하여 1975년에서 2000년까지의 토지피복변화를 분석하였다. 이중 수역, 시가화지역을 제외한 6개 토지피복을 투수면으로, 시가화지역을 불투수면으로, 수역은 수역으로 구분하였다.
갑천 유역과 유역 내 6개 표준유역에 대하여 WAMIS에서 제공하는 1975년부터 2000년까지의 토지피복도를 활용하여 경관 지수를 산출하였고, 그 결과는 Table 4에서와 같다.
본 연구에서는 Johnson and Patil (2006) 등의 연구를 참고하여 파편화, 경관의 비구조적 변화 등을 잘 나타낼 수 있는 경관 지수 16개 항목을 선정한 후, 피어슨 상관분석 (pearson correlation analysis)을 통하여 최종적으로 7개의 경관지수를 선정하였다. 갑천 유역에 대해 1975년부터 2000년까지 토지이용변화에 따른 파편화 정도를 정량적으로 분석하기 위해서, 본 연구에서는 면적, 밀도, 가장자리, 형태, 핵심구역 등을 고려할 수 있는 LPI (Largest Patch Index), NP (Number of Patches), PD (Patch Density), TE (Total Edge), ED (Edge Density), LSI (Landscape Shape Index), 그리고 CPLAND (Core Area Percentage of Landscape) 등의 7개 주요 지표를 선정하였다. Table 1은 본 연구에서 선정된 주요 경관지수의 특성을 나타내고 있다.
갑천 유역의 6개 표준유역별 경관 구조 변화 영향을 알아보기 위해 불투수면 비율과 높은 상관도를 나타낸 LPI를 이용, NP와 PD는 둘 다 패치의 수가 결정인자이므로 둘 중 NP를, TE와 ED는 둘 다 가장자리 길이가 결정인자이므로 둘 중 TE를, 그리고 경관형태지수로서 LSI 지수를 이용하였다.
본 연구에서는 갑천 유역을 대상으로 1975년부터 2000년까지의 토지피복상태에 따른 불투수면과 투수면을 재분류하여 경관분석 프로그램인 FRAGSTATS를 이용하여 경관 지수를 산정하여 경관 구조 변화를 분석하였고, 갑천 유역의 6개 표준 유역에 대해서도 정량적으로 분석하였다. 경관 지수 산출 결과와 불투수면과의 상관관계를 분석하였고, 경관 지표 (TCA)와 수질지표 (BOD)를 이용하여 불투수면 모델에 적용하여 평가하였다.
를 생물종 다양성 지표로 선정하고자 하였다. 그러나 갑천 유역이라는 경관 차원에서 불투수면 비율과 생물종 다양성 경관 지수를 함께 도시하기 위해 Patch, Class, Landscape 중에서 Landscape 수준에서 지수를 산출 하였고, CPLAND는 Landscape에서는 산출될 수 없기 때문에 의미가 유의한 TCA (Total core area)를 대신 선정하였다. 또한, 수질자료로서 환경부 물환경정보시스템에서 제공하는 갑천 유역의 수질측정지점 (봉곡교, 갑천2, 침산교, 갑천5-1)에서의 수질자료와 불투수면 비율과의 관계를 통해 BOD를 수질지표로서 선정하여 불투수면 모델 연관성을 검토하였다.
그러나 갑천 유역이라는 경관 차원에서 불투수면 비율과 생물종 다양성 경관 지수를 함께 도시하기 위해 Patch, Class, Landscape 중에서 Landscape 수준에서 지수를 산출 하였고, CPLAND는 Landscape에서는 산출될 수 없기 때문에 의미가 유의한 TCA (Total core area)를 대신 선정하였다. 또한, 수질자료로서 환경부 물환경정보시스템에서 제공하는 갑천 유역의 수질측정지점 (봉곡교, 갑천2, 침산교, 갑천5-1)에서의 수질자료와 불투수면 비율과의 관계를 통해 BOD를 수질지표로서 선정하여 불투수면 모델 연관성을 검토하였다. Table 5는 갑천 유역의 수질측정지점에서의 수질항목별 상관방정식과 결정계수를 나타내고 있다.
클래스 수준 지수는 면적/밀도, 가장자리, 모양, 중심지, 고립/접근, 대조, 접촉/산포, 연결성 등으로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 Johnson and Patil (2006) 등의 연구를 참고하여 파편화, 경관의 비구조적 변화 등을 잘 나타낼 수 있는 경관 지수 16개 항목을 선정한 후, 피어슨 상관분석 (pearson correlation analysis)을 통하여 최종적으로 7개의 경관지수를 선정하였다. 갑천 유역에 대해 1975년부터 2000년까지 토지이용변화에 따른 파편화 정도를 정량적으로 분석하기 위해서, 본 연구에서는 면적, 밀도, 가장자리, 형태, 핵심구역 등을 고려할 수 있는 LPI (Largest Patch Index), NP (Number of Patches), PD (Patch Density), TE (Total Edge), ED (Edge Density), LSI (Landscape Shape Index), 그리고 CPLAND (Core Area Percentage of Landscape) 등의 7개 주요 지표를 선정하였다.
본 연구에서는 갑천 유역을 대상으로 1975년부터 2000년까지의 토지피복상태에 따른 불투수면과 투수면을 재분류하여 경관분석 프로그램인 FRAGSTATS를 이용하여 경관 지수를 산정하여 경관 구조 변화를 분석하였고, 갑천 유역의 6개 표준 유역에 대해서도 정량적으로 분석하였다. 경관 지수 산출 결과와 불투수면과의 상관관계를 분석하였고, 경관 지표 (TCA)와 수질지표 (BOD)를 이용하여 불투수면 모델에 적용하여 평가하였다.
불투수면 비율 변화에 따른 경관지수의 시계열 변화를 분석하기 위해서 토지피복을 불투수면과 투수면으로 재분류하였다. 본 연구에서는 불투수면을 시가화지역으로, 투수면을 수역과 시가화지역을 제외한 6개 토지피복을 분류하였으며, 수역은 수역으로 구분하였다 (Geum River Environment Research Center, 2009).
이를 위해 국가수자원관리정보시스템 (WAMIS)에서 제공하는 8개 항목 (수역, 시가화지역, 나지, 습지, 초지, 산림, 농경지, 밭)으로 분류된 갑천 유역의 1975년 ~ 2000년 토지피복도를 이용하였다. 불투수면 비율 변화에 따른 경관지수의 시계열 변화를 분석하기 위해서 토지피복을 불투수면과 투수면으로 재분류하였다. 본 연구에서는 불투수면을 시가화지역으로, 투수면을 수역과 시가화지역을 제외한 6개 토지피복을 분류하였으며, 수역은 수역으로 구분하였다 (Geum River Environment Research Center, 2009).
불투수면 비율과 수리 수문 영향, 수질 영향, 수생태계 영향에 관해서는 Han River Watershed Management Committee (2007b) 외에 기존의 많은 연구에서 그 연관성을 분석하였다. 유역 내 도로와 주차장과 같은 불투수면에 축적된 비점오염원은 강우 시 고농도의 오염물질이 수계로 유출되는 원인이 되어 하천 수질을 악화시키게 된다.
WAMIS에서 제공하는 8개 항목으로 분류된 Landsat 토지피복도를 이용하여 1975년에서 2000년까지의 토지피복변화를 분석하였다. 이중 수역, 시가화지역을 제외한 6개 토지피복을 투수면으로, 시가화지역을 불투수면으로, 수역은 수역으로 구분하였다. Fig.

대상 데이터

갑천 유역은 지난 30여 년간 유역의 토지피복변화가 많이 진행되어 불투수면 변화가 극심할 것으로 예상되는 유역이다. 대상유역은 유역면적이 648.98 km²이고, 금강본류인 대청댐 상류유역과 접해있으며, 총 유로연장은 62.8 km이며 그중에서 직할하천 구간은 35.6 km이다. 갑천 유역은 수자원 단위권역의 대권역인 금강권역의 중권역 32개 권역 중 1개 권역이며, 수자원 단위권역은 본 연구에서는 불투수면 변화에 따른 경관 구조 분석을 위한 대상유역으로 금강유역의 중류에 해당되는 갑천 (甲川) 유역을 선정하였다. 갑천 유역은 지난 30여 년간 유역의 토지피복변화가 많이 진행되어 불투수면 변화가 극심할 것으로 예상되는 유역이다.
FRAGSTATS 모델을 이용하여 경관 구조를 평가하기 위해서는 경관 요소로서 토지피복 또는 토지이용의 선정 및 분류가 선행되어야 한다. 이를 위해 국가수자원관리정보시스템 (WAMIS)에서 제공하는 8개 항목 (수역, 시가화지역, 나지, 습지, 초지, 산림, 농경지, 밭)으로 분류된 갑천 유역의 1975년 ~ 2000년 토지피복도를 이용하였다. 불투수면 비율 변화에 따른 경관지수의 시계열 변화를 분석하기 위해서 토지피복을 불투수면과 투수면으로 재분류하였다.

성능/효과

1. 갑천 유역을 대상으로 WAMIS 토지피복도를 이용하여 1975년부터 2000년까지의 토지피복변화를 분석한 결과 불투수면 비율은 1975년 4.9 %에서 2000년 11.2 %까지 2배 이상 증가하였다.
2. 갑천 유역과 6개 표준유역에 대하여 1975년부터 2000년까지의 경관 구조 분석을 위해 FRAGSTATS 경관 지수를 선정하여 경관 지수를 산출하여 결과를 분석하였으며, 그 결과 과거에 비해 시가화지역 패치수가 증가하는 등 경관의 형태가비구조적으로 변화하였다. 표준유역 중에서는 갑천 하류와 유등천 하류 유역이 다른 표준유역에 비해 가장 높은 파편화를 보여 도시화가 가장 많이 이루어졌음을 알 수 있었다.
4는 갑천 유역의 6개 표준유역별로 1975년부터 2000년까지 5년 단위 경관 지수를 산출한 결과를 나타낸 것이다. 4개의 경관 지수 결과에서 보듯이 갑천 하류와 유등천 하류에서의 변동폭이 두드러지게 나타났다. 특히 갑천 하류의 경우 NP, TE, LSI 지수에서 증가 경향이 크게 나타나 시가화지역 패치의 쪼개짐, 복잡성이 표준유역 가운데 가장 크게 나타난 것으로 파악되었다.
유등천 하류에서는 1985년과 1995년 사이에 LPI가 크게 증가하여 도시화가 집중적으로 이루어졌음을알 수 있었다. 각 경관 지수들의 분석 결과를 종합해볼 때 갑천 하류와 유등천 하류 유역에서 도시화가 많이 진행된 반면에 유등천 상류와 대전천 유역은 토지이용변화가 크지 않았음을 알 수 있다.
불투수면 모델 적용에서는 갑천 유역의 수질자료 중 BOD를 수질지표로, 경관 지수 중 TCA를 생물종 다양성 지표로 이용하였다. 그 결과 불투수면 비율 10 % 이하에서는 수질이나 생물종 다양성이 양호하였으나 15 %를 넘으면서 상태가 나빠짐을 확인할 수 있었다. 유등천 하류와 같이 도시화율이 25 %를 넘어서 손상하천으로 하천 질이 악화되면 수질과 경관 생태학적 변화에 악영향을 끼치게 되므로 지속적인 관리와 대안 마련이 필요할 것이다.
갑천 유역과 6개 표준유역에 대하여 1975년부터 2000년까지의 경관 구조 분석을 위해 FRAGSTATS 경관 지수를 선정하여 경관 지수를 산출하여 결과를 분석하였으며, 그 결과 과거에 비해 시가화지역 패치수가 증가하는 등 경관의 형태가비구조적으로 변화하였다. 표준유역 중에서는 갑천 하류와 유등천 하류 유역이 다른 표준유역에 비해 가장 높은 파편화를 보여 도시화가 가장 많이 이루어졌음을 알 수 있었다.

후속연구

이로 인해 도시하천은 건천화 현상을 보이고 침수피해는 늘어가는 등 물순환에 장애가 발생하게 되었다 (Choi and Jang, 2003; Han River Watershed Management Committee, 2007a). 따라서 불투수면의 증가는 유역의 물순환에 많은 영향을 주는 인자로 평가되며, 유역 전체면적 중 불투수면 면적이 차지하는 비율을 지표 모델로 개발하여 유역의 특성에 맞는 관리전략을 수립하는 연구가 필요하다.
또한, 다양한 경관 지수중에서 특정 지표를 생물종 다양성 지표로서 불투수면 모델에 적용하여 의미 있는 결론을 내리는 데는 무리가 있는 것으로 사료된다. 따라서 향후 이에 대한 추가적인 연구를 통하여 검증이 필요할 것으로 판단된다. 하지만 본 연구를 통해 유역의 토지이용계획에 경관생태학적 불투수면 관리를 위한 기초정보를 제공하며, 향후 하천 개발 전, 후의 효과 평가나 각종 도시개발사업 계획 시 수생태적 지표를 개발하여 이를 유역관리에 활용해야 한다는 인식을 새롭게 한 점에서 그 의의가 있다고 하겠다.
특히 갑천 유역은 4대강 사업이 추진되고 있는 금강 유역의 중류에 해당하며 도시화가 많이 진행되고 있으므로 추후 많은 연구를 통해 객관화된 경관 지수를 개발하여 경관 생태기준을 마련함으로써 유역에 적용할 수 있을 것이다. 또한, 국내 유역 특성을 고려한 불투수면 지표 모델 연구를 통하여 불투수면 저감방안 수립 및 유역관리 등에 효과적으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서 ICM 모델의 적용시 제한 요소를 극복하기에는 한계가 있다. 또한, 다양한 경관 지수중에서 특정 지표를 생물종 다양성 지표로서 불투수면 모델에 적용하여 의미 있는 결론을 내리는 데는 무리가 있는 것으로 사료된다. 따라서 향후 이에 대한 추가적인 연구를 통하여 검증이 필요할 것으로 판단된다.
기존의 불투수면 관련 연구와 본 연구의 차별성은 유역의 불투수면 비율만을 유역관리지표로서 활용하는 것 뿐만 아니라 불투수면 개별 조각 (패치)의 개수, 밀도, 비율, 가장자리 길이, 형태 등을 분석한 경관 지수를 산출하고, 이러한 결과와 취득한 수질자료를 바탕으로 ICM 모델을 제시하고 검토한 것이다. 본 연구에서 ICM 모델의 적용시 제한 요소를 극복하기에는 한계가 있다. 또한, 다양한 경관 지수중에서 특정 지표를 생물종 다양성 지표로서 불투수면 모델에 적용하여 의미 있는 결론을 내리는 데는 무리가 있는 것으로 사료된다.
그 결과 불투수면 비율 10 % 이하에서는 수질이나 생물종 다양성이 양호하였으나 15 %를 넘으면서 상태가 나빠짐을 확인할 수 있었다. 유등천 하류와 같이 도시화율이 25 %를 넘어서 손상하천으로 하천 질이 악화되면 수질과 경관 생태학적 변화에 악영향을 끼치게 되므로 지속적인 관리와 대안 마련이 필요할 것이다.
2 %로 하천 상태가 Impacted (손상하천) 범위에 해당하여 유역의 상태가 나빠지는 단계에 있다. 이 구간에서 유역은 불투수면 비율에 민감하게 반응하므로 집중적인 유역관리를 통해 효율적으로 유역상태를 개선시킬 수 있을 것이다.
따라서 유역을 기본단위로 하여 인간활동에 의해 토지이용의 파편화가 어느 정도 발생하고 있는가를 파악하는 것이 중요하다. 이를 토대로 파편화에 따른 영향을 최소화하거나 사전에 예방할 수 있는 대책을 수립하고, 원상태로 복원할 수 있는 방안을 제시할 수 있을 것이다 (Heo et al., 2007).
하지만 본 연구를 통해 유역의 토지이용계획에 경관생태학적 불투수면 관리를 위한 기초정보를 제공하며, 향후 하천 개발 전, 후의 효과 평가나 각종 도시개발사업 계획 시 수생태적 지표를 개발하여 이를 유역관리에 활용해야 한다는 인식을 새롭게 한 점에서 그 의의가 있다고 하겠다. 특히 갑천 유역은 4대강 사업이 추진되고 있는 금강 유역의 중류에 해당하며 도시화가 많이 진행되고 있으므로 추후 많은 연구를 통해 객관화된 경관 지수를 개발하여 경관 생태기준을 마련함으로써 유역에 적용할 수 있을 것이다. 또한, 국내 유역 특성을 고려한 불투수면 지표 모델 연구를 통하여 불투수면 저감방안 수립 및 유역관리 등에 효과적으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
따라서 향후 이에 대한 추가적인 연구를 통하여 검증이 필요할 것으로 판단된다. 하지만 본 연구를 통해 유역의 토지이용계획에 경관생태학적 불투수면 관리를 위한 기초정보를 제공하며, 향후 하천 개발 전, 후의 효과 평가나 각종 도시개발사업 계획 시 수생태적 지표를 개발하여 이를 유역관리에 활용해야 한다는 인식을 새롭게 한 점에서 그 의의가 있다고 하겠다. 특히 갑천 유역은 4대강 사업이 추진되고 있는 금강 유역의 중류에 해당하며 도시화가 많이 진행되고 있으므로 추후 많은 연구를 통해 객관화된 경관 지수를 개발하여 경관 생태기준을 마련함으로써 유역에 적용할 수 있을 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	불투수면은 어떻게 정의되는가?	불투수면은 도시개발, 토지이용변화 등에 의한 하천환경의 변화를 설명하는 데 있어서 유용한 지표로 인식되어져 왔다. 불투수면은 일반적으로 도시화 과정에서 형성된 도로, 주차장, 보도, 건물 지붕 등을 포함하는 면으로서 물이 잘 침투하지 않는 면으로 정의된다 (Han River Watershed Management Committee, 2007a; Schueler, 1994). 빗물은 유역에 강하하여 일부는 지표유출로 하천에 도달하고 일부는 토양, 웅덩이, 식생 등에 저류되어 다시 지하수를 거쳐 하천으로 유입되거나 증발하여 빗물로 떨어지는 순환을 반복한다.
	빗물은 어떤 순환을 반복하는가?	불투수면은 일반적으로 도시화 과정에서 형성된 도로, 주차장, 보도, 건물 지붕 등을 포함하는 면으로서 물이 잘 침투하지 않는 면으로 정의된다 (Han River Watershed Management Committee, 2007a; Schueler, 1994). 빗물은 유역에 강하하여 일부는 지표유출로 하천에 도달하고 일부는 토양, 웅덩이, 식생 등에 저류되어 다시 지하수를 거쳐 하천으로 유입되거나 증발하여 빗물로 떨어지는 순환을 반복한다. 그러나 도시화가 진행되면서 아스팔트 도로와 포장도로가 증가함에 따라 지표면에 내린 강우가 토양 등을 통해 지하수로 저장되지 않고 지표면으로 유출 되는 양이 증가하였다.
	도시하천이 건천화 현상을 보이고 침수피해는 늘어가는 등 물순환에 장애가 발생하게 된 이유는 무엇인가?	빗물은 유역에 강하하여 일부는 지표유출로 하천에 도달하고 일부는 토양, 웅덩이, 식생 등에 저류되어 다시 지하수를 거쳐 하천으로 유입되거나 증발하여 빗물로 떨어지는 순환을 반복한다. 그러나 도시화가 진행되면서 아스팔트 도로와 포장도로가 증가함에 따라 지표면에 내린 강우가 토양 등을 통해 지하수로 저장되지 않고 지표면으로 유출 되는 양이 증가하였다. 이로 인해 도시하천은 건천화 현상을 보이고 침수피해는 늘어가는 등 물순환에 장애가 발생하게 되었다 (Choi and Jang, 2003; Han River Watershed Management Committee, 2007a).

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