유량증분방법론에 근거한 물리서식처 평가 모형은 생태유량 산정과 하천의 이수 및 환경 기능과 관련한 유량 산정을 지원하기 위한 의사결정수단으로 개발되었다. 물리서식처 평가 모형은 다양한 관련 학문의 이해, 복잡한 입력자료, 그리고 경험을 필요로 한다. 본 연구에서는 계획 단계에서 물리서식처 구조와 생태유량 규모를 개략적으로 추정할 수 있는 간편 물리서식처 모의 모형(SIMHAB)을 제시하였다. SIMHAB을 물리 및 생태자료가 있는 하천에 적용하고 모형의 적정성을 검토하였다. 제시된 모형은 현장자료와 PHABSIM 및 River2D와 같은 기존의 물리서식처 모형의 결과와 유사하나, 적은 입력자료를 필요로 한다. 따라서 SIMHAB은 물리서식처, 생태유량, 수자원 관리 등을 포함하는 하천복원 사업에 손쉽게 활용될 수 있을 것이다.
유량증분방법론에 근거한 물리서식처 평가 모형은 생태유량 산정과 하천의 이수 및 환경 기능과 관련한 유량 산정을 지원하기 위한 의사결정수단으로 개발되었다. 물리서식처 평가 모형은 다양한 관련 학문의 이해, 복잡한 입력자료, 그리고 경험을 필요로 한다. 본 연구에서는 계획 단계에서 물리서식처 구조와 생태유량 규모를 개략적으로 추정할 수 있는 간편 물리서식처 모의 모형(SIMHAB)을 제시하였다. SIMHAB을 물리 및 생태자료가 있는 하천에 적용하고 모형의 적정성을 검토하였다. 제시된 모형은 현장자료와 PHABSIM 및 River2D와 같은 기존의 물리서식처 모형의 결과와 유사하나, 적은 입력자료를 필요로 한다. 따라서 SIMHAB은 물리서식처, 생태유량, 수자원 관리 등을 포함하는 하천복원 사업에 손쉽게 활용될 수 있을 것이다.
Physical habitat assessment models based on Instream Flow Incremental Methodology have been developed as a decision making tool to estimate appropriate discharge for environmental flow and water use management. These models, however, require extensive knowledge on various academic disciplines, compl...
Physical habitat assessment models based on Instream Flow Incremental Methodology have been developed as a decision making tool to estimate appropriate discharge for environmental flow and water use management. These models, however, require extensive knowledge on various academic disciplines, complicated input data, and empirical data. We propose a Simplified Habitat (SIMHAB) simulation model for the estimation of physical structure of fish habitat and environmental flow at the planning stage. SIMHAB is applied to a river system for which physical and ecological data are available, and its applicability is investigated. Simulated results appeared to be similar to field survey data and those of such models as PHABSIM and River2D. However, SIMHAB requires much less input data. As such, the proposed model, SIMHAB can easily be applicable to river restoration projects including designing of physical habitat, estimation of environmental flow, and water resource management.
Physical habitat assessment models based on Instream Flow Incremental Methodology have been developed as a decision making tool to estimate appropriate discharge for environmental flow and water use management. These models, however, require extensive knowledge on various academic disciplines, complicated input data, and empirical data. We propose a Simplified Habitat (SIMHAB) simulation model for the estimation of physical structure of fish habitat and environmental flow at the planning stage. SIMHAB is applied to a river system for which physical and ecological data are available, and its applicability is investigated. Simulated results appeared to be similar to field survey data and those of such models as PHABSIM and River2D. However, SIMHAB requires much less input data. As such, the proposed model, SIMHAB can easily be applicable to river restoration projects including designing of physical habitat, estimation of environmental flow, and water resource management.
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문제 정의
본 연구에서는 실무 설계인력의 물리서식처 모의에 대한 경험 부족을 고려하여, 하천복원 사업의 계획단계에서 손쉽게 대상 구간의 개략적 물리서식처를 평가하고 생태유량을 설정하기 위한 모형을 제시하였다. 모형의 목적인 자연 하천의 물리 서식처 해석이 적절히 모의되는지 검토할 필요가 있으며, 이를 위해 실측자료와 2차원 수리해석 및 생태 특성을 반영할 수 있는 River2D 모형(Steffler and Blackburn, 2002)의 해석 결과와 비교하였다.
따라서 특정 유량을 설정하여 제시된 모형의 적합성을 검토하는 것이 바람직하다. 본 연구에서는 하천 수생태계를 유지하기 위한 유량기준을 검토하였다. Caissie (1995)는 하천 수생생태계를 유지하기 위한 유량 기준을 제시하기 위하여 연평균 유량의 25% 방법과 90 분위수, 7일 연속 10년 빈도 갈수량(7Q10), Tennant 기준치(Tennant, 1976), 그리고 월 중앙 유량을 비교하였으며, 그 중 연평균 유량의 25% 방법과 Tennant 방법이 적합한 것으로 제시하였다.
본 연구에서는 하천복원 사업의 계획단계에서 대상 구간의 개략적 물리서식처를 평가하고 생태유량을 산정하기 위한 간략화된 SIMHAB 모형을 제시하였다. SIMHAB은 대상구간의 모든 하도단면을 대상으로 모의하지 않고 대표단면을 설정하여 모의를 수행한다.
유량과 가중가용면적의 관계곡선은 생태유량을 설정하기 위한 기본 자료이며, 국내 연구자(김규호, 1999; 성영두 등, 2005)는 곡선의 첨두에 해당하는 유량을 어류 서식환경을 고려한 추천 또는 최적유량으로 정의하였다. 본 연구에서도 대상구간에 대하여 피라미의 서식환경만을 고려한 최적유량을 산정하였다. SIMHAB의 경우에서는 최적유량으로 18.
가설 설정
SIMHAB은 대상구간의 모든 하도단면을 대상으로 모의하지 않고 대표단면을 설정하여 모의를 수행한다. 따라서, 하천의 주흐름 방향으로 물리적 성질은 균일하고 횡방향으로 에너지 경사는 일정하다고 가정한다. 이로 인하여 흐름방향으로 존재하는 국부적 중소규모의 서식처는 모의할 수 없다.
물리서식처 모의 모형의 주된 가정은 수중 생물이 수리학적 환경 변동에 따라 직접 반응한다는 것이다. 개별 유기체는 가장 좋아하는 유지 조건을 선택하는 경향이 있어서, 유지 조건이 점점 나빠짐으로써 서식처 선호도가 감소하여 이용할 수 있는 조건이 점점 적어진다고 하는 전제를 배경으로 한다(Milhous et al.
수위(h)-유량(Q) 관계곡선은 2007년 유량측정 성과를 바탕으로 작성되었으며, 식 (5)와 (6)은 각각 저수위와 고수 위에 대한 수위-유량 관계식이다. 유량범위는 5.9-156.9 m3/s 를 30등분 하였으며, 조도계수는 0.03으로 가정하였다.
SIMHAB에서 제안된 유속분포 모의는 유량배분 개념에 따른 방법론을 적용하였다. 횡단면의 유속분포 모의 계산에 있어 가정 사항은 횡단면 전체에 대한 에너지경사는 일정하다는 것이다. SIMHAB에서 각 분할단면의 수심 또는 동수반경, 하상재료 또는 조도계수, 그리고 수심평균 유속은 각각의 독립공간으로 처리된다.
제안 방법
따라서 어류 서식처의 교란을 발생시키지 않기 위하여 그림 7과 같은 어포기를 설치하였다. 20개의 어포기를 약 10 m 간격으로 설치하였으며, 설치한 후 2시간 후에 어포기에 포획된 어류의 개체수를 2회에 걸쳐 확인하였다. 그림 8은 2회에 걸쳐 어포기에 포획된 어류의 개체수 합과 SIMHAB의 결과를 도시한 것이다.
SIMHAB의 가정사항에 따라 분할단면의 유속은 각 분할단면마다 Manning 공식을 이용한 유량배분을 통하여 계산한다. 마지막으로 각 분할단면의 수심 및 유속정보와 서식처 적합도(habitat suitability)를 바탕으로 물리 서식처 평가 및 적정 생태유량을 산정한다.
본 연구에서 제안하는 간편 물리서식처 모의 프로그램(SIMHAB: Simplified Habitat Simulation)은 IFIM 개념을 활용하여 PHABSIM을 간략화 시킨 것이다. PHABSIM은 대상구간의 모든 단면정보를 바탕으로 해석을 시행하나, SIMHAB은 대상구간의 모든 하도단면을 대상으로 모의하지 않고 대표단면을 설정하여 모의를 수행한다.
수치모형 간의 비교 외에 보다 객관적인 검증을 위하여 대상구간의 어류조사를 실시하였다. 투망을 이용할 경우에는 어류의 서식구조를 교란시키기 때문에 명확한 어류의 서식처 특성을 확인할 수 없다.
대상 데이터
또한 본 연구에서 대상지점에 대하여 시행한 어류조사 결과에서도 피라미가 우점하는 것을 확인하였다. 따라서 대상지점의 목표종은 피라미로 선정하였으며, SIMHAB에 내장되어 있는 HSC를 적용할 수 있다.
0 m3/s이므로 Tennant 기준에 의한 최소유량은 고려하지 않는다. 따라서 본 연구에서 제시된 모형의 적합성 검증을 위한 유량은 기존 연구자들이 제안한 방법에 의해 설정된 유량조건과 유사하고, 유량조사사업단의 측정성과가 존재하는 14.70 m3/s로 선정하였다.
유량조사사업단에서 자료를 구축하고 있는 금강 이원수위 표(충청북도 옥천군 이원면 원동리 이원대교) 지점을 대상구간으로 설정하였다(그림 3). 하천 생태계를 고려한 필요유량 또는 유지유량은 국가 수문자료가 구축되는 기준 지점에 대해 산정하는 것이 바람직함으로 국토해양부가 관리하고 있는 수위표인 이원 수위표지점을 연구 대상지점으로 설정하였다.
데이터처리
본 연구에서는 실무 설계인력의 물리서식처 모의에 대한 경험 부족을 고려하여, 하천복원 사업의 계획단계에서 손쉽게 대상 구간의 개략적 물리서식처를 평가하고 생태유량을 설정하기 위한 모형을 제시하였다. 모형의 목적인 자연 하천의 물리 서식처 해석이 적절히 모의되는지 검토할 필요가 있으며, 이를 위해 실측자료와 2차원 수리해석 및 생태 특성을 반영할 수 있는 River2D 모형(Steffler and Blackburn, 2002)의 해석 결과와 비교하였다. 제시된 모형의 검증을 통해 적용성을 확인할 수 있었으며, 제시된 모형은 건천인 도시하천에 공급하여야 하는 유지유량 또는 생태유량의 규모를 개략적으로 산정하는데 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
이론/모형
SIMHAB에서 제안된 유속분포 모의는 유량배분 개념에 따른 방법론을 적용하였다. 횡단면의 유속분포 모의 계산에 있어 가정 사항은 횡단면 전체에 대한 에너지경사는 일정하다는 것이다.
입력조건을 바탕으로 각 유량에 대한 수심이 계산되며, 계산된 수심을 바탕으로 각 분할단면의 유속을 산정한다. SIMHAB의 가정사항에 따라 분할단면의 유속은 각 분할단면마다 Manning 공식을 이용한 유량배분을 통하여 계산한다. 마지막으로 각 분할단면의 수심 및 유속정보와 서식처 적합도(habitat suitability)를 바탕으로 물리 서식처 평가 및 적정 생태유량을 산정한다.
또한 몇 가지의 HSC 항목 중 SIMHAB에서는 유속과 수심만을 반영하여 물리서식처 평가와 생태유량을 산정할 수 있도록 하였다. 모형에 적용된 HSC는 김규호(1999)에 의해 개발된 기준이 적용되었으며, 그림 2에 나타내었다. 향후 프로그램을 개선하여 사용자가 요구하는 목표종에 대한 HSC를 설정할 수 있도록 수정할 것이며, 서식처 평가에 적용되는 물리인자 항목도 확대할 것이다.
첫째, 단면의 모든 절점을 활용하여 세로로 나누어진 삼각형 또는 사각형의 단면적과 윤변을 직접 계산하는 방법과 둘째, 단면을 가로로 나누어 생성된 수위별 하폭의 사다리꼴 형태로 단면적과 윤변을 계산하는 방법이다. 본 연구에서는 위에서 제시한 첫 번째 방법을 기초로 하여 김지성 등(2007)이 제안한 단면정보 계산방법이 적용되었다.
SIMHAB에서 각 분할단면의 수심 또는 동수반경, 하상재료 또는 조도계수, 그리고 수심평균 유속은 각각의 독립공간으로 처리된다. 분할된 단면에서의 유속값은 Manning 공식을 이용하여 해석한다. 우선 대상유량에 대한 횡단면 전반의 에너지경사를 식 (1)을 이용하여 산정한다.
성능/효과
1. 유속과 물리서식처 분포에 대한 실측값과 SIMHAB의 모의 결과가 유사한 것을 확인하였다. 따라서 제시된 모형을 이용하여 자연하천에서 발생하는 물리서식처 특성을 개략적으로 모의 할 수 있을 것으로 기대된다.
2. 대상지에서 목표종을 고려한 최적유량은 SIMHAB과 River2D에서 각각 18.20 m3/s와 14.70 m3/s로 산정되었으며, 이러한 결과는 Caissie (1995)의 연구에서 제안하고 있는 유량범위(약 16 m3/s)와 유사하였다.
두 번째 약점 역시 대상종에 대한 문제이기 때문에 물리서식처 분석에 영향을 미칠 우려가 존재한다. 그러나 현장에서 채집된 어종을 확인할 결과, 피라미가 채집개체수의 절반 이상을 차지하였다. 따라서 실측치와 SIMHAB의 해석치의 비교에 있어 일정부분 오류를 포함하기는 하나, 모형의 적합성을 개략적으로 평가하기에는 무리가 없을 것으로 판단된다.
수위는 실측된 수위-유량 관계식으로부터 산정되었으므로 실측치와 동일하다. 대상유량에 대해 실측된 단면평균 유속은 0.204 m/s이며, SIMHAB에서 계산된 단면평균 유속은 각각 0.203 m/s로 결과가 거의 동일하였다. 그러나 횡방향으로 50-100 m와 220-240 m에 위치하는 구간의 경우, 실측값과 SIMHAB의 해석결과의 차이가 나타났다.
일부 구간의 오차 역시 자연 상태의 생물을 대상으로 모형을 검증한 것임을 감안하면 적절한 것일 수 있다. 따라서 SIMHAB은 River2D와의 비교검토에서와 마찬가지로 실측치와의 비교에서도 물리서식처의 분포를 적절히 모의하는 것으로 확인 되었다.
그러나 그림 3과 5에서 확인할 수 있는 것과 같이 좌측 수면으로부터 약 200 m에 위치하고 있는 사주를 비교하면, SIMHAB에서 모의한 유량에 부합하는 수위와 어류 채집시기의 수위가 유사한 것을 알 수 있다. 따라서 수위-유량관계식에 의해 어류 채집시기의 유량도 SIMHAB에서 적용한 유량과 유사할 것으로 판단됨으로 첫 번째 약점은 일정부분 극복할 수 있을 것으로 판단된다. 두 번째 약점 역시 대상종에 대한 문제이기 때문에 물리서식처 분석에 영향을 미칠 우려가 존재한다.
291)하였다(국토해양부, 2009). 또한 본 연구에서 대상지점에 대하여 시행한 어류조사 결과에서도 피라미가 우점하는 것을 확인하였다. 따라서 대상지점의 목표종은 피라미로 선정하였으며, SIMHAB에 내장되어 있는 HSC를 적용할 수 있다.
PHABSIM은 대상구간의 모든 단면정보를 바탕으로 해석을 시행하나, SIMHAB은 대상구간의 모든 하도단면을 대상으로 모의하지 않고 대표단면을 설정하여 모의를 수행한다. 이에 따라 SIMHAB에는 가정사항이 포함되었으며, 이러한 가정사항은 첫째, 해석결과를 적용할 수 있는 공간적 범위는 물리적(지형, 수리 등)으로 균일하며, 둘째 흐름방향으로 변화하는 국부적 중소규모의 서식처는 모의할 수 없으며, 셋째 횡방향으로의 에너지경사는 일정하다.
후속연구
3. 본 연구에서 제시된 SIMHAB을 이용하여 실무에서 대상 구간의 개략적인 물리서식처를 평가할 수 있으며, 특히 건천인 도시하천에 공급하여야 하는 유지유량 또는 생태유량의 규모를 개략적으로 산정하는데 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
따라서 SIMHAB에 의한 유속 분포형을 사용하여 물리서식처 평가 및 생태유량을 산정하는 것은 가능한 것으로 판단된다. 그러나 흐름이 존재하지 않거나 복잡한 흐름이 발생할 것으로 판단되는 구간에서는 SIMHAB을 적용하기 이전에 대상구간의 입력자료를 일부 수정(사수역 처리 등)함으로써 해석 결과를 보완할 수 있을 것으로 기대된다.
특히 Caissie(1995)가 하천 생태계를 고려하기 위해 제안한 유량의 범위와도 유사한 것을 확인하였다. 따라서 생태유량을 설정하기 위한 개략적인 자료를 구축하기 위해 SIMHAB을 활용할 수 있을 것이다.
유속과 물리서식처 분포에 대한 실측값과 SIMHAB의 모의 결과가 유사한 것을 확인하였다. 따라서 제시된 모형을 이용하여 자연하천에서 발생하는 물리서식처 특성을 개략적으로 모의 할 수 있을 것으로 기대된다.
세 번째 약점은 대상 지점의 수심이 깊기 때문에 어포기를 설치하지 못하여 발생한 문제로 물리서식처 분석에는 영향을 거의 미치지 않을 것으로 판단된다. 또한 본 연구에서는 결측 구간이 상대적으로 크지 않으므로 이와 같은 약점은 무시될 수 있을 것으로 판단된다. 향후의 연구에 있어서는 이러한 오류들을 극복하기 위하여 어류 채집과 유량 측정을 동시에 시행하고, 어류 채집에 있어서도 관련 전문가의 참여와 자문이 필요하며, 예상치 못한 현장상황에 대한 대처방안이 필요할 것으로 판단된다.
SIMHAB의 계산절차에 대한 흐름도는 그림 1과 같으며, 입력조건으로는 모의하고자 하는 유량 범위, 수위-유량 관계곡선 식, 대표 횡단면 자료, 조도계수이다. 서식처 평가에 필요한 HSC는 우리나라의 대표종인 피라미를 바탕으로 설정하였으며, 향후 다양한 목표종에 대한 분석이 가능하도록 입력조건에 추가할 예정이다. 입력조건을 바탕으로 각 유량에 대한 수심이 계산되며, 계산된 수심을 바탕으로 각 분할단면의 유속을 산정한다.
모형의 목적인 자연 하천의 물리 서식처 해석이 적절히 모의되는지 검토할 필요가 있으며, 이를 위해 실측자료와 2차원 수리해석 및 생태 특성을 반영할 수 있는 River2D 모형(Steffler and Blackburn, 2002)의 해석 결과와 비교하였다. 제시된 모형의 검증을 통해 적용성을 확인할 수 있었으며, 제시된 모형은 건천인 도시하천에 공급하여야 하는 유지유량 또는 생태유량의 규모를 개략적으로 산정하는데 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
모형에 적용된 HSC는 김규호(1999)에 의해 개발된 기준이 적용되었으며, 그림 2에 나타내었다. 향후 프로그램을 개선하여 사용자가 요구하는 목표종에 대한 HSC를 설정할 수 있도록 수정할 것이며, 서식처 평가에 적용되는 물리인자 항목도 확대할 것이다.
또한 본 연구에서는 결측 구간이 상대적으로 크지 않으므로 이와 같은 약점은 무시될 수 있을 것으로 판단된다. 향후의 연구에 있어서는 이러한 오류들을 극복하기 위하여 어류 채집과 유량 측정을 동시에 시행하고, 어류 채집에 있어서도 관련 전문가의 참여와 자문이 필요하며, 예상치 못한 현장상황에 대한 대처방안이 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
생태유량 산정을 위해선 무엇이 필수적인가?
생태유량 산정을 위해서는 서식처에 대한 모의 및 평가가 필수적이며, 이에 대한 다양한 연구가 진행되어 왔다(Yi et al., 2010; Lee et al.
지난 수천 년 동안 하천은 어떠한 용도로 사용되어 왔는가?
하천은 지난 수천 년 동안 인간 및 동식물에게 용수 및 에너지 공급과 운송을 위한 통로 등으로 사용되어 왔다. 산업화와 근대화 과정을 거치면서 하천공간은 다양한 목적으로 활용되기 시작하였으며, 이러한 토지 이용은 유역특성 (watershed process)을 변화시키기 시작하였다.
하천에서의 수생 생태계의 악화 상태는 어떠한가?
, 2000). 담수 어종의 20% 이상은 멸종되었거나 멸종 위기에 처했으며, 북미 지역 수생생물 종의 멸종률은 지상생물 종의 멸종률보다 무려 다섯 배나 높은 것으로 추산된다(Johnson et al., 2001).
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