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문제 정의
- 하천교란상태평가 및 적응관리기술개발에 대한 연구 결과는‘교란하천의 적응관리를 위한 가이드라인’ 개발을 위한 자료로 이용되며, 하천을 계획하거나 설계하고 관리 방안을 수립하는데 하천 실무를 담당하는 하천 관리자 및 현장 기술자들이 현업에서 활용할 수 있도록 만들어졌다. 댐과 골재채취로 인한 교란하천의 적응과정에 대하여 실험적, 수치해석적으로 역학적 거동을 분석하고, 이에 대한 하천의 물리적 변화과정을 예측할 수 있는 기술을 확보함으로써, 하천을 설계하는 기술자 및 생태 전문가, 하천의 계획하고 관리하는 하천관리자가 이용하기 쉽도록 체계적이 알기 쉬운 교란하천의 적응관리 가이드라인을 제공하며, 교란평가기술 지침서에 따라 설계자는 물론 일반 하천 관리자, 하천애호가 등 관련자가 참조하여 보다 체계적으로 설계 및 유지 관리를 할 수 있는 제도적 가이드라인으로 제공하고자 하였다. 한편, 본 연구를 통하여 얻은 결과 및 자료는 교란 하천의 복원 및 관리를 하는데 지침으로 활용될 것이며, 조경 및 생태 공학 등에 응용될 것이다.
- 이처럼 하천 이용에 대한 관심고조와 개발요구가 급속히 증가함에 따라 이용과 관리의 효율성 및 어메니티의 도입을 고려한 도시하천 이용 및 관리 기준마련이 요구되고 있다. 따라서 본 연구에서는 도시하천 어메니티 향상을 위한 기준으로서의 하천복원모델(안)을 제시하기 위하여 선행연구를 통해 설정된 하천의 유형화 분류기준에 대한 검증을 시행하고, 나아가 분류된 하천유형과 활동유형, 도입시설간의 관계를 설정하여 이를 바탕으로 추후 시설 및 활동 도입을 위한 기준을 마련하여 최종적으로 하천복원모델과 함께 제시하였다 (그림 3).
- 본 연구는 댐 하류 및 골재채취 하천을 대상으로 수행하였고, 하천교란의 정량적인 평가와 적응관리 기술개발에 중점을 두었다 (그림 7). 하천교란은 하천 생태계의 구조와 기능 및 물리적인 환경을 변화시키는 불연속적인 사상으로 정의된다.
- 하천복원사업의 사회·경제성 평가기법에서는 하천복원사업의 평가지침을 제시하여 사회·경제적 측면에서의 당위성을 합리적으로 평가하고, 하천복원사업에 필요한 예산을 확보하는데 타당한 근거를 제공하고자 하였다.
제안 방법
- 복원하천의 생태적인 평가를 위해 물리서식처모형을 오산천에 적용하여 보았다. RTK GPS를 이용하여 오산천 모의구간 약 2.5km 구간에 대하여 현장 지형좌표를 구축하고, RIVER 2D를 이용하여 모의 구간의 지형자료를 구축 하였다. 또한, 수치모의를 이용하여 복단면 수로에서 고수부지의 수목이 흐름 및 하도형태의 변화에 미치는 영향을 파악하였다.
- 골재채취에 의한 하천 교란에서는 지형학적 영향, 수문학적 영향, 생태 및 환경적 영향을 분석하였다. 또한 골재채취에 의한 교란하천의 적응 메카니즘을 분석하기 위하여 다양한 수리학적 조건에 대하여 실내실험을 수행하였으며, 웅덩이의 적응과정과 이동 특성, 그리고 하안침식과 하도의 안정성을 파악하였다(그림 8).
- 본 연구에서는 전국의 하천을 대상으로 하천의 규모, 하상 재질 및 경사에 기초하여 총 17개 종류로 유형화 하였다. 그런 다음 하천 유형별 식생정보를 수집한 후 생태학적 검토를 거쳐 이를 체계화 하여 복원모델로 구축하였다. 복원모델은 수로로부터의 거리에 따른 교란의 정도를 반영하여 초본 우점식생, 관목 우점식생 및 교목 및 아교목 우점식생으로 구분하여 작성하였다.
- 그리고 하천 유형별로 평가기법을 적용하여 지표 및 기준의 적합성 여부와 가치평가기법의 적용에 있어서 개선사항을 도출하고, 하천복원사업 사회·경제성 평가의 적용체계를 구축하였다.
- 또한 2차원 수치모형을 이용하여 유황변화에 따른 사주의 재현 모의를 하였으며, 댐 하류 하천의 복원 및 적응관리를 위한 기법으로 대안을 제시하였다. 댐 하류 하천에서 생태계교란은 식생, 저서동물, 어류, 생태계 기능에 대하여 현장 모니터링 결과를 다각적으로 분석하였으며, 어류의 서식처 감소, 어종의 단순화, 하천변 식물종의 다양성 등이 나타나고 있다.
- 안동댐 하류 하천에서 안동댐과 임하댐의 운영자료, 항공사진 등을 분석한 결과, 댐 건설로 인하여 유황이 크게 변하고, 저수로의 분열 및 고착화가 발생하였으며, 식생이 크게 번성하였다. 또한 2차원 수치모형을 이용하여 유황변화에 따른 사주의 재현 모의를 하였으며, 댐 하류 하천의 복원 및 적응관리를 위한 기법으로 대안을 제시하였다. 댐 하류 하천에서 생태계교란은 식생, 저서동물, 어류, 생태계 기능에 대하여 현장 모니터링 결과를 다각적으로 분석하였으며, 어류의 서식처 감소, 어종의 단순화, 하천변 식물종의 다양성 등이 나타나고 있다.
- 골재채취에 의한 하천 교란에서는 지형학적 영향, 수문학적 영향, 생태 및 환경적 영향을 분석하였다. 또한 골재채취에 의한 교란하천의 적응 메카니즘을 분석하기 위하여 다양한 수리학적 조건에 대하여 실내실험을 수행하였으며, 웅덩이의 적응과정과 이동 특성, 그리고 하안침식과 하도의 안정성을 파악하였다(그림 8). 또한 낙동강 지류인 감천을 시범하천으로 지정하여 생태계의 교란과 적응과정을 분석 결과, 생태계 서식환경이 변화되고, 어종의 수가 감소하며, 식생이 단순화 되었다.
- 또한 지금까지의 환경-경제통합 평가모형이 하천복원사업으로 인한 하천환경, 하천 생태의 개선 가치를 금전적으로 환산하여 비용-편익분석에 그친 반면에, 본 연구에서는 복원된 하천에서 발생하는 서비스가 명시적으로 고려된 거시경제모형을 구축하였다. 이러한 연구성과는 하천복원사업의 사회·경제적 타당성과 당위성 제고에 기여할 수 있을 것으로 판단되며, 장기적으로는 본 연구에서 개발된 환경-경제통합 평가모형의 이론적 기반을 통해, 개발된 통합평가모형을 다양한 하천시험구간에 적용하여 하천복원과 지역경제의 상관관계를 보다 정확히 규명할 수 있을 것이다.
- 5km 구간에 대하여 현장 지형좌표를 구축하고, RIVER 2D를 이용하여 모의 구간의 지형자료를 구축 하였다. 또한, 수치모의를 이용하여 복단면 수로에서 고수부지의 수목이 흐름 및 하도형태의 변화에 미치는 영향을 파악하였다. 고수부지에서 식생밀도가 증가함에 따라 수심평균 유속은 감소하였고, 이에 따른 저수로에서의 유속변화는 크지 않은 것으로 나타났다.
- 목표달성을 위해 국내 하천복원사업의 실태를 분석하고, 사례 연구와 설문조사를 통해 하천복원사업의 사회·경제적 가치를 종합적으로 검토할 수 있는 기준과 하천복원사업의 사회·경제성 평가기법을 개발하였다.
- 그런 다음 하천 유형별 식생정보를 수집한 후 생태학적 검토를 거쳐 이를 체계화 하여 복원모델로 구축하였다. 복원모델은 수로로부터의 거리에 따른 교란의 정도를 반영하여 초본 우점식생, 관목 우점식생 및 교목 및 아교목 우점식생으로 구분하여 작성하였다. 복원모델은 식생도, 식생단면도 및 종 조성 정보로부터 전형적인 하천식생을 이루는 종을 선발한 후 이를 생활형 별로 체계화하고, 그 활용성을 높이기 위해 Web-GIS 기반 DB로 구축하였다 (그림 1).
- 복원모델은 수로로부터의 거리에 따른 교란의 정도를 반영하여 초본 우점식생, 관목 우점식생 및 교목 및 아교목 우점식생으로 구분하여 작성하였다. 복원모델은 식생도, 식생단면도 및 종 조성 정보로부터 전형적인 하천식생을 이루는 종을 선발한 후 이를 생활형 별로 체계화하고, 그 활용성을 높이기 위해 Web-GIS 기반 DB로 구축하였다 (그림 1). 이러한 대조하천 생태정보의 현장 적용성을 높이기 위해 HEC-RAS와 RMA-2 모형을 이용하여 수리적 안정성을 검토하였다 (그림 2).
- 복원하천의 수리학적 모니터링 대상은 오산천과 경안천으로 하였으며, 우선 일반적인 수리, 수문량 산정과 하상변동을 분석하였고, 복원에 적용된 공법들의 적응관리 여부를 조사하였다.
- 본 연구는‘하천 계획·평가 및 적응관리 기술개발’이라는 대주제하에서 생태, 어메니티 및 수리적 안정성이 반영된 하천복원모델 개발, 하천 복원사업의 사회·경제성 평가기법 개발, 하천교란상태 평가를 통한 적응관리기술 개발 및 복원하천의 평가 및 적응관리기술 개발의 4개 세부 내용으로 수행되었다.
- 본 연구에서 복원하천의 수리해석을 검토하기 위해서 개발된 2차원 수치모형인 EcoFlow 모형과 기존의 상용화 모형인 CCHE2D를 안동시험장 사행수로에 적용하여 만곡부의 수위, 유속, 하상변화량을 비교 분석하였다. 고정상의 조건에서 수위와 유속이 기존의 상용화 모형과 유사하게 모의되는 것을 확인하였다.
- 본 연구에서 최종 성과로 제시되는 하천교란 평가 및 적응관리 가이드라인(시안)은 우리나라의 하천을 대상으로 하였고, 하천의 인위적인 교란 중에서 가장 큰 영향을 주는 수리구조물인 댐과 골재채취로 인한 하천의 교란실태를 분석하고, 이를 토대로 정량적인 평가기법을 개발 후 적용하였으며, 그에 따른 다양한 적응관리 기술을 제시하였다.
- 이러한 요구조건을 충족시키기 위해 복원된 하천을 주변의 육상생태계와 연결시킬 필요가 있다. 본 연구에서는 이러한 생태네트워크 구축에 필요한 식생정보도 수집하여 체계화하였다.
- 본 연구에서는 전국의 하천을 대상으로 하천의 규모, 하상 재질 및 경사에 기초하여 총 17개 종류로 유형화 하였다. 그런 다음 하천 유형별 식생정보를 수집한 후 생태학적 검토를 거쳐 이를 체계화 하여 복원모델로 구축하였다.
- 생태적 복원의 기본적 토대가 될 수 있는 대조하천 식생정보를 전국 규모로 수집하여 이를 복원모델로 체계화하였다. 따라서 이러한 정보는 지금까지 설계자 임의적으로 진행되던 하천복원을 과학적이고 체계적으로 수행하는 계기가 될 것으로 판단된다.
- 아울러 하천 환경-경제통합평가모형(Ⅰ, Ⅱ)을 개발하여 사례지역을 대상으로 지역경제파급효과 모형을 적용하고 하천복원사업에 따른 다양한 파급효과를 계량적으로 일목요연하게 제시하였다(그림 5 및 6).
- 최종적으로 하천복원사업의 사회·경제성 평가를 위한 체계와 현실 적용성을 고려한 사회·경제성 평가 가이드라인을 작성하여 정부(중앙 및 지방정부)의 하천복원사업 시행에 필요한 지침으로 활용할 수 있도록 하였다 (그림 4).
- 특히, 본 연구의 시범 사업으로 수행한 대청댐 증가방류로 인한 하류 하천의 물리적, 생태학적 반응을 조사·분석하여 사례 연구로 수록하였다.
- 하천의 교란평가 방법은 국내외 자료를 수집하여 물리적 교란평가 방법과 생태계 교란 평가 방법으로 구분하여 분석하였으며, 이를 토대로 개발한 평가기법을 댐 하류 하천과 골재채취로 인한 교란하천에 적용한 결과를 물리적 교란평가와 생태계 교란평가로 구분하였다(그림 9).
이론/모형
- 복원하천의 생태적인 평가를 위해 물리서식처모형을 오산천에 적용하여 보았다. RTK GPS를 이용하여 오산천 모의구간 약 2.
- 복원모델은 식생도, 식생단면도 및 종 조성 정보로부터 전형적인 하천식생을 이루는 종을 선발한 후 이를 생활형 별로 체계화하고, 그 활용성을 높이기 위해 Web-GIS 기반 DB로 구축하였다 (그림 1). 이러한 대조하천 생태정보의 현장 적용성을 높이기 위해 HEC-RAS와 RMA-2 모형을 이용하여 수리적 안정성을 검토하였다 (그림 2). 한편, 생물의 생활사는 여러 단계로 이루어지고, 각 단계는 상응하는 요구조건을 가지고 있다.
성능/효과
- 경안천의 경우, 만곡부가 전에 비해 유기물 함량, 용존 유기탄소 등의 농도도 높았고, 효소 활성도와 탈질 미생물의 풍부도가 각각 평균적으로 31.9%와 34.6% 증가하여 만곡의 존재가 수체 내의 물질순환 속도와 탈질량을 증가시킬 것으로 판단되었다. 한편 오산천의 경우 만곡부와 직선수로의 활성도를 비교한 결과 여름철에는 거의 모든 위치에서 만곡부의 체외효소 활성도가 직선 수로에 비해 높게 나타났다.
- 또한, 수치모의를 이용하여 복단면 수로에서 고수부지의 수목이 흐름 및 하도형태의 변화에 미치는 영향을 파악하였다. 고수부지에서 식생밀도가 증가함에 따라 수심평균 유속은 감소하였고, 이에 따른 저수로에서의 유속변화는 크지 않은 것으로 나타났다. 또한, 고수부지의 수목은 저수로 사면의 침식속도를 지연시키는 것으로 확인되었다.
- 본 연구에서 복원하천의 수리해석을 검토하기 위해서 개발된 2차원 수치모형인 EcoFlow 모형과 기존의 상용화 모형인 CCHE2D를 안동시험장 사행수로에 적용하여 만곡부의 수위, 유속, 하상변화량을 비교 분석하였다. 고정상의 조건에서 수위와 유속이 기존의 상용화 모형과 유사하게 모의되는 것을 확인하였다. 이동상 조건에서는 CCHE2D 모형의 경우 하천의 중심에서 하상고변화가 이루어졌으며 EcoFlow 모형은 하천의 만곡부내측에서 퇴적이 많이 발생하고 외측에서는 적게 발생하는 것으로 확인할 수 있었다 (그림 10).
- 또한 골재채취에 의한 교란하천의 적응 메카니즘을 분석하기 위하여 다양한 수리학적 조건에 대하여 실내실험을 수행하였으며, 웅덩이의 적응과정과 이동 특성, 그리고 하안침식과 하도의 안정성을 파악하였다(그림 8). 또한 낙동강 지류인 감천을 시범하천으로 지정하여 생태계의 교란과 적응과정을 분석 결과, 생태계 서식환경이 변화되고, 어종의 수가 감소하며, 식생이 단순화 되었다.
- 고수부지에서 식생밀도가 증가함에 따라 수심평균 유속은 감소하였고, 이에 따른 저수로에서의 유속변화는 크지 않은 것으로 나타났다. 또한, 고수부지의 수목은 저수로 사면의 침식속도를 지연시키는 것으로 확인되었다.
- 하천복원구조물 주변에서의 난류흐름을 하이브리드 RANS/LES 기법을 이용하여 수치해석하고 결과를 분석하여, 이 연구에서 적용한 수치기법이 실제규모의 레이놀즈 수 조건에서 이러한 흐름의 물리적 특성을 재현할 수 있는 능력이 있음을 보여주었다. 이 연구에서 수행한 수치모의는 실험을 통해서 구할 수 있는 것을 넘어서서 적용된 흐름의 복잡한 동적특성을 구명하는 해석결과를 도출해 낼 수 있음을 보여주고, 수치모의가 하천복원에 대한 과학적 접근이 가능하도록 하는 강력한 예측 도구가 될 수 있음을 보여준다.
- 효소활성도와 마찬가지로 겨울철에는 이런 경향이 없어졌다. 이상의 결과를 요약해 볼 때, 하천의 만곡부는 하천의 생태적 기능 회복에 중요하나, 이러한 영향은 계절적 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다.
- 하천복원구조물 주변에서의 난류흐름을 하이브리드 RANS/LES 기법을 이용하여 수치해석하고 결과를 분석하여, 이 연구에서 적용한 수치기법이 실제규모의 레이놀즈 수 조건에서 이러한 흐름의 물리적 특성을 재현할 수 있는 능력이 있음을 보여주었다. 이 연구에서 수행한 수치모의는 실험을 통해서 구할 수 있는 것을 넘어서서 적용된 흐름의 복잡한 동적특성을 구명하는 해석결과를 도출해 낼 수 있음을 보여주고, 수치모의가 하천복원에 대한 과학적 접근이 가능하도록 하는 강력한 예측 도구가 될 수 있음을 보여준다.
후속연구
- 따라서 이러한 정보는 지금까지 설계자 임의적으로 진행되던 하천복원을 과학적이고 체계적으로 수행하는 계기가 될 것으로 판단된다. 나아가 복원의 성공여부를 진단할 수 있는 도구를 마련하여 복원의 수준을 높이는데도 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
- 생태적 복원의 기본적 토대가 될 수 있는 대조하천 식생정보를 전국 규모로 수집하여 이를 복원모델로 체계화하였다. 따라서 이러한 정보는 지금까지 설계자 임의적으로 진행되던 하천복원을 과학적이고 체계적으로 수행하는 계기가 될 것으로 판단된다. 나아가 복원의 성공여부를 진단할 수 있는 도구를 마련하여 복원의 수준을 높이는데도 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
- 따라서 하천복원사업이 지속적으로 시행될 수 있는 기반을 다지기 위해서 하천복원으로 인해 발생하는 사회·경제적 가치 및 편익을 평가하기 위한 지표와 평가기법의 개발을 통해서 사회·경제적 타당성을 제시하고 평가하는 연구가 필요하다.
- 한편, 본 연구를 통하여 얻은 결과 및 자료는 교란 하천의 복원 및 관리를 하는데 지침으로 활용될 것이며, 조경 및 생태 공학 등에 응용될 것이다. 또한 교란 하천의 복원 및 관리를 하는데 이 가이드라인이 활용될 것이며, 지속적이고 원활한 하천사업을 수행하는데 기여하게 될 것이다. 특히, 국책사업으로 시행되고 있는 4대강 사업과 하천살리기 등 사업에 직접 활용될 것이다.
- 또한 복원에 따른 수리학적 문제점이 있다면 실험 또는 수치모의를 통하여 개선안을 마련하여야 한다. 복원하천의 수리학적 모니터링 매뉴얼을 개발함으로써 복원 하천 평가 및 적응관리 여부를 확인할 수 있는 방법을 제시하여 향후 복원하천 설계 시 개선안을 제시할 수 있을 것으로 판단된다.
- 특히, 본 연구의 시범 사업으로 수행한 대청댐 증가방류로 인한 하류 하천의 물리적, 생태학적 반응을 조사·분석하여 사례 연구로 수록하였다. 이는 교란하천의 관리를 위한 여러 가지 대안 중에서 하나의 안이며, 향후 다양한 방안의 연구가 수행되어야 할 것이다.
- 이러한 연구성과는 하천복원사업의 사회·경제적 타당성과 당위성 제고에 기여할 수 있을 것으로 판단되며, 장기적으로는 본 연구에서 개발된 환경-경제통합 평가모형의 이론적 기반을 통해, 개발된 통합평가모형을 다양한 하천시험구간에 적용하여 하천복원과 지역경제의 상관관계를 보다 정확히 규명할 수 있을 것이다.
- 또한 교란 하천의 복원 및 관리를 하는데 이 가이드라인이 활용될 것이며, 지속적이고 원활한 하천사업을 수행하는데 기여하게 될 것이다. 특히, 국책사업으로 시행되고 있는 4대강 사업과 하천살리기 등 사업에 직접 활용될 것이다.
- 하천복원사업의 사회·경제성 평가기법 개발에 대한 연구결과는 정부가 복원사업을 원활히 추진할 수 있도록 시행에 필요한 지침서로 활용이 가능할 것으로 기대 된다. 특히, 본 연구에서 최종적으로 개발된 가이드라인을 열람할 수 있도록 함으로써 연구결과를 실용화 할 수 있을 것으로 판단된다.
- 댐과 골재채취로 인한 교란하천의 적응과정에 대하여 실험적, 수치해석적으로 역학적 거동을 분석하고, 이에 대한 하천의 물리적 변화과정을 예측할 수 있는 기술을 확보함으로써, 하천을 설계하는 기술자 및 생태 전문가, 하천의 계획하고 관리하는 하천관리자가 이용하기 쉽도록 체계적이 알기 쉬운 교란하천의 적응관리 가이드라인을 제공하며, 교란평가기술 지침서에 따라 설계자는 물론 일반 하천 관리자, 하천애호가 등 관련자가 참조하여 보다 체계적으로 설계 및 유지 관리를 할 수 있는 제도적 가이드라인으로 제공하고자 하였다. 한편, 본 연구를 통하여 얻은 결과 및 자료는 교란 하천의 복원 및 관리를 하는데 지침으로 활용될 것이며, 조경 및 생태 공학 등에 응용될 것이다. 또한 교란 하천의 복원 및 관리를 하는데 이 가이드라인이 활용될 것이며, 지속적이고 원활한 하천사업을 수행하는데 기여하게 될 것이다.
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