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문제 정의
- 기존 연구에서 사용된 단 변량 분석 방법의 한계를 극복하고 7가지 변량을 고려하여 정량적인 서식처의 수리 · 수질 특성과 서식처 적합도 지수를 산정하여 생물서식에 적합한 하천구간을 선정하는 것이 본 연구의 목적이다.
- 본 연구에서는 생물 서식처에 적합한 수리·수질 조건을 가진 하천 구간을 선정 및 분석하기 위해 홍천강을 대상으로 생물 서식처 적합도 지수를 산정하였다.
- 본 연구에서는 생물 서식처에 적합한 조건을 가진 하천 구간을 선정 및 분석하기 위해 홍천강을 대상으로 생물 서식처 적합도 지수를 산정하였다. 서식처 적합도 지수의 산정을 위해 수리특성으로 유속과 수심, 수질특성으로 수온 · BOD · DO · TN · TP 등 총 7가지 항목에 대해 산정하였고, 적합도 지수 산정 시기는 계절특성과 유황을 고려하여 6월 12일, 10월 22일로 설정하였다.
제안 방법
- 서식처 적합도 지수의 산정을 위해 수리특성으로 유속과 수심, 수질특성으로 수온 · BOD · DO · TN · TP 등 총 7가지 항목에 대해 산정하였고, 적합도 지수 산정 시기는 계절특성과 유황을 고려하여 6월 12일, 10월 22일로 설정하였다.
- 10월 22일 조사된 수리·수질 어류 서식처 적합도 지수의 산정하였다.
- RMA-2모형의 유속·수심 모의결과와 QUAL2E 모형의 수온·BOD·DO·TN·TP 모의 결과를 이용해 생물상에 수리 · 수질 따른 상관관계 함수를 분석하고 이를 GIS를 이용해 하천 전 구간에 각각의 항목에 해당하는 생물상들의 서식처 적합도 지수를 산정하였다.
- 각각의 생물에 대한 수리 · 수질 특성에 따른 상관관계 함수를 GIS를 이용하여 하천 전 구간에서 서식처 적합도 지수를 산정하였다.
- 다섯째 산정된 생물상의 서식처 적합도 지수의 통계량과 생물 서식에 적합한 하천구간을 선정하기 위해 유역 특성과 하천 횡단면의 수리계수 균질성을 고려하여 하천을 29개의 reach로 구분하였다.
- 둘째 적합도 지수 산정에서는 기존 문헌을 고찰하여 단 변량, 다 변량, 데이터 분석 방법 중 확보된 데이터의 가용성과 최근 연구에서 가장 이용되는 단변량 분석방법을 변형하여 사용하였다. 적합도 지수 기준은 미국 워싱턴주 어류 및 야생동물국(WDFW)에서 제시한 “Instream flow study guidelines”(Bovee, 1982)를 기초로 하여 지수를 산정하였다.
- 홍수빈도와 규모 등 하천에서 물리적, 생물학적 타조건은 제외하였다. 둘째, 현장 조사한 생물자료 중 개체수만을 고려하여 적합도 지수를 산정하였다. 셋째, 수리모형의 적용 시 유량조건은 대상하천 유황조건으로 모의하지 않고 생물조사 시기와 동일한 시기로 모의를 실시하였다(그림 4).
- 연구의 대상지는 홍천강 유역으로 서식처의 수리학적 특성을 비교하기 위하여 인위적인 변화가 없는 자연하천구간과 도심부에 위치한 도심 하천 구간으로 설정하였다. 또한 하천수리모형의 입력 자료의 확보와 모형의 적용을 위하여 수문관측소가 포함되도록 구간을 설정하였다(그림1).
- 수온, BOD, DO, TN, TP 지수값의 범위는 0 ~ 1 까지로 어류 서식처 적합도 지수가 1에 가까운 값을 나타내는 곳이 어류 서식에 적합한 구간으로 설명될 수 있다. 마지막으로 각각 산정된 수온, BOD, DO, TN, TP에 대한 어류 서식처 적합도 지수값을 GIS를 이용하여 중첩시켜 총 5가지 수질 변수에 대한 지수를 모두 반영한 수질 통합 어류 서식처 적합도 지수를 산정하였다. 계산된 적합도 지수를 실측값과 비교하여 타당성을 검증하였다(그림 7).
- 유속, 수심 지수값의 범위는 0 ~ 1까지로 어류 서식처 적합도 지수가 1에 가까운 값을 나타내는 곳이 어류 서식에 적합한 구간으로 설명될 수 있다. 마지막으로 각각 산정된 유속, 수심에 대한 어류 서식처 적합도 지수값을 GIS를 이용하여 중첩시켜 유속과 수심 2가지 변수에 대한 지수를 모두 반영한 수리 통합 어류 서식처 적합도 지수를 산정하였다. 계산된 적합도 지수를 실측값과 비교하여 타당성을 검증하였다(그림 7).
- 모형의 검정은 국토해양부 한국건설교통기술평 가원(2010)의 “생물 서식환경 조성기술 개발 연구보고서(4차년도)”의 유속, 수심 관측 자료를 이용하여 검정을 실시하였다.
- 본 연구에서 기존 서식처 적합도 지수 산정 시 대부분의 연구에서 데이터의 한정으로 인해 단변 량 분석을 사용해 제시된 지수를 RMA-2, QUAL2E 모형의 결과를 GIS와 데이터 베이스와 연계해 통합하는 과정을 통해 총 7가지 변량을 고려한 통합 서식처 적합도 지수를 산정하는 방법을 제시하였다. 이는 기존 단변량을 고려한 분석 방법보다 더 정확한 서식처의 환경을 평가하는 방법으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 수리 특성과 어류 개체수에 따른 상관관계 함수를 GIS를 이용하여 하천 전 구간에서 서식처 적합도 지수를 산정하였다. 산정된 결과를 이후 유속, 수심에 대한 지수를 중첩 계산을 위해 CELL 형식의 GRID 파일로 작성하였다. 유속, 수심 지수값의 범위는 0 ~ 1까지로 어류 서식처 적합도 지수가 1에 가까운 값을 나타내는 곳이 어류 서식에 적합한 구간으로 설명될 수 있다.
- 산정된 유량을 입력하여 대상하천의 전 구간에 걸쳐 1차원 모형(HEC-RAS)과 2차원 모형 (RMA-2), 수질모형(QUAL2E)을 구축하고 검 · 보정하였다.
- 산정된 유량을 입력하여 대상하천의 전 구간에 걸쳐 1차원 모형(HEC-RAS)과 2차원 모형(RMA-2), 수질모형(QUAL2E)을 구축하고 검 · 보정하였다.
- 각각의 생물에 대한 수리 · 수질 특성에 따른 상관관계 함수를 GIS를 이용하여 하천 전 구간에서 서식처 적합도 지수를 산정하였다. 산정된 지수를 검정하기 위하여 실제 계산된 지수값과 상관관계 함수를 이용하여 적용된 지수값의 비교를 통해 서식처 적합도 지수를 검정하였다. 유속의 경우 결정계수 값이 0.
- 서식처 적합도 지수의 산정을 위해 수리특성으로 유속과 수심, 수질특성으로 수온 · BOD · DO · TN · TP 총 7가지 항목에 대해 산정하였고, 고려된 대상 생물상은 어류이다.
- 셋째 RMA-2모형의 유속 · 수심 모의결과와 QUAL2E 모형의 수온 · BOD · DO · TN · TP 모의 결과를 이용해 각각의 생물상과 수리·수질에 따른 상관관계 함수를 분석하고 GIS를 이용해 하천 전 구간에 대하여 각각의 항목에 해당하는 생물상들의 서식처 적합도 지수를 산정하였다.
- 둘째, 현장 조사한 생물자료 중 개체수만을 고려하여 적합도 지수를 산정하였다. 셋째, 수리모형의 적용 시 유량조건은 대상하천 유황조건으로 모의하지 않고 생물조사 시기와 동일한 시기로 모의를 실시하였다(그림 4).
- 어류 개체수와 수리특성에 따른 상관관계 함수를 이용하여 미계측 구간을 포함한 하천 전 구간에 어류 서식처 적합도 지수를 산정하였다. 수리 특성과 어류 개체수에 따른 상관관계 함수를 GIS를 이용하여 하천 전 구간에서 서식처 적합도 지수를 산정하였다. 산정된 결과를 이후 유속, 수심에 대한 지수를 중첩 계산을 위해 CELL 형식의 GRID 파일로 작성하였다.
- 수리· 수질특성에 따른 어류 서식처 적합도 지수를 통합하여 분석하였다.
- 수리· 수질특성에 따른 어류 서식처 적합도 지수를 통합하여 분석하였다. 수리특성에 따른 2가지 변수와 수질특성에 따른 5가지 변수를 모두 통합하여 총 7가지 변수에 대한 통합 어류 서식처 적합도 지수를 산정하였다. 지수값은 앞에서 언급한 바와 같이 범위는 0 ~ 1 까지로 어류 서식처 적합도 지수가 1에 가까운 값을 나타내는 곳이 어류 서식에 적합한 구간이다.
- 수리특성은 유속, 수심 2가지 변수를 반영하였고, 수질특성은 수온 · BOD · DO · TN · TP 등 5가지 변수를 반영하였다.
- 어류 개체수와 수질특성에 따른 상관관계 함수를 이용하여 미계측 구간을 포함한 하천 전 구간에 어류 서식처 적합도 지수를 산정하였다. 수질 특성과 어류 개체수에 따른 상관관계 함수를 GIS를 이용하여 하천 전 구간에서 서식처 적합도 지수를 산정하였다. 산정된 결과를 이후 수온, BOD, DO, TN, TP에 대한 지수를 중첩 계산을 위해 CELL 형식의 GRID 파일로 작성하였다.
- 어류의 경우 서식처 적합도 지수를 두 계절에 걸쳐 조사한 자료를 이용하여 어류 서식처 적합도 지수를 산정하고 두 계절의 서식처 적합도 지수값을 통합하였다. 시기는 6월 12일, 10월22일에 두 계절에 걸쳐 조사를 하였으며 10월 22일 조사 시기에 대한 어류서식처 적합도 지수도 앞에서 언급한 방법을 동일하게 적용하여 산정하였다. 10월 22일 조사된 수리·수질 어류 서식처 적합도 지수의 산정하였다.
- 어류 개체수와 수리특성에 따른 상관관계 함수를 이용하여 미계측 구간을 포함한 하천 전 구간에 어류 서식처 적합도 지수를 산정하였다. 수리 특성과 어류 개체수에 따른 상관관계 함수를 GIS를 이용하여 하천 전 구간에서 서식처 적합도 지수를 산정하였다.
- 어류 개체수와 수질특성에 따른 상관관계 함수를 이용하여 미계측 구간을 포함한 하천 전 구간에 어류 서식처 적합도 지수를 산정하였다. 수질 특성과 어류 개체수에 따른 상관관계 함수를 GIS를 이용하여 하천 전 구간에서 서식처 적합도 지수를 산정하였다.
- 어류의 채집은 정량 조사를 위하여 투망(5×5mm)과 족대(4×4mm)를 각각 15회, 40분간 사용하였다.
- 연구에서 제한사항으로 첫째, 자료 부족으로 인 하여 생물서식의 영향을 미치는 환경 변수의 조건으로 수리에 경우 유속, 수심 수질에 경우 수온 · BOD · DO · TN · TP 총 7가지의 환경 변수를 고려하였다.
- 이를 위해 2차원 하천모형과 수질모형을 모의하여 모의결과와 생물 개체수의 상관관계 함수를 분석하였고, GIS를 이용해 각각의 수리·수질 등 7가지 변량을 고려하여 통합 서식처 적합도 지수를 산정하였다.
- 이를 위해 첫째 수리모형에 필요한 입력 자료의 정확성을 높이기 위해 BASIN의 Delineation 기능을 적용해 대상유역을 분할 후 면적비로 유량 배분을 하여 대상구간의 유량을 산정하였다. 산정된 유량을 입력하여 대상하천의 전 구간에 걸쳐 1차원 모형(HEC-RAS)과 2차원 모형(RMA-2), 수질모형(QUAL2E)을 구축하고 검 · 보정하였다.
- 수리특성은 유속, 수심 2가지 변수를 반영하였고, 수질특성은 수온 · BOD · DO · TN · TP 등 5가지 변수를 반영하였다. 총 7가지 변수를 반영하여 어류에 대한 통합 서식처 적합도 지수를 산정하였다.
- 셋째 RMA-2모형의 유속 · 수심 모의결과와 QUAL2E 모형의 수온 · BOD · DO · TN · TP 모의 결과를 이용해 각각의 생물상과 수리·수질에 따른 상관관계 함수를 분석하고 GIS를 이용해 하천 전 구간에 대하여 각각의 항목에 해당하는 생물상들의 서식처 적합도 지수를 산정하였다. 통합 서식처 적합도 지수를 계산하기 위해 GIS의 Cell Calculator 기능을 사용하여 수리, 수질 및 통합(수리, 수질) 지수를 산출하였다.
대상 데이터
- QUAL2E 모형의 검정은 국토해양부 한국건설 교통기술평가원(2010)의 “생물 서식환경 조성기술 개발 연구보고서(4차년도)”의 수질 관측자료를 이용하여 검정을 실시하였다(그림 5).
- 서식처 적합도 지수의 산정을 위해 수리특성으로 유속과 수심, 수질특성으로 수온 · BOD · DO · TN · TP 등 총 7가지 항목에 대해 산정하였고, 적합도 지수 산정 시기는 계절특성과 유황을 고려하여 6월 12일, 10월 22일로 설정하였다. 고려된 대상 생물상은 어류이다. 이를 위해 1차원 수리모형 (HEC-RAS), 2차원 하천 수리모형(RMA-2), 수질 모형(QUAL2E) 및 GIS를 이용하였다.
- 연구의 대상지는 홍천강 유역으로 서식처의 수리학적 특성을 비교하기 위하여 인위적인 변화가 없는 자연하천구간과 도심부에 위치한 도심 하천 구간으로 설정하였다. 또한 하천수리모형의 입력 자료의 확보와 모형의 적용을 위하여 수문관측소가 포함되도록 구간을 설정하였다(그림1).
- 홍천강의 어류 조사 시기는 2009년 08월 06일 ~ 08월 07일 1차 조사, 2009년 10월 21일~ 10월 22일 2차, 2010년 04월 08일 ~ 04월 09일 3차 조사를 실시하였다. 어류의 채집은 정량 조사를 위하여 투망(5×5mm)과 족대(4×4mm)를 각각 15회, 40분간 사용하였다.
데이터처리
- 마지막으로 각각 산정된 유속, 수심에 대한 어류 서식처 적합도 지수값을 GIS를 이용하여 중첩시켜 유속과 수심 2가지 변수에 대한 지수를 모두 반영한 수리 통합 어류 서식처 적합도 지수를 산정하였다. 계산된 적합도 지수를 실측값과 비교하여 타당성을 검증하였다(그림 7).
이론/모형
- 산정된 결과를 이후 수온, BOD, DO, TN, TP에 대한 지수를 중첩 계산을 위해 CELL 형식의 GRID 파일로 작성하였다.
- 고려된 대상 생물상은 어류이다. 이를 위해 1차원 수리모형 (HEC-RAS), 2차원 하천 수리모형(RMA-2), 수질 모형(QUAL2E) 및 GIS를 이용하였다.
- 서식처 적합도 지수의 산정을 위해 수리특성으로 유속과 수심, 수질특성으로 수온 · BOD · DO · TN · TP 총 7가지 항목에 대해 산정하였고, 고려된 대상 생물상은 어류이다. 이를 위해 1차원 수리모형(HEC-RAS), 2차원 하천 수리모형(RMA- 2), 수질모형(QUAL2E), GIS를 이용하였다.
- 적합도 지수 기준은 미국 워싱턴주 어류 및 야생동물국(WDFW)에서 제시한 “Instream flow study guidelines”(Bovee, 1982)를 기초로 하여 지수를 산정하였다.
성능/효과
- 검정결과 수온의 결정계수 값이 0.7101, BOD 0.704, DO 0.6549, TN 0.6395, TP 0.373으로 나타났다.
- 모형의 검정은 국토해양부 한국건설교통기술평 가원(2010)의 “생물 서식환경 조성기술 개발 연구보고서(4차년도)”의 유속, 수심 관측 자료를 이용하여 검정을 실시하였다. 검정결과 유속의 경우 결정계수 값이 0.8111로 나타났고, 수심의 경우는 0.6464로 유속에 비해 다소 낮은 경향을 보였다. 이러한 이유는 수심의 경우 수심이 1m 이상인 지역에서는 실측이 어려움으로 이로 인해 유속에 비해 결정계수 값이 낮게 산정된 것으로 판단된다.
- 넷째 수리 · 수질에 대한 각 생물상들의 서식처 적합도 지수를 통합하였다.
- 산정 결과 어류의 경우 reach27에서 통합 서식처 적합도 지수의 평균이 0.769로 가장 높게 산정되었고, 각 변수들의 평균은 유속 0.122m/s, 수심 0.782m, 수온 14.3℃, BOD 0.68mg/l, DO 10.3mg/l, TN 2.4mg/l, TP 0.0121mg/l 분석되었다.
- 7688 로 통합 어류 서식처 적합도 지수가 가장 높게 산정되었다. 수리특성 만을 고려한 경우는 reach7이 수질특성만을 고려한 경우에는 reach27의 서식처 적합도 지수가 가장 높게 산정되었다. reach27의 유속, 수심, 수온, BOD, DO, TN, TP값은 0.
- 373으로 나타났다. 수온과 BOD의 경우 0.7이상의 높은 일치도를 보였으며, DO와 TN의 경우 0.6이상의 일치성을 보였다. 그러나 TP에 경우 0.
- 어류 통합 서식처 적합도 지수를 산정한 결과를 하천구간 (reach)별로 정리하면 표 1 과 같다. 어류 통합 서식처 적합도 지수를 하천구간별 평균으로 비교해보면 reach27번에 0.7688 로 통합 어류 서식처 적합도 지수가 가장 높게 산정되었다. 수리특성 만을 고려한 경우는 reach7이 수질특성만을 고려한 경우에는 reach27의 서식처 적합도 지수가 가장 높게 산정되었다.
- 산정된 지수를 검정하기 위하여 실제 계산된 지수값과 상관관계 함수를 이용하여 적용된 지수값의 비교를 통해 서식처 적합도 지수를 검정하였다. 유속의 경우 결정계수 값이 0.9153으로 높은 일치성을 보였고 수심도 0.8421의 결정계수로 높은 일치성을 보였다. 수질특성에 따른 적합도 지수 또한 0.
- 이와 같은 결과로 비추어 볼 때 어류의 경우 수온, BOD, DO, TN, TP값이 14.30°C, 0.68mg/l, 10.29 mg/l, 2.41 mg/l, 0.0121 mg/l일 때 어류 서식처의 수질 조건이 가장 적합한 것으로 판단된다.
- 이와 같은 결과로 비추어 볼 때 어류의 경우 유속, 수심, 수온, BOD, DO, TN, TP값이 0.185 m/s, 0.77 m, 14.30°C, 0.68mg/l, 10.29mg/l, 2.41mg/l, 0.0121mg/l일 때 어류 서식처의 수리 · 수질 조건이 가장 적합한 것으로 판단된다.
- 77m로 나타났다. 이와 같은 결과로 비추어 볼 때 어류의 경우 유속이 0.185m/s, 수심이 0.77m 일 때 어류 서식처의 수리 조건이 가장 적합한 것으로 판단된다.
- 조사지점별 출현 종수를 살펴본 결과 평여울에서 4과 14종 146개 체, 급여울에서 3과 12종 187개체, 댐형 웅덩이에서 4과 18종 151개체, 낙차형 웅덩이에서 4과 18종 150개체가 확인되었다. 조사 지점 중 댐형 웅덩이, 낙차형 웅덩이에서 가장 많은 종수인 18종씩 확인되었고, 급여울에서 12종으로 가장 적은 종수로 조사되었다(그림 6).
- 홍천강(도시형 구간)에 대한 조사한 결과 총 5과 23종 634개체가 확인되었다. 조사지점별 출현 종수를 살펴본 결과 평여울에서 4과 14종 146개 체, 급여울에서 3과 12종 187개체, 댐형 웅덩이에서 4과 18종 151개체, 낙차형 웅덩이에서 4과 18종 150개체가 확인되었다. 조사 지점 중 댐형 웅덩이, 낙차형 웅덩이에서 가장 많은 종수인 18종씩 확인되었고, 급여울에서 12종으로 가장 적은 종수로 조사되었다(그림 6).
- 홍천강(자연형 구간)에 대한 조사 결과 총 6과 24종 1,130개체가 확인되었다. 조사지점별로 출 현 종수를 살펴보면 샛강에서 3과 10종 125개체, 개방형 하도습지에서 3과 10종 310개체, 댐형 웅덩이에서 3과 9종 109개체, 낙차형 웅덩이에서 2과 9종 51개체, 평여울에서 4과 9종 67개체, 급여울에서 5과 11종 62개체, 사행형 웅덩이에서 3과 11종 188개체, 징검여울에서 4과 13종 97개 체, 거석형 웅덩이에서 2과 9종 77개체, 폐쇄형 하도습지에서 3과 9종 44개체가 확인되었다(그림 6).
- 홍천강(도시형 구간)에 대한 조사한 결과 총 5과 23종 634개체가 확인되었다. 조사지점별 출현 종수를 살펴본 결과 평여울에서 4과 14종 146개 체, 급여울에서 3과 12종 187개체, 댐형 웅덩이에서 4과 18종 151개체, 낙차형 웅덩이에서 4과 18종 150개체가 확인되었다.
후속연구
- 마지막으로 본 연구의 한계점은 상관관계 함수를 기준으로 서식처 적합도 지수를 산정하였기 때 문에 미계측 지점에 대한 검증이 이루어지지 않아 다른 하천에 대한 적용가능성의 평가가 이루어지지 않았다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 좀 더 많은 대상의 하천조사 자료가 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 기존 서식처 적합도 지수 산정 시 대부분의 연구에서 데이터의 한정으로 인해 단변 량 분석을 사용해 제시된 지수를 RMA-2, QUAL2E 모형의 결과를 GIS와 데이터 베이스와 연계해 통합하는 과정을 통해 총 7가지 변량을 고려한 통합 서식처 적합도 지수를 산정하는 방법을 제시하였다. 이는 기존 단변량을 고려한 분석 방법보다 더 정확한 서식처의 환경을 평가하는 방법으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 마지막으로 본 연구의 한계점은 상관관계 함수를 기준으로 서식처 적합도 지수를 산정하였기 때 문에 미계측 지점에 대한 검증이 이루어지지 않아 다른 하천에 대한 적용가능성의 평가가 이루어지지 않았다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 좀 더 많은 대상의 하천조사 자료가 필요할 것으로 판단된다.
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