본 연구에서는 유량점증방법론에 입각하여 물리 서식처 모의 시스템의 기반을 둔 2차원 수리 및 서식처 모의인 River2D를 적용하였다. 대상 지점은 전주천 상류부이며, 수리모의 결과에 대한 비교는 갈수량 조건에서 검정된 HEC-RAS 수리모의 결과를 바탕으로 River2D와 유속, 수심 모의 결과를 비교, 평가하였다. 그 결과 유속의 RMSE는 0.18, NSE는 0.71, 결정계수는 0.78이고, 수심의 RMSE는 0.02, NSE는 0.71, 결정계수는 0.73으로 수리모의 결과가 실측치에 잘 반영되는 것으로 평가된다. 서식처 적합도 지수를 구축하기 위해 선정한 대표 어종은 10년간 어류 모니터링을 통하여 가장 출현빈도가 높은 피라미, 쉬리 어종에 대하여 선정하였다. 또한 평수량, 조건에서의 서식처 적합도 지수를 바탕으로 가중가용면적-유량 관계곡선을 산출하였으며, 한강 및 금강 수계에서 적합도 지수를 구축한 강형식(2010)의 지수를 가지고 모의한 결과와 비교, 평가하였다. 생태유량 산정 결과 피라미는 $1.5{\sim}2.0m^3/s$ 쉬리는 $1.8{\sim}2.0m^3/s$으로 산정되었다. 대상유역의 수질, 하도 구성, 생물 다양성 등이 매우 양호한 생태이고, 모의 결과 값을 유황분석과 비교해볼 때, 산정된 어류별 생태유량은 전주천 상류부에 적합한 것으로 평가된다.
본 연구에서는 유량점증방법론에 입각하여 물리 서식처 모의 시스템의 기반을 둔 2차원 수리 및 서식처 모의인 River2D를 적용하였다. 대상 지점은 전주천 상류부이며, 수리모의 결과에 대한 비교는 갈수량 조건에서 검정된 HEC-RAS 수리모의 결과를 바탕으로 River2D와 유속, 수심 모의 결과를 비교, 평가하였다. 그 결과 유속의 RMSE는 0.18, NSE는 0.71, 결정계수는 0.78이고, 수심의 RMSE는 0.02, NSE는 0.71, 결정계수는 0.73으로 수리모의 결과가 실측치에 잘 반영되는 것으로 평가된다. 서식처 적합도 지수를 구축하기 위해 선정한 대표 어종은 10년간 어류 모니터링을 통하여 가장 출현빈도가 높은 피라미, 쉬리 어종에 대하여 선정하였다. 또한 평수량, 조건에서의 서식처 적합도 지수를 바탕으로 가중가용면적-유량 관계곡선을 산출하였으며, 한강 및 금강 수계에서 적합도 지수를 구축한 강형식(2010)의 지수를 가지고 모의한 결과와 비교, 평가하였다. 생태유량 산정 결과 피라미는 $1.5{\sim}2.0m^3/s$ 쉬리는 $1.8{\sim}2.0m^3/s$으로 산정되었다. 대상유역의 수질, 하도 구성, 생물 다양성 등이 매우 양호한 생태이고, 모의 결과 값을 유황분석과 비교해볼 때, 산정된 어류별 생태유량은 전주천 상류부에 적합한 것으로 평가된다.
In this study, WUA (Weighted Usable Area) based on the Instream Flow Incremental Methodology (IFIM) was calculated to determine ecological flow at JeonJu-Cheon by using River2D model. To calibrate River2D, simulation results for low flow conditions of River2D were compared with calibrated HEC-RAS si...
In this study, WUA (Weighted Usable Area) based on the Instream Flow Incremental Methodology (IFIM) was calculated to determine ecological flow at JeonJu-Cheon by using River2D model. To calibrate River2D, simulation results for low flow conditions of River2D were compared with calibrated HEC-RAS simulation results and the optimum parameters were determined. The results were RMSE (0.18), NSE (0.71) and coefficient of determination (0.78) for velocity and RMSE (0.02), NSE (0.71), coefficient of determination (0.73) for water depth. The result shows that the model successfully simulates the water flows. A selected target fish species to build the habitat suitability index were composed of Zaccoplatypus and Coreoleuciscus splendidus. These species showed the highest occurrences over the past decade in f ish monitoring. Also, The WUA-Discharge curve was calculated with the suitability index in a medium flow conditions. From the result, WUA is changed according to flowrate. In the flowrate-WUA/A graph, ecological flow can be determined at $1.8{\sim}2.0m^3/s$ for Zaccoplatypus $2.0m^3/s$ and Coreoleuciscus splendidus $1.8m^3/s$ at JeonJu-Cheon upstream. When compared with flow-duration analysis, it is demonstrative that simulation results fitted ecological flow considering quantity of available habitat for each fish species.
In this study, WUA (Weighted Usable Area) based on the Instream Flow Incremental Methodology (IFIM) was calculated to determine ecological flow at JeonJu-Cheon by using River2D model. To calibrate River2D, simulation results for low flow conditions of River2D were compared with calibrated HEC-RAS simulation results and the optimum parameters were determined. The results were RMSE (0.18), NSE (0.71) and coefficient of determination (0.78) for velocity and RMSE (0.02), NSE (0.71), coefficient of determination (0.73) for water depth. The result shows that the model successfully simulates the water flows. A selected target fish species to build the habitat suitability index were composed of Zaccoplatypus and Coreoleuciscus splendidus. These species showed the highest occurrences over the past decade in f ish monitoring. Also, The WUA-Discharge curve was calculated with the suitability index in a medium flow conditions. From the result, WUA is changed according to flowrate. In the flowrate-WUA/A graph, ecological flow can be determined at $1.8{\sim}2.0m^3/s$ for Zaccoplatypus $2.0m^3/s$ and Coreoleuciscus splendidus $1.8m^3/s$ at JeonJu-Cheon upstream. When compared with flow-duration analysis, it is demonstrative that simulation results fitted ecological flow considering quantity of available habitat for each fish species.
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문제 정의
따라서 본 연구는 인간이 필요로 하는 하천과는 별도로 하천 본래의 기능을 충족시키기 위한 유량을 선정하기 위해 하천의 서식하고 있는 담수 어류의 서식공간에서의 유속, 수심 그리고 먹이나 은신처 확보를 위해 필요한 하상재료의 조건에서의 생태 유량을 산정하였다. 또한 담수어류 별로 물리적 서식환경에 적합한 지수를 산정하는 방법을 뒷받침할 수 있는 자료가 존재하지 않아서 적합도 지수 산정에 관한 어려움을 해결하고자 한다.
따라서 본 연구는 인간이 필요로 하는 하천과는 별도로 하천 본래의 기능을 충족시키기 위한 유량을 선정하기 위해 하천의 서식하고 있는 담수 어류의 서식공간에서의 유속, 수심 그리고 먹이나 은신처 확보를 위해 필요한 하상재료의 조건에서의 생태 유량을 산정하였다. 또한 담수어류 별로 물리적 서식환경에 적합한 지수를 산정하는 방법을 뒷받침할 수 있는 자료가 존재하지 않아서 적합도 지수 산정에 관한 어려움을 해결하고자 한다. 이에 따라 전주천 상류부에서 충분한 어류 데이터를 바탕으로 하천에 평소 유지되고 있는 유황자료의 물리적 인자와 결합하여 서식처 적합도 지수를 구축하고, 미소서식 환경에서의 2차원 수리 및 서식처를 해석할 수 있는 River2D 모형을 이용하여 생태 유량을 산정하고자 한다.
가설 설정
Table 5는 수질측정 결과이며 지표수질(하천) 환경기준으로 보면 대부분의 항목들은 1~2등급으로 매우 양호한 상태를 보여주고 있다. 따라서 어류 서식에 적합한 수질이 유지되고 있는 하천에서 생태 유량은 거시 수질조건보다는 미시 수리조건에만 의존한다고 가정하였다.
제안 방법
그리고 어류는 하상에서 먹이 활동을 하며 하상에서 주로 생활하는 종류, 흐르는 물에서 먹이 활동을 하며 흐르는 물에서 생활하는 종류 그리고 수초대에서 먹이 활동을 하고 생활하는 종류 등 각각의 생태적 특성에 따라 생활하는 영역이 크게 다르기 때문에 한 가지 조사방법으로 어류의 분포종과 분포량을 모두 적절히 조사하기는 어렵다.11) 따라서 다양한 서식조건에서의 어류 채집을 위해 전주생태하천협의회에서 주관한 어류 생태학 전문가를 통하여 연간 6회(4월, 5월, 6월, 9월, 10월, 11월)조사를 실시한 10년 자료결과를 참조하였다.18) 조사방법은 투망(망목 7 × 7 mm)과 족대(망목 5 × 5 mm)를 이용하고, 채집된 어류는 어족자원 보호를 위하여 현장에서 동정 및 개체수 확인 후 즉시 방류하였다.
18) 조사방법은 투망(망목 7 × 7 mm)과 족대(망목 5 × 5 mm)를 이용하고, 채집된 어류는 어족자원 보호를 위하여 현장에서 동정 및 개체수 확인 후 즉시 방류하였다.
따라서 HEC-RAS 모의결과에 대한 검증은 두 관측소의 수위-유량 곡선을 이용하였고 이에 대한 검증결과를 Table 2에 게재하였다. River2D의 수리모의는 유출부에서 관측 값의 부재로 인하여 이 구간의 갈수량 조건으로 수리모의를 실시한 HEC-RAS의 모의 결과를 바탕으로 River2D와 수심, 유속 모의 결과를 비교, 평가하였다.
본 연구에서는 어류의 물리적 서식 특성에 부합하는 적합한 하천의 생태유량 산정방식을 도입하기 위해, 대상 유역으로 전주천 상류부를 선정하였다. 그리고 유역특성에 맞는 어류별 서식처 적합도 지수의 구축과 미소서식환경에서의 공간적 특성을 잘 반영할 수 있는 2차원 수리 및 서식처모의를 할 수 있는 River2D 모형을 이용하여 생태유량을 산정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
하천 내 동·식물의 서식처 유지에 적절한 수심, 유속 등수리조건에 해당하는 유량을 선정하기 위해서는 지역 및 환경 조건에 따라 차이를 보일 수 있어 대상 유역에 따라 지속적인 현장 모니터링이 필요하고, 전문가 판단에 의한 지수 산정도 필요하다. 따라서 본 연구에서는 전주천에 대해서 지속적으로 생태 모니터링을 수행한 전문가의 판단에 의한 미소서식환경에서의 어류별 유속, 수심, 하상구조 조건에 대해 대상지점으로 선정한 색장 부근에서의 평수시 조건에 대한 수리모의를 통하여 유속, 수심의 분포를 가지고 정량적으로 평가하여 적합도 곡선을 작성하였다.
또한 어류가 서식하기에 적합한 조건을 평가하기 위해 거시적 측면에서의 수온과 수질 등의 이화학적 요소는 미시적측면인 물리적 요소와 더불어 어류의 서식환경에 중요한 요소들이다. 따라서 어류 모니터링 지점과 동일한 지점에서 2013년 3월, 6월, 9월, 12월 총 4회 모니터링을 하였다. 수질 측정 항목은 pH, DO, SS, BOD, COD, T-N, T-P, 총대장균수를 측정하였고, 실험은 수질오염공정시험법에 준하는 방법19)으로 진행하였다.
어류 서식처 적합도 곡선은 Table 7에서 보는바와 같이 대상유역의 전체 물리적 범위 중 가장 적합한 물리적 서식 범위에서 1.0으로 설정하고 나머지의 최적 범위에 대한 상대 비율로 결정하였다. Fig.
또한 담수어류 별로 물리적 서식환경에 적합한 지수를 산정하는 방법을 뒷받침할 수 있는 자료가 존재하지 않아서 적합도 지수 산정에 관한 어려움을 해결하고자 한다. 이에 따라 전주천 상류부에서 충분한 어류 데이터를 바탕으로 하천에 평소 유지되고 있는 유황자료의 물리적 인자와 결합하여 서식처 적합도 지수를 구축하고, 미소서식 환경에서의 2차원 수리 및 서식처를 해석할 수 있는 River2D 모형을 이용하여 생태 유량을 산정하고자 한다.
대상 데이터
2) 연구 대상 구간의 10년간 어류생태조사결과 우점종인 피라미와, 한국고유어종이며 출현빈도가 높은 쉬리를 대표 어종으로 선정하였다. 또한 평수량 조건에서 유속 및 수심 분포도가지고 미소서식환경요인으로 정량화하였고, 그 결과 피라미의 경우 유속 0.
본 연구대상으로 선정한 지점은 전주천 상류의 은석교에서 한벽보까지 약 2.7 km이다. 이 구간은 자연형 하천을 위한 생태조성 사업이 진행 중이며, 특히 쉬리 살리기 운동 등 다양한 어종을 보전하기 위한 노력을 하고 있는 전주천 생태조성사업의 대표지점으로써 수질도 양호한 미소 서식 공간으로 다양한 수생식물들이 서식하고 있다.
본 연구에서 대상유역으로 선정한 전주천 상류부는 유역 길이가 약 2.7 km이며 지형자료는 2013년 전주천 하천기본계획에서 수립되어 있는 측량자료를 바탕으로 Fig. 5와 같이 River2D_Bed로 하상지형도를 구축하였으며, 이 하상지형 자료를 이용하여 River2D_Mesh로 Fig. 6과 같이 총 4,707개의 절점과 총 8,816개의 요소로 구성된 Mesh를 구축하였다.
본 연구에서 선정한 어종은 피라미와 쉬리이며, 이 두 어종은 Table 4와 같이 7종류의 하상재료 중 3~4에 해당하는 자갈 부분이 주 서식 어종들로 나타냈다.7) 따라서 실트, 모래, 자갈, 굵은 자갈, 왕 자갈, 호박 돌, 기반암으로 하상재료를 분리하여 자갈인 부분에서는 서식조건이 우수하고, 실트와 모래 그리고 기반암인 구간에서는 부적합한 구역으로 선정하여 서식처 적합도 곡선 산정에 반영하였다.
본 연구에서는 어류의 물리적 서식 특성에 부합하는 적합한 하천의 생태유량 산정방식을 도입하기 위해, 대상 유역으로 전주천 상류부를 선정하였다. 그리고 유역특성에 맞는 어류별 서식처 적합도 지수의 구축과 미소서식환경에서의 공간적 특성을 잘 반영할 수 있는 2차원 수리 및 서식처모의를 할 수 있는 River2D 모형을 이용하여 생태유량을 산정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
그와 더불어 해당 유역에 출현하는 어종 중 사회적으로 중요시되는 하천 어류 관리의 관심사와 하천환경 관리, 서식처 모의자료의 가용성에 따라 대상 어종을 채택하는 것이 일반적이다. 이에 따라 본 연구에서 선정한 대표어종은 현재 국내 대부분의 하천에서 가장 많이 서식하는 어종인 피라미와 전주천의 대표어종이자 한국 고유 어종인 쉬리를 대표어종으로 선정하였다.
데이터처리
측선 100 m 간격으로 총 27개의 단면에서 수심과 유속의 결과를 평가하기 위한 평균제곱근오차(Root Mean Square Error, RMSE)와 Nash-Sutcliffe efficiency (NSE) 그리고 결정계수(Coefficient of Determination, R2)를 이용하였다.
이론/모형
따라서 어류 모니터링 지점과 동일한 지점에서 2013년 3월, 6월, 9월, 12월 총 4회 모니터링을 하였다. 수질 측정 항목은 pH, DO, SS, BOD, COD, T-N, T-P, 총대장균수를 측정하였고, 실험은 수질오염공정시험법에 준하는 방법19)으로 진행하였다.
성능/효과
1) River2D 수리모의 검정과정은 검정된 HEC-RAS모의를 실측값으로 보고 각 단면에서의 평균유속과 최대수심과 비교하여 오차평가를 실시한 결과 유속의 RMSE는 0.18, NSE는 0.71, 결정계수는 0.78이고, 수심의 RMSE는 0.02, NSE는 0.71, 결정계수는 0.73으로 수리모의 결과가 실측치에 잘 반영되는 것으로 평가된다.
3) 평수량 조건에서의 어류별 최적의 유속 범위와 수심범위결과를 기존의 문헌에서 산정한 조건과 비교하면, 대상유역 특성과 조사 방법 등 여러 변수들을 고려해 볼 때 많은 차이는 보이지 않았다. 그리고 서식처 적합도 곡선 산정결과 두 조건의 유속분포에서의 최적 범위는 다르지만 비슷한 형태의 넓이를 보였으며, 수심의 경우도 대체적으로 비슷한 형태로 나타냈다.
Table 3에서의 오차평가 결과 RMSE의 경우 수심 0.02, 유속 0.18로 모두 매우 만족하는 결과를 나타냈고, NSE의 경우 수심 0.71, 유속 0.71로 만족하는 결과를 보였으며, 결정계수 R2의 경우 수심 0.73, 유속 0.78로 만족한다는 결과를 도출하였다.
어류조사 결과 Fig. 4에서 보는바와 같이 피라미, 참갈겨니, 쉬리, 돌고기 순으로 출현하였으며, 우점도 지수는 피라미 23.18%, 참갈겨니 23.13%, 쉬리 11.60%, 돌고기 9.76%의 출현 빈도를 나타냈었다. 따라서 어류조사를 바탕으로 물리 서식처 모의를 하기 위해 해당 유역에 서식하고 있는 출현 어종 중 가장 많이 출현하는 어종을 보편적으로 선정해야한다.
후속연구
5) 어류는 생태계의 먹이사슬에서 높은 단계에 위치하는 생물로 인간에 미치는 영향을 검토할 수 있다. 또한 수생태계의 변화에 대해 빠르게 반응하고 이동 및 이주가 빠른 기간에 나타나며 모니터링을 하기에 상대적으로 용이한 생물로 서식처 모의를 통한 서식조건 평가에 적합하다.6) 미국은 1980년대부터 USGS (United States Geological Survey)에서 IFIM에 근거한 1차원 물리 서식처 모의(Physical Habitat Simulation System, PHABSIM)를 개발하여 어류 서식처 공간에서 수리조건에 적합한 가중가용면적(Weighted Usable Area, WUA)-유량관계를 구해 하천 서식처의 적합도를 평가하였고, 어류를 포함한 약 160여 동물에 대한 서식처 적합도 지수를 산정하여 생태유량 결정에 중요한 인자로 활용하고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하천사업에 의해 변화된 수생생태계를 예측하기 위해 사용하는 방법은?
하천사업에 의해 변화된 수생생태계를 예측하기 위해 주로 유량점증방법론(Instream Flow Incremental Methodology, IFIM) 개념을 도입한 어류에 대한 물리서식처 모의를 적용하고 있다.5) 어류는 생태계의 먹이사슬에서 높은 단계에 위치하는 생물로 인간에 미치는 영향을 검토할 수 있다.
어류가 서식처 모의를 통한 서식조건 평가에 적합한 이유는?
5) 어류는 생태계의 먹이사슬에서 높은 단계에 위치하는 생물로 인간에 미치는 영향을 검토할 수 있다. 또한 수생태계의 변화에 대해 빠르게 반응하고 이동 및 이주가 빠른 기간에 나타나며 모니터링을 하기에 상대적으로 용이한 생물로 서식처 모의를 통한 서식조건 평가에 적합하다.6)미국은 1980년대부터 USGS (United States Geological Survey)에서 IFIM에 근거한 1차원 물리 서식처 모의(Physical Habitat Simulation System, PHABSIM)를 개발하여 어류 서식처 공간에서 수리조건에 적합한 가중가용면적(Weighted Usable Area, WUA)-유량관계를 구해 하천 서식처의 적합도를 평가하였고, 어류를 포함한 약 160여 동물에 대한 서식처 적합도 지수를 산정하여 생태유량 결정에 중요한 인자로 활용하고 있다.
하천의 서식환경은 어떤 요인의 영향을 크게 받는가?
또한 하천은 살아있는 유기체와 같아 하천 내 인위적인 구조물이 건설되면 주로 수리현상이 변화되고, 침식 및 퇴적 양상이 바뀌게 되며 이로 인해 하천 모습이 변화되고 이는 다시 하천 주변 환경을 변화시키는 원인이 된다.1~4) 특히 하천의 서식환경은 유량에 크게 영향을 받으며, 유량은 하천 구조, 수질, 유속, 수심 등에 매우 민감하기 때문에 최근 하천복원사업에 이․치수에 목적을 가졌던 과거와는 달리 다양한 생물종이 서식할 수 있도록 하천의 생태적 서식조건까지 고려하여 하천정비 사업이 진행되고 있다.
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