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문제 정의
- 특히, 유역건전성 평가에 이용되는 필수적인 기본요소들을 landscape, geomorphology, hydrology, water quality, habitat, biological condition의 6가지로 제시하고 있다. 본 연구에서는 EPA(2012)의 유역건전성 분석 사례를 개선하여 우리나라에 유역특성에 맞는 통합 유역건전성 평가기법을 개발하였다.
- EPA(2012)에서는 개발 전 유역의 연평균 하천유량에 대한 댐 저수량의 비를 수문 축 유역건전성을 평가하는 요소로 사용하였다. 우리나라의 유역 수자원 특성상 하천유출량, 증발산량, 토양 수분, 지하수는 매우 중요한 수문요소이기 때문에, 본 연구에서는 수량 측면의 유역관리에 있어 유역의 수문순환 요소를 모두 고려하여 건전성을 평가하였다. 기준조건은 전체 표준유역에 대하여 모의된 30년(1985～2014) 평균값으로 설정하고, 해당 유역의 모의된 값에 대하여 비율을 계산하여 정규화 하였다.
- 본고에서는 유역관리에 있어 필수적으로 고려되어야하는 6가지 평가요소를 바탕으로 통합적인 유역건전성을 평가하는 기법을 소개하고 이를 한강권역 표준유역에 적용한 결과를 살펴보았다. 유역관리에 있어 수문, 수질, 유역 생태계는 상호 간에 관계에 있어 서로 영향을 받는 관계에 있기 때문에 단편적인 접근방식이 아닌 통합적으로 다루어져야 한다.
제안 방법
- 본고에서는 유역이 가지는 자연적인 건전성을 평가하고 관리하기 위해 유역환경, 수문/수질, 서식지/수생태 등 다양한 평가지표를 이용하여 통합 유역건전성 평가지수를 산정하였다. 또한, 수량 및 수질의 상호작용을 고려하고, 장기간의 변화분석을 위해 SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모형의 수문/수질모델링 결과를 활용하였으며, 한강권역 표준유역(237개)에 적용한 결과를 소개하고자 한다.
- 본고에서는 유역이 가지는 자연적인 건전성을 평가하고 관리하기 위해 유역환경, 수문/수질, 서식지/수생태 등 다양한 평가지표를 이용하여 통합 유역건전성 평가지수를 산정하였다. 또한, 수량 및 수질의 상호작용을 고려하고, 장기간의 변화분석을 위해 SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모형의 수문/수질모델링 결과를 활용하였으며, 한강권역 표준유역(237개)에 적용한 결과를 소개하고자 한다.
- 따라서 본 연구에서는 유역건전성 평가를 위해 한강권역 표준유역(237개) 단위로 유역환경(토지피복, 식생, 하천), 수문/수질(수문순환요소, Sediment, TN, TP), 수생태(서식지, 수생생물)요소를 종합적으로 고려하여 평가지수를 산정하였다. 표 1에 평가요소별 평가방법을 정리하였다.
- 표 1에 평가요소별 평가방법을 정리하였다. EPA(2012)에서는 미국 일부지역에 대하여 모니터링 자료를 활용하여 유역건전성 평가를 수행하였지만, 본 연구에서는 수문/수질과 관련된 유역건전성 평가에 대하여 장기적인 변화분석이 가능하도록 SWAT 모형의 장기모의 결과를 활용하였으며, 유역환경 및 수생태와 관련된 유역건전성 평가는 모니터링 자료를 활용하였다.
- 토지피복/식생 측면의 유역건전성 평가를 위해 한강유역의 자연토지피복(산림, 자연초지, 강, 습지)의 면적비를 green infrastructure의 평가 요소로 선정하여 표준유역별로 제시하고, 수변지역의 자연토지피복(산림, 자연초지, 강, 습지)의 면적비를 riparian area의 평가요소로 선정하여 표준유역별로 제시하였다. 유역 내 자연토지피복인 숲과 습지 등은 우리가 마실 물을 여과시키고, 홍수와 가뭄으로부터 지역을 보호하며, 어류 등 생물체를 위한 서식지를 제공하기 때문에 생태학적으로 매우 중요하다.
- 그 외에 good, fair, poor level 정의되는 소하천, 지방하천, 도시하천 및 국가하천을 등급별 기준으로 설정하였다.
- 자연토지피복은 이와 같은 그린 인프라(green infrastructure)를 제공하고 있으며, 수자원 관리를 위한 도구로써 매우 중요하다. 그린 인프라(green infrastructure)의 접근방법은 옥상녹화, 빗물확보, 레인가든 등 장소 관점, green street, 소규모 습지, 도시 숲 등 지역 관점, 수변 환충지대 및 녹색인프라 설계 등 유역 관점으로 나뉘며, 본 연구에서는 유역 관점에서 생태적 기능을 유지하기 위해 상호 작동하는 산림, 자연초지, 강, 습지 등 자연적 요소를 기반으로 평가요소를 선정하였다. 그림 1은 토지피복/식생(landscape) 관련 평가요소에 대한 유역건전성을 평가한 결과이다.
- 하천 측면의 유역건전성 평가를 위해 한강유역의 하천 기준조건(산지하천, 소하천, 지방하천, 도시하천, 국가하천)에 따른 하천길이를 각각의 평가요소로 산정하여 표준유역별로 제시하였다. 표준유역 내 전체 하천의 길이에 대한 하천 기준 조건을 만족하는 하천의 길이를 비를 계산하여 정규화 하였다.
- 하천 측면의 유역건전성 평가를 위해 한강유역의 하천 기준조건(산지하천, 소하천, 지방하천, 도시하천, 국가하천)에 따른 하천길이를 각각의 평가요소로 산정하여 표준유역별로 제시하였다. 표준유역 내 전체 하천의 길이에 대한 하천 기준 조건을 만족하는 하천의 길이를 비를 계산하여 정규화 하였다. 평가를 위한 하천 기준조건은 토지이용개발이나 하천정비가 전혀 이루어지지 않은 산지하천을 reference condition으로 설정하였다.
- 표준유역 내 전체 하천의 길이에 대한 하천 기준 조건을 만족하는 하천의 길이를 비를 계산하여 정규화 하였다. 평가를 위한 하천 기준조건은 토지이용개발이나 하천정비가 전혀 이루어지지 않은 산지하천을 reference condition으로 설정하였다. 그 외에 good, fair, poor level 정의되는 소하천, 지방하천, 도시하천 및 국가하천을 등급별 기준으로 설정하였다.
- 수문 측면의 유역건전성 평가를 위해 SWAT 모형의 30년(1985～2014) 모의 결과를 활용하여 total(강수량, 총 유출량), surface processes(지표유출), soil water dynamics(침투, 토양수분, 중간유출), groundwater dynamics(침루, 지하수충진량, 기저유출)를 각각의 평가요소로 선정하였다. SWAT 모형을 이용하여 한강권역을 표준유역(237개)과 동일하게 유역분할을 수행하고, 신뢰성 있는 수문요소의 도출을 위해 3개 다목적댐(횡성댐, 소양댐, 충주댐), 3개 다기능보(강천보, 여주보, 이포보), 1개 발전용댐(팔당댐)의 운영(댐 유입량, 저수량, 방류량 등)을 고려하였으며, 다양한 수문요소(증발산량, 토양수분, 지하수위)에 대하여 검보정을 수행하였다.
- 수문 측면의 유역건전성 평가를 위해 SWAT 모형의 30년(1985～2014) 모의 결과를 활용하여 total(강수량, 총 유출량), surface processes(지표유출), soil water dynamics(침투, 토양수분, 중간유출), groundwater dynamics(침루, 지하수충진량, 기저유출)를 각각의 평가요소로 선정하였다. SWAT 모형을 이용하여 한강권역을 표준유역(237개)과 동일하게 유역분할을 수행하고, 신뢰성 있는 수문요소의 도출을 위해 3개 다목적댐(횡성댐, 소양댐, 충주댐), 3개 다기능보(강천보, 여주보, 이포보), 1개 발전용댐(팔당댐)의 운영(댐 유입량, 저수량, 방류량 등)을 고려하였으며, 다양한 수문요소(증발산량, 토양수분, 지하수위)에 대하여 검보정을 수행하였다.
- 우리나라의 유역 수자원 특성상 하천유출량, 증발산량, 토양 수분, 지하수는 매우 중요한 수문요소이기 때문에, 본 연구에서는 수량 측면의 유역관리에 있어 유역의 수문순환 요소를 모두 고려하여 건전성을 평가하였다. 기준조건은 전체 표준유역에 대하여 모의된 30년(1985～2014) 평균값으로 설정하고, 해당 유역의 모의된 값에 대하여 비율을 계산하여 정규화 하였다. 그림 3은 이 4가지 평가요소를 정규화 하여 수문(hydrology) 측면의 유역건전성지수를 계산한 결과이다.
- 본 연구에서는 수질등급 “보통”을 기준조건으로 설정하여, 해당 표준유역별 모의된 sediment, T-N, T-P의 농도 값에 대하여 비율을 계산하여 정규화 하였다.
- 수질 측면의 유역건전성 평가를 위해 sediment, T-N, T-P의 농도기준에 따른 분포를 각각의 평가요소로 산정하여 표준유역별로 제시하였다. 수질 유역건전성 평가는 수문과 마찬가지로 SWAT 모형의 30년(1985～2014) 모의 결과를 활용하였다.
- 수생 서식지 측면의 유역건전성 평가를 위해 표준유역별 하천길이에 대한 저수지 개수로 정의되는 저수지 밀도를 수생 서식지 연결성(aquatic habitat connectivity) 평가요소로 선정하였고, 표준유역별 습지면적(wetland)을 평가요소로 선정하였다. 하천 시스템 내에서 하천 상하류로 생물체가 이동하는 가능성을 분석하기 위해 유역내 하천의 길이에 대한 유역 내 저수지의 개수를 평가요소로 정규화 하였다.
- 수생 서식지 측면의 유역건전성 평가를 위해 표준유역별 하천길이에 대한 저수지 개수로 정의되는 저수지 밀도를 수생 서식지 연결성(aquatic habitat connectivity) 평가요소로 선정하였고, 표준유역별 습지면적(wetland)을 평가요소로 선정하였다. 하천 시스템 내에서 하천 상하류로 생물체가 이동하는 가능성을 분석하기 위해 유역내 하천의 길이에 대한 유역 내 저수지의 개수를 평가요소로 정규화 하였다. 또한 자연습지는 어류 및 다양한 생물체이게 중요한 서식지를 제공하고, 수문 및 수질, 생태계를 유지하는 능력을 가지므로 유역에서 습지가 차지하는 비율을 계산하여 정규화 하였다.
- 하천 시스템 내에서 하천 상하류로 생물체가 이동하는 가능성을 분석하기 위해 유역내 하천의 길이에 대한 유역 내 저수지의 개수를 평가요소로 정규화 하였다. 또한 자연습지는 어류 및 다양한 생물체이게 중요한 서식지를 제공하고, 수문 및 수질, 생태계를 유지하는 능력을 가지므로 유역에서 습지가 차지하는 비율을 계산하여 정규화 하였다. 그림 5는 수생 서식지(aquatic habitat condition) 관련 평가요소에 대한 유역건전성지수를 계산한 결과이다.
- 각 생물지수는 4단계(최상, 양호, 보통, 불량)의 등급범위를 가지며, 본 연구에서는 환경상태 “보통”을 기준조건으로 설정하였다.
- 각 생물지수는 4단계(최상, 양호, 보통, 불량)의 등급범위를 가지며, 본 연구에서는 환경상태 “보통”을 기준조건으로 설정하였다. TDI, BMI, FAI의 기준조건에 대한 해당 표준유역별 관측하여 계산된 TDI, BMI, FAI의 값을 정규화 하였다. 그림 6은 수생태(biological condition)관련 평가요소에 대한 유역건전성지수를 계산한 결과이다.
- 본 연구에서는 장기간의 유역 수문/수질 변화를 분석하기 위해 유역건전성 지수개발에 모델링 결과 활용을 시도하였지만, 모의된 결과의 불확실성과 생태모의와 연결되지 못하는 한계점이 있었다. 하지만 본고에서 제시한 연구방법은 다양한 수준의 평가요소로 유역관리에 있어 총제적인 영향에 대한 이해를 증진시키고, 유역의 상황을 파악하기 위해 위험요소를 정량화하여 지수화 하였다. 이러한 정보를 이용하여 관리목적에 따라 문제의 우선선위를 결정하고, 우선순위가 높은 문제부터 자원을 우선적으로 할당함으로써 실질적인 유역 관리의 자료로 활용될 수 있을 것이다.
- 수생태 측면의 유역건전성 평가를 위해 부착돌말류(TDI), 저서대형무척추동물(BMI), 어류(FAI)의 3가지 생물지수 기준값을 평가요소로 선정하여 표준유역별로 제시하였다. 일반적으로 수행되는 수생태계 건강성 평가는 부착돌말류, 저서대형무척추동물, 어류, 서식 및 수변환경의 4개 분야에 대하여 현장조사를 실시하여 각각의 생물지수를 산정하여 평가한다.
대상 데이터
- 일반적으로 수행되는 수생태계 건강성 평가는 부착돌말류, 저서대형무척추동물, 어류, 서식 및 수변환경의 4개 분야에 대하여 현장조사를 실시하여 각각의 생물지수를 산정하여 평가한다. 본 연구에서는 하천의 먹이사슬을 구성하는 주요 생물군인 부착돌말류, 저서대형무척추동물, 어류에 대한 생물지수를 환경부(2013)으로부터 제공받아 이용하였다. 서식지 및 수변환경 분야는 앞서 분석한 서식지 측면의 유역건전성 평가와 중복되는 항목으로 판단되어 제외되었다.
이론/모형
- 수질 측면의 유역건전성 평가를 위해 sediment, T-N, T-P의 농도기준에 따른 분포를 각각의 평가요소로 산정하여 표준유역별로 제시하였다. 수질 유역건전성 평가는 수문과 마찬가지로 SWAT 모형의 30년(1985～2014) 모의 결과를 활용하였다. 환경부 물환경정보시스템(http://water.
성능/효과
- 토지피복/식생 sub-index는 상류에서 하류로 갈수록 유역건전성이 안 좋아지는 공간적인 패턴을 나타내며, 이는 상류로 갈수록 유역 내 자연토지피복의 면적이 많아지기 때문이다. 하천, 수생태 sub-index 또한 하류지역일수록 유역건전성이 안 좋은 유역으로 분석되었으며, 서식지 sub-index는 저수지와 습지의 면적분포에 따라 남한강 하류지역에서 유역건전성이 높은 것으로 분석되었다. 특히, 수문 sub-index는 total의 경우 강수량과 총 유출량이 평가요소인 만큼 강수패턴에 지배적인 영향을 받는 것으로 나타났고, 소양강댐 유역이 비교적 강수량이 적어 유역건전성이 비교적 낮게 분석되었다.
- 하천, 수생태 sub-index 또한 하류지역일수록 유역건전성이 안 좋은 유역으로 분석되었으며, 서식지 sub-index는 저수지와 습지의 면적분포에 따라 남한강 하류지역에서 유역건전성이 높은 것으로 분석되었다. 특히, 수문 sub-index는 total의 경우 강수량과 총 유출량이 평가요소인 만큼 강수패턴에 지배적인 영향을 받는 것으로 나타났고, 소양강댐 유역이 비교적 강수량이 적어 유역건전성이 비교적 낮게 분석되었다. surface processes는 지표유출이 평가요소로 충주댐 유역과 한강유역 하류지역으로 갈수록 유역건전성이 높은 것으로 분석되었다.
- 특히, 수문 sub-index는 total의 경우 강수량과 총 유출량이 평가요소인 만큼 강수패턴에 지배적인 영향을 받는 것으로 나타났고, 소양강댐 유역이 비교적 강수량이 적어 유역건전성이 비교적 낮게 분석되었다. surface processes는 지표유출이 평가요소로 충주댐 유역과 한강유역 하류지역으로 갈수록 유역건전성이 높은 것으로 분석되었다. soil water dynamics 침투, 토양수분, 중간유출이 평가요소로 상류유역이 비교적 유역건전성이 높게 분석되었다.
- surface processes는 지표유출이 평가요소로 충주댐 유역과 한강유역 하류지역으로 갈수록 유역건전성이 높은 것으로 분석되었다. soil water dynamics 침투, 토양수분, 중간유출이 평가요소로 상류유역이 비교적 유역건전성이 높게 분석되었다. groundwater dynamics는 침루, 지하수충진, 기저유출이 평가 요소로 충주댐 일부지역과 한강 하류지역으로 갈수록 유역건전성이 높게 분석되었다.
- soil water dynamics 침투, 토양수분, 중간유출이 평가요소로 상류유역이 비교적 유역건전성이 높게 분석되었다. groundwater dynamics는 침루, 지하수충진, 기저유출이 평가 요소로 충주댐 일부지역과 한강 하류지역으로 갈수록 유역건전성이 높게 분석되었다. 수질 sub-index의 경우 sediment는 표준유역별로 건전성의 공간적인 경향이 뚜렷하게 나타나지 않았고, T-N은 지하수로 녹아나오는 질소의 특성상 앞서 분석한 groundwater dynamics와 비슷한 패턴으로 분석되었다.
후속연구
- 본 연구에서 분석하고자 하는 유역건전성은 유역이 본래 가지고 있는 자연적인 건전성을 평가하고자 하는 것이며, 이러한 유역의 현재 상태 및 유역이 가지고 있는 능력에 대한 평가가 선행되어야 토지이용변화, 기후변화, 물 이용 변화, 인구증가 등과 같은 인위적인 요소에 따른 유역의 취약성을 예측할 수 있을 것이다. 나아가 유역의 스트레스 요인, 사회적·경제적인 배경 및 요인을 고려하여 유역의 회복력(resilience) 및 복구 우선순위(priority)를 검토하여 유역관리에 활용할 수 있다.
- 또한 유역평가에 있어 장기간의 양질의 자료는 매우 중요하며 이를 위해 유역 모델링을 활용하는 방법이 많이 시도되고 있다. 본 연구에서는 장기간의 유역 수문/수질 변화를 분석하기 위해 유역건전성 지수개발에 모델링 결과 활용을 시도하였지만, 모의된 결과의 불확실성과 생태모의와 연결되지 못하는 한계점이 있었다. 하지만 본고에서 제시한 연구방법은 다양한 수준의 평가요소로 유역관리에 있어 총제적인 영향에 대한 이해를 증진시키고, 유역의 상황을 파악하기 위해 위험요소를 정량화하여 지수화 하였다.
- 하지만 본고에서 제시한 연구방법은 다양한 수준의 평가요소로 유역관리에 있어 총제적인 영향에 대한 이해를 증진시키고, 유역의 상황을 파악하기 위해 위험요소를 정량화하여 지수화 하였다. 이러한 정보를 이용하여 관리목적에 따라 문제의 우선선위를 결정하고, 우선순위가 높은 문제부터 자원을 우선적으로 할당함으로써 실질적인 유역 관리의 자료로 활용될 수 있을 것이다.
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