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문제 정의
- 본 연구에서는 어류의 물리적 서식 특성에 적합한 하천의 생태유량 산정 모형을 모의하기 위해 확률밀도함수 서식처적 합도지수를 구축하였다. 그 지수는 유역 특성과 공간적인 특성을 잘 반영하는 것으로 추정되었다.
- 본 연구의 목적은 서식처 적합도 지수에 객관성을 부여하고, 좀 더 일반적인 방법론을 제시하기 위하여 전문가의 주관적인 판단이 배제된 확률밀도함수를 이용한 서식처 적합도 지수를 사용하고, 이를 모델에 적용시켜 생태유량을 산정하여 그 방법에 대한 적용성을 평가하고자 한다.
제안 방법
- 또한 Kang (2010)의 생태유량에서 확률밀도함수의 생태유량을 제외하였다. 그 차이들의 합으로 된 값을 가지고 기준으로 삼은 Kang (2010)과 확률밀도함수의 생태유량을 비교하여 생태유량의 적합성을 파악하였다. 이와같은 과정과 절차는 생태유량의 변화를 분석하였다.
- 유량에 따라 변화하는 물리적 요소에 따라 변하기 때문에 적절한 유량 범위를 선정해야 한다. 따라서 본 연구에서는 유황분석에 의한 갈수량 (1.33 m3/s)~풍수량(10.25 m3/s)까지를 모의했다.
- 따라서, 유속별, 수심별로 어류 개체수를 관측하는 작업이 어렵다. 따라서, 장기간의 현장 측정 자료가 부재시, 서식처 적합도 지수를 대체할 수 있는 방안으로 확률밀도함수를 고려하였다. 이를 위해서는 확률분포함수의 적합을 알아봐야 한다.
- 본 연구에서는 대상하천인 남대천의 도심하천구간과 자연하천구간의 유속별, 수심별 피라미의 개체수 파악이 어려워 금강수계에 기구축되어 있는 Kang (2010) 서식처 적합도 지수를 기준으로 확률밀도함수의 평균(average), 표준편차 (standard deviation), 축척변수(scale parameter), 그리고 모양변수(shape parameter)등을 사용하여 구성한 확률밀도함수 서식처 적합도 지수를 구축하였다. 따라서, 확률밀도함수를 이용한 서식처 적합도 지수를 남대천 도심하천구간과 자연 하천구간을 대상으로 물리적 서식처 모델인 PHABSIM을 사용하여 피라미의 서식처 생태유량을 산정하였다.
- (2005)은 낙동강 유역의 주요지류 하천에 PHABSIM을 적용하여 어류서식 환경을 고려한 생태학적 추천유량을 산정하였다. 또한 부족한 현장조사로 인하여 발생되는 서식처 적합도 지수에 대한 신뢰성 개선 방안으로 낙동강 유역의 어류 현장조사를 실시하여 적합도 지수를 산정하였다. Kang (2010)은 하천에서의 어류 서식처 및 생태유량을 산정하기 위하여 다양한 어종을 고려하고 정확한 서식처 해석 및 생태유량 산정을 위해서는 지속적인 모니터링과 더불어 서식처 적합도 지수 구축의 필요성을 논했다.
- 본 연구에서는 대상하천인 남대천의 도심하천구간과 자연하천구간의 유속별, 수심별 피라미의 개체수 파악이 어려워 금강수계에 기구축되어 있는 Kang (2010) 서식처 적합도 지수를 기준으로 확률밀도함수의 평균(average), 표준편차 (standard deviation), 축척변수(scale parameter), 그리고 모양변수(shape parameter)등을 사용하여 구성한 확률밀도함수 서식처 적합도 지수를 구축하였다. 따라서, 확률밀도함수를 이용한 서식처 적합도 지수를 남대천 도심하천구간과 자연 하천구간을 대상으로 물리적 서식처 모델인 PHABSIM을 사용하여 피라미의 서식처 생태유량을 산정하였다.
- 또한 하상경사가 급하고 폭이 일정하지 않은 형태를 가지며 만곡부에서 여울(riffle), 소(pool) 등이 형성되어 복합적인 하상재료와 함께 다양한 흐름이 나타 나는 하천구간이다. 이런 하천의 특징을 고려하기 위하여 구간을 2개로 구분하여 모의에 적용하였다. 그 대상하천구간들 의 위치도는 Fig.
- 적합도 지수 산정에 있어서 개체수의 부재로 인하여 부득이하게 금강수계 자료인 Kang (2010) HSI를 기준으로 확률 밀도함수를 적용하여 확률밀도함수 HSI를 구축했다. Kang (2010)은 금강수계 어종 피라미를 K-water가 모니터링 한 개체수를 근거로 유속, 수심에 대하여 서식처 적합도 지수를 구축했다.
- 따라서, 금강 수계 남대천 도심하천구간과 자연하천구간에 PHABSIM 모형을 적용하였다. 확률밀도함수별 가중가용면적과 생태유량를 산정하여 모의, 분석하였고 그 결과는 다음 내용과 같다.
대상 데이터
- 그 결과 Table 3에서 보는 바와 같이 수위차가 0.01~0.23 m의 차이를 보였으며 대부분 0.07 m 이내이기 때문에 적합하다고 판단하여 HEC-RAS 수위자료를 이용하여 PHABSIM 의 유량에 따른 수위 입력자료로 사용하였다.
- 대상어종이란 주어진 생태계에 서식하고 있는 단일어종 또는 어류 군집(guilds)을 선정할 수 있다. 대상어종이란 주어진 생태계에 서식하고 있는 단일어종 또는 어류 군집(guilds) 을 선정할 수 있다.
- 대상어종이란 주어진 생태계에 서식하고 있는 단일어종 또는 어류 군집(guilds)을 선정할 수 있다. 대상어종이란 주어진 생태계에 서식하고 있는 단일어종 또는 어류 군집(guilds) 을 선정할 수 있다.
- 본 연구에서 사용된 자료는 금강수계 지점(Fig. 3)에서 2007~ 2010년 4년간 K-water가 출현빈도를 모니터링 한 것이다. Fig.
- 하상재료 또 한 남대천 하천기본계획(변경)의 하상재료 입도분석편을 참고하였다. 유량 규모는 하천기본계획(변경)의 유황인 갈수량 (1.33 m3/s)~풍수량(10.25 m3/s)까지를 대상으로 했다.
- 이 2개 수위 관측소의 2013년 수위-유량곡선식을 사용했다. 하상재료 또 한 남대천 하천기본계획(변경)의 하상재료 입도분석편을 참고하였다. 유량 규모는 하천기본계획(변경)의 유황인 갈수량 (1.
데이터처리
- HEC-RAS를 검증하기 위하여 무주, 장백 수위관측소의 Rating curve를 이용하여 HEC-RAS 모형과 두 수위관측소의 수위값을 Table 2에 비교 평가하였다. Table 2에 대한 도심하천구간의 수위의 검증은 HEC-RAS 모형의 결과와 비교하여 7 cm 이내이며 수리모의 결과가 합리적으로 평가되었다.
- 도심하천구간과 자연하천구간에서 PHABSIM과 4.3장 에서 검증된 HEC-RAS 모형의 결과와 잘 반영되는지 평가하기 위해 Table 4에서 보는바와 같이 오차통계지표를 이용하였다. 유속과 수심의 결과에 대한 통계지표로서 관측값의 불일치도를 나타내기 위해 오차의 제곱을 산술평균한 값의 제곱근인 평균제곱근오차(Root Mean Square Error, RMSE)와 표준편차와 관측값 오차의 제곱을 관측값과 평균 오차의 제곱 으로 나누는 Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE)를 이용하였다 (Kim, 2011).
- 3장 에서 검증된 HEC-RAS 모형의 결과와 잘 반영되는지 평가하기 위해 Table 4에서 보는바와 같이 오차통계지표를 이용하였다. 유속과 수심의 결과에 대한 통계지표로서 관측값의 불일치도를 나타내기 위해 오차의 제곱을 산술평균한 값의 제곱근인 평균제곱근오차(Root Mean Square Error, RMSE)와 표준편차와 관측값 오차의 제곱을 관측값과 평균 오차의 제곱 으로 나누는 Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE)를 이용하였다 (Kim, 2011).
이론/모형
- Kang (2010)은 금강수계 어종 피라미를 K-water가 모니터링 한 개체수를 근거로 유속, 수심에 대하여 서식처 적합도 지수를 구축했다. Kang (2010) HSI를 기준으로 최대한 근접시킨 확률 밀도함수 서식처 적합도 지수를 연구에서 PHABSIM 모형에 적용하였다.
- 금강수계 자료는 어류생태 모니터링 가이드라인(안)에 준 하여 구축한 DB를 바탕으로 적합도 지수 곡선 산출방법 중 하나인 Instream flow aquatic systems group를 이용하여 Fig. 4와 같이 산출하였다. 이 방법은 수심 및 유속 범위별 출현 개체수 분포를 작성한 후, 전체 개체수에 대한 50%, 75%, 90%, 95% 범위에 대하여 각각 적합도지수를 1.
- 그 지수는 유역 특성과 공간적인 특성을 잘 반영하는 것으로 추정되었다. 따라서, 금강 수계 남대천 도심하천구간과 자연하천구간에 PHABSIM 모형을 적용하였다. 확률밀도함수별 가중가용면적과 생태유량를 산정하여 모의, 분석하였고 그 결과는 다음 내용과 같다.
- 수리 모의된 결과와 확률밀도함수를 적용한 5가지 서식처적 합도지수를 사용하였고, 이를 생태유량을 산정하는 PHABSIM 모형에 적용하였다. Table 5는 PHABSIM 모형에 확률밀도 함수 서식처적합도지수를 적용하여 산정한 생태유량과 가중 가용면적을 나타낸 것이다.
- 그러나 구간 밖에 남대천의 칠리대교의 무주 수위관측소와 하장백교의 장백 수위관측소가 있다. 이 2개 수위 관측소의 2013년 수위-유량곡선식을 사용했다. 하상재료 또 한 남대천 하천기본계획(변경)의 하상재료 입도분석편을 참고하였다.
성능/효과
- 1) 금강수계의 서식처 적합도 지수를 토대로 5가지 확률밀도 함수를 최적화한 결과, 유속에 가장 비슷한 분포는 정규분포이며 최적구간은 0.0~0.3 m/s 이었다. 그 외의 분포는 0.
- 12 m3 /s값으로 제일 적었다. 2 변수 Gamma 분포가 0.8 m로 가장 큰 편차의 합을 나타냈고, 생태유량 차이는 2 변수 Gamma 분포가 0.87 m3 /s 값으로 가장 많은 생태유량의 편차를 보였다. 수심 서식처 적합도 지수의 편차합계에 대한 생태유량 차이의 회귀분석식을 Fig.
- 2 변수 Gamma 분포가 3.8 로 가장 큰 편차의 합을 나타냈고, 생태유량 차이는 Gumbel 분포가 1.19 m3/s로 가장 많은 생태유량의 편차를 보였다.
- 54로 제일 편차가 적고 생태유량 차이는 이에 비례하지 않았다. 2 변수 Log-Pearson 분포, 2 변수 대수정규분포, 2 변수 Gamma 분포 는 비슷한 유속 서식처 적합도 지수 편차합계를 보이나 생태 유량은 다른 값으로 평가되었다. 가장 많은 생태유량의 편차를 보이는 것은 0.
- 32 m3 /s로 제일 작다. 2 변수 Log-Pearson 분포, 2 변수 대수정규분포, 2 변수 Gamma 분포는 비슷한 3.5 편차의 합을 보이나 생태유량은 0.34 m3 /s, 0.71 m3/s, 0.97 m3/s 등으로 다른 값으로 평가 되었다. 편차합에 대한 생태유량 차이의 회귀분석식을 Fig.
- 2) 수위관측소와 HEC-RAS 모의값의 수위차를 비교한 결과 0.1~0.23 m의 차이를 보였다. 따라서 HEC-RAS 수위자료를 모의에 사용하였으며, PHABSIM 수리모의 결과를 가지고 HEC-RAS와 오차평가한 결과 RMSE의 경우 0.
- 3) 1차원 모형인 PHABSIM을 이용하여 확률밀도함수별 서식처 적합도 지수를 남대천 도심하천구간과 자연하천구간에 적용하여 생태유량의 결과를 분석하면, 도심하천구 간의 경우가 2.06~3.74 m3/s로 모의됐으며, 정규분포가 가장 근접한 결과를 도출하였다. 자연하천구간은 생태유량 이 1.
- 4) 생태유량은 남대천 유황의 갈수량에서 평수량 범위로 나타났다. 향후 어류의 미시서식 조건을 고려한 생태유량 산정에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 기대해본다.
- PHABSIM 모형에서 유속 서식처 적합도 지수, 수심 서식처 적합도 지수별 편차합계에 의한 민감도 분석 결과 도심이나 자연하천구간에서 정규분포가 가장 적은 편차합계를 보였다. 도심하천구간에서는 정규분포가 가장 적은 편차합계를 나타냈다.
- 8은 2011년 Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs (MLTMA)에서 조사한 남대천 유역에서의 어류 출현율을 보여준다. 대상구간에서 출현한 어종 중 개체수 비율은 Zacco platypus가 개체수 구성비 49%로 가장 높게 나타나 대상어종으로 선정하였다.
- 23 m의 차이를 보였다. 따라서 HEC-RAS 수위자료를 모의에 사용하였으며, PHABSIM 수리모의 결과를 가지고 HEC-RAS와 오차평가한 결과 RMSE의 경우 0.01~ 0.02, NSE는 0.52~0.56로 만족할만한 결과를 나타냈다.
- 2 m/s의 범위에서 최적구간이 형성되었다. 수심에 대한 적합도 지수 분포는 0.1~0.2 m로 형성되었고, 2 변수 Log-Pearson 분포의 적합도 지수 값이 가장 작고, Gamma 분포와 Gumbel 분포가 수심 1.4 m까지 다른 분포에 비하여 감소 경사가 완만하게 분포되었다.
- 74 m3/s로 모의됐으며, 정규분포가 가장 근접한 결과를 도출하였다. 자연하천구간은 생태유량 이 1.71~2.71 m3/s 로 산정되었으며, 2 변수 Log-Pearson 분포가 가장 근접한 결과를 보였다.
- 하지만 자연하천구간의 경우 폭이 좁고, 여울과 소가 반복되기 때문에 특정 물리적 범위에 편향되는 경향을 나타낸2 변수 LogPeason 분포에서 가장 근접한 값이 산정되었다. 전체적인 관점에서 살펴보면 도심하천구간의 생태유량은 2.06~3.47 m3/s, 자연하천구간의 생태유량은 1.71~2.71 m3/s 로 산정되어, 하천폭과 수심이 비교적 높은 도심하천구간에서 좀 더 많은 유량이 필요한 것으로 판단된다.
후속연구
- 이에 따른 결과는 서식처 특성에 따른 상호 작용과 각 서식처가 주어진 종과 어떻게 관련되는지를 나타낸다. 또한 종 서식처 관계에 대한 의사 결정과 이해 증진을 위한 기반으로 작용할 것이다. 서식처 적합도 지수는 포괄적인 문헌 검토, 목표의 정의 및 지리적 정의 등이 필요하며 포괄적인 자 료와 계절별 서식처, 유량, 하상재료 등으로 정의된다.
- 그러나 그 생태계 속에 생활하고 있는 모든 생물종의 개별적 특성과 상호 관련성을 조사 확인하는 것은 현실적으로 불가능하다. 이에 대표어종을 선정하여 관리 함으로써 해당 수계의 서식환경의 변화에 대처하고 하천 생태 계가 가능한 범위 내에서 보존될 수 있도록 하여야 할 것이다.
- 4) 생태유량은 남대천 유황의 갈수량에서 평수량 범위로 나타났다. 향후 어류의 미시서식 조건을 고려한 생태유량 산정에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 기대해본다.
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