[논문]다목적댐 건설에 따른 하천의 생태 및 수문환경 변화

조연화; 박서연; 나종문; 김태웅; 이주헌

doi:10.17663/jwr.2019.21.s-1.16

다목적댐 건설에 따른 하천의 생태 및 수문환경 변화
Hydrological and Ecological Alteration of River Dynamics due to Multipurpose Dams 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.21 no.spc, 2019년, pp.16 - 27

조연화 (중부대학교 토목공학과) , 박서연 (중부대학교 토목공학과) , 나종문 (중부대학교 토목공학과) , 김태웅 (한양대학교 건설환경공학과) , 이주헌 (중부대학교 토목공학과)

초록
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자연적 기후변화와 댐 건설로 인한 인위적 수문환경의 변화로 인하여 하천의 유황(flow regime) 변화가 발생하며, 이러한 유황의 변화는 하천의 생태계뿐만 아니라 하천의 물리적 구조와 어류서식처 등에도 심각한 변화를 야기한다. 본 연구에서는 감천유역의 부항댐 건설로 인하여 나타난 수문특성변화와 동시에 하천의 생태건강성 및 수질, 하천단면 변화를 분석하였다. 감천의 유황 변화를 정량적으로 파악하기 위해 수문변화지표(Indicators of Hydrologic Alteration, IHA)에 의한 분석 결과, HA(Hydrologic Alteration)가 대부분 ±1 이상으로 댐 건설 후 하천생태계에 다양한 변화가 발생한 것으로 판단된다. 또한, 생태건강성등급 및 수질은 각 요소마다 상이한 반응이 나타났으며, 하천의 하상 및 단면의 경우에는, 댐 건설 후에 하상 단면의 저하가 뚜렷하게 나타났다. 본 연구의 성과는 하천의 유황 변화에 의한 하천생태계의 변화를 평가하기 위한 효율적인 방법으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Alteration in the flow regime of rivers are caused by natural climate change and the changes in anthropogenic hydrological environment due to dam construction. These changes in flow regime cause serious changes not only in the fresh water ecosystems of the rivers but also in the physical structures and fish habitats of the streams. In this study, the alteration in the hydrological characteristics of the Gam river basin due to Buhang dam construction and the changes in ecological health condition, water quality, and river cross-section were analyzed. As a result of analysis by indicators of hydrologic alteration (IHA) to quantitatively change the flow regime of Gam river, HA (Hydrologic Alteration) is more than ±1 and various changes have occurred in the river ecosystem after Buhang dam construction. In addition, ecological health condition and water quality showed different response for each element, and in the case of riverbeds and channel cross-sections, the degradation of channel bed was obviously monitored after dam construction. The results of this study are expected to be used as an efficient method for evaluating changes in stream ecosystems caused by stream regime changes.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Study area and location map of hydro-meteorological gaging stations
표 Table 1. Informations for hydro-meteorological data
표 Table 2. Classification of dry and wet condition by SPI
그림 Fig. 2. Flow chart for EFC calculation algorithm in IHA (Hersh and Maidment, 2006)
그림 Fig. 3. Analysis of natural climate changes before and after the Buhang dam construction using SPI6 (Changes in moisture condition based on monthly precipitation during 2007-2018)
그림 Fig. 4. Analysis of monthly meteorological drought condition before and after the Buhang dam construction using SPI6 (2007-2018)
표 Table 3. Classification of ecological health condition of rivers based on Trophic Diatom Index, Benthic Macro invertebrate Index and Fish Assessment Index
그림 Fig. 5. Monthly flow change and RVA(Range of Variability analysis) before and after the Buhang dam construction
그림 Fig. 6. Maximum and minimum flow change and RVA before and after the Buhang dam construction
그림 Fig. 7. Hydrologic alteration of Gam river for 3 RVA categories(High, Middle, Low) for 5 groups
표 Table 4. Change of ecological flow components(Extreme low flow, low flow, high flow pulse, small flood and large flood) of Gam river
그림 Fig. 8. Changes in ecological health condition(Trophic Diatom, Benthic Macro invertebrate, Fish) and water quality(TP and BOD) at BGamcheonB4 and BGamcheonB5 station of Gam river
그림 Fig. 9. Changes in water quality (TP and BOD) at Gamcheon1 (Gimcheon) and Gamcheon2-1 (Namsan) station of Gam river
그림 Fig. 10. River cross section changes of Seonju and Gimcheon station in Gam river

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 국내의 경우에는 댐건설 및 하천 개발에 따른 유황변화의 정량적 평가와 동시에 생태 및 수질변화, 하도변화를 분석한 생태학과 수문학이 연계된 생태수문학적 고찰과 연구는 다소 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 김천부항댐 건설을 기준으로 기상변화와 수문특성변화를 정량적으로 분석하고 감천의 생태 건강성 및 수질, 하천단면 관측자료를 통해 댐 건설 후 감천유역의 수문학적 특성 및 생태학적 특성변화를 분석하고자 한다.
댐이나 보와 같은 하천의 횡단구조물 건설로 인해 하천 수생태계의 변화가 나타나고 있으며, 이러한 문제를 가져오는 원인은 하천구조물 건설에 따른 유황변화에서 찾을 수 있다. 본 연구에서는 감천유역의 김천부항댐 건설에 따른 수문환경변화를 정량적으로 평가하여 하천 생태계에 미치는 영향을 분석하고자 하였으며, 아래와 같은 결론을 도출하였다.

가설 설정

여기서, Observed frequency는 특정 범위에 속하는 기준 기간 이후의 유량 빈도이고 Expected frequency는 특정 범위에 속하는 기준 기간 이전의 유량 빈도이다. 본 연구에서 Observed frequency는 댐 건설 후 유량빈도, Expected frequency는 댐 건설 전 유량빈도로 설정하였다. 즉, HA가 양의 값이면 댐 건설 전보다 댐 건설 후의 유량빈도가 증가하였음을 의미하고 HA가 음의 값이면 댐 건설 후의 유량빈도가 감소하였음을 의미한다.

제안 방법

2) 감천유역의 수문환경변화를 분석하기 위해 IHA를 활용하여 수문변화지표군(HA)과 환경유량지표군(EFC)을 산정하였다. HA 분석결과 대부분 ±1 이상으로 댐 건설 후 하천생태계에 다양한 변화가 발생한 것으로 판단되었으며, 환경유량지표군 분석 결과, 극치 갈수량은 190% 증가함에 따라 수생 및 강가 생태 군락의 외래종 유입, 제한된 하도구간내 포식자 먹이 밀도 등의 영향을 미칠 수 있으며, 댐건설로 인하여 소규모홍수와 대규모 홍수가 사라지는 현상으로 어류의 이동 및 산란, 범람원 내의 식물 분포 및 개체수, 수생 및 강가 생태 군락 등의 생태계에 적지 않은 변화를 야기할 수 있을 것으로 예상된다.
감천 유역의 수생태의 변화를 정량적으로 평가하기 위해 환경부 “물환경정보시스템”에서 제공하는 생물측정망 측정결과를 활용하였다.
3백만m³이다. 김천부항댐 건설에 따른 감천의 유황변화를 확인하기 위해 댐 준공 시점인 2014년을 기준으로 댐 건설 전 기간(2007~2013년)과 댐 건설 후 기간(2014~2018년)의 일유량을 이용하여 분석하였다. 수문자료의 통계학적 분석 결과에 대한 신뢰성을 확보하기 위해서는 최소 30년 이상의 수문기상 자료가 필요하나 자료의 관측 및 취득 문제로 인해 “국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)”에서 제공하는 2007년부터 2018년도까지 12년(댐 건설 전 7년, 댐 건설 후 5년)의 일유량 자료를 수집하였다.
본 연구에서는 SPI의 지속기간 6개월로 설정하여 댐 건설 전후의 기상학적 변화 추이를 비교하였다. 또한, 두 기간의 SPI6의 차이를 정량화하여 제시하기 위해 R-index를 다음과 같이 계산하였다.
본 연구에서는 SPI의 지속기간 6개월로 설정하여 댐 건설 전후의 기상학적 변화 추이를 비교하였다. 또한, 두 기간의 SPI6의 차이를 정량화하여 제시하기 위해 R-index를 다음과 같이 계산하였다.

대상 데이터

댐 하류의 하천 지형의 변화를 살펴보기 위해 “한국수자원조사기술원”에서 제공한 감천유역의 김천교 및 선주교 지점의 하천단면 측량자료를 활용하였다. 김천교 지점은 2009년도부터 2018년까지 유량측정에서 실시된 단면 측량자료를 활용하였고, 선주교 지점은 2007년부터 2018년까지의 유량측정에서 실시된 단면 측량자료를 활용하였다(Fig. 10).
김천부항댐 건설에 따른 감천유역의 생태 및 수질의 변화를 파악하기 위해 김천교(BGamcheonB4, BGamcheon1)와 남산교(BGamcheonB5, BGamcheon2-1) 지점의 생태건강성평가등급과 수질 자료를 활용하였다.
댐 건설 전후의 수질환경 변화를 비교하기 위해 목표 수질을 기준으로 “물환경정보시스템” 수질측정망의 2007~2019년 자료를 분석하였다.
댐 하류의 하천 지형의 변화를 살펴보기 위해 “한국수자원조사기술원”에서 제공한 감천유역의 김천교 및 선주교 지점의 하천단면 측량자료를 활용하였다.
목표수질은 “감천 중권역 물환경관리계획(2013)”에서 제시된 값을 적용하였으며, T-P는 0.11(mg/l), BOD는 1.0(mg/l)으로 설정하였다.
본 연구에서는 댐 건설에 따른 수문특성 및 생태적 변화를 살펴보기 위해 낙동강 1차 지류인 감천을 대상으로 하였다. 김천부항댐은 감천의 지류인 부항천에 위치하고 감천 상류에서 합류한다.
생태건강성평가등급은 “물환경정보시스템”의 BGamcheonB4 및 BGamcheonB5 지점 2009~2016년 자료를 사용하였다.
수문자료의 통계학적 분석 결과에 대한 신뢰성을 확보하기 위해서는 최소 30년 이상의 수문기상 자료가 필요하나 자료의 관측 및 취득 문제로 인해 “국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)”에서 제공하는 2007년부터 2018년도까지 12년(댐 건설 전 7년, 댐 건설 후 5년)의 일유량 자료를 수집하였다.
1과 같이 도시하였다. 일유량은 선주교 수위관측소 자료(2007~2018년)를 사용했으며, 생태건강성등급은 BGamcheonB5(남산교), BGamcheonB4(김천교) 지점 자료(2009~2016년)를 수질은 Gamcheon2-1(남산교), Gamcheon1(김천교) 지점 자료(2007~2019년)를 사용하였다. 하천 단면은 선주교 및 김천교 지점 자료(2007~2018년)를 사용하였으며, 강수량 자료는 추풍령, 구미, 거창 관측소 자료(1975~2018년)를 사용하였다(Table 1).
일유량은 선주교 수위관측소 자료(2007~2018년)를 사용했으며, 생태건강성등급은 BGamcheonB5(남산교), BGamcheonB4(김천교) 지점 자료(2009~2016년)를 수질은 Gamcheon2-1(남산교), Gamcheon1(김천교) 지점 자료(2007~2019년)를 사용하였다. 하천 단면은 선주교 및 김천교 지점 자료(2007~2018년)를 사용하였으며, 강수량 자료는 추풍령, 구미, 거창 관측소 자료(1975~2018년)를 사용하였다(Table 1).

데이터처리

1) 댐 건설 전, 후의 자연적인 기상변화를 확인하기 위해 SPI6를 적용하여 R-index를 분석하였다. R-index 분석 결과, 댐 건설 이전과 댐 건설 이후의 홍수와 가뭄의 발생정도는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
댐 건설 전후(2007년~2018년)의 감천유역의 홍수 및 가뭄발생과 같은 기상학적 변화 정도를 분석하기 위해 SPI6와 SPI에 따른 Moisture condition(Table 2)을 활용하여 R-index를 산정 하였다(Fig. 3.). 댐 건설 후를 기준으로, 습윤상태의 Extremely moisture와 Moderately moisture는 감소하였으며 Severely moisture는 증가하였다.

이론/모형

대상유역의 분석 기간 동안 발생한 홍수 및 가뭄 등의 기상학적 변화 추세를 파악하기 위해 기상청(Korea Meteorological Administration, KMA)의 종관기상관측(Automated Surface Observing System, ASOS)에서 제공하는 1975년부터 2018년까지 강수량 자료를 활용하여 표준강수지수(Standardized Precipitation Index, SPI)를 산정하였다. SPI는 강수량 자료만을 활용하여 특정 기간에 따른 강수 확률을 나타내는 지수로서(McKee et al.
본 연구에서는 김천부항댐 건설에 따른 감천의 유황변화를 분석하기 위해 IHA(Indicators of Hydrologic Alteration)에 의한 분석기법(TNC, 2009)을 이용하였다. IHA는 일유량 자료를 통계적으로 분석하고 인위적 이용 및 토지 이용 등의 변화에 따른 유황변화와 그로 인한 영향을 수문변화지표군(Indicators of Hydrologic Alteration, IHA)의 매개변수와 환경유량지표군(Ecological Flow Component, EFC)의 매개변수로 분리하여 제시한다.

성능/효과

3) 생태건강성평가등급 분석 결과 BGamcheonB4과 BGamcheonB5에서의 부착돌말류 생물등급은 연도별로 크게 변화하였으며, 저서성 대형무척추동물의 생물등급 및 어류는 댐 건설 후에도 건강성 등급의 변화가 없는 것으로 나타났다.
4) 댐 건설에 따라 김천교와 선주교 지점 모두 하천의 침식이 뚜렷하게 발생하였으며, 이는 댐 건설로 인해 상류에서 내려오는 유사가 차단되어 하상고가 저하되는 현상이 나타나는 것으로 판단된다.
7은 수문변화지표군의 식(2)에 의한 HA 산정결과다. Fig. 6 및 Fig. 7에서와 같이 1, 3, 7, 30, 90일 지속기간별 최소유량은 모두 댐 건설 후 증가하였으며, 그 중 지속기간 7일인 최소유량이 댐 건설 전 0.56m³/s에서 댐 건설 후 1.51m³/s로 댐 건설 전에 비해 171.76% 증가한 것으로 나타났다. 반대로 1, 3, 7, 30, 90일 지속기간별 최대유량은 모두 감소하였으며, 그 중 지속기간 1일 최대유량은 댐 건설 전 662.
T-P의 경우 2011년부터 감소하는 경향을 보였으며, 2011년에는 목표 T-P를 달성하였다. Gamcheon1과 Gamcheon2-1 모두 댐건설 후 BOD의 최댓값과 최솟값의 차가 증가하고, T-P는 감소하는 경향을 보였다.
Gamcheon1의 측정자료 분석결과 댐 건설 후 기간에서 BOD 최댓값과 최솟값 차가 크게 나타났으며, 댐 건설 후 BOD가 증가하는 것으로 나타났다. TP는 댐 건설 전부터 감소하는 경향을 가지고 2009년부터 목표 T-P 이하로 나타났다
HA 분석결과 대부분 ±1 이상으로 댐 건설 후 하천생태계에 다양한 변화가 발생한 것으로 판단되었으며, 환경유량지표군 분석 결과, 극치 갈수량은 190% 증가함에 따라 수생 및 강가 생태 군락의 외래종 유입, 제한된 하도구간내 포식자 먹이 밀도 등의 영향을 미칠 수 있으며, 댐건설로 인하여 소규모홍수와 대규모 홍수가 사라지는 현상으로 어류의 이동 및 산란, 범람원 내의 식물 분포 및 개체수, 수생 및 강가 생태 군락 등의 생태계에 적지 않은 변화를 야기할 수 있을 것으로 예상된다.
1) 댐 건설 전, 후의 자연적인 기상변화를 확인하기 위해 SPI6를 적용하여 R-index를 분석하였다. R-index 분석 결과, 댐 건설 이전과 댐 건설 이후의 홍수와 가뭄의 발생정도는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
첨두 유량 감소로 인해 하상기질의 크기가 감소하고 장기간의 저유량 후 정상적인 수질상태로 회복하는 능력 또한 감소할 것으로 판단된다(TNC, 2009). 네 번째는 소규모 홍수와 대규모 홍수로 댐 건설 후에 댐에 의한 홍수조절효과로 인하여 소규모 홍수와 대규모 홍수의 발생빈도가 0으로 나타났다. 홍수가 사라지면서 식생의 분포 및 개체수 조절과 대량 서식지 생성이 어려우며, 먹이 및 서식지 구조물의 유입이 감소할 것으로 판단된다(TNC, 2009).
즉, 최소유량 발생일이 크게 변하여 생물의 생애주기가 변화될 것으로 예상된다(TNC, 2009). 네 번째로는 Low pulse의 개수와 High pulse의 지속기간의 변화는 없지만 Low pulse의 지속기간과 High pulse의 개수는 증가하는 것으로 나타난다. 다섯 번째로는 유량의 증감률로서, Fall rate가 증가하고 Rise rate는 감소한 것으로 나타났다.
네 번째로는 Low pulse의 개수와 High pulse의 지속기간의 변화는 없지만 Low pulse의 지속기간과 High pulse의 개수는 증가하는 것으로 나타난다. 다섯 번째로는 유량의 증감률로서, Fall rate가 증가하고 Rise rate는 감소한 것으로 나타났다.
). 댐 건설 후를 기준으로, 습윤상태의 Extremely moisture와 Moderately moisture는 감소하였으며 Severely moisture는 증가하였다. 보통상태인 Approximately normal은 댐 건설 후 증가한 것으로 나타났다.
감천유역의 매개 변수는 HA가 ±1 이상 값을 가지는 경우가 거의 대부분이며, 지속기간별 최소유량의 증가, 최대유량의 감소가 뚜렷한 변화로 나타났다. 또한 월평균유량, 홍수와 갈수의 발생빈도, 지속기간 등도 댐건설 후에 크게 변한 것으로 분석되었다. 따라서 댐 건설 전후의 변동성을 분석하면 댐 건설 후 하천생태계에 다양한 변화가 발생하였을 것으로 판단된다.
76% 증가한 것으로 나타났다. 반대로 1, 3, 7, 30, 90일 지속기간별 최대유량은 모두 감소하였으며, 그 중 지속기간 1일 최대유량은 댐 건설 전 662.9m³/s에서 댐 건설 후 240.3m³/s로 댐 건설 전에 비해 63.75% 감소한 것으로 나타났다. 특히, Fig.
(2018)는 Conchos 강의 기후변화와 댐 건설에 따른 수문변화를 평가하기 위해 표준강수지수(Standardized Precipitation Index, SPI)와 수문변화지표법을 활용하였다. 세 가지 연구 모두 수문변화지표의 변동성을 중요시하며, 분석결과에서 저수지 및 댐 운영에 의해 호수와 강의 수문학적 특성이 크게 영향을 받은 것으로 나타났다.
세 번째는 최소유량 발생일, 최대유량 발생일로 최소유량은 61일, 최대유량은 4일 지체되었다. 61일 지체된 최소유량 발생일의 High RVA category의 HA는 +1.
87% 증가하였지만 1월과 10월의 유량 증가를 제외하면 댐 건설 전과 거의 비슷한 규모로 나타난다. 세 번째는 풍수량으로 발생빈도는 57.14% 증가하였고 첨두 유량(Peak flow)은 13.73% 감소하였다. 첨두 유량 감소로 인해 하상기질의 크기가 감소하고 장기간의 저유량 후 정상적인 수질상태로 회복하는 능력 또한 감소할 것으로 판단된다(TNC, 2009).
수질 변화 분석 결과 Gamcheon1과 Gamcheon2-1 BOD는 댐 건설 후 기간에 최댓값과 최솟값의 차이가 증가하였으며,T-P는 댐 건설 후에 뚜렷하게 감소하는 경향을 보인다.
연구에 활용된 기상관측기록이 비교적 짧다는 한계가 있지만, 부항댐 건설 전후의 감천유역의 자연적 기상변화는 크지 않은 것으로 분석되었으며, 건설전후에 극한의 홍수사상과 극심한 가뭄사상이 한 번씩 발생한 것으로 나타났다.
감천유역의 환경유량지표군에 대한 분석 결과, 2007년부터 2018년까지의 환경유량과 관련된 유량의 변화는 Table 4와 같다. 첫 번째로는 극치갈수량으로서 댐건설 후에 190% 증가한 것으로 나타났다. 두 번째는 월별 저수량(Monthly low flows)으로서, 댐 건설 후 7.
5와 같이 댐 건설 전, 후 월유량의 패턴 변화를 확인할 수 있다. 특히, 댐 건설 후 홍수조절 및 하천유지용수 방류량 조절로 인해 비홍수기 기간의 경우 유량은 증가하였으며 홍수기 기간의 경우 유량이 감소하는 것으로 나타났다. 댐 건설에 따른 월 유량 패턴의 변화로 수생생물의 서식처 가용성 변화와 같은 생태계에 변화가 있을 것으로 판단된다.

후속연구

본 연구에서도 댐의 건설로 인한 하천유황의 변화는 정량적으로 뚜렷한 변화를 추정할 수 있었지만, 유황의 변화가 하천의 생태계와 수질환경 및 하천구조에 미치는 영향을 정량적으로 분석하기는 쉽지 않았다. 하지만 하천구조물 설계시 생태계를 고려한 명확한 목표를 설정하고 댐과 같은 하천시설물의 운영에 자연하천 유량을 고려한다면 생태 환경 변화를 최소화할 수 있을 것으로 판단되며, 본 연구성과는 이와 같은 자연생태계의 복원을 위한 주요한 수단으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수문변화지표란?	하천의 유황변화와 수생태계에 미치는 영향을 정량적으로 분석하기 위한 대표적인 방법 중 하나인 수문변화지표(Indicatorsof Hydrologic Alteration, IHA)법은 하천 및 수생태계와 관련된 수문학적 연구, 생태학적 연구, 환경유량 연구 등의 다양한 분야에 적용되었다(The Nature Conservancy, 2009).
	유황 특성의 변화가 끼치는 영향은?	하천유황의 장기적 변화는 하천생태계에 여러 가지 영향을 미치며 특히, 하천유량의 규모(Magnitude)별, 발생시기(Timing),발생빈도(Frequency), 지속기간(Duration) 및 변화율(Rate of Change)과 같은 유황 특성의 변화는 식생뿐 아니라 하천의 구조, 어류서식처 등에도 심각한 변화를 야기한다(Poff et al., 1997).
	하천유황의 장기적 변화를 분석해야 하는 이유는?	, 1997). 따라서 하천의 유황 특성과 하상변동을 분석하는 일은 하천구조물 설계 및 운영, 하천관리, 하천 복원 과정에 매우 중요한 정보를 제공한다(Boulton, 2001; Shin et al., 2008).

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Yoon, TY (2017). A Study on Analysis of Environmental Flow on Agricultural Reservoir by Climate Change, Master's Thesis, The University of Seoul. [Korean Literature]

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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