[논문]저수로 물길 복원을 통한 서식처 공간 변화 연구

최종근; 최흥식; 최병웅

doi:10.17820/eri.2019.6.1.058

저수로 물길 복원을 통한 서식처 공간 변화 연구
A Case Study of the Habitat Changes due to the Restoration of Low-Flow Channel 원문보기

Ecology and resilient infrastructure, v.6 no.1, 2019년, pp.58 - 68

최종근 (상지대학교 토목공학과) , 최흥식 (상지대학교 토목공학과) , 최병웅 (뉴캐슬대학교, 공과대학)

초록
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본 연구는 저수로 물길 복원 조성을 통한 복원이 어류 서식처에 미치는 영향을 파악하기 위하여 원주천을 대상으로 물리서식처 분석을 수행하였다. 대상 어종은 원주천 중 상류에 서식하는 우점종인 참갈겨니를 대상으로 하였다. 흐름 분석은 2차원 모형인 River2D 모형을 사용하였으며, 서식처 분석은 서식처 적합도 곡선을 이용하여 서식처의 양과 질을 산정하는 서식처 적합도 모형을 사용하였다. 먼저 저수로 복원을 위하여 대상 구간의 강턱유량을 통하여 저수로 물길을 확인하고, 이를 통해 수리학적으로 유리한 저수로 단면을 설계하였다. 또한, 저수로 구간에 거석, 여울/소 구조, 그리고 단면 확폭을 통하여 다양한 복원기법을 적용하였다. 그 결과 수리학적으로 유리한 저수로 물길 복원 조성의 경우 현상태의 하폭보다 감소하였기 때문에 서식처가 악화되는 것으로 나타났다. 그러나 다양한 복원 기법을 적용하였을 때 서식처는 약 11% 정도 향상되는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This present study conducted the impact of the restoration of low-flow channel on fish habitat in a reach of the Wonju Stream, Korea. The target species were Zacco koreanus, a dominant species in the middle- and upper-stream of Wonju Stream. The River2D model was used for the computation of the flow and the habitat suitability index model was used to estimate the quantity and quality of fish habitat using habitat suitability curves. In order to restore the study area, the low-flow channel was identified through the bankfull discharge of the study reach, and the best hydraulic section was designed. In addition, various restoration techniques were applied to the low-flow channel through rocks, pool/riffle structures, and the change of the channel width. Simulation results indicated that the restoration of the best hydraulic section effects decreased habitat suitability for the target species. However, when various restoration techniques were applied, the WUA (Weighted Usable Area) was improved by about 11%.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Study reach.
그림 Fig. 2. Distribution of bed elevation.
그림 Fig. 3. Habitat suitability curves for Zacco koreanus.
그림 Fig. 4. Results of the flow modelling (Q=31 m³/s).
그림 Fig. 5. Change of WUA with discharge.
그림 Fig. 6. The change of low flow channel for each cross section.
그림 Fig. 7. Results of the various restorations of low flow channel.
그림 Fig. 8. Distributions of CSI for the target species.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 수리학적으로 유리한 저수로 물길 복원이 우점종에 미치는 영향에 대해 물리서식처 분석을 수행하였다. 대상 구간은 원주천 중·상류 900 m 구간을 대상으로 하였으며, 대상 어종은 우점종인 참갈겨니 (Zacco koreanus)를 선정하였다.
이는 어종 특성상 선호하는 유속의 범위는 수심에 비해 상대적으로 넓게 분포하고 있으나, 수심의 경우 선호 하는 범위가 너무 좁게 분포하는 경향이 있기 때문인 것으로 판단된다. 본 연구는 물리서식처 분석을 이용하여 치수적으로 유리한 저수로 설계 및 하천에 서식하는 우점종의 서식처를 향상시킬 수 있는 복원기법 도입을 통해 서식처의 변화 여부를 살펴보았다. 그러나 우점종에 대해 물리서식처 분석을 수행하였고 상대적으로 적용이 용이한 복원 기법을 적용하였다는 한계점이 있다.
본 연구는 수리학적으로 유리한 저수로 물길 복원 및 다양한 저수로 복원기법의 적용을 통해 우점종의 서식처에 미치는 영향에 대해 원주천을 대상으로 물리서식처 분석을 수행하였다. 대상 구간은 원주천 중·상류에 위치한 900 m 구간으로, 대상 어종은 원주천의 중·상류에 서식하는 우점종인 참갈겨니를 목표로 하였다.

제안 방법

수리학적으로 유리한 저수로 물길 복원 조성은 강턱유량 조건에서 모의를 하였을 때 저수로 물길을 확인하고, 이를 바탕으로 해당 단면에서의 수심 및 유속과 하폭을 이용하여 산정하였다. 각각의 단면은 하폭이 수심 방향 높이의 2배가 되도록 단면을 변경하였으며, 복단면의 형태를 나타낼 수 있도록 하였다. 기존의 자연하도의 형태보다 저수로 물길 복원을 조성하였을 때, 어류가 서식할 수 있는 공간이 상대적으로 줄어들기 때문에 서식처의 변화가 발생할 것으로 판단된다.
대상어종의 경우 산란기, 치어기, 성어기로 각각의 성장 단계별 분석이 필요하지만, 산란기와 치어기의 경우 서식처의 수리조건이 짧은 기간에 편중되어 있다. 그러나 성어기의 경우 겨울을 제외하고는 대부분의 기간을 고려할 수 있기 때문에 본 연구에서는 성어기의 참갈겨니를 대상어종으로 하여 분석을 수행하였다.
그리고 서식처 분석을 통하여 저수로 복원 설계 전･후에 대한 서식처의 질적·양적 변화를 비교 및 분석하였다.
그 결과 본 연구 대상 지역에서의 참갈겨니가 갖는 가중가용면적이 최대로 발생되는 유량은 3 m³/s로 나타났으며, 이는 원주천의 풍수량과 거의 비슷한 유량이다. 본 유량은 연구 대상 지역의 결과 즉, 수리학적으로 유리한 단면으로의 저수로 설계 및 다양한 복원 기법을 적용하였을 때 동일한 유량 조건에서의 서식처 변화에 대해서 결과를 도출하는데 사용되었다.
저수로 물길 복원 조성을 위하여 수리학적으로 유리한 저수로 단면으로의 복원 및 거석, 여울/소 구조, 단면의 확폭을 통해 기존 자연형 하천과는 다른 복원을 조성 하였다. 수리학적으로 유리한 저수로 단면의 설계는 본 대상 구간의 강턱유량으로 모의하였을 때의 저수로 물길을 확인한 후, 해당 당면의 강턱유량 조건에서의 수심 및 유속과 하폭을 이용하여 설계하였다. 수리학적으로 유리한 저수로 단면으로 복원하였을 때, 기존 자연하천의 하폭보다 상대적으로 줄어들었고, 단면이 단조로운 복단면 형태를 나타내었다.
빨간색으로 도시화 된 것은 현상태의 자연하천의 단면이고, 초록색은 수리학적으로 유리한 저수로 물길을 조성한 결과를 나타낸다. 수리학적으로 유리한 저수로 물길 복원 조성은 강턱유량 조건에서 모의를 하였을 때 저수로 물길을 확인하고, 이를 바탕으로 해당 단면에서의 수심 및 유속과 하폭을 이용하여 산정하였다. 각각의 단면은 하폭이 수심 방향 높이의 2배가 되도록 단면을 변경하였으며, 복단면의 형태를 나타낼 수 있도록 하였다.
5는 참갈겨니의 유량에 따른 가중가용면적의 변화를 나타낸 결과이다. 원주천의 갈수량에 해당되는 유량부터 시작하여 유량을 점차적으로 증가시키면서 가중가용면적의 변화를 나타내었다. 그 결과 본 연구 대상 지역에서의 참갈겨니가 갖는 가중가용면적이 최대로 발생되는 유량은 3 m³/s로 나타났으며, 이는 원주천의 풍수량과 거의 비슷한 유량이다.
저수로 물길 복원 조성을 위하여 수리학적으로 유리한 저수로 단면으로의 복원 및 거석, 여울/소 구조, 단면의 확폭을 통해 기존 자연형 하천과는 다른 복원을 조성 하였다. 수리학적으로 유리한 저수로 단면의 설계는 본 대상 구간의 강턱유량으로 모의하였을 때의 저수로 물길을 확인한 후, 해당 당면의 강턱유량 조건에서의 수심 및 유속과 하폭을 이용하여 설계하였다.
2차원 흐름모형 중 하나인 River2D 모형을 이용하여 수리분석을 수행하고 서식처 적합도 모형을 이용하여 서식처 분석을 수행하였다. 저수로 물길 복원을 수행하기 위해 대상 구간의 강턱유량을 이용하여 저수로 물길을 확인하였으며, 이를 통해 수리학적으로 유리한 저수로 단면을 설계하고 거석, 여 울/소 구조, 저수로 확폭과 같은 다양한 복원기법을 적용하였다. 그리고 서식처 분석을 통하여 저수로 복원 설계 전･후에 대한 서식처의 질적·양적 변화를 비교 및 분석하였다.

대상 데이터

9 km²인 도시하천으로 원주시를 남북으로 관류하고 있다. Fig. 1은 연구대상지역인 원주천을 나타내고 있으며, 900 m 구간을 대상으로 하였다. 원주천은 지속적으로 생태하천 조성사업이 이루어져 왔으나, 본 연구대상구간은 생태하천 조성사업이 시행되지 않은 원주천의 중·상류에 위치한 자연형 하천구간이다.
대상 구간은 원주천 중·상류 900 m 구간을 대상으로 하였으며, 대상 어종은 우점종인 참갈겨니 (Zacco koreanus)를 선정하였다.
대상 구간은 원주천 중·상류에 위치한 900 m 구간으로, 대상 어종은 원주천의 중·상류에 서식하는 우점종인 참갈겨니를 목표로 하였다.
참갈겨니의 경우 수심이 확보되고 다양한 유속의 조건에서 서식할 수 있는 특성을 보이는 것으로 나타났다. 또한 본 연구 대상구간은 원주천 상류 지점으로 대부분의 기층은 자갈로 구성되어 있다. 따라서 대상 구간 내 어종의 서식처 적합도는 기층의 영향을 거의 받지 않을 것으로 판단된다.
또한 하류단에 위치한 대평교와 보의 영향으로 하상고가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 본 연구의 대상 구간은 여울과 소가 반복적으로 나타나는 자연형 하천의 하도 형상을 보이고 있다.
본 연구의 대상어종은 Choi et al. (2000)이 수행한 원주천의 군집특성 분석의 결과에 따라 원주천의 중·상류에 우점종으로 서식하고 있는 참갈겨니를 선택하였다.
원주천은 지속적으로 생태하천 조성사업이 이루어져 왔으나, 본 연구대상구간은 생태하천 조성사업이 시행되지 않은 원주천의 중·상류에 위치한 자연형 하천구간이다.

이론/모형

대상 구간은 원주천 중·상류 900 m 구간을 대상으로 하였으며, 대상 어종은 우점종인 참갈겨니 (Zacco koreanus)를 선정하였다. 2차원 흐름모형 중 하나인 River2D 모형을 이용하여 수리분석을 수행하고 서식처 적합도 모형을 이용하여 서식처 분석을 수행하였다. 저수로 물길 복원을 수행하기 위해 대상 구간의 강턱유량을 이용하여 저수로 물길을 확인하였으며, 이를 통해 수리학적으로 유리한 저수로 단면을 설계하고 거석, 여 울/소 구조, 저수로 확폭과 같은 다양한 복원기법을 적용하였다.
본 연구에서 서식처 분석을 수행하기 서식처 적합도 모형을 사용하였다. 서식처 적합도 모형은 수심, 유속, 기층과 같은 물리적 인자들의 서식처 적합도 곡선을 구축하고 이를 이용하여 물리적 인자들 간의 관계를 통해 최종 대상 어종이 갖는 서식처의 적합도 정도를 산정하는 방법이다.
본 연구에서는 Gosse (1982)의 방법을 적용하여 대상어종의 물리적 인자별 서식처 적합도 곡선을 구축하고 이를 이용하여 물리서식처 분석을 수행하였다. 이 방법은 수생물 모니터링 자료에서 각각의 물리적 인자들 조건에 대한 범위를 설정하고 이에 따라 개체수를 정리하였을 때, 개체수 분포가 전체 대상 어종 개체수의 상위 50 %, 75 %, 90 %, 그리고 95 %의 구간에 해당하는 값에 각각 서식처 적합도 지수의 값을 1.
이때의 서식처 적합도를 복합 서식처 적합도 지수라 하며 일반적으로 곱셈법을 이용하여 산정한다. 본 연구에서는 곱셈법을 이용하여 복합 서식처 적합도 지수(Composite Suitability Index, CSI)를 산정하였으며, 이를 연구 대상 구간 내 대상어종이 차지하는 서식처의 면적을 정량적으로 나타내는 가중가용면적 (Weighted Usable Area, WUA)을 산정하는데 이용하였다. 본 연구에서 사용된 복합 서식처 적합도 지수와 가중가용면적 계산에 사용된 식은 다음과 같다.
본 연구에서는 수리분석을 수행하기 위하여 2차원 수심평균된 수리분석 및 물리서식처 모의를 수행할 수 있는 River2D 모형을 사용하였다 (Steffler and Blackburn 2002). 지배방정식은 연속방정식과 종방향 (x)과 횡방향 (y)의 운동량 방정식으로 이루어지며 각각 다음 Eq.
수리 분석과 서식처분석은 각각 River2D 모형과 서식처 적합도 모형을 사용하였다. 서식처 적합도 모형에 사용된 서식처 적합도 곡선은 Gosse (1982)의 방법을 이용하여 구축하였으며, 수심, 유속, 기층을 모두 고려하여 물리 서식처 분석을 수행하였다.
대상 구간은 원주천 중·상류에 위치한 900 m 구간으로, 대상 어종은 원주천의 중·상류에 서식하는 우점종인 참갈겨니를 목표로 하였다. 수리 분석과 서식처분석은 각각 River2D 모형과 서식처 적합도 모형을 사용하였다. 서식처 적합도 모형에 사용된 서식처 적합도 곡선은 Gosse (1982)의 방법을 이용하여 구축하였으며, 수심, 유속, 기층을 모두 고려하여 물리 서식처 분석을 수행하였다.

성능/효과

원주천의 갈수량에 해당되는 유량부터 시작하여 유량을 점차적으로 증가시키면서 가중가용면적의 변화를 나타내었다. 그 결과 본 연구 대상 지역에서의 참갈겨니가 갖는 가중가용면적이 최대로 발생되는 유량은 3 m³/s로 나타났으며, 이는 원주천의 풍수량과 거의 비슷한 유량이다. 본 유량은 연구 대상 지역의 결과 즉, 수리학적으로 유리한 단면으로의 저수로 설계 및 다양한 복원 기법을 적용하였을 때 동일한 유량 조건에서의 서식처 변화에 대해서 결과를 도출하는데 사용되었다.
7에서 보면 알 수 있듯이 현상태의 저수로보다 하폭이 감소하였다. 그 결과 현상태보다 서식처가 악화되는 것으로 나타났으며, 이는 하폭의 감소로 인해 하천의 중심부에서 유속이 빠르고 수심이 증가한 흐름 양상을 보이기 때문에 참갈겨니가 선호하는 수심과 유속의 범위를 벗어난 것으로 판단된다. Case 2와 3은 수리학적으로 유리한 저수로 설계와 함께 거석과 여울/소 구조를 적용한 결과이다.
수리학적으로 유리한 저수로 물길 복원을 조성한 결과를 이용하여 물리서식처 분석을 수행하였을 때, 기존 자연하천인 현상태 대비 약 37% 서식처가 악화되는 것으로 나타났다. 그러나 수리학적으로 유리한 저수로 단면의 설계 조건에서 거석, 여울/소 구조 및 단면의 확폭의 복원을 수행하였을 때 서식처가 최소 약3%에서 최대 21%까지 서식처가 향상되었다. 이는 어종 특성상 선호하는 유속의 범위는 수심에 비해 상대적으로 넓게 분포하고 있으나, 수심의 경우 선호 하는 범위가 너무 좁게 분포하는 경향이 있기 때문인 것으로 판단된다.
또한 본 연구 대상구간은 원주천 상류 지점으로 대부분의 기층은 자갈로 구성되어 있다. 따라서 대상 구간 내 어종의 서식처 적합도는 기층의 영향을 거의 받지 않을 것으로 판단된다.
수리학적으로 유리한 저수로 단면의 설계는 본 대상 구간의 강턱유량으로 모의하였을 때의 저수로 물길을 확인한 후, 해당 당면의 강턱유량 조건에서의 수심 및 유속과 하폭을 이용하여 설계하였다. 수리학적으로 유리한 저수로 단면으로 복원하였을 때, 기존 자연하천의 하폭보다 상대적으로 줄어들었고, 단면이 단조로운 복단면 형태를 나타내었다. 수리학적으로 유리한 저수로 물길 복원을 조성한 결과를 이용하여 물리서식처 분석을 수행하였을 때, 기존 자연하천인 현상태 대비 약 37% 서식처가 악화되는 것으로 나타났다.
수리학적으로 유리한 저수로 단면으로 복원하였을 때, 기존 자연하천의 하폭보다 상대적으로 줄어들었고, 단면이 단조로운 복단면 형태를 나타내었다. 수리학적으로 유리한 저수로 물길 복원을 조성한 결과를 이용하여 물리서식처 분석을 수행하였을 때, 기존 자연하천인 현상태 대비 약 37% 서식처가 악화되는 것으로 나타났다. 그러나 수리학적으로 유리한 저수로 단면의 설계 조건에서 거석, 여울/소 구조 및 단면의 확폭의 복원을 수행하였을 때 서식처가 최소 약3%에서 최대 21%까지 서식처가 향상되었다.
기층의 경우 자갈을 선호하는 것으로 나타났다. 참갈겨니의 경우 수심이 확보되고 다양한 유속의 조건에서 서식할 수 있는 특성을 보이는 것으로 나타났다. 또한 본 연구 대상구간은 원주천 상류 지점으로 대부분의 기층은 자갈로 구성되어 있다.
현상태의 경우 자연하천의 상태로 대상 구간의 중·상류 구간에 서식처가 가장 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
4는 원주천의 강턱유량 조건에서의 수심과 유속의 결과를 나타내고 있다. 흐름 모의결과 대상 구간의 지형학적인 특성이 잘 반영되어 모의되었음을 확인할 수 있다. 특히, 하도 내 지형고의 높고 낮음이 반복되는 여울-소 구조가 형성되어 있었는데, 수심과 유속의 결과가 이를 잘 반영하고 있음을 알 수 있다.

후속연구

본 연구는 물리서식처 분석을 이용하여 치수적으로 유리한 저수로 설계 및 하천에 서식하는 우점종의 서식처를 향상시킬 수 있는 복원기법 도입을 통해 서식처의 변화 여부를 살펴보았다. 그러나 우점종에 대해 물리서식처 분석을 수행하였고 상대적으로 적용이 용이한 복원 기법을 적용하였다는 한계점이 있다. 따라서 추후에 다양한 군집종에 대한 분석뿐만 아니라 하천 내 여러 개의 저수로 물길 및 만곡의 변화 등과 같은 다양한 복원 기법을 적용하여 연구를 진행할 예정에 있다.
기존 연구들은 하천복원사업으로 인한 수리특성과 수생 서식처의 변화를 살펴보는 간접적인 영향에 대한 내용이었다. 그러나 직접적으로 영향을 미치는 하도의 단면을 재설계하고 다양한 복원기법을 적용하여 그 영향을 파악하는 연구도 수행되어야 할 것으로 판단된다.
이는 단면의 급확대 및 급축소로 다양한 수리학적인 변화를 줄 수 있도록 하였다. 다양한 저수로 복원기법을 통하여 본 연구에서 목표 종으로 하였던 참갈겨니의 서식처 변화가 발생될 것으로 판단된다.
그러나 우점종에 대해 물리서식처 분석을 수행하였고 상대적으로 적용이 용이한 복원 기법을 적용하였다는 한계점이 있다. 따라서 추후에 다양한 군집종에 대한 분석뿐만 아니라 하천 내 여러 개의 저수로 물길 및 만곡의 변화 등과 같은 다양한 복원 기법을 적용하여 연구를 진행할 예정에 있다. 본 연구를 통하여 치수적으로 안전하고 수생물의 건강성을 도모할 수 있는 다양한 복원 기법의 적용 사례를 분석함에 따라 하천을 복원하고 이를 평가하는 등의 통합 적인 측면에서 중요한 기초자료가 될 것으로 판단된다.
수리학적으로 유리한 단면으로 저수로를 설계하였을때, 기존 저수로 대비 하폭이 감소할 뿐만 아니라 다양한 흐름 조건을 발생시키지 못하기 때문에 현상태보다 서식처가 악화된 것으로 판단된다. 본 결과를 통해 추후에 자연하천을 대상으로 하천 복원을 수행할 경우, 수리학적으로 유리한 단면을 통해 치수 안정성을 확보하고 더불어 수생물이 건강하게 서식할 수 있는 다양하고 적절한 복원기법을 적용해야 할 것으로 판단된다.
따라서 추후에 다양한 군집종에 대한 분석뿐만 아니라 하천 내 여러 개의 저수로 물길 및 만곡의 변화 등과 같은 다양한 복원 기법을 적용하여 연구를 진행할 예정에 있다. 본 연구를 통하여 치수적으로 안전하고 수생물의 건강성을 도모할 수 있는 다양한 복원 기법의 적용 사례를 분석함에 따라 하천을 복원하고 이를 평가하는 등의 통합 적인 측면에서 중요한 기초자료가 될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하천의 특징은 무엇인가?	하천은 과거부터 현재까지 인간의 삶에 있어서 중요한 공간이며 환경적, 생태적으로도 중요한 가치를 지니고 있다. 특히, 하천은 물과 흙으로 이루어져 있기 때문에 수생물이 살아갈 수 있는 독특한 생태 서식처 공간을 제공한다.
	원주천은 무엇인가?	원주천은 한강 제1지류인 섬강으로 합류하는 하천이며, 유로연장 25.66 km, 유역면적 152.
	하천의 정비와 같이 직강화와 같은 하천정비사업으로 인해 초래된 결과는 무엇인가?	그러나 1960년대 이후 급속한 도시화와 산업화, 국토자원 개발의 시작으로 하천의 정비와 직강화와 같은 하천정비사업이 본격적으로 시작되었다. 이로 인해 수생태계의 다양한 변화를 초래하여 하천 내 종다양성은 감소하고 건강한 서식처 공간이 줄어드는 상황이 발생하게 되었다. 따라서 최근에는 자연친화적인 하천 환경 공간을 조성하고 수생태계의 건강성 확보를 위해 다양한 하천복원 사업을 수행하고 이를 통하여 생태계 서식처 복원에 초점을 맞춘 연구가 진행되고 있다 (Stein et al.

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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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