[논문]만경강 하천공간 복원이 생물다양성에 미치는 영향

전호성; 김규호; 홍일; 김지성

doi:10.3741/jkwra.2019.52.s-2.865

초록
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본 논문의 목적은 하천유역시스템의 다양한 기능을 고려한 하천공간 복원 프레임워크를 개발하고 적용하는 것이다. 특히, 하천공간 복원을 통한 수생태계 개선 효과를 정량화함으로써 지속가능한 하천유역관리 방향을 제시하고자 한다. 이를 위하여 하천유역의 기능 측면에서 현재의 문제점을 도출하고, 각 기능별 복원효과 평가를 위해 개별 성과지표와 연계한 하천공간 복원 프레임워크를 구축하였다. 하천공간 복원에 따른 생태적 영향은 에코톱 개념을 도입하여 개선효과를 정량적으로 분석하였다. 3가지 하천공간 복원 시나리오를 작성하여 복원 효과를 비교분석한 결과, 확대되는 공간에 배후습지 등 적절한 서식처를 조성하는 것이 생물다양성 확대에 유리한 결과를 나타내었다. 연중 수리 수문 특성과 연계한 에코톱의 다양성 평가는 하천공간 복원의 기대효과를 제시할 뿐만 아니라 성과평가를 위한 사업 후 모니터링의 기준이 될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to develop and apply a river space restoration framework considering various functions of river basin system. In particular, we will present sustainable river basin management directions by quantifying the effect of improving the aquatic ecosystem through the restoration...

The purpose of this study is to develop and apply a river space restoration framework considering various functions of river basin system. In particular, we will present sustainable river basin management directions by quantifying the effect of improving the aquatic ecosystem through the restoration of river space. For this purpose, the present problems are derived from functional aspects of the river basin, and the river area restoration framework linked with the individual outcome indicators is constructed to evaluate the restoration effect by each function. The ecological impact of restoration of river area was quantitatively analyzed by introducing ecotope concept. As a result of the comparison of restoration effects by creating three kinds of river area restoration scenarios, the construction of suitable habitat such as backswamp in the expanded area has shown favorable results in expanding biodiversity. The diversity evaluation of ecotope in conjunction with the hydraulic and hydrological characteristics of the year will not only provide the expected effects of restoration of river space but will also serve as a criterion about post-project monitoring for outcome evaluation.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Concept of river area restoration framework in river basin system
그림 Fig. 2. Study area in Mankyung river
그림 Fig. 3. Scenario of river area restoration
그림 Fig. 4. Comparison between observed and simulated flood elevation
표 Table 1. Ecotope classification for river systems
그림 Fig. 5. Flow-Probability curve in Daecheon station
그림 Fig. 6. Ecotope map applying EFC flow condition by restoration scenario
표 Table 2. Results of EFCs in Daecheon station
그림 Fig. 7. Results of ecotope area analysis on annual flow regime
표 Table 3. Ecotope diversity index results by restoration scenario

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 만경강 지류합류부의 하천구역 편입을 통한 생물다양성 확대를 하천공간 복원의 목표로 설정하고, 시나리오 별 복원 효과를 정량화하고자 한다.
본 연구에서는 하천구역에서 벗어나 고유의 하천공간 복원을 위한 프레임워크를 개발하고, 치수 위주의 하천사업으로 고유의 하천공간 상당부분이 축소된 만경강 일부 구간을 대상으로 복원의 효과를 정량화할 수 있는 기술을 개발·적용함으로써 수생태계 보전· 복원을 포함한 지속가능한 하천유역관리의 방향을 제시하고자 한다.

가설 설정

따라서 본 연구에서는 하상(Ba)은 극히 낮은 흐름에서 노출되는 하도, 습지(S)는 하도와 분리되어 수심 1 m 이내의 수체 그리고 초본식생(Hb)은 작은 홍수 규모에서 침수 발생 유무로 1년생과 다년생을 구분하였다. 이 밖에 목본식생과 인위적인 에코톱은 하천공간 복원 구역에 없는 것으로 가정하였다.

제안 방법

제방후퇴/구하도 복원의 경우, 구하도 하폭을 50 m, 하상경사는 1/600, 하도복원 형태는 사다리꼴로 저수로 폭 10 m, 사면경사 1/50으로 하였다. 그리고 제방후퇴/습지조성의 경우는 대상구간에서 저유량일 때 수위가 약 14 EL.m 이므로 습지의 수위를 유지하기 위하여 습지의 하상고를 13.8 EL.m로 설정하여 복원시나리오별 지형을 구축하였다.
(2002)는 같은 개념을 이용하여 홍수방어를 위한 수단들이 하천 생물 다양성에 미치는 영향을 평가하고자 하천변 에코톱을 분류하였다. 본 연구에서는 Table 1과 같이 Van der Molen et al. (2003)과 De Nooij et al. (2002)가 제시한 에코톱 개념과 분류를 참고하여, 가용한 자료를 이용한 하천공간 복원 효과 분석의 목적에 부합되도록 에코톱 분류 기준을 제시하였다.
하천변의 토지를 적극적으로 활용하고 있는 국내 상황에서 100년 빈도 홍수범람구역을 하천공간 복원 대상으로 설정하는 것은 하천환경의 가치에 대한 정밀한 평가가 수행되지 않는 한 경제성 측면에서 현실적 어려움이 있다. 본 연구에서는 하천공간 복원계획 수립의 시범 성격으로 우선 만경강 유역종합치수계획(MLTMA, 2008)에서 검토한 천변저류지 대상구역(만경강-소양천 합류부)을 복원대상지로 선정(Fig. 2)하고, Fig. 3과 같이 서식처 조성을 포함한 하천공간 복원 시나리오를 작성하고 그 효과를 상호 비교하였다. 비교 유형은 (a)현재 지형, (b)제방후퇴, (c)제방후퇴/구하도 복원, 그리고 (d)제방후퇴/배후습지의 4가지이다.
본 연구의 대상구간에서 제방후퇴를 통한 하천공간 확대와 더불어 확대된 공간에 구하도 복원 또는 배후습지 조성 시나리오를 추가하여 각 시나리오별 효과를 비교분석하였다. 그 결과, 복원된 하천공간에 배후습지를 조성하는 것이 가장 유리할 것으로 분석되었고 구하도의 복원은 3가지 시나리오 중 효과가 상대적으로 작게 나타났다.
에코톱은 경관의 패치 분류가 가능하므로 항공사진을 활용한 정량적인 도식화를 통해 시대별 변화상을 비교·분석하는데 유리하다. 에코톱 다양성은 생물다양성과 밀접한 연관관계가 있으므로 본 연구에서는 에코톱 다양성 분석을 통해 간접적으로 생태학적 다양성을 추정하였다.
치수·이수·환경·친수 등 하천의 다양한 기능에 대한 조사로부터 하천유역의 문제점을 도출하고, 각각의 문제점을 해결하기 위한 종합적인 대안으로 하천공간 복원을 제시하며, 각 기능별 복원효과 평가를 위해 개별 성과지표와 연계하는 것으로 구성된다.
이와 같은 과정으로 대상하천인 만경강에서는 생물다양성 확대를 복원 목표로 설정하였고, 하천공간 복원을 통한 생물다양성 확대의 기대효과를 정량화하기 위하여 에코톱 개념을 도입하였다. 하천 내 에코톱의 구분을 위하여 년중 변화되는 침수면적의 변화를 2차원 수리모형을 이용하여 분석하였고, 하천 내 식생 구역, 사주 및 습지 등 미지형은 수리특성으로부터 구분하였으며, 극히 낮은 흐름, 낮은 흐름, 높은 흐름 펄스, 작은 홍수, 커다란 홍수 등 환경흐름요소의 지속시간으로부터 연평균 에코톱 다양성을 산정하여 비교하였다.

대상 데이터

River2D 모형의 지배방정식은 2차원 천수방정식이며, 상류 및 사류 등과 같은 흐름상태의 모의가 가능하여 극히 낮은 흐름부터 홍수까지 자연하천에서 발생하는 전체 유황에서 안정적인 모의가 가능하다. 모형의 입력자료로 만경강 하천기본계획(MLTMA, 2012)의 단면 측량자료 및 조도계수를 사용하였고, 경계조건으로는 만경강 상류 봉동, 소양강 상류 소양 지점의 유량자료와 대천 지점의 수위자료를 이용하였다. 2016년 7월 5일~20일 사이의 홍수사상에 대하여 모의한 결과 봉동, 소양, 하리 지점의 계산된 수위가 실측 수위와 비교하여 RMSE 오차 범위는 0.

이론/모형

미국 The Nature Conservancy (2007)에서 개발한 수문변화지표(IHA, Indicators of Hydrologic Alteration, Ver.7.1)를 이용하여 대상하천의 환경흐름요소(EFCs, Environmental Flow Components)를 분석하였다. 환경흐름요소는 수문기간 동안의 모든 일 유량을 극히 낮은 흐름, 낮은 흐름, 높은 흐름 펄스, 작은 홍수, 커다란 홍수 등 5가지 흐름특성으로 나타낸 것으로 하천생태 특성과 연계한 수문통계 분석 결과이다.
5와 같으며, 일유량 자료로부터 계산된 환경흐름요소는 Table 2와 같다. 하천공간 복원대상 구간에 River2D 모형을 적용하기 위하여 비면적법으로 산정된 유량 값을 봉동과 소양 지점에 적용하였다.
하천공간 복원에 따른 수리 특성분석을 위하여 캐나다 Alberta 대학에서 개발한 River2D 모형(Steffler and Blackburn, 2002)을 이용하였다. River2D 모형의 지배방정식은 2차원 천수방정식이며, 상류 및 사류 등과 같은 흐름상태의 모의가 가능하여 극히 낮은 흐름부터 홍수까지 자연하천에서 발생하는 전체 유황에서 안정적인 모의가 가능하다.

성능/효과

모형의 입력자료로 만경강 하천기본계획(MLTMA, 2012)의 단면 측량자료 및 조도계수를 사용하였고, 경계조건으로는 만경강 상류 봉동, 소양강 상류 소양 지점의 유량자료와 대천 지점의 수위자료를 이용하였다. 2016년 7월 5일~20일 사이의 홍수사상에 대하여 모의한 결과 봉동, 소양, 하리 지점의 계산된 수위가 실측 수위와 비교하여 RMSE 오차 범위는 0.01~0.03 m로 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다(Fig. 4).
본 연구의 대상구간에서 제방후퇴를 통한 하천공간 확대와 더불어 확대된 공간에 구하도 복원 또는 배후습지 조성 시나리오를 추가하여 각 시나리오별 효과를 비교분석하였다. 그 결과, 복원된 하천공간에 배후습지를 조성하는 것이 가장 유리할 것으로 분석되었고 구하도의 복원은 3가지 시나리오 중 효과가 상대적으로 작게 나타났다. 이는 동일한 구간에서 감돌고기 서식처 확대 효과를 분석한 Hong et al.
둘째, 하천정비 사업은 하천 생물종의 변화를 야기하였고, 종 다양성에도 부정적인 영향을 준 것으로 판단된다.
한편 하천공간 복원 구역의 에코톱은 하천 수리의 특성분석으로부터 추정하는 것이 불가피하다. 따라서 본 연구에서는 하상(Ba)은 극히 낮은 흐름에서 노출되는 하도, 습지(S)는 하도와 분리되어 수심 1 m 이내의 수체 그리고 초본식생(Hb)은 작은 홍수 규모에서 침수 발생 유무로 1년생과 다년생을 구분하였다. 이 밖에 목본식생과 인위적인 에코톱은 하천공간 복원 구역에 없는 것으로 가정하였다.
이는 높은 흐름 펄스에서 습지 요소의 상대적 비중이 증가하여 각 요소의 균등성이 높아지기 때문이며, 이로써 공간복원의 정량적 효과를 기대할 수 있다. 또한 복원유형별 에코톱 다양성 비교 결과, 복원된 하천공간에 습지를 조성할 경우 에코톱 다양성 개선효과가 가장 큰 것(21%)으로 나타나 본 연구대상 구간에서 습지의 조성이 에코톱 다양성 복원에 유리함을 확인할 수 있다(Table 3).

후속연구

12)하였다. 본 연구결과는 단일하천 일부구간을 대상으로 실시한 것으로 만경강 전체 영역의 복원효과 정량화를 언급하기에 무리가 있지만, 연간 에코톱 다양성 개선효과 분석을 통해 하천공간 복원시 시나리오별 생태적 효과의 정량적 비교가 가능하므로, 하천복원을 위한 정부 및 지자체의 적극적인 정책결정과 복원사업의 성과를 제시함에 있어 도움이 될 것으로 기대된다.
따라서 단일종 중심이 아니라, 하천생태계의 구조와 기능의 이해로부터 다양한 생물이 서식할 수 있도록 복원방향이 설정되어야 한다. 한편 수리특성과 하천 에코톱에 관한 관계는 단순히 침수 지속기간 뿐만 아니라 유속, 수심, 하상재료, 수질 등 다양한 환경요소와 관련이 있으므로 지속적인 연구가 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	생물 다양성은 무엇인가?	생물 다양성은 생물들의 다양한 생활형, 특히 종 수의 다양성을 의미한다. 한편 에코톱(Ecotope)은 구성요소의 상태, 잠재자연식생, 잠재생태계 기능으로 균일하게 분류가 가능하면서, 도면의 단위로 사용 가능한 가장 작은 생태학적 토지(생태공간)을 의미한다(Whittaker et al.
	하천은 어떤 구조를 갖는 가?	하천은 제방 등 인위적으로 제한된 구역에서의 홍수소통을 위한 공간이 아니라, 하천유역 차원에서 자연환경 요소와 서로 영향을 주고받는 유기적 시스템 구조를 갖는다. 유럽연합은 물과 하천유역 관리를 위한 최상위 정책으로 ‘물기본지침(Water Framework Directive)’을 채택하였다.
	하천공간의 복원은 어떤 방향으로 설정되어야 하는 가?	하천공간의 복원은 하천과 홍수터의 역동성 회복을 위하여 우각호, 늪지, 배후습지, 하도습지 등 수생물 서식지 및 홍수저류 공간을 복원하는 것이다. 따라서 단일종 중심이 아니라, 하천생태계의 구조와 기능의 이해로부터 다양한 생물이 서식할 수 있도록 복원방향이 설정되어야 한다. 한편 수리특성과 하천 에코톱에 관한 관계는 단순히 침수 지속기간 뿐만 아니라 유속, 수심, 하상재료, 수질 등 다양한 환경요소와 관련이 있으므로 지속적인 연구가 필요할 것이다.

참고문헌 (17)

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Hong, I., Kim, J. S., Kim, K. H., Shin, H. S., and Jeon, H. S. (2018). "Analysis of physical habitat change for target fish induced by extended floodplain." Journal of Coastal Research, JCR, Vol. 85, No. sp1, pp. 86-90.

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Jeonbuk Daily (2006). Ecology of the mankyung river, accessed 5 April 2006, .
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Simon, A., Bennett, S. J., and Castro, J. M. (2011). Stream restoration in dynamic fluvial systems: scientific approaches, analyses, and tool. American Geophysical Union, Geophysical Monograph Series 194, John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey.
Speed, R., Tickner, D., Naiman, R., Gang, L., Sayers, P., Yu, W., Yuanyuan, L., Houjlan, H., Jianting, C., Lili, Y., and Zhongnan, Z. (2016). River restoration: a strategic approach to planning and management, UNESCO Publishing, Paris.
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Steffler, P., and Blackburn, J. (2002). Two-dimensional depth averaged model of river hydrodynamics and fish habitat. River2D user's manual, University of Alberta, Canada.
The Nature Conservancy (2007). Indicators of hydrologic alteration version 7.1: User's Manual. Arlington.
The Nature Conservancy (2008). The active river area: a conservation framework for protecting rivers and streams. Arlington, p. 59.
Van der Molen, D. T., Geilen, N., Backx, J. J. G. M., Jansen, B. J. M., and Wolfert, H. P. (2003). "Water ecotope classification for integrated water management in the Netherlands." European Water Management Online, pp. 1-14.
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