River2D 모델을 이용한 섬진강의 생태유지유량 산정에 관한 연구
노경범ᆞ박성천*,†ᆞ진영훈*ᆞ박명옥*
목포대학교 창업지원단
*동신대학교 토목공학과
Study on Ecological Instream Flow Estimation using River2D Model in the Seomjin River
Kyong-Bum Roh․Sung-Chun Park*,†․Young-Hoon Jin*․Myoung-Ok Park*
Startup Assistance Foundation, Mokpo National University
*Department of Civil Engineering, Dongshin University
(Received 27 July 2011, Revised 10 October 2011, Accepted 10 October 2011)
Abstract
The purpose of the present study is to estimate the ecological instream flow for conservation and restoration of fish habitat in running water ecosystem which has very important status for stream environment. Estimation of the ecological instream flow in the present study was carried out by application of a two-dimensional depth averaged model of river hydrodynamics, River2D model. It can model fish habitat in natural streams and rivers and assess the quality of physical habitat accoriding to the species preferences for habitat suitability. Zacco platypus and Zacco temmincki were selected as target fish species in the study area of the Seomjin river. The Habitat Suitability Criteria (HSC) developed by Sung et al. (2005) were used for target fish species, life stages and habitat conditions in the study. Weighted usable area (WUA) was computed by the River2D model considering preferences of target fish species for velocity, depth, and channel substrate. The result revealed that the ecological instream flow of 10.0 m3/s is needed to maintain the target fish habitat at each life stage in the river.
keywords : Ecological Instream Flow, Instream Flow Incremental Methodology (IFIM), River2D, Zacco platypus, Zacco temmincki
1. 서 론1)
과거의 하천은 환경과 생태학적인 측면보다는 이·치수에 목적을 두고 하천정비를 실시하였으며, 이로 인해 국내의 하천은 직선화되거나 인공구조물 등을 설치하여 자연적인 모습은 거의 찾아보기 어려운 상황에 이르렀다. 하천의 난 개발은 하천생태계의 서식환경을 악화시켰으며, 상당부분 파괴되거나 위협을 받았다. 그러나, 최근에는 과거와는 달 리 하천의 이･치수 목적을 달성하면서, 환경생태계를 중시 하는 방향으로 하천 개발이 진행되고 있다.
하천환경에서 생태는 하천주변에서 서식하는 조류, 포유 류, 어류 그리고 식생까지도 포함된 포괄적 개념을 의미하 며, 생태계를 고려한 하천유지유량인 생태학적 하천유지유 량 또는 하천 생태유량은 하천에 서식하는 어류 등 동식물 을 고려하고 갈수시에도 최소한 하천 생태계가 유지될 수 있도록 만족하는 유량이다.
미국이나 선진 유럽의 경우 생태학적 하천유지유량 산정 시 자국의 상황에 맞는 생태유량 산정 방법을 위한 연구가
†To whom correspondence should be addressed.
지속적으로 진행되어 왔으며, 특히 유량증진방법론(Instream Flow Incremental Methodology: IFIM) 기반 서식처해석법 에 대한 많은 결과를 제안하였다. IFIM의 일반적인 절차는
①어류 서식처에 대한 거시 서식처(하도특성, 수온과 수질 등) 및 미시 서식처(수심, 유속, 하상재료 등) 해석, ② 서 식처 적합도 기준 도출, ③ 수문량 변화에 따른 물리서식 처 모의, ④ 서식처 모의 결과에 대한 생태유량 분석 및 결정 등으로 이루어진다(강형식 등, 2008).
국내에서는 현재까지 소수의 연구자들에 의해서만 연구가 진행되고 있는 실정이며, 대상어종 또한 특정 어종에 한정되 어 연구되고 있다. 실제 하천에서 생태학적 하천유지유량을 산정하는데 있어서는 많은 고려 사항이 있으며, 이러한 고려 사항에 따라 미시서식처 모델과 거시서식처 모델로 구분할 수 있다. 수심, 유속, 하상재료 등 수리특성만을 고려한 경우 는 미시서식처만을 고려한 경우이다. 어류가 서식하기 좋은 환경을 조성하기 위해서는 수리특성만 고려한 미시서식처뿐 만 아니라 수질적인 면도 충분히 고려한 거시서식처 모형의 개발이 필요하며 이러한 연구가 최근에 진행되고 있다.
Loar and Sale (1981)은 준2차원 물리서식처 모형인 PHABSIM (Physical Habitat Simulation)을 이용하여 유량 과 가중가용면적(Weighted Usable Area: WUA)의 관계를
산정하였으며, 모형에 의해 산출된 값으로부터 어류서식에 필요한 유량을 얻을 수 있다고 하였다. 최근에는 준2차원 모형의 단점을 극복하기 위해 본 연구에서 이용된 2차원 모형인 River2D과 3차원 모형에 대한 연구가 활발히 진행 되고 있다(Croder and Diplas, 2008; Leclerc et al., 1995;
Shen and Diplas, 2008; Yi et al., 2010).
우효섭 등(1998)은 국내에서 최초로 금강 본류에 물고기 서식처를 고려한 하천유지유량 결정 방법을 제시하였고, 김 규호 등(2000)은 수량·수질 모의값을 이용하여 거시적 어류 서식 조건에 필요한 필요유량 산정을 하였다. 그리고, 강정 훈 등(2004)은 PHABSIM을 이용하여 남한강 수계를 대상으 로 어류의 서식처 보호 및 유지를 위한 최적유량을 산정하였 다. 또한, 성영두 등(2005)은 낙동강유역에서 산란기, 성어기 에 어류의 서식과 수리학적 특성에 관한 조사를 실시하여, 어류 서식 적합도 기준을 작성하여 어류의 생태학적 추천유 량을 결정하였다. 장창래와 신재기(2009)는 댐 하류의 생태 학적 유지유량 산정을 위해 PHABSIM을 이용하였다. 박봉 진 등(2006)은 낙동강 유역의 주요하천을 대상으로 자연도와 수질의 상관성 분석을 통해 하천 생물의 서식처 평가를 하였 다. 그리고, 임동균 등(2007)과 오국열 등(2009)은 하도내 보 가 서식처 변화에 미치는 영향에 관한 연구에 준2차원 물리 서식처 모형을 이용하였다. 이 밖에 하천의 수환경 건강성 평가를 위해 수질, 수온 등 이화학적 특성이 어류의 서식처 에 미치는 영향에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다(안윤주 등, 2008; 이재현과 김윤신, 2007; 전대영 등, 2010; 정남일 등, 2011).
본 연구의 목적은 하천에 서식하는 어류의 성장단계별 물 리적 서식처에 대한 부분을 고려한 생태학적 하천유지유량을 산정하는 그 목적을 두었다. 일반적으로 최적의 생태학적 하 천유지유량은 모형에 의해 계산된 생태유량과 갈수량를 비교 하여 큰 값을 선정한다. 갈수량 분석은 장기적인 유황분석을 통해 이루어져야하며, 특히 생태학적 하천유지유량 선정시에 는 어류의 산란기를 특히 유념하여 검토하여야 한다. 본 연구 에서는 섬진강 송정지점의 생태학적 하천유지유량 산정을 위 해 2차원 물리서식처 모형인 River2D 모형을 이용하였다.
2. 연구방법
2.1. 연구대상구간
본 연구의 대상구간은 섬진강 하류부의 송정수위표지점 약 1.0 km 구간이며, Fig. 1은 연구대상구간 및 하상재료를 나타낸 것이다. 연구대상 구간의 하폭은 약 300 m, 상시 흐 름이 존재하는 구간은 50~70 m이며, 자연상태의 여울과 소 가 발달되어 어류의 산란 및 서식활동에 적당한 것으로 판 단된다. 하천형상은 완만한 곡류부를 형성하고 있으며, 좌안 은 퇴적 구간으로 주수로는 우안으로 치우쳐 형성되어 있 다. 하상재료의 다양성은 어류의 산란과 서식처와 제공하는 공간으로 어류의 서식환경에 미치는 영향이 크다고 할 수 있다. 본 연구에서 이용된 하천단면자료는 섬진강 하천정비 기본계획 자료와 추가적인 현장 실측을 통해 구성하였다.
Fig. 1. Study area and bed material.
연구대상구간의 수환경 상태를 검토하기 위해 수리･수질 측정과 어류조사를 실시하였다. 하천에 유량이 너무 적은 경우 흐름이 거의 존재하지 않아 유속측정에 어려움이 있 어 유량측정은 갈수량보다 큰 경우에 대해서만 실측하였다.
그리고, 모의 결과와 검증을 위해 유속 측정 간격은 약 3 m 간격으로 프라이스식 유속계를 이용하여 측정하였다. 수 질측정은 2009년 10월~2010년 11월까지 저·갈수기에 총 6 회 측정을 실시하였으며, 어류조사는 어류의 산란기인 4월 과 치어기인 9월에 총 2회 실시하였다.
2.2. River2D 모형 적용
River2D 모형은 2차원 평균수심 유한요소모형으로 자연 하천, 강에서의 상류와 사류의 흐름 모의가 가능하고 얼음 으로 뒤덮힌 지역과 수시로 변하는 습지에 적용될 수 있다.
그리고, 순간적인 현상을 표현한 모형이지만 정적조건 (Steady-state conditions)에서도 상당한 수렴 현상을 나타낸 다. River2D 모형의 어류서식처 모델은 불규칙한 삼각지형 망의 구축에 사용된 PHABSIM의 가중가용면적(Weighted Usable Area: WUA)과 같은 방법으로 접근할 수 있다 (Steffler and Blackburn, 2002).
River2D 모형의 동수역학 요소는 2차원에 기반한 보존 형 태로 표현된 수심적분한 St. Venant 방정식이며, 3개의 지배 방정식은 수체의 질량보존과 2개의 운동량 벡터로 구성된다.
질량보존 방정식:
(1)
x방향 운동량 보존 방정식:
(2)
y방향 운동량 보존 방정식:
(3)
여기서, H는 수심, U, V는 x, y방향의 수심평균 유속,
는 각 방향 유속에 따른 유량으로 다음 식으로 구한 값이다.
, (4)
여기서, g는 중력 가속도, 는 물의 밀도, 는 x, y 방향의 하상 경사, 는 x, y 방향의 마찰 경사이 다. 는 각 방향에 대한 전단응력이다.
River2D 모형의 서식처 모델은 PHABSIM에서 구성되어 사용된 가중가용면적의 계산에 기초를 두고 있다. 식 (5)는 가중가용면적의 계산식으로 이 값은 각 절점에서 평가되어 지는 복합적합도지수(CSI, 범위 0.0~1.0)에 의해 계산된다.
서식처 모형은 하나의 수심과 두 개의 유속을 계산하여 입 력된 적합도 지수에 맞춰 변환되어져 가중가용면적(WUA) 을 각 셀 별로 계산한다.
×
(5)
여기서, =하도구간에서 분할된 i셀의 거리와 폭을 곱한 면적, =하도구간에서 분할된 i셀의 복합서식처 적합도 지수이다. 식 (5)의 복합서식처 적합도 지수()는 유속, 수 심 그리고 하도재료에 관한 서식처 적합도 지수(Habitat Suitability Criteria: HSC)의 곱에 의해 산정되며, Fig. 2는 이 과정을 나타낸 것이다(USGS, 2001).
Fig. 2. Habitat suitability criteria attributes for a habitat cell.
River2D모형의 입력자료는 하상단면, 서식처 적합도 기 준, 유량 자료로 구성된다. 하상단면 자료는 실측값과 섬 진강 하천기본계획을 이용하여 구성하였으며, 모의 유량은 갈수량과 실측유량을 기준으로 값을 선정하였다. 서식처 적합도 기준은 생태모형을 모의하는데 있어 중요한 요소 이며, 생태학적 추천유량의 산정을 위해서는 어류에 대한 신뢰성 있는 자료 수집을 통하여 실제 어류 서식환경을 반영할 수 있는 서식처 적합도 기준을 마련하여 적용하는 것이 가장 중요하다. 이와 같이 서식처 모형을 모의하는데 있어 가장 중요한 지수는 서식처 적합도 기준(HSC)이며, 이 값을 이용하여 가중가용면적(WUA)-유량관계 곡선을 얻는다. 서식처 적합도 기준은 어류의 물리적서식처 평가 를 위해서 가장 중요한 요소이므로 신뢰성 있는 어류 조 사와 하천환경 조사가 적합도 지수를 적용하는데 가장 중 요하다. 또한, 연구대상 지점에 대한 신뢰성을 확보한 물 리서식처 평가를 위해서는 다년간의 수리 및 어류조사를 실시하며, 이를 기반으로 하여 서식처 적합도 기준을 개발 하여 각각의 연구결과에 대한 민감도 연구도 이루어져야 한다. 그러나, 현실적으로 지속적인 어류 조사와 하천환경 조사에 대한 한계가 있는 경우가 많으며, 이 경우 부득이 하게 다른 유역에서 작성된 적합도 지수값을 이용할 수 있다(USGS, 2001). 본 연구에서는 이러한 한계점 때문에 성영두 등(2005)에 의해 제시된 서식처 적합도 기준을 이 용하여 섬진강 송정지점의 생태학적 유지유량을 산정하는 데 이용하였다.
어류의 서식처 적합도 기준은 연구대상 지점이나 구간에 서 수심, 유속, 하상재료별로 출현하는 어종의 개체수를 기 준으로 작성하며, 조사기간 동안 출현한 최대 개체수를 1.0 으로 설정하고 나머지는 최대 개체수에 대한 상대비율로 결정한다. 그리고, 하상재료는 대상구간이 대부분 모래와 자갈로 이루어져 있어 이분법을 적용하여 작성된다.
Fig. 3과 Fig. 4는 성영두 등(2005)에 의해 제시된 피라 미, 갈겨니의 수심, 유속의 서식처 적합도 기준(HSC)을 도 시한 것으로 River2D의 서식처 모형에 이 값을 적용하여 피라미와 갈겨니의 물리서식처 평가를 실시하였다.
Fig. 3(a), Fig. 3(b)는 피라미에 대한 산란기 HSC를 나타 낸 것으로 유속 0.3~0.55 m/s, 수심 0.3~0.60 m가 가장 적 합한 것으로 제시하였다. Fig. 3(c), Fig. 3(d)는 피라미의 성어기 HSC를 나타낸 것으로 유속 0.25~0.55 m/s, 수심 0.25~0.40 m에서 HSC가 1.0으로 가장 적합한 것으로 제시 하였다. Fig. 4(a), Fig. 4(b)는 갈겨니에 대한 산란기 HSC 를 나타낸 것으로 유속 0.3~0.55 m/s, 수심 0.3~0.55 m가 가장 적합한 것으로 제시하였다. Fig. 4(c), Fig. 4(d)는 갈 겨니의 성어기 HSC로 유속 0.35~0.70 m/s, 수심 0.35~0.55 m 가 가장 적합한 것으로 제시하였다. 이 값으로부터 알 수 있듯이 피라미와 갈겨니는 산란기에서는 거의 비슷한 하천 환경이 요구되지만, 성어기에서는 갈겨니의 서식처 적합도 범위가 다소 넓게 나타났다.
Table 1. Water quality at Songjeong site
Date 09/10 09/11 09/12 10/01 10/02 10/03 10/04 10/05 10/06 10/07 10/08 10/09 10/10 10/11
BOD(mg/L) 0.7 0.9 1.4 0.9 1.4 1.3 1.1 1.6 1.2 0.9 1.1 1.1 0.9 0.8
(a) Velocity (spawning) (b) Depth (spawning) (c) Velocity (adult) (d) Depth (adult) Fig. 3. HSC index of Zacco platypus (Sung. etc, 2005).
(a) Velocity (spawning) (b) Depth (spawning) (c) Velocity (adult) (d) Depth (adult) Fig. 4. HSC Index of Zacco temmincki (Sung. etc, 2005).
3. 결과 및 고찰
3.1. 연구구간 수환경상태
연구구간에 대한 수환경상태 분석을 위해 하상재료, 수질 환경과 어류조사를 실시하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
연구대상 구간의 하상재료에 대한 분석 결과 저수로 내부 는 큰자갈, 수면 가장자리 부분은 작은자갈과 모래가 주를 이루는 것으로 나타났으며, 자갈이 60%, 작은자갈･모래가 39%의 비율로 분포하는 것으로 조사되었다. 그리고, 수질 측정 결과 BOD는 0.8~2.1 mg/L의 분포를 나타냈으며, 평 균 BOD는 1.7 mg/L로 어류 서식 환경으로는 매우 양호한 결과를 나타났다. 연중 수질 특성 파악을 위해 2009년 10 월~2011년 11월의 환경부 수질측정망 자료를 조사하여 Table 1에 나타냈다. 일반적으로 수질 악화기는 하천의 수 량이 풍부하지 못한 저･갈수기에 나타나지만, 연구 대상구 간의 월평균 BOD는 2 mg/L 이하로 좋은 수질을 나타냈 다. 이와 같이 연구대상구간의 수질은 일부 BOD 기준 수 질등급 Ia (매우 좋음)를 초과하지만 어류가 서식하는데 있 어서는 매우 양호한 수질 조건을 나타내고 있다.
어류조사 연구대상 구간 부근에서 실시하였으며, 그 결과 를 Table 2, Table 3에 나타냈다. St. 1은 전라남도 곡성군 오곡면 압록리로 하폭은 약 300 m정도이며, 수심은 1~3 m 를 이루고 있다. 우점종은 피라미, 갈겨니로 나타났으며,
Table 2. St.1- Appearance species
Scientific name 1st 2nd total
Squalidus gracilis majimae 3 3
Pseudogobio esocinus 1 3 4
Pungtungia herzi 1 1
Microphysogobio yaluensis 2 2
Hemibarbus longirostris 2 2 4
Zacco platypus 19 5 24
Zacco temmincki 11 11
Iksookimia longicorpus 1 1
Coreoperca herzi 1 1
Odontobutis platycephala 2 2
Appearance species 8 5 10
Appearance population 30 23 53
갈겨니의 경우 1차 조사에서는 나타나지 않았으나 2차 조 사에서는 다수 출현하였다. St. 2는 전라남도 구례군 구례 읍 계산리로 하상은 약 300 m정도이며, 하천 가장자리의 수심은 30 cm 내외이나 중앙부위는 1~3 m정도로 수심이 깊었다. 이 지점도 우점종은 피라미로 조사되었다.
본 연구의 대상어종은 섬진강과 낙동강 등에 주로 서식 하는 피라미와 갈겨니를 선정하였으며, 선정된 대상어종의 서식환경에 대한 개략적인 내용을 Table 4에 나타냈다. 어 류가 서식하기 적당한 조건은 흐름, 수심과 먹이활동이 용 이한 장소로 이러한 조건은 어류의 성장단계에 따라 다소
Table 4. Habitat of target fish species (Woo et al., 1998)
Scientific name Depth (cm) Velocity (cm/s)
Spawning Fry Adult Spawning Fry Adult
Zacco platypus 10~20 (April~May)
10~30 (Summer～Fall)
20~50
(year) 10~20 10~20 30~60
Zacco temmincki 5~30 (May~July)
10~20 (Summer~Fall)
20~50
(year) 5~10 20~30 30~80
(a) Q=13.7 m3/s (b) Q=26.1 m3/s
Fig. 5. Comparition between obsevation and simulation velocity.
Table 3. St.2- Appearance species
Scientific name 1st 2nd total
Acheilognathus koreensis 9 9
Squalidus gracilis majimae 6 6
Pseudogobio esocinus 1 1
Pungtungia herzi 2 2
Microphysogobio yaluensis 4 4
Coreoleuciscus splendidus 3 3
Hemibarbus longirostris 2 1
Zacco platypus 38 20 58
Zacco temmincki 7 7
Cobitis lutheri 1 1
Iksookimia longicorpus 1 1
Coreoperca herzi 1 1
Odontobutis platycephala 1 1 2
Appearance species 9 6 13
Appearance population 53 44 97
차이가 있다. 대상어종으로 선정된 피라미는 물이 맑은 하 천 중류의 여울에 많이 나타나며, 자갈이나 모래에 붙어 있는 수서 곤충의 유충을 주로 먹으며, 산란기는 4월~5월 이다. 갈겨니는 하천의 중･상류에 물의 흐름이 완만한 곳 에 서식하며 상류 계곡까지 올라가면서 주로 수서 곤충을 먹고 살며, 산란기는 5월~7월이다(김익수와 박종영, 2007).
하천은 동식물의 서식처로서 적절한 수질과 함께 수심, 유속, 하상재료, 어류를 보호할 수 있는 휴식공간과 은신처 등 수질과 수리조건을 제공하여야 한다. 환경정책기본법에 는 생물학적 평가기법에 따라 수질과 수생태계 상태를 생 물지표종을 이용하여 4단계 생물등급으로 구분하여 물환경 기준을 규정하고 있다. 이 기준에 따르면 연구대상 구간의 우점종인 피라미는 3단계(보통~약간나쁨) 생물지표종으로
서식지는 유속이 약간 느린곳에 바닥이 주로 잔자갈과 모 래로 구성된 곳에 서식하는 것으로 나타났다. 그리고, 갈겨 니는 2단계(좋음~보통)의 생물지표종으로 구분되어 있으며 서식환경은 유속은 보통이나 약간 빠른 곳에 하상은 주로 자갈과 모래로 구성된 곳에 서식하는 것으로 나타났다(환 경부, 2011).
3.2. 모형 적용 결과
River2D의 수리모형에 대한 검증은 2개의 실측유속과 모 의유속의 비교를 통해 검토하였다. 수리모형 모의시 상･하 류 경계조건은 실측값을 이용하였으며, 이렇게 구성된 모형 의 검증은 실측유속과 모의유속의 검토를 통해 실시하였다.
Fig. 5는 유량조건이 Q=13.7 m3/s과 Q=26.1 m3/s일 경우 실측유속과 모의유속을 도시한 것이다. River2D 모형의 격 자 간격은 5~10 m 간격 구축되어 실측 유속 간격과의 차 이가 있으며, 이 때문에 수리모의 결과는 유속분포도와 평 균유속간의 비교를 통해 검토를 실시하였다. 모의유속과 실 측유속의 검토 결과 Q=13.7 m3/s일 때 평균유속은 실측값이 0.65 m/s, 모의값이 0.63 m/s이며, Q=26.1 m3/s일 때 평균 유속은 실측값이 0.85 m/s, 모의값이 0.73 m/s로 나타났다.
Q=13.7 m3/s일 때 좌･우안에서의 유속은 대체로 실측 유 속값을 잘 반영하고 있으나 중심부 유속에 대해 다소 과소 추정하는 결과를 나타내고 있다. Q=26.1 m3/s일 때는 좌･우 안 값을 일부 과소 추정하는 경향이 있으나 대체로 실측값 을 잘 반영하고 있으며, 중심부에서의 유속은 Q=13.7 m3/s 일 경우와 동일하게 과소 추정하는 양상을 보이나 전체적 으로 실측값을 잘 반영하고 있는 것으로 검토되었다.
River2D모형의 서식처 모의를 위한 유량은 2.0~27.0 m3/s 로 수량을 점진적으로 증가시키며 모의를 실시하였으며, 유 량변화에 따른 가중가용면적(WUA) 값의 변화를 검토하였
(a) Discharge-WUA curve (a) Discharge-WUA curve
(b) Weighted usable area (spawning) (b) Weighted usable area (spawning)
(c) Weighted usable area (adult) (c) Weighted usable area (adult) Fig. 6. Discharge-WUA curve and Zacco platypus. Fig. 7. Discharge-WUA curve and Zacco temmincki.
다. 본 연구에서는 연구대상지점에 대한 어류조사 결과가 많지 않아 서식처 모의시 기 개발된 서식처 적합도 기준 (HSC)을 적용하여 섬진강 송정구간에서의 물리서식처 평가 를 실시하였다. Fig. 6, Fig. 7은 River2D 서식처 모의에 의 해 도출된 피라미와 갈겨니의 유량-가중가용면적(WUA) 관 계를 도시한 것이다. 피라미의 성장단계에 대한 서식처 모 의 결과 유량이 증가함에 따라 가중가용면적은 점차 증가 하다가 유량이 7 m3/s를 넘어서면서 점차 감소하는 양상을 나타내고 있다. 갈겨니의 경우, 산란기는 10 m3/s에서 가장 높은 가중가용면적을 나타낸 이후 감소하는 특성을 나타냈 으나, 성어기의 경우 10~15 m3/s에서 가중가용면적값이 가 장 크게 나타났다. 피라미는 산란기, 성어기에서 비슷한 서
식 환경을 선호하는 것으로 나타났으나, 갈겨니의 서식에 적합한 필요유량의 차이로부터 산란기와 성어기에 선호하 는 서식조건의 차이를 확인할 수 있다.
연구대상지점에 대한 생태학적 하천유지유량을 산정하기 위해서는 하천생태모델링을 통해 산정된 값과 해당 지점의 저･갈수량을 비교하여 생태학적 하천유지유량을 결정하는 것이 타당할 것이다. Fig. 8은 송정지점에 대해 1978~2007 년까지 30년간 측정된 자료를 바탕으로 유황분석을 실시한 결과이며, 평균갈수량은 7.7 m3/s, 평균저수량은 16.4 m3/s 로 나타났다. 평균갈수량과 평균저수량을 보면 피라미나 갈 겨니의 서식하는데 있어 크게 문제가 없어 보이지만 실제 로는 평균값보다 낮은 저･갈수량이 자주 발생해 하천에 유
Fig. 8. Discharge rating curve at songjeong station.
량이 부족한 경우가 있으며, 특히 2004~2007년의 경우 평 균값보다 낮다. 이와 같이 시기에 따라 하천 유량이 어류 가 서식하기에 부적당한 경우가 있기 때문에 이러한 경우 에는 하천유지용수가 필요하다.
우리나라의 저･갈수기는 일반적으로 10월에서 4, 5월까 지로 하천의 수량이 부족한 시기이며, 선정된 대상어종의 산란기가 시작되는 시기와 일치한다. 산란기는 성장 단계중 다른 어느 시기보다 중요한 때로 이 기간에는 반드시 산란 에 필요한 유량이 확보되어야 할 것이다. 그러므로, 산란기 에 있어서는 최소한 유지유량을 확보하는 것이 타당하며, 성어기는 연중으로 저･갈수기 이상의 일정 유량이 확보된 다면 서식하는데 별 무리가 없을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 두 어종에 대해 생태학적 필요유량을 산 정하였으며, 선정된 대상어종을 동시에 만족하는 필요유량 이 최적의 생태학적 추천유량으로 타당할 것이다. 모의 결 과 피라미의 산란기, 성어기의 추천 생태학적 필요유량은 7.0 m3/s, 갈겨니는 10.0 m3/s가 적절한 것으로 산정되었다.
이와 같이 대상어종에 따라 성장단계별 필요유량의 차이가 있으나, 대상어종인 피라미와 갈겨니를 동시에 만족하는 서 식처를 위해 추천되는 생태유량 10.0 m3/s가 적절한 것으로 산정되었다. 이 값은 어디까지나 피라미와 갈겨니를 위한 최적의 생태학적 하천유지유량일 뿐으로 실제 하천에 서식 하고 있는 다른 종의 어류를 위한 하천유지유량은 이 값과 다를 것이다.
4. 결 론
본 연구에서는 2차원 물리서식처 모형인 River2D를 이용 하여 섬진강 본류 송정구간에서의 생태학적 하천유지유량 을 산정하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
1) 연구 대상 구간에 대한 수질측정 결과 전 기간동안 수 질 Ia, Ib 등급을 만족하는 것으로 조사되었으며, 어류조 사 결과 피라미와 갈겨니를 대상어종으로 선정하였다.
2) River2D에 의해 대상어종별 성장단계별 산정된 필요유 량을 비교･검토한 결과 최적의 생태학적 하천유지유량
은 10.0 m3/s로 산정되었다.
3) 본 연구에 의해 산정된 생태유량은 어디까지나 대표어 종으로 선정된 피라미와 갈겨니를 위한 최소한의 생태 유량이며, 실제 하천에 서식하고 있는 다른 종의 어류를 위한 생태유량은 이 값과 차이가 있을 것이다.
4) 본 연구에서는 연구대상지점의 어류조사 결과가 2회로 서식처 적합도 기준(HSC)을 개발하는데 자료가 제한적 인 관계로 부득이 타 유역에서 구축된 서식처 적합도 지수를 이용하였다. 그러나, 연구대상 하천의 보다 정확 한 생태학적 하천유지유량을 산정하기 위해서는 해당 하천의 수리·생태학적 특성을 충분히 고려할 수 있는 장 기간의 자료 수집이 필수이며, 이 자료를 활용한 HSC를 작성하여 생태학적 하천유지유량을 산정하는 것은 중요 하다.
향후 연구과제로 본 연구에서는 본격적으로 다루지 않았 으나 어류가 하천에서 서식하는데 있어 필수적 인자인 수 질, 온도 및 하도 특성을 충분히 고려한 거시적 생태모델 에 관한 연구가 필요하다. 그리고, 섬진강에 대한 장기적인 수리학적, 생태학적 모니터링을 통해 섬진강 고유의 종과 보존·보전이 필요한 어종에 대한 물리적 서식처 기준 작성 및 서식처 조건에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
사 사
본 연구과제는 환경부지정 전남녹색환경지원센터의 연구 비 지원에 의해 수행한 연구과제입니다.
참고문헌
강정훈, 이은태, 이주헌, 이도훈(2004). 어류의 서식처 조건
을 고려한 하천의 필요유량 산정에 관한 연구. 한국수자
원학회논문집, 37(11), pp. 915-927.
강형식, 임동균, 정상화, 김규호(2008). 하천 어류의 서식처 적합도 기준 및 물리서식처 해석. 한국수자원학회논문 집, 41(9), pp. 47-61.
김규호, 조원철, 전병호(2000). 수량･수질 모의치를 이용한
어류 서식 조건 유지에 필요한 적정 유량 산정. 한국수 자원학회논문집, 33(1), pp. 3-14.
김익수, 박종영(2007). 한국의 민물고기. 교학사
박봉진, 성영두, 정관수(2006). 하천 생물 서식처 평가를 위
한 하천 자연도와 수질의 상관성 분석. 한국수자원학회
논문집, 39(8), pp. 637-644.
성영두, 박봉진, 주기재, 정관수(2005). 하천의 어류 서식환
경을 고려한 생태학적 추천유량 산정. 한국수자원학회논
문집, 38(7), pp. 545-554.
안윤주, 남선화, 김용화(2008). 생태수질기준설정을 위한 대 상물질의 생태위해성 평가. 수질보전 한국물환경학회지, 24(5), pp. 592-597.
오국열, 정상만, 이주헌(2009). 하도내 보 설치에 의한 피라 미의 물리서식처 변화분석. 한국수자원학회학술발표회, pp. 491-495.
우효섭, 이진원, 김규호(1998). 물고기 서식처를 고려한 하천 유지유량 결정방법의 개발. 대한토목학회논문집, 18(II-4), pp. 339-350.
이재현, 김윤신(2007). 인체의 유해성과 수생태계를 고려한
수질환경기준 설정에 관한 연구. 수질보전 한국물환경학
회지, 23(6), pp. 985-992.
임동균, 정상화, 안홍규, 김규호(2007). 피라미에 대한 보 철 거 구간에서의 물리서식처 모의(PHABSIM) 적용. 한국 수자원학회논문집, 40(11), pp. 909-920.
장창래, 신재기(2009). 용담댐 하류의 어류서식처를 고려한 생태학적 유지유량 산정. Korean J. Limnol., 42(3), pp.
374-381.
전대영, 이소림, 손정원, 차영원, 권기원, 유평종(2010). 수 질, 저서성 대형무척추동물 및 어류의 생태특성을 이용
한 수영강 중류 건강성 평가. 수질보전 한국물환경학회
지, 26(6), pp. 934-942.
정남일, 박배경, 김경현(2011). 수온증가가 한강수계의 어류 서식처에 미치는 영향. 수질보전 한국물환경학회지, 27(3), pp. 314-321.
환경부(2011). 환경정책기본법 시행령. [별표1] 환경기준(제2 조관련)
Crowder, D. W. and Diplas, P. (2000). Using two-dimensional hydrodynamic models at scales of ecological importance.
Journal of Hydrology, 230, pp. 172-191.
Leclerc, M., Boudreault, A., Bechara, J., and Corfa, G. (1995).
Two Dimensional hydrodynamic modeling: a neglected tool in the stream flow incremental methodology. Trans. Am.
fisheries Soc., 124(5), pp. 645-662.
Loar, J. M. and Sale, M. J. (1981). Analysis of Environmental Issues Related to Small-Scale Hydroelectric Development: V.
Instream Flow Needs for Fishery Resources. Publication No.
1892, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge Tennessee, pp.123.
Steffler, P. and Blackburn, J. (2002). Two-Dimensional Depth Averaged Model of River Hydrodynamics and Fish Habitat:
Introduction of Depth Averaged Modeling and User's Manual. University of Alberta.
USGS (2001). PHABSIM for Windows: User’s Manual and Exercises.
Shen, Y. and Diplas, P. (2008). Application of two- and three- dimensional computational fluid dynamics models to complex ecological stream flows. Journal of Hydrology, 348, pp.
195-214.
Yi, Y., Wang, Z., and Yang, Z. (2010). Two-dimensional habitat modeling of Chinese sturgeon spawnning sites. Ecological Modelling, 221, pp. 864-875.
