1. 서 론
2. 건천화 지류하천 발생지역 선정
2.1 한강권역 현황
2.2 연구 대상유역
3. PHABSIM을 활용한 환경생태유량 산정 방법
3.1 1차원 물리적 서식처 모형 PHABSIM
3.2 현장조사
4. 건천화 발생유역 조사 및 환경생태유량 산정 결과
4.1 건천화 발생유역 조사
4.2 PHABSIM 구축 및 환경생태유량 산정 결과
5. 요약 및 결론
1. 서 론
건천화는 하천이 자연적인 요인과 인위적인 요인으로 인해 하천이 메말라가는 현상으로, 다양한 지수를 활용하여 정량화할 수 있는 가뭄과는 달리 구체적으로 정량화하기에는 어려우나 수문학적 의미로 갈수량 기준 이하이거나 하천으로부터 필요한 수량을 지속적으로 제공할 수 없는 하천이라고 할 수 있다(Jung et al., 2003). 건천화는 단기간에 발생하지 않고, 수년에 걸쳐 점진적으로 발생하여 서서히 하천의 기능을 저하시킨다. 최근 산업발전과 도시화로 인하여 하천의 하상 변화, 토지이용의 변화, 지하수 이용의 증가 등 기존 수자원 이용 경향이 급격하게 변하고 있으며(Warix et al., 2021), 가뭄 발생빈도는 1904~2000년 기간 중 35회(0.36회/년)였으나, 2000~2019년 기간 중에는 11회(0.64회/년) 발생하는 등 산업발전과 기후변화가 맞물려 급격하게 증가하고 있는 추세이다(Kwon et al., 2020). 개발에 따른 자연적인 물순환 체계의 왜곡과 지구온난화로 인한 기후변화는 물순환 구조와 기존 수자원 이용 경향을 변화시켜 건천화를 가속화하고 있다.
하천의 건천화는 상대적으로 유량이 풍부한 국가하천보다 지방 1, 2급 및 소하천과 같은 중소하천에서 주로 발생하고 있으며(Lee et al., 2003), 이 하천들의 공통점은 대부분 직강화 및 콘크리트 제방으로 되어있고, 부실한 하천저류시설의 관리 및 노후화로 인해 수변이 갖는 저류능 및 자정능력, 생물의 서식공간이 부족한 상태이다. 중소하천의 건천화 영향은 수위저하로 인한 용수확보 불가능, 수질오염 등으로 인한 경제적 손실을 일으키고(Lee et al., 2020), 시민들의 다양한 목적의 활용을 위한 친수공간의 기능을 저하시킬 뿐만 아니라 하천 내 서식하는 수생태계에도 큰 영향을 미친다.
하천에 서식하는 다양한 수생생물들은 유역별, 하천별, 그리고 종별로 선호하는 물리(유속, 수심 등)·화학적(용존산소, 탁도 등) 서식처 범위가 존재한다. 계절이 바뀜에 따라 하천 내 수량이 간헐적으로 감소하여 소를 형성하는 것은 수생생물의 피난처를 제공하고(Dekar and Magoulick, 2007), 물의 순환에 따른 하천유량의 자연적인 교란은 생물종의 변화하는 환경에 대해 적응력과 회복력을 증가시킨다(Andrew and David, 2007). 하지만 지속적인 하천수위와 유량의 감소는 오히려 서식처를 교란시키고 산소포화도를 감소시키며, 녹조발생을 야기한다. 저유량 상태의 지속으로 인한 건천화는 하천의 단절을 가져와 어류와 저서생물의 이동에 영향을 미치고, 산란기의 급격한 유량변동은 잠재적으로 어류 생태계에 영향을 줄 수 있다(Choe, 2006; Hahm and Kim, 2010; Oh et al., 2023). 지속된 건천은 하천 생태계의 사멸을 초래할 것으로 예상되며 갈수기 최소 서식조건의 보장이 필요한 상황이다.
지류하천의 특성을 고려하였을 때, 국가하천과 같이 큰 규모의 하천보다 건천화 영향에 더욱 취약하기 때문에 유량 확보방안과 확보 기준 마련이 필수적이다. 지류하천의 유량 확보 방안은 사방댐 축조, 샌드댐 및 가동보 설치, 생태습지 조성 등을 예시로 들 수 있으며 이러한 확보 방안을 활용하여 어떠한 기준으로 감소한 유량을 확보해야 할지 결정해야 한다. 유량확보 기준은 건천이 진행된 하천의 유량자료를 활용하여 유량이 감소하기 전의 과거 유량과 현재의 유량과 비교하여 그 차이만큼 확보하는 것이 가장 타당할 수 있다. 하지만, 지류하천과 소하천에 대한 과거 유량 관측자료를 취득하는 것은 국가하천과 비교하여 상대적으로 어려운 실정이기 때문에, 유량 확보 목적에 따라 확보 기준을 설정해야 한다.
환경생태유량은 수생태 건강성을 유지하기 위한 최소한의 유량으로, 건천화의 대표적인 피해로 예상되는 유량감소, 수질오염, 하천 생태계 악화 등을 개선할 수 있는 하나의 기준이 될 수 있으며, 국내외로 물리적 서식처 모형인 PHABSIM (Physical Habitat Simulation System)을 활용하여 활발히 연구되고 있다. 하지만 건천화가 진행중인 하천은 대부분 비조절 유역에 위치한 지류하천으로 상류에서 추가적인 유량 방류를 기대하기 힘들고, 건천화 발생하천에 대한 환경생태유량 산정 연구는 아직 부족한 실정이므로 건천화 대응 유량확보 방안을 설정하기 위해서는 환경생태유량 결정이 필수적이다.
따라서 본 연구는 건천화가 발생한 비조절 유역을 대상으로 환경생태유량을 산정하고자 한다. 선행연구들의 연구결과를 활용하여 건천화가 진행중인 유역을 선정하였다. 선정한 유역에 대하여 건천화의 실태를 파악하고, 현장조사를 통해 유역의 건천화 진행정도와 수문조사를 통해 갈수기의 유량변화를 분석하였다. 또한, 어류조사를 수행하여 대표어종을 선정하였고 현장조사 및 어류조사 결과를 활용하여 1차원 물리적 서식처 모형인 PHABSIM에 적용하여 최적 환경생태유량을 산정하였다.
2. 건천화 지류하천 발생지역 선정
2.1 한강권역 현황
본 연구에서는 우리나라 4대강 권역중 한강유역(35,770.4 km2)에 위치한 지류하천 중 건천화가 발생한 유역을 대상유역으로 선정하였다. 한강수계는 14개의 국가하천과 685개의 지방하천으로 이루어져 있고, 유역내 다목적 댐 4개소(충주댐, 소양강댐, 횡성댐, 팔당댐)와 다기능 보 3개소(강천보, 여주보, 이포보)가 설치되어 운영되고 있다.
건천화 분석은 국가하천이 위치한 조절유역을 제외한 비조절 유역중 지방2급 하천이 위치한 유역을 대상으로 수행하였다. 그 이유는 조절유역의 경우 다목적 댐과 다기능 보에서 일정 수준의 유량을 지속적으로 방류하여 관리하기 때문에 비교적 지류하천보다 수환경 관리가 수월하기 때문이다. 따라서, 4개의 다목적 댐과 3개의 다기능 보의 영향을 받지 않는 비조절 유역을 대상으로 수행하였다. Fig. 1(a)는 한강유역과 유역내 위치한 유량 및 수질측정망을 나타낸 것이고, Fig. 1(b)와 Fig. 1(c)는 국가하천과 지방하천, 그리고 조절 및 비조절 유역을 분류한 것이다.
2.1.1 한강권역 하천건천화 발생지역 도출
건천화 발생지역을 도출하기 위해서는 건천화를 판단하기 위한 근거와 지표가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 건천화 발생지역을 도출하기 위해 선행 연구결과(Jung et al., 2019; Lee et al., 2020)를 활용하였다. 선행연구들에서 건천화를 평가하기 위한 지표로 하천건천화 지수 SDI (Stream Drying Index)(MOLTMA, 2009)와 DrySAT-WFT (Grid-based Drying Stream Assessment Tool and Water Flow Tracking)를 활용하였다. SDI는 연대별 평균 갈수량을 활용하여 평균 갈수량보다 작은 유량을 갖는 연평균 일수(D)를 계산하고, 판정 기준에 따라 지수 등급, 상태, 대책을 결정하는 지표이다(Table 1).
Table 1.
Description of SDI for identifying stream drying status
DrySAT-WFT는 기존에 개발된 PGA-CC (Projection of Hydrology via the Grid-based Assessment for Climate Change (Kim et al., 2015)를 기반으로 하여, 하천건천화 원인추적 및 평가를 위한 입출력 자료의 전후처리 기능이 강화된 모형이다. DrySAT-WFT는 과거 기상자료, MUSLE (Modified Universal Soil Loss Equation)기반 토양침식량, 산림생장, 도로망, 지하수이용량, 토지이용도를 입력자료로 활용하여 장기 수문모의를 통해 하천건천화의 영향을 파악할 수 있는 모델이다. Jung et al. (2019)과 Lee et al. (2020)은 DrySAT-WFT에 1976년부터 2015년까지 총 40년 동안의 건천화 영향요소 데이터를 적용하여 연대별(1976-1985, 1986-1995, 1996-2005, 2006-2015) 기준 갈수량과 SDI의 변화를 파악하고, 하천과 유역별로 건천화의 정도를 정량화하였다. Jung et al. (2019)과 Lee et al. (2020)이 제시한 모델링 연구결과와 현장조사를 기반으로 한 건천화 연구결과(RRI, 2006; MOLTMA, 2009; Lee et al., 2010)를 비교하여 신뢰성을 확보하였다.
2.1.2 선행 연구결과를 활용한 한강권역 건천화 검증
한강권역에 위치한 지류하천 중 건천화가 발생한 지역을 도출하기 위해, 선행연구에 활용된 DrySAT-WFT 모델링 연구결과를 활용하였다. DrySAT-WFT에 대한 기본 개요와 모델링에 적용된 입력자료 및 검보정 결과는 Jung et al. (2019)과 Lee et al.(2020)이 자세히 설명하였다.
DrySAT-WFT를 통해 연대별 SDI 산정 결과를 분석하였을 때, 한강유역에서 SDI4 이상인 표준유역의 수는 1980년대 19개에서 2010년대 113개로 증가하여 전체 표준유역의 45.9%에 해당하였고, 특히 SDI가 5이상인 표준유역은 1980년대 0개에서 2010년대 32개로 건천화가 진행중인 유역이 크게 증가하였다. Fig. 2와 Table 2는 한강권역 DrySAT-WFT의 SDI 분포도와 연대별 SDI의 표준유역 개수를 나타낸 것이다.
Table 2.
Results of SDI analysis for the standard watersheds of Han River basin
DrySAT-WFT 결과와 한강유역 건천화 현장조사를 기반으로 수행된 선행연구결과와 비교하여 건천화 추적의 적용성을 평가하고 검증하였다. RRI (2006)은 서울특별시 고덕천, 당형천, 도봉천, 방학천, 도림천을 건천화 하천으로 제시하였고, DrySAT-WFT 모의결과에서 해당 하천 유역의 SDI가 3(Warning)과 4(Severe)로 나타나 100% 일치하였다. Lee et al. (2010)은 과천시, 남양주시, 성남시, 안성시, 안양시 등지에서 53개의 하천을 건천화 하천으로 제시하였고, 해당 하천 유역의 SDI가 2(Normal), 3(Warning), 4(Severe), 5(Very Severe)로 나타나 70% 일치하였다. MOLTMA (2009)는 건천화 하천으로 갑천은 심각, 경안천은 매우 심각한 상태로 제시하였고, 해당 하천 유역의 SDI는 갑천에서 3, 경안천은 4로 나타나 100% 일치하는 것으로 나타났다.
연대별로 산정한 표준유역 단위 SDI를 활용하여 최종적으로 건천화 발생지역을 도출하였다. 건천 상태 취약, 대책 판단 지속적 모니터링에 해당하는 SDI 4 이상인 표준유역 중 비조절유역을 최종발생 지역으로 선정하였고, 최종적으로 대상 유역을 중랑천 상류로 선정하였다(Fig. 3). 중랑천 상류유역은 유역내 낙양물사랑 공공하수처리시설(NY, 시설용량: 16,000 m3/day, 2022년 기준 일평균 방류량: 11,875 m3/sec)과 장암 하수종말처리장(JA, 시설용량: 200,000 m3/sec, 2022년 기준 일평균 방류량: 50,581 m3/sec)이 위치하고 있다.
2.2 연구 대상유역
중랑천 상류 유역(118.2 km2)은 서울특별시와 경기도에 걸쳐있다(Fig. 4). 유역의 토지이용 특성을 파악하기 위해 1980s 및 2010s의 토지이용 변화를 비교하였다(Table 3). 1980s의 토지이용을 살펴보면, 논, 밭, 그리고 산림의 면적이 전체 유역면적의 89.8%를 차지하고 있는 것으로 분석되었다. 하지만 2010s에서 1980s 대비 농업지역과 산림의 면적이 크게 감소하고(-17.9%), 도시개발로 인하여 도시지역의 유역면적이 크게 증가하였다(+8.9%). 결과적으로 2010s의 중랑천 상류 유역의 토지이용은 전체 유역면적의 16.7%는 도시지역, 6.6%는 농업지역, 65.2%는 산림이 차지하고 있어 전형적인 도시지역의 특성을 나타낸다.
Table 3.
Land use/cover changes of 1980s and 2010s
3. PHABSIM을 활용한 환경생태유량 산정 방법
PHABSIM 구축을 위해서는 하천에 대한 현장조사가 필요하다. 따라서 건천화가 발생한 지역을 대상으로 현장조사가 용이하며, 유역 전체의 유량 변화를 확인할 수 있는 하류에 위치한 교량을 기준으로 설정하였다. 최종적으로 중랑천에 위치한 한내교를 대상으로 현장조사 및 PHABSIM 구축 지점으로 선정하였다.
PHABSIM을 구축하기 위해 하천지리정보시스템(River Management GIS, RIMGIS)에서 제공하는 하천기본계획보고서(MOLTMA, 2012)를 통해 보고서에서 제공하는 하천경사, Manning 조도계수와 같은 기본적인 수리해석 입력자료를 수집하고, 현장조사를 통해 어류, 유속, 수위 그리고 하천단면을 조사하여 각각의 PHABSIM 구축에 활용하였다. 환경생태유량을 산정할 때 가장 민감한 요소는 서식처적합도지수 HSI (Habitat Suitability Index)이기 때문에, 어류조사 결과를 기반으로 대상어종을 선정하였고, 선정한 어종에 대해 HSI를 산정한 후 환경생태유량 산정에 활용하였다.
3.1 1차원 물리적 서식처 모형 PHABSIM
우리나라는 2023년 7월 3일에 ‘환경생태유량 산정 지침’이 제정·시행 되었다. 산정 지침에 따르면 서식처모형을 활용할 때 대표지점이 약 100~200 m 정도일 때 작은 구간을 모의할 수 있는 구간모형을 활용하고 구간이 이보다 길거나 만곡부와 같이 2차원 평면 분석이 필요한 경우 다차원 모형을 활용할 수 있다고 제시되어 있다. 본 연구에서는 지류하천의 작은 구간을 선정하여 모의하였기 때문에 다차원 모형이 아닌 1차원 모형인 PHABSIM을 활용하였다.
PHABSIM은 유량증분방법론 IFIM (Instream Flow Incremental Methdology)을 활용하여 HSI와 하천 단면의 구조, 유속, 수위 등을 고려하여 최종적으로 어류가 서식할 수 있는 면적인 가중가용면적 WUA (Weighted Usable Area)를 산정한다. WUA를 활용하여 환경생태유량을 산정할 수 있는데, WUA가 최대가 될 때의 유량을 환경생태유량으로 정의한다(Bovee, 1998).
PHABSIM 모의를 위해서는 어류조사를 수행하여 모의를 수행하고자 하는 하천의 대표 어종에 대한 정확한 HSI를 활용해야 한다. 따라서, 하천 횡단 측점별 수심, 유속, 하상재료 등의 조사결과와 어류조사 결과로 산정된 HSI를 활용하여야만 정확한 모의를 수행할 수 있다(Lee and Hur, 2022). PHABSIM에서의 WUA는 물의 점유면적과 대표어종의 복합 서식처적합도지수 CSI (Combined Suitability Index)의 곱으로 산정하며(Eq. (1)), CSI는 각 하천단면에서 유속, 수심, 그리고 하상재료에 대한 HSI의 곱으로 계산된다(Eq. (2)).
여기서, 는 가중가용면적, 는 계산격자 에서의 물의 점유면적, 는 계산격자 에서 수생생물의 각 유속, 수심, 하상재료에 대한 물리적 서식처적합도 지수가 종합적으로 고려된 복합 서식처적합도지수이다.
여기서, 는 계산격자 에서의 복합 서식처적합도지수, 는 계산격자 에서의 유속 서식처적합도지수, 는 계산격자 에서의 수심 서식처적합도지수, 는 계산격자 에서의 하상재료 서식처적합도지수이다.
3.2 현장조사
현장조사 지점은 중랑천 한내교를 기준으로 세 개로 구분하였고 설정한 단면의 직선거리의 합계는 약 115.1 m로 나타났다. Fig. 5는 중랑천 한내교에 대한 현장조사 지점을 나타내며, 각 단면에서의 하천단면과 수심, 유속, 유량, 수변환경, 어류 등을 조사하였고 조사한 자료를 활용하여 추후 PHABSIM 모의에 활용하였다. 조사시기는 하천법상 의미인 홍수기를 제외한 기간 중 유량이 감소하는 갈수기(4~6월, 9~10월)에 집중적으로 조사하였으며, 강우가 크게 발생하지 않은 날을 대상으로 수행하였다.
특히, 어류조사의 조사방법으로는 ‘하천 수생태계 건강성 조사 및 평가 지침’(국립환경과학원 공고 제 2019-52호)을 준수하여 투망(Cast net, 망목, 7 × 7 mm)과 족대(Skimming net, 망목, 5 × 5 mm) 사용을 원칙으로 조사를 수행하였다.
4. 건천화 발생유역 조사 및 환경생태유량 산정 결과
4.1 건천화 발생유역 조사
4.1.1 위성영상을 활용한 건천화 발생 유역 환경변화 조사
건천화 발생지역이 과거로부터 어떠한 변화가 있는지 구글에서 지원하는 위성영상을 활용하여 조사를 수행하였다(Fig. 6). 중랑천 상류 유역은 과거와 비교하여 현재 주거지역과 상업지역이 많이 늘어난 것으로 나타나 불투수면적이 크게 증가하였고, 많은 공사 현장이 관찰되어 도시화가 지속적으로 진행 중인 것으로 나타났다. 하천변은 과거와 비교하여 수목이 위치한 곳에 산책로와 도로가 공사되었다. 도시화가 진행 중인 곳 근처에 하천이 흐르는 것을 확인할 수 있는데(Fig. 6), 불투수면적의 증가와 하천정비로 하천의 평균적인 유량은 과거대비 증가할 수 있다. 하지만 토양층으로의 침투는 감소하여 기저유출과 지하수함양이 감소하고, 인구증가로 인한 지하수 사용이 증가하여 결과적으로 하천수위를 저하시킬 것으로 예상된다(Yang and Kim, 2004; Mackenzie et al., 2022). 이러한 도시화의 영향은 가뭄이 발생하였을 때 갈수량에 크게 영향을 미치기 때문에, 갈수기시 유량 확보 방안이 필요할 것으로 판단되었다.
4.1.2 건천화 발생 지류하천에 대한 수문·수질 조사
건천화 발생 지류하천에 대한 수문조사는 각 지점별로 총 7회(2022.04/13, 05/03, 06/03, 06/21, 09/28, 10/17, 10/26) 수행하였다. 하천단면 조사와 유량조사를 위해 수면 폭은 줄자 등으로 측정하였고 수심과 유속은 유속계를 이용해 도섭법으로 조사하였다. 또한, 수심이 0.75 m를 초과하면 2점법으로 조사하고 0.75 m 이하에서는 1점법으로 측정하였다(Table 4).
Table 4.
Investigation results of streamflow (Unit: m3/sec)
유량측정 결과, 4월과 5월은 1.62 m3/sec에서 2.37 m3/sec의 유량 범위를 유지하였고 6월에는 1.39 m3/sec에서 1.69 m3/sec로 감소하는 것으로 분석되어 4월과 5월에 조사된 유량 대비 최대 28.7%의 유량이 감소된 것으로 나타났다. 이후 9월부터 10월은 3.31 m3/sec에서 3.61 m3/sec로 4월과 5월에 조사된 유량 대비 최대 104.3% 증가하는 것으로 분석되었는데, 이는 중랑천 상류유역은 상류에 위치한 두 개의 하수종말처리장에서 하수재처리수를 활용하여 중랑천, 백석천, 부용천으로 하천유지용수를 방류하여 하천유량을 관리하는 것으로 판단된다.
Fig. 7은 각 하천에서 유량이 가장 작게 조사된 시기의 지점별 수심과 유속 분포를 나타낸 것이다. 중랑천 한내교에서 유량이 가장 작게(2022.06.02, 1.39 m3/sec) 조사되었을 때, 각 단면에서의 평균 수심은 각각 0.23 m, 0.18 m, 0.25 m로 조사되었고, 평균 유속은 각각 0.09 m/s, 0.10 m/s, 0.08 m/s로 조사되었다. 반면 유량이 가장 크게(2022.09.28, 3.61 m3/sec) 조사되었을 때, 각 단면에서의 평균 수심은 0.28 m, 0.24 m, 0.30 m로 조사되었고, 평균 유속은 각각 0.18 m, 0.20 m, 0.17 m로 수심과 유속은 모두 크게 증가하는 것으로 조사되었다. 본 연구에서는 건천에서의 환경생태유량을 산정을 목표로 하고 있기 때문에, 유량이 가장 작게 조사된 시기의 유속과 수심을 PHABSIM 구축에 활용하였다.
수문조사 지점에서 갈수기 현장 수질을 파악하기 위하여 수질 간이조사를 수행하였다. 수질 간이조사는 현장에서 수변부 보다는 흐름이 있는 지점에서 채수하여 무균채수병에 시료를 담아 전문 분석기관에 전달하여 분석을 수행하였다. 수질분석은 유량과 강수에 민감하여 지속적으로 모니터링을 수행해야 하지만, 현실적으로 지속하여 모니터링을 할 수 없기 때문에 본 연구에서는 수문조사 기간에 맞추어 4회 수행하였다.
조사한 수질 결과를 활용하여 물환경정보시스템(www.water.nier.go.kr)에서 제공하는 하천 생활환경기준과 비교하였다(Table 5). 수질조사 결과, SS는 모든 조사 차수에서 매우 좋음(Ia)으로 분석되었고, T-P는 보통(III)~약간 나쁨(IV)으로 조사되었다. BOD와 COD는 각각 좋음(Ib)~약간 좋음(II), 약간 좋음~보통으로 조사되었다. TOC의 경우 약간 좋음~나쁨(V)으로 조사되었다. 조사된 시기별로 수질항목의 등급을 비교하였을 때, 유량이 가장 적게 조사된 시기(2022.06.02.)에서는 SS, T-N, T-P, COD, TOC의 농도가 다른 조사시기에 비해 가장 크게 조사되었다. 이 시기에서 가장 인접한 기상관측소인 동두천 관측소에서의 강수량은 0.0 mm로 조사되었기 때문에, 상류에 위치한 두 개의 하수종말처리장과 하천 내 쌓여있는 부하량에 영향을 받은 것으로 분석되었다. 특히 SS의 농도가 다른 시기보다 비교적 매우 크게 조사된 것으로 분석되었다.
Table 5.
Investigation results of water quality during dry period
| Date (Streamflow) | 2022.06.02. (1.39 m3/sec) | 2022.06.20. (1.69 m3/sec) | 2022.09.28. (3.61 m3/sec) | 2022.10.26. (3.05 m3/sec) | ||||
| Water quality factor | mg/L | Grade* | mg/L | Grade | mg/L | Grade | mg/L | Grade |
| SS | 17.00 | Ia | 7.70 | Ia | 6.50 | Ia | 6.40 | Ia |
| T-N | 7.08 | - | 6.41 | - | 5.63 | - | 6.38 | - |
| T-P | 0.24 | IV | 0.15 | III | 0.15 | III | 0.14 | III |
| BOD | 2.20 | II | 1.60 | Ib | 2.30 | II | 1.40 | Ib |
| COD | 6.60 | III | 6.10 | III | 4.70 | II | 4.70 | II |
| TOC | 7.10 | V | 5.50 | IV | 2.90 | II | 4.90 | III |
강우가 적은 시기에는 강우 유출수에 따른 하천 바닥에 슬러지가 일시적으로 교란될 수 있고 상류에서 하류로 영향을 미치며, 간헐적인 산소고갈을 발생시킨다(Lee et al., 2018). 이러한 영향은 유기오염지표를 증가시킬 수 있고, 증가한 SS의 농도는 T-P, COD, 그리고 TOC에 직접적인 영향을 미친 것으로 판단되며, 생활환경기준 등급을 고려할 때 지속적인 모니터링과 유기오염물질 변화에 대한 효율적인 대응방안이 필요할 것으로 사료된다.
4.1.3 갈수기시 지류하천 조사
갈수기시 건천화 발생유역의 지류하천은 실제로 건천화를 겪고 있는지 파악하기 위해 현장을 조사하였다. 중랑천에 위치한 백석천-동의교(BSC-DUB), 중랑천 본류-중랑교(JNC-JNB), 어둔천-신성교(ADC-SSB)를 대상으로 조사하였다(Fig. 8). 의정부 공공하수처리시설로부터 하천용수를 공급받고 있는 백석천과 중랑천 본류는 갈수기임에도 유량이 충분하고, 어류들도 눈에 띄게 많이 살고 있음을 확인할 수 있었다. 하지만, 더 상류에 위치한 지류하천인 어둔천은 건천화가 진행되고 있어 유량이 적고 하천 바닥이 드러났으며, 심각한 악취가 발생하여 건천화에 의한 수질오염도 발생한 것으로 조사되었다.
4.2 PHABSIM 구축 및 환경생태유량 산정 결과
4.2.1 중랑천에 대한 PHABSIM 구축
현장조사를 통해 얻어진 갈수기시 하천단면, 유속, 수위, 수심 등 중랑천 상류유역의 측선거리가 반영된 기본 하천 정보와 하천기본계획보고서를 통해 수집한 조도계수, 하천경사 등을 활용하여 PHABSIM을 구축하였다. 기본 하천 정보는 본 연구의 취지에 맞게 유량이 가장 적게 조사된 시기의 유량과 유속, 수심, 수위 등을 활용하였다. 본 연구에서는 수위모의는 수위-유량 관계를 사용하여 수위를 모의하는 STGQ 방법을 사용하여 모의하였고, 유속 모의는 모델 내 포함되어있는 VELSIM (Velocity SImulation Model)을 이용하여 유속분포를 결정하였다.
중랑천 한내교는 유량 및 수위측정망이 따로 존재하지 않고, 한내교 상류에 위치한 가장 인근 측정망인 창동교 측정망은 수위는 제공하지만 현장조사 일자에 대한 유량자료를 제공하지 않고 있다. 따라서 창동교의 유역면적과 하류에 위치한 중랑교의 유역면적, 관측유량, 그리고 현장조사를 통해 얻어진 유량자료를 활용하여 Yang et al. (2005)과 Jung et al. (2012)이 제시한 비유량법을 통해 창동교에서 미계측 유량을 산정하였다. 최종적으로 비유량법을 통해 산정한 유량은 1.55 m3/sec로 산정되었으며, 산정한 유량과 조사한 유량을 모의에 활용하였다.
비유량법을 통해 산정된 유량과 현장조사를 통해 얻어진 유량을 비교하였을 때, 두 유량의 오차는 약 -0.16 m3/sec의 오차를 보였다. PHABSIM의 수위 모의 결과, 유량 1.55 m3/sec일 때 수위는 0.79 m, 유량 1.39 m3/sec일 때 모의 수위는 0.78 m로 -0.01 m의 오차를 보였다. 유속 모의는 모델 내 VELSIM을 이용하여 모의하였다. 유속 모의 결과의 검증은 각 단면에서의 현장조사 결과의 평균 유속과 VELSIM 모의결과의 평균 유속을 활용하였다. 유량 1.55 m3/sec일 때와 1.39 m3/sec일 때 유속은 각각 0.09 m/sec, 0.08 m/sec로 나타나 -0.01 m/sec의 오차를 갖는 것으로 분석되었다. 수리해석 결과를 통해 수위와 유속 모두 적절한 오차범위 내에서 모의된 것을 하였으며 이를 활용하여 서식처 모의를 수행하였다(Table 6).
Table 6.
Results of hydraulic simulation of PHABSIM
4.2.2 어류조사 결과 및 HSI 구축
어류조사는 현장조사 기간과 동일한 기간에 수행하여 총 7회 조사하였고, 가능한 조사지점 내 서식하는 모든 종의 조성을 조사하였다. 어류조사 결과, 출현한 어류는 총 4과 11종 213개체로 확인되었다. 과(Family)별 출현 종수(Species)는 잉어과(Cyprinidae) 어류가 8종으로 가장 많았고, 다음으로 동사리과(Odontobutidae), 미꾸리과(Cobitidae), 망둑어과(Gobiidae) 어류가 각각 1종씩 출현하였다. 과별 개체수 분포는 전체 213개체 중 잉어과 어류가 196개체로 가장 많이 채집되어 92.0%를 차지하였고, 다음으로 망둑어과 어류는 12개체(5.6%), 미꾸리과 어류가 3개체(1.4%), 동사리과 어류는 2개체(0.9%) 등의 순으로 조사되었다. 법정보호종의 서식은 확인되지 않았으며, 우리나라 고유종 얼룩동사리(Odontobutis interrupta) 등 1과 1종 2개체로 조사되었고, 고유화 비율은 0.9%로 분석되었다. 중랑천 상류 유역의 우점종은 피라미로 72개체가 출현하여 상대풍부도 RA (Relative Abundance)는 33.8%로 나타났고, 아우점종은 잉어(Cyprinus carpio)로 총 44개체(20.7%)로 분석되었으며 다른 출현종은 돌고기(Pungtungia herzi), 모래무지(Pseudogobio esocinus), 줄몰개(Gnathopogon strigatus) 등으로 조사되었다.
출현한 주요 어류에 대하여 수심 및 유속 분포 특성을 분석하였다. 개체수가 가장 많이 나타난 피라미는 수심 0.1~0.4 m, 유속은 0.0~0.4 m/s의 범위에서 가장 많이 조사되었다. 잉어는 수심이 0.2~0.4 m, 유속이 0.0~0.4 m/s의 범위에서 가장 많이 출현하였고, 돌고기도 잉어와 같이 수심 0.2 ~0.4 m, 유속이 0.0~0.4 m/s의 범위에서 출현하였다.
과거엔 대부분 해당 지점에서 우점종인 어종을 대표어종 또는 대리어종으로 선정하여 해당 하천의 특성을 잘 반영하지 못하였으나, ‘환경생태유량 산정 지침’에서는 첫 번째로 해당 하천에서 생태적으로 중요한 어류를 선정하고, 가급적 유영성 어류와 환경부 지정 법정보호종을 우선으로 선정하는 것을 지침으로 제시하였다. 따라서 본 연구에서는 가능한 유속에 민감한 유영성 어종과 고유종을 대상어종으로 선정하고 HSI를 산정하였다. 본 연구에서의 대상어종은 돌고기로 선정하였고, WDFW (2004)에서 제시한 HSI 산정 절차를 준수하여 HSI를 산정하였다(Fig. 9). 돌고기의 HSI 산정결과, 수심 HSI의 최적 범위는 0.3~0.5 m, 유속 HSI의 최적 범위는 0.1~0.3 m/s로 산정되었고, 하상재료는 모래로 분석되어 PHABSIM에 적용하였다(Table 7).
Table 7.
Optimal HSI ranges for target fish species
| Target fish Species | Depth (m) | Velocity (m/s) | Substrate size* |
| Pungtungia herzi | 0.3~0.5 | 0.1~0.3 | Sand |
4.2.3 환경생태유량 산정
대상어종 돌고기에 대해 구축된 HSI를 PHABSIM에 적용하여 환경생태유량을 산정하였다. PHABSIM은 IFIM에 기반하여 모의된다. 본 연구에서는 갈수기 유량조건(1.39 m3/sec)에서의 유속과 수심을 입력자료로 활용하였기 때문에, 유량을 0.10 m3/sec부터 2.00 m3/sec까지 증가시켜 모의를 수행하였다.
유량-WUA 관계를 살펴보면(Fig. 10), 유량이 0.25 m3/sec부터 11.53 m2/1000 m의 WUA가 형성되기 시작하는데, 이를 통해서 중랑천 상류에 서식하는 돌고기에 대한 갈수기 최소 서식 유량조건은 0.25 m3/sec임을 알 수 있다. 유량이 1.00 m3/ sec일 때, WUA는 2,687.42 m2/1000 m로 가장 크게 WUA가 형성되어 최종적으로 중랑천 상류의 환경생태유량은 1.00 m3/sec로 산정되었다.
중랑천에 위치한 신곡교의 유량측정망의 관측자료(2013~2022)와 산정한 환경생태유량을 활용하여 갈수기(4월~6월, 9월~10월)에 대해 관측유량이 환경생태유량보다 작은 시기를 붉은색으로 표기하여 비교하였다(Fig. 11). 분석한 그림을 살펴보면, 2013년부터 2017년까지는 돌고기에 대한 최소 환경생태유량(0.25 m3/sec)을 갈수기에도 만족하지 못하는 경우가 많았으나, 2018년이후에는 유량이 안정화되어 최소 서식조건을 만족하는 것으로 분석되었다.
최적 환경생태유량(1.00 m3/sec)의 갈수기 평균 부족일수는 약 49일로 분석되었다. 돌고기의 생활사(Life cycle)를 고려하면, 4월부터 6월은 새끼 돌고기가 부화하고 성체와 함께 크게 성장하는 시기로 번식 활동도 활발히 진행되고, 여름철을 지나 수온이 감소하는 9월과 10월에 산란을 시작한다. 중랑천의 관측유량 경향을 분석하였을 때, 최소 서식조건은 만족하고 있으나 성장과 산란을 장려하기에는 갈수기 시 유량이 부족한 것을 확인할 수 있다. 추후 대표어종의 개체수 보호와 수생태계 건강성 확보를 위해서는 하수종말처리장에서 진행하고 있는 하수재처리수 방류패턴을 평시 방류량을 조절하여 갈수기시 방류량을 증가시키는 방안을 고려해야 할 것으로 사료된다.
5. 요약 및 결론
본 연구는 건천화가 발생한 한강권역 지류하천을 대상으로 건천화를 검증하고 현장조사를 통해 현재 건천화의 실태를 파악하였으며, 현장조사로 얻어진 자료와 어류조사를 통해 선정된 대표어종에 대해 최적 환경생태유량을 결정하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
1. 한강유역을 대상으로 하천건천화 발생지역을 도출하기 위해 분포형 모델(DrySAT-WFT)을 활용한 선행 연구결과와 현장조사를 기반으로 한 선행 연구결과를 비교하였다. 비교 결과, 중랑천 상류유역을 건천화 발생지역으로 도출하였고 중랑천에 위치한 한내교를 PHABSIM 구축 및 현장조사 지점으로 선정하였다.
2. 중랑천 상류 유역을 대상으로 위성영상을 활용하여 유역 환경변화를 조사하였고, 주거지역과 상업지역, 그리고 많은 공사현장이 관찰되어 불투수면적이 크게 증가하였을 것으로 판단되었다.
3. 중랑천 한내교에서 현장조사를 수행하였다. 현장조사 결과, 4월과 5월에 조사한 유량 대비 6월에 조사한 유량이 최대 28.7% 감소하는 것으로 분석되었으나, 상류에 위치하는 하수종말처리장에서 하수재처리수를 활용하여 하천유량을 관리하는 것으로 판단되었다.
4. 현장조사 일정에 맞추어 유속과 수심을 조사하였고, 조사된 기본 하천정보와 수집한 하천기본계획보고서를 활용하여 중랑천 한내교를 대상으로 PHABSIM을 구축하였다. 관측유량과 갈수기 유량의 오차는 -0.20 m3/sec으로 나타났고 PHABSIM을 활용하여 조사된 수위와 유속에 대해서 검증하였을 때, 수위와 유속 각각 -0.01 m, -0.01 m/s의 오차를 나타내어 적절하게 구축되었음을 확인하였다.
5. 어류조사를 통해 중랑천 한내교의 대표어종을 선정하였다. 대표어종은 돌고기(Pungtungia herzi)로 선정되었다. 돌고기의 최적 HSI 범위는 수심, 유속, 그리고 하상재료에서 각각 0.3 m~0.5 m, 0.1 m/s~0.3 m/s, 그리고 모래로 나타나 이를 PHABSIM에 적용하였다.
6. PHABSIM을 활용하여 최적 환경생태유량을 산정하였다. 산정결과, 0.25 m3/sec에서 WUA가 11.53 m2/1000 m로 산정되어 최소 서식조건으로 결정되었고, 1.00 m3/sec에서 WUA가 2,687.42 m2/1000 m로 가장 크게 산정되어 중랑천 상류유역의 최적 환경생태유량은 1.00 m3/sec로 결정되었다.
건천화는 원인이 명확하지 않고 장기간에 걸쳐 천천히 진행되기 때문에, 다른 재해와는 달리 오랜기간 구명되지 않고 있다. 이는 건천화는 지속적으로 관심을 가지고 모니터링을 해야만 대응할 수 있음을 시사한다. 본 연구는 단순 선행 연구결과들의 비교뿐만이 아닌 다양한 시각에서 건천화가 진행된 유역을 분석하고, 현장조사를 통해 건천화 실태를 파악함에 있어 큰 의미를 가질 것으로 판단된다.
본 연구에서는 중랑천에 서식하는 돌고기를 대상으로 환경생태유량을 산정하였다. 산정된 환경생태유량은 하천 유량 확보 및 수환경 개선 관점에서 지속가능한 수자원 정책을 수립하는데 기초자료로 활용될 것으로 판단된다. 하지만 하천 내 다양한 어종을 고려하지 못했다는 점에서 한계점이 존재하며, 추후 연구에서 다양한 어종을 고려한 환경생태유량 또는 최적 범위를 제시한다면 합리적이고 보다 효율적인 기준유량을 설정할 수 있을 것으로 기대된다.
