1. 서 론
2. 하천공간 복원 프레임워크
2.1 유역과 하천공간
2.2 하천공간 복원 프레임워크의 관계구조
3. 하천공간 복원 목표 설정
3.1 대상 하천
3.2 하천공간 복원 목표 설정
3.3 하천공간 복원대상지 및 복원 시나리오 설정
4. 하천공간 복원을 통한 생태학적 다양성 확대 효과 평가
4.1 생태학적 다양성 평가
4.2 하천공간 복원에 따른 환경 변화
5. 결론 및 제언
1. 서 론
1970~1990년대 한국 경제의 고도 성장기에 국내 상당수의 하천은 하천개수사업으로 인하여 고유의 하천공간이 단절되고 육역화 되었으며, 하천 직강화에 따른 치수중심 하천정비로 홍수터가 축소되었다. 하도 직강화, 제방에 의한 하천구역의 최소화, 하천횡단 구조물에 의한 담수는 치수/이수 측면에서 인간에게 유리한 환경을 제공하였으나, 이와 동시에 하천의 역동성 저하, 생물서식처 축소, 하천자정능 저하 등 하천 고유기능이 훼손됨에 따라 다양한 환경문제를 야기하고 있다.
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. 이는 건강한 하천 생태계를 기반으로 물 수요, 육지 생태계 및 습지 등을 관리하는 것이다(European Commission, 2000). 미국은 1960년대 이후 하천 생태계의 보전 및 복원을 위한 수자원개발법과 홍수터관리법을 제정 및 시행해 왔으며, 그 결과 하천유역 관리에서 생물 보전과 복원을 최우선하는 법적 위상을 갖게 되었다. 캘리포니아, 미시시피 등 기존 정비 하천을 확장하여 홍수터를 확보하거나, 복원 사업의 법·제도, 기술 지침과 연계한 기후변화 대응 그리고 생물 서식처를 복원하는 사업은 하천유역 관리의 대표적인 사례이다(Simon et al., 2011). 일본은 1984년 ‘아름다운 국토 건설’ 정책 아래, 하천환경 조사와 다자연 하천조성, 자연 공생형 하천, 자연재생사업의 법·제도화, 생물 다양성 증대 등을 추진하였다. 주로 기후변화와 하천생태계를 위한 하천변 습지 등 하천공간 복원을 위해 2002년 자연재생추진법을 제정하였고, 2014년 현재 국토교통성이 추진하고 있는 하도 개선과 홍수터 복원사업 46 곳이 시행 중이다.
최근 국내에서도 물관리기본법(2019.6 시행)이 제정되어, 수생태환경의 보전을 물관리 기본원칙으로 정하고 세부적인 시행은 유역 단위로 관리되어야 함을 제시하였다. 이를 위해서는 단순히 하도 내 재료의 자연화, 생물 서식처의 조성, 친수 활동의 장려 등에서 벗어나 하천유역 시스템의 구조, 수리·수문, 생물과 서식처, 수환경 등 통합하천유역관리 개념의 접근과 프레임워크(framework)의 개발이 중요할 것이다(Speed et al., 2016). 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.
2. 하천공간 복원 프레임워크
2.1 유역과 하천공간
유역은 강수와 강설이 수계로 모아지는 영역으로, 이 범위의 경계를 분수계라고 한다. 한편 하천공간은 크게 하도와 하천, 그리고 제내지 홍수터(또는 범람원)를 포함한 하나의 시스템 구조로, 미국 자연보전협회에서는 공학적 관리대상 범위로 100년 빈도의 홍수범람구역으로 정의하였다(The Nature Conservancy, 2008). 하천과 그 범람원(또는 홍수터)은 지형과 수리·수문, 생물 서식 등에서 밀접하게 관련되어 있으므로, 두 물리구조는 하천 및 육상 생태계와 연계 관리되어야 한다. 특히 하천공간 내 범람원(또는 홍수터)은 생태학적으로 높은 가치를 가지고 있어(Ward et al., 1999), 유역관리 및 복원 측면에서 중요하게 다루어진다. 그러나 현재 우리나라에서는 자연환경의 피해나 변형이 없이 자연 그대로 남아 있는 중대규모 하천과 그 범람원을 찾아보기 어렵다. 따라서 중대하천과 그 범람원 생태계의 특정구역을 복원대상으로 설정 관리하는 것이 중요하다.
2.2 하천공간 복원 프레임워크의 관계구조
하천공간 복원 프레임워크는 크게 하천유역 조사, 하천공간 복원 목표 및 활용 기본방향 설정, 하천공간 복원영향 분석 및 관리, 하천공간 최적복원 모델 제시 등 각 단계별로 순차적으로 진행된다. 그리고 하천공간 복원 프레임워크 내의 각 단계를 수행함에 있어 하천 지형과 생물 특성 및 기후, 수리·수문, 토지이용, 하천관리 정책 변화 등 다양한 내·외적 요소가 작용하는 하천유역 시스템과의 연계와 관계를 필수적으로 고려하여야 한다.
하천공간 복원 프레임워크의 각 단계별 연계를 간략한 관계구조로 나타내면 Fig. 1과 같다. 하천공간 복원 프레임워크의 구성요소는 ① 흐름, 퇴적물, 화학적 특성 및 지질학적 제약조건을 포함하여 하천의 본질을 결정하는 자연요인, ② 생태계와 복원목표 설정에 직접적인 영향을 미치는 사회·경제요인, ③ 복원목표 설정 및 복원계획 수립, ④ 복원 효과, ⑤ 복원 목표와 관련하여 복원 사업이 얼마나 잘 수행되었는지에 대한 성과지표, ⑥ 성과지표의 평가 및 복원사업 계획 수립의 경험이 복원목표 설정과 계획수립 등으로 순환되는 조사-분석-계획-평가의 세부 단계로 구성된다.
3. 하천공간 복원 목표 설정
3.1 대상 하천
만경강은 전라북도 완주군 동상면 원등산에서 발원하여 고산천, 소양천, 전주천 등의 지류와 합류하여 서해로 유입되며, 유역면적 1,527.1 km2, 유로연장 77.4 km의 유역특성을 가진 유역면적 기준 우리나라 8위에 해당하는 중규모 하천이다. 만경강은 유역의 평균경사가 17.5%로 매우 완만하여 홍수에 취약한 구조이나, 홍수시 잦은 범람으로 인하여 우리나라에서 보기 드물게 홍수터가 잘 발달되어 하천과 연계한 생물종이 다양하고 풍부하였다. 1920년대부터 하천 직강화와 제방 축조 등 홍수피해 저감을 위해 시행된 하천개수사업(MLTMA, 2008)으로 하천공간이 축소되고 상당한 규모의 홍수터가 사라졌음에도 불구하고, 현재 만경강에서 나비잠자리, 배허리노란잠자리, 꼬리명주나비 등 사라져가는 곤충들이 서식하고 있고, 감돌고기, 쉬리 등 천연기념물이거나 보호대상종인 어류가 21종류, 천연기념물인 황조롱이를 비롯한 조류 10여 종류, 환경부 지정 보호대상종인 금개구리가 서식하는 것으로 조사(Jeonbuk Daily, 2006)된 점은 만경강의 생태성이 아직까지 우수함을 의미한다. 그러나 만경강 거주민 대상의 탐문조사 결과(Kim, 2019)에서는 뱀장어, 가물치, 메기, 금개구리 등 5년 이내에 목격된 횟수가 급감한 것으로 나타나 과거 대비 현재 하천 생물종이 감소되고 있음을 확인할 수 있다.
3.2 하천공간 복원 목표 설정
하천공간 복원의 목표 설정을 위해서는 Fig. 1에 제시된 것과 같이 자연요인, 사회·경제요인 등 다양한 분야에서 하천유역의 현재 문제점과 하천사업의 필요성 검토가 필요하다. 만경강 하천공간의 과거와 현재에 관하여, 치수·이수·환경·친수 등 하천의 다양한 기능 측면의 현황 분석이 수행(Kim, 2019)되었고, 지속가능한 관리 차원에서 만경강 유역에서 발견된 문제점은 다음과 같이 요약할 수 있다.
첫째, 대규모 하천개수사업으로 하도의 홍수통수능 부족에 의한 홍수피해는 크지 않으나, 본류 수위 상승에 따른 제내지 저지대(지류 합류부)의 상습적인 침수 문제가 발생하고 있다.
둘째, 하천정비 사업은 하천 생물종의 변화를 야기하였고, 종 다양성에도 부정적인 영향을 준 것으로 판단된다.
셋째, 하천의 다양한 기능에 대한 복원에 지역주민과 지자체, 국가의 관심이 집중되고 있으나, 복원효과의 정량화 부족으로 국부적이고 단편적인 대안만 시행되고 있다.
따라서 본 연구에서는 만경강 지류합류부의 하천구역 편입을 통한 생물다양성 확대를 하천공간 복원의 목표로 설정하고, 시나리오 별 복원 효과를 정량화하고자 한다.
3.3 하천공간 복원대상지 및 복원 시나리오 설정
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. 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.
4. 하천공간 복원을 통한 생태학적 다양성 확대 효과 평가
4.1 생태학적 다양성 평가
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., 1973; Hong and Kim, 2000). 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.
Van der Molen et al. (2003)은 하천공간에서 에코톱을 분류하기 위한 기준을 마련하였다. 그들은 하천변 식생 조사자료로부터 에코톱을 구분하였으며, 이를 위하여 하천 특성으로 물과 유사특성, 수질을 포함한 하천 수리특성(지속시간, 홍수 발생 시기 및 수심 등), 하천이용을 위한 인간의 개입 요인에 기초하였다. De Nooij et al. (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.
Table 1. Ecotope classification for river systems
Table 1의 에코톱 유형은 현장 조사결과로부터 구분된다. 대상구간의 하상재료는 대부분 자갈로 구성되어 있으며, 습지는 저수로에 인접하여 홍수시 연결되는 개방형 습지의 형태를 나타내고 있다. 또한 현장에서 조사된 목본은 모두 활엽수로 구성되어 있어 본 연구에서 하상, 습지, 목본은 하위 세분류 구분을 시행하지 않았다. 따라서 복원대상지의 에코톱은 8가지 유형으로 분류된다.
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.
에코톱 다양성 지수는 에코톱의 풍부도와 개체의 균등한 분포를 나타내는 척도로서 Shannon의 다양성 지수(Spellerberg and Fedor, 2003)를 이용하여 산정할 수 있다. 그리고 에코톱 유형의 자연성을 고려하여 자연유형에는 1.0, 경작지에는 0.5, 인위적인 시설물에는 -1.0의 가중치를 적용하였다.
| $$H=-{\textstyle\sum_{}}P_i\times\mathrm{In}P_i$$ | (1) |
여기서 H : Shannon Diversity Index, Pi : Ecotope Proportion of type i.
4.2 하천공간 복원에 따른 환경 변화
4.2.1 수리학적 모형 검․보정
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. 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).
4.2.2 에코톱 개선효과 분석
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. 본 연구 대상구간의 하류에 위치한 대천 지점의 일유량-초과발생확률은 Fig. 5와 같으며, 일유량 자료로부터 계산된 환경흐름요소는 Table 2와 같다. 하천공간 복원대상 구간에 River2D 모형을 적용하기 위하여 비면적법으로 산정된 유량 값을 봉동과 소양 지점에 적용하였다.
Table 2. Results of EFCs in Daecheon station
Table 2의 환경흐름요소 별 유량을 이용하여 각 유량 규모에서 에코톱 요소를 구분(Fig. 6)하였고, 유량 규모가 증가함에 따라 수역이 증가하면서 하상 및 초본·목본의 식생 요소가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이 때 커다란 홍수의 조건은 대부분 지역이 침수되어 에코톱 다양성 지수의 비교대상에서 제외하였다.
하천공간 복원 대상구간에서 에코톱 요소별 연평균 면적을 산정하기 위하여 Fig. 5의 각 유량별 초과발생확률을 사용하였다. 각 에코톱 유형의 연평균 면적은 각 유량규모별 면적과 초과발생확률로부터 산정하며, 이 값들로부터 연평균 에코톱 지수를 산정할 수 있다.
복원 시나리오에 따른 환경흐름 요소 별 에코톱 다양성 지수를 산정하여 Table 3에 제시하였다. Figs. 6 and 7과 Table 3을 살펴보면 각 유량 규모에 따라서 에코톱 다양성 지수가 변화됨을 알 수 있다. 에코톱 다양성 지수 계산결과는 모든 조건에서 작은 홍수(Small Floods) 시 가장 낮게 나타났다. 이는 유량의 규모가 증가함에 따라 저지대에 위치한 에코톱이 침수되어 수역으로 변환됨으로써 에코톱 요소가 단순화되기 때문이다.
하천공간을 복원한 경우에는 높은 흐름 펄스(High Flow Pulses) 시 에코톱의 다양성 지수가 낮은 흐름(Low Flow) 시 보다 높게 산정되었다. 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).
Table 3. Ecotope diversity index results by restoration scenario
5. 결론 및 제언
본 연구에서 구축한 하천공간 복원 프레임워크는 조사-분석-계획-평가의 단계별 접근으로 하천공간 복원 계획을 수립하는 것이다. 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.
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. (2018)의 연구와는 차이를 나타낸다. Hong et al. (2018)은 구하도 복원의 경우에 감돌고기 가중가용서식면적(Weighted Usuable Area)이 크게 확대됨을 보였는데, 이는 하천공간 복원의 기대효과 분석을 위하여 단일 어종으로 한정하여 분석한 것과 서식처 분석을 위하여 수심 및 유속변화 등이 추가로 고려된 것이 그 원인으로 판단된다. 따라서 본 연구의 Ecotope 다양성 분석 결과와는 상이한 결과를 나타낸 것으로 판단된다.
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.
최근 전주시, 익산시 등 인근 5개 지자체와 익산지방국토관리청은 만경강을 생명의 강으로 복원한다는 목표로 만경강유역협의회와 실무위원회를 구성(2018. 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.
