1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 연구대상하천
2.2 연구방법
2.3 PHABSIM 모형
2.4 River2D 모형
2.5 어류 현장조사
3. 결과 및 고찰
3.1 서식처모형의 수리모의
3.2 어류 현장조사 결과
3.3 대상어종 HSI 산정
3.4 환경생태유량 산정
3.5 어류서식처 2차원 공간분석
4. 요약 및 결론
1. 서 론
하천은 권역별로, 계절별로 다양한 형태와 생태계를 이룬다. 하천 내 이루어진 수생태계와 육지 생태계는 서로 상호작용하여 인간에게 많은 이익을 제공한다. 하천 내 이루어진 식생은 먹이사슬에서의 생산자로 저차 소비자의 먹이 역할뿐만 아니라 하천정화 역할을 하며, 고차 소비자인 어류는 식재료의 역할과 농어촌민에게 경제적인 역할을 한다.
하천 수생태계를 이루는 생물들은 수질, 유량과 같은 물리·화학적 환경요인의 변화를 알 수 있는 지표로 사용되며(Hotzel and Croome, 1999; Domingues and Galvao, 2007; Cabecinha et al., 2009; Jung et al., 2016), 그 영향에 민감하게 반응한다. 수생태계를 이루는 생물종 중 하나인 어류는 유속(Velocity), 수심(Depth), 하상재료(Substrate) 등과 같은 하천의 물리적 특성에 따라 서식하는 종이 다르며 이러한 물리적 특성은 어류 군집 및 생활사에 직·간접적으로 영향을 미친다(Kang and Hur, 2012). 따라서 하천의 유량과 수질은 어류의 서식조건과 생태의 중요한 인자이며, 기후변화로 인한 가뭄, 홍수뿐만 아니라, 유역의 수리시설물, 하수종말처리장 방류수질, 비점오염원 유입 등 다양한 외부 교란에 의해 하천 환경이 악화될 경우 어류의 서식환경 또한 악화될 수 있다. 이러한 이유로 하천의 대표어종을 선정하고 대표어종의 서식처를 평가하여 수환경을 평가한다(Bowen et al., 1998; Valentin et al., 1996, Lee et al., 2010; ME, 2018).
하천 내 어류의 안정적인 서식 조건을 유지하기 위해서는 좋은 수질, 충분한 수량, 그리고 서식을 위한 안정적인 물리적 하도구조가 필요하다(Owen and James, 1978; Kim, 2000). 어류와 같은 수생생물들의 안정적인 서식조건을 유지하기 위해 유지유량증분방법론(Instream flow incremental methodology, IFIM)을 기반으로 하여 환경생태유량을 결정하고 있다. 환경생태유량은 수생태 건강성을 유지하기 위한 최소한의 유량으로 정의되며(ME, 2018), 일반적으로 물리적 서식처모형을 활용하여 유역의 대표어종 또는 하천의 대표어종을 기준으로 산정하고 있다(Bovee, 1982; Stalnaker et al., 1995).
환경생태유량 산정방법은 크게 수문학적 방법(Hydrological method), 수리학적 방법(Hydraulic method), 서식처 모의방법(Habitat simulation method), 그리고 전체적 분석방법(Holistic method)으로 네 가지로 구분된다. 수문학적 방법은 Q90, 7Q2, Q364와 같은 수문학적 지표들을 활용하여 유량 변화에 따른 생태학적 요인들(어류 개체, 식생, 수질, 서식지 등)의 영향을 파악하기 위한 목적으로 고안되었다. 수리학적 방법은 과거 미국의 1960년대의 연어류(Salmonid) 어업을 위한 하천유지유량을 권고하기 위해 개발되어 어류의 서식처를 충족하기 위해 고안되었다. 서식처 모의방법은 환경생태유량 방법 중 세계에서 두 번째로 가장 많이 사용하는 방법으로 가장 과학적이며 컴퓨터 프로그램을 통해 모의하기 때문에 계속 발전하고 있는 방법이다. 전체적 분석방법은 자연유황의 각 요소에 대한 생태적 기능을 고려할 수 있는 방법이다(Kim et al., 2020; Tharme, 2003).
기상변화, 유사이동, 건천과 같은 외부 교란에 의해 발생한 하천의 물리적 조건의 변화는 어류 서식처를 저해하고 결국 개체수의 감소를 야기한다. 어류의 서식처를 보전하고 개체수를 확보하기 위해 어도 설차, 치어 방류, 인위적인 수초 및 여울·소 조성 등 많은 노력을 기울이고 있다. 하지만 이러한 방법들은 현실적으로 긴 시간과 노력이 필요하고, 많은 비용이 발생하며 어류의 서식처가 정량적으로 얼마나 확보가 되었는지 파악하기 어렵다. 따라서 어류 서식처 평가의 경우 일반적으로 물리적 서식처 모형을 이용하여 평가한다. 서식처 모형을 활용한 어류 서식처 평가의 장점으로는 수리시설물을 통한 추가적인 유량 방류, 인위적인 어도 설치 등 다양한 시나리오 분석을 통하여 물리적 조건 변화에 따른 어류 서식처의 정량적인 변화를 파악할 수 있고, 공간적으로 파악할 수 있다는 장점이 존재한다.
물리적 서식처모형은 대상어종에 대해 조사된 유속, 수심, 하상재료와 같은 물리적 서식처 특성을 지수화한 서식처적합도지수 HSI (Habitat Suitability Index)를 이용하여 IFIM을 기반으로 대상어종의 서식처면적 즉, 가중가용면적 WUA (Weighted Usable Area)를 산정하고 가장 많은 면적이 확보되는 유량을 환경생태유량으로 정의한다. 국내외로 어류, 저서생물과 같은 수생생물을 대상으로 서식처 면적과 환경생태유량을 산정하기 위해 미국 USGS (United States Geological Survey)에서 개발한 1차원 물리적 서식처모형인 PHABSIM (Physical Habitat Simulation System)과 캐나다 Alberta 대학에서 개발한 2차원 물리적 서식처모형인 River2D 모형을 활용하고 있으며(Booker and Dunbar, 2004; Gard, 2009; Seo and Park, 2013; Hur et al., 2014; Kang and Choi, 2018; Jung et al., 2019; Kim and Choi, 2019; Park et al., 2020; Kim et al., 2021; 2022), K-water는 물리적 서식처모형을 활용하여 환경생태유량의 산정방안을 정립하고 환경생태유량을 산정하고 있다(K-water, 2018). 하지만 PHABSIM을 이용할 경우 하천 하상에 이루어진 사주와 같은 2차원 평면에 나타나는 하천의 특성을 반영하기 어려우며, 특정 서식처 조건에서의 2차원 공간분포를 확인하기 어려운 한계점이 존재한다(Jung et al., 2019). 따라서 1차원 및 2차원 서식처모형을 함께 활용하여 서식처 분석을 수행할 필요가 있으며. 1차원 모형과 2차원을 함께 활용할 경우 각 모형의 단점을 서로 보완해줄 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구는 낙동강유역의 안동댐 하류하천을 대상으로 현장조사를 수행하여 대상어종을 선정하고 선정한 대상어종의 HSI를 구축하였으며, 1차원 서식처모형 PHABSIM을 이용하여 대상어종에 대한 최적 환경생태유량을 산정하였다. 또한, 2차원 서식처모형 River2D를 활용하여 산정된 환경생태유량조건에서의 2차원 어류서식처 공간분석을 수행하였다. Fig. 1은 본 연구의 연구흐름도를 나타낸 것이다.
2. 재료 및 방법
2.1 연구대상하천
본 연구에서는 낙동강유역의 본류 중 안동댐 하류(4,565.7 km2)하천을 연구대상하천으로 선정하였고, PHABSIM은 연구대상하천에 위치한 구담유량관측소(GD)로부터 약 410.0 m, River2D는 GD를 포함하여 상·하류로 3.0 km를 설정하여 약 6.0 km을 대상으로 모형을 구축하였다. 안동댐 하류유역은 유역의 상류에 다목적 댐인 안동댐(ADD)과 임하댐(IHD)이 존재하여 추가적인 댐 방류 및 하천유지유량 방류를 통해 수생태계 건강성 개선을 도모할 수 있는 유역이다. 안동댐 하류유역의 과거 40년(1981~2020)에 대해 연평균 기온과 강수량은 각각 11.8℃, 1,072.3 mm이고 GD의 과거 11년 평균(2010~2020) 갈수량 Q355, 저수량 Q275, 평수량 Q185은 각각 14.0 m3/sec, 23.6 m3/sec, 37.2 m3/sec이다.
대상하천의 특징으로는 하천내 사주가 많이 발달하여 수생생물들의 서식처로 많이 이용될 것으로 예상되며, 하천 내 구담습지가 조성되어 있어 어류뿐만이 아닌 육상생물 및 조류까지 다양한 생물들이 공생하는 생태하천이다. 대상하천의 2020년의 평균 어류평가지수 FAI (Fish Assessment Index)는 C등급, 저서성 대형 무척추동물평가지수 BMI (Benthic Macroinvertbrate Index)는 1회차, 2회차 조사에 각각 C등급, D등급으로 조사되어 수생태계 건강성이 좋지 않은 것으로 분석되었다. 대상하천 하류에는 지보유량관측소(JB)가 존재하는데, 이는 낙동강유역 본류의 하천유지유량 고시지점으로 고시된 하천유지유량은 20.8 m3/sec이다. Fig. 2(a)는 안동댐 하류유역의 다목적 댐 2개소(ADD, IHD)와 GD 및 JB의 위치를 나타낸 것이며, Fig. 2(b)는 대상하천의 위성영상사진을 나타낸 것이다.
2.2 연구방법
본 연구에서는 대상하천인 안동댐 하류하천을 대상으로 PHABSIM과 River2D를 구축하였다. 각각의 서식처 모형을 구축하기 위해 하천지리정보시스템(River Information Management GIS, RIMGIS)에서 제공하는 MOLIT (2009)를 수집하고 보고서에서 제공하는 하천단면정보를 이용하여 하천의 하상정보와 수리학적 입력자료를 구축하여 각 모형에 적용하였다.
각각의 서식처 모형의 서식처 모의를 수행하기 위해서는 반드시 어류나 수생생물의 HSI가 필요하다. 본 연구에서는 HSI 구축을 위해 대상하천의 어류 현장조사를 수행하였다. 어류 현장조사는 4회에 걸쳐 진행되었으며, 여울(Pool)과 소(Riffle), 흐름이 있는 구간(Run)을 모두 고려하여 수행하였다. 어류 조사 후 출현 종과 개체 수에 따라 상대풍부도(Relative Abundance, RA)를 분석하여 우점종(Dominant species)와 아우점종(Subdominant species)를 파악하고 우점종에 대한 HSI를 구축하여 각 서식처 모형에 적용하였다. 우점종에 대한 HSI를 PHABSIM에 적용하여 대상하천에 대한 최적 환경생태유량을 산정하였고, River2D를 활용하여 하천의 Q355조건과 환경생태유량조건에의 2차원 공간분석결과를 비교하였다.
2.3 PHABSIM 모형
미국은 1960년대부터 연어과(Salmonidae) 개체수가 감소하면서 하천의 어류의 개체수와 서식처를 보전하기 위해 환경생태유량에 대한 연구가 처음 소개되었다. 이에 2001년에 물리적 서식처 모의시스템인 PHABSIM을 개발하여 유량과 WUA의 관계를 제공하여 하천의 어류서식에 필요한 유량을 산정하였다(Stalnaker et al., 1995; Hur and Kim, 2009; Kim et al., 2021).
PHABSIM은 하천의 유량, 유속 및 수심 등의 변화에 따른 하천 내 생물종별, 성장단계별 대상 수생생물의 물리적 서식처 변화를 분석하고 IFIM에 기초하여 유량을 점차 증가시키면서 각 유량에서의 대상 수생생물의 WUA를 산정하고 WUA가 최대일 때의 유량을 최적 환경생태유량으로 정의한다. PHABSIM에서의 WUA는 Eq. (1)과 같이 물의 점유면적과 분석하고자 하는 수생생물의 복합 서식처적합도지수 CSI (Combined Suitability Index)의 곱으로 산정한다.
여기서, WUV는 가중가용면적, Ai는 하천단면 i에서의 물의 점유면적, CSIi는 하천단면 i에서 수생생물의 각 유속, 수심, 하상재료와 같은 물리적 서식처적합도 지수가 종합적으로 고려된 복합 서식처적합도지수이다.
CSI는 Eq. (2)와 같이 각 하천단면에서의 유속, 수심 그리고 하상재료의 서식처적합도지수의 곱으로 계산된다.
여기서, CSIi는 하천단면 i에서의 복합 서식처적합도지수, Vi는 하천단면 i에서의 유속 서식처적합도지수, Di는 하천단면 i에서의 수심 서식처적합도지수, Si는 하천단면 i에서의 하상재료 서식처적합도지수이다.
2.4 River2D 모형
River2D는 캐나다 Alberta 대학에서 개발한 2차원 수치모형으로 2차원 동수역학모의와 서식처모의가 가능하다. River 2D는 SU/PG (Streamwise Upwind Petrov-Galerkin) 기법을 이용한 유한요소모형이다. 비선형 항을 해석하기 위해 반복해법으로 Newton Rhapson 방법을 이용하는 모델이며 2차원 수심평균된 연속방정식과 운동량 방정식은 Eqs. (3)~(5)와 같고, x와 y방향의 마찰경사는 Eq. (6)과 같다.
여기서, t는 시간, x, y는 각각 흐름방향과 횡방향 좌표, H는 수심, U, V는 각각 x, y방향의 수심평균된 유속, qx(=HU), qy(=HV)는 각각 x, y방향 단위 폭 당 유량, Soi, Sfi는 각각 i방향 하상경사와 마찰경사이며, 는 난류 응력 텐서이고, Cs는 무차원 Chezy 계수로 유효조도높이(ks)와 관련이 있다.
River2D 모형 또한 모형 내 서식처 모듈을 이용하여 서식처 모의를 수행할 수 있으며, 서식처 모의 수행을 위한 WUA와 CSI의 방정식은 Eqs. (1) and (2)와 같다.
2.4.1 서식처모형 입력자료
서식처모형의 수리해석을 위해서는 하천의 단면별 하천형상자료와 유량별 수위 및 유속 등의 수리환경 자료가 필요하다. 서식처모형의 구축을 위해 MOLIT (2009)를 통하여 하천단면정보와 수리환경정보를 수집하였다. PHABSIM은 GD로부터 약 51.0 m 간격으로 약 410.0 m, River2D는 GD를 포함하여 약 500 m 간격으로 약 6.0 km구간을 모형구축구간으로 설정하여 구축하였다. 서식처모형의 수위와 유속 자료를 생성하기 위해 대상하천에 대해 보정된 HEC-RAS를 활용하여 수위자료와 유속자료를 생성하였다. Table 1은 GD의 2019년 Q185와 Q355 조건에 대해 보정된 HEC-RAS의 수위자료와 관측자료와의 차이를 나타낸 것이다. 2019년 Q185와 Q355 조건에서 검·보정된 HEC-RAS의 수위 결과가 관측자료 대비 각각 -0.21 m, -0.20 m로 나타나 보정된 HEC-RAS가 적절한 범위에서 대상하천의 수리환경 자료들을 생성할 수 있다고 판단하여 본 연구에서 활용하였다.
Table 1.
The comparisons between the observed and simulated water surface elevation of calibrated HEC-RAS at Q185 and Q355 for 2019
| Flow duration | Component | Water surface elevation (m) |
| Q185 (41.72 m3/sec) | Observed | 1.26 |
| Simulated | 1.47 | |
| Difference | -0.21 | |
| Q355 (10.95 m3/sec) | Observed | 0.92 |
| Simulated | 1.12 | |
| Difference | -0.20 |
2.5 어류 현장조사
대상하천의 대상어종을 선정하고 서식처모형에 적용할 HSI를 산정하기 위해 어류 현장조사를 수행하였다. 대상하천에는 구담보가 존재하기 때문에 어류 현장조사를 수행하기에 적절하지 않은 환경을 갖고 있다. 따라서 대상하천과 같은 하천특성을 나타내는 GD 하류의 풍지교에서 어류 현장조사를 수행하였다. 어류 현장조사는 우리나라의 하천의 유황특성을 고려하여 하천 유량이 줄어들어 하천 수생태계에 영향을 주는 갈수기 기간(3월~6월) 동안 중점적으로 수행하였다.
어류 현장조사는 2021년 3월부터 6월까지 4회(3/26, 4/26, 5/14, 6/3) 수행하였다. 조사방법으로는 ‘하천 수생태계 건강성 조사 및 평가 지침’ (국립환경과학원 공고 제2019-52호)에 따라 투망(Cast net, 망목, 7 × 7 mm)과 족대(Skimming net, 망목, 5 × 5 mm) 사용을 원칙으로 조사를 수행하였다. 또한 환경생태유량 산정시 필요한 HSI를 평가하기 위해 현장조사 지점의 전반적인 하천단면 특성과 유속과 수심 등을 조사하여 기초자료로 활용하였다(Fig. 3).
3. 결과 및 고찰
3.1 서식처모형의 수리모의
서식처모형을 활용하여 환경생태유량과 그에 따른 2차원 공간분석을 수행하기 위해 모형의 수리모의를 수행하였다. PHABSIM과 River2D 모두 모형 내 수리모의가 가능하기 때문에, 본 연구에서는 GD의 관측자료와 서식처모형의 수리모의 결과와 비교하였다. PHABSIM의 유량 입력경계조건은 2019년 수문조사연보에서 제공하는 GD의 Q185, Q355를 적용하여 모의하였고, River2D의 초기 상류 입력경계조건은 GD의 2019년 Q355, 초기 하류 입력경계조건은 Q355일 때의 수위를 적용하였다.
PHABSIM의 수리모의 결과는 GD가 위치한 하천단면에서의 수위모의 결과를 비교하였다. GD의 관측수위와 PHABSIM의 수위모의 결과는 Table 2와 같다. Q185조건에서 모의 수위는 1.06 m로 -0.20의 오차를 나타내었고, Q355조건에서 모의 수위는 0.75 m로 -0.17 m의 오차를 나타내어 적절한 오차범위에서 PHABSIM의 수리모의가 진행된 것으로 나타났다.
River2D의 수리모의 결과는 GD의 관측수위와 GD가 위치한 해당 노드(Node)의 모의결과와 비교하였다. GD의 Q355조건에서의 수위 0.92 m와 비교하여 River2D의 수위는 0.80 m로 약 -0.12 m의 오차를 보였다. PHABSIM과 River2D 모두 적절한 오차 범위 내에서 수리모의가 진행된 것으로 판단되어 두 모형을 이용하여 서식처모의를 수행하였다.
Table 2.
The results of water surface elevation simulation of PHABSIM
| Flow boundary conditions | Observed (m) | Simulated (m) | Difference (m) |
| Q185 (41.72 m3/sec) | 1.26 | 1.06 | -0.20 |
| Q355 (10.95 m3/sec) | 0.92 | 0.75 | -0.17 |
3.2 어류 현장조사 결과
HSI는 환경생태유량산정에 있어서 가장 중요하고 민감한 인자이다. HSI는 어종마다, 어류의 생활사마다 다르며 같은 수계라도 하천마다 다르다. 따라서 대상어종으로 선택한 어종에 대해 서식처 특성을 조사하고 그 특성을 잘 반영할 수 있는 HSI를 구축하여 모형에 적용하는 것이 정확한 환경생태유량을 산정할 수 있다.
풍지교를 대상으로 대상어종 선정을 위한 어류 현장조사를 4회 수행하였고, 대표어종 선정을 위해 조사된 어류자료의 종수, 개체수, 상대풍부도(Relative Abundance, RA)를 분석하였다. 현장조사 수행결과 수위표 수위는 1.13 m~1.44 m, 유량은 28.4~62.4 m3/sec로 나타났고, 낙동강 본류 풍지교 조사지점에서 5과 12종 203개체가 조사되었다. 어종들의 대해 종분류를 한 결과 잉어과 어종이 7종으로 약 58.3%로 가장 많이 나타났고, 개체분류 결과 잉어과 개체수가 146개체로 약 71.9%로 나타났다.
1~4회차 현장조사에 대해 피라미(Zacco platypus)는 총 110개체로 나타나 대상하천에서 가장 우점하는 종으로 나타났고, 기름종개(Cobitis hankugensis)는 34개체, 모래무지(Pseudogobio esocinus)는 21개체로 나타났으며 그 외에 밀어(Rhinogobius brunneus), 돌고기(Pungtungia herzi)등이 출현하였다(Table 3). 가장 우점하게 나타난 피라미는 한강과 낙동강뿐만 아니라 우리나라 전역에 가장 넓은 생태 범위를 갖는 종으로 알려져 있으며(Kim et al., 2005; Noh et al., 2015), 붕어(Carassius auratus)와 함께 쉽게 발견할 수 있는 어종이다. 따라서 우점종으로 나타난 피라미를 대상어종으로 하여 HSI를 산정하였다.
Table 3.
The results of fish surveys at Pungji bridge in Nakdong River basin
3.3 대상어종 HSI 산정
HSI를 산정하는 대표적인 방법은 WDWF (Washington Department of Fish and Wildlife)방법과 IFASG (Instream Flow and Aquatic Systems Group)방법이다. WDWF방법은 어류 현장조사지점에서 유속, 수심 및 하상재료 구간별 기준으로 어류조사 자료의 물리적 변수의 적합도를 1.0으로 하고, 부적합한 경우 0.0으로 나타내어 각 HSI의 범위를 나타내는 방법이다. IFASG 방법은 유속과 수심 범위에 대한 출현 개체수 분포를 산정한 다음 50%, 75%, 90%, 95% 범위에 대한 HSI는 1.0, 0.5, 0.1, 0.05로 값을 결정하는 방식이다. 본 연구에서는 하천의 물리적 특성을 잘 반영할 수 있는 WDWF 방법을 이용하여 HSI를 산정하였다.
HSI는 각 현장조사결과를 활용하여 대상어종의 출현빈도와 서식처적합도 지수를 종합하여 그래프로 나타낸다. HSI가 1.0의 값을 가질 때 대상어종에 대해 최적의 물리적 서식조건을 의미하며, 0.0의 값을 가질 때 서식조건이 부적합한 것을 의미한다. 대상어종 피라미의 최적 HSI 범위는 Table 4과 같이 분석되었고, 각 유속에서 조사된 피라미의 개체수와 최적의 유속 HSI 그래프는 Fig. 4(a)와 같고, 각 수심에서 조사된 피라미의 개체수와 최적의 수심 HSI 그래프는 Fig. 4(b)와 같다. 유속은 0.3~0.5 m/s에서 최적의 범위를 나타내었고, 수심의 경우 0.4~0.6 m에서 최적인 것으로 나타났다. 하상재료는 모래와 가는 자갈에서 서식조건이 최적인 것으로 나타났다. 낙동강은 우리나라의 대표적인 모래하천으로써 사주가 많이 발달되어있다(Woo et al., 2010). 이러한 사주와 하상에 위치한 자갈이 만들어내는 작은 공극들은 어류뿐만이 아닌 다른 수생생물의 서식처, 은신처 또는 산란의 공간으로 활용된다. 하지만 모래하천은 유사의 이동과 공급이 심하기 때문에 하천 수생생물들의 서식처를 보존하기 위해서는 유사의 공급과 차단을 고려한 계획과 설계가 필요할 것으로 판단된다.
Table 4.
The optimal range of physical habiat conditions for Zacco platypus
| Target fish species | Number of individuals | HSI | ||
| Velocity (m/s) | Depth (m) | Substrate size* | ||
| Zacco platypus | 110 | 0.3~0.5 | 0.4~0.6 | 2.0~3.0 |
3.4 환경생태유량 산정
Fig. 5는 PHABSIM의 서식처모의를 통한 유량-WUA 그래프이며 GD의 11년(2010~2020) 평균 Q355(14.0 m3/sec), Q275(23.6 m3/sec), 그리고 Q185(37.2 m3/sec)를 함께 도시한 것이다. 서식처모의는 IFIM에 기초하여 유량을 점차 증가시켜 모의하였다. 대상하천에서 피라미에 대한 최소 WUA는 12.0 m3/sec에서 850.5 m2/1000 m로 나타났다. 이는 대상하천에서의 유량이 12.0 m3/sec일 때 피라미에 대한 최소한의 물리적 서식조건이 갖춰지며, 피라미 생애에 있어 12.0 m3/sec 보다 작은 유량에서는 유속 또는 수심과 같은 물리적 서식조건이 적합하지 않은 것으로 나타났다. 최소 WUA가 확보될 때의 유량은 11년 평균 Q355 보다 작은 값에 위치하므로 갈수기에도 우점종의 최소 서식조건을 만족하는 것으로 분석되었다.
PHABSIM의 최적 환경생태유량은 WUA가 최대일 때 즉, 대상하천에 대해 WUA가 가장 크게 확보될 때의 유량을 최적 환경생태유량으로 정의한다. 대상하천의 최적 환경생태유량은 20.0 m3/sec로 산정되었고, 최적 환경생태유량일 때 대상하천의 점유면적과 WUA는 각각 114,526.8 m2, 110,058.8 m2/1000 m으로 나타났다. 이는 20.0 m3/sec일 때 피라미의 서식조건이 최적인 것을 의미하며, 피라미의 서식처가 가장 많이 확보될 수 있는 유량이다.
대상하천에서의 최적 환경생태유량이 적절한 범위에서 산정되었는지 파악하기 위해 대상하천의 하류 JB 지점에서 고시된 하천유지유량과 비교하였다. JB에서 고시된 하천유지유량은 20.8 m3/sec이다. 낙동강유역 본류에 고시된 하천유지유량은 JB에서 20.8 m3/sec로 시작하여 낙동강 하류의 ‘진동’ 지점에서 61.0 m3/sec로 하류로 갈수록 점차 크게 증가한다. 하천법과 물환경보전법에 따르면 하천유지유량은 생활·공업·농업·환경개선·발전·주운 등의 하천수 사용을 고려하여 하천의 정상적인 기능 및 상태를 유지하기 위하여 필요한 최소한의 유량으로 정의되는데, 하천유지유량을 정하는 경우 환경생태유량을 고려하여야 한다. 이는 환경생태유량의 산정결과가 대상하천에 대해 고시된 하천유지유량보다 작게 산정되어야함을 의미한다. 본 연구의 환경생태유량 산정결과(20.0 m3/sec)는 하류에 고시된 하천유지유량(20.8 m3/sec)보다 작게 산정되어 적절한 범위에서 산정된 것으로 판단된다.
3.5 어류서식처 2차원 공간분석
River2D를 활용하여 대상하천의 2019년 Q355조건과 PHABSIM으로 산정한 환경생태유량(20.0 m3/sec)일 때의 2차원 공간분석을 수행하였다. Fig. 6은 대상하천의 2019년 Q355 조건과 환경생태유량 조건에서의 수심, 유속 및 어류서식처를 2차원으로 도시화한 것이다.
대상하천의 수심은 GD보다 상류에서 더 깊은 것으로 나타났고 오히려 하류로 갈수록 수심은 전체적으로 얕아지는 것으로 나타났다. GD가 위치한 지점은 은 유량차이에도 불구하고 수심의 변화가 민감하지 않은 것으로 나타났다. 이는 대상하천인 낙동강 본류에 위치한 보와 같은 수리시설물들에 의해 수위가 일정수준 유지되고, 대상하천의 주 하상재료는 모래로 이루어져 있어 하천유량이 지하로 빠르게 침투되기 때문에 수심의 변화가 크게 나타나지 않은 것으로 판단된다. 대상하천의 Q355, 환경생태유량 조건에서의 유속분포는 작은 하천유량에 의해 전반적으로 완만한 유속 분포를 나타내었고 환경생태유량 조건에서 유량 증가에 따른 유속이 전반적으로 증가하는 것으로 나타났다. 특히, GD의 상류 만곡부에서 유량이 크게 증가하는 것으로 나타났다.
Q355 조건과 환경생태유량일 때의 어류서식처 분포를 살펴보면, 먼저 Q355 조건에서의 WUA는 전체 면적 3,415,754.3 m2에 대해 47,972.9 m2/1000 m로 나타났고, 환경생태유량 조건에서의 WUA는 전체 면적 3,415,754.3 m2에 대해 107,392.0 m2/1000 m로 나타나 Q355 조건보다 약 2배 이상의 어류서식 면적을 갖는 것으로 나타났다. Q355 조건에서의 어류서식처는 GD가 위치한 지점의 직 상·하류와 대상하천의 말단부에서 작은 면적의 분포를 나타내었다. 환경생태유량 조건의 경우, 대상하천의 상·하류 모두 전반적으로 어류서식처가 분포하는 것으로 나타났고, 특히 GD 부근과 상류의 만곡부에서 큰 어류서식면적을 갖는 것으로 나타났다. 하천유량이 부족한 갈수기에 조사한 HSI를 모형에 적용하였음에도 불구하고, Q355 조건에서 어류서식공간이 충분히 확보되지 않기 때문에 상류에 위치한 다목적 댐에서 갈수기에 추가적인 하천유량 방류를 통하여 충분한 어류서식공간을 확보할 필요가 있을 것으로 판단된다.
4. 요약 및 결론
본 연구는 하천의 수생태계 건강성이 좋지 않은 낙동강 본류의 안동댐 하류 하천을 대상으로 낙동강의 하천기본계획보고서를 활용하여 1차원 서식처 모형인 PHABSIM과 2차원 서식처 모형인 River2D를 구축하였다. 각 모형의 서식처 모의를 위해 어류 현장조사를 수행하여 대상어종을 선정하고, 대상어종으로 선정한 피라미의 물리적 서식처 특성을 분석하여 대상어종의 HSI를 산정하여 모형에 적용하였다. PHABSIM을 활용하여 대상하천의 최적 환경생태유량을 산정하고, River2D를 활용하여 갈수기 조건과 환경생태유량 조건일 때의 어류서식처 공간분석을 수행하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
1) 낙동강 본류의 안동댐 하류 하천에 대한 PHABSIM과 River2D의 구축을 위해 2009년 낙동강 하천기본계획보고서를 활용하여 하천단면과 수리학적 입력자료를 수집하였고, PHABSIM은 GD로부터 약 410.0 m, River2D는 GD를 포함한 약 6.0 km에 대해 모형을 각각 구축하였다.
2) 서식처 모형의 수리모의 검증을 위해 GD의 2019년 Q185 (41.72 m3/sec)의 수위(1.26 m)와 Q355(10.95 m3/sec)의 수위(0.92 m)를 활용하여 PHABSIM과 River2D의 모의 수위와 비교하였다. PHABSIM의 수위 결과는 Q185, Q355에서 각각 1.06 m, 0.75 m로 -0.20 m, -0.17 m의 오차를 나타내었고, River2D는 Q355에서 0.80 m로 -0.12 m의 오차가 나타났다.
3) 환경생태유량 산정을 위한 대상어종을 선정하기 위해 대상하천의 물리적 특성을 잘 반영하는 GD의 하류에 위치한 풍지교에서 어류 현장조사를 수행하였다. 어류 현장조사 수행결과, 상대풍부도가 54.2%로 가장 크게 나타난 피라미(Zacco platypus)를 대상어종으로 선정하였고 피라미의 HSI를 구축하였다.
4) 대상어종인 피라미에 대한 HSI의 최적 범위는 유속, 수심 그리고 하상재료에서 각각 0.3~0.5 m/s, 0.4~0.6 m, 모래(0.062~2.0 mm)~잔자갈(2.0~16.0 mm)로 분석되었다.
5) 구축한 피라미의 HSI를 PHABSIM에 적용하여 최적 환경생태유량을 산정한 결과, 최적 환경생태유량은 20.0 m3/sec로 나타났다. 최적 환경생태유량과 하류의 JB지점의 하천유지유량(20.8 m3/sec)과 비교하였을 때, 환경생태유량이 하천유지유량보다 적게 산정되어 적절한 범위에서 환경생태유량이 산정되었다.
6) River2D 모형을 활용하여 갈수기 조건과 환경생태유량 조건에서의 어류서식처 2차원 공간분석을 수행한 결과, 갈수기 조건과 비교하여 환경생태유량 조건에서 대상하천 전반적으로 어류서식처가 확보되었고 특히 만곡부에서 어류서식처의 면적이 크게 확보되는 것을 확인하였다.
본 연구는 1차원 및 2차원 물리적 서식처 모형을 활용하여 환경생태유량을 산정하고 하천의 갈수기와 환경생태유량 조건에서의 어류서식처 공간분석을 수행하였다. 환경생태유량 산정결과의 신뢰도를 높이기 위해 어류 현장조사를 통해 대상어종을 직접 선정하고 대상어종의 HSI를 구축하여 모형에 적용하였다. 환경생태유량 산정의 적정범위에는 아직 명확한 기준이 존재하지 않기 때문에 본 연구에서는 하천의 정상적인 기능 및 상태를 유지하기 위한 최소한의 유량인 하천유지유량과의 비교를 통한 방법을 제안하였다. 또한 단순 환경생태유량의 정량적인 값만을 제시하는 것이 아닌, 2차원 서식처 모형을 함께 활용하여 하천의 갈수량과 환경생태유량이 흐를 때 대상하천의 어류서식처를 비교하고 어류서식처가 얼마나 확보되었는지 공간적으로 제시하였다.
하천의 어류서식처를 공간적으로 파악하는 것은 하천의 수생태계 건강성 보존을 위해서 필수적으로 수행되어야 한다. 어류서식처 개선을 위해서는 어류서식처가 충분히 확보가 되지 않는 지점을 공간적으로 파악하고 댐과 같은 수리시설물을 통해 추가적인 유량을 방류하는 등 현실적인 노력이 필요할 것이다.
본 연구에서는 대상어종인 피라미를 대상으로 어류서식처를 파악하였으나, 하천에는 수많은 어종이 존재한다. 따라서 대상어종과 유사한 물리적 서식처 특성을 갖는 어종들에 대해 군집분석을 통한 통합적인 HSI를 개발하여 서식처 모형에 적용한다면 다양한 어종을 고려한 통합적인 환경생태유량 및 어류서식처 분석을 할 수 있을 것으로 기대된다.
