1. 서 론

내성천은 경상북도 봉화군 물야면 오전리의 선달산(1,236 m)에서 발원하여 남류 및 남서류하면서 영주시, 예천군을 지나 문경시 영순면 달지리에서 낙동강에 유입한다. 내성천의 주요 지류로는 영주시를 흐르는 서천, 문경시를 흐르는 금천, 예천군을 흐르는 한천, 봉화군을 흐르는 토일천과 낙화암천 등이 있다. 내성천 유역 분지의 북쪽 분수계는 백두대간이 지나는 소백산맥의 높은 산지를 이루고 있어서, 내성천은 대체로 해발고도가 낮은 유역분지의 남쪽으로 치우쳐 흐른다. 이로 인해 서천, 금천, 한천, 낙화암천 등의 지류 하천들은 대부분 유역분지의 북쪽에서 남쪽으로 흘러, 내성천 본류의 우안에서 유입된다(Lee and Kim, 2009). 내성천 유역분지의 지질은 중생대 쥐라기의 대보화강암이 절반 이상의 면적을 차지한다. 중생대 쥐라기 화강암은 북동-남서 방향을 따라 넓게 분포하며, 유역분지 내에서도 중·북부 지역에서 넓은 면적을 차지한다(Fig. 1). 백두대간에서 발원한 물이 이 분지를 통과하면서 모래를 함께 이송하여 내성천은 우리나라의 대표적인 모래강이 될 수 있었다(EHI, 2019).

모래하상이 넓게 펼쳐지고 여울부가 발달되어 있는 하천 환경으로 인해 내성천은 흰수마자(Gobiobotia naktongensis)의 최적 서식처로서 알려져 있다. 멸종위기야생생물 I급 담수어류인 흰수마자는 가는 모래(1 mm 이하)가 90% 이상을 구성하고 있는 하상에 서식한다고 Chae (2004)는 보고하였다. 잉어과(Cyprinidae) 모래무지아과(Gobioninae)에 속하는 흰수마자는 전장 6~10 cm인 소형 어류로서 Mori (1935)가 낙동강의 영주와 함양에서 채집하여 신종으로 보고한 한국고유종이다(Kim et al., 2014). 흰수마자는 과거 수질이 양호하며 입자가 가는 모래여울이 잘 발달된 낙동강 유입 지류와 본류에서도 출현하였으며, 특히 낙동강 상류의 내성천, 중류의 감천과 황강수계에서 비교적 많은 개체수가 출현한 것으로 보고되었다(MLIT, 2010). 그러나 현재 영주 다목적댐이 건설되고 지자체가 과도한 하도준설을 시행하여, 댐하류 지역의 하상 조립화가 가속화되면서 흰수마자의 서식환경은 악화되고 있는 추세이다. 멸종위기 야생동식물을 관리하는 것은 고유 생물자원의 보전 및 생물다양성 확보와 함께 생태계를 유지하기 위하여 중요하다(MLIT, 2010; Ko et al., 2012; Na et al., 2015).

본 연구에서는 내성천 본류 영주댐 하류 구간(석탑교부터 회룡교까지)의 2010년 하상자료(입도분포)와 2020년 하상자료 비교를 통해 10여 년간 진행된 내성천의 입경 변화가 흰수마자 서식처 변화에 어떠한 영향을 주었는지 서식처 물리모형의 하나인 River2D를 이용하여 정량적으로 분석하였다.

본 연구에서 이용한 2차원 물리서식처 모형인 River2D는 최근 들어 어류 서식처 평가를 위해 빈번히 사용되고 있는 추세이다. Oh et al. (2008)은 피라미를 대상으로 서식하기에 최적인 유량을 산정하기 위해 1차원 서식처 모형인 PHABSIM과 함께 River2D를 이용한 바 있다. Kang et al. (2010)은 달천의 괴산댐 하류 구간에서 댐 발전방류로 인한 피라미의 서식처 변화를 River2D를 통해 분석한 바 있다. 그들은 댐 하류 하천의 생물서식 환경을 향상시킬 수 있는 방류조건이 필요함을 강조하였다. Oh et al. (2010)은 금강의 지류에서 보(weir)를 설치하거나 하상에 인공 소(pool)를 조성하였을 경우 피라미의 서식환경의 변화를 River2D를 통해 살펴보았다. 그들은 이 경우에 보는 서식처 확대를, 인공 소는 서식처 감소를 가져온다고 결론 내렸다. Roh et al. (2011)은 섬진강 본류에 River2D를 적용하여 생태학적 하천유지유량을 산정한 바 있다.

이외에 River2D는 자연하도에서의 물리서식처 연구뿐만 아니라 인공구조물의 하나인 어도 효율을 분석하는 데에도 이용되고 있다. Lee et al. (2012)은 금강 백제보에 설치된 자연형 어도(by-pass fishway)내의 서식 환경을 수리모형실험 및 River2D를 통해 평가하였다. 그 결과 River2D로 계산된 수심값이 수리모형 실험치에 근접하게 모의됨을 보였고, 대상어종이 피라미인 경우 어도 폭을 늘이는 것이 산란기에 유리하다고 주장하였다. Baek et al. (2013)은 낙동강 강정고령보에 설치된 자연형 어도의 입·출입구 주변부의 수리 특성을 River2D로 모의하여 피라미가 어도로 잘 유입되는지 여부를 분석하였다. 그 결과 어도의 유인이나 유입효율 분석에 물리서식처 모형이 유용하게 사용될 수 있음을 보였다. 이처럼 River2D는 유량이나 하도 변형에 따른 서식처 변동 분석에 유용하게 사용되었고, 대상 하천도 4대강과 같은 대규모 하천에서 자연형 어도와 같은 소규모 인공수로까지 광범위하게 적용되고 있다(Baek et al., 2015, 2021; Park et al., 2015).

Fig. 1.

Geology of Naeseong Stream basin (after Lee and Kim, 2009)

2. 연구 방법

2.1 물리서식처 모형

River2D는 유한요소모형을 사용한 2차원 물리서식처 모형으로 수리학적 분석에는 Eq. (1)의 수심 평균된 연속방정식과 Eq. (2)와 같이 x, y 방향의 운동량방정식을 지배방정식으로 사용한다(Steffler and Blackburn, 2002).

여기서 H는 수심, U와 V는 각각 x와 y방향의 수심평균 유속, q_x와 q_y는 상대유량으로 다음과 같이 표현된다.

또한 g는 중력가속도, ρ는 물의 밀도, S0x와S0y는 x와 y방향의 하상경사, Sfx와 Sfy는 각각 x와 y방향의 마찰경사이다. 그리고 τxx,τxy,τyx,τyy는 각각 법선(normal) 및 전단(shear)응력을 나타낸다. x방향의 마찰경사는 다음 식과 같이 수심 평균된 유속의 함수로 가정한다.

여기서, τbx는 x방향으로의 바닥 전단응력이고 C_s는 Chezy 계수이다. Chezy 계수는 광폭수로 내 정상등류상태에서 Eq. (5)와 같이 조고(roughness height) k_s나 Manning의 조도계수(n)의 함수로 치환하여 표현할 수 있다(Henderson, 1966).

이처럼 Manning의 조도계수, 또는 조고가 본 모형의 매개변수 중 하나이다. x축 평면에 작용하는 난류전단응력은 다음과 같이 표현된다.

여기서 νt는 와점성계수로서 본 모형의 또 다른 매개변수 중 하나로서 다음과 같은 세 항으로 구성된다.

여기서 ε1,ε2,ε3는 사용자가 흐름 상황에 적합하게 결정하는 계수이다. 이상과 같은 River2D의 수리동역학적 모형은 자연하천에서 부정류와 부등류 모의에 적용할 수 있으며, 상류 및 사류 등의 흐름도 모의 가능하다.

River2D 모형을 구성하고 있는 모듈을 크게 나누어 보면 River2D_Bed, River2D_Mesh, River2D_Habitat 등이다. 대상하천의 지형자료를 입력하여 bed 파일을 만든 후 이를 바탕으로 mesh를 구성하여 유속과 수심과 같은 수리량을 계산한다. 계산된 수리량을 바탕으로 어류 서식 적합도를 평가할 수 있다(Oh et al., 2008). River2D 모형을 통해 계산되는 어류의 서식처 적합도는 물리서식처 모의 시스템에서 사용되는 가중가용면적(Weighted Usable Area, WUA)에 근거하여 산출된다. WUA는 대상어종의 특정 성장단계별, 서식처특성별로 주어진 구간을 이용할 수 있는 순수적합도(net suitability)에 대한 하나의 지표이다. 즉 WUA가 크다는 것은 그만큼 대상어종의 서식처 및 활동 영역이 크다는 것을 의미한다. WUA는 각 절점에서 평가되어지는 복합서식처 적합도 지수(C_i)에 의해 계산된다. 복합서식처 적합도 지수(C_i)는 유속, 수심 및 하상재료 등에 대한 서식처 적합도 지수(Habitat Suitability Index, HSI)를 조합하여 산정한다. HSI는 유속 및 수심 등과 같은 서식처의 물리적 속성과 고려대상 종의 물리적 속성에 대한 적합성간의 관계를 정량적으로 나타낸 지수이다. 일반적으로 어류 서식처 적합도 지수는 특정한 조사 지점이나 구간에서 출현한 어종의 개체수 중 최대 개체수를 1.0으로 설정하고 나머지는 최대 개체수에 대한 상대적인 비율로 나타낸다. 가장 일반적인 서식처 적합도 지수에 대한 예는 Fig. 2와 같다. 이 그림에서 가로축이 의미하는 것은 물리적 조건인 수심, 유속, 하상재료의 변수이고, 세로축이 의미하는 것은 적합도 지수로 그 값이 1에 가까울수록 대상 종의 서식처 조건에 적합한 수심, 유속 및 하상재료가 된다(Kang et al., 2011; Baek, 2019).

다시 돌아가서 복합 지수 산정방법에는 곱셈방법, 기하평균 방법, 최소치 방법 등이 있는데, 본 연구에서는 곱셈방법을 적용하여 복합 서식처 적합도 지수를 산정하였고, 그 과정을 Fig. 3에 개념적으로 도시하였다. 최종적으로 River2D 모형은 입력된 복합서식처 적합도 지수(C_i)에 맞춰 WUA를 각 셀에 대해 계산하는데, 여기서 WUA는 셀 면적(A_i)에 복합서식처 적합도 지수(C_i)를 곱하여 다음과 같이 계산된다(Waddle, 2001; Baek and Kim, 2015; Baek et al., 2022).

여기서 A_i는 i셀의 면적이다.

Fig. 2.

HSI of Gobiobotia naktongensis and Pseudogobio esocinus (after Won, 2017)

Fig. 3.

Simulation process of WUA (after Baek et al., 2022)

2.2 대상구간 및 수리모듈의 검·보정

본 연구에서 River2D로 모의를 수행할 영역의 종방향 길이는 약 42 km 이며, 하천 지형자료는 내성천권역(하류)하천기본계획(MLIT, 2012), 내성천중류권역하천기본계획(MLIT, 2014)을 따라 입력하였다. 상류 경계는 내성천 영주댐 하류 석탑교 수위·유량 관측소 지점을, 하류 경계는 회룡교 수위·유량 관측소 지점을 삼았다. 연구대상구간을 도시하면 Fig. 4와 같다.

River2D로 계산된 수리량을 검·보정하기 위해 유속과 수위를 각각 측정치와 비교하였다. 해당 모의구간 내에 수위표 지점은 5군데(회룡교, 신음리, 고평교, 미호교, 석탑교) 존재하여 계산수위와 관측수위의 비교는 비교적 용이하다. 반면 연구구간 내에 관측된 유속자료는 부재하므로, 평수기 특정일(2021년 10월 14일)에 직접 내성천에서 ADCP를 활용하여 도섭법을 통해 유속 및 단면자료를 확보하였다. 유량이 측정된 단면은 Fig. 4에 도시된 것처럼 문수리(No. 44)와 회룡포(No. 6) 두 군데 지점이다.

본 모의에서 검·보정이 필요한 매개변수는 Eqs. (5) and (7)에서 기술한 Manning의 조도계수(n)과 와점성계수(νt)이다. 통상 와점성계수는 물리적 의미보다는 수치해의 안정성과 연계하여 결정되며, 조도계수에 의해 수위가 민감하게 반응하므로 이것의 검·보정이 필요하다. 모의 조건은 유량(유속)이 관측된 2021년 10월 14일의 상황을 재현하였다. 문수리 지점에서 관측된 유량 5.93 m³/s 을 상류단 경계조건으로 할당하고, 지천들(석관천과 한천)에서 유입되는 유량은 모의구간 내 존재하는 유량 관측소를 참고해 상하류의 물수지 차이만큼을 입력하여 석관천의 유량을 2.29 m³/s, 한천의 유량을 5.19 m³/s 로 할당하였다. 하류단 경계수위는 유량 관측일과 같은 날 회룡교 수위관측소의 수위인 EL. 54.08 m를 부여하였다. 해당 구간 내 관측수위와 계산수위를 비교하면 Fig. 5와 같으며, 시행착오법을 통해 조도계수(n)를 0.018로 보정(calibration)하였다.

모형의 검증은 유속분포를 활용하였다. 두 지점에서 관측한 유속분포와 River2D로 모의된 유속분포를 비교하여 Fig. 6에 도시하였다. 이 그림에서 보듯이 직선부인 문수리 지점(Fig. 6(a))에서는 모의유속과 관측유속이 비교적 잘 일치하였다. 반면 만곡(하상변동이 상대적으로 활발)구간인 회룡포 지점(Fig. 6(b))에서는 유속 재현이 만족스러운 결과를 보여주지 못하였다. 이는 유속을 관측한 날(2021년 10월 14일)의 하상과 수치 모의시 입력된 하상자료(MLIT, 2012)간 차이가 존재하기 때문이다. 하상변동이 심한 하천에서 특정단면의 유속분포를 2차원 수치모형이 정확히 모사하는 것은 쉽지 않으며, 이는 본 연구의 한계점이기도 하다.

Fig. 4.

Simulation area of Naeseong Stream

Fig. 5.

Calibration of hydraulic parameter by water elevation

Fig. 6.

Verification of hydraulic parameter by velocity distribution

2.3 모의조건

모형의 검·보정이 수행된 평수기 외에도 유황에 따른 흰수마자의 서식 적합도를 분석하기 위해 내성천 내 관측 유량 10년치를 유황분석한 후 10년 평균치의 풍수량, 저수량, 및 갈수량을 산정하였다. 각 관측소별 유황분석 결과를 Table 1에 도시하였다. 이렇게 결정된 풍수량 및 저수량과 유사한 유량값이 발생하는 2021년도 날짜를 선택하여 풍수기와 저수기 상황이라 정의하고 모의를 수행하였다(갈수기는 모의하지 않음). 저수기의 경우 21년 3월 10일의 상황이 저수량과 유사하였다. 내성천 상류단 유량을 5.40 m³/s로, 한천의 유량은 0.51 m³/s로, 석관천의 유량은 2.65 m³/s를 부여하였다. 하류단 경계수위는 EL. 53.87 m이다. 풍수기의 경우 21년 4월 25일로 특정하고 내성천 상류단 유량을 10.52 m³/s로 할당, 한천의 유량은 1.86 m³/s, 석관천 유량은 2.21 m³/s. 하류단 경계수위는 EL. 54.12 m이다.

WUA 산정에 이용될 흰수마자의 서식처 적합도 지수(HSI)는 Won (2017)의 자료를 인용하였다. 흰수마자의 수심, 유속, 하상재료에 대한 HSI는 Fig. 2에 기 도시한 바 있다. 이 그림에서 보듯이 흰수마자 서식에 적합한 수심은 0.2 m~0.4 m, 유속은 0.3 m/s~0.6 m/s, 하상의 중앙입경(D₅₀)은 1.1 mm~1.4 mm 이다. 특히 중앙입경의 경우 1.37 mm보다 커지면 급격하게 서식 적합도 지수가 감소하여 1.4 mm를 넘어서면 0이 된다. 흰수마자의 생장 단계에 따른 구분은 하지 않았다. 참고로 주로 모래하천의 바닥에 서식하면서 흰수마자와 유사한 특성을 보이는 모래무지의 서식적합도 지수도 함께 도시하였다. 모래무지는 흰수마자에 비해 보다 느린 유속(0.4 m/s 이상의 유속에서는 서식 부적합) 환경에서 서식하며, 특히 하상의 중앙입경이 1.4 mm 이상, 2 mm까지 서식이 가능한 것으로 나타났다. 반면 흰수마자의 경우 1.4 mm 이상의 하상에서는 서식이 적합하지 않는 것으로 보고되었다.

3. 연구 결과

3.1 10년간 하상 입경의 변화

내성천 하상 입경 변화는 ‘영주댐 시험담수 모니터링 및 분석 중간보고’(ME, 2021)의 2020년 MLIT (2012)의 2010년 중앙입경 비교를 통해 확인할 수 있다. 10여년 동안 영주댐 하류 내성천 구간이 전반으로 모래 입자 조립화(굵어짐) 현상이 뚜렷하였다. 중앙입경이 0.5~1.5 mm (2010년)에서 1.0~3.0 mm 이상(2020년)으로 가파르게 조립화되는 양상을 보였다. 영주댐 하류 내성천 구간의 년도별(2010년과 2020년) 중앙입경을 함께 Fig. 7에 도시하였다.

Fig. 7.

Changes in substrate grain size between ′2010 and ′2020

3.2 하상 입경의 변화에 따른 서식처 변화

먼저 수리모듈에서 평수기를 모의한 유속 및 수심 결과를 바탕으로 HSI를 이용하여 내성천에서 흰수마자의 가중가용면적(WUA)을 모의하였다. Fig. 4에 도시한 대표적인 네 지점(Area A~D)의 결과를 도시하면 Fig. 8과 같다. 이 그림을 보면 2010년 하상의 경우 Area A (석탑교 하류)부터 Area C (고평교 하류)까지 흰수마자의 서식이 적합한 지역이 많지는 않지만 존재하였다. 하지만 2020년 하상의 경우 Area A~C 구간에 흰수마자 서식에 적합한 구간은 거의 존재하지 않았다. 하류인 Area D (회룡포 구간)의 최하류 구간에서만 2010년 하상에 비해 2020년 하상에서 WUA가 약간 늘어난 경향을 보였다. Area D의 최하류 구간(기점에서 상류로 약 2 km)은 Fig. 7에서 보듯이 10년간 입경이 크게 조립화되지 않았고, 오히려 최적의 중앙입경 범위인 1.2~1.37 mm (Fig. 2)에 2020년 하상이 가깝게 변하여 이런 결과가 나온 것으로 사료된다. 전체 모의 구간의 흐름 영역 면적이 약 13,100,415 m² 이며 이중 WUA의 면적은 2010년 약 98,118.2 m² (전체면적의 0.75%)이고, 2020년은 약 71,887.8 m² (전체면적의 0.55%)에 불과하였다. 당초(2010년)에도 크지 않은 WUA가 2020년에는 하상의 조립화로 인해 더욱 축소되었음을 알 수 있다. 풍수기와 저수기에 대한 WUA의 산정 결과 또한 Table 2에 정리하였다. 이 표에서 보듯이 2010년에 비해 2020년의 WUA가 줄어드는 경향은 변함이 없다. 유량이 상대적으로 풍부한 풍수기가 저수기에 비해 더 큰 WUA값을 보였지만, 그만큼 2020년에 감소폭 또한 컸다.

참고를 위해 모래무지의 WUA를 추가 모의하였는데, 대표적인 네 지점(Area A~D)의 평수기 결과를 도시하면 Fig. 9와 같다. 이 그림에서 보듯이 2010년 하상의 경우 전 구간에 걸쳐서 모래무지의 WUA가 흰수마자의 그것에 비해 상당히 큼을 알 수 있다. 물론 모래무지의 WUA도 하상 조립화의 영향으로 2020년 하상에서는 절반 가까이 줄어든다(2010년 전체 면적의 약 4.33%를 차지했던 WUA가 2020년에 약 2.38%로 줄어듬; Table 2). 하지만 현재(2020년) 전체면적에서 서식이 적합한 면적이 약 0.55% 밖에 남지 않은 흰수마자에 비해서는 그나마 모래무지의 사정이 나아 보인다. 향후 멸종위기종인 흰수마자가 내성천에서 완전히 사라지는 것을 막기 위해서 특단의 대책이 필요해 보인다.

Fig. 8.

WUA simulation results of Gobiobotia naktongensis

Fig. 9.

WUA simulation results of Pseudogobio esocinus

4. 결 론

본 연구에서는 2010년 하상 입도분포와 2020년 그것의 비교를 통해 10여 년간 진행된 내성천의 입경 변화가 흰수마자 서식처 변화에 어떠한 영향을 주었는지 서식처 물리모형의 하나인 River2D를 이용하여 정량적으로 분석하였다. 분석의 공간적 범위는 내성천의 영주댐 하류 석탑교에서부터 회룡교까지의 구간이다.

우선 영주댐 하류 내성천 구간의 하상재료는 10여년 동안 전반으로 모래 입자의 조립화 현상이 뚜렷하였다. 중앙입경이 0.5~1.5 mm (2010년)에서 1.0~3.0 mm 이상(2020년)으로 가파르게 조립화되는 양상을 보였다. 이를 기반으로 River2D로 모의된 결과를 보면, 2010년의 하상의 경우 석탑교부터 고평교 하류까지 흰수마자의 서식에 적합한 지역이 많지는 않지만 존재하였다. 하지만 2020년 하상의 경우 동일구간에 흰수마자 서식에 적합한 구간은 거의 존재하지 않았다. 최하류인 회룡포 일부 구간에서만 2010년 하상에 비해 2020년 하상에서 서식 적합 영역이 약간 늘어나는 경향을 보였다. 풍수기에 전체 모의구간의 흐름 영역 면적 대비 흰수마자의 서식이 가능한 영역은 2010년에 약 0.93%에 불과하였고, 이마저도 2020년에는 하상조립화로 인해 0.58%로 절반 가까이 감소하였다. 이러한 현상은 유황(풍수량, 평수량, 저수량)에 따라 약간의 차이를 보이긴 했으나, 전체적인 경향성은 변함이 없었다. 한국 고유종이면서 멸종위기종인 흰수마자의 보존을 위해 내성천의 하상 조립화를 막을 조치들이 강구되어야 할 시점이라 사료된다.