1. 서 론
2. 모형의 구성 및 이론
2.1 모형의 구성
2.2 모형의 이론
2.2.1 1차원 수리특성의 2차원 공간 확장
2.2.2 어류 물리서식처 모형
2.2.3 식생분포 예측모형
3. 대상지역 및 모형구축
3.1 대상지역상황
3.2 모형의 구축
3.2.1 지형자료
3.2.2 수문자료
4. 수치모의 결과 분석
4.1 수위 및 유속의 공간 분포
4.2 어종별 물리서식처 모의
4.3 식생분포 예측
5. 결 론
1. 서 론
우리나라의 하천은 산지하천을 제외한 대부분이 하천정비사업에 의하여 축조된 제방으로 둘러싸여 있다. 또한 정비된 하천에서 대부분의 홍수터는 본류와 단절되어 농경지, 주택지 등으로 이용되고 있다. 특히 급격한 산업화와 도시화로 인하여 하천은 재해방지 및 경제적 이용의 대상이 되었다. 이에 따라 하천은 자연상태에서 직강화, 인공화의 과정을 거쳤으며 하천 내 무분별한 시설물 설치 등으로 황폐화되었다. 하천 내 제방과 같은 구조물은 하천과 제내지의 단절을 초래하였고, 그 결과 제내지와 제외지간 생태적, 수리학적 연결성이 차단되어 생물서식처 축소 및 생물 다양성 감소 등의 문제가 발생하였다(Kim and Kim, 2015). 하천복원(river restoration)은 훼손된 하천의 생물서식처와 친수성을 되살리기 위해 하도와 하천변을 원래의 자연 하천에 가깝게 되돌리는 것을 의미하지만, 진정한 복원은 과거의 하천 모양을 그대로 유지하는 것이다(Kim, 2007).
하천식생은 하천을 따라 선형구조를 가지며, 에너지와 물질이 식생을 통과하여 흐르는 체계이고 기능적으로 상류와 하류 및 육상과 수중생태계를 연결하는 특별한 특성을 가지고 있다(Naiman and Decamp, 1997). 하천식생은 하천통로에서 생태통로(ecological corridor)를 형성하며 하천생태계의 중추적인 역할을 수행한다(Kim et al., 2014). 따라서 하천의 복원에는 일반적으로 식생의 복원이 동반되며 하천식생의 효율적인 복원 및 유지관리를 위하여 하천식생과 환경의 관계를 파악하기 위한 생태학적 연구는 반드시 필요하다(Kim et al., 2014).
수리생태적 연결성 평가의 공간적 범위는 크게 유역에서 하천(stream), 하천구간(segment) 및 세구간(reach) 등으로 나눌 수 있다. Miller et al. (2006)은 유역단위의 연결성 평가를 위해 AGWA 모형을 개발한 바 있는데 수문해석은 SWAT 모형, 수리해석은 KINEROS2 모형이 결합된 것이다. Shields et al. (2003)은 “하천복원은 생태계의 회복이며 서식처는 하도 안정성과 상호영향을 받는다”고 하였다. 하천복원을 계획할 때 하도안정성 평가의 주요 인자는 하상변동의 원인인 유량과 유사량이다. 따라서 하도안전성은 홍수사상이나 장기유출에 대하여 세굴 및 퇴적 모의로 제방안전성과 유사이송분석을 통해 확인하는 방법을 제시한 바 있다. 또한 서식처의 분석 도구로서 흐름과 유사이송과 연계되는 2, 3차원의 현상을 쉽게 해석할 수 있는 사용자 편의적인 소프트웨어의 필요성을 제안한 바 있다.
2, 3차원의 특성을 고려할 수 있는 방법에 대한 연구가 이전부터 진행되어 왔는데, Willems et al. (2002)은 MIKE11과 ArcView을 결합한 준 2차원 모형을 적용한 바 있다. ArcView가 DEM으로부터 지형을 추출하고 MIKE11이 수리해석을 실행하면 ArcView를 이용하여 그 결과를 DEM 형식으로 표출하는 방식이다. 1차원 수위의 2차원 확장은 셀에서 계산된 수위가 주변 DEM 격자의 수위가 되는 단순한 방식이다. Lindenschmidt (2008)은 미국 EPA의 1차원의 동수역학 모형인 DYNHYD와 유사 및 미세오염물 이송 모형인 TOXI를 결합하는 준 2차원 모형을 개발한 바 있다. 1차원 지배방정식을 적용함에 따라 자료를 적게 사용하며 2차원 모형보다 쉽고 빠르게 고수부지를 모의할 수 있는 방법을 개발하였으며 Saale 강에 적용한 바 있다. 다만 이 모형은 고수부지 유입유출을 가상의 위어로 연결하는 방식으로 해결하였다. 국내연구로는 Jun (1998)은 하천본류, 홍수터, 본류와 홍수터를 연결하는 폐합형 수로망에 연속방정식과 수위-유량 관계식 또는 운동량 방정식을 지배방정식으로 하는 준 2차원 모형을 개발한 바 있다. Choi et al. (2015)은 1차원 모형의 결과를 측선방향으로 분포시키는 준 2차원 모형을 개발한 바 있다. 개발된 모형을 달천에 적용하여 수리해석 및 하상변동 모의와 물리서식처모의를 수행하고 CCH2D 결과와 비교한 바 있다.
본 연구는 하천공간에서 생태적 연결성 회복 및 하천 내 종적 구조물에 의해 차단된 제내지와 제외지 간의 생태적 연결성 회복도의 평가에 대한 것이다. 본 연구의 평가분석모형은 하천의 세구간에서 1차원의 수리특성정보를 공간분포로 확장한 후, 어종별 서식처적합도의 시 ․ 공간적 변화를 관찰하고 식생분포의 예측분석이 가능하도록 개발되었으며 청미천 적용성을 통해 검토되었다.
2. 모형의 구성 및 이론
2.1 모형의 구성
본 연구에서 개발한 모형은 입력자료의 작성, 수위 및 유속의 공간분포를 수행하는 수리적 분석, 어류의 서식처적합도 분석 및 식생분포 모의로 구성되며 Fig. 1과 같다. 수리적 분석모형은 입력된 유출수문곡선으로부터 HEC-RAS (Hydro-logic Engineering Center - River Analysis System)나 FldWav 등의 상업모형을 통해 얻어진 수리해석 결과를 활용하여 실무자가 필요로 하는 자료를 구하는 방식이다. 이전 단계의 수리분석이 완료된 후, 생태적 연결성 회복도의 평가지표 중 어류의 서식처적합도나 식생의 예측되는 분포를 분석하여 최종적으로 구하도 복원에 따른 효과를 검토하는데 이용할 수 있다.
2.2 모형의 이론
2.2.1 1차원 수리특성의 2차원 공간 확장
본 모형은 2차원 격자기반의 수리특성 자료를 얻기 위하여 2차원 모형으로 수치모의를 하지 않고 1차원 수치모의 결과를 이용하여 2차원으로 확장하는 방식이다. 2차원 또는 3차원의 수치모형을 사용할 경우 방대한 시간, 컴퓨터 용량 및 수치모의 전문가가 필요하다. 그러나 지형변화로 인한 전반적인 생태환경변화를 검토하기 위해서는 흐름특성을 정확하고 정밀하게 구하기보다는 어느 정도의 오차를 포함하드라도 신속하고 간편하게 사용할 수 있는 방안이 필요하다. 본 연구는 대상구간의 수위분포 및 횡단면의 유속분포 추정방법을 사용함으로써 경제적이고 효율적인 분석기법을 개발하였으며 1차원 수리특성을 2차원 공간으로 확장하는 과정은 Fig. 2에 나타낸 바와 같다.
본 모형은 라플라스 방정식(Laplace equation)을 이용한 2차원 보간(interpolation)을 이용한다. 이 방식은 현재 한강홍수통제소에서 제공되는 친수지구 홍수정보제공 시스템에서 수위분포 산정에 적용되고 있다. 유속분포 공간확장 모형은 유속의 공간적 분포를 구하기 위해서 단면 전체에서 유속을 계산하지 않고, 지형의 특성을 이용하여 1차원 모형의 단면 평균유속을 단면 전체로 확장하는 방식이다. Chiu (1987, 1988)는 기존의 결정론적인 흐름방향 유속분포식의 한계를 극복할 수 있는 방법으로 확률통계에서 사용되는 엔트로피개념을 이용한 2차원 유속분포식을 제안하였다. Chiu (1987, 1988)의 이론을 적용함에 있어서 가장 중요한 가정 중 하나는 주 흐름(primary flow) 방향의 지점유속만 고려한 유속분포식이라는 점이며 2차류의 발생이 가능한 지점의 경우 오차가 발생될 수 있다(Park et al., 2012). Chiu and Said (1995)는 다양한 유량과 수심 조건에 대한 분석을 통해 하도 단면의 유속분포를 일정한 엔트로피 계수로 나타낼 수 있다고 밝힌 바 있다.
Chiu (1987, 1988)의 유속분포식에서 일반적으로 사용되는 하폭 방향과 수심 방향의 직교좌표계를 사용하지 않고 등유속선(isovel curve)의 위치를 보여주는 
좌표계를 이용한다. Morse et al. (2010)은 Chiu (1987, 1988)가 제시한 등유속선 공식의 
를 구하기 위해 식으로부터 직접 계산하지 않고 Poisson 방정식을 풀어서 등유속분포를 계산하는 방법을 제안하였다. Morse et al. (2010)은 수면 아래의 흐름영역과 동일한 가상영역을 수면 위에 설정함으로써 등유속선분포를 계산하는 방식을 제안하였으며 Cha et al. (2014)은 한강의 유량산정에 이용하여 적용성을 확인한 바 있다. 등유속선 값은 횡단면의 유속분포로 변환이 되고, 횡단면의 유속분포로부터 횡단 내 지점별 수심평균 유속을 산정하며 해당 위치에서의 유속 값과 좌표를 이용하여 평면 2차원의 유속분포를 산정한다. 상기 과정을 통한 2차원의 유속분포가 각 지점의 좌표에 따라 불규칙 삼각망(triangulated irregular network, TIN)으로 구성되고 삼각형 절점의 유속 값으로부터 각 격자의 중심점에서 유속 값이 보간된다.
2.2.2 어류 물리서식처 모형
본 모형은 물리서식처모의(physical habitat simulation)에서 각 물리환경에 대한 서식처적합도지수(habitat suitability index, HSI) 외에 복합적합도지수(combined suitability index, CSI)까지 계산할 수 있게 개발되었다. 입력자료인 대상 종별 HSI 곡선은 대상 영역에서 각 격자가 가지는 유속과 수심 값에 적용되고 복합적합도지수는 각 물리 환경에 대한 서식처적합도지수의 곱셈연산을 사용하며 Eq. (1)에 보인 바와 같다.
(1)
여기서, 
는 복합적합도지수이고 
, 
는 각각 유속 및 수심에 대한 서식처적합도이다(Kim et al., 2015). Eq. (2)에서 전 영역의 격자별 서식처적합도 값이 결정되면 격자별 서식처적합도지수 값을 합산하고 격자의 개수로 나누어 수리학적 서식처 적합도(hydraulic habitat suitability, HHS)를 계산한다(Kim and Choi, 2015).
(2)
2.2.3 식생분포 예측모형
본 모형은 군집자료의 이용이 가능하고 다수의 종을 한 번에 모형화하는 것이 가능하며 GIS (geographic information system) 및 수리특성 확장모델 등과의 결합이 용이하도록 개발되었다. Jin (2017)은 단계적 선택법에 의하여 식생모형의 환경매개변수(environmental factor) 결정방법을 제시하고 청미천에 적용한 바, 본 연구에서는 각 격자별 우종점의 식생예측 방법으로서 Jin (2017)의 식생모형을 적용하였다.
어류의 물리서식처모의에서는 홍수기간 동안의 유속과 수심의 변화에 따른 HSI 값을 분석하여 제시하였으나 식생분포 예측모형은 1년간의 수리특성 변화를 적용하며 각 격자가 갖는 지형적 ․ 수리적 특성 값의 산정과정도 복잡하다. Table 1에서 제시된 각 격자별 환경매개변수가 결정되면 모형은 식생모형에서 제시한 수목(tree)형의 조건을 추적하여 최종적인 격자의 우종식생을 선택하게 되며 그 과정은 Fig. 3에 나타나 있다.
3. 대상지역 및 모형구축
3.1 대상지역상황
개발된 모형의 적용성을 평가하기 위하여 구하도 복원지역을 선정하였다. 서울지방국토관리청은 노탑리 일원의 격리 ․ 차단되었던 청미천 구하도의 복원공사를 2015년 12월 완료한 바 있다. Fig. 4(a)는 구하도 복원 전인 2008년 위성사진이고 Fig. 4(b)는 복원 후인 2016년에 대한 것이다. 노탑지구의 경우 여러 연구기관에서 생태 모니터링을 실시하고 있기 때문에 본 모형을 이용한 생태적 연결성 평가에 알맞은 지역으로 판단되었다.
3.2 모형의 구축
3.2.1 지형자료
본 모형을 적용하기 위해서는 1차원 모형을 먼저 구축하여야 하나 본 연구에서는 하천기본계획 수행 시 구축되어 사용된 HEC-RAS 자료를 그대로 사용하였다. 다만 대상구간의 DEM (digital elevation model)과 지형을 일치시키기 위해 일부 구간만 횡단자료를 수정하였다. 구하도 복원지역을 포함하는 하천의 GIS 자료는 하천기본계획 및 청미천 구하도 복원공사 설계도면을 이용하여 구축하였다. 한편 본 연구에서 개발한 수위 및 유속의 확장모형을 적용한 결과를 비교하기 위하여 2차원 수심평균 유한요소 수치모형인 RMA-2 모형을 구축하였다. Fig. 5는 구하도 복원 전 ․ 후의 DEM이고 Fig. 6은 이 자료를 이용하여 구축된 유한요소망(finite element mesh)이다. Table 2는 구축된 유한요소망의 크기이며 유한요소의 형상은 장 ․ 단측의 비가 대략적으로 1:1.5 이내가 되도록 하되 장축의 길이는 20 m를 넘지 않도록 하였다. 복원 후의 지형에 따른 유한요소망 구축 시 사각형요소의 모양이 왜곡된 경우 삼각형요소로 세분하였다.
모의 조건으로서 수위에 따른 요소망의 수정작업을 하지 않기 위하여 습윤건조사양(wet/dry option)이 사용되었다. 이 사양은 요소의 수심이 기준 이하인 경우 해당 요소를 제거함으로서 실제 흐름이 가능한 요소만 계산되게 하는 것이며 너무 작은 수심이 일으킬 수 있는 수치적 불안정도 감쇄할 수 있다.
3.2.2 수문자료
노탑리의 자연하천 복원공사가 완료된 이후인 2016년과 2017년에는 청미천에서 고수부지(또는 둔치)가 침수될 정도의 큰 홍수가 없었다. 따라서 고수부지가 침수될 정도의 가상 홍수사상을 만들기 위해 2009년도 청미천 하류단의 유량을 HEC-RAS의 상류경계조건에 입력하여 대상지에서 규모가 큰 홍수를 모의 발생시켰다. Fig. 7(a)은 상류경계조건에 입력된 장기유량수문곡선이고 Fig. 7(b)는 대상지구 하류지점에서 HEC-RAS가 계산한 수문곡선 중 홍수기간만 추출한 것으로서 각 측점별 자료가 수리특성의 확장 시 경계조건이 된다.
4. 수치모의 결과 분석
4.1 수위 및 유속의 공간 분포
본 연구에서 개발한 수리특성의 공간확장 모형을 검토하기 위하여 HEC-RAS 모형의 수리특성 값을 2차원으로 확장 ․ 분포시킨 결과와 RMA-2의 수치모의 결과를 비교하였다.
대상구간인 청미천 노탑리에서 홍수기간 중 수위가 가장 높게 계산된 시점은 2009년 7월 11일 20시이며 구하도복원 전과 구하도복원 후의 수위분포는 Fig. 8에서 나타낸 바와 같다. 1차원 수리특성 확장모형의 수위분포는 대체로 완만하게 변화하며 수변의 경계도 2차원 모형에 비하여 부드럽게 연결된다. 반면 2차원 모형의 수위분포의 경우, 흐름이 분리되는 지점 인근에서의 수면이 상승하거나 직상류 우측에서 수위가 낮아지는 구간이 발생하는 등 지형적 특성과 분 ․ 합류의 수리적 특성에 따른 국부적인 수위변화가 나타났다. 이러한 국부적인 수위변화는 약 0.1 m에서 0.15 m 정도로 작은 편이며 비교적 흐름이 단순한 구하도복원 전의 경우는 1차원 수위의 확장모형과 2차원 수치모의 결과가 유사하였다. Fig. 9에서 나타난 1차원 수리특성 확장모형의 유속분포는 대체로 단면의 양단을 제외한 구간에서 고르게 유속이 증가하는 경향을 보이며 수심이 있는 모든 격자가 통수단면으로 고려되어 전반적으로 유속이 작게 나타났다. 반면 2차원 모형에서는 수심이 작은 요소가 제거됨으로서 통수단면이 작아지면서 유속이 증가하였고 특히 유심부에서 유속증가가 컸다. 다만 수심이 작은 구간도 당연히 흐름이 있을 것이므로 실제 유속분포는 1차원 확장모형과 2차원 모형의 중간 형태로 추정된다. 1차원 수리특성 확장모형과 2차원 모형의 가장 큰 차이는 사수역 구간이나 만곡부 및 분 ․ 합류의 구간에서 발생하는 국부적인 유속변화의 반영 여부이다. 따라서 Fig. 9(b)에서 구하도로 분류되는 유량과 구하도내 유속이 작게 계산되는 것은 1차원 확장모형의 이러한 특성이 나타난 것으로 보이지만 Fig. 9(a)와 같이 흐름변화가 크지 않은 구간에서는 2차원 흐름분포와 유사한 것으로 판단된다.
격자 수위와 유속의 평균값은 Table 3과 같다. Table 3에서 3~4 m의 수심을 고려 시 유속의 오차는 0.2 m 미만으로 작으나 평균유속 고려 시 유속오차는 상대적으로 크며 2차원의 수리특성이 명확한 경우 오차가 증가할 것으로 판단된다. 그러나 2차원 모형을 이용하여 고도의 기술과 장시간의 노력으로 홍수상황을 재현한다 하더라도 완벽한 현상재현은 불가능하다는 점에서 정확한 수리특성 값을 필요로 하지 않는 분야에서는 본 연구에서 개발한 1차원 수리특성 확장모형을 제한적이지만 경제적이고 효율적으로 이용하는 것이 가능할 것이라 판단된다.
4.2 어종별 물리서식처 모의
본 연구에서는 다양한 어종의 서식처적합도지수곡선을 적용할 수 있도록 모형이 개발된 바, 유속과 수심에 대한 HSI 곡선자료를 작성하여 입력할 수 있다. 본 연구에서는 인하대가 청미천 유역에서의 현장 모니터링을 통해 확인한 참중고기(Sarcocheilichthys variegatus wakiyae)에 대한 HSI 곡선자료를 물리서식처모의에 적용하였다. 참중고기는 하천의 유수역에서 생활하며 정수역의 이매패류에 산란을 하는 종이다. 실제 청미천 모니터링 결과(미 출간자료)에서도 하천본류와 구하도 복원지역에서 유사한 빈도로 출현하는 것으로 관찰되었다. 따라서 구하도 복원의 효과를 모의하는 대상종으로 선정하는 것이 가능하였다. Figs. 8 and 9에 의한 참중고기의 HSI 분포는 Fig. 10에 보인 바와 같다. Fig. 10에서 수심 HSI 분포는 차이가 미미하나 유속 HSI 분포는 흐름특성에 따라 차이가 발생한다. 따라서 2차원적 흐름특성이 뚜렷한 구간은 사용에 주의하여야 한다. Fig. 11은 구하도 복원 전과 복원 후 시간대별 유속 HSI 분포의 변화를 나타낸 것이고 Fig. 12는 청미천에서 중고기의 시간의 경과에 따른 수심 및 유속의 HSI와 CSI의 분포를 이용하여 Eq. (1)에 의하여 산정한 서식처적합도(HHS)의 변화를 나타낸 것이다. Fig. 7(b)에 나타낸 수문곡선과 비교하면 참중고기의 HHS는 유량이 작을 때 높았고 유량이 증가함에 따라 HHS가 감소하였는 바, 잉어과에 속하는 저서성 어종의 성향에 따른 결과로 보인다.
본 연구에서 개발한 모형은 수리특성의 변화로 인해 참중고기 물리서식처의 변환특성을 분석할 수 있는 결과를 제공하고 있다. 특히 Fig. 11에 보인 바와 같이 HSI의 공간 분포를 제시하기 때문에 공간계획의 적절성을 판단하기 편리하며 2차원 수리특성 계산의 단순화를 통해서 신속한 분석결과를 제공하는 수단이 될 수 있을 것으로 판단된다.
4.3 식생분포 예측
본 연구에서는 개발한 식생분포 예측모형은 Jin (2007)이 청미천에 대하여 개발한 4개의 환경매개변수를 실행과정에서 자동으로 산정하며 유속분포 이외의 자동으로 산정된 환경매개변수의 결과는 Fig. 13에 나타나 있다. 격자별 우종식생의 예측과정이 수목(tree) 구조의 알고리즘에 의하여 수행되며 최종적으로는 수리 ․ 수문특성에 따른 식생분포의 예측이 완료되면 Fig. 14에 보인 바와 같이 각 식생모형에 의한 예측결과를 제공한다. 식생군집의 분류 G1 - G5는 submerged vegetation, deep marsh, shallow marsh annul, water meadow 및 salix community에 각각 해당된다.
5. 결 론
본 연구에서는 1차원 수치모형의 결과로부터 2차원 모형과 동일한 형태의 수리특성 값을 산정할 수 있는 1차원 수리특성의 공간확장 모형과 함께 어류의 HSI 분석 및 식생분포 예측모형을 개발하고 적용하였다. 격리 ․ 차단되었던 노탑리 일원 청미천은 구하도 하천복원사업에 의하여 수리수문 연결성이 회복된 상태이며 개발된 모형을 통한 적용성 검토 결과는 다음과 같다.
1)홍수 시 청미천 대상지역의 측점별 수위 및 유속의 공간확장 결과를 RMA-2의 2차원 분포와 비교한 바, 상당히 유사한 결과를 보여주고 있다. 따라서 정밀한 수리계산이 목적이 아닌 분야에서는 고도의 기술이 필요한 2, 3차원 모형을 실제 적용하지 않고 본 연구에서 개발한 공간확장 모형을 사용함으로서 시간과 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
2)본 연구의 어종별 물리서식처모형은 유속, 수심 및 복합서식처적합도의 공간적분포를 제공하며 특히 수리특성의 변화에 따른 HHS의 변화도 함께 제공하기 때문에 검토자는 대상 어종의 특징을 쉽게 파악할 수 있을 것으로 기대된다.
3)식생분포 예측모형은 지형적 특성과 수리적 특성이 함께 고려되는 수리생태결합모형이며 자료분석의 자동화로 검토자는 단기간에 식생분포를 예측할 수 있을 것으로 기대된다.
현재 개발된 격자기반 수리생태적 연결성 평가모형은 비교적 간편하게 수리생태적 연결성 평가결과를 제공할 수 있으며, 사용자의 편리성을 높이기 위해서 GUI (graphic user interface)를 추가하고 개선하고자 한다. 다만 수리생태적 연결성 평가의 정확도는 생태적 평가 기본 자료인 대표어종의 HSI 자료와 지역적 식생모형에 달려있으며 이에 대한 지속적인 개발이 필요하다.
