1. 서 론
2. 연구방법
2.1 대상하천 및 분석을 위한 기초자료
2.2 분석방법
2.3 생태계 기능 모델(Ecosystem Functions Model, EFM)
2.4 IHA (Indicators of Hydrologic Alteration)
2.5 환경유량 설정을 위한 대상어종과 생태관련 입력변수
3. 분석결과
3.1 생태학적 가뭄 감시를 위한 가뭄단계별 임계유량 설정
3.2 서식지 분석 결과
4. 결 론
1. 서 론
하천 생태계의 생명선인 유량은 하천의 건강성을 유지하는데 근본적인 역할을 한다. 과도한 유량은 침식과 홍수를 일으킬 수 있는 반면, 유량이 부족하면 수질이 저하되고 수생생물 서식지가 파괴되어 수자원의 가용성이 감소할 수 있다(Poff, 1997; Arthington et al., 2006; Park et al., 2025). 또한, 더위, 가뭄, 강우 패턴의 변화와 같은 현상을 포함한 기후 변화는 담수 접근성과 변동성에 심각한 영향을 미치며(Seneviratne et al., 2012; Handmer et al., 2012), 극심한 가뭄으로 인해 물이 마르는 강에 서식하는 담수 생물, 특히 지속적인 흐름에 의존하는 이동성이 낮은 생물에게 큰 위협이 된다(Haag and Warren Jr, 2008). 여름 가뭄은 기온 상승과 서식지 단편화를 초래할 뿐만 아니라, 오염 물질 농도를 증가시켜 부영양화와 독소의 영향을 더욱 심화시킬 수도 있다(Woodward et al. 2010).
하천 생태계의 건강성을 유지하고 기후 변화 및 인간 활동으로 인한 부정적인 영향을 완화하기 위해서는 수문 체제 변화의 정도를 정량적으로 평가하고 그 주요 요인을 분석하는 것이 필수적이다. 이러한 접근은 수문학과 생태학의 상호작용을 분석하여 지속 가능한 유량 관리와 생태계 보전에 기여하고자 하는 생태수문학 관점에 근거한다(Zalewski, 2000; Dunbar and Acreman, 2001; Hannah et al., 2004). 생태수문학은 하천 유량 체제를 하천 생태계의 구조와 기능을 결정하는 주요 변수로 간주하며, 수문학적 변화가 생태계에 미치는 영향뿐 아니라 생물 및 생태계 활동이 수문학적 과정에 미치는 영향까지 포함하는 학제 간 연구 분야이다(Poff, 1997; Poff and Zimmerman, 2010).
수문학적 체제의 변화를 효과적으로 이해하고 관리하기 위해 다양한 연구와 기법이 개발되었다. 대표적인 방법으로는 어류의 물리적 서식 환경을 모의하는 PHABSIM (Physical Habitat Simulation Model), 수문학적 변화와 생태학적 반응 간의 관계를 분석하는 ELOHA (Ecological Limits of Hydrologic Alteration) 프레임워크가 있다(Poff et al., 2010). 이외에도 수문학적 변화의 정도를 정량화하기 위해 IHA-RVA (Indicators of Hydrologic Alteration and Range of Variability Approach)와 같은 방법론이 널리 사용되고 있다. 예를 들어, Zuo and Liang (2015)는 IHA-RVA를 활용하여 Shaying 강의 수문 체제 변화를 분석하였고, 생태학적 반응과 계절적 흐름의 변화를 평가하였다. Guo et al. (2022)는 기존의 RVA 방법을 개선하여 관측소의 특성을 반영한 새로운 평가 방법을 제안하고 이를 검증하였다. 또한, RI (Richards-Baker Flashiness Index)는 하천 유량의 급격한 변동성을 분석하고 요인을 제시하는 데 있어 효과적인 도구로 자리 잡았다(Olin and Beevers, 2024).
이처럼 다양한 수문학적 분석 기법은 하천 생태 흐름과 수문 체제 변화의 연관성을 규명하는 데 중요한 역할을 하였지만, 이러한 기법들은 대부분 현장에서 수집된 데이터에 의존하여 물리적 한계를 가질 수 있었다(Na et al., 2021). 따라서 보다 실질적이고 지역적 특성을 반영한 분석 기법 개발이 필요하였다.
본 연구에서는 가뭄의 환경학적 영향 평가를 위해 하천 수생태계 중심의 생태학적 가뭄 감시 기법을 제시하였다. 하천에 따라 유지유량, 환경유량이 다르게 평가되기 때문에 하천의 생태수문학적 특성에 맞는 유량의 적용 조건을 가뭄에 의한 생태학적 영향 정도를 평가하기 위한 기준으로 설정하였다. 설정한 기준유량을 기반으로 수문학적 변화와 생태학적 영향을 평가하기 위해, 수리학적 모형에 의한 유량규모별 서식지 면적을 정량적으로 분석하고 이 결과를 반영한 생태학적 가뭄 영향 지수(EDI)를 개발하였다. 이를 통해 하천 유량 변화에 따른 서식지 손실과 생태적 영향을 평가하였으며, 본 연구 결과는 향후 하천생태계 건강성을 유지하고 가뭄 발생 시에 하천생태계가 얼마나 심각하게 영향을 받는지를 정량적으로 평가하여 지속 가능한 유량 관리를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 보인다.
2. 연구방법
2.1 대상하천 및 분석을 위한 기초자료
본 연구는 물 부족으로 인해 발생하는 하천 생태계 영향성 평가를 위해 하천법 51조에 의거하여 하천유지유량이 고시된 낙동강 제1지류 하천인 감천과 천연기념물과 멸종위기종이 서식하는 곳으로 생태계 복원에 큰 주목을 받고 있는 금강 지류인 지천을 연구대상하천으로 선정하였다(Fig. 1).
감천의 경우 전체 하도구간 중 경상북도 김천시 조마면과 구성면 경계로부터 경상북도 구미시 선산읍 낙동강 합류점까지 국가하천 구간을 분석대상 구간으로 설정하였으며, 지천의 경우 충청남도 청양군 대치면 이화리부터 충청남도 청양군 청남면 인양리 금강합류점까지 지방하천 구간을 분석대상 구간으로 설정하였다. 생태계 영향성 평가를 위해 수문자료 구축은 홍수통제소에서 제공하는 수위-유량연보를 통해 구미시(선주교)와 부여군(지천교)의 일유량 자료를 2016년부터 2023년, 2016년부터 2023년까지 수집하였다.
2.2 분석방법
연구대상 하천에서의 생태학적 가뭄 모니터링을 위해서는 대상하천에 대한 수문자료와 함께 어류정보에 대한 분석이 필요하며, 데이터 수집, 하천 선정, 유황분석, 공간분석의 순서로 진행하였다(Fig. 2). 우리나라 하천의 총 3,841개소(국가 하천 73개, 지방 하천 3,768개) 중 하천유지유량이 고시된 지점은 114개 지점에 불과하다. 대부분의 하천에서는 하천유지유량이 고시되어 있지 않기 때문에 본 연구에서는 대상하천을 하천유지유량이 고시된 하천과 고시되지 않은 하천을 선정하였다.
Beca (2008)는 환경유량을 수체 내에 존재하는 동·식물의 생태적 기능을 제공하기 위해 수체 내에 필요한 유량과 수위로 정의하고 있다. 이는 환경유량이 단순한 물리적 흐름이 아닌 생태계 기능을 유지하기 위한 필요조건임을 강조한다. 이러한 개념에 근거하여 본 연구에서는 생태계가 안정적으로 유지될 수 있는 최적유량을 서식지의 안정적 보전을 위한 기준선으로 설정하였으며, 이보다 부족한 유량은 서식 환경의 질적 저하 및 생태계 스트레스의 시작으로 간주하였다.
하천에서 어류의 서식지를 기반으로 생태학적 가뭄 감시를 위해 가뭄 단계 설정이 필요하다. 생태학적 가뭄 단계를 설정하기 위해 최적유량과 최소유량을 가뭄단계의 진입 및 심각 단계의 임계값으로 적용하였다. 최적유량의 경우 하천유지유량이 고시된 유역은 기고시된 생태계 기준의 하천유지유량을 적용하였으며, 미설정 유역의 경우 HEC-EFM (Ecosystem Functions Model, EFM)을 통해 산정된 환경유량을 적용하였다. 최소유량은 IHA (Indicators of Hydrologic Alteration)를 적용하여 과거 유량자료 기반의 극치갈수량(Extreme low flow)으로 설정하였다.
공간분석을 통한 서식지 면적을 산정하기 위해 최소유량부터 최적유량까지 유량을 점진적으로 증가시켜 분석하였으며, 유량규모별 서식지 면적을 기준으로하여 생태학적 가뭄 감시를 위한 평가지표를 설정하였다.
2.3 생태계 기능 모델(Ecosystem Functions Model, EFM)
미육군공병단(United States Army Corps of Engineers, USACE)에서 개발한 HEC-EFM 모델은 하천생태계의 흐름 변화와 수생 생물의 서식 조건을 반영하여 건강한 생태계를 유지하기 위한 환경유량을 정량적으로 평가한다.
입력변수는 크게 통계해석변수(Statistical queries), 지리정보변수(Geographical queries), 생태관련변수(Ecological queries)로 구분되며, 수생생물의 종류에 따라 적합한 데이터를 적용해야 한다(Hickey et al., 2015; USACE, 2017). 통계해석변수는 모의기간, 지속기간, 변화율, 초과확률을 포함하며, 이는 유량 및 생태계 관계를 정의하는 데 사용된다. 예를 들어, 모의기간은 어류 산란 및 식생 발아 시기를 설정하고, 지속기간을 통해 분석 간격을 정한 뒤 1차 및 2차 유량계열 조건을 통해 값을 도출한다. 변화율은 수위수문곡선의 감수곡선을 기반으로 생태학적 변화를 분석하며, 지정된 임계 값을 기준으로 반복 계산을 통해 결과를 얻는다. 생태관련변수는 수생생물의 서식 성공을 위한 가설조건을 입력하여 하천생태계의 변화를 분석한다(Na et al., 2021).
2.4 IHA (Indicators of Hydrologic Alteration)
최소유량을 설정하기 위해 IHA 분석기법(TNC, 2009)을 활용하였다. IHA 모델은 하천 유량의 통계적 분석을 통해 수문변화와 생태계 영향을 평가하는 데 사용되는 기법이다(TNC, 2009). 이 모델은 일유량 데이터를 기반으로 하여, 수문변화지표군(IHA)과 환경유량지표군(Ecological Flow Component, EFC)으로 매개변수를 구분한다. 수문변화지표군은 유량의 크기, 시기, 지속성, 빈도, 변화율 등을 분석하여 하천 유량 체계의 변화를 평가하며, 환경유량지표군은 생태학적 조건과 관련된 유량 특성을 구체화한다.
본 연구에서는 최소유량을 설정하기 위해 환경유량지표군 중 일유량의 10% 이하 수준에 해당하는 극치갈수량을 활용하였다.
2.5 환경유량 설정을 위한 대상어종과 생태관련 입력변수
HEC-EFM을 활용한 환경유량을 산정하기 위해서는 어종 선정이 필수적이다. 지천의 어종 선정을 위해 물환경정보시스템(http://water.nier.go.kr/)에서 제공되는 2018년부터 2022년까지 생물측정망 자료를 활용하였다. 5년 동안 총 45종의 어류가 모니터링되었으며, 이 중 가장 풍부한 종은 피라미(Zacco platypus)로, 전체 모니터링 어류의 50.7%를 차지하는 것으로 확인되었다(Fig. 3).
환경유량을 산정하기 위해 지천의 우점종인 피라미를 대상어종으로 선정하였다. 환경유량을 산정하기 위해서는 수생생물의 서식조건(모의기간, 지속기간, 초과확률 등)이 필요하며 Table 1과 같이 적용하였다. 피라미의 환경유량 모의기간(Season)은 피라미의 산란기인 5~8월로 설정하였으며, 지속기간(Duration)은 알에서 부화한 후 난황을 흡수하는데 소요되는 기간인 8일로 하였다. 또한 피라미가 적어도 평균수명인 3년 동안 한번 산란할 확률인 33%를 초과확률(Exceedance)로 적용하였다(Na et al. 2021).
3. 분석결과
3.1 생태학적 가뭄 감시를 위한 가뭄단계별 임계유량 설정
어류서식지 기반 생태학적 가뭄 감시룰을 위해서는 가뭄 단계 진입의 기준이 되는 최적유량과 어류의 생존에 필요한 극한유량 설정이 필요하다. 하천유지유량이 고시된 감천은 생태계 기준의 최적유량으로 구미시(선주교)에 고시된 유지유량인 8 m3/s을 적용하였다. 최소유량은 김천부항댐 준공 이후인 2014년부터 2023년까지 일유량 자료를 활용하여 극치갈수량을 산정하였으며, 산정된 극치갈수량은 0.7 m /s로 분석되었다(Table 2).
Table 2.
Setting the flow rate for each river analysis
| River | Optimum flow (m3/s) | Minimum flow (m3/s) |
| Gamcheon | 8.0 | 0.7 |
| Jicheon | 0.9 | 0.2 |
지천은 하천유지유량이 미 고시된 하천으로 최적유량을 설정하기 위해서는 환경유량 산정이 필요하다. 지천의 환경유량은 2.2.3절의 조건을 HEC-EFM에 적용하여 산정한 결과 0.9 m3/s로 분석되었다. 최소유량은 2016년부터 2023년까지 일유량을 자료를 활용하여 극치갈수량을 산정한 결과 0.2 m3/s로 분석되었다(Table 2). 최적유량은 어류의 서식환경을 고려할 때 가장 적절한 서식환경을 제공하는 유량이므로, 그 이하의 유량부터는 물 부족에 의해 영향이 발생하는 진입시점으로 설정하였다. 극치갈수량은 하천에서 관측된 최소의 유량으로 어류의 서식과 생존에 필요한 한계 수준의 유량이라는 점에서 극한 가뭄 상황을 의미하는 것으로이라고 설정하였다.
3.2 서식지 분석 결과
서식지 면적은 생태계에 가뭄이 미치는 영향을 정량적으로 평가할 수 있는 지표로서 가뭄에 따른 생물 다양성에 미치는 스트레스를 직접적으로 반영한다. 본 연구에서는 서식지 면적의 변화가 가뭄이 생태계에 미치는 영향을 효과적으로 평가하기 위해 생태학적 가뭄 영향 지수(Ecological Drought Impact Index, EDI)를 개발하였다. EDI는 현재 유량에서의 서식지 면적(Aobs)을 최적유량에서의 서식지 면적(Aopt)과 최소 유량에서의 서식지 면적(Amin)을 기준으로 산정하였다(Eq. (1)).
임계유량을 설정할 때 최소 유량은 극한 가뭄 단계로 진입하는 기준으로 -0.75 계수를 적용하여 EDI가 최적 유량 면적에서는 0, 최소 유량 면적에서는 -0.75가 되도록 정규화하였다.
본 연구에서 제안한 EDI는 값의 범위에 따라 가뭄 단계를 5단계로 구분하였다(Table 3). EDI 값이 0보다 큰 경우는 정상 상태로 서식지가 확보된 상태를 의미한다. EDI가 0에서 -0.25 사이에 해당하면 약한 가뭄으로 서식지 상태에 대한 관찰과 관리가 필요한 수준이다. -0-25에서 -0.50는 보통 가뭄으로, 가뭄의 영향이 점진적으로 나타나기 시작하는 상태를 나타낸다. ~-0.50에서 -0.75는 심한 가뭄으로, 생태계 스트레스가 가중되고 서식지 감소가 본격적으로 발생하는 상황을 의미한다. 마지막으로, -0.75 미만일 경우 극한 가뭄으로 구분되며, 이는 서식지 면적 감소로 인해 생태계 기능이 크게 손상된 상태를 나타낸다.
Table 3.
Severity classes of Ecological Drought Impact Index (EDI)
| Drought classes | Normal | Mild drought | Moderate drought | Severe drought | Extreme drought |
| Index range | > 0.0 | 0.0 ~ -0.25 | -0.25 ~ -0.50 | -0.50 ~ -0.75 | < -0.75 |
감천과 지천의 서식지 면적 기반 생태학적 가뭄 모니터링을 위해 각 하천의 최소유량부터 환경유량까지의 서식지 면적을 산정하였다. 감천의 경우 최소유량인 0.7 m3/s에서 시작하여 1.0 m3/s부터 0.5 m3/s씩 증가시켜 8.0 m3/s까지의 서식지 면적을 산정하였다. 반면, 비교적 낮은 최소 및 환경유량을 갖는 지천은 최소유량인 0.2 m3/s에서 시작하여 0.1 m3/s씩 증가시켜 0.9 m3/s까지의 서식지 면적을 산정하였다.
감천에서 서식지 면적과 유량 변화에 따른 가뭄의 정도를 분석한 결과, 최적 유량인 8 m3/s에서는 서식지 면적이 1,628· 103m2로 분석되었다. 이 유량은 서식지 보전에 가장 적합한 상태로 간주된다. 그러나 유량이 감소함에 따라 서식지 면적이 점차 줄어들고, 이에 따라 생태학적 가뭄의 심각정도를 나타내는 EDI 값도 감소하여 가뭄이 심화되는 경향을 보였다. 보통 가뭄은 3.5 m3/s의 유량에서 나타났으며, 이때 서식지 면적은 1,533·103m2, EDI는 -0.24로 분석되었다. 유량이 1.5 m3/s로 감소할 경우 서식지 면적은 1.418·103m2로 줄어들며, EDI는 -0.54로 심한 가뭄 수준으로 분석되었다(Table 4).
Table 4.
Habitat area changes by flow condition in the Gamcheon Stream and the corresponding ecological drought classes
각 가뭄 단계별 서식지 면적의 변화는 Fig. 4와 같다.
지천의 서식지 면적과 유량 변화에 따른 가뭄의 정도를 분석한 결과, 환경유량인 0.9 m3/s에서는 서식지 면적이 1,048· 103m2로 분석되었다. 보통 가뭄은 0.6 m3/s의 유량에서 나타났으며, 이때 서식지 면적은 0.976·103m2, EDI는 -0.26으로 평가되었다. 유량이 0.4 m3/s로 감소할 경우 서식지 면적은 0.918·103m2로 줄어들며, EDI는 -0.47로 심한 가뭄 수준으로 분석되었다(Table 5).
Table 5.
Habitat area changes by flow condition in the Jicheon Stream and the corresponding ecological drought classes.
각 가뭄 단계별 서식지 면적의 변화는 Fig. 5와 같다.
4. 결 론
본 연구에서는 가뭄에 따른 하천 생태계 건강성 변화와 영향 정도를 평가하기 위해 생태학적 가뭄 모니터링 방법을 제안하였다. 이를 위해 낙동강에 위치한 감천과 금강에 위치한 지천을 대상으로 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1)가뭄에 따른 하천 유량 부족이 서식지에 미치는 영향을 분석하기 위해 하천유지유량이 고시된 지점 뿐만 아니라 미 고시된 지점에도 환경유량을 설정하는 방법을 제안하여 다양한 하천에서 적용 가능할 수 있는 생태학적 가뭄 모니터링 프레임워크를 제시하였다.
(2)생태학적 가뭄 모니터링을 위해 감천과 지천의 어류 서식지를 고려한 최적유량과 최소유량을 임계값으로 산정하였다. 최적유량은 가뭄을 판단하는 첫 번째 임계 값으로 하천유지유량이 고시된 지점의 경우 고시유량으로, 하천유지유량이 고시되지 않은 지점에서는 HEC-EFM 모델을 활용하여 산정하였다. 최소유량은 IHA 기법을 활용해 산정된 극치갈수량으로 설정하였다. 유량별 서식지 면적을 산정하여 서식지 변화에 따른 생태학적 가뭄 영향 지수(EDI)를 개발하였으며 가뭄을 4단계로 구분하였다.
(3)분석한 결과, 감천의 경우, 최적유량(8 m3/s)에서 서식지 면적은 1,628·103m2으로 대값을 기록했으며, 최소유량(0.7 m3/s)에서는 서식지 면적이 1,337·103m2로 약 18% 감소하여 EDI가 -0.75로 극한 가뭄 상태로 분석되었다. 지천의 경우, 최적유량(0.9 m3/s)에서 서식지 면적이 1,048·103m2로 분석되었으며, 최소유량(0.2 m3/s)에서는 842·103m2로 약 20% 감소하여 EDI가 -0.75로 극한 가뭄 단계로 분석되었다. 이는 유량이 줄어들면서 수심과 유속 등의 변화로 인해 어류 서식 공간이 크게 축소되었기 때문으로 해석된다.
본 연구는 국내 하천 생태계의 건강성을 정량적으로 평가하고, 생태학적 가뭄 모니터링 방법을 제안함으로써 생태계 관리를 위한 하나의 방법으로 활용 될 것으로 기대된다. 특히, 하천 유지유량이 고시되지 않은 지역에서도 환경유량을 효과적으로 산정할 수 있는 방법론을 제시하여, 지속 가능한 하천 관리 방안을 마련하는 데 중요한 기초자료를 제공할 수 있다고 판단된다. 다만 본 연구에서는 단일 유량을 기반으로 특정 하천의 대표적인 우점종만을 대상으로 분석하였기 때문에 다양한 생물종 및 수심, 유속 등의 복합적인 생태계 조건을 포함하여 분석한다면 하천 생태계 관리에 있어 더욱 발전된 방법론으로 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
