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ISSN : 1226-9999(Print)
ISSN : 2287-7851(Online)
Korean J. Environ. Biol. Vol.38 No.4 pp.634-649
DOI : https://doi.org/10.11626/KJEB.2020.38.4.634

International and domestic research trends in longitudinal connectivity evaluations of aquatic ecosystems, and the applicability analysis of fish-based models

Ji Yoon Kim, Jai-Gu Kim1, Dae-Yeul Bae2, Hye-Jin Kim, Jeong-Eun Kim, Ho-Seong Lee, Jun-Young Lim, Kwang-Guk An*
Department of Bioscience and Biotechnology, Chungnam National University, Daejeon 34134, Republic of Korea
1Environment Solution Partners, Gwangmyeong 14348, Republic of Korea
2Chungrok Environmental Ecosystem Research Institute, Anyang 14059, Republic of Korea
*Corresponding author Kwang-Guk An Tel. 042-821-6408 E-mail. kgan@cnu.ac.kr
02/11/2020 30/11/2020 10/12/2020

Abstract


Recently, stream longitudinal connectivity has been a topic of investigation due to the frequent disconnections and the impact of aquatic ecosystems caused by the construction of small and medium-sized weirs and various artificial structures (fishways) directly influencing the stream ecosystem health. In this study, the international and domestic research trends of the longitudinal connectivity in aquatic ecosystems were evaluated and the applicability of fish-based longitudinal connectivity models used in developed countries was analyzed. For these purposes, we analyzed the current status of research on longitudinal connectivity and structural problems, fish monitoring methodology, monitoring approaches, longitudinal disconnectivity of fish movement, and biodiversity. In addition, we analyzed the current status and some technical limitations of physical habitat suitability evaluation, ecology-based water flow, ecohydrological modeling for fish habitat connectivity, and the s/w program development for agent-based model. Numerous references, data, and various reports were examined to identify worldwide longitudinal stream connectivity evaluation models in European and non-European countries. The international approaches to longitudinal connectivity evaluations were categorized into five phases including 1) an approach integrating fish community and artificial structure surveys (two types input variables), 2) field monitoring approaches, 3) a stream geomorphological approach, 4) an artificial structure-based DB analytical approach, and 5) other approaches. the overall evaluation of survey methodologies and applicability for longitudinal stream connectivity suggested that the ICE model (Information sur la Continuite Ecologique) and the ICF model (Index de Connectivitat Fluvial), widely used in European countries, were appropriate for the application of longitudinal connectivity evaluations in Korean streams.



수생태계 종적 연결성 평가를 위한 국내외 연구 현황 및 어류기반 종적 연속성 평가모델 적용성 분석

김 지윤, 김 재구1, 배 대열2, 김 혜진, 김 정은, 이 호성, 임 준영, 안 광국*
충남대학교 생명시스템과학대학 생명과학과
1(주) 엔솔파트너스
2청록환경생태연구소

초록


    Korea Environmental Industry and Technology Insitute(KEITI)
    2020003050004

    서 론

    우리나라 수생태계는 기존에 존재하던 농업용 중소형 보 및 4대강 건설에 의한 16개의 보의 건설로 상류에서 하 류까지의 수생태계에 급격한 단절을 가져왔다 (ME 2011). 농업용 중소형 보의 건설에 의한 수생태 연속성 훼손 및 단 절에 대한 연구는 수리수문학적 측면에서 단절 (Cho et al. 1999), 구조물의 기능성 소멸 (Lee et al. 2017), 퇴적물 축적 문제 (Hong et al. 1997;Shin and Cho 2000;Jeong et al. 2011;Shin and Yoon 2011;Lee et al 2013a;Kim et al. 2013), 유속 감소에 의한 수질 악화 (Yoon et al. 1999;Boyd 2001;Boyer et al. 2002) 및 조류 (녹조) 대발생 (Petts 1979;Karr et al. 1986;Everitt 1993;Topping et al. 2000;Gleick 2001;ME 2011), 어 류 등의 이동성 장벽 문제 (Harris 1984;Jacobs 1990;Mallen- Cooper et al. 1995;Park et al. 1999;Choi and An 2008), 보의 존치 혹은 철거에 대한 경제적 비용에 대한 논의 (Koo et al. 2014;Lee et al. 2015;Lim and Yoo 2015) 등에 대한 다양한 문제를 야기시켜 왔다. 2010년에는 우리나라 하천의 종적 연결성에 가장 큰 영향을 준 4대강 사업에 의해 낙동강에 8개, 한강과 금강에 각각 3개, 영산강에 2개 등, 전체 16개 의 대형 인공보를 설치하며 대규모 강의 상-하류 간의 종적 연결성 (longitudinal connectivity) 단절을 가져왔다. 이렇게 인위적으로 건설된 대형댐과 인공보 등이 수생태계의 생 물, 특히 어류에 미치는 영향은 아직까지 이론적으로만 알 려져 있을 뿐, 이에 대한 표준화된 평가 기법이 없고, 정량 적/정성적인 조사기법이 다양하여 지역특성에 적합한 종 적 연결성에 대한 연구가 이루어지지 않고 있는 실정이다 (MacLennan and Simmonds 1992; Abad et al. 1998; Lee et al. 2013b;ME 2017a, 2017b, 2017c).

    최근 우리나라에서는 기후변화로 인하여 갈수기에 심한 가뭄 현상이 빈번히 발생되고 (ME 2014a), 어떤 해의 하절 기에 강우 강도가 급격히 약화되며 하천 유량 감소에 큰 영 향을 끼치고 있다 (Korea Water Resources Corporation 2002;Hyun et al. 2017). 이런 급격한 유량변동은 하천의 수위 감 소, 유량 감소 등의 현상으로 수생태계의 연속성 측면에 서 심각한 단절을 가져올 뿐만 아니라 (Hirsch et al. 1991;Morris and Fan 1998), 경제적 측면에서도 수자원을 안정적 으로 관리하기 어렵게 만들어 국가 경제발전과 삶의 질을 저하시키는 무엇보다도 큰 장애요인으로 인식되어지기 시 작하였다 (Yang et al. 2001). 이와 같이 불안정한 수자원을 안정적으로 확보하고, 이수와 치수의 효율성을 극대화하 기 위하여 다양한 형태와 규모의 대형 중소규모의 농업용 보 및 대형 4대강 인공보 등이 건설되었고, 현재도 건설 중 에 있다 ( Jeong 2005;Han 2006). 특히, 우리나라에서는 농 업용 보가 4대강 수계의 강과 하천 생태계에 약 33,000여 개 이상 이미 건설되어 농업용수를 공급하고 있으나 (Park 2010), 이들 중 상당 부분은 그 기능을 잃거나 불필요한 구 조물로 분류되며 상-하류 간의 물리적 서식지 종적 단절을 가져오고 있어 이에 대한 대책이 절실히 요구된다 (Hirsch et al. 1991;Kinsolving and Bain 1993;Morris and Fan 1998;Park and An 2014).

    수생태계의 연속적 단절/훼손된 수생태계를 관리하기 위해 정부에서는 물환경보전법 에 의거한 법적인 관리를 시작하였다. 수생태계 연속성 확보를 위한 법적 근거를 마 련하기 위해 환경부는 2017년 1월 17일 물환경보전법 을 공포함으로써 관련 핵심 조항인 제22조의 2항의 주요 3가 지 내용을 다음과 같이 제시하고 있다. 첫째, 수생태계의 단 절·훼손 여부 등을 파악하기 위한 수생태계 연속성 조사 실시, 둘째, 환경부 장관의 권한과 의무강화: 중앙행정기관 장 또는 관련 시설 (구조물) 관리자들과 수생태계 연속성 확보를 위한 필요 조치 등의 협조 요청, 셋째, 수생태계 연 속성 확보를 위한 조사방법·절차, 단절·훼손 기준 및 우선 순위 결정 절차 등은 환경부령으로 정하는 것으로 고시되 어 있다. 개정된 물환경보전법 에도 불구하고 이제까지 수 생태계 연속성 단절 및 훼손에 대해 제시된 사례가 없어 하 위법령에 명시할 기준이 모호하고, 이를 조사하는 방법 및 절차 역시 부재한 상태이다. 더욱이 하천의 수생태 연속성 평가를 위해서는 이미 외국의 연구들에서 제시한 바와 같 이 보 상하류의 다양한 수리수문학적 변수들의 평가 (Ko et al. 2008), 보 구조물 재원 변수 평가 (Lee et al. 2015), 어도의 유무에 따른 지표 평가 (Hwang et al. 2012), 수생물 특히 어 류의 이동성 (Kim et al. 2011;Kang et al. 2012) 및 어류 서식 지 특성 등의 복합적인 특성 (Hur et al. 2009a)이 고려되어 야 하기 때문에 단기간의 연구 결과로 국내 적합한 평가방 안을 제시하기는 극히 어려운게 현재 상황이다. 따라서 수 생태 연속성 조사 및 절차 등에 대한 환경 선진국 해외사례 를 조사하고, 이를 기반으로 어류 이동성을 기반으로 한 수 생태계 종적 연결성 평가기술개발에 관한 연구가 필요하 다. 특히, 하천의 생물학적, 수문학적 그리고 물리적인 프로 세스에 대한 종적 (longitudinal), 횡적 (lateral), 그리고 수직 적 (vertical)인 파라미터의 평가 및 현장조사는 수생태계 연 속성의 주요한 구성 요소이며 (Annear et al. 2004), 이런 수 생태 연속성 조사 및 평가, 절차 및 방법론을 구축하는 것 은 통합적 종적 수생태 건강성 진단 및 보존을 위한 핵심요 소라 할 수 있다.

    지난 2000년 이래 국토부에서는 이수·치수 등 개발위주 의 공원형 하천이나 자연형 정비하천 사업을 수행하였고 (Song 2010), 이에 대해 환경부에서는 훼손된 하천을 원래 의 건강한 하천과 유사하게 되돌리는 수생태계 원형 복원, 유사 복원, 대체 복원개념의 수생태 복원사업을 추진해 왔 다 (ME 2014b). 환경부에서는 4대강 대권역 2단계 기본계 획을 수립하면서 수생태 건강성 복원 기본 방향으로서 발 원지로부터 지류, 본류, 하구 연안 생태계에 이르기까지 생 태계의 종적 연결성 (Longitudinal connectivity) 확보를 위한 노력을 지속적으로 하고 있다.

    1. 우리나라에서 하천의 종적 연결성 현황 및 구조적 문제점

    1) 국내하천에 설치된 횡구조물 및 하천 연계율의 극한 감소의 문제점

    우리나라에서 하천 건강 악화에 대한 핵심 3가지 문제점 은 첫째, 이화학적 수질 문제, 둘째, 생물 다양성 교란, 셋째, 생물 서식지로서 하상교란 및 하천 내 인위적 구조물의 설 치에 의한 종적 단절성으로 요약된다. 수질악화 문제점으 로서는 거의 대부분 도심하천 및 농업지역 부근의 하천에 서는 하수종말 처리장 및 농업지역의 비점오염원에 의한 부영양화 (N, P)가 가장 큰 문제점으로 알려져 있으며, 이런 수질 악화는 수생태계 변화에 직접적으로 영향을 주어 생 물다양성 감소에 촉매제 역할을 하고 있다. 생물변화 지표 는 우리나라에서 1차 생산자로서 돌말 부착조류, 1차 소비 자로서 저서무척추동물 및 최종 고차 소비자로서 어류를 이용하여 수생태 건강성 등급을 도출하여 하천 건강성 악 화를 평가하고 있으며, 이런 문제는 2008년 이후 전국생물 측정망 확립, 조사법 구축 및 현장조사를 기반으로 아주 잘 평가되어 오고 있다. 또한, 하천의 하상 유량 등의 물리적 서식지 평가 또한 비교적 연구가 잘 되어 있으나, 하천의 물리적 구조물 설치에 의한 종적 연결성에 의한 건강성 문 제는 2018년 법으로 고시된 후 전국의 하천을 대상으로 연 구된 바는 아직 미진하여 향후 수생태 건강성 증진을 위한 종적 연결성 확보는 아주 중요한 연구 이슈 중의 하나로서 향후 집중적인 현장조사법, 진단법 등의 개발에 의한 국가 측정망 측면의 수생태 건강성 증진에 대한 연구 및 법적/ 제도적 장치마련이 아직 미흡한 수준이다.

    2) 국내 종적 연결성을 위한 어도 (Fishway) 설치 현황 및 시설 문제점

    어도는 일반적으로 하천에서 보 혹은 댐의 구조물에 대 해 어류의 이동성 측면의 종적 연결성을 증가시키기 위해 설치된 구조물이다. 그러나 최근 이런 어도 구조물은 갈 수기에 무용지물이 되거나 (Park 1996;Lee 2011;Ahn et al. 2012), 일부 구조적인 결함이 있거나 (Lee et al. 2013c; Seong et al. 2013), 물 흐름에 대한 수리수문학적 문제점들 (Cloern 1987;Yeo and Yoon 2005)이 빈번히 보고되고 있다. 2018년 국가어도정보시스템 어도실태현황을 보면 전국의 보에 설 치된 어도는 총 5,239개로서 약 15.5% 설치율이며, 이 가운 데 어도의 기능이 미흡하거나 불량한 것이 약 3,776개 (약 72%)에 이르는 것으로 조사되어 하천 연속성을 위협하는 요인으로 작용하고 있다. 이에 따라 경제성 어종·회유성 어종·법정 보호종과 같은 주요 어종의 경우 연속성이 확보 되어야 하지만 하천 중간에 설치된 횡단구조물로 인해 서 식지가 단절되어 이동성에 제약을 받고 있어 영양물질이 동 (N, P 등; Cho et al. 2007), 부유사 퇴적 (Suspended solids; Jeong et al. 2006), 유기물 축적 (Cho and Cho 2017)뿐만 아 니라 먹이망 (Son 2008)에 영향을 주어 궁극적으로는 생태 계 건강성을 훼손하는 것으로 보고되고 있다.

    하천에 설치된 어도는 2009년 하천설계기준에 따라 표 준형식의 계단식, 아이스하버식, 버티칼슬롯식, 도벽식의 4 가지 어도 유형을 제시한 이후 대부분 표준형식에 따라 어 도설계가 이루어지고 있으나, 아직 지자체에서는 비표준형 식의 어도 (42%)들도 상당히 많은 것으로 파악되고 있다. 이러한 어도의 설계가 국내 어종과 하천환경을 고려한 설 계가 아니고 일률적으로 이루어지고 있어 지속적으로 논 란이 되고 있는 실정이다. 또한, 어도 설치 이후 관리의 부 재로 인해 어도의 파손에 따른 기능 상실, 잘못된 구조 설 계로 어도의 상-하류 간 낙차가 크게 발생하고 있으며, 설 계 당시 물 흐름에 대한 고려가 미흡하여 어도로 물이 흐르 지 않거나 어도 외부로 월류되어 어류가 이용하기에 부적 합한 경우가 있어 종적 연결성에 문제가 있는 것으로 분석 되어 향후 이런 문제점을 개선하기 위한 기술개발이 시급 한 실정이다.

    2. 종적 연결성 평가를 어류 모니터링 기법 및 현황

    1) 종적 연결성을 평가를 위한 어도에서의 어류 모니터링 위한 기법 및 현황

    최근에는 2010년 4대강을 중심으로 건설된 인공보에서 는 단절된 수생태계를 연결해 주기 위하여 생태연결로인 어도 (인공어도, 자연형 어도)를 설치하였으나, 어도는 어류 의 생태적인 특성을 고려하지 않은 채 건설되어 어도의 기 능을 하지 못하는 일반적인 구조물로 등한시되어 왔다. 또 한, 정부에서 재자연화를 위한 첫 단계로서 물의 펄스방류, 상시방류 및 완전 개방 등으로 수위가 낮아지며 세종보와 같은 어도는 물이 전혀 유입되지 않는 상태도 보고되고 있 다. 또한, 어도의 건설 시 토목학적인 측면의 고려가 주류 를 이루어 어류의 본질적인 이동에는 제약을 가한 것이 사 실이다. 현재의 수많은 어도 연구에도 불구하고, 어도의 기 능에 대한 이해와 어도를 이용하는 어종들에 대한 연구가 부족하다. 즉 어도의 이용율 및 어도 효율성을 평가하기 위 해 표식-비표식 기법적용 (Parker et al. 1990;Nielson 1992;Lucas and Baras 2001), 장거리 이동 전파발신 장비 Radiotag (Matthew 1992;Cote et al. 2002;Jadot et al. 2006) 및 수동 형 전자발신장치 PIT tag (Passive Intergrated Transponder) (Castro-santos et al. 1996;Morhardt et al. 2000;Roussel et al. 2000;Zydlewski et al. 2001) 등의 기법을 이용하여 어종별 이동효율을 평가하고 있으나 여전히 하천의 전체 상하류 의 전체 시스템을 보지 않고 특정 어도 설치 구간들에 제 한되어 있어 종적 연결성 평가에 여전히 걸림돌로 작용하 고 있다. 또한, 현장조사 및 분석도 지속적인 생태모니터링 이 이루어지지 않고 있어서 실효성을 거두지 못하고 있는 실정이며, 어류 이동에 있어 제한요소가 되는 댐 및 갑문의 건설은 비단 소하성, 강하성 어류만의 문제가 아니라 거의 모든 어종에 영향을 미치는 바 하천의 종적 연결성을 체계 적으로 평가하기 위해서는 중장기적인 모니터링 및 체계 적인 평가기술 모델 개발이 필요하다.

    2) 상류-하류 사이의 종적측면의 어류 이동단절 및 종다양성 감소

    기존의 국내·외의 다양한 인공댐 및 보 건설에 대한 하 천 생태계 연구들에 따르면, 수체내의 인공 구조물은 일 반적으로 생태계의 구조적 측면 (Gray 1992; Flecker 1993; Allan and Thomas 1996; Hong and Kim 2007) 및 생태계 기 능적 측면의 물질순환 (Kang et al. 1997), 먹이연쇄 (Kim 1997) 및 에너지 흐름 ( Jang et al. 2008)에 악영향을 끼치 는 것으로 보고되고 있다 (Cloern 1987;Hanson and Butler 1994;Mantel et al. 2010;Mueller et al. 2011). 즉, 인공보는 하 천의 흐름을 막아 물리적 수환경의 변화를 초래하고, 달라 진 수환경으로 인하여 어류의 종조성을 변화시킨다. 또한, 해수와 담수를 오가며 생활하는 회유성 어류의 이동과 일 반 어류의 상-하류 간 이동을 단절시켜 어류의 생존을 저 해시키는 주요 요인으로 작용하게 된다. 특히, 어류는 끊임 없이 이동을 하고 움직이는 생물이며 서식처에 대한 특이 성으로 인해 지역적 특이성을 지니는 생물이다. 따라서 하 천의 흐름을 막는 보나 댐은 어류서식의 지역적 범위를 제 한할 수 있다.

    특히, 우리나라에서 뱀장어, 연어, 황어, 은어와 같은 경 제적 가치가 높은 장거리 회유성 어류의 경우 지리적 격 리가 일어날 수 있으며, 이로 인해 내수면 어족자원 감소 로 이어질 수 있다. 또한, 우리나라에서는 연어, 송어, 황어 등의 소하성 어류, 뱀장어, 무태장어 등의 강하성 어류들은 물론이고, 일반적으로 1차 담수어인 누치, 치리, 참몰개 등 의 어종들도 계절적으로 상-하류를 이동하는 특성을 지니 고 있어 하천의 종적 단절성은 하천의 상류로부터 하류까 지의 구간에서 생태학적 구조 및 기능에 악영향을 주는 것 으로 알려져 왔다. 1차 담수어인 경우 특히 4∼6월의 주요 산란기에 수심이 깊은 수체에서 수심이 얕은 인근 상류 지 류로 이동을 하게 되는데 (Kim and Park 2002) 이때 소규모 농업용 보 구조물 및 천내의 인공 구조물은 산란율을 감 소시켜 (Ko et al. 2007), 중장기적으로 이런 구조물이 존재 할 때 종적 연결성을 크게 단절 혹은 훼손시킬 수 있는 것 으로 보고되고 있다 (Choi et al. 1989;Yang et al. 2001;Choi and An 2008;Yang 2011). 또한 4대강의 하구에 건설된 대 규모 인공 하구언들 (Lee and Um 2007;Lee et al. 2014)은 바 다에서 직접 강으로 유입되는 뱀장어 생산량에 크게 영향 을 주는 것으로 나타났다 (Hwang et al. 2009). 따라서 하천 의 연속성을 확보하는 것은 하천 상-하류 간의 생물다양성 확보 및 생태계 보존에 아주 중요한 역할을 하는 것으로 보고되었다.

    3. 종적 연결성 확보를 위한 물리적 서식지 적합도 및 환경생태 유지유량

    1) 서식지 적합도 지수 개발 및 환경생태유량 산정

    하천의 종적 연결성을 위해 기본적으로 하천을 흐르는 유량이 최소한 존재해야 한다. 하천에서 최소유량 확보를 위해 유량산정 및 분석이 실시되고, 이들 유량에 따른 어종 별 서식처 적합도 (Fish Habitat Suitability; FHS)를 분석하 는 것이 중요하다. 미국의 경우, 지속적인 모형 개발 및 현 장 모니터링을 통해 150여 종에 대한 서식처적합도 지수를 산정하였으며, 어류 종별, 성장단계별 서식처 및 서식처 조 건별 수리량을 환산하여 하천의 유지유량을 결정하는 연 구가 진행되어 왔다 (Stalnaker et al. 1995).

    우리나라 하천에서는 봄철에 강우량이 적고, 이로 인한 하천 유량이 극히 감소하여 건천화 현상을 많은 하천에서 보이고 있고, 이에 따른 이화학적 수질악화, 녹조 문제, 수 생생물 서식처 감소 등 수생태계 건강성 훼손에 문제를 발 생하고 있다. 우리나라 환경부에서는 수생태계 건강성 유 지에 필요한 하천 유량을 확보하기 위해 환경생태유량 제 도를 물환경보전법에 도입하여 2018년 1월 18일부터 시 행하고 있다. 하천 유지유량 중 환경생태유량은 수생태계 의 건강성을 유지할 수 있는 최소한의 유량을 의미하며, 이 를 결정하기 위해서는 서식처 적합도 지수 개발이 필수적 이다. 현재 국내 서식처 적합도 지수 산정에 대한 기준은 미비한 상태로, 미국에서 제시한 방법에 근거하여 적합도 지수를 산정하고 있는 것으로 조사되었다. 다만, 법에서는 국토부와 환경부가 환경생태유량을 산정하도록 하고 있 으며, 실무적으로는 PHABSIM (physical habitat simulation system) 모형을 사용할 것으로 전망하였다 (ME 2017a). 따 라서, 하천 수생태계에 보다 적합한 환경생태유량을 산정 하기 위해서는 1) 생태계 (어류) 대상으로 성장단계에 따른 최적 환경생태유량의 산정이 필요하고, 2) 소수의 대표어 종이 아닌 다양한 어종 (보호 대상종, 지표 어종, 지역특성 어종 등)에 대한 서식처 모의가 종합적으로 수행될 필요성 이 있으며, 3) 조절 하천과 비조절 하천을 대상으로 국내 하 천에 적합한 환경생태유량을 확보할 수 있는 방안이 제시 되고, 4) 또한 제시된 개별방안에 따른 어류 서식처 개선효 과 분석이 과학적이고 체계적인 방법을 통해 제시되어야 한다 (Korea Water Resources Corporation 2018).

    미국 환경부 (US EPA)에서는 종적 연결성을 위한 어류 유량 확보 방안으로서 지난 1970년부터 현재까지 지속적 인 수리수문 모형개발 및 현장 모니터링을 통해 약 150여 종에 대한 서식지 적합도 지수 (Habitat Suitability Index; HSI)를 산정하였으며, 어류 종별, 성장단계별 서식처 및 서 식처 조건별 수리량을 환산하여 하천의 생태유량을 결정 하는 연구가 진행되고 있고 (Stalnaker et al. 1995), 하천유 지유량 중 환경생태유량은 수생태계의 건강성을 유지할 수 있는 최소한의 유량을 의미하며, 이를 결정하기 위해서 는 각 어종별 HSI 구축이 필수적이다. 우리나라에서 어류 의 서식지 적합성 관련 연구는 대부분 하천생태유량과 관 련하여 PHABSIM 모델 적용을 위해 활용되고 있다. 금강에 어류 서식지를 고려한 유량 산정 (Woo et al. 1998), 괴산 달 천에 유량 및 수질을 고려한 유량 연구 (Kim 1999)가 처음 시작되었고, 2000년대 이후부터 낙동강 유역 어류 서식환 경을 고려한 유량 연구 (Sung et al. 2005), 한강 지류에 어류 서식 조건을 고려한 유량 연구 (Oh et al. 2008), 최적 생태유 량 산정 (Hur and Kim 2009;Hur et al. 2013;Lee et al. 2013) 및 어류 서식지 평가 및 유량 산정에 대한 연구 (Hur et al. 2009b;KEI 2010;Hur and Kim 2011a, 2011b, 2011c;Hur and Seo 2011;Hur et al. 2011) 등이 본격적으로 수행되어 왔으 나, 생태계에 필요한 환경생태유량 산정 및 평가방법, 정량 화 및 기초 데이터베이스 (DB) 등의 객관적 자료는 극히 부 족한 실정이다.

    최근, 환경선진국들의 경우 어류 기반 서식처 적합도를 평가하기 위해 다양한 서식지 평가모델을 개발하고 있으 며, 특히 최근에는 “HABITAT 모델”을 개발되어 활용하고 있다. 기존의 PHABSIM 모델은 서식지 적합성 평가를 통해 하천 유지유량을 결정하는 데 주로 사용되고 있으므로 서 식지 분석을 통한 종밀도, 위험도 평가 등은 고려할 수 없 는 단점을 가지고 있으며, 또한 한국환경정책평가연구원 (KEI)의 연구보고서 (2017)에 따르면 모델의 한계점 및 제 약으로 인해 국내 환경에서 일괄적으로 적용하는 것은 적 합하지 않은 것으로 평가되고 있다.

    2) 물리적 어류 서식처 모의를 위한 생태-수리모델링 개발 및 연계 필요성

    어류 기반의 물리적 서식처 모의를 위해서는 유속, 수심, 수온 및 하상지수 (substrate)의 자료가 기본적으로 요구되 며, 최종적으로 각 목표어종 (Target species) 또는 대상어종 에 대한 생애 단계에 따른 가중가용면적-유량 관계 곡선을 산정하여 물리서식처의 적합성을 평가하게 된다. 따라서, 효율적인 물리서식처 해석을 위해서는 1차적으로 1차원 수리모델이 아닌 최소 2차원 이상의 다차원 생태수리 모 델이 필요할 것으로 사료되고, 2차적으로는 이러한 모델을 통해 대상어종의 생애 단계를 고려한 지점별 및 시계열 분 석이 요구된다. 서식처의 시계열 변화 분석을 통해 서식처 지속 곡선을 도출하거나, 사전에 기준에 적합하지 못한 서 식처를 명확히 선별할 수 있으며, 서식처의 정량적 평가를 통해 특정 연구결과가 서식처의 이익 및 악화 영향에 대한 보다 객관적인 분석결과를 이해 당사자에게 제공할 수 있 다 (KEI 2010). 참고로, 국내에는 수질 및 수생태에 관한 법 률이 최근 개정 (2107년 1월 공표)되어 환경생태유량 산정 에 대한 법적 근거를 마련하였으나, 산정 기준 및 예측 방 안이 부재하여 이에 대한 개발 및 연구추진이 필요한 것으 로 고찰되었다 (ME 2017a).

    4. 종적 연결성 평가를 위한 기존 기술의 한계성 및 프로그램 개발의 시급성

    1) 어류 유영력 기반 이동성 분석에 대한 현재 기술의 한계성

    종적 연결성 평가를 위해 하천 혹은 강에서 어류의 점핑 능력 (jumping capacity), 혹은 물을 거슬러 올라가는 유영 력 평가는 너무 중요한 연구대상 주요 핵심 인자 중의 하나 이다. 어류의 유영능력은 어류의 서식처 간 이동 능력을 말 하며, 시공간적인 분포를 결정하는 요인이 된다 (Drucker and Jensen 1996). 또한, 피-포식행위, 생식활동, 서식처 선 택 등 어류의 생존과 직접적인 연관성을 가진다 (Taylor and McPhail 1986). 이에 따라 어류의 유영능력 및 소상능력은 하천의 종적 연결성을 평가하는 중요한 요인이 될 수 있다. Park (2001a, 2001b, 2001c)은 회유성 어종의 생태환경 분석 및 어종별 소상능력을 비교하여 계단식 어도의 활용성 증 대를 위한 낙차를 결정하였으며, Park et al. (2008)은 피라 미에 대한 유영특성을 분석하고 어도의 합리적인 설계기 준을 제시하였고, Bae et al. (2011)은 PIV (Particle Imaging Velocimetry)를 이용하여 은어의 유영능력을 측정하여 어 도 설계를 위한 기초자료로 활용하였다. 따라서 어류의 유 영능력에 따른 서식처 적합도 지수 등은 어류의 생태 유량 을 산정하는 기초자료이며 어류 행동 기반에 따른 하천의 종적 연결성을 평가하기 위한 중요지표가 된다. 그러나 현 재 우리나라 연구에서는 이런 분석법에 대한 개발은 거의 전무한 실정이며, 현재 존재하는 이동성 분석 기술도 특정 어종 이외에는 없는 것이 가장 큰 문제여서 이런 기술 개발 이 이루어질 때 종적 연결성 평가는 좀 더 향상될 것으로 사료된다.

    2) 행위자 기반 (ABM) 어류행동예측 프로그램 개발의 시급성

    행위자 기반 모형 (Agent based model; ABM)은 생물체 의 행동을 기반으로 행동 혹은 이동에 대한 예측을 하는 모 델로서, 하천 혹은 강과 같은 유수 생태계에서 어류 기반의 ABM 모델은 종적 연결성 평가에서 어류 행동특성 파악에 중요한 역할을 한다. 현재, 어류 기반 ABM 모델은 여러 요 소들의 복잡한 상호작용 및 확산현상을 기존의 수학적 모 델 또는 통계 모델을 통해 응용하기 어려운 현상에 적용하 는 시뮬레이션 기법으로서, 생태계 다양한 현상을 연구하 기에 가장 타당한 모형임에도 불구하고 현재까지 국내는 전혀 없으며, 외국 연구사례에서도 종종 나타나나 특정 종 에 한정되어 일부 연구들이 보고되고 있다.

    행위자 기반의 모델을 하천 수체에서 어류 행동과 같은 복잡한 행동패턴 추적에 활용할 수 있을 것으로 예상되며, 특히 첨단 센서를 활용한 모니터링 및 실시간 DB를 확보 할 경우 실증데이터 기반의 국내 어류 행동 예측 시스템 개 발 및 구축이 가능할 것으로 기대된다. 어류 행동 예측 프 로그램의 개발은 난이도가 높아 쉽지 않으며, 시공간적 변 이가 커서 전체의 큰 시스템에 적용하는 데는 한계가 있으 나, 어류 기반 ABM 모델이 성공적으로 개발될 경우, 1) 이 동하는 대상 어종을 정확하게 판별할 수 있는 장점, 2) 전국 의 보 및 어도 모니터링에 확대하여 이동성 평가에 따른 시 간과 비용절감 가능, 3) 국내 하천의 종적 연결성 정성/정 량 평가지표 및 서식처 적합도 지수를 보완하거나, 4) 물리 서식처 모의에 적합한 대상 어종을 선별하는 데에도 유용 하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

    5. 환경 선진국에서의 종적 연결성 평가 관리 체계 및 평가모델

    국외에서는 다양한 연구모델 (ICE 모델, ICF 모델 등)을 개발하여 하천의 수생태 연속성을 평가하고 있으며, 하천 건강성 복원을 위해 하천 구조물의 수생태 연속성 복원을 의무화하고 있다. 이는 기존의 인간 중심의 하천관리라는 개념이 아닌 하천에 서식하는 수생물을 우선의 패러다임, 즉, 하천생물 기반의 하천 연속성 평가가 핵심 화두로 떠오 르고 있다. 특히 하천 상류와 하류 사이의 수생태 연속성 확보를 위해서 수생태 연속성에 관련된 업무와 권한이 연 방 정부 산하 하나의 조직으로 통합되었다는 점에 주목할 필요가 있으며, 이는 수생태계 연속성 관련 자료, 조사 및 영향평가 정보, 종합적인 대책 마련 그리고 기술적 노하우 등을 효율적으로 하나의 조직에서 관리할 수 있는 장점이 있다. 특히, 독일과 프랑스는 수생태 연속성 관련법들을 책 임지고 주도하는 전담기관을 설립하여 수생태 연속성 측 면에서 이루어지는 모든 상황에 대해 효율적이고 즉각적 으로 연속성 복원 프로젝트를 실행하고 있다. 프랑스의 경 우 수생태 연속성 복원 및 추진에 있어 하천 환경관리 전담 기관인 ONEMA를 설립하고 이 기관이 수생태 연속성 사 업에 있어 주도적으로 관리하고 있으며, 구조물 소유주와 의 밀접한 협업체를 구성하는 것은 수생태 연속성 복원 사 업에 있어서 가장 우선적으로 실행되어야 할 요소로 제시 한다. 공동 또는 참여로 관련 정보들을 공유하고 협의를 통 해 하천 구조물에 대한 가장 최적의 방안을 제시하는 선진 기술로 판단된다.

    전 세계의 하천종적 연결성 평가모델 및 기법 (프로토콜) 에 대해 문헌, 자료 및 다양한 모델을 종합적으로 검토한 결과에 따르면 Table 1에서 보여주는 바와 같다. 즉, 첫 번째 기법은 구조물과 어류 유영 속도 점프능력 등의 지표 기반 기법이다. 이것은 환경 선진국에서 최신 통합적 종적 연결 성 평가를 위한 기법으로서 공통적인 사항은 어류 군집 (특 정 어류종을 대상으로 하는 것이 아닌 평가, 즉 개체군 평 가가 아닌 군집유형 평가 방식)을 대상으로 하고 있고, 여 기에 직접적으로 구조물의 높이 유속, 유량 특성을 고려하 여 어류가 구조물을 통과할 수 있는지 여부에 대한 하천 연 속성 평가 기법이다. 두 번째 기법은 직접적인 어류조사 및 모니터링에 의한 기법으로서 우리나라에서 많이 시도된 기법이다. 세 번째는 하천 지형 평가 기반의 기법이고, 네 번째는 하천 연계성 지수 평가법 그리고 그 외의 기타 우리 나라에서 사용되는 기법들로 대별된다.

    1) 구조물과 어류 유영 속도 점프력 등의 지표 기반 모델링 및 기법

    ICE (Information sur la Continuite Ecologique) 기법은 하 천 구조물에 대한 정량 평가법으로서 어류의 유영속도, 이 동가능 최소수심, 점프능력, 유속 등에 대한 상관관계 분 석을 통한 평가를 실시한다. ICF (Index de Connectivitat Fluvial) 기법은 보외 암거, 경사진 구조물, 어도 등에 대 한 다양한 평가를 실시하며, 전문가의 경험 및 판단에 의 해 분석 평가하는 기법이다. FMBAP (Fish Migration Barrier Assessment Protocol) 기법은 암거와 보에 대한 연속성 평가 로서, 레벨 A의 현장조사 기반 평가와 레벨 B의 모델링 기 반 평가로 구성되어있다. WDFW (Washington Department of Fish and Wildlife) 기법은 우리나라에서도 빈번히 이용 되는 기법으로서 하천에서 암거 구조물에 대해서만 적 용가능하며, FMBAP과 거의 유사한 특성을 가지고 있다. FishXing 모델 기법은 어도 등의 구조물에 대한 평가가 가 능하고, 수리분석 및 s/w 프로그램을 이용하여 분석하는 기 법이다.

    2) 직접적인 현장조사 및 모니터링 기법

    본 현장조사 기법은 우리나라에서 빈번하게 4대강 보 구 조물 및 어도 이동성 평가에서 이용된 기법으로서 수중카 메라 설치에 의한 어류 이동평가를 실시하고, 트랩설치기 법 (Trap)은 어도 혹은 보 구간에 트랩을 설치하여 어류이 동을 평가하며, 초음파 에코사운더 기법은 어류의 수층내 의 밀도를 측정하여 평가를 실시하는 기법이고, 첨단센서 기반의 텔레미터리 기법 (Radio 텔레미터리, 트랜스미터 이 용법) 등을 들 수 있다.

    3) 하천지형학적 접근방식 기법 및 구조물 기반 DB 구축 기법

    하천 지형학적 접근방식 기법은 DCI 기법 (Dendritic Connectivity Index)으로서 총 3단계로 구분한다. 1단계에 서는 하천망 범위 설정 및 각 하천망에 위치한 하천 연장에 대해 조사, 2단계에서는 하천 구조물의 개수 및 위치 파악, 3단계에서는 어류가 구조물을 통과할 수 있는 여부의 확률 설정 및 최종 점수 평가로 대별되어 있으며, Table 1에서와 같이 구조물 기반 DB 구축 기법으로서 WebDB 모델, ROE 모델, OFPDS 모델 및 RDB-DRN 연계모델이 이용되고 있 다.

    D C I p = i = 1 n l 2 i L 2 × 100 D C I D = l i L × 100

    (L: 전체 하천의 길이, li: 구조물로 인해 단절된 인접한 두 하천 구간의 길이)

    또한, 하천 연계율을 산정하는 하천 연계성 지수 평가 기법 [하천 연계율 (%)=하천 종점에서 어류 소상이 가능 한 거리/하천 총 연장×100] 외에도 우리나라에서 이용되 는 기법들이 다양하게 있다 (Table 1).

    4) 전 세계 하천 종적 연속성 평가의 조사방법론에 대한 유럽권과 비유럽권 비교

    현재, 전 세계에서 널리 이용되는 종적 연결성 평가모델 의 조사방법론 및 적용성 비교 평가는 유럽에서 제시된 보 고서인 REFORM (Rinaldi et al. 2013)을 참고하여 유럽권과 비유럽권으로 비교하였다 (Tables 2, 3). 이런 이유는 현재 종적 연결성 평가는 유럽권 주도 방식으로 이루어져 있고, 미국에서도 유럽의 방식을 이용하고 있기 때문이다. Table 2와 Table 3은 조사방법별로 유럽권과 비유럽권으로 구분 하여 조사·평가 항목에 대한 특징요소에 대해 정리한 결과 총 22개의 조사방법이 이용되었으며, 이는 크게 아래와 같 이 6개 항목으로 대별하여 구분하였다. ① 항목은 자료수 집의 범위, ② 항목은 공간적인 스케일 정도, ③ 항목은 서 식처 평가 유·무, ④ 항목은 연속성 평가항목 종류, ⑤ 항목 은 이동성 평가를 위한 기준 인자들, ⑥ 항목은 타깃 어종 의 적용 범위로 대별된다. ① 항목의 자료수집의 범위: 지 도, 원격 탐사, 현장조사, 데이터베이스 사용, 모델링으로 구 분하였고, ② 항목의 공간 스케일은 하천망, 하천, 단일 구 조물, ③ 항목의 서식처 평가는 서식처 구간 설정, 서식처 망 조성, ④ 항목의 평가항목 구분은 구조물 이동성 평가, 구조물 특성 및 모델링, 데이터베이스 기록·맵핑, 정량적 최종 지수, 서식처 손실 평가, 어류 원격 측정, ⑤ 항목의 이 동성 평가를 위한 기준은 어류 특성, 화학적 속성, 환경적 변화, 수문학적 인자, 구조물의 물리적 특성, 어도 설치 유· 무, 하천 위치, ⑥항목의 어종의 적용은 생활사, 관심 타깃 어종으로 구분하였다. 본 조사방법론 비교에 따르면, 유럽 권에서는 ICE 모델과 ICF 모델이 어류의 군집수준 특성, 현 장조사, 구조물 특성 반영, 어류의 구조물 통과성 평가, 수 리수문특성 현장 평가, 상-하류 간의 공간평가 및 구조물 특성 평가 측면에서 아주 좋은 모델로 평가되어 이 모델을 검토하고 모델을 수정 보완할 경우 우리나라에서 종적 연 결성 통합평가에 효율적일 것으로 사료되었다. 한편, 비유 럽권 조사방법론에서는 DCI 모델 및 FiXing 소프트웨어 프 로그램 이용 모델이 효율적으로 사용될 수 있을 것으로 사 료되었다.

    6. 국내 기존 기술의 한계성 및 향후 연구되어야할 핵심 내용

    국내에서 어류의 종적 연결성 모델개발 및 평가 연구에 관련된 유관한 연구들은 상기에서 제시한 바와 같이 아직 극히 미흡한 상태에 있다. 즉, 주로 우리나라에서는 어류 군 집 기반의 서식지 평가가 아닌 특정 개체군 지표종 (e.g., 피 라미) 기반의 어종별 서식지 적합도 (HSI) 평가모델 연구가 주류를 이루고 있고, 또한 이런 모델도 Phabsim 모형의 단 편적 지표 기반 모형 (유량, 유속, 하상기질)에 의존하고 있 는 것이 한계점으로 나타나고 있고, 이에 대한 개선 노력이 집중적으로 일어나고 있다. 또한, 어류 종적 연결성 구조물 (어도) 유형분석 및 실규모 어류생태 수리실험 역시 특정 구조물 혹은 특정 어종에 대한 실험적 자료이기 때문에 현 장 적용성에 여러 제약점을 가지고 있다. 또한, 종적 연결성 평가에서 어류의 이동성 평가 또한 핵심 사항이고, 특히 회 유성 장거리 이동성 어류들의 연구를 위해 첨단 센서 (e.g., PIT tag, radio tag, transmitter) 기반 어류 이동성 연구 및 종 적 연결성 평가가 적용되고 있으나 고가장비의 문제점, 그 리고 일회성이면서 소모성인 트렌스미터 등의 고가라는 제약성 때문에 종적연구의 한계성이 있다. 특히, 상기에서 제시한 바와 같이 GIS-기반 하천 종적 연결성 수리수문 연 계 모델 및 알고리즘 평가 연구 및 어류 행위자 기반 모형 (ABM) 모델 개발 연구는 거의 전무한 것으로 검토되었다.

    따라서, 우리나라에서 종적 연결성 평가를 위해서는 기 본적으로 어류의 종적 연결성 모델 개발을 해야 하며, 이를 위해서는 첫째, 우리나라 어종별 서식지 적합도 (HSI) 평가 모델 연구, 둘째, 군집 기반의 보/어도에 대한 어류 이동성 평가모델 구축, 셋째, 하천 종적 연결성 수리수문 연계 모델 및 알고리즘 연구 넷째, 어류 종적 연결성 구조물인 어도의 유형분석 및 현장에서의 실제 이동성 평가, 다섯째, 어종별 구조물 및 수리수문특성별 (유량, 유속) 어류생태 수리 실 험, 여섯째, 종적 연결성 평가를 위한 GIS-기반 국가/지자 체 평가 및 현장조사/테스트, 여섯째, 첨단 센서 기반 어류 이동성 연구 및 종적 연결성 평가가 필요하고, 일곱째, 상기 제시한 바와 같이 어류 행위자 기반 ABM 모델 연구 및 여 덟째, 어류 유영력 수리수문 테스트 및 평가에 대한 집중연 구가 요구된다. 이런 상기 다양한 연구 내용 및 요소기술을 서로 접목, 융합시켜 GIS-기반의 하천 종적 연결성 확보 통 합 알고리즘 및 이를 기반으로 한 수체의 상-하류 간 연결, 훼손 혹은 단절성 평가를 위한 국가 통합 플랫폼 구축은 종 적 연결성 연구에서 현재의 우리나라 기술의 한계성을 극 복하는 데 핵심연구로 사료된다.

    적 요

    최근, 우리나라에서는 하천에 중소형 보 (Weir) 및 각종 구조물 (어도) 건설이 건설되면서 수생태계의 단절 및 훼손 이 보고되고 있고, 이들은 수생태계 건강도에 직접적으로 영향을 주면서 수생태계의 종적 연결성 평가가 중요한 이 슈가 되었다. 본 연구에서는 수생태 건강성 확보를 위한 일 환으로 수생태계 종적 연결성 평가를 위한 국내외 연구 현 황, 선진국의 어류 기반 종적 연속성 평가모델 개발 및 현 장 적용성에 대한 분석을 실시하였다. 이를 위해, 우리나라 에서 하천의 종적 연결성 현황 및 구조적 문제점, 어류 모 니터링 기법 및 현황, 종적 측면의 어류 이동성 단절 및 종 다양성 영향에 대한 현황분석을 하였다. 또한, 물리적 서식 지 적합도 평가, 환경생태유량 평가 및 어류 서식처 모의를 위한 생태-수리모델링의 기술적 한계 등에 대한 연구 현황 을 분석하였다. 또한, 어류 유영력 기반 이동성 분석 및 행 위자 기반 (ABM) 어류행동예측 프로그램개발에 대한 현재 기술의 한계성도 제시하였다. 전 세계에서 적용된 하천 종 적 연결성 평가모델 및 기법 (프로토콜)에 대해 문헌, 자료 및 다양한 모델을 종합적으로 검토한 결과에 따르면, 첫째, 하천 구조물과 어류 유영속도, 점프력 등의 지표 기반 평가 기법, 둘째, 직접 현장 어류조사 및 모니터링 기법, 셋째, 하 천지형학적 접근방식 평가 기법 및 구조물 기반 DB 구축 기법 및 넷째, 하천 연계성 지수 평가법 등으로 분석되었다. 종적 연결성 평가모델의 조사방법론 및 적용성 평가 결과 에 따르면, 유럽권의 ICE 모델 (Information sur la Continuite Ecologique)과 ICF 모델 (Index de Connectivitat Fluvial)을 우리나라에 수정보완하여 적용할 경우 적절할 것으로 평 가되었다.

    사 사

    본 결과물은 환경부의 재원으로 한국환경산업기술원 수생태계 건강성 확보 기술개발사업의 지원을 받아 연구 되었습니다 (과제번호: 2020003050004).

    Figure

    Table

    Various international / domestic approaches, connectivity models, and the countries applying longitudinal connectivity evaluation in streams and rivers

    Longitudinal stream connectivity evaluation models (LSCE model) in European countries and their applicability based on database, spatial distribution range, physical habitat, input variables, fish passing indicator, and target fish habitats (○: high certainty, △: ambiguous)

    Longitudinal stream connectivity evaluation models (LSCE model) in non-European countries and their applicability based on database, spatial distribution range, physical habitat, input variables, fish passing indicator, and target fish habitats (○: high certainty, △: ambiguous)

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