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1 (별첨) 기능을 상실한 보 철거를 통한 하천생태통로 복원 및 수질개선 효과 3차년도 중간보고서 주관기관/ 위탁기관/ 한국건설기술연구원 명지대학교 산학협력단 인하대학교 생명과학과 한국건설기술연구원

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3 < 목 차 > Ⅰ. 전체 연구계획과 성과 1 1. 전체 연구개발 계획 연구개발의 필요성 연구개발 최종 목표 연차별 주요 사업내용 차년도 연구성과 보 철거에 따른 예측기법 개발 보 철거 시범사업(중형 보) 보 철거에 따른 물리/화학/생태 영향 분석 5 Ⅱ. 보 철거에 따른 예측기법 개발 7 1. 오염저니 이송 예측기법 하천 수질 모형의 검토 계산모형 모형의 검증 보 철거 후 하천 생물서식처 변화 예측 연구 현황 및 필요성 보 철거 후 생물 환경의 변화 보 철거 후 종합적 생태계의 변화 보 철거 후 생물상의 변화 24 Ⅲ. 하천 생태통로 복원공법 개발 하천 생물서식처 복원 기술 현황 보 철거에 따른 생물서식처 복원 기술의 필요성 보 철거에 따른 생물서식처 복원 기술 하천 생태통로 조성 기술 국내외 하천 생태통로 조성 기술 국내외 보 개량 조성 기술 47 Ⅳ. 보 철거 시범사업 철거 대상보의 선정

4 1-1 철거 대상보(중형보)의 개요 철거를 위한 행정적 절차 보 철거 방법 및 유지관리 보 철거 과정 철거 후 유지관리 중대형보 철거 시범사업 전주시 전주천 덕진보 고양시 곡릉천 취수보 58 Ⅴ. 기능을 상실한 보 철거에 따른 물리적 영향 분석 물리적 영향 유역의 수문학적 특성 및 하도 특성 하상변동 예측(곡릉천 곡릉2보) HEC HEC-6 입력자료 보 철거로 인한 하상변동 분석 보 철거로 인한 하상변돈 분석 결과 89 Ⅵ. 기능을 상실한 보 철거에 따른 화학적 영향 분석 보 철거에 의한 수질 영향 조사 시료채취 및 분석방법 시범사업 대상보의 물리/화학적 영향 분석 95 Ⅶ. 기능을 상실한 보 철거에 따른 생태적 영향 분석 생태적 영향 조사 방법 결과 113 Ⅷ. 요약 및 결론 요약 보 철거에 따른 예측기법 개발 보 철거 시범사업(중형 보) 보 철거에 의한 물리적 영향 분석

5 1-4 보 철거에 의한 화학적 영향 분석 보 철거에 의한 생태적 영향 분석 결론 및 향후 연구 계획 결론 항후 연구 계획 135 참고문헌 136 수리분야 136 생태분야 138 부 록 142 부록 1. 각 조사지별 출현 생물상(인하대/서울여대/호남대) 142 부록 2. 보 철거 시범사업 사진 모니터링(건기연) 154 부록 3. 보 철거 시범사업 홍보(건기연)

6 I. 전체 연구계획과 성과 1. 전체 연구개발 계획 1-1 연구개발의 필요성 하천의 수위를 유지하거나 농업용수를 취수할 목적으로 하도 내에 조성되는 크 고 작은 보( 洑, weir)는 현재 국내에 약 18,000개 정도가 설치되어 용수공급 시설로 이용되고 있다. 그러나 보의 축조에 따른 하천생태통로의 차단, 보 상류부의 수질 악화, 수변 생물서식처의 변화, 하천경관 훼손 등과 같은 환경적 문제는 익히 잘 알 려진 문제이다. 이러한 보중에는 극히 일부에 어도와 같은 생태통로가 인위적으로 설치되어 있지만 전체적으로는 매우 미미한 수준이다. 더욱이 도시 인구집중화에 따른 도심부의 확대로 인한 농경지의 도시화, 경작 방식의 변화에 의한 논농사 위주에서 비닐하우스 단지로의 변화와 같은 토지이용의 변화, 대형 저수지의 축조/양수장 설치 등에 따른 취수 시설물의 통합, 시설의 노후 화 등으로 매년 50~150개 정도의 보가 폐기되고 있다(농촌 공사, "농업 생산기반정 비사업 통계연보"). 그러나 이렇게 폐기되는 보는 하천에 그대로 존치되어 하천생태 통로의 단절, 수질 악화, 수변 서식처 악화 등의 문제를 지속적으로 야기 시키고 있 다. 외국의 경우 기능이 다한 보나 소형 댐 등은 물론 일부 기능이 있는 하천횡단 시설물을 철거(dam removal)하여 하천생태통로의 복원 등 하천복원을 추진하고 있 는 것이 추세이다. 그러나 국내 실정상 기능이 있는 시설물보다는 기능이 다한 보 와 같은 하천횡단 시설물에 대해 생태환경의 복원 차원에서 적극적인 철거를 통하 여 하천생태통로를 복원할 필요가 있다. 따라서 이러한 보 철거를 통한 원활한 하천생태통로 복원을 위해서는 철거에 의한 하상변동, 하천형태 변화 등 물리적 영향; 수질 변화, 오염된 저니 이송 퇴적 등 화학적 영향; 생태 서식처 변화 등 생물적 영향 등을 면밀히 검토하고 그에 관 련된 기술개발이 선행되어야 할 것으로 판단된다. 1-2 연구개발 최종목표 본 연구는 하천에 설치되었으나 용도가 폐기된 보 철거를 통하여 하천의 생태 적 건강성을 복원 향상시키기 위한 연구이다. 이 연구는 보에 의하여 차단된 하천생 태계의 통로를 복원함으로써 하천의 생태적 연속성을 확보하고 동시에 수질개선을 - 1 -

7 위한 관련 조사연구와 기술을 개발하는 것이다. 따라서 본 연구의 최종 목표 및 연 구개발 목표는 다음과 같다. (1) 최종목표 : 보 철거를 통한 하천생태통로 복원 기술개발 - 보 철거를 통한 하천생태통로 복원과 수질개선 관련 기술개발 - 보 철거에 의해 형성된 하천에 적합한 하천복원 기술개발 - 보 철거를 통한 하천 생태계 복원 가이드라인 제작 및 보급 (2) 연구 개발 목표 - 기능이 다한 보 철거 의사결정기준 개발 행정적/법률적 검토, 기술적/경제적 가능성 검토, 생태복원 가능성 검토, 사회적 가능성 등의 검토를 통한 의사결정기준 개발 - 보 철거에 따른 생태통로 복원기술개발 보 철거에 따른 시나리오 예측기법 개발(장단기 하상변동 예측 기법 개발) 철거에 따른 수변/수생생물 서식처변화 예측기법 개발 - 보 철거에 의한 수질개선 기술개발 오염된 토사 처리 기법 개발 오염된 토사 이송 및 귀착(fate) 예측기술 개발 저질의 변화 (입경분포 변화, 유기물 함량 변화 등) 예측기법 개발 - 보 철거 전후 모니터링 및 유지관리 기술개발 하도 안정, 수질/저니질 변화, 하천 생물서식처 변화 등의 모니터링 및 유지관리 기술개발 보 철거에 따른 환경영향의 종합적 평가기법 개발 - 개발기술의 표준화 및 이용 가이드라인 개발 관련 기술의 표준화 하천 생태통로 복원 가이드라인 제작 1-3 연차별 주요 사업내용 본 연구는 환경부 차세대 핵심기술연구개발사업의 2단계 사업의 일환으로 2004 년부터 2008년까지 4년간 수행되는 연구이다. 본 연구의 목적은 국내 수천 개에 달 할 것으로 추정되는 기능을 상실한 보를 대상으로 보의 물리적 철거를 통하여 하천 생태통로를 복원하고 수질을 개선하는 것으로서 연차별 주요 사업 내용은 다음 표 - 2 -

8 와 같다. 사업년도 주요 사업내용 및 범위 제품의 목표, 사양, 성능 등 1차년도 - 국내 보의 현황 분석 및 외국 보/소규모 댐 철거 및 복원사례 분석(규모별, 기능별, 재료별, 토지이용별, 소유권별, 외국의 철거 복원 사례조사) - 기존 관련 기술 수준과 모형의 조사, 분석 - 보 대조구간에서의 물리적, 화학적, 생물 생태적 특성 조사 (대조구간 조사) - 기능이 유지되는 보, 기능이 다한 보를 대상으로 대조구간 선정 - 하천안정 및 홍수 등 물리특성 - 수질 및 저질 등 화학적 특성 - 생물 및 생태적 특성조사(어류, 저서동물, 식생, 경관생태 등) - 상류 퇴적 보, 저수지 형성 보 등 구분 2차년도 - 보 철거 및 복원기술개발(장단기 하상변동 예측기법 개발, 오염 퇴적토의 이송 예측기법 개발 등) - 하천 안정성 검토 분석 - 하천 생물서식처 변화 예측기법 개발 - 보 철거 의사결정 기준개발 - 오염 저니 처리기법 개발 - 보 대조구간에서의 물리적, 화학적, 생물적 특성 조사(계속) - 보 철거 시범사업 운영(소형 보) - 물리, 수치 실험 병행 - 보 철거 후 안정하도 개념 검토 (시범사업 운영) - 소형(1개소) 철거 시범사업 실시 및 전후 모니터링 (물리, 화학, 생물 등) - 보 관리자(시군 지자체, 농촌 공사 등)와 긴밀한 협조 체계 구축 3차년도 - 보 철거에 따른 안전성 및 예측기법개발(장단기 하상변동 예측기법 개발, 오니의 이송 예측기법 개발 등) (계속) - 하천 생태통로 복원공법 개발 - 보 철거 전후 모니터링 및 유지관리기술개발 (하도 안정성 포함) - 보 대조구간에서의 물리적, 화학적, 생물적 특성 조사(계속) - 보 철거 시범사업운영(중대형 보) - 물리, 수치 실험 병행 - 자연형 거석보 등 대체 공법 개발 (시범사업 운영) - 중대형(1개소)보 철거 시범사업 실시(예산고려 규모선정) 및 전후 모니터링 4차년도 - 개발 기술의 표준화 - 가이드라인 개발 - 시범 사업 모니터링(계속) - 하천 생태통로복원 가이드라인의 제작 및 보급 - 시범사업 모니터링 결과의 D/B 구축 - 3 -

9 2. 3차년도 연구 성과 대표적인 하천횡단 구조물인 보 철거를 통한 하천생태통로 복원을 위해서는 철 거에 의한 하상변동, 하천형태 변화 등 물리적 영향; 수질 변화, 오염된 저니 이송 퇴적 등 화학적 영향; 생태 서식처 변화 등 생태적 영향 등을 면밀히 검토하고 그 에 관련된 기술이 개발되어야 할 것이다. 전체 연구의 3차년도에 해당하는 본 연구 의 주요 성과는 다음과 같다. 2-1 보 철거에 따른 예측기법 개발 (1) 오염저니 이송 예측 기법 보 철거에 따른 단기적 수질 영향을 분석하기 위해서는 비정상 수질모형이 요 구된다. 본 연구에서는 이러한 기능을 가진 대표적 공용모형인 CE-QUAL-RIV1 모형과 같은 수치기법을 기반으로 하는 계산모형을 수립하였다. 물질간의 상호 반 응은 고려하지 않되, 물질자체의 감쇠는 고려할 수 있도록 1차 감쇠항을 포함하였 다. (2) 보 철거 후 하천생물서식처 변화예측 정체수역이던 보 상류 어류군집의 균등도가 보하류의 어류보다 현저하게 낮았 으나 공사 후 점차 높아져 기존의 보가 위치하던 상 하류의 뚜렷한 구분이 점차 줄 어드는 것을 볼 수 있었다. 이는 하천의 상 하류의 간 수계가 자연스럽게 이어져 비록 보에 의해 막혀 있던 보 상류의 수량은 줄어들었으나 보 철거 전에는 하류에 서 확인되지 않던 돌고기, 버들매치, 왜매치가 보 철거 후에는 상류, 하류에서 모두 확인됨으로 인하여 하천을 통한 어류의 종적 생태통로가 형성된 것으로 생각된다. 2-2 보 철거 시범사업(중형 보) (1) 철거 대상 보의 선정 보로서 기능을 상실하였고 경관, 수질, 수생 생태계 등에 악영향을 준다고 판단 되어 보 관리자인 고양시와 협의하여 곡릉천 곡릉2보를 철거하였다. (2) 보 철거 방법 및 철거 후 유지관리 보를 철거하기 위하여 먼저 고양시의 협조를 얻어 기능을 상실하였다고 판단되 는 보의 추천을 받았으며, 그 후 기능을 상실하였지만 보 상하류부 정체수역을 놀 이공간으로 이용하고 있는 지역주민들에게 보를 철거토록 주민설명회를 포함한 보 - 4 -

10 철거 의사결정을 취합하여 기능을 상실한 보를 철거하였다. 보 철거 후에는 주변 제방보호를 위하여 추가로 돌망태로 제방을 강화시킴으로써 지역주민이 홍수 시에 도 안심할 수 있도록 하였다. 이와 더불어 보 철거 후에도 지속적인 물리/화학/생태 적 모니터링을 수행함으로써 시범사업 대상지를 관리하였다. (3) 보 철거 시범사업(대형보)의 선정 중형보 철거에서 얻어진 경험을 바탕으로 중형보보다 큰 대규모보(높이 2m 이 상, 길이 100m 내외)를 대상으로 하였다. 이러한 대규모의 보는 하천생태의 이동에 지대한 영향을 미치며, 더욱이 도심부에 위치한 보의 경우는 수질악화의 주범으로 까지 인식되어 있다. 따라서 본 연구에서는 현재 고양시 곡릉천에 위치한 취수보(높 이 약 3m, 길이 약 80m)와 전주시 전주천 덕진보(높이 약 3m, 길이 약 88m)를 대상 으로 하여 철거 시범사업을 추진하고 있다. 2-3 보 철거에 의한 물리/화학/생태 영향 분석 (1) 물리적 영향 분석 보 철거에 의한 물리적 영향을 분석하기 국내 보 현황 및 미국의 보 철거 사례 를 조사하였으며, 보 철거에 의한 하상변동을 예측하기 위한 적절한 수치모형을 제 시하였다. HEC-6, GSTARS 등 1차원 하상변동 예측모형을 이용하여 안양천 철거 대 상 보 구간에 시범적용 결과 철거에 의한 하상변동은 상대적으로 크지 않을 것으로 잠정 추정되었다. (2) 화학적(수질) 영향 분석 보 철거에 의한 화학적 영향을 분석하기 위하여 철거대상 보에서 철거 전과 철 거후의 상하류의 수질 측정을 하였다. 그 결과 환경요인 중 SS, BOD영향 동이 다 른 변동에 비하여 증감양상이 뚜렷하였고, 특히, 보 철거 전보다 보 철거 후에 보 상하류의 수질향상이 큰 것으로 나타났다. (3) 생태적 영향 분석 하천 환경과 보의 특성에 따라서 하천생태계에 미치는 보 영향이 다르게 나타 났다. 따라서 보 철거 또는 개량에 대한 의사결정 과정에서 생태계 구조와 기능에 대한 영향 평가를 하여야 할 것으로 사료된다. - 식물 보 철거 후인 5-11월에 출현한 식물 종수는 철거 전에 비하여 보 상류 및 하 - 5 -

11 류에서는 크게 증가하였으나 대조구간에서는 큰 차이가 없었다. 이러한 이유는 보 철거전의 조사시기가 3월말로 제한되어서 출현종수가 적었기 때문이라고 생각된다. 또한 보 철거에 따라서 보 상류의 저류부가 노출되어 새로운 식물이 이곳에 정착할 수 있으며 하류에서는 보 철거에 따른 유사의 이동에 의한 교란으로 새로운 식물이 출현하였기 때문이라고 생각된다. - 저서동물 서식기능군은 철거 이전에는 상류지역에서는 굴파는무리(burrowers)가 대부분 을 차지하였고 하류에는 굴파는무리 붙는무리가 대부분을 차지하였으며 기는무리 (sprawlers)와 헤엄치는무리(swimmers)가 일부 나타났다. 보 철거 이후에는 상류 지점과 하류 지점 모두에서 하루살이류와 같은 헤엄치는무리가 철거전에 비해 매우 증가하였으며 전반적으로 서식기능군이 다양하게 변화하였다 - 어류 보를 제거하기 전, 보 상류에 위치한 소의 수심이 깊었으나 보 제거 후에는 수 심이 1m 가량 얕아졌다. 이를 통하여 하천의 상 하류의 간 수계가 자연스럽게 이 어져 비록 보에 의해 막혀 있던 보 상류의 수량은 줄어들었으나 하천을 통한 어류 의 종적 생태통로의 형성이 이루어져 보 철거 전에는 하류에서 확인되지 않던 돌고 기, 버들매치, 왜매치가 보 철거 후에는 상류, 하류에서 모두 확인되어 어류의 이동 이 원활하게 이루어지고 있음을 알 수 있었다

12 Ⅱ. 보 철거에 따른 예측기법 개발 1. 오염저니 이송예측 기법 보 상류에 퇴적된 오니에 포함된 오염원이 보 철거에 의하여 하류로 이송됨에 따라 하류하천의 수질에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 이러한 영향을 정량적으로 평가 내지는 예측할 수 있는 수단이 필요하다. 이러한 수단의 하나가 하천 수질모 형으로서 물의 흐름, 오염원의 확산 및 반응 등 관련된 물리적, 화학적, 생물학적인 현상들을 수학적으로 나타내고, 이에 따른 계산을 수행하여 수질을 모의하게 된다. 본 연구에서는 기존의 하천 수질모형들을 조사, 검토하고, 오니로부터 유출되는 오 염원에 따른 수질 모의를 위한 계산모형을 수립하였다. 1-1 하천 수질모형의 검토 하천수질오염 문제로서 생활하수, 공장폐수, 축산폐수 등 평상시의 지속적인 오 염원의 발생에 의한 것과 사고 등으로 인한 독성물질 등의 일시적 방류에 따른 것 이 있다. 평상시에는 유역 내 점오염원 및 비점 오염원과 하천의 수질관리가 공학 적인 관심의 대상인 반면, 수질사고 시에는 사고지점 하류에서의 가능한 피해상황 을 정확하고 신속하게 예측함으로써 그에 대한 대책을 수집하는 것이 긴요한 문제 가 된다. 통상 수질관리라 하면 전자의 경우를 일컫는 것이며, 후자의 경우는 재난 또는 재해관리의 측면이 크다. 수질오염 문제의 성격에 따라 적용되는 수질모형의 특성 또한 크게 달라진다. 일반적으로 수질모형은 흐름의 계산을 위한 흐름모형, 오염원의 물리적 확산을 계 산하는 확산모형 및 수질 요소간의 상호작용을 모의하기 위한 반응모형 등 3개 부 모형으로 구성된다. 흐름계산 모형은 관심의 대상이 되는 수질문제에 성격에 관계 없이, 수질계산에 앞서서 선행되어야 하는 필수적인 요소이다. 장기적인 하천 수질 문제에서 관심의 대상이 되는 것은 주로 BOD, COD, DO, 질소 순환요소 및 인 순 환요소 등 전형적인 수질항목들로서, 이 경우의 수질모형은 이들 수질항목의 종류 와 그들의 상호반응을 나타내는 반응모형의 구조 및 그에 따른 반응계수의 값들이 수질모형을 결정하는 중요한 요소라 할 수 있다. 이 경우 관심이 되는 수질변동의 시간 단위는 비교적 커서 월별, 계절별 또는 연별 수질을 정상상태로 모의하게 되 며, 따라서 종확산, 즉 전단류 확산이 차지하는 비중은 거의 없게 된다. 즉, 장기 수질 모형의 경우에는 흐름모형과 함께 반응모형이 중요한 부분을 차지하는 반면 확산모형의 비중은 상대적으로 적다

13 반면에 우발적인 사고 등으로 단시간에 배출된 오염원에 따른 하천수질의 계산 모형에 있어서는 물리적 확산에 의해서 시간에 따라 급격히 변화하는 비정상 농도 의 계산이 요구되므로 확산모형이 매우 중요한 부분을 차지하게 된다. 한편 이 때 의 오염원은 평시에는 하천으로의 방류가 전혀 허용되지 않거나, 그 허용농도가 극 소치인 주로 독성물질 등의 단일 오염물질이며, 따라서 서로 다른 오염 물질간의 반응 등을 모의하기 위한 반응모형은 대개 중요한 요소가 되지 않는다. 표 2-1은 현재 널리 사용되고 있는 하천수질 모형들을 비교하여 나타내고 있 다. QUAL2E(Brown과 Barnwell, 1987)와 SMPTOX3는 정상(steady-state) 수질모형으 로서 평균적인 수질을 모의하는데 사용된다. 반면에 HSPF(Bicknell 등, 1993), CE-QUAL-RIV1(WES, 1990), SALMONQ 및 MIKE11은 보다 일반적인 수질모형들로서 동적 모의(dynamic simulation)가 가능하다. 즉, 하천으로 유입되는 오염부하량이 시 간에 따라 변화는 경우 및 감조 하천(tidal river)에서와 같이 흐름이 시간에 따라 변 화하는 경우 등에 관하여 이에 따른 수질의 시간변화를 모의할 수 있다. 특히 CE-QUAL-RIV1은 시간에 따라 급격히 변화하는 비정상 수질을 정확하게 계산할 수 있는 모형으로서 수질사고 등에 따른 모의계산에 적합한 모형이다. 앞에서도 언급 한 바와 같이 하천수질의 모의를 위해서는 흐름조건이 주어져야 한다. QUAL2E와 SMPTOX3의 경우에는 흐름조건이 입력자료로서 주어져야 하는데 반하여, 나머지 모형들은 흐름계산 모형을 내포하고 있어서 수질계산에 앞서 흐름계산을 모형 내부 에서 수행한다. 특히 HSPF와 MIKE11의 경우에는 흐름 자료를 입력하든지 또는 내 부에서 계산할 지를 선택하여 사용할 수 있는 융통성이 있다. 물질수송, 즉 물리적 인 이송확산의 모의에 있어서 모든 모형이 물질이송을 모의할 수 있다. HSPF를 제 외하고는 모든 모형이 종확산, 즉 전단류 확산을 모의할 수 있으나, QUAL2E와 SMPTOX3는 정상 수질모형이기 때문에 사실상 별 의미가 없으며, QUAL2E의 경우 순간적으로 부하된 오염원에 대한 비정상 확산을 계산할 수는 있으나 수치분산이 이에 관한 수치모형으로서 심한 기법을 사용하고 있으므로 이러한 용도로 사용하는 것은 매우 부적절하다. 오염부하량의 경우 QUAL2E와 SMPTOX3를 제외한 나머지 모형들은 정상 또는 비정상 오염부하량에 대한 계산이 모두 가능하다. 특히 HSPF 와 MIKE11은 종합적인 수질모형으로서 유역오염부하량을 모형 내부에서 계산할 수 도 있다. CE-QUAL-RIV1을 제외한 대부분의 모형이 전처리 또는 후처리 과정을 담당하는 모듈을 갖추고 있다

14 (표 2-1) 하천 수질모형의 비교(Ambrose 등, 1996) 계산모형 QUAL2E SMPTOX3 HSPF CE-QUAL-RI V1 SALMONQ MIKE11 정상 및 정상 Y Y N N N N 동적 모의 동적 N N Y Y Y Y 입력 Y Y Y N N Y 흐름 모의 N N Y Y Y Y 흐름조절구 조물 N N Y Y Y Y 이송 Y Y Y Y Y Y 물질수송 종확산 Y Y N Y Y Y 저면교환 N Y Y N Y Y 오염 부하량 전 후처리 입력(정상) Y Y Y Y Y Y 입력(가변) N N Y Y Y Y 모의 N N Y N Y Y 전처리 Y Y N N Y Y 후처리 Y Y Y N Y Y 개발 기관 EPA EPA EPA WES HR Wallingfor d DHI 장기적인 수질변화를 모의하기 위한 계산모형에 관한 연구는 국내외적으로 매 우 활발히 수행되어 왔으나, 단기간의 급격한 수질변동을 모의하기 위한 계산모형 에 관한 연구는 많지 않은데, 이는 우발적인 수질사고가 자주 발생하는 것이 아니 므로 그 활용성이 상대적으로 적기 때문이기도 하지만 시간에 따라 급격히 변화하 는 비정상 수질을 정확히 계산하기 위해서는 정교한 확산모형이 요구되기 때문이기 도 하다. 하천에서의 종확산을 정확히 모의하기 위해서는 수치진동이나 수치분산 을 최소화할 수 있도록 1차원 종분산 방정식에 대한 적절한 수치모형이 요구된다. 이러한 계산모형으로서 보존성 오염물질의 종분산 계산을 위한 단계분리 또는 연산 - 9 -

15 자 분리 유한차분 기법들이 Holly와 Preissmann (1977) 및 Holly와 Usseglio-Polatera (1984) 등에 의하여 개발된 바 있다. 이를 비보존성 오염물질의 종확산 계산에 적 용할 수 있도록 확장한 계산모형이 비정상 수질모형인 CE-QUAL-RIV1이다. 보 철거에 따른 단기적 수질 영향을 분석하기 위해서는 비정상 수질모형이 요 구된다. 본 연구에서는 이러한 기능을 가진 대표적 공용모형인 CE-QUAL-RIV1 모 형과 같은 수치기법을 기반으로 하는 계산모형을 수립하였다. 물질간의 상호 반응 은 고려하지 않되, 물질자체의 감쇠는 고려할 수 있도록 1차 감쇠항을 포함하였다. 국소적 해석해를 도입하여 감쇠항에 대한 계산 방법을 개선하였다. 1-2 계산모형 (1) 지배방정식 1차원 수로에서 흐름면적에 대하여 완전 혼합된 비보존성 오염물질에 관한 종 분산 방정식는 다음과 같다. (AC) t + (UAC) x = x [ DA C x ]-kc (1.1) 여기서 U는 단면평균 유속, D는 종분산계수, C는 오염물질의 농도이며 k는 생 화학적 반응에 의한 감쇠계수(decay coefficient)이다. 식 (2.1)의 우변 제 2항 - kc는 비보존성 물질에 관한 감쇠항으로서 선형감쇠를 가정한 것이다. 식 (2.1) 의 각 미분항을 전개하고 수로 흐름에 관한 연속방정식 (2.4)를 적용하여 다시 쓰 면 다음과 같다. C t + u C x = D 2 C x 2 -kc (1.2) 여기서 (1.3) u = U - [ D x + D A A x ]

16 식 (1.2)는 U가 영이면 포물선형의(parabolic), D가 영이면 쌍곡선형의 (hyperbolic) 편미분 방정식이 된다. 식 (1.2)에는 포물선성과 쌍곡선성이 동시에 내재되어 있는데 이들 방정식이 갖는 물리적, 수학적 성질 및 그에 따른 적합한 수 치해법 또한 다르므로, 각 항을 별도로 취급하여 해를 구하려는 것이 연산자 분리 에 의한 접근방법이다. 즉, 식 (1.2)를 이송, 감쇠 및 종분산에 관한 방정식인 다 음식 (1.4), (1.5) 및 (1.6)으로 각각 분리하고, 이들 각각에 적합한 수치기법을 각 각 1/3시간 간격에 대하여 적용하여 순차적으로 계산하게 된다. C t + 3u C x = 0, n Δt t (n ) Δt (1.4) (1.5) C t C t = -3kC, (n ) Δt t (n ) Δt = 3D 2 C x 2, (n ) Δt t (n +1)Δt (1.6) 여기서 및 는 시간준위 n과 n+1 사이에서의 와 의 평균치를 각각 나타낸 다. 즉 이송, 감쇠 및 분산과정이 각각 1/3 시간간격에 대해서만 일어나는 것으로 하되, 이들 과정의 강도를 각각 실제의 세배로 함으로써, 결국 전체 시간간격(one time step)에 대해서는 실제와 같은 이송, 감쇠 및 분산이 일어나도록 하는 결과가 된다. 그림 2-1은 이러한 연산자 분리에 의한 계산과정을 나타내는 모식도이다. 시간준위(time level) n, 공간 격자점 i에서의 농도를 C n 이라 하였을때, 이들 기지 i 값으로부터 식 (1.4)에 대한 수치해법에 의하여, 즉 이송만이 일어난다고 가정할 경우에 대하여 계산된, Δt/3 시간 후의 농도값이 C n +1/3 i 이다. 이를 기지값으로 하 여 식 (1.5)를 Δt/3 시간간격에 대하여 풀어서 구한 농도값이 C n +2/3 이며, 이로부 i 터 종분산방정식 (1.6)을 역시 Δt/3 시간간격에 대하여 풀풀어 계산된 결과가 로서 다음 시간준위 (n+1)에서의 농도값이 된다. 본 연구에서는 이송에 관한 방정식 (1.4)에 대해서는 특성곡선을 고려한 수치기법인, Holly-Preissmann 기법

17 을, 감쇠에 관한 방정식 (1.5)에 대해서는 양해법을, 분산에 관한 방정식 (1.6)에 대해서는 Crank-Nicholson 기법을 각각 사용하여 연산자 분리에 의한 계산을 수행 하였다. t i-1 i i+1 Δ x rδ x Δt/3 ζ n+1 n+2/3 n+1/3 n (그림 2-1) 종분산 계산모형에 관한 모식도 x (2) 이송방정식에 대한 수치해법 이송방정식 (1.4)는 다음과 같이 쓸 수 있으며, 특성곡선 (dx/dt =3u )을 따라 서 농도가 일정하다는 의미를 갖는다. dc dt = 0, along the characteristic line dx dt =3u (1.7) 이를 차분식의 형태로 나타내면 다음과 같다. (1.8) C n +1/3 i = C n ξ

18 여기서 (ξ,n)은 격자점 (i,n+1/3)을 지나는 특성곡선의 시간준위 n에서의 위치로서 다음식과 같이 나타낼 수 있다(그림 2-1 참조). (1.9) ξ = i -r 여기서 r은 다음과 같이 정의되는 Courant수이다. (1.10) 시간준위 n과 (n+1) 간에서의 u의 평균치는 다음과 같다. (1.11) u = 1 2 ( u n +1 i + u n ζ ) 여기서 은 과 으로부터 선형보간하여 구하면 다음과 같다. (1.12a) (1.12b) 식 (1.12b)를 (1.11)에 대입하여, u에 대하여 풀면 다음과 같다. (1.13)

19 식 (1.13)을 식 (1.10)에 대입하면 r이 결정된다. 의 값은 격자점 (i-1,n)과 (i,n)에서의 값들로부터 보간하여 구할 수 있는 데, fouth-order Holly-Preissmann 기법의 경우, 다음과 같은 3차의 Hermite 보간 다항식을 사용한다. (1.14) 보간다항식 (1.14)는 4개의 계수를 갖는데 이들은 (i-1, n) 및 (i, n)에서의 농도 ( C) 및 농도의 공간 1계에 미분값( Cx)들로써 나타낼 수 있다. 즉 을 구하면 다음과 같다. 및 의 조건으로부터 계수값들 (1.15) (1.16) (1.17) (1.18) 이들 계수값을 식(1.14)에 대입하여 다시 정리하면 다음과 같이 쓸 수 있다. (1.19) 여기서

20 (1.20) (1.21) (1.22) (1.23) 결국 식 (1.19)의 적용을 위해서는 각 격자점에서의 C값뿐만 아니라 Cx값이 주어져야 하는데, 이에 대해서는 뒤에서 기술하기로 한다. (3) 감쇠방정식에 대한 수치해법 비보존성 물질의 감쇠의 수치해법으로는 국소적 해석해(local analytic solution) 을 사용하였다. 즉 시간준위 (n+1/3)δt에서의 농도가 C n+1/3 이므로, 이를 감쇠과 i 정의 초기조건으로하여 식 (1.5)의 해를 국소적으로 구할 수 있으며, 이로부터 (n+2/3)δt에서는 농도 C n+2/3 을 구하면 다음과 같이 된다. i (1.24) (4) 분산방정식에 대한 수치기법 분산방정식 (1.6)에 대한 수치기법으로는 포물선형 방정식에 대한 수치기법으로 서 널리 사용되고 있는 다음과 같은 Crank-Nicholson 기법을 사용하였다. (1.25) 여기서 C n + 2/3 은 이송방정식에 대한 계산결과로서 주어지는 기지값이므로 식 i

21 (1.25)는 상류 및 하류의 경계조건과 함께 시간준위 (n+1)에서의 각 격자점 농도 값들을 미지수로 하는 선형 시스템을 이룬다. 또한 이 선형 시스템,에 대한 계수행 렬은 삼중대각 행렬을 이루어 Thomas algorithm을 이용하여 해를 구할 수 있다. 분산 방정식을 풀기 위해서는 상류단(i=0) 및 하류단(i=Imax) 경계조건을 필요로 한다. 이송 및 감쇠과정이 종료된 후에도 상류단의 농도조건에는 변화가 없으므로 상류단 경계조건은 이송방정식에서와 마찬가지의 조건을 부과하면 되나, 하류단에 서는 이송에 따른 농도변화가 있으므로 이송 및 감쇠방정식에 대한 계산결과를 이 용하여 다음과 같이 경계조건을 각각 주도록 하였다. (1.26) C n +1 Imax = C n + 2/3 Imax (5) 농도 경사 Cx의 계산 앞에서 기술된 바와 같이 fourth-order Holly-Preissmann 기법의 적용을 위해서 는 각 격자점에서의 농도 1계 미분치 Cx의 값들이 계산되어야 한다. 농도 C에 대 한 지배방정식 (1.2)를 x에 관하여 미분하면 Cx에 관한 방정식 다음식 (1.27)을 얻게 된다. (1.27) 여기서 (1.28) (1.29) Cx에 관한 지배장정식 (1.27)은 결국 C 에 관한 지배방정식 (1.2)와 동일한

22 형태를 가지며, 따라서 동일한 수치기법을 적용하여 해를 구할 수 있다. 식 (1.27) 을 C 에 관한 지배방정식인 식 (1.2)의 경우와 마찬가지로 시간 분리하면 다음식 (1.30)-(1.32)와 같이 된다. (1.30) (1.31) (1.32) 따라서 이송방정식 (1.30)의 해는 다음과 같이 쓸 수 있다. (1.33) Cx n +1/3 i = Cx n ζ * 여기서 (1.34) (1.35) (1.36) Cx n ζ * 의 값은 다음의 관계식을 이용하여

23 (1.37) 식 (1.19)로부터 다음과 같이 유도된다. (1.38) 이를 다시 정리하면 다음과 같이 된다. (1.39) 여기서 (1.40) (1.41) (1.42) (1.43) 시간준위 (n+2/3)에서의 Cx값은 다음식 (1.44)로부터 계산된다 (1.44) Cx에 대한 분산방정식 (1.32)의 해법은 에 대한 분산방정식 (1.6)의 해법과

24 동일하다. (6) 종분산계수 종분산계수는 흐름에 따라 결정되는 수리학적 매개변수로서, 간단하게는 원형 관수로 흐름(Taylor, 1954) 및 광폭 개수로 흐름(Elder, 1959)에 관한 해석적 연구로 부터 불규칙한 자연하천에 이르기까지 종확산계수를 하천 단면의 형태특성 및 흐름 과 관련된 변수들의 함수로서 나타내기 위한 많은 연구가 수행되어, 이 결과로 종 확산계수에 관한 많은 경험식들이 개발되어 왔다. 본 모형에서는 이들 식 중 McQuivey와 Keefer(1974), Liu(1977), Iwasa와 Aya(1991) 및 Seo와 Cheong(1998)에 의하여 각각 제안된 식 (1.45)-(1.48)을 선택적으로 적용하여 각 단면에서의 종확산 계수를 산정할 수 있도록 하였다. (1.45) (1.46) (1.47) (1.48) 여기서 d는 수심, W는 하폭, S는 하상경사이고, U * 는 전단속도로서, 이들 변수들의 값은 흐름계산 결과로부터 주어져야 한다. 1-3 모형의 검증 수립된 모형을 가상의 정상 및 비정상 확산 문제에 적용하여, 물리적으로 타당 한 결과들이 잘 재현되는지 및 해석해와 근사한 결과를 나타내는지 확인함으로써 모형의 검증을 수행하였다

25 (1) 정상 오염원의 거동 모의 상류단에서 일정한 농도로 지속적으로 유입되는 오염물질의 거동을 모의하기 위한 수치실험을 수행하였다. 수리학적 경계조건은 상류단으로부터 m까지는 유량이 200 m3/s, 통수단면적이 400 m2이며 하폭은 50 m이다. 또한 m부터 m까지는 유량이 200 m3/s, 흐름단면적은 300 m2이며 하폭은 100 m이다. 모 형의 공간격자 간격은 100 m이며 시간증분은 10초, 하도길이는 m이고 상류 단 유입농도는 0.2 g/m3 이다. 종분산계수는 McQuivey와 Keefer 식(1974)을 이용하 였다. 계산결과는 그림 2-2에 나타내었다. 시간이 지남에 따라 하류구간의 농도값이 상류단 농도와 같아지는 것을 볼 수 있으며, 수렴속도는 유속과 거의 일치하는 것 을 볼 수 있었다. 24시간 후에는 전 구간의 농도가 상류단의 유입농도와 같게 나 타나고 있다. (2) 순간 주입 오염원의 거동 모의 시각 t=0에서 단위 흐름면적당 질량 M이 x=0에서 순간적으로 방류되었을 경우 농도분포의 시간변화는 다음과 같다(Fischer 등, 1979). (1.49) C( x,t)= M 4πDt exp [- ( x - Ut) 2 4Dt ] 위의 식에서 t= 초일 때의 농도분포를 초기 조건으로 하여, 이로부터 1440초(6시간)후 와 2880초(12시간)후까지 계산을 수행하였다. 유속 U=1.0 m/s, M= kg/m2, 종확산계수는 100 m2/sec 이다. 시간증분은 10초, 공간증분은 100 m, 따라서 Courant 수는 0.1이다. 그림 2-3은 정확해와 수치해의 결과을 비교한 그림으로서 매우 정확히 모의함을 알 수 있다

26 0.40 conc.(g/m ) hour hour 18 hour 24 hour upstream from distance(m) (그림 2-2) 정상 오염원에 대한 모의계산 결과 conc.(kg/m3) hour computed 12 hour computed 6 hour analytic solution 12 hour anayltic solution upstream from distance(m) (그림 2-3) 순간 주입 오염원에 대한 모의계산 결과

27 2. 보 철거 후 하천 생물서식처 변화 예측 2-1 연구 현황 및 필요성 기능이 상실한 보를 하천에서 철거하게 되면 하천의 수문, 서식지, 유사 이송, 하천통로 연결성, 하천생태계 구조 등에 변화가 나타난다(Poff et al., 1997). 보 철 거 후의 생태계 변화에 대한 연구는 많지 않은데, 어류 생태통로의 연결과 유사 이 송에 대한 연구가 가장 많으며 물 흐름 변화, 수질 개선, 생물다양성 증대, 오염물 의 배출, 고유종의 증가, 정수성생물종의 감소, 수온 변화, 서식 환경의 개선 등에 대하여 일부 조사되었다(Bednarek 2001). 미국에서 보(small dam) 철거에 대한 최근 연구의 관심사를 살펴보면 다음과 같이 요약할 수 있다(Doyle et al. 2005). 1 보의 지형적, 생태적 영향에 이해가 매우 부족한 상태이다. 2 하천에 축조된 보가 매우 많으며 이들이 구조적, 기능적으로 매우 다양하다. 3 대규모 댐에 대한 철거에는 논쟁이 많지만 소규모 보의 철거는 많이 이루어 지고 있다. 4 소규모 보의 영향과 이들의 철거에 따른 영향이 크지 않을 것이라는 보편화 된 의견이 최근 연구에 의하면 틀릴 수 있다. 보 철거에 대한 의사 결정과 철거 방법과 사업 후 합리적인 관리를 위하여 반 드시 보 철거 후 생태계 변동을 예측하여야 한다. 그러므로 본 연구에서는 보 철거 가 하천 생태계에 미치는 영향을 추적하여 그 변화를 예측하고자 하였다. 특히 우 리나라에서는 대상 하천의 수질이 악화되어 있고 서식처의 인위적 환경 교란이 심 한 상태인 것을 감안하여 볼 때 자연하천에서 예측할 수 있는 일반적인 상황보다 매우 다른 결과를 가져올 수 있다. 특히 도시 하천에서 댐 철거 이후의 생물군집 변동은 댐의 철거 영향뿐만 아니라 다른 요인인 수질 및 서식처 환경변화에 영향을 받을 가능성이 항상 존재한다. 본 연구에서 제시하는 예측 모델은 외국, 특히 미국의 연구 조사 사례를 수집 하여 정리하였고, 지난 3년간 본 연구 사업의 조사 대상지로 선정하였던 다양한 보 의 상 하류 및 대조지점에서 조사한 현장 자료와 2006년 4월에 철거한 곡릉2보에서 모니터링 자료를 근거로 작성하여 제시하였으며, 여기에 연구자의 야외조사 경험을 근거로 하여 수정, 보완하였다

28 2-2 보 철거 후 생물 환경의 변화 외국에서 많은 보가 철거되었지만 철거 후 하도 변화에 대한 정보는 많지 않은 상태이다(Pohl 2002, Doyle 2005). 일반적으로 보가 조성되면 상류에서는 유사가 축 적되고 하류에서는 하상이 저하되는 것으로 알려져 있기 때문에, 반대로 보가 철거 되면 이러한 지형변화가 반대로 일어날 것으로 단순하게 예상할 수 있다. 즉 보 철 거 후 보 상류에 축적된 유사가 하류로 이송되고 이에 따라 하류에서는 충적이 일 어날 것이라고 생각할 수 있다. 결국 보 철거 후의 지형적인 변화는 보 저류지의 축적된 유사의 양과 이것을 조절하는 하천계의 능력에 의하여 지배를 받는다. Doyle 등(2002)은 소규모의 보를 철거한 후에 일어나는 하천 지형의 변화를 연 속되는 6 단계로 구분하였다(그림 2-1). 결국 보 철거 후에 발생하는 상류의 세굴과 이에 따른 하류의 퇴적은 생태계 과정에 큰 영향을 미치게 된다. A. 제1단계: 철거 전 D. 제4단계: 하상 저하와 확대 B. 제2단계: 수위 저하 E. 제5단계: 충적과 확대 C. 제3단계: 하상 저하 F. 제6단계: 준평형 상태 (그림 2-1) 보 철거 후 보 상류 저류지에서의 하도 변화의 개념 모 형(Doyle et al. 2003)

29 보 철거에 따른 또 하나의 중요한 환경 변화는 수리수문 조건의 변화이다. 보 에 의하여 제한 또는 조절되었던 수리수문적 특성이 보 철거에 따라서 자연적인 하 천의 수리수문적 특성으로 되돌아간다. 결국 보에 의하여 초래되었던 상류에서의 저류지 특성과 하류에서의 수문 변동의 축소 특성이 보 철거에 따라서 사라지게 된 다. 보 철거에 의하여 단기적 변화로는 보 철거 후에 유사의 이동에 의하여 일반적 으로 보 상류의 퇴적물과 유사가 이송되어 보 하류에 쌓이게 된다. 또한 이 과정에 서 하상의 입경 특성에 변하게 된다. 한편 보 철거에 따라서 저토의 오염물질이 이 송되면서 수질 변화를 초래할 수 있다. 2-3 보 철거 후 종합적 생태계의 변화 보철거의 생태적 영향은 긍정적인 면과 부정적인 면이 있을 수 있다<표 2-1>. 특히 보 철거 후 단기적으로는 교란에 의하여 생태계에 부정적인 영향이 가해질 수 있다. 장기적인 측면에서는 생태계 복원이라는 관점에서 보 철거의 긍정적인 영향 이 강조된다. 보 철거의 생태적 영향은 시간, 공간에 따라서 차이가 나타난다<그림 2-2>. 보 철거의 영향은 보 철거 시 철거에 따른 직접적이고 단기적인 것과 보에 의하여 초래된 영향이 제거되면서 나타나는 장기적 변화를 포함하고 있다. 공간적 으로는 보에 의하여 형성된 저류지, 그것의 상류, 보의 하류에서 나타나는 보 철거 의 영향이 다르다

30 (표 2-1) 보 철거의 생태적 영향 보 철거 후 변화 유형 자연적 물 흐름의 회복 저수지에서 하천생태계로 의 전환 수온과 용존산소의 변화 유사의 방출과 이송 생물의 이동 긍정적 영향 부정적 영향 자연적 물 흐름 변동의 증가 하천변 습지의 복원 하안 식생의 회복 생물다양성 및 개체군 밀도의 증가 고유종, 고유생태계의 재생 저류지 성층화의 파괴로 용존 산소 증가 저수온 선호 고유어종의 증가 Thermal block의 제거 유사 부족, 제방 세굴, 하도 절개의 해소 서식처의 복원(특히 큰 입자의 하상 조성) 회유성 어류의 이동 비회유성 생물의 서식처 질 향상 단편화된 개체군의 연결 정수역의 감소 저류지 선호 생물의 감소 단기적으로는 일시적인 용존산소의 과포화로 생물에 해작용 단기적으로 일시적인 탁도 증가, 수질 악화 외래종의 유입 증대 독성물질에 오염된 어류의 이동 (그림 2-2) 보 철거에 따른 생태계의 시간 및 공간적인 변화(Hart et al. 2002)

31 2-4 보 철거 후 생물상의 변화 식물 보 철거에 따른 식생의 변화는 물리 환경의 변화와 밀접히 관련되어 있다. 수 체와 주변 육상의 경계에 있는 식생은 수문 구배에 크게 영향을 받는다. 이러한 구 배에 따라서 나타나는 각 지소에서 침수의 기간, 빈도, 시기는 다르다. 이러한 환경 구배에 의하여 환경 내성이 다른 식물종이 대상 분포를 하게 된다. 결국 보가 철거 되면 수문 구배에 변화가 초래되고 이에 따라서 식생의 변화가 일어나게 된다<그림 2-3>. (그림 2-3) 보 철거에 따른 물리적 환경과 식생의 일반적인 변화(Shafroth et al. 2002). 보 철거에 의하여 하안 식물이 정착할 수 있는 2가지 유형의 새로운 나지가 형 성된다(Shaforth et al. 2002)>. 즉 (1) 보의 저수지 혹은 그 상류로부터 이송되는 유 사에 의하여 형성되는 하류의 나지와 (2) 물이 빠져서 드러나는 보 저류지 안의 나 지이다. 보 철거 시 보의 하류에서는 상류로부터 유사가 이송되어 퇴적된 나지가 천이의 초기종인 선구식물에게 새로운 생육지로 제공되며, 경우에 따라서는 기존의 식생이 토사에 매몰되어 고사되는 경우가 있다. 또한 하류의 물 흐름이 변경되어 하천의 자연 식물군집이 재생되어 복원되기도 한다. 한편 철거 보의 상류에서는 수

32 몰되었던 저토가 드러나서 이곳이 선구자 식물의 정착지가 될 수 있다. 나지에 도 입되는 선구자 식물은 성장이 빠르고 종자 생산이 많으며 번식체가 효과적으로 전 파되는 선구 식물이다. 결국 이들 도입 식물은 천이 후기 식물에게 서식지를 넘기 게 된다. 보 철거에 따라서 노출된 나지의 초기 침입식물 종류와 확산정도는 수문, 퇴적 물 조성, 지형에 의하여 좌우된다. 미국에서 보 철거 후 보 상류에 나타나는 나지에 서의 식생 변화를 조사한 결과에 의하면, 이들 대부분의 나지에는 빠르게 식물이 도입되어 나지로 계속 남아 있는 경우는 드물었다(Orr 2002). 이곳에서 보 철거 후 초기에는 화본과, 사초과 및 광엽성 천이초기 초본이 혼재하지만 철거 후 약 30년 이 경과하면 목본 식물이 우점하게 된다. 일반적으로 노출된 나지에서도 환경이 안 정되어 있다면 천이가 진행되는데, 이에 따라서 일년생 초본 -> 다년생 초본 -> 관 목 -> 교목으로 순서로 식생이 바뀌게 된다. 보 철거에 의하여 보 상류에서는 노출된 하상에서 천이가 진행될 뿐만 아니라 잔존하는 수생역에서도 식생의 변화가 초래된다. 즉 보 철거에 의하여 정수 생태계 에서 유수 생태계로 변화함에 따라서 수생식물의 대폭 감소하거나 사라진다. 미국의 과거 약 50년간 철거된 30개 댐에서 식생 변화를 추적한 결과, 댐 철거 후 시간이 경과함에 따라서 식물종수의 증가하였다(Orr and Stanley, 2006)<그림 2-4>. 또한 수생식물는 시간이 경과함에 따라서 감소하였고 교목은 증가한다. 벼과 및 광엽 초본은 초기에 많았으나 사초, 덩굴식물 및 관목에서는 뚜렷한 변화 양상 이 나타나지 않았다

33 (그림 2-4) 보 철거후 시간 경과에 따른 식물 종수 및 성장형의 변화(Orr and Stanley, 2006). Orr와 Stanley(2006)는 보 철거에 따른 식생의 변화 유형을 다음과 같이 3가지 로 분류하였다

34 1 예측 가능형(predictable pattern): 보 철거 후 천이 초기종에서 천이 후기종으로 천이가 일어나므로 일반적으로 자생식물이 정착한다. 2 지소 특이형(site-specific pattern): 보 철거 장소의 면적, 저토의 입자 크기, 영양 소 가용도, 수분 가용성 등의 변화가 큰 영향을 미친다. 3 정지형(arrested pattern): 보 철거에 의하여 나타난 영양소가 척박한 대규모의 식생이 없는 나지에 일단 침해식물이 들어오면 오랜 시간동안 유지되고 이들이 천 이를 방해한다. 일반적으로 보 철거에 따른 식물 종조성의 변화는 지소 특이적이어서 일반화하기 어렵다(Orr and Stanley, 2006). 보 철거 후에 외래 침입 식물(invasive plant)의 정착 에 용이하기 때문에 일단 이들이 침입하면 이들의 왕성하게 확장한다(Hood and Naiman, 2000). 본 연구 사업으로 2006년 4월에 철거한 곡릉2보에서 모니터링의 결과로부터 유 추한 보철거의 따른 식생의 변화를 정리하면 다음과 같다. 1 보 철거 후 상류에서는 말즘, 검정말의 침수식물이 쇠퇴하여 정수 생태계에서 유수 생태계로 전환되었다. 2 보 상류의 과거 저류지 부분에 물이 빠지면서 물 밖으로 들어난 하상이 새로운 식물의 생육지가 되었으나 초기에는 주로 일년생의 선구 식물이 침입하였다<표 2-2>. 퇴적토의 특성과 지형의 높이에 따라서 침입하는 식물종에 차이가 있었다. 물 에 가까운 점토, 미사에서는 주로 큰개여뀌, 소리쟁이가, 지형이 다소 높은 모래에 서는 바랭이, 속속이풀이 우점하였고, 모래-자갈에서는 거의 식생이 나타나지 않았 다. 3 보 상류의 노출된 나대지에 침입한 식생도 여름의 홍수 이후에 모두 급류와 유 사 이동으로 파괴되었다. 결국 보 철거 후 초기에는 식생 기반이 되는 지형이 불안 정하여 식생의 변화가 매우 큰 것을 알 수 있었다. 4 보 철거 후 보 하류에서는 보 저류부로부터 토사가 이송되어 기존에 정착하여있 던 달뿌리풀 군집에 퇴적되었으나 달뿌리풀 군집은 이 변화에 내성이 있어서 유지 되었다. 5 보 철거 후 홍수기 이후에 일부 저수로에 자갈-모래 사주가 형성되었다. 이곳에 초기에는 아직 식물이 침입하지 않았으나 곧 식생이 도입될 것으로 예상되었다. 6 보 하류에 존재하였던 애기부들 군집과 같은 유속이 느린 저습지가 보 철거 이

35 후에 사라졌다. (표 2-2) 보 철거 후 노출된 저류지 하상에서의 초기 정착 식생의 구조 출현종 하상 진흙 모래 자갈+모래 전경 피 도 (%) 큰개여뀌 소리쟁이 15 바랭이 속속이풀 문모초 개소시랑개비 미국가막사리 벼룩나물 토끼풀 1 쇠별꽃 좀명아주 황새냉이 쑥 0.5 물칭개나물 2.5 고마리 단풍잎돼지풀 2.5 달맞이꽃 0.5 갈풀 0.5 돼지풀 0.5 명아주 선포아풀 0.5 주름잎 0.5 닭의장풀 0.5 환삼덩굴 0.5 이상의 결과를 종합하여 우리나라의 제방이 축조된 일반 하천에서 보가 철거될 경우 일어날 식생의 변화를 예측하면 <표 2-3>와 같다. 인공 제방 축조되고 복단면 으로 하천 정비가 이루어진 우리나라 일반 하천에서는 일반적인 규모의 보 철거에 의한 식생의 변화는 매우 제한적으로 일어날 것으로 예상된다. 보 철거에 의하여 보 상류에서는 노출된 저류부 하상에서 천이초기 선구식물로부터 천이가 진행될 것 으로 예상되나 환경의 안정화 정도에 따라서 천이의 진행이 제한 될 것으로 에상된

36 다. 보 하류에서는 보 상류에 비하여 지형 변화에 따른 식생의 변화가 크지 않을 것으로 예상된다. <표 2-3> 보 철거 후 예상되는 식생의 변화 구간 보 상류 저류 지 보 하류 환경 변화 유발 요인 수위 저하 식생 변화 유발 요인 침수되었던 하상 노출 예상되는 식생 변화 지형의 높이에 따라서 다양한 식생 정착 초기 정착 식물: 전형적인 황무지 식물인 외래 식물을 포함한 선구 식물 식생 천이: 일년생 초본 식물(큰개여뀌, 바랭이, 소리쟁이, 명아주, 갈풀 등) -> 다년생 초본 식물 (갈대, 달뿌리풀, 물억새 등) -> 수목(갯버들, 선버 들, 버드나무, 신나무 등) 교란의 정도에 따라서 중간 천이 계열에서 중 단(일년생 초본 혹은 다년생 초본) 정수역이 유 침수, 부엽, 정수식물 등의 정수성 식물의 쇠퇴 자연적 물 수역으로 변 변이가 심한 수문 환경에 적응된 자연 하천 식 흐름의 회복 화 생의 회복 (갈풀, 달뿌리풀, 갯버들 등) 유사 퇴적 새로운 생육 지 조성 선구 식물의 정착(소리쟁이, 황새냉이, 갈풀 등) 식생 천이 기존 식생의 천이 후기 식물의 쇠퇴 매몰 천이 초기 식물의 번성 범람 시기, 변이가 심한 수문 환경에 적응된 자연 하천 식 자연적 물 강도 및 지생의 회복 흐름의 회복 속 시간의 범람 교란에 의한 생성된 나지에 적응된 버드 변동 나무 등의 식물 도입 저서성 대형무척추동물 규모 댐의 철거 후 가장 큰 서식처의 변화는 정수지역의 유수지역화에 따른 서 식처의 변화를 들 수 있다. 즉, 상대적으로 안정적인 정수지역이 유수지역으로 변모 함에 따라 물의 흐름에 지속적으로 영향을 받은 유수지역의 미소서식처가 더욱 다 양하게 변모하고, 그곳에 서식하는 저서생물상도 더욱 다양하게 변화하는 것이 일 반적인 현상이라 할 수 있다(Ward, 1992). 정수지역의 저서생물상은 대체로 수생식 물이 잘 발달한 연안대에 집중되어 분포하며, 수서곤충 중에서도 잠자리목, 노린재 목, 딱정벌레목 등이 주가 된다. 그러나 연안대의 서식환경이 열악한 정수역에서는 깔따구류 등 소수의 종류만이 분포하므로 매우 낮은 종다양성을 나타낸다. 한편, 유 수지역은 서식처의 다양성이 상대적으로 높고, 용존산소가 풍부하므로 꼬마하루살 이과(Baetidae)와 같은 헤엄치는 무리(swimmers), 납작하루살이과(Heptageniidae)와

37 같은 붙어사는 무리(clingers), 줄날도래과(Hydropsychidae)와 같은 그물치는 무리(net spinners) 등이 풍부하게 서식한다(Ward 1992, Williams and Feltmate 1992, Merritt and Cummins, 1996). 소형 댐의 철거로 정수지역이 유수지역으로 변모하게 된 다른 연구 사례를 살 펴보면 서식처의 다양화로 인한 저서생물의 다양성이 증가한 경우를 볼 수 있으며, 저서생물상이 줄날도래류(Hydropsyche), 납작하루살이류(Epeorus) 등으로 변화한 사 례를 볼 수 있다(Stanley et al. 2002, Thomson et al., 2005). 이러한 경향은 본 조사 의 연구 결과에서도 동일하게 나타난다. (표 2-4) 도시하천에서 보 철거 후의 저서성 대형무척추동물의 변화 (경안천 무 명보 및 곡릉천 곡릉2보의 예) 항목 보철거 전 보철거 후 종수(No. of species) 다양도지수 (Shannon-Wiener function) 우점도지수 (McNaughton's dominance index) 우점종(% No. of individuals) 깔따구류 (Chironomus sp.) 줄날도래류 (Hydropsyche sp.) 하루살이류 (Ephemenidae sp.) ESB(환경부, 2000) GPI(윤, 1995) DSI(배, 2005a) 서식기능군 헤엄치는무리(swimmers) 붙는무리(clingers) (Merritt and Cummins, 굴파는무리(burrowers) 기는무리(sprawlers) 1996) 섭식기능군 (Merritt and Cummins, 1996) 줍는무리 (collector-gatherers) 거르는무리 (collector-filterers) 보 철거 후 하천의 이화학적 환경변화에 따른 저서성 대형무척추동물의 군집은 다음과 같이 변화될 것으로 예측된다<표 2-4>. 특히 보 철거 후의 저서성 대형무척 추동물 군집 변화는 대조하천인 문산천의 검전보 및 철거 사례보인 경안천 및 곡릉 천 자료를 중심으로 비교하여 작성하였다. 이러한 조사 자료를 바탕으로 분석하여 볼 때 보 상류 지점은 유속이 매우 느리고 바닥물질이 모래와 진흙으로 덮여 있으 며 유기물의 오염이 심하여 깔따구류가 우점을 하고 있으며, 이로 인해 종다양도지

38 수는 매우 낮고 우점도지수는 매우 높은 편이었다. 그러나 보가 철거된 경안천의 무명보와 3차년도의 연구대상인 곡릉천의 곡릉2보에서 나타나듯이 보의 철거 시 보 의 상류와 보가 위치해 있던 중류에 여울대가 형성이 되면서 유속이 증가하고 미소 서식지가 다양해지면서 종다양도가 증가할 것으로 예상된다. 서식 환경의 변화로 인해 섭식 및 서식기능군에도 변화가 있을 것으로 예측된다 어류 보 철거를 통하여 어류 분야에서 얻는 이익은 어류의 서식처 회복, 수질 개선, 어류의 상ㆍ하류 간 이동 회복, 위기종과 보호종의 회복 등이 대표적이다(Maclin and Sicchio, 1999). 그러나 보 철거 시 발생하는 문제점 역시 상존하고 있는데, 어 류 분야에는 토착종, 도입종, 위해종의 종수 및 군집의 종조성 등이 보 철거 전ㆍ후 에 변화할 것으로 예상되므로 이때 개체수와 범주 등을 지표로 하여 변화 양상을 효율적으로 파악하는 것이 필요하다(Miller, 2002). 미국에서 수행된 467개소의 보 철거 사례 중 생태학적 이유를 근거로 철거된 경우는 53개소로서 467개소의 철거된 보 중 10% 이상이나 되었다. 그 중 Waterworks Dam은 Wisconsin 주의 Baraboo River에 설치되어 140년 간 수로를 막 고 있다가 1997년에 철거되어 어류의 서식처를 남기고, 회유를 도우며, 하안을 재활 성화 시키고, 보호어종의 서식처를 개선하고, 수질을 개선함으로서 납세자를 돕는 결과를 가져왔다. 이 Waterworks Dam은 서로 다른 두 개의 댐으로서 5마일 간격으 로 설치되어 있었으나 이들 댐의 철거는 모두 어류 통로 개척 프로젝트의 일환으로 수행되었다. 철거한 결과 통로가 허용되어 철갑상어를 포함한 보호종이 산란을 위 해 서식처로 돌아가게 됨으로서 놀랄만한 스포츠 수산업 상 개선의 계기가 된 것이 다(Wisconsin DNR, 1999). Waterworks Dam과 같은 사례를 비롯하여 25개소의 다른 미국의 광범위하게 설치되어 있던 Dam 중 철거되어 뚜렷한 성공을 나타난 사례에서 볼 수 있는 양상 은 그 시작이 Waterworks Dam과 유사하게 어류의 통로회복과 수질개선, 하천복원 등을 목적으로 삼은 프로젝트의 일환으로 비롯되었다는 점이다. 이를 통하여 보 철 거 후 중ㆍ장거리에 걸친 어류의 통로를 확보함으로써 보 철거 지역 일대에 남아있 는 어류의 수적 증가를 가져오게 하고 어류의 증가로 인한 여유 있는 낚시 기회까 지 제공할 수 있다. 수질을 개선케 되며 특히 용존산소량을 높이고, 회유성 어종에 게 통로를 회복시키고, 산란 장소와 적합한 서식처까지 제공하게 되는 점 등이다 (Wisconsin DNR, 1999). 이와 같은 사항을 감안하여 본 연구기간 중 어류상을 확인한 경안천 소재 무명

39 보 일대는 이미 철거되어 자연하천으로 진행되는 과정의 보로서 현재의 어류상 뿐 아니라 앞으로의 어류상 변화 확인은 의미 있는 자료를 제공할 것으로 여겨진다. 무명보의 경우 종다양도, 종균등도를 비롯하여 종풍부도까지 모두 철거된 구간 일 대의 상류와 하류에서 비교적 높은 다양성을 갖춘 군집양상을 나타낸 반면 무명보 의 대조구간에서는 상대적으로 종다양도 측면에서 군집양상이 빈약함을 보이고 있 었다<표 2-5>. (표 2-5) 철거된 경안천 무명보 일대 어류상 조사구 보 상류 보 하류 대조구간 전체 출현어종 2목 4과 8종 구간별 출현어종 2목 2과 4종 2목 2과 4종 2목 3과 3종 출현어종 종다양도 종균등도 종풍부도 무명보 일대의 어류 군집 종다양도 지수 상 무명보 하류가 1.06으로서 대조구 간의 0.22보다 큰 차이를 두고 양호하게 나타났고, 종균등도 역시 무명보 하류가 0.77로 높게 나타났으며, 종풍부도는 무명보 상류와 1.14 무명보 하류가 1.11로서 유 사하게 나타났으나 대조구간은 0.53으로서 큰 차이를 나타내지는 않았다. 반면 무명 보와는 직접적인 상관이 주어지지 않을 것으로 여겨졌던 상류에서 여울까지 일부 포함하고 있는 대조구간의 어류상은 보 철거 후 보가 위치했던 곳보다 현격한 차이 를 나타내는 어류상을 보였다. 서식처의 다양성을 파악할 수 있게 해주는 하상환경이나 수역환경에 따른 어류 의 분포를 통해 파악한 결과 무명보 일대에서 확인한 밀어는 보의 하류로부터 광범 위하게 분포하고 있었다. 이는 하상구조 상 비교적 작은 자갈이 풍부하고 평여울화 한 하천에 잘 적응하고 있음을 보여주는 분포양상이라고 할 수 있었다. 무명보 일 대에서 확인된 어종 중 상류의 붕어, 누치, 모래무지, 돌마자 그리고 밀어의 분포는 무명보 철거 이후 나타난 새로운 하상 구조와 함께 얕은 수심에도 쉽게 적응하는 잉어과 어류를 필두로 새로운 어류 생태계의 형성이 진행되고 있음을 추정할 수 있 었다. 모든 어종은 무리를 짓되 각 어종은 그들에게 적합한 먹이와 은신처 등 최적 조건이 갖추어질 때 더욱 큰 무리를 짓거나 광범위한 분포를 나타낸다(Wootton,

40 1990). 소형 어종일수록 이와 같은 경향은 더욱 빠른 시간 내에 뚜렷이 식별할 수 있어 앞의 지표수단으로 삼기에 용이하나(정규혁 등, 2002) 이들의 생태적 특성을 비롯한 어류생물학적 양상을 고려해야 지표종 선택에 바람직할 것으로 여겨진다. 시범철거가 이루어진 곡릉2보에서 상류의 수심은 1m 가량 얕아졌다. 기존에 정 체수역으로 되어 있던 보 상류 어류군집의 균등도가 보하류의 어류보다 현저하게 낮았으나 공사 후 점차 높아져 기존의 보가 위치하던 상 하류의 뚜렷한 구분이 점 차 줄어드는 것을 볼 수 있었다. 이는 하천의 상 하류의 간 수계가 자연스럽게 이 어져 비록 보에 의해 막혀 있던 보 상류의 수량은 줄어들었으나 하천을 통한 어류 의 종적 생태통로의 형성이 이루어져 보 철거 전에는 하류에서 확인되지 않던 돌고 기, 버들매치, 왜매치가 보 철거 후에는 상류, 하류에서 모두 확인되어 어류의 이동 이 원활하게 이루어지는 것으로 판단할 수 있었다<표 2-6>. (표 2-6) 시범 철거가 이루어진 곡릉2보 일대 어류상 곡릉2보 상류 곡릉2보 하류 대조구간 조사구 철거전 철거후 철거후 철거후 철거후 철거후 철거후 철거전 철거전 1차 2차 1차 2차 1차 2차 구간별 출현어종 8종 12종 4종 8종 9종 10종 11종 10종 14종 종다양도 종균등도 종풍부도

41 Ⅲ. 하천생태통로 복원 기술개발 1. 하천 생물서식처 복원 기술 현황 1-1 보 철거에 따른 생물서식처 복원 기술의 필요성 보 철거 후 생태계의 변화는 수문 변화, 하도 변화, 초기 침입종, 기후, 외래종 등의 환경에 따라서 보 설치 전의 생태계로 즉시 복원되거나, 전이 단계를 거쳐서 보 설치 전 식생이나 새로운 상태로 천이하게 된다<그림 3-1>. 일반적으로 보 철거 후에 생태계의 완전 복원이 불가능한 경우가 많다. 설사 완전 복원이 가능하더라도 시간 규모에서 장기간이 소요되어 시민이나 관리자가 회복이 되지 않았다고 인식하 게 된다. 한편 장기간에 걸쳐서 보가 환경에 미친 훼손이 회복될 수 없거나 유역에 서의 일어난 다른 변화 때문에 완전 복원이 불가능하여 부분 회복이 된다. 완전 혹 은 부분 회복의 잠재력은 특정 생물의 민감성, 철거된 보의 특성 및 국지적 지형 조건에 의하여 결정된다(Stafroth et al, 2002). (그림 3-1) 보 철거 후 생태계 변화의 다양한 경로(Stafroth et al., 2002)

42 특히 보철거 후 식생의 변화는 지소 특이적이어서 일반화하기 어렵기 때문에 생태계 복원을 위한 보편적인 기술을 도출하기 어렵다(Orr and Stanley, 2006). 보 철거후에 자연적인 고유 하천 식생으로 유도하기 위해서는 성장과 확산이 빠른 침 해식물(invasive plant)의 관리가 중요하다. 하천에서 교란 후에 외래 침해식물의 정 착이 매우 용이하며(Hood and Naiman, 2000), 일단 이들이 침입하면 왕성하게 번식 함으로써 보 철거 시 가장 중요한 것 중에 하나가 식생 관리 방안이다. 그러므로 본 연구에서는 보 철거후에 식생을 중심으로 생물서식처 복원 기술에 대한 현황을 살펴보고자 한다. 1-2 보 철거에 따른 생물서식처 복원 기술 저류부 배수의 조절 보 상류의 저류부를 배수하는 시기와 유형이 노출된 나지에 정착하는 종조성에 매우 큰 영향을 미친다(Shafrotet al., 2002). 이것이 발아와 초기 유식물의 생장에 관련된 특정 식물의 생활사와 조화되는 것이 중요하기 때문이다. 목적하는 초본 식 물 군집을 유도하기 위하여 배수를 조절하는 것은 습윤 토양 관리(moist soil management)'이라는 야생동물 관리 전략의 하나로서 이용되고 있다(Fredricksen and Taylor, 1982). 많은 물새와 야생동물 보호지에서 야생동물에게 유익한 먹이나 은신처가 되는 식생이 성장할 때까지 습윤한 토양 상태로 두거나 물을 얕게 관리한 다. 보 철거 시에도 이와 비슷한 전략을 도입하여 목적으로하는 수목이나 초본 식 물을 유도할 수 있다. 보통 하안 식물의 유식물 생장에는 성체 때보다 다 많은 수 분을 요구하므로, 이들 식물을 유도하기 위해서는 유식물 시기에 물을 공급할 수 있도록 배수하는 것이 필요하다 침해식물의 관리 보 철거가 하천 생육지의 복원에 유용한 수단이 되기도 하지만, 우리가 바라지 않는 외래식물이 침입하는 기회를 제공하기도 한다. 보 철거와 같은 물리적 교란이 하안 식생에서 외래식물에게 중요한 침입의 기회가 된다. 보 철거에 의하여 드러나 는 저류부의 영양소 풍부한 저토가 잡초성 외래식물이 침입하기 좋은 장소가 된다. 일단 이들이 정착을 하면 자생식물의 정착을 억제하고 식물과 동물의 종 다양성을 크게 감소시킨다. 그러므로 보를 철거하기 이전에 이런 위해식물을 관리할 대책을 수립하여야 한다

43 1-2-3 녹화 기술 보 철거시 종자를 살포하거나 수목을 식재하는 목적은 다음과 같다. 1 바람직하지 않은 외래종 정착의 방지 2 철거 전 저류부의 퇴적물 안정화 3 서식처의 다양화 4 제방 침식 방지 5 위락 또는 친수 공간 제공 그러나 실제로 보 철거 후 녹화 시공이 실패하는 경우가 많다. 이는 고유종의 정착과 생존에 필수적인 환경을 이해하지 못하였기 때문이다. 식재 방법은 크게 식 재종의 천이 단계에 따라서 다음과 같이 나눌 수 있다. 1 천이 초기종 식재: 성장속도가 빠르기 때문에 외래식물의 침입을 방지하고 자연 천이를 유도할 수 있다. 식재종: 버드나무 류 등 2 천이 후기종 식재: 성장속도는 느리기 때문에 외래식물이 침입할 수 있다. 지표를 빨리 덮을 수 있는 피복식물(cover plant)이 표토를 안정화시키고 외래식물 의 정착을 막는데 유리하다

44 2. 하천 생태통로 조성 기술 살아있는 생물들은 물을 필요로 하며, 자기가 처해있는 환경에 적응하여 발생 되고, 진화되며 개체간 공생하며 살아가게 된다. 특히, 하천생물은 하천의 하상 및 흐름 특성에 지배적인 영향을 받아 한곳에 머무르지 않고 환경에 맞는 장소로 항상 이동한다. 그러므로 물길을 막지 않는 한 하천의 상하류로 이동하여 자기 환경에 맞는 장소를 선택하여 살게되고, 먹이사슬을 이루면서 안정된 생태계를 이루게 된 다. 따라서 이러한 하천 생물들이 이동하며 서식하는 생태통로 조성을 위한 국내외 현황을 분석하며, 나아가 하천의 물길을 가로막고 있는 구조물의 개량기술을 분석 하였다. 본 조성 기술들은 이미 특허를 받은 기술로서 본 보고서에서 소개하는 기 술은 기술의 전도용을 피하기 위하여 개별업체의 이름을 밝히지 않도록 하며, 각 조성 기술마다의 특허등록연도를 표기하였다. 2-1 국내외 하천 생태통로 조성 기술 국내 조성기술 (1) 하천바닥을 이용한 물 저장 댐(2001) 개요 : 물을 저장하는 댐에 있어서, 상부면에 홈부분을 갖는 상류댐과, 하류댐 과, 인공암초로 구성하며, 댐의 상부면이 하천바닥과 같은 높이로 설치되고 상류댐 과 하류댐 사이에 저수공간을 만든 것을 특징으로 하는 하천바닥을 이용한 물 저장 댐 조성 기술이다. (그림 3-2) 하천바닥을 이용한 물 저장 댐 조성 공법

45 (2) 하천의 물속생태계 복원공법(2006) 개요 : 하천바닥과 상류차단벽 상부면이 동일선상에 위치하도록 상류차단벽을 그 하천바닥과 같은 동일 높이로 시공하며, 상기 상류차단벽으로부터 일정 거리 떨 어진 곳에서 하천바닥과 하류차단벽 상부면이 동일선상에 위치하도록 하류차단벽을 그 하천바닥과 같은 동일 높이로 시공하고, 상기 상류차단벽과 하류차단벽의 사이 에서 하천의 계획수심에 의한 일정 깊이로 준설을 하고, 지역 특성에 맞는 각종 수 중 생물을 방생하기 위한 저수부를 조성하는 제3단계를 포함하는 소 구간을 다수로 형성하고, 상기 소 구간들 사이에 정화작용을 위한 여울구간을 조성하는 제4단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 하천의 물속 생태계를 복원하는 공법이다. (그림 3-3) 하천의 물속생태계 복원공법 (그림 3-4) 여울 계단식 어도 조성공법

46 (3) 여울 계단식 어도(2002) 개요 : 소재로는 생소나무로 물막이를 만들고 자연석을 쌓아 폭포 기능을 하도 록 하고 뒷줄 생소나무 물막이와 자연석 사이공간은 막돌로 채워 하천 물이 가장 많이 분산 되도록 여울을 조성한다. 위와 같은 여울을 3단계로 만들되 1단계와 2단계 3단계의 공간을 두어 물이 낙 차에 의한 분산되는 효과를 최대한으로 높이는 방법이다. (4) 도시하천의 여울 조성 공법(2004) 개요 : 여울이 들어 설 하천 바닥에 기초석층을 조적하여 연결고리가 있는 디 딤돌을 설치하고 곳곳에 나무 말뚝을 박아 기층석의 유실을 방지하며,여울 하류의 양안 퇴적부에 버드나무과의 생나무가지를 식재하는 도시 하천에서 여울을 조성하 는 공법이다. (그림 3-5) 도시하천의 여울 조성 공법 (5) 수질정화 기능이 우수한 여울블록(2004) 개요 : 장방형 I 형상의 인터록킹 블록으로 블록 본체에 상하로 관통하는 6개의 고정공이 있어, 그 고정공에 원형의 지주목을 삽입하여 원지반에 고정을 시키고, 지 주목 상부에 버팀목을 횡방향으로 2 3단 설치하여, 그 아래부분에 자연석이나 쇄 석을 두어 물이 통과하면서 기포가 발생되어 산소를 공급하도록 함으로써 수질정화 기능을 향상시키는 여울블록 공법이다

47 (그림 3-6) 수질정화 기능이 우수한 여울블록 공법 (6) 어도 여울 블록(2006) 개요 : 하천에 서식하는 어류의 이동통로와 물의 여울효과를 기대할 수 있는 어도여울블록으로 전후, 좌우 연속으로 하천바닥이나 보에 설치할 수 있다. 종방향 양쪽 가장자리의 돌기는 앞부분이 비월류되고 뒷부분이 월류부되는 형태로 구성되 고 모서리 4곳에 블럭일체형 연결고리를 통하여 고정됨으로써 월류시 돌기부에 의 하여 폭기를 형성시키는 특징을 가지고 있는 여울 조성공법이다. (그림 3-7) 어도 여울 블록 공법 (7) 하천용 다기능 블록 개요 : 말뚝이 관통하는 다수의 관통공에 의하여 고정되고 상하 방향으로 각 개체가 연결되는 형태의 블록으로 하상보호공 및 콘크리트 제방호안 등에 다양하게 적용할 수 있는 블록 조성공법이다

48 (그림 3-8) 하천용 다기능 블록 (8) 도시하천의 생태복원 구조(2001) 개요 : 법면에 흡출방지재를 깐 후에, 수직말뚝의 뒷면에는 씨앗부착토낭을 쌓 을 수 있으며 법면과 완경사면에는 씨앗부착볏집을 깔아 식물이 발육 및 식재되도 록 한다. 기존의 하상에 일정간격으로 들어가서 설치되는 세굴 방지블록 및 자연중 량석에 여울이 조성되도록 하는 것을 특징으로 하는 도시하천에서의 생태계 복원 공법이다. (그림 3-9) 도시하천의 생태복원 공법 (9) 여울형 자동수문(2005) 개요 : 저수지 등의 제방에 마련된 배수로에 설치되어 저수량을 조절하기 위해

49 물을 저수하거나 방류하는 여울형 자동수문으로, 수문이 개방되었을 때 물이 흘러 나가게 되는 배수로의 하류측 바닥면에는 돌기가 배열되어 있어 폭기를 형성시키 며, 폭과 높이가 각각 증대하는 형상을 가지도록 조성된 여울형 자동수문 공법이다. (그림 3-10) 여울형 자동수문 공법 (10) 중소하천의 어족보호와 양서류의 이동통로를 가진 낙차공과 호안의 시공방 법 (2000) 개요 : 중, 소하천의 낙차공, 사방용댐, 호안시설에 있어서 축조목적과 세굴방지 기능을 가진 블럭과 폭기 장치를 가진 여울블럭이 조합된 공법이다. 이 공법은 저 서동물과 어류 서식처 및 이동통로를 가진 어도블럭으로 미생물이 자랄 수 있는 공 극을 가진 자연석형상 호안블럭이 일체로 연결시공되어 생태계 복원 효과를 가진 낙차공과 사방용댐과 호안의 축조공법이다. (그림 3-11) 이동통로를 가진 낙차공과 호안 시공 공법

50 (11) 하천 직접정화 공법(2005) 개요 : 하천 바닥에 식생부직포를 깔아 수생식물의 뿌리가 정착되기 전까지 토 사의 유출을 방지하고, 야자섬유매트를 차례로 내부에 적층한 방틀이 계단식 낙차 보를 형성함으로써 유기물의 산화분해 및, 질소와 인을 제거하며, 미생물의 활성을 촉진시키고 식물 생육이 가능하도록 한 하천 직접정화공법이다. (그림 3-12) 하천 직접정화 공법 (12) 수질정화 및 생물서식처를 제공하는 접촉재 모듈이 포함된 시공석 고정유 닛 및 이를 이용한 시공석 고정방법(2005) 개요 : 수질정화 및 생물서식처를 제공하는 접촉재 모듈이 포함된 시공석 고정 유닛 및 이를 이용한 시공석 고정방법에 관한 공법이다. 시공석 고정유닛에 접촉재 모듈을 결합시켜 오염수역의 수중부유물질, 용존성 오염물질 및 영양염류를 제거함 과 동시에 어류 등에 생물서식처를 제공하는 접촉재 모듈이 포함된 시공석 고정유 닛 및 이를 이용한 시공석 고정방법에 관한 것이다. (그림 3-13) 수질정화 및 생물서식처를 제공하는 시공석 고정방법 (13) 수로용 동물 이동통로(2004) 개요 : 수로용 동물 이동통로에 관한 것으로, 야생동물들이 이동할 수 있는 구

51 조가 구비되지 않은 상태로 시공된 구조의 수로에 물의 높낮이에 따라 그 높낮이가 가변되는 부력구조의 이동통로를 설치하여 파충류나 포유류 등의 야생동물들이 이 동통로를 통해 수로를 벗어날 수 있도록 함에 그 목적이 있다. (그림 3-14) 수로용 동물 이동통로 조성 공법 (14) 철망형 물고기 이동통로를 구비한 계단식 하천 수중구조물(2006) 개요 : 물고기 이동통로 구조에 있어서, 특히 물고기의 이동이 용이한 계단식 통로를 구비토록 하여 자연환경을 최대한 보호하면서 설치비용이 최소화되는 하천 수중 구조물을 제공하는 것을 특징으로 하는 철망형 물고기 이동통로를 구비한 계 단식 하천 수중 구조물에 관한 것으로, 상기 수중구조물은 하천폭을 가로질러 담수 할 수 있도록 수직옹벽을 설치하고, 상기 수직옹벽의 양 사이드에는 물고기 이동용 계단을 설치하며, 상기 물고기 이동용 계단에는 철망 형태의 구조물로 덮개를 형성 하여 이루어진 것이 특징이다. (그림 3-15) 계단식 하천 수중구조물 조성 공법

52 (15) 물고기 이동통로 수중 물막이 구조물(2002) 개요 : 물고기 이동통로 물막이 구조물에 관한 것으로 하천 또는 강 중간에 설 치되는 물막이 구조를 폴리에틸렌 네트론 블록으로 제작하여 물고기가 하류에서 상 류보로 이동할 수 있도록 하고, 그로인하여 물고기의 이동 통로를 확보함으로써 생 태계를 보존할 수 있도록 하는 물고기 이동통로 수중 물막이 구조물에 관한 공법이 다. (그림 3-16) 물고기 이동통로 수중 물막이 구조물 조성 공법 (16) 물고기 이동통로가 구비된 계단식 하천 수중 구조물(2003) 개요 : 하천에 설치되는 물고기 이동통로가 구비된 계단식 하천 수중 구조물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 물고기 이동홀이 형성되어 물고기들이 상류 수원 지로 이동이 용이하고 물고기의 번식 및 생태계를 보호할 수 있는 구조를 가지는 물고기 이동통로가 구비된 계단식 하천 수중 구조물에 관한 것이다. (그림 3-17) 계단식 하천 수중 구조물 조성 공법

53 (17) 하천 수중보 구간의 물고기 이동용 인조수초 블록 설치 구조(2003) 개요 : 하천 수중보 구간의 물고기 이동용 인조수초 블록에 관한 것으로 하천 수중보에 물고기 이동통로를 구축함으로써 수중 생태계를 보호할 수 있도록 물고기 이동용 인조수초 블록을 설치하는 공법이다. (그림 3-18) 물고기 이동용 인조수초 블록 설치 공법 (18) 생태계 보호를 위한 하천 수중보 구조물(2003) 개요 : 생태계 보호를 위한 하천의 수중보 구조물에 관한 것으로서, 더욱 상세 하게는 수중보 구조물의 길이의 중앙에 수심의 상,하 이동에 따라 높이가 조정되는 부력식의 물고기 이동통로가 설치되어 생태계 환경의 보전을 이룰 수 있도록 하는 생태계 보호를 위한 하천의 수중보 구조물 조성에 관한 공법이다. (그림 3-19) 생태계 보호를 위한 하천 수중보 구조물 설치 공법

54 2-2 국내외 보 개량 조성 기술 국내 조성기술 (1) 경안천 장지보 개요 : 기존에 있던 보(높이 1.0m, 길이 약 100m)체 상단부를 일부 제거하고 그 상단부에 자연석 붙임공을 통하여 개량하였다. 보체의 높이만을 낮춤으로써 기존 보 상류부에 있던 정체수역을 유지시킴으로써 친수기능을 강화시켰다. (그림 3-20) 보 상단부를 일부 제거하고 자 연석을 붙여 개량한 보 (2) 경안천 보 2 개요 : 보체를 그대로 두고 좌안측에 자연석을 부설하여 자연형 어도로 조성한 예로 보 상류부의 정수역을 잘 유지하고 있다. 이러한 형태는 보체에 기타 다른 구조물을 부설하여 재 조성한 사례라 할 수 있으며, 특히 이러한 방법은 유량이 풍 부한 곳에서만 설치가 가능하며 유량변동이 심하거나 유량확보가 곤란한 곳에서는 사용이 불가능하다. (그림 3-21) 보 측면부에 자연석을 부설하여 개량한 보

55 (3) 가평천 보 개요 : 보체의 높이를 그대로 유지하면서 보체 전면에 자연석(좌우측)과 호안블 록(중앙부)을 붙인 형태이다. 보 자체의 담수기능은 유지하면서 경관적인면 만을 고 려한 개량이라고 할 수 있으며, 국내에서도 이러한 형태의 개량이 많이 이루어져 왔다. 그러나 이러한 형태의 보는 보체의 높이가 높으면 높을 수록 어류의 소상에 지장을 초래함으로써 이동통로 확보에는 좋지 않은 예가 되고 있다. (그림 3-22) 보 측면부에 자연석을 붙여 개량 한 보 국외 조성기술 (1) 아카이시천( 赤 石 川, Akaishi Kawa) 사방댐 개량 ( 개요 : 상류로부터의 토사유출을 억제시키기 위하여 조성되었던 높이 : 1.0m, 길이 40m의 사방댐을 철거하고 1:7 완구배의 전면 어도로 개량하였다. (그림 3-23) 사방댐 개량을 통한 생물이동 통로 조성

56 (2) 계단식 어도( 개요 : 일본 기후현( 岐 阜 県 ) 이비천( 揖 斐 川, Ibi Kawa)에 위치한 길이 100m, 높 이 2m의 낙차공에 설치 계단식 어도를 조성하여 생물이동통로를 확보하였다. 낙차 공 우안쪽에 기존의 어도가 존재하고 있으나 제기능을 발휘하지 못하고 있기때문에 이를 보완하기 위하여 계단식 어도를 조성하였다. 각 단의 높이는 30cm 정도이며 부채꼴모양의 어도를 통하여 어느 쪽에서 던지 어류의 소상이 가능토록 조성하였 다. (그림 3-24) 계단식 어도조성을 통한 생물 이동통로 조성 (그림 3-25) 부채꼴 형태의 어도조성을 통 한 생물이동통로 조성 (3) 야마나시현( 山 梨 県 ) 오오야나기천( 大 柳 川, Ooyanagi kawa)어도 ( 개요 : 일본 야마나시현 오오야나기 천에 위치하고 있으며, 기존 길이 40m, 높 이 1.5m의 낙차공에 설치하였다. 낙차공 언체의 상단부를 일부(30cm) 잘라내고 물

57 길을 유도하였으며, 부채꼴형태로 전면에서 어류의 소상이 가능하도록 조성하였다. 각 간의 높이는 30cm를 넘지않으며 각 단 말단부에 자연석을 붙여 저류효과를 극 대화 시켰다. (4) 나가라가와 하구언 어도 개요 : 일본 오사카부( 大 阪 府 ) 나가라천( 長 良 川 ) 하구언에 조성된 어도이다. 좌 우안 측에 각각 위치하고 있으며, 좌안측에는 마중물식어도를 우안측에는 자연 친 화적인 세세라기 어도를 조성하였다. 특히 마중물식어도 측면부에서는 어류의 소상 확인이 가능하도록 관람시설을 조성하여 일반시민들의 교육의 장으로 활용하고 있 다. (그림 3-26) 하구언 좌우측면에 어도조성을 통한 생물이동통로 조성 (그림 3-27) 낙차공 개량을 통한 생물이동통로 조성 (5) 일본 이다치강( 鼬 川 ) 카시오강( 柏 尾 川 ) 낙차공 어도 개요 : 일본 이다치강( 鼬 川 )과 카시오강( 柏 尾 川 ) 합류부에 위치한 카시오강 낙차 공은 높이 1m 길이 30m의 소규모의 낙차공이다. 그러나 이러한 낙차공에도 밀어와

58 같은 작은 어류들의 소상이 어렵기 때문에 완만현 경사로 조성하여 작은 어류가 소 상 가능하도록 낙차공을 개량하였다

59 Ⅳ. 보 철거 시범사업 1. 철거 대상 보의 선정 1-1 철거 대상보(중형보)의 개요 철거를 통하여 하천생태통로를 복원하기위한 시범대상으로 선정한 보는 경기도 고양시 오금동 소재의 곡릉2보이다. 이 곡릉2보는 1970년대에 보 좌안측 오금동과 신원동 일대의 농경지에 농수를 공급하기 위하여 축조되었다. 또한 곡릉2보는 1983 년과 1998년 홍수로 인하여 보체 및 주변제방의 일부 유실로 인하여 보완공사를 시 행하기도 하였다. 보의 규모는 길이 76m, 높이는 약 1.5m에 이르며, 보 주변의 토이지용은 주로 농경지(비닐하우스)와 고양시 식수원으로 사용하기 위하여 조성되었지만 현재 사용 하지 않는 정수장(현 수질검사소)이 위치하고 있다. 이 곡릉2보는 과거 농업용 취수보로 이용되었으나, 주변지역의 토지이용 변화 (비닐하우스 등)로 인하여 취수보로서의 용도를 상실한 보로서 본 연구사업에서는 완전 철거를 통한 시범사업의 대상보로서 선정하였다. (그림 4-1) 시범사업 대상 보(곡릉2보)의 위치도 1-2 철거를 위한 행정적 절차 철거를 시행하고자 하는 보는 지자체에 따라서는 단지 하천 관리주체뿐 아니 라, 보 관리주체, 수질관련 부서 등 다양한 부처의 협의를 거쳐야 하며, 더욱이 실 제로 보를 활용하고 있는 지역주민의 의결을 거쳐야만 철거가 비로소 가능하게 된 다. 따라서 본 장에서는 실제 보 철거를 시행하였던 고양시의 예를 들어 설명토록 한다

60 (1) 건설과 하천관리부서(하천관리 주체) 보를 철거하기 위하여 필요한 서류를 제출하여야 하는데, 예를들어 하천공사시 행허가, 공사 착수신고 및 공사 준공인가를 신청하며 허가를 득하여야한다. (2) 농업정책과(보 관리주체) 철거 대상보를 관리대상에서 제외시켜야하므로 실질적인 업무를 수행하며, 지 역주민이 대상보를 이용하고 있는지에 대한 판단 및 철거를 위한 설득 주체가 되어 진행한다. (3) 맑은 물 보전과(상수원보호구역내 행위) 하천구조물의 개보수 및 철거 대상이 상수원보호구역내에 위치하고 있을 경우 에는 공사에 따른 협조 및 허가가 필요하며 허가를 득하여야 한다. 또한 공사시 상수원보호구역 에 대한 표지판 등이 훼손되었을 경우 이를 원상복귀토록 하여 야한다. (4) 지역주민 설명회(민원 분쟁해소를 위한 설명회) 보 철거에 있어서 결정적인 권한을 가진 주체는 지역주민이다. 결국 보를 사용 하고 있는 몽유면적의 대소를 불문하고 한사람이라도 활용하고 있다면 보 철거에는 상당한 어려움이 발생하게 된다. 따라서 이러한 활용여부에 대한 분쟁을 해소하기 위하여 지역주민대표(통장이나 동장 등)의 설명회를 통하여 이를 해결하여야하며, 만약 현재에도 이용하고 있다면 보완/대체시설의 설치도 필요한 경우가 있다. (그림 4-2) 보 철거를 위한 지역주민 설명회의 모습

61 2. 보 철거 과정 및 유지관리 2-1 보 철거 과정 (1) 진입로의 설치 보 체를 철거하기 위하여 하천으로 진입하기위한 진입로 설치를 최우선적으로 하여야한다. 특히 하천으로의 진입로를 조성하기 위해서는 하천에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 공사하기에 가장 짧은 최단거리를 확보하여야한다. 따라서 보 주변 옹벽부에서 하천으로 바로 진입하는 것이 가장 짧지만 포크레인이나 장비의 진입을 위해서는 보주변 옹벽부 철거를 동시에 시행하면서 진입로를 확보하는 것이 바람직하다. (그림 2-1) 보 철거를 위한 진입로 조성 (2) 보 체의 철거 시범사업 대상보 체를 철거함에 있어서 하천에 미치는 영향을 최소화하기 위하 여 공기를 최단기간으로 하고자 중장비를 일시에 투입하여 단기간에 철거하였다. 또한 철거 시 하단 기초부까지 완전히 걷어내도록 주의 깊게 공사를 시행하였다. (그림 2-2) 보체의 철거

62 (3) 폐기물 처리 공사 시 발생된 콘크리트 단괴는 한곳에 적재하였다가 일시에 폐기토록 하였으 며, 폐기처분할 단괴와 재생가능한 자연석을 별도로 분리하였다. 기존 보체 하단부 의 세굴을 막기 위하여 다량으로 설치되었던 자연석은 주변 제방부 복구에 모두 재 활용함으로써 건설폐기물 발생의 저하와 더불어 현장에서 발생하는 자재를 재활용 함으로써 오염부하를 최소화시키도록 하였다. (그림 2-3) 보체 철거에 따른 폐기물처리 모습(좌)과 발생된 재생 자연석(우) (4) 제방부 복구 보체 철거 시, 보 주변 옹벽부도 완전히 철거하였으며, 제방의 안전을 위하여 공사시 발생된 자연석으로 돌망태 호안을 조성하였다. 이러한 공법의 선택은 보체 주변으로 이미 돌망태호안이 조성되어있어서 제방의 연속성을 고려하여 시행하였으 며, 향후 시간이 경과하면 보다 자연스러운 경관을 연출할 것으로 기대된다. (그림 2-4) 보 철거 후 보체 주변 제방부의 복원 전(좌)과 복원후의 모습(우)

63 2-2 철거 후 유지관리 철거를 통하여 하천생태통로를 복원한 시범대상 보는 철거 후, 보 철거구역에 서는 지속적인 장단기 하상변동 예측과 같은 물리특성 분석을 통하여 관리하고 있 으며, 이와 더불어 보 철거 전후의 화학/생태적 모니터링을 실시하고 있다. 다음 그림은 보 철거 전과 후의 모습을 개략적으로 보여주고 있으며, 기타 일 정별 사진모니터링 내용은 부록에서 소개하도록 한다. (그림 2-5) 곡릉2보의 철거 전(좌)과 철거 후(우)의 보체부 모습 (그림 2-6) 곡릉2보의 철거 전(좌)과 철거 후(우)의 상류부 모습 (그림 2-7) 곡릉2보의 철거 전(좌)과 철거 후(우)의 하류부 모습

64 3. 중대형 보 철거 시범사업 대상보 3-1 전주시 전주천 덕진보 대형보의 철거를 통하여 하천생태통로를 복원하기위한 시범대상으로 선정한 제 1 대상 보는 전주시 덕진구 소재의 덕진보이다. 이 덕진보는 1940년대에 축조되 이 후, 수차례에 걸쳐 증 보축되었으며, 가장 최근인 2000년에는 덕진보에 어도를 조성 한다는 명목으로 보체에 자연석을 붙여 현재와 같은 모습을 유지하게 되었다. 보의 규모는 길이 88m 높이 3.0m의 보로서 전주시를 관통하는 전주천 중류부 에 설치되어있다. 현재는 도심하천의 전형적인 보의 형태를 유지함으로써 수질악화, 생태계 단절 등 수 많은 문제점을 내포하고 있다. 이러한 덕진보는 과거 농업용 취 수보로 이용되었으나, 주변지역의 토지이용 변화(농경지의 택지개발)로 인하여 그 용도를 상실한지 오래되었다. 따라서 전주천 덕진보를 본 연구사업에서는 완전 철거를 통한 시범사업의 대상 보로서 선정하였고, 전주시와 협의를 통하여 보철거 시범사업으로 진행중에 있으며, 예산확보 및 행정절차를 거치면 4차년도 연구기간중에 철거가 가능한 상태이기도 하다. (그림 3-1) 시범사업 철거대상보-1(전주천 덕진보)의 위치 도

65 (그림 3-2) 전주시 전주천 덕진보의 전경(좌)과 측면부의 모습(우) (그림 3-3) 시범사업 철거대상보-2(곡릉천 취수 보)의 위치도 3-2 고양시 곡릉천 취수보 대형보의 철거를 통하여 하천생태통로를 복원하기위한 시범대상으로 선정한 제 2 대상 보는 고양시 곡릉천 취수보이다. 이 취수보는 과거 고양시민의 음용수를 취 수하기 위하여 축조된 이후 지속적으로 활용되었으나, 최근 고양시 인구의 증가에 따라 인근 양주시로부터 공급받게 됨으로 인하여 그 용도가 상실된 상태이다. 보의 규모는 길이 약 70m 높이 2.5m의 보로서 고양시 곡릉천에 위치하며 시 범사업 대상구간인 곡릉2보 직하류에 위치한다. 그러나 이 취수보는 상수원보호구 역내에 위치하고 있기 때문에 상수원보호구역해지에 따라 그 철거가 진행될 예정이 다. 따라서 상수원보호구역해지에 관한 신청을 환경부에 신청한 상태이며, 이러한 행정적인 절차를 통하여야 만이 철거가 가능한 상태이다

66 따라서 상기 행정적인 절차가 원만하게 진행된다는 가정하에서 곡릉천 취수보 를 본 연구사업에서는 완전 철거를 통한 시범사업의 대상보로서 선정하였고, 현재 고양시 및 환경부와 협의를 통하여 보철거 시범사업으로 진행중에 있으며, 4차년도 연구기간 중에 철거가 가능한 상태이기도 하다. (그림 3-4) 고양시 곡릉천 취수보의 전경(좌)과 측면부의 모습(우)

67 V. 기능을 상실한 보 철거에 따른 물리적 영향 분석 1. 물리적 영향 1-1. 유역의 수문학적 특성 및 하도 특성 (1) 유역의 개황 곡릉천은 한강의 제 1지류로서 유로연장 45.7 km (국가 하천구간 km, 지 방 2급 하천 구간 km), 유역면적은 km2 (지방 2급 하천 구간은 km2) 이다. 곡릉천은 경기도와 서울특별시 경계인 경기도 양주군 장흥면 부곡리 개명산 젤 봉 (EL. 516 m)에서 발원하여 양주군을 통해 남서향하며, 발원지로부터 약 8 km 하 류 지점에서 부터 심한 사행을 이루며 흐른다. 이어 고양시 덕양구와 일산구의 경 계 지점까지 서향으로 진행하여 고양시와 파주시 경계까지는 북서향으로 흐른 뒤 다시 서향하여 한강에 합류하며, 전반적으로 동에서 서로 향한다. 지천인 석현천, 선유천, 벽제천, 대자천, 고산천, 금촌천, 사포교천, 소위지천을 우안으로 합류하고, 좌안으로 오금천, 원당천, 장진천, 소리천, 청룡두천과 차례로 합류한 후 본류인 한 강과 합류한다(그림 5-1). (그림 5-1) 곡릉천 유역도 및 보 철거 모니터링 위치

68 유역은 동서에 걸친 장방형의 형태로 북쪽은 임진강 수계의 문산천 유역과 접 하고 있으며, 남쪽으로는 창릉천 유역과 접하고, 동쪽으로 중랑천 유역과 접하며, 서쪽으로는 한강 본류와 접한다. 유역내 행정구역으로는 고양시, 파주시 및 양주군 이 위치하고 있으며 대체로 평탄하고 하류구간에는 특히 농경지가 발달해 있으며, 지방 2급 하천 구간은 대부분이 산지로 이루어져 있다. (2) 유역의 강수 특성 곡릉천 수계에 있는 강우관측시설의 관측 자료가 충분하지 않아 기상자료가 충 분한 서울 측후소의 강우량 자료를 이용하여 1961 ~ 2000년까지 총 40개년 치의 분 석결과 연평균 강수량은 1,384.7 mm이고, 연강우량 최대 및 최소치는 1990년 2,355.5 mm, 1988년 mm이고, 월평균강우량은 아래 그림 5-2와 같다 (곡릉천 수계 하천정비기본계획( 경기도)). (그림 5-2) 곡릉천 유역의 40년(1961~2000)간의 월평균 강수량 (3) 유출 및 유황 유출량 산정법 중 비유량법은 현지 지역의 유출량 측정 자료가 없을 때 인근 타 유역의 유출량 측정결과를 이용하여 강우-면적비로 유출량을 산정하는 것이다. 곡릉천수계 하천정비기본계획( 경기도) 에서는 한탄강에 위치한 연천댐 지점의 유출량을 이용하여 곡릉천의 유출량을 다음과 같이 추정하였다

69 여기서, 유출량 연천댐지역의 유출량 각 산정지점에 대한 유역면적 연천댐지점의 유역 면적 각 산정지점의 연우량 연천댐 지점의 연우량 그 결과 곡릉천 지방 2급 하천종점을 기준한 총 수자원 부존량 174백만 m3/년 중 손실양이 42% 인 73백만 m3/년, 년 평균 유출량은 58% 인 101백만 m3/년으로 분석되었고, 다음은 곡릉천 지방 2급 하천종점의 유황곡선도(그림 5-3)와 곡릉천 지 방 2급 하천의 지류의 유황(표 5-1)을 나타내었다. (그림 5-3) 곡릉천(지방 2급) 유역의 유출량 (표 5-1) 곡릉천(지방 2급) 및 각 지류의 유황 하천명 및 구분 곡릉천 (지방 2급 종점) 유역면적 (km2) 풍수량 (95일) 평수량 (185일) 저수량 (275일) 갈수량 (355일) 기준 갈수량 석현천 선유천 오금천 벽제천 대자천 원당천 연천댐지점 유황비(CMS/km 2 )

70 (4) 곡릉천의 하도 특성 가) 하도의 분류 하도 종류는 단일하도와 복합하도로 구분되며, 단일하도란 하도에 합류점은 있 으나 분류점이 없는 하도계통을 의미하고, 합류점과 분류점이 공존하는 하도계통을 복합하도라 하며 단일하도는 하도형성의 인위성 여부에 따라 자연하도와 인공하도 로 구분할 수 있는 등, 아래 그림 5-4의 특성들에 의해 하도 종류를 분류할 수 있 다. (그림 5-4) 하도의 분류 곡릉천의 경우는 우리나라 대부분의 하천과 마찬가지로 단일하도로 이루어져 있으며, 대부분 개수사업으로 인하여 제방과 호안이 설치되어 있는 인공하도로 분 류할 수 있다. 나) 하도의 특성 인자 하도의 특성인자는 하천 및 유역을 판단하는 정량적인 기준으로 유로의 연장, 하상 경사, 하천 밀도, 하상계수, 형상계수 등이 있으며, 유역 규모가 비슷한 하천이 라도 하도의 특성 인자에 따라 하천의 물리적 변화가 달라짐으로 하천 관리에 중요 한 자료로 쓰인다. 다음 표 2.2는 지방 2급 하천인 곡릉천과 지류들의 하도 특성이 다

71 (표 5-2) 곡릉천(지방 2급) 및 각 지천의 하도 특성 하천명 및 구분 유역면적 (km 2 ) 유로연장 (km) 하도경사 하천밀도 하상계수 곡릉천(지방 2급) /196 1, 석현천 /84 11, 선유천 /91 10, 오금천 /61 38, 벽제천 /72 4, 대자천 /100 29, 원당천 /171 8, 곡릉 2보 및 주변 구조물 조사 (1) 곡릉 2보 현황 곡릉 2보는 지방 2급의 종점인 고양시 일산구 지영동, 고양덕양구 내유동, 파 주시 조리면 3경계(지영교 하류 500m 지점) 에서 상류로 1,1812 m 떨어진 고양시 덕양구 오금동에 농업용수를 공급할 목적으로 설치되었다. 그 후 토지 이용 변화로 인한 물 수요량 감소와 저류지의 퇴적으로 인한 저수 용량의 감소 및 관리 미흡 등 으로 실질적인 보 기능이 상실되어 2006년 4월에 철거되었다. 모니터링 하도 형태 와 보 및 주변 구조물 등을 아래 그림 5-5에 나타내었다. (그림 5-5) 곡릉 2보의 하도 형태와 보 및 주변구조물 보는 아래 그림 5-6과 같이 보 마루고가 EL m이고, 보 마루에서 세굴 보호

72 공까지의 높이는 1.5 m, 길이 75 m인 콘크리트구조물로 좌안 측과 중앙에 토출구와 어도가 설치되어 있다. 평수기와 갈수기에는 보의 전반에 걸쳐 월류가 일어나지 않 고, 어도와 토출구로 물이 유출된다. (그림 5-6) 곡릉 2보의 구조 (2) 주변 구조물 현황조사 하도에 설치되어 있는 구조물로는 보 상류 160 m에 외곽순환 도로를 연결하는 교량과 수중보 형태의 보와 삼하교가 곡릉 2보 상류로 580 m와 770 m에 있고, 곡 릉 2보의 하류 방향으로 600 m 지점에 물막이 보와 제방 중간 중간에 통수관들이 설치되어 있다 곡릉 2보 철거 전 후 모니터링 (1) 곡릉 2보의 모니터링 구간 곡릉 2보 철거에 따른 변화를 조사하기 위해 그림 5-7과 표 5-3, 5-4와 같이 보를 기준으로 상류 420 m, 하류 600 m구간을 선정하여, 종 횡단고와 하상재료, 하 도 내 침 퇴적지 등을 철거 전 후와 홍수 후의 변화를 조사하였다

73 (그림 5-7) 측량(좌) 및 하상재료(우) 조사 지점 (표 5-3) 측량 지점별 거리 측량 A B C D E F G H I J K L M N 측점 단면간 거리(m) 누가 거리(m) 물막 측량 비고 기점 보 이 보 종점 (표 5-4) 하상 재료 조사 지점별 거리 하상토 C+218. 조사점 A 95 D F G H I J J K K L L M 단면간 거리(m) 누가 거리(m) 37 비고 기점 채취 보 시점 전면 보 직후 물막이 전면 채취 종점 (2) 강우 및 홍수 조사 가) 강우 사상 곡릉 2보 유역에는 가용한 우량 및 수위관측소가 없으므로, 2002년 하천정비 계획보고서 에서 사용한 서울 관측소의 자료를 분석한 것으로, 유역에 1년간 내린 총 강우량은 mm이고, 그 중 7월 강우량은 mm로 전체 강우량의 60.29%를 차지하고 있고, 7월 12, 16, 27일에 내린 강우량은 각각 226 mm, 241 mm,

74 195 mm로 집중되어 있다. 다음 그림5-8과 5-9는 유역에 내린 월별강우량과 7월 일 별강우량자료이다. (그림 5-8) 2006년, 월별 강우량 (그림 5-9) 2006년 7월, 일별 강우량 나) 홍수 조사 2006년 강우 사상 중 7월 12일에 발생한 홍수를 LSPIV 방법으로 측정하였다. LSPIV 기법은 고정된 위치에서 촬영된 영상을 일정한 시간간격( t)을 가진 연속된 사진으로 추출하여 영상내의 입자군의 위치 변화를 분석하여 유속을 산정하는 방법 으로 그림 5-12처럼 t=t1 일 때 기준점 P를 포함하는 빗금영역의 특성을 인식하여, t 시간 후에 그림 5-13과 같이 Searching area 내에서 동일한 특성을 지닌 영역을 찾아 P에서의 변위를 계산하는 것이다

75 (그림 5-10) t=t1일 때 입 자군 위치 (그림 5-11) t=t1+ t일 때 입자군 위치 그림 5-12 t=t1 일 때 흐름 그림 5-13 t=t+0.2초 일 때 흐름 그림 5-14 유속 벡터의 횡단분포 그림 5-12와 그림 5-13과 같이 7월 12일에 촬영된 홍수 동영상에서 0.2초 간 격으로 추출된 연속 사진을 LSPIV 기법으로 분석하여 그림 5-14과 같은 유속 벡터 를 구하였다. 각각의 유속벡터에 구분단면적을 곱한 구분단면유량을 각각 계산하 고 이를 합산한 결과 유량은 168 m 3 /s 이고, 분할 단면의 평균유속은 2.33m/s 이었 다. (3) 하상재료의 변화 보 철거의 영향으로 생기는 유사양은 준설여부에 따라 당한 차이가 날 수 있 다. 퇴적양이 적고, 하류의 환경이 유사에 민감하지 않다고 판단되는 경우는 철거 시 퇴적지를 준설하지 않을 수 있다. 이때 하상은 평형이 될 때까지 상류로 이동하 는 head-cutting이 발생하고, 이 현상이 일어나는 동안은 평수나 갈수기에도 평소보 다 많은 유사가 꾸준히 하류로 이동한다. 반대로 상류의 퇴적양이 많거나 하류 환 경이 유사에 민감하다면 준설을 실시하여 유사량을 감소시킬 수 있다

76 곡릉 2보의 경우는 하상고가 보 마루에 이를 정도이고, 보 전 후의 하상고 차 이가 커서 준설을 실시하였다. 하상재료 조사는 보를 기준으로 상류 50 m와 하류 450 m 구간 내에 있는 보 저류지와 사주, 만곡부, 하중도 등이 포함된 단면을 추가 하여 단면당 3지점에서 실시하였다. 그림 5-15는 철거 전 후와 홍수기 후에 채취한 시료를 체분석하여 종단거리별로 주요 입경분포를 나타낸 것이다. 아래 그림 5-15는 하상재료 분석에서 대표적으로 쓰이는 D10, D30, D50, D60 의 입경분포를 하도 종단에 따라 도시한 것으로, 하상재료의 교란은 보 근처에서 가장 심하고, 하류로 연속적으로 이어지고 있으나 하류 물막이 보가 하상 교란을 억제하는 것으로 나타나고 있다. 기점에서 m 떨어진 단면 C 는 수심이 깊어서 저수로가 아닌 재방 부근의 사주에서 재료를 채취하였기 때문에 철거나 홍수 후에도 하상재료의 입경 변화가 미미하고, 주로 점토질인 퇴적 토사로 조사되었다. (그림 5-15) 종단거리에 따른 주요 입경의 분포(철거 전 후와 홍수 후)

77 - 철거 전 철거 전의 상류는 D10~D60의 입경이 2.5 mm 이하로 구성되어 있고, 상 하류의 입경을 비교하면 D10의 경우는 상류가 0.3 mm이고 직하류는 0.4 mm로 입경차가 거의 없지만, D30은 1.7, D50은 3.5, D60은 5.1 mm로 통과 중량백분율이 높을수록 입경차이가 커지고 있다. 또한 기점에서 m 까지 입경이 급하게 줄어들다가 이 후에는 약간의 변동을 제외하면 안정되는데, 이는 하류 물막이 보에 의한 흐름 정체와 하류 저류지의 하상이 평형상태에 도달했기 때문으로 판단되고, 저류지는 m에서 시작되는 것으로 보인다. - 철거 후 철거 후, 상류 입경이 증가한 것은 퇴적층 준설과 작은 입자들이 하류로 이동 하여 남아있는 굵은 입경의 비율이 상대적으로 높아지기 때문이다. 특히 보의 직하 류 단면에서 통과중량 백분율에 해당하는 각각의 입자가 1.7 mm 이하로 작아질 만 큼 유사가 퇴적되었고, 철거 전에는 m에서 나타나던 직하류의 입경들이 하 류로 약 53 m 정도 이동하여 m에서 나타나고 있다. 또한 m 주변에 서 입도분포 봉우리가 완만한 것으로 보아 직하류 입자들이 종단을 따라 흩어지고 있는 것을 파악할 수 있다. - 홍수 후 홍수 후에는 m에서 m까지 입경이 크게 증가 했고, 그래프의 봉 우리가 더욱 완만해지고 길어져 있다. 이것은 홍수로 인해 작은 입자들이 정리되고, 유속에 적합한 입자들로 하상이 구성되어 가고 있음을 보여준다. 그리고 m 이하 범위는 하류 저류지역으로 이미 작은 입자들이 퇴적되어 있고, 하류 물막이 보에 의해 하상이 안정된 것으로 보인다. 각 단면의 특성과 연관하여 하상재료의 변화를 분석함으로써 단면특성에 따른 입도분포의 변화와 침식과 퇴적양상을 예측 하는데 중요한 자료로 얻을 수 있을 것이다. - 하상 재료의 종류별 구성 다음 그림 5-16은 채취한 시료를 실트/점토와 모래, 자갈로 분류하여, 그 구성 비를 나타낸 것으로 통과중량 백분율에 대한 입경의 변화와 거의 같은 양상을 보이 고 있다. 실트/점토의 구성 비율이 실제보다 잘 나타나지 않는 것은 수중 채취과정 에서 손실되는 양과 모래와 자갈에 비해 무게의 비율이 거의 없기 때문이다. 철거 와 홍수에 의한 유사 이송은 거의 모래가 대부분을 차지하므로 하상재료의 구성이

78 나 입경은 모래의 퇴적 깊이에 따라 좌우되고, 점차 모래층이 얕아지면서 하도의 흐름 부는 유속에 따라 자갈과 모래가 하상의 대부분을 차지할 것이고 자갈 모래 하상으로 안정될 것이다. (그림 5-16) 종단 거리에 따른 하상재료의 종류별 분포(철거 전 후와 홍수 후) (4) 하상 변동조사 곡릉 2보 철거로 인한 하도 안정성과 홍수의 소통 능력 및 하천구조물의 안정 성을 분석하고 예측하기 위해 보 상 하류의 주요 지점에서 종 횡단 측량을 실시하 였다. 측량을 통해 얻어진 하상고의 변화는 유사유출량이나 비유사량 등의 변화를 평가하고, 장기적인 하도 변화를 예측하는데 필요한 중요한 자료가 된다. 하상 변동 조사는 철거 전, 2006년 4월 1일과 후인 2006년 5월 30일 그리고 홍

79 수 후인 2006년 8월 4일, 3차에 걸쳐 모니터링 구간인 1000 m 걸쳐 측량으로 이루 어졌다. 가) 종단 변화 보 철거의 경우, 보 직상류는 침식에 의해 하상고가 낮아지고, 직하류에서는 유 사 이송에 의해 퇴적되는 것이 일반적이다. 그림 5-17, 5-18은 곡릉 2보의 상 하류 의 종단고를 측량하여 상류와 하류로 구분하여 AUTO-CAD로 하상고를 그린 것이 다. - 상류 보의 상류면은 인위적인 준설로 인해 하상고는 EL m에서 EL m로 약 1 m 낮아졌으며, 이때 보에서 상류 단면 C까지 철거 전 후의 종단 하상고의 변 화를 이용하여 단위 폭당 침식량을 산정한 결과 약 m 3 /m으로 나타났다. 홍수 후의 변화를 조사한 결과, 하상고는 보에서 단면 C까지는 낮아지고, 단면 C에서 단 면 B까지는 상승했다. 이 두 구간에서 철거 후인 5월 30일의 하상고와 8월 4일의 하상고를 이용하여 단위폭당 침식량과 퇴적량을 계산한 결과 침식량은 3 m 3 /m 이 고, 퇴적량은 37.8 m 3 /m로 산정되었다. 보 철거 전후의 하상고 변화가 단면 C의 상 류에서는 나타나지 않는 것으로 보아 철거의 직접적인 영향은 상류로 약 250 m까 지인 것으로 판단된다. 홍수를 기준으로 퇴침량과 퇴적량을 비교한 결과에 나오듯 이, 홍수시 먼 상류에서 유입되는 유사에 의해 오히려 퇴적되었음을 알 수 있다. (그림 5-16) 보 상류의 종단 하상고 - 하류 보 하류의 측량은 기본 11개 단면을 선정했고, 만곡부나, 퇴적지 단면을 추가 하여 조사하였고, 그림 5-18은 총 3차례에 걸쳐 측정한 자료를 도시한 것이다. 하류