韓國水資源學會論文集第 47 卷第 1 號 2014 年 1 月 pp. 63~70 J. KOREA WATER RESOURCES ASSOCIATION Vol. 47, No. 1:63-70, January 2014 http://dx.doi.org/10.3741/jkwra.2014.47.1.63 pissn 1226-6280 eissn 2287-6138 가평천의저서성대형무척추동물서식처의수리특성분석 Hydraulic Habitat Analysis of Benthic Macroinvertebrates at Gapyeong Stream 김진홍 * Kim, Jin Hong... Abstract Hydraulic habitat analysis of Benthic Macroinvertebrates was performed at Gapyeong stream. Among the kinds of the Benthic Macroinvertebrates, the most representative ones are the Ecdyonurus kibunensis from the clingers, Paraleptophlebia cocorata from the swimmers, Chironomidae spp from the burrowers, Psilotreta kisoensis iwata from the sprawlers. They showed different habitat types by the hydraulic conditions such as flow velocity, depth and particle size of riverbed materials. Habitat conditions of swimmers were determined mainly by the flow velocity rather than flow depth or riverbed materials. Burrowers prefer sand and silt, and inhabited at the riverbed. Sprawlers prefer cobble or boulder and inhabited for velocity of 0.05~0.15 m/s. Clingers prefer pebble or cobble and inhabited for velocity of 0.06~0.15 m/s. Although the habitats of each groups are different by the hydraulic properties, they were found to be different mainly by the water velocity. Keywords : Benthic Macroinvertebrates, velocity, depth, swimmers, burrowers, sprawlers, clingers... 요지본연구에서는가평천을대상으로저서성대형무척추동물서식처의수리특성을조사하였다. 각각의무리들중에서대표적인종은, 붙는무리는두점하루살이, 헤엄치는무리는두갈래하루살이, 굴파는무리는깔따구, 기는무리는바수염날도래이었다. 저서성대형무척추동물은유속과수심, 하상의재료등하천의수리학적특성에따라다른종류의무리들이서식하는것으로관찰되었다. 헤엄치는무리는수심이나하상재료보다는주로유속에의하여그서식상태가결정되었고, 0.15~0.36 m/s 에서서식하였다. 굴파는무리는하상재료가모래나실트인곳을선호하고하상또는바로상부에서서식하였다. 기는무리는하상재료가주로자갈이나호박돌인곳을선호하고유속이 0.05~0.15 m/s 에서서식하였다. 붙는무리는하상재료가조약돌이나자갈인곳을선호하고유속이 0.06~0.15 m/s 에서서식하였다. 각무리별서식처의수리특성이달라지지만, 일반적으로저서성대형무척추동물은유속에의해서식상태가달라진다는것을알수있었다. 핵심용어 : 저서성대형무척추동물, 유속, 수심, 헤엄치는무리, 굴파는무리, 기는무리, 붙는무리... 1. 서론저서성대형무척추동물은하천생물중에서가장다양하고풍부한무리일뿐만아니라, 영양단계의저차소비자의역할을하므로하천생태계의구성원으로서중요하 다 (Ward, 1992). 뿐만아니라이동이적어정량채집이용이하며, 하천의수중환경에따라특정종의변화와개체수의분포등군집구조의차이가뚜렷하여하천생태계의수질과환경변화를모니터링하는지표생물로널리이용된다 (Reice and Wohlemberg, 1993). 저서무척추동물은 * 중앙대학교공과대학건설환경플랜트공학과교수 (e-mail: jinhkim@cau.ac.kr, Tel: 02-820-5893) Prof. Dept. of Civil, Environmental & Plant Eng., Chung-Ang University, Seoul 156-756, Korea 第 47 卷第 1 號 2014 年 1 月 63
수서곤충이전체종수의 80% 이상의대다수를차지하며, 그외에갑각류등기타절지동물, 연체동물, 환형동물, 편형동물등이포함된다. 우리나라에서저서성대형무척추동물생태에관한연구는하천의유역별, 분류군별군집조성및서식처와생활사위주의조사연구가있으며, 하천생태계에서의기능적군집연구로서섭식기능군유형의분석이이루어지고있다 (Bae et. al., 2003; Yoon et. al., 1990). Kwak et al. (2004) 은오염하천과청정하천을대상으로강우와기온변화에따른저서성대형무척추동물의풍부도와생체량변동영향을분석하였다. 외국에서는하천의생태및수질환경과환경변화를모니터링하는지표생물로주로연구되고있다 (Fenoglio and Cucco, 2004; Ivan and Biserka, 2004; Lancaster and Hildrew, 1993). 저서성대형무척추동물의수리학적분석과관련하여, 국내에서는 Lee et al. (2006a; 2006b) 이실내수리실험을통해인공순환수로에서깔따구의흐름에따른분포영역을조사하였으며이를수치모델결과와비교하였다. 그러나저서성대형무척추동물을무리별로구분하여현지하천을대상으로각서식처의수리학적특성을분석한연구는없는실정이다. 저서성대형무척추동물중에서가장많은종류수를차지하고있는수서곤충류는같은수계에서도살고있는미소서식처가서로다른데, 이들미소서식처는주로하상구조 (substrate), 유속등과같은환경요인에의하여결정된다. 미소서식처에서수서곤충이서식하는형태에따라기는무리 (sprawlers), 붙는무리 (clingers), 굴파는무리 (burrowers), 헤엄치는무리 (swimmers) 로분류할수있다 (Merigoux and Doledec, 2004). 본연구는현지조사를통하여상기분류된 4가지형태의무리에대해서식처의수리및수질특성을분석하였다. 수리특성으로서흐름의수심, 유속, 수온과하상재료의입경을측정하였으며, 수질특성으로서용존산소및 DO를측정하여이들의상관성을분석하였다. 2. 현지조사 2.1 조사대상지역현지조사는비교적자연서식처가잘보존된가평천을대상으로하였다. 가평천은수도권의상수원이며, 대규모도시나공장지대와같은큰오염원이없기때문에비교적양호한수질상태를유지하고있다. 본연구에서는가평천내에서서식하고있는저서성대형무척추동물의군집조성과생활사위주의생태환경조사가아닌, 서식처의수리학적특성을조사하였다. 한강수계의가평천은한강의제2지류로서경기도가평군북면적목리를기점으로유로연장 41.82 km, 유역면적 306.60 km 2 인지방하천이다. 조사는 Fig. 1과같이가평천의상류역및하류역, 지천으로 3개지점을선정하여실시하였다. Site 1 : 조사지역중지천으로상류에위치하며하폭은 20 m이고가림교를제외한인공구조물은없다. 수량은풍부하며, 굵은사질과자갈의하상을이루고있다. 지천임에도하폭이넓고수량이비교적풍부하며, 서식에적합한하상재료 ( 굵은사질과자갈 ) 로구성되어대상지점 (a) Site 1 (b) Site 2 (c) site 3 Fig. 1. Location of Study Area 64 韓國水資源學會論文集
에선정하였다. Site 2 : 명지산군립공원에위치하며산간계류로본류상류에위치한다. 하폭은 7m이고굵은사질과자갈및큰돌의하상을이루고있다. 수량은풍부하고선바위교를제외하고는흐름에영향을미치는인공구조물은없다. Site 3 : 가평시내를끼고북한강으로유입되는가평교아래지점으로하상은자갈, 사질토로이루어져있다. 하폭은 30~40 m이고하상에부식질과이끼류가비교적많이붙어있다. 2.2 조사기간및조사방법저서성대형무척추동물의서식처와수리특성을조사하기위해서 2007년 9월부터 2011년 4월까지총 5회에걸쳐실시하였다. 조사시기는 1차조사-2007년 9월 21일, 2차조사-2007년 10월 27일, 3차조사-2008년 3월 27일, 4차조사 -2008년 4월 12일, 5차조사 -2011년 4월 10일이다. 기온의급강하로인하여개체수가감소하는겨울철과홍수로인하여서식처훼손이일어나는여름철은제외하였다. 2008년이후 2년이경과한 2011년에도가평천조사지점의하상교란이나제외지의토지이용에변화가없었기때문에서식상태가바뀌지는않았으며, 따라서 2011년자료도같이포함시켰다. 수리특성조사를위하여저서성대형무척추동물의서식이활발한지점을 Site 별로 5~7 곳을선정하여각지점별수온, 수심, 유속, 하폭을조사하였다. 수온은포터블측정기기 (YSI550DO) 로현지에서측정하였고, 유속은 0.001~ 4.5 m/s 까지측정가능한초음파식 Flow Tracker 유속계를이용, 측정하였다. 측정지점은하상으로부터 60% 에해당하는곳으로선정하였다. 저서성대형무척추동물의채집은정량적인방법을이용하였다. 채집도구는서버넷을사용하고, 대표지점을선정한후반복하여채집하였다. 저서성대형무척추동물의분석은서식형태에따른 4가지무리들중에서가평천에서많이발견되는종을선별하여조사하였다. 채집조사와수리특성조사는하류로부터상류로거슬러올라가면서실시하였다. 이는상류에서부터조사할경우흐름및하상의교란으로하류에영향을줄수있기때문이다. 저서성대형무척추동물의개체수조사방법은아래 Fig. 2에나타냈다. 3. 조사결과 3.1 각무리별서식처특성및서식상태저서무척추동물은하천의바닥환경에기반을두고서식하며, 이동성이적으므로군집의정량적연구가용이하다 (Won et. al., 2005). 가평천에서발견되는각각의무리들중에서대표적인수서곤충으로, 붙는무리는두점하루살이 (Ecdyonurus kibunensis), 헤엄치는무리는두갈래하루살이 (Paraleptophlebia cocorata), 굴파는무리는깔따구 (Chironomidae spp), 기는무리는바수염날도래 (Psilotreta kisoensis iwata) 이었다 (Fig. 3). 무리별서식처의특성은, 굴파는무리의경우하상재 Collect for 2~4 times at the investigation spot with the server net (50 50 cm) Perform the sorting with fixed sieve Preserve with 70~80% of Ethyl alcohol Classify the specimen by their morphological feature figured out by the microscope. Fig. 2. Site Collection of Benthic Macroinvertebrates (a) Ecdyonurus kibunensis (b) Paraleptophlebia cocolata (c) Chironomidae spp Fig. 3. Four Types of Water Insects Found in Gapyong Stream (d) Psilotreta kisoensis iwata 第 47 卷第 1 號 2014 年 1 月 65
료가모래나실트인곳이었다. 붙는무리는하상재료가자갈 (Cobble) 인곳에서서식하였다. 헤엄치는무리는다양한지역에분포함으로써하상재료에크게영향을받지않는것으로판단된다. 기는무리는하상재료가자갈 (Cobble) 이나호박돌 (Boulder) 이상인곳에서주로서식하였다. 무리별서식상태를보면붙는무리는주로유속이빠른여울지역에서서식하는무리로몸이떠내려가지않도록하는길고구부러진발톱, 납작한체형, 흡반 (suctorial disc) 과같은형태적인특징을지녔다. 헤엄치는무리는유수생태계에서물고기처럼헤엄칠수있는무리로짧은시간동안헤엄을친후하상이나수생식물에붙는습성을보였다. 굴파는무리는모래또는실트의하상에서굴을파고몸을숨기는서식형태이었다. 기는무리는하상의표면을기어다니며먹이를섭취하거나은신하는무리이었다. 3.2 각무리별서식처의수리특성 3.2.1 유속및수심저서성대형무척추동물서식처의유속과수심상태는 Fig. 4와같다. 붙는무리는유속이 0.06~0.15 m/s 사이에서수심은 0.2~0.5 m에서주로관찰되었다. 헤엄치는무리의서식처유속은 0.15~0.36 m/s 이며, 하상으로부터 20~ 80% 의지점에서관찰되었고, 비교적다른무리보다유속과수심에서넓은범위의서식형태를지니고있는것을알수있었다. 굴파는무리는하상이나그보다약간위에서주로서식하며, 이부근에서의유속은 0.05 m/s 이하였다. 기는무리는유속이상대적으로낮은하안의수심이약간깊은곳에서서식하며, 유속 0.05~0.15 m/s 였다. Fig. 4를보면, 붙는무리와기는무리는대체적으로유속과수심이유사한영역에서서식하며, 각무리의수심별서식영역은굴파는무리를제외하고는차이가없음을알수있다. 이는저서성대형무척추동물이주로수심보다는유속에따라서서식상태가결정되기때문이다. 3.2.2 하폭하폭과유속및수심에따른서식형태는 Fig. 5와같다. 저서성대형무척추동물은유속이상대적으로느리고먹이가되는조류, 식물조각, 부식질및미네랄이풍부한하안쪽에서주로서식하는것으로조사되었다. 따라서하폭이큰경우가하폭이작은경우보다하안의유속이느리고많은먹이를가질수있는환경을가짐으로써이들의서식영역이커지게됨을알수있었다. 3.2.3 하상재료의입경하상재료의입경에따른서식형태는 Fig. 6과같다. 주로하상재료의입경이클수록하상재료의측면의유속은커지고배면은유속이급격히작아진다. 따라서저서성대형무척추동물은상대적으로하상재료의측면보다는주로배면에서식하였다. 무리별서식상태를보면굴파는무리는하상재료가모래나실트인곳에서서식하였다. 붙는무리는하상재료가조약돌 (Cobble) 인곳에서서식하였다. 헤엄치는무리는다양한지역에분포함으로써하상재료에크게영향을받지않는것으로판단된다. 기는무리는하상재료가조약돌 (Cobble) 이나호박돌 (Boulder) 이상인곳에서주로서식하였다. 이는하상재료의입경이커서활동영역이넓어지게되고, 흐름의유속이크더라도배면의유속은작기때문이다. 이러한하 Fig. 4. Habitat Region by Flow Velocity and Depth Fig. 5. Habitat Region by Flow Width 66 韓國水資源學會論文集
Fig. 6. Habitat Region by Particle Size 상재료의입경에따른무리별서식영역의차이는하상재료가유속을감소시키면서저서성대형무척추동물의먹이가되는유기물을잡아둘수있기때문이다 (Rabeni and Minshall, 1977). 3.2.4 Reynolds 수각무리별 Reynolds 수와의관계는 Fig. 7에나타나있다. Fig. 7에서흐름의 Reynolds 수, 와하상재료의 Reynolds 수, 는각각다음식으로표시된다., (1) Fig. 7. Habitat Region by Particle and Flow Reynolds Number 여기서 는유속, 는수심, 는동점성계수, 는하상재료의입경을나타낸다. Fig. 7을보면, 각무리별로서식영역이구분된다. 굴파는무리는 와 모두작은영역에서식하고, 기는무리와붙는무리는 는작고 는상대적으로큰영역에서식하며, 헤엄치는무리는 와 의넓은영역에걸쳐서식하고있다. 이는굴파는무리가흐름의유속및하상재료의크기가작은영역, 기는무리와붙는무리는흐름의유속은작고하상재료의크기가큰영역, 헤엄치는무리는흐름의유속과하상재료의크기에서자유롭기때문이다. 3.2.5 Froude 수및 Reynolds 수 각무리별 Froude 수및 Reynolds 수와의관계는 Fig. 8에나타나있다. Fig. 8에서 Froude 수, 는다음식으로표시된다. 여기서, 는중력가속도이며, 나머지변수는 Eq. (1) 에서 (2) Fig. 8. Habitat Region by Froude Number and Flow Reynolds Number 소개되었다. Fig. 8은 Fig. 7에비해서식영역이분명함을알수있다. 굴파는무리는 와 모두아주작은영역에서식하고, 기는무리와붙는무리는 와 모두작은영역에서식하며, 헤엄치는무리는상대적으로큰영역에서식하고있다. 이는굴파는무리가흐름의유속이아주작은영역, 기는무리와붙는무리는흐름의유속은작은영 第 47 卷第 1 號 2014 年 1 月 67
역, 헤엄치는무리는흐름의유속이크기때문이다. 3.2.6 Manning 의조도계수 각무리별서식처와 Manning 의조도계수와의관계는 Fig. 9에나타나있다. Fig. 9에서 Manning 의조도계수는평균유속공식을역산하여아래와같이계산되었다. 여기서, 는평균유속, 은동수반경, 는흐름의마찰경사를나타낸다. Fig. 9를보면, 굴파는무리는조도계수가 0.041~0.062, 기는무리는조도계수가 0.105~0.150, 붙는무리는조도계수가 0.110~0.160의영역에서식하고, 헤엄치는무리는조도계수가비교적넓은범위의영역에걸쳐서식하였다. 이는하상재료의입경과서식처와의관계에서언급하였듯이, 굴파는무리는하상재료가모래인곳에서서식하고, 붙는무리는하상재료가조약돌 (Cobble) 인곳, 기는무리는하상재료가조약돌 (Cobble) 이나호박돌 (Boulder) 인곳에서주로서식하며, 헤엄치는무리는다양한지역에분포함으로써하상재료에크게영향을받지않는것으로판단되기때문이다. 이는 Lee et al. (2012) 이 Box-Wishker 분석에의한현장자료의조사에서분석한바와같이, 모래인경우 0.004~0.151, 자갈인경우 0.008~0.250, 조약돌인경우 0.015~0.327, 호박돌인경우 0.023~0.444와유사한경향을보이고있다. (3) 산소상태는 Fig. 10과같다. Fig. 10을보면, 굴파는무리는용존산소가 3.0~5.2, 기는무리와붙는무리는용존산소가 2.7~7.4의영역에서식하고, 헤엄치는무리는용존산소가 5.0~8.0의영역에걸쳐서식하였다. 대체적으로용존산소는유속과비례관계에있음을개략적으로나타내는데, 이는유속이커짐에따라하상재료는커지고이에수반하여폭기현상이증대되어공기중의산소가수중으로전달 (Oxygen Transfer) 이용이하게되기때문이며, 각무리들이일정한범위내의유속에서서식하는경향과관련되기때문이다. 3.3.2 생물화학적산소요구량 (BOD) 저서성대형무척추동물서식처의 Froude 수와 BOD와의관련성은 Fig. 11과같다. Fig. 11을보면, 굴파는무리는 BOD가 3.3~3.8, 기는무리와붙는무리는 BOD가 2.0~3.3의영역에서식하고, 헤엄치는무리는 BOD가 1.5~3.8의영역에걸쳐서식하였다. 대체적으로 Froude 수와 BOD는반비례관계에있음을개략적으로나타내는데, 이는 Froude 수가커짐에따라유속이커지고상대적으로수심은낮아공기중의산소가수중으로전달이잘되기때문이다. 굴파는무리는 3.3 각무리별서식처의수질특성 3.3.1 용존산소 저서성대형무척추동물서식처의무리별유속과용존 Fig. 10. Habitat Region by Flow Velocity and Dissolved Oxygen Fig. 9. Habitat Region by Manning s n and Particle Size Fig. 11. Habitat Region by Flow Velocity and Dissolved Oxygen 68 韓國水資源學會論文集
유속이작고수심이큰영역에서식하기때문에 BOD가상대적으로높았고, 기는무리와붙는무리는유속이큰영역에서식하기때문에 BOD가상대적으로낮았으며, 헤엄치는무리는유속과수심에비교적자유롭기때문에 BOD가상대적으로넓은범위의영역에걸쳐서식하였다. 본연구결과저서성대형무척추동물은가평천하류보다상류와중류에서더많이서식하는것으로나타났다. 이는상류및중류의경우하상구조가암반및호박돌등하상구조의다양성이높아하상에서의유속을감소시키는역할을하며, 따라서피난처를제공하여유속에대한저항성이하류에비해높은것으로판단된다. 한편하류의경우지류가유입되어유량이증가하고, 교란시간이상류에비해길어저서성대형무척추동물군집에더영향을받는것으로판단되기때문이다. 본연구는가평천을대상으로서식처의수리특성을조사하였다. 추후좀더수리특성이다른자갈이나굵은사질토의하천을대상으로추가조사하여일반적인저서성대형무척추동물서식처의수리특성을분석할예정이다. 4. 결론가평천에서발견되는저서성대형무척추동물의각각의무리들중에서대표적인종은, 붙는무리는두점하루살이, 헤엄치는무리는두갈래하루살이, 굴파는무리는깔따구, 기는무리는바수염날도래이었다. 저서성대형무척추동물은유속과수심, 하상의재료등하천의수리학적특성에따라다른종류의무리들이서식하는것으로관찰되었다. 붙는무리는유속이 0.06~0.15 m/s 사이에서수심은 0.2~0.5 m에서주로관찰되었다. 헤엄치는무리는유속 0.15~0.30 m/s 이며, 수심은하상으로부터 20~80% 의지점에서관찰되었고, 수심이나하상재료에자유로운서식형태를지니고있었다. 굴파는무리는하상이나그보다약간위에서주로서식하며, 이부근에서의유속은 0.05 m/s 이하였다. 기는무리는유속이상대적으로낮은하안과수심이깊은곳에서서식하며, 유속 0.05~0.15 m/s 였다. 붙는무리와기는무리는대체적으로유속과수심이유사한영역에서서식하며, 각무리의수심별서식영역은굴파는무리를제외하고는차이가없음을알수있었다. 하상재료별서식상태를보면굴파는무리는주로하상재료가모래나점토인곳에서서식하였다. 붙는무리는하상재료가자갈인곳에서서식하였다. 헤엄치는무리는다양한지역에분포함으로써하상재료에크게영향을받지않는것으로판단되었다. 기는무리는하상재료 가자갈이나호박돌이상인곳에서도서식하였다. 각무리별서식처의수리특성이달라지지만, 일반적으로저서성대형무척추동물은유속에의해서식상태가달라진다는것을알수있었다. 감사의글본연구는과학기술부가출연하고한국과학재단에서위탁시행한 2007년도기초과학연구사업 (R01-2007-000-20442-0) 에의한특정기초연구사업단의연구성과입니다. 본논문을작성하기위해현지조사와자료를제공해준대학원생에게도감사를표합니다. References Bae, Y.J., Won, D.H., Hwang, D.H., Jin, Y.H., and Hwang, J.M. (2003). Community composition and functional feeding groups of aquatic insects according to stream order from the Gapyeong Creek in Gyeonggi-do, Korea. Korean J. Limnol., Vol 36, No. 2, pp. 21-28. Fenoglio, S., and Cucco, T.B. (2004). Small-scale macroinvertebrate distribution in a riffle of a netropical rainforest stream. Caribbean Journal of Science, Vol. 40, No. 2, pp. 253-257. Ivan, H., and Biserka, P.H. (2004). Current velocity and food supply as factors affecting the composition of macroinvertebrates in bryophyte habitats in karst running water. Biologia, Bratislava, Vol. 59, pp. 577-593. Kwak, I.S., Song, M.J., and Jeon, T.S. (2004). The effects of natural disturbances on benthic macro-invertebrate. Korean J. Limnol, Vol. 37, No. 1, pp. 21-28. Lancaster, J., and Hildrew, A.G. (1993). Flow refugia and the microdistribution of lotic macro-invertebrtes. Journal of the North American Benthlogical Society, Vol. 12, No. 4, pp. 385-393. Lee, S.H., Lee, J.M., Kim, T.W., and Baek, J.P. (2006). Research paper : the distribution of chironomids by flow mechanisms-numerical computation-. Journal of Korean Society on Water Quality, Vol. 22, No. 1, pp. 159-165. Lee, S.H., Lee, J.M., Park, J.H., and Song, Mi.Y. (2006). Research paper : The distribution of chironomids by 第 47 卷第 1 號 2014 年 1 月 69
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