1. 서 론

하천은 단순한 수자원의 공급원이 아니라 다양한 생물종이 의존하는 복합적 생태계이다. 특히 유량은 하천 생태계의 구조와 기능을 규정하는 핵심 요인으로 수심, 유속, 하상재료 등 물리·화학적 환경에 직접적 영향을 미친다(Karr and Dudley 1981, Poff et al. 2010). 하천의 유량 체계는 유황(Flow regime)의 변화에 따라 변화하며, 단순히 총량뿐 아니라 시기적·계절적 변동이 생물의 서식 환경에 영향을 미치므로 생물별로 적합한 유량 조건이 지속적으로 유지되는 것이 필수적이다(Bunn and Arthington 2002, Noh et al. 2024, Baruch et al. 2022).

환경생태유량은 수생태계 건강성을 유지하기 위한 최소한의 유량으로 정의되며(MOE 2018), 일반적으로 물리적 서식처 모형을 활용하여 유역 또는 하천의 대표어종을 기준으로 산정된다(Bovee 1982, Stalnaker et al. 1995). 생태유량 산정에는 주로 유지유량증분방법론(IFIM, Instream Flow Incremental Methodology)이 적용되며, 유량을 점차 증가시키면서 어류의 서식처에 가장 적합한 유량을 찾아내는 방식이다. 특히 미국 USGS에서 개발한 1차원 물리적 서식처 모델인 PHABSIM (Physical Habitat Simulation System)은 수심, 유속, 하상재료 등의 물리적 특성을 반영하여 가중가용면적(WUA)을 산정하고(Park et al. 2020), 이를 통해 특정 어류의 서식에 최적인 유량을 제시할 수 있어 널리 활용되고 있다(Hur et al. 2014, Jang et al. 2018, Bovee 1986).

국내의 환경생태유량 산정 연구는 하천의 실측 자료나 선행연구를 통한 어류 모니터링 자료를 활용하는 방식으로 일부 지역을 대상으로 적용하는 연구가 수행되고 있다. Kim et al. (2023)은 SWAT 모형과 PHABSIM 모형을 연계하여 낙동강 구담교 지점의 최적 생태유량을 산정하고 이를 하천유지유량과 비교하는 연구를 수행하였다. Lee et al. (2022)는 PHABSIM을 활용하여 복하천 하류 구간에서 우점 어종인 피라미의 생애주기별 서식처 적합도를 평가하고, 이를 통해 최적 환경생태유량을 제시하였다. 또한 Park et al. (2020)는 반변천을 대상으로 HEC-RAS와 PHABSIM을 연계한 수리·생태 모형을 구축하고, 대표 어종인 피라미와 참몰개에 대해 HSI (Habitat Suitability Index)를 적용하여 최적 생태유량을 도출하였으며, 2023년 연구에서는 수리학적 요인뿐 아니라 수온과 용존산소 등 수질 요인을 함께 고려한 장기 서식처 평가를 통해 최소 생태유량을 제시하였다(Park et al. 2023).

대부분의 선행 연구들은 개별 하천이나 특정 구간에 대해 세밀한 분석을 수행한 연구가 수행되었으며, 전국 단위에서 취약지점을 대상으로 생태유량을 산정하고 권역별·지점별로 평가한 사례는 드물다. 이에 따라 최근 유량 자료를 활용하여 환경생태유량 확보 가능성을 검토하고, 부족일수와 같은 지표를 도입해 실제 하천이 생태적 요구량을 어느 정도 충족하는지를 평가할 필요가 있다. Kim et al. (2022)는 전국 73개 취약지점을 도출하여 전국 단위 수량·수질·수생태계 건강성을 고려하여 취약 지점을 선정하는 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 선행연구에서 도출된 전국 73개 취약지점을 대상으로 환경생태유량을 정량적으로 산정하고, 이를 갈수량(Q355), 저수량(Q275), 평수량(Q185)과 비교함으로써 환경생태유량의 상대적 위치를 분석하였다. 또한 환경생태유량을 충족하지 못한 기간을 ‘부족일수’로 정의하고, 2015–2024년의 유량 자료를 기반으로 지점별·권역별 부족일수를 산정함으로써 실제 환경생태유량 확보 가능성을 분석하였다.

2. 연구 방법

2.1 생태유량 산정 대상지점

전국 단위에서 환경생태유량 산정이 필요한 취약지점을 체계적으로 도출하기 위해 Kim et al. (2022)은 수생태 건강성, 유량, 수질을 종합적으로 고려하는 분석 절차를 제시하였다. 해당 연구는 기존의 단일 지표 중심의 평가 한계를 보완하고, 수계별로 관리가 시급한 지점을 선별하기 위한 전국적 스크리닝 기법으로 활용될 수 있다는 점에서 의의가 있다. 분석 절차는 먼저 유량(일단위), 수질(일단위), 수생태(연 2회) 자료를 통합하여 데이터베이스를 구축하였다. 이후 중권역 단위에서 모니터링된 어류평가등급(Fish Assessment Index, FAI)을 환경부가 제시한 수생태 목표기준과 비교하여 기준 충족 여부를 판정하였다. 수생태 목표기준을 충족하지 못한 지점을 대상으로 유량과 수질의 악화 여부를 검토하였다. 유량의 경우, 갈수량이 Tennant 방법에서 제시하는 최소유량(평균 유량의 10%)보다 작은 경우를 유량 불충분으로 판정하고, 갈수량·저수량·평균유량의 장기적 감소 추세가 있는 경우도 포함하였다. 수질은 부하지속곡선(Load Duration Curve, LDC)을 적용하여 BOD와 T-P에 대해 분석을 수행하였다. 갈수기와 저수기에서 수질 목표 달성율이 50% 미만인 경우 수질 악화로 판정하였다. 최종적으로, 수생태 목표를 만족하지 못하면서 동시에 유량 또는 수질 조건이 악화된 지점을 환경생태유량 산정을 위한 취약지점으로 선정하였다.

이와 같은 절차를 통해 전국 5대 권역에서 총 73개의 취약지점이 도출되었다. 권역별로는 한강 24개, 낙동강 17개, 금강 17개, 영산·섬진강 15개 지점이 해당된다. 환경생태유량을 산정하기 위해서는 해당 지점에서 우점하는 어종의 서식적합도지수(Habitat Suitability Index, HSI) 자료 등 수생태계 모니터링 결과가 필요하다. 따라서 수생태계 모니터링이 가능한 지점을 대상으로 최종 49개 지점이 환경생태유량 산정을 위한 최종 취약 지점으로 선정되었다. Fig. 1은 최종 취약지점을 나타낸 것으로, 한강권역 14개 지점, 낙동강 권역 15개 지점, 금강권역 11개 지점, 영산·섬진강 권역 9개가 해당된다.

Fig. 1.

Map showing the distribution of selected vulnerable sites across Korea.

2.2 환경생태유량 산정

2.2.1 대표어종 선정

환경생태유량 산정을 위해서는 하천의 물리적 특성과 실제 서식하는 어류의 생태적 특성을 반영할 수 있는 대표어종의 선정이 필수적이다. 본 연구에서는 현장 모니터링 결과를 종합하여 전국 주요 권역의 취약지점별 대표어종을 선정하였다. 이를 위해 강우 빈도와 유량 변동이 상대적으로 작은 4–6월을 대상으로 집중적인 어류 모니터링을 수행하였으며, 수심, 유속, 하상재료 등 물리적 서식처 특성과 채집된 어종의 개체수를 조사하였다. 모니터링은 낙동강(2021), 한강(2022), 금강(2023), 영산·섬진강(2024)에서 권역별로 실시되었으며, 연도는 다르지만 모두 4–6월의 동일한 계절 조건에서 수행되었다.

대표어종은 지점별 조사 결과를 기반으로 종수, 개체수, 상대 풍부도 등을 고려하여 선정되었다. 단순히 우점도가 높은 종뿐만 아니라 법정보호종, 고유종, 생태적으로 중요도가 높은 종을 우선적으로 고려하였다. 이를 통해 각 지점에서 대표어종 1종과 대리어종 1-2종을 선정하였으며, 전 권역에서 공통적으로 출현하는 광범위한 종은 가능하면 제외하고, 해당 수계의 특성과 취약성을 잘 반영할 수 있는 종을 중심으로 대표어종을 결정하였다. 이와 같은 절차를 통해 구축된 대표어종은 이후 서식처적합도지수(HSI) 산정에 활용되었으며, PHABSIM 모의를 통해 유량-서식처 관계를 정량화하고 환경생태유량을 산정하는 기초자료로 사용되었다.

2.2.2 PHABSIM

본 연구에서는 환경생태유량 산정을 위해 PHABSIM (Physical HABitat SIMulation)을 활용하였다. PHABSIM은 유량증분방법(Instream Flow Incremental Methodology, IFIM)에 기반한 1차원 모형으로, 다양한 유량 조건에서 하천 내 물리적 서식처의 생태적 적합성을 평가하기 위해 개발되었다(Bovee 1982). 하천에 서식하는 생물은 수심, 유속, 하상재료 등 물리적 서식처 조건뿐 아니라 수온, 수질, 유역의 에너지 공급 등 다양한 환경 요인(Karr and Dudley 1981)에 의해 영향을 받는다. PHABSIM은 이러한 생태적 특성을 반영하여 하천 구간을 여러 단면으로 구분하고, 각 단면에서 수리학적 변수를 산정한 뒤 이를 토대로 서식처의 물리적 흐름 특성을 정량화한다. 이후 유량을 점차 증가시키며 어류 서식 가능 면적인 가중가용면적(Weighted Usable Area, WUA)을 산정하고, WUA가 최댓값을 보이는 시점의 유량을 최적 환경생태유량으로 제시한다.

정확한 모의를 수행하기 위해서는 대상 하천 구간에 대한 어류 모니터링 결과와 수리학적 데이터가 필요하다. 즉, 대표 어종에 대한 서식처 적합도 지수(Habitat Suitability Index, HSI)를 구축하고, 동시에 횡단 측점별 수심, 유속, 하상재료 데이터가 필요하다. PHABSIM은 이러한 데이터를 바탕으로 WUA를 산정하는데, 이는 물리적 점유 면적과 대표 어종의 복합 서식처적합도지수(Combined Suitability Index, CSI)의 곱으로 계산된다(Eq. 1). SCI는 각 격자에서 유속, 수심. 하상재료에 대한 HSI를 곱하여 산정된다(Eq. 2).

여기서 WUA는 가중가용면적, Ai는 격자 i에서의 점유면적, CSIi는 복합서식처적합도지수, Vi는 유속에 대한 HSI, Di는 수심에 대한 HSI, Si는 하상재료에 대한 HSI를 의미한다.

또한, PHABSIM의 입력자료로는 대상 지역의 각 하천단면 자료(유량별 수위, 유속 등)가 필요하다. 지점별 하천기본계획 보고서의 실측치를 이용하여 단면자료를 입력하였으며, 미육군 공병단에서 개발한 하천해석 시스템 HEC-RAS를 이용하여 수위, 유속 등을 모의한 뒤 해당 자료를 PHABSIM 입력자료로 활용하였다.

본 연구에서는 모니터링을 통해 지점별 대표 어종을 선정하고, 해당 어종의 HSI를 적용하여 유량 단계별 WUA 곡선을 산정하였다. 이후 WUA가 최대값이 되는 유량을 환경생태유량으로 결정하였다.

2.3 부족일수

본 연구에서는 PHABSIM을 활용하여 산정된 환경생태유량이 실제 유량에서 어느 수준에 위치하며, 실제로 유지할 수 있는 유량인지를 평가하기 위해서 1) FDC 기반 상대적 위치 평가, 2) 부족일수 산정 두 가지 방법을 통해 분석을 수행하였다. 첫 번째로 유량지속곡선(FDC, Flow Duration Curve)은 특정 유량이 일정 기간 동안 초과되거나 미만인 빈도를 나타내는 곡선이다. FDC 기반 상대적 위치평가를 위해 2015-2024년의 최근 10년 일유량 자료를 이용하여 지점별 평균 유황곡선을 작성하였다. 이후 산정된 환경생태유량이 갈수량(Q355), 저수량(Q70), 평수량(Q185)과 비교하여 생태유량 유지 수준을 평가하였다. 이를 통해 환경생태유량이 갈수량 이하의 수준인지, 갈수량-저수량 구간에 해당하는지, 혹은 평수량 이상에 해당하는지를 구분하였다. 두 번째 부족일수 산정의 경우, 같은 기간(2015-2024)의 일유량 시계열을 대상으로, 연도별로 일유량이 환경생태유량을 충족하지 못한 기간을 부족일수(shortage days)로 정의하였다. 연도별 부족일수를 집계하여 10년간의 변동성을 확인하였으며, 중앙값, 사분위 범위(InterQuartile Range, IQR), 최댓값 등 요약 통계를 이용해 대푯값과 변동성을 제시하였다. 또한 지점별 분포 특성을 비교하기 위하여 박스 플롯을 활용하였다.

3. 결 과

3.1 환경생태유량 산정 결과

본 연구에서는 2015-2024년 지점별 유황곡선(FDC)을 기반으로 갈수량(Q355), 저수량(Q275), 평수량(Q185)과 PHABSIM 모형으로 도출된 환경생태유량을 비교하여, 각 지점에서 환경생태유량이 어느 수준의 유량 구간에 해당하는지를 분류하였다(Tables 1, 2, 3, 4, 5). 또한 본 연구에서는 모든 조사 지점에 대해 유량–가중가용면적(WUA) 곡선을 산정하였으나, 지면 제한으로 인해 본문에서는 대표 지점 두 곳(G_WS, G_SC)의 결과만을 제시하였다. 두 지점 모두 유량 증가에 따라 WUA가 비선형적으로 증가하다 특정 유량에서 최대값을 보이며, 해당 유량을 서식처 기반 수생태유량으로 결정하였다(Fig. 2).

분석 결과, 한강 권역에서 환경생태유량이 갈수량(Q355) 이하에 해당하는 지점은 4개소로 전체의 약 28.6%를 차지하였다. 이러한 지점에서는 갈수기에도 서식환경 유량이 유지될 수 있는 것으로 나타났다. 갈수량(Q355)과 저수량(Q275) 사이에 해당하는 지점도 4개소(28.6%)로 확인되었으며, 이는 여전히 갈수량보다 높은 수준의 생태적 요구량을 필요로 하는 조건에 해당한다. 또한 저수량과 평수량(Q185) 사이의 지점은 2개소(14.3%)였으며, 이 경우 평상시 유량 조건에서 생태유량이 확보되는 것으로 분석되었다. 평수량을 초과하는 지점은 4개소(28.6%)로 나타나, 일부 지점에서는 생태적 요구조건을 충족시키기 위해 기존 유황곡선에서 제시하는 평수량 이상의 유량이 필요한 것으로 확인되었다.

낙동강 권역(16개 지점)의 경우, 환경생태유량은 저수량과 평수량(Q275-Q185) 사이에 해당하는 지점이 6개소(37.5%)로 가장 많았다. 평수량을 초과하는 지점도 4개소(25%)로 나타나, 상당수 지점에서 저수량 이상의 유량 조건이 필요함을 보여주었다. 반면, 갈수량 이하(≤ Q355)에 해당하는 지점은 4개소(25.0%), 갈수량과 저수량 사이(Q355–Q275)는 2개소(12.5%)에 불과하여, 낙동강 권역의 환경생태유량이 전반적으로 저수량 이상에 집중되는 경향을 보였다.

금강권역(11개 지점)의 경우, 환경생태유량이 평수량을 초과하는 지점이 4개소(36.4%)로 가장 많았으며, 저수량과 평수량 사이(Q275-Q185)는 3개소(27.3%)였다. 갈수량 이하(≤ Q355)와 갈수량-저수량(Q355–Q275) 구간에서도 각각 2개소(18.2%)씩 분포하였다. 이 결과는 금강의 환경생태유량이 전반적으로 저수-평수량 수준에 집중되어 있으면서도, 일부 지점에서는 평수량 이상의 유량 조건을 요구하는 특성이 확인되었다.

영산·섬진강 권역(9개 지점)은 환경생태유량이 갈수량과 저수량 사이(Q355–Q275)와 저수량과 평수량 사이(Q275–Q185)에 각각 4개소(44.4%)씩 집중되었다. 평수량 초과 구간(> Q185)은 1개소(11.1%)였고, 갈수량 이하(≤ Q355)에 해당하는 지점은 나타나지 않았다. 즉, 영산·섬진강 권역에서는 환경생태유량이 주로 갈수-평수량 범위에 분포하며, 평수량 이상의 조건이 요구되는 지점은 제한적이었던 것으로 분석된다.

종합적으로 분석한 결과, 전체 49개 지점 중 환경생태유량이 갈수량(Q355) 이하에 해당하는 지점은 9개소였으며, 갈수량과 저수량(Q275) 사이에 위치한 지점은 12개소로 나타났다. 또한 환경생태유량이 저수량과 평수량(Q185) 사이에 해당하는 지점은 15개소였고, 평수량을 초과하는 지점은 13개소로 확인되었다.

3.2 부족일수 분석

본 연구에서는 2015-2024년 기간 동안 4대강 권역의 취약지점에 대해 연도별 부족일수를 산정하고, 이를 박스플롯으로 제시하였다(Fig. 2). 부족일수는 환경생태유량을 충족하지 못한 기간을 의미하며, 이는 곧 하천의 유량 체계가 생태적 요구량을 충족하지 못하는 정도를 나타낸다.

Fig. 2.

Distribution of ecological flow deficiency days by basin (2015–2024).

한강 권역의 부족 일수 분석 결과, 지점간 차이가 뚜렷하게 나타났다. 백의교, 은현교 등 일부 지점에서는 연간 부족 일수가 거의 발생하지 않아, 갈수기에도 생태유량이 안정적으로 유지되는 것으로 확인되었다. 반면 복하교, 율극교 등 일부 지점에서는 연간 부족일수가 300일 이상으로 나타나 대부분의 기간 동안 생태유량을 충족하지 못하는 것으로 확인되었다. 그 외 치악교, 대전교, 장안교 등의 지점에서는 부족 일수가 수십 일에서 200일까지 다양하게 분포하여, 지점별 편차가 뚜렷하게 확인되었다. 이러한 결과는 한강 권역 내에서도 일부 지점은 상대적으로 생태 유량이 안정적으로 확보되는 반면, 다른 지점에서는 장기간 생태유량 미달이 발생하는 것을 나타낸다.

금강 권역의 부족 일수 분석 결과, 한강 권역과 마찬가지로 지점간 차이가 뚜렷하게 나타났다. 미호천의 오갑교와 여암교 지점에서는 연간 부족일수가 대체로 100일 이상으로 나타난 반면, 미호천교와 월산교 지점에서는 부족일수가 0일부터 수십 일 수준에 머물러 갈수기에도 생태유량이 비교적 안정적으로 확보되는 양상이 확인되었다. 갑천의 가수원교에서는 부족일수가 연간 300일 이상으로 매우 길게 나타난 반면, 같은 하천의 대덕대교에서는 수십 일 수준에 불과하여 비교적 안정적으로 생태유량이 유지되는 것으로 확인되었다. 이처럼 동일한 지류 내에서도 위치나 유역 특성에 따라 부족일수의 규모가 크게 달랐으며, 금강 본류와 주요 지류 전반에 걸쳐 부족일수가 다양하게 분포하는 것으로 나타나, 연도별 변동성이 큰 것으로 확인되었다.

낙동강 권역의 부족 일수 분석 결과, 안동댐 하류 구담교와 위천 단밀교 등 일부 지점에서는 부족일수가 연간 수십 일 이내로 나타나 갈수기에도 비교적 안정적으로 생태유량이 유지되는 것으로 확인되었다. 반면 내성천 성저교, 황강 남정교 등 다수의 지점에서는 부족일수가 연간 200일 이상 발생하였으며, 특히 일부 해에는 300일을 초과하는 경우도 확인되었다. 이는 해당 지점에서 평수량(Q185) 수준에서도 생태유량을 충족하기 어렵다는 것을 의미한다. 그 외 감천 김천교, 형산강 강동대교 등 여러 지점에서는 해마다 강수량과 수문 조건의 변화가 부족일수에 영향을 미치는 것으로 분석되었다.

영산·섬진강 권역의 부족 일수 분석 결과, 전반적으로 연간 부족일수가 장기간 발생하는 경향이 확인되었다. 대부분 지점에서 연간 부족일수가 100일 이상으로 나타났으며, 특히 학야교 등 영산강 하류 지점에서는 중앙값이 200일을 상회하여 1년 중 대부분의 기간동안 환경생태유량 충족이 어려운 것으로 분석되었다. 반면, 일부 지점은 연간 부족일수가 상대적으로 낮게 나타나 지점 간 분포의 편차가 확인되었다. 이러한 결과는 영섬지역 내 하천의 유량 특성이 전반적으로 생태유량을 안정적으로 확보하기 어려운 조건임을 나타낸다.

4. 논의 및 결론

본 연구에서는 전국의 취약지점을 대상으로 환경생태유량을 산정하고, 이를 갈수량(Q355), 저수량(Q275), 평수량(Q185)과 비교하여 최적 생태유량과의 비교 분석을 수행하였다. 또한, 환경생태유량이 확보되지 못하는 기간을 ‘부족일수’로 정의하여 하천의 실제 유량 체계가 생태적 요구량을 충족하는 정도를 검토하였다.

분석 결과, 다수의 지점에서 생태유량이 평수량 이상에 해당하여 생태계 안정성을 유지하기 위해 더 많은 유량이 요구됨을 확인하였다. 특히 낙동강과 영산·섬진강 권역의 일부 구간에서는 연간 부족일수가 200-300일 이상으로 장기간 지속되는 경우가 관찰되어, 1년 중 대부분의 기간동안 생태유량이 충족되기 어려운 하천 구간이 존재함을 보여주었다. 반면, 일부 지점에서는 부족일수가 거의 발생하지 않거나 수십 일 수준에 머물러, 갈수기에도 비교적 안정적으로 생태유량을 확보되는 것으로 나타났다. 이러한 권역별·지점별 편차는 상·중·하류의 위치, 댐·보 등 인공 구조물의 영향, 그리고 유역의 수문 특성 등 복합적 요인에서 비롯된 것으로 판단된다.

본 연구는 전국을 대상으로 수량·수질·수생태 건강성을 고려하여 선정된 취약지점에 대해 생태유량을 산정하고, 부족일수 개념을 도입하여 실제 생태유량 확보 가능성을 정량적으로 제시한 최초의 사례라는 점에서 의의가 있다. 다만 일부 지점에서는 특정 연도의 유량 자료에 결측치가 존재하여 부족일수 산정 결과가 실제와 차이를 보일 수 있으며, 지점 분포가 상·중·하류를 균형 있게 대표하지 못해 권역별 일반화에는 한계가 있다. 또한 본 연구는 권역별 대표어종을 선정하여 수생태유량을 산정하는 것을 목표로 하였기 때문에 분석 범위가 어류 중심으로 제한된다. 그러나 실제 하천 생태계는 어류 종 간에도 서식처 선호수심·유속과 적정유량이 상이하며, 저서성 대형무척추동물 등 다른 분류군의 유량 반응 또한 생태유량 산정에 중요한 요소가 될 수 있다.

향후 연구에서는 단일 어류 대표어종이 아닌 여러 어종을 대상으로 성어기, 치어기 등을 포함한 어류의 생애주기 특성을 반영한 보다 세밀한 분석이 수행될 필요가 있다. 어류 종 간에도 선호 수심·유속 및 서식처 적정유량이 상이하며, 저서성 대형무척추동물처럼 유량 변화에 민감하게 반응하는 다른 분류군 역시 수생태유량 평가에 중요한 요소가 될 수 있다. 따라서 여러 어종과 분류군을 대상으로 수생태유량별 서식처 변화를 비교·평가하는 연구가 수행되어야 한다. 더불어 기후변화 시나리오를 반영한 장기 전망, 갈수기 유량 확보 방안, 권역별 수문·생태 특성을 반영한 맞춤형 수생태유량 관리 전략 마련 등이 필요하다. 이러한 접근은 수생태유량 산정의 생태학적 타당성과 현장 적용성을 강화하는 데 기여할 것이다.