1. 서 론
2. 연구 방법
2.1 연구 범위 및 자료 구성
2.2 통계 분석
3. 결과 및 고찰
3.1 저유량 -생태지표 관계 분석 결과
3.2 비선형 반응(GAM) 분석 결과
3.3 지점별 민감도 비교 및 장기 모니터링 지점 제안
4. 결 론
1. 서 론
하천의 유량 조건 변화는 하천 생태계에 영향을 미치며, 특히 저유량 시기에는 서식지 용적 감소, 용존산소 감소 등으로 인한 어류의 생태건강도에 유의미한 영향을 미친다. 이러한 이유로 하천에서 이루어지는 사업에 대한 환경영향평가 시에는 유량변동이 생태지표에 미치는 영향을 정량적으로 해석하는 기초 연구가 중요하다. 특히, 국내외에서는 유량과 어류군집 또는 생태지표 간의 관계에 대한 연구가 지속적으로 수행되고 있는데, 미국과 유럽에서는 저유량 지표(1일, 7일, 30일 최소유량)를 활용해 어류 다양성 및 군집 구조와의 관계를 분석하거나, 댐 및 보 운영이 하천의 유황을 교란하여 생태계 안정성을 저하시킨다는 연구가 다수 보고되었다(Magoulick and Kobza 2003, Poff et al. 2010). 국내에서도 어류서식처를 고려한 생태 유량 산정 연구가 수행된 바 있다(Hur et al. 2014). 또한 Yang et al. (2014)은 다양한 수문지표 중 특정 저유량 지표가 어류 다양성을 설명하는데 높은 설명력을 가지고 있다고 제시하였다.
한편, 생물측정망 장기자료를 활용한 연구도 점차 증가하고 있으며, 국가 차원의 생태 모니터링 자료를 활용해 유량 변동이 생물지표에 미치는 영향을 평가한 해외 사례도 보고된 바 있다(Kelly-Quinn et al. 2017). 그러나 기존 연구들은 특정 하천 또는 제한된 구간을 대상으로 이루어져 국가 생물측정망 다수 지점을 대상으로 저유량-생태 반응을 비교하여 장기 모니터링 지점을 제안한 사례는 매우 제한적이며, 이용자가 취득하기 용이한 자료를 활용하여 실용적 기준을 제시한 사례는 매우 제한적이다.
이에 본 연구는 국립환경과학원이 제공하는 생물측정망 자료 중 어류건강성평가지수(Fish Assessment Index, FAI)가 10년 이상 축적되고 인근에 가용한 유량 자료가 제공되는 8개 하천 지점을 대상으로 저유량 지표인 7일 최소유량(7-day Moving Minimum Flow, MinQ7)과 FAI간의 관계를 분석하였다. 이 중 MinQ7-FAI 반응 민감도가 유의미한 수준을 나타낸 지점을 장기 모니터링 대표지점으로 제안하고 향후 자료 축적에 따른 새로운 모니터링 지점 선정 및 MinQ7-FAI 영향관계를 판단하는 근거로 활용하고자 한다. 이러한 접근은 환경영향평가 과정에서 유량 변화가 생태계에 미치는 영향을 보다 신뢰성 있게 해석하는데 기여할 수 있으며, 향후 생물측정망 해석의 정확성 제고와 지속적 모니터링 체계 개선에 중요한 근거를 제공할 수 있다.
2. 연구 방법
2.1 연구 범위 및 자료 구성
본 연구는 국립환경과학원 생물측정망(National Institute of Environmental Research 2022) 중 FAI가 구축된 하천 지점 중 10년 이상 측정자료를 보유하고 있는 8개 하천 지점을 대상으로 하였다(Table 1, Water Environment Information System). 각 지점은 한강, 낙동강, 금강, 영산강 유역의 주요 하천 을 포함하며, 어류 자료는 생물측정망 운영 지침에 따라 매년 2회 조사가 수행되는 지점의 2011년~2024년 FAI 자료를 활용하였다. 공개된 FAI 자료는 A~E 등급으로 제공되고 있어, 등급별 5점 척도 5~1점으로 변환하여 처리하였다.
Table 1.
FAI and flow monitoring sites information
하천 유량 자료는 국가수자원관리종합정보시스템(WAter resources Mamagement Information System, WAMIS)에서 제공하는 지점 별 일유량 자료 중 생물측정망 지점과 가장 인접한 수위-유량 관측소의 동일 기간(2011년~2024년) 일단위 유량 자료를 이용하였다. 해당 자료를 활용하여 저유량 지표인 MinQ7을 산정하였는데, 매년 조사 시기에 맞추어 1차 5~6월, 2차 9~10월의 저유량을 추출하여, 어류 건강성 평가 시점의 유량조건으로 반영하였다.
2.2 통계 분석
2.2.1 저유량-생태지표 관계 분석(Spearman 상관분석)
지점별 저유량과 FAI 간의 반응성을 평가하기 위해 MinQ7과 FAI 간의 관계를 Spearman 순위상관계수(ρ)를 활용하여 분석하였다. FAI는 등급형 지표이며, MinQ7은 정규성을 가정하기 어려운 수문지표이므로 비모수적 상관분석을 적용한 것으로, 각 지점별로 조사 연도 및 조사차수(1, 2차)를 정합한 후, 통계적 유의성(p-value)을 산출하였다. 이러한 과정에 따라 지점별로 ρ와 p-value를 산출하여 저유량에 대한 FAI의 민감도가 통계적으로 유의한지 검정하였다.
2.2.2 비선형 반응 검토 및 대표지점 도출(GAM 기반 분석)
MinQ7-FAI 관계의 비선형적 패턴을 확인하기 위해 통계적으로 유의한 반응을 나타낸 지점을 대상으로 Generalized Additive Model (GAM) 분석을 추가로 수행하였다. GAM 분석을 적용하여 비선형 함수를 통해 MinQ7과 FAI 간의 곡선 형태의 반응을 추정할 수 있으며, R 프로그램의 mgcv 패키지를 활용하여 매개변수를 최적화하였다. GAM 결과를 활용해 해당 지점의 생태 반응성을 비교하였으며, 수문 특성에 교란이 적고 저유량 변화가 FAI에 명확히 반영되는 지점을 장기 모니터링 대표지점으로 도출하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 저유량 -생태지표 관계 분석 결과
8개 조사지점을 대상으로 Spearman 순위상관성을 분석한 결과, 대부분의 지점에서 MinQ7과 FAI 간의 상관관계는 약하거나 통계적으로 유의하지 않은 것으로 나타났다(Table 2). 전주, 학성, 형산강5, 탐진강5, 안성천1, 안성천4 등 7개 지점에서 ρ 값이 -0.34 ~ 0.17 범위로 나타났으나, p-value가 모두 0.05이상으로 유의하지 않아 저유량 조건이 해당 지점의 FAI 변화에 뚜렷하게 반영되지 않는 것으로 판단된다. 이러한 결과는 인위적인 요인에 의해 수문특성이 교란되어 자연 유량의 영향이 저감되었기 때문으로 추정해 볼 수 있다.
Table 2.
Spearman correlation between MinQ7 and FAI at each site
반면, 곡교천2 지점에서는 통계적으로 유의한 음의 상관관계(ρ = -0.38, p<0.05)가 도출되었다. 이는 MinQ7의 감소가 FAI 하락에 직접적인 영향을 미치며, 해당 지점의 어류 군집이 저유량 스트레스에 상대적으로 민감하게 반응한 것으로 볼 수 있다. 다른 지점들의 분석 결과와 비교할때 이 지점은 인위적인 수문특성 변동 요인이 크지 않은 것으로 가정해 볼 수 있다.
3.2 비선형 반응(GAM) 분석 결과
MinQ7-FAI 관계에서 유의미한 상관관계를 보인 곡교천2 지점을 대상으로 GAM 분석을 추가로 수행한 결과, 단순 선형이 아닌 비선형 구조를 보이는 것으로 나타났으며, 낮은 유량 구간에서 급격히 FAI가 저하되는 패턴이 확인되었다. Smoothing term의 유효자유도(Effective Degrees of Freedom, EDF)는 2 이상으로 나타나 MinQ7 변화에 따라 FAI가 단순 감소하는 것이 아니라 특정 유량 구간에서 민감도가 증가하는 비선형 반응이 존재함을 시사하였다.
예측 반응곡선 또한 MinQ7이 낮아질수록 FAI가 빠르게 감소하는 형태를 나타냈으며, 이는 저유량에 취약한 어류 군집 특성을 반영하는 결과로 해석할 수 있다.
3.3 지점별 민감도 비교 및 장기 모니터링 지점 제안
각 지점의 Spearman 상관계수, GAM 분석 결과를 종합적으로 고려한 결과, 곡교천2 지점은 검토 대상인 8개 지점 중 MinQ7-FAI 관계가 가장 명확하게 드러나는 지점으로 볼 수 있었다(Fig. 1). 반면 MinQ7-FAI 관계가 나타나지 않은 대부분의 지점은 저유량 신호가 어류 군집 평가 결과에 충분히 반영되지 않는 인위적 요인에 의한 지배가 있었을 것으로 판단하였다. 따라서, 본 연구에서는 곡교천2 지점을 장기모니터링 대표지점 후보로 선정하였으며, 대표 지점 선정기준으로 MinQ7-FAI 관계가 통계적으로 유의할 것, 비선형 분석에서 저유량 구간의 반응성이 뚜렷하게 나타날 것, 인위적 수문특성 변화 요인이 적어 자연 유량 특성이 유지될 것 등으로 세 가지 판단기준을 도출하였다.
4. 결 론
본 연구에서 분석 대상 지점의 대부분에서 MinQ7-FAI 관계가 유의미한 결과를 나타내지 않은 원인은 인위적 수문 특성 변화의 정도가 유량-생태 반응의 민감도에 상당한 영향을 미쳤기 때문으로 해석된다. 유량 변동성에 왜곡이 발생하는 지점에서는 실제 저유량 조건이 생물지표에 충분히 전달되지 않아 상관성이 낮게 나타난 것으로 볼 수 있으며, 이러한 현상은 유량 교란이 생태반응을 악화시킨다는 기존 연구 결과의 일반적 경향과도 일치힌다(Magoulick and Kobza 2003, Kim et al. 2014, Park and Lee 2018).
반면 곡교천2는 분석 대상 기간에 자연 유량이 비교적 유지된 지점으로 저유량 신호가 어류 건강성에 직접 반영되는 사례로 나타났다. 또한, 본 연구에서 활용한 단순 상관분석과 GAM 기반 분석은 구체적인 수치를 제공하지 않고 등급 등으로 제공 중인 생물측정망 자료 해석에 적용이 용이하여, 장기 모니터링 및 분석 체계로 활용될 수 있다.
본 연구의 결과는 환경영향평가 시 저유량 변화가 생물지표에 미치는 영향을 정량적으로 평가할 수 있는 근거 자료로 활용 될 수 있다.
