1. 서론
저수지 퇴사에 의한 저수용량의 감소는 국제적으로 심각한 문제 중 하나이다(Kondolf et al., 2014). 우리나라와 같이 저수지를 이용하여 용수공급 및 홍수조절을 하는 국가의 유사관리는 매우 중요한 과제 중 하나이다(Seo et al., 2002; Choi et al., 2011; Kim et al., 2015). 국내에서는 가용 수량 확보 및 수재해 방어를 목적으로 4대강에 16개의 다기능보를 건설하였으며(Jeong and Jung, 2015), 이러한 다기능보를 유지관리하기 위해서는 매년 유지준설비용이 편성될 필요성이 있다고 보고되고 있다(Chung, 2013). 그러나 국내의 준설사업은 해안·항만 분야에서 주를 이루었으며, 하천에서는 골재채취를 목적으로 하는 소규모 준설이 대부분이었다(Park, 2010). 이러한 이유로 현재까지 하천준설과 관련된 기준 및 규정 등은 미비한 상황이며, 환경에 부정적인 영향을 감소시키기 위한 구체적인 대안이 없는 실정이다(Jeong et al., 2014).
준설은 수저의 퇴적물을 꺼내어 다른 곳으로 이동시키는 방법으로 이 과정에서 주변 환경에 부정적인 영향을 많이 미칠 수 있다(Herbich, 2000). 환경준설 공법 등을 이용하면, 준설 전에 비해서 상대적으로 수질개선 효과가 있는 것으로 보고되고 있지만(Kim et al., 2013), 준설 중에는 부정적인 영향이 일반적으로 급격하게 증가하게 된다. 준설의 부정적인 영향을 수역과 육역으로 구분하면, 수역에서는 준설장비의 투입 및 운용으로 탁도 및 소음이 발생하고, 이로 인해서 수상 및 저서 생물의 서식처 파괴, 객체수 변화, 종의 다양성 변화, 어류이동의 연속성 파괴 등으로 이어진다. 육역에서는 준설장비의 이동 및 운용, 준설토 적치장 등으로 인해서 소음 및 준설토의 침출수 등이 발생하고, 이로 인해서 육상동물의 서식처 파괴, 침출수에 의한 하천 및 지하수 수질 악화, 식생 감소 등으로 이어진다. 이외에도 수역과 육역을 막론하고 경관 훼손, 친수활동 저해 등의 문제가 발생하게 된다(Jeong et al., 2015).
준설이 사회·환경적으로 미치는 부정적인 영향을 최소화하기 위해 미국에서는 1970년대부터 환경창(EWs; Environmental Windows)을 수립하여 운영해오고 있다. 환경창이란, 준설 및 준설토 처분에 대한 영향이 최소가 되는 기간에 준설을 수행하도록 지정한 기간을 의미한다(Dickerson et al., 1998). 송어, 연어, 청어 등을 비롯해 약 83종의 어류 및 조류 등을 대상으로 수립되어 적용되고 있으며, 2001년을 기준으로 미국 내 준설사업 중 약 80% 정도에 적용되고 있다(NRC, 2001). 환경창에서 규정하는 기간 내에 공기지연 등으로 인해서 준설을 종료하지 못하는 경우에는 다음 환경창까지 준설을 수행하지 못하며, 이로 인해서 준설비용이 증가하는 단점이 있어 환경창 완화를 위한 연구가 수행되고 있다(Suedel et al., 2008). Jeong et al. (2015)은 환경창을 국내에 적용하기 위해서 환경창 지수를 개발하였으며, 낙동강 유역에 적용하였다. 어류, 조류, 시민에 대한 개별 환경창을 수립하고, 각각의 개별 환경창에 가중치를 적용하여 통합 환경창을 수립하였다. 개발된 환경창 지수를 이용하면 최적의 준설시기를 산정할 수 있음을 보였다. 또한, 환경창 지수의 검증을 위하여 실제 환경창이 수립되어 운영되고 있는 샌프란시스코만에 적용하여 실제 환경창과 차이가 없으며, 환경창 지수를 통하여 더욱 상세한 정보를 제공하는 장점이 있음을 보였다(Jeong et al., 2016). 준설시기와 관련해서 국내의 하천 유지·보수 매뉴얼(MLTMA, 2012)에서는 우기 전인 5월과 우기 후인 10월에 정기적으로 준설하도록 제안하고 있다. 하천 유지·보수 매뉴얼에서 제시하고 있는 준설시기인 우기 전·후는 유사퇴적으로 인한 홍수기의 위험도 감소와 홍수기 이후의 하천관리 측면에서 유리할 것으로 판단되는 기간을 제시한 결과라고 판단된다. 그러나 준설은 전술한 바와 같이 사회·환경적인 측면에서 부정적인 영향이 크므로 이에 대한 적절한 고려가 필요하지만, 현재까지는 친환경 준설장비 및 공법의 개발 등과 같은 구조적 방법에 국한하여 연구가 진행되었으며, 상대적으로 비구조적인 방법은 많은 연구가 수행되지 않았다. 비구조적인 방법은 구조적인 방법에 비해서 비용과 시간 측면에서 경제적이라는 장점이 있다.
따라서 본 연구에서는 최적의 준설시기를 산정하기 위해서 비구조적인 방법 중 하나인 환경창을 국내 다기능보를 대상으로 수립하였다. 이를 위해서, 4대강에 건설된 16개 다기능보에 출현되는 법적보호종을 환경창 수립 대상으로 선정하고, 선정된 법적보호종의 성장단계를 고려하여 총 16개의 환경창을 수립하였다. 그리고 수립된 환경창과 홍수기를 고려하여 각 다기능보에서 준설을 수행할 때, 환경측면에서 유리한 준설시기를 산정하였다.
2. 환경창 수립 방안
일반적으로 환경창은 어류 및 조류 등을 대상으로 수립되고 있으며, 최근에는 해상포유류, 레크리에이션 및 보호가 필요한 생물 등을 고려하고 있다(NRC 2001). 본 연구에서는 다기능보 건설구간에 출현하는 법적보호종을 대상으로 환경창을 수립하였다. 준설이 하천 내에서 이루어지는 건설공사임을 감안하여 어류에 대한 환경창은 반드시 수립되어야 한다고 판단되어, 법적보호종 중 어류에 대한 법적보호종이 출현하지 않는 경우에는 해당구간의 대표어종을 중심으로 환경창을 수립하였다.
환경창을 수립함에 있어 최상의 경우는 환경창 수립 대상이 되는 각 생물군 출현에 대한 시계열자료가 존재하는 경우이다. 그러나 현재까지 이러한 자료는 비용과 시간과 같은 현실적인 문제로 인해서 구축이 미비한 실정이다. 따라서 시계열자료가 존재하지 않는 경우에는 생물군의 성장단계를 기반으로 하는 환경창 수립 방법을 이용하였다. 이 방법을 미국 샌프란시스코에 적용한 결과, 현재 구축되어 있는 환경창과 동기간을 환경창으로 제시하는 것을 검증한바 있다(Jeong et al., 2016).
생물군의 성장단계를 이용하는 방법은 초기 성장단계일수록 준설의 부정적인 영향의 강도가 강하게 작용할 것이라는 가정을 전제로 하고 있다. 이러한 가정에 의해서 준설의 부정적인 영향의 분포가 정규분포를 따른다고 하면, 누적정규분포는 성장단계에 따라서 낮은 성장단계에서는 0.0에서부터 점차 단계적으로 높아져 높은 성장단계에서는 1.0에 근사하게 된다. 어류를 예로 들면, 산란기 및 치어기와 같은 낮은 성장단계에서는 누적정규분포 값이 0.0에 근사하게 되고, 성어기로 성장하면서 1.0에 근사하게 된다. 이러한 과정을 위해서 생물군의 성장단계를 정리하여, 초기 성장단계부터 오름차순으로 등급화한다. 누적정규분포함수가 1.0에 가까워질수록 준설의 부정적인 영향의 강도가 상대적으로 작다는 의미가 되며, 반대로 0.0에 가까워질수록 준설의 부정적인 영향이 크다는 의미가 된다. 따라서 등급화된 생물군의 성장단계에 따른 누적정규분포 함수값은 환경창 지수가 되며, 이는 개별 환경창을 구성하는데 이용된다.
생물군의 성장단계를 이용하여 각 생물군에 대한 환경창이 수립되면, 동일 준설구간에 대해서 고려했던 생물군의 수만큼 환경창이 수립된다. 동일 지역에 다수의 환경창이 존재할 경우에는 각 환경창에서 고려하고 있는 생물군의 성장단계 특성에 따라서 서로 상이한 시기를 준설시기로 제시할 수 있다. 따라서 실제 준설에 적용하기 위해서는 다수의 개별 환경창을 하나의 환경창으로 통합하여 사용할 필요가 있다. 이를 위해서, 각 생물군에 가중치를 적용하여 통합 환경창을 구성하였다. 가중치 조사방법에 따른 차이는 여러 연구에서 논란의대상이 되고 있고 현재까지 만족할만한 과학적 해결방법이 발견되지 않았다(IDI, 1999). 주로 주민이나 전문가의 선호도조사를 통하여 각 지표의 상대적인 중요도를 파악하고 이를 기초로 가중치를 결정하는 방법이 시도되고 있다(Lim et al.,2011). 그러나 부적절한 가중치의 적용은 평가결과의 오류를 가져올 수 있어 본 연구에서는 동일 가중치를 부여하여 통합 환경창을 수립하였으며, 전술한 환경창 수립에 관한 일련의 절차를 정리하면 Fig. 1과 같다.
3. 연구대상지역 및 자료구축
3.1 연구대상지역
다기능보는 한강과 금강에 각 3개소, 낙동강에 8개소, 영산강에 2개소가 건설되어 현재 운영 중에 있다. 이러한 다기능보는 보 상류의 수위를 관리수위로 유지하여 가용 수량 확보 및 수재해 방어를 목적으로 하고 있다(Jeong and Jung, 2015). 4대강에 건설된 16개 다기능보가 전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해서는 지속적인 유지·관리가 이루어져야 하며, 이러한 유지·관리를 위해서 준설을 수행할 경우에 환경측면에서 최적의 친환경 준설시기를 산정 및 제시하는 것이 본 연구의 목적이다. 그러므로 연구대상지역은 다기능보의 상·하류가 되며, 유역단위로 분류되지는 않는다. 본 연구에서는 16개의 모든 다기능보를 대상으로 연구를 수행하였으며, 16개의 다기능보가 위치한 환경창 수립 대상이 되는 구간은Fig. 2와 같이 나타낼 수 있다.
3.1 환경창 수립을 위한 자료구축
환경창을 수립하는데 있어 고려한 생물군은 법적보호종만을 고려하였으며, KEI(2013)에 의해서 조사된 보설치 전후 수생태 영향평가 자료를 이용하였다. 보설치 전후 수생태 영향평가는 식생, 포유류, 양서·파충류, 어류, 무척추동물로 구분하여 조사를 실시되었다. 준설이 하천 내에서 이루어지는 건설공사임을 감안하여 어류에 대한 환경창은 반드시 수립되어야 한다고 판단되어, 법적보호종이 출현하지 않는 경우에는 대표어종을 선정하여 환경창을 수립하였다. 대표어종의 선정을 위해서 환경영향평가 및 사후환경영향조사, 수생태 건강성조사사업에서 이루어진 어류군집 변동현황(KEI, 2013)을 이용하여 우점하는 어종을 선정하였다. 우점하는 어종이 대리어종으로 분류될 경우에는 K-water(1995)에서 제시한 일람표에 따라 대리어종에 부합하는 대표어종으로 최종 선정하였다.
16개의 다기능보에서 출현하는 법적보호종은 Table 1과 같이 분포하고 있으며, 환경창 수립의 대상 생물군과 같다.
Table 1
Target biota for setting of environmental windows
이포보에서는 법적보호종이 출현하지 않는 것으로 나타났으며, 여주보에서는 법적보호종 중 포유류인 수달(Lutra lutra)과 삵(Felis bengalensis euptilura)이 출현하는 것으로 나타났다. 또한 강천보에서는 법적보호종 중 식물에서는 단양쑥부쟁이(Aster altaicus var. uchiyamae,)와 층층둥굴래(Polygonatum stenophyllum MAX.)가 포유류에서는 수달이 출현하는 것으로 나타났다. 한강유역에 건설된 3개의 보에서는 법적보호종 어류가 출현하지 않는 관계로 가장 우점하는 종인 피라미(Zacco platypus)를 대표어종으로 선정하였다.
낙동강 유역에 존재하는 8개의 보에서는 법적보호종 포유류는 수달과 삵이 일부 출현하는 것으로 나타났다. 달성보, 강정고령보, 칠곡보, 구미보, 상주보에서는 법적보호종 어류인 백조어(Culter brevicauda)가 출현하는 것으로 나타났으며, 그외 다기능보에서는 법적보호종 어류가 출현하지 않아 피라미를 대표어종으로 선정하였다. 창녕함안보와 강정고령보, 상주보에서는 양서파충류의 법적보호종인 맹꽁이(Kaloula borealis)가 출현하는 것으로 나타났으며, 강정고령보의 경우에는 남생이(Chinemys reevesii)도 출현하는 것으로 나타났다. 합천창녕보에서는 무척추동물인 노란잔산잠자리(Macromia daimoji Okumura)가 출현하는 것으로 나타났다.
금강 유역에서는 흰수마자(Gobiobotia nakdongensis)가 출현하는 백제보를 제외하고 모두 피라미를 대표어종으로 선정하였다. 법적보호종 포유류 중 삵은 모든 다기능보에서 출현하는 것으로 나타났으며, 수달은 세종보와 백제보에서만 출현하는 것으로 나타났다.
영산강 유역에 위치한 죽산보에서는 수달과 삵, 백조어가 출현하는 것으로 나타났으며, 승천보에서는 수달만 출현하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 승천보에서 우점하는 어종인 피라미를 대표어종을 선정하여 연구를 진행하였다.
16개의 다기능보에서 출현하는 법적보호종은 식물 2종, 포유류 2종, 양서파충류 2종, 어류 2종, 무척추동물 1종으로 총9종인 것으로 나타났다. 그 중에서 성장단계에 관한 자료취득이 가능한 6개의 종을 대상으로 성장단계에 따른 등급화를 수행하였다(Table 2). 성장단계에 따라 산정된 등급을 이용하여 누적정규분포함수 값을 산정하고, 환경창 지수로서 이용하였다. 이러한 단계를 거쳐 수립된 환경창은 개별 환경창으로 하나의 생물군에 대한 환경창이다.
Table 2
Growth stage of target biota for setting of environmental windows
4. 개별 및 통합 환경창 수립
국내의 다기능보는 4대강 전역에 걸쳐 건설되어 최대 거리가 약 283 km까지 차이가 있기 때문에 생물군의 성장단계가 차이를 보일 수 있다. 그러나 국내에서는 그 차이가 크지 않은 것으로 보고되고 있다(K-water, 1995). 그래서 각 생물군의 개별 환경창을 수립한 후에 각 다기능보에서 출현하는 법적보호종에 대한 통합 환경창을 가중치를 적용하여 수립하였다.
본 연구에서 적용한 6개의 생물군은 어류 3종, 포유류 2종, 양서파충류 1종이다. 어류는 대표어종으로 선정한 피라미와 법적보호종인 백조어와 흰수마자이고, 포유류는 수달과 삵, 양서파충류는 맹꽁이이다. 선정된 각 생물군의 성장단계를 이용해 수립한 개별 환경창은 Table 3과 같다.
Table 3
Individual EWs for each biota
한 지역에 대해서 다수의 개별 환경창이 수립된 경우에는 다수의 개별 환경창을 모두 적용하기에 어려움이 있다. 또한, 다수의 개별 환경창이 서로 대립되는 경우가 발생할 가능성이 있기 때문에 이를 적절히 고려한 하나의 통합 환경창이 수립되어야 한다. 이를 위해서 각 생물군에 해당하는 개별 환경창에 가중치를 적용하여 다수의 개별 환경창을 하나의 통합환경창으로 재수립하였다. 각 다기능보별 통합 환경창을 개발하기 위해 적용된 개별 환경창의 종류와 갯수는 Table 4와 같고, 각 다기능보의 통합 환경창은 Table 5와 같다.
Table 4
Individual EWs for setting integrated EWs at each multi-functional weirs
Table 5
Integrated EWs at each multi-functional weirs
5. 환경창 수립 결과 분석
5.1 환경창 수립 결과 통합적 분석
각 다기능보의 환경창을 수립한 결과를 통합적으로 분석하기 위해서 환경창 지수를 산술평균하여 분석을 수행하였다(Fig. 3). 환경창 지수를 월별로 산술평균한 결과, 5월이 0.214로 가장 낮은 환경창 지수가 산정되어 준설의 부정적인 영향이 상대적으로 큰 것으로 나타났다. 반대로 12월이 0.836으로 환경창 지수가 가장 크게 나타나 전국적으로 12월이 준설의 부정적인 영향이 상대적으로 작았다.
하천 유지·보수 매뉴얼(MLTMA, 2012)에서 준설시기로 제시하고 있는 5월과 10월은 각각 0.214와 0.686으로 3번째로 높은 값을 보인 10월과 달리 5월은 최저치를 나타내었다. 5월에 준설하는 것이 관리측면에서는 유리하지만, 환경적으로는 부정적인 영향이 크다고 할 수 있다.
환경창 지수는 0.362와 0.388으로 산정된 봄과 여름보다 가을, 겨울이 0.669와 0.679로 약 1.7~1.9배 정도 크게 산정되어 계절적으로도 뚜렷한 분포 특성을 보였다. 이러한 계절적 특성을 나타내는 대표적인 이유는 본 연구에서 고려한 생물군이 겨울철에 동면기를 가지는 경우가 많고, 대부분 여름과 가을에 산란기를 가지는 것이 크게 작용한 결과라고 판단된다. 이러한 결과를 바탕으로, 국내에서 하천준설이 수행되는 경우에는 봄, 여름보다는 가을과 겨울에 수행하는 것이 환경적인 측면에서 유리할 것으로 보인다.
유역단위로 환경창 지수를 검토한 결과, 4개 유역 모두 유사한 추세로 변화하는 양상을 나타냈다. 다만, 한강유역이 환경창 지수의 변동 폭이 가장 크게 나타났으며, 낙동강, 금강, 영산강 순으로 환경창 지수의 변동 폭이 작아지는 것을 알 수 있었다. 환경창의 변동 폭이 크다는 것은 시기별로 준설영향의 강도 차이가 뚜렷하다는 의미와 동일하게 되며, 이러한 특징은 준설시기 결정을 더욱 수월하게 할 수 있다고 판단된다.
5.2 다기능보별 친환경 준설시기 산정
월별로 산정되는 각 다기능보의 환경창 지수의 범위를 균등하게 3등분하여 가장 높은 수치를 보인 기간을 친환경 준설시기, 가장 낮은 수치를 보인 기간은 환경적인 측면에서 준설의 부정적인 영향이 큰 시기로 정하였다. 각 다기능보의 환경창지수의 최대치가 나타나는 기간을 순서대로 정리하면 Table 6과 같이 나타낼 수 있다. 친환경 준설기간은 약 4~6개월 정도로 나타났으며, 약 3개월 정도는 친환경 준설에 매우 불리한 시기로 분류되었다. 가장 긴 친환경 준설시기를 갖는 다기능보는 여주보, 강천보, 합천창녕보, 칠곡보, 구미보, 죽산보, 승촌보로 나타났다. 반대로 가장 짧은 친환경 준설시기를 갖는 다기능보는 창녕함안보, 강정고령보, 세종보로 나타났다.
Table 6
Estimation results of environmental friendly dredging season
산정된 환경창 지수는 하천생태만을 고려한 결과이기 때문에 친환경 준설시기이라고 할 수 있지만, 최적 준설시기라고는 할 수 없다. 그 주된 이유는 준설계획 수립에 있어서 환경적인 측면 외에도 사회, 경제적 측면 등과 같은 다른 요소들에 대한 고려가 필요하기 때문이다. 본 연구에서는 추가로 홍수기에 대한 고려를 하였다. 일반적으로 홍수기보다 갈수기의 준설이 유리하고, 홍수기에는 준설장비의 계류 등이 어렵다. 또한, 홍수기에는 준설보다는 배사가 유리하기 때문에 홍수기에 준설을 시행하지 않는 것이 바람직하다. 따라서 홍수기를 제외하고 준설시기를 재산정하면 Table 7과 같다. 제외된 홍수기는 댐 관리규정(K-water, 2012)에서 규정하고 있는 6월21일부터 9월 20일까지로 6월에서 9월까지를 제외하고 최적 준설시기를 산정하였다.
Table 7
Estimation results of environmental friendly dredging season considering flood season
홍수기를 고려하여 최적 준설시기를 산정한 결과, Table 6에서 제시한 준설시기와 차이를 보였다. 6개의 다기능보에서 홍수기를 고려하지 않은 경우와 고려한 경우에 최대 3개월까지 차이가 나는 것으로 나타났다. 강천보, 합천창녕보, 승촌보가 3개월씩 최적 준설시기가 감소하였으며, 달성보가 2개월, 창녕함안보와 세종보가 1개월씩 감소하는 것으로 나타났다.
6. 결론
본 연구에서는 친환경 준설시기 산정을 위하여 환경창을 국내 다기능보에 적용해보았다. 환경창 개발은 각 다기능보 주변에서 출현하는 법적보호종을 중심으로 자료취득이 가능한 생물군과 대표어종을 중심으로 총 6종의 생물군을 이용하였다. 기존 환경창의 단점을 보완하기 위해서 통계학적 방법을 이용한 환경창 지수를 산정하였다. 또한 하나의 다기능보에서 다수의 환경창을 가지는 경우에는 실무적용성을 고려하여 가중치를 적용한 통합 환경창을 수립하였다. 16개의 다기능보를 대상으로 수립된 통합 환경창과 홍수기를 고려하여 최적친환경 준설시기를 제시하였다.
홍수기를 고려하지 않은 경우에는 봄, 여름보다 가을, 겨울이 친환경 준설에 더 유리한 것으로 나타났다. 이러한 이유로, 대부분 다기능보의 친환경 준설기간이 10월에서 2월에 분포하였다. 홍수기를 고려하여 16개의 다기능보의 친환경 준설시기를 산정한 결과, 약 3~6개월 정도의 기간이 최적 친환경준설시기인 것으로 나타났다. 강천보, 창녕함안보, 함천창녕보, 달성보, 세종보 및 승촌보의 최적 친환경 준설시기가 가장 짧은 것으로 산정되었으며, 여주보, 칠곡보, 구미보, 백제보, 죽산보의 최적 친환경 준설시기가 가장 긴 것으로 나타났다. 또한, 하천 유지·보수 매뉴얼(MLTMA, 2012)에서 제시하고 있는 준설시기인 5월과 10월 중 5월은 하천환경 측면에서 매우 부적절한 시기인 것으로 나타났다.
본 연구에서는 개별 환경창을 법적보호종에만 국한하여 연구를 진행하였고, 준설시기를 산정하는데 있어서는 추가로 홍수기를 고려하였다. 추후 연구에서는 친수시설 이용 및 레크리에이션, 철새도래지 등의 환경창 대상을 추가하고, 부영양화 및 하천 결빙과 같은 문제도 추가적으로 고려하고자 한다. 또한, 통합 환경창을 수립하기 위해서 사용한 동일 가중치를AHP 등의 방법을 이용하여 가중치를 산정하고 적용해보고자 한다.
준설은 대규모의 예산이 투입되는 건설공사이면서 사회·환경적으로 부정적인 영향이 강하기 때문에 환경창과 같은 방법을 이용하여 부정적인 영향을 감소시키는 노력이 필요하다고 판단된다. 또한, 친환경 준설장비 및 준설공법을 개발하는 등의 구조적 방법의 경우에는 시간과 노력이 비구조적인 방법에 비해서 많이 소모된다는 단점이 있다. 이러한 경우에 환경창과 같은 비구조적인 방법은 상대적으로 시간과 노력을 감소시킬 수 있다는 장점이 있다. 이러한 이유에서 본 연구에서 제안한 준설시기 산정방법은 하천 환경 및 생태에 대한 준설의 부정적인 영향을 최소화하는 준설계획 수립이 가능할 것으로 기대된다.
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