▲ 토마스 하디/ 미국 유타(Utah)주립대학교 교수

하천 복원은 종종 각종 시설물, 주택, 교량과 같은 현존하는 기반 시설에 의해서 제한 받거나 생활용수, 농업용수, 공업용수 등의 이용 가능량에 의해서도 제한 받는다. 실용적인 하천 복원 목표를 설정하기 위해서는 계획과 시공 시 이러한 제한 요소들을 고려해야 한다.

이 내용은 수문년 유형에 따른 목표 유량, 조립 유사(Coarse Sediment) 증가, 하도 변형, 수변 관리 등을 통한 어류 서식처에 강조를 둔 전체 하천 수계의 기능을 향상시키는 것이 목적인 하천 복원에 집중하고 있다.

하천 복원 기법은 수문년 유형에 따른 유량, 수변을 따라 입지한 기반 시설물에 의한 필요 유량 규모에 제한 받으면서 반면에 특정 목표 어류 서식처 조성을 위한 하도 변형, 조립 유사 증가에 따른 유사 동역학의 변화를 고려하여 개발되거나 시공됐다.

 

■ 트리니티강 사례연구 배경
트리니티(Trinity)댐과 루이스톤(Lewiston)댐은 Central Valley Project(CVP)의 Trinity River Division(TRD)의 한 부분인 북부 캘리포니아의 트리니티강에 건설됐다. 1963년 초, 트리니티강 유량의 약 90%는 캘리포니아 루이스톤에서 유역 바깥으로 전환됐는데, TRD는 CVP에서의 유량 공급 증가를 위해서 트리니티강의 물을 쌔크라멘토(Sacramento)강으로 전환시키기 위한 유수전환 유역으로 개발됐다.

▲ 미 연방정부는 트리니티강 수계에서 감소하고 있는 연어와 무지개송어 증식을 위해 트리니티강의 복원사업을 시행한 결과, 연어 개체류가 현저히 증가했다. 사진은 복원사업 후의 트리니티강 조감도.

물은 트리니티댐 상류의 클레이어 이글(Clair Eagle)호에 저류됐으며, 저류된 물은 클레이어 이글호 하류의 루이스톤댐에서 조정하여 Clear Creek수로 터널을 통하여 쌔크라멘토강 유역으로 전환되거나 Trinity강으로 방류됐다.

특히 Clear Creek 수로터널을 통하여 물은 쌔크라멘토강 지류인 Clear Creek에 위치한 위스키타운(Whiskeytown) 댐 상류의 위스키타운 저수지로 전환됐다. 그리고 나서 저류된 물은 Spring Creek 수로터널이나 위스키타운댐에서 방류되어 Clear Creek을 통하여 쌔크라멘토강의 케스윅(Keswick) 저수지로 흘러들어 가게 된다.

트리니티 Division의 하부 조직인 Sierra Nevada Region은 트리니티, Carr, Spring Creek 등 3개의 강에 위치한 발전소에 대해 시유량 방류 패턴에 영향을 줄 수 있는 제한적인 방류 조정권을 가지고 있다.

첨두 홍수 사상이 사라지고루이스톤댐 하류에서 주기적인(계절에 따른) 유량이 감소하면서 하도 지형 변화와 이에 따른 어류 서식처 변화가 대규모로 발생했다. 하류 하천 지형 변화로 인하여 소하성 어류에 중요한 수변 서식처 수준이 저하하기 시작했으며, 이에 따라 트리니티 수계에서 연어와 무지개 송어의 개체 수가 급격히 감소했다.

▲ 트리니티강 하천 복원 프로그램은 구조물과 이용 가능 유량으로 나타나는 고유량 제한 조건 아래에서 실제 복원사업이 어떻게 달성될 수 있는가를 보여주는 훌륭한 예이다.

하천 흐름 평가 시스템(Instream Flow Assessment)에 의해서 조립 유사 공급 부재, 수변 식생에 의한 사주 고착화로 인한 하폭 감소, 이로 인한 소하성 어류를 위한 적절한 산란 및 양육 서식처 감소가 확인됐다.

이에 따라 수계에서 소하성 어류의 생산량을 현저히 증가시키기 위하여 하천 유량 증가, 조립 유사의 도입, 서식처 향상을 위한 하도 변형 등을 포함한 하천 복원사업이 연방정부에 의해서 시작됐다.

■ 복원 사업의 진전
복원 사업은 하류 어류 서식처의 복원에 초점을 두고 있으며, 이러한 서식처 복원은 부분적으로는 하도 변형을 통하여, 일부는 하천 유량 조정과 연계하여 조립 유사 도입에 의한 하천의 물리적 작용을 복원함으로써 이루어지게 된다.

물리적 작용이 복원됨에 따라 트리니티강의 조립 유사 이송능력이 복원되게 된다. 실질적으로 하천 복원은 이용 가능한 유량에 대해서, 비록 기존 유량에 비해 감소했지만, 물리적 생물학적인 작용을 재설계하는 것이다.

미 개척국의 트리니티강 복원 프로그램(TRRP)에서는 ‘Trinity River Flow Evaluation Final Report’에 포함된 추천 계획에 근거하여 루이스톤댐 하류에서 유량을 증가시켜 계획에 따라 방류하고 있다.

이 보고서에서 추천한 방류 계획에는 유량 증가에 대응한 4개 교량 보수, 홍수터 내 주택과 농장 구입 및 철거, 양수장, 농장, 우물 등 유량 증가로 인한 영향을 받는 모든 구조물의 재설치 및 재시공이 포함되어 있다.

방류 유량 증가가 다 자란 식생의 크기를 봤을 때, 고착화된 사주를 제거하기에 충분하지 않았기 때문에, 루이스톤댐과 North Fork Trinity강 사이의 수많은 장소에서 기계적인(건설장비를 이용한) 하도 재건 작업이 추가적으로 수행됐다.

이러한 하도 변형은 목표 방류량, 조립 유사의 도입, 수변 식생 응답과 연계하여 지형학적인 하도 응답을 이끌어내기 위해 수행됐으며, 하도 내 서식처 변화와 관련해서는 이로 인한 연어류 개체군의 현저한 증가를 기대했다.

 

▲ 트리니티강 하류 하도 구간에서 사주, 여울, 홍수터 형성을 위해 자갈을 지류의 합류 퇴적 구간으로부터 이송·분급시켜 유량을 증가시켰다.

복원사업의 목표에 적합한 유량을 찾기 위한 하천 흐름 평가 연구를 위해 12년 동안 2천500만 달러의 연구비가 소요됐다. 수문년 유형에 따라 유량을 다양하게 제안한 목적은 유량 조절과 필요 수준의 생태계 기능을 회복하기 위해 설계된 기계적인 재건사업을 통한 어장의 복원과 유지이다.

유량의 크기와 방류 시점은 연어류의 각 수변 서식 단계에 필요한 온도와 서식처에 초점을 두어 설계됐으며, 첨두 유량은 충적 하천에 서식처를 유지하기 위해서 필요한 물리적 작용을 지속시키기 위해 설계됐다.

거기에 추가하여 복원사업에는 기계적인 서식처 관리와 유역 보호가 포함됐다. 이러한 관리와 보호는 일정에 따른 추천 유량 방류만으로는 어류 서식처 복원에 필요한 식생 제거를 위해서 충분하지 않다고 결론지어졌기 때문에 포함됐다.

 

■ 구조물로 인한 제한 요소
구조물의 홍수터 잠식으로 인하여 복원 사업에서 루이스톤댐으로부터의 어장 복원 유량 방류와 연계한 트리니티강 홍수터 내에서의 생계, 보건, 안전 문제를 다루는 것이 필요해졌다. 복원 프로그램의 첫 번째 요소로서, 증가한 어장 유량으로부터의 피해를 경감시키도록 지주들에게 현존 음용수 및 하수처리 시스템을 옮기거나 교체 또는 보수하거나 개선시킬 권한을 부여하기 위해 원조 프로그램이 시행됐다.

구조물로 인한 두 번째 어려움은 트리니티강 상류의 4개 교량의 보수와 관련되어 있다. 교량 보수는 각 지류로부터 흘러 들어올 것으로 예측되는 최대 6천∼1만1천cfs에 이르는 예전보다 증가된 첨두 유량을 물리적으로 소통시키기 위해 필요했다. 수문 연구와 공학 설계서 및 기준, 환경영향평가서 등에 근거하여, 교량은 총 600만 달러의 비용을 들여 보수됐다.

 

■ 조립 유사 도입
조립 유사관리를 위한 전체적인 복원 전략은 하천 내의 조립 유사량을 증가시키고, 조립 유사의 이송량을 개선하며 조립 유사의 공급과 홍수에 의한 조립 유사의 이송, 기계적인 자갈 도입 사이의 균형을 회복시키는 것이다.

세부적인 추천은 △하류 하도 구간에서 사주, 여울, 홍수터를 형성시키기 위한 자갈(gravel/cobble)을 지류의 합류 퇴적 구간(delta)으로부터 이송하고 분급시키기 위해 최대 311.5cms까지의 유량을 방류 △상류에서의 조립 유사 공급 감소에 가장 큰 영향을 주는 루이스톤댐 직하류 하도에서의 자갈 보충 △(하도 내)자갈 양을 유지하고 복잡한 하도 내 서식처 형성과 유지를 가능케 하기 위하여 루이스톤댐 하류 첫 15마일(약 24㎞) 구간에 대하여 홍수 시 이송량과 동일한 비율로 장기 자갈 공급 도입 등으로 이루어져 있다.

추천 방류량은 ‘마른’수문년 보다 ‘젖은’수문년에 더 클 것이므로, 도입될 조립 유사량도 목표 방류량에 맞추어 조정된다. 각 수문년에 대한 실제 도입량은 그 해의 실제 홍수량에 대한 유사 이송 예측량에 근거하여 이뤄졌다.

 

복원계획 아래에서 총 이용 가능 유량이 감소하고, (하도 내에 존재하는) 고착화된 수변 사주(소단)와 사금 선광 부스러기(Placer Mining Tailings) 때문에, 루이스톤댐과 트리니티강의 North Fork 사이의 40마일(약 64㎞) 구간을 따라 트리니티강 홍수터 내에 총 47개의 복원 사이트가 결정됐다.

복원사업에는 강이 기존 홍수터로 접근하는 것을 방해하는 고착화된 수변 사주(소단)를 강턱을 따라 제거하는 것이 포함됐다. 복원사업은 강의 사행을 촉진하고 홍수 시 서식처 형성을 최대화하기 위해 설계됐다.

트리니티강을 연어와 무지개 송어에 도움이 되는 건강한 충적 하천으로 복원하기 위해서는 수변 사주에 의해서 지배되고 있는 현 하도를 이전의 하도로 다시 돌리는 것이 필요했지만, 작은 규모로 이뤄졌다. 하도 변형을 위한 복원계획에는 유량 변화에 의해서 유도된 물리적 작용의 변화를 이끌어 내기 위한 사업 초기의 기계적인 시공도 포함되어 있다.

 

▲ 트리니티강 하천 복원사업은 강의 사행을 촉진하고 홍수 시 연어, 무지개송어 등의 서식처 형성을 최대화하도록 설계 및 시공을 했다.

복원 사업의 장기 효능은 AEAM(Adaptive Environmental Assessment and Management)에 의해서 다뤄졌다. AEAM은 프로젝트 관리 활동, 설비 교체, 프로젝트 관리 개선의 결과물로부터 이뤄진, 형식이 갖춰진, 조직적이며, 정밀한 배움의 과정이다.

이 접근법은 평가와 관리를 결합시켰으며 과거의 경험, 자료 분석, 미세조정 프로젝트 이행으로부터 얻어진 교훈을 적용하고자하는 필요에 근거하고 있다. AEAM은 미래의 모니터링, 연구 결과, 변화하는 자원과 환경 조건에 대한 유연한 운영과 관련된 경험을 결합시켰다. AEAM은 경험적인 모니터링 자료와 개념 모형, 수치 모형, 프로젝트 관리상의 선택과 그 이행을 평가하기 위해 개발된 과학적 방법을 이용한다.

의사결정자들은 복잡성, 변화하기 쉬운 조건, 주요 시스템 요소간의 불확실성으로 특정 지어지는 환경을 관리하기 위하여 AEAM의 결과를 이용한다.

 

■ 통합평가계획(IAP)
통합평가계획(IAP, Intergrated Assessment Plan)은 복원 목적과 목표를 달성하기 위해 규정된 관리 방법의 효율성을 어떻게 평가하는지 자세한 길잡이를 제공한다. IAP는 각 평가항목을 결정하며 우선 순위를 결정한다.

복원 목적과 목표를 달성하기 위한 장기적인 과정을 평가, 주요 가정을 평가하고 관리상의 불확실성을 감소시켜 복원 프로젝트 관리 활동을 개선하기 위한 단기 피드백을 제공 등 IAP의 취지는 명백히 복원 목적과 목표의 각 계층에 대한 평가 간 연결고리를 제공하고, 각기 다른 부시스템(예를 들어 복원 활동, 물리 서식처, 2년생 연어(smolt) 생산, 산란자 탈진) 사이의 중요한 연결 고리를 확인하는 것이다.

 

■ 모니터링·모형화 상호 검토
AEAM과 IAP에 내재되어 있는 복원 활동의 이행과 평가의 또 다른 실용적인 측면은 모니터링, 모형화, 상호 검토 활동이다. 이러한 활동은 유량 산정, 충적 과정, 온도, 유사 이동, 수변 식생, 어류와 야생 동물을 위한 물리 서식처, 치어 생산, 멸종 위험종의 보호 등을 포함하고 있다.

과학적 방법에 입각한 모니터링을 통해서 얻어진 자료와 더불어 각 속성을 묘사하는 적절한 자료를 이용하여 통계적 분석이 복원 목표와 관련하여 이러한 시스템 속성의 총괄적인 상태와 경향을 정량적으로 결정하기 위하여 사용된다.

프로젝트 관리 활동이 현장 조사 결과와 관련하여 기대한 결과를 도출하고 있는지 그 여부를 평가하기 위하여 사용되는 다양한 시뮬레이션 모형이 포함된 분석적 방법이 사용됐다.

개념 모형과 계량 모형 모두 트리니티강 생태계와 복원에 영향을 주는 기저 (생태계) 변화 및 생태계에 내류 개체수, 어류 서식처 유용성, 온도 조건, 수리 조건, 유사 균형, 수변 잠식에 대한 예측 능력은 현장 검증을 통하여 모형 예측 결과를 테스트하여 점차 향상시키고 있다. 수치 모의 모형에 더하여 현장 관측, 경험 기반 모형, 기타 분석 방법들이 인과 관계 평가, 가정 평가, 경향 추출을 위하여 광범위하게 적용되고 있다.

IAP는 독립적이고 상호 보완하는 모형과 경험자료 수집의 역할을 인식하고 있다. 경험적인 관측은 실생활에 쓰이는 용어로 중요한 성과를 현 상채와 경향을 측정하여 설명하기 위해 필요하며, 시뮬레이션 모형을 조정하고 다듬고 검증하고 검정하는데 매우 중요하다.

또한 이러한 관측 결과는 모형의 결과물을 검증하고 검정하는데 도움을 준다. 시뮬레이션 모형은 복원 성과를 예측하고, 강건한 프로젝트 관리 실험을 설계하는데 도움을 주며, 새로운 프로젝트 관리 전략을 개발하기 위해서 이용된다.

트리니티강 복원 프로그램은 구조물과 이용가능 유량으로 나타나는 고유량 제한 조건 아래에서 실제 복원사업이 어떻게 달성될 수 있는가를 보여주는 훌륭한 예이다. 복원 목표는 이러한 제한점에 맞추도록 규모가 조정됐으며, 여전히 토지에 근거한 의미있는 하천 복원을 달성할 수 있었다.

IAP에 내재되어 있는 AEAM 주요 원칙들의 공격적인 적용은 복원 목적을 달성하기 위해 목표자원(어류, 생물)의 특정 요구를 더 잘 처리하기 위한 현재 진행중인 복원사업의 길잡이로서 매우 효과적인 것으로 나타났다.