1. 서두
· 「많은 자연하천 만들기(多自然川づくり)」나 「자연재생사업(自然再生事業)」 등 하천환경 복원은 과거의 하천환경을 목표로 실시되는 경향을 보이나, 그 목표는 주로 정성적으로 설정.
· 하천환경 복원목표의 명확한 설정, 복원효과 검증, 복원효과의 감소에 따른 재복원에 대해, 정량적 검토 진행 미흡.
· 본 연구에서는 하천공학 분야의 과거의 하천환경 복원, 물리환경과 동물서식의 관계 기술을 활용하여 크게 두 가지 연구를 수행함.

 (ㄱ) 과거환경 복원기술을 활용한 하천환경 복원항목 추출, 중점화 기술검토
  · 2009년부터 2011년까지 시나노가와(信濃川) 수계인 치쿠마가와(千曲川)에서 유역전체 규모에서 과거 하천환경 정보를 복원하여 현재와 비교함.
  · 그 결과, 하천 고수부 형성에 따른 범람원 환경손실이 어류군집 및 식물군락을 비롯한 하천생태계에 부정적인 영향을 미치고 있는지 정량적으로 분석. 이 결과를 토대로 하천고수부 시험굴삭을 실시하고 범람원 환경을 조성하여 어류군과 식물군락 서식지를 복원함.
  · 문제시 되고 있는 외래생물 가시박(Sicyous angulatus)을 굴삭에 의한 생육억제 효과를 검증하고 그 효과를 확인. 굴삭이 불가능한 고수부내 가시박은 매토종자 제거공법(埋土種子除去工法) 개발 및 적용.

 (ㄴ) 과거환경 복원기술·GIS를 활용한 유역 하천환경 복원계획 및 검증시스템 개발
  · 하천공학 및 생태계 모델링을 활용하여 유역 전체규모의 하천환경 개선계획 및 검증 시스템을 개발. 이 시스템을 이용하여 가시박 치쿠마 침입 · 확산과정 재현.
  · 가시박 씨앗(매토종자)의 분포와 발아능력에 대한 검토실시, 발아능력을 가진 매토종자의 평가방법 개발. 그 후, 매토종자가 개체군 확대 굴삭과 제거공법의 조합으로 유역전체 규모의 가시박 방제를 시도하고 실용성을 검증.

2. 유역 전체규모에 있어 기능적 측면에서 본 하천환경 기능의 변천평가와 복원항목의 추출·중점화 수법제안

2.1 유역 전체규모에서의 기능적 측면에서 본 하천환경 기능의 변천평가

1) 하천환경 기능의 변천평가와 하천 환경 복원목표 설정의 중요성
· 효율적인 하천환경 복원을 위해 하천환경의 복원목표 설정이 필요: 하천환경 개선사업 내용의 명확화, 사업효과의 명료한 평가.
· 유지관리에서는 사업 실시후 시간이 지남에 하천 환경의 기능 저하가 발생하면 다시 복구 할 판단 기준이 될 가능성도있다.
· 이전 연구에서 확인되는 하천환경 복원목표 설정방법
 (ㄱ) 해당 지역의 비교적 양호한 환경을 목표로 설정
 (ㄴ) 근처에 자연환경이 잘 보존되어 있는 하천을 목표로 설정
 (ㄷ) 인위적인 영향이 적었던 수십 년 전 상태를 목표로 설정
· 일본의 하천은 과거부터 많은 인공적 수정이 있어왔으므로 바람직한 자연하천의 복원을 위해서는 (ㄱ)과 (ㄴ)보다 (ㄷ)이 바람직함. 과거부터 현재까지의 하천환경 변천의 이해를 통해 하천환경의 여러 기능들 중에서, 기능저하가 현저한 것을 추출하여 정량적 평가 및 복구 목표로써 설정할 필요가 있음.
· 일본 하천환경의 세 시기에 걸친 큰 변화(‘玉井’견해 인용)
 (ㄱ) 1시기 청일전쟁 전후(1849-1904): 1896년 최초의 하천법 이 제정. 연속제방에 의한 치수사업 진전되고 있다.
 (ㄴ) 2시기 러일전쟁 후부터 제1차 세계대전(1904-1918): 2차 산업혁명을 통한 해운·광업 등 기업활동이 활발하여 전력이 주요 동력원이 됨.
 (ㄷ) 3시기 고도경제성장기(1960-1975): 산업이 1차에서 3차산업으로 변하고 농촌에서 도시로의 인구 대이동 발생. 급격한 산업화와 도시화에 따른 새로운 수자원 정책 확립. 새로운 하천법 제정(1964)
· 고도성장된 높은 문명생활을 유지하면서 하천환경 복원목표를 그림-1 곡선(3)과 곡선(4) 중간에 두고 있음.  곡선(3)과 곡선(4)의 중간부에서는 자연환경 복구가 일정 수준으로 제한됨. (그림-1)

· 더 좋은 하천환경 복구를 위해 제3시기 이전의 하천환경 기능 중에서 현재 하천에서 실현 가능한 기능을 추출하고 현재의 하천기능 복원시도가 필요.
· 본 연구에서는 더 좋은 환경복원을 목표로 설정하기 위해 가장 인위적 영향이 적었던 메이지 시대의 하천환경과 현재의 하천환경을 비교를 통해 복원할 생태적 기능을 추출·분석.
· 본 연구에서는 지리정보시스템(Geographical Information System: GIS)을 이용하여 하천지형을 복원하고 평면흐름 상황 계산을 이용하여 하천흐름을 재현, 실제 서식공간 모델에서 어류 서식지를 추정하고, 메이지 시대와 헤이세이 시대의 하천환경을 복원, 복원해야 생태적 기능을 고찰함.

 2) 메이지 시대와 헤이세이 시대의 하천지형과 하천흐름 상황 비교
· 연구수행을 위한 기반자료
 (ㄱ) 메이지 시대 하천측량 복원결과 (1892): 하천지형 및 흐름상황, 동물 서식지 추정가능.
 (ㄴ) 메이지 시대 측량성과 평면도 (1/200), 종단면도(1/2,000), 횡단면도(1/1,000)
· 이 자료를 토대로 환경정보 복원기법(？本哲？, 砂州景？保全を河川生態工？からどう意義つけるか, 하천기술논문집 제10권, pp.43-48, 2004.6.)을 적용하여 당시 지형과 흐름상황을 재현.
· 메이지 시대 측량성과를 GIS에 배치, 공간내 삽입하여 물길안쪽 지형을 재현.
 당시 연속제방이 건설되지 않았으므로 제방안쪽에 잦은 범람이 예상되며, 동시기 판도(版？)의 등고선을 따서 GIS로 옮겨 삽입하여 제방안쪽 지형 재현.
· 재현한 지역 지형에 물길지형 데이터를 합성하여 당시 물길과 범람지대의 지형을 재현.
· 고정바닥 평면흐름(固定床平面流) 계산하여 메이지 시대와 헤이세이 시대의 흐름상황 재현. (상류유류량 40m3/s~2,000m3/s)
· 메이지 시대에 비해 헤이세이 시대의 강바닥은 가장 차이나는 부분에서 약 4m 저하됨. 가장 차이나는 부분의 강바닥 높이와 하천 고수부와의 상대높이차가 증대. (그림-2)
· 메이지 시대의 하천유로는 여러 유로로 나뉘어 사행(蛇行)하는 반면, 헤이세이 시대의 유로는 단조롭고 직선화함. (그림-3)
· 메이지 시대의 유로는 유속분포가 다양한 반면, 헤이세이 시대는 유속이 동일한 정도로 하나로 뭉쳐짐.
· 헤이세이 시대는 국소적으로 2m/s 이상의 유속이 빠른 공간이 많음. (그림-4)

3) 물리적 서식공간 모델을 이용한 메이지, 쇼와, 헤이세이의 어류 서식지 환경평가

· 그림-4의 결과에 물리적 서식공간 모델을 이용하여 메이지 시대와 헤이세이 시대의 어류 서식 환경재현. (공간특성: 유속, 수심, 하부지질(底質), 식물)

· 메이지 시대, 헤이세이 시대에 공식 (1), (2)를 이용하여 CSI (Composite Suitability Index : 합성적당치), WUA를 산출 비교. 

· WUA 계산작업은 각 어종의 몸길이별로 수행하고 WUA를 레이더차트로 만들어 메이지 시대와 헤이세이 시대를 비교.

4) 물리적 서식공간 모델을 이용한 메이지, 쇼와, 헤이세이의 어류 서식환경 평가
· 어류 종별 WUA차이: 메이지 시대는 헤이세이 시대에 비해 미꾸라지를 제외한 모든 종의 WUA가 컸음. 특히 참붕어와 버들치 같은 고인물을 선호하는 어류의 WUA가 컸음. (그림-5)

· WUA가 높은 지역: 메이지 시대는 헤이세이 시대와 비교하여 지류부와 물가에 존재. 헤세이는 고수부 위를 흐르는 작은 지류와 물가주변 영역에만 존재. 범람원의 감소가 어류 서식환경을 악화한 것으로 보임. (그림-6)

2. 2 하천 고수부 시험굴삭 등에 의한 침수빈도의 증가 필요성
· 그림-4, 그림-5, 그림-6은 하천환경의 열화요인을 추정하는데 중요한 시사점을 주며 그림-6에서 WUA값이 큰 부위(파란색)는 지류나 물가영역에 집중되는데 두 가지 원인추정이 가능.
① 메이지 시대에는, 헤이세이 시대에 비해 유로와 고수부 비고차가 작은 것
② 메이지 시대의 유로는 헤이세이 시대의 유로에 비해 복잡한 점
· 메이지 시대는 유로와 고수부의 비고차가 작고, 소규모 출수에도 유로가 흘러내리며 그로인해 모래톱과 복잡한 유로가 형성된 것으로 추정.
· 이 현상은 치쿠마 지역에서 문제가 되고 있는 식물군락 다양성 감소, 외래생물 침입, 수림 화 진행에 영향. 이 현상은 고수부 표층토양 이동 용이성과 작은 지류 토사분의 퇴적 가능성이 적었다는 것으로 추정됨. 이러한 특성으로 강변 자갈밭의 유지, 수림화 진행 억제했을 가능성이 높음. 고수부 상 유로가 흘러내리는 빈도의 감소가 식물 군락의 다양성 저하, 외래생물의 침입, 수림화를 촉구한 것으로 추정.
· 이러한 문제해결로 고수부 침수빈도를 높이기 위해 고수부 굴삭이 유효한 것으로 판단.

3. 하천 고수부 굴삭을 통한 하천환경 개선효과 검증
· 치쿠마가와는 2004년부터 본래의 하천환경 복원을 목적으로 한 시험적 하도굴착 연구가 실시되어 2005년 행정상 합쳐질 지역 안에 해당하는 81km거리의 하도를 대상으로 시험굴삭 실시.
· 하도굴착시 고수부의 침수빈도 설정이 논의되어 연 1회 관수의 목표를 두고 굴착실시. 그 결과 외래 생물 침입억제, 수변식물 종 재생가능성이 규명됨.
· 이러한 결과를 토대로 2009년 네즈미(鼠)지구 지류 부근의 고수부에 하도 시험굴착 실시,  과 같이 범람시 고도가 다른 3단으로 굴삭. (굴착면1: 항상 수면 아래에 위치, 굴착면2: 최소 1회/년 관수)
· 그 결과, 외래생물 침입 억제, 수변 식물군락 재생, 수림화 억제 등 효과 확인.(그림-7)
· 고수부 굴착방법을 통한 물리적 환경변화가 외래종인 가시박 초기생육 억제효과. 침수빈도 및 소류력(掃流力) 증가, 매토종자 유실유도, 표층토양 수분함량 감소가 용이한 강변환경 조성. (鼠地區 토목연구소 인용)
· 2011년에는 가무리키(冠着)지구 고수부에서 대하천 굴착 실시, 외래생물 침입억제, 자갈밭 강변 재생 성공. (그림-8)
· 하천 고수부 굴착은 하천생태계의 복원과 보전에 큰 가능성을 보임. 하천 고수부 굴삭효과는 기존연구 에서 지적 된 것이나, 본 연구의 성과는 최소 1회/년 관수한다는 복원 목표를 설정한 것으로 정리됨. 

4. 역사적 변천에 입각한 유역 하천환경 복원계획 · 검증시스템 제안
4.1 복원계획 · 검증시스템의 개요
(1) 하천환경 복원계획 검증시스템 개요
· 하천관리를 위한 정기적 수집데이터: 하천횡단 측량, 유량 수위관측 자료, 항공사진 ,하천수변의 지형조사 등 → 본 연구에서는 이러한 데이터를 토대로 역사적변천에 입각한 하천환경 복원계획 및 검증시스템 제안. (그림-11)
· 하천환경 복원계획 검증시스템의 차별성: 일반적인 경우 보전대상으로 설정된 특정 구간의 서식환경 보전 등 지역적으로 실시되나, 본 시스템은 해당 지구에 유입되는 유량변화, 상하류의 생물이입 등 해당 구간에 영향력이 있는 큰 공간을 고려가 필요하며 GIS 활용.

(2) 유역전체 스케일을 대상으로 한 1차원 시스템
· 1차원 시스템: 하천관리 현장에서 수집되는 하천횡단 측량 데이터, 유량수위 관측데이터 등 → 1차원 하상변동 계산 → 유역전체 스케일의 유류상황과 유사이동 재현 → 씨앗의 흐름양상을 미세모래와 유사한 침강속도를 갖는다는 선행연구(吉川正人星野義延 : 河床堆積物中に含まれる植物種子と堆積物粒子の沈降速度との係, 河川環境管理財報告, 2011) → 상류에서 씨앗을 확산시켜 식물종자의 하류로의 확산 양상 예측, 종자 분산에 의한 개체군 확산 예측 시스템 구현.

(3) 국소적 스케일을 대상으로 한 2차원 시스템
· 2차원 시스템: 특정 구간의 흐름양상 지형변화 및 식물군락의 생육상황을 모델링하는 시스템. 해당구간 하천횡단 측량데이터 → 강바닥 지형재현(평면) → 2차원 하상변동 계산 → 하천 흐름양상과 하천지형변화 추정, 상류에서 연구대상 식물씨앗의 부유 특성을 고려하여 하류 시켜 종자 표착지역 추정 → 침수빈도 및 토양수분량 등 매개변수로 대상식물의 발아·생육 적성이 높은 지역을 파악, 다른 식물과의 경쟁을 고려하여 대상식물의 생육상황 추정 → 식물군락 면적분포 도출 → 해당지역 하천환경 보전·복원 활동이 유역전체 식물개체군에 미치는 영향력 평가.
· 2차원 시스템의 장점: ① 유역내 어느 구간에서도 계산구간 설정이 가능. ② 식물군락 보전·복원을 목적으로 하는 고수부 굴착의 경우 해당지역 대상식물 군락 보호효과 검증. ③ 하류역의 씨앗 확산효과의 예측.

4.2 복원계획 · 검증시스템을 이용한 치쿠마가와의 가시박 개체군확산 재현과 정밀도 검증
· 하천환경 복원계획 검증시스템의 정확성을 검증: 치쿠마가와 유역의 가시박 개체군 확산 과정재현 → 인근마을의 지역역사 기록과 일치여부 확인 → 치쿠마가와 가무리키(冠着)지구 가시박 분포양상을 하천환경 복원계획 검증시스템에서 재현여부 검증. (그림-11)

(1) 하천환경 복원계획 검증시스템에 의해 재현한 유역규모의 아레찌우리 확산과정과 지역역사와 무결성 확인
· 치쿠마가와 상류에서 가시박은 ① 1969년에 나가노현(長野) 가와카미무라(南佐久郡) 사쿠호마치(佐久町) 하치호무라(八千村)와 나가노현 고모로시(小諸市) 근방에서 발견. ② 1972년에 나가노현 나가노시 근방 치쿠마에서 발견.
· 당시 나가노 부근에서는 가시박의 침입요인이 되는 밭이나 낙농 등 대규모 윤작(作)이 없어 3년 동안 상류에서 씨앗이 흘러내려와 확대된 것으로 추정.
· 하천환경 복원계획 검증시스템에서 가시박의 개체 확산과정을 재현한 결과 양호하게 확산과정을 재현하여 정밀성 검증.

(2) 치쿠마가와 가무리키 지구의 가시박 평면분포 재현과 시스템검증
· 하천환경 복원계획 검증시스템은 고수부에 가시박 분포를 양호하게 재현. (그림-12)
 (ㄱ) 하천환경 복원계획 검증시스템에 의해 재현한 유역 전체규모의 가시박 확산과정과 지 역사와 일치함 확인
 (ㄴ) 치쿠마가와 가무리키 지구의 가시박 평면평가 재현, 두 결과에서 하천환경 복원계획 검증시스템은 유역전체 규모에서 국소적 구역 스케일까지 일정한 정밀도를 보임. 

4.4 복원계획 및 검증시스템을 이용한 하천환경 유지관리 방법차이가 하천환경에 미치는 영향평가
· 하천환경의 유지관리 목적의 고수부 굴착방법 차이가 가시박 방제에 미치는 영향을 검증:  가무리키 지구에서 굴삭을 하지 않은 경우(현 상태), 고수부 굴착 단면(패턴1), 패턴1에 더하여 우안측 고수부도 하도굴삭을 수행(패턴2) → 시뮬레이션 실시, 고수부 굴삭모양 차이가 가시박 개체의 하류역 종자확산에 미치는 영향 검토. (그림-13)
· 시뮬레이션 고려사항: 가무리키 지구의 발아 개체수(발생 개체수), 침수에 의해 유실된 개체수(유출 개체수), 고수부 굴착방법으로 조성된 강변환경에서 고사한 개체수(고사 개체수), 종자를 결실한 개체수 (결실 개체수)
· 시뮬레이션 진행기간: 2009년 - 2016년
· 현 시뮬레이션 결과, 하천 고수부 굴삭의 경우 가시박 개체군 억제하며, 실제적인 굴삭 보다 대규모로 하천고수부를 굴삭하는 것이 가시박 방제에 효과적임. 이 효과는 단순히 굴삭지역에만 국한된 것이 아니라 그 하류에도 방제효과를 줌. (그림-14)
· 본 연구에서 개발한 시스템은 하천지형 변화, 식물군락 변화 예측 가능성이 높고, 해당 지역 고수부 굴착이 하천 유역전체 생태계에 파급효과를 준다는 점을 검증할 수 있었음. 향후 하천 복원·보전에 중요한 의의를 갖음.