수온-기온 이력현상 분석을 통한 산지계류 수온 예측

우리나라는 전국토의 64%가 산림으로 피복되어 있기 때문에, 수자원 공급 및 관리 측면에서 산지계류에 관한 연구가 중요하다고 할 수 있다. 또한, 산지계류는 물과 토사 및 각종 영양, 유기물들의 근원지인 동시에 이들을 하류의 대하천까지 공급하는 중간지대로서 중요한 역할을 가지고 있다. 최근 지구 온난화로 인한 기온의 상승은 수온변화로 이어져 수생물의 개체수 및 서식지 변화를 발생시키고 있으며, 이는 유역의 근원이 되는 산지계류의 물이용에 관한 지속가능한 유지 및 관리 측면에서 중요하다고 할 수 있다. 수온에 영향을 주는 인자는 강우, 증발산, 기온과 같은 기후인자, 물의 유출에 의한 수문학적 인자 및 고도, 경사, 피복율, 면적 등을 포함하고 있는 지형인자가 있으며, 이를 평가하기 위해 다양한 연구가 국내외에서 실시되고 있다. 수온과 기온의 관계를 이용한 연구뿐만 아니라, 고도, 경사, 유역면적, 산림 피복율 등 지형 및 토지이용 특성의 영향인자들을 이용한 연구도 진행되고 있다. 현재, 우리나라에서는 4대강을 중심으로 수온변화에 대한 영향요인 분석 및 예측에 관한 연구가 실시된 바 있으나, 산지계류에서의 수온연구는 상대적으로 부족하다. 특히, 전국에 설치되어 있는 기온 관측망과 비교하여 산지계류에 설치된 수온관측망의 확인이 어려운 실정이므로 수생태계 및 수질환경을 파악하는 중요한 인자에 해당하는 수온자료를 이용한 장기적인 물환경 변화를 파악하는 것은 곤란하다. 그리하여 본 연구에서는 산지계류의 수온을 예측을 기온변화에 상응하는 수온반응을 통한 기온, 유역면적, 위도, 고도, 산림 피복율 자료를 이용하여 수온의 추정기법 제시를 목적으로 한다. 연구대상지는 강원도 영서지방 4개 시군(화천군, 춘천시, 홍천군, 평창군)에 위치한 총 8개소의 산림유역으로서(Fig. 1), 유역면적은 90∼846ha, 고도분포는 254∼755m이며, 산림 피복율은 90∼100%이다. 임상은 대부분이 활엽수림 및 혼효림으로 구성된 천연림이다. 8개소 산림유역에서 산지계류의 수온 측정은 2015년 6월 26일∼9월 22일, 2016년 5월 1일∼10월 10일, 2017년 5월 1일∼10월 31일까지 3년간 실시하였다. 동절기에는 산지계류의 유량 부족 및 동결로 인해 관측을 중지하였다. 산지계류의 수온은 수온 측정이 가능한 압력식 수위계(OTT-Orpheus Mini Water Level Logger, OTT Messtechnik, Germany)를 이용하여 10분 간격으로 측정하였으며, 측정한 수온 자료를 바탕으로 일평균값을 산출하였다. 기온은 산지계류의 수온 측정지점에서 지리적으로 가까운 화천군 사내면, 홍천군 화촌면, 홍천군 홍천읍, 평창군 대화면에 위치한 자동 기상 관측소(AWS, Automatic Weather System)에서 측정된 1시간 간격의 데이터를 이용해서 일평균값을 산출하였다. 이력현상은 일반적으로 외부의 영향이 증가할 때와 감소할 때에 서로 다른 값이 주어지며, 자기장이나 온도장에서 나타나는 현상으로서 본 연구에서는 산지계류의 수온에 영향을 주는 인자 중, 기온과 수온 관계를 파악하기 위하여 기온의 증감에 따른 수온의 증감이 서로 다른 곡선을 따라 변화하는 이력현상을 적용하여 분석하였다. 이를 위하여 기온자료를 기준으로 동절기를 제외한 기온 상승기(5∼7월)와 하강기(8∼10월)로 구분하였다. 또한, 산지계류의 수온에 미치는 영향 인자의 통계적 분석은 Statistical Package for Social Sciences(SPSS), version 19을 이용하였다. 연구결과에서 산지계류에서 관측지점간의 기온의 변화는 2.0∼29.9℃이며, 수온의 변화는 7.0∼23.5℃으로 수온의 변화범위가 기온의 변화범위 보다 ∼6℃ 정도 낮게 나타났다. 이는 본 연구의 산지계류는 위치적으로 높은 고도(>250m)와 산림 피복율(>90%)과 연관이 있다고 판단되며, 산지계류를 포함한 산지유역의 울폐도의 증가는 지표면에 도달하는 태양복사량의 감소하기 때문이라고 판단된다. 산지계류 관측지점의 월평균 기온은 9.0∼26.6℃이며, 월평균 수온은 9.6∼21.6℃으로 산지계류의 기온 상승에 따라 수온이 상승하고 있지만, 수온변화의 폭은 기온보다 작게 나타났으며, 이는 물이 공기에 비하여 비열이 크다는 물리적 특성 때문인 것으로 판단된다. 기온자료를 기준으로 동절기를 제외한 기온 상승기(5∼7월)와 하강기(8∼10월)로 구분하였으며, 이는 봄철(또는 늦겨울)에서 여름철로 이동하는 온도 상승시기와 가을철(또는 늦여름)에서 겨울철로 이동하는 온도 하강시기에 따른 이력현상을 분석을 바탕으로 실시하였다. 그 결과, 물과 공기의 열용량 차이로 인하여 기온의 상승기에는 수온이 기온보다 높은 상태로 상승하며, 기온의 하강기에서 상승한 수온이 하강하는데 시간이 지연된다는 유사한 연구결과를 나타내고 있다. 기온 상승기와 하강기의 결과를 바탕으로 기온을 포함한 유역면적, 위도, 고도, 산림 피복율 등 나머지 요소들과 수온의 상관관계를 분석하였다. 그 결과, 영향 인자들은 기온의 상승기와 하강기에서 수온과 유의성(p<0.01)을 나타내고 있었으며, 고도(-0.581, -0.549) 및 산림 피복율(-0.122, -0.137)과는 음의 상관관계를 나타내고 있었으며, 상관분석결과를 이용한 다중회귀방정식을 산출한 결과, 산지계류에서 기온의 상승기 및 하강기의 기울기는 상승기보다 하강기에서 가파랐으며, 결정계수는 하강기에서 0.835로 더 높은 값으로 명확한 이력현상을 파악하였다. 또한 기온의 상승기와 하강기에서 모두 기온-수온 상관관계(0.436∼0.886; p<0.01)를 확인하였으며, 이로 인해 다중회귀방정식의 예측도가 높게 나타난 것으로 판단된다. 그리하여 본 연구는 수온은 이력현상을 고려하여 추정하는 것이 바람직하며, 보다 정확한 결과를 제시하는 것으로 분석되었다. 하지만 본 다중회귀방정식은 한정된 유역에서 제한된 영향인자들을 이용하여 도출하였으므로, 차후의 연구에서는 좀 더 많은 지역과 더불어 세부적인 영향인자를 이용한 실험이 필요하다고 판단된다.