3.1. 토지이용 특성을 반영한 수질 개선용 수변식생 활용 방안

경안천 하류 유역에 성립된 경관요소의 특성을 검토한 결과^{(An et al., 2015}; ^{An et al., 2016)} 논은 둑을 이용하여 얕은 저수지 형태로 물을 가두고 있고, 그 유출은 주로 물꼬를 통해서 이루어지기 때문에 비점오염원이기보다는 점오염원으로 판단되었다(Fig. 2). 도시화지역도 도로를 제외하면 대부분의 배출수가 하수관거를 통해 배출되므로 역시 점오염원에 가깝다.

Fig. 2

Photos showing a sluice gate created on the levee of rice paddy where water and agricultural waste water flow in and out.

그러나 밭은 논둑과 같이 농경수의 배출을 제한하는 구조물을 갖추지 않고 불특정 배수 구조로 비점오염원에 해당한다(Fig. 3).

Fig. 3

Photos showing upland fields as a non-point pollution source.

이러한 검토 결과에 기초하여 수질개선을 위한 수변식생 벨트(Fig. 4)는 밭을 중심으로 도입하기로 하였다. 그 대신 논의 물꼬 주변과 각 하천의 하구에는 정화 못(Fig. 5)을 도입하여 이를 보완하고자 한다. 나아가 토지이용유형이 산림으로 구성되어 수체가 경사가 급한 산지와 직접 만나는 부분이 있다. 산림은 비교적 안정된 생태계를 유지하며 단위면적 당 오염물질 배출량은 적지만 면적이 넓어 전체 배출량은 많다. 이러한 점을 고려하여 수체가 산지와 직접 마주하고 있는 부분은 수변식생 벨트나 인공습지의 설치가 어렵기 때문에 정화기능이 높은 식물을 도입한 식물섬(Fig. 6)을 설치하여 이를 보완하고자 한다.

Fig. 4

Model of the arrangement of plant species in the riparian vegetation buffer to be introduced for the reduction of pollutant discharge from an upland field. Sp.p: Spiraea prunifolia, C.j: Callicarpa japonica, U.d: Ulmus davidiana, A.j: Alnus japonica, S.s: Salix subfragilis, S.k: Salix koreensis, Sa.i: Salix integra, S.g: Salix gracilistyla, P.j: Phragmites japonica, Ph.c: Phragmites communis

Fig. 5

Model of arrangement of plant species to be introduced for reducing pollutant discharge in the treatment wetland. Sa.i: Salix integra, S.s: Salix subfragilis, S.k: Salix koreensis, A.j: Alnus japonica, Ph.a: Phalaris arundinacea, P.t: Persicaria thunbergii.

Fig. 6

Model of artificial plant island designed to display maximum purification capacity (left) and the actual feature of an artificial plant island installed in a lake. Z.l: Zizania latifolia, T.o: Typha orientalis.

경안천 하류 유역의 토지이용 실태를 분석한 결과 산림지역이 가장 넓은 면적(73.6%)을 차지하였고, 밭(7.8%), 논(6.4%) 등이 그 뒤를 이었다^{(An et al., 2015)}. 따라서, 각 토지이용 유형별 오염물질 저감을 위한 수변식생벨트, 정화못 및 인공 식물섬의 공간배치를 Fig. 7에 나타내었다.

Fig. 7

Plan to create riparian vegetation buffer for reducing pollutant discharge by land-use type in the downstream watershed of Gyungan.

3.2. 기존 하천 강변구역의 생태적 복원

경안천 하류에서 진단평가를 실시한 7개 구간^{(An et al., 2015}; Fig. 1)의 질을 높이기 위해 대조하천 구간에서 수집한 식생정보^{(An et al., 2016)}에 근거하여 생태적 복원 방안을 제시하였다(Fig. 8).

Fig. 8

Plans for restoring riparian buffer zone from GY1 to GY7. P.j: Phragmites japonica, Ph.a: Phalaris arundinacea, S.g: Salix gracilistyla, Sa.i: Salix integra, M.s: Miscanthus sacchariflorus, S.s: Salix subfragilis, S.k: Salix koreensis, Ph.c: Phragmites communis, Z.l: Zizania latifolia, P.t: Persicaria thunbergii, S.r: Scirpus radicans, Ar.p: Artemisia princeps.

제1구간(GY1)은 군락다양성이 비교적 낮고, 제방에는 붉나무, 벚나무 등의 육상식물이 출현하였다. 따라서 제방 변에 갯버들, 선버들 등의 연목림을 보완한 수변식생의 조성을 제안하였다.

제2구간(GY2)은 외래종과 일년생식물의 점유율이 높고, 제방에는 족제비싸리, 은행나무 등의 외래종과 육상식물이 출현하였다. 홍수터에 형성된 갯버들, 선버들 등의 수변식 물군락과 연결성 확보를 위해 제방에 갯버들 등의 관목림을 보완한 수변식생 조성을 제안하였다.

제3구간(GY3)은 수체 근처와 제방에 형성된 가죽나무, 족제비싸리, 붉나무 등의 외래종과 육상식물의 출현으로 홍수터에 형성된 수변식물군락과 연결성 확보의 필요성을 제안하였다. 나아가 수변에 갈대, 줄 등의 수생식물대를 보완한 수변완충식생대 조성의 필요성을 제안하였다.

자연도 평가결과 불량으로 나타난 제4구간(GY4)은 외래종과 일년생식물의 점유율이 높고, 종 다양성이 낮아 단순한 식생구조를 나타내었다. 따라서 갈대, 갈풀, 환삼덩굴 등이 우점하는 넓은 초지에 갯버들, 선버들 등의 목본성 수변식물 도입의 필요성을 제안하였다.

제5구간(GY5)은 제방에 가죽나무, 단풍잎돼지풀 등의 외래종이 높은 밀도로 분포하여 이의 제거가 우선 필요하고, 그런 다음에는 갯버들, 선버들 등의 수변식물군락의 조성이 필요하다.

제6구간(GY6)은 군락다양성이 낮고, 제방에 아까시나무, 붉나무 등의 외래종과 육상식물이 출현하여 이들을 버드나무 등으로 교체한 수변식물군락의 조성이 필요하다.

제7구간(GY7)은 자연도 평가결과 불량 구간으로 외래종과 일년생식물의 점유율이 높고, 단순한 식생구조로서 갈대, 물억새, 환삼덩굴 등이 우점하는 초지에 선버들, 버드나무 등의 목본성 수변식물의 도입이 필요하다.

3.3. 밭 경작지 주변에 조성될 완충식생대

수변완충지대와 습지는 비점오염물질의 하천 유입을 차단, 저감하는 대표적인 방법이다^{(Kim and Sung, 2010}; ^{Woo and Oh, 2005)}. 수변구역에 도입되는 수변완충식생대는 오염원 조절을 통한 수질정화, 야생동물 서식처, 이동통로, 강둑 안정, 토사유출 감소, 홍수저감 등의 기능을 고려하여야 한다^{(Kim and Sung, 2010}; ^{USDA, 2001)}. 수변완충식생대의 폭이 증가함에 따라 오염물질 제거에 유리하고, 다양한 유형으로 조성하는 것이 영양염류 제거에 더 효과적인 것으로 알려져 있다^{(U. S. EPA, 2005)}. 따라서 경안천 하류 유역의 자연도 평가결과를 토대로 삼고 비교적 온전한 자연의 모습을 간직하고 있는 대조하천 구간에서 수집한 식생정보를 고려하여 강변식생 복원계획을 제시하였다. 이 계획에서는 도입종을 주변에서 자라는 자생종 위주로 선정하였고, 그 배치는 대조하천으로부터 얻은 생태정보에 기초하였다(Fig. 4).

비점오염원으로서 밭은 농업용수가 직접적으로 유출되는 불특정 배수 구조를 가지며(Fig. 3), 하천으로의 유입원을 찾기 어렵기 때문에 수변완충식생대를 조성하여 밭에서 배출되는 유출수를 정화하는 구조가 필요하다(Fig. 4). 수변완충식생대에 의한 수질정화 기능은 물리적 측면과 화학적 및 생물학적 측면으로 구분할 수 있다^{(Lee, 1997)}. 오염물질의 침적과 여과 및 일부 흡착은 물리적인 과정으로 식생이 유발하는 수문학적 과정과 관계가 있다^{(Brix, 1993)}. 식물은 광합성을 위해 잎을 생산하며, 그에 따라 엽면적지수(leaf area index; LAI)를 증가시킴으로 강우의 포착량과 증발산량을 증가시킨다. 식물에 의한 표면 거칠기(surface roughness)의 증가는 물의 흐름을 지연시킨다^{(Lee, 1997)}.

대부분의 유출수에서 질산염 농도는 수변식생대를 통과한 후 크게 감소한다. 이는 식생의 성장에 따른 흡수량으로 그 양이 많다. 생물량에 집적되는 양 뿐만 아니라 습기가 많은 수변토양에서는 산소부족으로 많은 양의 질소가 탈질과정을 통해 대기로 사라진다^{(Lowrance et al., 1997}; ^{Woo and Oh, 2005)}. 주기적으로 범람하거나 지하수의 수위가 높은 범람원, 하천변, 호수 주위 등에는 식물에 의한 유기탄소의 공급이 원활하여 많은 양의 무기질소가 제거된다^{(USDA, 2001)}. 대부분의 식물과 미생물은 영양소를 기반으로 대사활동을 함으로 질소나 인을 흡수하여 물의 부영양화 감소에 기여한다^{(Lee, 1997)}. 약 10m 폭의 완충림을 통과하였을 때, 부유성 물질, 용해성 인 및 질산성 질소는 각각 64%, 34% 및 38%가 제거되는 것으로 나타났다^{(Dunn et al., 2011)}.

대조하천 식생정보를 종합하여 체계화한 결과^{(An et al., 2016)}, 수변완충식생대는 수변으로부터 달뿌리풀, 갈대 등으로 구성된 초지, 갯버들, 개키버들 등으로 구성된 관목림, 그리고 선버들, 버드나무, 오리나무, 느릅나무 등으로 구성된 교목림을 도입하여 조성하는 것으로 제안하였다. 그러나 밭 경작지에 인접하여 교목성 식물을 도입하면 그늘을 만들어 경작에 지장을 초래하므로 경작지로부터 5m 이내의 구간에는 조팝나무, 작살나무, 찔레꽃, 화살나무, 쥐똥나무 등의 관목으로 식생벨트를 조성하는 방안을 제시하고자 한다(Fig. 4). 이러한 구조의 완충식생이 성공적으로 도입되면 비점오염원을 효과적으로 통제할 수 있는 기반을 갖출 수 있을 것으로 판단된다.

3.4. 논 지역의 오염 저감을 위한 정화용 습지

경작지는 주된 비점오염원으로 알려져 있으나 농업용수가 배출되는 구조를 보면 논과 밭의 차이가 있다. 논은 논둑이 농업용수의 배출을 제한하여 배수로로 모여 배출되어 비점보다는 점 오염원에 가까운 것으로 판단된다(Fig. 2). 우리나라의 강에서 수변구역은 하천과 유역이 제방으로 분리되어 있어 있으며, 제방이 없는 경우 도로나 산기슭이 하천까지 연장되어 있다. 따라서 유역에서 발생한 비점오염물질은 배수로, 지천, 합류식 하수관거 월류수와 같은 점오염원 형태로 유입되며, 이러한 지역은 수변완충식생지대를 이용한 비점오염원을 저감하기는 곤란하다^{(Yoon et al., 2003)}.

논의 물꼬를 통하여 배출되는 농경폐수는 부영양화를 유발하는 질소와 인을 포함하고 농약성분도 포함하고 있어 문제가 된다. 이러한 성분이 포함된 농경수가 하천으로 바로 유입되면 하천 오염을 유발하는 것은 물론 생물다양성에 영향을 미쳐 하천의 건강을 위협하게 된다^{(Carpenter et al., 1998}; ^{Carpenter et al., 1995)}. 따라서 논의 배수로 주변에 정화 못을 설치하면 오염의 정도를 낮출 수 있다. 정화 못은 자연 상태에서 물질순환과 생물학적 작용에 의해 각종 오염물질을 처리하는 기법으로 전 세계적으로 광범위하게 이용되고 있다^{(NADB, 1994}; ^{Oswald, 1988)}. 오염물질 침강, 수생식물에 의한 흡수, 수생식물이 부양하는 미생물에 의한 정화 등으로 일정 수준의 오수 처리 효율을 얻을 수 있으며^{(Yoon et al., 2003)}, 야생동물의 서식처 역할도 할 수 있어 생태적으로 가치 있는 공간이 된다^{(Lee et al., 2010a}; ^{Lee et al., 2010b)}.

정화 못(treatment wetland)은 경안천 하구의 정수식물 및 연목식물대에 성립된 식생조성을 모방하여^{(An et al., 2016)} 부유식물, 부엽식물 및 침수식물은 자연 이입을 유도하고 줄, 부들 등으로 이루어진 정수식물대, 갈대, 고마리 등으로 구성된 습생식물대, 개키버들, 선버들, 버드나무, 오리나무 등으로 구성된 연목대 식생을 도입하여 조성하는 것으로 제안하였다(Fig. 5).

3.5. 수체의 오염물질 저감을 위한 인공 식물 섬

인공 식물섬은 수초를 심을 수 있는 식재틀과 이를 수상에 띄울 수 있는 부력재질로 구성된다. 인공 식물섬은 도입된 수초가 성장함에 따라 수중의 인과 질소 등 영양염류를 흡수해 최대 성장 시 수초를 제거하여 부영양화 원인물질을 제거할 수 있는 인공구조물로서, 오염물질 정화를 위한 생태시설로 활용 가능하다^{(HRERC, 2005)}.

인공식물섬은 수중에 새로운 생태계를 조성하여 작은 물고기나 갑각류의 산란 및 서식처로 이용되며, 지상부의 식생은 조류, 양서류, 파충류 등의 서식 공간으로 이용되어 생태적 복원의 역할을 한다. 따라서 비점오염원 저감을 위한 LID(low impact development) 시설로서 활용이 가능하다^{(NIER, 2013}, Fig. 6). 수위가 불안정하거나 식생이 정착하기 어려운 지역에 인공 식물섬을 설치하면 수질정화 기작뿐만 아니라 생태계 복원효과로써 하나의 독립된 소규모 생태계(biotope)가 조성된다^{(Kwon, 2007)}. 수표면적의 10~20% 정도의 인공 식물섬을 설치할 경우, 계절에 따라 최소 30%~최대 60% 정도의 수질개선 및 미관창출 효과를 지속적으로 발휘할 수 있고, 지형 및 수문학적 특성에 따라 선택적으로 사용하면 수질개선 및 야생생물의 서식처를 제공하고, 미관 개선 및 교육 효과를 발휘할 수 있다^{(Kwon, 2007)}.

인공식물섬은 경안천 하류유역에서 토지이용유형이 산림으로 구성되어 수변식생 벨트나 인공습지의 설치가 어려운 경우 본류에서 들어오는 비점오염원 저감에 대한 보완책으로서 줄과 부들 등과 같이 정화기능이 탁월한 식물을 도입하여 조성할 필요가 있다.