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J Korean Soc Environ Eng > Volume 45(10); 2023 > Article
이화학적 수질 및 어류 다변수 모델에 기반한 탄천의 생물학적 건전성 분석 및 종적연결성 평가

Abstract

The main objectives of this study were to evaluate biological integrity analysis and longitudinal connectivity assessment in Tan Stream. The research included the analysis of chemical water quality, ecological health assessment based on fish, and a comparison of aquatic ecosystem health before and after restoration, following the removal of two weirs (Baekgung weir and Baekhyeon weir) among the nine weirs with five fishways. Additionally, an assessment of longitudinal connectivity is being conducted. Dissolved oxygen (DO), biological oxygen demand (BOD), total organic carbon (TOC), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), and suspended solids (SS) concentrations were not high based on the criteria of the Ministry of Environment, Korea. The ecological health assessment based on fish showed an average health grade of “Fair (C)”, indicating a partial deterioration of ecological health, with Zacco platypus as the dominant species. The results of the regression analysis showed that there was no significant correlation between water quality and ecological health (p > 0.05). After the removal of Baekgung weir, the health of the aquatic ecosystem (FAI) improved slightly, increasing from “50” to “56.25”. And after the removal of Baekhyeon weir, the value remained the same as before the removal (“56.25”). However, it was found that the overall improvement effect on the entire Tan Stream was minimal. The evaluation of longitudinal connectivity revealed, three continuities, two partial continuities and two discontinuities at the artificial weir unit level, while at the stream unit level, it was evaluated as “continuous (52.8%)”. Further comprehensive research is needed to investigate the potential impact of artificial structures on the integrity of the aquatic ecosystem.

요약

본 연구에서는 탄천의 생물학적 건전성을 확보하기 위해 이화학적 수질, 어류 기반의 생태건강성 평가, 보 철거를 통한 하천 복원 전·후의 건강성 비교 및 종적연결성 평가를 실시하였다. 본 조사 구간에는 인공구조물인 보 (Weir) 9개와 어도 (Fishway) 5개가 존재하였으며, 두 개의 보 (백궁보, 백현보)는 조사 당시 이미 철거된 상태였다. 수질 분석에 사용된 용존산소량 (DO), 생물학적산소요구량 (BOD), 총유기탄소 (TOC), 총질소 (TN), 총인 (TP), 부유물질 (SS)의 평균 농도는 환경부의 하천생활환경기준으로 보았을 때 양호한 것으로 나타났다. 우점종은 피라미 (Zacco platypus)로 나타났으며, 어류 기반의 다변수 생태건강도 평가 (Fish based multi-metric model)에 따르면 건강도 등급은 5등급 체계에서 평균 “보통 등급 (C)”으로 나타나 생태건강성이 일부 악화된 것으로 나타났다. 회귀분석 결과 수질과 생태건강성은 유의한 수준에서 상관성이 없는 것으로 나타났다 (p > 0.05). 백궁보 철거 후 수생태계 건강성 (FAI)은 50점에서 56.25점으로 약간 개선되었으며 백현보 철거 후에는 철거 전 (56.25점)과 같은 값으로 나타났지만, 탄천 전체의 개선 효과를 보기에는 영향이 미비한 것으로 나타났다. 횡구조물 기반의 종적 연결성 평가에 따르면, 구조물 단위 평가에서 연속 3개소, 훼손 2개소, 단절 2개소로 분석되었고, 하천 단위 평가에서는 “연속 (52.8%)”으로 평가되었다. 인공구조물이 수생태계에 미치는 영향에 대한 지속적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

1. 서 론

우리나라의 하천은 산지가 많은 지형 특성상 하천의 경사가 급한 편이며, 몬순 강우 특성에 의한 계절 강우의 분포가 일정하지 않아 수자원의 이수와 치수에 어려움을 겪었다[1]. 이에 1970년대 이후 이수와 치수의 목적으로 하천정비사업이 활발하게 진행되었다. 이 과정에서 보(weir)와 댐과 같은 횡단구조물이 많이 건설되었는데, 이는 농업용수와 식수를 확보하기 위한 필수 불가결한 요소 중 하나로 간주되었다[2]. 횡단구조물이 건설됨에 따라 하천의 물리적인 구조가 크게 변하여 하천생태계가 교란되어왔다[3]. 유량 증가, 유속 감소와 같은 하천의 물리적 변화에 따라 유수형 하천에서 정수형 호소로 전환되는 유역 특성 변화가 발생하며, 이에 따른 하천 흐름의 정체로 수체 내 퇴적물 축적 등 서식지 변화에 많은 영향을 미치고 있다[4,5,6]. 특히, 하천의 종적연결성을 저하시켜 어류를 포함한 다양한 수서생물상의 이동을 제한하고 개체수 감소를 가져올 수 있다[7,8]. 또한 어류의 종 조성 및 길드의 구성비 변화를 유발하며, 회유성 어종(Migratory fish)의 이동에 교란을 가져오는 등 생물다양성에 영향을 미치며 수생태계에 많은 악영향을 초래할 수 있다[2,7,8].
본 연구대상지역인 탄천은 유로연장이 33.15km로 경기도 용인시 용인군 구성면에서 발원하여 성남을 거쳐 한강에 합류하는 도심하천이다[9]. 서울의 인구를 많이 부양하고 있는 유역이며[10], 지속적인 택지개발과 탄천 주변의 폐기물처리장, 골프장 등 점오염원의 수계 내 유입 가능성이 높아 수질 악화가 진행되고 있는 것으로 보고되고 있다[11]. 또한 농경지, 산업체 등의 비점오염원을 통해 오염물질이 유입되고 있어 하천 건강성이 악화되고 있는 실정이다[12]. 탄천으로 유입되는 하천은 제1지류인 마북천부터 성복천, 동막천, 분당천, 운중천, 야탑천, 여수천, 상적천, 독정천, 세곡천, 장지천, 양재천까지 총 12개이다. 1990년대 초 농업용수 확보와 치수를 위해 탄천 성남구간에는 총 15개의 보(고정보 8, 자동보 2, 가동보5)가 설치되었지만, 주변 지역의 도시화로 농경지가 사라지면서 보는 용수확보의 기능을 상실한 것으로 나타났다. 이에 환경부는 하천 복원을 위해 이미 기능을 상실한 탄천보(2015)와 미금보(2018)를 철거하였으며, 추가로 9개 보의 철거를 2022년 말까지 실시하여 자연형 하천으로 복원하고 있다.
본 연구에서는 인공보로 인해 발생하는 영향을 파악하기 위해 탄천의 이화학적 수질, 어류 종 조성 및 분포 특성을 분석하였고 군집분석을 수행하였다. 어류 다변수 모델(FAI)을 이용하여 하천의 건강성을 평가하였으며, 보 철거를 통한 하천 복원 전·후의 건강성을 비교하였다. 또한 인공구조물 특성을 기반으로 구조물 및 하천 단위의 종적연결성을 평가하여 인공구조물이 수생태계에 미치는 영향을 파악하였다.

2. 재료 및 방법

2.1. 조사지점 및 조사시기

본 연구는 성남시에 위치한 탄천의 철거 예정인 9개 보와 각 보의 하류구간에 8개 지점을 선정하여 2022년 9월 1회에 걸쳐 인공구조물 조사 및 어류 현장조사를 실시하였다(Fig. 1). 상류부터 오리보, 구미보, 정자제2낙차공, 백궁보, 백현보, 수내보, 양현보, 사송보, 둔전보가 존재하였으며, 5개 보(오리보, 수내보, 양현보, 사송보, 둔전보)에는 어도가 존재하였다. 조사 지점 중 동막천이 합류하기 전인 S1 지점만 3차 하천인 것으로 확인되었으며, 나머지 지점들은 모두 4차 하천으로 확인되었다. 조사 당시 백궁보(W4)와 백현보(W5)는 2022년 2월에 이미 철거된 상태로 확인되어, 하천 연속성이 확보된 것으로 간주하여 철거 전·후의 건전성 비교·평가를 위해 보의 하류 구간에 한 개의 조사 지점만 선정하여 조사를 수행하였다. 세부 조사지점은 다음과 같다.
S1: 경기 성남시 분당구 구미동 (37°20′17.27″N, 127°6′44.54″E)
S2: 경기 성남시 분당구 구미동 (37°20′42.64″N, 127°7′14.12″E)
S3: 경기 성남시 분당구 정자동 (37°21′28.48″N, 127°6′35.50″E)
S4: 경기 성남시 분당구 수내동 (37°22′56.14″N, 127°6′53.80″E)
S5: 경기 성남시 분당구 수내동 (37°23′9.24″N, 127°7′1.92″E)
S6: 경기 성남시 분당구 이매동 (37°23′27.96″N, 127°7′18.84″E)
S7: 경기 성남시 분당구 야탑동 (37°24′50.20″N, 127°7′14.88″E)
S8: 경기 성남시 수정구 둔전동 (37°25′58.85″N, 127°7′3.92″E)

2.2. 이·화학적 수질 분석

본 연구대상으로 선정된 8개 지점에서 이화학적 수질상태를 분석하기 위해 수질오염공정시험기준에 의거하여 2022년 9, 10월에 채수 및 현장 수질 측정을 실시하였다. 수온, 용존산소(dissolved oxygen, DO), 전기전도도(electrical conductivity, EC)에 대한 현장 수질 측정은 보 하류 구간을 대상으로 다항목 수질측정기인 YSI proplus (YSI, USA), Hi98194 (Hanna instruments, USA)를 이용하여 9월에 실시하였다. 이 외 생물학적 산소요구량(biological oxygen demand, BOD), 총유기탄소(total organic carbon, TOC), 부유물질(suspended solids, SS), 총질소(total nitrogen, TN), 총인(total phosphorus, TP)은 10월에 채수하여 환경정책기본법 시행령 제2조 (2020)에 의거하여 분석하였다. 생물학적 산소요구량(BOD)은 시료를 20℃에서 5일간 저장하여 두었을 때 시료중의 호기성 미생물의 증식과 호흡작용에 의하여 소비되는 용존산소의 양으로부터 측정하였다. 총유기탄소(TOC)는 연소를 통해서 수중의 유기탄소를 이산화탄소(CO2)로 산화시켜 정량하였으며, 부유물질(SS)은 유리섬유여과지(GF/C)를 이용하여 일정량의 시료를 여과시킨 다음 항량으로 건조하여 무게를 달아 여과 전∙후의 무게차를 산출하여 양을 구했다. 총질소(TN)는 알칼리성 과황산칼륨을 이용하여 120 ℃ 부근에서 유기물과 함께 분해하여 질산이온으로 산화시킨 후 흡광도를 220nm에서 측정하여 정량하였다. 총인(TP)은 유기화합물 형태의 인을 인산염 (PO43-) 형태로 변화시킨 다음 몰리브덴산 암모늄과 반응하여 생성된 몰리브덴산인암모늄을 아스코빈산으로 환원하여 생성된 몰리브덴산의 흡광도를 880nm에서 측정하여 정량하였다[13].

2.3. 어류 현장 조사

어류 현장 조사는 국립환경과학원의 생물측정망 조사 및 평가지침[14]에서 제시된 보 구간 조사지침에 따랐으며, 채집 도구로는 투망(망목 7×7 mm), 족대(망목 4×4 mm)를 이용하였다. 정량화된 어류 채집을 위하여 Catch Per Unit of Effort (CPUE)에 따랐으며, 여울(Riffle), 소(Pool), 흐르는 곳(Run)을 모두 포함하여 조사를 실시하였다. 하천 차수(Stream order)는 1:120,000 축적의 지도를 이용해서 Strahler (1957) 방법에 따라 산정하였다. 각 지점에서 채집된 어류는 김 등[15]에 의거하여 현장에서 동정 및 개체수 산정 후 즉시 방류하였다. 일부 현장에서 동정이 어려운 종은 10% 포르말린 용액으로 고정하여 실험실로 운반한 후 동정하였다. 채집된 어류의 개체수 산정은 체장이 20mm 이하의 동정이 불가능한 치어의 경우 제외하였다.

2.4. 어류 군집 분석

어류 군집 분석을 위해 우점도 지수(McNaughton, 1967) [16], 종 다양도 지수(Shannon and Weaver, 1949) [17], 종 풍부도 지수 (Margalef, 1958) [18] 및 종 균등도 지수(Pielou, 1975) [19]를 산정하였다.

2.5. 어류 다변수 모델 (FAI)을 이용한 하천 수생태계 건강성 평가

수생태계 건강성 평가는 Karr [20]의 어류를 이용한 생물통합지수(Index of Biological Integrity, IBI)를 기반으로 만들어진 환경부의 어류평가지수(Fish Assessment Index, FAI)에 의거하여 실시하였다. 메트릭은 M1: 국내종의 총 종수(Total number of native species), M2: 여울성 저서종수(Total number of riffle-benthic species), M3: 민감종수(Total number of sensitive species), M4: 내성종의 개체수 비율(Proportion of individuals as tolerant species), M5: 잡식종의 개체수 비율(Proportion of individuals as omnivore species), M6: 충식종의 개체수 비율(Proportion of individuals as insectivore species), M7: 채집된 국내종의 총 개체수(Total number of native individuals), M8: 비정상종의 개체수 비율(Proportion of individuals as abnormal species)의 총 8개로 구성되어 있다. 계급구간을 “12.5”, “6.25”, “0”으로 구분하여 점수를 산정하였으며, 이에 대한 최대 점수는 12.5×8=100점으로 하였다. M1, M2, M3, M7의 경우 하천 차수 (Stream order)에 따라 차등을 두었는데, 이는 하천의 규모가 커질수록 출현종과 출현개체수가 늘어나 종 다양도 및 풍부도가 증가하는 것에 대응하기 위해 고려되었다[21]. 각 메트릭 값을 합산하여 매우좋음 (A, 100~80), 좋음 (B, 80~60), 보통 (C, 60~40), 나쁨 (D, 40~20), 매우나쁨 (E, 20~0)의 5개 등급으로 구분하여 수생태계 건강성을 평가하였다. 보 철거 전 (2021년)의 자료는 환경공단의 ‘하천 수생태계 모니터링 및 연속성 조사’ 자료를 활용하였다[22].

2.6. 인공구조물 조사 및 수생태계 연속성 평가

2.6.1. 보 구조물 특성 분석

인공구조물 조사는 환경부 수생태계 연속성 조사 및 평가 방법 등에 관한 지침[23]에 의거하여 구조물의 물리∙수리적 특성 현황을 측정하였다. 어도가 없는 보 구조물의 경우 구조물 경사에 따라 경사형(56°이하), 수직형(56°초과), 복합형으로 구분하여 측정을 실시하였다. 이 경우 유량이 가장 풍부한 대표지점을 선정하여 구조물의 경사(α), 유속(U), 하단수심 (Hd), 상단수심(Hu), 낙차(DH) 등 물리·수리적 특성을 측정하였다. 유속은 유속측정기인 FLOWATCH (JDC Electronic, Swiss)를 사용하여 대표지점으로부터 상·하류 30cm 이내 이격된 지점에서 각각 측정한 후 평균값을 사용하였다. 하단수심은 어류가 인공 구조물을 거슬러 오르기 위해 필요한 수심으로, 대표지점의 하류부 구조물로부터 0.5m 이격된 지점 중 가장 깊은 곳에서 측정하였다. 상단수심은 인공 구조물을 거슬러 오른 어류가 유영을 이어가기 위해 필요한 수심이며 대표지점의 상류부에 위치한 구조물 상판에서 측정하였다. 낙차의 경우 하단수심을 측정한 수표면에서 상단수심을 측정한 수표면까지의 수직높이 값을 사용하였다.

2.6.2. 어도가 존재하는 구조물 특성 분석

어도가 존재하는 인공 구조물의 경우 대표지점을 어도로 선정하고 입구부, 중앙부, 출구부로 구획화하여 측정하였다. 각각의 구획에서 어도의 물리∙수리적 특성을 측정했으며, 측정 항목은 물 흐름의 수직낙차 유무에 따라 다르게하였다. 물의 흐름에 수직낙차가 있는 경우 경사, 하단수심, 상단수심, 낙차를 측정하였으며, 수직낙차가 없는 경우 경사, 유속, 상단수심을 측정하였다. 유속의 경우 입구부, 중앙부, 출구부 각 지점에서 측정하였으며, 상단수심은 유속을 측정한 기준으로 상∙하류에 가장 가깝게 위치한 격벽의 상판에서 측정하였다.

2.6.3. 어류 이동률 평가

어류 이동률은 최소준비수심(fHdmin), 최대유영속도(fUmax), 최소유영수심(fHumin), 최대도약높이(fHmax) 등 어류이동특성에 기반하여[23], 구조물 하류 100 m 구간에 존재하는 총 어종수 대비 인공 구조물 통과 가능 종수를 백분율로 나타내어 산정하였다. 어도가 없는 경사형 구조물의 경우 구조물의 하단수심이 어종의 최소준비수심보다 깊고 유속이 최대유영속도 보다 느리며 상단수심이 최소유영수심보다 깊을 때 어류 이동이 가능한 것으로 판단하였다. 수직형 구조물의 경우 유속 대신 낙차가 어종의 최대도약높이보다 낮을 때 이동 가능한 것으로 판단하였다. 어도가 존재하는 구조물에서 수직낙차가 없는 경우, 어도의 각 구획(입구부, 중앙부, 출구부)에서 어도의 유속이 해당 어종의 최대유영속도보다 느리고 상단수심이 최소유영수심보다 깊을 때 통과 가능한 것으로 판단하였다. 수직낙차가 있는 어도에서는 도약종을 대상으로 어도 통과 가능 여부를 판단했는데, 하단수심이 어종의 최소준비수심보다 깊고 낙차가 최대도약높이보다 작으며, 상단수심이 최소유영수심보다 깊은 경우 통과 가능한 것으로 평가하였다. 도약종이란 점프 능력을 가진 어류를 의미하며, 어류의 도약능력은 낙차가 있는 흐름에서 어류가 상류로 이동하기 위한 중요한 이동수단이다[24].

2.6.4. 수생태계 연속성 평가

인공구조물 특성을 기반으로 수생태계 연속성 평가를 실시하였다. 구조물 단위 평가는 인공 구조물 하류 100 m 구간에 서식하는 어류의 구조물 통과 가능성을 어류 이동률 (%)로 평가하여 구조물에서의 수생태계 연속성을 연속 (> 50%), 훼손 (0% < 어류 이동률 < 50%), 단절 (0%)로 나타내었다. 하천 단위 평가는 구조물 단위 평가 결과를 기반으로 하천연장대비 하천 종점으로부터 연속성 확보구간 길이 및 비율을 산정하여 분석하였으며, 연속 (50% 이상), 훼손 (10% < 연속성 확보구간 < 50%), 단절 (10% 이하)로 구분하여 평가하였다. 이때 연속성 확보 구간은 하천 종점으로부터 연속성 확보 구간 길이 (km) 및 하천 연장 대비 연속성 확보 구간 비율 (%)을 산정하여 판단하였다[23].

3. 결과 및 고찰

3.1. 이·화학적 수질 특성

탄천의 상류지점부터 하류지점까지 총 8개의 수질 자료를 분석한 결과, 수온 (WT)은 상류에서 하류로 갈수록 낮아지는 경향을 보였다(Fig. 2). 용존 산소 (DO)는 평균 7.5mg/L (범위: 6.7~8.8 mg/L)로 나타났으며, 환경정책기본법 하천생활환경기준은 Ⅰb등급 (좋음)에 해당되었다. 상류에서 하류로 갈수록 높아지는 경향을 보였으며 특히 S2에서 급격히 증가하였다. 유기물 오염 지표인 생물학적 산소요구량 (BOD)은 상류에서 하류로 갈수록 감소하는 경향을 보였으며, 평균 2.4 mg/L (범위: 0.3~7.4 mg/L)로 나타나 Ⅱ등급 (약간좋음)에 해당되었다. 그러나 S1과 S6에서 5 mg/L 이상의 농도로 나타나 두 지점에서는 Ⅳ등급 (약간나쁨)에 해당하는 것으로 나타났다. 이전 연구에 따르면, 우리나라 하천 상류의 경우 미처리 하수의 영향을 받아 유기물 농도가 높게 나타날 수 있다[25]. S1의 경우 주변에 외부 기원 유기물이 존재하지 않는 것으로 파악되었으나, 상류에서 유입되는 미처리 하수로 인해 농도가 높게 나타난 것으로 사료되었다. S6 또한 외부 기원 유기물이 존재하지 않았으나, 상류에 위치한 보 (W7)로 인해 보 상류의 바닥에 퇴적되어 있던 유기물이 유속에 의해 보 하류로 쓸려내려가 내부 기원 유기물에 의해 농도가 높게 나타난 것으로 사료되었다. 총유기탄소량 (TOC)은 BOD와 마찬가지로 하류로 갈수록 감소하는 동일한 양상을 보였으며, 평균 2.4 mg/L (범위: 1.9~2.8 mg/L)로 나타나 Ⅰb등급 (좋음)에 해당되었다. 영양염류 오염 지표인 총질소 (TN)는 평균 3.3 mg/L (범위: 2.3~4.2 mg/L)로 나타났다. S1에서부터 하류로 갈수록 점차 감소하여 S5에서 가장 낮게 나타난 후 다시 증가하는 것으로 나타났다. 총인 (TP)은 평균 55.5 µg/L (범위: 31~86 µg/L)로 나타났으며 Ⅱ등급 (약간좋음)에 해당되었다. 최상류지점인 S1에서 가장 낮게 나타난 후 S2에서 급격히 증가하여 점차 하류로 갈수록 다시 낮아지는 경향을 나타냈다. 이는 동막천의 합류로 침전물이 유입되어 S2에서 농도가 급격히 증가한 것으로 사료되었다. 이온 지표인 전기전도도 (EC)는 평균 427.4 µS/cm (범위: 369~463.4 µS/cm)로 나타났으며, 하류로 갈수록 증가하는 경향을 보였다. 부유물질 (SS)은 평균 3.5 mg/L (범위: 1.3~12.2 mg/L)로 나타났으며, 모든 지점에서 환경기준치인 25 mg/L보다 낮은 것으로 나타났다. 이는 탄천의 가을철 수질 데이터를 대표할 수 있을 것으로 사료된다.

3.2. 어류 종 조성 및 분포 특성

3.2.1. 어류의 종 조성 및 우점종 현황

탄천의 9개 보를 기준으로 각 보의 하류 구간을 조사한 결과 총 4과 13종 852개체의 어류가 채집되었다(Table 1). 잉어과 (Cyprinidae)가 9종 (69.2%)으로 가장 많이 나타났고, 검정우럭과 (Centrarchidae)가 2종 (15.4%), 동사리과 (Odontobutidae)와 망둑어과 (Gobiidae)는 각각 1종 (7.7%)이 나타났다. 잉어과 어류는 732개체가 채집되어 85.7%로 우세하게 나타났다. 조사 지점에서 채집된 전체 어류 중 우점종은 피라미 (Zacco platypus, 54.9%), 아우점종은 모래무지 (Pseudogobio esocinus, 11.8%)로 확인되었다. 그 외 밀어 (Rhinogobius brunneus, 9.7%), 강준치 (Erythroculter erythropterus, 6%)와 돌고기 (Pungtungia herzi, 6%), 줄몰개 (Gnathopogon strigatus, 4.4%) 등의 순으로 나타났다. 우점종인 피라미는 S3에서 121개체로 가장 많이 확인되었고, 모든 지점에서 출현했다. 아우점종인 모래무지는 S4에서 38개체로 가장 많이 확인되었으며, S3와 S7지점을 제외한 나머지 지점에서 모두 출현하였다. 떡붕어 (Carassius auratus)와 납지리 (Acheilognathus rhombeus)는 각각 S2, S4에서만 출현하였다.

3.2.2. 고유종 및 외래종 출현 현황

고유종은 얼록동사리(Odontobutis interrupta) 1종만이 출현하였으며, 상대풍부도 0.4%로 2개 지점에서만 채집되었다. 법정보호종은 출현하지 않았으며, 생태계교란 생물은 배스 (Micropterus salmoides) 와 블루길(Lepomis macrochirus) 2종이 출현하였다. 배스와 블루길은 외래종으로, 배스는 정수역에 주로 서식하며 생태계 내 어류의 종 다양성을 감소시켜 생태계 교란을 유발하는 것으로 알려져 있다[26,27]. 블루길 또한 강한 포식압으로 토종 담수어류의 감소를 초래하여 담수생태계를 교란시키는 종이다[28]. 배스와 블루길은 각각 0.5%, 3.7%의 상대풍부도를 나타내며 드물게 나타났지만, 생물다양성 유지를 위한 관리가 필요할 것으로 사료되었다.

3.2.3. 어류의 도약력 특성 분석

전체 출현 어종 중 도약종은 피라미, 강준치, 누치(Hemibarbus labeo) 3종이 출현하였다. 강준치의 최대유영속도(fUmax)가 2.53 m/s로 가장 빠르게 나타났으며 최소유영수심(fHumin) 또한 0.13 m로 가장 높게 나타났다. 밀어는 최대유영속도가 0.74 m/s로 가장 느리게 나타났으며 최소유영수심 또한 0.02 m로 가장 낮게 나타났다.

3.3. 어류 군집분석

어류 군집분석에 따르면 종다양도 지수(Species diversity index, H’)의 범위는 0.58~1.48로 나타났으며, S4에서 1.48로 가장 높았고 S7에서 0.58로 가장 낮았다(Fig. 3). 상대적으로 높게 나타난 S4~S6, S8에서는 피라미가 우점하는 것으로 나타났는데, 이를 통해 내성도 길드 측면에서 중간종이, 섭식 길드 측면에서 잡식종이 주로 높은 종 다양도 지수에 기여한 것을 확인하였다. 일반적으로 이론에 의하면 생태건강성이 좋을 때 종다양도가 높게 나타나지만, 분석에 따르면 종다양도가 높게 나왔어도 잡식종이 많이 나타나 생태계가 악화된 것으로 판단되었다. 종풍부도 지수(Species richness index, d)의 범위는 0.27~1.29로 나타났으며, S4에서 1.29로 가장 높았고 S1에서 0.27로 가장 낮았다. 이는 출현 종수가 S4에서 8종으로 가장 높았고, S1에서 2종으로 가장 낮게 나타나 출현 종수의 영향을 받은 것으로 사료되었다. 종균등도 지수 (Species evenness index, J’)의 범위는 0.46~0.93으로 나타났으며, S1에서 0.93으로 가장 높았고 S3에서 0.46으로 가장 낮았다. 우점도 지수 (Dominance index)의 범위는 0.65~1.0으로 나타났으며, S1과 S7에서 1.0으로 가장 높았고 S4에서 0.65로 가장 낮았다. S1과 S7에서 우점도 지수가 최댓값을 보였지만 종다양도 지수는 낮게 나타났는데, 이는 각각 모래무지 (65.9%), 피라미 (73.1%)의 높은 우점에 의한 영향으로 판단되었다. 최저 우점도 지수를 보인 S4에서는 종다양도 지수가 가장 높게 나타나, 우점도 지수는 종다양도 지수와 상반된 결과를 나타낸다는 기존 연구와 비슷한 양상을 보이는 것으로 나타났다[29,30].

3.4. 어류 다변수 모델 (FAI) 기반의 수생태계 건강성 평가

탄천의 생태건강도를 평가하기 위한 어류 다변수 분석에 따르면, 국내종의 총 종수 (M1)는 “2~7”의 범위로 나타났으며 평균 5종의 국내종이 서식하는 것으로 나타났다. 여울성 저서종수 (M2)는 S1과 S7에서 “0”으로 나타났고 그 외 모든 지점에서 “1”의 값을 가졌다. 또한 민감종은 모든 지점에서 출현하지 않아, 민감종수 (M3)는 “0”으로 나타났다. 내성종의 개체수 비율 (M4)은 0~42.4%의 범위로 나타났으며 평균 13.6%로 나타났다. S5에서 42.4%로 가장 높았고 S1에서 0%로 가장 낮았다. 잡식종의 개체수 비율 (M5)은 34.2~100%의 범위로 나타났으며 평균 60.4%로 나타났다. S7에서 100%로 가장 높았고 S1에서 34.2%로 가장 낮았다. 충식종의 개체수 비율 (M6)은 0~65.9%의 범위로 나타났으며 평균 31.7%로 나타났다. S1에서 65.9%로 가장 높았고 S7에서 0%로 가장 낮았다. 채집된 국내종의 총 개체수 (M7)는 “26~208”의 범위로 나타났으며 평균 102종이 출현하였다. S4에서 208종으로 가장 많았고 S7에서 26종으로 가장 적었다. 비정상종의 개체수 비율 (M8)은 모든 지점에서 0%로 나타났다.
어류평가지수 (FAI)는 평균 43.0으로 탄천의 생태건강도는 보통 등급 (C)으로 평가되었다. 지점별 FAI값을 비교한 결과, S2, S5, S7지점이 31.25로 나쁨 등급 (D)에 해당하는 것으로 나타났다(Table 2, Fig. 4). 그 외 5개 지점은 보통 등급 (C)에 해당되었다. 탄천은 지류하천이 유입되는 지점만 생태건강도가 악화되는 경향을 보였고 그 외에는 보통의 건강성을 나타내었다. 이는 S2, S5, S7의 상류에서 각각 동막천, 분당천, 여수천이 유입되어 흐름 특성 및 하상 변동에 의한 유기물 축적으로 서식지 파괴에 의해 생태건강도가 악화된 것으로 사료되었다. 이러한 결과는 상류에서 하류로 갈수록 영양염류 농도가 높아져 FAI값이 낮아진다는 연구와 다른 결과를 나타냈다[31,32]. 탄천의 생태건강도와 종다양도 지수는 유사한 패턴을 보이는 것으로 나타났다(Table 2, Fig. 4). S2와 S3를 제외하고 생태건강도가 악화되면 종다양도 지수가 낮아지는 경향을 보였으며, 이는 기존 연구와 비슷한 양상을 보이는 것으로 나타났다[33].
회귀분석을 통해 이·화학적 수질 특성과 어류평가지수 (FAI)의 관계를 분석해본 결과, p 값의 범위는 0.289~0.9로 나타났으며 F값의 범위는 0.017~1.353으로 나타나 유의성이 없는 것으로 확인되어, 수질과 수생태계 건강성은 아무런 관계가 없는 것으로 나타났다(Table 3).

3.5. 보 철거를 통한 하천 복원 전·후의 수생태계 건강성 (FAI) 변화

탄천의 백궁보 (W4)와 백현보 (W5)가 철거되기 전·후의 수생태계 건강성을 비교해보았다. 보 철거 전의 자료는 환경공단의 ‘하천 수생태계 모니터링 및 연속성 조사’ 자료를 활용하였다[22]. 백궁보 (W4)가 철거된 지점의 FAI는 56.25점으로, 보 철거 전 (50점)에 비해 수생태계 건강성이 개선되었다. 이는 채집된 국내종의 총 개체수 (M7)의 증가로 인해 나타났다 (Fig. 5(A)). 백현보 (W5)가 철거된 지점의 수생태계 건강성 (FAI)은 56.25점으로, 철거되기 전과 같은 값으로 나타났다. 메트릭별로 비교해 본 결과 M6 (충식종의 개체수 비율)은 12.5에서 6.25로 값이 낮아진 반면, M7 (채집된 국내종의 총 개체수)은 6.25에서 12.5로 높아졌으며, 이 외 다른 메트릭 값은 보 철거 전과 동일하게 나타났다(Fig. 5(B)). 도심하천은 직강화로 인한 적정한 체류시간 부족 및 하천 지형의 다양성 부족 등의 특성을 나타내어 생태건강성은 보 철거 전과 유사한 결과를 보였다. 이는 하천 중류부의 2개소만 철거하여 기존에 있던 다른 보들로 인해 하천 전체로 보았을 때 육수생물의 상·하류 이동이 여전히 제한되어 탄천 전체의 개선 효과를 보기에는 영향이 미비한 것으로 판단되었다.

3.6. 인공구조물 특성 및 수생태계 연속성 평가

3.6.1. 인공구조물 특성 분석

인공구조물 현황을 조사해보니 총 9개의 보 중에서 철거된 보 (W4, W5)와 W2 (경사형), W3 (복합형)을 제외하고 모두 어도가 존재하였다. 보 (weir)의 경사는 W8에서 48°로 가장 높았고 W1에서 4.9°로 가장 낮았으며, 어도 (fishway)의 경우 W1에서 4.1°로 가장 높았고 W6과 W8에서 2°로 가장 낮았다 (Fig. 6). 유속 (U)과 상단수심 (Hu)은 어도가 존재하는 보의 경우 입구부, 중앙부, 출구부로 나누어 측정하였는데, 최상류에 위치한 W1에서 1.8 m/s의 평균 유속을 보이며 가장 높게 나타났다. 환경부 수생태계 연속성 조사 및 평가 등에 관한 지침[22]의 어종별 이동특성에 따르면, W1의 경우 피라미와 모래무지의 최소유영수심 (fHumin)은 보의 상단수심보다 낮지만 최대유영속도가 보의 유속보다 낮아 어류가 이동하지 못하는 것으로 나타났다(Table 1). 경사형 구조물인 W2에서는 S2의 출현종 중 밀어를 제외하고 최대유영속도가 보의 유속 (0.9 m/s)보다 크게 나타나 75%의 어류이동률을 보였다. 복합형 구조물인 W3의 하단수심 (Hd)은 0.2 m로, 최소준비수심보다 낮게 나타나 어류가 이동하지 못하는 것으로 나타났다. W6과 W7의 평균 유속은 1.33 m/s로, 출현종 중 모래무지, 강준치만 이동가능한 것으로 나타나 33.3%의 이동률을 보였다. W8에서는 평균 0.7 m/s의 유속을 보이며 S7의 출현종인 피라미와 잉어의 최대유영속도보다 낮게 나타나 100%의 이동률을 보였다. 최하류에 위치한 W9의 경우 어도 입구부의 유속은 1 m/s로 밀어의 최대유영속도보다 크게 나타났으며, 중앙부의 유속은 1.3 m/s로 피라미와 줄몰개의 최대유영속도보다 크게 나타나 S8의 출현종 중 50%만이 이동가능한 것으로 나타났다.

3.6.2. 수생태계 연속성 평가

구조물 단위의 하천 연속성 평가 결과, W2, W8, W9는 어류 이동률이 50% 이상으로 나타나 연속으로 평가되었으며 W6, W7은 33.3%로 나타나 훼손으로 평가되었다. 그 외 W1, W3은 0%의 어류 이동률을 보여 단절로 평가되었다. 이는 1차 조사 결과만으로도 구조물 단위 평가를 실시할 수 있다는 환경부 지침에 따라 평가되었다[23]. 한강과 합류하는 하천 종점으로부터 첫 번째 위치한 보인 W9와 최하류에서 두 번째 위치한 W8은 연속으로 평가되었지만 세 번째 위치한 W7은 훼손으로 나타나, 17.5 km (W8) 구간까지 하천 연장 대비 52.8 %가 연속성이 확보되어 하천 단위 연속성 평가 결과 “연속”으로 평가되었다(Table 4).

4. 결론

본 연구에서는 인공구조물 건설로 인한 수생태계 단절이 하천의 생태건강성에 미치는 영향을 파악하고 수생태계 건강성 확보를 위해 한강 수계 지류하천인 탄천을 조사지점으로 선정하여 종적연결성을 평가하였다. 탄천의 수질은 하천생활환경기준으로 보았을 때 평균적으로 양호한 것으로 나타났으나, BOD의 경우 S1과 S6에서 5 mg/L 이상의 농도로 나타나 두 지점에서는 Ⅳ등급 (약간나쁨)에 해당하는 것으로 나타났다. 우점종은 피라미, 아우점종은 모래무지로 확인되었으며, 어류 기반의 다변수 생태건강도 평가 (Fish based multi-metric model)에 따르면 탄천의 생태건강성은 평균 보통 등급 (C)으로 나타나 생태건강성이 일부 악화된 것으로 나타났다. 특히, 지류하천이 유입되는 지점 (S2, S5, S7)에서는 나쁨 등급 (D)으로 나타나 흐름 특성 및 하상 변동에 의한 유기물 축적이 생태건강성에 영향을 미친 것으로 사료되었다. 생태건강도와 종다양도 지수 (H’)는 유사한 패턴을 보였으며, 회귀분석 결과 수질과 생태건강성은 유의한 수준에서 상관성이 없는 것으로 나타났다. 백궁보 (W4)와 백현보 (W5)의 철거에 따른 수생태계 건강성은 개선되었지만 기존에 있던 다른 보들로 인해 탄천 전체의 개선 효과를 보기에는 영향이 미비한 것으로 나타났다. 횡구조물 기반의 종적연결성 평가에 따르면, 구조물 단위 평가에서 연속 3개소, 훼손 2개소, 단절 2개소로 분석되었고, 하천 단위 평가에서는 하천 연장 대비 52.8 %가 연속성이 확보되어 “연속”으로 평가되었다. 본 연구는 인공구조물에 의한 수생태계 단절이 하천의 생태건강성에 미치는 영향을 파악하기 위해 2022년에 수행한 연구결과로써, 인공구조물은 시간이 지나면서 수리∙수문학적 특성 변화 및 수질 악화를 가속화시키기때문에[8] 인공구조물이 수생태계에 미치는 영향에 대한 지속적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

Acknowledgments

본 연구는 환경부의 재원으로 한국환경산업기술원 수생태계 건강성 확보 기술개발사업의 지원을 받아 수행되었습니다 (과제번호: 2020003050004). 이에 감사드립니다.

Notes

Declaration of Competing Interest

The authors declare that they have no known competing interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

Fig. 1.
Study area map of Tan Stream showing eight sampling sites and the location of nine weirs (S1: upstream, S8: downstream, W4, W5: removed weir).
KSEE-2023-45-10-416f1.jpg
Fig. 2.
Longitudinal water quality from S1 to S8 in Tan Stream (WT: water temperature, DO: dissolved oxygen, BOD: biological oxygen demand, TOC: total organic carbon, TN: total nitrogen, TP: total phosphorus, EC: electrical conductivity, SS: suspended solids).
KSEE-2023-45-10-416f2.jpg
Fig. 3.
Fish community analysis in the sampling sites (SDI: species diversity index (H’), SRI: species richness index (d), SEI: species evenness index (J’), DI: dominance index).
KSEE-2023-45-10-416f3.jpg
Fig. 4.
Comparison of ecological stream health (FAI) and species diversity index (SDI).
KSEE-2023-45-10-416f4.jpg
Fig. 5.
Comparisons of ecological stream health based on the fish assessment index (FAI) model values (M1-M8) before and after weir removal in caseⅠ: Baekgung weir (W4) and caseⅡ: Baekhyeon weir (W5) (BR: before restoration, AR: after restoration).
KSEE-2023-45-10-416f5.jpg
Fig. 6.
Physical (Slope, Hu, Hd, DH) and hydrological (U) parameters in the weirs (W1-W9) (In-S: inflow section, Mi-S: middle section, Ou-S: outflow section, U: current velocity, Hu: height of overflow, Hd: depth of water, DH: head drop).
KSEE-2023-45-10-416f6.jpg
Table 1.
Fish fauna and the relative abundance in the sampling sites (S1-S8).
Species name To Tr fUmax fHumin J fHmax Sampling sites Total RA (%)
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8
Family Cyprinidae
Pseudogobio esocinus IS I 1.53 0.07 X 27 8 38 17 9 2 101 11.8
Zacco platypus IS O 1.15 0.05 O 0.1 14 22 121 111 47 88 19 47 469 54.9
Carassius auratus TS O 1.55 0.07 X 4 4 0.5
Erythroculter erythropterus TS C 2.53 0.13 O 0.39 5 39 7 51 6.0
Cyprinus carpio TS O 2.26 0.11 X 2 7 9 1.1
Gnathopogon strigatus IS I 1.01 0.04 X 7 2 17 12 38 4.4
Pungtungia herzi IS I 1.05 0.04 X 32 19 51 6.0
Hemibarbus labeo TS I 1.69 0.08 O 0.19 3 5 8 0.9
Acheilognathus rhombeus IS O 0.98 0.04 X 1 1 0.1
Family Odontobutidae
Odontobutis interrupta IS C 0.91 0.03 X 1 2 3 0.4
Family Centrarchidae
Lepomis macrochirus* TS I 1.09 0.04 X 21 11 32 3.7
Micropterus salmoides* TS C 1.53 0.07 X 4 4 0.5
Family Gobiidae
Rhinogobius brunneus IS I 0.74 0.02 X 3 23 21 4 15 17 83 9.7
Total number of species 2 4 6 8 6 6 2 6 13
Total number of individuals 41 37 159 229 118 155 26 87 852

: Endemic species [34],

* : Exotic species [35],

To: Tolerance guild, Tr: Trophic guild, fUmax: Maximum of swimming speed (m/s), fHumin: Minimum of swimming depth (m), fHmax: Maximum of jumping height (m), J: Jumping status, RA: Relative abundance, IS: Intermediated species, TS: Tolerant species, SS: Sensitive species, I: Insectivore, O: Omnivore, C: Carnivore

Table 2.
Ecological health assessment of Tan Stream based on the fish assessment index (FAI) model.
Category Metric Scoring criteria
Score
12.5 6.25 0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8
Species richness & compositions M1: Total number of native species Expectations of M1 vary with stream order 0 0 6.25 6.25 0 6.25 0 0
M2: Total number of riffle-benthic species Expectations of M2 vary with stream order 0 0 0 0 0 0 6.25 0
M3: Total number of sensitive species Expectations of M3 vary with stream order 0 0 0 0 0 0 0 0
M4: Proportion of individuals as tolerant species < 30 30-70 > 70 12.5 12.5 12.5 12.5 6.25 12.5 12.5 12.5
Trophic compositions M5: Proportion of individuals as omnivore species < 30 30-70 > 70 6.25 0 0 6.25 6.25 6.25 0 6.25
M6: Proportion of individuals as insectivore species > 45 20-45 < 20 12.5 6.25 6.25 6.25 0 6.25 0 6.25
Fish abundance & conditions M7: Total number of native individuals Expectations of M7 vary with stream order 0 0 12.5 12.5 6.25 12.5 0 6.25
M8: Proportion of individuals as abnormal species 0 0-1 > 1 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5
Table 3.
The relationship between water quality parameters and multi-metric fish assessment index (FAI).
Dependent variable Independent variable Intercept (b) Slope (a) R2 p-value F-value
FAI model values WT 26.8 0.674 0.009 0.824 0.054
DO 48.7 0.752 0.003 0.900 0.017
BOD 38.7 1.807 0.184 0.289 1.353
TOC 23.0 8.376 0.051 0.592 0.32
TN 26.0 5.205 0.067 0.538 0.427
TP 46.2 0.058 0.009 0.827 0.052
EC 16.3 0.063 0.028 0.694 0.170
SS 41.2 0.513 0.032 0.674 0.196
Table 4.
Longitudinal connectivity analysis, based on the stream unit.
Weir Artificial weir unit evaluation Distance from the end of a stream (km) Distance ratio to stream extension (%)
W1 Disconnection 24.7 74.5
W2 Connection 23.8 71.8
W3 Disconnection 21.7 65.5
W4 * - - -
W5 * - - -
W6 Partial connection 18.3 55.2
W7 Partial connection 17.5 52.8
W8 Connection 14.9 44.9
W9 Connection 12.7 38.3
Stream connectivity secure section 17.5 52.8
Stream length (km) 33.15
Stream unit evaluation Connection

* : Removed weir

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