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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 2003년 가을과 2004년 봄에 대상 유역에서의 실측량과 역측량을 실시하여 도출한 수치고도 모형 (DEM, Digital Elevation Model)을 바탕으로 TDR 모니터링 시스템을 구축, 운영하여 강우 사상 전후로 동적으로 변화하는 토양수분 자료를 시간 단위로 획득한 후 자료를 집중적으로 분석하여 강우사상에 의한 토양수분의 계절적인 특성 변화과정들을 규명하고자 하였다.
- 본 연구의 목적은 산지가 대부분인 국내에 현장에서 빠르고 정확하게 토양수분을 측정 할 수 있는 TDR을이용하여 소유역 산지에서 장기간 모니터링을 통해 산지 유역에서의 토양수분의 시공간적 계절적 분포 특성을 파악하고 강우에 따른 토양수분의 변화 거동 및 수문학적 반응을 규명, 특성화 이다. 이에 강우와 유출 자료를 쉽게 획득 할 수 있는 설마천 유역을 대상 유역으로 선정하고 범륜사 사면을 선정하여 실측량을 통하여 DEM을 구축하고 이를 흐름분배알고리즘에 적용하여 획득된 결과를 통해 측정지점을 선정하여 소유역의 대표성을 최대화하고 효율을 높일 수 있는 장기 측정 체계를 구축 시행하였다.
제안 방법
- 측량을 통해 얻어진 lm 간격 정밀 DEM을 이용하여 토양수분 장기 모니터링을 위한 시스템을 구축하는 과정은 다음과 같다. 구축된 lm 정밀 DEM을 흐름 분배 알고리즘에 적용하여 우선 흐름경로를 파악, 고려하여 측정지점을 선정한다. 선정된 측정지점 좌표들을 역 좌표변환 알고리즘에 적용하여 각 좌표로 변환하고 Theodolite를 이용해 역측량 하였다.
- 본 연구에서는 산지가 대부분인 국내 지형을 반영할 수 있는, 경사가 비교적 급격한 산지사면을 연구대상 지역으로 선정하여 토양수분의 시공간적 분포 특성 파악에 용이한 TDR을 이용하여 장기 모니터링을 실시하였다. 이 과정에서 측량을 통해 lm 격자의 정밀한 DEM을 구축하고 이를 흐름분배 알고리즘에 적용하여 도출된 주요 흐름경로에 측정 지점을 배치시킴으로써측정의 실효성 및 타당성을 제고하였다.
- 이러한 시스템을 통해 2003년 11월 5일부터 2003년 11월 21일까지 2004년 5월 2일 부 터 6월 15일 까지 경기도 파주시 설마천 상류 사면 인감 악산 범륜사 북측사면에서 수평적, 수직적 토양수분의 변화 특성을 실측하였다. 사면에서의 측정지점들을 위치와 특성에 따라 상부지점, 완충대, 수로지점으로 구분하여 분석하였으며 각 사면에서의 시간과 계절에 따른 토양수분의 공간적 분포 특성을 조사 하였다.
- 3에서 측정지점에 대한 각 알고리즘을 구한 습윤지수를 나타내었다. 습윤지수의 값이 낮고 상대적으로 상부에 위치한 지점인 1, 2지점을 상부 지점으로, 두 가지 알고리즘에 적용한 결과에서 흐름 선에 놓여 있으며 SFD 습윤지수의 값도 크며, 측정 결과 토양수분의 거동이 활발한 지점인 5, 6, 7, 6-4지점을 수로지점으로, 그 외에 흐름선에는 있지만 측정 결과 토양수분의 거동이 활발하지 않은 지점과 흐름 선에 놓여 있지 않은 지점들을 완충지점으로 선정하였다.
- 이 과정에서 측량을 통해 lm 격자의 정밀한 DEM을 구축하고 이를 흐름분배 알고리즘에 적용하여 도출된 주요 흐름경로에 측정 지점을 배치시킴으로써측정의 실효성 및 타당성을 제고하였다.
- 이에 강우와 유출 자료를 쉽게 획득 할 수 있는 설마천 유역을 대상 유역으로 선정하고 범륜사 사면을 선정하여 실측량을 통하여 DEM을 구축하고 이를 흐름분배알고리즘에 적용하여 획득된 결과를 통해 측정지점을 선정하여 소유역의 대표성을 최대화하고 효율을 높일 수 있는 장기 측정 체계를 구축 시행하였다. 이러한 시스템을 통해 2003년 11월 5일부터 2003년 11월 21일까지 2004년 5월 2일 부 터 6월 15일 까지 경기도 파주시 설마천 상류 사면 인감 악산 범륜사 북측사면에서 수평적, 수직적 토양수분의 변화 특성을 실측하였다. 사면에서의 측정지점들을 위치와 특성에 따라 상부지점, 완충대, 수로지점으로 구분하여 분석하였으며 각 사면에서의 시간과 계절에 따른 토양수분의 공간적 분포 특성을 조사 하였다.
- 반응을 규명, 특성화 이다. 이에 강우와 유출 자료를 쉽게 획득 할 수 있는 설마천 유역을 대상 유역으로 선정하고 범륜사 사면을 선정하여 실측량을 통하여 DEM을 구축하고 이를 흐름분배알고리즘에 적용하여 획득된 결과를 통해 측정지점을 선정하여 소유역의 대표성을 최대화하고 효율을 높일 수 있는 장기 측정 체계를 구축 시행하였다. 이러한 시스템을 통해 2003년 11월 5일부터 2003년 11월 21일까지 2004년 5월 2일 부 터 6월 15일 까지 경기도 파주시 설마천 상류 사면 인감 악산 범륜사 북측사면에서 수평적, 수직적 토양수분의 변화 특성을 실측하였다.
- et al, 1991)이 있다. 이에 두 가지 알고리즘을 모두 고려하여 습윤지수가 높아 주요 흐름선을 형성할 것으로 예상되는 지점을 가장 상단부에 위치하며 다른 상부 사면의 기여가 없으며 측정지점으로 선정하였고 (Fig. 2), Table 3과 Fig. 3에서 측정지점에 대한 각 알고리즘을 구한 습윤지수를 나타내었다. 습윤지수의 값이 낮고 상대적으로 상부에 위치한 지점인 1, 2지점을 상부 지점으로, 두 가지 알고리즘에 적용한 결과에서 흐름 선에 놓여 있으며 SFD 습윤지수의 값도 크며, 측정 결과 토양수분의 거동이 활발한 지점인 5, 6, 7, 6-4지점을 수로지점으로, 그 외에 흐름선에는 있지만 측정 결과 토양수분의 거동이 활발하지 않은 지점과 흐름 선에 놓여 있지 않은 지점들을 완충지점으로 선정하였다.
- 이용해 직접 측량 하였다. 측량을 통하여얻어진 각 좌표 정보를 좌표변환 알고리즘에 적용하여 데카르트 좌표로 변환하고 이를 통해 연구 대상 사면인 범륜사 북측사면에 대한 lm 간격의 정밀 DEM을 구축한다. 측량을 통해 얻어진 lm 간격 정밀 DEM을 이용하여 토양수분 장기 모니터링을 위한 시스템을 구축하는 과정은 다음과 같다.
대상 데이터
- 설마천 유역은 산지 소유 역의 특성변화와 수문, 기상 등 기초자료에 대한 지속적 관측과 자료 측정을 위해 1995년부터 한국건설기술연구원에서 시험유역으로 운영되고 있으며 설마리에 위치한 영국군 전적비교를 출구로 하는 설마천 중상류유역이 시험유역이다. 설마천 시험유역의 위치는 동경 127° 55 ' 54 " -126° 54 ' 57 ” 북위 37° 54 ' 57 " -37° 56 ' 23 " 이 고, 유역면적 8.50 km2, 유로연장 5.80 km, 연평균 강수량은 1600 mm, 고도는 최저 59 m에서 최고 67 m, 유로경사 2%인 전형적인 급경사 산지 사행하천 지형이며 전형적인 곡류하천이다. 지질은 경기 편마암 복합체로 구성되고 단층과 엽리가 잘 발달되어 있다.
- 본 연구의 대상유역으로 경기도 파주시 적성면 마지리와 설마리의 설마천 유역내에 감악산 범륜사 우측 소규모 산지 사면을 선정하였다. 설마천 유역은 산지 소유 역의 특성변화와 수문, 기상 등 기초자료에 대한 지속적 관측과 자료 측정을 위해 1995년부터 한국건설기술연구원에서 시험유역으로 운영되고 있으며 설마리에 위치한 영국군 전적비교를 출구로 하는 설마천 중상류유역이 시험유역이다.
- 연구 대상지역인 설마천 범륜사 사면의 정밀한 DEM(lm X lm) 구축을 위해 Theodolite (DT-208P, TOPCON)을 이용해 직접 측량 하였다. 측량을 통하여얻어진 각 좌표 정보를 좌표변환 알고리즘에 적용하여 데카르트 좌표로 변환하고 이를 통해 연구 대상 사면인 범륜사 북측사면에 대한 lm 간격의 정밀 DEM을 구축한다.
- 즉, Ka값은 주로 토양의 용적수분에 따라 달라지며, 대개 토양의 종류에 크게 의존한다. 탐침의 종류는 6005L 이고 20 cm의 길이를 가진 Waveguide와 cable로 구성되어 있다.
이론/모형
- 본 연구에서는 토양수분의 연속적인 측정을 위하여 TDR장비인 SOILMOISTURE 사의 MINI-TRASE를사용하였다. 전송선을 따라 이동하는 에너지의 전자기적 펄스의 속도는 접촉되어 있거나 전송선을 감싸고 있는 매질의 유전상수(瓦, )에 의존하게 된다.
- 구축된 lm 정밀 DEM을 흐름 분배 알고리즘에 적용하여 우선 흐름경로를 파악, 고려하여 측정지점을 선정한다. 선정된 측정지점 좌표들을 역 좌표변환 알고리즘에 적용하여 각 좌표로 변환하고 Theodolite를 이용해 역측량 하였다. Table 1은 측량을 통해 얻어진 각 좌표를 데카르트 좌표로 변환된 값과 각 지점별 Wave Guide 개수 즉 탐침수를 Fig.
성능/효과
- 1. 상부지점에서는 전반적으로 토양수분이 급격한 증가를 보이는 등 전반적으로 강우에 대하여 민감하고 급격한 반응을 보이고 있으며 토양수분은 지점별로 각기 다른 특성을 보이며 계절별로는 강우에 대한 변화 양상은 비슷하나 봄에서 여름으로 가는 시기에는 감쇄 현상이 가을에서 겨울로 가는 시기에는 충전현상이 일어나는 것을 알 수 있었다.
- 2. 완충대의 특징은 토양수분의 증가, 감쇄가 비교적 완만하여 급격한 증가나 급격한 감쇄를 나타내지 않고 안정적이다. 상부지점과 비교해 볼 때 완충 대는 강우 사상 전 초기 토양수분 함량이 높은 편이고 강우사상 후의 토양수분은 상, 중단부가 거의 비슷해지는 것을 볼 수 있다.
- 3. 수로지점들에서는 봄에서 여름으로 가는 시기와 가을에서 겨울로 가는 시기에서의 변화 양상이 완전히 다르며 봄에는 토양수분이 흐름라인을 따라 급격히 빠져나가며 가을에는 흐름라인을 따라 계속적으로 충전되어지는 것을 알 수 있다. 또한 일별로 내린 강우량 비율은 봄철이 가을철보다 많음에도 불구하고 봄철에는 토양수분의 지속적인 감소가 가을철에는 충전현상이 나타나는 것을 알 수 있었다.
- 각각의 지점들의 측정 결과를 살펴보면 총 2개 지점 4개의 wave guide를 통해서 측정되어진 상부지점의 토양수분의 측정결과 2003년에는 11월 5일 토양수분을 처음 측정하기 시작한 값과 11월 21일에 끝마칠 때까지의 최종 토양 수분을 비교하면 초기 토양수분은 1지점에서는 10 cm 와 30 cm 각각 8.9%에서 169%로 8%의 증가와 12.2%에서 18.4%로 6.2%의 증가를 보이며 2지점에서는 14.8%에서 24.8%로 10%의 증가와 10.1%에서 20.2%로 10.1%의 증가를 보였다. 또한 2004년에는 5월2 일 토양수분을 처음 측정하기.
- 대상 유역 전체의 특징을 살펴보면 DEM을 기초로 흐름 분배 알고리즘에 적용시켜서 선정한 각 지점들이지점들마다의 고유한 특성을 나타냈다. 또한 현장에서의 실측치인 토양수분의 값들이 모의치인 흐름분배 알고리즘을 기초로 해서 만들어진 측정지점의 지도의 흐름 특성과 유사하게 나타났음을 알 수 있다.
- 1%의 증가를 보였다. 또한 2004년에는 5월 2일 토양수분을 처음 측정하기 시작한 값과 6월 14일에 끝마칠 때까지의 최종토양수분을 비교하면 초기 토양수분은 6T지점에서는 10 cm, 30 cm 와 60 cm 에서 각각 26.3%에서 13.2%로 13.1%의 감소 26%에서 14.5%로 11.5%의 감소 30.1%에서 198%로 10.3%의 감소를 보이며 6-2지점에서는 27.5%에서 23.9%로 3.6%의 감소 27.8%에서 25%로 2.8%의 감소 24.9%에서 22.2%로 2.7%의 감소를 보였다. 상부지점의 결과와 마찬가지로 봄에서 여름으로 가는 시기에는 감소 경향을 가을에서 겨울로 가는 시기에는 증가 경향을 보이고 있는 것이다.
- 수로지점들에서는 봄에서 여름으로 가는 시기와 가을에서 겨울로 가는 시기에서의 변화 양상이 완전히 다르며 봄에는 토양수분이 흐름라인을 따라 급격히 빠져나가며 가을에는 흐름라인을 따라 계속적으로 충전되어지는 것을 알 수 있다. 또한 일별로 내린 강우량 비율은 봄철이 가을철보다 많음에도 불구하고 봄철에는 토양수분의 지속적인 감소가 가을철에는 충전현상이 나타나는 것을 알 수 있었다.
- 또한 2004년에는 5월2 일 토양수분을 처음 측정하기. 시작한 값과 6월 14일에 끝마칠 때까지의 최종토양수분을 비교하면 초기 토양수분은 1지점에서는 21%에서 13.1%로 6.9%의 감소와 13.3%에서 9.2%로 4.1%의 감소를 보이며 2지점에서는 22.3%에서 13.7%로 8, 6%의 감소와 16.2%에서 9.5%로 6.7%의 감소를 보였다. 절대적인 강우량은 봄이 가을보다 많음에도 불구하고 가을에서 겨울로 가는 시기에는 토양수분의 증가 경향을 봄에서 여름으로 가는 시기에는 감소 경향을 나타내는 것을 알 수 있다.
- 완충대에서의 토양수분 측정 결과 2003년에는 11월 5일 토양수분을 처음 측정하기 시작한 값과 11월 21일에 끝마칠 때까지의 최종 토양 수분을 비교하면 초기 토양수분은 6-1지점에서는 10 cm, 30 cm 와 60 cm 에서 각각 17.2%에서 23.1%로 5.9%의 증가 28%에서 30.2%로 2.2%의 증가 27.2%에서 29.9%로 2.7%의 증가를 보이며 6-2지점에서는 23.2%에서 24.4%로 1.2% 의 증가 26.1%에서 28.1%로 2%의 증가 22.1%에서 25.2%로 3.1%의 증가를 보였다. 또한 2004년에는 5월 2일 토양수분을 처음 측정하기 시작한 값과 6월 14일에 끝마칠 때까지의 최종토양수분을 비교하면 초기 토양수분은 6T지점에서는 10 cm, 30 cm 와 60 cm 에서 각각 26.
- 전체적인 완충대의 특징은 토양수분의 증가, 감쇄가 비교적 완만하여 급격한 증가나 급격한 감쇄를 나타내지 않고 안정적이다. 그러나 Fig.
후속연구
- 또한 우리나라의 계절적 특성에 따라 토양수분의 특성을 파악하는 것도 함께 진행되어야 할 것이다. 봄에서 여름으로 진행되는 시기에 식생들의 활발한 증식과 기온의 상승에 따른 토양수분의 변화와 가을에서 겨울로 진행되는 시기에 이와 반대로 식생들의 증식이 둔화되고 기온 역시 내려감으로서 토양수분의 변화 양상이 각 계절마다 어떠한 특성을 보이는지 규명하는 것 역시 중요한 요소이다.
- 3 mm/day의 강우가 발생하였지만 일별로 내린 강우량 비율은 봄철이 가을철보다 많음에도 불구하고 봄철에는 토양수분의 지속적인 감소가 가을철에는 충전현상이 나타났다. 본 연구에서 획득되어진 토양수분의 시공간적, 계절적 양상을 파악하는 것은 강우사상 이전과 이후에 끊임없이 토양수분의 값이 변화 하며 계절적으로도 각기 다른 양상을 보이므로 유출 형성과정을 고려한 수문모형의 구현에 토양수분이 포함되어야 할 것이라고 생각한다.
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