한라산 만세동산의 표고$1,595{\sim}l,645m$에 위치한 1차수 실험유역에서 관측한 수문자료와 인근 관측소의 기상자료를 토대로 물수지를 분석하여 한라산 아고산대의 수문순환 특성을 규명하였다. 실험유역은 주로 조면현무암으로 이루어진 면적 1.34ha의 소유역이며, 지표식생은 제주조릿대와 초본 군락이 우점하고 있다. 물수지 분석에는 2004년 4월 15일부터 9월 19일까지 157일에 걸쳐 20분 간격으로 관측한 강수량과 유량을 이용하였다. 실험유역은 해안 및 중산간지대의 저지보다 $1.6{\sim}3$배 많은 3,074mm의 강수량을 기록하였으며, 강수량의 27.6%에 해당하는 850mm가 유역 하류로 흘러나갔다 증발산량은 강수량의 14.2%를 차지하는 437mm에 지나지 않으며, 나머지 58.2%에 해당하는 1,790mm는 기반암을 통과하여 지하로 이동하였다. 실험유역은 지형성 강수가 자주 발생하는 아고산대에 위치하므로 강수량이 많고 강수강도가 크나 유출량은 강수량의 30%를 넘지 못한다. 반면에 침루량은 유출량의 2배에 달하는 강수량의 60% 정도를 차지하고 있다. 따라서 한반도의 화강암이나 편마암 유역과는 달리 물수지 요소 가운데 침루 비율이 높게 나타나는데, 이것은 토양 공극율이 높고 토층 하부에 투수성이 큰 현무암질 용암이 분포하는 제주도의 지질 특성과 관계가 있는 것으로 생각된다.
한라산 만세동산의 표고 $1,595{\sim}l,645m$에 위치한 1차수 실험유역에서 관측한 수문자료와 인근 관측소의 기상자료를 토대로 물수지를 분석하여 한라산 아고산대의 수문순환 특성을 규명하였다. 실험유역은 주로 조면현무암으로 이루어진 면적 1.34ha의 소유역이며, 지표식생은 제주조릿대와 초본 군락이 우점하고 있다. 물수지 분석에는 2004년 4월 15일부터 9월 19일까지 157일에 걸쳐 20분 간격으로 관측한 강수량과 유량을 이용하였다. 실험유역은 해안 및 중산간지대의 저지보다 $1.6{\sim}3$배 많은 3,074mm의 강수량을 기록하였으며, 강수량의 27.6%에 해당하는 850mm가 유역 하류로 흘러나갔다 증발산량은 강수량의 14.2%를 차지하는 437mm에 지나지 않으며, 나머지 58.2%에 해당하는 1,790mm는 기반암을 통과하여 지하로 이동하였다. 실험유역은 지형성 강수가 자주 발생하는 아고산대에 위치하므로 강수량이 많고 강수강도가 크나 유출량은 강수량의 30%를 넘지 못한다. 반면에 침루량은 유출량의 2배에 달하는 강수량의 60% 정도를 차지하고 있다. 따라서 한반도의 화강암이나 편마암 유역과는 달리 물수지 요소 가운데 침루 비율이 높게 나타나는데, 이것은 토양 공극율이 높고 토층 하부에 투수성이 큰 현무암질 용암이 분포하는 제주도의 지질 특성과 관계가 있는 것으로 생각된다.
In order to clarify some characteristics of hydrological cycle in the subalpine zone of Mt. Halla, water balance has been analysed using hydrological data of a first-order drainage basin around Mansedongsan and meterological data of Odeung AWS. The experimental basin extends from 1,595 m to 1,645 m ...
In order to clarify some characteristics of hydrological cycle in the subalpine zone of Mt. Halla, water balance has been analysed using hydrological data of a first-order drainage basin around Mansedongsan and meterological data of Odeung AWS. The experimental basin extends from 1,595 m to 1,645 m in altitude and has an catchment area of 1.34 ha. It is largely underlain by trachybasalt and covered with sasa bamboo and sedges. Hydrological observations were carried out every 20 minutes from April 15 to September 19, 2004. The basin shows the total precipitation of 3,074 m that is 1.6 to 3 times of those in coastal and intermontane regions. Surface runoff amounts to 850 mm that is equivalent to 27.6% of the precipitation. By contrast, evapotranspiration only accounts for 14.2% of the precipitation, and the remnant of 1,790 m penetrates underground through a basement. The basin is located in the subalpine zone and then it has a high rainfall intensity as well as a large rainfall due to frequent orographic precipitation. But surface runoff usually dose not exceed 30% of the rainfall while Percolation demonstrates about 2 times of the runoff. Compared with granite or gneiss basins in Korea Peninsula, the experimental basin is characterized by a higher portion of percolation in water balance. And it is probably related to the highly permeable basaltic lavas in Jeju Island which are also overlain by porous volcanic soils.
In order to clarify some characteristics of hydrological cycle in the subalpine zone of Mt. Halla, water balance has been analysed using hydrological data of a first-order drainage basin around Mansedongsan and meterological data of Odeung AWS. The experimental basin extends from 1,595 m to 1,645 m in altitude and has an catchment area of 1.34 ha. It is largely underlain by trachybasalt and covered with sasa bamboo and sedges. Hydrological observations were carried out every 20 minutes from April 15 to September 19, 2004. The basin shows the total precipitation of 3,074 m that is 1.6 to 3 times of those in coastal and intermontane regions. Surface runoff amounts to 850 mm that is equivalent to 27.6% of the precipitation. By contrast, evapotranspiration only accounts for 14.2% of the precipitation, and the remnant of 1,790 m penetrates underground through a basement. The basin is located in the subalpine zone and then it has a high rainfall intensity as well as a large rainfall due to frequent orographic precipitation. But surface runoff usually dose not exceed 30% of the rainfall while Percolation demonstrates about 2 times of the runoff. Compared with granite or gneiss basins in Korea Peninsula, the experimental basin is characterized by a higher portion of percolation in water balance. And it is probably related to the highly permeable basaltic lavas in Jeju Island which are also overlain by porous volcanic soils.
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문제 정의
다나카, 2004). 이 가운데 제주도 외도천의 최상류 유역에서 이루어진 연구(김태호 . 다나카, 2004)는 한라산 아고산대에서 연속적으로 지표 유출을 관측한 최초의 사례로서 본 연구에서는 이 수문자료를 토대로 소유역의 물수지를 분석하여 한라산 아고산대의 수문 순환 특성을 밝히고자 한다.
가설 설정
이 기간 오등관측소의 자료에 기온 체감율을 적용하여 추정한 실험유역에서의 평균기온은 대부분 0℃미만으로 강설이 누적되어 적설의 형태로 존재하는 시기이며, 3월 하순과 4월 초순에 평균기온이 Ot; 이상으로 높아져 융설수의 형태로 토양수분이 공급된다. 따라서 평균기온이 영상일 때는 융설에 의해 토양수분이 공급되는 것으로 가정하였으며, 이 기간의 증발산량으로는 미국 아이다호주에서 관측된 적설 피복율 50% 이상 시기의 평균 증발산량 0.4mm/일(Allen et 서., 1998)을 적용하였다. 그 결과 4월 14일의 최종 토양수분은 29.
의 수분은 식물 뿌리지대 하부로 배수되는 것으로 계산하였다. 식물 뿌리지대 하부의 토양은 증발산의 영향을 크게 받지 않으므로 수분 함량의 최소치를 포장용 수량으로 가정하였다. 따라서 溜의 최종 토양수분 함량(swo과 침루량(PERe 다음과 같다.
제안 방법
보정하였다. 기온 체감율은 어리목과 오등관측소 두 지점의 일 최고기온 및 최저기온의 차이와 457m의 고도차로부터 구하였다. 2004년 1월 1일부터 2004년 9월 30일까지의 자료를 일별로 계산한 결과 기온 체감율은 평균 0.
실험유역에서는 강수가 종료한 후에도 유출이 장기간 지속된 경우가 있었으며, 포화대의 수위가 관찰된 점으로부터 강수에 의해 기반암 상부의 토양층에서 토양 공극이 일시적으로 포화되는 것으로 판단된다. 따라서 강수 개시일로부터 그 강수로 인한 직접 유출의 종료일까지의 기간을 하나의 강수 사상으로 보았다. 또한 강수 사상중의, 일에 식물 뿌리지대 하부로 이동한 수분은 /+1 일로부터 유출 종료일까지 유출에 이용되거나 모세관 현상을 통하여 토양수분으로 공급됨으로써 증발산에 이용되며, 유출 종료일에 최종적으로 지하의 기반암 하부로 이동하는 것으로 간주하였다.
따라서 사상별로 강수강도를 시간당 최대 강수 강도부터 5번째 강수강도까지의 평균치로 구한 후에 유출율과 강수 발생전 토양수분량, 강수강도의 관계를 살펴보았다 (그림 9). 강수 발생전 토양수분량이 29.
일사량과 상대습도의 실측치를 이용하여 산정한 제주관측소의 잠재 증발산량은 식 (9)와 식 (10)에서 구한 일사량과 상대습도의 추정치를 이용하여 산정한 잠재 증발산량보다 L18배 높게 나타난다. 따라서 오등관측소에서 산정한 잠재 증발산량에 1.18배를 적용하여 보정하였다.
또한 강수강도를 비교하기 위하여 7월부터 9월 사이에 4개 관측지점에 모두 강수가 발생한 6개 사상을 선정하고 강수 시상별로 시간당 최대 강수강도부터 5번째 강수강도까지를 대상으로 평균 강수강도를 구하였다. 그 결과 실험유역의 강수강도는 22.
0을 각각 적용하였다. 또한 생육 초기 인 6월 1일부터 6월 15일까지는 강수량과 강수빈도 자료로부터 생육 초기의 작물계수 계산법으로 구한 0.7을 적용하고 6월 16일부터 7월 1일까지는 0.7에서 1.05로 증가하도록 적용하였다. 비생육 기간인 4월과 5월에는 지표면이 대부분 말라 죽은 잎들로 덮여 있으므로 생육 초기의 작물계수를 적용하였다(그림 6).
는 식물 뿌리 지대의 토양수분 변화량(mm)으로서 /일과 /—I일의 최종 토양수분 함량의 차이이며, 본 연구에서 토양수분 함량은 영구위조점으로부터 포장용수량 사이의 수분 함량을 의미한다. 분석 기간은 2004년 4월 15일부터 9월 19일까지로 F, 와 DRe 관측한 자료를 이용하였으며, 식물의 뿌리지대에서 발생하는 실제 증발산량은 다음과 같이 토양수분 평형법으로 산정하였다.
대상으로 물수지를 분석하였다. 분석에는 다음과 같은 식을 사용하였으며, 이때 토양층에서의 증발산은 식물 뿌리지대에서만 발생호}는 것으로 그리고 토양층 하부 기반암을 통과하여 이동하는 물은 침루로 간주하였다.
수위와 강우량 데이터는 20분 간격으로 데이터 로거(EME System OWL2pe)를 이용하여 자동으로 기록하였으며, 태양열판(Siemens ST10)을 설치하여 데이터 로거에 지속적으로 전력을 공급하였다. 수문 관측은 2004년 4월 15일부터 9월 19일까지 157일에 걸쳐 실시되었다.
실제 증발산량을 산정하면서 초기 토양수분량의 영향을 줄이기 위하여 2004년 1월 1일부터 4월 14일까지의 물수지를 계산하여 4월 14일의 토양수분을 추정하였다. 이 기간 오등관측소의 자료에 기온 체감율을 적용하여 추정한 실험유역에서의 평균기온은 대부분 0℃미만으로 강설이 누적되어 적설의 형태로 존재하는 시기이며, 3월 하순과 4월 초순에 평균기온이 Ot; 이상으로 높아져 융설수의 형태로 토양수분이 공급된다.
실험유역의 표고는 1, 595~1, 645m(평균 1, 620m)인데 비하여 오등관측소의 표고는 513m로 두 치점은 1, 107m의 고도차를 보이므로 오등관측소의 일 최고기온과 최저기온에 기온 체감율을 적용하여 보정하였다. 기온 체감율은 어리목과 오등관측소 두 지점의 일 최고기온 및 최저기온의 차이와 457m의 고도차로부터 구하였다.
오등관측소에서는 기온, 풍속, 강수량만을 측정하므로 기준작물 잠재 증발산량 산정에는 일별 최고기온, 최저기온 및 평균풍속을 이용하였다. FAO-56 Penman-Monteith 식으로부터 잠재 증발산량을 산정하는 경우에 이들 자료 이외에 일별 일사량, 수증기압 또는 평균습도도 필요하므로 일사량과 수증기압은 Allen S 以(1998)이 제시한 방식에 근거하여 최고 및 최저 기온으로부터 다음과 같이 추정하였다.
제주도 한라산 아고산대에 위치하고 있는 면적 1.34ha의 1차수 유역에서 관측한 수문자료와 인근 관측소의 기상자료를 이용하여 물수지를 분석하고 아고산대 지표에서의 수문순환 특성을 규명하였다. 그 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
4km 떨어진 어리목에도 관측소가 있으나 분지 안쪽에 위치하고 있어 북쪽으로 개방된 사면에 위치한 실험유역과는 바람 조건이 크게 다를 것으로 판단된다. 따라서 더 먼 거리에 위치하고 있지만 같은 북쪽으로 열린 사면에 위치한 오등관측소 자료를 선택하였다.
본 연구에서는[그림 4]와 같이 기반암 상부 토양층을 대상으로 물수지를 분석하였다. 분석에는 다음과 같은 식을 사용하였으며, 이때 토양층에서의 증발산은 식물 뿌리지대에서만 발생호}는 것으로 그리고 토양층 하부 기반암을 통과하여 이동하는 물은 침루로 간주하였다.
수위와 강우량 데이터는 20분 간격으로 데이터 로거(EME System OWL2pe)를 이용하여 자동으로 기록하였으며, 태양열판(Siemens ST10)을 설치하여 데이터 로거에 지속적으로 전력을 공급하였다. 수문 관측은 2004년 4월 15일부터 9월 19일까지 157일에 걸쳐 실시되었다.
수문 관측을 위하여 반원형 우곡의 형태를 띠고 있는 실험유역의 출구에 철제 6인치 파샬플륨(Parshall flumeg을 설치하였다. 수로 좌측의 박스 안에 50cm길이의 수위계(Unidata U6521J)를 부착하여 수위 변동을 감시하였다.
김문홍, 1985). 실험유역에는 산겨이삭, 김의털 등의 초본 군락과 최근 아고산대에서 빠르게 확산되고 있는 제주 조릿대가 우점하고 있다. 또한 유역 중앙에 발달한 우곡을 중심으로 나지도 일부 분포하고 있다(그림 2).
실험유역은 윗세오름 중봉에서 만세동산으로 이어지는 아고산대의 서쪽 완사면 표고 l, 595~l, 645m에 위치하는 1차수 유역으로 1:5,000 지형도에 유로는 표기되어 있지 않다. 완사면에 위치하는 관계로 분수계가 명료하지는 않으나 항공사진을 이용하여 설정한 집수역은 1.
잠재 증발산량 산정에는 실험유역에서 북동쪽으로 7km 거리에 위치한 제주기상청의 오등관측소 자료를 이용하였다. 실험유역에서 3.
이론/모형
FAO-56 Penman-Monteith 식으로부터 잠재 증발산량을 산정하는 경우에 이들 자료 이외에 일별 일사량, 수증기압 또는 평균습도도 필요하므로 일사량과 수증기압은 Allen S 以(1998)이 제시한 방식에 근거하여 최고 및 최저 기온으로부터 다음과 같이 추정하였다.
10월부터 5월까지는 비생육 기간에 해당한다. 작물계수는 Allen et (1998)이 제시한 값과 계산법을 적용하였다. 즉 실험유역의 식생과 최대 높이가 30cm로 유사한 독보리(rye grass) 값을 이용하여 생육 중기인 7월과 8월에는 1.
성능/효과
기온 체감율은 어리목과 오등관측소 두 지점의 일 최고기온 및 최저기온의 차이와 457m의 고도차로부터 구하였다. 2004년 1월 1일부터 2004년 9월 30일까지의 자료를 일별로 계산한 결과 기온 체감율은 평균 0.68℃/100m로 나타났다.[그림 5]는 오등관측소와 기온 체감율을 적용하여 보정한 실험유역 두 지점의 기준작물 잠재 증발산량을 비교한 그림이다.
① 실험유역에서는 157일의 관측 기간 동안 한라산의 지형성 강수의 영향으로 해안지대의 3배, 중산간 지대의 1.6배에 달하는 3, 074mm의 강수가 발생하였으며, 강수일수와 강수강도도 저지대에 비하여 높게 나타났다.
③ 제주조릿대와 사초과 식물이 밀생하는 실험유역의 실제 증발산량은 강수량의 14.2%를 차지하는 437mm 에 불과하여 물수지 요소 가운데 가장 낮은 비율을 보였다. 이것은 실험유역에 강수일이 많아 증발산량의 비율이 상대적으로 낮았을 뿐 아니라 잠재 증발산량이 커지는 7월 하순과 8월 초순에는 토양이 건조하여 실제 증발산량이 작았기 때문이다.
관측 기간에 일어난 실험유역의 물수지를 정리하면 우선 총강수량 3, 074mm 가운데 27.6%에 해당하는 850mm가 직접 유출량으로 나타났다. 반면에 실제 증발산량은 강수량의 14.
강수강도까지를 대상으로 평균 강수강도를 구하였다. 그 결과 실험유역의 강수강도는 22.7mm/hr 로서 중산간지대보다 1.17배, 해안지대보다 1.63배 높게 나타났다 (표 3).
6]fc와 [9响는 실험유역에 분포하는 토양통의 대표 토양을 대상으로 실시한 실험 결과(농촌진흥청 제주농업시험장, 2003)를 이용하였으며, 포장용수량은 Q5bar, 위조점은 lOObar에서의 수분량으로 산정하였다. 그 결과 실험유역의 토양수분 보유능은 33mm 이다.
따라서 강수 개시일로부터 그 강수로 인한 직접 유출의 종료일까지의 기간을 하나의 강수 사상으로 보았다. 또한 강수 사상중의, 일에 식물 뿌리지대 하부로 이동한 수분은 /+1 일로부터 유출 종료일까지 유출에 이용되거나 모세관 현상을 통하여 토양수분으로 공급됨으로써 증발산에 이용되며, 유출 종료일에 최종적으로 지하의 기반암 하부로 이동하는 것으로 간주하였다.
6%에 해당하는 850mm가 직접 유출량으로 나타났다. 반면에 실제 증발산량은 강수량의 14.2%를 차지하는 437mm로 유출량이나 침루량에 비하여 작았으며, 침루량은 강수량의 58.2%인 1, 790mm를 기록하여 관측 기간에 발생한 강수의 60% 정도가 기반암을 통과하여 지하로 이동하는 것으로 보인다. 따라서 실험유역에서는 침루가 강수를 배분하는 주요 성분임을 알 수 있으며, 강수 - 유출 모형을 구축할 때에는 침루 성분을 고려한 모델 개발이 필요한 것으로 판단된다.
2mm에 비하여 작게 나타났다(표 4). 실제 증발산량은 4월부터 6월 중순까지 l~3mm를 보이나 6월 29일부터 7월 24일까지 3~5mm로 증가하여 관측 기간 동안에 가장 높게 나타났다. 그러나 7월 24일부터 다시 감소하기 시작하는데 최소 0.
4mm의 범위를 보이고 있다. 일일 유출량으로 5~10mm를 기록한 유출은 33일, 10~20mm는 28일, 20~50mm는 10일, 50mm 이상은 4일 출현하였다. 관측 기간에 발생한 15개 강수 사상 가운데 유출량이 강수량의 89.
후속연구
2%인 1, 790mm를 기록하여 관측 기간에 발생한 강수의 60% 정도가 기반암을 통과하여 지하로 이동하는 것으로 보인다. 따라서 실험유역에서는 침루가 강수를 배분하는 주요 성분임을 알 수 있으며, 강수 - 유출 모형을 구축할 때에는 침루 성분을 고려한 모델 개발이 필요한 것으로 판단된다.[그림 12]는 강수 사상별로 물수지 요소의 구성 비율을 보여주고 있다.
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