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문제 정의
- 본 연구는 위와 같이 여러 가지 외부 환경요인으로 인하여 현재 훼손이 진행되고 있는 것으로 추정되는 천성산 밀밭늪 지역을 대상으로 하여 장기간에 걸쳐 지하수위와 강우유출률의 경년변화를 정량적으로 분석하고 그 결과를 근거로 향후 밀발늪의 육화 또는 훼손의 가능성을 밝히고, 나아가 밀밭늪의 보전 및 관리 대책 수립에 필수적인 수문학적 기초자료를 제공하고자 실시하였다.
- 본 연구에서는 천성산 밀밭늪의 강우 유출 특성을 파악하기 위하여 장·단기‚ 수문곡선의 작성에 의한 첨두유량도달시간 및 유출 특성, 물수지의 계산에 의한 장·단기‚ 유출률의 산정, 그리고 각 단위강우에 대한 감수계수 등을 산정하여 그 결과를 분석하였다.
제안 방법
- 강우에 따른 지하수위의 변동 특성을 파악하기 위하여, 단위강우별 단기 지하수 수문곡선과 장기 지하수 수문곡선을 작성하였다. 밀밭늪의 동쪽사면에 지하수위계를 설치하고, 한시간 단위로 지하수위를 측정하여 강우시 밀밭늪 지하수위의 월별·연도별 변화를 장·단기별로 분석하였다.
- 관측기간동안 작성한 수문곡선의 해석에 의하여 강우에 응답하는 유출량의 민감도를 조사하여 밀밭늪 지역의 유출특성을 파악하였다.
- 단기유출 수문곡선상의 총유출량을 수평직선분리법으로 직접유출량과 기저유출량으로 분리하고 각각의 유출량에 대응하는 감수계수를 계산하였다. Table 2에 단기유출 수문곡선 6개를 작성하는데 사용한 각 단위 강우의 총강우량, 분리한 직접유출량과 기저유출량, 그리고 각각의 유출량에 대응하는 감수계수를 산정하여 나타내었으며, 각년도 별로 단위강우사상은 강우-유출 응답이 뚜렷하게 나타난 것을 선정하였다.
- 단기유출률은 작성한 단기수문곡선을 수평직선분리법으로 직접유출량과 기저유출량을 분리한 후 총강우량에 대한 직접유출량의 비율로 구하였다. 장기수문곡선의 유출률은 총강우량에 대한 총유출량의 비율로 구하였다.
- 습지는 지하수가 지표 근처에 함양되어 있는 곳에 생성되므로 지하수위는 습지의 보전과 유지·관리에 있어서 중요한 인자로 활용된다. 밀밭늪에서 4년간 강우에 따른 단기 지하수위의 변동, 연도별 지하수위 변화 수문곡선을 작성하여 분석하였으며, 이들 결과에 근거하여 향후 밀밭늪의 육화 가능성을 분석하였다.
- 밀밭늪의 동쪽사면에 지하수위계를 설치하고, 한시간 단위로 지하수위를 측정하여 강우시 밀밭늪 지하수위의 월별·연도별 변화를 장·단기별로 분석하였다.
- 단기유출률은 작성한 단기수문곡선을 수평직선분리법으로 직접유출량과 기저유출량을 분리한 후 총강우량에 대한 직접유출량의 비율로 구하였다. 장기수문곡선의 유출률은 총강우량에 대한 총유출량의 비율로 구하였다.
대상 데이터
- 밀밭늪 지역의 수문곡선을 작성하기 위해서는 이 지역의 강우량과 유출량의 자료가 필요하다. 강우량은 인근 울산기상대의 자료를 이용하였으며, 유출량은 밀밭늪 지역하단부 수로에 설치한 사각형위어에서 관측한 유출수위를 유출량으로 환산하여 사용하였다. 유출량의 환산은 일반적으로 많이 사용하고 있는 다음의 Francis식을 이용하였다.
- 천성산 밀밭늪의 강우자료는 현장에서 약 30 km 정도 떨어진 울산기상대에서 관측한 자료를 이용하였으며, 2004년 7월~2008년 5월까지 약 4년간의 강우자료를 분석하여 그 결과를 Table 1에 표시하였다.
이론/모형
- 강우량은 인근 울산기상대의 자료를 이용하였으며, 유출량은 밀밭늪 지역하단부 수로에 설치한 사각형위어에서 관측한 유출수위를 유출량으로 환산하여 사용하였다. 유출량의 환산은 일반적으로 많이 사용하고 있는 다음의 Francis식을 이용하였다.
성능/효과
- 1) 밀밭늪에서는 단위 강우로 인해 발생하는 직접유출량의 발생시각은 일반 산지유역에서보다 다소 늦어지는 경향이 있었으며, 첨두유량 이후의 유출은 완만한 하강곡선을 그리면서 감소하였다. 또한 강우로 인해 발생하는 유출량의 장단기수문곡선은 대부분의 경우 강우에 대응하여 민감하게 반응하지 않았다.
- 2) 단기강우에 대한 단기 유출률은 0.07~0.22의 범위에 있었으며, 연간 유출률은 2004년 0.26, 2005년 0.13, 2006년 0.16, 2007년 0.25, 2008년 0.27로 산정되어 해마다 점진적으로 증가하였다. 이와 같이 밀밭늪에서 해마다 유출률이 증가한다는 것은 향후 밀밭늪의 기능이 약화되어 점차 육화되어 갈 것으로 판단하였다.
- 조사기간 동안 밀밭늪의 연강우량은 1,100~1,400 mm의 범위에 있었으며, 일강우량 20 mm 이상인 강우일수가 전체 강우일수의 약 1/6로 주로 하기 6~9월에 편중되어 있었다. 20 mm 이상의 강우사상을 대상으로 하여 강우일수, 강우량, 강우강도를 각각 조사한 결과 연속강우량 100 mm 이상의 단위강우는 7회가 있었으며, 강우강도는 0.8~20.3 mm/hr의 범위로 평균강우강도는 3.76 mm/hr의 값으로 나타났다.
- 3) 단기수문곡선에서 직접유출의 감수계수는 0.89~0.97의 범위로 관측되어 일반 산지소유역인 0.2~0.8보다 크게 나타났으며, 기저유출의 감수계수는 0.93~0.99의 범위로 관측되어 일반 산지소유역의 값과 비슷하게 관측되었다.
- 4) 밀밭늪의 지하수위는 강우강도의 비례하여 증감하였으며, 특히 지하수위가 최고 수위에 도달 한 후 하강 시에는 아주 완만하게 낮아지는 경향이 있었다. 또한 선행강우가 있었을 때의 지하수위의 변화는 비교적 높은 값을 유지하면서 증감하였다.
- 이와 같이 밀밭늪에서 해마다 유출률이 증가한다는 것은 향후 밀밭늪의 기능이 약화되어 점차 육화되어 갈 것으로 판단하였다. 4년간 평균 연유출률은 0.19으로 계산되었으며, 이 값은 일반 산지유역의 유출률에 비하여 크게 낮은 값으로 나타났다. 또한 유출률의 계절 특성은 증발산량이 많고 임목 생장기인 봄·여름에 비해 가을·겨울이 높은 값을 보였다.
- 5) 계절별 지하수위의 크기는 여름에 가장 높은 값을 보였으며, 다음으로 봄과 가을의 지하수위가 높은 값을 나타내었다. 두 계절의 지하수위의 값은 비슷한 범주에 있었으며, 겨울에는 가장 낮은 지하수위값을 나타내었다.
- 6) 각 연도별 지하수위의 변화 모습은 장기유출수문곡선과도 비슷한 변화 유형을 나타내는데, 단지 강우강도가 높을 때 빠르게 최고 지하수위점에 도달한 후 강우가 그치면 완만한 감수곡선을 그리며 낮아지는 것이 장기유출 수문곡선의 감수 형태와의 큰 차이점이었다.
- 7) 관측기간 동안의 지하수위의 평균값은 -17.84 cm이었으며, 연도별 평균 지하수위값은 2004년 -8.48 cm, 2005년 -14.60 cm, 2006년 -20.46 cm, 2007년 -20.11 cm, 2008년 -28.59 cm로 관측되어, 매년 평균 지하수위값이 점차 낮아지는 것으로 나타났다. 이 결과로 밀밭늪이 점차 육화되어 늪지로서의 기능을 상실해가고 있는 것으로 판단하였다.
- 밀밭늪에서는 강우가 지중으로 침투하기 시작하면 지체시간이 없이 단시간에 최고 지하수위에 도달하고, 강우가 그치면 지하수위는 아주 완만하게 하강 곡선을 그리며 서서히 낮아지는 경향이 있었다. 강우강도가 클수록 지하수위의 상승부의 기울기가 빠르게 증가하면서 단시간에 최고수위에 도달하는 것으로 나타나 지하수위는 강우강도에 민감하게 반응하는 것으로 판단되며, 또한 강우가 지속될 때는 지하수위가 최고점에 도달한 후 상당기간 그 값을 유지하였으며 강우가 멈춘 후에도 장시간 동안 아주 완만하게 감소하는 것으로 나타났다. 이것은 밀밭늪이 이탄층으로 구성되어 있어서 강우시 침투는 비교적 용이하나 일단 이탄층속으로 침투한 수량은 쉽게 유출하거나 증발산으로 소실하지 않는 것에 기인하며, 이와 같은 지하수위의 변화 경향은 산지고층습원에서 볼 수 있는 독특한 지하수위의 변동 특성으로 판단된다.
- 관측기간 동안 밀밭늪 지역에 내린 주요 단위강우에 대한 단기유출 수문곡선을 작성하여 Figure 2에 나타내었다. 단위강우의 총강우량은 각각 217.3 mm, 43.1 mm, 69.5 mm, 98 mm, 145.2 mm, 134 mm로 관측되었으며, 각 단위강우에 대한 총유출량은 각각 19.9 mm, 8.58 mm, 6.30 mm, 18.24 mm, 23.49 mm, 30.17 mm로 산정되어, 강우량과 유출량의 사이에 비례관계가 성립하지 않는 경우가 나타났다. 이것은 선행강우의 증가에 따라 유량이 증가한다는 양해근(2006)의 연구, 그리고 습지에서의 유출수량은 누적 강수량과 상관관계가 있다는 김재근(2009)의 연구에서 나타난 경향과 마찬가지로, 분석한 단위강우에 앞서서 내린 선행강우가 유출량의 증가에 기여한 것으로 판단된다.
- 또한 유출률의 계절 특성은 증발산량이 많고 임목 생장기인 봄·여름에 비해 가을·겨울이 높은 값을 보였다.
- 또한, 그림에 표시한 것과 같이 연유출률은 2004년도 첫 해를 제외하고 매년 증가하는 것으로 나타났는데, 이 결과로 향후 밀밭늪지역이 고층습원으로서의 기능이 점차 약화되어 가는 것으로 판단할 수 있다. 밀밭늪의 육화 원인은 집중호우시 늪 바로 위쪽에 위치한 임도와 그 위쪽 사면으로부터의 토사 유입에 기인하는 것으로 추정된다.
- 밀밭늪에서는 강우가 지중으로 침투하기 시작하면 지체시간이 없이 단시간에 최고 지하수위에 도달하고, 강우가 그치면 지하수위는 아주 완만하게 하강 곡선을 그리며 서서히 낮아지는 경향이 있었다. 강우강도가 클수록 지하수위의 상승부의 기울기가 빠르게 증가하면서 단시간에 최고수위에 도달하는 것으로 나타나 지하수위는 강우강도에 민감하게 반응하는 것으로 판단되며, 또한 강우가 지속될 때는 지하수위가 최고점에 도달한 후 상당기간 그 값을 유지하였으며 강우가 멈춘 후에도 장시간 동안 아주 완만하게 감소하는 것으로 나타났다.
- 본 연구의 결과, 밀밭늪은 향후 산지고층습원으로서의 기능이 점차 사라지고 마침내 육화되어 늪지가 사라질 것으로 예상된다. 따라서 밀밭늪의 관리 및 유지를 위해서는 강우 유출과 지하수위 등의 수문환경 변화 모니터링이 지속적으로 필요하고, 이들 자료를 활용하여 밀밭늪의 육화 방지를 위한 효과적인 대책 수립이 요구된다.
- 19으로 산정되었다. 이 값은 단위강우별로 산정한 단기유출률에 비해 상대적으로 높았으며, 일반 산지 유역의 유출률에 비하면 비교적 낮은 값으로 나타났다. 따라서 밀밭늪의 경우 무강우기간에도 작은 유출량이지만 지속적으로 기저유량을 중심으로 유출이 천천히 일어나고 있는 것으로 판단된다.
- 그림에서 계절별 지하수위의 크기는 여름에 가장 높은 값을 보였으며, 다음으로 봄과 가을에 지하수위가 비슷한 범위에 있었으며, 겨울에 가장 낮은 값이 나타났다. 이와 같은 계절별 지하수위의 차이는 계절별로 내리는 강우량의 차이에 기인하는 것으로 나타나, 강우량이 많은 여름에는 지하수위가 높았으며 강우량이 적은 겨울에는 상대적으로 지하수위가 낮은 것을 알 수 있었다. 이는 겨울에 평균 지하수위의 변화가 적고, 여름에 지하수위 변화가 크다는駒村正治(2003)의 선행연구와도 유사한 결과를 나타내었다.
- Table 2에 단기유출 수문곡선 6개를 작성하는데 사용한 각 단위 강우의 총강우량, 분리한 직접유출량과 기저유출량, 그리고 각각의 유출량에 대응하는 감수계수를 산정하여 나타내었으며, 각년도 별로 단위강우사상은 강우-유출 응답이 뚜렷하게 나타난 것을 선정하였다. 표에서 밀밭늪의 직접유출의 감수계수는 0.89~0.97, 기저유출의 감수계수는 0.93~0.99의 범위로 계산되었으며, 이 값은 선행연구에서 일반 하천의 직접유출의 감수계수가 0.2~0.8의 범위에 있는 것(박기주, 2006)과는 큰 차이가 있었으나, 기저유출의 감수계수가 0.93~0.99에 있는 연구결과와는 거의 유사한 값을 보였다. 이 결과로 밀밭늪 지역에서는 직접유출량의 감소가 기저유출량에 비하여 빠르게 진행되는 반면에 기저유출량의 감소는 서서히 지속적으로 발생하였다.
후속연구
- 이와 같이 밀밭늪의 지하수위가 매년 낮아지고 있다는 것은 향후 밀밭늪이 점차 육화되어 고층습원의 고유 기능이 사라지면서 소멸할 가능성이 높은 것으로 판단된다. 밀밭늪이 육화되어 가는 원인은 앞의 유출률 분석에서도 기술한 바와 같이 밀밭늪 바로 위쪽에 개설된 임도나 위쪽 산지사면으로부터 유입하는 토사에 의해 자연적인 육화 과정이 진행되는 것으로 추정할 수 있다.
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