산사태 붕괴사면에 있어서 표면침식에 영향을 미치는 강우강도와 그에 따른 유출토사량의 변화 Rainfall Intensity Regulating Surface Erosion and Its Contribution to Sediment Yield on the Hillslope Devastated by a Shallow Landslide원문보기
To examine surface erosion and sediment export patterns on a hillslope, which was devastated by a shallow landslide and which was slowly revegetating by natural plant species, we surveyed variations in surface erosion depth on the upper-, middle- and lower-section of the hillslope, and subsequent se...
To examine surface erosion and sediment export patterns on a hillslope, which was devastated by a shallow landslide and which was slowly revegetating by natural plant species, we surveyed variations in surface erosion depth on the upper-, middle- and lower-section of the hillslope, and subsequent sediment yield from the whole hillslope. The result showed that, with the passing of year, surface erosion on the devastated hillslope was regulated by higher rainfall intensity due to the supply-limitation of exportable sediment, and its variation range decreased. In addition, surface erosion on the upper-section with steep slope was regulated by higher rainfall intensity, which might result in raindrop erosion, compared to it on the lower-section with relatively gentle slope. Besides, the sediment yield from the devastated hillslope had nonlinear relationship with surface erosion depth on the hillslope because sediments on the hillslope are exported downwards while repeating their cycle of transport and redistribution. Our findings suggest the establishment of management strategy to prevent sediment-related disasters occurred during torrential rainfall events, which was based on the continuous field investigation on the hillslope devastated by landslides.
To examine surface erosion and sediment export patterns on a hillslope, which was devastated by a shallow landslide and which was slowly revegetating by natural plant species, we surveyed variations in surface erosion depth on the upper-, middle- and lower-section of the hillslope, and subsequent sediment yield from the whole hillslope. The result showed that, with the passing of year, surface erosion on the devastated hillslope was regulated by higher rainfall intensity due to the supply-limitation of exportable sediment, and its variation range decreased. In addition, surface erosion on the upper-section with steep slope was regulated by higher rainfall intensity, which might result in raindrop erosion, compared to it on the lower-section with relatively gentle slope. Besides, the sediment yield from the devastated hillslope had nonlinear relationship with surface erosion depth on the hillslope because sediments on the hillslope are exported downwards while repeating their cycle of transport and redistribution. Our findings suggest the establishment of management strategy to prevent sediment-related disasters occurred during torrential rainfall events, which was based on the continuous field investigation on the hillslope devastated by landslides.
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문제 정의
따라서 이 연구는 산사태 발생 후 자연 피복이 거의 이루어지지 않은 산사태 붕괴사면을 대상으로 표면침식에 영향을 미치는 강우강도를 파악하고, 붕괴사면으로부터의 유출토사량 변화를 파악함으로써 산지토사재해 발생에 따른 2차 피해의 방지 및 복구를 위한 기초자료로 활용하고자 진행하였다.
이 연구에서는 2009년 강원도 홍천군 북방면 북방리에 소재한 강원대학교 학술림 내에서 발생한 산사태 발생지역을 대상으로 산사태 붕괴사면에 있어서 강우형태 및 강도에 따른 표면침식 깊이와 붕괴사면 내에서 발생하는 표면침식 깊이와 유출토사량에 대한 상관관계를 분석하였다. 연구 결과, 붕괴사면의 침식에 영향을 미치는 강우강도는 경과년수의 증가 및 다양한 입지환경에 따라 다양하게 나타났다.
제안 방법
2011년 4월 경사 및 암반의 노출정도를 기준으로 산사태 붕괴사면을 6 m 길이의 상부구간(upper-section), 중앙구간(middle-section) 및 하부구간(lower-section)로 나누었으며, 각 구간을 다시 2 m 간격으로 구획하였다[Fig. 2, Table 1]. 이 후 각 중앙부에 사면과 연직방향으로 측정핀을 설치하여 침식 및 퇴적상황을 정량적으로 측정할 수 있도록 하였다[Fig.
그러나 황폐화된 사면에 있어서 사람의 도보이동에 따른 토압은 말의 이동에 비해 적으며(Adams and Froehlich 1981), 임지에서 말에 의한 목재반출이 토양의 답압에 미치는 영향 또한 매우 적다(Garrison and Rummell 1951). 따라서 산사태 붕괴사면에서 조사자에 의한 지표 교란은 무시할 수 있을 정도일 것으로 판단되지만, 이 연구에서는 조사자에 의한 인위적 교란을 극소화하기 위해 산사태 붕괴사면 내에서의 이동거리가 최소화되도록 붕괴사면 외곽부에서 횡방향으로 접근하여 측정핀을 설치하였다.
한편, 붕괴사면으로부터 토사포집기 내로 유입된 토사유출량(sediment yield; SY, kg)을 파악하기에 앞서 토사와 함께 유출된 낙엽, 가지 및 동물유체 등과 같은 유기물을 현장에서 1차적으로 제거하였다. 또한, 채취한 토사는 실내실험을 실시하기 전에 자연광에서 1일간 건조시키면서 유기물들을 재차 제거하였다. 이후 60oC의 건조기에서 72시간 이상 건조시킨 후, 정밀저울로 무게를 측정하여 토사유출량을 추정하였다.
산사태 붕괴사면에 있어서 SED에 미치는 강우강도를 파악하기 위해 각 조사시점 간에 발생한 강우 중 x mm 이상의 시간당 강우량의 합계(cumulative HR greater than or equal to x; HRc≥x)를 계산하였다.
산사태 붕괴사면에 있어서 표면침식의 깊이 변화(surface erosion depth; SED, mm)는 붕괴사면 내로의 접근을 피하기 위해 붕괴사면 외곽으로부터 자동레벨로 측정핀을 시준하여 파악하였다. 또한, 측정된 SED가 침식일 경우는 양(+)으로, 퇴적일 경우는 음(-)으로 각각 표기하였다.
따라서 2012년 4월초 파손된 측정핀을 제거한 후 동일 위치에 측정핀을 재 설치하였다. 이 때, 산사태 붕괴사면으로부터 사면하부로 유출되는 표면유출토사를 포착하기 위하여 붕괴사면 하부에 등고선방향과 평행하게 3개의 토사포집기를 추가 설치하였고, 붕괴사면으로부터 유출되는 토사를 전량 포착하기 위하여 기 설치된 포집기의 양쪽에 유도철판을 추가 매설하였다[Fig. 5].
2, Table 1]. 이 후 각 중앙부에 사면과 연직방향으로 측정핀을 설치하여 침식 및 퇴적상황을 정량적으로 측정할 수 있도록 하였다[Fig. 3, 4].
또한, 채취한 토사는 실내실험을 실시하기 전에 자연광에서 1일간 건조시키면서 유기물들을 재차 제거하였다. 이후 60oC의 건조기에서 72시간 이상 건조시킨 후, 정밀저울로 무게를 측정하여 토사유출량을 추정하였다.
대상 데이터
강우자료는 연구대상지로부터 약 1.3 km 지점에 위치한 북방기상관측소에서 측정한 국가수자원관리종합시스템에서 제공하는 강우자료로부터 2011년 6월 28일부터 2012년 9월 5일 사이에 관측된 시간별 강우자료(hourly rainfall; HR)를 분석하였다(Water Management Information System 2013).
연구대상지는 강원도 홍천군 북방면에 위치한 강원대학교 학술림 31임반 4소반 내의 소규모 산사태지로, 2009년 8월 집중호우 시 계안의 사면하부에서 발생하였다[Fig. 1]. 이후 산사태 붕괴사면의 외연부(marginal area)에서 소규모의 추가 붕괴가 지속적으로 발생하여 사면 내로 토사가 유입되고 있었으며, 붕괴사면 상의 토사 역시 지속적으로 유출되어 일부 구간에 암반이 노출 되었다.
산사태 붕괴사면은 III-IV영급의 잣나무 인공조림지 내에 위치하며, 붕괴사면 주변에는 방아풀, 칡 등의 하층식생이 생육하고 있다. 연구대상지의 모암은 화강암과 화강편마암이며, 토양층은 이들이 풍화하여 형성된 양토와 사질양토가 대부분을 이루고 있다.
데이터처리
분석에 앞서 이 논문에서 사용된 모든 변수들은 정규성 검토를 실시하였으며, 모든 통계처리는 무료 통계패키지인 R (version 2.15.2) 프로그램을 이용하였다.
이론/모형
, 18, 19 및 20으로 설정하였다. 이와 같이 설정된 설명변수를 일반화선형모델(Generalized Linear Model; GLM)에 적용하였으며, Akaike Information Criterion (AIC)를 기준으로 붕괴사면에서의 SED를 설명하는 최적모델을 선정하였다(Burnham and Anderson 2002). AIC는 대수우도최대화(log-likelihood maximization)를 통하여 목적변량을 설명하기 위해 만들어 질 수 있는 모든 모델들의 순위를 정하기 위한 기준으로, 최소 AIC 값을 a 라고 할 경우 이 a 값을 갖는 모델이 최적의 회귀모델이며, a+2 이하의 값을 나타내는 모델 역시 최적의 모델로 간주된다(Burnham and Anderson 2002).
성능/효과
2012년도를 대상으로 SED와 SY의 관계를 파악한 결과는 붕괴사면을 덮고 있는 토층의 침식 및 퇴적, 즉 토사의 이동량이 많을수록 유출되는 토사의 양 또한 증가하는 것으로 나타났으며, 동시에 침식깊이의 변화폭이 일정수준(약 3 mm) 이상이 될 경우 유출되는 토사가 보다 급격히 증가하는 것으로 나타났다[Fig. 7]. 전술한 바와 같이 산사태 붕괴사면 내에서 생산된 토사는 단일 강우에 의해 일시에 유출되는 것이 아니라 사면경사 및 암반노출 등의 영향을 받으면서 반복적인 이동과 체류과정을 겪는다.
GLM에서 선택된 복수의 최적모델 중 최소의 강우강도를 포함하는 모델만을 도해한 결과, HRc≥x가 증가함에 따라 SED 역시 증가하는 경향을 나타냈지만, HRc≥x와 SED의 상관관계 및 SED의 변화폭은 조사구간 및 연도별로 다양하게 나타났다[Fig. 6].
이 연구에서는 2009년 강원도 홍천군 북방면 북방리에 소재한 강원대학교 학술림 내에서 발생한 산사태 발생지역을 대상으로 산사태 붕괴사면에 있어서 강우형태 및 강도에 따른 표면침식 깊이와 붕괴사면 내에서 발생하는 표면침식 깊이와 유출토사량에 대한 상관관계를 분석하였다. 연구 결과, 붕괴사면의 침식에 영향을 미치는 강우강도는 경과년수의 증가 및 다양한 입지환경에 따라 다양하게 나타났다. 즉, 경과년수가 증가됨에 따라 붕괴사면 상부의 유출가능 토사량의 감소로 보다 강한 강도의 강우에서 침식 및 퇴적이 발생하였으며, 표면침식 깊이 및 유출토사량의 변화 폭은 감소하는 것으로 나타났다.
산사태 붕괴사면에서 발생하는 표면침식의 정도는 사면으로부터 유출되는 토사량을 결정한다. 이 연구에서 2012년의 1년간을 대상으로 SED와 SY과의 관계를 파악한 결과[Fig. 7], 전체적으로 SED가 증가할수록 SY 역시 비선형적(지수함수적)으로 증가하는 경향을 나타냈지만, 두 변량간의 상관관계는 비교적 낮았다(R2=0.3873).
이 연구의 결과 역시 상대적으로 평균경사(37.3o)가 급한 상부구간(upper-section)에서는 산사태 발생 후 붕괴사면 상에서 비교적 약한 강도의 강우(1-2 mm/hr 이상)에 의해서 쉽게 침식되었을 것으로 판단되지만, 시간이 경과함에 따라 침식이 가능한 토사가 결핍될 것으로 판단된다(supply-limit).
연구 결과, 붕괴사면의 침식에 영향을 미치는 강우강도는 경과년수의 증가 및 다양한 입지환경에 따라 다양하게 나타났다. 즉, 경과년수가 증가됨에 따라 붕괴사면 상부의 유출가능 토사량의 감소로 보다 강한 강도의 강우에서 침식 및 퇴적이 발생하였으며, 표면침식 깊이 및 유출토사량의 변화 폭은 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 경사가 급한 붕괴사면의 상부구간에서는 강우의 직접적인 영향 즉, 빗방울침식에 의한 표면침식이 발생한 반면, 상대적으로 완경사의 하부구간에서는 약한 강도의 강우에서도 지표수의 집중이동으로 인한 표면침식이 발생한 것을 알 수 있다.
평균경사가 가장 완만한(31.0o) 하부구간(lower-section)에 있어서 2011년도의 SED에 영향을 미치는 강우강도는 3-4 mm/hr로 나타났으며[Table 3], 이는 하부구간이 다른 구간에 비해 빗방울침식보다 지표수의 집중으로 인한 면상침식의 기여도가 상대적으로 높기 때문으로 판단된다. 또한, 2012년에는 다른 구간과 마찬가지로 붕괴사면이 점차 물리적으로 안정화됨에 따라 일정 강도(4-7 mm/hr) 이상의 강우에 의해서만 토사침식이 발생하는 것으로 나타났다[Table 3].
특히, Table 1에서 볼 수 있듯이 이 구간은 다른 구간과 달리 상대적으로 암반 노출지가 많아 표면침식에 대한 강우인자의 기여도가 적을 것으로 추정된다. 현지조사 시 조사대상 붕괴사면에 노출된 암반의 표면 형상이 빗살무늬 모양의 모암단층으로 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었으며, 이로 인해 강우발생 시 붕괴사면 상을 유하하는 유수의 방향이 편중되는 세류침식이 발생 될 것으로 판단된다. 비록 이 논문의 대상 붕괴사면에서는 조사계획 및 착수 시 세류에 의한 침식을 관측할 수 없어 이에 대한 정량적 평가가 누락되었지만, 이러한 세류침식이 암반노출이 많은 중앙구간에서 발생하는 SED의 변화에 대한 강우강도의 설명력(R2=0.
후속연구
이는 산사태 붕괴사면의 토사가 사면에 도달하는 강우의 양 및 강도에 크게 영향을 받으며 이동과 체류과정을 반복적으로 겪은 후 유출되기 때문인 것으로 사료된다. 특히, 산사태 붕괴사면 상의 비점착성토양층이 어느 정도 유실된 이후 관측될 수 있는 세류형성으로 인한 침식, 암반노출도 변화 및 침입식생의 피복도 등은 붕괴사면으로부터의 토사생산 및 유출에 크게 영향을 미치게 때문에 이에 대한 다각적인 분석이 필요할 것으로 사료된다. 비록 이 논문은 매우 제한된 공간적 범위를 대상으로 하고 있어 연구결과에 대한 일반화에는 무리가 있지만, 매년 집중호우 시 빈번하게 발생하는 산림유역 내의 소규모 산사태지에 대한 조기 복구의 필요성을 제시하고 있다는 점에서 그 의미가 있다고 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
강우패턴의 변화는 무엇을 유발하는가?
강우패턴의 변화는 산사태 발생의 급격한 증가를 초래하여 막대한 인명 및 재산피해를 유발한다. 과거 40년 간의 산사태 발생면적의 추이를 살펴보면, 1970년대에 289 ha, 1980년대에 231 ha, 1990년대에 349 ha, 2000년대에 847 ha로 나타났다(Korea Forest Service 2011).
산사태 붕괴사면에서 조사자에 의한 지표 교란은 무시할 수 있는 이유는?
한편, 사면 정리 및 조사도구의 설치 과정에서 조사자의 도보이동은 지표면의 인위적 교란을 야기할 수 있다. 그러나 황폐화된 사면에 있어서 사람의 도보이동에 따른 토압은 말의 이동에 비해 적으며(Adams and Froehlich 1981), 임지에서 말에 의한 목재반출이 토양의 답압에 미치는 영향 또한 매우 적다(Garrison and Rummell 1951). 따라서 산사태 붕괴사면에서 조사자에 의한 지표 교란은 무시할 수 있을 정도일 것으로 판단되지만, 이 연구에서는 조사자에 의한 인위적 교란을 극소화하기 위해 산사태 붕괴사면 내에서의 이동거리가 최소화되도록 붕괴사면 외곽부에서 횡방향으로 접근하여 측정핀을 설치하였다.
과거 40년 간의 산사태 발생면적의 추이는 어떠한가?
강우패턴의 변화는 산사태 발생의 급격한 증가를 초래하여 막대한 인명 및 재산피해를 유발한다. 과거 40년 간의 산사태 발생면적의 추이를 살펴보면, 1970년대에 289 ha, 1980년대에 231 ha, 1990년대에 349 ha, 2000년대에 847 ha로 나타났다(Korea Forest Service 2011). 특히, 2011년 7월 27일에는 약 50 mm/hr 이상의 집중호우로 인해 서울시 서초구 우면산과 강원도 춘천시 신북읍 마적산에서 대규모 산사태가 발생하여 사망 29명, 부상 28명의 인명피해를 유발하였으며, 약 500억원의 복구비용이 소요되었다(National Emergency Management Agency 2012).
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