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문제 정의
- 본 연구를 통해 외도천 유역의 토양침식량과 유출량을 산정하였다. 이와 같은 연구는 이차적인 홍수피해를 유발할 수 있으며 저류지 및 침사지내의 수질악화의 요인이 되는 토사유출량을 예측하여 피해에 대처할 수 있는 방향을 제시할 수 있는 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
제안 방법
- 2) 연구대상 유역의 토지이용 상태에 따라 2000년도와 2005년도의 토지피복도를 비교하여 식생피복인자 C와 작물경작인자 P를 산정하였다. 2000년도의 토지피복도는 6가지의 피복 상태로 분류하지만, 2005년의 토지피복도는 17가지로 분류하여 보다 적합한 식생피복인자 C를 적용할 수 있으며, 산정 결과 2005년의 식생피복인자가 2000년도에 비해 절반 정도의 값을 보였다.
- 2000년의 토지피복은 총 6가지로 분류되며 외도천 유역에서 가장 높은 비율을 차지하는 것은 산림으로, 전체면적의 70%를 차지하며 그 외에 밭이 18%, 초지가 10%를 차지하고 있다. 2005년도 외도천 유역의 토지피복은 총 17가지로 분류되지만, 이 중에서 상업지역과 공공시설지역, 내륙습지가 차지하는 면적 비율은 0.1% 미만이므로 분석에서 제외하고, 총 13가지 분류에 대하여 분석을 시행하였다. 가장 높은 비율을 차지하는 것은 활엽수림으로 전체면적의 48.
- 3) 정밀토양도를 이용하여 토양침식인자 K를 산정하였으며 DEM자료와 지형도를 이용하여 지형인자 LS를 구하였다. 외도천 유역의 토양통과 지형은 2000년과 2005년 사이에 큰 변화가 없으므로 토사유출량 분석 시 입력인자를 변화시키지 않고 동일하게 적용하였다.
- 4) 유출흐름에 따라 3개의 소유역으로 구분하여 2000년도와 2005년도의 토사유출량을 모의하였다. 하천의 유사전달률을 고려하였으며 소유역별로 각각 0.
- 단일호우 강우침식인자는 대상유역인 외도천의 하천정비기본계획에서 분석한 확률강우량 의 강우강도식을 사용하였으며, 에너지단위의 합(∑Ei)과 30분 지속최대강우강도(I30(max))을 추출하여 Table 2와 같이 재현기간 100년 빈도의 지속기간 24시간에 대한 단일 호우 강우침식인자인 R100=1,493 107 J/ha∙mm/hr 를 산정하였다.
- 본 연구에서는 기존의 USLE 공식을 사용하지만 GIS를 기반의 셀 단위 분석을 수행하여 유역특성인자인 강우침식인자(R), 토양침식인자(K), 침식사면의 길이․경사인자(LS), 식생피복인자(C), 경작인자(P)를 강우량자료와 지형 자료(DEM, Land Use, Soil Type)를 이용하여 구축하였으며, 2000년과 2005년도의 토지이용 변화를 적용한 결과를 비교하였다. 또한, 대상유역의 지형자료 검토 결과 세 개의 소유역으로 분할하여 각 소유역에 대한 토사유출량을 비교․검토하였다.
- 2000년도의 토양 침식량 산정에서는 과거 20년간의 강우자료에서 도출한 연평균 강우침식인자 R을 채택하였으며, 2005년도의 토양침식량 산정에서는 대상유역이 속하는 제주시 기상청의 최근 강우자료를 이용하여 확률강우량과 강우강도식을 유도하고 외도천의 설계빈도인 100년 빈도의 단일호우 강우침식인자 R을 사용하였다. 또한, 해당년도의 토지피복도와 DEM의 경사분포를 고려한 식생피복인자 C와 작물경작인자 P를 도출하여 토양침식 모형에 적용하였다. 연구대상 유역의 토양통 변화는 없을 것으로 판단되므로 토양통에 따른 토양침식인자 K는 동일하게 사용하였으며, K 인자 산정에서 사용된 Erickson 방법과 Wischmeier 도표에 의한 방법 중 실무와 연구에서 널리 사용되고, 비교적 정확한 것으로 알려진 Wischmeier 도표에 의한 방법을 채택하였다.
- 이렇게 원 지점에서 침식된 토립자들 중 하류 일정 지점까지 유하되는 입자들의 비를 유사전달률이라 한다. 본 연구에서는 USLE에 의해 산정된 토양침식량에 유사전달률(sediment delivery ratio)개념을 도입하여 유역출구의 토사유출량을 산정하였다. 유사전달률 산정시 외도천 유역을 하천 합류부 및 최종 출구점을 고려하여 세 개의 소유역 1, 2, 3으로 구분하였으며 소유역별 유사전달률 산정 결과, Fig 6과 같이 소유역 1의 SDR은 0.
- 최근에는 USLE의 기존 공식의 형태는 유지하면서 각 인자들의 산정방법을 개선한 수정범용토양손실공식(RUSLE, Revised Universal Soil Loss Equation)이 사용되고 있으나 단지 유역을 대표하는 인자들의 곱으로 결과를 산출하게 되므로 유역 특성을 제대로 반영하기 힘들다. 본 연구에서는 기존의 USLE 공식을 사용하지만 GIS를 기반의 셀 단위 분석을 수행하여 유역특성인자인 강우침식인자(R), 토양침식인자(K), 침식사면의 길이․경사인자(LS), 식생피복인자(C), 경작인자(P)를 강우량자료와 지형 자료(DEM, Land Use, Soil Type)를 이용하여 구축하였으며, 2000년과 2005년도의 토지이용 변화를 적용한 결과를 비교하였다. 또한, 대상유역의 지형자료 검토 결과 세 개의 소유역으로 분할하여 각 소유역에 대한 토사유출량을 비교․검토하였다.
- 본 연구에서는 대상지역으로 선정한 외도천 유역의 토양침식량과 하천의 유사량을 분석하여 출구점 및 주요지점의 토사유출량을 산정하였다.
- 따라서 강우에 의한 침식능 R의 산정은 대단히 중요하며, 강우침식인자는 강우의 운동에너지에 의한 토양침식량의 정도를 나타내는 인자로서 공식의 개발 초기에는 연평균 강우침식인자만을 적용하였지만 최근에는 단일호우 강우침식인자를 주로 사용한다. 본 연구에서는 두 가지의 강우침식인자를 각각 산정하여 200년도와 2005년도 토사유출량 산정에 적용하였다.
- 본 연구에서는 범용토양유실방정식(USLE, Universal Soil Loss Equation)을 적용한 GIS 기반의 SATEEC (Sediment Assessment Tool for Effective Erosion Control) ArcView GIS를 이용하여 대상유역의 특성과 토지이용분포에 따른 토양침식량과 하천의 유사량을 산정하고 하천 최하류부의 토양유출량을 산정하였다. SATEEC는 GIS를 이용하여 유역의 특성을 셀 단위로 분석하기 때문에 유역특성을 제대로 반영할 수 있으며, 셀 단위 결과를 도출하여 기존 연구에 비해 적 합한 토사유출량을 산정할 수 있다(Park 등, 2008; Jang 등, 2009).
- 본 연구에서는 제주도의 외도천을 대상으로 하여 USLE 기법의 토사유출량 산정 모형인 SATEEC ArcView GIS를 이용한 토양침식량과 토사유출량을 산정하였다. 입력자료인 강우침식인자, 토양침식인자, 지형인자, 토지피복인자, 작물경작인자를 구축하였으며, 하천의 유사전달률을 고려하여 외도천 유역의 토사유출량을 분석한 결과는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 토양침식량 산정을 위하여 강우인자를 비롯한 5개의 입력자료를 구축하였으며 각 입력자료들의 강우자료, 산정공식, 토지피복 변화에 따른 인자들을 산출하였다. 또한, 외도천 유역의 2000년도와 2005년도 기준의 토사유출량을 SATEEC ArcView GIS 모형을 이용하여 산정한 후 결과를 비교하였다.
- 본 연구에서는 제주도의 외도천을 대상으로 하여 USLE 기법의 토사유출량 산정 모형인 SATEEC ArcView GIS를 이용한 토양침식량과 토사유출량을 산정하였다. 입력자료인 강우침식인자, 토양침식인자, 지형인자, 토지피복인자, 작물경작인자를 구축하였으며, 하천의 유사전달률을 고려하여 외도천 유역의 토사유출량을 분석한 결과는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 Table 4의 Wischmeier와 Smith(1978)에 의해서 제시된 P값을 4가지의 경작방법과 6가지의 경사도에 따라 구분하여 이용하였다. 제주도의 작물재배는 주로 밭은 등고선 재배를 이용하고, 과수원은 계단식 관개방식으로 행해지고 있으므로 이를 적용하여 대상유역의 토지피복에 따른 2000년도와 2005년도의 작물경작인자를 산출하였다.
대상 데이터
- 입력자료 중 강우침식인자는 해당 년도의 강우자료 확보와 확률강우량의 산정에 어려움이 있으므로 과거 연구에서 제시한 값을 사용하였다. 2000년도의 토양 침식량 산정에서는 과거 20년간의 강우자료에서 도출한 연평균 강우침식인자 R을 채택하였으며, 2005년도의 토양침식량 산정에서는 대상유역이 속하는 제주시 기상청의 최근 강우자료를 이용하여 확률강우량과 강우강도식을 유도하고 외도천의 설계빈도인 100년 빈도의 단일호우 강우침식인자 R을 사용하였다. 또한, 해당년도의 토지피복도와 DEM의 경사분포를 고려한 식생피복인자 C와 작물경작인자 P를 도출하여 토양침식 모형에 적용하였다.
- 외도천 유역은 하류부를 제외하면 도시화지역이 발달하지 않았으며, 산림과 경작지의 비율이 높아서 토립자 특성에 따른 토사유출해석에 적합하다. 대상 하천의 총 연장은 12㎞이고, 지류인 어시천과 광령천이 해안가 근처에서 합류하며 유로연장은 15.71 ㎞, 유역의 총 면적은 75.08 ㎢이다. 총 유역에서 최종 합류부 이전의 외도천 유역을 연구대상 유역으로 선정하였고 면적은 41.
- 식생피복인자와 작물경작인자는 토지를 피복하고 있는 식생 또는 작물의 이용 상태에 따라 그 값이 달라지며 0에서 1까지의 값을 가진다. 본 연구에서는 국가수자원관리 종합정보시스템(WAMIS)에서 제공하는 토지피복자료를 이용하여 2000년과 2005년의 토지피복상태를 고려한 식생피복인자와 작물경작인자를 구하였다.
- 연구대상 유역은 제주도 북부지역인 제주시를 유과하는 외도천을 대상으로 하였다. 외도천 유역은 하류부를 제외하면 도시화지역이 발달하지 않았으며, 산림과 경작지의 비율이 높아서 토립자 특성에 따른 토사유출해석에 적합하다.
- 연평균 강우침식인자는 연평균 강우량에 의한 토양 침식에 의한 토양침식량의 정도를 나타내는 인자로서 통상 기존 연구 결과를 사용하며, 본 연구대상 유역은 제주시 기상청 산하에 속하므로 연평균 강우침식인자 R은 Table 1과 같이 제주지역의 390 107J/ha∙mm/hr를 사용하였다(National Disaster Management Institute, 1998).
- 이 식을 개발하기 위하여 Wischmeier와 Smith는 표준밭(unit plot)이라고 하는 길이 22.13m와 9%의 경사를 가진 밭작물의 나지에서 자료를 대규모로 수집하였다. 토양침식인자 K는 표준밭에서 단위 강우침식인자 R당 해당 토양의 침식량을 의미하며, 경사길이인자 L과 경사인자 S는 같은 조건 하에서 실제 경사에서의 토양 유실량과 표준 밭에서 발생한 유실량의 비율이다.
- 08 ㎢이다. 총 유역에서 최종 합류부 이전의 외도천 유역을 연구대상 유역으로 선정하였고 면적은 41.42 ㎢이며, 유역의 평균고도는 874.89 EL.m, 평균 경사는 11.99%이다. 대상 유역의 토지이용현황을 보면 산림이 42.
데이터처리
- 본 연구에서는 토양침식량 산정을 위하여 강우인자를 비롯한 5개의 입력자료를 구축하였으며 각 입력자료들의 강우자료, 산정공식, 토지피복 변화에 따른 인자들을 산출하였다. 또한, 외도천 유역의 2000년도와 2005년도 기준의 토사유출량을 SATEEC ArcView GIS 모형을 이용하여 산정한 후 결과를 비교하였다. 입력자료 중 강우침식인자는 해당 년도의 강우자료 확보와 확률강우량의 산정에 어려움이 있으므로 과거 연구에서 제시한 값을 사용하였다.
이론/모형
- 13m의 비로 나타낼 수 있고, 경사도 인자(S)는 단일 경사라고 할 수 있는 지형의 경사도와 표준 시험포의 경사도인 9%의 비로 나타내어진다. 경사장과 경사도 인자는 SATEEC ArcView GIS를 이용하여 DEM으로 부터 추출하였으며, Moore와 Burch(1986)에 의해 제안된 식과 Desmet과 Govers(1996)의 식을 이용하였다.
- 토양침식인자 분석에서는 대상유역의 토질연구결과를 바탕으로 K값을 산정하여야 하나, 전유역의 구체적인 토질조사를 시행하는데 어려움이 있다. 따라서, 『개발에 따른 토사유량 산정에 관한 연구(I), 국립방재연구소, 1998』보고서의 입도 결과를 이용하였으며, 외도천 유역의 30개 토양통에 대하여 Erickson 방법과 Wischmeier 도표에 의한 침식인자 K를 적용하였다.
- 연구대상 유역의 토양통 변화는 없을 것으로 판단되므로 토양통에 따른 토양침식인자 K는 동일하게 사용하였으며, K 인자 산정에서 사용된 Erickson 방법과 Wischmeier 도표에 의한 방법 중 실무와 연구에서 널리 사용되고, 비교적 정확한 것으로 알려진 Wischmeier 도표에 의한 방법을 채택하였다. 또한 외도천 유역 내에 대규모 개발이나 단지 조성이 없었던 점을 감안하여 DEM 자료로부터 획득한 지형인자 LS도 동일하게 사용하였으며, 입력 인자 산정에서 사용된 Moore와 Burch(1986)의 식과 Desmet과 Govers의 식 중에서 강우발생시 경사에 따라 이동하는 물의 양에 따른 유입토사의 변화를 고려할 수 있는 Desmet과 Govers(1996)의 방법을 활용하였다.
- 이것은 등고선경작, 등고선 대상재배, 등고선 단구효과, 지표하 배수, 건조한 농경지의 조도의 효과를 평가하기 위해서 사용된다. 본 연구에서는 Table 4의 Wischmeier와 Smith(1978)에 의해서 제시된 P값을 4가지의 경작방법과 6가지의 경사도에 따라 구분하여 이용하였다. 제주도의 작물재배는 주로 밭은 등고선 재배를 이용하고, 과수원은 계단식 관개방식으로 행해지고 있으므로 이를 적용하여 대상유역의 토지피복에 따른 2000년도와 2005년도의 작물경작인자를 산출하였다.
- 0의 높은 값을 갖지만, 산림화 지역에서는 상대적으로 낮은 값을 갖는다. 본래 작물의 생육에 따라 또는 토양 유실량의 실측값에 따라 구해야 하지만 이에 대해 검토한 연구가 국내에서는 Jung 등(1984)의 연구를 제외하면 거의 없는 실정이므로 본 연구에서는 Table 3의 Jung 등(1984)에 의해 제시된 토지 피복별 식생피복인자 기준을 적용하였다.
- 또한, 해당년도의 토지피복도와 DEM의 경사분포를 고려한 식생피복인자 C와 작물경작인자 P를 도출하여 토양침식 모형에 적용하였다. 연구대상 유역의 토양통 변화는 없을 것으로 판단되므로 토양통에 따른 토양침식인자 K는 동일하게 사용하였으며, K 인자 산정에서 사용된 Erickson 방법과 Wischmeier 도표에 의한 방법 중 실무와 연구에서 널리 사용되고, 비교적 정확한 것으로 알려진 Wischmeier 도표에 의한 방법을 채택하였다. 또한 외도천 유역 내에 대규모 개발이나 단지 조성이 없었던 점을 감안하여 DEM 자료로부터 획득한 지형인자 LS도 동일하게 사용하였으며, 입력 인자 산정에서 사용된 Moore와 Burch(1986)의 식과 Desmet과 Govers의 식 중에서 강우발생시 경사에 따라 이동하는 물의 양에 따른 유입토사의 변화를 고려할 수 있는 Desmet과 Govers(1996)의 방법을 활용하였다.
- 토사유출량 산정은 USLE를 이용하는 SATEEC ArcView GIS를 사용하였다. 최근에는 USLE의 기존 공식의 형태는 유지하면서 각 인자들의 산정방법을 개선한 수정범용토양손실공식(RUSLE, Revised Universal Soil Loss Equation)이 사용되고 있으나 단지 유역을 대표하는 인자들의 곱으로 결과를 산출하게 되므로 유역 특성을 제대로 반영하기 힘들다.
성능/효과
- 1) 외도천 유역의 강우침식인자 R은 연평균 강우와 단일호우 자료를 이용하여 산정하였으며, 각각 390 107 J/ha∙mm/hr, 1,493 107 J/ha∙mm/hr의 결과를 보였다. 단일호우 강우침식인자는 연평균 강우 침식인자와는 달리 확률강우강도식을 이용하므로 보다 큰 값을 갖는다.
- 2) 연구대상 유역의 토지이용 상태에 따라 2000년도와 2005년도의 토지피복도를 비교하여 식생피복인자 C와 작물경작인자 P를 산정하였다. 2000년도의 토지피복도는 6가지의 피복 상태로 분류하지만, 2005년의 토지피복도는 17가지로 분류하여 보다 적합한 식생피복인자 C를 적용할 수 있으며, 산정 결과 2005년의 식생피복인자가 2000년도에 비해 절반 정도의 값을 보였다.
- 5) 2000년도의 토사유출량 산정 결과, 총토양침식량은 601,882 ton/year로 산정되었으며, 유사전달률을 고려했을 때 3개의 소유역은 각각 12,573 ton/year, 14,080 ton/year, 157,761 ton/year의 토사유출량이 발생하였다. 상류 유역의 토사유출량이 가장 크지만, 유역면적은 크고 유사전달률이 작기 때문에 이를 고려하면 타유역에 비해 유출률이 오히려 작게 분석되었다.
- 6) 2005년도의 토사유출량 산정 결과, 총 토양침식량은 950,960 ton/year로 분석되었으며, 토사유출량은 소유역별로 각각 35,173 ton/year, 5,266 ton/year, 258,535 ton/year로 산정되었다. 소유역 2는 2000년도와는 달리 토사유출량이 낮아졌으며, 소유역 1은 상대적으로 증가된 결과가 나타났다.
- Fig 2와 같이 ArcView GIS를 이용하여 유역의 토양침식인자를 산정한 결과, Erickson 방법에 의한 침식인자 K는 0～0.73 ton/ha/R의 분포를 보였으며 면적비에 따른 평균은 0.41 ton/ha/R로 나타났다. Wischmeier 도표에 의한 침식인자 K는 0～0.
- 2000년도 토지피복도에서는 소유역 2 유역이 대부분 경작지에 해당하나, 2005년도의 토지피복도에서는 초지 및 산림으로 구분되어 있어 식생피복인자 C의 변화에 의한 것으로 판단된다. 또한, 소유역 1 유역의 토사유출량이 상대적으로 증가된 결과가 나왔으며, 이 역시 토지피복의 변화와 피복종류의 분류 차이에서 발생한 것으로 사료된다.
- 7과 같이 2000년도의 소유역 1의 토사유출량은 12,573 ton/year이며, 소유역 2는 14,080 ton/year, 소유역 3은 157,761 ton/year로 분석되었다. 소유역 3 유역은 소유역 1, 2 유역에 비해 유역의 면적에서는 20배 이상 크지만 SDR을 고려한 토사유출량은 대략 10배로 산정되어, 유역면적에 비하면 낮은 유출률을 보였으며, 토양침식은 소유역 3 유역의 상류부에서 최대로 발생하지만 낮은 유사전달률을 고려할 때, 하류부로 유출되는 양은 소유역 1, 2 유역의 면적에 비해 미비한 것으로 나타났다. 2005년도의 경우 소유역 1의 토사유출량은 35,173 ton/year이며, 소유역 2는 5,266 ton/year, 소유역 3은 258,535 ton/year로 분석되었다.
- 본 연구에서는 USLE에 의해 산정된 토양침식량에 유사전달률(sediment delivery ratio)개념을 도입하여 유역출구의 토사유출량을 산정하였다. 유사전달률 산정시 외도천 유역을 하천 합류부 및 최종 출구점을 고려하여 세 개의 소유역 1, 2, 3으로 구분하였으며 소유역별 유사전달률 산정 결과, Fig 6과 같이 소유역 1의 SDR은 0.438708, 소유역 2는 0.457996, 소유역 3은 0.300962로 분석되었다.
- 토양침식량과 유사전달률을 고려하여 최종 산정지점의 토사유출량을 산정한 결과, Fig. 7과 같이 2000년도의 소유역 1의 토사유출량은 12,573 ton/year이며, 소유역 2는 14,080 ton/year, 소유역 3은 157,761 ton/year로 분석되었다. 소유역 3 유역은 소유역 1, 2 유역에 비해 유역의 면적에서는 20배 이상 크지만 SDR을 고려한 토사유출량은 대략 10배로 산정되어, 유역면적에 비하면 낮은 유출률을 보였으며, 토양침식은 소유역 3 유역의 상류부에서 최대로 발생하지만 낮은 유사전달률을 고려할 때, 하류부로 유출되는 양은 소유역 1, 2 유역의 면적에 비해 미비한 것으로 나타났다.
후속연구
- 현재까지 제주도는 토립자분포 및 식생, 지형 등 기초조사가 부족한 실정이며 특히 토사유출량을 관측한 실측데이터는 전무하다. 따라서 제주도에 적합한 기초현황 조사가 필요하며, 추후 신중하고 면밀한 검토를 위한 실측데이터가 구축되어야 할 것으로 사료된다.
- 본 연구를 통해 외도천 유역의 토양침식량과 유출량을 산정하였다. 이와 같은 연구는 이차적인 홍수피해를 유발할 수 있으며 저류지 및 침사지내의 수질악화의 요인이 되는 토사유출량을 예측하여 피해에 대처할 수 있는 방향을 제시할 수 있는 기초자료로 활용될 수 있을 것이다. 하지만 토사유출량을 예측하기 위해서는 적합한 입력 자료의 구축이 선행되어야 하며 현장자료 및 계측치와의 비교 및 검증이 필요하다.
- SATEEC는 GIS를 이용하여 유역의 특성을 셀 단위로 분석하기 때문에 유역특성을 제대로 반영할 수 있으며, 셀 단위 결과를 도출하여 기존 연구에 비해 적 합한 토사유출량을 산정할 수 있다(Park 등, 2008; Jang 등, 2009). 이와 같은 연구는 하천재해로 인하여 발생할 수 있는 피해의 정도를 예측하고, 이에 대처할 수 있는 방향을 제시하기 위한 기초 연구이며 해당유역의 토사유출량 산정 및 저감을 위한 계획의 기초자료로 활용될 수 있다.
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