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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 토양침식 원인 인자 중 강우량과 강우지속시간, 강우강도 등의 강우특성과 토양의 경사도와 토양의 유기물함량의 인자들에 대한 조건을 달리하여 토양의 표면에서 발생하는 토양침식을 규명하고자 하였다.
- 노즐 분사 장치는 실험을 수행하는 동안 일정한 강우량이 토양의 표면에 분사되기 위한 장치들이며, 노즐의 밸브를 조절하여 60~200 mm/h의 강우강도를 구현할 수 있었다. 본 연구를 위하여 채취된 토양위치는 안동과 남춘천 지역이며 이들 지역의 50~200년 빈도의 확률강우범위에 해당하는 70 mm/h의 강우강도와 급격히 변화하는 기후에 의해 발생 가능한 강우강도 120 mm/h를 모의하고자 하였다. 본 강우실험조건으로 안동지역과 남춘천 지역의 홍수량 산정은 확률강우범위 중 70 mm/h의 강우량으로 결정하였다.
- 본 연구에서는 강우에 의해 발생하는 토양 침식량을 정량화하고자 강우재현장치와 토양상자를 제작하여 인공강우실험을 실시하였다. 이를 위해 강우재현장치와 노즐분사장치, 저수조와 펌프 그리고 유량계 등을 제작 및 설치하였다(Fig.
- 본 연구의 목적은 토양침식에 관련되는 강우특성, 토양경사도 그리고 지질, 광물특성을 조사, 분석하여 상대적인 영향인자에 대한 중요도를 규명하는데 있다.
제안 방법
- 를 대상으로 하였다. 7월 한 달 동안 강우 후 총 3회 침식깊이를 측정하였고 8월과 9월은 각각 1회 침식깊이를 측정하였으며 경사에 따른 침식량 확인을 위해 남선면과 임동면 지역의 저경사 지역(Site 1, 3)과 고경사 지역(Site 2, 4)을 선정하여 모니터링하였다. 측정 후 주변 토양에 대한 물리적 특성변화 관찰을 위해 토양시료를 채취하였다.
- 강우재현장치를 이용한 인공강우 실험은 Table 1과 같이 조건을 달리하여 총 8회에 걸쳐 수행되었다. 각 노즐에서 토양상자에 살포되는 강우량과 토양상자의 경사도 조건을 달리하여 각 조건에 의해 발생하는 표면유출수와 기저유출수의 양을 측정하였다. 또한 강우강도와 표면유출량 그리고 기저유출량의 차를 이용하여 토양 저류량을 예측하였으며, 토양상자 표면으로 유출되는 표면유출수는 No.
- 강우재현장치를 이용한 인공강우 실험은 Table 1과 같이 조건을 달리하여 총 8회에 걸쳐 수행되었다. 각 노즐에서 토양상자에 살포되는 강우량과 토양상자의 경사도 조건을 달리하여 각 조건에 의해 발생하는 표면유출수와 기저유출수의 양을 측정하였다.
- 각 노즐에서 토양상자에 살포되는 강우량과 토양상자의 경사도 조건을 달리하여 각 조건에 의해 발생하는 표면유출수와 기저유출수의 양을 측정하였다. 또한 강우강도와 표면유출량 그리고 기저유출량의 차를 이용하여 토양 저류량을 예측하였으며, 토양상자 표면으로 유출되는 표면유출수는 No. 200체(입경 0.074 mm)를 통과시킨 후 체에 남은 무게를 측정하고, 수질시료를 채취하여 부유물질(SS) 농도를 분석하였다. 이때 분석된 무게와 부유물질 농도를 환산하여 합산한 값을 강우재현장치에 의해 발생한 토양 침식량으로 산정하였다.
- 실험에 사용된 토양의 특성을 분석하기 위하여 토양시료를 채취하여 입도시험(KS F 2309)과 비중시험(KS F 2308)을 실시하였다. 또한 실험을 시작하기 전과 실험 종료 후의 토양함수비를 측정하였으며, 인공강우에 의해 발생하는 표면 유출수의 탁도를 측정하였다.
- 본 연구를 위하여 채취된 토양위치는 안동과 남춘천 지역이며 이들 지역의 50~200년 빈도의 확률강우범위에 해당하는 70 mm/h의 강우강도와 급격히 변화하는 기후에 의해 발생 가능한 강우강도 120 mm/h를 모의하고자 하였다. 본 강우실험조건으로 안동지역과 남춘천 지역의 홍수량 산정은 확률강우범위 중 70 mm/h의 강우량으로 결정하였다.
- 본 연구에서는 실내 인공강우실험 및 현장시험을 이용하여 강우특성, 토양경사도와 지질특성(토양특성)에 따른 토양 침식량 및 침식깊이를 측정, 분석하였다. 연구결과 강우량이 증가하고 경사도가 급할수록 표면 유출량이 증가하는 것으로 나타났다.
- 074 mm)를 통과시킨 후 체에 남은 무게를 측정하고, 수질시료를 채취하여 부유물질(SS) 농도를 분석하였다. 이때 분석된 무게와 부유물질 농도를 환산하여 합산한 값을 강우재현장치에 의해 발생한 토양 침식량으로 산정하였다.
- 토양상자에 살포된 인공강우는 토양이 포화되고 강우타격력에 의해 토양입자가 분리되면서 토양과 함께 유출된다. 이때 표면으로 유출되는 유출수를 표면유출수, 토양으로 침투되어 유출되는 유출수를 기저유출수, 그리고 토양에 저류되는 양을 토양 저류수로 정의하고 인공강우에 의한 물수지 분석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 강우에 의해 발생하는 토양 침식량을 정량화하고자 강우재현장치와 토양상자를 제작하여 인공강우실험을 실시하였다. 이를 위해 강우재현장치와 노즐분사장치, 저수조와 펌프 그리고 유량계 등을 제작 및 설치하였다(Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4). 노즐 분사 장치는 실험을 수행하는 동안 일정한 강우량이 토양의 표면에 분사되기 위한 장치들이며, 노즐의 밸브를 조절하여 60~200 mm/h의 강우강도를 구현할 수 있었다.
- 측정은 두개의 파이프 중 왼쪽지점을 시작점으로 잡아 5 cm씩 수평으로 이동하며 지면과 떨어진 길이를 정하였다. 집중 강우 전(2012년 7월 3일, 7월 9일)과 강우 후(2012년 7월 16일, 8월 17일, 9월 25일)에 측정이 이루어졌으며 강우 전과 후의 평균적인 거리차를 통해 강우에 의해 침식된 깊이를 분석하였다.
- 7월 한 달 동안 강우 후 총 3회 침식깊이를 측정하였고 8월과 9월은 각각 1회 침식깊이를 측정하였으며 경사에 따른 침식량 확인을 위해 남선면과 임동면 지역의 저경사 지역(Site 1, 3)과 고경사 지역(Site 2, 4)을 선정하여 모니터링하였다. 측정 후 주변 토양에 대한 물리적 특성변화 관찰을 위해 토양시료를 채취하였다.
- 5). 측정은 두개의 파이프 중 왼쪽지점을 시작점으로 잡아 5 cm씩 수평으로 이동하며 지면과 떨어진 길이를 정하였다. 집중 강우 전(2012년 7월 3일, 7월 9일)과 강우 후(2012년 7월 16일, 8월 17일, 9월 25일)에 측정이 이루어졌으며 강우 전과 후의 평균적인 거리차를 통해 강우에 의해 침식된 깊이를 분석하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 2개의 토양은 낙동강의 수변구역과 한강의 수변구역에서 각각 채취하였으며 샘플 후 2주 이내에 실험을 총 8회 실시하였다. 두개의 디지털 유량 모니터(Model Flow-575, Model Flow-350)와 하나의 인 버터 펌프(Model PS-350 I)가 실험에 사용되었다.
- 실험에 사용된 2개의 토양은 낙동강의 수변구역과 한강의 수변구역에서 각각 채취하였으며 샘플 후 2주 이내에 실험을 총 8회 실시하였다. 두개의 디지털 유량 모니터(Model Flow-575, Model Flow-350)와 하나의 인 버터 펌프(Model PS-350 I)가 실험에 사용되었다.
- 실험에 사용된 2개의 토양은 시료명을 각각 Sample A soil, Sample B soil이라고 하였으며, 샘플 채취 후 2주 이내에 실험을 총 8회 실시하였다. 실험에 사용된 토양의 특성을 분석하기 위하여 토양시료를 채취하여 입도시험(KS F 2309)과 비중시험(KS F 2308)을 실시하였다.
- 실험에 사용된 토양상자는 가로 0.8 m × 세로 1 m의크기로 아연철판으로 제작하였으며, 강우재현 시 강우에 의해 유출이 발생할 수 있도록 토양경사를 5o와 10o의 경사로 토양상자를 제작하여 기울기를 구현하였다.
- 현장시험 대상으로는 변성암 및 퇴적암지역을 대상으로 하였다. 침식현장에서의 지질, 지형별 침식메커니즘 규명을 하기 위해 연구할 지역을 선정하는데 있어서 본 연구는 변성암 지역과 퇴적암 지역인 경북 안동시 남선면 신석리 2지역, 안동시 임동면 마령리 2지역 등 네곳의 지역을 선정하였다. 남선면 신석리에 위치한 두 선정 지역은 변성암 지역이고 임동면 마령리에 위치한 두 선정지역은 퇴적암 지역이다.
- 토양경사는 저경사 3~4o및 고경사 25~27o를 대상으로 하였다. 7월 한 달 동안 강우 후 총 3회 침식깊이를 측정하였고 8월과 9월은 각각 1회 침식깊이를 측정하였으며 경사에 따른 침식량 확인을 위해 남선면과 임동면 지역의 저경사 지역(Site 1, 3)과 고경사 지역(Site 2, 4)을 선정하여 모니터링하였다.
- 현장시험 대상으로는 변성암 및 퇴적암지역을 대상으로 하였다. 침식현장에서의 지질, 지형별 침식메커니즘 규명을 하기 위해 연구할 지역을 선정하는데 있어서 본 연구는 변성암 지역과 퇴적암 지역인 경북 안동시 남선면 신석리 2지역, 안동시 임동면 마령리 2지역 등 네곳의 지역을 선정하였다.
이론/모형
- 실험에 사용된 2개의 토양은 시료명을 각각 Sample A soil, Sample B soil이라고 하였으며, 샘플 채취 후 2주 이내에 실험을 총 8회 실시하였다. 실험에 사용된 토양의 특성을 분석하기 위하여 토양시료를 채취하여 입도시험(KS F 2309)과 비중시험(KS F 2308)을 실시하였다. 또한 실험을 시작하기 전과 실험 종료 후의 토양함수비를 측정하였으며, 인공강우에 의해 발생하는 표면 유출수의 탁도를 측정하였다.
성능/효과
- Table 5는 강우재현장치를 이용하여 인공강우 실험을 수행한 결과 발생한 토양 침식량이다. 각 인공강우 실험마다 발생한 표면유출수의 유사량과 부유물질 농도를 분석하여 토양 침식량을 분석한 결과 강우량과 경사도의 증가에 따라 토양 침식량이 증가하는 것으로 나타났다. 시료A 토양상자에서는 경사도 5o와 강우량 70 mm/h에서는 365.
- 강우량을 100%로 환산하여 표면유출량과 기저유출량 그리고 토양저류량을 분석한 결과, 시료A 토양상자에서는 경사도와 강우량에 따라 표면유출량은 68.2~79.1%의 범위로 나타났으며, 기저유출량은 11.8~18.3%의 범위로 나타났다. 시료B 토양상자에서는 경사도와 강우량에 따라 표면유출량은 69.
- 로 증가하거나 강우량이 70 mm/h에서 120 mm/h로 증가할수록 표면유출량이 크게 증가하는 것으로 나타났다. 기저 유출량은 경사도가 작을수록, 강우량이 클수록 기저유출량이 증가하는 것으로 나타났다. 토양에 저류되는 양은 경사도의 차이에 따라 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타나나, 동일 경사도에서 강우강도의 증가에 따라서는 다소 증가하는 것으로 나타났다(Fig.
- 89 ton/ha의 토양침식이 발생하는 양이다. 또한 유사량과 부유물질 농도뿐만 아니라 탁도(NTU)도 증가 하는 것으로 나타났다.
- 연구결과 강우량이 증가하고 경사도가 급할수록 표면 유출량이 증가하는 것으로 나타났다. 또한 표면 유출량 증가로 인해 유출수에 포함되어 있는 유사량과 부유물질 그리고 탁도도 함께 증가하여 토양 침식량이 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 유출량은 강우량에 비례하며, 점토함량이 높을수록 증가한다.
- 6, Table 4). 또한, 두 토양의 차이점 중 하나인 토양 유기물 함량값이 큰 시료B 토양에서 표면 유출량과 기저유출량이 모두 증가하였고, 토양저류량은 일정 하지 않았다 (Table 4).
- 유출량은 강우강도보다 강우량에 비례하며, 점토함량이 높을수록 증가한다. 본 연구 결과에서도, 토양의 유기물 함량 값과 점토 함량이 큰 토양에서 토양침식량이 증가되었다(Table 5). 그러나 사면의 길이가 길어지면 유출시간도 길어지고 투수량이 증가하므로 단위면적당 침식량은 감소한다(Hu et al.
- 채취된 두 개의 토양에서 토성 및 토양의 특성 값을 Table 2와 같은 결과를 얻었다. 사용된 토양시료 A의경우 점토 12.0%, 실트 8.6%, 모래 79.4%로 구성되었으며, 미국 농무성의 삼각좌표분류법에 따라 분류한 결과 토성은 사질롬(sandy loam)으로 분류된다. 또한 토양 시료 B의 경우 점토 16.
- 시료A 토양과 시료B 토양을 이용하여 각각 4회씩 총 8번의 실험결과, 토양상자의 경사도가 5o에서 10o로 증가하거나 강우량이 70 mm/h에서 120 mm/h로 증가할수록 표면유출량이 크게 증가하는 것으로 나타났다. 기저 유출량은 경사도가 작을수록, 강우량이 클수록 기저유출량이 증가하는 것으로 나타났다.
- 각 인공강우 실험마다 발생한 표면유출수의 유사량과 부유물질 농도를 분석하여 토양 침식량을 분석한 결과 강우량과 경사도의 증가에 따라 토양 침식량이 증가하는 것으로 나타났다. 시료A 토양상자에서는 경사도 5o와 강우량 70 mm/h에서는 365.7 g, 경사도 10o와 강우량 70 mm/h에서는 386.9 g, 경사도 5o와 강우량 120 mm/h에서는 541.5 g, 그리고 경사도 10o와 강우량 120 mm/h에서는 594.4 g으 로 경사도가 증가하거나 강우량이 증가할수록 토양침식량이 증가하는 것으로 나타났다. 이를 단위면적으로 환산하면 4번의 실험에 의해 각각 4.
- 43 ton/ha의 토양침식이 발생하는 양이다. 시료B 토양상자에서는 경사도 5o와 강우량 70 mm/h에서는 379.3 g, 경사도 10o와 강우량 70 mm/h 에서는 391.7 g, 경사도 5o와 강우량 120 mm/h에서는 593.4 g, 그리고 경사도 10o와 강우량 120 mm/h에서는 631.1 g으로 경사도가 증가하거나 강우량이 증가할수록 역시 토양 침식량이 증가하는 것으로 나타났으며, 시료 A 토양에서보다 각 조건별 실험 모두에서 토양 침식량은 증가하였다. 이를 단위면적으로 환산하면 4번의 실험에 의해 각각 4.
- 따라서 여름철 장마기간이나 겨울철 융설기에 토양의 침식이 크게 증가할 수 있기 때문에 산사태나 토양붕괴에 대한 대비가 필요할 것으로 보여 진다. 실험에 사용된 토양의 비중은 총 8번의 실험에서 2.55~2.66으로 분석되었다.
- 본 연구에서는 실내 인공강우실험 및 현장시험을 이용하여 강우특성, 토양경사도와 지질특성(토양특성)에 따른 토양 침식량 및 침식깊이를 측정, 분석하였다. 연구결과 강우량이 증가하고 경사도가 급할수록 표면 유출량이 증가하는 것으로 나타났다. 또한 표면 유출량 증가로 인해 유출수에 포함되어 있는 유사량과 부유물질 그리고 탁도도 함께 증가하여 토양 침식량이 증가하는 것으로 나타났다.
- 현장시험 결과로는 토양경사가 큰 지역 및 퇴적암 지역보다 변성암 지역에서 보다 큰 침식량이 계산되었다. 이러한 실험의 결과는 토양 침식량을 예측하는 모델개발에 있어서 기반암 풍화의 산물인 토양에 있어서 지질특성이 침식 및 침식후의 퇴적 특성을 잘 반영하고 있음을 보여준다. 그러나 본 연구결과는 소규모 토양상자 및 제한적인 현장시험을 통한 분석결과로써 단기간에 도출 할 수 있었으나, 지역적인 침식특성 규명 및 대책을 위해서는 추후 상세한 지질특성, 경사도나 피복정도 및 경사장 상태 그리고 기후변화에 의한 자연강우 특성을 고려한 현장 실시간 모니터링을 통한 실험이 수행되어 추가적인 영향인자 분석이 있어야 할 것으로 판단된다.
- 토양 침식과 경사도의 관계에 있어서는 토양경사가 급할수록 침식이 더 많이 일어남을 알 수 있다. 지질별로 Site 1, 2와 Site 3, 4를 비교하면, 퇴적암지역보다는 변성암 지역에서의 침식량이 더 큰 것으로 확인되었다. 또한 토양의 형태와 성질이 비슷하다면 경사각도가 클수록 침식량이 많을 것으로 판단된다 (Ryu and Jeong, 2012).
- 토양시료 A의 함수비는 실험 전에는 6.4%로 분석되었으며, 인공강우시험 종료 직 후 토양의 표면에서 채취한 토양의 함수비는 4번의 실험에서 18.9~20.1%의 범위로 나타나고, 토양시료 B의 함수비는 실험 전에는 4.9%로 분석되었으며, 인공강우시험 종료 직 후 토양의 표면에서 채취한 토양의 함수비는 4번의 실험에서 18.5~20.5%의 범위로, 인공강우에 의해 토양의 표면함 수비가 크게 증가한 것으로 나타났다(Table 3). 이와 같이 강우 종료 후 토양의 함수비가 증가하게 되면 토양 입자간의 점착력이 약화되면서 지표면 유출에 빨리 도달하게 되어 토양의 침식이 발생할 확률이 높아진다.
- 기저 유출량은 경사도가 작을수록, 강우량이 클수록 기저유출량이 증가하는 것으로 나타났다. 토양에 저류되는 양은 경사도의 차이에 따라 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타나나, 동일 경사도에서 강우강도의 증가에 따라서는 다소 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 6, Table 4). 또한, 두 토양의 차이점 중 하나인 토양 유기물 함량값이 큰 시료B 토양에서 표면 유출량과 기저유출량이 모두 증가하였고, 토양저류량은 일정 하지 않았다 (Table 4).
- 05 mm의 침식깊이를 보였다. 퇴적암지역인 고경사(25o) Site 3에서는 측정결과 최대 14.0 mm, 평균 5.98 mm의 침식깊이를 보이고, 저경사(4o)인 Site 4에서는 측정결과 최대 19.0 mm, 평균 2.70 mm의 침식깊이를 보이는 것으로 확인하였다(Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9, Fig. 10).
- 현장시험 결과 고경사(27o) 변성암지역인 Site 1에서 7월 5일~7일 사이 약 80 mm 정도의 많은 강우량을 기록하여, 그 다음날인 7월 9일 측정결과 최대 43.0 mm, 평균 9.5 mm의 침식깊이를 보이는 것으로 확인하였다. 변성암지역 저경사(3o) Site 2에서는 측정결과 최대 26.
- 또한, 유출량은 강우량에 비례하며, 점토함량이 높을수록 증가한다. 현장시험 결과로는 토양경사가 큰 지역 및 퇴적암 지역보다 변성암 지역에서 보다 큰 침식량이 계산되었다. 이러한 실험의 결과는 토양 침식량을 예측하는 모델개발에 있어서 기반암 풍화의 산물인 토양에 있어서 지질특성이 침식 및 침식후의 퇴적 특성을 잘 반영하고 있음을 보여준다.
- 현장시험 결과에 따르면 Site 1과 3이 Site 2와 Site 4에 비해 토양경사가 큰 지역으로 이 지역에서 침식이 더 많이 일어났다. 토양 침식과 경사도의 관계에 있어서는 토양경사가 급할수록 침식이 더 많이 일어남을 알 수 있다.
후속연구
- 이러한 실험의 결과는 토양 침식량을 예측하는 모델개발에 있어서 기반암 풍화의 산물인 토양에 있어서 지질특성이 침식 및 침식후의 퇴적 특성을 잘 반영하고 있음을 보여준다. 그러나 본 연구결과는 소규모 토양상자 및 제한적인 현장시험을 통한 분석결과로써 단기간에 도출 할 수 있었으나, 지역적인 침식특성 규명 및 대책을 위해서는 추후 상세한 지질특성, 경사도나 피복정도 및 경사장 상태 그리고 기후변화에 의한 자연강우 특성을 고려한 현장 실시간 모니터링을 통한 실험이 수행되어 추가적인 영향인자 분석이 있어야 할 것으로 판단된다.
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