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문제 정의
- 또한 USDA (1972), Vanoni (1975), Boyce (1975) 등이 제안한 유사전달률 공식을 이용하여 모의 유사유출량을 산정한 결과 관측 유사유출량과 318%∼692% 범위의 많은 차이를 보이는 것으로 분석되었다. 따라서 본 연구에서는 4.2절의 유사유출량 분석결과를 고려하여 산지하천 유역인 설마천 시험유역의 유사전달률 0.067을 제안하고자 한다.
- 따라서, 본 연구에서는 강우에 따른 유출량 및 유사량의 실측자료를 확보하고 있는 산지하천 유역인 설마천 시험유역에 대하여 강우-유출거동에 따른 토양침식량과 유사유출량을 산정하였으며, 유사전달률 분석을 통하여 산지하천 유역인 설마천 시험유역의 유사전달률을 제안하고자 한다.
제안 방법
- (2) 유사유출량 산정은 실측자료인 부유사량, 하상토 분석자료를 기반으로 수정 아인쉬타인 공식을 적용하여 각 시료별 총유사량 0.1ton/day∼14,123.3ton/day을 산정하였다.
- 그리고 관측 유사유출량과 연구자의 발표내용 및 공식을 적용한 유사유출량과 비교·검토하여 유사전달률을 분석하였다.
- 그리고, 유량-총유사량 및 유량-부유사량 관계곡선식을 개발하여 4개 호우사상의 총유사량 434.3ton∼3,912.3ton과 부유사량 294.7ton∼2,702.7ton을 산정하였다.
- 본 연구에서는 RUSLE 공식에 적용되는 각각의 인자는 기존 문헌자료를 기반으로 산정하였으며, 공간특성 및 지형인자는 지리정보시스템(GIS)을 활용하여 산정하였다.
- 본 연구에서는 설마천 시험유역의 2009년∼2010년의 4개의 주요 호우사상을 중심으로 RUSLE 모형을 이용하여 유역의 토양침식량을 산정하였으며, 실측자료에 기반한 부유사량, 하상토 시료 분석자료를 수정 아인쉬타인 공식에 적용하고 유량-총유사량 및 유량부유사량 관계식을 이용하여 관측 유사유출량을 산정하였다.
- 지형학적 특성을 나타내는 인자는 세류 및 세류간 침식에 미치는 영향을 반영하고 있는 L과 S를 이용하여 산정한다. 본 연구에서는 유역 지형특성에 관계되는 인자(LS)는 DEM 자료에 대하여 Remortel et al. (2001)에 의해서 ArcInfo의 AML(Arc Macro Language)로 개발된 LS인자 산정 프로그램을 사용하여 계산하였다.
- 유사유출량 분석을 위한 1차 선결조건으로 호우사상별 유량-총유사량 및 유량-부유사량 관계식을 개발하여야 하나, Table 5에서 보는 바와 같이 호우사상별 유사유출량 측정성과가 2개∼10개 범위로 매우 적어 2009년의 26개 및 2010년의 24개, 총 50개 측정성과 중 유량-총유사량 관계곡선식은 경향성에서 벗어난 7개를 제외한 43개 측정성과(유량-부유사량 관계곡선식은 4개를 제외한 46개 측정성과)를 이용하여 Table 6∼7 및 Fig. 7∼8과 같이 유량규모별 구간분리를 통하여 각각 3개의 관계곡선식을 개발하였다.
- 유사유출량 분석을 위한 자료는 설마천 시험유역 유역출구인 전적비교 수위관측소에서 2009년∼2010년 홍수기간 동안 실측한 부유사 시료를 실험실 분석을 통하여 부유사농도 및 부유사량을 산정하였으며, 홍수기 전·후로 채취한 하상토의 입경분석을 통하여 하상재료 분포값을 얻었다.
- 한국건설기술연구원에서 운영하는 설마천 시험유역의 6개 강우량관측소의 2009년 ∼ 2010년 4개의 주요 호우사상 자료를 이용하여 Table 2와 같이 R값을 산정하였으며, 산정된 R값은 IDW 보간법을 통해 Fig. 3과 같이 공간분포도를 작성하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 산지하천 유역에 RUSLE 모형을 적용한 토양침식량과 실측에 기반한 유사유출량 산정평가를 위하여 설마천 시험유역의 유역출구인 전적비교 수위관측소를 대상유역으로 선정하였다. 설마천은 임진강 하구에서 약 46㎞ 상류인 경기도 파주시 적성면 두지리 지점에서 좌안측으로 유입하는 임진강의 제1지류로서 유역면적 18.
- 본 연구에서는 산지하천 유역에 RUSLE 모형을 적용한 토양침식량과 실측에 기반한 유사유출량 산정평가를 위하여 설마천 시험유역의 유역출구인 전적비교 수위관측소를 대상유역으로 선정하였다. 설마천은 임진강 하구에서 약 46㎞ 상류인 경기도 파주시 적성면 두지리 지점에서 좌안측으로 유입하는 임진강의 제1지류로서 유역면적 18.56㎢, 유로연장 10.77㎞로 수계형상은 대체로 수지상 모양을 보여주고 있으며, 본 연구의 대상유역인 설마천 시험유역은 유역의 중류부에 위치한 영국군 전적비교를 출구점으로 하는 산지하천 유역이다(유역면적 8.48㎢, 유로연장 5.59㎞, 유역 평균경사 34.01%, 주하도 경사 2.15%). 유역 상류에 마을을 중심으로 농경지가 있으며, 상류와 하류에 군부대가 위치하고 있고, 전반적으로 개발이 많이 이루어지지 않은 유역으로 유역 대부분은 산악지형으로 이루어져 있으며, 유역 동쪽에 감악산이 위치하며, 전형적인 곡류하천의 형태를 보이고 있다(KICT, 2011).
- P인자는 어떤 토양보존대책을 세운 경사면의 상·하 방향 경사지로부터의 토양보존대책에 대한 토양유실의 비로 정의한다. 이 인자는 경작지 형태와 더불어 경사에도 영향을 받게 되며, 토지피복형태별에 따른 P값을 Dawen et al. (2003)이 제시한 자료를 이용하였다.
- 토양침식도 작성을 위한 기본공간자료는 지형분석을 위한 DEM, 토양이 강우에 의한 침식에 저항하는 능력을 나타내는 K값을 산정하기 위한 토양도, 그리고 지표면의 피복상태를 나타내는 토지피복도 자료가 필요하다. 이들 기본공간자료 중 지형특성을 분석하기 위한 DEM 자료는 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)의 자료를 이용하였다. 토양의 구성성분, 유기물함량, 토양의 구조, 및 투수성 등 토양 특성을 나타내는 토양도는 농업과학기술원의 정밀토양도(1/25,000) 자료를 이용하였고, 지면피복자료는 Fig.
- 이들 기본공간자료 중 지형특성을 분석하기 위한 DEM 자료는 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)의 자료를 이용하였다. 토양의 구성성분, 유기물함량, 토양의 구조, 및 투수성 등 토양 특성을 나타내는 토양도는 농업과학기술원의 정밀토양도(1/25,000) 자료를 이용하였고, 지면피복자료는 Fig. 2와 같이 환경부의 중분류 토지피복도 자료를 이용하였다.
- 호우사상은 총 9개이나 호우사상별 유사유출량 측정성과를 다수 확보한 2009년의 07/11 20:40∼07/13 20:10, 08/11 04:50∼08/15 14:20 2개의 호우사상과, 2010년의 07/16 07:10∼07/22 18:20, 08/24 23:50∼08/27 13:50 2개의 호우사상을 채택하여 분석에 활용하였다.
이론/모형
- (1) 토양침식량 산정을 위한 입력자료 구축 시 지형학적인자는 GIS기법을 이용하여 산출하였으며, 그 이외의 인자는 문헌자료를 토대로 유역특성에 적합한 인자값을 적용하였다. 그 결과 주요 4개 호우사상에 대한 토양침식량(총 6,623.
- 또한 Shin (1999)은 각 토지피복별로 Table 1의 ( )값과 같이 일정한 범위의 값을 적용하여 토양유실량을 산정하였다. 본 연구에서는 Dawen et al. (2003)이 제시한 값을 기본으로 하여 토양유실량을 산정하였으며, 각 토지피복 종류 중 forest, farmland, peddy 및 grass land 값은 최소값을 채택하였다.
- 연평균 R값은 건설현장에서 단일 호우에 의한 토양유실량 추정에 직접 사용하기는 곤란하다. 본 연구에서는 미국 교통연구단(TRB)(1980)의 국립합동도로연구프로그램 #70(침사지 설계)에서 제시한 R값 산정방법을 적용하였다.
- 아인쉬타인은 개수로의 유속 u의 연직분포로 Keulegan (1938)이 제안한 식 (5)와 같은 대수분포식을 이용하였으며, 부유사의 농도 C의 분포는 식 (6)과 같은 Rouse(1937) 식을 채택하였다.
- Lee and Chung (2009a, 2009b)의 연구에서 토양침식에 따른 토사재해를 방지하기 위해서는 무엇보다도 가장 우선적으로 정확한 토사유출량을 예측할 필요가 있다고 하였다. 우리나라의 경우 재해영향평가 제도가 실시된 이후 모든 재해영향평가에서는 USLE(Universal Soil Loss Equation) 또는 RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation)을 적용하여 개발에 따른 토사유출량 변화를 예측하고 그에 따른 저감대책 수립에 활용하였다. 한편, 소방방재청 사전재해영향성검토협의 실무지침서 (2007)에 의하면 ‘토사유출량 산정은 원칙적으로 다음과 같은 RUSLE공식을 사용하며.
성능/효과
- (3) 설마천 시험유역의 4개의 주요 호우사상에 대한 토양침식량과 유사유출량의 산정결과를 토대로 기존에 제안된 발표내용과 공식을 적용하여 유사전달률을 분석한 결과 관측 유사유출량이 과소하게 평가되는 것으로 분석되었다.
- (4) 따라서, 산지하천 유역인 설마천 시험유역은 기존에 제안된 발표내용과 공식을 적용한 유사전달률 결과와 다른 과소한 값인 유사전달률 0.067값을 제안하고자 한다.
- 그 결과 주요 4개 호우사상에 대한 토양침식량(총 6,623.2ton∼55,346.6ton, 평균 7.935ton/ha∼66.310ton/ha)과 토양침식깊이(평균 0.35㎜∼2.88㎜)를 산정할 수 있었다.
- 그리고 분석자료를 수정 아인쉬타인 공식의 입력자료로 이용하여 Table 4와 같이 총유사량 0.1ton/day∼14,123.3ton/day을 산정하였으며, 부유사농도와 총유사농도 비는 약 5.76배, 부유사량과 총유사량비는 약 4.92배의 결과를 보이는 것으로 분석되었다.
- 4 ~ 5). 또한 30분 최대강우량이 증가함에 따라 토양침식량은 급격하게 증가하는 양상을 보이는 반면, 총강우량과 토양침식량 관계에서는 다소 완만한 기울기를 갖는 것으로 분석되었다.
- 본 연구에서 산정된 R값 4.19(107J/ha·mm/hr) ~ 277.01(107J/ha·mm/hr)(산술평균105.00(107J/ha·mm/hr))은 환경부 고시(제2012-124호, 2012.7.18., 제정)의 표토의 침식량 산정방법에서 제시한 R값 중 본 연구유역과 가장 가까운 동두천 유역의 R값 4,976(MJ·mm/ha·yr·hr)과 비교한 결과 약 20% 정도의 크기를 갖는 값으로 분석되었다.
- 설마천 시험유역의 유역출구인 전적비교 유역평균 우량의 총강우량, 30분 최대강우량과 토양침식량과의 결정계수(R2)는 각각 0.819 및 0.950으로 분석되어, 30분 최대강우량-토양침식량이 총강우량-토양침식량보다 상관성이 높은 것으로 분석되었다(Fig. 4 ~ 5). 또한 30분 최대강우량이 증가함에 따라 토양침식량은 급격하게 증가하는 양상을 보이는 반면, 총강우량과 토양침식량 관계에서는 다소 완만한 기울기를 갖는 것으로 분석되었다.
- 유량-총유사량 및 유량-부유사량 관계곡선의 결정계수(R2 0.905∼0.985 및 0.873∼0.985이므로 측정성과와 매우 상관성이 높은 것으로 분석되었다.
후속연구
- 향후에는 설마천 시험유역뿐만 아니라 타 계측 유역에도 적용하여 다양한 조건에서의 토양침식량 및 유사유출량 산정방법의 정형화, 국내 산지하천 유역에 적합한 유사전달률 산정 연구를 하고자 한다.
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