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문제 정의
- 따라서 본 연구는 팔공산 산림소유역에서 과거 9년간 관측한 강우-유출량 자료를 활용하여 수문곡선의 감수계수 및 주지하수 감수곡선, 유출량의 시계열 변화를 분석하고, 산림소유역에서 수문환경의 변화가 산림에 미치는 영향을 알아보고자 하였다.
- 본 연구는 임목 생장기 동안의 수문특성을 분석한 것으로 산림의 홍수 및 갈수기능의 시계열적 변화를 알아보기 위해서는 갈수기인 겨울철의 강우 및 유출량을 분석할 필요성이 있다.
- 본 연구는 팔공산 산림소유역에서 과거 9년간 관측한 강우-유출량 자료를 토대로 감수계수 및 주지하수 감수곡선을 분석하여 유출량의 시계열 변화와 산림과의 관계를 알아보고자 하였다.
제안 방법
- 2003년~2011년까지 9년간(4월~9월) 관측한 강우량과 유량 자료로부터 감수곡선 및 감수계수를 구하였다. 산출한 감수곡선과 감수계수의 변화 경향과 기저유출량의 시계열 변화와의 관련성을 분석하여 산림의 홍수 및 갈수완화 기능을 평가하였다.
- Table 1. Hydrologic characteristics of rainfall-runoff events used in this study.
- 주지하수 감수곡선의 도출을 위하여 연도별 수문곡선을 작성하였다. 각각의 수문곡선에 대하여 피크점을 기준으로 감수곡선 변곡점 이후의 감수곡선 부분을 기저유출부로 보고, 이들을 접선화하여 기저유출부를 중첩시켰다. 이렇게 중첩된 감수곡선을 연도별로 하나의 선형식으로 표시하여 주지하수 감수곡선을 도출하였다.
- Kr과 Kl은 감수계수(recession constant)이며, t는 무차원시간으로 시간(hour), 일(day) 등 분석자료의 시간 간격에 따라 그 값이 달라지지만 일반하천에서는 일단위(day)의 시간간격을 사용한다. 그러나 본 연구에서는 대상지가 산림소유역이므로 시간단위(hour)의 시간간격을 사용하였다. 이들 감수계수 간에는 식 4와 같은 관계가 성립한다.
- 2003년~2011년까지 9년간(4월~9월) 관측한 강우량과 유량 자료로부터 감수곡선 및 감수계수를 구하였다. 산출한 감수곡선과 감수계수의 변화 경향과 기저유출량의 시계열 변화와의 관련성을 분석하여 산림의 홍수 및 갈수완화 기능을 평가하였다. 감수계수와 주지하수 감수곡선의 산정 및 작성방법은 다음과 같다.
- 연도별 주지하수 감수곡선의 변화를 알아보기 위하여 2003년~2011년 동안의 주지하수 감수곡선 중 0.3~0.8 mm 범위의 값을 비교하였다(Figure 10). 2008년의 주지하수 감수곡선의 기울기가 가장 급했으며, 이는 4월에서 9월까지의 총 강우량이 매우 적었기 때문으로 판단된다.
- 각각의 수문곡선에 대하여 피크점을 기준으로 감수곡선 변곡점 이후의 감수곡선 부분을 기저유출부로 보고, 이들을 접선화하여 기저유출부를 중첩시켰다. 이렇게 중첩된 감수곡선을 연도별로 하나의 선형식으로 표시하여 주지하수 감수곡선을 도출하였다.
- 주지하수 감수곡선의 도출을 위하여 연도별 수문곡선을 작성하였다. 각각의 수문곡선에 대하여 피크점을 기준으로 감수곡선 변곡점 이후의 감수곡선 부분을 기저유출부로 보고, 이들을 접선화하여 기저유출부를 중첩시켰다.
대상 데이터
-
1) 강우
강우량은 연구대상지에 설치된 중량측정형 자기우량계(PLUVIO, OTT)를 이용하였으며, 2003년~2011년까지 9년간 매년 4월~9월에 걸쳐 관측한 단위강우를 일강우, 월 강우, 연강우량 등으로 환산하여 분석에 사용하였다. 겨울철은 관측기기의 결빙으로 인해 잦은 결측구간이 발생하여 자료의 분석에서 제외하였다.
- 본 연구에서 산림소유역의 유출특성은 주요 강우기간인 4월에서 9월의 강우-유출 자료를 이용하였으며, 겨울철의 강우-유출 자료는 포함하고 있지 않다. 정확한 산림소유역 유출특성의 시계열 변화를 파악하기 위해서는 무강우기간으로 분류되는 겨울철의 강우-유출 자료의 분석이 요구되며, 산림 토양 및 임상 등도 함께 조사하여 시계열 변화의 원인을 파악할 필요성이 있다.
- 본 연구의 대상지는 팔공산 노적봉에서 1.8 km 떨어진 갓바위(851.2 m)의 동북쪽에 위치한 산림소유역(17.7 ha)이며, 행정구역상으로는 경상북도 경산시 와촌면 대한리(동경 128° 44' 30"~128° 45' 00", 북위 35° 58' 30"~35° 59' 00")에 위치하고 있다(Figure 1).
- 수문곡선의 감수부는 상승기점부의 수위와 홍수위 그리고 강우 등의 영향을 많이 받는다. 연구대상지의 감수부 특성을 분석하기 위하여 강우량 30 mm~60 mm와 강우강도 3~6 mm/hr의 범위에 있는 6개의 강우사상을 선정하였으며, 선정된 강우사상 및 이에 대응하는 수문곡선의 주요 값은 Table 1과 같다.
- 연구대상지의 지질은 백악기 팔공산 화강암지대로서 화강암질 암석을 기반으로 하고 있으며, 소나무와 신갈나무가 각각 남사면과 북사면에 군락을 이루고 있고, 유역 전체에 참나무류가 넓게 분포하고 있다. 토양의 종류는 갈색산림토양군에 속하며, 토성은 식양토와 양토로 조사되었다.
이론/모형
- 유량은 연구대상지의 유역출구에 설치된 삼각 위어에서 관측한 유출수위를 유량으로 환산하여 사용하였다. 유량의 환산은 산림과학원에서 제시한 수위-유량 관계식을 사용하였다(식 1).
성능/효과
- 직접유출과 강우량 및 강우강도와의 관계를 분석한 결과, 강우량과는 뚜렷한 경향성을 보이지 않았다. 강우강도가 클수록 직접유출 감수 계수 값이 작아지는 경향이 나타나, 직접유출량은 강우량보다 강우강도에 영향을 많이 받는 것으로 판단된다.
- 기저유출은 강우량과 강우강도에 의한 영향을 직접유출에 비해 적게 받았으며, 상승기점의 외수위가 높으면 감수계수가 작아지는 경향을 보였다. 기저유출은 직접유출에 비해 완만하게 유출되는 특성이 있었으며, 직접유출과 기저유출의 감수계수의 범위가 중복되는 것은 Lee et al.
- 1 mm로 매달 100 mm 이상의 강우가 내린 것으로 나타났다. 따라서 임목의 생장기인 4월에서 9월까지의 수원함양기능을 살펴본 결과, 강우량과 유출률에 영향을 받고 있었으며, 일시에 다량의 강우가 편중되어 내리는 것보다는 연중 고른 강우가 내릴 시 기저유출량이 증가하는 것으로 보여진다.
- 주지하수 감수곡선을 이용하여 산림소유역의 유출특성을 분석한 결과, 유출량이 많으면 주지하수 감수곡선이 완만해지고, 유출량이 감소하면 감수곡선의 기울기가 급해지는 경향을 나타냈다. 또한 2008년에서 2011년까지의 주지하수 감수곡선을 비교하여 보았을 때, 시간이 경과할수록 주지하수 감수곡선의 기울기가 시계열적으로 완만해지는 것으로 나타났으며, 기저유출량이 증가되는 경향을 보이고 있었다. 이는 산림소유역에서 유출량의 평준화가 진행되면서 산림의 수원함양 기능이 높아지는 것으로 판단된다.
- 또한, 본 연구에서는 2008년에서 2011년까지의 주지하수 감수곡선을 비교하여 보았을 때, 시간이 경과할수록 주지하수 감수곡선의 기울기가 시계열적으로 완만해지는 것으로 나타났으며, 기저유출량이 증가되는 경향을 보이고 있었다. 이는 산림소유역에서 유출량의 평준화가 진행되면서 산림의 수원함양기능이 증대된 것으로 볼 수 있다.
- 972로 산출되었다. 상승기점에서 직접유출까지의 유출시간은 19시간~34시간이었으며 산림소유역에서는 직접유출시간이 일반하천의 대유역에 비해 짧게 나타났다. 상승기점에서 직접유출 종료까지 직선분리법으로 산출한 직접유출량은 1.
- (2001)의 연구에서와 같이 유출에 지형·지질학적인 요소들이 영향을 미치고 있기 때문으로 판단된다. 연구대상지에서 기저유출의 감수계수 범위는 일반하천의 대유역에 비해 낮게 산출되었으며, 기저유출은 산지의 특성상 연중 꾸준하게 발생하므로 비교적 강우의 영향을 크게 받는 직접유출에 비해 그 변화폭이 적고, 완만하고 느리게 진행되는 것으로 판단된다.
- 연구대상지인 산림소유역에서 직접유출의 감수계수는 평균 0.954(0.921~0.968), 중간유출의 감수계수는 평균 0.972(0.958~0.978), 기저유출의 감수계수는 평균 0.980(0.972~0.984)로 각각 산출되었다. 직접유출의 감수계수는 기저유출의 감수계수와 큰 차이를 보이지 않았으며, 이는 임목에 의한 수관차단 및 산림토양의 높은 공극량 등의 영향으로 지표유출에 기여하는 유효우량이 감소되었기 때문으로 보여진다.
- 주지하수 감수곡선을 이용하여 산림소유역의 유출 특성을 분석한 결과, 유출량이 많으면 주지하수 감수곡선이 완만해지고, 유출량이 줄어들면 감수곡선의 경사가 급해지는 경향을 보였다. 연도별 유출량이 비슷한 경우에는 시간의 경과에 따라 주지하수 감수곡선의 경사가 완만해지는 시계열 변화가 나타났으며, 2011년도의 감수곡선의 기울기가 2003년도와 2006년도에 비해 완만하게 나타났다.
- 연도별 유출률의 변화 경향을 살펴보면, 2005년과 2009년의 유출률이 상당히 낮게 나타났으며, 이 시기의 주지하수 감수곡선과의 경향성은 보이지 않았다(Table 4). 유출률이 높은 해인 2003년, 2007년, 2010년, 2011년의 주지하수 감수곡선을 비교해 본 결과, 2003년과 2011은 가장 완만한 기울기를 보이고 있었으며, 강우량도 2,053 mm, 1,395.2 mm로 비교적 많았다. 또한, 월별 최소강우량이 2003년 226.
- 980보다 조금 작은 값으로 나타났다. 주지하수 감수곡선을 이용하여 산림소유역의 유출 특성을 분석한 결과, 유출량이 많으면 주지하수 감수곡선이 완만해지고, 유출량이 줄어들면 감수곡선의 경사가 급해지는 경향을 보였다. 연도별 유출량이 비슷한 경우에는 시간의 경과에 따라 주지하수 감수곡선의 경사가 완만해지는 시계열 변화가 나타났으며, 2011년도의 감수곡선의 기울기가 2003년도와 2006년도에 비해 완만하게 나타났다.
- 978로 산출되었다. 주지하수 감수곡선을 이용하여 산림소유역의 유출특성을 분석한 결과, 유출량이 많으면 주지하수 감수곡선이 완만해지고, 유출량이 감소하면 감수곡선의 기울기가 급해지는 경향을 나타냈다. 또한 2008년에서 2011년까지의 주지하수 감수곡선을 비교하여 보았을 때, 시간이 경과할수록 주지하수 감수곡선의 기울기가 시계열적으로 완만해지는 것으로 나타났으며, 기저유출량이 증가되는 경향을 보이고 있었다.
- 주지하수 감수곡선의 감수계수는 평균 0.978로 산출되었으며, 기저부 감수계수의 평균 0.980보다 조금 작은 값으로 나타났다. 주지하수 감수곡선을 이용하여 산림소유역의 유출 특성을 분석한 결과, 유출량이 많으면 주지하수 감수곡선이 완만해지고, 유출량이 줄어들면 감수곡선의 경사가 급해지는 경향을 보였다.
- 직접유출 감수계수를 구한 결과, 0.921~0.968의 범위에 있었으며, 평균값은 0.954로 나타났다(Table 2). 중간유출 감수계수의 범위는 0.
- 57 mm의 범위로 나타났다. 직접유출과 강우량 및 강우강도와의 관계를 분석한 결과, 강우량과는 뚜렷한 경향성을 보이지 않았다. 강우강도가 클수록 직접유출 감수 계수 값이 작아지는 경향이 나타나, 직접유출량은 강우량보다 강우강도에 영향을 많이 받는 것으로 판단된다.
- 직접유출과 강우량 및 강우강도와의 관계를 분석한 결과, 강우량과는 뚜렷한 경향성을 보이지 않았으며, 강우강도가 클수록 직접유출 감수계수 값이 작아지는 것으로 나타나, 직접유출은 강우량보다 강우강도에 영향을 많이 받는 것으로 판단된다.
- 연구대상지에서 주지하수 감수곡선의 회귀식을 유도하여 식 9에 나타내었다(Figure 12). 회귀식을 도출한 범위는 0.3~0.8 mm의 범위였으며, R2 = 0.8938로 나타났다.
후속연구
- 산림의 홍수 및 갈수 기능의 정량적 연구를 위해서는 강우-유출의 시계열 변화를 분석하고, 감수부의 특성을 파악함으로써 갈수량 예측, 기저유출의 분리 및 증발손실 등에 대한 수문학적 연구가 이루어져야 한다. 이에 과거부터 많은 학자들이 산림을 비롯한 하천, 농경지 등의 수문 특성에 관한 연구를 수행하고 있다.
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