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문제 정의
- 강우모의 발생이후 지표유출수와 지표하유출수가 유도판을 통해 유출되기 시작되는 시각을 지체시간으로 보고 이를 측정하였다. 강우강도 80 mm/hr에 대한 지표유출수 발생시간은 커버가 있는 경우, 평균 16∼32초 범위였다.
- 따라서 강우입자의 직접적인 충돌만을 제어할 뿐 지표유출 흐름에는 영향을 미치지 않는다. 강우운동에너지만 상쇄시켜 빗방울이 지표면 타격효과를 제어하기 위한 목적이다. 산지사면의 토양침식에 유사한 토양조건을 재현하기 위해 SEMMA 개발의 기초자료 수집 지역인 강릉시 사천면 산지토양을 채취하여 사용하였다.
- 본 연구는 강우모의 발생기를 이용한 토양침식 실험으로 강우운동에너지가 나지의 지표유출량, 지표하유출량, 그리고 토양침식량에 미치는 영향을 파악하기 위해 지표커버 설치유무에 대한 실험을 수행하였다.
- 본 연구는 토양침식에 기여하는 강우운동에너지의 물리적인 능력에 초점을 두고 있다. 따라서 강우입자가 지표를 타격할 때 발생하는 빗물튀김과 박리현상을 제어하기 위한 스트립 커버(strip cover)를 이용하여 강우모의 토양침식 실험을 수행한다.
- 따라서 강우입자가 지표를 타격할 때 발생하는 빗물튀김과 박리현상을 제어하기 위한 스트립 커버(strip cover)를 이용하여 강우모의 토양침식 실험을 수행한다. 스트립 커버가 없는 경우 강우입자의 지표면 타격과 면상흐름의 상호작용에 의한 토사유출과 스트립 커버가 있는 경우 면상흐름에 의해서만 발생하는 토사유출을 구분하여 세류간 토양침식 변화를 파악하고자 한다.
제안 방법
- 인공강우는 용수공급용 펌프에 의해 각 2개의 노즐에 물을 공급하고, 노즐의 좌우 진동분사에 의해 재현된다. 각 노즐에 유입되는 공급량 조절을 위해 압력조절 밸브와 압력계를 설치하였다. 강우량은 20분간 강우를 발생시키고 각각 토양상자 내에 배치된 4개의 측정용기로 계측한 강우강도의 평균값과 광학디스트로메타(PASIVEL)에 의해 측정된 결과를 비교 검정하였다(Fig.
- 실험 분석에서 최소와 최대치를 제외한 32회의 자료를 활용한다. 각 실험조건 별 지표유출, 지표하유출, 토사유출의 차이를 비교한다. 특히 지표커버의 유무에 따른 지표유출량의 변화를 파악하고, 강우입자의 지표면 타격과 면상흐름의 상호작용에 의해 발생하는 토사유출량의 변화 특성을 분석하였다.
- 경사조건은 24°와 28° 경사로 하였으며, 이는 SEMMA 개발을 위해 강원지역 산지사면에 설치한 소규모 플롯의 경사범위에 해당한다. 각 실험조건마다 스트립 커버 유무로 실험을 실시하였다. 강우모의 발생 소요시간은 30분으로 진행하였다.
- 2 kg/cm2 이였다. 각 토양상자를 4개 구역으로 나누고 4개 지점에서 전단응력을 측정하여 평균값을 얻었다.
- 각 노즐에 유입되는 공급량 조절을 위해 압력조절 밸브와 압력계를 설치하였다. 강우량은 20분간 강우를 발생시키고 각각 토양상자 내에 배치된 4개의 측정용기로 계측한 강우강도의 평균값과 광학디스트로메타(PASIVEL)에 의해 측정된 결과를 비교 검정하였다(Fig. 2). 각 측정용기에 계측값의 오차는 반복실험을 통해 평균 강우강도 실험 조건인 80 ± 2.
- 각 실험조건마다 스트립 커버 유무로 실험을 실시하였다. 강우모의 발생 소요시간은 30분으로 진행하였다. 실험토양의 전단응력을 측정한 후 강우를 발생시켜, 최초 강우발생 시간부터 지표유출수와 지하수가 유출되는 시간을 측정하고, 1분 간격으로 유출량 및 토사유출량을 채집하였다.
- 강우모의 시험조건별로 발생한 토양수의 샘플링을 통해 총 토사유출량(g/m2)을 산출하였다. 강우강도가 커짐에 따라 토양침식량이 증가하였으며, Non-cover 경우 그 경향이 더 뚜렷하게 나타났다.
- 강우모의에 의한 토양침식 실험은 강우강도 80 mm/hr, 120 mm/hr의 조건에서 강우를 발생시켜 유출량과 토양침식량을 측정하였다. 경사조건은 24°와 28° 경사로 하였으며, 이는 SEMMA 개발을 위해 강원지역 산지사면에 설치한 소규모 플롯의 경사범위에 해당한다.
- 재현가능 경사는 0°∼31° 범위이다. 강우운동에너지를 제어할 수 있는 스트립 커버를 제작하였다(Fig. 1). 스트립 커버는 지표면과는 떨어져 있으며, 강우운동에너지를 제로로 만들고 강우를 사면에 균등하게 분포시키는 역할을 한다.
- 또한 강우 운동에너지는 세류간 토양침식의 토양입자 박리현상에 역학적으로 크게 기여하고 있음을 알 수 있다. 결과적으로 급경사면의 지표면에 작용한 강우운동에너지는 빗방울 충돌에 의한 토양입자들의 박리와 튀김현상에 기여하여 경사 아래 방향으로의 토양침식량을 증가시켰다. 그리고 단위수류력이 커진 지표유출수의 침식능력과 이송 능력이 많은 양의 토사를 사면으로부터 유출시키는데 기여했다.
- 본 연구는 토양침식에 기여하는 강우운동에너지의 물리적인 능력에 초점을 두고 있다. 따라서 강우입자가 지표를 타격할 때 발생하는 빗물튀김과 박리현상을 제어하기 위한 스트립 커버(strip cover)를 이용하여 강우모의 토양침식 실험을 수행한다. 스트립 커버가 없는 경우 강우입자의 지표면 타격과 면상흐름의 상호작용에 의한 토사유출과 스트립 커버가 있는 경우 면상흐름에 의해서만 발생하는 토사유출을 구분하여 세류간 토양침식 변화를 파악하고자 한다.
- 본 실험은 강우강도 조건 80 mm/hr와 120 mm/hr, 경사 조건 24°와 28°, 지표커버 유무 조건에 따라 세 가지 시험 조건을 세 번 반복하여 24번(2×2×2×3)의 강우모의실험을 수행하였고, 두 개의 토양상자로부터 총 48회 실험 결과를 얻었다.
- 세류간 토양침식 실험을 위해 소규모 인공강우모의 장비를 제작하였다(Fig. 1). 강우모의 실험장치의 높이는 3.
- 강우모의 발생 소요시간은 30분으로 진행하였다. 실험토양의 전단응력을 측정한 후 강우를 발생시켜, 최초 강우발생 시간부터 지표유출수와 지하수가 유출되는 시간을 측정하고, 1분 간격으로 유출량 및 토사유출량을 채집하였다. 토양상자에는 25cm 깊이로 건조된 토양을 채웠으며, 함수조건을 통일시키기 위해 선행강우를 발생시킨 뒤 3시간 경과 후에 본 실험을 실시하였다(Table 1).
- 4와 같다. 지표하유출량은 30분간 측정하였으나, 토양체에 체류한 지하수량까지 고려하기 위해 지표하유량은 총 강우량에 대한 지표유출량의 차로 산정하였다. 지표커버가 있는 경우(Cover) 지표커버가 없는 경우(Non-cover)보다 상대적으로 많은 지표하유량이 발생하였다.
- 38이며, 통일분류법으로 분류한 결과 SP로 입도분포가 불량인 모래에 해당한다. 토사유출량은 수집된 유출수과 함께 유출된 토사를 아스피레이터와 진공펌프로 토사를 걸러낸 뒤 건조로에 건조하여 중량을 측정하여 산정하였다. 매 실험마다 지표 토양의 전단응력을 측정하기 위해 Torvane을 활용하였다.
- 토성을 파악하기 위해 체가름시험을 통한 입도분포 분석을 실시하였고, 건조단위중량을 측정하였다. 평균입경은 1.
- 실험토양의 전단응력을 측정한 후 강우를 발생시켜, 최초 강우발생 시간부터 지표유출수와 지하수가 유출되는 시간을 측정하고, 1분 간격으로 유출량 및 토사유출량을 채집하였다. 토양상자에는 25cm 깊이로 건조된 토양을 채웠으며, 함수조건을 통일시키기 위해 선행강우를 발생시킨 뒤 3시간 경과 후에 본 실험을 실시하였다(Table 1).
- 각 실험조건 별 지표유출, 지표하유출, 토사유출의 차이를 비교한다. 특히 지표커버의 유무에 따른 지표유출량의 변화를 파악하고, 강우입자의 지표면 타격과 면상흐름의 상호작용에 의해 발생하는 토사유출량의 변화 특성을 분석하였다.
대상 데이터
- 1). 강우모의 실험장치의 높이는 3.5 m이고, 폭은 4 m이다. 강우모의를 위해 사용된 노즐 Veejet 80100은 인공강우를 발생시키기에 적합한 검증된 노즐이다(Meyer and Harmon, 1979).
- 강우운동에너지만 상쇄시켜 빗방울이 지표면 타격효과를 제어하기 위한 목적이다. 산지사면의 토양침식에 유사한 토양조건을 재현하기 위해 SEMMA 개발의 기초자료 수집 지역인 강릉시 사천면 산지토양을 채취하여 사용하였다.
- 본 실험은 강우강도 조건 80 mm/hr와 120 mm/hr, 경사 조건 24°와 28°, 지표커버 유무 조건에 따라 세 가지 시험 조건을 세 번 반복하여 24번(2×2×2×3)의 강우모의실험을 수행하였고, 두 개의 토양상자로부터 총 48회 실험 결과를 얻었다. 실험 분석에서 최소와 최대치를 제외한 32회의 자료를 활용한다. 각 실험조건 별 지표유출, 지표하유출, 토사유출의 차이를 비교한다.
이론/모형
- 토사유출량은 수집된 유출수과 함께 유출된 토사를 아스피레이터와 진공펌프로 토사를 걸러낸 뒤 건조로에 건조하여 중량을 측정하여 산정하였다. 매 실험마다 지표 토양의 전단응력을 측정하기 위해 Torvane을 활용하였다. 전단응력을 간단하고 빠르게 측정하기 할 수 있는 정밀검사 장치인 Torvane의 보정계수는 0.
- 사면의 지표유출수에 의한 토사이송능력을 평가하기 위해 수류력 개념을 적용한다. Yang (1972)의 단위수류력은 하천흐름에 의한 토사이송을 해석하기 위한 대표적인 이론이다.
- 지표면 유출에 의한 토양침식을 분석하기 위하여 무차원 수심의 단위수류력 산정 식을 사용하였다. 강우강도가 증가함에 따라 단위수류력은 지표커버의 설치유무에 관계없이 증가하였으나, 지표커버가 없을 때 단위수류력에 따른 토사유출량의 증가폭이 훨씬 컸다.
성능/효과
- 각 측정용기에 계측값의 오차는 반복실험을 통해 평균 강우강도 실험 조건인 80 ± 2.2 mm/hr와 120 ± 1.3 mm/hr의 범위로 좁혀졌다.
- 강우강도 120 mm/hr에서는 지표유출수의 발생시간이 지표커버가 있는 경우 평균 8∼9초 그리고 지표하 유출은 22초 정도 늦게 유출되었으며, 강우강도 80 mm/hr인 경우보다 지연되는 평균시간은 짧아지는 것으로 나타났다.
- 지표면 유출에 의한 토양침식을 분석하기 위하여 무차원 수심의 단위수류력 산정 식을 사용하였다. 강우강도가 증가함에 따라 단위수류력은 지표커버의 설치유무에 관계없이 증가하였으나, 지표커버가 없을 때 단위수류력에 따른 토사유출량의 증가폭이 훨씬 컸다. 결과적으로 강우 운동에너지는 강우입자의 지표면 타격에 의한 토양입자 박리를 증가시킬 뿐만 아니라 지표유출수의 증가를 초래해 토사입자를 이송시키는 능력인 수류력를 증가시켰다.
- 3과 같이 나타내었다. 강우강도와 유출수의 관계는 강우운동에너지를 제어 할 때와 제어하지 않을 때 전부 높은 상관성을 보였다. 그러나 지표커버가 없는 경우가 지표커버가 있는 경우에 비해 지표유출량이 평균 1.
- 강우강도가 증가함에 따라 단위수류력은 지표커버의 설치유무에 관계없이 증가하였으나, 지표커버가 없을 때 단위수류력에 따른 토사유출량의 증가폭이 훨씬 컸다. 결과적으로 강우 운동에너지는 강우입자의 지표면 타격에 의한 토양입자 박리를 증가시킬 뿐만 아니라 지표유출수의 증가를 초래해 토사입자를 이송시키는 능력인 수류력를 증가시켰다.
- 따라서 거친 지표면의 침투율은 상대적으로 증가했을 것으로 판단된다. 결과적으로 자유낙하하는 강우입자는 지표면을 타격하면서 지표토양을 다지는데 기여하고, 저하된 침투능으로 인해 지표유출량은 증가한 것이다.
- 강우강도와 유출수의 관계는 강우운동에너지를 제어 할 때와 제어하지 않을 때 전부 높은 상관성을 보였다. 그러나 지표커버가 없는 경우가 지표커버가 있는 경우에 비해 지표유출량이 평균 1.82배 증가하는 것을 확인하였다. 즉 강우운동에너지 작용은 지표면의 침투능을 감소시키고, 지표유출량을 증가시키는데 기여했다.
- 6 and 7). 낮은 경사에서 비교적 낮은 토양침식량을 보이며 경사가 커질수록 토양침식량이 증가하는 경향을 보였다. 지표커버 유무에 따라 토사 농도(g/g) 변화도 다르게 나타났다.
- 이는 강우운동에너지에 따른 빗물튀김이 지표의 토양침식과 토사유출농도 변화를 증폭시킨다는 것을 의미한다. 대부분 토양침식 실험에서 지표면유출이 발생한 초기에는 토사유출 농도가 크고 시간이 경과함에 따라 감소하는 것으로 나타났다. 비다짐 나지표면에서 초기강우에 의한 토양침식 반응이 상대적으로 민감하게 반응하지만, 시간이 경과함에 따라 지표면 토양이 안정화되기 때문이다.
- 빗방울의 지름은 0.5∼1.0 mm에 가장 많이 분포하는 것을 확인하였다.
- 지표커버 유무에 따라 토사 농도(g/g) 변화도 다르게 나타났다. 시간변화에 따른 유출토사의 농도분석 결과 지표커버가 있을 때 유출초기에는 대체로 토사의 농도가 크게 나타나며 시간이 지남에 따라 점차 줄어드는 경향을 보였고, 지표커버가 없을 때는 이러한 토사농도 감소 현상이 확연하지 않았다(Fig. 8). 이는 직접적으로 토양체에 떨어지는 강우입자의 타격이 토양입자 박리현상에 지속적으로 기여했기 때문에 시간경과에 따른 토사농도가 현격히 감소하지 않은 것으로 보인다.
- 지표하유출수 시작시간은 24° 경사에서는 지표커버가 없을 때 빨랐으나, 28° 경사에서는 지표커버가 있을 때 더 빨랐다. 지표유출량과 지표하유출량도 지표커버의 유무에 따라 변동하는 것을 확인하였다. 이는 강우운동에너지의 작용은 지표토양을 다지는데 기여하고, 지표면의 침투능력의 감소는 지표유출수를 증가시켰기 때문이다.
- 지표커버 유무에 따라 80 mm/hr 강우강도에서 토양침식량은 약 4.8∼5.9배 정도 차이가 났으며, 120 mm/hr에서도 약 3.6∼4.1배가 차이나는 것을 확인하였다(Fig. 5).
- 10에 제시하였다. 지표커버가 있는 경우 상대적으로 적은 양의 토사유출이 발생하지만, 지표커버가 없는 경우 단위수류력이 증가함에 따라 토양침식량이 크게 증가하는 추세를 보였다. 이러한 결과는 단위수류력이 지표유출수의 침식에 있어서 주요한 인자임을 보여주는 것이다(Shih and Yang, 2009).
- 강우강도 80 mm/hr의 경우와 마찬가지로 28° 경사에서는 지표커버가 존재할 때 평균 1분 19초 먼저 유출되는 경향이 나타났다. 지표커버가 있으면, 지표유출수의 유출시간이 평균적으로 느려짐을 확인 할 수 있었다. 지표하흐름은 지표커버가 존재할 때 24°에서는 전반적으로 유출시간이 느려지는 경향이 있으나, 28°에서는 오히려 지표커버 존재에 의해 지표하흐름의 발생시간이 빨라지는 결과를 보였다.
후속연구
- 하지만 모형의 보편적인 활용을 위해서는 다양한 검증과 지속적 개선이 필요하다(Park and Shin, 2011). SEMMA의 정확도와 적용범위를 확대하기 위해서는 강우 및 유출수에 의한 토양침식과 토사유출의 물리적 프로세스에 대한 추가적인 연구가 이루어져야 한다.
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