[논문]강우유발 면상흐름에 의한 세류간 침식에 대한 유효동력

신승숙; 박상덕

doi:10.3741/jkwra.2018.51.8.665

강우유발 면상흐름에 의한 세류간 침식에 대한 유효동력
Effective power for interrill erosion by rainfall-induced sheet flow 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.51 no.8, 2018년, pp.665 - 676

신승숙 (강릉원주대학교 수충부 및 토석류 방재기술연구단) , 박상덕 (강릉원주대학교 토목공학과)

초록
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사면에서의 세류간 토양침식은 빗물방울의 지표면 타격에 의한 토양입자의 박리와 면상흐름에 의한 토사이송의 상호작용에 의한 결과이다. 본 연구는 토양입자를 박리하는 강우동력과 유사이송에 기여하는 면상흐름동력을 토양침식을 위한 에너지 소비율 측면에서 새롭게 정의하고, 강우유발 면상흐름에 의한 세류간 토양침식의 유효동력 함수를 제시하였다. 강우, 경사, 유출과 관계된 인자들에 따른 강우 면상흐름의 동력을 평가하고, 기존 연구 자료를 바탕으로 이 함수의 상수들을 분석하였다. 또한 강우와 면상흐름 동력의 상대적인 크기 변화는 세류간 토양침식의 물리적 과정과 수문학적 반응을 반영함을 확인하였다. 지표유출 및 토양침식 실측자료를 세류간침식 평가 모형들에 적용한 결과 강우 면상흐름동력 함수가 가장 높은 정확도를 보여 세류간 토양침식 평가에 적합하다는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Interrill erosion on a hillslope results from the combined action of the detachment of soil particles by raindrop impact and the sediment transport of surface runoff. This study newly defined the rainfall power which detaches soil particles and the sheet-flow power contributed to sediment transport in terms of energy expenditure rate of soil erosion and presented the effective power equation for interrill erosion by rainfall-induced sheet flow. The rainfall and sheet-flow power was evaluated by factors related with rainfall, slope, and runoff and coefficients of the power equation were analyzed based on references. Futhermore it was confirmed that the relative scales between the rainfall power and the sheet-flow power according to rainfall intensity reflect on the hydrological response and physical process of interrill erosion. From application of the field data for surface runoff and soil erosion it was verified that the rainfall and sheet-flow power is an appropriate equation to estimate a interrill erosion.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 단계에서는 강우동력과 면상흐름동력의 상대적인 크기와 역학적 의미를 파악하기 위해 일정한 값의 매개변수를 식에 대입하여 각각의 동력에 대한 상대적인 비율을 확인하고자 한다. 사면 경사는 20°와 25°인 경우이며, 상수 α는 10이고, β는 5인 경우에 대해 유출계수가 0.
본 연구에서는 멱함수 형태의 비시간 강우운동에너지 식을 기반으로 강우동력을 고려하고, 면상흐름을 동력이론에 근거하여 재해석한다. 세류간 침식에 대해 강우와 면상흐름의 유효동력은 토양입자를 상류에서 하류로 이동시키는데 필요한 에너지 소비율에 비례하는 관계로 부터 일반적 강우·면상흐름 동력함수를 제시하고, 이에 대한타당성을 검토하고자 한다.

가설 설정

(2009) 모형을 평가하였다. 본 연구에서 토양침식성에 대해 중점을 두고 있지 않기 때문에 침식성인자 K_i는 1로 가정한다. 강우지수를 비롯해 기존 세류간 토양침식 추정 모형들과 강우·면상흐름 동력 함수를 실측 토양침식량과의 상관분석을 수행하였다 (Table 3).

제안 방법

따라서 세류간 토양침식에 대해 Shin et al. (2012)이 시도했었던 강우동력과 흐름동력 이론을 재정립하여, 물리적인 접근방법으로 모형을 일반화시키고자 한다. 본 연구에서는 멱함수 형태의 비시간 강우운동에너지 식을 기반으로 강우동력을 고려하고, 면상흐름을 동력이론에 근거하여 재해석한다.
그러나 실험 자료를 바탕으로 타당성을 제시한 것이 아니 기에 상수를 결정하기 위한 추가적인 연구가 필요하다. 강우 인자, 지형조건, 토양 및 지표 조건에 의해 결정되는 강우강도, 경사, 유출률에 따른 강우동력과 면상흐름동력의 상대적 변화를 평가하였다. 강우동력과 면상흐름동력의 상대적 비율에서 강우강도와 유출률이 증가함에 따라 면상흐름동력 비율이 크게 증가하였다.
이를 규명하기 위해서는 강우, 토양, 경사, 지표 조건에 따른 많은 실험 연구가 필요하다. 강우·면상흐름 동력 함수를 완성하기 위해 주요 매개변수인 강우강도, 사면경사, 유출률에 따른 강우동력 및 면상흐름동력을 정량적으로 평가하였다. 평가에 사용한 주요 매개변수의 범위는 Table 2와 같다.
본 연구에서 토양침식성에 대해 중점을 두고 있지 않기 때문에 침식성인자 K_i는 1로 가정한다. 강우지수를 비롯해 기존 세류간 토양침식 추정 모형들과 강우·면상흐름 동력 함수를 실측 토양침식량과의 상관분석을 수행하였다 (Table 3). 측정된 토양침식과 세류간 토양침식 추정 모형들과의 상관관계에서 강우·면상흐름동력 함수가 3개의 조사구 에서 모두 가장 큰 상관계수를 보였다.
(2012)이 시도했었던 강우동력과 흐름동력 이론을 재정립하여, 물리적인 접근방법으로 모형을 일반화시키고자 한다. 본 연구에서는 멱함수 형태의 비시간 강우운동에너지 식을 기반으로 강우동력을 고려하고, 면상흐름을 동력이론에 근거하여 재해석한다. 세류간 침식에 대해 강우와 면상흐름의 유효동력은 토양입자를 상류에서 하류로 이동시키는데 필요한 에너지 소비율에 비례하는 관계로 부터 일반적 강우·면상흐름 동력함수를 제시하고, 이에 대한타당성을 검토하고자 한다.
세류간 토양침식은 강우입자가 지표를 타격하여 발생하는 토양입자의 박리와 지표유출수의 흐름에 의한 유사이송의 상호작용에 의해 이루어진다. 본 연구에서는 토양입자의 박리현상을 일으키는 강우동력과 유사이송에 기여하는 면상흐름 동력에 대해 새롭게 유도하고, 강우·면상흐름동력 식을 제시 하였다. 이 함수의 상수를 결정하기 위해 강우강도, 경사, 유출 계수에 따른 강우동력과 면상흐름동력의 변화를 분석하여, 상수의 적합한 범위를 파악하였다.
이 조사구들 중에 식생회복이 거의 없는 3개의 소규모 조사구에서 총 15회 강우사상에 의해 발생한 지표 유출 및 토양침식 자료를 활용하였다. 세류간 토양침식에 대한 강우·면상흐름동력 함수의 활용 가치를 평가하기 위해 기존에 개발된 세류간 토양침식 추정 모형들과 비교하였다. 세류간 토양침식의 침식능인자로 세계에서 보편적으로 이용되는 경험적 토양침식 모형인 RUSLE (Renard et al.
본 연구에서는 토양입자의 박리현상을 일으키는 강우동력과 유사이송에 기여하는 면상흐름 동력에 대해 새롭게 유도하고, 강우·면상흐름동력 식을 제시 하였다. 이 함수의 상수를 결정하기 위해 강우강도, 경사, 유출 계수에 따른 강우동력과 면상흐름동력의 변화를 분석하여, 상수의 적합한 범위를 파악하였다. 급경사면 유출률의 기존 연구자료를 바탕으로 유출계수를 0.

대상 데이터

(2008)은 2005년 산불 직후 식생 회복이 다른 사면에 10개소의 소규모 조사구를 설치하여, 강우사상별 유출 및 토양침식을 조사하였다. 이 조사구들 중에 식생회복이 거의 없는 3개의 소규모 조사구에서 총 15회 강우사상에 의해 발생한 지표 유출 및 토양침식 자료를 활용하였다. 세류간 토양침식에 대한 강우·면상흐름동력 함수의 활용 가치를 평가하기 위해 기존에 개발된 세류간 토양침식 추정 모형들과 비교하였다.
이는 세류간 토양침식에서 지표유출수의 증가로 면상흐름의 유사이송 능력이 증가함을 강우·면상 흐름동력 함수가 물리적으로 설명하는 부분이다. 이러한 동력 함수의 적용 가능성을 평가하기 위해 현장에서 측정한 지표유출 및 토양침식 자료를 활용하였다. 기존에 개발된 세류간 토양침식 추정 모형들과 강우·면상흐름동력 함수의 적용 결과를 실측 토양침식량과의 상관분석을 통해 평가하였다.

데이터처리

이러한 동력 함수의 적용 가능성을 평가하기 위해 현장에서 측정한 지표유출 및 토양침식 자료를 활용하였다. 기존에 개발된 세류간 토양침식 추정 모형들과 강우·면상흐름동력 함수의 적용 결과를 실측 토양침식량과의 상관분석을 통해 평가하였다. 적용한 3개의 모든 조사구에서 강우·면상흐름동력 함수가 가장 높은 상관계수를 보여, 세류간 토양침식량 추정에 있어서 정확도가 높은 식임을 확인하였다.

이론/모형

(1998)의 함수 그리고 야대지 사면을 대상으로 개발한 Wei et al. (2009) 모형을 평가하였다. 본 연구에서 토양침식성에 대해 중점을 두고 있지 않기 때문에 침식성인자 K_i는 1로 가정한다.
세류간 토양침식에 대한 강우·면상흐름동력 함수의 활용 가치를 평가하기 위해 기존에 개발된 세류간 토양침식 추정 모형들과 비교하였다. 세류간 토양침식의 침식능인자로 세계에서 보편적으로 이용되는 경험적 토양침식 모형인 RUSLE (Renard et al., 1996)의 강우 지수(RI)를 고려한다. 또한 세류간 토양침식 추정 모형으로 강우강도와 경사, 사면길이를 고려한 Elliot et al.

성능/효과

(1996)은 강우운동에너지를 고려하는 RUSLE의강우지수보다도 낮은 상관계수를 보였다. 궁극적으로 강우·면상흐름동력이 세류간 토양침식을 평가하는데 있어서 기존 세류간 토양침식 추정 모형들보다 높은 정확도를 보였다.
이 함수의 상수를 결정하기 위해 강우강도, 경사, 유출 계수에 따른 강우동력과 면상흐름동력의 변화를 분석하여, 상수의 적합한 범위를 파악하였다. 급경사면 유출률의 기존 연구자료를 바탕으로 유출계수를 0.2~0.5 범위로 대입했을 때, 강우동력과 면상흐름동력 산정결과를 비교해본 결과 상수 α가 10이고, 상수 β는 5인 경우에 부합하는 것으로 평가되었다. 그러나 실험 자료를 바탕으로 타당성을 제시한 것이 아니 기에 상수를 결정하기 위한 추가적인 연구가 필요하다.
경사가 큰 경우 면상흐름 동력이 상대적으로 크게 나타났다. 면상흐름 동력은 강우강도, 지표상태, 토양조건 등에 의해 변화하는 유출계수가 작아짐에 따라 감소하였다. 상수 β의 값이 α와 동일한 10인 경우와 그에 절반인 5인 경우 그리고 그 보다 작은 3인 경우를 평가해 보았다.
기존에 개발된 세류간 토양침식 추정 모형들과 강우·면상흐름동력 함수의 적용 결과를 실측 토양침식량과의 상관분석을 통해 평가하였다. 적용한 3개의 모든 조사구에서 강우·면상흐름동력 함수가 가장 높은 상관계수를 보여, 세류간 토양침식량 추정에 있어서 정확도가 높은 식임을 확인하였다. 본 모형은 물리적 기반의 동력 함수이기 때문에 기후, 토양, 지형 특성이 다른 지역에 일반적인 모형으로 적용 가능할 것으로 기대한다.
강우지수를 비롯해 기존 세류간 토양침식 추정 모형들과 강우·면상흐름 동력 함수를 실측 토양침식량과의 상관분석을 수행하였다 (Table 3). 측정된 토양침식과 세류간 토양침식 추정 모형들과의 상관관계에서 강우·면상흐름동력 함수가 3개의 조사구 에서 모두 가장 큰 상관계수를 보였다. 그 다음은 강우강도와 유출량을 고려한 Zhang et al.

후속연구

5 범위로 대입했을 때, 강우동력과 면상흐름동력 산정결과를 비교해본 결과 상수 α가 10이고, 상수 β는 5인 경우에 부합하는 것으로 평가되었다. 그러나 실험 자료를 바탕으로 타당성을 제시한 것이 아니 기에 상수를 결정하기 위한 추가적인 연구가 필요하다. 강우 인자, 지형조건, 토양 및 지표 조건에 의해 결정되는 강우강도, 경사, 유출률에 따른 강우동력과 면상흐름동력의 상대적 변화를 평가하였다.
적용한 3개의 모든 조사구에서 강우·면상흐름동력 함수가 가장 높은 상관계수를 보여, 세류간 토양침식량 추정에 있어서 정확도가 높은 식임을 확인하였다. 본 모형은 물리적 기반의 동력 함수이기 때문에 기후, 토양, 지형 특성이 다른 지역에 일반적인 모형으로 적용 가능할 것으로 기대한다.
(3)처럼 추가적인 인자로 흐름유량을 사용하였다. 이 때, I²보다는 I에 더 직접적으로 반응함을 확인하였고, 토양침식성을 결정하기 위한 추가적인 연구를 수행하였다. 강우입자 충돌에 의한 토양입자 분리와 면상흐름 이송능력(transport capacity)의 강화를 역학적으로 설명하기 위해서는 강우강도가 유용하고, 면상흐름에 의한 유사 이송을 묘사하기 위해서는 지표유출과 경사를 고려할 필요가 있다.
그렇지만 앞서 언급한 것과 같이 이 상수들에 대한 연구사례가 거의 없다. 이를 규명하기 위해서는 강우, 토양, 경사, 지표 조건에 따른 많은 실험 연구가 필요하다. 강우·면상흐름 동력 함수를 완성하기 위해 주요 매개변수인 강우강도, 사면경사, 유출률에 따른 강우동력 및 면상흐름동력을 정량적으로 평가하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	면상흐름은 어떤 문제점을 유발하는가?	거친 경사면에서 수심이 얕은 면상흐름(sheet flow)은 그물과 같은 유로 망이 광범위하게 형성되는 지표유출의 한 형태를 보인다. 이러한 면상흐름은 빗방울이 지면을 직접 타격 하는 공간을 제공하고, 타격 과정에서 난류를 강화시켜 더 많은 토양침식을 일으킨다(Palmer, 1964). 수심이 증가하면 강우의 지표타격과 빗물튀김(raindrop splash)에 의한 토양입자의 분리(detachment) 현상은 줄어든다(Torri et al.
	거친 경사면에서 수심이 얕은 면상흐름(sheet flow)은 어떤 형태를 보이는가?	거친 경사면에서 수심이 얕은 면상흐름(sheet flow)은 그물과 같은 유로 망이 광범위하게 형성되는 지표유출의 한 형태를 보인다. 이러한 면상흐름은 빗방울이 지면을 직접 타격 하는 공간을 제공하고, 타격 과정에서 난류를 강화시켜 더 많은 토양침식을 일으킨다(Palmer, 1964).
	강우입자의 충돌과 면상흐름의 상호작용에 의해 발생하는 세류간 토양침식에 있어서 강우충격과 면상흐름의 상대적인 토양침식 기여도에 대한 연구가 많지 않은 이유는?	, 2015). 이를 분리하는 것이 용이하지도 않을 뿐더러, 이들의 상호작용이 에너지를 감소시켜 토양침식에 직접적으로 영향을 끼치기 때문이다. 위에서 제시한 강우·면상흐름 동력 식에서 상수 α, β는 강우운동에너지와 유출수운동에 너지에 의한 토양침식의 기여도 평가의 지표가 될 수 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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