[논문]RUSLE을 활용한 금강 수변지역의 하천정비사업 전·후의 연간 표토침식량 변화 비교분석

김정철; 최종윤; 이선민; 정형섭

doi:10.7780/kjrs.2019.35.6.4.5

RUSLE을 활용한 금강 수변지역의 하천정비사업 전·후의 연간 표토침식량 변화 비교분석
A Comparative Analysis of Annual Surface Soil Erosion Before and After the River Improvement Project in the Geumgang Basin Using the RUSLE 원문보기

대한원격탐사학회지 = Korean journal of remote sensing, v.35 no.6 pt.4, 2019년, pp.1351 - 1361

김정철 (국립생태원 보전평가연구본부 생태공간연구팀) , 최종윤 (국립생태원 보전평가연구본부 생태공간연구팀) , 이선민 (서울시립대학교 공간정보공학과) , 정형섭 (서울시립대학교 공간정보공학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 금강 유역(대청댐~금강하구둑)을 대상으로 RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation)를 활용하여 하천정비사업 전(2007년)과 후(2015년)의 연간 표토 침식량을 계산하였고, 이를 5단계의 class를 구분하여 해당 구간 별 표토침식면적을 산출하고 그 결과를 환경부의 토지피복 변화와 비교·분석하였다. RUSLE을 구성하는 각 인자를 생성하기 위하여 2007년과 2015년의 토지피복도, 국가기본 공간정보, 정밀 토양도, 연평균 강수량 자료 등의 다양한 공간정보자료를 활용하였다. 연구 결과, 연구지역에서의 연간 표토 침식량은 2007년과 대비하여 2015년에 class 1의 면적은 증가하였고, class 2, 3, 5의 면적은 감소하였으며, class 4의 면적은 증가하였다. 이러한 원인으로는 연구지역의 연평균 강수량의 감소, 생태공원조성과 이로 인한 인공시설물 확대, 농경지 감소 등으로 인하여 대부분의 지역에서 연평균 표토 침식량이 감소된 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the annual surface soil erosion amount of before (2007 year) and after (2015 year) the river improvement projects were calculated using RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation) in the Geumgang basin (Daecheong-Dam to Geumgang Estuary-Bank). After the results were classified into five classes, the results were compared and analyzed with the results of the change in the land cover. In order to generate each factor of RUSLE, various spatial information data, such as land cover maps for 2007 and 2015 years, national basic spatial information, soil map, and average annual precipitation data were utilized. The results of the analysis are as follows: 1) annual surface soil erosion in the study area increased the area of class 1 in 2015 years compared to 2007, 2) the area of class 2, 3 and 5 decreased, 3) the area of class 4 increased. It is believed that the average annual amount of surface soil erosion decreased in most areas due to the reduction of annual average precipitation, the formation of ecological parks, the expansion of artificial facilities, and the reduction of illegal farmland.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Location map of study area.
표 Table 1. The data used in this study
그림 Fig. 2. Flow chart of the study.
표 Table 2. Changes of Annual average precipitation and R factor between 2007 and 2015year
표 Table 3. Value of C factor according to land cover types
표 Table 4. Value of P factor according to cultivation type and slope grade
그림 Fig. 3. Satellite images of KOMPSAT-2 at 2007 year (a) and KOMPSAT-3 at 2014 year (b), and the Land cover map at 2007 year(c), at 2015 year (d) from the Ministry of Environment, respectively.
표 Table 5. Changes in area by type of land cover between 2007 and 2015year
표 Fig. 4. The results of RUSLE between 2007year (a) and 2015year (b), respectively.
표 Table 6. The results of annual average of surface soil erosion between 2007 and 2015year

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 금강 수변 지역의 하천정비 사업으로 인한 토지피복의 변화에 따른 연간 표토 침식량을 사업 전(2007년)과 사업 후(2015년)로 산출하고, 그 결과를 비교·분석하고자 한다.

가설 설정

세 번째로, class 4의 증가는 나대지의 증가와 관련이 깊다고 사료된다. 있다.

제안 방법

금강유역의 표토 침식량을 산정하기 위해서, 다양한 주제도와 GIS를 기반으로 하여 RUSLE을 적용해 계산하였다. RUSLE 모델은 Renard et al.
, 2010). 본 연구에서는 국토지리정보원으로부터 획득한 표고점과 1:5,000 등고선으로부터 ArcGIS software를 이용해 DEM을 제작하였으며, 경작지에 관한 정보는 환경부의 토지피복지도 중분류 정보를 활용하였다. 경사도에 따른 경작형태별 보전침식인자 값은 Table 4에 표기되어 있다.
본 연구에서는 금강 유역(대청댐~금강하구 둑)을 대상으로 RUSLE를 활용하여 하천정비사업 전(2007년)과 후(2015년)의 연간 표토 침식량을 계산하였고, 이를 5단계의 class로 구분하여 해당 구간 별 표토침식면적을 산출하고 그 결과를 토지피복의 변화와 비교·분석하였다.
본 연구에서는 금강지역의 하천정비사업 전·후 비교를 위해 환경부의 2007년, 2015년 토지피복지도를 중분류로 수준을 통일시켜 이용하였으며, Kim et al. (2018c)이 사용한 미국 농무성(USDA)의 토지피복 별 식생피복 침식인자값을 이용하여 값을 산정하였다(Table 3).
토양침식성인자(K)를 산출하기 위해 사용되는 자료인 토양통 및 토양부호는 국립농업과학원에서 제공하는 1:5,000 정밀 토양지도를 통해 획득하였다. 지형인자(LS)는 국토지리정보원에서 제공하는 1:5,000 수치지도의 표고 및 등고선 자료를 이용하여 DEM을 제작하였고 이를 이용하여 지형인자를 산출하였다. 식생피복침식인자(C)의 경우 하천정비사업 전·후 비교를 위해 사업 전의 경우 환경부의 2007년 중분류 토지피복지도, 사업 후는 2015년 중분류 토지피복지도를 이용하여 C인자를 계산하였다.
표토의 침식을 정량적으로 평가하기 위해 토지피복지도, 정밀토양도, 수치표고자료(DEM), 강수량 자료를 기반으로 하여 RUSLE모델을 구성하는 각 인자들을 산정하였다. Table 1은 각 인자들을 계산하기 위해 활용된 주제도와 해당 주제도의 원 데이터 형식 및 축척을 표시하였다.

대상 데이터

Table 1은 각 인자들을 계산하기 위해 활용된 주제도와 해당 주제도의 원 데이터 형식 및 축척을 표시하였다. 강우인자(R)는 국수자원종합정보시스템(WAMIS)의 금강유역 14개 관측소의 월별 강수량자료를 수집하여 구축하였다. 토양침식성인자(K)를 산출하기 위해 사용되는 자료인 토양통 및 토양부호는 국립농업과학원에서 제공하는 1:5,000 정밀 토양지도를 통해 획득하였다.
강우침식인자를 계산하기 위한 연평균 강수량데이터는 국가수자원관리종합정보시스템(http://www.wamis.go.kr)으로부터 획득하였으며, 금강유역에 인접한 12개 시·군의 지점을 선정하여 사업 전(2007년)은 2003년~2007년, 사업 후(2015년)은 2011년~2015년까지의 5년 간의 연평균 강수량 값을 이용하였다.
금강 수계는 금강 본류 및 미호천, 갑천, 유등천을 포함한 7개 국가 하천 461개 지방하천으로 이루어져 있지만, 본 연구에서는 대청 댐으로부터 금강 하구둑까지의 금강 본류지역을 대상으로 하며 해당 구간의 유로 연장은 약 135.09 km이다(Lee et al., 2006). 하천정비사업으로 인한 토지피복의 변화비교를 위해 사업으로 인해 인위적으로 가장 많은 변화를 겪었던 금강 유역의 수변지역을 연구대상지역으로 하였다.
식 (1)에서 A는 연평균 토양 침식량(ton/ha/yr), R은 강우침식인자, K는 토양침식인자, LS는 사면의 경사 및 길이인자, C는 식생피복침식인자, P는 보전관리인자를 나타낸다. 본 연구에 사용된 모든 자료는 사업에 의하여 변화를 하천 범람원지역을 대상으로 하며, 하도로부터 약 200 m 구간을 버퍼로 설정하여 분석하였다.
연구대상 지역인 금강유역은 동경 126°40′25″~128° 03′53″, 북위 35°34′47″~37°03′03″사이에 위치하며 지리적으로 한반도의 중서부지역에 위치하고 있는 유역 면적 9,912.15 km2, 유로연장은 397.79 km의 우리나라에서 3번째로 큰 국가 하천이다(Fig. 1).
강우인자(R)는 국수자원종합정보시스템(WAMIS)의 금강유역 14개 관측소의 월별 강수량자료를 수집하여 구축하였다. 토양침식성인자(K)를 산출하기 위해 사용되는 자료인 토양통 및 토양부호는 국립농업과학원에서 제공하는 1:5,000 정밀 토양지도를 통해 획득하였다. 지형인자(LS)는 국토지리정보원에서 제공하는 1:5,000 수치지도의 표고 및 등고선 자료를 이용하여 DEM을 제작하였고 이를 이용하여 지형인자를 산출하였다.
, 2006). 하천정비사업으로 인한 토지피복의 변화비교를 위해 사업으로 인해 인위적으로 가장 많은 변화를 겪었던 금강 유역의 수변지역을 연구대상지역으로 하였다. 행정구역상으로는 대전광역시를 비롯하여 충청남·북도, 경기도, 전라북도, 경상남·북도에 총 1광역시, 6개도, 9개시, 18개군, 5개구를 포함하고 있다.
행정구역상으로는 대전광역시를 비롯하여 충청남·북도, 경기도, 전라북도, 경상남·북도에 총 1광역시, 6개도, 9개시, 18개군, 5개구를 포함하고 있다.
식생피복침식인자(C)의 경우 하천정비사업 전·후 비교를 위해 사업 전의 경우 환경부의 2007년 중분류 토지피복지도, 사업 후는 2015년 중분류 토지피복지도를 이용하여 C인자를 계산하였다. 환경부 공간정보서비스(https://egis.me.go.kr)의 내용에 따르면 2007년 전국단위 중분류 토지피복지도의 경우 SPOT-5 위성에 의해 촬영된 영상을 기반으로 제작되었으며, 2015년 금강지역의 세분류 토지피복지도는 항공사진 및 KOMPSAT-2와 KOMPSAT-3, 3A 위성으로부터 촬영된 영상을 기반으로 제작되었으며, 본 연구에서는 제작된 환경부 토지피복지도를 이용하였다. 보전관리인자(P)의 경우 토지피복지도와 DEM으로부터 추출한 경사도를 중첩하여 분석하였다(Kim et al.

이론/모형

kr)으로부터 획득하였으며, 금강유역에 인접한 12개 시·군의 지점을 선정하여 사업 전(2007년)은 2003년~2007년, 사업 후(2015년)은 2011년~2015년까지의 5년 간의 연평균 강수량 값을 이용하였다. Toxopeus (1996)의 식을 이용하여 연평균 강수량 값을 강우침식인자 값으로 변환하였다.
RUSLE 모델의 장점은 토지피복의 변화 및 다양한 침식 조절 요인에 대한 영향을 직접적으로 고려할 수 있고, 다른 모델에 비해 표토 침식량 산정 결과의 신뢰성이 뛰어나다고 알려진 바 있다. 또한, 수계 및 유역에 대해 적용하여 유역대책에 대한의사결정을 지원하며, 최신 토지피복 특성을 적용하기에 적절하다는 특징이 있어, 본 연구에서는 연간 표토 침식량 산정 및 비교를 위해 RUSLE 모델을 사용하였다.
, 2018). 복잡하고 불규칙한 사면의 한 지점에서 흐름의 차이는 그 지점에 기여하는 상부의 유역면적에 따라 달라진다는 특징에 따라 ArcGIS 10.7과 Saga GIS프로그램의 L-S factor모델을 이용하여 지형인자를 추출하였다(Ozsahin et al., 2018).
토양침식인자(K)는 토양입자가 이루는 구조적 안정성과 투수성의 정도에 따른 토양의 침식능력을 나타내는 값이며, 극세사 또는 미사 토양과 같이 입자의 크기가 작을 수록, 유기물의 함량이 적을수록, 투수성이 낮을수록 표토침식 발생 확률이 높기 때문에 이러한 토양에서는 K값이 높게 산정된다. 본 연구에서는 Wischmeier(1976) 이 제시한 토양통별 K값 산정방법에 따라, 국립농업과학원으로부터 획득한 1:25,000 정밀토양도의 토양통값을 이용해 K값을 산정하여 토양침식인자를 계산하였다.
최종적으로 산정된 연간표토침식량결과(A)는 Roy(2019) 및 Rellini et al. (2019)가 제시한 기준을 참고하여 표토의 침식 정도에 따라 다음과 같이 5 class로 구분하였다. class 1은 표토침식 발생하지 않음(0-0.
표토 침식량을 정량적으로 산정하기 위해 많은 연구에서는 범용토양유실공식(RUSLE: Revised Universal Soil Loss Equation)을 사용한다. RUSLE 모델의 장점은 토지피복의 변화 및 다양한 침식 조절 요인에 대한 영향을 직접적으로 고려할 수 있고, 다른 모델에 비해 표토 침식량 산정 결과의 신뢰성이 뛰어나다고 알려진 바 있다.

성능/효과

본 연구에서는 금강 유역(대청댐~금강하구 둑)을 대상으로 RUSLE를 활용하여 하천정비사업 전(2007년)과 후(2015년)의 연간 표토 침식량을 계산하였고, 이를 5단계의 class로 구분하여 해당 구간 별 표토침식면적을 산출하고 그 결과를 토지피복의 변화와 비교·분석하였다. 결과적으로 본 연구지역에서의 연간 표토 침식량은 2007년과 대비하여 2015년에 class 1의 면적은 증가하였고, class 2, 3, 5의 면적은 감소하였으며, class 4의 면적은 증가하였다. 하천정비 사업을 통해 하천근처의 불법경작지를 제거한 뒤 생태공원을 조성하여 초지와 산림이 증가한 지역은 연간 표토 침식량이 감소하였고, 경작지 제거 후 방치되어 나지로 변한 지역은 연간 표토침식량이 증가하였으며, 도로 및 인공시설물이 조성되었거나 다목적보의 건설로 인해 수량이 증가하여 물에 잠긴 지역은 표토 침식량이 0에 가깝게 감소하였음을 본 연구결과를 통해 알 수 있었다.
두 번째로, class 2, 3, 5의 면적감소는 연평균 강수량의 감소, 불법 경작지의 감소, 초지의 증가와 관련이 깊다고 사료된다. Table 2에서 나타난 바와 같이 지역별 하천정비사업 전후 5년 기간의 평균 강수량 비교 시, 보은군을 제외한 연구지역 전 지역에서 약 10% 이상의 연 평균 강수량감소를 확인할 수 있다.
따라서, 연평균 강수량의 감소는 곧 표토침식에 큰 영향을 미치는 R 인자값의 감소와 비례하기 때문에, 전체적인 구간에서 연평균 표토 침식량이 감소하였음을 추정할 수 있다. 또한, Table 5에서 나타난 바와 같이 불법 경작지(논, 밭, 과수원)의 합산 면적이 약 49%이상 감소되고 초지 면적이 약 350% 이상 증가하였는데, 초지의 C 인자 값은 0.05이고 논, 밭, 과수원의 C 인자 값은 각각 0.3, 0.24, 0.2로, 표토침식에 더 큰 영향을 미치는 경작지가 감소하고 상대적으로 영향이 작은 초지가 증가하였기 때문에 이러한 원인으로 인해 class 2, 3, 5의 전체적인 표토침식면적은 감소하였다고 사료된다.
Table 5는 연구지역에 대해 환경부로부터 획득한 2007년 토지피복지도와 2015년의 토지피복지도의 각 토지피복에 따른 면적을 비교한 결과이다. 초지와 나지가 약350%와 약 118% 증가로 가장 큰 증가율을 나타났고, 밭과 논이 약 56%와 약 35% 감소로 가장 큰 감소율을 나타냈다. 이밖에 수역, 인공시설지, 활엽수림, 과수원 면적이 2007년 대비 2015년에 증가하였고, 침엽수림과 혼효림의 피복면적은 감소하였다.
결과적으로 본 연구지역에서의 연간 표토 침식량은 2007년과 대비하여 2015년에 class 1의 면적은 증가하였고, class 2, 3, 5의 면적은 감소하였으며, class 4의 면적은 증가하였다. 하천정비 사업을 통해 하천근처의 불법경작지를 제거한 뒤 생태공원을 조성하여 초지와 산림이 증가한 지역은 연간 표토 침식량이 감소하였고, 경작지 제거 후 방치되어 나지로 변한 지역은 연간 표토침식량이 증가하였으며, 도로 및 인공시설물이 조성되었거나 다목적보의 건설로 인해 수량이 증가하여 물에 잠긴 지역은 표토 침식량이 0에 가깝게 감소하였음을 본 연구결과를 통해 알 수 있었다. 표토의 침식은 생물의 서식공간문제, 영양염류 유입에 의한 수질문제, 하천의 미세플라스틱 유입 문제 등 다양한 환경문제를 야기할 수 있다.

후속연구

국가의 하천정비사업으로 인해 수변 공간의 토지피복이 인위적으로 변화되었고, 이에 따른 영향으로 변화된 표토의 침식량을 정량적으로 비교 및 분석한 사례는 국제적으로도 찾아보기 힘들며, 매우 큰 의미가 있는 연구결과 자료가 될 수 있다. 본 연구의 결과는 향후 국가 또는 지방하천 정비사업에 있어 다양한 환경문제의 원인이 되는 표토의 침식 및 관리에 대한 의사결정을 지원하는 도구로 활용될 수 있을 것이다.
본 연구의 결과를 도출하고 분석하는 과정에서 한가지 한계점이 존재하였는데, 이는 연구에 사용된 환경부 토지피복지도의 축척이 다르기 때문에 정량적인 비교에서 오차가 발생할 가능성이 존재한다는 점이다. 해당지역에서 2007년의 1:5,000의 세분류 토지피복지도는 아직 제작되기 전이기 때문에 2015년의 세분류 지도를 1:25,000 중분류 수준으로 down-sampling하여 사용하였으나 그 과정에서 오차가 존재할 수 있다.
해당지역에서 2007년의 1:5,000의 세분류 토지피복지도는 아직 제작되기 전이기 때문에 2015년의 세분류 지도를 1:25,000 중분류 수준으로 down-sampling하여 사용하였으나 그 과정에서 오차가 존재할 수 있다. 지역이 방대하여 동일한 시기의 영상수집이 어려워 환경부의 토지피복지도를 사용하였으나, 향후에는 KOMPSAT영상을 활용하여 직접 2007년과 2015년의 토지피복지도를 제작하여 연구를 수행한다면 보다 정확한 표토 침식량 결과를 산출 가능할 것이라 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적인 표토 침식의 경우 어떻게 구분되는가?	일반적인 표토 침식의 경우에는 집중호우, 태풍, 지진과 같은 초자연현상에 의한 표토침식과, 인간 활동의 영향으로 인한 누적된 표토침식으로 구분된다. 반면에 본 연구지역인 금강의 수변 지역의 경우, 2007년 하천정비사업의 대대적인 공사로 인해 수변 지역의 토지 피복형태가 단기간에 직접적인 형태로 변화하게 되었으며, 이러한 토지 피복변화가 표토의 침식에 미치는 영향에 대해 분석한 연구는 매우 미미한 실정이다.
	표토의 침식으로 발생할 수 있는 악영향은?	표토는 다양한 생물의 섭식활동을 위한 생활터전을 제공함과 동시에 양분 및 수분을 공급하여 생태계를 유지할 수 있는 근간이며, 오염 정화 및 물질순환 기능, 탄소의 저장으로 인한 지구온난화 방지 기능, 수자원 저수 및 홍수조절기능 등의 순기능적 측면을 가진 소중한 자원이다. 그러나 이러한 표토가 침식됨으로 인해서 발생하는 악영향으로는 첫 번째로, 다양한 생물의 서식지를 파괴하여 생물 서식환경에 악영향을 끼칠 수 있으며, 두 번째로 표토가 함유하고 있는 다량의 영양염류(N, P 등)가 손실되어 토양 비옥도를 감소시켜 식물의 생장기능을 저하시킬 수 있으며, 세 번째로 손실된 영양염류가 인근 하천에 유입되어 부영양화를 초래하여 수질 오염을 일으킬 수 있다. 위와 같이 표토의 침식으로 인한 환경문제는 다각화된 방면에서 야기되고 있다.
	표토는 어떠한 기능을 가지는가?	표토는 다양한 생물의 섭식활동을 위한 생활터전을 제공함과 동시에 양분 및 수분을 공급하여 생태계를 유지할 수 있는 근간이며, 오염 정화 및 물질순환 기능, 탄소의 저장으로 인한 지구온난화 방지 기능, 수자원 저수 및 홍수조절기능 등의 순기능적 측면을 가진 소중한 자원이다. 그러나 이러한 표토가 침식됨으로 인해서 발생하는 악영향으로는 첫 번째로, 다양한 생물의 서식지를 파괴하여 생물 서식환경에 악영향을 끼칠 수 있으며, 두 번째로 표토가 함유하고 있는 다량의 영양염류(N, P 등)가 손실되어 토양 비옥도를 감소시켜 식물의 생장기능을 저하시킬 수 있으며, 세 번째로 손실된 영양염류가 인근 하천에 유입되어 부영양화를 초래하여 수질 오염을 일으킬 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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