[논문]팔공산 산림소유역의 유출 특성 변화

정유경; 이기환; 최형태; 이헌호

doi:10.14578/jkfs.2020.109.4.429

팔공산 산림소유역의 유출 특성 변화
Changes in Hydrological Characteristics of a Forested Watershed of Mt. Palgong 원문보기

한국산림과학회지 = Journal of korean society of forest science, v.109 no.4, 2020년, pp.429 - 437

정유경 (영남대학교 산림자원학과) , 이기환 (영남대학교 산림자원학과) , 최형태 (국립산림과학원 산림육성복원연구과) , 이헌호 (영남대학교 산림자원학과)

초록
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본 연구는 산림 소유역에서 강우량에 대한 계류유출량의 장기적인 변화추이를 정량화하고, 임목의 생장이 산림소유역의 유출변화에 어떠한 영향을 미치는지를 파악하기 위하여 실시했다. 연도별로 강우량과 유출량은 비례관계를 보였으며, 시간이 경과할수록 유출량은 점차 감소하는 것으로 나타났다. 월별 강우량과 유출량은 7월과 8월에 가장 높았으며, 유출률은 8월과 9월에 높은 값을 보여 강우량과 유출량, 유출률 변화가 반드시 일치하지는 않았다. 월별 변동계수(CV)는 강우량에 비해 유출량이 더 크게 나타났고, 강우량과 유출량 간의 편차는 점차 증가하였다. 강우량에 대한 총 유출량과 직접 유출량의 변화는 2011년~2017년의 추세선의 기울기가 더 낮아졌고, 기저유출량의 기울기는 증가하였다. 산림토양이 발달하면서 토양층의 수분보유력이 증가하였기 때문으로 보여지며, 기저유출량의 증가는 팔공산 산림소유역의 유출수량 증가와 함께 지하수위 상승에 영향을 줄 것으로 판단된다. 감수곡선의 기울기는 2003년~2010년에 비해 2011년~2017년이 더 낮은 것으로 나타났고, 시간이 경과함에 따라 유출량의 감소가 완화되고 유출량이 일정하게 유지되었다. 따라서 팔공산 산림소유역은 임목의 생장에 따라 지표류의 유출이 감소하고 기저유량이 증가하는 것으로 나타나, 산림의 수원함양기능이 점차 증가하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study we quantified the long-term change in discharge against precipitation in a forested watershed and investigated how the growth of forest trees influences these changes. We found a proportional relationship between precipitation and discharge for each year, and discharge decreased gradually with time. Precipitation and discharge were highest in July and August, and the changes in precipitation, discharge, and runoff rate did not always coincide, given that high runoff rate was shown in August and September. The monthly coefficient of variation (CV) for discharge was larger than that for precipitation, and the deviation between precipitation and discharge increased gradually. From 2011 to 2017, the gradient of the trend line for the change of total discharge and direct runoff against precipitation decreased, whereas the gradient of the base flow increased in this same time period. A possible explanation is that the water holding capacity of soil deposits increased as the forest soil of the Palgong Mountain watershed developed and the increase of base flow rose with groundwater level together with that of outflow quantity. The coefficient of flood recession was lower in the period 2011 to 2017 than in 2003 to 2010; thus, the reduction of discharge was mitigated and remained steady as time progressed. We conclude from these results that the discharge of surface runoff decreased as tree growth and base flow increased; however, the water yield function of the forest increased gradually.

주제어

표/그림 (8)

그림 Figure 1. Location of the study area. note: 1. Q. mongolica (Q1) 2. P. densiflora (P2) 3. R. Pseudoacacia. L (A3) 4. Q. mongolica (Q4) 5. P.densiflora (P5) 6. Q. serrata Thunb. ex Murray (Q6)
표 Table 1. Morphological characteristics between tree sample in the study area.
그림 Figure 2. Annual variation precipitation, runoff rate and tree growth in small forested watershed.
그림 Figure 3. Average monthly precipitation(a) and discharge(b), runoff rate(c) from 2003 to 2017 for small forested watershed.
표 Table 2. Comparison of correlation analysis between hydrological factor and tree growth in small forested watershed.
그림 Figure 4. Comparison of annual CV of observed precipitation and discharge variation for small forested watershed from 2003 to 2017.
그림 Figure 5. Relationship between the discharge factor of precipitation for watershed in Mt. Palgong with (a) total discharge, (b) direct discharge, (c) baseflow.
그림 Figure 6. Comparison of seasonal data of coefficient of recession with that calculated by the hydrography for watershed in Mt. Palgong with (a) total, (b) 2003∼2010, (c) 2011∼2017.

AI 본문요약
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문제 정의

실시하였다. 또한, 산림소유역에서 임목생장함에 따라 소유역의 강우-유출과 어떠한 연관을 가지는지를 파악하는데 그 목적이 있다.
본 연구는 산림 소유역에서 강우량에 대한 계류 유출의 장기적인 변화추이를 정량화하고, 감수계수의 기울기에 따른 산림소유역의 유출특성을 구명하고자 실시하였다. 또한, 산림소유역에서 임목생장함에 따라 소유역의 강우-유출과 어떠한 연관을 가지는지를 파악하는데 그 목적이 있다.
변동계수는 표본의 표준편차를 평균값으로 나눈 값으로 산포도를 평균에 대비해 나타내는 상대적 개념의 통계량이다. 본 연구에서는 강우량과 유출량 간 변동의 상대적 비교를 통해 변화 경향을 분석하였다.
본 연구에서는 관측기간동안의 강우에 대한 유출특성을 명확하게 파악하기 위해 직접유출량과 기저유출량을 분리하였다. 장기간의 데이터를 분석하는데 있어 수문곡선분리의 간편성을 고려해 수평직선 분리법을 이용하였으며, 단기수문곡선의 유량분리는 상승기점으로부터 수평선을 그어 감수곡선과 만나는 교점을 구하여 직접유출량과 기저유출량을 분리하였다.
본 연구에서는 팔공산 산림소유역의 장기 유출 특성을 파악하고, 임목의 생장이 유출 변화에 어떠한 영향을 미치는지를 파악하기 위해 수행되었다. 연년 강우량과 유출량의 변화는 비례관계를 보이며 증감하고 있었으며, 유출량은 점차 감소하는 것으로 나타났다.

제안 방법

첨두유량에 도달한 후, 다음 호우 발생시까지 유출은 하강곡선을 그리게 되는데, 이 과정에서 지표면 및 중간유출, 지하수 유출이 발생한다. 감수곡선의 형태는 대수층의 특징에 따라 다르게 나타나므로 본 연구에서는 수문곡선의 첨두유량에서부터 수문곡선이 종료되는 지점까지의 감수부의 기울기를 산출하고 감수곡선의 기울기를 측정하여 유출 변화를 분석하였다.
강우량은 산림소유역 내 티핑버킷형 우량계를 설치하고 10분 간격으로 측정하였다. 결측치가 발생한 경우에는 8 km 인근의 영천기상대(AWS: 신녕 ID 826)의 자료를 이용하였다.
관측기간 동안의 주요 단기수문곡선을 대상으로 하여각 유출성분의 직접유출량과 기저유출량을 분리하여 변화 경향을 파악하였다. 총 유출량 중 직접유출량은 75∼ 80%, 기저유출량은 18∼24%로 나타났다.
산림생장량을 파악하기 위해 전체 유역의 면적을 고려하여 총 6개의 방형구(15 m × 15 m)를 설치하고 각 방형구별로 1본의 표본목을 선정하여 총 6본의 임목을 조사하였다. 임목의 생장은 수종이나 방향 및 경사 등의 산림환경여건에 따라 생장량의 차이를 보이기 때문에 다양한 조건을 고려하였다.
생장량은 표본목을 벌채하여 0.2 m 간격으로 원판을 획득하였고, 구분구적법에 따라 일정한 길이로 얻어진 원판의 재적을 합산하여 생장량을 측정하였다. 생장량의 산출은 아래 Huber식을 이용하였다.
결측치가 발생한 경우에는 8 km 인근의 영천기상대(AWS: 신녕 ID 826)의 자료를 이용하였다. 유출량은 소유역의 출구로 유출되는 계류수를 수집할 수 있는 저수조와 삼각 위어(Weir)을 설치하여 1시간 간격으로 월류수심을 측정하고, 측정된 수위데이터를 팔공산 소유역에 적용하기 위해 유도(개발)한 ‘수위-유량 환산공식’을 이용하여 유출량을 산출하였다. 수위-유량 환산공식은 식 2와 같다.
유출특성을 파악하기 위해 단위강우별 감수계수의 기울기를 비교하였다. 감수계수의 기울기는 2003년∼2010년에 비해 2011년∼2017년이 더 낮은 것으로 나타났고, 계절별로는 여름철의 감수계수 값은 큰 차이를 보이지 않았으나, 봄과 가을에는 2011년∼2017년의 값이 훨씬 더 낮은 것으로 나타났다(Figure 6).
장기간의 데이터를 분석하는데 있어 수문곡선분리의 간편성을 고려해 수평직선 분리법을 이용하였으며, 단기수문곡선의 유량분리는 상승기점으로부터 수평선을 그어 감수곡선과 만나는 교점을 구하여 직접유출량과 기저유출량을 분리하였다. 첨두유량에 도달한 후, 다음 호우 발생시까지 유출은 하강곡선을 그리게 되는데, 이 과정에서 지표면 및 중간유출, 지하수 유출이 발생한다.
팔공산 산림소유역에서 연년 유량변화를 알아보기 위해 강우량과 유출량의 변동계수(CV)를 측정하였고, 산출식은 식 3과 같다.

대상 데이터

강우량과 유출량은 15년(2003년∼2017년)동안의 연구대상지인 팔공산 산림소유역의 장기데이터를 수집하였고, 임목생장기인 4∼10월까지의 데이터를 이용하였다. 11∼ 3월의 데이터는 건기의 유출수량 부족이나 한파의 영향으로 일부 미계측 기간(2003년∼2005년, 2009년, 2012년)이 다수 발생하여 분석자료에서 제외하였다.
간격으로 측정하였다. 결측치가 발생한 경우에는 8 km 인근의 영천기상대(AWS: 신녕 ID 826)의 자료를 이용하였다. 유출량은 소유역의 출구로 유출되는 계류수를 수집할 수 있는 저수조와 삼각 위어(Weir)을 설치하여 1시간 간격으로 월류수심을 측정하고, 측정된 수위데이터를 팔공산 소유역에 적용하기 위해 유도(개발)한 ‘수위-유량 환산공식’을 이용하여 유출량을 산출하였다.
본 연구는 산지 소유역의 유출특성을 분석하기 위하여 경상북도 경산시 와촌면에 위치한 팔공산 소유역을 대상지로 선정하였으며, 연구대상지의 위치는 Figure 1과 같다. 연구대상지는 지리적으로 북위 36°01′0.
연구대상지는 지리적으로 북위 36°01′0.60″N, 동경 128°41′25.19″E에 위치하고 있고, 유역면적은 17.7 ha이며, 평균경사도는 29°로 조사되었다.

이론/모형

2 m 간격으로 원판을 획득하였고, 구분구적법에 따라 일정한 길이로 얻어진 원판의 재적을 합산하여 생장량을 측정하였다. 생장량의 산출은 아래 Huber식을 이용하였다.

성능/효과

비교하였다. 감수계수의 기울기는 2003년∼2010년에 비해 2011년∼2017년이 더 낮은 것으로 나타났고, 계절별로는 여름철의 감수계수 값은 큰 차이를 보이지 않았으나, 봄과 가을에는 2011년∼2017년의 값이 훨씬 더 낮은 것으로 나타났다(Figure 6). 감수계수의 기울기가 적다는 것은 유출량의 감소경향이 완화되었다는 것으로 시간이 경과함에 따라 유출량이 일정하게 유지된다고 볼 수있으며, 지하수 감수곡선의 기울기가 완만할수록 감소경향이 느리며, 유출량도 증가한다고 한 Somorowaska(2004) 결과와 유사하게 나타났다.
강우량에 비해 유출량의 변동성이 크다는 것은 강우와 유출량 변화가 반드시 일치하지 않으며, 강우량 외에 선행강우조건, 강우강도, 토양 침투 능과 같은 여러 인자들이 영향을 주는 것으로 판단된다. 강우량과 유출량, 임목생장량의 연도별 변동계수는 0.39, 0.60, 0.12로 나타났고, 강우량과 유출량에 비해 임목 생장량의 변동계수가 낮게 나타났다. 임목생장은 강우과 유출과 같은 수문특성 외에도 여러 환경인자가 함께 작용하기 때문으로 판단된다.
떨어지는 단점이 있다. 또한, 유출과정 분리 및 생장량과 유출량간의 직접적인 관련성에 대해서는 충분히 고려되지 않았다. 국내에서도 산림 내 소유역을 대상으로 한장기 유출특성에 관한 연구는 매우 부족한 실정이다.
그러나, 동일한 수종임에도 상관도의 차이가 크게 나타났는데, 경사, 고도나 방위, 토양 조건 등의 환경조건에 따라 지표류의 흐름, 토양습도, 광조건 등의 산림 내 수문환경이 차이를 보여 임목의 생장에 영향을 주었기 때문으로 판단된다. 또한, 팔공산 산림 소유 역의 장기유출특성은 직접유출량이 감소하고, 기저 유출량이 증가하면서 전반적인 지하수위의 상승이 나타난 것으로 판단된다. 감수계수의 기울기 값이 줄어든 것으로 볼 때, 강우가 내리게 되면 토양층에 빠르게 충전되고, 첨두유량 이후에는 느린 속도로 유출되고 있는 것으로 나타나, 토양층 내에 수분이 잔존하는 시간이 길어진 것으로 볼 수 있다.
68로 나타났고, 강우량에 비해 유출량의 변동성이 더 큰 것으로 나타났다(Figure 4). 변동계수의 증감은 강우량과 유출량이 유사하게 변하는 것으로 나타났으나, 시간이 경과될수록 유출량의 변동성은 점점 커지는 시계열 변화 특성이 나타났다. 강우량에 비해 유출량의 변동성이 크다는 것은 강우와 유출량 변화가 반드시 일치하지 않으며, 강우량 외에 선행강우조건, 강우강도, 토양 침투 능과 같은 여러 인자들이 영향을 주는 것으로 판단된다.
파악하기 위해 수행되었다. 연년 강우량과 유출량의 변화는 비례관계를 보이며 증감하고 있었으며, 유출량은 점차 감소하는 것으로 나타났다. 유출량의 감소는 수관차단이나 토양침투능 등 다양한 원인에 기인하기 때문에 좀 더 정밀한 연구가 요구된다.
연년 임목생장량과 강우량, 유출량, 유출률간의 상관성을 분석한 결과, 강우량보다는 유출량과 유출률의 상관성이 더 높게 나타났다(Table 2). 임목별로 유출량은 P₅, P₂와 상관도가 높게 나타났으나, P₅는 정의상관, P₂는 부의상관을 보여 동일한 수종임에도 상관도의 차이를 보였다.
, 2009). 유출률은 P₅, P₂, Q₆와 생장량과의 상관성이 매우높게 나타났다. 임목 생장량과 강우-유출특성은 어느 정도 상관관계를 보인다고 볼 수 있으며, 강우량의 경우, 수관차단량 및 증발산에 의해 손실량이 발생하기 때문에 상관성이 적은 것으로 판단된다.
유출량의 감소는 수관차단이나 토양침투능 등 다양한 원인에 기인하기 때문에 좀 더 정밀한 연구가 요구된다. 임목 생장량은 유출량, 유출률과의 상관성이 높았으며, 소나무류의 상관도가 가장 높게 나타났다. 그러나, 동일한 수종임에도 상관도의 차이가 크게 나타났는데, 경사, 고도나 방위, 토양 조건 등의 환경조건에 따라 지표류의 흐름, 토양습도, 광조건 등의 산림 내 수문환경이 차이를 보여 임목의 생장에 영향을 주었기 때문으로 판단된다.
임목의 연년생장량은 2003년에서 2005년까지 증가하다가 그 이후 2011년까지 생장량이 감소하는 것으로 나타났고, 2012년부터 다시 생장량이 증가하는 것으로 나타나 뚜렷한 증감의 경향을 보이지는 않았다.
4 m였으며, 임령은 37년생∼63년생으로 조사되었다. 조사지점의 경사는 25°∼35° 로 평균 31.1°의 급경사지로 나타났고, 고도는 476 m∼ 635 m로 조사되었다.
75∼80%는 직접유출량이 차지하고 있었으며, 18∼24%는 기저유출량으로 나타났다. 직접유출량의 추세선 기울기는 2003년∼2010년 0.1112, 2011년∼2017년 0.0637로 2011년∼2017년의 기울기가 더 적은 것으로 나타났으며, 기저유출량은 2003년∼2010년 0.0237, 2011년∼2017년 0.0421로 2011년∼2017년의 기울기가 더 큰 것으로 나타났다. 직접유출량에 비해 기저유출량의 기울기는 작았으며, 직접유출량이 강우가 시작된 후 빠르게 빠져나가는 반면, 기저유출량은 느리게 유출되었기 때문으로 판단된다.
경향을 파악하였다. 총 유출량 중 직접유출량은 75∼ 80%, 기저유출량은 18∼24%로 나타났다. 강우량에 대한 총 유출량의 증가는 2003년∼2010년에 비해 2011년∼2017년이 더 적었으며, 기저유출량은 2011년∼2017년에 많은 것으로 나타나 다소 차이를 보였다.
팔공산 산림 소유역의 월별 강우, 유출량과 유출률을 비교한 결과, 강우량과 유출량은 7월과 8월에 가장 높은 값을 보였고, 유출률은 8월과 9월에 높은 것으로 나타났다(Figure 3). 2003년∼2006년, 2007년∼2010년대에는 7월의 강우량이 가장 많았고, 2011년∼2014년, 2015년∼2017년에는 8월의 강우량이 가장 많은 것으로 나타났다.

후속연구

국내에서도 산림 내 소유역을 대상으로 한장기 유출특성에 관한 연구는 매우 부족한 실정이다. 따라서, 장기적인 수문데이터를 이용하여 식생과 물순환에 대한 상호관계를 이해하는 것은 다양한 수문학적 요소의 변화경향을 보다 정확하게 예측하는데 도움이 될 것이며, 급변하는 기후에 대응할 수 있는 기초자료를 제공할 수 있을 것이다.
감수계수의 기울기 값이 줄어든 것으로 볼 때, 강우가 내리게 되면 토양층에 빠르게 충전되고, 첨두유량 이후에는 느린 속도로 유출되고 있는 것으로 나타나, 토양층 내에 수분이 잔존하는 시간이 길어진 것으로 볼 수 있다. 산림에서의 수원함양기능을 파악하기 위해서는 토양이 가지는 물리성과 토양수분에 영향을 주는 인자들을 조사하여 상호연관성에 대한 연구가 추가적으로 수행되어야 할 것이다.
연년 강우량과 유출량의 변화는 비례관계를 보이며 증감하고 있었으며, 유출량은 점차 감소하는 것으로 나타났다. 유출량의 감소는 수관차단이나 토양침투능 등 다양한 원인에 기인하기 때문에 좀 더 정밀한 연구가 요구된다. 임목 생장량은 유출량, 유출률과의 상관성이 높았으며, 소나무류의 상관도가 가장 높게 나타났다.

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Swank, W.T. Swift, L.W. and Douglass, J.E. 1988. Streamflow Changes Associated With Forest Cutting, Species Conversion, and Natural Disturbances. pp. 297-312. In: Forest Hydrology and Ecology at Coweeta. Ecological Studies, Swank, W.T. Crossley, D.A.(Ed.) Springer-Verlag, New York.

저자의 다른 논문 :

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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