2.1. 대상지역 선정과 강우 및 유사량 측정

대상유역은 강우사상에 따른 강우량 등의 수문기상자료와 토사유출량 및 유출량 등의 계측이 원활히 이루어질 수 있는 지역을 검토하여 대상지역을 선정하였다. 또한 현장 관리와 실측의 편리성을 고려하여 접근성이 용이한 지점을 고려하여 대상유역은 경상북도 칠곡군 지천면 심천유역 선정하였다. 대상유역의 고도는 188 m이며 유역면적은 2.54 ha, 연평균강우량은 약 748 mm이다(Table 1).

Table 1.

Description of the Study Watershed

대상 유역의 강우량 계측을 위해 고정밀 압력식 수위센서(PLN WATER LEVEL SENSOR)로써 데이터로거(TCPRT200)를 사용하였다. 데이터로거는 10분단위로 웹상에 자동으로 자료를 전송하는 방식이다. 강우량계의 경우 전도형 강우센서를 이용하였으며 이 또한 무선인터넷 데이터 통신을 이용, 10분 단위 강우량을 웹서버로 전송을 해준다. 두 장치 모두 전원장치로 Solar Panel과 축전지를 사용하기 때문에 실시간 무인 자동화 계측 시스템을 구축하였다. 또한 유압식 센서의 경우 바닥에서 약 30 cm 정도의 이격공간을 가지고 설치했으며, 수위계의 기준면은 바닥에서부터 50 cm로 설정하여 측정하였다.

또한 토사 유출량 계측을 위해 폭 4.5 m, 길이 5.5 m, 저류조 깊이 1.96 m로 구성되어 있으며 콘크리트 두께 20 cm로 이루어진 저류조를 설치하였다. 바닥에서부터 위어 출구까지의 높이는 1.5 m로 구성되어 있다. 저류조의 강우시 유출은 위어를 통해서만 배출이 되도록 만들어 져 있으며 강우가 적어 강우 시 위어를 통해 배출되지 못한 빗물은 저류조 바닥의 배수밸브를 통해 밖으로 배출되도록 만들어져 있다. 또한 위의 후자에 해당하는 상황 시 저류조 속의 빗물배수 시 소류사의 배출을 방지하기 위해 배수밸브에 높이 10 cm 정도의 턱을 두어 소류사 유출을 방지할 수 있도록 하였다.

2.2. 초생대 적용에 따른 토사유출 저감효율 산정 기법

본 연구에서는 대상유역을 대상으로 SATEEC 2.0을 활용하여 토사유출량에 대해 산정하고, 실측된 강우량과 유출량을 활용하여 초생대 적용에 따른 유사저감효율에 대해 산정하기 위해 VFSMOD-w 프로그램을 사용하였다. 초생대를 이용한 토사유출저감 효과 분석 단계에는 크게 4단계가 있으며 이는 대상유역 실측단계, SATEEC을 이용한 토사유출량 산정 단계, VFSMOD를 이용한 초생대 적용단계, 토사유출저감효과 분석 단계 등으로 구분할 수 있다. 본 연구의 수행 모식도는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1.

Diagram for estimating sediment runoff reduction efficiency.

2.3. SATEEC의 개요

SATEEC ArcView GIS 시스템은 Fig. 2와 같이 USLE에서 제공하는 5개의 입력자료(강우침식인자: R, 토양침식인자: K, 수치표고지도: DEM, 토지피복인자: C, 토양보전대책인자: P)만을 이용하여 누구나 손쉽게 유역내 토양유실 및 유사발생과, 유역면적 및 하천 평균경사에 따른 토사전달률(Sediment Delivery Ratio, SDR)을 산정하여 유역에서 유실된 토양이 얼마만큼 하류로 유달 되는지를 모의 할 수 있는 프로그램으로, 유역 내 임의의 지점에서 토양유실 방지대책을 수행하였을 경우 하류부에 얼마만큼의 유사 발생을 저감시킬 수 있는지를 모의할 수 있는 프로그램이다. SATEEC은 DEM을 이용하여 지형인자(LS)를 산정하며, 토양유실량의 모의에 있어 유역의 태풍등과 같은 집중성 강우를 고려할 수 있도록 일단위 강우자료를 사용하여 유역내 토양 침식량을 모의한다. 이렇게 산정된 토사침식량은 토사전달률(SDR)의 개념을 이용하여 유역의 최종 유출구나 유역내 임의 지점에서의 유사량을 산정한다. SATEEC의 보다 자세한 내용은 ^{Lim et al. (2003)}에서 이용가능하다. SATEEC은 강원도 산지지역에 적용된 사례가 있어 본 연구에서 토양 침식량을 산정하기 위하여 사용되었다(^{Lim et al., 2011}).

Fig. 2.

SATEEC ArcView GIS System (^{Lim et al., 2003}).

2.4. VFSMOD-w의 개요

VFSMOD-w 모형(^{Muñoz-Carpena and Parsons, 1999})은 시험포 단위(field-scale) 모형으로서 인접하고 있는 발생원에서 초생대로의 유출수와 유사 저감 효율을 모의한다. 또한 모형내 강우 분포에 의해 발생원에서의 유출량을 모의한 후, 초생대의 여러 조건뿐만 아니라, 각기 다른 입자 크기를 갖는 유사에 대한 분석이 가능하다는 장점이 있다. VFSMOD-W 모형은 시험포의 유출-침투 특성을 위해 Green-Ampt 침투 방정식을 이용하여 발생원에서의 유출량 및 침투량을 모의하며, 초생대로의 유출수에 대해 Kinematic Overland Flow를 이용하여 유출심과 유출량 모의를 한다. 그리고 초생대로의 유입되는 유사의 운반과 퇴적 그리고 초생대 밖으로의 유출되는 유사를 모의하기 위해 Sediment Filtrations 모듈을 이용한다(Fig. 3). VFSMOD-w 모형의 자세한 내용은 ^{Park (2009)}서 이용가능하다.

Fig. 3.

Diagram of VFSMOD-W (^{Park et al., 2009}).

2.5. 초생대 적용을 위한 P값 산정 방법

초생대 적용을 위해 초생대 적용유역 선정, 강우입력자료 산정, 유출입력자료 산정, 초생대 입력자료 산정, 토양-침투 입력자료 산정, 유사저감효과 산정의 단계를 걸쳐 대상유역에 대하여 초생대를 적용하였다. SATEEC을 통해 대상유역의 초기 토사유출량을 산정한 후, 초생대의 적용 지점을 선정하였다. 이 경우, 초생대의 입지조건을 고려해야 하며 초생대에 인접한 위경사는 최대 5%로 하고 초생대의 최대 기울기는 상하 언덕 기울기의 1/2를 초과하지 않도록 하였다(^{NRCS, 2011}). 초생대의 적용지점이 결정된 후에는 초생대 적용을 위하여 VFSMOD의 입력자료를 구축하였다. 입력자료는 크게 강우자료, 토양입력자료, 초생대 입력자료 등이 있는데, 각각의 입력자료 구축 방법은 다음과 같다. 강우자료의 경우 강우계측장치에 의해 측정된 자료를 이용하며 단위시간별 강우량, 최대강우강도 등으로 구성되어진다. 초생대 입력자료의 경우 초생대의 종류에 따라 간격, 높이, 조도계수 등을 설정해 주어야 하며 구성 식물 선정시에는 장기간에 걸쳐 유출저감효과가 나타날 수 있도록 다년생 초본식물로 구성하고 현장 조건과 용도를 고려하여 선정할 수 있도록 해야 한다. 그리고 입력된 자료를 바탕으로 VFSMOD를 실행하여 유사저감효율을 선정한다. VFSMOD의 출력값에는 유입유사량, 초생대 잔류 유사량, 유출유사량 등이 있으며 유입유사량과 초생대 잔류 유사량의 비를 통해 초생대 적용유역의 유사저감효율에 대해 산정할 수 있다. 또한 유입유사와 유출유사량의 비를 이용하여 초생대 적용시의 유역특성인자 P값에 대해 산정이 가능하다(Fig. 4).

Fig. 4.

Procedures for estimation of practice factor (P) using VFSMOD.

2.6. 토사유출저감효과 분석

초생대 적용에 따른 전체 유역에서의 토사유출저감효과를 산정하기 위해서 SATEEC 프로그램을 활용하였다. USLE 인자(R, K, C)와 DEM 자료 및 토사전달률(SDR)값이 이용되며, SATEEC과 VFSMOD를 이용해 산정된 초생대 설치 전후의 토양보전대책인자(P)값을 SATEEC에 재적용하여 토사유출저감효율을 평가하게 된다. 토사유출저감효과를 산정하는 과정은 Fig. 5와 같다.

Fig. 5.

Flow chart for analysis of sediment runoff reduction using SATEEC.

GIS프로그램 상에서 초생대 설치전 총 유역에서의 DEM, R, K, C 값을 활용하기 위하여 DEM을 제외한 각 인자들의 값은 SATEEC에서 활용 할 수 있도록 Raster 형태로 변환하여 활용하였다. 다음으로 P값의 경우 초생대 미설치 유역에는 초생대 설치전 SATEEC을 이용해 산정된 P값을 적용하고 초생대 설치유역에는 VFSMOD 적용 후 변화된 P값을 적용하였다. 그 다음 DEM을 통해 LS를 산정하고 SATEEC에서 제공하는 기능을 이용해 강우사상별 유역에서의 토양 침식량에 대해 모의하였다. 또한 산정된 토양침식량에 대해 SATEEC에서 제공하는 토사전달률(SDR)산정공식을 이용해 최종 유출점에서의 토사유출량을 계산하였다. 마지막으로 초생대 설치 전후 토사유출량의 비교·검토를 통해 토사유출 저감효율을 계산했으며 초생대 설치에 따른 토양침식보전인자(P) 값의 변화를 분석하였다.

2.7. 재현기간과 강우지속시간별 적정 초생대 설계

본 연구에서는 침식이 많이 발생되는 유역을 선정하여 적정 초생대 크기를 결정하기 위하여 강우지속시간 120분과 240분, 재현기간 2년, 10년, 50년, 80년, 100년 빈도 강우대해서 초생대 저감효율을 분석하였으며, 이를 토대로 초생대 적정 크기를 결정하였다.

3.1. 현장 측정 결과

대상유역에서의 발생강우사상 관측은 대상유역에 설치한 자동 우량계를 통하여 수행되었으며 2010년 4월 말부터 2013년까지 강우시의 실측을 통해 데이터를 수집하였다. 이 중 본 연구에서는 초생대 설치시 1년중 시간경과에 따른 토사유출저감효과를 알아보기 위해 강우의 빈도가 월별로 다양하고 유사의 측정 빈도가 가장 높은 2010년의 자료를 이용하였다. Table 3은 2010년의 강우발생 관찰 기록 중 본 연구에서 토사발생량 계산을 위해 선택한 강우사상이다. 대상유역의 토사 유출량 계측은 강우시의 실측을 통해 데이터를 수집하였다. 실측 데이터로는 저류조에 발생되는 유출량 및 토사유출량 자료를 축적하였으며 저류조에서의 수위 데이터를 수집하여 분석하였다. Table 2는 선택한 각 강우사상에 대한 출구 지점의 저류조에서 채취한 소류사의 양을 나타낸 것이다.

Table 2.

Design storm for Recurrence Interval and Rainfall Duration

Table 3.

Observed sediment runoff by rainfall events at Simcheon watershed

3.2. SATEEC을 이용한 토사유출량 산정

SATEEC은 USLE공식을 이용하여 대상유역의 토사유출량 산정을 하므로 R, K, LS, C, P의 다섯 가지 인자들을 산정하여야 한다. 특히 강우침식인자(R) 산정을 위해서는 시간별 강우량 및 30분지속 최대강우강도 등 강우자료가 요구된다. 일반적으로 중 대규모 유역에서는 강우 관측지점을 중심으로 Thiessen망을 구축하여 유효영역에 대해 해당하는 강우량 자료를 적용하나 연구 대상유역은 면적 2.54ha의 이하의 소규모 산지유역으로, 강우 유역내의 강우분포는 동일하다고 가정하여 강우사상별 침식인자 R값 (MJ/ha·mm/hr)을 산정하였다(Table 4).

Table 4.

Estimation of R Values by rainfall events

다음으로 토양침식인자(K)는 대상유역의 정밀토양도 분석 결과 주를 이루는 토양은 IrF2, IrE2, IrE3로 토양통명은 이산이며, 표토의 토성은 침식성이 있는 사양토의 특성을 가진다. 면적비에 의해 K값을 산정한 결과 평균 0.038 의 값을 나타냈다. 토지피복인자(C)는 특정한 조건 하에서 식생지역의 토양 유실량과 나지의 토양 유실량과의 비로 나타낸 값으로 나지에서 1이고 식생지역에서는 1 이하로 나타났다. 대상유역의 경우 산지유역(UCB CODE : 2210)에 해당하며 대분류 임지, 중분류 임목지, 소분류 침엽수림 중에서도 전체의 2/3이상이 침엽수 위주로 이루어진 산림으로 본 대상유역에 대해서는 ^{Bae (2011)}가 제시하고 있는 C값인 0.0178의 값을 적용했다. 토양보전대책인자(P)는 어떤 토양 보존대책을 세운 사면의 상･하방향 경사지로부터의 토양유실에 대한 보존대책에 대한 토양유실의 비로 정의된다. 본 연구에서는 초기 P값을 1로 선정하였으며 이를 통해 산정된 토사유출량을 실측치와 비교하여 초생대 설치전 유역의 P 인자값을 산정하였다. 또한 토양 침식모형에 의하여 산정된 토양침식량은 실제 유역출구에서의 토사유출량과 차이를 보인다. 따라서 유출점에 도달하기전 발생한 퇴적을 비롯한 기타 유사의 이송 특성을 고려하기 위해 토사전달률(SDR)의 개념이 필요하다. 일반적으로 토사 전달률에 영향을 미치는 요소는 유역면적, 유역의 주장 및 경사, 하천의 발달 정도, 강우특성, 침식토사의 특성, 지표면 피복상태, 경사면의 길이, 그리고 표면조도 등이 있으며, 본 유역에는 계산된 토양침식량에 대해 ^{Williams and Bernet (1972)}의 식을 적용하였다. 산정 결과 대상유역의 토사전달률은 0.1312의 값을 나타내었다. SATEEC을 이용해 토사 전달률이 고려된 토사유출량을 산정한 결과가 Table 5의 Col.2에 나타나 있다.

Table 5.

The estimated sediment and the modified P value

where, Sed. : Sediment, Est. : Estimated Obs. : Observed

분석결과 대부분의 경우 SATEEC을 통해 계산된 값이 실측치에 비해 과대 산정을 하고 있는 것으로 나타났으나 8월 10일에서 17일까지 발생한 강우사상의 경우 태풍 곤파스로 인하여 P가 1이상으로 실측값이 더 높게 나는 현상이 나타났다. 이는 호우로 인하여 유역에서 토사침식이외에 유로를 따라 하상침식 또는 사면의 토사붕괴 현상으로 인한 추가적 토사유입 가능성이 높은 것으로 판단되어 이 자료는 향후 분석대상에서 제외하였다. 한편, Table 4의 Col.4에 제시되어 있는 수정 P값은 유역출구에서의 실측 토사유출량과 SATEEC을 이용한 토사유출량 모의결과 값의 비로써 태풍이 발생했을 때를 제외한 각 단일 호우에 대한 평균 P값은 0.54로 나타났다.

3.3. VFSMOD-w를 이용한 초생대의 유사저감효과 산정

초생대기법 적용을 위해 대상유역에 대해 SATEEC을 이용한 유역의 침식분포를 검토한 결과 침식이 가장 심한 것으로 판단되는 유역전체 침식량의 30%에 달하는 북서지역 소유역을 선정하였다(Fig. 6). 사면의 경사와 주변의 식생 및 등을 고려한 결과 소유역 유출지점에 5×5m의 크기의 초생대를 선정하고 이 기법의 적용 전･후에 대하여 강우사상별 토양침식량 및 토사유출량을 Table 6과 같이 제시하였다

Fig. 6.

Sub-watershed selection for an VFS application.

Table 6.

Sediment from the selected sub-watershed

where, w/o: without, w/: with

VFSMOD에서는 유역에서의 실측값이 없을 경우 UH 모듈을 이용해 강우강도, 지속시간, CN (Curve Number), 유역의 면적 및 경사, 토양침식인자(K), 입자크기, 토지피복인자(C), 토양보전대책인자(P) 등을 직접 입력하여 Green-Ampt 침투식과 Kinematic overland flow 및 NRCS 방법을 통해 강우량과 유출량에 대해 산정토록 하고 있으나, 본 대상유역의 경우 강우계측장치 및 위어에 의한 실측값이 존재하므로, VFS 모듈만을 이용하여 초생대 모의시 필요한 강우 및 유출량 자료를 구축하였다. 토양침투 입력자료구축을 위해 대상유역의 정밀토양도를 분석한 결과 표토의 토성은 침식성이 있는 사양토(Sandy Loam)로 토양의 특성은 VFSMOD-w User's Manual에서 제시된 값을 사용하였다. 투수계수(K_s)는 6.060 × 10⁻⁶m/s , 평균 모세관 흡입력(S_av)는 0.1101 m, 포화함수량(θ_s)은 0.453 m³/m³ 을 사용하였으며, 초기 수분 결핍량은 ^{Maidment (1992)}에 의해 제안된 토양종류에 따른 초기 수분 결핍값 0.24를 적용하였으며 식생의 종류는 산지에서 성장할 수 있는 식생조건을 고려하여 Tall fescue로 모의하였다.

침식이 많이 발생하는 소유역에 대해 초생대를 적용한 결과 강우강도가 약한 강우사상의 경우 토사유출저감효율이 우수한 반면 강우강도가 커질수록 토사유출저감효율이 감소하는 경향을 보여주고 있다. Fig. 7은 대상유역에서의 30분지속 최대강우강도와 토사유출량 저감효율의 관계를 보여주고 있다. 20~25 mm/hr 이내의 30분지속 최대강우강도에 대해서는 선정된 유사저감기법의 효과가 대단히 우수하나 최대강우강도가 증가함에 따라 그 저감효과는 감소하는 것을 알 수 있다.

Fig. 7.

Effect of VFS and I30 for sub-watershed.

다음은 유역 중상류에 설치된 초생대가 전체유역의 토사 유출량에 미치는 영향을 분석하였다. 기존의 VFSMOD-w 모형은 유역 중간에 초생대를 설치하는 것을 모의할 수 없는 단점이 있어 Fig. 1과 같이 SATEEC과 VFSMOD-w 모형을 결합하는 기법을 적용하였다. 모의 과정은 먼저 초생대가 설치된 소유역으로부터의 강우사상별 토사유출량을 VFSMOD-w를 이용하여 산정하였다. 이후, 소유역 전체에 대하여 동일한 토양보전대책이 수립되었다고 가정하여 산정한 토사유출량과 VFSMOD-w로부터 산정된 토사유출량이 동일한 값을 나타내도록 소유역에 대한 수정 P값을 선정하였다. 초생대 설치 소유역에 대해서는 수정 P값을 적용하여 전 유역에 대한 SATEEC모형을 구동하는 과정을 거쳐 전 유역으로부터의 토사유출량을 산정하였다(Table 7). 그 결과 전체유역에서의 강우사상별 30분지속 최대강우강도와 토사 유출량 저감효율(%)의 상관관계는 Fig. 8과 같이 나타났으며, 소유역에 대한 효과와는 다소 달리 강우강도 10~15 mm/hr 이하에 대해서는 그 효과가 대단히 우수하나 특정값의 강우강도 이후에는 그 효율이 급격하게 저하되는 것을 확인할 수 있다. 유역 전체적으로는 P값의 평균이 초생대 설치 전 0.54에서 초생대 설치 후 0.4로 감소하였으며, 대상유역의 연평균 저감효율은 약 26%로 나타났다. 따라서 토사유출방지효과 증대를 위해서는 유역 전반에 걸친 다수의 초생대 기법의 동시 적용 또는 다양한 토사유출저감기법의 동시 적용 등 추가적 연구가 필요한 것으로 판단된다.

Table 7.

Values modified by VFS for estimation of sediment reduction efficiency in study watershed

Fig. 8.

Effect of VFS and I30 for whole-watershed.

계절별로 토사저감효과를 알아보기 위해 초생대의 성장 시기에 따라 봄(4~5월), 여름(6~8월), 가을(9월)로 분류하여 분석을 실시한 결과 대상유역에 적용된 초종인 Tall fescue가 가장 활발하게 자라는 시기인 여름(6~8월)의 경우 토사저감율이 25.1%로 다른 계절에 비해 상대적으로 토사저감률이 낮게 나타났다. 이는 우리나라의 경우 6~8월의 경우 강우에 의한 토사유출량의 영향이 초생대의 성장으로 인한 토사저감효과를 능가하는 것을 의미한다.

최대강우강도에 따른 초생대 설치 전･후 토사유출량의 변화를 분석한 결과 Fig. 9와 같은 그래프를 얻었으며, 두 회귀식의 상관계수는 각각 0.89~0.96으로 두 변수간의 상관관계가 밀접한 것으로 나타났다. 따라서 이 시험유역의 경우 30분지속 최대강우강도만으로 유역 출구에서의 토사의 유출량을 추정할 수 있을 것이다.

Fig. 9.

I30 vs Sediment Runoff (for 5m×5m VFS).

3.4. 최적 초생대 규모 설계

시험유역에 대해 최적의 초생대 규모를 산정하기 위하여 다양한 재현기간(2, 10, 50, 80, 100년)과 강우지속시간 (120, 240분)에 대해서 초생대 폭(0~10 m)에 따른 토사유출 저감효과를 분석하였다. 강우지속기간 120분과 240분에 대한 유사저감 효율은 Fig. 10~11과 같다. 그림에 나타나는 바와 같이 강우사상에 따라 차이는 있지만, 초생대 폭이 커질수록 저감효율도 증가하는 것으로 나타났다. 약 25%의 유사저감을 위해서는 재현기간별로 0.52 m, 0.98 m, 1.85 m, 2.1 m, 2.3 m의 폭이 요구되는 것으로 나타났으며, 50%에 해당하는 유사저감을 위해서는 재현기간별로 1.13 m, 3.05 m, 4.95 m, 5.7 m, 5.9 m의 폭이 요구되는 것으로 나타났다. 또한 75%의 유사저감을 위해서는 2.42 m, 6.6 m, 9.65 m, 9.73 m, 9.75 m의 초생대가 필요하며, 85% 이상의 유사저감을 위한 초생대의 폭은 재현기간에 상관없이 9.85 m 이상의 폭이 확보되어야 하는 것으로 나타났다.

Fig. 10.

Sediment Reduction Ratio for various storm events under storm duration of 120 min.

Fig. 11.

Sediment Reduction Ratio for various storm events under storm duration of 240 min.

강우지속기간 240분 분석결과는 Fig. 11과 같으며, 25%의 유사저감을 위해서는 재현기간별로 약 0.8 m, 1.8 m, 2.85 m, 3.2 m, 3.55 m의 폭이 요구되는 것으로 나타났고, 50%에 해당하는 유사저감을 위해서는 재현기간별로 1.98 m, 4.72 m, 7.7 m, 8.7 m, 8.9 m의 폭이 필요하며, 75%의 유사저감을 위한 초생대의 폭은 .34 m, 9.63 m, 9.84 m, 9.86 m, 9.88 m로 나타났다. 또한 80% 이상의 유사저감을 위한 초생대의 폭은 재현기간에 상관없이 10 m 이상의 폭이 확보되어야 하는 것으로 나타났다.