2.1 연구사면

본 연구의 대상지역은 경기도 파주시 적성면 마지리와 설마리에 위치한 설마천 유역의 상류부에 위치한 감악산 범륜사 우측사면이다(Fig. 1). 설마천 유역은 유역면적 8.50 km², 유로연장 5.80 km, 유로경사 2.3%로 전형적인 급경사 산지 사행 하천이다. 대상사면은 약 4,000 m²의 크기이고 비교적 급경사 사면이다. 범륜사 우측사면은 화강암 구조의 기반암 위에 편마암 복합체로 구성되어 있으며 절리나 파쇄대가 발달하였다. 토심의 깊이는 약 40~120 cm로 분포하고 있으며 비교적 낮은 함수능을 가지는 특성을 보인다. 하단에는 자연발생 하천이 존재하며 강우시 유출반응이 있다.

Fig. 1

Beomryunsa Hillslope Located at the Sulmachun Watershed and Topographic Wetness Index

대상사면의 식생은 침엽수림과 활엽수림의 혼합으로 구성되어 있다. 대상사면 전체에 걸쳐 상당한 대공극 구조가 발달되어 있음을 육안으로 확인할 수 있다.

체분석과 레이저 입도분석을 통해 토질 분석을 수행하였다. 범륜사 사면의 경우 비교적 입경의 분포가 균등한 사양토(Sandy Loam)가 주류를 이루고 있으며 배수에 유리한 토질 구조를 가지고 있다.

2.2 토양수분 관측 시스템 운영

중간 정도의 습윤도의 온난한 지역에서는 토양수의 이동은 지형이 가장 중요한 역할을 한다(Anderson and Kneals, 1980). 따라서 수치지형분석이 필요하였고, 본 연구에서는 Beven and Kirkby(1979)에 의해 제안된 습윤지수 ln(a/tanβ)를 이용하여 수문현상을 모의하였다. a는 상부사면 기여면적, tanβ는 국부경사도를 나타낸다. 습윤지수를 계산하기 위해 수치지형모형(Digital Elevation Model)이 필요하며, MD8알고리즘을 이용하여 얻어진 결과를 고려하여 기여사면면적과 지형습윤지수(Topographic Wetness Index)를 계산하였다(Quinn et al., 1991). 1 m 간격의 DEM을 구축하였고, 구축된 1 m 정밀 DEM을 토대로 MD8 흐름분배 알고리즘을 적용시켜 지형습윤지수의 공간적인 분포를 도식하였다(Fig. 1). 자세한 내용은 Kim et al. (2011)을 통해 확인할 수 있다.

대상사면에서 토양수분 관측지점은 DEM을 기준으로 3개의 transect를 따라 설정하였으며, 토양수분 센서는 10, 30, 60 cm의 깊이에 사면과 평행하게 설치하였다. 관측지점은 총 54개이다(Fig. 1). 토양수분은 관측 시스템의 측정 시간을 고려하여 2시간 간격으로 측정하였다. 본 연구에서는 2010년 3월 26일부터 11월 30일까지 토양수분이 관측되었다.

본 연구에서는 SoilMoisture사의 Time Domain Reflectometry (TDR)인 MiniTRASE를 사용하여 토양수분을 관측하고 자료를 취득하였으며 이 기기의 정확도는±2%이다. TDR은 유전율 상수를 측정하고 이를 이용하여 토양수분량을 관측하는데, 물의 유전율 상수, ε_r은 보통 약 81로 주로 4에서 8 사이인 토양의 유전율 상수보다 상대적으로 높은 성질을 이용하였다(Jackson and Schmugge, 1989). Topp et al. (1980)은 유전율 상수와 토양수분량과의 관계를 나타낸 실험식을 제안하였고, 유전율 상수를 측정한 후 다음의 식을 사용하여 토양수분량을 산출하였다.

θ는 토양수분함량을 나타내며, ε_r은 유전율 상수를 나타낸다. 이와 같은 원리로 측정된 토양수분 자료는 보통 2주 간격으로 수집되었으며, 강우량이 많은 시기 등은 1주마다 수집되었다.

2.3 토양장력 관측 시스템 운영

대상사면에서 토양장력은 토양장력계(tensiometer)를 이용하여 측정이 되었다. 토양장력계는 다공질 세라믹 컵과 밀봉된 물이 찬 플라스틱관, 진공게이지로 구성되어 있는 장치로 토양장력을 직접 측정한다(Rawls et al., 1993). 토양장력계 변환기(tensiometer transducer)는 ICT international 사의 GT3-15와 GT3-30을 사용하였고 각각 100 kPa부터 0 kPa, -100 kPa부터 100 kPa까지의 압력을 감지할 수 있으며 해상도는 0.1 kPa이다.

본 연구에서는 토양장력을 2010년 4월 30일부터 11월 13일까지 10분 간격으로 관측하였다. 본 연구에서 토양장력의 관측 지점은 transect A에 따라 사면의 상부, 중부에 그리고 하부지점인 C5와 하단의 하천의 영향을 확인할 수 있도록 B8 지점으로 선정되었다. 각 지점에 토양장력계를 설치하여 관측 사면에서의 상부, 중부, 하부 그리고 하천에 의한 영향의 확인을 가능하게 하였다.

2.4 토양수분 특성곡선의 수치모형

토양수분 특성곡선은 토양수분량과 토양장력 또는 포텐셜과의 관계를 나타내는 곡선으로, 토양의 보유력을 판단할 때 기초가 되는 정보이다. 토양수분량과 토양장력은 비선형적인 관계를 가지는데 Brooks and Corey(1964), Mualem(1976), van Genuchten(1980) 등이 이 관계를 나타낼 수 있는 관계식을 제안하였다.

그 중 Brooks-Corey (BC) 모형은 이러한 모형들 중 가장 먼저 고안된 모형이며 van Genuchten (vG)모형과 함께 대표적으로 쓰이는 식이다. BC 모형은 다음의 Eq. (2)와 같다.

θ는 상대적 토양수분 포화도를 나타내고, ψ은 토양장력을 나타낸다. Eq. (2)는 매개변수 h_b와 λ로 결정된다. h_b는 공기 유입가(air entry value, AEV)와 관련이 있고, λ는 공극 크기 지표로 공극크기분포와 관련이 있는 변수이다.

BC 모형과 함께 대표적으로 쓰이는 모형인 vG 모형은 다음의 Eq. (3)과 같이 표현된다.

θ는 상대적 토양수분 포화도를 나타내며, θ는 토양수분량, θ_r은 잔류토양수분량, θ_s는 포화토양수분량을 나타낸다. ψ_m은 토양장력을 나타내며 단위는 주로 kPa나 cm로 표현된다. α는 공기유입가의 역수를 나타내며 n은 공극크기분포에 관한 매개변수로서 곡선의 형태와 관련이 있다. m은 1-1/n이다.

Seki(2007)는 BC 모형, vG 모형 등 토양수분 특성곡선의 여러가지 수치 모형의 매개변수를 토양수분과 토양장력의 자료를 통해 도출하는 프로그램을 고안하였다. 본 연구에서는 BC 모형과 vG 모형을 Seki(2007)가 고안한 프로그램을 이용하여 각각의 매개변수를 구하고 이를 해석하였다.

3.1 토양수분량의 관측

Fig. 2는 범륜사 우측 사면에서 관측된 2010년 3월 26일 18시부터 11월 30일 8시까지의 깊이에 따른 토양수분의 평균과 강우량의 토양수분 시계열 도식이다. 연회색, 회색, 검은색은 각각 10 cm, 30 cm, 60 cm 토심에서의 토양수분량의 평균을 나타낸다. 토양수분의 급격한 변동은 강우사상에 의한 것이다. 대부분의 관측지점에서의 토양수분량은 강우사상 직후에 증가하였다가 강우사상이 끝나면 감소함을 보인다. 토양수분 측정지점 중 가장 얕은 깊이의 토양인 10 cm 지점은 표면에서 가장 가깝기 때문에 토양수분이 강우에 가장 민감하게 반응하였다. 하지만 강우사상이 집중되어 있는 시기에는 대부분의 지점에서 60 cm에서 가장 민감하게 반응하는 것을 보인다. 이는 60 cm 깊이까지 형성된 우선흐름(preferential flow)으로 설명될 수 있다.

Fig. 2

Average Soil Moisture Times Eries Depending on Depth and Rainfall

예외적으로, 관측지점 C2의 토심 60 cm (C2-60)에서는 조금 다른 형상을 보인다(Fig. 3). C2와 같은 앞의 알파벳과 숫자는 관측지점을, 60과 같은 뒤의 숫자는 토심을 나타낸다. C2-60에서는 강우가 집중된 시기에는 강우 직후 토양수분량이 증가하였다가 바로 감소하지 않고 짧게는 15시간부터 길게는 48시간동안 토양수분량이 유지되었다가 감소하는 현상을 보인다. 이는 토양수분의 충전현상으로 토양수분이 C2-60에서 그 기간만큼 상부사면으로부터 지속적으로 유입되었다는 것을 말한다. 또한, Fig. 1에서 확인할 수 있듯이 C2는 하부사면에 위치하고 있으며 지형습윤지수가 높은 곳에 위치한다. 따라서 강우량이 큰 경우 지하수면의 상승으로 인한 효과도 나타난다.

Fig. 3

Soil Moisture Times Series Obtained at the Measurement Point C2

전체적으로 토양수분량의 평균이 약 25% 이상 높은 관측지점에서 토양수분량의 변동이 적었다. 이는 지하수위의 영향을 받는 지점에서는 토양수분이 강우에 민감하게 반응하지 않음을 의미한다. 반대로 대체로 토양수분량의 평균이 낮은 지역에서는 토양수분량의 변동이 컸다. Fig. 1에서 확인할 수 있듯이, 토양수분량의 변동이 가장 큰 두 지점 A1-10과 C5-10은 각 transect의 상단부에 위치하며, 변동이 작은 두 지점인 B8-30과 A6-10은 하단부에 위치함을 알 수 있다. 상단부의 경우 강우에 영향을 많이 받기 때문이고, 하단부의 경우 측방향 흐름(lateral flow)의 영향과 높은 지형습윤지수로 인해 강우에 영향을 많이 받지 않기 때문이다. 변동성이 가장 큰 지점은 C5-10으로(Fig. 4), 토양수분량의 평균은 약 11.6%로 토양수분량의 평균이 5번째로 낮은 지점이다. 변동계수는 약 40.9%로 가장 높게 나왔다. 이 지점의 토양수분이 강우에 상당한 영향을 받기 때문이다. 특히 강우량이 많은 시기에 순간 급격하게 포화토양수분량까지 도달하는 것을 볼 수 있다.

Fig. 4

Coefficient of Variation of Measurement Points

Fig. 5는 토양수분량의 변동이 적었던 지점(검은색)과 토양수분량의 변동이 가장 컸던 지점(회색)의 시계열 도식이다. 토양수분량의 변동이 가장 작았던 지점은 B8-30으로 강우량이 많았던 7월 중순부터 9월 말까지는 강우에 대해 다소 민감한 반응을 보였으나 그 외의 시기에는 강우에 대한 반응이 상대적으로 작다(Fig. 5). 이는 B8 지점이 하단부의 하천에 영향을 받아서 토양수분량이 높게 유지되기 때문에 적은 양의 강우에 민감한 반응을 보이지 않기 때문이다. C5-10의 경우, 평균 토양수분이 11.6%로 낮다. 토양이 보유하고 있는 수분량이 작기 때문에 강우에 민감하게 반응하는 것으로 보인다.

Fig. 5

Soil Moisture Time Series at the Measurement Point with the Biggest and Smallest Coefficient of Variation

토양수분은 사면의 상, 중, 하부 즉 사면의 위치에 따라 다른 특징을 보인다. Fig. 6은 상부사면에 위치한 관측지점 A2에서 관측된 토양수분 시계열이다. 상부사면의 경우, 습윤도가 낮고(Fig. 1), 토양수분은 측방향 흐름(lateral flow)의 영향은 거의 없고, 수직방향 흐름(vertical flow)의 영향을 주로 받는다. 따라서 토양수분은 모든 깊이에서 강우에 민감하게 반응하였고, 특히 표토에 가까운 10 cm의 깊이에서는 적은 양의 강우에도 굉장히 민감하게 반응을 하였다.

Fig. 6

Soil Moisture Time Series at the Upper Region (A2) on the Hillslope

Fig. 7은 사면의 중간부에 위치한 A5에서의 토양수분 시계열이다. A5의 경우 다른 관측지점과 달리 안정화가 되는데 시간이 오래 걸렸기 때문에 관측이 5월 22일 경부터 이뤄졌다. A5는 중간정도의 습윤도를 가지는 지역으로(Fig. 1) 사면의 중간부에 위치하여 측방향 흐름과 수직방향 흐름에 모두 영향을 받기 때문에 깊이별 토양수분량의 차이가 확연히 드러난다. 깊이가 얕을수록 토양수분량이 더 높은데, 이는 여전히 상부사면에서처럼 측방향 흐름보다 수직방향 흐름의 영향을 많이 받기 때문이다.

Fig. 7

Soil Moisture Time Series at the Central Region (A5) on the Hillslope

Fig. 8은 하부사면에 위치한 관측지점 C5에서의 토양수분 시계열이다. 하부사면에서는 측방향 흐름과 수직방향 흐름이 모두 존재하지만, 측방향 흐름의 영향이 더 크기 때문에 10 cm보다 30 cm와 60 cm에서의 토양수분량이 더 높게 관측되었다. 그리고 30 cm에서의 토양수분량이 60 cm에서보다 더 높은데, 이는 30 cm에서 측방향 흐름이 더욱 많이 형성되어 있음을 의미한다. 또한, 60 cm에서의 경우 6월 18일 경에 발생한 강우사상에 대해 가장 민감하게 반응 하는데, 이는 강우에 의한 영향뿐만 아니라 지하수위의 영향을 받기 때문에 다른 지점에 비해 민감하게 반응하였다.

Fig. 8

Soil Moisture Time Series at the Lower Region (A5) on the Hillslope

3.2 토양장력의 관측

Fig. 9는 범륜사 우측 사면에서 관측한 2010년 4월 30일 21시부터 11월 13일 9시까지의 토양장력 시계열 도식이다. 본 연구에서 관측한 토양장력은 -170 cmH₂O에서부터 800 cmH₂O까지의 넓은 범위에서 측정되었다. 토양장력 자료는 침투정도의 유사성을 고려하여 토심에 따라 30 cm는 중간층1(sub layer1), 50, 60 cm는 중간층2(sub layer2), 80, 90 cm는 심층(lower layer)으로 분류하여 분석하였다. 토양장력은 토심이 가장 얕을수록 강우에 대한 반응이 크게 나타난다. 이는 토양수분이 얕은 토심에서 강우에 민감하게 반응하는 것과 마찬가지로 표면에서 가깝기 때문에 토양장력의 반응이 크다는 사실을 알 수 있다. 대체로 심도가 깊은 곳에서 측정된 토양장력이 평균값이 낮고 작은 변동성을 보였다. 특히, 80 cm와 90 cm에서의 장력은 매우 낮고 변동성 또한 다소 낮은 편임을 보인다. 이는 깊은 토양에서는 강우 등의 환경과 기후적 요인에 토양수분이 크게 영향을 받지 않는다는 것을 나타낸다.

Fig. 9

Average Soil Tension Times Eries Depending on Depth and Rainfall

B8-60과 A2-30은 각각 토양장력의 변동성이 가장 작은 지점과 가장 큰 지점이고 Fig. 10은 두 지점의 토양장력 시계열이다. B8-60은 강우사상에 따른 토양장력의 변화는 보였지만 그 변화가 크지 않았다. 이는 토양수분량이 B8-30에서 큰 변동성이 없었던 것과 같은 이유로 사면의 하부에 위치하며 자연발생 하천의 바로 위에 존재하기 때문에 지형습윤인자가 높기 때문이다(Fig. 1). 반면에 토양장력의 변동성이 가장 큰 지점인 A2-30은 토양수분량의 변동성도 컸던 지점으로 토양수분량의 변동성이 큰 만큼 토양장력의 변동성 또한 크게 나타났다. A2-30에서 토양장력은 적은 양의 강우에도 크게 반응을 하였다. 이는 사면에서의 위치와 지형습윤인자를 비교하면(Fig. 1) A2-30과 B8-60의 습윤도가 다르다. 상부사면의 습윤도가 낮기 때문에 장력의 변동폭이 크며, 하부사면의 습윤도가 높기 때문에 장력변동이 적다.

Fig. 10

Soil Tension Times Series at the Point with the Biggest and Smallest Variation

강우사상 전, 토양이 건조해짐에 따라 토양장력의 값은 작게는 50 cmH₂O에서 크게는 750 cmH₂O까지 상승한다. 토심의 깊이가 상대적으로 얕은 30 cm의 토심에서 토양장력이 토심이 깊은 곳에서의 토양장력보다 변화가 크다. 강우사상 시의 토양장력은 감소한다. 특히, 누적 강우량이 50 mm 이상으로 큰 경우 토심이 깊은 90 cm에서 토양장력은 음의 값으로 떨어지는 것을 발견하였다. 이는 순간적으로 지하수면이 형성되는 경우로 설명할 수 있다. 강우사상이 종료된 후 토양장력은 다시 증가하며, 강우사상 발생 전까지 계속 증가하는 추세를 보인다.

토양장력의 경우 상, 중, 하단부 즉 사면에서의 위치에 따라 다른 특징을 보인다. 먼저, 중간층1로 분류된 30 cm의 깊이에서의 토양장력은 상단부, 하단부, 중단부의 순서로 강우에 대한 반응속도가 컸으며 토양수분이 감소함에 따른 반응 또한 컸다(Fig. 11). 중간층2에서의 토양장력은 사면의 상단부, 중단부, 하단부의 순서로 강우에 대해 민감하게 반응하였으며, 토양이 건조해질 때의 반응의 크기 또한 컸다(Fig. 12). 하지만 강우량이 많을 때는 하단부에서의 토양장력 반응이 가장 컸다. 하단부의 토양장력의 크기가 음의 값으로 떨어지는 것이 발견되었다. 심층으로 분류된 80, 90 cm의 토심에서의 토양장력의 데이터는 중단부와 하단부만 비교가 가능하였다(Fig. 13). 상부사면의 경우 토심이 얕기 때문에 90 cm까지의 측정이 불가능하였기 때문이다. 깊은 토양에서는 하단부의 경우 강우에 더 민감하게 반응하였고 반응의 폭도 컸다.

Fig. 11

Soil Tension Time Series at Sub Layer1

Fig. 12

Soil Tension Times Series at Sub Layer2

Fig. 13

Soil Tension Time Series at Lower Layer

계절에 따라 토양장력의 특징은 상이하게 나타난다(Fig. 9). 봄의 경우 강우가 잦지만 강우량이 15 mm를 넘지 않아 토양장력이 감소하는 경우는 강우의 횟수에 비해 적고, 강우가 종료된 후 토양장력은 장마철이 오기 전까지 증가하는 것을 보인다. 한반도의 연간 강우가 집중된 6월 말부터 시작되는 장마와 태풍의 시기에는 초기의 강우사상에 대해서는 토양장력이 봄과 비슷한 반응을 보인다. 9월 21일 30.1 mm의 강우 후, 2주간 강우가 없자 봄철보다 더 가파른 경사로 토양장력이 증가하였으며 그 후 강우가 지속되자 토양장력은 낮은 값으로 유지되었다. 장마가 지나간 가을철(9월말)의 토양장력은 지속된 무 강우기간으로 인해 토양장력 관측이 중단될때까지 급격하게 증가하였다. 봄과 강우가 많은 시점과 비교하였을 때 가을철에 각 지점간의 토양장력의 차이가 큰 것을 발견할 수 있었다.

4.1 토양수분 특성곡선

Fig. 14는 관측지점 A5-30에서의 토양수분 특성곡선이다. 토양수분 특성곡선은 토양수분과 토양장력과의 관계를 나타내는 곡선으로 토양의 수문특성을 가장 잘 나타낸다. Fig. 14는 범륜사 우측 사면에서 가을철동안 관측된 데이터를 토대로 작성한 토양수분 특성곡선이다. Li et al. (2005)에 따르면 현장에서 관측된 토양수분 특성곡선에서는 이력현상(hysteresis)이 순간적으로 나타나기 때문에 관측하기 힘들다고 한다. 따라서 본 연구에서는 건조조건의 토양수분 특성곡선에 대해서만 분석을 하였다. 토양의 수분 보유력은 사토(sandy), 사양토(sandy loam), 양토(loam), 미사질양토(silt loam), 식양토(clay loam), 식토(clay)순으로 커진다. 즉, 같은 토양장력에서 토양수분량이 더 크다는 것을 의미한다. 연구사면의 토질은 사양토로 토양 수분 보유력이 작으며, 본 연구의 토양수분 특성곡선은 일반적으로 알려진 토양수분 특성곡선의 일부분의 형태로만 나타난다. 이는 현장에서의 토양수분량은 실험실에서 관측된 값과 달리 잔류토양수분량과 포화토양수분량에 도달하지 못하기 때문에 실측이 가능한 범위에서 구해졌기 때문이다.

Fig. 14

Observed Soil Moisture Characteristic Curve at A5-30

4.2 Brooks and Corey와 van Genuchten 모형의 매개변수

Table 1은 본 연구에서 얻어진 토양수분 특성곡선을 BC 모형과 vG 모형에 적용시켜 각 모형의 매개변수를 구한 결과이다. 건조기간의 자료를 사용하여 습윤한 토양에 대한 정보가 부족하기 때문에 각 관측지점의 토양수분량이 가장 높은 값 2개와 이에 해당하는 장력을 추가하여 vG 매개변수를 Seki(2007)이 개발한 프로그램을 통해 구하였다.

Table 1

Brooks and Corey and van Genuchten Model Parameters

Fig. 15는 A5-30에서의 토양수분 특성곡선과 BC 매개변수와 vG 매개변수를 적용시켜 구한 토양수분 특성곡선을 나타낸 도식이다. Laiberte et al. (1966)이 관측한 자료를 Seki(2007)이 고안한 프로그램에 적용시켜 본 연구의 관측사면의 토성인 사양토가 일반적으로 가지는 BC 매개변수 값을 얻었다. 그 결과, 잔류토양수분량, θ_r은 11.3 %, 포화토양수분량, θs은 51.6 %, h_b는 35.2, λ는 1.6가 도출되었다. 본 연구에서 구해진 BC 매개변수는θ_r는 약 0.00064부터 17.55까지, h_b는 약 0.029에서 28.14까지, 그리고λ는 0.034에서 1.07까지 일반적으로 알려진 값과 상당한 차이를 보였다.

Fig. 15

Observed Smcc and Derived Smcc by BC and vG Model at A5-30

사양토의 vG 매개변수의 평균적인 값으로 잔류토양수분량은 6.5%, 포화토양수분량은 41%, α는 0.075/cm, n값은 1.89이라고 알려져 있다(Carsel and Parrish, 1988). 이들 값과 본 연구에서 구한 매개변수 또한 BC 매개변수의 경우와 마찬가지로 상당한 차이를 보였다. 특히, α의 경우 약 0.034부터 32.76까지 굉장히 큰 범위로 구해졌다.

이는 BC 모형과 vG 모형이 현장에 적용되기에는 무리가 있다는 것을 의미한다. BC 매개변수 λ는 다양한 크기의 공극을 가지는 토양에서는 값이 작아진다(Babu et al., 2005). 본 연구의 결과를 통해, 연구사면은 다양한 공극의 크기를 가진다는 것을 알 수 있다. 이는 실험실과 같이 통제된 상황과 달리 뿌리의 활동과 지렁이 등의 활동에 의해서 대공극이 형성되기 때문이다. 따라서 BC 매개변수와 vG 매개변수의 경우 일반적으로 알려진 값들과 다른 값을 도출했다. 또한, vG 모형의 경우, 현장사면에서 존재하는 대공극의 영향을 고려하지 않은 모형이다. 실제 사면의 토양에서는 대공극의 수분분포나 흐름에 대한 적절한 고려가 필수적이나 이를 고려하지 않기 때문에 실제 사면에 사용하기엔 적절하지 못하다.