1. 서 론
수목의 산사태 방지기능은 사방학을 중심으로 꾸준히 보고되었고, 이 기능의 증진을 위해 적절한 산림관리의 필요성이 제기되어 왔다. 그 근거는 수목 근계가 사면에 대해 갖는 앵커 또는 네트 기능, 뿌리의 보강효과, 뿌리의 인장강도와 전단저항력, 산림지역의 토질점착력의 증가치 등으로 설명할 수 있다(Tsukamoto, 1991; Abe, 1997; Jang, 2019).
한편, 산불은 수목의 산사태 방지기능을 약화시키는 원인이며, 수십 년 동안 약화된 상태로 유지될 우려가 있다(Gangwon Province, 2005). 즉, 산불 발생 후 지표면은 소수성(Hydrophobia) 현상에 의한 침투율이 낮아지기 때문에 지표류의 증가와 편중으로 인해 침식이 가속화될 뿐만 아니라 토양유실이 증가하여 산지미지형의 정단부와 상부곡벽사면을 중심으로 황폐화 현상이 고착화된다(Marques and Mora, 1998; Ma and Jeong, 2009; Park et al., 2009). 따라서 해당 미지형에서는 장기간에 걸쳐 토양의 수분 및 양분이 결핍되는 등 열악한 수목 생육환경이 유지되며(Teramoto et al., 2016), 이는 산지의 식생피복이 지연되거나 생육하는 수목의 앵커 및 네트 기능이 잘 발휘되기 어려운 조건에 처하게 되는 결과로 이어진다.
그리고 동해안 지역의 산지는 긴 일조시간과 봄, 가을의 푄현상으로 인해 반복적인 산불재해에 노출되고 있으며, 지형적으로 유향(流向)은 유수가 흐르는 서→동 방향으로 형성되어 건조한 남⋅동사면이 다수 나타난다. 즉, 통상적인 소수성 현상, 토양유실 이외에도 수분부족으로 인해 수목의 생육 및 식생의 조기정착이 지연될 개연성이 높다.
이러한 관점에서 삼척지역은 2000년 동해안 산불피해 이후 아직 불안정한 생태계가 유지되고 있으며, 특정 지역에서는 2019년 10월 태풍 “미탁”에 의해 집중호우로 인한 대형 산사태가 발생하였다.
이 연구는 대형산불, 지형효과(Orographic effects)에 의한 집중호우, 산사태 등의 재해에 직면해 있는 강원 동해안 산지의 토사재해방지를 위한 산지관리에 필요한 기초자료를 확보하기 위해 진행하였다. 특히 이를 위해 산불피해지 내의 천층붕괴 발생지의 산지미지형 특성, 산림구조 및 생육환경을 조사하여 산림의 방재기능 발휘를 위한 착안점을 도출하였다.
2. 2000년 동해안 산불피해
2000년 동해안 산불은 4월 7일 강원도 고성군 토성면학야리에서 발화하여 4월 15일까지 삼척시, 동해시, 강릉시 및 경상북도 울진군 일대에 큰 피해를 주었다. 당시 동해안 지역에서는 산불에 취약한 소나무 단순림이 우점하고, 산림 내 연료원이 다량으로 축적되어 있었으며, 봄철 건조주의보가 발령된 상태에서 순간최대풍속 23.7 m/s의 위협적인 바람과 비산화로 인해 산불이 확대되었을 뿐만 아니라 산불 진화에도 오랜 시간이 소요되었다(The Joint Association for the Investigation of the East Coast Fires, 2000; Choung et al., 2004; Lee et al., 2004).
산불로 인한 인명피해로는 총 17명의 사상자와 850여명의 이재민이 발생하였고, 재산피해로는 산림면적 23,448 ha의 소실이 확인되었다(Gangwon Province, 2001; Kim, 2019). 특히, 산불로 인해 능선부의 건조한 소나무림이 연소될 때 최대 500 ℃까지 상승하여 지중 20 cm의 토양 및 생물환경까지 영향을 미치며, 지표의 낙엽층이 재생되는데 10년, 초기부식층(A1층)은 16년 그리고 2 cm 깊이로 발달하는 데 26년 이상 소요되는 것으로 보고되었다(Gangwon Province, 2005). 일반 산지토양은 상대적으로 넓은 지역(약 17,000 m2)에서 흘러넘친 물도 받아낼 수 있으나 산불피해지에서는 상대적으로 좁은 지역(약 10,000 m2)의 빗물만 받아내는 것으로 보고되었다(Kim, 2017; Lee et al., 2017a, 2017b). 또한, 산불산지는 수관의 강우 차단효과 상실로 지표면에 구곡이 형성되고, 이후 집중호우 시 토사재해 발생가능성이 높아지게 된다(Cha, 2006; Esteves et al., 2012).
3. 2019년 집중호우에 의한 산사태
3.1 재해특성
2019년 10월 3일 삼척시 원덕읍 갈남2리 인근에서 집중호우에 의해 발생한 산사태는 산지계류의 상류부, 지류와 지류 사이의 비탈면 및 임도가 통과하는 흙깍기⋅흙쌓기비탈면의 오목(凹)지형을 발생원으로 하는 특성이 나타났다. 특히 발생원의 토양이 집중된 강우로 인하여 포화상태가 되었을 때, 토석류가 되어 경사가 급하고 폭이 좁은 계류를 따라 일시에 이동하여 하류의 생활권지역까지 도달하였다. 이로 인하여 총 23세대 53명의 이재민과 주택 62동에 피해를 가져오는 등, 많은 인명 및 재산피해를 발생시켰다(Samcheok City, 2019).
3.2 선행강우
강우자료는 산사태 발생지점으로부터 가장 근접한 위치에 있는 원덕관측소의 시간별 강우자료를 이용하였다(KMA, 2019). 산사태 발생 당시의 강우이벤트는 총 강우량 206.0 mm, 최대강우강도 65.5 mm/h, 평균강우강도 12.9 mm/h였으며, 산사태 발생시점 이전의 강우가 16시간 동안 지속된 것이 큰 재해로 이어진 원인으로 파악되었다.
4. 연구방법
4.1 연구대상지 선정
연구대상지는 2019년 10월 3일 발생한 산지토사재해 발생지인 삼척시 원덕읍 갈남2리 인근의 2개의 산림유역으로 선정하였다(Fig. 1).
이 2개 유역의 합류부에는 각각 2 m 정도 높이의 골막이 1기씩 총 2기가 설치되어 있었으나, 매몰되거나 일부 훼손된 상태로, 하류의 생활권 지역을 보호하기에 매우 부족하였다. 또한, 2000년 동해안 산불에 의해 A유역은 2등급, B유역은 3등급 피해가 발생한 곳이기 때문에 식생의 생육조건이 양호하지 않은 상태일 것으로 예상하였다.
4.2 산사태 현황 및 특징조사
2019년 10월 23일 현장조사를 실시한 후(Fig. 2), 산사태 현황과 피해 범위를 확정하였다. 이때, 재해 이전에 제작된 정사영상(NGII, 2017)과 재해 이후에 제작된 정사영상(KFS and KASWC, 2019)을 활용하였다.
4.3 산불피해 현황조사 및 조사구 설정
2019년 산사태 원인조사 결과보고서(KFS and KASWC, 2019)와 2000년 동해안 산불 당시 피해 정도를 1∼3등급으로 구분한 산불피해지도를 수집하고, 강원(삼척 원덕읍 갈남리)지역의 산불피해 2등급지(A)와 3등급지(B)에서 붕괴사면을 각각 1개소씩 발생원으로 선정하였다. 또한, 발생원의 왼쪽, 오른쪽 및 상부 사면에 각각 10 × 10m 규모의 조사 plot (A, B plot) 6개, 붕괴되지 않은 지역에 대조구 plot (Control plot) 2개, 총 8개를 설정하였다(Table 1).
5. 결과 및 고찰
5.1 산사태 현황 및 특징
2019년 10월 3일 강원도 삼척시 원덕읍 갈남리 일원에서 집중호우에 의해 발생한 산사태 피해지(천층붕괴지)는 총 8개소로, 평균 면적 479.1 m2, 발생원의 평균 경사 30.2°, 평균 횡단곡률(Plan curvature) –0.10 (Convergent), 평균 종단곡률(Profile curvature) –0.11 (Convex)로 확인되었다(Table 2). 표층붕괴가 발생한 지점의 지형은 대부분 정단사면에서 비교적 경사가 급해지는 곡벽사면이고, 발생원은 1차 계류의 직상부 또는 2, 3차 계류의 계안에 위치한 0차곡에서 주로 나타났다. 또한, 피해지를 확인한 결과, 임도 인근에서 발생한 천층붕괴지의 면적이 크게 나타났으며, 이는 2000년 산불 발생 이후 2002년 천층붕괴가 발생한 강원도 동해시 삼화동 일원의 산사태 발생 특징과 유사하게 나타났다(Lee et al., 2017b).
5.2 연구대상지의 구성종
Table 3은 A, B 및 대조구 plots의 목본식생의 구성종과 개체수를 나타낸 것으로, 주요 구성종은 신갈나무(Quercus mongolica)였으며, 침엽수에서는 소나무(Pinus densiflora)가 가장 많이 출현하였다.
그리고 목본식생의 종수와 개체밀도가 높았던 plots는 각각 B plots 0.024 N/m3, A plots 0.19 N/m3였다. 산불, 화산분화 및 산지토사재해 발생지에서는 초기의 천이가 확인되며, 시간의 경과에 따라서 출현 종수가 증가한다는 보고(Lee et al., 2004; Shin, 2015)와 일치한다.
5.3 산림구조 및 생육환경
목본식생을 참나무속과 소나무속의 두 군집으로 구분하여 수고와 흉고직경의 관계를 나타낸 결과, 참나무속은 3 plots에서 모두 정의 상관관계를 보였으며, A plots에서 y = 0.6181x + 2.6061, r2 = 0.603 (Pearson 상관계수 0.777, 유의확률 < 0.001)의 높은 경향성이 나타났다(Fig. 3(a)). 그리고 소나무 속은 대조구 plots를 제외한 2 plots에서 정의 상관관계를 보였고, A plots는 y = 0.3725x + 4.5204, r2 = 0.6421 (Pearson 상관계수 0.801, 유의확률 < 0.05)의 높은 경향성이 나타났으나, B plots는 y = 0.1979x + 4.3064, r2 = 0.6156였다(Fig. 3(b)). 또한, 소나무속은 A plots가 B plots보다 기울기가 크게 나타났으므로, 동일 흉고직경일 때 수고는 A plots가 B plots보다 높게 나타났다.
한편, plot별 수고분포는 A plot과 B plot에서 차이가 나타났다(Fig. 4). 즉, B plots에서는 산불 후 17년 이상이 경과하면 8 m 이상의 식생으로 구성한다는 기존의 연구결과(Lee et al., 2004)와 같이, 8 m 이상의 목본식생이 우점하는 것을 확인하였으나, A plots에서 수고 8 m 이하의 참나무속 수종이 다수 출현한 것은 2000년 동해안 산불 이후에도 참나무속의 수종이 맹아로 갱신하였을 가능성에 대하여 시사하고 있다(Figs. 4, 5).
그리고 목본식생의 기저면적(흉고단면적)은 Table 4와 같이 B plots 3,454.7 cm2 / 100 m2 > Control plots 2,354.6 cm2 / 100 m2 > A plots 2,319.5 cm2 / 100 m2 순으로 나타났다. 특히, A와 B plots의 경우에는 발생원의 오른쪽 사면(3) > 왼쪽 사면(1) > 상부 사면(2)의 순으로 나타나, 위치적으로는 발생원 상부에서의 목본식생의 생육상황이 다른 곳과 비교하여 불량하였다.
이러한 결과는 일반적으로 수목의 생장은 광조건 차이로 인하여 남사면과 동사면에서 활발하고(Larcher, 1975; Green and Hawkins, 2005; Kim, 2015), 능선부의 경우에는 토양이 토심이 얕고, 공극이 많을 뿐만 아니라 건조하기 때문에 수목 생장에 영향을 크게 미쳤을 것으로 판단된다(Kim, 2015). 또한, 이 연구에서 조사된 기저면적과 Lee et al. (2004)의 연구의 기저면적을 비교한 결과, 선행연구의 산불 후 20년이 경과한 시점과 유사한 범위에 분포하는 것으로 나타났다(Fig. 6).
일반적으로 토양경도가 27 mm 이상에서는 식물의 생육이 곤란하고, 23 mm 이상 27 mm 미만에서는 뿌리 발달이 다소 어려우며, 20 mm 이상 23 mm 미만은 다양한 식물의 생육이 어렵다. 또한, 11 mm 이상 20 mm 미만에서는 식물 생육이 원활하고, 11 mm 미만에서는 식물 생육에는 문제가 없더라도 지지력 및 건조의 위험성이 있다(Kil et al., 2012). 조사구 중에서 27 mm 이상의 토양경도를 나타낸 곳은 7개소였으나, 최솟값을 기준으로 할 때는 2개소가 해당되었다(Table 5). 특히, 열악한 토양환경에 식재될 경우 서식환경에 적응하면서 수직 뿌리보다 수평 뿌리가 발달할 가능성이 있으므로, 이에 대한 후속연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다. 한편, 토양수분을 조사한 결과, A-2 plot을 제외한 다른 plot에서는 토양경도가 높을수록 토양의 함수율이 낮게 나타났다.
5.4 산림의 방재기능
Table 6에는 A, B 및 대조구 Plots에 대한 형상비(수고/흉고 직경)의 범위와 평균값을 제시하였다. 즉, 조사대상지에 있어서 목본식생의 형상비는 A plots 88.9 > B plots 72.3 > Control plots 65.4 순으로 A plot 가장 높게 나타났다. 또한, plot별 형상비의 최댓값은 B-1 plot (166.7), 평균값은 A-1 (103.0)에서 가장 높게 나타났다. 이때 형상비가 높다는 것은 수간이 가늘고 긴 수목이 주로 자생한다는 것으로, 수목 간의 경쟁으로 수고생장이 직경생장보다 활발하기 때문에 나타난다. 형상비가 높은 임분은 산불, 병해충 등으로 수관층이 소실되었을 때 나타나며, 풍해, 설해, 기상재해에 따른 수목의 도복⋅유실로 인해 수목의 지하부에도 피해를 가져오기 때문에 수목 뿌리의 사면붕괴 방지기능이 약화하는 것이다. 즉, 수목 근계에 의한 붕괴방지력은 임령에 따라서 증가하며 일정 임령 이상이 되면 증가하지 않는 경향 때문이다(MAFF, 2015). 실제로 형상비가 80을 초과하면 풍해, 폭설 피해에 취약하므로 60 이상 70 미만이 되도록 조절하는 것이 적절하다.
즉, 조사구 중 A-1, A-3 및 B-1 plot은 80 이상의 과밀임분이며, A-1 plot은 90을 초과하기 때문에 반드시 관리가 필요할 것으로 판단되었다.
6. 결 론
수관화(樹冠火) 및 수간화(樹幹火) 등의 강한 산불이 발생한 시점에는 지피물 및 양분의 소실 등으로 인하여 수목의 생육조건이 악화될 뿐만 아니라, 2차로 토사가 유출되거나 사면이 붕괴되는 등의 산사태가 발생할 가능성이 높다고 알려져 왔지만(Marques and Mora, 1998), 산불 후 활엽수림으로 천연갱신이 진행된 산림에서의 산사태 발생 가능성에 대한 논의는 활발하게 진행되지 못하였다.
이 연구에서는 2019년 태풍 ‘미탁’에 의한 집중호우로 삼척에서 발생한 산사태가 주로 2000년 동해안 산불피해지에서 발생했다는 점에 착안하여, 산불 후의 식생천이로 회복된 산림에서 발휘될 수 있는 방재기능에 대하여 검토하였다.
그 결과, 산사태 피해지(천층붕괴지)는 대부분 정단사면에서 비교적 경사가 급해지는 곡벽사면이었고, 발생원은 1차 계류의 직상부 또는 2, 3차 계류의 계안에 위치한 0차곡에서 주로 나타났으므로, 산불산지에서는 수관의 강우 차단효과 상실로 지표면에 구곡이 형성될 우려가 크고, 토사재해 발생가능성이 높다는 것을 확인하였다. 또한, 산림구조와 생육상황을 조사하여 조사구의 목본식생은 선행연구의 산불 후 20년 이상 경과시점의 수고, 흉고직경과 유사하다는 것과 출현 종수와 개체밀도는 B plots (0.024 N/m3), 형상비는 A plots (88.9)가 높게 나타난 것도 확인하였다. 특히, 붕괴가 발생한 A, B plots에서는 수목간 경쟁으로 인해 산림의 방재기능이 효과적으로 발휘되기 위한 형상비(60 이상 70 미만)를 초과하였으므로, 산사태 방지를 위해서는 적절한 밀도관리가 필요할 것으로 판단되었다.
일반적으로 산불 후 21년이 경과한 시점에는 천연갱신에 의해 생태적으로 안정되고, 다양한 층을 갖는 활엽수림으로 천이되기는 하지만, 이러한 산림이 방재기능을 충분히 발휘한다고 할 수는 없다. 따라서 산림의 방재기능이 효과적으로 발휘되기 위해서는 생육에 매우 중요한 토양조건의 관리, 병해에 대한 취약성 검토, 산불피해지 자생 수목의 지하부와 참나무림의 맹아 발생⋅생육의 모니터링, 임분의 밀도조절, 수목 뿌리의 고정효과, 산림 토양의 전단저항력 등, 다양한 후속연구를 수행하여야 할 것으로 생각된다.
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