Applicability of Soil Erosion Models in Korean Environmental Conditions using the 137Cs Method

토양침식모형의 국내 적용가능성 평가 : 방사성 동위원소 ¹³⁷ Cs기법을 활용하여

심우진*·박수진**

Applicability of Soil Erosion Models in Korean Environmental Conditions using the

Cs Method

Woo Jin Shim* · Soo Jin Park**

* 서울대학교 지리학과 박사과정(Ph.D. Student, Dept. of Geography, Seoul National University), [email protected]

** 교신저자, 서울대학교 지리학과 교수(Professor, Dept. of Geography, Seoul National University), [email protected]

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참고문헌

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대한지리학회지

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요약 :우리나라는 높은 산지 비율과 인구밀도, 여름철 집중호우로 인한 토양침식의 위험성이 높다. 토양침식은 토지의 지속가능성을 저해하는 주요 요소로, 최근에는 토양침식 추정 모형이 광범위하게 활용되고 있다. 그러나 모형은 반영하는 변수에 따라 추정 결과의 차이가 크기 때문에 실제 발생하는 침식량을 산정하는 것으로 보기 어 렵다. 특히 대부분의 모형이 단기적인 환경변수들을 활용하기 때문에, 장기간에 걸쳐서 나타나는 침식량의 추정 에 한계가 있는 것으로 보고되고 있다. 본 연구에서는 ¹³⁷Cs 기법을 이용하여 연구지역의 1960년대 이후 평균 침 식량을 살펴본 후 국내 토양침식 연구에서 가장 많이 활용되는 RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation) 와 매개변수를 공유하는 USPED(Unit Stream Power-based Erosion Deposition) 두 모형과 비교하여 토양 침식 모형의 국내 적용가능성을 평가하였다. ¹³⁷Cs기법을 통한 침식량 분석 결과, 연구지역은 1960년대 중반 이 후 평균 28.97ton/ha의 침식이 발생하고 있는 것으로 나타났다. 이를 토지 이용 별로 살펴보면 경작지의 침식량 은 67.58ton/ha/yr, 산지는 0.02ton/ha/yr으로 분석되었다. RUSLE모형과 USPED모형이 추정한 연구 지역의 연 평균 침식량은 각각 21.28ton/ha, 12.82ton/ha로 약 2배의 격차가 나타난다. ¹³⁷Cs기법을 기준으로 두 모형 의 침식추정량을 비교한 결과, RUSLE의 연 평균 침식량은 0.73배, USPED는 0.43배 더 낮게 추정했다. 침식의 공간적 분포형태는 RUSLE가 실제 발생하는 침식 및 퇴적의 분포 형태를 USPED에 비해 더 잘 추정했다. 그러 나 두 모형 모두 산지에서 보다 경작지의 침식량이 월등히 높은 현실에 맞지 않게, 경작지의 침식 추정량을 산지 보다 부정확하게 추정했다. 이는 토양 침식 추정 모형이 국내의 집약적인 토지이용과 중단기 기간의 침식 현상을 종합적으로 반영하지 못하고 있다는 결과이다. 국내 상황에 맞는 변수 개발 및 모형 보정 등의 보완 과정이 선행 되어야 하고 토양침식 연구에 모형의 적용과 해석에 비판적인 시각이 필요할 것이다.

주요어 : 토양침식, 방사성 동위원소, ¹³⁷Cs, RUSLE, USPED

Abstract : In the case of South Korea, there is a high risk of soil erosion caused by torrential rains of sum- mer, high mountain rate, and population density. There are several ways to study soil erosion. Recently, soil erosion estimation model is most commonly used to study. However, the results of the soil erosion model are predicted value, not observed one. In particular, since most of the models utilize short-term environmental variables, it is reported that there is a limit to the estimation of erosion amount over a long period of time.

Therefore, in this study, the ¹³⁷Cs method is used calculating a soil erosion and spatial distribution to identify the soil erosion estimation model that suits domestic condition, and compared with the soil erosion estima- tion models applied by RUSLE and USPED. The result of this study is summarized as follows. First of all,

1. 서론

토양은 식량의 생산이나 산소 제공, 기후 조절 등 의 여러 이점과 기능으로 전 인류에 직·간접적인 영 향을 미치는 주요 자연자원이다(UNCCD, 2011). 그 러나 최근 무차별적인 토지의 이용과 생물물리학적, 사회경제학적 프로세스로 인해 토양이 급격하게 황 폐화되고 있다(Detsis, 2010). 토지 황폐화는 토양 침식, 사막화, 산림 파괴, 염류화, 장기간에 걸친 자 연 식생의 손실 등을 포괄하며(Nkonya et al ., 2011), UNCCD는 이를 토양의 생물학적·경제학적 생산성 의 저감을 유발하는 요인으로 정의한 바 있다.

토양침식은 퇴적물 생산 측면에서 지구 시스템 내 지형학적, 지질학적 순환의 필수적인 부분이자 (Pourghasemi et al ., 2017) 토지황폐화의 가장 일반 적이고 주요한 형태이다(Rabesiranana et al ., 2016).

또한 토양침식은 농지에 막대한 피해를 주며 때로는 수질에 회복 불가능하고 파괴적인 영향을 미치기도 한다(Mekonnen et al ., 2017; Comino et al ., 2016;

Kheir et al ., 2007). 전 지구적 환경에 대한 우려가 지구온난화와 기후 변화에 집중되고 있지만, 점점 가 속화되고 있는 토양침식은 토지의 지속가능성 측면 에서 매우 중요한 문제이다(Bissonnais et al ., 2002).

특히 우리나라의 경우, 세계 최고 수준의 인구밀도 로 인한 집중적인 토지이용형태와 국토의 반 이상을 차지하는 급경사지로 인해 강하지 않은 강우에도 토 양침식이 잘 일어난다. 또한 최근에 들어서 국민 여가

형태의 변화, 산림의 여가수요 증대, 만성질환자 증가 등 전반적인 사회여건 변화로 산지개발이 증가하고 있고, 기후 변화 등으로 인한 국지성 집중호우가 더욱 강해져 토양침식 위험이 증가하고 있는 추세이다(채 미옥 등, 2012).

토양침식은 과거에는 그 중요성을 인식하지 못하 였으나, 점차 환경에 대한 관심이 증가하면서 이에 대한 대책 및 연구가 활발히 진행되고 있다. 사면이 나 유역에서 발생하는 토양침식을 정확하게 측정하 기 위해서는 측정 방법의 설계에서부터 장기적인 계 획을 통해 파악하는 것이 가장 정확한 방법이라 할 수 있다(Nusser and Goebel, 1997). 그러나 토양침식 원인은 시공간적으로 다양하고 복잡하기 때문에 모 두 반영할 수 있는 측정은 현실적으로 불가능하다(마 호섭 등, 2012). 이러한 한계점을 극복하기 위해 최근 에는 토양침식 추정 모형이 가장 많이 활용되고 있다.

토양 침식을 추정하는 모형은 크게 실험실 내에 축소 모형을 제작하고 원형과 축소 모형 사이의 상사 법칙 이 성립된다고 가정한 모형 즉, 에너지와 질량 보존의 법칙에 근거한 물리식(physical) 기반 모형과 침식에 영향을 미치는 인자 사이의 통계적 상관관계를 규명 하고 침식량을 결과로 하는 경험식(empirical) 기반 의 모형으로 나눌 수 있다. USLE(Universal Soil Loss Equation)로 대표되는 경험식 기반 모형과 1980년대 GIS 기술의 발달과 함께 제시된 물리식 기반 모형 중 일반적으로 물리기반 모형이 비교적 더 좋은 결과를 나타내지만(Tiwari et al ., 2000; Hugget, 2011) 경험 기반 모형은 비교적 단순하고 토지피복 및 토양 침식

Key Words : Soil erosion, Radioisotope, ¹³⁷Cs, RUSLE, USPED

관리 인자와 같은 인간에 의한 토지이용의 영향을 비 교적 쉽게 반영할 수 있다는 장점이 있다.

국내에서도 토양침식은 대부분 추정 모형을 이용 하여 연구를 진행해왔으며 그 중에서도 범용 토양침 식 예측모형인 RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation)를 가장 많이 활용하고 있다. 그러나 전 세 계적으로 모형의 구동에 필요한 매개변수인 강우, 지 형, 토양, 식생피복 등의 인자들을 구하는 방법이 수 십 년 동안 수정 및 개발되어 매우 다양함에도 불구하 고 우리나라에 적합한 인자 계산 방법을 연구하고 이 를 실제 토양 침식량과 비교 분석한 연구는 많지 않 다. 또한, 토양침식 추정 모형은 경험적·통계적 연구 에 기반하거나 에너지와 질량 보존 법칙에 근거하여 토양침식 및 퇴적을 추정하는 연구방법으로 유역 내 에서 발생하는 토양침식량을 쉽게 추정(predicted) 할 수는 있지만 실제 발생하는 침식량을 측정(mea- sured)하지는 못한다(Croke and Nethery, 2006).

방사성 동위원소를 이용하는 토양침식 연구 방법 은 이러한 문제점들을 극복할 수 있는 방법으로 토양 침식량을 구하는 빠르고 경제적인 방법으로 평가받 고 있다(Mabit et al ., 2014). 1970년대 이후 여러 학 자들에 의해 각광받기 시작한 방사성 동위원소를 이 용하는 토양침식 연구 방법은 여러 학자들에 의해 그 가능성과 적용성을 인정받았다(Rogowski and Tamura, 1970; Ritchie et al ., 1974; Walling and Quine, 1991; Bernard and laverdière, 1992; Zu- panc and Mabit, 2010; Guzman et al ., 2013). 또한 여타 다른 토양침식 연구 방법에서 반영하지 못하는 중단기 기간의 토양침식에 대한 정보를 제공하며 연 구 지역 토양의 침식과 퇴적에 관한 공간적 분포를 제 시할 수 있기 때문에(Nouira et al ., 2003; Rabesira- nana et al ., 2016) 60년대부터 발생하고 누적된 토양 침식량에 대한 정보를 토대로 앞으로의 보전 대책을 보다 더 합리적으로 계획할 수 있다.

이러한 이점에도 불구하고 국내에서는

Cs기법을 활용한 토양침식연구 사례는 매우 드물다. 따라서 유 역의 절대적 침식량을 산출하고 유역 내의 토양 흐름 에 대한 공간적 분포를 파악하기 위한 방법으로

Cs 기법의 적용이 요구된다. 또한, 방사성 동위원소 기법

의 이점을 활용하면 기존 토양침식 추정모형의 국내 적용 시 침식량 산출 정확도를 파악할 수 있다.

그러므로 본 연구는 국외에서 활발하게 진행되어 그 가치를 인정받았지만 국내 적용사례가 거의 없는 방사성 동위원소

Cs을 활용하여 60년대 이후 한 해 평균 토양침식량을 산정하고 이를 국내·외에서 널리 사용하고 있는 토양침식 추정모형과 비교해봄으로 써 토양침식 모형의 국내 적용가능성을 파악하고자 한다.

2. 문헌연구

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Cs를 이용한 토양침식 연구 방법은 토양 유실의 공간적인 변이와 그 정도(maginitue)를 연구할 수 있 다(Porĕba et al ., 2003). Walling and Quine(1991), Wallbrink and Murray(1993), Olley et al .(1993) 등 은

Cs를 이용한 토양침식 연구 방법을 유역단위에 적용 가능하기 때문에 퇴적물의 근원(source)을 파악 할 수 있는 방법이라고 소개하기도 했다. 즉, 다른 여 러 방법들과는 다르게

Cs을 이용한 토양침식 연구 방법은 토양의 흐름에 관한 공간적 배경을 포함하고 있기 때문에 토양의 침식과 퇴적 지역을 구분할 수 있 으며, 반감기를 갖기 때문에 중단기 기간의 토양 재 분포율을 분석할 수 있다. 또한 토양 시료 채취를 통 한 분석 방법이기 때문에 실측을 통한 절대 토양침식 량을 살펴볼 수 있는 장점이 있다.

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Cs을 이용하는 방법이 침식 연구에 이용될 수 있

는 이유는

Cs의 분포 및 이동 특징 때문이다. 1950

년대부터 60년대까지 전 지구적으로 활발하게 진행

된 대규모 핵 폭발실험으로 생성된

Cs은 대기에 머

물다 오랜 시간에 걸쳐 강우에 의해 지표면에 낙하

한다(Bishop et al ., 1991). 낙진 형태로 지표면으로

강하하는

Cs은 점토광물 및 유기물 등의 토양입자

와 직접적으로 강하게 흡착하기도 하며(Ritchie and

McHenry, 1973) 식생이 흡수하고 토양에 전이시키

거나 죽은 후 부패하는 과정에서 간적접으로 토양

에 흡착되기도 한다(Rogowski and Tamura, 1970).

이 과정에서 토양으로부터 작물에 전이된

Cs 양은 무시해도 될 만큼 미비한 수준이다(Dahlman et al ., 1975). 흡착된

Cs은 물과 바람 등의 여러 원인들로 인해 토양입자와 함께 매우 느리게 이동하며, 육상 및 해상으로 유입되어 퇴적되기도 한다(Tamura, 1964;

Ritchie and McHenry, 1990). 즉, 토양 내

Cs의 재 분포는 침식과 이동, 퇴적 혹은 경작활동 등의 인위적 교란, 홍수 등의 자연재해와 같은 물리적인 프로세스 가 지배적인 영향을 미치므로

Cs을 통한 토양침식 추적이 가능하다.

토양침식 측정을 위한

Cs 방법은 1960년대부터 적용되기 시작하여 현재까지도 토양의 침식과 퇴적 에 관한 연구에 활용되고 있다.

Cs을 이용한 토양 침식 연구는 Yamagata et al .(1963)로부터 시작되었 다. 이 연구에서 유역 내의

Cs와

Sr 손실이 유출 에 의한 것이라는 결론을 내리면서 토양침식 추적자 (tracer)로써

Cs의 역할에 대한 연구가 많이 이루 어지기 시작했다. Tamura(1964)는 미국 테네시 주에 실험구를 설치하고 토양에

Cs를 추가시켜가며 연 구를 진행한 끝에

Cs의 유실과 토양침식 간의 강력 한 상관관계를 밝혀냈다. 그 뒤에도 Rogowski and Tamura(1970)는 지표유출에 의한

Cs의 이동과 토 양침식과의 관계를 증명했으며, 토양 입자로의 강 력한 흡착도 확인하였다. 뿐만 아니라 Tamura and Jacobs(1960), Schulz et al .(1960) 등은 토양 입자 와

Cs의 흡착에 관한 연구를 진행하였으며 Dumat and Staunton(1999) 등에 의해 유기물과의 흡착 도 연구되었다. 또한, Brown et al .(1981)을 필두로

McHenry and Bubenzer(1985) 등이 토양 단면에 존재하는

Cs와 퇴적에 관한 연구를 진행하였으며, Lobb et al .(1995), Quine et al .(1999), Schuller et al .(2004) 등은 경작지의

Cs 분포에 관한 연구를 진 행했다. 이와 같은

Cs기법은 여러 학자에 의해 북 반구의 여러 나라, 여러 환경에서 적용되었고 그 합당 성을 인정받았다.

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Cs를 이용한 토양침식 연구 방법은 몇 가지 가정 을 필요로 한다. Brown et al .(1981)은

Cs기법에 필요한 몇 가지 가정을 다음과 같이 정리하였으며 본 연구도 이러한 가정 하에 수행되었다.

첫째, 1953년 초반부터 대기권 핵실험의 결과로

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Cs의 낙진이 계속되고 있다.

둘째,

Cs은 연구대상지 표토에 신속하고 강력하 게 고정되거나 흡착된다.

셋째, 낙진 형태로 지표에 도달하는

Cs은 초기에 는 대상지역 전 면적에 고르게 분포되며 특정 지역에 집중되지 않는다.

넷째, 침식된 토양입자가 퇴적하는 지역으로 운 반될 때 토양 입자크기에 따른 이동속도에는 차이가 없다.

다섯째, 식물체로 전이되는

Cs 농도는 미미하며, 연구대상지 전체에 걸쳐 고르게 발생한다.

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Cs을 통한 토양의 공간적 분포에 관한 연구가 국 외 침식연구에 활발히 적용되어 그 가능성을 인정받 았음에도 불구하고 우리나라에서는 연구사례가 매 우 적다. 국내의

Cs에 관한 연구의 대부분은 토양과 의 흡착 및 거동에 관한 연구(엄수길 등, 1986; 엄철 홍, 1990; 이명호 등, 1995; 차현주 등, 2004; 한상준, 2004; 천경호, 2005; 장공만 등, 2006)이고 이 외에 식물로의 전이(최용호 등, 1997; 강태우 등, 2001)에 관한 연구, 토양 오염에 관한 연구(원휘준 등, 1999;

박욱량 등, 2013)가 주로 이루어졌다. 드물지만

Cs 을 이용한 침식과 퇴적 연구도 존재한다. 먼저 Men- zel et al .(1987)은 인천, 수원, 예산, 밀양의 경작지 와 퇴적지 등 총 25개 지역의 토양 시료 채취를 통해

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Cs을 이용한 연 평균 침식량을 산정하였고 그 결과 평균 13ton/ha/yr으로 제시한 바 있다. 또한 김계훈 (1995)은

Cs이 검출된 퇴적층을 기준으로 전남 해

(Ritchie and McHenry, 1990 수정)

남의 산수저수지의 연간 퇴적률(1.56cm/yr)을 분석 하였다. 고석형(2010)은

Cs을 이용하여 제주도 한 라산 백록담의 1963년도에 발생한 퇴적량을 산출하 고 63년 이후 형성된 퇴적단면을 추정하였다. 또한 Meusbergur et al .(2013, 2016)은 강원도 양구 해안 면을 대상으로

Cs을 이용한 침식연구를 진행한 바 있다. Meusbergur et al .(2013)은 해안면의 한 사면을 대상으로 질소와 탄소 안정동위원소의 토양침식 지표 로의 적합성을 검증하는 과정에서

Cs을 이용한 토 양 침식량을 0.9t~7t/ha/yr로 밝혔다. Meusbergur et al .(2016)은

Cs 이외에도

Pb

,

Pu 등을 이용하여 해안면의 침식량을 산정하였으며, 해안면의 최대 침식률은 약 25t/ha/yr로 밝혔다.

3. 연구지역 및 방법

1) 연구지역

연구지역은 강원도 평창군 상진부리 주변지역으로 남한강상류 오대천 유역에 속한다. 이 지역을 연구지 역으로 선정한 이유는 다음과 같다. 먼저, 기준지역 (Reference site) 설정의 편의성이다. 방사성 동위원

소로 토양침식량을 추정하는 기법에서 가장 중요한 점은 기준지역을 적절하게 선정하는 것이다(Walling and Quine, 1991). 기준 지역을 선정하는 조건은 핵 실험 발생 이후부터 인위적 훼손이나 교란이 매우 적 거나 일어나지 않은 곳, 침식과 퇴적에 영향을 적게 받는 상대적으로 평평한 곳, 연구지역과 비슷한 연평 균 강우량을 보이는 지역, 다른 토양 채취 지점들과 지질적 조건이 같은 지역이다(Porĕba, 2006). 본 연 구에서 선정된 연구지역의 산지는 경사가 급하고 식 생이 높은 밀도로 조성되어 있으며 등산로가 조성되 지 않은 상태로 인위적인 영향이 상대적으로 심하지 않다. 또한 주변 마을과의 거리가 상당히 멀어 이용객 으로 인한 교란이 적은 지역으로 판단했다. 이러한 이 유로 다른 지역에 비해 인위적 교란이 거의 없는 기 준 지역을 선정하기 용이하다고 판단할 수 있었다. 또 한 실제 농민과의 인터뷰를 통해 연구지역에는 토지 의 생산성을 높이기 위하여 일반적으로 행해지는 복 토작업을 하지 않은 것으로 확인되어 경작지도 방사 성 동위원소 기법에 필요한 조건을 충족할 수 있었다.

또한 연구지역은 전체적인 토양 채취 작업이 가능 한 단일 소유역 단위로 산지와 경작지가 함께 나타나 기 때문에 침식량의 차이를 파악하기 용이하며, 다양 한 지형단위를 포함하고 있기 때문에 여러 요소에 따 른 침식량의 공간적 분포를 파악할 수 있다.

그림 2. 연구지역 위치와 지형기복(왼쪽), 시료 채취 지점 및 기준지역의 위치(오른쪽)

2) 연구방법

(1) 시료 채취 지점 및 분석기기

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Cs을 이용한 토양침식 연구방법은 시료 채취 지 점과 기준 지역의

Cs 총량(inventory) 비교를 기본 으로 한다(Ritchie and McHenry, 1990). 연구에 설 정되는 기준 지역은 그 지역의

Cs 총량을 대표하 기 때문에 기준 지역은 토양의 침식과 퇴적의 영향 을 가장 적게 받는 지역으로 설정되어야 한다. 다음으 로 연구 지역의 토양 시료를 채취하여 채취한 토양 내

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Cs 총량이 선정된 기준 지역의

Cs 총량보다 적을 경우 침식이 우세한 지역으로, 그 반대일 경우 퇴적이 우세한 지점으로 판단할 수 있다(Porĕba, 2006).

본 연구에서는 토양침식의 공간적 분포를 모의하 는 목적이 있으므로 시료 채취 지점의 수는 산지지역 과 경작지지역이 비슷하게 설정하였고 연구지역의 여러 사면이 모두 포함할 수 있도록 소유역 전체를 대 상으로 채취 계획을 설계하였다. 이에 따라 총 7개의 축선을 설정하여 계곡부와 능선부를 모두 포함시켜 지형 단위의 다양성을 고려하고자 하였다. 채취한 토 양 시료는 풍건 후 분쇄하여 2mm 토양체로 체질하 였다. 준비된 시료 내 방사선이 가지는 에너지를 전기 로 변환하여 방출량을 측정하는 고순도 게르마늄 검 출기(HPGe: High Purity Germanuim)를 이용하여

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Cs의 총량을 측정하였고, 이 과정은 한국기초과학 지원연구원 오창센터 환경과학연구부에

Cs 방사성 동위원소 분석을 의뢰하였다.

(2)

Cs를 활용한 토양침식 및 퇴적량 산정

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Cs 분포의 특징을 이용하여 토양의 침식 혹은 퇴 적량을 정량화하기 위하여 지금까지 많은 경험식 기 반의 모형과 물리식 기반의 토양침식 모형이 개발되 어 왔다. 경험식 기반 모형은

Cs 손실과 토양입자 이탈 사이의 관계를 설명하기 위해 개발되었으며 침 식이 일어나는 지역의

Cs 손실과 토양 손실을 측정 한 후 이들의 통계적 관계를 기반으로 한다. 이러한 경험식 기반 모형은 상대적으로 이용하기 쉽지만 작 은 실험구 안에서 세워진 관계에 관한 방정식이기 때 문에 다른 지역에의 적용이 어렵다는 한계점이 있다

(Ritchie et al ., 1974; Ritchie and McHenry, 1975).

또한

Cs를 이용하는 경험식 기반 모형은 왜곡 되지 않은 산지와 같은 지역과 인위적 왜곡이 발생 한 경작지 지역에 같은 모형이 적용된다. 두 지역에 서의

Cs이 분포하는 깊이가 달라 경작지 지역에서 토양침식을 과소추정하고 왜곡되지 않은 지역의 토 양침식을 과대 추정할 수 있기 때문에 문제가 된다 (Ritchie and McHenry, 1973; Walling and Quine, 1990; Porĕba et al ., 2003).

경험식 기반 모형의 한계점을 극복하기 위해 개발 된 물리식 기반 모형들은 일반적으로 교란이 발생한 지역과 교란이 발생하지 않은 지역을 따로 구분하여 각각 다른 모형을 적용한다. 교란이 발생한 경작지 지 역에 적용하는 물리식 기반 모형의 대표적인 예는 비 례 모형(proportional model), 질량 균형 모형(mass balance model), 선택적 흡착 모형(selective sorp- tion model)이 있다. 본 연구에서는 비례모형으로 경 작지의 토양침식량을 계산하였다. 비례 모형(De et al ., 1983)은 경작층 내의

Cs는 고르게 혼합되어 있 다고 가정하며 토양침식은

Cs 손실과 비례하다고 본다. 비례 모형의 다음과 같은 식으로 구성되어 있다.

Y=10 100T BdX

Y: 연간 토양 침식량(t/ha/yr) B: 토양의 용적 밀도(km/m

) d: 경작층의 깊이(m)

X:

Cs총량의 손실 비율(( A

-A A

)× 100) A

: reference site 내

Cs 총량(Bq/m

) A: 토양 시료 채취 지점 내

Cs 총량(Bq/m

) T:

Cs 축적이 발생한 이후 경과 시간(yr)

교란이 발생하지 않은 지역에 적용하는 모형은 경

작지에 적용하는 모형보다 그 수가 적다. 이는 농업

적 프로세스와 같은 인위적인 혼합작용이 없기 때문

에

Cs의 수직적 분포가 단순하기 때문이다(He and

Walling, 1997; Porĕba et al ., 2003). 대표적으로 토

양 단면 분포 모형(profile distribution model)과 분

산 모형(diffusion model)이 있는데 이 연구에서는

토양 단면 분포 모형을 이용하여 산지 지역 토양의 침 식량을 계산하였다. 토양 단면 분포 모형은 교란이 발생하지 않은 지역의 토양에서 토심이 깊어질수록

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Cs이 감소한다고 가정하며 다음과 같은 식으로 구 성된다.

10 X

Y= t-1963 ln(1- 100 )h

Y: 연간 토양 유실량(t/ha/yr) t: 토양 시료 채취 년도

X:

Cs총량의 손실 비율(( A

-A A

)× 100) h

: relaxation depth

토양 시료 채취는 2014년 6∼8월까지 실시하였으 며, 지름 5cm, 깊이 30cm의 알루미늄 튜브를 제작 및 이용하였다. 채취 전에 분해되지 않은 유기물을 제 거하였으며, 지표에서 20cm까지의 토양을 채취하였 다. He and Walling(1996)은 교란되지 않은 토양은 표토에 가장 높은

Cs 농도를 보인다고 밝혔고 경작 지 토양은 경작에 필요한 인위적인 혼합작용에 의해 토양층 전체에 고른

Cs 분포양상을 보인다고 했다.

이에 따라 산지와 경작지 모두 표토 20cm의 범위에 서

Cs이 검출될 것이라 판단하였다.

채취한 토양 속

Cs 총량과 토양 특성의 일반성을 확보하기 위하여 첫 시료 채취 지점에서 반경 1m 이 내의 다른 지점을 선정하여 같은 방법으로 채취하여 2번 반복하였다. 이와 같은 방법으로 총 71개의 시료 를 채취하였고 토양 시료는 채취 직후 밀봉하여 분석 직전까지 냉동 보관하였다.

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Cs를 이용한 토양침식 기법에서 핵심이 되는 기 준 지역은 해당 조건에 맞춰 연구지역에서 가장 높고 평탄한 지역으로 총 두 곳을 설정하였다. 기준 지역은 연구지역 남서쪽의 해발고도 870m 지점과 북쪽의 해 발고도 835m에 해당하는 지점으로 연구자의 판단과 지역 주민과의 인터뷰를 통해 사람의 출입이 거의 없 고 해발고도가 주변 지역에 비해 높으며 침식 및 퇴적 에 영향을 받지 않는 평탄한 지역을 설정하여 채취하 였다. 기준 지역의 토양 채취는 산지와 경작지에서 행 한 다른 시료 채취와는 다르게 반경 1m 이내에서 총

3번씩 채취하여 합한 후 분석하였다.

(3) 토양침식 추정모형

본 연구에서는 경험기반 모형의 대표적인 기법이 자 가장 많은 연구에서 가장 많이 사용 중인 RUSLE 와 이와 같은 매개변수를 이용하여 토양의 침식 및 퇴 적량을 산정할 수 있는 USPED를 중심으로 연구지역 의 토양 침식을 추정하였다.

① RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation) USLE 모형은 농업지역의 토양 침식량을 산정하 기 위하여 Wischmeier and Smith(1965)에 의해 약 15,000개의 실험구를 기반으로 산정된 경험식 기반 모형이다. 이후 USDA(1996)은 해당 실험구 이외에 도 광범위하게 적용할 수 있도록 기후인자의 수정, 토 양 침식성 인자 개발, 지형인자에 대한 수정 및 식생 인자 산정을 위한 계산 과정 개발 등을 추가한 개정범 용토양손실공식(RUSLE)을 발표하였다. RUSLE모형 은 아래의 식과 같이 총 5개의 인자로 구성된다.

  A=R×K×LS×C×P

A: 연평균 토양 침식량(t/ha/yr) R: 강우 침식인자(J/m

) K: 토양 침식인자(ton/ha/R)

LS: 사면경사길이 및 경사인자(무차원) C: 식생피복인자(무차원)

P: 토양보전대책인자(무차원)

강우침식인자(R)를 산정하기 위해 개발된 계산식

은 여러 가지가 있다. 그 중에서 토양 침식 추정에서

강우가 마치는 영향을 가장 적절하게 표현하는 것으

로 평가받는 방법은 강우의 운동에너지(kinetic)를 이

용하는 것이다(Morgan, 2005). 이를 이용한 Roose

(1974)의 방법은 국립방재연구원(2011)의 연구에서

국내 적용성을 검토한 결과, 강우자료 범위의 제한성

이 드러났고 특히 산지에의 적용이 어렵다고 평가했

다. 본 연구에서는 Toxopeus(1998)의 방법을 이용하

였다. 이 방법의 결과는 정필균 등(1983)의 연구에서

제시한 국내의 강우 침식선도와 유사하기 때문에 국

내의 적용가능성이 확인되었다(김태준, 2005).

  R=38.5+0.35×P R: 강우침식인자

P: 연평균 강우량(mm/yr)

토양침식인자(K)는 국립농업과학원이 밝힌 국내 토양통 별 토양침식인자를 이용하였다. 연구지역의 토양통은 무이(Mu)통, 월정(Wj)통이며 토양침식인자 는 Wischmeier 도표에 의해 각각 0.14, 0.11이다.

Desmet and Govers(1996)는 Foster and Wisch- meier(1974)가 제안한 복잡한 경사지에서 경사가 일 정한 구간을 나누어 지형인자를 산정하는 방법을 GIS 환경에서 산출할 수 있게 제안하였다. 또한 복잡한 지 형 위를 흐르는 유수의 흐름 역시 복잡한 형태를 보 이는 것에 착안하여 단일흐름 방향 알고리즘보다 다 중흐름 방향 알고리즘 적용이 타당하다고 밝히며 아 래와 같은 식을 제안하였고, 본 연구에서도 이 방법에 의해 지형길이인자(L)를 산출하였다. 이 때, 사면경 사 길이가 과대 산정되는 문제를 피하기 위해 장영률 (2002)의 연구와 RUSLE 메뉴얼을 참고하여 120m로 최대사면길이를 제한하였다. 사면경사인자(S)의 경 우, 사면기울기 9%를 기준으로 RUSLE 매뉴얼을 참 고하여 적용하였다.

(A

+D

)

-A

L

=

m+1

X

×D

×(22.13)

X

=(|sinα

|+|cosα

|) L

: 각 격자의 길이인자

A 

: 격자에 유입되는 사면유역지수(upslope

contributing area) D: 래스터 격자 크기

X

: 흐름방향에 직교하는 등고선 길이 α

: 격자의 방향

S=10.8sinθ+0.03 σ≤9%

S=16.8sinθ-0.50 σ>9%

θ: 사면경사도(°) σ: 사면기울기(%)

박경훈(2003)은 국내·외의 문헌을 토대로 국내 상

황에 적합한 식생피복인자(C)를 산정하였으며, 본 연 구에서 활용한 환경부 중분류 토지피복 유형별 값을 제시하였기 때문에 식생피복인자는 박경훈(2003)의 연구를 따랐다.

표 1. 토지이용형태별 식생피복인자

토지이용 C factor 토지이용 C factor

농 업

논 0

도심 지역

밀도 낮음 0.002

밭 0.24 밀도 높음 0.001

과수원 0.2 공업 지역 0

산 림

침엽수림 0.004 도로/철도 0

활엽수림 0.009 수계 하천 0

혼합림 0.007 초지 0.05

기타 0

침식조절인자(P)는 지표면의 경작지 형태에 따른 토양 침식의 비로 정의된다. RUSLE에서는 크게 등고 선 경작(Contour cropping), 등고선 대상경작(Con- tour strip cropping), 테라스 경작(Terrace crop- ping)으로 분류한다. 우리나라의 경우 밭과 과수원은 주로 등고선을 따라 경작이 이루어지므로 등고선 대 상 경작형태를 보이며, 논의 경우 계단식으로 경작하 므로 테라스 경작형태에 속한다(Renard et al ., 1997;

오정학 등, 2011).

표 2. 경작형태별 침식조절인자

경사(%) 등고선 경작 등고선

대상 경작 테라스 경작

0.0∼7.0 0.55 0.27 0.10

7.0∼11.3 0.60 0.30 0.12

11.3∼17.6 0.80 0.40 0.16

17.6∼26.8 0.90 0.45 0.18

26.8 이상 1.00 0.50 0.20

② USPED(Unit Stream Power-based Erosion Deposition)

USPED는 정상 조건에서의 강우 시, 유출에 의한

토양의 침식과 퇴적을 예측하는 모형으로(Mitasova

et al ., 1996; Mitas and Mitasova, 1998) RUSLE와 는 다르게 2차원의 토양 침식량을 산정한다. 또한 RUSLE가 강우로 인한 침식량을 추정하는 모형이라 면 USPED는 유수의 운반능력에 따른 침식과 퇴적을 예측하는 모형이라고 할 수 있다(서일규 등, 2010).

국내에서는 주로 범용성이 높은 USLE와 RUSLE모형 을 많이 이용해 왔다. 그러나 USLE는 미국 동부의 대 평원 지역에서 개발된 모형으로 우리나라와 같이 산 악지형이 많고 평균 경사가 높으며 국지성 호우가 발 생하는 지역에서는 걸리(gully) 침식이 발생하는 등 환경적인 요인이 달라 모의하는데 한계가 있다(강현 우 등, 2010). 이에 반해 USPED모형은 지형의 요철 을 고려하여 토양의 침식과 퇴적을 추정할 수 있는 장 점을 지닌다(Mitasova et al ., 1996).

USPED에 대한 매개변수들의 계산 방식에 대해서 는 실제 연구가 부족뿐만 아니라 필요한 자료도 매우 정교하여 결과 산출에 어려움이 있지만 Mitasova et al .(1996), Mitas and Mitasova(1998)는 USPED에 필 요한 매개변수를 RUSLE의 침식인자로 대체하여 운 반능에 대한 공식과 순 침식/퇴적량 비율을 구할 수 있는 대안을 제시했다. m, n은 면상 침식이 우세한 지역일 경우 1로, 세류침식이 우세한 지역일 경우 m 은 1.6 으로 n은 1.3으로 적용한다.

  T=RKCPA

(sinθ)

T: 운반능

R: 강수에 의한 침식인자 K: 토양에 의한 침식인자

C: 식생(지표피복)에 의한 침식인자 P: 경지개간 형태에 의한 침식조절인자 A: 유역의 면적(km

)

θ: 경사도

m, n: 토양 침식 종류에 따른 계수 d(Tcosα) d(Tsinα) ED= dx + dy ED: 순 침식양과 퇴적양 비율 T: 운반능

α: 사면의 향

4. 결과

1) 토양 내

Cs 총량과 공간적 분포

채취한 시료 내

Cs총량을 분석한 결과, 평균 2.92±3.18Bq/kg, 0∼11.50Bq/kg의 범위로 나타났 다. 토양 시료 71개 중 약 53%인 38개의 시료에서

137

Cs이 검출되었다. 검출된 시료의 최소값은 1.4Bq/

kg, 최대값은 11.5Bq/kg이며 평균과 표준편차로 구 할 수 있는 변동계수 역시 108.9%로 변이성이 매우 크다.

표 3. 토양 시료 내 측정된 ¹³⁷Cs 총량의 통계 요약

평균 표준편차 최소값 최대값

전체

(n=71) 2.92 3.18 0 11.50

연구 지역

Cs 총량 분포의 변이성이 크게 나타나 는 이유를 파악하기 위해 내삽 기법 중 크리깅 기법을 이용하여 살펴보았다. 공간적 분포 형태는 해발고도 가 높고 경사가 급한 산지에서

Cs 총량이 높게 나 타나는 것을 확인할 수 있다.

그림 3. 연구지역 내 ¹³⁷Cs의 공간적 분포 형태

방사성 동위원소 기법으로 토양침식량을 산정하 기 전에 연구지역 내

Cs의 공간적 분포가 토양침식 에 의한 물질이동이 아닌 다른 공간 변수들의 영향인 지를 먼저 파악할 필요가 있다. 분포의 형태적 특성과

137

Cs의 흡착특성을 고려하여 해발고도, 경사도, 유기 물함량을 변수로 선정하였다. 이 변수들이

Cs 총량 의 분포에 미치는 영향을 정량적으로 파악하기 위해 상관계수를 살펴본 결과가 표 4이다.

표 4. 공간변수들과 ¹³⁷Cs 총량 사이의 상관계

경사도 해발고도 유기물함량

137Cs 총량 0.580 0.581 0.564

경사도와

Cs 사이는 상관계수(r) 0.580의 양의 상관관계를 보인다. 이를 보다 더 세분화하여 경사 도 15°를 기준으로 완경사지와 급경사지로 나누어 살펴보면, 완경사지의

Cs 총량은 1.33±2.33Bq/

kg, 급경사지는 4.34±3.19Bq/kg로 나타났다. 또 다 른 공간변수인 해발고도도 경사도와 매우 비슷하게 상관계수 0.581로

Cs 총량과 양의 상관관계를 보 인다. 토양의 물질이동 측면 살펴보면 완경사지보 다 급경사지에서 토양입자의 이동이 활발하게 일어 나기 때문에

Cs의 이동 역시 급경사지에서 활발 하다. 유역 내

Cs의 이동에는 생·화학적인 작용보 다 물리적 프로세스가 절대적인 영향을 미치기 때문 이다(Dahlman et al ., 1975, Ritchie and McHenry, 1990). 그러나 연구지역은 이와 반대로 급경사지에서 더 높은

Cs 총량이 나타났다. 선행 연구들은 토지 이용이 동일한 지역의 급경사지와 완경사지를 비교 한 결과이지만, 본 연구 지역은 토지이용상의 차이가 나타난다. 즉,

Cs총량이 급경사지에서 더 높은 것 은 선행연구와 반대되는 결과가 아닌 경사도와 해발 고도보다

Cs총량의 공간적 분포에 더 크게 영향을 미치는 다른 공간 변수가 존재하는 것으로 해석해야 할 것이다.

137

Cs은 토양입자 특히 점토광물에 강하고 빠르게 흡착되는데 그 흡착능력을 결정하는 것이 유기물 함 량이므로(Tamura, 1964) 해발고도와 경사도 이외의 변수로 유기물 함량과 비교하였다. 채취지점 별 유

기물 함량과

Cs의 비교 결과도 앞선 경사도, 해발 고도와 마찬가지로

Cs 총량과 약한 양의 상관관계 를 보이고 있다. Mabit and Bernad(1998)은 유기물 함량과

Cs 총량 사이에 단순 선형 관계가 존재한 다고 밝혔으며(r=0.79), De(1986)도 역시

Cs와 유 기물 함량 사이에 강한 선형 관계(r=0.81)가 성립된 다고 제시했다. 선행연구들의 결과에 비해 상관계수 가 낮은 이유는 연구를 실시한 시기의 차이로 보인 다. 본 연구와 소개한 선행 연구는 10∼20년 정도의 시간적인 격차가 존재한다. 시간의 흐름에 따라

Cs 의 총량도 물리적 프로세스에 의해 이동하여 소실되 며 유기물도 지속적으로 유입되기 때문에 수치적으 로 조금 더 낮은 상관관계로 나타난 것으로 판단된다.

Komamura and Tsumura(2006)에 따르면 일본 전국 15개 지역에서 조사한 20cm 깊이 내의 토양 중

Cs 총량은 4∼5년 후에 실시된 조사에 비해 2배 이상 높 게 나타나는 것을 밝혔다. 이러한 선행연구로 시간의 흐름에 따른

Cs 농도의 손실을 파악할 수 있기 때 문에 연구지역의

Cs 총량과 유기물 함량 사이의 더 낮은 상관관계를 설명할 수 있다. 연구지역의 유기물 함량 역시 어느 정도

Cs 총량의 분포에 영향을 미 치고 있지만 상관계수가 0.566에 불과하여 경사도와 해발고도와 마찬가지로 분포 형태의 일부만 설명할 수 있을 뿐이다.

표 5. 연구지역 토지이용 별 ¹³⁷Cs 총량

평균 표준편차 최소값 최대값

산지 4.78 2.92 0.00 11.50

경작지 0.31 0.81 0.00 2.80

연구지역은 해발고도가 상대적으로 높고 급경사지

에 형성되어 있는 산지와 해발고도가 낮고 경사가 완

만한 지역에 나타나는 경작지로 구분할 수 있다. 유기

물 함량은 식생과 밀접한 관련이 있으므로(Gerrard,

2000; Brady and Weil, 2008) 연구지역의 해발고도,

경사도, 유기물을 모두 포괄할 수 있는 요소는 토지이

용이라고 할 수 있다. 이에 따라 토지이용형태로 구분

하여 살펴보면 산지의 평균

Cs 총량이 4.78Bq/kg

로 경작지의 평균 총량 0.31Bq/kg에 비해 월등히 높

은 수치를 보였다. 보다 자세하게 살펴보면 산지 시 료의 경우 약 83%에 해당하는 시료에서

Cs이 검출 된 반면, 경작지 시료의 경우 92.5%에 해당하는 시료 에서

Cs이 검출이 되지 않아 경작지의 인위적인 농 경활동이

Cs의 이탈에 직접적으로 작용하고 있음 을 파악할 수 있다. 토지이용에 따른

Cs의 분포 차 이는 Ritchie and McHenry(1973)의 연구에서도 확 인할 수 있다. 이들은 경작지의 토양과 경작되지 않은 토양에서의

Cs 총량을 비교 연구한 바 있는데, 이 들은 경작지 토양은 인위적인 교란 작용으로

Cs의 용탈이 빠르게 진행되며 그에 비해 교란이 적은 산지 지역은

Cs의 총량이 높다고 밝혔다.

즉, 연구 지역 내

Cs 분포에 가장 많은 영향을 미 치는 요인은 토지이용 차이라 할 수 있다. 토양에 강 하게 흡착되는

Cs은 토양입자와 함께 이동하기 때 문에 인위적인 경작활동이 활발하게 진행되는 경작 지에서 그 값이 낮게 나타나고 상대적으로 안정적인 산지지역의

Cs 총량이 높게 나타난 것으로 볼 수 있다.

2) 연구지역의 침식량 및 퇴적량과 공간적 분포

표 6. ¹³⁷Cs기법을 통한 연구 지역의 침식량

평균 표준편차 최소값 최대값

전체 28.97 35.07 -0.17 85.71

경작지 67.58 15.11 24.12 85.71

산지 0.02 0.06 -0.17 0.13

137

Cs기법들을 통한 침식 혹은 퇴적량 분석 결과, 연구 지역은 1963년 이후로 연평균 28.97ton/ha 의 침식이 발생하고 있는 것으로 나타났다. 토지 이 용 별로 살펴보면 경작지 지역의 침식량은 67.58±

15.11ton/ha/yr이고 산지 지역의 침식량은 0.02±

0.06ton/ha/yr으로 연구 지역에서 극심한 토양침식 이 발생하는 지역은 모두 경작지이고 침식이 거의 발 생하지 않고 안정적인 상태를 유지하는 지역은 산 지지역임을 확인할 수 있다. 산지 지역의 최소값인 -0.17은 음수로

Cs 기법의 해석상 퇴적을 의미한 다. 시료 채취 지점 중 1963년 이후 지형적 특징이나

외부적 요인 등으로 인해 퇴적이 발생한 곳이 있는 것 으로 해석할 수 있지만 이는 추후 보완 연구를 통해 확인할 필요가 있다.

28.97ton/ha으로 산정된 연구 지역의 침식량은

137

Cs을 통해 저수지의 퇴적률 연구와 함께 주변 지 역 침식량을 파악한 김계훈(1995), Meusbergur et al .(2016)의 연구결과인 25ton/ha/yr과 비슷하게 나 타나 60년대 중반 이후 국내에서 발생한 연 평균 토 양침식량을 대략적으로 확인할 수 있는 결과이다.

경작지에 집중되어 나타나는 연구 지역의 침식은 이 지역의 토지 이용과 관련이 깊다. 연구 지역은 시 간의 흐름에 따라 산림면적이 감소하고 경작지면적 이 증가하고 있는 지역으로 산지개간을 통해 경작지 를 확장하고 있다. 산림 개간은 비합리적인 토지이용 으로(유동선 등, 2007) 토양 입자의 인위적 재분포를 강제하고 개간이 진행된 사면은 생태적인 안정성을 잃게 되고 식생의 밀도가 약화되면서 토양 침식이 확 대된다(이민부 등, 2003). 또한, 연구 지역과 같이 토 양 보전 대책이 부족한 상황에서 발생하는 집약적 토 지이용은 많은 토양 침식을 유발하는 주요 원인으로 판단된다.

본 연구에서 채취한 기준 지역 두 곳의 토양에서 검출된

Cs 총량은 1,369.25Bq/m

(4.2Bq/kg)과 1,871.67Bq/m

(6.1Bq/kg)으로 평균 1,620.46Bq/

m

이다. Menzel et al .(1987)은 1984년 인천, 수원, 예산, 밀양 등의 토양 시료를 채취하고 이를

Cs기 법을 통해 토양침식량을 산정한 바 있다. 이 연구에 서 밝힌 기준 지역의

Cs 총량의 평균은 3,541Bq/

m

이고 2,268∼4,510Bq/m

의 범위를 보여 본 연구

에서 검출된 것과는 상당히 다른 것을 알 수 있다. 그

러나 방사성 동위원소

Cs은 반감기(30.2년)를 갖

는다. 북반구에서

Cs이 처음 검출되기 시작한 시점

이 1954년 초(Cambray et al ., 1989)라는 것을 상기

해봤을 때, Menzel et al .(1987)의 연구에서 토양 시

료 채취가 진행된 1984년과 본 연구의 채취 시점인

2014년 사이에는

Cs의 반감기가 한 번 지나간 것

으로 판단할 수 있다. 즉, 반감기를 고려하면 Menzel

et al .(1987)의 연구에서 밝힌 국내 인천, 수원, 예산,

밀양 등의 네 지역과 본 연구의 기준 지역

Cs 총량

이 상당히 유사하여 본 연구에서 설정한 기준 지역과 이를 통해 산정한 토양침식량의 신뢰성을 확인할 수 있다. 2013년에 발표된 한국원자력학회 후쿠시마 위 원회의 후쿠시마 원전 사고 분석 최종보고서에 따르 면 전국 12개 지역의 대기 환경시료와 빗물 시료에 서

Cs 농도가 최대 1.25mBq/m

, 2.02Bq/L로 극 미량 검출되었으며, 토양 시료에서는 평상시 수준 이 상으로 검출되지 않은 것으로 밝히고 있다. 이로 미루 어 보아 Menzel et al .(1987)의 기준 지역

Cs 총량 과 연구지역의

Cs 총량 비교에 있어서 반감기 외에 후쿠시마 원전 사고의 영향은 거의 없다고 판단할 수 있다.

3) 토양침식모형의 추정 결과

RUSLE와 USPED를 통한 연구지역의 침식 추 정 값은 위의 표 8과 같다. RUSLE는 연평균 21.28

±35.07ton/ha/yr로 추정되었다. 이와 같은 수치는

USPED를 통해 추정한 값인 12.82±686.22ton/ha/

yr와 약 2배의 차이가 나타난다.

그 이유는 두 모형의 예측 특성 차이로 파악할 수 있다. RUSLE는 주로 강우로 인한 직접적인 토양 침 식을 예측하지만 USPED는 운반능에 의한 침식과 퇴 적을 추정하는 모형이다. 즉, USPED모형은 토양입 자가 침식되었을 지라도 이를 이동시킬 수 있는 충분 한 운반능력이 산정되었을 때, 침식이 일어난다고 보 고 결과를 산출한다. 반대로 지표의 식생의 방해나 유 출수의 운반력 부족 등으로 인해 운반력이 부족하면 침식량으로 파악하지 않는다. 이러한 모형의 특성상, USPED는 RUSLE에 비해 산출하는 침식 추정 값이

et al

Menzel

et al

반감기 고려 후 Menzel

et al

기준지역 ¹³⁷Cs 총량 본 연구의 기준지역 ¹³⁷Cs 총량

평균 3,541 1,770.5 1,620.5

범위 2,268~4,510 1,134~2,255 1369.2~1,871.7

그림 4. ¹³⁷Cs기법을 통한 침식량 분포(왼쪽)와 RUSLE(가운데), USPED(오른쪽)의 토양침식추정 결과

표 8. RUSLE와 USPED를 통한 침식량

(단위: ton/ha/yr)

평균 표준편차 최소값 최대값

RUSLE 21.28 35.07 0.0001 426.98

USPED 12.82 686.22 0 4876.28

낮게 나타나는 것으로 판단된다.

또한 USPED모형의 평균이 침식과 퇴적의 최대값 에 비해 매우 적은 수치로 산출되는 것에도 집중해 서 볼 필요가 있다. 본 연구뿐만 아니라 USPED를 이 용한 연구들에서도 이러한 현상이 나타난다. 서일규 (2010)에서 USPED를 통해 토양 침식량을 살펴본 결 과, 54개의 소유역 중 50개 소유역에서 평균 침식 혹 은 퇴적 추정 값이 ±2ton/ha/yr를 넘지 않는 것으 로 산출되었다. 특히 침식과 퇴적의 최대값이 작을 수록 평균이 0에 수렴하는 모습이 나타나는데 이는 USPED 모형 자체의 특성으로 파악된다. 두 모형이 같은 매개변수와 같은 연구 지역을 공유할지라도 각 각 모형의 특징에 따라 서로 상이한 결과가 나타난다 는 사실은 토양 침식 연구에 적용함에 있어서 분명히 주의가 필요할 것이다.

5. 토론: 토양침식모형의 국내 적용가능성

표 9은 각각의 토양 침식 추정 모형들과

Cs 기 법을 이용한 평균 토양 침식량과 그 표준편차, 그리 고 정확도를 나타낸 표이다.

Cs 기법을 이용한 연 구 지역의 평균 토양 침식량은 약 29.68ton/ha/yr 이다. 반면, 토양 침식을 추정하는 모형들은 USPED 가 12.82ton/ha/yr, RUSLE가 21.28ton/ha/yr로 침 식량을 산정했다.

Cs 기법으로 산출한 토양 침식 량을 기준으로 USPED와 RUSLE의 정확도를 살펴보 면 USPED모형의 평균 추정 값이 관측 값에 비하여 0.44배, RUSLE와 0.73배의 차이가 나타난다. RUSLE 가 USPED에 비해 실제 침식량을 보다 더 잘 반영하

고 있는 결과이지만 두 모형 모두 정확하게 추정하고 있다고는 할 수 없다.

이와 같은 결과는 모형의 특징과 한계점들을 그대 로 반영하는 것으로 판단된다. RUSLE는 유역 혹은 사면에 직접적으로 적용 시 일반적으로 토양 침식량 이 과대 추정되며(Blanco et al ., 2006), USPED는 유 출에 따른 운반능으로 토양 침식량을 산정하기 때문 에 다른 토양 침식 추정 모형들에 비해 과소 추정되는 경향이 반영되었다. 물론 모든 토양 침식 모형들은 토 양 침식을 과대추정 혹은 과소추정하는 현상을 가지 고 있기 때문에(Tiwari et al ., 2000) 토양 침식 추정 값과 관측 값을 비교할 때는 주의가 필요하며 분석된 수치를 직관적으로 받아들이는 것은 상당한 위험이 따를 것이다.

그럼에도 불구하고 경험식 기반의 RUSLE모형이 USPED모형에 비해 상대적으로 더 정확하게 추정하 고 있다는 점은 주목할 필요가 있다. 일반적으로 모형 을 통한 침식 연구에서 경험식 기반 모형은 모형이 개 발된 실험 구를 벗어난 지역에 적용이 어렵고 이에 따 라 물리식 기반 모형의 예측력이 더 좋다는 선행연구 의 결과(Tiwari et al ., 2000; Huggett, 2011)에 반하 는 결과이기 때문이다. 물리식 기반 모형은 적용성이 높고, 경험기반 모형에서 반영할 수 없었던 시공간적 변수를 반영할 수 있다(Walling and He, 1999). 그러 나 원격 탐사 자료를 이용하여 경험식 기반의 모형에 이용되는 여러 인자들이 공간적·시간적 변수를 포함 할 수 있게 되고, GIS 기반 프로그램을 이용하여 이 를 반영할 수 있게 되었을 뿐만 아니라 개발의 기반 이 된 실험구를 벗어난 다른 지역에도 적용할 수 있게 보완·개선되면서 그 예측력이 상승한 것으로 판단 된다.

137

Cs 기법과 토양침식모형의 공간적 분포를 비교 하기 위해 시료 채취 지점 별

Cs 기법의 결과와 모 형의 그리드 셀 값의 비교를 통해 상관관계를 살펴보 았다. 그에 앞서 실제 채취한 지점의 토지이용형태와 환경부 토지피복도(2007)에서 분류한 토지피복형태 가 다른 12개의 시료를 제외한 59개 지점으로 상관관 계를 분석한 결과가 표 10이다. 토지피복도의 정확성 을 고려하여 공간적 분포 양상을 비교한 결과, 1963

(단위: ton/ha/yr)

연평균 침식량 표준 편차 평균 비교

137Cs 기법 28.97 35.07 1

USPED 12.82 686.22 0.44

RUSLE 21.28 57.25 0.73

년 이후 실제 발생하는 침식 및 퇴적량의 분포 양상은 RUSLE모형이 USPED에 비해 더 정확하게 예측하고 있다.

표 10. 59개 시료 채취 지점 별 상관관계

137Cs RUSLE USPED

137Cs 1

RUSLE 0.341* 1

USPED -0.206 0.002 1

*. 상관계수는 0.01 수준 양쪽에서 유의

이와 같은 이유는 RUSLE모형의 침식 공간적 분포 예측 특성에 기인한 것으로 추정된다. 지형의 요철을 중요시하는 USPED와는 다르게 RUSLE모형은 토지 피복을 더 잘 반영한다. 토양 침식은 식생으로 둘러 싸인 산지가 그렇지 않은 경작지보다 침식에 저항하 는 요소가 많고 인위적인 토양 압착 등의 침식유발요 인이 적기 때문에 토양 침식이 상대적으로 잘 발생하 지 않는다. 즉, 연구 지역과 같이 경작지와 산지로 토 지이용 및 피복형태가 구분되는 지역은 토지이용형 태에 의해 토양 침식이 결정되기 때문에 RUSLE의 공 간적 분포 예측력이 더 높게 나타난 결과로 해석할 수 있다.

토양침식추정 모형의 공간적 분포 예측 정확도를 파악하기 위해 시료 채취 지점을 기준으로 분포양상 을 살펴본 것이 그림 5이다. RUSLE와 USPED,

Cs 기법을 이용한 침식 및 퇴적량 산정은 산지지역에 대 해 정도의 차이는 존재하지만 경작지 지역에 비해 상 대적으로 침식량을 더 잘 예측하고 있다. 반면, 불규 칙적인 양상을 보이는 부분은 경작지에 해당하는 결 과들로 토양침식 추정 모형은 경작지의 토양 침식량 을 상대적으로 더 부정확하게 예측한다.

실제 산지에서 보다 경작지의 침식량이 월등히 높 은데 반해, 토양침식 추정모형들은 경작지의 침식 추 정량을 산지보다 부정확하게 예측하고 있다. 이러한 결과는 토양침식 추정모형의 적용에 있어 비판적인 시각이 필요하다는 것을 암시한다. 또한, 외국의 사 면 상황에 맞게 설계 및 개발된 토양침식 모형들은 우 리나라에서 행해지는 집약적인 토지이용을 반영하지

못하고 있다는 것을 의미한다. 즉, 국내 상황에 맞는 변수의 산정 혹은 모형 보정 등의 연구가 이루어진 후 모형의 적용 및 해석이 필요할 것이다.

6. 결론

본 연구는 방사선 동위원소

Cs을 이용하여 1960 년대 중반 이후부터의 연평균 침식량과 그 공간적 분 포를 파악하고 토양침식 추정모형과 비교를 통해 침 식모형의 국내 적용가능성을 평가하였다.

연구결과

Cs 총량은 평균 2.92±3.18Bq/kg로 변 이성이 매우 크게 나타났다.

Cs총량의 공간적 분포 에서 가장 큰 영향을 미치는 요인은 토지이용으로 산 지 지역은 4.78Bq/kg, 경작지는 0.31Bq/kg으로 파 악되었다.

Cs기법을 통한 침식량 분석 결과, 연구 지역은 매년 평균 28.97ton/ha의 침식이 발생하고 있는 것으로 나타났다. 이를 토지 이용 별로 살펴보면 경작지 지역의 침식량은 67.58±15.11ton/ha/yr이고 산지 지역의 침식량은 0.02±0.06ton/ha/yr으로 분석 되어 집약적 토지이용이 침식에 많은 영향을 미치고 있는 것으로 파악되었다. RUSLE모형과 USPED모형 이 추정한 연구 지역의 연 평균 침식량은 각각 21.28 ton/ha, 12.82ton/ha로 같은 연구 지역에 적용했음 에도 불구하고 약 2배의 격차가 나타난다. 이러한 차 이는 두 모형이 강조하는 침식의 형태에 따른 차이로 해석할 수 있다.

그림 5. 토양 시료 채취지점 별 ¹³⁷Cs 기법, RUSLE, USPED 침식량 Z-score 비교

방사성 동위원소

Cs기법을 이용한 토양침식량을 각 모형의 추정결과와 비교하여 그 적용가능성을 판 단한 결과 RUSLE의 연 평균 침식량이 관측 값에 비 해 0.73배, USPED의 결과가 0.43배 더 낮게 추정하 고 있는 것으로 나타났다. 수치적으로는 RUSLE모형 이 USPED모형에 비해 더 정확하게 추정하고 있는 것으로 파악되었다. 다음으로 각 모형의 공간적 분 포 추정 정확도를 파악하기 위해 토양 시료 채취 지 점에 따른

Cs 침식량과 그 위치에 맞는 각 모형의 그리드 셀 값을 비교한 결과, RUSLE의 공간적 분포 양상이 실제 발생하는 침식 및 퇴적의 분포 형태를 USPED에 비해 더 잘 나타냈다. 이를 보다 세부적으 로 토지이용형태별로 비교해본 결과, 두 모형 모두 정 도의 차이는 존재하지만 산지 지역에서 안정적이고 좋은 예측력을 보이고 있는 것에 반해 경작지에서는 그 값이 서로 매우 상이한 것을 파악할 수 있었다. 이 러한 사실은 외국의 사정에 맞게 개발된 침식 모형들 이 국내의 집약적인 토지이용을 반영하지 못하고 있 다는 것을 확인시켜주는 결과이다. 토양 침식 연구에 모형을 이용할 경우 국내 상황에 맞는 변수의 산정 및 모형의 보정 과정이 필요하고 적용 및 해석에 있어서 비판적인 시각이 필요할 것이다.

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Cs을 이용하는 침식 연구에서 가장 중요한 것은 기준 지역의 신뢰성을 확보하는 것이다. 본 연구에서 선정한 기준 지역이 두 지점에 불과하여 통계적인 유 의성과 객관성을 연구 지역 자체에서 확보한 것이 아 닌 선행 연구와의 비교를 통해 확인한 것이 가장 큰 한계점으로 사료된다. 이는 추후 연구를 통해 기준 지 역을 보다 더 설정하고 이에 따라 보정 및 검증작업이 필요한 부분이다. 또한 토양 침식 추정 모형이 두 개 만 적용된 것도 아쉬움으로 남는다. 공간적 분포를 산 정할 수 있는 다른 토양 침식 추정 모형이 적용되어 분석이 이루어지면 더욱 더 체계적인 분석을 통해 침 식 모형의 적용가능성을 제언할 수 있을 것이다. 이러 한 한계점들에도 불구하고 본 연구에서 몇 가지 의의 를 도출할 수 있었으며 이는 다음과 같다.

국내에서 물리적인 측정방법을 통한 침식 연구는 주로 1일 단위로 이를 년 단위로 환산하면 0.292 ∼ 3898.2ton/ha/yr로 그 변이가 매우 크다. 측정한 날

의 강우 및 기타 조건들에 의해 그 차이가 매우 크게 나타난다(국립방재연구소, 2001; 국립재난안전연구 원, 2013). 이러한 수치적인 차이는

Cs기법을 통한 연구 방법의 가능성과 활용성을 부각시키는 결과로 판단된다. 물리적 측정 방법은 이상 기후 현상을 포 함한 매년 평균 토양침식량을 파악하는데 어려움이 있고 많은 시간과 노력이 필요한 연구 방법임에 반해

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Cs을 이용한 토양침식 연구 방법은 60년대 중반 이 후 발생한 모든 기후 현상을 포괄한 연평균 침식량을 비교적 쉽고 정확하게 파악할 수 있다. 또한, 방사성 동위원소 기법은 토양침식량 파악을 통한 자연자원 의 중단기 보전 및 관리에 활용할 수 있을 뿐만 아니 라 토양침식 모형의 보정 측면에서도 활용성이 높을 것으로 기대한다.

참고문헌

강현우·박윤식·김남원·옥용식·장원석·류지철·김기성

·임경재, 2010, “걸리 침식 평가를 위한SATEEC, nLS, USPED 연계 시스템의 개발 및 적용,” 한국 물환경학회, 26(4), 637-647.

고석형, 2010, “¹³⁷Cs을 이용한 한라산 백록담 화구호 토 양의 퇴적 특성 연구,” 제주대학교 박사학위논문.

국립방재연구소, 2002, 2002 태풍 루사 피해 현장조사 보 고서.

국립방재연구원, 2011, GIS 기반 산지 토사유출모형 개선 및 토양침식 위험도 평가.

국립재난안전연구원, 2013, 산지 토사유출 조사 및 모니 터링 사업(Ⅰ).

김계훈, 1995, “Cs-137 분포를 이용한 저수지의 퇴적 양 상 추정,” 한국응용생명화학회지, 38(2), 157- 162.

김태준, 2005, “RUSLE를 이용한 농촌지역 토사유실량 평 가,” 한국 GIS학회 춘·추계학술대회 자료집, 85- 91.

마호섭·강원석·강은미, 2012, “산지소유역에서 임지이 용이 토사유출에 미치는 영향,” 한국임학회지, 101(2), 220-225.

박경훈, 2003, “GIS 및 RUSLE 기법을 활용한 금호강 유