두 산림유역의 표층 토양의 공극 발달과 수리학적 성질의 계절적 특성
주승효1·곽용석1·김수진2·김 준2·김상현1*
1부산대학교환경공학과, 2연세대학교대기과학과/지구환경연구소
(2009년 12월 1일접수; 2009년 12월 14일수정; 2009년 12월 14일수락)
Seasonal Characteristics of Pore Development and Hydraulic Properties of Surface Soil in Two Forested Watershed
Sung Hyo Joo
1, Yong-Seok Gwak
1, Su-Jin Kim
2, Joon Kim
2and Sanghyun Kim
1*1Department of Environmental Engineering, Water resource and Environment Laboratory, Pusan National University, Busan, 609-735, Korea
2Department of Atmospheric Sciences/Global Environment Laboratory, Yonsei University, Seoul, 120-749, Korea
(Received December 1, 2009; Revised December 14, 2009; Accepted December 14, 2009)
ABSTRACT
Configuration of soil hydraulic property is an essential component to understand the hydrological processes at the hillslope scale. In this study, we investigated temporal variations in pore development and soil hydraulic properties during the period from March to October in 2008. Characteristics for macropore flow and hydraulic conductivity were measured at two hillslopes: one is the hillslope located at the Buprunsa in Sulmachun watershed, and the other is the hillslope located in Gwangneung Research Forest. Vertical fluxes through macropore were measured using a tension infiltrometer at the depth of surface. The saturated hydraulic conductivities in March, June, July and September were relatively high compared to those in May and October. Temporal variations in several soil hydraulic features could be explained by the differences in vegetation activity and soil moisture content determined by antecedent precipitation. Particularly, the features of macropores had a substantial impact on hydraulic conductivity in the forest hillslope. The temporal nonuniformity of the soil hydraulic properties observed in this study manifests the dynamic features of hydrological processes in the hillslope scale and the experimental results will be useful to understand the internal hydrological processes in the mountainous hillslope.
Key words :
Macropore, Tension infiltrometer, Soil moisture, Hydraulic conductivity
I. 서 론
사면에서의 수문기작은 강우가 지표면에 접촉하는 침투과정을통해서시작된다(Horton, 1933). 침투과정
의흐름발생은토양구조체의미세입자간극을통해서 발생되는토양구조체흐름(Matrix Flow)과토양속에
존재하는식생이나, 생물체등의 활동과관련되는대
공극 흐름(Macropore Flow)으로 구분될 수 있다
(Beven and Germann, 1982; Noguchi et al., 1999).
이중대공극을통한 흐름은사면내의관로형태의흐 름을통해신속한배수구조를발달시키는것으로알 려졌고, 상대적으로상당히낮은 속도의토양 구조체
* Corresponding Author : Sanghyun Kim ([email protected])
흐름이설명하지못하는신속한사면유출기작을이 해하는데중요한역할을한다(Uchida et al., 2001).
대공극의생성인자로는식생의세근활동, 융해로인 한관로의형성, 지렁이등의 절지동물의활동, 침식,
곤충류의서식처활동등의다양한요인에서기인하는
것으로 알려져 있다(Watson and Luxmoore, 1986;
Tsukamoto et al., 1988; Larsson, 1999). 수문 사상 이발생하는현장에서대공극흐름을측정하려는노력 은국내외의일부연구자들을중심으로이루어져왔다
(Baird, 1997; Wilson and Luxmore, 1988; Perre et al., 1999; Gwak et al., 2007). 또한, 이들측정 결과의시
공간적인분포를특성화하려는시도도지속적으로이루 어지고 있다(Bormann and Klaassen, 2008; Casanova
et al., 2000; Gupta et al., 2006).
본연구의주요목적은연구대상사면에서 Gwak et
al.(2007)에시도된대공극흐름의특성을수리학적특
성과연계하여복수의사면에서확장된측정을실시하 고, 이를근거로토양공극과수리학적 특성의계절적 변동성을규명하는것이다. 보다구체적으로포화수리
전도도의계절적변동성과이들중유효흐름률혹은 대공극유효흐름분율의계절적변동성을측정하고, 불 포화수리전도도의계절적변동성도규명하는것을연 구목적으로하였다.
II. 대상유역과 방법론
2.1. 연구대상유역
본연구의대상유역으로경기도파주시적성면설마 천 유역내에 감악산범륜사 우측 소규모 산지사면과 경기도포천시소흘읍광릉슈퍼사이트내원두부유역
Fig. 1. Locations of the study area: (a) Sulmachun and (b) Gwangneung.
으로 독립사면을가진유역이다(Fig. 1). 설마천유역
은 1995년한국건설기술연구원에서산지소유역의특
성변화와수문, 기상등기초자료에대한지속적관측 과 자료 축적을 위해 시험유역으로 운영하고 있으며 설마리에위치한영국군전적비교를출구로하는설마
천의중상류지점에위치하고있다. 유역면적 8.5km2,
유로연장 5.8km, 연평균 강수량은 1,600mm, 유로경
사 2.3%로전형적인급경사산지사행하천이다. 지질학
적 형상은 작은 절리가많이 발달되어 있고, 엽리의 절리로작용하는지질구조와표토는얕은편이라강우 초기에는하천의수위에큰변화를보이지않다가파 쇄대를채운후에하천의수위가급격히증가하는양 상을 보이며집중호우시산지사면에산재한다량의
돌과 자갈이 토석류를일으킨다. Fig. 2는연구 대상
지역인설마천유역내에범륜사북쪽측면산지사면을 나타내고있으며, 평균경사도 40o이상의급경사사면 으로 상부로부터의유입이불가능한독립적인사면이 다. 토양종류는 평균 sand 61.7%, silt 32.8%, clay 5.5%로미국농무부의토양분류법에의하면사양토에
해당한다. 임상은 90% 이상이잣나무, 소나무류인침
엽수림이 발달해 있다. 광릉 소유역은 광릉수목원내
활엽수림위어댐 350m 상부에원두부로추정되는지
점을중심으로다른상부로부터의유입이불가능한독 립적인사면이며인위적인요소들에의한영향이전혀 없어 변형되지 않은 자연 산지 지점을 연구지역으로 선정하였다. 유역면적은 7,700m2, 연평균 기온은
11.5oC, 연평균강수량은 1,332mm, 전체 면적의 80%
의경사가 10~30o이고최고 경사는 48o이다. 지질 매
체는 얇은토층(0.4~0.8m)과풍화대암반으로구성되
어 있으며토양종류는평균 sand 53.2%, silt 39.2%,
clay 7.6%로국제토양학회나미국농무부에의해제안
된토성분류법에의하면양토또는사양토에해당한다.
임상은 90%이상참나무류, 서어나무등낙엽활엽수림 이주종을이룬다.
2.2. 포화수리전도도및불포화수리전도도
장력침투계(Tension infiltrometer)는불포화대의지 표면부근의포화수리전도도와불포화수리전도도와같 은 토양의 수리특성을 파악하는데 사용되고 있다
(Hussen and Warrick, 1993). Wooding(1968)은 정
상상태에서의피압되지않은총침투량(Q)에대해서대 수학적근사치를다음과같이제시하였다.
(1)
여기서 Q(cm3 hr−1)는 단위시간 당 토양으로 침투하 는 물의 양이고, r은 장력침투계의 디스크 반지름,
Ksat(cm hr−1)는포화수리전도도, α(cm−1)는역모세관길 이(inversely capillary length)이며, , λc는 모 세관 길이(capillary length, cm)로정의된다. h(cm)는
토양내의 토양수분 흐름 흡입력(matric potential) 또
는 장력(tension)이다. h의 값은 장력에 대한 함수로
보통 음수이다. 그리고 Q의실제 계산은연속방정식 Q=AV 이용하여구한다. 이때 A는 물저장고의단면
적이며, V는 침투가시작되는 시점에서 침투가일정 할때까지물 저장고내의수두의하강속도를뜻한다.
장력침투실험에 있어서 토양입자의 크기가 균질하고 일정하며, 다져진상태에서의 수리전도도는지수함수
로 나타낼 수 있다고 가정하고(Wooding, 1968),
Gardner(1958)가제안한지수형불포화수리전도도를
적용하였다.
(2)
여기서 K(cm hr−1)는불포화수리전도도이고, 토양압
력수두 (h)의함수이다. 위의 두식 (1)과 (2)을적용 하여포화수리전도도및불포화수리전도도를추정하는 과정은다음과같다. 장력침투계를가지고최소한두 가지 장력 h1, h2에 대한침투되는 물의 양과의관계 로부터모수(α)를식(3)과같이구한다.
(3)
Q(h1)과 Q(h2)는 압력수두 h1과 h2에서 장력침투계 로 측정된 침투율이고, 계산된 α를 이용하여 Ksat를
구할수있다. (2)식에 α와 Ksat로부터불포화수리전도
도와장력사이의관계를산출할수있다. 이관계식은
임의의지정한장력에서불포화수리전도도를계산하기 위해서사용된다. 그러나 K(h)와 h의 관계가 h=0 가
까이에서선형적이지않을수있기때문에직접측정 된 값과상기의 방법에의해 구해진값이 실제와다 르게나타날수도있다. 이러한문제를해결하기위해
3개이상 장력에대해 시험을수행하여 (2)식에 α대
신 λc를 대입하고, Gardner(1958)의 식을 이용하여 Wooding(1968)의식을다시표현하면다음과같다.
(4) Q=πr2Kexp( )αh 1 4+π---rα
α λ= c–1
K h( )=Ksatexp( )ah
α λc–1 ln[Q h( )2 ⁄Q h( )1]
h2–h1 ---
= =
Q h( ) πr2Ksatexpλh ---c
⎝ ⎠⎛ ⎞ 1 4+---πλrc
=
Hussen and Warrick(1993)는 3개 이상의 장력에 대한 시험결과가선형이아닌비선형관계로주어지므 로 (4)식을 이용하여 λc와 Ksat의 가장 적합한 값을 정할 수있다고하였다. 따라서장력침투계를이용하
면간단한실험만으로포화수리전도도및불포화수리 전도도산정이가능하다.
2.3. 대공극흐름분율(Macropore Flow Percentage)
Gardner(1958)와 Wooding(1968)을 기본으로한 위 식에서구해진포화수리전도도와불포화수리전도도를 이용하여 대공극흐름분율을구할수 있다. 포화수리
전도도와장력(K-h) 관계에서기울기가가장큰 -3cm
의장력을대공극과미세공극간의임계기준으로정하 면(Watson and Luxmoore, 1986; Baird, 1997) 대 공극흐름분율(Macropore Flow Percentage, MFP)은
식 (5)와같다.
(5)
장력 -3cm에 해당하는공극지름의크기는 0.1cm에
해당한다. 대공극흐름분율은토양에서의총공극에서물
흐름에유효하지않은공극들을제외한유효한공극들
중에지름이 0.1cm이상인 대공극을통해흐르는 물흐
름이전체흐름에서차지하는비율로정의된다.
2.4.유효대공극부피분율
공극크기(r)와장력(h)의관계는식 (6)과같은모세 관상승관계로부터계산된다.
(6)
여기서, γ는 표면장력이고, r은 최대공극반지름이며,
θ는물과 공극벽과의각도로서 보통 0이다. ρ와 g는 각각 물의 밀도와 중력가속도이다. 식 (6)은 일정한
장력에서물이흘러가는최대반지름(r)을구할수있 고이반지름보다작은공극들을통해서만흘러간다는
가정을 두고있다. 모세관이론과 Poiseuille's 법칙에
의해하나의공극을통한흐름율을구하고, 원관을통
한단위시간에흐르는유체의흐름을층류로가정하면 다음과같은접근이가능하다.
(7)
Q(r)은흐름율(L3 T−1)이고 µ는물의점성계수이다.
이와같은흐름율은침투율, I(r)과단위면적당유효공
극들의수, N(r)로다시나타낼수가있다.
(8)
단위면적당흐르는유효대공극의수에대하여표현 하기위해식(7)에식(8)을연립하여식을정리하면,
(9)
유효공극들의수와이에해당하는공극들의면적을 곱하면식(10)과같이일정한공극범위에서의유효공
극율(ε(r))을산출할수있다.
(10) Watson et al.(1986)은 장력 -3cm가 대공극(Macro-
pore)와 중간공극(Mesopore)을 구분하는 기준이라고
가정하고, 전체유효대공극율(m3m−3)을구했다. Bodhina-
yake et al.(2004)은장력침투계를이용하여물을이송
시키는공극율에대한식을다음과같이유도하였는데,
주어진공극크기범위에서총공극의수를누적공극수 의분포(N(r))로나타내었다.
(11)
여기서, P(r)은단위공극반지름과단위토양표면면적 에해당하는공극들의수로서차원은 L−1이다. 정상상
태의침투율은수리학적전도도K로나타낸다. (12)
공극반지름보다작은공극들을통해흘러가는총흐 름율은총공극의수에하나의공극을통해흘러가는 흐름율을곱한것이다. 총공극의수를결정하기위해 식(12)의P(r)에대해정리하면,
(13)
식(13)을식(11)에 대입하여 디스크의면적을 곱하
면물을실제로이송시키는공극부피를알수있다. (14)
식(14)를 r에대한함수로서표현하기위해 모세관
이론을이용하여 r에해당하는장력으로표현하면식
(15)와같다.
(15) MFP Ksat–K( )–3
Ksat
--- 100×
=
r 2γcos( )θ ρgh ---
=
Q r( ) πρg 8µ
---r4
=
Q r( ) I r( )
N r( )
---
=
N r( ) 8µI r( ) πρg ---r4
=
ε( )r =N r( )πr2
N r( ) P r( )dr
0
∫
r=
K r( ) P r( )Q r( )dr
0 r
=
∫
P r( ) dK r( )
--- 1dr Q r---( )
=
ε(a b, ) dK r( )
---dr πr2dr
a
∫
b=
ε(a b, ) 2µρgK3 r2
--- d---K hd( )h h2dh
H a( ) H b( )
=
∫
Table 1. Study site description
Gwangneung Sulmachun Locations E 127° 08' 52.6"
N37° 44' 49.4" E 126° 57' 12.2"
N 37° 56' 06.8"
Annual average
precipitation 1,332 mm 1,600 mm
Average slope 24.6% 40.5%
Soil texture Sandy loam Sandy loam
Average porosity 56.3% 56.2%
Table 2. Experiment schedule and points Date
Points Mar. 20
2008 May 8
2008 June 21,26
2008 July 29
2008 Sep. 9
2008 Oct. 28
2008
Gwang- neung
A2 √ √ √ √ √ √
A4 √ √ - √ √ √
B1 √ √ √ √ √ √
B3 √ √ √ √ √ √
B5 √ √ √ - √ √
C1 √ √ √ √ √ √
C2 √ √ √ √ √ √
C3 √ √ √ - √ √
Sulmachun
A4 √ √ √ - √ √
A6 √ √ √ - √ √
C5 √ √ √ - √ √
B4 √ √ √ - √ √
B6 √ √ √ - √ √
B7 √ √ √ - - √
B8 √ √ √ - √ √
식(15)를적분하면다음과같다.
(16)
여기서실제로물을이송시키는전체공극중에대공 극율을유효대공극부피분율이라고정의한다.
(17)
계산식에서 전체 공극율을 나타내기 위해서 장력
(-16~ -0.06cm)범위를 사용한다. 대공극의 임계기준은
앞에서대공극흐름퍼센트계산에서기준이되는장력, -3cm(반지름 0.1cm)를기준으로하였다.
2.5.실험의수행
실험은장력침투계(Soilmeasurement Systems, Tucson, AZ)를이용하여수행되었다. 경사가가파른지점에서
는연직으로 절토하여 실험을수행하였다(Sullivan et al., 1996). 계절적 변화 기간에맞춰 광릉 8지점, 설
마천 7지점에서 광릉 -7cm, -5cm, -3cm, 설마천 -10cm,
-6cm, -3cm, 각각 3개의 장력을 기준으로 하였다
(Table 1, Table 2, Fig. 2). 실험의 수행시 3개의 장 력값의사용은 2개의경우보다정확한지수기울기(α)
ε(a b, ) 2µρgK3 r2
--- exp 2⎝⎛ρ---rgbα⎠⎞ 4r2s
ρgb
( )2
--- 4ρ--- 1gbrα
α2
---
+ +
⎩⎨
= ⎧
exp 2– rα
ρga ---
⎝ ⎠
⎛ ⎞ 4r2
ρga
( )2
--- 4r
ρgaα
--- 2
α2
---
+ +
⎭⎬
– ⎫
Macroporosity( )% εmac(–3cm,–0.06cm)
εmac(–16cm,–0.06cm)
--- 100×
= 를구할뿐만아니라 K 값의정확도를높인다. 침투율
측정과정은 표면에 있는 부식물(낙엽)을 제거한 뒤
10cm 깊이로평평하게절토한뒤디스크의멤브레인
(membrane)을보호하기위해세근을제거하고입경이
작은모래를디스크크기만큼토양의불교란을유지한 상태로성토한다. 성토한모래층의 5mm정도의두께는
침투율에 영향을 주지 않는다(Vandervaere et al.,
2000). 심한경사일때지표면에실험이불가능하여불
가피하게절토할수밖에없기때문에동일한조건으로 경사가낮은지점에서실험하기위해모든지점의토
양 깊이를 10cm로 절토하였다. 장력침투계로정해진
장력기준에따라침투율이정상상태가될때까지측정 하였다(최소 10분). 6월 21일 광릉 A4지점실험당시 급작스런호우에의해실험을중지하였고, 6월 22일로 예정되었던설마천유역실험은작일과금일새벽집중 호우에의해실험이불가하여 6월 26일에실시하였다.
7월 29일 광릉 B5, C3, 지점은 여름철 호우로 인해
실험지점에서 지표면 유출이발생하여 실험을 할 수 없었고동기간에설마천유역에서게릴라성집중호우 로 인해 실험이 중지되었다. 9월 9일 설마천 유역
B7지점은여름철집중호우로인해토양이상당부분유
실되어실험을실시하지못하였다(Table 2). 장력침투
실험과 더불어 TDR방식인 Minitrase(Soil moisture
Equipment 社)장비를이용해각지점의토양수분값을
측정하였다(Table 3). 2008년 9월 9일의광릉의실험
지점의토양수분값은장비이상으로인해측정하지못 하였다.
III. 결과 및 고찰
3.1.포화수리전도도의계절적변화
Fig. 3(a)는설마천사면에서의월별포화수리전도도
를나타낸다. 설마천의 7월실험은장마및지역성강
Table 3. Antecedent precipitations and soil moisture (Average, Standard deviation) for each experiment
Date
Antecedent precipitation(mm) Soil moisture (%)
15 day 10 day 5 day Average STD
Gwang-
neung Sulma-
chun Gwang-
neung Sulma-
chun Gwang-
neung Sulma-
chun Gwang-
neung Sulma-
chun Gwang-
neung Sulma- chun
Mar. 20 2008 2.5 5.8 1.5 3.3 0 0 26.7 16.5 2.9 5.1
May 8 2008 7 18.4 2 10.9 2 10.9 24.7 13.6 2.7 5.7
June 21,26 2008 91 70.6 86.5 69.8 86.5 8.8 27.7 17.9 2.6 5.3
July 29 2008 534.5 - 522.5 - 306.5 - 34.6 - 13.6 -
Sep. 9 2008 87 107.4 87 107.4 0 0 - 21.2 - 5.5
Oct. 28 2008 12.5 25 12.5 24 11 10 18.5 14.6 7.6 6
Fig. 2. Elevation contour map, topographic index distribution, and direction of the study area and locations of experiment point:
(a) Sulmachun and (b) Gwangneung.
우로수행하지못하였다. 9월의 B7, B8지점은집중강 우로인한지표유출의토사의침식작용이활발하였다.
C5지점의 9월과 10월값이작게 나온이유는이전에
집중강우가 8월 22일~23일에 71.7 mm, 9월1일~2일에
107.4 mm가내려 토사침식이일어나굵은 골재또는
기반암이 보이기 시작하여 포화수리전도도의 특성이 변화되었기때문이다. 전체적으로는 6월과 9월의포화 수리전도도값이 3월, 5월, 10월보다높게평가되었다.
3월의포화수리전도도가다소높은이유는겨울의동
결된토양이녹으면서토양의수리전도성에영향을준 것으로해석된다. A4지점, A6지점및 C5지점이다른
지점들에비해서높게나온이유는사면의방향이서 쪽방향을 향하는반면, B4지점과 B6지점은 북쪽방향
으로서사면방향에따른식생의활동으로인한영향때 문으로판단된다. 사면방향에따른수리전도도의차이
에 대한 연구결과중 식생 및동물의 활동에필요한 에너지를잘받기위한조건인남쪽을향하는사면이 북쪽보다 수리전도도가 높다고 보고된 바 있다
(Casanova et al., 2000).
Fig. 3(b)는 광릉에서 각 지점의 포화수리전도도의
계절적변화를나타낸다. 6월 20일 A4지점과 7월 29
일 B5와 C3지점은 모두 갑작스런 소나기로 인해서 실험이중단이되었고, 9월9일 B1지점은침투량이매
우 커서, 포화수리 전도도값이 401.1cm hr−1으로 평 가되었는데, 이는디스크아래에지름 5cm의나무뿌
리에 의한 영향으로 판단된다. Gwak et al.(2007)은
이러한식생및동물군에의한 대공극의발달이포화 수리전도도에크게영향을미친다고보고하였다. 전체 적으로사면의하부및원두부유역으로갈수록포화 수리 전도도값이 높다는 것을 알 수 있었다. 광릉의 포화수리전도도의 계절적 변동성은 설마천의 결과와 같은 경향을 보인다. 6월, 7월, 9월에는높았으나, 3
월, 5월, 10월에는대체적으로 낮게 평가되었다. 6월 과 7월은 식생뿌리와동물군의활동으로인해대공극
의생성과발달이활발한시기로포화수리전도도가높 게나온것으로해석된다. 3월은 다른계절에비해아
직 나무뿌리(세근)의생성과 동물군의활동이 미소한 관계로낮은값을보이고있으나겨울에동결된토양 이용해되면서간극이발생하여 5월에비해포화수리 전도도가높게측정되었던것으로판단된다. 5월과 10
월 같은 경우 포화수리 전도도 값이 다른 시기보다
2~4배정도낮게측정되었다.
Fig. 4는 광릉과설마천의 각지점의포화수리전도
도의 계절평균과표준편차를보여준다. 두유역의포 화수리전도도의계절평균은 6월, 7월, 9월의포화수리 전도도값이높았던반면 3월, 5월, 10월은유사한값 을보였다. 광릉의 7월의 포화수리전도도값이 낮았던 이유는 B5지점과 C3지점이측정지점에서제외되었기 때문에낮게평가되었다. 표준편차의계절변화는 6월 이 가장 높았고, 9월, 3월, 10월의 순으로 높았고, 5
Fig. 3. Seasonal variations of saturated hydraulic conductivity of soil depth (10 cm) at each point in (a) Sulmachun and (b)
Gwangneung. Fig. 4. The comparison for saturated hydraulic conductivity
between Gwangneung and Sulmachun hillslopes.
월이 가장 낮았다. 5월의 경우 식생의 세근 활동이 가장 활발하여, 지형에대한지점별특성이식생활동
으로 인하여나타나지않는 경우로이해된다. 포화수 리전도도의표준편차크기는대상사면에서물의움직 임을결정하는요소의복합적인영향에의해결정된다.
식생의영향과사면의상대적인포화도에의한토양층 우선흐름경로의발달양상, 그리고선행강우로인한토 양층의 포화 상태 등에 의해 영향을 받는다. 다양한 수문 식생요소의구체적인상호작용과수리특성에대 한연구는중요한차후의연구주제가될것이다.
Bormann and Klaassen(2008)은 토지사용에 따른
토양의 수리적및 수문학적특성에대해서 계절별로 연구하였는데, 산림유역에서의지표면의계절적(3월/4
월, 5월, 7월, 10월) 가밀도와포화수리전도도의결과 를 보면, 3월/4월과 10월의 가밀도 값이비슷하지만
5월부터 7월까지감소하는경향을보였다. 한편이와
반대로 포화수리전도도는 증가하는경향을 가진다고 하였다. 이는가밀도가줄어듬에따라공극율이반대 로 증가하여이에따른영향으로포화수리전도도값 이 증가하기때문이다. 이는 온도의변화에 따른 식
생과동물군변화의영향이라고하였다. 이들의연구 결과는광릉과설마천의포화수리전도도의계절적변 화와같은경향을보이고있다.
3.2. 유효흐름율과대공극유효흐름분율의계절적변화
Fig. 5(a)와 (b)는 설마천과 광릉 소유역의 월별에
따른 각지점의대공극흐름과토양구조체흐름의변화 그리고총유효흐름의평균적인변화및표준편차, 총 유효흐름에서의 대공극흐름이차지하는비율들을각 각 보여주고 있다. 대공극흐름은포화수리전도도에서
장력 -3cm에서의불포화수리전도도를차감한값이고,
토양구조체흐름은포화수리전도도에서대공극흐름을 차감한값이다. 설마천의경우총유효흐름값은 6월과 9월에높았으며 3월, 5월그리고 10월에는 30cm hr-1
미만의유사한값을 나타내었다. 설마천의 월별대공 극흐름분율은광릉과는달리전체적으로 9월까지점 차적으로증가하다가 10월에현저히떨어지는것을볼 수있다. 대공극흐름분율의전체적인범위는 58~67%
이다. 광릉의경우는총유효흐름은 7~41cm hr−1범위 로 6월, 7월, 9월에는 40cm hr−1에 가까운 반면 5월
과 10월에는급격하게낮아진것을 알수있다. 대공 극흐름분율의전체적인범위는 44~70%이었다. 계절
적인 특징으로 3월, 6월, 7월, 9월에 70%에가까운높
은 값을 보인 반면, 5월과 10월에는 50% 미만이었
다. 10월의경우에는낮은토양수분으로인해수리전 도도를비롯한유효흐름율이낮아진것으로평가된다
(Gupta et al., 2006). 3월의 경우는 겨울철 동결된
토양층의융해로인해미세공극보다대공극이상대적 으로발달하였기때문으로판단된다. 전반적으로침투
과정에서 대공극의 높은 침투 흐름 비율은 사면의 수문학적과정에서대공극의역할이중요하다는것을 의미하고, 이전많은 연구자들도대공극의역할과존
재에 대해 중요성을 강조한 바 있다(Beven and
Germann, 1982; Gwak et al., 2007; Noguchi et al., 1999a, b; Perret et al., 1999; Watson and Luxmoore., 1986).
Fig. 5. The seasonal proportions of effective macro, meso- micro, total flow (cm/hr of total effective flow) in (a) Sulmachun and (b) Gwangneung. The vertical bars represent the flow of macro-, meso-micro flow, the closed circles are total flow (average, standard deviation), the closed circle- dashed line is the flow through the effective macropore volume (average, standard deviation).
3.3. 유효공극부피와 대공극유효부피분율의 계절적 변화
Fig. 6(a)와 (b)는설마천과 광릉의월별에따른 각
지점의대공극부피와토양구조체부피의변화와총유 효부피의 평균적인변화 및표준편차, 총유효부피에 서의대공극부피가차지하는비율을나타낸다. 설마천 의 총 유효공극부피는 광릉보다 높은 값을 보여주고 있다. 3월, 6월, 9월은 상대적으로높은 값을 보였으 나, 5월과 10월은 다른시기보다작은값을 나타내었 다. 두유역에서모두동일하게나타난특징은 10월에 대공극 흐름분율값이 9월보다는 작아졌다는 점이다.
이는식생과동물군의활동감소로인해공극구조발달 이 줄어들었다는것을의미한다. 즉대공극의 붕괴현
상이일어나고있었음을의미한다. 광릉의경우, 전반 적인전체공극유효부피의변화에서 6월과 7월그리고
9월에 가장 높은 값을 가지는 반면 5월과 10월에는
낮은 값을보였다. 설마천의 10월의 경우와는다르게 광릉의 10월 토양수분값이 다른 계절에 비해 약
9%~10% 정도 낮아 전체 공극유효부피값이 저평가
되었던것으로이해된다. 그러나근본적인원인이동·
식물활동의현저한감소로인한영향인지토양수분값 의영향인지는추가적이고지속적인실험을통해서차 후규명해야할연구주제이다. 대공극유효부피분율의
범위는 4~17%로 앞서 대공극흐름분율에 비해 아주
작은값으로서대공극의존재가침투흐름에서중요하 다는것을말해준다.
3.4. 불포화수리전도도의계절적변화
Fig. 7(a)와 (b)는 설마천, 광릉에서의각 지점에서
의월별수위하강율을평균하여장력에따른수리전도
도의분포를보여주고있다(R2=0.99). 설마천의경우,
광릉보다수리전도도가대체적으로높았다. 즉장력이 낮을수록월별수리전도도값의차이는커졌다. 장력이
-10 ~ -6cm의범위에서 월별 수리 전도도값의차이는
거의같았다. 그러나장력 -4 ~ -3cm의범위에서는월
Fig. 6. The seasonal proportions of effective macro, meso- micro, total porosity (m3/m3 of total effective volume): (a)
Sulmachunand (b) Gwangneung. Fig. 7. Seasonal variations of mean hydraulic conductivities for various tensions in (a) Sulmachun and (b) Gwangneung.
별불포화수리전도도값의차이는점점커졌고, 장력이
0에가까워질수록이차이는더욱더커졌다. 이는토
양공극에서대공극의계절적발달 변화가수리전도도 의변화에큰영향을미침을나타낸다. 광릉의경우에 도, 설마천의경우와마찬가지로장력이 0에가까울수
록 월별 수리 전도도값 차이가커졌다(Fig. 7(b)). 장
력이 -10 ~ -3cm의범위에서는월별수리전도도값들의
차이가크지않았으나, -3cm부터차이가커졌다. 상대
적으로큰장력이작용하는것은미세한공극들에해 당하는 것을 의미하는 반면에 작은 장력이 작용하는 것은대부분큰공극과미세공극모두에해당한다. 다
시말하면, 큰장력에해당되는미세공극같은토양구 조체부피를 통한 물의 이동속도는 거의 일정하지만,
작은장력에해당하는대공극과미세공극을합한공극 들을 통한 물의이동속도는급격하게 증가한다. 이는 대공극흐름율과 부피의계절적특성분석에서얻은결 론과 같은것으로서대공극이토양의수리전도도특성 을 주로반영함을 말한다. 계절적특징으로미세공극
은 일정하나대공극은 6월과 7월 그리고 9월에발달 하여수리전도도를급격하게높이는역할을하였다.
Table 4는설마천, 광릉의월별 수리전도도의모수
(Ksat, α)값을보여주고있다. α는역모세관길이규모 로서 K-h의관계의형태를결정하는중요한변수임과 동시에불포화토양에서중력과모세관력의상대적인 중요성을가늠하는기준이된다. 월별로는 6월과 9월,
광릉보다는설마천의α값이상대적으로큼으로써침투 에서물의흐름에대한모세관력보다는중력의기여가
상대적으로크다는것을알수있다(Table 4).
IV. 결 론
경기도파주시설마리에위치한설마천유역의범륜 사우측사면과포천시소흘읍광릉슈퍼사이트내원두 부소유역에서 2008년 3월부터 2008년 10월까지 6차 례의 장력침투 실험을실시하였다. 현장 침투실험을 통해 포화수리전도도와유효흐름, 대공극 유효흐름분 율, 유효공극부피와 대공극 유효부피분율 및 불포화 수리전도도의계절적변동성을관측하였다. 전체적으
로 3월, 6월, 9월의수리전도도가상대적으로컸지만,
5월과 10월의 경우는 낮았다. 이는 식생의 세근활동
등과관련된공극의발달양상과선행강우사상으로인 한초기토양수분의영향으로설명할수있다. 본연구
에서제시된결과는사면에서의다양한토양수리특 성이유역별지점별로도상이한특성을보여주고있으 나, 동일한지점의월별변동성도상당하다는것을보 여주고있다. 본연구는현장에서측정된토양수리특 성의시간적불균일성을보여주는사례로서사면에서 의수문과정이동적인과정임을 의미하고있고, 제시 된토양수리학적특성들은다양한수문연구의참고자 료로사용될수있을것으로기대된다.
적 요
토양수리특성을규명하는것은사면에서의수문과정 을이해하는 과정에서중요한부분이다. 이연구에서 는토양공극발달및수리학적특성의시간적인변화특 성에대해서조사하였다. 특히, 대공극흐름이나수리 전도도와관련된특성들을설마천유역의범륜사사면 과광릉연구유역의원두부소사면에서관측하였다. 연 직흐름의측정을위해사용된기기는장력침투계로 약 8개월동안토양층표면의수리전도도를측정하였다.
측정된결과는 3월, 6월, 9월의 수리전도도가 상대적 으로크지만, 5월과 10월의경우는낮은값을 보여준 다. 이는식생의세근활동등과관련된공극구조의발 달양상과선행강우사상으로인한토양수분의영향으로 설명될수있다. 침투과정에서있어서 대공극은산림 유역에서의수리전도도에미치는영향은대단히크며,
수문학적과정에 있어서도매우 중요한기작이다. 본 연구는현장에서측정된토양수리특성의시간적불균 Table 4. Estimated soil hydraulic properties for Gwangneung
and Sulmachun
Season Parameter Gwangneung Sulmachun
Mar. Ks (cm/hr) 17.20 29.04
α (1/cm) 39.28 34.28
May Ks (cm/hr) 6.68 23.48
α (1/cm) 24.26 33.03
June Ks (cm/hr) 31.12 52.71
α (1/cm) 44.73 40.05
July Ks (cm/hr) 19.30 -
α (1/cm) 35.44 -
Sept. Ks (cm/hr) 36.58 51.71
α (1/cm) 45.5 37.84
Oct. Ks (cm/hr) 7.28 20.55
α (1/cm) 22.49 30.69
일성을보여주는사례로사면에서의침투과정이동적 인과정임을보여주고있고, 관련된다양한토양수리
학적 특성들은국내산지사면에서발생되는수문기작 을이해하는데중요한기초자료가된다.
감사의 글
본 연구는 교육인적자원부의 BK21사업과 21세기 프론티어연구개발사업인수자원의지속적확보기술개 발사업단의연구비지원(과제번호, 1-8-3)으로 수행되 었다.
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