Effects of Vegetation Recovery for Surface Runoff and Soil Erosion in Burned Mountains, Yangyang

− 393 −

水 工 學

第28卷 第4B 號·2008年 7月 pp. 393 ~ 403

양양 산불지역 지표유출 및 토양침식에 대한 식생회복의 영향

Effects of Vegetation Recovery for Surface Runoff and Soil Erosion in Burned Mountains, Yangyang

신승숙*·박상덕**·조재웅***·이규송****

Shin Seung Sook

·

·

·

···

Abstract

While characteristics of topography, soil, and vegetation coverage were surveyed, also surface runoff and soil erosion for each rainfall event were measured to analyze effect of change of land cover conditions in mountain areas, Yangyang, directly after wildfire. Fifteen rainfall events were taken in total during the survey period. The result of this survey appeared that the amount of surface runoff and soil erosion are a great difference between plots with rapidly recovered vegetation and bare plots after wildfire. The burned plots where vegetation recovered rapidly generated two times or more of surface runoff and soil ero- sion than control plots, as burned plots with bare soil showed about ten times of surface runoff and sediment than control plots.

The result of correlation analysis between main parameters of the surface runoff and soil erosion presented that rainfall factors and vegetation factors had significant effects on runoff and soil erosion. The sensitivity of runoff and soil erosion showed spe- cially high correlation with vegetation indices. If the land surface disturbed by wildfire are recovered by natural vegetation as time passes, runoff and soil erosion may be decreased gradually. Because runoff and soil erosion in the areas with rare veg- etation or bare soil are generated continuously, the discriminated mediation strategies would be established as condition of each region.

Keywords : surface runoff, soil erosion, vegetation recovery, wildfire, sensitivity

···

요 지

양양 산불 피해 지역 당해년도의 극심한 지표 변화에 따른 지표유출 및 토양침식을 분석하기 위해 산불 산지사면에 10개 의 소규모 조사구를 설치하여, 지형, 토양, 식생, 강우사상별 유출 및 토양침식량을 측정하였다. 조사는 총 15개 단일강우사 상을 기준하여 이루어졌다. 산불이후 식생회복이 빠른 지역과 그렇지 않은 사면의 유출 및 토양침식량은 매우 큰 차이를 보 였다. 식생회복이 빠른 조사구들은 대조구보다 약 2배 많은 평균 유출량 및 토양침식량을 나타냈으나, 나지상태 조사구들에 서는 대조구의 약 10배 이내의 유출 및 토양침식이 발생되었다. 지표유출 및 토양침식에 대한 주요 인자들과의 상관분석에 의하면 강우인자 및 식생인자는 유출과 토양침식에 상당한 영향을 미쳤다. 유출 및 토양침식 민감도는 식생지수들과 높은 상관성을 보였다. 산불에 의해 교란된 지표식생이 시간이 경과함에 따라 회복되고, 산불초기에 다량의 토사유출이 발생된 이 후 사면 토양의 안정화에 따라 전반적으로 유출 및 토양침식량이 감소하였다. 그러나 식생회복이 안되거나, 식생회복이 더딘 지역은 지속적으로 유출 및 토양침식이 발생하기 때문에 산불 지역별로 차별화된 대응전략 수립이 필요하다.

핵심용어 : 지표유출, 토양침식, 식생회복, 산불, 민감도

···

1.

서 론

건조기에 빈번하게 발생하는 산불은 산지환경을 악화시키 는 큰 원인이 되고 있다. 산불피해 지역에서 호우가 발생하 면, 홍수재해 위험도 증가하고 과도한 토양침식으로 인한 토 사재해도 피하기 어렵다. 산불은 수자원 함양, 홍수방지, 토 사유출억제, 산지사면 붕괴방지 등의 국토로서의 기능과 환 경보전, 휴양 및 여가활동 공간제공 등의 산림생태의 공간으

로서의 기능을 황폐화시킨다. 2000년 대규모 산불지역인 강 릉 사천에서 2002년 발생한 태풍 루사로 인해 산불이 발생 하지 않은 지역에 비해 약 11.3 배나 많은 면적에서 산사태 가 발생하였으며, 이에 따른 토사유출로 하상을 상승시키고 선상지를 형성하는 등의 피해가 발생하였다(박상덕, 2002).

Johansen

등 (2001)은 임의로 소나무 숲을 완전히 태워

토양을 노출시킨 지역과 미 산불 지역에서 강우 모의시험을 수행하여, 유출 및 토양침식량을 비교한 결과 유출량의 차이

*정회원·교신저자·강릉대학교 대학원 토목공학과 박사과정 (E-mail : [email protected])

**정회원·강릉대학교토목공학과교수 (E-mail : [email protected])

***강릉대학교 대학원 토목공학과 공학석사 (E-mail : [email protected])

****강릉대학교생물학과교수 (E-mail : [email protected])

는 2 배, 토양침식량의 차이는 무려 25 배가 증가함을 보였 다. Díaz-Fierros(1998)는 산불 당해연도 지역의 유출이 미 산불지역에 비해 두 배 많았으나, 토양침식은 훨씬 큰 차이 가 있음을 알았다. Moffet 등(2007)은 산불조사구들과 미 산불조사구들의 유출고 및 초기 유출 발생 여부에 대한 결 과뿐만 아니라 토사유출의 차이와 모의 강우 시간에 따른 침식율의 변화도 제시하였다. 산불 지역에서의 유출 및 토양 침식은 기존의 토양침식 이론 및 과정과 크게 다르지 않다.

주요 지배인자로는 유출과 토양침식을 유발하게 하는 에너 지원인 강우, 토양특성, 지형상태 그리고 지표의 식생상태 등 을 고려할 수 있으며, 이러한 인자들에 대한 기초 이론과 유출 및 토양침식에 미치는 영향에 대한 연구는 많이 수행 되었다(Morgan, 1996: Toy 등, 2002; Foster, 1982; Hudson,

1971).

산불로 인한 피해 지역은 미산불의 지역 또는 개발

지역과 식생 및 토양 특성이 상이하게 다르다. Florinsky

(1996)

는 식생특성의 이질성은 중력에 의해 지배되는 지표면

물의 이동과 저류를 제어하는 지표면의 다채로운 형태로 나 타남을 보였다. Shakesby(2006)는 산불지역에서 침식이 지역 별 지형적인 분포에 의해 크게 제한됨을 알았다. 강한 강우,

높은 침식성 그리고 물 반발력이 증가함에도 불구하고 제한 된 토사의 이송은 지표의 조도가 증가하고 지표유출에 우회 를 유발하는 배수형태를 제공하는 산지지형의 환경적인 요 인이 작은 댐과 같은 역할을 수행하기 때문으로 보았다.

본 연구에서는 이러한 산불지역의 토양과 식생변화에 따른 유출 및 토양침식 특성을 파악하기 위여 산불 당해 지역인 낙산사 일대에 10 개의 소규모 조사구를 설치하여 산불 직 후의 초기 식생회복에 따른 변화와 각각의 강우인자, 지형인 자, 식생인자, 토양인자에 대한 유출 및 토양침식 특성을 분 석하고자 한다.

2.

연구방법 및 내용

2.1

소규모 조사구 특성

강원도 영동지역은 초봄에 강하고 건조한 바람으로 인해 산불이 빈번하게 발생한다. 2005년 4월 5일 양양군 일대의 소나무로 이루어진 산림에 대형 산불이 발생하여, 산림이 훼 손되고, 관동팔경 중에 하나인 낙산사가 소실되었다. 지표 교 란이 심한 산불 당해년도의 산지사면에 표면유출경로와 토

Fig. 1 Location of study plots around Naksansa in Yangyang

− 395 − 양침식에 영향을 미치는 주요 인자를 면밀하게 파악하기 위 해 Fig. 1처럼 산불지역인 양양군 강현면 낙산사 인근 지역 에 소규모 조사구들을 설치하였다(박상덕 등, 2005). 소규모 조사구는 산불이 발생하지 않은 KH1과, 지표의 초본층만 피해를 입은 지표화 지역인 KH2, 그리고 모든 식생이 피해 를 입은 수관화 지역에 설치된 KH3-KH10으로 전체 10개 소이다. 이들 조사구에서 식생요인과 토양조건, 지형조건 등 의 유출 및 토양침식에 영향을 미치는 주요인자들을 조사한 결과는 Table 1과 같다. 일반적으로 3 m×10 m 크기의 조사 구를 만들기 위해 합성금속 재료를 활용하였고, 유출되는 물 과 토사를 받기 위해 1톤의 플라스틱 물통을 사용하였다.

경사 (S)가 가장 급한 지소는 KH7로 66.1%이며, 평균경사 는 47.3%이다. 토양침식 및 이송능력을 판단하기 위한 세류 와 세류간의 분포 및 규모 그리고 세류에서의 수리학적인 특성(Foster, 1982; Nearing et al., 1989)에 대한 조사는 산지사면의 화재식생 및 회생식생에 의해 세류의 유무가 분 명하지 않기 때문에 이루어지지 않았다. 강릉과 속초 사이에 위치한 양양지역의 지질은 선캄브리아 시대의 변성암으로 구 성된 경기육괴와 영남육괴, 현생이언의 퇴적물로 구성된 옥 천대, 중생대 화강암과 시대미상의 변성퇴적암 등으로 구성 되어 있다(김정찬 등, 2001). 조사구 인근 주변의 흙을 채취 하여, 평균토양입경 (Dm), 유기물함량 (Om), 건조밀도

(Dd),

비중 (SG) 등을 조사하였고, 주수법을 활용하여 투수

시험 장치로 토양의 포화투수계수 (K)를 측정하였다(Klute

and Dirksen, 1986).

토심 (Sd)은 1 m 철심으로 조사구 주

변의 무작위 다섯 지점을 찍어 산술평균하였다.

2.2

지표식생 변화

각 조사구내 식생구조는 교목층, 아교목층, 관목층, 초본층, 낙엽층으로 구분하여 각 층별 키와 식피율 (V

을 측정하였 고, 낙엽층은 낙엽층 두께와 식피율을 측정하였다. 전체식피 율은 교목층, 아교목층, 관목층 및 초본층을 망라하여 살아 있는 식생이 지면을 덮는 정도를 측정한 결과이다. 모든 유 형의 식피율은 조사구내 살아 있는 식생을 전체 조사구 면 적에 수직으로 투영하였을 때 식생이 덮고 있는 정도를 백

분율로 측정한다. 식생구조 조사는 Table 2와 같이 시기별로 세 차례에 거쳐 이루어졌다. 산불이 발생하지 않고 주요 식 생이 소나무로 이루어진 KH1은 식피율의 변화가 없으며, 지표화 지역인 KH2는 산불직후 전체피복이 20%였으나, 초 본층의 급격한 성장으로 95%의 피복율을 보였다. 나머지 지역은 산불직후 식피율이 제로였으며, 시간이 경과함에 따 라 지소별로 식생 회복 속도가 다르게 나타났다. Photo 1 은 산불이후 120여일이 경과한 시점에 식생회복이 상이하 게 다른 KH4와 KH5의 식생분포를 보여주는 좋은 예이다.

산불초기를 포함한 네 번의 식생조사 자료를 활용하여 Fig.

2

처럼 시기별 식생분포를 시간 경과에 따른 식생피복도의 함수로 표현하였다. 식생분포가 균일한 KH1을 제외한 대부 분의 조사구 식생분포는 비선형 이차방정식의 형태를 따르 며, 식생조사가 이루어지지 않은 시기의 식생분포 추정이 가능하다.

박상덕 등(2001)은 식생요인과 토양침식 및 표면유출과의 관계를 파악하기 위하여, 교목층 (Tt), 아교목층 (St), 관목층

(Sh),

초본층 (He) 및 낙엽층 (Li)의 식생인자를 활용한 식

(1)~(3)

의 식생피복지수들을 개발하였다.

(1) (2) (3)

여기서 식생피복지수 I

와 I

는 무차원 지수들로서 V

은 각층의 식피율 (%)을 의미하고, V

는 낙엽층까지 포함한 각층의 식피율 (%)을 나타낸다.

이규송 등 (2004)은 산불 이후 시간경과에 따른 이들 식 생지수들의 변화 특성에 대해 조사하였고, 산불 초기의 공간 적인 이질성을 잘 표현해 주어 관리나 복구 기법을 개발하 는데 유용하게 사용될 수 있는 지수들임을 보였다. 유출 및 토양침식에 있어서 지상부 식생뿐만 아니라 지하부 식생 또 한 중요한 인자이다. 지하부에 존재하는 뿌리는 물을 빨아들 이고, 지표부근의 잔뿌리는 외력에 대한 표토의 지지력 강하 기능을 갖고 있어서 세류침식으로 발달하는 것을 막아준다.

V_c=Vegetation Coverage %

( )

∑

⁄

I_vcd⁼

∑

⁄

Plot name A (m³)

L (m)

S (%)

Dm (mm)

Sd (cm)

Om (%)

Dd

(g/cm³) SG K

(cm/s)

Slop Position

Fire intensity

KH1 29.70 9.83 38.7 1.00 31.17 6.34 0.995 1.532 0.0104 Middle Fireless

KH2 30.00 9.83 36.1 2.42 24.00 7.12 0.927 1.244 0.0110 Middle Low

KH3 31.60 10.63 35.1 2.19 26.50 5.90 1.008 1.252 0.0164 High High

KH4 23.60 7.99 50.8 1.10 21.33 4.61 1.264 1.770 0.0117 Low High

KH5 32.00 10.34 54.2 1.56 51.83 6.64 1.002 1.378 0.0109 Middle High

KH6 35.70 10.64 51.4 1.04 44.17 4.63 1.095 1.344 0.0105 Low High

KH7 33.40 10.43 66.1 1.94 38.17 6.89 0.972 1.307 0.0120 Middle High

KH8 30.60 10.12 53.0 1.06 49.33 7.03 1.044 1.374 0.0094 Low High

KH9 28.70 8.04 38.9 1.56 15.00 4.14 1.098 1.379 0.0064 Ligh High

KH10 29.30 10.15 48.4 1.90 24.33 7.38 0.968 1.237 0.0099 Ligh High

Ave. 30.46 9.80 47.3 1.58 32.58 6.07 1.037 1.382 0.0109 - -

S.D. 3.20 0.98 9.9 0.52 12.62 1.19 0.096 0.162 0.0025 - -

이규송 및 박상덕 (2005)은 이들 지표식생지수와 지하부식생 인 세근과의 관계를 제시하였으며, 산불 후 자연방치지에서 식생지수와 세근사이의 관계식은 식 (4)와 같다.

(4)

여기서 Rt는 지표에서 5 cm 깊이까지에 있는 직경 2 mm 이 하의 세근량 (g/m

을 의미한다. 지하부 식생인 뿌리를 고려한 식생지수를 개발하기 위해 다음 식 (5), (6)를 제시한다.

(5)

(6)

여기서 I

는 각층별 식생과 잔뿌리를 고려한 무차원의 식생 지수이고, I

은 낙엽층과 잔뿌리층 모두를 고려한 식생지수 로 단위는 무차원이다. Rt

는 녹화사방지역에서 단위면적당 세근의 피도가 100% 이상이 되는 경우의 세근량 800 g/m

로 설정한다. 각 조사구에서 조사한 식피율 및 각 층별 식 피율 자료를 활용하여 제시한 식생지수들을 산정하였고, 그 결과는 Table 2와 같다.

2.3

강우특성

조사지점의 기후는 강원도 영동지역의 전형적으로 국지적, 시간적 기상변화가 극심한 산악 기후 특성을 가지고 있다.

영동북부지방은 연간강수량이 1,400 mm 정도로 강우량이 많 은 편이고, 우기인 6월-9월에 집중인 호우가 발생한다. Fig.

3

는 강현면에 설치되어 있는 기상청 AWS의 강우량 자료로 부터 얻은 산불이후 경과일수에 따른 일별 강우량과 누적강 우량을 나타낸 것이다. 4월에 발생한 산불의 경과일수가 80 일 이후인 6월 말부터 집중적인 강우가 빈번하게 발생하였 고, 일일 최대 강우량은 6월 27일의 106 mm 이였다. 강우 에 의해 발생하는 산지사면에서의 유출 및 토양침식은 단일 강우사상을 기준으로 조사하였으나, 연속적인 강우로 인한

I_vcr=I_vc+Rt Rt

⁄

I_vcdr=I_vcd+Rt Rt

⁄

Table 2. Vegetation coverages of each layer and vegetation indices in each plot Date Plot

name

Vegetation coverages Vegetation indices

V_c(%) Tt(%) St(%) Sh(%) He(%) Li(%) I_vc I_vcd I_vcr I_vcdr

6.16

KH1 95 70 70 35 30 100 2.05 3.05 2.19 3.19

KH2 60 20 15 40 30 0.75 1.05 0.87 1.17

KH3 15 12 3 0 0.15 0.15 0.17 0.17

KH4 4 4 0 0 0.04 0.04 0.05 0.05

KH5 40 25 20 25 0.45 0.70 0.53 0.78

KH6 65 50 15 15 0.65 0.80 0.76 0.91

KH7 50 45 8 10 0.53 0.63 0.62 0.72

KH8 60 40 25 5 0.65 0.70 0.76 0.81

KH9 15 15 1 0 0.16 0.16 0.19 0.19

KH10 55 40 15 10 0.55 0.65 0.64 0.74

7.23

KH1 95 70 70 30 40 95 2.10 3.05 2.24 3.19

KH2 80 20 30 70 35 1.20 1.55 1.36 1.71

KH3 30 30 2 0 0.32 0.32 0.38 0.38

KH4 5 5 0 0 0.05 0.05 0.06 0.06

KH5 70 40 40 60 0.80 1.40 0.93 1.53

KH6 75 60 40 50 1.00 1.50 1.15 1.65

KH7 70 60 25 30 0.85 1.15 0.98 1.28

KH8 75 50 40 25 0.90 1.15 1.04 1.29

KH9 20 20 1 0 0.21 0.21 0.25 0.25

KH10 60 45 20 10 0.65 0.75 0.76 0.86

9.14

KH1 95 70 70 30 40 95 2.10 3.05 2.24 3.19

KH2 95 20 30 90 35 1.40 1.75 1.57 1.92

KH3 45 40 5 0 0.45 0.45 0.53 0.53

KH4 10 10 0.1 0 0.10 0.10 0.11 0.11

KH5 95 60 70 60 1.30 1.90 1.47 2.07

KH6 95 70 40 50 1.10 1.60 1.25 1.75

KH7 80 70 30 30 1.00 1.30 1.15 1.45

KH8 95 70 70 25 1.40 1.65 1.57 1.82

KH9 25 25 1 0 0.26 0.26 0.31 0.31

KH10 70 60 25 10 0.85 0.95 0.98 1.08

− 397 − 조사시점이 용이하지 않은 경우는 누적된 강우에 대한 자료 를 수집하였다. Table 3은 산불이후 시간경과 일수 (Df)에 따른 강우사상별 총강우량 (R), 지속시간 (T), 시간 최대강우 강도 (I

분 최대강우강도 (I

총강우량을 강우지속 시간으로 나눈 평균강우강도 (I

선행강우량 (R

선행강 우일수 (D

그리고 van Dijk 등(2002)이 제시한 평균강우 강도를 이용한 강우 운동에너지로부터 총 강우에너지 (RE) 의 결과이다.

2.4

유출·토양침식 민감도와 토사농도

입력에너지인 강우에너지에 비해 출력에너지인 유출 및 토 양침식량이 크다고 한다면 산지사면에서의 침투, 저류, 식생 등에 의한 에너지 감소 요인의 영향이 적다는 것을 의미한 다. 반대로 식생분포가 크고, 건조 상태의 점성이 높은 토양 으로 이루어진 복합한 지형 조건의 사면에서는 입력 강우에 너지가 크다 하더라고 출력 결과인 유출 및 토양침식은 사 면에서의 저해 요인들에 의해 현저히 줄어들 것이다. 박상덕 등 (2005)은 강우에너지에 대한 유출량 및 토양침식량의 비 를 각각 유출민감도(runoff sensitivity)와 토양침식민감도

(soil erosion sensitivity)

로 정의하였으며, 다음 식 (7), (8)

을 제시하였다.

(7)

(8)

여기서, S

는 유출민감도 (l/J), S

는 토양침식민감도 (g/J),

는 단위면적당 유출량 (l/m

그리고 q

는 단위면적당 토

S_q q RE---

=

S_qs q_s RE---

=

Photo 1. The comparison of vegetation condition recovered differently as a location after wildfire (2005. 7. 30)

Fig. 2 Variations of vegetation coverage according to days after wildfire in each plots. All regression equations are shapes of quadratic equation expect of KH1

Fig. 3 Changes of the daily rainfall and cumulative rainfall during the first year after wildfire

양침식량 (g/m

을 의미한다. 유출민감도와 토양침식민감도는 강우에너지에 대한 산지사면에서의 반응 결과로 다양한 지표 및 지형특성을 갖는 사면에서의 에너지손실 및 강우손실과 반비례 관계를 갖는다. 유출민감도와 비슷한 개념의 유출계수 는 무차원수로 강우량에 대한 유출고의 비로 정의한다. 그러 나 유출계수는 강우강도의 개념을 배제한 것이다. 유출뿐만 아니라 토양침식에 있어 강우강도는 지표유출을 용이하게 하 고, 토양체로부터 토사입자를 박리시키는데 중요한 역할을 수 행하는 인자이기 때문에, 사면에서의 지표유출 및 토양침식 분석에 있어서 유출민감도 이론을 활용하는 것이 더 합리적 이라 판단된다.

Bennett(1974)

와 Kirkby(1980b)는 침식과정을 해석하기 위

한 물리적인 토양침식 모델에서 질량보존에 대한 편미분 형 태의 연속방정식을 제시하였고, 흐르는 물에 포함된 토사의 양 개념인 토사농도를 사용하였다. 흐름방향의 단위길이당 유출수의 미소면체에 지표면으로부터 유입되거나 지표면에 퇴적되는 토사의 변화는 유출수에 포함된 토사의 농도변화 를 의미하며, 이는 토사유출량을 추정하는데 중요한 분석 인 자이다. Cerdan(2002)는 토양침식모형과 세류간침식 방정식 개발을 위해 토사농도의 주요인자인 지표상태, 식생 및 강우 에 따른 토사농도 변화를 분석하였다. 지표조도가 작고, 강 우강도가 큰 경우 식생분포가 커짐에 따라 토사농도가 감소 하고, 강우강도가 증가하면 20% 이상의 식생피복 상태에서 는 선형적으로 토사농도 증가하지만, 낮은 식생분포에서는 지수 함수적으로 토사농도가 증가함을 보였다. 토사의 농도 는 부피 백분율, 무게 백분율 및 부피에 대한 무게의 백분 율로 세 가지 형태가 있으며(Chien, 1999), 무게 백분율에 대한 정의는 식 (9)와 같이 표현한다.

(9)

여기서, S

는 토사농도 (%)이고,

는 단위중량 (g/cm

이다.

3.

결과 및 고찰

3.1

지표유출과 토양침식

설치직후 지표교란에 의한 초기측정 자료들과 신뢰도가 낮 은 자료들을 제외한 각 소규모 조사구에서 측정된 유출 및 토양침식에 대한 조사는 15 회로 자료 수는 144 개였다. 자

S_w q_s q

γ

×

=

Table 3. Characteristics of rainfall event for surveying runoff and soil erosion from AWS in Kanghyun, Yangyang, Gangwon, Korea

Survey period

Df (day)

R (mm)

T (hr)

I_max (mm/hr)

I₃₀ (mm/hr)

I_ave (mm/hr)

R_a (mm)

D_a (day)

RE (J/m²)

4.9~10 5 31.0 14 7.0 10.7 2.2 16 15.5 462

5.5~6 31 81.5 33 6.0 9.2 2.5 9 31.0 1225

5.17~18 43 24.0 14 4.5 6.9 1.7 5 5.5 351

6.10 66 5.0 4 3.5 5.3 1.3 23 24.0 72

6.15~16 72 4.0 10 2.0 3.1 0.4 5 5.0 55

6.26~27 83 127.5 21 12.0 18.3 6.1 10 4.0 2154

6.29 85 8.5 7 3.5 5.3 1.2 2 127.5 122

7.1 87 22.0 7 12.0 18.3 3.1 2 8.5 339

7.3~4 90 11.0 23 3.0 4.6 0.5 2 22.0 153

7.6~8 94 90.0 43 9.5 14.5 2.1 2 11.0 1334

7.9~12 98 79.5 32 16.5 25.2 2.5 1 90.0 1196

7.28 114 30.5 14 6.5 9.9 2.2 16 79.5 454

8.19~21 138 101.5 65 9.5 14.5 1.6 15 9.5 1474

8.24~25 142 93.0 33 14.0 21.4 2.8 2 101.5 1416

9.2~4 152 26.5 44 15.0 22.9 0.6 7 93.0 370

9.6~7 155 91.0 22 9.0 13.8 4.1 2 26.5 1450

9.13~23 171 201.5 82 10.5 16.0 2.5 6 91.0 3028

Average 60.5 9 12.9 2.2 27.5 44 7.4 921

S.D. 54.1 5 6.8 1.4 21.4 42 6.6 838

Fig. 4 Relationship between runoff and soil erosion generated by rainfall events (n=144)

− 399 − 연 강우에 의해 발생한 최대 토양침식량은 KH4에서 산불이 후 한 달 경과 시점에 발생한 81.5 mm의 강우에 대한

73.39 g/m²

이였다. 최대유출은 강우의 규모가 컸던 6월의

127 mm

강우와 9월의 201.5 mm 강우에 의해 KH3과 KH9

에서 발생하였다. Fig. 4은 유출량과 토양침식량의 관계를 나 타낸 것으로 지수함수관계를 보이며, 지수는 0.678 이다.

산불이후 시간이 경과하면서, 유출 및 토양침식이 다량 발 생하는 조사구와 그렇지 않은 조사구로 크게 나뉘었다(Fig.

5).

유출이 비교적 많이 발생한 조사구는 KH3, KH4, 및

였고, 그중에 최대 누적유출량은 213.71 l/m

로 조사구

KH9

에서 발생하였다. 누적토양침식량은 조사구 KH4에서

313.03 g/m²

로 가장 많았다. 면적, 토양 조건 및 식생분포가

비슷한 이들 조사구에서 조사구 KH9에서 다량의 유출이 발 생하는 원인은 다른 지점에 비해 토심이 얕아 토양이 포화 되는 시간이 짧아서 물이 지표유출로 쉽게 유도되기 때문이 고, 조사구 KH4에서 다량의 토양침식이 발생하는 원인은 급한 경사에 의한 지표유출수의 유수력 증가로 토사의 박리 및 토사이송 능력이 증가하기 때문인 것으로 파악된다.

산불이후 식생회복에 따른 유출 및 토양침식량의 변화를 파악하기 위해, 각 조사구를 산불이 발생하지 않았거나, 경

Table 4. The average runoff and soil erosion from control, rapid vegetation recovery, and slow vegetation recovery plots

Rainfall (mm)

Control plots (KH1, KH2)

Rapid vegetation recovery plots (KH5, KH6, KH7, KH8, KH10)

Slow vegetation recovery plots (KH3, KH4, KH9) Average runoff

(l/m²)

Average soil erosion

(g/m²)

Average runoff (l/m²)

Average soil erosion

(g/m²)

Average runoff (l/m²)

Average soil erosion

(g/m²)

81.5 0.83 4.53 3.88 13.06 20.24 46.89

24.0 0.33 1.62 1.16 3.35 4.76 6.81

5.0 0.08 0.50 0.41 1.50 1.40 2.26

4.0 0.01 0.07 0.04 0.44 0.10 0.55

127.5 1.44 4.50 4.21 11.62 22.55 42.71

22.0 0.23 1.01 0.59 2.50 2.19 5.42

8.5 0.00 0.00 0.52 1.32 0.02 0.11

11.0 0.07 0.57 0.17 0.55 0.75 1.96

90.0 0.35 2.14 0.95 4.42 4.28 14.00

79.5 0.41 0.97 0.85 2.75 3.45 9.54

101.5 0.79 1.58 2.62 1.75 11.53 15.15

93.0 0.82 1.47 2.16 1.47 11.50 21.19

26.5 0.06 0.42 0.18 0.36 1.06 2.14

91.0 0.60 0.75 1.14 0.69 6.50 8.96

201.5 3.29 1.97 2.24 1.43 20.04 24.87

Total 9.32 22.10 21.12 47.22 110.37 202.55

Average 0.62 1.47 1.41 3.15 7.36 13.50

S.D. 0.84 1.40 1.33 3.91 7.91 14.74

미한 피해를 입은 지역들과 극심한 피해로 식생이 완전히 소진된 지역들로 구분한다. 대조구에 해당하는 조사구는

과 KH2이고, 나머지 조사구들은 후자에 해당된다. 산불 조사구들을 식생회복이 빠른 것과 그렇지 않은 것으로 구분 하면, KH5, KH6, KH7, KH8, 및 KH10의 조사구들은 관 목층 및 초본층의 회복이 빠른 지역들이고, KH3, KH4, 및

의 조사구들은 시간이 경과하여도 지표의 60%이상이 나 지 상태로 지속되는 지역들이다. 식생변화 특성에 의해 크게 세 가지 형태로 구분된 조사구들에 대한 각 강우사상별 유 출 및 토양침식량의 평균값을 나타낸 것이 Table 4이다. 강 우가 10 mm이하인 경우 대조구는 식생에 의한 차단손실이 크기 때문에 유출 및 토양침식이 거의 발생하지 않는다.

Moffet

등 (2007)은 산불 조사구들의 총 유출고는 16.6

mm

이였지만, 미 산불조사구의 경우는 3.0 mm 이였으며, 산불조사구들은 모두 유출이 발생했지만 미산불조사구는 8 개소 중에 3개소는 유출이 없었음을 보였다. 산불이후 식생 회복인 빠른 조사구들의 총 평균 유출량 및 토양침식량은 각각 21.12 l/m

와 47.22 g/m

로 대조구의 9.32 l/m

와

22.10 g/m²

와 비교하면 약 2배 정도이지만, 식생회복인 느린

조사구들은 대조구와 10 배로 유출량의 경우보다 더 큰 차 이를 보인다. Johansen 등(2001)은 임의로 소나무 숲을 완 전히 태워 토양을 노출시킨 후, 총강우량 120 mm, 강우강 도 60 mm/hr의 강우 모의시험을 수행하여, 미산불지역과 유출 및 토양침식량을 비교하였다. 유출에 있어서는 단지 2 배 정도의 차이를 보였으나, 토양침식량은 무려 25 배의 차 이를 보였다. Soto 및 Díaz-Fierros(1998)는 산불 당해연도 지역의 유출이 미산불지역에 비해 두 배 많음을 발견하였고, 토양침식은 대구조보다 훨씬 큼을 제시했다. 본 연구의 최대 강우강이 16.5 mm/hr라는 것을 감안할 때, 실제 강우규모가 커지면 토양침식량은 현저히 증가할 것이라 판단된다.

3.2

주요인자 분석

유출 및 토양침식에 영향을 미치는 강우인자로는 강우량, 강우강도, 강우지속시간, 선행강우, 강우에너지, 지형인자로 는 면적, 사면경사, 사면길이, 사면폭, 토양인자로는 유효입 경, 유기물함량, 토심, 토양비중, 투수계수, 그리고 식생인자 로는 전체피복도, 식생지수 등을 고려할 수 있으며, 특히 산 불특성인자인 산불강도 및 산불경과일수를 고려한다. Table

are transformed into natural logarithmic data for the correlation analysis Main parameters

Runoff (l/m²)

Soil erosion (g/m²)

Runoff coefficient (mm/mm)

Runoff sensitivity (l/J)

Soil erosion sensitivity

(g/J)

Sediment concentration Symbols Units (%)

Df day -0.050 -0.223* -0.231* -0.235* -0.548** -0.426**

A m² -0.266* -0.308** -0.369** -0.371** -0.355** -0.034

L m -0.369** -0.350** -0.503** -0.506** -0.397** -0.165

W m 0.163 -0.060 -0.210 -0.211 -0.061 -0.215*

S % -0.090 -0.056 -0.130 -0.131 -0.073 -0.085

Dm mm 0.117 -0.101 -0.162 -0.163 -0.117 -0.068

Sd cm -0.398** -0.381** -0.549** -0.552** -0.440** -0.171

Om % -0.370** -0.343** -0.500** -0.503** -0.386** -0.176

Dd g/cm³ -0.336** -0.359** -0.455** -0.457** -0.402** -0.089

SG - -0.091 -0.181 -0.124 -0.124 -0.200 -0.101

K cm/hr -0.058 -0.092 -0.077 -0.077 -0.098 -0.245*

R mm -0.646** -0.490** -0.005 -0.020 -0.359** -0.469**

T hr -0.372** -0.209 -0.166 -0.170 -0.448** -0.380**

I_max mm/hr -0.446** -0.305** -0.067 -0.084 -0.355** -0.374**

I₃₀ mm/hr -0.446** -0.305** -0.067 -0.084 -0.355** -0.374**

I_ave mm/hr -0.613** -0.545** -0.187 -0.153 -0.080 -0.327**

R_a mm -0.077 -0.098 -0.088 -0.083 -0.294** -0.290**

D_a day -0.071 -0.099 -0.196 -0.200 -0.216* -0.016

RE J/m² -0.650** -0.497** -0.010 -0.015 -0.352** -0.466**

V_c % -0.468** -0.568** -0.732** -0.738** -0.738** -0.021

I_vc - -0.491** -0.580** -0.763** -0.768** -0.751** -0.045

I_vcd - -0.522** -0.587** -0.790** -0.796** -0.745** -0.094

I_vcr - -0.498** -0.584** -0.774** -0.780** -0.757** -0.054

I_vcdr - -0.532** -0.595** -0.807** -0.813** -0.757** -0.101

*Significant on the level of

α

**Significant on the level of

α

Bold values indicate the main parameters that have the influence on the response variables (r

≥ 0.5)

− 401 −

는 유출량, 토양침식량, 유출계수, 유출민감도, 토양침식민감 도 및 토사농도에 대한 주요인자들과의 상관관계를 나타낸 것이다. 유출에 있어서 상관관계가 높은 인자는 강우인자, 식 생인자 순이다. 토양침식에 있어서는 강우인자 보다는 식생 인자에 더 높은 상관관계를 보였다. 강우에 의한 산지사면의 반응척도인 유출 및 토양침식 민감도는 식생지수들과의 상 관관계가 높았으며, 지표면의 낙엽층과 지표하의 뿌리층을 고려한 식생지수들과의 관계가 다소 높았다. 유출계수는 유 출민감도에 비해 대체적으로 낮은 결과를 보였다. 유출계수 와 유출민감도가 사면길이와 토심과의 관계에서 비교적 높 은 음의 상관계수를 보이는데, 이는 유출경로에서 사면길이 가 길어질수록 지형적인 저해인자가 증가하며, 토심이 클수 록 침투량이 증가하기 때문이다. 주목할 부분은 토양침식민 감도가 시간경과 일수와 상관계수가 높다는 것이다. 이는 산 불로 극심하게 교란된 지표가 시간이 경과함에 따라 식생이 회복되고, 산불초기 다량의 토사유출 이후 토양이 안정화되 어 감을 의미한다. 토사농도는 산불경과일수와 강우인자에 민감함을 보였다. 토양인자들 중에 토심과 유효입경과의 상 관성은 높았으나, 예상외로 투수계수와의 상관성은 낮았다.

3.3

식생회복의 영향

산불지역의 지표유출 및 토양침식에 영향을 미치는 주요인 자는 강우와 식생분포이다. 식생은 지표면을 타격하는 강우 의 운동에너지를 저감시키고, 강우를 지표에 오래 머무르게 하여 침투에 기여하도록 유도하며, 지표유출 및 토양침식 과 정에서 조도 증가와 유출 우회를 유발하는 배수형태를 제공 한다. Fig 6는 각 조사구에서의 식생분포에 대한 유출민감도 및 토양침식민감도를 나타낸 것으로, 식생피복이 증가함에 따 라 유출 및 토양침식 민감도가 현저히 감소함을 보여준다. 특 히 60% 이상의 식생피복 상태에서는 박(2005)이 제시한 산 불경과 7년 이후의 지역에서 토양침식민감도의 최대값 0.01

를 초과하지 않는다. 산불이후 많은 시간이 경과하지 않았 다 하더라도 식생회복이 빠른 지역이면 토양침식량은 현저 히 줄어든다. Fig. 7에서와 같이 산불경과 일수에 따른 토양 침식민감도의 변화를 보기 위해 KH4, KH6, KH7의 소규모

조사구를 비교한 결과 식생회복 속도가 느린 KH4는 토양침 식민감도가 시간경과에 따라 감소하기는 하지만, 식생회복이 빠른 다른 두 지역에 비해 감소폭이 훨씬 작음을 알 수 있 다. 토양조건 및 식생회복 상태가 비슷한 KH6과 KH7의 경우도 절대적인 값에서 차이를 보이는데, 이는 경사가 급한

에서 토양체로부터의 토사입자의 박리 및 흐름에 의한 토사의 이송이 용이해지기 때문인 것으로 사료된다. 강우량 에 따른 토사농도의 변화를 보면 Fig. 8과 같이 강우량이 증가함에 따라 토사농도는 줄어들며, 특히 식생 회복이 빠른 조사구에서의 토사농도가 크고, 식생이 적은 조사구에서의 토사농도가 상대적으로 작음을 보여, Cerdan(2002)이 제시한 것과는 상반된 결과를 보였다. 토사농도는 토사입자의 크기, 종류 및 형태에 따라 중력, 양력 등의 특성에 의해 달라진 다. 산불로 인한 초기 지표 토양 및 재 성분은 소규모 강우 에도 쉽게 침식되었다가, 시간이 경과함에 따라 강우 규모는 커지지만 유출에 비해 상대적으로 토사농도가 줄어든 것으로

Fig. 7 Variations of the runoff sensitivity for days after wildfire in each plot

해석된다. 식생분포가 큰 지역의 유출은 용이하지 않지만, 유 출된 토사에 재와 유기물을 상대적으로 많이 함유하고 있어, 토사농사가 크게 나타난 것으로 판단된다.

산불직후 식생회복 여부는 산지환경 뿐만 아니라 홍수 및 토사재해 측면의 대응전략에 있어서 대단히 중요하다.

Hartanto(2003)

는 지표처리 방법에 따른 조사구의 유출 및

토양 손실량을 분석한 결과 특히 생태적인 인자인 묘목밀도, 토양밀도, 낙엽층 두께 및 지표피복 등에 대한 상관관계가 높음을 제시하였고, Kim et al.(2008)은 산불이후 부분적으 로 식생이 회복이 느린 지역을 대상으로 지표처리 방법에 따른 유출 및 토양침식 저감효과를 분석하였으며, Buchanan

은 급경사 지역의 토양침식에 우드칩의 효과가 있음을 보이는 등 산지사면의 지표를 안정화하기 위한 적합 한 대응방법 및 전략이 필요함을 보였다.

4.

결 론

산불이후 강우에 의해 발생한 유출량과 토양침식량의 측정 결과는 지수함수의 관계를 보였다. 식생분포가 저조한 조사 구 KH9에서 다량의 유출이 발생하였는데 이는 다른 지점에 비해 토심이 얕아 토양이 포화되는 시간이 짧아서 물이 지 표유출로 쉽게 유도되기 때문이고, 조사구 KH4에서 다량의 토양침식이 발생한 원인은 경사가 급하여 토양입자에 가해 지는 지표유출수의 이송능력이 크게 작용하기 때문인 것으 로 판단된다. 산불피해 지역 중에 식생회복인 빠른 조사구들 의 평균 유출량 및 토양침식량은 대조구의 약 2배 이였으나, 식생회복인 느린 조사구들의 경우는 대조구의 10배 가까이 유출 및 토양침식이 발생하여, 식생회복 속도에 따라 확연한 차이를 보였다. 유출에 있어서 상관관계가 높은 인자는 강우 인자이고, 토양침식에 있어서는 강우인자 보다는 식생인자에 더 높은 상관관계를 보였다.

유출 및 토양침식 민감도는 식생지수들과의 상관관계가 높 으며, 유출계수와 유출민감도는 사면길이와 토심과의 관계에 서 비교적 높은 음의 상관계수를 보였다. 토양침식민감도는

시간경과 일수와 상관성을 가지며, 산불에 의해 교란된 지표 가 시간이 경과함에 따라 식생이 회복되고, 산불초기 다량의 토사유출 이후 토양이 안정화되어 가는 것으로 보인다. 산불 경과 일수에 따른 토양침식민감도의 변화에서는 식생회복 속 도가 느린 KH4의 감소율이 식생회복이 빠른 지역에 비해 훨씬 작았다. 또한 토양조건 및 식생회복 상태가 비슷한 경 우라도 경사가 급한 지역에서 3배 이상의 토양침식이 발생 하여, 경사가 토양침식에 있어 중요한 인자임을 입증하였다.

시간경과에 따라 산불지역의 지표식생은 고르게 회복되지 않 으며, 자연적인 식생회복이 빠른 지역은 산불초기의 과대 토 양침식량이 현저히 줄어들어 산불이 발생하지 않은 지역과 큰 차이를 보이지 않았다. 그러나 식생회복이 느리거나, 어 려운 지역은 지속적으로 유출 및 토양침식 발생할 뿐만 아 니라 극심한 호우에 의한 홍수 및 토사 재해 위험에 노출되 기 쉽다. 그러므로 산불 산지의 식생회복 상태에 따른 차별 화된 대책방안을 수립하는 것이 필요할 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 국립방재연구소(2001년~2006년)의 산지토양침 식에 대한 지속적인 연구비 지원과, 국립강릉대학교(2006년) 의 이규송 연구를 위한 연구비 지원으로 이루어졌으며, 성과 에 있어서 각 기관의 아낌없는 지원에 진심으로 감사드립니 다. 또한 현장 자료 수집과 정리에 있어서 도움을 준 강릉 대학교 토목공학과 수공학연구실 학생들과 생물학과 생태학 연구실 학생들께도 고마움을 표합니다.

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Fig. 8 Sediment concentration for runoff in each plot

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접수일: 2008.3.14/심사일: 2008.4.12/심사완료일: 2008.4.12)