Assessment of Soil Loss in Irrigation Reservoir based on GIS

GIS를 이용한 관개용 저수지의 토사유실량 산정에 관한 연구

Abstract

This paper is about assessment of soil loss in irrigation reservoir based on GIS. Natural disaster caused by soil loss whose natural incidence has been rapidly reduced due to successful tree planting campaign shows high potential risk, since the latest localized heavy rain resulted from extreme weather event and artificial land development acts as direct factors for land disaster. To prevent it, various techniques and technologies have been used to predict effect of soil loss. However, reliability of techniques and technologies to predict its effect precisely is relatively low so far because the natural disaster by soil loss is taken place by complicated interaction between possible factors and direct factors. Geospatial approach is essential to examine these interactions. In this regard, this study will provide detailed plan to improve prediction reliability for soil loss of irrigation reservoir, using GIS that has Hydrologic -Topographical parameter and digital map as its input parameters.

본연구는 관개용 저수지의 토사유실량을 산정하기 위해 GIS를 이용하였다. 토사유실로 인한 재해는 산지녹화사업의 성공으로 인하여 자연적인 토사재해는 급감하고 있으나, 최근의 기상이변에 따른 국지성 호우와 인위적인 개발사업은 토사재해발생의 직접적인 요인으로 작용하여 높은 재해위험도를 나타내고 있다. 이를 방재하기 위하여 다양한 기법과 기술을 사용하여 토사유실에 따른 영향을 예측하고 있으나 토사유실에 따른 재해는 잠재적인 요인과 직접적인 요인의 복잡한 상호작용으로 발생되고 있어 이를 명확하게 규명할 수 있는 예측방법의 신뢰도는 상대적으로 낮은 편이다. 토사유실에 대한 복잡한 상호작용을 명확하게 규명하기 위해서는 대상지역의 지형정보학적 접근이 필수적임으로 본 연구에서는 수치지도와 각종 수문지형인자를 입력매개변수로 하는 GIS을 이용하여 토사유실에 대한 영향을 분석함으로써 관개용 저수지 토사유실에 대한 예측의 신뢰도를 높일 수 있는 방안을 마련하는데 그 목적이 있다.

1. 서 론

현재 토사유실로 인한 재해 중 자연적인 토사재해는 산지 녹화사업의 성공으로 인하여 급감하고 있으나, 최근의 기상이변에 따른 국지성 호우와 인위적인 개발사업은 토사재해발생의 직접적인 요인으로 작용하여 높은 재해위험도를 나타내고 있다. 토사유출은 일반적으로 강우에 의해 일어나며 하천의 탁도를 높여 수질을 악화시킬 뿐만 아니라 저수지의 식생의 변화에 따른 작물 생산성과 토양조절능력이 저하되는 원인이 되고 있다. 이와 같이 저수지의 통수능력을 저해하고 수질 악화를 해결하는 방법 중의 하나가 토사준설을 하는 것이다. 준설은 수질개선이라는 성과 외에도 수위가 낮아지므로 홍수에 대한 위험이 그만큼 줄어들게 된다.

유역에서 발생하는 토사량 산정에 관한 연구는 USLE(Universal Soil Loss Equation)를 보정하여 토양침식 계산에 관한 연구가 Jetten et al.(1988)에 의해 이루어졌으며, Ferri et al.(1995)은 USLE를 확대하여 유사이송항을 모델에 적용하여 유역으로부터 유출되는 토사유실량을 예측하고자 하였다. Saha(1996)는 침식위험에 대한 평가를 위해 지형정보인자별로 가중치를 두어 평가를 하였다. Kim, et al. (2003)이 GIS를 이용한 토양침식 위험지역 분석에 관한 연구를 수행하여 유역에 대한 토양침식 위험지역을 분석하였다. Lee, et al. (2004)은 GIS 기반 RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation) 모델에 의한 탁수자료를 이용한 GIS 기반의 토사유실량의 적정성을 평가하였다. 최근에는 인공위성, LiDAR영상을 활용한 토사유실에 관한 연구가 이루어졌다(Kang, et al.2006; Yang, et al.2006). 그리고 Lee, et al.(2007)는 소유역의 토사유실량에 따라서 유사저류지의 규모의 적정성을 검토하기 위해서 지형정보자료를 활용하여 범용토양유실 공식을 적용한 후 소유역의 토사유실량을 분석하고 저류지 용적규모와 비교·평가 하여 유사저류지 규모의 적정성을 검토하였다.

기존의 연구는 다양한 기법과 기술을 사용하여 토사유실에 따른 영향을 예측하고 있으나 토사유실에 따른 재해는 잠재적인 요인과 직접적인 요인의 복잡한 상호작용으로 발생되고 있으며 특히 역류가 발생하는 저수지지역에서 이를 명확하게 규명할 수 있는 예측방법의 신뢰도는 상대적으로 낮은 편이다.

따라서 토사유실에 대한 복잡한 상호작용을 명확하게 규명하기 위해서는 대상지역의 지형정보학적 접근이 필수적이므로 본 연구에서는 수치지도와 각종 수문정보를 입력매개 변수로 하는 GIS를 이용하여 토사유실에 대한 영향을 분석함으로써 역류저수지 토사유실에 대한 예측의 신뢰도를 높일 수 있는 방안을 분석하고자 한다.

또한 토사유실량을 효율적으로 산정하기 위하여 ArcGIS Model Builder를 작성하여 토사유실량 자동산정기법을 개발 하였다.

 

2. 연구대상지역의 특성

유역의 일반현황을 파악하는 데는 대상하천 유역의 특성과 인문사항 및 지형, 지질, 임상, 토양, 토지이용상태 등을 조사 분석하여 유역의 일반적인 개황을 파악하고 기상 및 강우형태, 홍수피해상황 및 유출상태, 하천의 자연현황, 하천의 이용실태, 홍수와 내수피해에 대한 하천개수사업 등의 현황을 조사 분석하여 유역개발 기본방향에 관한 기초자료가 될 수 있도록 하였다. 본 연구대상지역인 주천강 유역은 낙동강수계로써 경상남도 창원시 동읍 및 대산면과 김해시 진영읍 및 한림면내에 위치한 지방 2급 하천이다. 주천강의 유역면적은 93.26㎢이며 동경 128°37′31″~ 128°45′57″, 북위 35°21′23.″~ 35°14′25″사이에 위치하고 있다. 본 유역의 가로 폭은 12.8㎞ 이고 세로 폭은 13.8㎞ 정도이다(Fig. 1).

Fig. 1.Study area

연구대상지역의 유역분할은 봉곡 저수지, 산남저수지, 주남 저수지, 가월저수지로 나누었으며(Fig. 2) 경상남도에서 개최하는 2008 람사총회의 개최지역으로 우포늪과 함께 철새 도래지로써의 환경적 가치가 매우 크다. 그리고 주천강 유역은 일반적인 유역 형상과 다르게 홍수가 발생하면 외수위가 내수외보다 장시간 높게 유지되므로 외수위의 범람을 방지하기 위해 수문을 차단하게 된다. 따라서 실제 하천 유입 홍수량의 흐름은 초기에 상류에서 하류로 이동하다 다시 하류에서 상류로 역류하는 특이한 현상이 발생하므로 본 연구의 대상지역으로 적합하다.

Fig. 2.Watershed map

토지이용상황을 살펴보면 논지역이 6.11㎢(6.55%)정도이고, 밭 지역은 19.28㎢(20.68%)이며, 대지는 5.06㎢(5.43%), 임야 39.57㎢(42.43%), 기타 23.23㎢(24.91%)로 산지의 구성비율이 가장 크며, 대부분의 토지는 농경지와 산지로 이용되고 있다(Fig. 3). 유역의 형상은 수지형상으로 발달해 있고, 하상재료의 경우 상류구간은 평균입경 4.50 ~ 5.00㎜로 대부분 자갈 및 조립질의 모래로 이루어져 있으며 산지와 접한 부분에서는 일부분 암 노출구간이 존재하고 있고, 중류 및 하류구간은 평균입경 4.70 ~ 2.70㎜로 주로 조립질 모래로 구성되어 있다. 하상경사는 하류부가 대략 1/850 ~ 1/1,625이고, 중류부가 대략 1/924 ~ 1/26,400이고 상류부는 1/988 ~ 1/3,000로 하상은 대체적으로 완만한 편이다. 주천강의 현 하폭은 하류부 66~77m, 중류부 70~75m, 상류부 49~52m정도로 조사되었다. 유역 내 수문사항으로는 연평균 강우량이 1,412.01㎜로 총수자원 부존량은 약 141.55(백만 톤/년)이며, 이중 손실량은 64.79(백만 톤/년), 총 유출량은 76.76(백만 톤/년)정도 이다.

Fig. 3.Land usemap

 

3. 토사유실량 산정

역류저수지에서 퇴적물 유입에 따른 토사유실을 분석하기 위한 구체적인 연구방법은 Fig. 4에 나타내었다. 생산토사와 유출토사로 이루어지는 유역의 토양 유실량과 유사 유출량은 하류에 댐, 침사지, 사방시설, 하도계획, 하천 내 각종 시설물의 설계 등을 위한 기본적인 자료로 활용된다. 따라서 이 같은 계획이나 설계 시 현지조사나 자료 분석 등을 통해 반드시 해석되어야 한다. 토사유실 분석을 위해서는 지형학적으로 하류쪽이 유리하며, 특히 하천주변을 중심으로 한 접근방법이 바람직하다. 그리고 토양보존 및 관리대책을 수립하기 위해서 는 수계를 구성하는 상·하류 유역의 토사유실모델의 입력인자 및 토사유실량을 분석할 필요가 있다. 이를 위해 시간에 따라 변화하는 강우침식인자를 제외하고, 토사유실에 영향을 주는 토양, 지형기복 그리고 토지피복의 특성을 분석하기 위해 일반적으로 식(1)의 범용토양유실방정식 중 K, LS, C 인자의 평균값 및 토사유실량의 특성을 분석해야 한다.

Fig. 4.A method of study

본 연구에서는 토사유실량을 효율적으로 산정하기 위하여 ArcGIS Model Builder를 작성하여 토사유실량 자동산정기법을 개발하였으며, 처리 과정은 Fig. 5에 나타내었다.

Fig. 5.RUSLE Process Creation Model Builder

여기서, A : 강우침식인자 R의 해당 기간 중 단위면적당 토양 침식량(tonnes/ha) R : 강우침식인자 (107/ha · mm/hr) K : 토양침식인자(tonnes/ha/R) LS : 지형인자(무차원) C : 토양피복인자(무차원) P : 토양보전대책인자(무차원)

3.1 강우침식인자(R)

강우입자의 크기와 침강속도가 강우강도의 증가에 따라 커지므로 강우에너지도 강우강도가 커짐에 따라 증가한다. 강우침식인자는 정상년강우의 평균침식능력을 나타내는 것으로 연평균개념으로 사용된다. 그러나 여러 연구를 통하여 특정 호우사상에 대한 토사발생량을 산정하거나 건설현장등에도 적용할 수 있는 방법이 개발되었지만 모형의 특성상 연평균 토사발생량에 비해 신뢰성이 떨어지는 것으로 알려져 있다. 강우침식인자의 산출방법은 경험식으로 Roose식과 Toxopeus식이 많이 이용되고 있으며, 본 연구에서는 인도네시아의 Cibodas Biosphere Reserve에서 제시되었으며, 여러 연구에서 비교적 많이 사용된 바 있는 Toxopeus식을 이용하여 강우침식인자(식 2)를 산출하였다.

여기서, R : 강우침식인자(107/ha · mm/hr) P : 연평균 강우량 (mm/yr) 창원기상관측소 연평균강우량 1503.7mm/yr을 이용

3.2 토양침식인자(K)

토양침식인자(K)는 토양의 침식성에 따른 토양침식량의 변화를 나타내는 인자로서 입도분포, 토양의 구조 및 유기물함량 등에 따라 달라지며, 산정방법에는 Wylie방법, Erickson방법, Wischmeier방법 등이 있다. 일반적으로 토양의 물리 · 화학적 성질에 따라 좌우되는데 22.1m 길이와 경사도를 가진 기본모형을 기준으로 토양침식인자가 측정된다. 토양침식인자는 토양의 형태에 따라 Fig. 6에서 추정이 가능하다. 본 연구대상지역에서는 1:25,000 정밀토양도와 Wischmeier방법(1978)을 이용하여 토양통별 토양침식인자(K)를 적용하여 산출하 였으며 결과는 Fig. 7(a)에 나타내었다.

Fig. 6.Soil erosion K-factor of Wischmeier’s nomograph

Fig. 7.RUSLE thematic map by parameters

3.3 지형인자(LS)

지형학적 인자가 침식에 미치는 영향은 세류 및 세류간 침식에 미치는 영향을 반영하고 있는 무차원인자 L과 S를 이용하여 산정할 수 있다.

여기서, θ는 사면경사각

만일 사면길이가 5.182m 미만인 경우 세류작용이 발생하지 않기 때문에 S와 사면경사와의 상관관계는 미약하며 이 경우의 관계식은 식 (4)와 같다.

사면길이인자 L은 식 (5)에 의해 산정하였다.

여기서, λ : 평면에 투영된 사면길이(m), m : 사면경사길이의 멱지수 β : 세류 및 세류간의 침식의 비, θ : 사면경사각 (°)

LS의 산정에 대한 결과는 Table 1과 같으며 결과는 Fig. 7(b)에 나타내었다.

Table 1.Analysis of geographic parameters calculated

3.4 토양관리인자(C)

토양관리인자는 경작의 종류와 식생의 상태, 지표면의 상태, 지하면의 식물뿌리 성장상태, 지표면의 조도, 토양의 함수량 등에 따라 달라진다. C값 산정기법은 크게 두가지 방법으로 나뉘는데 첫째는 현장의 일반적 조건에 대한 C값을 나타내는 도표를 이용한 방법과 침식 관련인자들에 대한 보다 세밀한 기술을 통하여 피복인자 C값을 지배하는 하부인자(Subfactor)들의 값들을 산정하여 전체적인 C값을 산정하는 Subfactor기법이다. 본 연구에서는 1:25,000 토지이용현황도와 미 농무부(United States Department of Agriculture)에서 발표한 식생피복인자를 이용하여 산출하였으며 그 결과는 Table 2와 Fig. 7(c)에 나타내었다.

Table 2.Analysis of soil management factors

3.5 토양보존대책인자

토양보존대책인자(P)는 산중턱의 등고선을 따라 고랑이나 둑을 설치하거나 경사지를 계단식으로 깎고 다지는 등 침사지와 같은 통제구조물 등의 지표면에 설치된 토양보존을 위한 인자로 토양의 다짐 등에 의한 토양 침식량의 감소를 나타내는 값으로서 사면의 상·하방향 경사지에서의 토사유실량을 1로 하였을 때 토양보전농법을 적용하여 감소되는 토양유실량의 비를 말하며 지면경사에 따른 토양보존대책 인자는 Table 3과 같으며 연구대상지역에 대한 인자결과는 Table 4와 같다. 토양보전인자는 지형인자(LS)와 1:25,000 토지이용현황도를 이용하여 산출하였으며, Fig. 7(d)에 나타 내었다.

Table 3.Factor of soil conservation measures

Table 4.Factor of soil conservation measures about study area

3.6 토사유실량 산정 및 검토

토사유실량은 지표에서 유실된 토사의 총량을 말하며 이는 이탈, 이동, 퇴적에 의한 토립자의 실제 이동을 말한다. GIS를 이용한 토사유실량분석에 관한 선행연구는 다양하게 이루어지고 있으나 역류지역에 대한 토사분석에 관한 연구는 미비하며 이에 대한 체계적인 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 연구대상지역의 토사유실량을 산정하기 위하여 RUSLE식과 GIS를 이용하여 산출한 각각의 인자들을 통해서 토사유실량을 산정한 결과 아래 Table 5와 Fig 8에 나타 내었다.

Table 5.Estimation of soil loss(A)

Fig. 8.Classification map of Erosion

본 연구에서는 역류가 발생하는 저수지에서의 토사유실량을 검토하기 위한 것으로 관계기관의 저수지 준설이력에 따르면 최근 8년간 년평균 준설량은 약 40,500㎥으로, 본 연구에서 산정한 년퇴사량 55,865㎥ 보다 15,365㎥ 가량 작게 준설 하는 것으로 계산되었다.

따라서 토사유실량을 고려해서 준설량을 증가 시켜야 할 것으로 판단되며. 본 연구대상지역이 방재적, 환경적으로 준설에 대한 첨예한 대립이 있는 대표적인 지역으로 추후 면밀한 연구를 통하여 방재적, 환경적으로 상호 보완작용을 할 수 있는 방법을 찾아 본 연구에서 나타난 문제점을 해결할 수 있는 방안을 찾아야 할 것으로 판단된다. 그리고 RUSLE식에서 지형인자(LS)는 각 매개변수는 강우침식인자 R을 제외하고 그 값이 1이 넘는 유일한 인자로써 토사유실에 미치는 영향이 매우 크므로 보다 정밀한 DEM을 생성하고 고해상도위성영상을 이용하여 토지이용현황을 실시하여 입력매개변수의 정확도를 높일 수 있는 방안이 필요할 것으로 판단된다.

일반적으로 저수지는 강이나 하천에 제방을 건설해서 만들고 있다. 따라서 강우강도가 지속되어 저수지에 강수량이 모이면 유속이 감소해 토사가 퇴적되는 것이 일반적이며 본 연구지역과 같이 역류가 발생하는 저수지에서는 토사퇴적이 더욱 빈번하게 발생하게 된다. 이러한 퇴적현상은 저수용량을 급격히 감소시켜 저수지의 기능을 제대로 갖추지 못하게 된다. 본 연구는 역류로 인해 토양침식이 발생하는 주남저수지와 같은 유역에서 준설작업과 같은 유역관리정책을 효율적으로 관리하는데 활용이 가능할 것으로 판단되며 침식위험도가 높은 지역에서는 수심측량을 실시하여 더욱 정확한 토사량을 산정해야 할 것이다.

 

4. 결 론

본 연구는 토양침식모형 중 수정 범용토양손실공식(RUSLE)을 이용하여 역류저수지에 대한 토사유실을 분석하였다. 수치지도와 각종 수문정보를 입력매개변수로 하는 지리정보시스템을 이용하여 토사유실에 대한 영향을 분석하여 토사유실에 대한 예측의 신뢰도를 높일 수 있는 방안을 마련 하였다.

첫째, 역류가 발생하는 저수지에서의 토사유실량을 검토한 결과 저수지 준설이력에 따르면 최근 8 년간 평균 준설량은 약 40,500㎥으로 나타났는데 본 연구에서는 55,865㎥로 역류저수지에서 계산된 토사유실량이 크게 나타났다.

둘째, 2008년 람사총회의 개최지역으로 우포늪과 함께 철새 도래지로써의 환경적 가치가 매우 큰 역류 지역인 주남저수지를 GIS와 RUSLE 기법을 이용하여 정량적인 토양유실량을 산정함으로써 유역관리정책등에 활용이 가능한 데이터를 취득할 수 있었다.

셋째, 수치지도와 각종 수문정보를 입력매개변수로 하는 GIS를 이용하여 토사유실에 대한 영향을 분석함으로써 역류저수지 토사유실에 대한 예측의 신뢰도를 높일 수 있었다.

본 연구에서 산정한 토사유실량 분석결과 지형인자(LS)에 따른 영향이 크므로 보다 정밀한 수치표고모형의 생성, 고해상도위성영상을 활용한 토지이용현황 분석 등으로 입력매개변수의 정확도를 높일 수 있는 방안이 필요할 것으로 판단된다.