Utilizing the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) Technique Comparative Analysis of Soil Erosion Risk in the Geumhogang Riparian Area

범용토양유실공식(RUSLE) 기법을 활용한 금호강 수변지역의 토양유실위험도 비교 분석

Abstract

The purpose of this study is an analysis of the risk of soil erosion before and after the maintenance of riparian area using the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) model based on GIS and digitizing data. To analysis of soil erosion loss in the study area, land cover maps, topographical maps, soil maps, precipitation and other data were used. After digitizing the riparian area of the Geumhogang, the area is divided into administrative district units, respectively. Amount of soil loss was classified into 5 class according to the degree of loss. Totally, 1 and 5 class were decreased, and 2-4 class were increased. Daegu and Yeongcheon decreased the area of 5 class, and Gyeongsan did not have area of 5 class. The reason for this is thought to be the decrease of the 5 class area due to the park construction, expansion of artificial facilities, and reduction of agricultural land. Simplification of riverside for river dredging and park construction has increased the flow rate of the riverside and it is considered that the amount of soil erosion has increased.

본 연구는 하천 유역의 정비사업 전 후의 토양유실위험도를 비교하기 위하여 GIS 및 디지타이징 자료를 토대로 수정범용토양유실공식(RUSLE)을 활용하여 분석하였다. 토양유실량을 파악하기 위하여 토지피복지도, 지형도, 토양도, 강수량 등의 자료들을 이용하였으며, 금호강 유역의 수변지역을 범위로 디지타이징한 후, 유역을 행정구역 단위로 분할하여 분석하였다. 하천 정비 전('8)과 후('16)로 토양유실이 전혀 일어나지 않는 지역(클래스 1)에서 심하게 일어나는 지역(클래스 5) 등 총 5단계로 구분하여 분석한 결과, 사업('16) 후 전체지역에 대하여 1, 5 클래스는 감소, 2~4 클래스는 증가한 것으로 나타났다. 대구와 영천은 5 클래스의 면적이 감소하였고, 경산은 5 클래스의 지역이 존재하지 않았다. 이러한 원인은 공원조성과 인공시설물 확대, 농경지 감소 등으로 인하여 5 클래스의 지역이 감소한 것으로 판단되며, 수변지역의 준설 및 공원조성을 위한 하안선 단순화는 하천 유량 및 유속에 의한 토양유실량 증가가 일어난 것으로 추정된다.

1. 서론

일반적으로 유역 내 발생하는 토양 침식은 사면붕괴, 지표면과 하상의 침식 그리고 산사태와 토양 류 발생 등에 의한 자연적인 요인과 도로건설, 산림의 벌채, 단지 개발 등의 인위적인 요인에 의해 발생할 수 있다. 토양은 생성과 침식이 동시에 발생하고 있으나, 자연적으로 발생하는 토양유실 이상의 인위적인 영향으로 인해 가속화된 토양유실은 목초지 손상으로 인해 농업생산성 저하와 함께 경제적으로 작물 생산성을 감소시키고, 물의 흐름을 방해하여 홍수위 상승, 저수지의 저수용량 감소와 환경적으로 수질 및 대기 질과 관련된 자연생태계에 있어서 토양의 조절 능력을 저하시킴으로써 다양한 문제를 야기한다(Arriaga and Lowery, 2005; Jang et al.,2002; Oh and Jung, 2005).

이러한 토양유실에 대한 위험도의 증가에 대응하여 다양한 토양보존과 유지관리 기법이 개발되었으며, 특히 많은 연구들이 수치해석 기법 등에 의한 계산을 통해 토양유실량을 비교함으로써 효율적인 토양보존과 유지관리 기법을 제시하였다(Kim et al., 2011; Kim et al.,2005; Lee et al., 2007; Millward and Mersey, 2001). 수치모델링은 지역적 특성에 따라 많은 차이를 보이고 있지만, 간단하면서도 정확도 측면에서 비교적 양호한 RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation) 모델이 많이 이용되고 있다(Nearing and Mark, 2000). RUSLE 모형의 장점으로는 계절별 피복조건 및 다양한 침식조절기법의 영향을 고려 할 수 있고, 다른 모형이 비해 토양유실량 산정결과의 신뢰성이 뛰어나다(Kim et al., 2005; Kim and Jung, 2002; Ko et al., 2006; Yang et al., 2003). 또한, 유역에 적용이 용이하고 토양유실에 가장 민감한 최신 토지피복 특성을 반영할 수 있으며, 토양유실원인 지역에 대한유역대책을 효과적으로 지원할 수 있다는 특징이 있다(Park et al., 2010).

최근 RUSLE 모형을 이용하여 농경지 및 산림뿐만 아니라 하천 유역, 하구 등 다양한 지역에 대한 연구가 점차 활발하게 이뤄지고 있으며, 그 중 비 접근 지역 및 북한 회령지역을 대상으로 RS(Remote Sensing) 및 RUSLE모형을 통해 농경지 변화에 따른 토양유실량에 대한 추정연구를 수행한 바 있고(Kim et al., 2003), Oh and Jung(2005)은 낙동강 유역을 대상으로 RUSLE 모형을 이용, 잠재적인 토양유실량과 유역별 토양유실 위험도 및 인자 간 상호관련성을 분석하였으며, Kim et al.(2017)은 기계학습 기법과 GIS를 이용하여 2018 동계올림픽이 개최되는 평창의 산사태 취약지역 분석을 수행한바 있다. 본 연구와 비슷한 연구 사례로 Park(2003)의 금호강 유역을 대상으로 토지이용별 토양유실위험도를 분석한 연구와 Park et al.2013) 고해상도 항공사진을 이용한 4대강 하천구역 중 낙동강 유역의 보를 중심으로 토지 이용변화를 분석 하였다. Jang et al.(2002)은 보성강유역을 대상으로 실측한 비 퇴사량 자료로부터 포착률을 고려한 비유사량을 계산하였고, 비유사량으로부터 GIS 기반 RUSLE 모델을 활용하여 계산한 토양유실량의 정량화를 시도한 바 있다.

그러나, 기존의 연구사례의 경우 현시점을 기준으로 RUSLE기법을 활용하여 미래의 토양유실량을 예측하는데 그쳤다는 한계점이 존재한다. 이에 본 연구에서는 금호강 유역의 하천정비 사업을 전·후로 하여 2008년과 2016년 각각의 토양유실 예측량을 비교·분석함으로써, 하천정비 사업으로 인한 토양유실량의 변화를 정량적으로 파악하고자 하였다. 토양유실량 예측을 특정시점을 기점으로 전·후 비교한 연구는 현재 국내에서 수행된 바 없으므로 본 연구의 결과는 향후 유사연구에 많은 활용이 될 것으로 기대된다.

2. 연구지역

금호강은 대구광역시를 돌아 흐르는 낙동강의 지류로서, 포항시 북구 죽장면 가사리의 가사령에서 발원하여 영천시 자양면·고경면과 중심시가지, 경산시 일대를 지나 대구광역시 달서구 파호동과 달성군 다사읍 죽곡리 경계인 옛 강창 나루터에서 낙동강 본류에 유입된다. 금호강은 유역 면적 2,078.42 km2, 유로연장 118.99 km로 상류와 중류에는 경산시, 영천시가 위치하고, 하류 부분에는 대구광역시와 칠곡군이 위치하고 있다(Fig. 1). 금호강 유역은 지난 40년 간 급격한 도시화로 인한 인구 증가와 토지이용 변화에 의해 많은 환경변화가 일어난 유역으로써 농경지 감소 및 도시적 토지이용면적의 증가로 인해 토양의 직접 유출이 증가하였다. 본 연구에서의 수변지역은 육지와 둑, 범람원, 습지 등을 포함하고 모양과 크기가 주로 선형으로 측면에 흐르는 물에 의해서 특징지어지는 지역으로 정의하였다(Kang et al., 2008).

Fig. 1. Location map of study area. (a) broad map, (b) Study Area (Geumhogang) in detail map with DEM.

3. 연구자료 및 방법

1) 연구자료

금호강 수변지역의 토양유실량을 평가하기 위해서는 강우침식인자, 토양인자, 사면의 길이 및 경사인자, 식생 피복인자, 경작인자 등이 이용된다. 각 인자들은 강우자료, DEM, 토지피복지도, 정밀토양도로부터 계산될 수 있다.

강우침식인자(R)에 활용되는 강우자료는 국가수자원종합정보시스템(WAMIS)의 수문기상자료 관리시스템을 활용하여 구축하였으며, 토양유실인자(K)에 계산되는 1/25,000 정밀토양도는 농촌진흥청의 농업과학기술원에서 획득하였다. 또한, 지형인자(LS)는 국토지리정보원에서 구축한 1/5,000 수치지형도에 기반 한 DEM을 이용하여 구축하였으며,식생피복인자(C)와 경작자(P)는 환경부의 토지피복도와 DEM으로부터 추출한 경사도를 이용하여 분석하였다(Choi et al., 2013; Lee and Hwang, 2006)(Table 1)

Table 1. Data inventory for the RUSLE

2) 연구방법 토양유실량을 평가하기 위해 획득한 강수량 자료, DEM, 토지피복지도, 정밀토양도 등은 RUSLE 모델을 구성하는 인자들을 추출하는데 이용되었다(Fig. 2).

Fig. 2. Flow chart of the study.

RUSLE 모델은 기존의 농업지역의 토양유실모형인 USLE의 개선된 경험식으로 유역에 적용하기 위해 Reanrdet al.(1991)에 의해 개발되었고, 경험적 자료를 기반으로 하여 많은 연구가 진행되고 있으며, RUSLE 토양유실모델의 기본구성은 Table 2에 자세히 설명하였다(Hwanget al., 2010; Lee et al., 2008).

Table 2. Description of each factor in the RUSLE

강우침식인자(R)를 계산하기 위한 연평균 강수량데이터는 국가수자원관리종합정보시스템(https://www.wamis.go.kr)로부터 획득하였으며, 금호강 유역의 관측소 15개 지점을 선정하여 사업 전·후로 각각 8년간의 연평균강수량 값을 이용하였다(Fig. 3). 토양인자(K)는 농업과학기술원에서 제작한 1:25,000 토양도를 사용하여 대상지의 토양정보를 파악하였으며, Wiscmeier 방법에 의해 토양통부호별 계산된 K값을 활용하였다. 식생피복인자(C)는 경작지 및 식생유형에 따른 영향을 반영하기 위해 환경부에서 제작한 중분류 토지피복지도를 사용하였으며, Choi et al.(2013), Park(2003) 등이 사용한 미국 농무성(USDA) 자료와 통일시켜 활용하였다(Table 3). 사면경사인자(Length-Slope, LS)는 경사도와 경사길이를 DEM으로부터 추출하여 생성하였다. 침식조절인자(P)는 DEM 자료로부터 추출한 경사도와 환경부 토지피복지도 중분류체계에서 추출한 경작상태를 중첩 분석한 후, 경사도와 경작형태에 따라서 분류 후 계산하였다(Table 4).

Fig. 3. The location of the rainfall station in the study area and the rainfall data interpolated using the IDW: 2008 year (a), 2016 year(b), respectively.

Table 3. C-factor values from land-cover types

Table 4. Distribution patterns of P-factor values

RUSLE 모형의 각 인자는 모 ArcGIS에서 분석이 가능하도록 래스터(raster)형 데이터로 구축하였으며, 셀 사이즈는 모두 10 m × 10 m로 동일하게 적용하였다. Fig. 4는 금호강 유역의 토양유실량을 산정하기 위해 사용된 강우침식인자(R), 토양유실인자(K), 토지피복인자(C), 사면경사인자(LS), 침식조절인자(P)의 각 2008년과 2016년의 결과이다.

Fig. 4. The results of each factors: (a) R factor, (c) K factor, (e) C factor, (g) LS factor, (i) P factor in 2008, (b) R factor, (d) K factor, (f) C factor, (h) LS factor, (j) P factor in 2016, respectively

최종적으로 토양유실량(A)를 계산하기 위해 각 인자들을 곱함으로써 단위 구역당 연간 토양유실량을 산출할 수 있으며, 단위는 ton/ha/yr로 표현된다.

4. 연구결과 및 토의

1) 금호강 유역의 사업전·후 디지타이징 결과

금호강 유역의 하천정비사업의 전과 후의 토지이용변화 분석을 위하여 하중도, 둔치, 모래톱, 농경지, 호소 등 5가지 항목으로 구분하여 디지타이징한 다음, 금호강 유역에 해당하는 수변구역을 각 지역별로 분할하여 그 면적과 구성비를 산출하였다. 대구, 경산, 영천지역 수변 지역의 전체면적은 2008년도 20.41km² 대비 2016년 21.11km²로 증가하였으나, 사업 후 공통적으로 모래톱과 농경지 면적은 다소 감소하였다. 농경지면적의 경우 2008년 1.87km²에서 2016년 0.65km²로 약 65% 감소하였으며, 모래톱 면적의 경우, 2008년 11.17km²에서 2016년 9.5km²로 약 15% 감소하였다. 지역별 면적 변화는 Table 5에 자세히 표현하였다. 금호강 수변지역 디지타이징 결과, 수변구역 내 생태공원조성 등으로 인하여 전체 면적이 증가하였으나, 수변 정비 사업으로 인한 하상 준설의 영향으로 모래톱 및 농경지는 크게 감소하였다. 이러한 지형의 변화로부터 2008년 대비 2016년의 토양침식량이 변화하였음을 추정할 수 있다(Fig. 5).

Table 5. Area and rate of land used by digitizing

Fig. 5. The results of digitizing of study area. (a) photograph in 2008, (b) landcover map in 2008, (c) photograph in 2016, (d) landcover map in 2016.

2) 토양침식량 예측 결과

비교 금호강 유역 2008년과 2016년의 각 인자별 최솟값, 최댓값, 평균, 표준편차를 비교하였을 때 토양유실량(RUSLE)의 예측은 생성된 5개 인자의 곱으로써 표현되 RUSLE(A) 최댓값은 2008년 5,628 t/ha/yr로, 2016년 4,700 t/ha/yr 보다 약 928 t/ha/yr 더 높은 수치를 기록하였다(Table 6).

Table 6. RUSLE factor and soil erosion loss

연구지역에 대한 토양유실량 결과 값은 다음과 같이 클래스로 구분하였다.

클래스 1은 토양유실이 전혀 일어나지 않는 지역(0t/ha/yr), 클래스 2는 토양유실이 거의 일어나지 않는 지역(1-10 t/ha/yr), 클래스 3은 토양유실이 조금 일어나는 지역 (10-100 t/ha/yr), 클래스 4는 토양유실이 많이 일어나는 지역(100-1,000 t/ha/yr), 클래스 5는 토양유실이 심하게 일어나는 지역이다(1,000 t/ha/yr 이상)(Table 7).

Table 7. RUSLE factor and soil erosion loss

토양유실이 전혀 일어나지 않는 지역(클래스 1)의 경우 2008년도 대비 2016년에 약 18 ha 감소, 토양유실이 거의 일어나지 않는 지역(클래스 2)의 경우 약 54 ha 증가, 토양 유실이 조금 일어나는 지역(클래스 3)의 경우 약 9ha 증가, 토양유실이 많이 일어나는 지역(클래스 4)의경우 약 1 ha 증가, 토양 유실이 심하게 일어나는 지역(클래스 5)의 경우 약 1 ha 감소하였다. 토양유실이 심하게 일어나는 지역의(클래스 5) 경우, 대구광역시는 2008년 1.24 ha에서 2016년 0.71 ha로 0.53 ha 감소하였으며, 경산시는 토양유실이 심하게 일어나는 지역이 2008년과 2016년 모두 나타나지 않았고, 영천시는 2008년 0.39ha에서 2016년 0.01 ha로 0.38 ha 감소하였다(Table 7).

이러한 결과는 2008년도에 비하여 2016년에 8년간 강우량 관측값에 의한 R 값이 더 크게 계산되었기 때문에 클래스 1, 2, 3, 4에서 그 해당 면적이 증가하였음을 나타낸다. 또한, 클래스 1의 지역이 감소한 이유는 하천 정비 사업으로 인하여 경사도가 낮은 지역, 즉 L·S 인자값이 0인 지역의 면적이 다소 줄었기 때문이다. 클래스5의 경우, 하천정비 사업 전인 2008년에는 수변지역에 밭, 과수원 등의 등고선 경작형태의 농경지가 많이 존재 하였으나, 하천정비 사업으로 농지가 정리되면서 토양유실이 심하게 일어나는 지역의 면적이 감소하였다.

토양 유실이 전혀 일어나지 않은 지역(클래스 1)은 L·S인자 값이 0으로서 수변둔치지역의 경사도가 거의 존재하지 않은 평평한 지역으로 나타났으며, 토양 유실이 조금 일어나는 역(클래스 2)은 잡초지역, 덤불지역, 논·밭 지역으로 나타났으며 토양유실이 많이 일어나는 지역(클래스 4)은 나대지 그리고 경사가 급한 곳에 위치한 밭농사지역으로 나타났다(Fig. 6, 7).

Fig. 6. The esults of RUSLE in 2008. (a) Daegu, (b) Geongsan, (c) Yeongcheon

Fig. 7. The results of RUSLE in 2016. (a) Daegu (b) Geongsan (c) Yeongcheon.

금호강 유역 전체지역에서 토양 유실이 전혀 일어나지 않은 지역의 면적은 2008년에는 974.17 ha를 나타내었으며, 2016년에는 955.94 ha로 약 18 ha 감소를 나타내었다. 토양유실이 거의 일어나지 않은 지역 면적의 경우 2008년에는 약 422.78 ha를 나타내었으며, 2016년에는 477.44 ha로 약 54 ha 증가를 나타내었다. 토양 유실이 조금 일어나는 지역 면적의 경우 2008년에 16.18 ha를 나타내었으며, 2016년에는 25.41 ha로 약 9 ha 증가를 나타내었다. 토양 유실이 많이 일어나는 지역 면적의 경우 2008년 3.65 ha를 나타내었으며, 2016년 4.96 ha로 약 1 ha 증가를 나타내었다. 토양 유실이 심하게 일어나는 지역 면적의 경우 2008년 1.63 ha를 나타내었으며, 2016년에는 0.87 ha로 약 1 ha 감소를 나타내었다.

5. 결론 및 고찰

본 연구는 하천정비 사업을 전·후로 하여 금호강 수변 지역의 토양유실량을 비교 ·분석하기 위하여 GIS와 수정범용토양유실공식(RUSLE)을 활용하였다. 분석 결과, 사업 전(2008)과 비교하여 사업 후(2016) 클래스 1, 5 지역의 면적은 감소하였고, 클래스 2~4 지역의 면적은 증가한 것으로 나타났다. 토양유실이 심하게 일어나는 지역(클래스 5)의 면적이 감소한 원인은 디지타이징 분석 결과, 수변구역 내 생태공원조성과 인공시설물 확대, 농경지 정리 등으로 인해 나대지가 감소한 것으로 분석되었으며, 그 결과 토양유실이 심하게 일어나는 지역이 감소한 것으로 추정되었다. 클래스 2~4 지역의 면적이 증가한 원인으로 첫 번째는, 사업 전 8년간 연평균 강수량에 비해 사업 후 8년간 연평균 강수량이 증가하였기 때문이며, 두 번째는, 수변지역의 준설 및 공원조성으로 하안선이 단순화되어 하천의 유량이 증가하고 유속이 빨라짐에 따라 토양유실면적이 증가했기 때문인 것으로 판단되었다.

연구지역이 산간지역 또는 구릉지역이 아닌 만큼, 전체 면적 대비 토양유실이 일어나는 지역의 면적 비율은 약 35% 내외로 토양유실에 비교적 안전한 지역이라고 할 수 있다. 그러나 분명하게 토양 침식이 심각한 위험을 초래하는 지역이 존재하였고, 향후 기상이변, 지형의 인위적 변경 등 다양한 환경요인이 작용될 경우침식이 발생될 수 있으므로 장기적인 모니터링을 통해 변화추이를 관찰하는 것이 필요할 것으로 사료된다.

본 연구의 경우, 이전의 유사 연구사례들이 행정구역 단위별로 분석을 실시한 것에 반해 수변지역이라는 좁고 긴 지역을 선택하였다. 이러한 연구지역의 선택은 하천정비사업으로 인한 수변지역의 토양유실 변화 추이를 비교·분석하기 위해 선택하였는데, 지역이 매우 협소하기 때문에 RUSLE의 각 인자를 해당지역을 잘 반영할 수 있도록 최적화하여 적용하는 것이 바람직하다고 생각된다. 비록, 본 연구에서는 기존의 문헌에서 계산한 방법을 인용하였지만, 향후 연구에서는 해당 지역에 보다 적합한 기준을 계산하여 적용하는 것이 필요할 것이라 사료된다.

그럼에도 불구하고, 토양유실량 예측을 특정시점을 기점으로 전·후 비교하는 연구는 현재 국내에서 수행된바 없으므로 본 연구의 결과는 향후 유사연구에 많은 활용이 될 것이며, 수변지역 토양유출 관리 등에 기여할 것이라 기대된다. 본 연구를 계기로 차후 금호강뿐만 아니라 4대강 전체 유역에 대한 토양유실량이 조사된다면 4대강 유역의 토지이용 관리와 환경보전을 위한 기초자료로 활용 될 수 있을 것이다.