[출처= 워터저널(www.waterjournal.co.kr) 2007년 9월호 특집 기사]

 

 

 

▲ 손광익 교수(영남대 토목공학과)

2002년 태풍 ‘루사’와 2003년 태풍 ‘매미’ 등의 영향으로 임하댐 상류 유역으로부터 대량의 토사가 유입되어 저수지의 탁수현상이 장기화되어 사회적으로 문제가 되어 왔다.

소양강댐의 경우도 상류 고랭지 농경지 등에서 유입된 탁수가 장기 체류되어 연중 탁수문제가 제기되고 있다. 이렇게 일정 수준을 넘는 탁수문제는 수자원 환경 및 주변 생태계에까지 악영향을 미쳐 다목적 댐에서 나타나는 탁수현상에 대한 근본적인 원인 규명을 통한 대책 수립이 시급한 실정이다.

탁수의 근본 원인은 상류로부터 과다한 토사유입으로 탁수문제의 해결은 궁극적으로 토사유입을 얼마나 효과적으로 억제시키는가 하는 사전대책과 이미 유입된 토사의 경우 어떻게 효율적이고 빠른 시간 내에 처리하는가 하는 사후대책으로 구분할 수 있다.

토양침식과 관련된 연구가 60여 년 이상 지속되어 왔지만 토양보전을 위한 대책을 수립할 수 있는 인류의 지식은 아직 부족한 실정이다. 침식조절을 위한 대책, 토양관리, 농작물 및 식생관리에 대한 검토는 침식에 대한 영향인자 및 침식과정에 대한 검토, 침식에 따른 손비 산정, 토양 침식의 예측모형 및 측정기법 등에 대한 검토가 선행된 후 이루어져야 한다.

따라서 본 연구에서는 토사유출에 의한 인위적 피해를 최소화하기 위한 기법제시를 위해 지구 전역에 걸친 토양 침식 및 퇴적에 관한 일반적인 현상의 검토와 인류활동이 토양침식에 미치는 영향을 분석하고, 보다 전문적인 단계로 토사유출을 유발하는 인자들의 특성분석과 토사유출기구(mechanism)를 검토하여 더욱 정밀한 토사발생 규모와 범위를 예측할 수 있는 토사유출량 산정기법 제시와 함께, 토사발생 규모와 범위의 예측을 통한 효율적인 토사발생 저감 및 토사의 저수지 유입을 최소화시킬 수 있는 토사유출 조절기법의 분류 및 적용 가능성을 집중적으로 검토하고자 한다.

 

1. 토양침식 종류·특성

물에 의한 침식을 야기하는 주요 인자는 강우 및 지표유출로 가장 일반적인 강우의 형태인 빗방울이 나지에 부딪힐 때 대단한 파괴력을 가지며, 약 32km/hr의 속도로 빗방울이 토립자에 부딪힐 경우 토립자는 공기 중으로 튀어 오르며 씨앗도 씻겨 나가게 된다.

지표유출은 토사체로부터 이탈된 토립자를 이송시키고 이렇게 이송된 토립자를 다른 장소에 퇴적시킨다. 또한 유수와 바람은 토사체로부터 토사입자를 분리시키는 촉매역할을 하게 된다. 토사이송은 또다시 두 개의 그룹으로 분류된다.

그 첫 번째는 빗물 튀김, 판상흐름(sheet flow), 보다 엄밀히 말하면 지표류(overland flow)라 칭하는 무한한 넓이를 가진 얕은 흐름형태를 가진 표면유출(surface runoff)이다. 두 번째는 작은 수로에서의 흐름, 밭이랑을 만드는 과정에서 사라지는 세류(rill), 구곡(gully)이나 하천에서 나타나는 보다 장기적이며 큰 규모의 흐름이 포함된다. 또 이와는 달리 산사태와 같은 토사체 이동 형태도 나타난다.

특히 물에 의한 토양침식 과정은 물이 식물을 타고 흘러내리는 경로 및 지표면에서의 이동 경로와 밀접한 관계를 가지고 있어 물에 의한 토양침식은 궁극적으로 수문학적 순환에 기초하고 있다고 할 수 있다. 또한 빗방울이 토사입자에 부딪히는 우격현상은 두 가지 효과를 나타내게 되는 데, 토양을 다져 압밀(consolidation)을 유발시키는 역할과 토사체를 파괴시켜 침식을 유발하는 역할을 하게 된다.

지표류는 강우 중 경사면에서 강우강도가 침투율 및 표면 저류능을 초과할 때 균등한 수심을 가지는 판상흐름(sheet flow)이 형성되는 경우는 드물며 오히려 수심은 얕으면서 바위나 자갈, 식물의 줄기 등을 중심으로 분기 또는 합류되거나 망상수로 형태를 유지하는 흐름이 지배적이다. 이러한 흐름의 수리적 특성은 레이놀즈 수와 프로이드 수에 의해 분류된다.

 

▲ 탁수문제는 수자원 환경 및 주변 생태계에까지 악영향을 미쳐 다목적 댐에서 나타나는 탁수현상에 대한 근본적인 원인 규명을 통한 대책 수립이 시급한 실정이다.

일반적으로 세류는 사면 정상으로부터 한계거리만큼 떨어진 곳에서 지표면 흐름이 수로화(channelled) 되는 현상으로 받아들여지고 있다. 지표면 흐름은 작은 수로나 세류를 형성하면서 분산되기 시작하며 사면 하류부로의 주흐름 이외에도 횡적인 이차수로가 형성되며 이러한 수로들의 합류지점에서는 유량이 커지면서 토립자의 이송능을 증대시키게 되고 작은 수로나 도랑은 세굴되기 시작한다.

흐름의 수리적 특성을 검토한 결과 지표면 흐름으로부터 세류로 발달되기까지는 모이지 않은 수로의 흐름, 합류현상이 나타나는 지표면 흐름, headcut현상이 없는 미세 규모의 수로 및 headcut현상이 나타나는 미세 규모 수로의 4단계를 거치는 것으로 알려져 있다. 한계전단속도를 이용한 연구는 크게 성공해 전단속도가 3.0∼3.5cm/sec를 넘어서면 유사농도가 급격히 상승하는 것을 발견했다.

이 때는 토립자의 크기에 상관없이 유사가 발생하여 굵은 입자도 쉽게 이송된다. 전단속도 3.5cm/sec는 비점착성 토질에만 적용되는 세류 발생의 한계기준이다. 점토질이 높은 토질을 제외하고는 세류 발생의 한계전단속도(u*cr)와 토양의 전단강도(Ts)는 비례한다는 것도 발견되었다.

토립자가 0.2mm 이상의 경우 한계 마찰속도는 증가하는 경향을 나타내며 0.2mm 이하의 경우 토질이 점착성인가 비 점착성인가에 따라 한계전단속도는 커지기도 하고 작아지기도 한다. 점착성 토질의 경우 토립자가 토사체로부터 이미 이탈되어 점착성을 잃은 경우가 아니면 점착성의 영향을 받기 때문이다.

구곡은 비교적 급경사 측면의 수로로 우기에만 물이 흐르는 특성이 있으며 구곡의 주 형성원인은 기후나 토지사용 용도변경에 따른 유출의 과다에 기인한다. 또한 안정하천에 비해 수로폭이 좁고 수심이 깊으며 많은 유사량을 보이고 각종 수리적 특성의 편차가 심하며 침식이 빨리 진행되어 주변의 지형이 불안정한 형상을 나타낸다.

토사체 이동은 지질학자, 지형학자, 공학자들에 의해 많은 연구가 이루어져 왔으나 일반적으로 토양침식을 다루는 연구 분야에서는 소외 시 되어 왔다. 하지만 Tanzania, Uluguru Mountains에서는 산사태와 토석류가 대부분의 침식을 지배하는 사실을 밝혔으며, 이러한 토사체의 이동빈도는 10년에 한 번 정도의 빈도에 불과하지만 토사유출량은 지표면 유출 및 세류나 구곡에 의한 유출량에 비해 훨씬 크다. 또한 산사태 흔적은 삼림지대는 1%에 불과하나 경작지의 경우 47%까지 발견된 바 있어 산사태에 의한 침식은 반드시 고려되어야 한다.

토양침식은 공간과 시간에 따라 많은 변화를 보이고 있어 이에 대한 깊은 이해를 위해서는 토양침식과 공간 및 시간에 대한 검토가 요구된다. 세계적으로 볼 때 토양침식과 기후와의 관계에서 유효 연 강우량이 300mm인 지역에서 가장 높은 토양침식율을 나타낸다. 여기서 말하는 유효강우량이란 특정 온도 하에서 일정 유출량을 발생시키기 위한 강우량을 의미한다.

300mm 이하에서는 강우량이 증가할수록 침식량이 증가되나 강우가 많아질수록 식물성장이 빨라 토양을 침식으로부터 보호해 주므로 300mm 이상의 경우 강우와 토양침식율과의 관계는 반비례하는 경향을 나타낸다. 하지만 강우량이 계속 증가하게 되면 다시 강우량과 토양 침식율과의 관계는 비례하는 현상을 나타내게 된다.

유역면적이 넓은 경우 산지에서 발생된 토사유출은 산기슭 가장자리(footslopes)에 퇴적될 가능성이 높아 유역면적이 넓을 수록 토양침식율은 감소하는 경향을 보이고 있다. 최근의 연구는 지표면 또는 수로나 하천 등 침식이 발생되는 근원지가 어디냐에 따라서도 달라지는 것으로 알려져 있다.

삼림 지역이나 식생피복이 조밀한 지역에서는 하류에서의 침식이 주로 발생되는 수로침식(channel erosion)지대로서 비유사량과 유역면적은 정비례관계를 나타내나 판상침식(sheet erosion) 또는 구곡침식(gully erosion)이 주가 되는 사면침식(slope erosion)의 경우 비유사량과 유역면적은 역함수 관계를 나타낸다.

한편, 대부분의 침식은 하천의 범람이 발생할 정도의 유출과 같은 사상에 의한 것이 아니라 재현기간 1.33∼2년에 해당하는 정도의 강우사상에 기인한다. Senegal에서는 토양침식의 68%가 15∼60mm 강우에 의해 발생되었으며, 영국 mid-Bedfordshir지방의 경우 1973년부터 1979년 사이에 발생한 침식의 80%가 13회의 강우에 의해 발생되었고, 전체의 21%에 해당하는 가장 큰 침식은 57.2mm 강우에 의해 발생했으며 이러한 호우들은 연 2∼4회의 빈도발생 확률에 해당한다.

하지만 토양상태가 침식가능성에 많이 노출되어 있을 경우 이와는 반대로 연 토양침식량의 50%가 단 두 번의 강우에 의해 발생했으며 전체의 75%에 해당하는 침식이 단 10분만에 발생한 예도 있다. 미국 오하이오주 Coshonton의 경우 100년 빈도에 해당하는 3개의 호우로 인해 52%의 침식이 발생하였으며 토양침식의92%가 옥수수를 경작하던 해에 발생했다.

사면에서의 토사이송과 하천에서의 토사이송을 비교해 보면 사면의 경우 하천에 비해서 보다 발생빈도가 잦은 사상에 의한 것으로 알려져 있으나 이들 두 이송현상은 모두 보편적인 크기와 강도를 가진 강우사상에 의하여 발생한다는 것이 일반적인 학설이다.

 

토양침식에 영향을 미치는 인자들은 크게 에너지, 저항 및 보호의 세 가지로 구별할 수 있다. 에너지는 바람, 강우 및 유출에 의한 침식 잠재능 뿐만 아니라 유출길이의 감소와 같이 잠재능에 직접적으로 영향을 줄 수 있는 인자를 침식능(erosivity)이라고 부른다. 강우의 침식능을 정량화하기 위한 표현 방법으로는 운동에너지에 기초한 강우지수를 이용한다. 강우강도, 지속기간, 빗방울의 크기 및 속도가 강우의 침식능을 지배하는 인자가 된다.

현재까지 연구된 결과를 종합해 보면 강우강도와 빗방울의 평균직경(d50)은 100mm/hr가 될 때까지는 선형비례 하다가 200mm/hr까지는 난류영향으로 반비례하나 그 이상이 되면 또 다시 정비례하는 현상을 나타낸다. 뿐만 아니라 동일 강우강도라 하더라도 강우발생원인 (전선성 또는 대류형)에 따라서 빗방울의 크기는 달라진다.

사면 길이는 유출과 유출에 의한 토양침식을 가속화시킬 수 있는 잠재력을 가질 수 있는 규모의 크기를 말한다. 지표면 형상은 두 개의 요소로 나눌 수 있다. 첫째는 등고선과 나란한 형상으로 지도 위에서 보는 형상으로 contour라 하며, 또 다른 형상은 등고선에 직교하는 단면의 형상으로 사면의 측면에서 바라보는 형상으로 radial이라 한다.

 

▲ 산사태 흔적은 삼림지대는 1%에 불과하나 경작지의 경우 47%까지 발견된 바 있어 산사태에 의한 침식은 반드시 고려되어야 한다.

각 형상은 선형(linear), 오목형(concave), 볼록형(convex)으로 구분된다. 지표면 형상은 유출양상에 큰 영향을 미치므로 이러한 지표면 형상을 파악하는 일은 대단히 중요하다. 저항은 침식능에 견딜 수 있는 역학적, 화학적 토양특성이 있다. 침투능을 증대시키면 표면 유출이 감소되어 침식능을 저하시키게 되며 토양의 파쇄는 침투능을 증대시키게 된다.

침식저항도는 토립자의 토사체로부터의 이탈과 이송에 대한 저항정도로 정의되며 토양의 저항도는 지형학적위치, 사면의 기울기, 경작과 같은 토사체의 파손도 등이 있으나 토양의 특성이 가장 중요한 인자가 된다. 토양의 침식성은 토양의 구성, 토사응집 안정도, 전단강도, 침투능 및 함유 유기물 및 화학적 성분 등 각종 인자에 따라 변한다.

보호는 식생피복이 포함되는 것으로 강우가 토양에 미치는 직접적인 영향을 차단시키며 유출속도 및 바람으로부터도 지표면을 보호하기 때문이다.

 

3. 유사·탁수에 대한 대응책(BMPs)
다목적 댐에 대한 탁수관리를 직접적 관리대책(구조적 기법)과 간접적 관리대책(비구조적 기법)으로 구분하였다. 특히 공학적 접근기법인 구조적 기법은 상류로부터의 침식 원인, 규모 및 범위의 예측이 가능할 때보다 효율적인 토사유출 방지기법 대책 수립이 가능하다. 따라서 국내에서 토사유출량 산정에 많이 활용되고 있는 ‘USLE’ 계열의 공식을 보다 효율적으로 적용할 수 있는 기법을 중점적으로 검토하였다.

특별히 주요 토사발생 지배인자인 강우침식도(R), 토양침식성인자(K), 무차원지형인자(LS), 토사전달률(SD)과 토사의 침식 및 퇴적분포 예측기법을 집중적으로 검토함으로써 유역의 침식이나 퇴적예상 지점 및 발생량 예측은 물론 향후 연구 과제를 도출할 수 있도록 했다. 또한 이상의 연구결과를 통해 탁수발생 유역에 대한 구조적 대책수립을 위한 ‘BMPS’를 쉽게 선정할 수 있도록 침식조절, 유사조절 및 유출조절기법으로 대별하여 각 BMPS 기법에 대한 특징 및 적용범위 등을 정리했다.

한편, 우리나라에서 주로 사용하고 있는 토양침식량 산정기법은 대부분 토양침식량을 추정하는 경험적 공식으로 USLE 계열의 공식이나 비유사량 또는 원단위 공식을 많이 적용하고 있다. 특히 재해영향평가 시 90% 이상의 보고서가 USLE 또는 RUSLE 공식을 이용하고 있는 실정이다.

따라서 본 연구에서는 USLE계열 공식을 이용하여 보다 정밀한 토사침식량 산정을 위한 각 인자별 문제점과 그 해결책을 중점적으로 검토했다.

강우침식도(R)는 국내 적용성을 검토하기 위해서는 USLE 계열의 기법들을 국내 여러 현장에 적용하여 산정된 토사유출량과 실제 관측된 토사유출량을 비교 검토하여 국내 실정에 적합한 산정기법을 찾고 그 오차에 대한 원인을 분석했다.

개발에 의한 단기간의 실제 토사유출량은 1998년 6월 현재 재해영향평가가 완료된 16개 현장 중 수문학적, 토양학적 현장특성자료가 풍부하고 자료수집 등 접근이 용이한 7개 시험유역을 선정, 시험유역에 대한 일정 기간동안의 일 강우자료와 침사지에 퇴적된 토사량을 근거해 토사유출량을 관측했으며 유사샘플을 채취해 입도분포 분석을 실시하고 토양침식성 인자 K의 산정에 활용했다.

범용토양손실공식은 연평균 토사유출량 산정을 목적으로 개발되었으며 이 기법에서 토사유출을 유발하는 강우의 침식도를 나타내는 R은 연평균치를 사용하고 있다. 하지만 국내에서 시행되고 있는 재해영향평가는 개발 등 인류의 각종 산업활동에 의한 인위적인 토사유출을 억제하자는 목적을 지니고 있어 최소 일단위로 침사지 관리가 가능한 현장에서 연평균 R을 사용하여 추가적으로 발생되는 1년간의 토사유출량을 산정하고 침사지 규모를 결정하는 것은 타당치 못한 것으로 판단된다.

따라서 재해영향평가 취지에 부합하는 침사지 규모는 단일 호우에 의한 토사유출량을 기준으로 설계하는 것이 타당할 것으로 사료되나 국내외적으로 단일 호우의 재현기간과 지속시간에 대한 뚜렷한 산정기준이 없는 실정이다.

개정범용 토양손실공식의 경우 토사침식량은 모든 인자들의 곱의 형태로 표현되므로 R을 제외한 모든 인자가 동일하다고 간주할 경우 토사생산량은 강우침식도 R에 비례하므로 R의 비교가 바로 토사생산량의 비교로 해석될 수 있다.

따라서 본 연구에서는 토사유출량을 실측한 기간동안 관측된 모든 일 강우를 지속시간 24시간의 단일 호우사상의 집합으로 간주하여 각 호우사상에 대한 R값(Rdaily)의 총합(Rtotal)과 관측기간중 최대 호우사상에 대한 R값(Rmax), 건설부(1992)에서 제시한 연평균 R값(Ravg), 지속시간 24시간, 재현시간 30년에 해당하는 단일호우사상에 대한 R값(R30) 등을 비교 검토했다.

토양침식성인자(K)는 개정범용토양손실공식에서는 토양의 침식성은 연중 일정한 값을 나타낸다고 가정했으며, Wischmeier 등(1971)은 토양특성 인자를 이용하여 K값을 산정할 수 있는 도표 및 식을 제안하였으며 Haan(1994)은 토성분류에 따른 K값을 제안하기도 하였다. 우리나라의 경우 건설부(1992)에서 전국의 토양통별 K값을 발표한 바 있다.

본 연구에서는 7개 시험유역에 대한 현장의 토양자료를 이용하여 K값을 산정하고 일부 재해평가서에서 채택한 건설부(1992)의 K값과 비교하였다. 건설부(1992)의 K값과 실측한 현장의 토양입도분포를 토대로 Wischmeier 등(1971)의 공식을 이용하여 산정한 K값은 대부분 유사한 결과를 보이고 있으나 1개 현장의 경우 약 2배의 차이를 보이고 있다.

이 현장의 경우 재해영향평가서에서는 전국의 토양통 자료를 이용한 K값을 인용하였으며 본 연구에서는 현장의 시료를 채취 입도분포를 분석한 결과를 Wischmeier 등(1971) 공식을 이용하여 산정했다.
이와 같이 전국의 토양통 자료를 이용한 K값을 토사유출량 산정에 적용할 경우 실제와 많은 차이가 날 수 있으므로 현장의 입도분석을 통해 산정한 K값과 건설부(1992)의 K값을 비교하여 K값 산정에 보다 신중을 기해야 할 필요가 있는 것으로 판단된다.

토사전달률(DR)은 토사유출량을 실측한 기간 동안 각 호우사상에 대한 토사생산량을 산정한 후 유역의 유출점까지의 토사전달률을 고려한 토사유출량의 총합과 관측기간에 대한 실측치와 비교했다.

특히 Frentte와 Julien (1987), TRB(1980), 그리고 Renfro(1972)에 의한 토사전달률 산정기법에 관한 연구결과를 적용해 검토했으며, 이상의 기법으로부터 산정된 토사전달률과 토사생산량으로부터 토사유출량을 산정하여 관측된 토사유출량과 비교하여 국내 적용 가능성이 높은 토사전달률 산정기법을 산정했다. 무차원지형인자(LS)는 GIS를 이용한 Distributed Model에서는 흐름을 일방향으로 가정하는 1차원적인 경사장의 개념과 흐름을 다방향으로 가정하는 상류 기여면적을 활용하는 2차원적인 면적의 개념을 적용할 수 있다.

Mark 등(1984)에 의해 개발된 일 방향흐름 알고리즘(MF : Multiple Flow direction Algotithm)은 흐름이 이동할 때 인접한 여러 개의 Cell로 흐름이 분산되어 전파되는 현상을 기술하는 방법으로 Quinn et. al(1991)은 흐름이 분산될 때 거리가 가중된 높이(Distance-weighted drop)와 흐름방향을 결정하는 지형의 기하학적 가중요소(Geometric weight factor)에 비례하여 중심 Cell보다 고도가 낮은 모든 Cell에 흐름이 분산되는 방법을 고안했다.

우리나라의 경우와 같이 기복이 심한 산악지형의 경우 MF 알고리즘이 더 실질적일 것으로 판단되어 특정시험유역에 대해 SF 기법과 비교 검토를 실시했다. GIS를 이용한 3×3 matrix상에서 중심 Cell의 경사도를 산정하는 방법은 Neighborhood Method(NBH), Maximum Downhill Slope Method(MDS)등 여러 가지 방법이 있다.

최근에는 평균치를 이용한 NBH와 경사의 과대평가 없이 국부적인 변화를 잘 표현할 수 있는 방법인 MDS를 많이 이용하고 있다. NBH는 가장 널리 사용되고 있는 방법으로서 GIS software인 ArcInfo에서 채택되고 있으며, MDS는 평균치를 이용하는 NBH와는 달리 중심Cell의 영향을 고려하는 방법으로 Hickey(1994)에 의해 제안됐다.

퇴적분포 예측은 추적기간에 걸친 모든 유입과 유출은 모든 셀에서 동시에 순간적으로 이루어진다는 기본 가정 하에서 질량보존의 법칙에 따른 연속방정식(저류방정식)을 적용하여 개발되었다. 즉, 현실적으로 특정 강우사상 기간동안의 토사발생은 시공적 강우특성에 따라 달라지지만 본 연구에서는 전 유역에 걸쳐 동시에 토사의 발생과 유출이 이루어진다고 가정하였다.

본 모형의 검증을 위해 분포형 예측모형을 이용하여 선정 저수지로의 토사유입량을 산정한 후 준설량과 비교했다. 토사발생에 의한 저수지로의 토사유입 예측량과 준설량을 비교·분석하기 위해 경북지역 3개의 농업용 저수지(권이 저수지, 송전상 저수지)를 선정해 적용했으며, 기초자료는 한국농촌공사(2002b)의 농촌용수 10개년 계획 자료와 강우량 및 농촌공사 경북지사의 저수지 준설 자료를 수집해 활용했다.

유역의 침식과 퇴적분포예측에 대한 검토는 연 구기간 전후에 대한 수치지도가 존재할 경우 정량적 분석이 가능하나 대상 유역의 수치지도는 1999년 제작된 지도를 2002년 수치 지도화 한 것으로 연구기간에 걸쳐 수정 보완된 대상유역의 수치지도가 없는 상태이다.

따라서 정량적인 비교검토가 불가능하여 모형에 의한 침식 및 퇴적이 심하게 발생한 것으로 예측된 지점에 대한 현장조사를 통해 정성적인 검토를 실시했다.