한국농림기상학회지, 제 17권 제1호(2015) (pISSN 1229-5671, eISSN 2288-1859)
Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 17, No. 1, (2015), pp. 45~57
DOI: 10.5532/KJAFM.2015.17.1.45
ⓒ Author(s) 2015. CC Attribution 3.0 License.


청미천 유역 내 산림사면에서 단면선에 따른 토양수분특성의
공간적 계절적 변동

곽용석(1), 김상현(1), 정성원(2), 이연길(2), 이정훈(2), 김수진(3)
(1)부산대학교 환경공학과, (2)유량조사사업단, (3)국립산림과학원 산림보전부 산림수토보전과

(2014년 12월 08일 접수; 2015월 2월 23일 수정; 2015년 02월 26일 수락)

Spatial and Seasonal Variability of Soil Moisture Properties along
Transect Line on a Forest Hillslope in the Cheong-Mi Catchment

Yong-Seok Gwak(1), Sang-Hyun Kim(1), Sung-Won Jung(2), Yeon-Gil Lee(2),
Jung-Hoon Lee(2), and Su-Jin Kim(3)
(1)Department of College of Engineering, Pusan National University,
Busandaehak-ro 63 beon-gil, Geumjeong-gu, Busan 609-735, Korea
(2)Hydrologic Survey Center, Office Building, KINTEX, 407 Hallyuworld-ro, Ilsanseo-gu, Goyang-si,
Gyeonggi-do 411-766, Korea
(3)Forest Conservation Department, Forest Soil & Water Conservation Division, Korea Forest Research Institute,
Hoegi-ro 57, Dongdae-mun-gu, Seoul 130-712, Korea

(Received December 08, 2014; Revised February 23, 2015; Accepted February 26, 2015)

ABSTRACT
Soil moisture is critical for understanding the spatial-temporal variability of hydrologic processes. The distributions of soil moisture have been explored along transect line in hillslope hydrology. In this study, we measured several soil moistures along transect lines during ten-month period at a hillslope located the Cheong-mi catchment. The soil moisture properties were expressed by simple statistical methods (average, standard deviation, and recession slope) and analyzed in terms of soil depths and transects from the seasonal context. Supplementary studies were also performed about the effect of location, topography and soil texture to the soil moisture responses. The spatial distributions of average soil moisture at deep soil layer were distinguished from those at near surface due to the possibility of expected factors such as subsurface lateral flow from upslope, preferential flow and existence of bedrock. The soil moistures in combined line affected from significant contribution of upper transect line were relatively higher(wetter), low variability compared to those in other transect lines and seemed to be under stabilization process. There are confirmed heterogeneity of soil moisture variation related with preferential flow and significant influence of soil texture for soil moisture properties in upslope.

Keyword: Soil moisture, Hillslope hydrology, Recession slope

MAIN

I. 서 론

토양수분의 시·공간적인 분포는 수문학적으로 물 순환, 유출발생 메커니즘과 관련된 여러 수문 기작들 (침투, 배수(drainage), 측 방향 흐름(lateral flow) 등)을 이해하는데 중요한 역할을 한다(Dunne and Black, 1970; Haga et al., 2005; Kim et al., 2011). 또한 기상학, 농업학과 같은 분야에서도 대기와 지표면과의 물과 에너지의 교환, 식생의 성장 그리고 물질전달 등에 다양한 분야에서 중요한 인자로 작용한다(Koster et al., 2004; Tromp-van Meerveld and McDonnell, 2006). 토양수분 측정방법 중에 가장 많이 이용되고 있는 것은 Time Domain Refletometry(TDR)과 Frequency Domain Reflectometry(FDR)방식을 이용한 Probe형태의 센서 장비들을 이용하는 것으로, 많은 토양수분 자료들을 비교적 용이하게 얻을 수 있으며, 이를 바탕으로, 여러 가지 방법들을 사용하여 토양수분의 변동 특성에 대한 연구가 국내·외에서 많이 진행되고 있다(Brocca et al., 2010; Kim, 2014; Robinson et al., 2008). 토양수분 시·공간적 분포특성은 강우, 식생, 토성, 지형, 토지이용, 토양 깊이 등 다양한 요인과 환경적 조건들로 인해 2차적 관련된 수문과정들(수문학적 연결성, 우선적 흐름, 수간 유하량(stemflow) 등)과 함께 상호 복합적 요인들에 의해 영향을 받는다(Hopp and McDonnell, 2009; Kim, 2014; Liang et al., 2009; Tromp-van Meerveld and McDonnell, 2006; Tsutsumi et al., 2005; Zehe et al., 2007).
국내에서 토양수분의 시·공간적 분포에 대해 산지사면에서의 현장 실측 자료들을 이용하여, 지형인자와의 관련성을 중심으로 한 연구들이 주로 수행 되어졌다(Kim et al., 2007; Kim, 2012; Lee et al., 2005; Son et al., 2007; Song et al., 2013). Lee et al.(2005)는 지형습윤지수가 높아짐에 따라 토양수분의 감쇄기울기가 안정화된다고 하였다. Son et al.(2007) 은 추계학적 모형을 통해 사면에서의 토양수분의 공간적 분포특성은 기여사면면적, 지형습윤지수 그리고 국부경 사도에 의해 영향을 많이 받는다고 보고하였다. Kim(2012)은 토양수분특성은 국부경사도나 원 두부까지의 거리, 기여사면면적, 그리고 지형습윤지수가 토양수분과 관련성이 높다고 하였다. Song et al.(2013)은 경사도, 곡률은 단기간에서의 특정지점에 영향을 주고, 전체적으로 기여사면면적과 습윤지수가 토양수분변동에 중요하다고 하였다. 이들의 연구사면들에서 토양수분 측정 지점들은 지형분석을 통해 수문학적으로 토양수분의 흐름이 발생이 되는 지점들의 연결선인 단면선(Transectline)을 중심으로 결정된 것이고, 또한 사면수문학에서 진보된 접근방법으로 최근까지도 국내외에서 많이 이용되고 있다(Kim et al., 2007; Kim, 2011, 2014; Zhu et al., 2014). 하지만, 단면선에 따른 측정된 토양수분의 특성변동에 대해 기본적이고, 집중적인 해석과 이해에 대한 연구가 필요하고, 이전 국내연구의 연구사면들은 사면의 토성분포가 균일하거나 종류가 다양하지 않기 때문에, 토성이 주는 토양수분 반응양상의 영향에 대해서는 아직 충분한 검토가 다뤄지지 않았다.
이 연구에서는 이전 연구들과 유사한 방법으로 설계된 청미천 사면의 토양수분모니터링시스템으로부터 얻어진 토양수분 시계열에 대해 단면선(Transect line)에 따른 수문학적 시각과 해석을 통해 토양수분의 계절적, 공간적 분포변동에 대해 집중적으로 이해하고자 한다. 또한 토성 조사와 사면의 위치 및 지형특성들을 고려하여 토양수분의 변동특성에 대한 영향에 대해서도 파악하고자 하였다.

II. 재료 및 방법

2.1. 연구지역

연구대상지역은 충청북도 음성군의 수레의산 상류부의산지 사면으로, 청미천 유역에 속한다(N 37o 02’14.0”, E127o39’50.8”)(Fig. 1). 청미천 유역은 한강의 제 1지류인 청미천(지방2급)농업유역으로, 경기도 이천시 장호원읍과 여주시 점동에 걸쳐 분포하고 있다. 유역 면적은 569.6km2, 유로연장 60.8km, 평균 유역 경사는 17.0%이다. 현재 국제수문관측사업(IHP)의 일환으로 체계적인 수문관측을 위해, 원부교와 장호원교 지점에서의 수위관측소, 원삼, 삼죽, 설성, 생극, 금왕등 5개 지점에서의 우량관측소가 운영 및 운영계획중에 있다. 전반적인 토질은 사양토이고, 토지 이용은 주로 농경지가 주로 이용되고 있으나, 최근에는 골프장, 쇼핑몰 등의 위락시설이 유역 중ㆍ하류부에 들어서고 있다. 본 연구사면에서 최근 5년(2009~2013) 동안에 관측된 연 평균 강우량은 약 1400mm이고, 사면식생분포는 최상단에 잦나무(Pinus koraiensis)와 같은 침염수림이 부분적으로 분포하지만, 대부분 졸참나무(Quercus serrate) 와 같은 활엽수림이 약 95% 이상을 차지하고 있다(Fig. 1). 평균 고도는 약 400m이고, 평균 사면 경사는 약 16.3˚이며, 사면 면적은 2,047m2이다. 사면의 지형은 사면의 상부와 하부의 완경사 그리고 중간부에 급경사를 가지는 특징을 가지는 흐름의 수렴과 발산특징을 가지는 복합사면이다(Fig.1). 또한 사면의 토양 층의 토양 깊이 범위는 20~117cm, 평균 65cm, 표준편차 14cm로, 이전 연구들의 국내 연구사면으로 광릉, 설마천 사면에 비해 토양층이 상대적으로 잘 발달되어 있다(Lee et al., 2005; Kim, 2009, 2012). 이러한 사면 특징은 우리나라의 사면 토양 층에서 물의 거동 및 분포의 수문 과정들을 보다 폭 넓은 이해 할 수 있는 환경조건을 갖추고 있다.Fig_1Fig. 1. The location of the study site (left) and soil moisture measurements and the maps of topography and wetness index for hillslope (right).

2.2. 토양수분 측정 시스템의 구축, 단면선 및 계절 기간의 결정

본 연구사면에서의 지형에 의한 토양수분의 흐름을 파악하기 위해, 현장 사면에서 고도와 토심에 대한 정밀 측량을 실시하여 0.5m 간격의 수치지형모형(Digital Elevation Model, DEM)을 구축하여, 이를 바탕으로 Single Flow Direction(SFD), Multiple Flow Direction(MFD)의 흐름발생알고리즘과 같은 지형분석을 하여, 흐름 발생경로를 예측하였다(O’Callaghan and Mark, 1984; Quinn et al., 1991). Fig. 1의 우측 그림은 MFD 흐름발생알고리즘을 이용한 사면의 지형 습윤지수 (Topographic Wetness Index) 를 나타낸 것이다. 흐름 발생 경로의 공간적 분포, 수문학적 개념을 바탕으로 제한된 토양수분 센서의 수, 측정시스템의 안정성 그리고 경제성 등을 고려한 최적화 작업을 통해, 토양수분 측정시스템을 구축하였다. 설치된 토양수분측정 지점들은 총 18지점이고, 토양수분의 수직적 분포변동특징을 보기 위해 각 지점의 깊이 별 10, 30, 60, (90)cm에 각각 센서를 설치하여, 총 56개 채널에서 각각 2시간 간격으로 측정하였다. 토양수분 측정은 TDR(Time Domain Reflectometry)방식의 Mini TRASE 장비와 다중 동축 연결장치인 Multiplexer 그리고 Buriable Wave Guide 센서를 사용하였다(Soilmoisture Equipment Corp). 사면의 흐름은 Fig.1과 같이 1개의 주요한 흐름선(A1~A9 지점)과 측면의 상부기여사면 역할을 하는 3개의 보조 흐름선(단면선 B, C, D의 지점들)으로 구성되어 있다. 본 연구에서는 사면의 지형학적 위치와 지형분석을 고려한 단면선들의 공간적 분포특징을 기준으로 상부기여사면의 4개의 흐름선인 단면선 A (A1~A5), B (B1, B2), C(C1~C3), D (D1~D4)과 이들의 영향을 받는 복합선(Combined line, A6~A9)으로 나누어, 총 5개의 단면선 별 토양수분의 특성들을 비교 분석하였다. 계절별 토양수분의 특성을 비교하기 위해 총 5개의 기간인 봄(SP), 여름(SU), 태풍(TY), 가을(FA) 그리고 초 겨울(WI)로 나누어 분석하고자 하였으며(Table 1), 토양 수분의 함량, 거동 특성은 토성, 토양구조의 물리적 특성에 영향을 많이 받기 때문에, 체 가름 분석과 레이저입도분석기(Laser Diffraction Particle Size Analyzer, Beckman Coulter Corp.)을 활용하여, 미농무성 기준(United States Department of Agriculture, USDA)의 삼각 토성분포도로 깊이 별 토양수분 측정지점에서 총 38여개의 샘플에 대해 입도분석을 실시하여 토성의 공간적 분포를 파악하고자 하였다.Table_1

2.3. 토양수분 특성인자

본 연구에서는 토양수분의 평균, 표준편차 그리고 감쇄 기울기와 같은 기본적인 통계적 방법들을 이용하여 수문-물리학적 토양수분의 특성들을 분석하고자 하였다. Fig. 2는 연구 사면의 C3-10지점의 토양수분시계열 자료에 적용한 세 가지 토양수분특성인자에 대한 개념을 제시하고 있다. 토양수분의 평균값(Average, AV)은 토양 습윤도(Soil wetness index)의 변동특성을 파악 할 수 있으며, 표준편차(Standard Deviation, STD)는 토양수분의 변동성을 의미한다. 이들은 식 (1), (2)을 통해 각각 계산된다.Formula_1,2 여기서, θij는 사면의 측정지점 i에서, j번째 시간에서 측정된 토양수분을 의미하며, N은 어떤 기간 동안에 측정된 토양 자료의 개수, 는 시간 동안에 대해 측정된 토양수분의 평균값이다. 는 어떤 기간 동안에 측정된 토양수분의 표준편차를 나타낸다.
토양수분의 감쇄 기울기는 각 측정지점에서의 배수특성을 반영하며, 토양구조(soil structure), 지형(terrain), 위치(location)로 토양수분 변동특징의 공간적 분포와 밀접한 관련이 있다(Lee et al., 2005). Lee et al. (2005)의 토양수분의 감쇄 기울기에 대한 연구에서 강우사상의 발생 시기와 관계없이 토양수분의 첨두 반응(peak response)의 시작구간부터 지속적인 감소되는 구간까지의 감쇄된 변동에 대해서 적용하였으며, Hong et al.(2011)은 중력에 의한 초기 감소를 제외한 토양수분 구간에 대해서 감쇄기울기를 평가하였다. 하지만 토양수분의 감쇄기울기의 배수 특성과 관련하여 보다 구체적인 감쇄 기작에 대한 고려할 필요가 있다. 이는 감쇄기울기 구간에 강우사상의 존재로 인한 깊이에 따른 반응시간 차이, 토양의 침투와 배수가 공존되는 시기 그리고 강우 이후의 중력에 의한 빠른 감소구간의 배제로 인한 측정 지점의 고유 배수특성을 고려해야 한다는 것을 의미한다. 특히 강우 이후의 빠른 토양수분의 감소는 토양수분의 이동에 가장 영향을 많이 미치는 대공극(macropore)에 의한 우선적 흐름과 관련이 있으며, 시간이 충분히 지난 뒤의 토양수분의 감소는 토양구조체의 공극(micropore)구조와 관련이 있기 때문이다(Gwak et al., 2013). 본 연구에서는 계절적, 공간적인 토양수분의 감쇄기울기를 분석하기 위해 강우의 최종강우발생 시점의 직후의 토양수분의 감쇄구간에 대해서 평가하고자 하였다(Fig. 2). 또한 Lee et al.(2005), Hong et al.(2011)은 실제 측정된 토양수분을 각각 거듭제곱, 지수적 함수 식을 사용하였지만, 본 연구에서는 이들의 사용된 함수 식들과 선형 식까지 함께 평가하여, 식 (3), (4), (5)과 같이 선형(Linear function), 지수(Exponential function) 그리고 거듭제곱(Power function) 의 함수 식들을 모두 사용하여 비교하고자 하였다.Formula_3Fig_2Fig. 2. The soil moisture properties (Average (AV), Standard deviation (STD), and recession slope (RS)) from time series of observed soil moisture (C3-10) and precipitation data.Formula_4,5여기서, θo는 강우 이후의 초기 토양수분에 해당되는 감쇄계수(%), t는 2시간 간격의 순차적 시간 (1, 2, 3…), α, β, γ는 선형, 지수함수 그리고 거듭제곱 함수의 감쇄기울기 계수 그리고 θt는 시간에 따른 감쇄된 토양수분 값(%)이다. 선형 식은 강우 이후에 토양내의 수분의 이동이 중력과 모세관력의 힘의 균형에 따라 배수가 되거나 증발산에 의해 같은 비율로 빠져나가는 것이 일정하다고 가정을 한다. 지수 함수 식은 강우-유출의 수문곡선에서 대수층으로부터 하천으로 빠져나가는 흐름을 해석하는 비선형 미분방정식인 Depuit-Boussinesq 식을 기본으로 하였다(Boussinesq, 1877; Brutsaert and Nieber, 1977). 이는 강우 이후에 비 피압 대수층을 통해 하천으로 빠져나가는 지하수흐름의 변동특징과 지표근처의 불포화토양의 토양수분의 변동과 수문학적인 연계성으로 볼 수 있다. 거듭제곱 함수식은 실제하천의 수문 감쇄곡선이 거듭제곱형태의 비선형선형기저유출의 관계에 가깝다는 연구결과에서 기인한 것이다(Wittenberg, 1994). 토양수분의 감쇄기울기는 증발산, 토양 깊이, 토양수분의 재분배, 토양수분의 이력현상(Hysteresis), 토성 및 토양공극 구조, 식생종류, 지형 등의 여러 요인들에 의해 복합적인 영향을 받는다(Canton et al., 2004; Dingman, 2002; Kim, 2009; Tromp-van Meerveld and McDonnell, 2006).

III. 결과 및 토의

3.1. 단면선에 따른 측정된 토양수분 시계열 분석 및 토성분석

토양수분자료는 2009년 3월 12일부터 2009년 12월 22일까지 총 56채널, 18지점에서 2시간 간격으로 측정이 되었으며, 총 181,216 자료 개수를 획득하였다. 측정된 자료는 수 차례의 시스템점검으로 인해 전체 측정기간의 94.5%의 높은 자료회수율을 기록하였다. 토양수분측정지점의 표기는 예를 들어, A1-10, A1-30, A1-60과 같은 경우, A1은 지점의 위치, -10, -30, -90은 각각 토양 깊이 (cm)를 의미한다.
측정된 토양수분자료를 단면선 별로 나타내면, Fig.3과 같다. Fig.3(a)는 단면선 A에 대한 것으로, A1, A2, A3, A4, A5 지점의 깊이 별 토양수분 시계열 자료이다. 전반적으로 이들 지점의 토양 깊이 30, 60cm의 토양수분 값이 10cm보다 높은 30%이상의 토양수분 값을 보이고, 강우에 대한 반응에서는 민감하지 않아 보인다. 특히 A3, A4지점의 10cm 토양수분은 다른 지점들에 비해 상대적으로 낮은 토양수분 값과 높은 변동성을 가지며, 강우에 대해 높은 반응성을 보여주고 있다. Fig. 3(b)는 A6지점으로의 흐름 수렴지형을 가지는 단면선 B와 C의 토양수분 시계열이다. 단면선 B에서는 10, 30cm의 토양수분의 차이가 거의 보이지 않았으며, 60cm의 토양수분보다 평균적으로 낮은 함수율을 보이고 있다. 특히 B2-60인 경우, 10, 30cm보다 평균적으로 약 10% 정도 높다. 단면선 C에서는 단면선 A, B와는 다르게, 강우에 대한 토양수분 반응이 모든 깊이에서 크게 변동되는 것을 볼 수 있다(Fig. 3(b)). 특이한 점은 흐름 선에서 가장 상부위치에 있고 깊은 토양 층인 C1-60의 토양 수분이 강우사상에 대해 큰 반응을 보이고 있다는 것과 단면선에 따라(C1~C3) 아래로 내려갈수록 60cm의 토양수분 값이 10, 30cm 보다 크고, 점차적으로 증가하는 경향을 볼 수 있다. Fig. 3(c)는 단면선 D에 대한 것으로, D1, D2, D3, D4지점의 깊이 별 토양수분 시계열 자료이다. 각 지점의 전반적으로 60cm의 토양수분이 20% 중·후반의 높은 값을 보이고, 강우에 대한 반응이 단면선에 따라갈수록(D1~D4) 점차적으로 작아지고 있다. 특히 D2-60의 경우, 다른 지점과는 다르게, 강우에 대해 활발한 반응을 보이고 있다. Fig. 3(d)는 단면선 A, B, C, D의 흐름 선들이 수렴되는 사면의 중심 흐름 선이 되는 복합선상에 대한 것으로, A6, A7, A8, A9지점의 토양수분 시계열을 각각 보여주고 있다. A6지점에서 A8지점으로 갈수록, 깊이 별 토양수분의 차이가 적어지고, 강우에 대한 토양수분 변동성이 줄어듦과 동시에, 평균적으로 높은 토양수분 값을 보이고 있다.Fig_3Fig. 3. Soil moisture time series along each transect line A (a), B & C (b), D (c), and Combined line (d).Fig_4Fig. 4. Soil texture by USDA soil triangle in Chong-mi hillslope (a), the spatial distribution of soil texture (b) at the points of monitoring soil moisture in hillslope.

각 단면선에 따른 토양수분의 변동에 지형과 더불어 토성의 영향에 대해 알아보고자 하였다. 사면의 토양 수분측정의 각 지점 그리고 깊이 별 지점들(총 38지점)에 대해 토양샘플에 대해 토성분석을 실시한 결과, Fig. 4와 같이 토성의 공간적 분포를 나타내고 있다. USDA기준의 토성분류에 의하면, 연구사면의 토성이 미사질 양토(silt loam), 양토(loam), 사양토(Sandy loam), 양질 사토(Loamy sand)까지의 총 네 가지 토성으로 다양하게 분포되어 있다(Fig. 4(a)). 사면의 토성분포를 보면, 사면의 상부에서는 미사질 양토가 지배적으로 분포되어 있고, 사면의 중·하부에서는 사양토, 양질사토가 주로 분포되어 있는 것을 확인 할 수 있다(Fig. 4(b)). 이는 지형과 관련하여 퇴적 및 침식작용 그리고 토양입자의 이송에 의한 결과로 판단된다(Femandes and Dietrich, 1997; Roering, 2008).Fig_5Fig. 5. Seasonal variations of average soil moisture along each transect line A, B, C, D, and Combined line in soil depth of 10, 30, and 60 cm. * Symbols open circle, open triangle, open rectangular, open reversed triangular, open diamond denote the data in Spring (SP), Summer (SU), Typhoon (TY), Fall (FA), Winter (WI), respectively.

3.2. 단면선에 따른 각 깊이 별 계절적 평균토양수분 분포 및 변동

계절별 평균 토양수분의 변동을 보기 위해, 기온과 강우의 변동특성을 고려하여(Table 1), 5개의 계절로 구분하여, 평균 값을 계산하였다. 토양 깊이 별 단면선에 따른 평균 토양수분 변동을 보기 위해 토양 깊이 10, 30, 60cm을 기준(90cm는 제외)으로 적용하여, Fig. 5와 같이 나타내었다. 전반적으로 계절별 평균적인 토양수분 값 차이는 건조한 가을철(FA)을 제외하고 큰 차이가 없었고, 단면선에 따른 토양수분 변동패턴도 크게 변하지 않았다.
단면선 A의 10cm에서는 지점에 따른 계절별 평균 토양수분의 값이 비슷한 패턴을 가지면서 계절별 토양수분 값 차이는 약 3~6%정도 나타났다. A3지점은 다른 지점과는 다르게 계절별 토양수분 값 차이가 가장 크고, 가장 낮은 토양수분 값을 보여주고 있다. 단면선 B의 10cm에서는 계절적으로 큰 차이가 없지만, 가을철(FA)과, 태풍시즌(TY)을 제외하면, 거의 같은 변동특성을 보인다. 단면선 C의 10cm에서 C2지점에서는 계절별 토양수분 평균차이가 약 9%정도의 높게 나온 것으로 확인되어, 계절별 토양수분 차이가 상당히 큰 것으로 확인되었다. 단면선 D의 10cm에서는 D1, D2, D3 지점의 평균 토양수분 값이 비슷하지만, D4지점이 상대적으로 높게 나타났다. 특히 D2지점이 계절별 평균 토양수분 값 차이가 크게 나타났고, D4지점이 가장 낮게 나타났다. 복합선상에서는 A6지점이 평균적으로 A7~A9지점들에 비해 낮은 토양수분 값을 보이고 있으며, 계절별 변동성이 가장 크게 나타났다. 단면선에 따라서는 평균 토양수분 값이 A7지점부터 높게 급격하게 높게 나타나고, 이후로 상대적으로 높고 유사한 토양수분 값을 보이고 있다. 30cm에서의 계절별, 단면선에 따른 변동을 10cm와 비교하면, 계절별의 평균 토양수분의 경향은 거의 비슷하고, 변동하는 크기가 감소하였다. 60cm에서는 10, 30cm의 평균 토양수분의 단면선에 따른 토양수분 분포변동과 반대의 결과가 나타났다. 단면선 A, B, C의 10, 30cm과 60cm, 단면선 D에서도 토양 깊이 10, 30cm와는 다른 패턴을 확인할 수 있었다(봄철, 여름철, 가을철). 복합선상의 60cm은 10, 30cm의 변동 패턴과 다르게 나타나(A9지점), 토양 깊이 10, 30cm와 60cm에서의 각 단면선들에 따른 토양수분의 공간적 패턴특징이 달라지는 것을 확인하였다. 이는 토양 깊이 10cm에서의 침투작용이 30cm까지는 전반적으로 영향을 주지만, 60cm의 토양 깊이에서는 기반암의 존재로 인한 지형학적 영향, 사면 상부흐름의 지표하 흐름의 유입 그리고 지표하의 측 방향 흐름(lateral subsurface flow)의 영향으로 다른 변동패턴을 보이기 때문이라고 판단된다(Kim et al., 2007, 2011; Zhu et al., 2014).

3.3. 단면선에 따른 각 깊이 별 계절적 표준편차 분포 및 변동

3.2의 평균토양수분의 경우와 마찬가지로, 각 지점들의 표준편차의 계절별, 깊이 별, 단면선에 따른 변동을 Fig. 6와 같이 나타내고 있다. 계절적 토양수분 표준편차 변동을 살펴보면, 전반적으로 많은 강우로 인해, 여름철(SU)과 태풍시즌(TY)의 표준편차 값이 높게 나타났고, 봄철(SP)은 가을철, 겨울철보다 많은 강우량이 내렸음도 불구하고, 상대적으로 낮은 표준편차 값을 보이는 반면, 가을철(FA)은 다른 계절에 비해적은 강우량이 내렸음에도 불구하고, 표준편차 값이 높게 평가되었다. 이는 가을철의 적은 강우량과 긴 건조기간으로 인해 높은 변동성을 가지는 반면, 봄철은 2009년 4월 7일까지 최저기온이 0o이하로(기상청, 음성군 AWS자료), 지난 겨울에 얼어 있던 토양 층이 서서히 녹기 시작하고, 아직 식생의 활동이 미비한 시기로, 토양의 수리학적 활동성 및 연결성이 저하되어, 측정지점의 토양수분의 변동이 정체된 것으로 판단된다(e.g., 30, 60cm의 표준편차 변동). 깊이 별 토양수분 표준편차의 계절적 변동특성에서는 여름철, 태풍시즌의 일부 지점들을 제외하면 대체적으로 깊이가 깊어질수록 표준편차 값은 낮다. 이는 토양의 공극이 일반적으로 토양 깊이가 낮아질수록 작아지고, 유입되는 강우량이 작아져, 토양수분의 변동을 제약하기 때문이다(Beven and Germann, 1982; Gao and Shao, 2012).Fig_6Fig. 6. Seasonal variations of standard deviation of soil moisture along each transect line A, B, C, D, and Combined line in soil depth of 10, 30 and 60 cm. *The notations of symbols are same to Fig. 5.
단면선 A의 토양 깊이 10cm에서는 여름철 A5지점의 표준편차의 증가는 지역적 상부흐름의 기여로 인한 영향의 순간적인 지표면의 포화로 인한 결과로 보이며, Fig. 3(a)에서도 확인할 수 있다(A5-10의7월 중순). 30cm에서는 A3지점의 표준편차 값이 크게 나타났으며, 60cm에서는 A2지점이 상대적으로 높게 나타났다. 단면선 B는 깊이 별 또는 계절별에 상관없이 어떤 뚜렷한 특징이 보이지 않았다. 단면선 C의 10cm에서는 C2지점이 가장 변동성이 큰 것으로 나타났으며, 30cm에서는 대체적으로 C1에서 C3지점으로 갈수록 표준편차 값이 커졌다. 60cm에서는 C1 지점이 가장 표준편차 값이 큰 것으로 나타났다. 단면선 D의 10cm에서는 D2, D3지점이 D1, D4지점에 비해 계절별 표준편차 값과 차이가 상대적으로 크다. 30, 60cm에서는 여름철, 태풍시즌의 D2지점이 표준편차 값이 커졌다. 복합선의 10cm에서는 A6지점의 표준편차 값이 A7~A9지점에 비해 높게 나타난 것으로 나타났다. 30, 60cm에서는 10cm의 변동패턴과 비교했을 때, A7, A9지점이 A8지점에 비해 상대적으로 높게 나타났다. 깊이와 상관없이 A6지점이후로 A7~A9의 변동성이 토양수분의 표준편차 값이 급격히 낮아졌다. 깊이 별, 단면선 별 토양수분의 표준편차의 계절적, 공간적 변동은 단면선 B와 복합선이 다른 단면선 A, C, D에 비해 안정된 특성을 보였다. 단면선 A, C, D에서는 여름철과 태풍시기에서의 단면선에 따른 토양수분 편차변동이 안정된 다른 계절과 다르게 나타나는 것은 지표근처(10cm)에서는 큰 공극과 관련한 계절적 강우량에 따른 우선적 흐름을 통한 침투 차이, 일부의 지역적 지형에 의한 상부흐름의 존재의 영향(A5-10, C2-10, D2-10지점)과 지표하(30, 60cm)에서는 강우사상에 대해 상부사면의 순간적인 기여흐름이나 지역적 우선적 흐름과 같은 영향으로 인해 표준편차 3% 이상을 가지는 지점들이 존재하였다(e.g. A3-30, C3-30, D2-30, A2-60, C1-60, D2-60, A6-60). 반면, 복합선에서는 계절적 변동과 크게 상관없이 상부사면의 흐름이 지속적인 기여가 크고, 이 구간에서의 일정한 경사를 가진 지형으로 인해 토양수분변동이 상대적으로 작고, 안정된 토양수분 특성을 가지는 것으로 나타났다고 판단된다(A7, A8, A9 at 10, 30, 60cm). 이러한 결과는 본 연구사면에서 상부 기여사면의 흐름이 많이 영향을 받는 지점들의 토양수분의 안정화와 상부사면과의 연결성의 수문학적 경계(hydrologic threshold)와 관련이 있어 보인다(Hopp and McDonnell, 2009; Kim, 2014; Zehe et al., 2007).

3.4. 단면선에 따른 각 깊이 별 계절적 토양수분감쇄 기울기 분포 및 변동

강우직후의 토양수분 시계열에 대해 감쇄곡선을 평가하기 위해 세 함수인 선형, 지수, 그리고 거듭제곱함수 식을 비교하였다(Fig. 7). Fig. 7(a)은 C3지점의 10, 30, 60cm에서 측정된 토양수분과 강우의 시계열에 대한 토양수분의 감쇄구간을 의미하고, 이 감쇄구간에 대해 각 함수 별로 회귀 분석하였다(Fig. 7(b), (c), (d)). 그 결과, 선형 식과 지수함수 식은 거의 같으며, 거듭제곱함수 식보다 더 잘 묘사한 것으로 보인다. 거듭제곱 함수 식은 감쇄곡선 구간에서 초기부분과 중간부분에 각각 과대평가, 과소평가가 되었다. 이는 거듭제곱 함수식이 수문 곡선 식으로부터 유도된 식으로, 본 연구에서 감쇄구간 전인 강우사상과 관계없는 토양수분의 가장 빠른 초기 감소구간이 제외되었으며, 중력에 의해 흐르는 지표 유출과 토양 내 중력(gravity force)과 모세관력(capillary force)이 공존하는 토양 수분변동의 감소 변동 특성차이가 있다고 판단된다. 토양수분 감쇄 기울기의 계절적 평가는 여름철(09.5.17 (SU1), 09.5.22 (SU2), 09.6.10 (SU3), 09.06.20 (SU4)), 태풍(09.07.28 (TY1), 09.08.13 (TY2)) 그리고 가을철(09.08.29 (FA1), 09.09.12 (FA2), 09.09.28 (FA3)) 기간에서 각각 4, 2, 3번의 총 9번 감쇄구간에 대해 각 함수 식을 적용하여 수행하였다. Fig. 7과 같은 결과와 같이 9번의 감쇄구간에 대한 감쇄 곡선 식에 대해 거듭제곱 식(R2=0.824) 보다는 선형(R2=0.955) 또는 지수적(R2=0.957) 감쇄 곡선을 이용했을 때, 잘 묘사하는 것으로 나타났다.Fig_7Fig. 7. The soil moisture times series and intervals of recession slope for regression analysis in 10, 30, and 60 cm at point C3 (a), the regression lines using linear, exponential, and power function adjusting to recession interval of soil moisture in soil depths of 10 cm (b), 30 cm (c), and (d) 60 cm, respectively.
이 연구에서는 세 함수 식 중 지수함수식이 토양수분의 감쇄구간을 잘 묘사한다고 판단하여, 이를 기준으로 각 단면선에 따른 깊이 별, 9번의 계절적 감쇄 기울기를 나타내었다(Fig. 8). 계절별 감쇄기울기의 평균 값은 여름, 태풍, 가을에 각각 -0.0013, -0.0014,-0.0011로 가을철이 가장 낮게 평가되었다. 이는 Oh et al.(2006), Kim(2009)의 결과와 같이, 식생의 계절적인 영향으로 인해 봄, 여름철에 비해 가을철은 토양수분의 충전현상이 발달된다는 결과와 비슷하다. 토양깊이 10, 30, 60cm에서의 전반적인 토양수분의 감쇄 기울기는 각각 평균적으로 0.00183, 0.00120, 0.00085로 나타나, 토양 깊이가 증가할수록 감쇄 기울기가 줄어드는 것으로 나타났다. 이는 대공극을 가지는 토양구조의 존재로 인한 영향이 토양이 깊어질수록 약해지기 때문으로 보인다(Beven and Germann,
1982). 단면선 A의 10cm에서는 A2, A5지점이 계절에 상관없이 상대적으로 다른 지점보다 일정한 기울기를 가진 것으로 나타났다. 특히 A3지점은 다른 지점보다 높게 30cm에서도 나타났다. 60cm에서는 A2지점의 태풍(TY)에서 약간 높게 나타났다. 이는 표준편차의 변동분석과 같은 결과와 같다(Fig. 6). 단면선 B에서는 깊이 별, 계절적으로 뚜렷한 특징이 보이지 않았다. 단면선 C에서도 계절적인 뚜렷한 특징은 보이지 않았지만, 깊이에 따른 패턴을 보면, 10cm에서는 C1지점에서 C3지점으로 갈수록 점차 증가하였고, 30cm에서는 C3 지점이 증가하는 형태가 보였다. 60cm에서는 C1 지점이 유난히 가장 높게 나온 것으로 나왔으며, 이 값은 10, 30cm보다 훨씬 높게 나타났다. 복합선에서는 A6 지점에서는 감쇄 기울기가 가장 변동이 심한 반면, A7~A9지점에서는 깊이에 상관 없이 거의 비슷한 감쇄기울기 값을 가지며, 토양수분 표준편차의 원인(상부사면흐름의 지속적인 공급, Fig.6), 결과와 유사한 양상을 보였다.

3.5. 단면선에 따른 토양수분특성분포에서 토성과 지형의 영향

토양수분특성의 계절적 변동분석에서 단면선에 따른 분포특성이 깊이에 따라 달라지고, 시간에 따른 변동성이 각 지점마다 다르게 반응 하는 것으로 나타났다. 앞서 세 가지의 토양수분 특성들을 토양수분의 습윤 정도와 변동성으로 분류하여, 각 측정지점에서의 토성과 위치에 따라 분석해보고자 하였다. 토양수분의 습윤 정도는 평균 토양수분, 변동성은 토양수분의 감쇄 기울기로 구분하여, 토양 깊이 10, 30, 그리고 60cm에 대해 각각 Fig. 9와 같이 나타내었다. 세 깊이에 대해 평균토양수분이 감소함에 따라 감쇄기울기가 증가하는 것을 볼 수 있는데, 10, 30, 60cm 토양 깊이에 따라 전체 평균토양수분은 22.8, 23.6, 26.1%, 전체 평균 토양수분감쇄기울기에서는 0.00183, 0.00120,0.00085로 기준으로 지배적인 토성과 함께 Table 2와 같이 토양수분특성을 분류하였다. 토성은 점토과 실트함량이 높은 지점(미사질 양토 또는 양토)과 모래함량이 높은 지점(사양토 또는 양질사토로 두 가지 종류로 구분하였다. 전반적으로 토양습윤도가 낮은 지점들은 변동성이 크고, 사양토나 양질사토가 지배적으로 많았으며, 이들 지점들은 사면의 중·상단부에 위치해 있는 것을 볼 수 있다. 반면, 토양습윤도가 높은 지점들은 변동성이 적고, 미사질 양토 또는 양토를 가진 지점들이 많고, 사면의 상·하단부에 위치해 있는 것을 볼 수 있다. 이는 지점의 위치나 토성이 다름에도 불구하고, 비슷한 토양수분특성을 가지는 것은 영향을 주는 요인들이 다르기 때문이다. 즉, 최상단부에 위치해 있는 지점들(A1, A2, A4, A5)은 점토, 실트 함량이 높은 특징인 높은 보유토양수분량, 낮은 침투, 배수능력인 반면, 하단부에 위치한 지점들(A7 A8, A9)은 상부의 기여흐름으로 인한 흐름의 충전현상이 지배적으로 일어나 토양수분의 변동이나 감쇄기울기가 낮아, 본 연구사면의 상단부의 토양수분지점과 비슷한 특징을 가지는 것으로 보여진다. 이는 Lee et al. (2005)의 결과에서 하단부 또는 지형지수가 높은 토양수분의 낮은 감쇄기울기의 결과와 일맥상통하지만, Lee et al.(2005)의 연구지역의 상단부에서의 높은 감쇄기울기의 결과와는 다른 것은 토양수분의 변동특성에서 토성의 영향이 상당하다고 할 수 있다.Fig_8Fig. 8. Seasonal variations of recession slope of soil moisture along each transect line A, B, C, D, and Combined line in soil depth of 10, 30 and 60 cm. *Symbols blank, dark-grey, grey color denote the slope in Summer (SU), Typhoon (TY), Winter (WI) and open circle, open triangle, open rectangular, (open reversed triangular) are in order of recession event.
Fig_9Fig. 9. The relationships between average and recession slope of soil moisture with bi-directional error bars(standard deviation) for all points at soil depths 10, 30, and 60 cm.
Table_2

IV. 결 론

본 연구에서는 청미 사면에서의 단면선에 따라 설계된 지점으로부터 약 10개월 간 측정된 토양수분 자료에 대해 토양수분의 평균, 표준편차 그리고 감쇄기울기의 토양수분 특성인자들을 각각 계절별로 평가하였으며, 사면의 위치 및 토성의 공간적 분포결과를 통해, 각 토양수분 특성의 시·공간적 분포에 대해 분석하였다. 단면선에 따른 평균적 토양수분분포특성에서 지표 근처의 토양 깊이(10, 30cm)와 저층(60cm)에서의 다른 공간적 변동특성은 저층에서의 지표하 흐름, 기반암의 존재의 영향으로 인한 것으로 예상된다. 또한 상부기여사면의 흐름의 기여와 작은 입자를 가진 토성이 존재할 시, 평균적 토양수분은 증가하고, 토양수분의 변동성, 감쇄기울기가 줄어드는 경향이 있어, 지형, 토성의 영향이 토양수분의 시·공간적 분포에 상당한 영향을 주는 것으로 나타났다. 상단부 단면선들에 해당되는 측정지점에서는 깊이와 상관없이, 계절적으로 우선적 흐름과 관련되어 보이는 지점들이 존재하였다. 특히 복합선은 토양수분특성이 상당히 안정화가 진행되는 위치(지점)을 가지기 때문에 토양수분 특성의 수문학적 경계에 대한 추가적 연구가 필요하다고 판단된다.

적요

사면스케일에서 토양수분의 시공간적 분포를 이해하기 위해서는 사면의 단면선(Transect line)에 따른 토양수분 분포 및 변동에 대해 기본적인 해석과 이해가 선행되어야 한다. 이에 단면선에 따라 설계된 여러 토양수분 측정지점으로부터 토양수분 자료에 대해 토양수분 특성인자를 고려하여 토양수분의 특성변동에 대해 이해하고자 하였다. 또한 사면의 위치 및 지형 그리고 토성의 공간적 분포의 토양수분 특성에 대한 영향도 분석하였다. 연구 사면에서 깊은 토양 층에서 평균적 토양수분의 공간적 분포는 지표 층에서의 공간적 분포 경향과는 많이 달랐으며, 사면의 지형 및 위치 그리고 토성의 공간적 분포는 토양수분의 시공간적 분포특징에 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 특히 상부흐름의 기여가 상당한 측정지점에서는 토양수분 변동의 안정화가 진행이 되는 것으로 나타나, 수문학적 경계(hydrologic Threshold)에 대한 추가 연구가 진행되어야 할 것으로 보인다. 또한 토양수분의 불균질한 공간적 경향은 우선적 흐름의 영향과 관련이 있다고 보여진다.

감사의 글

이 연구는 부산대학교 자유과제 학술연구비(2년)의 연구지원과 BK21사업의 연구지원으로 수행되었으며, 이에 감사 드립니다.

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