Current Issue

연구지역은 강원도 양구군 해안면 일대의 군사분계선에 인접해 있는 산지로 북위 38°18’51”, 동경 128°07’59”에 위치한다. 해안면 주변은 달산령(807 m), 대우산(1,056 m), 도솔산(1,147 m) 및 가칠봉(1,242 m)과 같이 해발고도가 높은 산들로 둘러싸여 있고 내부는 평탄한 분지(약 400 m) 지형이다(그림 1). 분지의 외곽으로 갈수록 경사(약 20-50°)가 급해지며 저지대를 제외하고 대체로 급한 경사를 갖는다(Yoo et al., 2008; Lee, 2009). 이처럼 지형적 조건으로 분지 하부에는 논농사가 주로 이루어지고 중상부에는 고랭지 채소밭으로 이용되고 있다(Lee et al., 2011).

Fig. 1. 
Location of the Haean basin and monitoring station.

해안 분지 외륜 및 능선부의 지질은 선캄브리아기 변성암 복합체로 규암, 편암 및 편마암을 포함하며 해발고도 400-600 m의 분지 내륜은 쥬라기 대보 화강암으로 구성되어 변성암 복합체를 관입한다(Won et al., 1987). 농촌진흥청(Rural Development Administration, RDA)에서 제공하는 토양환경지도에 따르면 해안분지의 토성은 표토는 사양토(Sandy loam)에서 양토(Loam), 심토는 사양질(Sandy loam-Loamy sand)로 나타난다. 표토와 양토의 면적은 6,117 ha로 표토에서 사양토는 4,184 ha, 양토는 1,904 ha로 각각 68.4%와 31.1%의 토지면적을 갖는다. 심토에서는 사양질이 85.7%, 식양질이 13.4%를 차지하고 있다(RDA, 2018).

해안 분지 북쪽에 위치한 산지에 토양수분 모니터링 시스템을 구축하였다(그림 2a). 항공사진 기반의 DEM을 통해 연구지역 및 모니터링 장비의 정확한 고도를 수치화하였다. 토양수분측정 장비는 해발고도 570-612 m에 설치되었으며 상부에 위치한 YHS1과 YHS2 사이의 경사도는 14.5%, 경사각은 약 8.3°로 매우 가파른 경사에 설치되었고 YHS3과 YHS4는 상대적으로 평평한 곳에 설치되었다.

Fig. 2. 
(a) DEM data of monitoring sites, (b) soil moisture sensors, (c) data logger, (d) automatic weather station.

토양수분측정 센서(5TM, METER, USA)는 4개의 모니터링 지점(YHS1-4)에 지표 아래로 각각 30, 60 및 90 cm 깊이로 토양 단면에 설치하였으며 데이터로거(EM50, METER, USA)에서 10분 간격으로 측정하도록 설정하였다(그림 2b, 2c). 또한 토양의 특성을 파악하기 위해 각 지점의 센서가 설치된 지점의 토양 시료를 채취하였다. 채취된 시료는 체분석과 레이저 입도분석(mastersizer 3000, Malvern, U.K)을 통해 모래, 미사, 점토를 분리 후 미국농무성(United States Department of Agriculture ,USDA) 의 분류에 따라 토양 특성(Soil texture)을 결정하였다.

해안 분지에 설치되어 있는 4 지점의 기상관측소(YHWS, KMAWS, RDAWS1-2)에서 기상자료를 수집하였다(그림 1). YHWS는 본 연구를 위해 2016년 5월 4일에 설치되었으며 일사량, 강우량, 이슬점, 기온, 습도, 풍향 및 풍속을 각각 10분 간격으로 측정하고 있다(그림 2d). 추가적으로 해안면에 위치한 3개의 기상관측소에서 2016년 5월부터 2018년 5월까지 강수량 및 기온 자료를 수집하였으며 KMAWS는 기상청(Korea Meteorological Administration, KMA), RDAWS는 농촌진흥청(RDA)에서 운영하고 있다.

HYDRUS-1D는 불포화 및 포화된 다공질 매체에서 수직 및 수평으로 온도, 수분, 용질 흐름을 모의 및 분석하는 프로그램이며 이를 통해 잠재 지하수 함양량을 추정하였다(Šimůnek et al., 2008). HYDRUS-1D는 입력 자료로 강수, 토양수분 및 토양온도, 증발산량과 같은 현장 자료 및 토양 수리학적 파라미터(θ_r, θ_s, K_s, α, n, l)를 활용하여 모델들을 통한 수치 해석을 수행하며 지역의 수리지질학적 특성을 분석할 수 있다. 불포화대에서 수분의 수직 및 수평 흐름에 대해 1차원 Richards 방정식이 이용되며 일별 토양수분을 모의할 수 있다.

여기서 h는 토양수분 압력수두(L), θ는 체적토양 수분함량(L³/L³), t는 시간(T), z는 연직 하향 깊이, K(h)는 불포화 수리전도도(cm/day), S는 뿌리에 의해 흡수되는 수분량(cm/day)이다. Richards 방정식은 불포화 수리전도도 K(h), 압력수두 h 및 토양 수분함량 θ에 의존하기 때문에 매우 비선형적이다. 이와 같은 토양 수리학적 파라미터들의 변화 관계는 van Genuchten-Mualem (1980) 모델에 의해 설명된다.

여기서 Ks는 포화 수리전도도, Se는 유효 포화도, θr과 θs는 잔여 및 포화수분함량(L³/L³), α (cm/day)와 n은 토양수분 특성 곡선의 실험적 계수, l은 공극의 연결성을 나타내는 매개변수이다.

모델링 기간은 우기인 2017년 6월 1일부터 8월 31일 이며 토양수분의 자료가 결측 없이 측정된 YHS2가 모델링 지점으로 선택되었다. 관측된 기상자료로부터 Penman-Monteith (Allen et al., 1998)의 방정식을 이용하여 일 잠재 증발산이 계산되었으며 모델링 기간의 입력 값으로 이용하였다. 이 연구에서 식생 유형별 또는 작물별 잠재증발산량 및 뿌리에 의해 흡수되는 수분량은 고려되지 않았다.

토양 단면의 깊이를 지표 아래 지하수면이 500 cm 깊이에 있다고 가정하여 지정하였다(그림 1). 상부경계 조건(Upper boundary condition)은 지표층에 지표유출을 갖는 대기 경계(Atmospheric boundary)로 선택하였다. 하부 경계 조건(Bottom boundary condition)은 지하수면의 정확한 위치를 모르기 때문에 자유배수(Free drainage)가 선택되었다. 초기 조건(Initial condition)은 2017년 6월 1일 토양수분 센서에서 측정된 토양수분함량을 사용하였다.

토양 수리학적 매개변수들은 HYDRUS-1D에서 제공하는 ROSETTA 매개변수 추정 프로그램에 입도분석 결과 값을 입력하여 초기 매개변수를 추정하였다. 이후 초기 추정된 매개변수들은 Inverse solution을 통해 보정 및 검정 되었다. 잠재 지하수 함양량은 토양 단면 가장 하부에서 계산된 Bottom flux 값을 합산하였다.

그림 3은 2016년 5월부터 2018년 5월 까지 관측된 3개의 기상관측소들의 월 강수량 및 월 평균 기온을 보여준다. YHWS에서 2017년 2월과 8월에 일부 자료가 결측 되었기 때문에 가장 인접한 곳에 위치한 RDAWS1에서 이를 보완하였다. 2016년 5월부터 2018년 5월까지 YHWS, KMAWS 및 RDAWS2의 1년 단위 강수량은 각각 1,178 mm와 1,508 mm, 1,143 mm와 1,514 mm, 1,233 mm와 1,411 mm를 보이며 7월에 대부분의 강우가 집중적으로 발생하였다. 기상관측소들에서 관측된 2016년과 2017년 7월 평균 강수량은 각각 487.2 mm (41.3%), 487.7 mm (42.6%), 628 mm (50.9%)로 총 강수량에 40% 이상의 많은 강우가 발생하였다. 관측 기간 동안 평균 기온은 9.0-9.3℃로 관측되었다.

Fig. 3. 
Comparison of monthly precipitation and monthly mean air temperature in Haean basin at different stations.

토양수분함량은 토성에 따라 다를 수 있기 때문에 각 지점의 깊이별로 채취된 토양 시료로부터 입도분석을 통해 토성을 분석하였다 (표 1). 연구지역의 토성은 모래(Sand)에서 사양토(Sandy loam)로 모래 함량이 주를 이루고 미사가 다수 포함된다. 또한 높은 고도인 YHS1에서 낮은 고도인 YHS4로 갈수록 모래의 함량이 줄어들고 미사의 함량이 증가하는 경향을 보였다.

강우에 따른 토양수분함량 변화 및 반응을 분석하기 위해 2017년 3월 25일부터 2018년 3월 25일까지 토양수분 센서 및 YHWS에서 관측된 자료를 이용하였다. 표 2는 모니터링 기간 동안 각 지점 및 깊이별 토양수분함량의 최대, 최소, 평균 및 표준편차 값을 나타낸 기초 통계표이다. 가장 상부에 위치한 YHS1에서 자연재해로 인해 2017년 7월 14일부터 9월 12일 까지 토양수분 자료의 결측이 발생하였으며 통계 값을 나누어 산정하였다.

각 지점들에서 최대·최소값을 포함한 토양수분함량의 변화를 보았을 때 YHS1에서는 2017년 7월 까지 0.126-0.333 m³/m³, 9월부터 2018년 3월까지 0.118-0.296 m³/m³의 변동 범위를 보였다. YHS2에서는 0.223-389 m³/m³, YHS3 0.161-420 m³/m³, YHS4 0.101-0.376 m³/m³로 나타났다(표 2). 전체 기간 중 깊이별 평균 토양수분함량은 YHS1에서 가장 낮은 수분 함량 변화들을 보였으며 YHS3에서 전반적으로 높았다. 이는 YHS1보다 YHS3이 30-90 cm 깊이에서 모래 함량이 10%이상 높아 보수력이 더 낮고 높은 고도 및 경사면에 위치했기 때문일 것으로 판단된다. YHS4에서는 가장 넓은 변동범위를 보였다. YHS1과 YHS4의 30 cm 깊이를 제외하면 0.270 m³/m³ 이상으로 연평균 토양수분함량이 높은 것으로 나타났다.

그림 4는 모니터링 기간 동안 토양수분과 토양온도가 강우 및 대기 온도에 따라 보이는 반응을 나타내는 시계열 자료이다. 그림 4(a)는 가장 최상부의 YHS1로 토양 깊이가 깊어짐에 따라 토양수분함량이 감소하는 것을 볼 수 있다. 강우 시 30 cm 깊이의 토양수분 변화는 지표에서 가깝기 때문에 대부분 민감하게 반응하며 급격하게 증가한다. 30 및 60 cm 깊이에서는 비교적 적은 양의 강우가 수 시간 지속되거나 약 3-5 mm/hr 이상 강우 시에 수분 함량이 증가한다. 60 cm 깊이에서는 서서히 증가하다가 선행 강우 이후 강우가 발생 시 급하게 증가하는 경향을 보이고 있다. 90 cm 깊이에서는 강우 시에 다른 깊이보다 수분 함량의 증가량도 적고 증가속도 또한 느린 것으로 나타났다. 60-90 cm 깊이에서는 매우 적은양의 강우(0-1 mm/hr)가 발생 하거나 선행 강우가 없었을 때 5-7 mm/hr 강우에도 토양수분이 증가하지 않을 때가 있다. 하지만 지속적으로 강우가 내린 7월 1일부터 모든 깊이에서 토양수분의 급격한 증가 및 감소현상을 보이고 있다.

Fig. 4. 
Time series data of soil moisture and soil temperature response at four sites (a-d) for rainfall and air temperature.

그림 4(b)의 YHS2는 YHS1 아래쪽 경사면에 위치하며 30 cm 깊이에서 강우에 민감하게 반응하는 것으로 나타났다. 또한 선행 강우가 없거나 선행 토양수분의 증가가 없을 시 60과 90 cm 깊이에서 토양 수분 증가가 발생하지 않는 경우도 다수 나타났다. YHS2는 토양 깊이가 깊어질수록 토양수분의 함량이 증가하며 수분 함량도 YHS1보다 높은 것으로 나타났다(그림 4b). 이는 YHS1에서 매우 가파른 경사면을 갖고 있기 때문에 강우 시 수직 침투가 제대로 이루어지지 않고 경사면을 따라 수분이 이동하면서 중간유출 또는 지표유출이 발생하며 침투되었기 때문일 것으로 판단된다.

YHS3은 앞의 두 지점보다 30 cm 깊이에서 강우에 더 민감하게 반응하였으며 가장 높은 수분함량(0.420 m³/m³)까지 증가했던 것으로 나타났다. 2018년 1월 25일 이후 급격하게 토양수분이 감소한 것은 당시 차후 연구를 위해 바로 옆에 굴착된 40 cm 깊이 토양 단면의 영향일 것으로 판단된다. 기온이 영하 16-21℃까지 수 일 동안 떨어졌기 때문에 지표의 눈 및 토양단면이 동결되면서 토양 내 수분의 이동이 거의 발생하지 않았기 때문으로 사료된다(Hong et al., 2012). YHS3은 토양 깊이가 깊어질수록 토양수분이 증가하며 60과 90 cm 깊이에서 수분 함량의 차이는 작다(그림 4c). 하지만 60과 90 cm 깊이도 다른 지점들에 비해 더 높은 수분함량을 보유할 수 있는 것으로 나타났다. 이는 상대적으로 앞의 두 지점보다 평탄한 지형에 위치해 있고 상부 경사면으로부터 토양수분의 계속적인 유입과 강우의 수직 침투가 원활했기 때문일 것으로 사료된다(Oh et al., 2006).

YHS4도 비교적 평탄한 지형을 가지며 깊어질수록 토양수분의 함량은 증가한다. 30 cm 깊이는 다른 지점들 보다 전반적으로 낮은 토양 수분 함량을 보이지만 같은 기간 강우 발생 시 가장 높은 변화율을 갖고 급격하게 증가 및 감소하는 경향을 보인다(그림 4d). 또한 지속적인 강우 시 토양수분이 유지되는 현상이 나타났다. 60 cm 깊이는 상부 깊이와 유사한 토양수분 변화 패턴을 보이고 있다. 하지만 강우 이후 토양수분이 유지되는 시간이 더 길어진 것으로 나타났다. 90 cm 깊이는 미량의 토양수분 변화는 있으나 연중 토양수분함량이 다른 지점 및 깊이들에 비해서 거의 변하지 않았으며 약 0.330 m³/m³의 비슷한 수분함량을 유지하고 있다. YHS4의 토양수분유지 현상은 상부의 작은 호수 및 경사면, YHS4 옆 작은 계곡 및 배수로로부터 하부토양층까지 지속적으로 수분이 공급되어 상부 토양층까지 점차 포화시켰기 때문일 것으로 사료된다(Ha et al., 2016).

그림 4의 YHS1-4 모두 2017년 겨울(12-2월)철 일부 감소 및 유지되던 토양수분이 2018년 봄(3-5월)에 들어서면서 적은양의 강우에도 많은 양이 급증하는 시기가 있다. 이 현상은 겨울철 동결된 토양 및 지표위의 눈이 기온이 상승하며 서서히 녹고 적은 양의 강우가 내렸기 때문에 지표유출이 일어나지 않고 천천히 수직 침투가 잘 이루어졌기 때문으로 판단된다. 그림 4의YHS1-4의 봄에서 여름까지 기온이 상승함에 따라 토양온도도 점차 상승하며 지표에 가까운 30 cm부터 순차적으로 토양 온도는 증가했다. 가을에 접어들면서 깊이별 토양온도들은 비슷한 온도를 나타냈으며 겨울철에 들어서면서 90 cm에서 가장 높아지고 30 cm가 가장 낮아지는 토양온도의 역전현상이 일어났다. 이는 연구지역의 토양온도에 계절별 기온변화 양상이 잘 반영되는 것을 알 수 있다.

YHS2 90 cm 깊이 시료의 모래, 미사, 점토 함량을 ROSETTA 프로그램에 입력하여 토양의 수리학적 매개변수(θ_r, θ_s, α, n, K_s, l)의 초기 값을 추정하였다. 초기 추정된 θ_r, θ_s, α, n, K_s 및 l의 값은 각각 0.041, 0.386, 0.35, 2.4, 173, 0.5로 추정되었다(표 3). 매개변수들 중 α, n, K_s는 토양수분을 모의하는데 특히 민감하다(Wu et al., 2016). HYDRUS-1D 프로그램의 역추정 기법(Inverse solution)을 통해 매개변수들의 보정을 거쳐 정확성을 높였으며 관측된 토양수분함량에 대해 최적화된 매개변수들을 결정하였다. 보정된 θ_r, θ_s, α, n, K_s 및 l의 값은 각각 0.1, 0.41, 0.038, 1.6, 168, 2.5로 나타났다(표 3).

그림 5는 보정된 매개변수 및 현장 관측 자료들을 토대로 YHS2 90 cm 깊이의 우기(6~8월)때 모의된 토양수분함량 및 현장 자료의 비교를 나타낸 것이다. 모의 및 관측된 토양수분함량은 100%의 1:1 매칭이 이루어지지 않았으나 모의된 토양수분함량은 현장에서 관측된 토양수분을 비교적 잘 재현해낸 것으로 나타났다. 강우 시 토양수분은 관측된 수분함량보다 모델링 결과에서 더 높은 수분함량을 보유할 수 있는 것으로 나타났다. 일일 토양수분의 변화로 보았을 때 20 mm/day 이하의 강우에서는 수분함량이 증가하지 않는 반면 관측 및 모델링 결과 모두 20-30 mm/day 이상에서는 수분함량이 증가하였다. 하지만 강우량에 비례하게 토양수분함량이 증가하는 것은 아닌 것으로 나타났다. 또한 전반적으로 수분함량이 증가 후 감소하는 속도도 모델링 결과가 더 빠른 것으로 나타났다.

Fig. 5. 
Comparison of observated and simulated soil water content at 90 cm depth in YHS2.

모의 및 관측된 결과의 비교가 신뢰성이 있는지 확인하기 위해 선형관계를 확인하였다(그림 6). 그 결과 결정계수(r²)은 0.77, 상관계수(r)은 0.88로 높은 상관성을 나타냈으며 평균제곱근오차(RMSE)는 0.0096으로 낮은 불확실성을 보여 모의된 값들이 실측값을 잘 반영하는 것으로 나타났다. 최근 HYDRUS-1D의 수리학적 매개변수의 추정을 통한 토양수분 유동모델링 및 현장 관측 자료와 비교 결과에서 Assefa and Woodbury (2013), Chen et al. (2014), Shin et al. (2016)은 각각 최대 0.84, 0.93, 0.87의 상관계수로 높은 상관성을 갖는 것으로 해석하였다. 때문에 이 연구에서 얻어진 상관계수의 값도 높은 상관성을 갖는다고 판단할 수 있다. 하지만 높은 상관성과 낮은 RMSE 값에도 불구하고 모의된 토양수분함량은 관측된 것과 비교하여 완전하게 매치되지 않았다. 이는 모의된 토양 수리학적 매개변수들 및 다른 변수와 일부 가정된 경계조건 값이 실제 현장을 완전하게 재현하지 못했으며 1차원 적으로만 반영되었기 때문으로 생각된다. 또한 실제 토양은 마를 때와 습윤해질 때가 다른 이력현상을 가지며 대기조건에서 지중까지 다양한 환경적 요인이 포함된 수분함량을 측정하기 때문일 것으로 사료된다. 추후 추가적인 현장 매개변수 수집 및 3차원적 모델링을 통해 매개변수 및 모의된 토양수분함량에 대한 정확성을 높일 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 6. 
Linear relationship of simulation results and observed data.

국내에서 대부분 지하수위는 연 강수량의 60-70%가 집중되는 여름철에 높게 나타난다. 하지만 해안면은 여름철 활발한 논·밭과 같은 농업 활동으로 많은 양의 지하수를 양수하기 때문에 지하수위가 오히려 더 낮거나 떨어지는 것으로 연구되었다(Lee, 2009). 따라서 농업활동이 활발하고 강우가 많은 6-8월에 현장 관측자료 기반의 토양수분 유동 모의를 통해 90 cm 깊이까지 침투량 및 500 cm 깊이에서 잠재 지하수 함양량을 추정하였다(그림 7).

Fig. 7. 
Estimated groundwater recharge at the YHS2 in June to August, 2017.

이 기간 동안 90 cm 깊이에서 총 누적 침투량은 927 mm, 500 cm 깊이의 총 누적 잠재 함양량은 744.2 mm로 추정되었다. 이는 2017년 강수량인 1,214 mm에 각각 76.3%, 61.3%에 해당하는 수치이다. 500 cm 깊이에 도달하는 토양수분의 잠재 함양량은 6월 0.3 cm, 7월 40.8 cm, 8월 33.3 cm로 6월에 낮고 7월에 가장 높았다. 6월에 수차례 10-15 mm/day 이상의 강우에도 잠재 지하수 함양은 거의 이루어지지 않았으며 90 cm 깊이를 통과하는 침투량도 적은 것으로 나타났다(그림 7). 또한 40 mm/day가 넘는 많은 강우로 인해 상부에서 지표 및 중간유출의 영향으로 90 cm 깊이에서만 일부 증가했을 것으로 판단된다. 이와 같이 6월에 낮은 잠재 함양량을 보이는 것은 시간당 또는 지속적인 강우량이 7월과 8월에 비해서 대부분 1-5 mm/hr로 매우 적기 때문에 토양수분이 깊은 깊이까지 침투하지 못한 것이 크다고 판단된다.

7월과 8월의 높은 잠재 함양량은 대부분 해당 시기 많은 양과 잦은 강수의 영향이 큰 것으로 판단되며 대부분 모래로 이루어진 토성으로 수리전도도 및 투수성이 높기 때문에 강수의 침투가 수월했을 것으로 여겨진다. 모래 토성의 경우 연 강수량의 57.2-78.7% 범위까지 함양될 수 있다는 연구 결과가 있다(Koo and Kim, 2003). 또한 선행 수분함량과 선행 강수의 영향도 이 시기의 잠재 함양량에 영향을 미쳤을 것으로 생각된다. 6월의 토양수분함량은 7월보다 상대적으로 건조하다(그림 4b). 7월이 되면서 6월보다 지속적으로 수분이 공급되어 점차 습해지고 잠재 함양량을 높였을 것으로 판단된다. 8월에는 강우 이벤트 이전 선행 토양수분함량이 이미 증가한 상태이며 강우강도 또한 7월과 비슷하여 7월보다는 감소한 잠재 함양량을 기록했을 것으로 판단된다.

강수에 의한 토양수분이 90 cm 깊이에 도달하는 것은 당일 이동할 수 있으나 500 cm 깊이까지 도달하는 것은 지연시간이 있는 것으로 나타났다. 지연시간은 일정한 시간을 갖지 않으며 선행 강수량 및 선행 토양수분함량에 따라 달라질 수 있는 것으로 판단된다. 토양수분이 90 cm 및 지하수면까지 함양되기 까지 정확한 지연시간에 대한 것은 추후 연구가 더 필요할 것으로 여겨진다.