토양유실량과 토사유출량

왜 배우는가: 토양유실량과 토사유출량은 공사장·개발지의 탁수 관리와 공공수역 유출 허용 기준을 산정하는 실무의 기본 개념이다. 두 개념을 혼동하면 산정 단계와 적용 지점이 어긋나므로 시험에서 정의와 산정방법을 나눠 묻는 문항이 반복된다.

출제 이력: 제128회 1교시 12번, 제89회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

토양유실량은 강우와 유수에 의해 토양이 침식·이탈된 양이고, 토사유출량은 그중 하천이나 공공수역 지점까지 실제로 이송되어 나간 토사의 양이다.

• 토양유실량(soil loss)
• 생산토사량(gross erosion)
• 유출토사량(sediment yield)
• 토사유출량(sediment yield)
• 토사단위중량(unit weight of soil)
• 토사유입 전후 부유물질 농도
• 토사 유출 금지 대상
• 토사 퇴적 범위(배출지점 50m)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 비가 땅을 깎아 흙이 떨어져 나간 양이 토양유실량이다. 그 흙이 모두 하천까지 가지는 않는다. 중간에 가라앉거나 퇴적되고, 실제로 하천이나 호소 출구를 지나간 양이 토사유출량이다.

정식 정의로는 토양유실량은 침식 작용으로 토양 입자가 원위치에서 분리되어 이동 가능하게 된 양을 말한다. 강우 타격과 지표 유수가 입자를 떼어 내고 운반하는 과정을 포함한다. 여기서 토양 입자가 떨어져 나가는 작용을 이탈(detachment), 떨어진 입자가 흘러가는 작용을 운반(transport), 가라앉는 작용을 퇴적(deposition)이라 한다.

토사유출량은 특정 지점, 예컨대 하천 단면이나 유역 출구를 단위 기간 동안 통과한 토사의 총량이다. 유역 면적으로 나눈 단위 면적당 값을 토사 유출률로 쓰기도 한다. 두 량의 관계는 생산 토사량에 토사 전달률(Sediment Delivery Ratio, SDR)을 곱하는 식으로 연결된다. 전달률은 침식된 양 가운데 출구까지 도달하는 비율이므로 1보다 작다.

또 하나의 핵심은 토사 퇴적이다. 큰 입자는 먼저 가라앉고 작은 입자와 유기물은 더 멀리 간다. 그래서 유출된 토사는 원래 흙보다 미사·점토·유기물 비율이 높다. 이를 토사 농축(sediment enrichment)이라 하며, 질소·인 같은 오염물질은 점토와 유기물에 붙어 이동하므로 농도가 원흙보다 높게 나타날 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

공사장과 개발지에서 나지가 드러나면 강우 때 토사가 대량으로 씻겨 나간다. 이 흙은 하천과 호소의 탁도를 높이고 수생태를 훼손하며 하상을 퇴적시켜 치수 기능을 떨어뜨린다. 그래서 행정은 공공수역으로 나가는 토사량을 제한하고 그 양을 산정할 기준을 마련해 왔다.

산정 기준이 필요한 이유는 두 가지다. 첫째, 공사 계획 단계에서 유출 가능 토사량을 미리 추정해 침사지나 가배수로 같은 저감 시설의 규모를 정해야 한다. 둘째, 실제로 유출된 양이 기준을 넘었는지 판정할 때 같은 방식으로 계산해야 판정이 성립한다. 이 때문에 산정 방법은 강우 조건, 토사의 물리량, 적용 지점을 명확히 정해 두어야 한다.

국내 기준에서는 누적강우량과 토사단위중량을 곱해 생산 토사량을 구하고, 하수관로나 하천으로 나가는 지점을 기준으로 산정 범위를 정한다. 이 기준은 공공수역 유출금지 대상 토사량 산정 고시에 있다.

토사단위중량 추정치 1,400kg/㎥

이 값은 실측 자료가 없을 때 쓰는 추정치이며, 실측이 있으면 실측치를 우선한다.

4. 구성요소·원리·절차

토양유실량과 토사유출량은 서로 다른 단계의 토사량이다. 토양유실량은 유역 안에서 떨어져 나간 토양의 양이고, 토사유출량은 그중 하천이나 배출지점까지 실제로 이동한 토사의 양이다. 두 값의 차이는 토사전달률(SDR, Sediment Delivery Ratio)로 설명한다.

토양유실량은 침식 단계의 생산량이다. 유역에서 입자가 분리되어 사면을 따라 이동하는 과정이 여기에 포함된다. 토사유출량은 이 생산량 중 하천으로 전달된 부분이다. 입자가 하도 바닥이나 사면에 퇴적하면 유출량은 생산량보다 작아진다.

토양유실의 원리는 강우 타격력과 표면유출수에 의한 입자 분리다. 표면유출수가 많고 경사가 급할수록 이탈량이 커진다. 입자가 분리된 뒤에는 세류(rill)와 면상 흐름이 입자를 운반한다. 토사유출량은 토양유실량에 토사전달률을 곱해 구한다.

토사전달률은 유역면적이 커질수록 작아지는 경향이 있다. 면적이 넓으면 퇴적이 일어날 구간이 많아지기 때문이다. 따라서 같은 토양유실량이라도 대유역의 유출토사량은 소유역보다 작게 나타난다.

토사유출량 산정 절차는 다음과 같다.

• 유역의 토양 특성, 경사, 식생, 강우 인자를 조사한다.
• 단위면적당 토양유실량(또는 총침식량)을 산정한다.
• 유역면적과 지형에 맞는 토사전달률을 정한다.
• 토양유실량에 토사전달률을 곱해 토사유출량을 구한다.
• 배출지점의 수문 조건과 비교해 결과를 검토한다.

토양유실량은 흔히 범용토양유실식(USLE, Universal Soil Loss Equation)으로 추정한다. USLE는 장기 평균 연간 토양유실량 A를 구하는 식이다. 식의 형태는 다음과 같다.

$A = R \times K \times L \times S \times C \times P$

여기서 A는 단위면적당 연간 토양유실량(t/ha·year), R은 강우침식인자, K는 토양침식성인자, L은 사면길이인자, S는 사면경사인자, C는 식생피복인자, P는 보전작업인자다.

토사유출량은 다음 식으로 쓴다.

$Y = SDR \times A$

여기서 Y는 배출지점의 토사유출량, SDR은 토사전달률(무차원), A는 유역 총침식량이다. 계산 예에서 A = 1{,}000\,\text{t/year}, SDR = 0.15이면 Y = 150\,\text{t/year}가 된다. 결과는 전달률이 낮은 대유역의 특성과 맞는다.

5. 관련 법령·기준·표준

토사량 산정의 법적 기준은 「공공수역 유출금지 대상 토사량 등의 산정 방법」 고시에서 정한다. 이 고시는 누적강우량 방법과 토사량 방법을 제시한다. 두 방법 모두 토사단위중량과 토사 배출지점 조건을 기준으로 쓴다.

토사단위중량 1,400kg/㎥는 실측 자료가 없을 때 쓰는 추정치다. 실측치는 모래 치환법으로 측정한다. 실측치가 있으면 추정치보다 우선 적용한다.

누적강우량 산정에서는 비가 그쳐 24시간 이상 오지 않아야 한 강우가 끝난 것으로 본다. 24시간 안에 다시 비가 오면 누적강우량에 포함한다. 이 기준은 토양유실량의 강우 단위를 정하는 데 쓰인다.

하천 토사량 산정은 누적강우량에 따른 토사량과 토사단위중량을 곱해 구한다. 체적은 면적에 퇴적 깊이를 곱해 구한다. 체적 단위는 ㎥이고 중량 단위는 kg이므로 단위중량 kg/㎥를 곱하면 토사중량이 된다.

부유물질 농도 기준은 토사 유입 후의 혼합농도에서 토사 유입 전의 농도를 뺀 값으로 증가분을 본다. 채수 지점은 토사 유입 후 하류 지점과 유입 전 상류 지점을 기준으로 한다. 채수가 어려우면 현장 여건을 고려해 정한다.