Changes in Soil Properties During Smoldering Fire Caused by Wildfire

성혁 방

doi:10.7731/KIFSE.2e5230d3

요 약

본 연구에서는 산불로 인한 훈소화재를 가정하여 실험을 수행하였으며 가열시간에 따른 토양의 내부온도, 토양 색의 변화, pH, EC 등의 토양 특성 변화를 실험적 방법으로 연구하였다. 토양 표면의 온도는 약 300 ℃에 도달하였으며 상부로 부터의 열전달로 인하여 토양 하부의 온도는 지속적으로 상승하여 토양 하부에서 훈소화재가 진행될 수 있음을 확인하였다. 모래와 점토의 구성 비율에 따라 토양 내부의 온도 차이가 발생하였으며, 이는 모래와 점토의 열전도도 차이와 토양 입자 간의 공극 크기에 기인한 것으로 판단된다. 가열시간이 길어질수록 토양 pH는 감소하였으며, 토양의 전기전도도는 실험 전보다는 증가하였으나 가열시간에 따른 변화는 일어나지 않았다. 토양의 치사시간은 토양 깊이에 따라 치사시간은 길어지며 점토성분이 많은 경우 동일 깊이에서 치사시간이 길게 나타났다.

ABSTRACT

This study experimentally investigates the changes in soil internal temperature, color, pH, and EC caused by smoldering fire arising from forest fire. The soil surface temperature reaches approximately 300 ℃, and the soil temperature in the lower section increases continuously owing to heat transfer from the upper section, thus confirming that smoldering fire can occur in the lower section of the soil. The soil internal temperature differs depending on the composition ratio of sand and clay, which is attributed to the difference in the thermal conductivity of sand and clay and the pore size between the soil particles. The soil pH decreases as heating progresses. Meanwhile, the soil electrical conductivity is higher than that before the experiment, although no change is observed as heating progresses. The lethal time of the soil increases with the soil depth; furthermore, under the same depth, the lethal time is longer for higher clay contents.

KeyWords: Smoldering fire, Soil temperature, pH, EC, Lethal time

1. 서 론

“산불”이란 산림이나 산림에 잇닿은 지역의 나무⋅풀⋅낙엽 등이 인위적으로나 자연적으로 발생한 불에 타는 것을 말한다(1). 최근 10년(2014년∼2023년) 국내에서는 567건의 산불이 발생하여 4,004 ha의 산림이 소실되었으며, 최근에는 기후변화 등의 원인으로 전 세계적으로 초대형 산불이 자주 발생하여 산불 예방과 관리가 국제적 이슈로 부각되고 있다(2).

산불로 인하여 토양은 물리⋅화학적 특성이 변화한다. 특히, 산불 발생 및 확산 과정에서는 토층의 유기물과 수목의 연소 외에도 지표면 또는 지표면 아래까지 열기가 전파되어 토층을 구성하고 있는 토양에 영향을 주게 된다. 토양은 생태계의 기반으로서 식물 성장, 물 순환, 탄소 고정 등 다양한 기능을 수행하며, 산불로 인한 토양 변화는 이러한 기능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

산불이 확산되는 동안 토양의 온도는 토양단면 깊이에 따라 크게 변한다. 토양의 낮은 열전도율로 인하여 토양 표면의 온도는 토양 하부 방향으로 깊어질수록 온도는 낮아진다(3-5). 산불로 인한 열적인 영향은 토양 표면 등의 상부에서 주로 나타나며, 대체로 토양 표면의 온도는 200∼700 ℃ 이다(6). 하지만 산불이 극심할 경우에는 토양 표면의 온도가 1,150 ℃까지 도달한 기록이 있지만(3), 일반적으로 토층 최상부와 낙엽층 경계에서 최대 온도는 850 ℃ 정도로 보고되고 있다(7).

산불은 연소하는 위치와 형태에 따라 크게 지표화, 수간화, 수관화, 지중화로 나눌 수 있다. 지표화, 수간화, 수관화는 화염이 빠르게 번지고 고온으로 연소되는 반면, 지중화는 주로 탄층, 이탄층, 석탄맥 등 땅속에 연료가 있는 곳에서 발생하는 훈소화재의 특성을 나타내고 있다.

지중에서의 훈소화재는 화염이 보이지 않아 화재의 인지와 전개 상황파악이 곤란하며 특히 연기가 짙은 경우 시야가 가려져 화재 진행 속도를 판단하기 어렵다. 또한 진화된 후에도 잔재물이 오랜 시간 열기를 유지하여 겉보기에는 화재가 진화된 것처럼 보이지만, 실제로는 토양의 내부에서 연소가 지속되어 토양의 유기물을 완전히 분해시키기 때문에 토양 구조를 더욱 심각하게 파괴시킨다.

따라서 본 연구에서는 산불로 인한 훈소화재시 토양의 특성 변화를 실험적 방법으로 연구하여 산불로 인한 피해 저감과 환경 보호에 대한 기여하고자 한다.

2. 실험계획 및 방법

Figure 1는 본 연구에서 이용한 실험장치의 개략도이다. 본 실험은 콘히터(cone heater) 하부에 시료를 설치하고 실험을 수행하였다. 훈소화재를 가정한 복사열유속은 다양한 변수에 의하여 범위의 차이가 있으며 본 연구에서는 복사열유속을 8 kW/m²로 정하였다(8,9).

Figure 1

Schematic diagram of experimental set-up.

Table 1에 실험조건을 나타내었으며 토양의 조성은 모래(sand) 75%, 점토(clay) 25%와 모래(sand) 25%, 점토(clay) 75%로 두가지 경우로 나누었으며 토양의 용적밀도(bulk density)는 1.2 Mg/m³로 하였다. 토양을 비율로 충분히 혼합 후 수분을 제거하기 위하여 건조기에서 105 ℃ 상태에서 24 h 건조하였다. 토양 시편 내부의 온도는 k형 열전대로 측정하였으며 데이터로거로 온도를 수집처리하였다. 열전대는 표면(TC 0), 표면으로부터 하부 방향으로 1 cm 간격으로 5개를 설치하여 토양 깊이별 온도를 측정하였다. 가열시간은 1, 2, 3 h로 하였으며, 냉각시간은 1 h로 하였다. 토양 수소이온농도지수(potential of hydrogen, pH)와 토양 전기전도도(electrical conductivity, EC)는 토양과 증류수를 1:5의 혼합물에 pH 측정기와 EC 측정기를 이용하여 측정하였다. 토양색을 측정하기 위하여 디지털카메라로 촬영 후 토색을 추출하였다.

Table 1

Experiment Condition

Soil Texture	Sand 75%, Clay 25% Sand 25%, Clay 75%
Bulk Density (Mg/m³)	1.2
Heat Flux (kW/m³)	8
Experiment Time (h)	1, 2, 3

화재로 인하여 토양 내의 유기물 및 뿌리의 치사시간(lethal time)을 예측하기 위하여 Preisler 등(10)이 제안한 임계값인 60 ℃를 온도가 초과하는 시간으로 정의하였다(11).

3. 실험결과 및 분석

Figure 2에 모래 25%와 점토 75%의 토양 내부온도를 시간에 따라 나타내었다. 전체적으로 가열시간에 따라 토양의 표면 온도는 급격히 상승하고 2 h 경과된 후에 정상상태에 도달하였다. 하지만 토양 내부의 온도는 지속적으로 상승하며, 가열을 중단한 후에도 일정 시간 상부로 부터의 열전달로 인하여 상승하고 완만히 하강하는 경향을 나타내었다.

Figure 2

In-depth temperature of soil over time (Sand 25% + Clay 75%).

가열시간 1 h의 경우 표면의 온도(TC 0)의 온도는 약 280.8 ℃, 표면으로부터 5 cm 아래의 온도(TC 5)는 약 93.5 ℃를 나타내어 약 187.3 ℃의 온도 차이가 발생하였다. 가열시간 2, 3 h의 경우에는 온도 차이가 약 173.9 ℃, 152.8 ℃로 나타났다. 실험시간이 길어져도 표면 온도는 약 300 ℃에 일정하게 유지되나 토양 내부의 온도는 상부로 부터의 열전달로 인하여 지속적으로 상승함을 알 수 있다. 콘히터의 전원을 제거한 후에도 토양 표면 5 cm 아래의 온도(TC 5)는 약간 상승한 후 천천히 하강하였다. 이는 산불 발생시 토양 표면의 화염을 제거하더라도 토양 하부로는 뜨거운 열기가 남아 있음을 의미하며 토양 하부에서는 훈소화재가 진행될 수 있음을 의미한다.

Figure 3에 모래 75%와 점토 25%의 토양 내부온도를 시간에 따라 나타내었다. 전체적으로는 Figure 2와 유사한 경향을 나타내고 있으나 표면으로부터 5 cm 아래의 온도(TC 5)는 약간 높게 나타났다. 이는 모래와 점토의 열전도도 차이와 토양 입자 간의 공극 크기에 기인한 것으로 판단된다.

Figure 3

In-depth temperature of soil over time (Sand 75% + Clay 25%).

Table 2에 시간과 토양 조성에 따른 토양의 색의 변화를 나타내었으며 색상(hue), 명도(value), 채도(chroma)의 세 가지 속성을 사용하는 Munsell 색상 코드를 이용하여 색을 비교하였다. 점토의 비율이 많은 경우 실험시간이 길어짐에 따라 토양 색의 변화가 크게 일어남을 확인하였다. 아는 점토질 내의 철성분이 고온에서 산화하여 철산화물로 변화되기 때문에 나타나는 현상이며 변색된 토양의 색을 기준으로 산불의 강도를 추정할 수 있다.

Table 2

Color of Soil Over Time

Experiment Time	0 h1 h2 h3 h
Sand 25% Clay 75%
Munsell	3.39 Y	2.62 Y	9.72 YR	0.01 Y
Color	7.42	7.55	5.61	5.55
Code	5.89	4.88	7.57	7.37
Sand 75% Clay 25%
Munsell	3.98 Y	3.75 Y	3.32 Y	0.35 Y
Color	8.63	8.41	7.73	6.98
Code	6.17	6.21	7.21	7.90

화재로 인한 토양의 화상 심각도를 추정하기 위한 가장 일반적인 접근 방식은 토양 색상 및 구조, 토양 숯 또는 화산재 깊이의 변화와 같은 토양 상층의 변화 및 낙엽 손실에 대한 시각적 자료를 이용하는 것이다(12,13). 이러한 시각적 토양의 색상은 토양의 물리적, 화학적, 생물학적 변화와 관련이 있기 때문에 매우 가치가 있으며(14) 토양 침식(15,16) 또는 식생 복구(17,18)와 같은 화재 후의 생태계 반응에도 영향을 미친다.

Figure 4에 가열시간에 따른 토양 수소이온농도지수(potential of hydrogen, pH) 변화를 나타내었다. 가열시간이 길어질수록 토양 pH는 감소하였으며, 이는 토양 표면이 산화되어서 나타나는 현상으로 판단된다.

Figure 4

pH of soil over time.

토양의 pH는 토양 자체의 산도가 아니라 토양과 물이 평형을 이룬 상태에서 토양 용액 중의 수소 이온 농도이다. 전체적인 경향은 가열시간이 길어질수록 모래가 많이 포함된 토양의 pH 값은 낮아지는 경향을 나타내었다. 산불로 인한 토양의 pH는 산불의 강도, 표면의 식생과 토양의 조성, 토양 내 유기물의 특성에 영향을 받아 연구자들에 따라 증가는 경우(19,5)도 있으며 반면에 감소하는 연구결과(20)도 있다.

본 연구에서는 모래가 많은 경우 pH 값이 더 낮게 나타났으며 이는 모래의 석영(SiO₂)이 가열 분해되어 생성되는 수소이온(H+)으로 나타나는 현상으로 사료된다.

Figure 5에 가열시간에 따른 토양의 전기전도도(electrical conductivity, EC) 변화를 나타내었다. 토양의 염류도를 말할 때 토양의 전기전도도를 기준으로 한다. 전체적으로 토양의 전기전도도는 실험 전보다는 증가하였으나 가열시간에 따른 변화는 일어나지 않았다. 가열시간 1 h 이후의 토양의 전기전도도 상승은 토양 표면이 가열되어 모래와 점토 내의 칼륨, 나트륨, 칼슘, 마그네슘 등의 양이온들이 분해되고, 분해된 양이온들이 물에 용해되면 전하를 운반하는 역할을 하여 전기전도도를 증가시킨 것으로 판단된다.

Figure 5

EC of soil over time.

Figure 6에 가열시간에 따른 토양의 치사시간(lethal time) 변화를 나타내었다. 토양 깊이에 따라 치사시간은 길어지며 점토성분이 많은 경우가 동일 깊이에서 더 길게 나타났다.

토양의 온도가 60 ℃를 초과하게 되면 작은 뿌리와 유기물들이 치사(11)하게 되며 이는 토양 생태계에 큰 영향을 미치게 된다. 산불로 인한 고온으로 인해 토양 내 유익한 미생물들을 포함한 다양한 미생물들을 사멸시킬 수 있으며, 이는 토양 생태계에 악영향을 미치고, 토양 기능의 저하를 초래할 수 있다. 즉, 토양 표면이 단단해지고 침식이 증가하면 토양 통기성과 배수성이 저하되어 산불로 인한 산사태 등 2차 재해를 초래할 수 있다.

Figure 6

Lethal time over soil depth.

4. 결 론

본 연구에서는 산불로 인한 훈소화재를 가정하여 실험을 수행하였으며 가열시간에 따른 토양의 내부온도, 토양 색의 변화, pH, EC의 특성 변화를 실험적 방법으로 연구하여 다음과 같은 결론을 구하였다.

1) 토양 표면의 온도는 약 300 ℃에 도달하였으며 상부로 부터의 열전달로 인하여 토양 하부의 온도는 지속적으로 상승하여 토양 하부에서 훈소화재가 진행될 수 있음을 확인하였다.
2) 모래와 점토의 구성비율에 따라 토양 내부의 온도 차이가 발생하였으며, 이는 모래와 점토의 열전도도 차이와 토양 입자 간의 공극 크기에 기인한 것으로 판단된다.
3) 가열시간이 길어질수록 토양 pH는 감소하였으며, 토양의 전기전도도는 실험 전보다는 증가하였으나 가열시간에 따른 변화는 일어나지 않았다.
4) 토양의 치사시간은 토양 깊이에 따라 치사시간은 길어지며 점토성분이 많은 경우 동일 깊이에서 치사시간이 길게 나타났다.

후 기

본 연구는 행정안전부 난접근성 특수화재 진화를 위한 고기능성 소화탄 및 무인 능동진압 기술개발사업의 연구비 지원(과제번호 RS-2024-00255479)에 의해 수행되었습니다.

References

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