Development of GIS-based Debris Flow Simulation Program

(1)

한 국 방 재 학 회 논 문 집 제10권 1호 2010년 2월

pp. 49 ~ 55

방재정책

GIS 기반의 토석류 시뮬레이션 프로그램 개발

Development of GIS-based Debris Flow Simulation Program

위광재·이영균·이동하·서용철****

Wie, Gwang-Jae

·

Lee, Young-Kyun

·

Lee, Dong-Ha

·

Suh, Yong-Cheol

···

Abstract

This study describes a development of GIS-based program called Debris Flow Analyzer for simulating the hazard extent of debris flow on the assumption that is uniform continuous, incompressible, unsteady. The Debris Flow Analyzer was designed to process debris flow numerical simulation with Finite Difference Formulation; smoothed DEM, slope, debris flow directions, extract valley, debris volume, water volume, debris flow moving speed, effective viscosity, dynamic friction coefficient. Also, it is expected that we can be improved the inform of debris flow hazard map by Google Earth.

Key words : Debris Flow, GIS-based Debris flow Simulation, Finite Difference, DEM

요 지

본 연구에서는 토석류를 비압축성의 불안정한 유체로 가정하여 토석류의 피해범위를 시뮬레이션하는 GIS 기반의 프로그램의 개발에 대해 다루고 있다. 개발된 Debris Flow Analyzer 프로그램은 입력된 DEM을 완만하게 재정리한 후, 대상지역에 대한 경사, 토석류 이동 방향, 계곡을 추출한 결과와 토석 부피, 물 부피, 속도, 유효 점도, 동적 마찰계수를 취합하여 유한차분법을 적용하여 시간에 따른 토석류 이동 형태를 시뮬레이션하게 된다. 또한 이러한 시뮬레이션 결과를 Google Earth에 표현하여 토 석류 재해지도의 활용성을 개선하고자 하였다.

핵심용어 : 토석류, GIS 기반 토석류 시뮬레이션, 유한차분법, DEM

···

1. 서 론

최근 집중호우 및 이상기후로 인한 국지성 홍수가 빈번하 게 발생되면서 매년 수십

,

^수백 ^명의 ^{인명피해와} ^수천억 ^원

의 재산피해가 발생하고 있다

.

특히

2006

년

7

월 태풍 에위 니아로 인한 강원지역의 재산피해는 약

1

조

4189

억 원으로 도로

127

개소

,

하천

65

개소 등의 주요 시설물이 유실 또는 침수 피해를 입었으며

(

^{소방방재청}

, 2008;

^{국립방재연구소}

,

2003),

상류지역 산사태와동반된대규모 토석류가도로전체

를 휩쓸어 도로가 단절되거나붕괴되어 국민의 생활이 고립

되는등 막대한피해를 끼쳤다

(

^유병옥 ^등

, 2006;

^{도로교통기}

술원

, 2004).

^하지만^현재 ^{국내에서는} ^토석류에^대한 ^정밀한

피해현황 분석

,

토석류의발생메커니즘이해 및 그에따른 예측 시뮬레이션 없이 단순히 시설적인 측면에서 사방시설 설치

,

^저류시설 ^개선^등에 ^국한되어^{경험적이고}

,

^주관적인^방

재대책만이적용되고있는 실정이다

(

조홍동 등

, 2007).

토석류는 퇴적물과 물의 혼합으로 인해 물흐름과 토사의 질량이동의중간 정도의 복잡한흐름양상을 보이며

,

이러한 양상을 시뮬레이션하기 위한 다양한 수학적·유동학적 모델 들이 개발되었다

.

^{일반적으로} ^토석류

(debris flow)

^와 ^이류

(mudflow)

의 해석을 위한 유동학적 모델들은 크게 뉴턴

,

Bingham, Herschel-Bulkley,

유체팽창

(dilatant fluid),

분산응 력

(dispersive stress),

마찰

(frictional)

모델 등으로 분류할 수 있으며

,

^최근에는 ^이러한 ^기본적인 ^모델을 ^기반으로 ^좀 ^더

정확한수치해석을 위한수학적개선및 새로운기술의접목 이 수행되고있다

(Wang

등

, 2008).

실제로

Takahashi

^와

Tsujimoto(1984)

^는 ^쿨롱 ^저항과 ^결합

된 유체팽창 모델을 기반으로 한

2

^차원의 ^유한차분 ^모델을

개발하고

,

향후 난류 요소를 추가하여 이를 개선하였다

.

O'Brien

등

(1993)

은

2

차원의 흐름노선 모델을 개발하였는데

이 모델을 통해 다양한 수해의발생원인을 상세하게 설명하 는 것이가능해졌으며

,

또한홍수파 감쇠

,

이류

,

토석류 등을

****성균관대학교건설환경시스템공학과박사과정수료(E-mail: [email protected])

****(주)엠앤소프트 OEM 개발팀

****성균관대학교공과대학겸임교수

****정회원·부경대학교위성정보과학과교수(교신저자)

(2)

해석하는데 매우 유용하게 이용되고 있다

.

^또한

McDougall

등

(2003)

은 복잡한

3

차원 지형에서 발생하는 갑작스런 사면

붕괴를 시뮬

fp

이션하기 위한 평균심도모델을 개발하였으며

, Rickenmann

등

(2006)

에의해서는다양한

2

차원토석류해석 모델을실제 발생자료와비교하는연구가진행되었다

.

최근

GIS(Geographic information system)

기술은 효율적 인데이터포맷과공간자료 분석기능으로인해방재 및재해 영향평가에서활발하게이용되고있는데

,

이는

GIS

를이용할 경우 사면붕괴와 토석류 재해에 대한 관련 자료의 수집

,

^처

리

,

시각화

,

분석이 보다효율적·경제적으로 가능하기때문

이다

(Carrara

등

, 1999).

토석류 시뮬레이션에 있어서 가장

핵심적인사항은복잡한

3

차원 지형에걸친토석류의이동경 로의 예측

,

^{안전지대를} ^결정하기 ^위한 ^잠재적 ^이동거리 ^및

재해범위를산정하는것이다

.

따라서효율적인토석류의예측 및분석을 위해서는토석류수치해석모델과

GIS

가결합된도 구의개발이 매우중요한 사항이되었다

.

본연구의 목적은토석류 이동메커니즘 분석결과를

GIS

기반수치해석프로그램으로개발하여토석류의발생가능성 을시뮬레이션하고

,

이를통해 토석류로인한 피해를최소화 할수 있는 기반을구현하는것이다

.

이를위해 본연구에서 는 토석류 물질을 비압축성 유체로 가정하고 유한차분법을

적용한

Windows

기반의토석류시뮬레이터를 개발하고자하

였다

.

유한차분법의적용을위한 직교 그리드

(grid)

로는 항공

LiDAR

측량을 통해 생성된 고정밀

DEM

을 이용하였으며

,

보다 효율적인토석류 시뮬레이션을 위하여 토석류 발생 과

정및 이동매커니즘

(mechanism)

을분석하였다

.

개발된토석

류 시뮬레이터

, ‘Debris Flow Analyzer’

는 입력된

DEM

을 완만하게 재정리한 후

,

^{대상지역에} ^대한 ^경사

,

^토석류 ^이동

방향

,

^계곡을^추출한 ^결과와 ^토석^부피

,

^물 ^부피

,

^속도

,

^유효

점도

,

동적마찰 계수를이용한 유한차분법을적용하여시간 에따른 토석류이동 형태를 정밀하게시뮬레이션하게 된다

.

또한이러한시뮬레이션결과를범용적으로사용되는

Google

Earth

에표현하여 웹 기반의실시간토석류 재해지도로서활

용할 수 있는 기반을 구축하고자 하였으며

,

이를 위해

Google Earth

의

KML

포맷 생성 기능을 활용하여최종적인

토석류재해지도를작성하였다

.

2. 토석류 발생 및 이동 매커니즘 분석 2.1 토석류 발생 과정

토석류는오랫동안 풍화작용을 받아 흙과 암석이 많이 생 긴 산이 폭우나장마로 인해 물로 포화되어그 무게가 마찰 력을 지탱하지 못하여 흘러내리는 현상이다

(Iverson, 1997).

또한 발생지역의지형

,

^지질학적 ^특성

,

^경사도 ^등에 ^따라 ^토

석류

,

토사류

,

이토류로구분된다

.

토석류의발생원인으로는 장마에의한 산사태에의해 발생하는사면형토석류

,

폭우로 인한 협곡안의가파른 암석층들의 부식에 의해 발생하는 수 로형토석류

,

^자연댐의^붕괴로 ^분류할^수 ^있으며^{국내에서는}

수로형토석류와 사면형 토석류가 주로 발생한다

(

조홍동외

, 2007).

2.2 GIS 기법을 통한 토석류 이동 매커니즘 분석

토석류의 발생 형태에 따라 토석류의 규모와 흐름 특성도 각각 다르며 이러한 다양한 이동 특성을 예측하는 방법으로 는 확정론적 방법

(deterministric approach),

퍼지로직

(fuzzy logic),

인공신경망

(artificial neural network)

방법 등이 있다

(Juang

^등

, 1992; Gorsevski

^등

, 2001; Ercanoglu

^등

, 2002;

Lee

등

, 2003).

일반적으로

GIS

기법에서 자주 활용되는 토

석류 분석방법은확률론적예측 방법으로써

,

이 방법을 통해 토석류로인한 사태물질의이동 특성을지형데이터에기초하 여

3

^{차원적으로}^{가시화하여} ^토석류에 ^의한 ^{피해범위를} ^효과

적으로 판단할수 있다

(

서용석 등

, 2008).

GIS

를 활용한 토석류 분석기법에서는 토석류 물질을 비압 축성 유체로가정하며

,

이러한 가정을기반으로 운동방정식과 연속방정식을 적용하게되면토석류의실시간변화양상을 표 현하는것이가능하다

.

토석류 분석에연속방정식을 적용하는 경우에는 유한차분법을 위하여 도입된 그리드

(grid)

의 단위 면적에대해

3

축 방향으로출입하는 토석질량의합이

0

이라 는 가정을 적용하여토석류를해석하게된다

.

^그리고 ^내비어

-

스토크스

(Navier-stokes)

방정식라고도불리는운동방정식을적

용하는 경우에는 토석류 물질이 비압축성 유체

(uniform

continuous, incompressible unsteady flow)

임에 기인하여

,

토 석류가 대류한다는 가정을 적용하여 해석한다

(Wang, 2002).

또한 토석류의 실시간 변화양상은 유체 해석에서 주로 활용 되는 유한차분법을적용하였으며

,

이러한유한차분법은 직교 그리드 기반에서 수행되는 방법이므로이를 위한 직교 그리 드로 항공라이다 측량을 통해 생성된

1 m

^해상도의 ^고정밀

DEM

을활용하게된다

.

토석류 해석을 위한 운동방정식은 그림

2

와 같이 미소의 주상요소에 작용하는 활동력

(DF: dynamic force),

^활동면과

지반 내부에서작용하는저항력

(RF: resistance force)

^을 ^이용

하여 다음과같이 정의된다

(

서용석등

, 2008).

(1)

RF

= (

c1

+

c2

)

dx

+

rgh

(tan

φ1

+ tan

φ2

) (2)

여기서

,

r은 단위중량

(

t

/

m³

),

g는 중력가속도

(

m

/

s²

),

h는 활 동토괴의심도

(

m

),

ci

(

i

= 1,2)

는토석류활동면과 지반의점착 력

(

tf

/

m²

),

Φi

(

i

= 1,2)

는 활동면과 지반의 내부마찰각

(

^o

)

을 각

DF rgh^∂h

∂x ---

=

그림 1. 토석류 발생 과정

(3)

각 의미한다

.

^상기의 ^{운동방정식을}^운동 ^방향을 ^고려하여^표

현하면각각 다음과같다

.

(3)

(4)

여기서

,

M과 N은 X방향 및 Y방향에 대한 단위유량을 나 타내며

,

^{일반적으로} ^유량은^속도와^속도 ^방향에 ^직교하는^평

면의곱으로표현된다

.

시간에따른 X

,

Y방향의변화량은다

음의식들을 통해나타낼 수있다

(

서용석등

, 2008).

(5)

(6)

(7)

여기서

,

u및 v는 X방향 Y및 방향의 속도이다

.

또한 그림

2

에서와표현된것과 같이유입량과유출량에대한 질량보존

의 법칙

(conservation law)

을 적용한후

,

이를 유량으로정의 되는연속방정식으로 유도하면다음과 같이표현된다

(

서용석 등

, 2008).

(8)

토석류해석을위한 유한차분법의직교그리드 데이터로써

는 전술한 바와 같이

1 m

해상도의 고정밀

DEM

을 활용한

다

. DEM

은

3

차원 지형을표현하는격자형 자료구조로토석

류 해석을 위한 기본 정보로 활용되며

,

이를 통해 하천망

,

경사

,

^경사향과 ^같은^다양한^정보를

GIS

^기법을^적용하여 ^손

쉽게추출할 수있다

.

유한차분법을적용한토석류 해석을위해토석류의이동은

그림

3(a)

와 같이임의의

DEM

격자상에서 최대

8

방향으로

이동가능하다고가정한다

.

^또한 ^토석류의^이동방향

,

^즉^흐름

은 그림

3(b)

와 같이 인접 격자 중 경사각이 최대 하향값을

보이는 가장 낮은 표고를 가진 격자로 진행된다고 가정 하였다

.

유한차분법에서 토석류의흐름을나타내는상태방정식은 토 석류 진행 시간에 따라

,

^상기의 ^가정에 ^따라 ^특정한 ^방향으

로 이동하게 된다

.

토석류 해석을 위한 유한차분법의 적용 시 두지가지 형태의차분

(

전향차분및 중심차분

)

을 수행하게 되는데

,

^이 ^중 ^{전향차분법은}^{연속방정식}^중 ^선형항을^분리하

며

,

중심차분법은비선형향을분리하는데 사용된다

.

최종적으

로 각 그리드 상의 토석 농도는 그림

4(b)

와 같이 그리드의

중심점에서 계산되어누적되며

,

최종적인토석류의 운동방정 식과 연속방정식은다음의 식

(9)

^와

(10)

^으로 ^각각 ^정리된다

(Wang, 2008).

3. 웹 기반의 토석류 해석결과 표현

Google Earth

는 웹 기반 글로브 뷰어로써

GIS

데이터의

효과적인 가시화를지원한다

.

토석류예측시뮬레이션결과는

토석류재해지도

(hazard map)

로써보다범용적으로활용되고

,

서비스될 수 있도록

Google Earth

^의

KML

^포맷으로 ^변환

프로세스를 설계하여웹 기반으로 표현되었다

. KML(keyhole

markup language)

포맷은 구글 어스

,

구글 지도 및 기타 응

용 프로그램에쓰이는

OGC(open geospatial consortium)

표

준

XML

^기반의 ^마크업 ^언어 ^스키마

(schema)

^로써 ^지형 ^정

보를 모델링하고표현하는역할을 담당한다

.

본 연구에서 작 성된 토석류 재해지도는 진행 시간별 피해 현황을 효과적으 로 가시화하기 위해

TimePrimitive

태그를 활용하였으며

,

이

미지 표현을 위해서는

Feature Overlay

^기법을 ^{이용하였다}

(KML, 2009).

rdM---dt rgh^∂h

∂x

---+ + + + +c₁ dx c₂ dx rghtanφ₁+rghtanφ₂

= rdN---dt rgh^∂h

∂x

---+ + + + +c₁ dx c₂ dx rghtanφ₁+rghtanφ₂

=

dMdt

--- ^∂---_∂^M_y u^∂M

∂x --- v^∂M

∂y ---

+ +

= dNdt

--- ^∂---_∂^N_y u^∂N

∂x --- v^∂N

∂y ---

+ +

=

M u zd, N

h

∫H ∫_h^H^{v z}^d

= =

dhdt --- ^∂^M

∂x ---dx ^∂N

∂y ---dy +

=

그림 2. 토석류의 비압축성 유체 특성

그림 3. 토석류의 이동 방향

그림 4. 토석류 분석을 위한 격자 분리 및 이동

(4)

(9)

(10)

4. 토석류 시뮬레이션 프로그램 개발

본 연구에서 최종적으로 개발된 토석류 분석 프로그램의 명칭은

‘Debris Flow Analyzer’

로서 이 프로그램은

Visual

C#.NET

언어를 이용하여개발되었으며

,

기본적인라이브러리

(LGPL

라이센스

)

로 벡터

(vector)

데이터 및

GIS

엔진으로

SharpMap(SharpMap, 2009),

^래스터

(raster)

^데이터 ^엔진으로

FWTools(FWTools, 2009)

를 이용하였다

.

다음의 그림

5

는 개발된프로그램의구조를 나타낸것이다

.

입력 파일은 기본적으로

GeoTIFF, Erdas Imagine IMG,

ASC

^형식의

DEM

^파일과 ^토석류^발생 ^지역

,

^토석

/

^물 ^등 ^환

경변수로서

,

각종환경변수는다이얼로그를통해입력된다

.

시 뮬레이션 결과파일로는 시간대별 토석류 진행을 표현하는

GeoTIFF

^포맷의 ^이미지 ^파일과

Google Earth

^상의 ^표현을

위한

KML

포맷 형식의 파일을생성하게된다

.

개발된 토석

류 시뮬레이션프로그램의 실행흐름도및 실행화면은아래 의 그림

6

과같다

.

최종적으로 본 연구에서는 개발된

Debris Flow Analyzer

프로그램을이용한토석류재해지도활용가능성을검토하기

위하여

,

강원도 횡성 지역 일원의

1 km×2 km

범위에 대해

1 m

해상도의고정밀

DEM

을이용하여토석류시뮬레이션을 수행하였다

.

^토석류 ^{시뮬레이션을}^위한 ^{환경변수로는}^토사량

,

물용량

,

토석류속도

,

유효 점도

,

동적마찰계수등을 설정하 여야 하며

,

이러한설정값에 따라시뮬레이션결과의 정확도

에 영향을 미치게된다

(Rickenmann

등

, 2006).

따라서 일반

적으로 환경변수의 값은 직접적인 관측값 혹은 기존의 토석 류 발생자료의정확한 통계적가중분석을통해 계산된다

.

하 지만 본 연구에서는통계분석을 위한 토석류 발생자료를 충 분히 확보하지 못하여 중국 지역의 토석류 분석을 위해

Wang

^등

(2008)

^에 ^의해 ^제안된 ^환경변수 ^값을 ^{채용하였으며}

,

이에 따라 토석의 밀도

(

ρ

)

는

2200 kg/m

³

,

유효 점도

(

µ

)

는

0.11 Pa·s,

중력가속도

(

g

)

는

9.8 m/s

²

,

활동토괴의 심도

(

h

)

는 hi 1 2 j 1 2n 3++⁄ , + ⁄ –hi 1 2 j 1 2n 1++ ⁄ ,+ ⁄

2∆t

--- ^M^{i 1 j 1 2}^{n 2}⁺⁺^,⁺ ^⁄ –^M^{i j 1 2}^{n 2}^,⁺⁺ ^⁄ x ---∆

+ +

N_{i 1 2 j}^{n 2}₊⁺_⁄ _,–N_{i 1 2 j}^{n 2}₊⁺ _⁄ _, x

--- 0∆ = M_{i 1 2 j}^{n 2}₊⁺ _⁄ _,–M_{i j}ⁿ_{, 1 2}₊ _⁄

2∆t ---

αx

∆--- (^M^{i 1 j 1 2}ⁿ⁺ ^, ⁺ ^⁄ +^M^{i j 1 2}ⁿ^,⁺ ^⁄ )²

4hi 1 2 j 1 2n 1++ ⁄ ,+ ⁄

--- (^Mⁿ^{i j 1 2}^, ⁺ ^⁄ +^M^{i 1 j 1 2}ⁿ^– ^,⁺ ^⁄ )²

4hn 1i 1 2 j 1 2–+⁄ ,+ ⁄

---

– +

αy

∆--- (^M^{i j 1 2}ⁿ^,⁺ ^⁄ +^M^{i j 3 2}ⁿ^,⁺ ^⁄ )(N_{i 1 2}ⁿ₊ _{⁄ j 1}_,₊ +N_{i 1 2 j 1}ⁿ_– _⁄ _,₊ )

hi 1 2 j 1 2n 1–+⁄ , + ⁄ +hi 1 2 j 1 2n 1++ ⁄ ,– ⁄ +hi 1 2 j 3 2n 1++⁄ ,+ ⁄ +hi 1 2 j 3 2n 1–+⁄ , + ⁄

---–

M_{i j 1 2}ⁿ_,₊ _⁄ +M_{i j 1 2}ⁿ_,_– _⁄

( )(N_{i 1 2}ⁿ₊ _{⁄ j,}+N_{i 1 2 j}ⁿ_– _⁄ _,)

hi 1 2 j 1 2n 1–+⁄ ,– ⁄ +hi 1 2 j 1 2n 1++⁄ , – ⁄ +hi 1 2 j 1 2n 1++ ⁄ ,+ ⁄ +hi 1 2 j 1 2n 1–+⁄ ,+ ⁄

--- = –g(^h^{i 1 2}^{n 1}⁺⁺^{⁄ j 1 2}^,⁺ ^⁄ +^hi 1 2 j 1 2n 1–+⁄ , + ⁄ )(H_{i 1}^{n 1}_{– 2 j 1 2}⁺_⁄ _, ₊ _⁄ +Hi 1 2 j 1 2n 1–+⁄ ,+ ⁄ )

2 ∆

--- +vβ Mi 1 2 j 1 2n– ⁄ ,+ ⁄ +2Mi 1 2 j 1 2n+ ⁄ ,+ ⁄ +Mi 3 2 j 1 2n+ ⁄ ,+ ⁄

x

∆ ( )²

---+

M_{i j 1 2}ⁿ_,_– _⁄ +2M_{i j 1 2}ⁿ_,₊ _⁄ +M_{i j 3 2}ⁿ_,₊ _⁄ y

∆ ( )²

---–

cosθ_ztanφ ghi 1 2 j 1 2n 1++⁄ ,+ ⁄ +hi 1 2 j 1 2n 1–+⁄ , + ⁄

---2

그림 5. Debris Flow Analyzer 구조

그림 6. 개발된 토석류 시뮬레이션 프로그램: Debris Flow Analyzer

(5)

3.5 m

^로 ^각각 ^{설정되었다}

.

^동적 ^{마찰계수의} ^경우

Lien

^과

Tsai(2003)

에 의해 제안된 값인

0.32~0.75

를 이용하였으며

,

환경변수 중 토사량

,

물용량 및 토석류 속도는 기존 연구를

통해 제안된 값을 사용하지 않고 임의의 값인

4,000 m

³

,

10,000 m

³^및

10 m/s

^로 ^각각^{설정하였다}

.

설정된환경변수를이용한 토석류시뮬레이션결과는그림

7

과 같다

.

그림

7(a)

는 입력된 고정밀

DEM, 7(b)

는 기복을

완만하게 재정리한

DEM(smoothed DEM), 7(c)

는

DEM

에

서 계산된 경사도

, 7(d)

^는

8

^방향의 ^토석류 ^이동 ^계산 ^결과

,

7(e)

^는

8

^방향의 ^토석류 ^분포면적

(contributing area)

^계산 ^결

과

, 7(f)

는 계곡 구조 계산 결과

, 7(g)

는 계산된 계곡 구조를

네트워크화한결과

, 7(h)

는네트워크화된계곡구조를정규화

한 결과

, 7(i)

는 계곡 네트워크를격자화한 결과

, 7(j)

는 설정

된 환경변수와 격자화된 계곡 네트워크 및

8

^방향의 ^토석류

이동 결과를 통합한것을 각각 나타낸다

.

또한그림

7

의

(k)

와

(i)

는 최종적으로계산된토석류이동이발생한격자와이 를 통해산출된토석류피해지역 시뮬레이션결과를각각 나 타낸다

.

그림 7. 강원도 횡성 지역 일원의 토석류 시뮬레이션 결과

그림 8. Google Earth를 이용한 대상지역의 시간별 토석류 시뮬레이션 결과 표현(예)

(6)

하지만이러한환경변수값은우리나라와는 다른 지질구조 및 지형분포를보이는중국 지역에서취득된결과이므로

,

상 기의환경변수를 적용하여해석된 토석류시뮬레이션결과를 그대로 수용하는 것은 다소 무리가 있다

.

따라서 향후 우리 나라의 토석류발생지역에 직접적인 현장조사 및 관측을 통 해 적합한 환경변수를취득하는 연구가 필요할 것으로 판단 된다

.

최종적으로 산출된 토석류 시뮬레이션 결과를

KML

포맷

으로 변환하여

, Google Earth

^상에 ^표현한 ^결과는 ^그림

8

^과

같다

.

5. 결 론

본연구의 목적은토석류 이동메커니즘 분석결과를

GIS

기반수치해석프로그램으로개발하여토석류의발생가능성 을시뮬레이션하고

,

이를통해 토석류로인한 피해를최소화 할수 있는 기반을구현하는것이다

.

^이를^위해 ^본^연구에서

는 토석류 물질을 비압축성 유체로 가정하고 유한차분법을

적용한

Windows

기반의토석류시뮬레이터프로그램을개발

하였다

.

유한차분법의적용을위한 직교 그리드

(grid)

로는 항 공라이다측량을 통해 생성된고정밀

DEM

^을 ^{이용하였으며}

,

효율적인토석류시뮬레이션을위한 토석류발생과정및 이 동 매커니즘의 분석 결과를 토석류시뮬레이션 프로그램 개 발시에 활용하였다

.

개발된 토석류 시뮬레이터 프로그램은 고정밀

DEM

^을 ^이

용하여대상지역의 경사

,

토석류 이동 방향

,

계곡 등을 추출 하며

,

이를 설정된 토석 부피

,

물 부피

,

속도

,

유효 점도

,

동 적마찰 계수등과취합하여유한차분법을적용한토석류이 동형태를시간별로정밀하게시뮬레이션하였다

.

^또한^이러한

시뮬레이션 결과는

KML

포맷을 이용하여 현재 범용적으로

사용되는

Google Earth

에 손쉽게 표현될 수 있으며

,

이를

통해본 연구의결과는 향후 웹 기반의 실시간토석류 재해 지도로폭 넓게활용될 수 있을것으로 판단된다

.

하지만

,

본연구에서 개발된토석류시뮬레이터에서 정밀한 토석류 시뮬레이션을 수행하기 위해서는 기초자료로 활용되 는 환경변수들에 대상지역에 대한 정확한 값을 입력하여야 할 필요가 있다

.

이를 위해서는 기존의 토석류 발생지점에

대한 토석류 발생 전후의

DEM

확보를 통해 본 시뮬레이션

프로그램 계산 결과와 비교·검증을 수행할 필요가 있으며

,

대상지역에대한정밀한 현지조사를통해토석류 발생 위치

,

범위

,

^토석 ^부피

,

^물 ^부피

,

^속도

,

^유효 ^점도

,

^마찰 ^계수 ^등과

같은 각종 환경변수 등을 직접 취득할 필요가 있다

.

따라서 본 연구에서 개발된 토석류 시뮬레이션프로그램의 보다 효 율적인활용을위해서는토석류와다양한환경변수와의상관 관계 및 지반공학적인토석류 발생 매커니즘를 상세하게 규 명하고

,

토석류 발생지점에 대한 추가적인 항공라이다 측량 등을 통해 토석류 해석을 위한 기초자료를상세화하는 방안 이 필요하다

.

^또한 ^추가적인^연구를^통해 ^{시뮬레이션}^결과와

실제토석류 발생자료와의비교·분석을수행하여본 프로그 램의 효용성을 명확하게 검증할 필요가 있으며

,

시뮬레이션

결과가

Google Earth

^와 ^같은 ^다른 ^{프로그램이} ^아닌 ^동일한

프로그램 내에서 가시화될 수 있도록 효율화하는 방안도 함 께 고려되어야한다

.

향후 이러한방안을통해산출된다양한결과물을본 토석 류 시뮬레이션프로그램에적용하게된다면 효율적이고

,

^신뢰

성 있는토석류 예측및 해석이가능할 것으로기대되며

,

이 를 통해 보다 실용적인 실시간토석류 예측 및 방재대책 수 립도 가능할것으로 기대된다

.

감사의 글

이 연구는 기상청 기상지진기술개발사업

(CATER 2009-

3111)

^의 ^지원으로^{수행되었습니다}

.

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◎논문접수일 : 09년 11월 30일

◎심사의뢰일 : 09년 12월 01일

◎심사완료일 : 10년 01월 27일

Development of GIS-based Debris Flow Simulation Program

GIS 기반의 토석류 시뮬레이션 프로그램 개발

위광재*·이영균**·이동하***·서용철****

·

·

·

,

.

2006

7

1

4189

127

,

65

(

, 2008;

,

2003),

(

, 2006;

, 2004).

,

,

,

(

, 2007).

,

.

(debris flow)

(mudflow)

,

Bingham, Herschel-Bulkley,

(dilatant fluid),

(dispersive stress),

(frictional)

,

(Wang

, 2008).

Takahashi

Tsujimoto(1984)

2

,

.

O'Brien

(1993)

2

,

,

,

.

McDougall

(2003)

3

fp

, Rickenmann

(2006)

2

.

GIS(Geographic information system)

,

GIS

,

,

,

(Carrara

, 1999).

3

,

.

GIS

.

GIS

,

.

Windows

.

(grid)

LiDAR

DEM

위광재·이영균·이동하·서용철****