Development of Hazard Prediction Map S/W for Mountain River Road

(1)

한국재난관리표준악회 논문집 2009년 3월

재12권 제 1 호,

pp. 75-80

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K。rean s。ci야

。fSocietal Security

산지하천도로 재해지도 작성을 위한 SW 개발

장대원*

,

양동민**

-

김기홍***

Devel。pment 。f Hazard Prediction Map S/W for Mountain River R。。d

Jang Dae W。n*, Yang

D。ng

Min**, and Kim Ki

H。ng ***

접수일자 2009년 1 월

1

3일/심사완료일 2009년 2월 2일

요 약 본 연구는 최근 빈발하는 집중호우 및 국지성 호우로 인한 토석류, 산사태, 유송집물 퉁 산지하천도로의 피해 를 유 발시키는 다양한 재해유형에 대한 예측지도를 작성하는 연구로서,

GIS

기반의 산지하천도로재해정보 시스템을 구축하는 연 구이다- 본 연구는 강원도를 대상으로 산지지역에서의 재해위험을 분석하기 위한 프로토콜을 개발하여, 그 적정성을 검토하 고 향후 산지하천도로 재해예측지도 작성

SW

구축을 위하여 필요한

DB

및 표출 방안을 검토하였다.

액심용어 토석류, 산사태, 재해위험지도, 산지하천도로

ABSTRACT The objectives of this research are to develop hazard prediction map S/W for mountain river road. This mountain river road disaster happens by debris flow, landslide, debris accumulation and this cause are locally rainfall and heavy rainfall. System is constructed to GIS base. This research applied to Kangwondo. We developed protocol to ana- lyze calamity danger in mountain district area and examined propriety system. Furthermore examined the DB required and expression plan for hazard map creation SW construction by mountain rivers road.

KEYWORDS Debris flow, landslide, hazard map, Mountain river road

료i

‘--

1. 서

최근 기상이변 및 국지성 집중호우로 인한 피해가 급증 하고 있다. 재해연보(2000)에서는 하천급류에 의한 인명피 해는

18.4%(9)명,

산사태에 의한 인명피해는

22.5%(1 I

명) 로 나타났으며, 피해기간은 7월 하순에 36.7%(18명), 8월 하순에 57.1%(28명)로 나타났다 2005년의 경우, 하천급류에 의한 인명피해는 26.9%(14명), 산사태에 의한 인명피해는 21.2%(11 명)로 나타났으며, 피해기간은 8월 초순에

36.5%

로 나타났다. 2007년의 경우 인명피해 현황을 원인별로로 태풍으로 인한 피해가 94. 1 %( 1 6명)였으며, 강풍으로 인한 인명피해는 5.9%(1 명)로 나타났다. 재해연보에서 제공되 는 재해상황통계에서 알 수 있듯이 집중호우, 태풍, 국지

*인하대학교

토목공학과

수자원시스템연구소

연구원

(E-mail: [email protected])

**(주)수로텍 기술연구소

본부장

*·*강릉원주대학교

토목공학과

조교수

75

성 호우에 의한 산사태에 의한 피해는 증가하고 있음을 확 인할수있다.

본 연구에서는 최근 급증하고 있는 산지하천도로에서

발생하는 토석류와 산사태의 피해를 저감예방하기위해서

산지하천도로의 재해위험도를 평가하여

GIS

기반의 재해

예측지도를 작성하는데 있다. 또한 실시간 산지하천도로

재해예측지도 관리시스템을 이용하여 강원도 산간지방과

같은 산지가 많은 지역에서의 인명피해, 재산피해, 국가의

경제적 손실을 감소시키고 국가적 차원에서의 재난예방과

관리에 효율적으로 대처하고자 하는데 있다 이를 위해서

총 5차년에 걸쳐서 연구 및 시스템 구축 과업을 수행되는

데, l차 년도에는 산지하천도로의 피해원인 및 피해양상

조사를 실시하여 산지하천도로에서 발생하는 피해양상별

원인분석을 실시하고, 국내외 연구동향 및 선진기술들을

이용하여 산지하천도로에서의 재해예측지도 개발방안을

제시하는데 있다. 최종적으로 시스템이 완성되면 재해예

(2)

76

장대원

·

양동민·김기홍

강월도져쩍룰씩

꾀.지도쩍성

운석 져억의 Hnznnl ••P R성 과거 피해현황파비교

zt 흥 앙찌정보도시화

그림

1.

연구 흐름도

측지도를 이용한 관리시스템으로 예방 및 대비의 효율성 을 향상시키고, 순간적으로 발생하는 재해유형에 따른 피 해를 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.

2. 이론적 배경 및 국내외 연구 및 시스템 현황 조사

2.1

산지하천도로의 피해 요인

일반적으로 흙의 구성성분은 점토, 실트, 모래, 자갈, 유 기물질 등으로 구성되어 있으며, 토사입자의 크기, 밀도, 모 양 등은 흙의 침강속도에 영향을 미치고, 이는 토사의 이동 활동에 영호t을 미치게 된다. 토사는 강수, 바람, 인간의 활 동, 호우로 인한 유송잡물 등과 같은 외력에 의해 발생된 전단력은 토사입자에 작용하여 토사의 저항력을 초과하게 될 때 토사의 전단저항력이 약화되어 이동하게 된다 . 산지 하천도로, 산사태, 토석류에 의한 피해 요인을 검토하기 위 하여 살펴본 산지하천도로 피해현황은 표 l과 같다.

표 l에서 도 알 수 있듯이 토석류로 인한 피해 양상은 도 로파손 및 침하, 토석류의 도로유입 피해, 산지 하천의 침 식 작용에 의한 도로 피해, 횡단 배수시설의 통수 단변 부

족에 의한 피해, 산지하천 횡단 소교량 파괴 등으로 나타 난다.

2.1.1

도로파손 및 침하

토석류에 의한 피해유형인 도로파손 및 침하의 단계별 과정은 첫 번째로 상부로부터의 유송잡물(토사, 암석, 초 목류 등)에 의해 도로하부 횡 배수관기능이 마비되고, 두 번째 단계에서는 집중된 강우가 도로 상부로 월류하게 되 며, 세 번째 단계에서는 비탈면 반대편의 도로 성토부가 침식된다. 마지막 단계 에서는 도로가 파손 되거나 토석류 의 일부가 유실되는 과정을 거친다

2.1.2

토석류의 도로 유입

집중호우, 홍수, 태풍에 의한 토석류 및 유송잡물 등이 산지하천도로로 유입되는 현상이 증가하고 있는데, 토석 류 및 유송잡물 등이 산지하천도로로 유입과정은 상부로 부터의 유송잡물이 유입, 도로의 하부 횡 배수관 기능이 마비되고, 두 번째 단계에서는 대규모 토석류가 도로로 유 입되 며 이러한 도로유입으로 도로가 파손 되 거나 일부는 통행 이 차단되기도한다

2.1.3

산지 하천의 침식 작용에 의한 피해

산지 하천은 유하거리가 짧고 급경사를 이루고 있어, 짧 은 시간에 홍수가 발생하며 이로 인한 유속 및 유량에 의 하여 급류가 발생 도로가 침식되거나 유실되는 현상이 발 생한다. 이는 집중 호우시 산지하천의 설계빈도를 초과하 는 홍수량으로 인하여 하천 주변의 도로가 침수되고, 침수 되면서 지반이 연약화되고 이로 인한 세굴 및 피해가 발생 하게된다.

2. l.4

횡단 배수시설의 통수 단면 부족에 의한 피해

산지 에 설치된 횡단 배수 시설은 상류부의 흙이나 유송 잡물 등에 의하여 통수능이 작아지거나, 폐쇄되어 그 기능 을 다 하지 못하고 파괴되는 경우가 발생한다 새마을 사 업(현 재의 소규모 시설물)을 통하여 지어진 70-80년대 구 조물은 설계 기준이 낮거 나 오랜 시간에 의한 토사 퇴적 등 유지관리 상태가 좋지 못하여 피해가 중점적으로 발생

표

1.

산지하천 피해 유형 조사

지역 원인 피해유형

강원도인제군한계리 2006년 7월 집중호우 토석류로 인한 하천횡단도로 파괴 강원도영월군영월읍 2007 년 8월 집중호우 경사면 토사유출로 인한 도로 폐쇄

전라도고흥군 2007년 9월 태풍 토석류 도로연 월류로 인한 성토 비 탈면 침식 강원도평창군진부면 2006년 7월 집중호우 횡단 배수시설의 통수 단면 부족에 의한토사 적체 및 도로 파괴

흔E국재난관리표준학회 논문집 제2권 제 1호

(3)

78

장대원·앙동민·김기홍

1 딘JI: Al용지요구훈색 +외국사례를석

÷

^문식기능^{및 저리힐지}^조사

--

문ijj장 및 요구시앙 문석

·목표시스템재시

흩펠

그림

2.

사용자 요구분석

연구에서는 산지하천도로 재해예측지도 시스뱀을 구성하 기 위해서 국내 및 국외 사례분석을 통해서 분석기능 및 처리절차 등을 조사하였으며, 요구사항 분석을 실시하였 다. 시스템 설계부분에서 는 다양한 구축절차 및 기법조 사와 표준 프로세스 적립 및 적용을 통해서 시 스템의 표 준을 설정하였 다 시스댐에 필요한 입려자료를 조사 및 수집하고, 입력형식과 출력하고자 하는 출력형 태 설계를 실시하는 방안을 검토하였다. 시스템 구축 단계는 다음 그림 2와 같다

특히, 데이터베이스 설계단계에서는 입력데이터의 유형 정의 및 축척을 제시하고, 데이터 유형별 세부도형과 속성 정보의 정의 , 제반데이터 변환과정에 대한 지침제시, 시범 지역

GIS

데이터베이스 구축, 문헌조사 및 자료확보, 시범

GIS

데이터베이스 구축, 자료 공유방안을 제 시하였다

GIS

레이어의 구분은 도로정보, 토양도, 토지이용, 유역경사, 기상,

GIS

기본도로 구성되어진다. 도로정보 레이어에는 도로의 정보 및 형식, 도로시설물 목록이 포함되어 있다 토양도에는 토양의 구성 및 토양정보, 정밀토양도가 펼요 하다. 토지이용도에는 토지 이용별 불 투수율, 토지 이용 별 침투율 등이 있다. 유역경사에는 지형학적 취약성, 고 해상도 자료를 이용하여 DEM을 추출하여 유역의 평균 경 사율을 추출한다. 기상레이어는 지속시간별 강우량, 강우 강도 등이 포함되며 ,

GIS

기본도는 대축척의 수치지도를 이용하였다.

표

2.

구축할 대상 자료 목록

자료 이용대상

경사,경사길이,경사위치,사면형태 국립지리원수치지형도 임상, 임상의 경급, 임상의 영급,

산림청 임상도,위성영상 NDVI 임상의밀도

토질,모재,토양의 배수,유효토심 농업진흥청정밀토양도 암상, 단층 한국지질자원연구소

토지피복

Landsat ETM +

위 성 영상 강우자료 기상청 지자체자동우량경보장치

효E 국재난관리표준학회 논문집 제2권 제 1호

3.2

산지하천도로 재해예측 작성을 위한 분석 방법 본 연구에서는 l 차적으로 통계적 분석 방법과 결 정론적 분석방법을 이용한 기존의 연구 방법을 시스뱀 으로 구축 하였다. 토석류로 인한 재해예측 방법의 다양성을 고려하 여, DB를 이용한 레이어의 계산 방식을 이용하였으며, 이 를 2차년도에서는 강우와의 관계와 연계 하고, 최종적으로

는

I차원 토석류

거동 분석을 통한 재해지도 제작을 수행

하고자한다.

3.2.1

통계적 분석법

통계적 산사태 분석은 과거에 발생한 사면붕괴 현상을 유발했던 주위 환경과 동일한 조건 에서 미래의 사면 붕괴 가 발생한다는 전제하에 산사태에 영향을 미치는 인자들 을 선정하여 과거 산사태 발생 지역을 대상으로 통계적으 로 분석하는 방법이다. 통계적 분석법에 의해 재해위험도 제작을 위해 사용된 자료는

1:5000 수치지형도, I :25000 수

치 임상도,

I :25000

정밀토양도를 사용하였다. 이러한 자 료를 토대로 경사길이, 경사위치, 사면형태, 경사도 등을 추출하였고, 정밀토양도의 속성정보를 이용하여 모암, 유 효 토심을 구하였다. 또한 수치임상도의 속성정보를 이용 하여 임상의 종류를 구축하였다.

3.2.2 결정론적 분석법

결정론적 분석 법은 Brunsden과 Prior( l984)에 의해 제안 된 안전율 개 념을 이 용하여 사변의 안정성을 평가하는 방 법이다. 모형은 사면을 무한사면으로 가정하여 강우로 인 한 지하수위와의 비 를 이용한 방법이다 무한사면은 사면 의 안정성을 평가하며 붕괴되는 사면도 무한하다고 가정

표

3.

통계적 방법의 지표별 가중치

조사 범례별가중치

'8:。L 모

-「 2 3 4 5

경사길이 50이하 ⁵¹

^∼¹⁰⁰ ^101∼200 201 이상

(m) 0 19 36 74

모암 퇴적암 화성암 변성암 변성암 화성암

0 5 12 19 56

경사위치

^O∼4/1026 ^5/10∼6/9 ¹⁰^7/

^10∼

0

^10/ ¹⁰

。dλ。}

침엽수림 침엽수림 활엽수림

18 26 0

사면 상승사면 평형사면 하강사면 복합사면 형 태

0 5 12 23

토심 20이하

^20∼100

100이상

(cm) 0 7 21

경사도 25° 미만

²⁵^°∼40°

^40。

^이상

(。) 16 9 0

(4)

산지하천도로 재해지도 작성을 위한

SW

개발

77

하는경향이 있다.

2.1.5

산지하천 횡단 소교량 파괴

산지하천을 횡단하는 소교량의 경우 홍수시 상류에서 내려오는 부유목 및 유송잡물이 교각 및 교량 난간부에 적 체되어 월류가 발생하거나 교량이 파괴되는 피해가 발생 한다. 교량이 완전히 폐쇄되어 물이 하천변의 도로를 따라 마을로 유입되어 인명피해를 유발하는 일도 최근에 종종 발생한다.

2.2

국내외 연구 및 시스템 현황

산지하천도로의 재해예 측지도 관련연구동향 및 지도 작 성 방안마련을 위해 국내외 관련연구동향과 기술동향을 조사하였다 국내의 경우 한국지질자원연구원의 산사태 발생 예측도가 일부 정량적으로 평가되었고, 국립방재연 구소에서는 토양침식 모형을 한국의 지형적 특석을 고려 하여 개발중에 있다. 또한 국외의 경우, 산지하천도로의 재 해예측지도 작성기술과 관련하여 호주, 스위스, 대만, 미국 등의 연구동향 및 관련기술에 대해 조사하고 검토하였다.

2.2.1

국내 연구 동향

국내 연구동향은 주로 토석류의 해석과 적용에 그 초점이 맞추어져 왔다‘ 김진홍(1995)은 토석류를 팽창성 모델로 정의하여 흐름 해석 가능성을 제시하였고, 황학 등(

1

996) 은 토석류 거동을 위한 운동학적 모델을 제시하였다 김진 홍 등(1 996)은 하상이 견고하지 않은 급경사의 산지하천에 서 호우로 인한 토석류의 피해를 감소시키기 위하여 토사 유출량을 산정하고 토사유출로 인해 산지하천 하류에 위 치한 민가 및 농경지에 영향을 미치지 않도록 하기위해서 토사유출을 차단 퇴적 시킬 수 있는 사방댐의 규모를 산 정하였다. 김홍택 등(200

1

)은 갑작스럽고 빠르게 발생되는 토석류 이동지역에서 예상되 는 토석류의 발생 위험도를

DEM

자료를 입력자료로 하여 G

I

S기법을 이용하여 제주 도 전 지 역에 대하여 평가하였다. 김경석 등(2007a,

2008b)

은 국지성 집중호우로 인하여 산악지형을 통과하는 고속 도로 계곡부에서 발생한 토석류에 의한 도로의 피해 를 감 소시키기 위하여 최근 5년동안 고속도로에서 발생한 토석 류 사례를 조사 실시하여 0.0

1

∼065 km펙 크기를 갖는 규 모의 유역에서 발생하고 있음을 설명하였으며, 집중강우 발생 시 지형경사가 약 29∼55

°인

자연사면의 표면 파괴에 의하여 토석류가 발생되는 것을 확인하였다. 한국지질자 원연구원에서는 자연재해저감기술개발 사업의 일환으로 산사태 정량적 예측기법을 이용한 산사태 정량적 예측도

를 작성하였다(2006). 여기서, 산사태 예측도는 자연사면 에서 일정 양의 강우가 내릴 경우 어떤 지점에서 산사태가 발생할 확률이 얼마나 되는지 를 예 측하기 위한 지도이다.

2.2.2 국외 연구동향

국외에서는 국내외는 다르게 토석류로 인한 피해에 대 한 연구가 활발히 진행되고 있다. Liu와 Lei(2003)은 협곡 밀도, 연 평균강우량, 경사진 경작지형의 비율로부터 토석 류 위험성 판단을 위하여 비선형 벽함수(power functi on)을 이용하여 토석류 위험정도를 계산하였고,

Chen

등(2006) 은 타이완(Tai wa띠에서 최근에 발생한 산사태와 토석류의

연구를 위해 중력과 외력에 저항하기위한 경사형태의 평 균능력 평가를 위해서 안전율을 계산하였다. H따limann 등 (2006)은 과거 토석류 뱀을 이용하여 규모-빈도관계를 이 용하는 방법과, 동역학적 모델링을 통하여 토석류 유출량 분석을 실시하였다 C밍mon 등(2008)은 콜로라도(C이orado) 와 캘리포니아(California)에서의 최근에 발생한 집중호우

(stonn

rainfall)에 따른 홍수와 토석류에 대한 연구를 강우 강도와 지속시간을 이용하여 대상유역에서의 경험식을 마 련하여 경 험적 강우 임계값을 제시하였다.

Gartner

등(2008) 은 토석류가 발생하는 강우강도, 유역의 피복특성을 이용 하여 다중회귀분석을 이용하여 토석류 체적을 예측하였다 M

ill

er와 Burnett(2008)는 Oregon의

Coast

Range를 대상으 로 하도의 토석류의 확률모형을 이용하였다 입력 자료로 는 다양하게 이용 가능한 DEM 을 이용하였으며, 위성이미 지에서 제공하는 토지피복데이터를 이용하였다. 이 모형 은 토석류 발생 확률 예측이 가능함을 설명하였다.

3 . 산지하천도로 재해예측지도 S/W 프로토콜 개발

3.1

재해예측지도 개발 방안

국내외 동향을 살펴본 결과, 최근의 연구는 과거 피해지

도와 발생 빈도와의 관계식 규명, 강우와 발생 확률의 관

계 , 물리적 모형을 통한 토석류 거동 분석, 그리고 이러한

방법 을 원할히 적 용하기 위한

DEM

기반의 시스템 구축

등이 주로 연구되고 있음을 알 수 있었다- 이러한 연구 흐

름에 맞추어 본 연구에서는 격자기반의 자료 구축을 통한

통계적 분석 방법, 그리고 지표면에서의 잠재적 토석류 발

생 위험성과 강우와의 관계를 고려한 방법, 마지막으로

I

차원 토석류 흐름거동 분석 모형 개발을 통한 산지하천도

로 재해예측지도를 개발하는 방법을 남은 4년 기간 동안

점진적으로 개발하고자 하였다. 이를 위하여 l차년도 본

Journal of πe Kαean Society of Societal Security, Vol. 2, No‘ 1

(5)

산지하천도로 재해지도 작성을 위한

SW

개발

79

한다. 결정론적 분석법에서안전율이 l 보다 큰 경우에는 안정, l 보다 작은 경우에는 불안정한 상태라 할 수 있다.

GIS

기법을 이용하여 안전율의 계산은 하나의 픽 셀(pixel) 을 단위로 하며, 하나의 픽셀은 등질인 것으로 가정하며, 각각 픽셀의 안정성을 계산한다 입력자료로는 토질 단위 중량(y), 점착력 (c), 내부마찰각(때, 유효토심 (z)와 지하수 위와의 비 (m), 지표면의 경사(찌이며 안전율을 고려한 공 식은다음과같다.

F - c’ +(y+ mχ,.

)zcos2βtan φl

-

ηsinβcosβ

3.3 대상지역에 대한 기본입력자

료 구축

본 연구의 대상지역으로 1994년부터 2008년 기준으로 재해연보상 가장 많은 피해가 발생한 강릉시를 선택하였

μ월빼i잉델훌~ι댈i얻&웰필

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그림 3. 유효토심(결정론적 분석)

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Lnl:

그림 4. 임상영급(곁정론적 분석)

다. 시 스템 구축을 위한 자료는 통계적 분석방법, 결정론 적 분석 방법으로 구분하여 구축하였다. 분석을 위해서 경 사도, 경사위치, 사면형태 , 경사길이, 유효토심, 임상의 경 급, 임상의 밀도, 입상의 영급, 임상의 종류, 토양배수, 토 양의 토질, 토양의 모재, 토지피복도를 구축하였다.

그림 5. 통계적 산사태 가능발생 지수

그립 6. 결정론적 산사태 가능밭생 지수

I짧g

^{표고강 (m)}_HI이1₁_‘₂₉

Kil。m•‘--

0 l.75 75 15 22.5 30 Low I

그림 7. 중첩에 의한 산사태 발생 가능성 지역 도출

Jα~ma!

of The Kαean Society of Societal Secwty, Vol. 2, No. 1

(6)

80

장대원 · 양동민,김기홍

一F

그림

8.

강원도 지역의 국도 피해 밀도

3.4 통계적 운석 결과

산지 사천도로 재해예측지도 시 스댐 (가칭)을 통하여 분 석된 통계적 방법과 결정론적 방법의 결과는 다음 그림

5,

6과 같다 두 분석결과에서 중첩되는 지역은 그림 7과 같 으며, 이 지역은 강원도 지역의 2002년부터 2006년 피해 발생 지역(그림 8)과 비교하였을때 유사함을 알 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 산지하천도로 재해지도 제작 소프트웨어 개발을 위해서 국내외 시 스템 구축 현황과 일반적인 산지 재해지도 작성 방법에 대해서 조사를 수행하였다. 이러한 조사를 바탕으로 물리적 기반 모형과 경험적 모형, 추계학 적 모형중에서 일차적으로 DB를 활용한 산사태 위험지역 으로 통계적 방법과 결정론적 방법을 적용하였다-

적용결과 격자기반의 다양한 자료 구축은 다양한 방법 을 이용할 수 있다는 측면에서 활용성이 높게 나타났으며, 통계적 방법과 결정론적 방법을 이용하여 추출된 산지하 천도로 위험지역이 과거 피해 이력과 유사함을 확인할 수 있었다.

감사의글

본 연구는 국토해양부 지역기술혁신사업의 연구비 지원 (과제번호# ‘08지역기술혁신 B-이)에 의해 수행 되었습니다

효댁재난관리표준학회 논문집 저12권 제 1호

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