1. 서 론
2. 연구방법
2.1 연구대상지역
2.2 SINMAP 모형이론
2.3 FLO-2D 모형이론
3. 결과 및 분석
3.1 SINMAP 모형분석
3.2 FLO-2D 모형분석
4. 결 론
1. 서 론
우리나라는 국토의 약 62%가 산지로 이루어져 있으며, 많은 지역이 토사재해 가능성이 높은 산림 지역이다. 이러한 지리적 특성 때문에 산지 주변에 도시 거주지를 개발해야 하는 상황이 빈번하다. 특히 대도시는 높은 인구 밀도로 인해 산지 인근 개발이 필수적이며, 이로 인해 자연 및 인공 사면에서 발생하는 토사재해에 취약한 환경에 놓여 있다. 따라서 도심 근처에서 도로와 택지 등 산지 개발을 진행할 때는 토사재해로 인한 피해를 분석하고 위험도를 평가해야 한다. 하지만 경제성과 사회적 문제 해결이 우선시되면서 토사재해 방재 시스템이 개발 조건에서 충분히 고려되지 못하고 있는 실정이다.
산림청의 산사태위험지도는 산사태와 토석류로 인한 피해 가능성을 예측하고 예상 규모를 정량적으로 산정하는 데 많이 활용되고 있다(Ha, 2023). 그러나 본 연구 대상지처럼 산사태위험지도가 안전한 지역으로 평가한 곳에서도 토석류 피해가 발생한 사례가 존재한다. 이에 따라 산사태와 토석류를 예방하고 피해를 줄이기 위해서는 수치모형을 활용하여 발생 가능성을 더욱 정확히 분석해야 할 필요성이 있다.
수치모형을 이용하여 토석류를 분석하는 기존의 연구들을 살펴보면 Kim(2011)은 토석류가 발생 이후 LiDAR를 이용하여 토석류의 이동과 확산 분석 및 FLO-2D 모형 적용을 통하여 토석류 해석 방법을 확인하였다. Oh et al.(2013)은 우면산에서 발생한 토석류를 SINMAP과 FLO-2D를 이용하여 토석류 및 산사태가 발생할 수 있는 위험지역 분석방법을 제안하였다. Tak(2015)은 지상LiDAR를 이용하여 지형자료를 구축하고, 수치모형 해석을 위해 RAMMS모형을 적용하여 토석류의 이동과 확산범위 산정, 등을 분석하였다. Kim(2017) 토석류 피해지역을 대상으로 피해복구전 ‧ 후의 지형자료를 LiDAR를 통해 구축하고 Kanako-2D에 적용하여 실측된 토석류 자료와 비교분석하여 사방댐을 설치할 경우 토석류 저감효과를 분석하였다. Kim and Han(2017)은 SINMAP모형을 이용하여 토석류 발생지역에 대한 예측기법을 연구하였다. Jo(2023)는 UAV로 지형자료를 구축하고 토석류 방호벽을 설치하여 FLO-2D로 저감효과를 분석하였다.
본 연구에서는 2022년 8월 집중호우로 인해 토사 붕괴가 발생한 서울 서초구 방배동 지역을 대상으로, 무한사면안정해석 기법인 SINMAP 모형을 적용하여 산사태 및 토석류의 위험성을 검토하였다. 이를 기반으로 FLO-2D 모형을 활용하여 토석류 발생 시의 거동 특성을 분석하였고, 피해 사례와 비교하여 모형의 적용성을 평가하였다. 또한, 토석류 방지벽 설치를 모의하여 피해 예방을 위한 대안을 제시하였다.
2. 연구방법
2.1 연구대상지역
본 연구의 대상 지역은 Fig. 1(a) 2022년 8월 집중호우로 일부 사면이 붕괴한 서초구 방배동 산9-1번지이다. 당시 서울 도심 지역에는 시간당 100 mm 이상의 강우가 발생하며 방재 성능 목표를 초과하는 집중호우로 피해가 발생하였다. 대상 지역의 표고 범위는 약 40 m에서 100 m 사이이며, 평균 표고는 71.85 m, 평균 경사는 21.44도로 조사되었다. 또한, 토석류 발생 가능성이 높은 경사도 30도 이상의 사면이 전체의 13.7%를 차지하는 것으로 나타났다. Fig. 1(b)는 피해지역 일대로 대부분 산사태 위험등급이 3~5등급으로 분포하고 있으며, 이는 사면 안정 해석을 기반으로 작성된 산사태위험지도와는 다른 양상을 보일 수 있음을 시사한다.
2.2 SINMAP 모형이론
SINMAP은 GIS 기반의 확장프로그램으로 국내에서 토석류 위험도 평가 방법 중에서 신뢰도가 높은 프로그램으로 널리 사용되고 있다(Oh et al., 2006). SINMAP은 집중호우 시 빗물이 토양에 침투하여 지하수 형태로 사면에 공급되고, 사면의 토심, 경사도, 투수계수 등에 의해 결정되는 배수 능력에 따라 지하수가 하류로 배수된다는 원리를 바탕으로 산사태 위험도를 분석한다. 식 (1)은 무한사면의 안전율(FS)를 의미하며, 흙과 식생뿌리의 상대적 점착응력 , 사면경사 θ, 흙의 내부마찰각 , 토양의 습윤지수 매개변수를 활용한다. Fig. 2는 SINMAP의 무한사면안정해석 개념을 나타낸 모식도이다.
SINMAP 모형에서는 산사태에 가장 취약한 매개변수 조합을 기준으로 식 (1)을 통해 사면의 안전율(FS)을 계산한 값을 사면 안정 지수(Stability Index, SI)로 정의한다. 이 값들은 해석 영역 내에서 각 지점의 안전성을 나타내며 수치적으로 정확하게 해석이 되는 값이 아닌 상대적인 위험성을 나타내는 지표이다.
SINMAP의 사면 안정 지수(SI) 기준은 아래 Table 1에 정리되어 있다. SI지수가 1이상인 지역은 1~3등급에 해당하며 안정된 지역을 의미하며, SI지수가 1미만인 지역은 4~5등급에 해당하는 지역으로 사면의 불안정한 지역이다. SI지수는 6개로 분류가 되지만 사면으로부터 붕괴위험 등급(Grade)은 4개로 분류되며 SI지수가 낮을수록 붕괴위험이 높은 것을 의미한다.
Table 1.
SINMAP Slope Stabilization Index (SI)(Pack et al., 2001)
SI | Grade | Condition |
1.5 ~ | 4 | Stable slope |
1.25 ~ 1.5 | 3 | Moderately slope |
1.0 ~ 1.25 | 3 | Quasi-stable slope |
0.5 ~ 1.0 | 2 | Lower threshold slope |
0.0 ~ 0.5 | 1 | Upper threshold slope |
~ 0.0 | - | Defended slope |
2.3 FLO-2D 모형이론
FLO-2D는 범용 수치해석 모형으로, 산림청의 「재해위험성 검토의견서 실무매뉴얼」에서는 FLO-2D를 이용하여 해석한 토석류 확산 범위와 항공사진을 중첩해 피해 가능성을 평가하는 예시를 제시하며 행정안전부의 「재해영향평가 등의 협의 실무지침(행정안전부 고시 제2021-1호)」에서는 FLO-2D가 홍수 범람과 같은 다양한 물의 흐름, 이류, 토석류 등을 모의하는 데 가장 널리 사용되는 2차원 유한차분 모델이라고 명시하고 있다(Ha, 2023).
FLO-2D 모형은 다음과 같은 2차원 연속 방정식과 운동량 방정식에 기반으로 하며 식 (1), (2), (3)에 나타났다. 는 토석류의 수심, 와 는 방향과 방향의 유속, 와 는 방향으로의 바닥 경사와 마찰경사이며, 와 는 방향으로의 바닥 경사와 마찰경사이다. 는 중력가속도이다(FLO-2D Software, 2009).
3. 결과 및 분석
3.1 SINMAP 모형분석
SINMAP 모형 분석을 위해 지형 자료는 국토지리정보원에서 제공하는 1:5,000 수치지도를 활용하였으며, 등고선과 표고점을 기반으로 DEM을 구축하였다. 또한, 토양도를 이용하여 배수 능력과 침투 능력을 검토하고, 이를 바탕으로 수문지질학적 매개변수(T/R)의 범위를 설정하였다. 산림청 임상도를 활용해 산지와 비산지를 식별하고, 이에 따라 식생 뿌리의 점착력 범위(C)를 정의했다. 𝜙는 흙의 내부마찰각으로 산사태 발생에 많은 영향을 미친다. MPSS(2015)를 참고하여 본 연구대상지에 적합한 매개변수를 산정하여 Table 2에 정리되어 있다.
Table 2.
SINMAP model parameter (MPSS, 2015)
T/Rmin (m) | T/Rmax (m) | Cmin | Cmax | PHmin (𝜙) | PHmax (𝜙) |
2,250 | 2,750 | 0 | 0.25 | 30 | 45 |
SINMAP 분석 결과는 Fig. 3과 같이 나타났다. 연구 대상지의 산사태위험지도에서는 위험 등급이 비교적 안전한 3~5등급으로만 분포하는 것으로 평가되었으나, SINMAP 모형을 적용한 결과 사면 안정 지수(SI)가 1 이하로, 위험도가 높은 지역이 다수 분포한 것으로 나타났다. 또한, Fig. 4(a)와 Fig. 4(b)에서 점선 원으로 표시된 지역은 SINMAP 결과에서 1~2등급으로 위험도가 높게 분석된 곳으로, 2022년 8월 집중호우 당시 발생한 사면 유실 현장과 일치하였다.
3.2 FLO-2D 모형분석
토석류 피해이력이 있는 지역 인근에 대하여 SINMAP에서 사면안정지수가 1미만이면서 경사 30도 이상의 급경사지를 중심으로 A,B,C,D 네 지역을 토석류 발생 추정 지역으로 Fig. 5로 선정하였다. Manning 조도계수는 0.01~0.04의 범위를 갖는데 사면형 토석류의 경우는 일반적인 Manning 조도계수를 0.04로 적용하였으며 토석류의 물리적 특성을 좌우하는 체적농도는 0.48을 적용하였다(Ha, 2023). FLO-2D 모의결과는 다음 Fig. 6과 같이 나타났다.
Fig. 6(a)는 수치 모형 결과 유동심을 나타내며, 최대 유동심의 경우 붕괴이력이 있는 지점에서 최대 1.5 m에 이르는 것으로 검토되었다. 유속의 경우 Fig. 6(b)와 같은 결과가 나왔으며, 최대 7.6 m/s에 이르며 토석류가 합류하는 지점에서 토석류 유속이 가장 빠른 것으로 나타났다. Fig. 6(c)는 토석류의 충격력으로 산사태가 유하하면서 인근가옥과의 경계부근에서 최대충격력 약 395 KN/m을 가지는 것으로 검토되었다. 또한 토석류 방지벽을 모의하여 하류부 피해 저감효과를 비교 ‧ 검토하였다.
본 연구에서는 Fig. 5에 실제 피해이력이 있는 B,C,D의 위치에 1 m의 방지벽을 설치하여 저감효과를 분석하였다. 방지벽의 설치위치는 Fig. 7의 검은색 원에 있는 초록색 박스로 표기한 위치로 모의하였다. 결과는 Fig. 8과 같으며 사면형 토석류의 월류 없이 차단되는 것으로 나타났다. 사면에서 토석류의 유동심은 Fig. 8(a)로 나타났으며, 최대 유동심은 4.6 m에 이르고 유속의 경우 Fig. 8(b)로 나타났으며 최대 유속은 8.9 m/s로 나타났으며 충격력은 Fig. 8(c)로 방지벽이 없을 때의 최대 충격력은 718 KN/m로 약 2배로 모의되었다.
4. 결 론
도심지에서는 산사태로 인한 토석류 발생 위험이 증가하고 있으며, 정량적이고 객관적인 취약성 평가가 이루어지지 않은 상태에서 이루어지는 도시 산지 지역의 무분별한 개발은 산지 토사재해 위험을 더욱 높이는 요인으로 작용하고 있다. 기존 산사태위험지도만으로는 산사태 위험을 충분히 예측하거나 재난 관리를 위한 효과적인 의사결정을 지원하기에 한계가 있다.
이에 본 연구에서는 토석류 발생 위험을 예측하기 위해 SINMAP을 활용하여 사면 안정성을 해석하였고, 예상 위험 지역에 FLO-2D를 적용하여 토석류의 흐름과 거동 특성을 분석하였다. 연구 결과는 다음과 같다.
(1) 토석류 피해 지역은 산사태위험지도에서 위험 등급이 보통이하인 3~5등급으로 분포하고 있었으나, SINMAP 모의결과 위험도가 높은 지역이 다수 분포하는 것으로 분석되었다.
(2) 대상지역에 대한 SINMAP 분석 결과 SI 지수가 1 미만이고 사면 경사가 30도 이상인 급경사지에서 주로 피해가 발생하는 것으로 나타났다.
(3) FLO-2D 모의 결과 토석류가 합류하는 지점에서 최대 유속이 발생하였고 하부로 이동하며 유속이 감소하고 붕괴이력이 있는 지점에서 최대 유동심 1.5 m가 발생된 것으로 분석되었다.
(4) FLO-2D 적용 결과 대상 지역은 물골이나 뚜렷한 계곡부가 형성되지 않아 사면형 토석류로 분석되었다. 산사태위험지역으로 예측된 위치가 실제 발생 위치를 포함하고 있었으며, 1 m 높이의 토석류 방지벽을 설치한 시뮬레이션 결과, 월류 없이 토석류를 효과적으로 차단할 수 있음이 확인되었다.
향후 연구에서는 FLO-2D 모형에 입력되는 매개변수를 보완하여 수치모의 결과의 정확성을 높여야 하며, 다른 수치모형과의 비교를 통해 본 대상지에 적합한 수치모형을 찾는 연구를 진행할 예정이다.