J Korean Soc Hazard Mitig 2017; 17(4): 143-152  https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.4.143
A Study on the Type Determination Methodology for the Construction of Multipurpose Debris Flow Mitigation Module (MudM2)
KeonKuk Kang*, YongKeun Jee**, JungRyel Choi***, and ByungSik Kim****
* Member, Researcher, Development Dept, SDM ENC Co., Ltd,
*** Member, Researcher, Development Dept, SDM ENC Co., Ltd,
**** Member, Professor, Department of Urban & Environmental Disaster Prevention, Kangwon National University
Correspondence to: Member, Senior Researcher, Development Dept, SDM ENC Co., Ltd. (Tel: +82-70-4896-1268, Fax: +82-2-6959-9589, E-mail: ykjee@sdmeng.co.kr)
Received: April 19, 2017; Revised: April 24, 2017; Accepted: May 18, 2017; Published online: August 30, 2017.
© The Korean Society of Hazard Mitigation. All rights reserved.

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Abstract

As the damage caused by extreme rainfall and debris flows occurred continuously, a Multi-purpose Debris Flow Mitigation Module (MudM2) reducing the depletion of debris flows and Securing water through water storage in the small river has been installed. However, it is difficult to apply the standard for installation of debris barrier on mountain part because it differs in function from debris barrier. Therefore, in this study, a methodology for the type determination of MudM2 which can be changed according to the purpose and the required function. In order to select appropriate sites, we conducted landslide risk analysis, soil runoff analysis, natural recreational utilization grade analysis, population density analysis, and flood flood hazard zone analysis for small watersheds. The analysis results were integrated and standardized, Respectively. The methodology suggested in this study can be applied to the determination of the type of MudM2 that are expected to be installed continuously in a small river.

Keywords: Debris Flow, MudM2, Disaster Prevention, Water Use, Water-friendly
1. 서론

국토 면적의 약 64%가 산악지대인 우리나라의 경우, 산지의 경사가 매우 급하고 풍화암 및 마사토 지대가 많아 강우발생 시 안정성이 매우 취약하다. 또한 산지토사재해 발생 시, 인명피해로 직결될 수 있어 이에 대한 대책과 지속적인 관리가 필요하다.

이에 대한 대책으로 소하천 유역에 토석류 피해 저감을 위한 토석류 저감시설을 설치하고 있으나, 극한 강우와 수리동역학적 특성을 반영하지 못한 기술과 이로 인한 토석류 저감시설의 위치선정 기술의 부재, 방재적 기능만을 수행하고 있는 토석류 유출저감시설, 지속적인 시설 관리 부재 등과 같이 여러 가지 문제를 내포하고 있다. 특히, 토석류 유출저감시설의 적지선정은 객관적인 자료와 공학적 접근 방법에 대한 구체적인 방법이 마련되지 않아 전문가 소견에 따른 위치선정이 이루어지고 있다. 즉, 유역을 고려한 적지선정 기술과 환류체계를 통한 효율적인 유지관리가 가능하도록 토석류 유출저감시설을 설치해야 한다. 이와 관련된 연구로 Chu(2011)는 저수지 수변이 갖는 다원적 기능인 이수, 방재, 환경 등의 요소를 적용한 수변개발 및 친수 공간 활용 방안에 대해 연구하였으며, Jee et al.(2017)은 RUSLE 기법을 활용하여 사방댐 유역의 토사유출량을 산정하고 유역 특성을 분석하였다. 또한 Jang et al.(2014)은 토석류재해 저감을 위한 수공구조물의 적정위치 선정 방법에 대해 연구하였으며, Kim et al.(2016)은 토석류 유출저감 공법의 종류와 특징을 조사 및 설명하고 이의 장점을 종합한 다기능 토석류 유출저감시설을 개발하였다. Kim et al.(2009)은 사방댐 설계방법의 문제점과 그에 대한 대책에 대하여 연구하였으며, Kim et al.(2015)은 연구대상 지역 내 토사유출을 분석을 통해 토사유출량에 따른 사방댐 입지선정에 관한 연구를 실시하였다.

본 연구에서는 방재(취약성, 위험성) 및 이수⋅친수 기능을 고려한 대상 소유역 결정을 위해 각 소유역별 GIS 중첩분석을 실시하였다. 중첩 분석과정에는 취약성 항목으로는 인구밀도, 소하천 범람 면적이고, 위험성 항목으로는 산사태 위험도, 토사유출량(Revised Universal Soil Loss Equation; RUSLE)이고, 이수 및 치수의 항목으로는 자연휴양이용등급의 분석을 실시하였다. 각각의 지표 분석 결과를 도출하였으며 또한 각각 분석 결과를 표준화하여 상대 비교를 통한 최적 소유역 선정 및 우선 고려 기능 결정 방안을 제시하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 대상지역

본 연구에서는 강원도 춘천시에 위치한 7개 유역과 화천군에 위치한 1개 유역을 대상 소유역으로 선정하였다. 춘천시에 위치한 7개 유역은 현장조사를 통해 자료 확보가 용이한 사북면 4개 유역(3, 4, 5, 6번 유역), 북산면 2개 유역(2, 7번 유역), 동면 1개 유역(1번 유역)이며, 토사 유출량 분석이 이루어진 곳이다. 화천군에 위치한 1개 유역(8번 유역)은 토석류 유출저감시설(Multipurpose Debris Flow Mitigation Module; MudM2)의 시험 시공 지역이다.

2.2 연구 방법

본 연구에서는 토석류 유출저감시설의 설치를 위한 대상 소유역별 상대 비교를 통한 최적 소유역 선정 기법을 제시하였다.

토석류 유출저감시설은 방재 및 이수⋅친수 기능을 주요 기능이며, 이에 따라 유역 내의 재해 위험과 유역 하류부의 재해 노출 및 이수⋅친수 기능을 고려하여 3가지 판단기준에 따른 최적 소유역 선정 기준을 제시하였다. 소유역 선정을 위한 3가지 판단기준은 MudM2-DSI (Decision Support Index)로 명명하였다. 적지 분석을 위해서는 GIS 중첩 분석이 필요하며, 이를 위해 MudM2-DSI는 국내 이용 가능한 GIS 데이터로 선정하였다. 유역 내 재해 위험을 평가하기 위한 방법은 산림청에서 제작된 산사태 위험등급도 및 토사유출량을 이용하였으며, 유역 하류부의 재해 노출을 평가하기 위해서는 통계청에서 제작된 인구밀도 및 국민안전처 소하천범람 위험구역도를 선정하였다. 또한 이수⋅친수 기능을 고려하기 위해 산림청 자연휴양적 이용 등급도를 선정하였다.

2.2.1 산사태 위험도 분석

유역내 재해위험을 평가하기 위해 국립산림과학원에서 제공하는 산사태위험지도를 활용하였다. 산사태위험지도는 집중강우 등 산사태 유발 요인에 따라 1등급(매우 높음), 2등급(높음), 3등급(낮음), 4등급(매우 낮음), 5등급(없음)으로 위험등급을 구분하고 있다.

본 연구에서는 이를 활용하여 대상유역의 산사태 위험등급별 면적을 계산하고 대상유역별 위험도의 상대비교를 통해 산사태 위험 면적을 재 등급화 하였다.

2.2.2 토사유출량 분석

토사유출량을 산정하기 위해 Jee et al.(2017)의 논문을 참고하여 RUSLE 기법을 활용하였다. RUSLE 기법은 강우침식인자 R값과 토양침식인자 K값, 지형인자 LS값, 식생피복인자 C값, 침식조절인자 P값 등 5가지 인자를 산출하여 분석에 활용하였다. 먼저 강우침식인자 R값의 도출을 위해 표토의 침식 현황 조사에 관한 고시(환경부고시 제2015-138호)에 제시되어 있는 강우침식인자 값을 활용하였으며, 토양

침식인자 K값은 GIS 분석을 통해 사방댐 유역의 토양 비율을 계산하여 토양침식인자를 산정하였고, R값과 마찬가지로 표토의 침식 현황 조사에 관한 고시를 참고하였다. 지형인자 LS 역시 GIS 분석을 통해 길이인자 L과 경사인자 S를 산정하였다. 길이인자 L은 기존 RUSLE 공식에서 사용된 길이인자와 동일하게 사용되었으며, 경사인자 S는 연구대상지역의 경사도를 고려하여 25% 이상의 경사도에서 적용 가능한 Nearing(1997)의 공식을 사용하였다. 식생피복인자 C는 Jung(1984) 등이 제시한 토지피복별 식생피복인자를 기준으로 식생피복인자의 값을 산정하였으며, 침식조절인자 P는 농경지의 경작형태에 따른 토양침식의 영향을 평가하기 위한 것으로 표토의 침식 현황 조사에 관한 고시에 제시된 침식조절인자의 값을 이용하여 산출하였다.

2.2.3 자연휴양적 이용 등급 분석

유역내 이수⋅친수 기능의 필요성을 평가하기 위해 산림청에서 제공하는 자연휴양적 이용 등급도를 유역별 면적으로 구분하여 분석하였다. 자연휴양적 이용 등급도는 휴양림, 야영장, 산책도 등 자연환경을 이용한 휴양시설로 활용 가능한 지역으로 구분되어 있으며, 상⋅중⋅하 등급으로 분류되어 있다.

이를 활용한 자연휴양적 이용 등급 분석에서는 GIS를 활용하여 대상유역별 중첩을 통해 유역면적을 구분하였고, 자연휴양적 이용 등급 분류와 마찬가지로 상⋅중⋅하 등급으로 이용 등급 면적을 산정하였다.

2.2.4 인구노출 분석

재해에 노출된 지역의 인구 노출을 평가하기 위하여 통계청에서 제작된 주거인구(2005년 기준)를 기준으로 인구 노출을 분석하였다. 인구 노출 평가는 100 x 100 픽셀로 구성된 주거인구 자료를 이용하여 Kernel Density Estimation 기법을 적용, 대상유역 영향 범위 내의 인구밀도를 추정하였으며, 유역별 포함 면적을 계산하여 평가하였다.

2.2.5 소하천 홍수범람 위험구역 분석

소하천 홍수범람위험구역 작성을 위해서는 해당 소하천의 수문자료 및 지형자료가 필요하며, 자료 구축을 위해 기존의 하천정비를 위한 치수계획 등을 검토가 필요하다. 본 연구에서는 하천 치수 계획을 위해 소하천정비종합계획을 참고하여 소하천 홍수범람 위험구역을 작성하였다.

지형자료의 경우 국토지리정보원의 자료를 활용하여 고도정보만을 취득한 자료를 이용하였고 DEM의 격자 크기는 10×10m로 분석하였다. 또한 하천별 측점은 구축된 소하천별 DB와 소하천망도를 이용하여 CAD에서 작성하였다.

일정표고 이내의 지역을 식별하는 방법인 하도버퍼링 분석은 구축된 소하천별, 측점별로 CAD 파일을 GIS로 연계하여, 측점별 홍수위 값을 입력하고 구축된 DEM과 지형자료 DB가 포함된 소하천망도를 이용, 홍수위와 제내지의 표고를 분석하였다. GIS 하도버퍼링을 통해 작성된 침수심 GRID는 재해지도 작성 기준에 관한 지침(MPSS, 2015)에 명시된 7단계 범례 표기방법을 준용하여 7단계의 범위를 갖도록 작성하였다.

3. 분석 및 결과

3.1 산사태 위험도 분석

대상지역으로 선정한 강원도 춘천 및 화천 지역의 8개 유역내 재해위험을 평가하기 위하여 산림청에서 제공하는 산사태 위험도를 유역별 면적으로 구분하여 분석하였다. 산사태 위험도는 1등급(산사태 위험도 최상, 75% 이상) 면적을 기준으로 5번 유역(432,300 m2), 3번 유역(235,900 m2), 7번 유역(195,500 m2), 8번 유역(137,600 m2), 2번 유역(137,300 m2), 6번 유역(135,200 m2), 4번 유역(129,900 m2), 1번 유역(8,200 m2) 순으로 분석되었다.

3.2 토사유출량 분석

유역 하류부 내 토사유출량을 기준으로 8번 유역(984.00 ton/ha/year), 7번 유역(206.53 ton/ha/year), 4번 유역(126.93 ton/ha/year), 6번 유역(119.91 ton/ha/year), 2번 유역(108.52 ton/ha/year), 5번 유역(78.47 ton/ha/year), 3번 유역(78.15 ton/ha/year), 1번 유역(47.92 ton/ha/year) 순으로 분석되었다.

3.3 자연휴양적 이용 등급 분석

자연휴양적 이용 등급 분석에서는 이용등급도 상 지역에 포함된 면적을 기준으로 5번 유역(482,400 m2), 2번 유역(349,200 m2), 3번 유역(14,400 m2) 순으로 분석되었으며, 화천군의 8번 유역은 공사진행 중에 있어 휴양적 이용 등급도에서 반영하지 못하였다.

3.4 인구노출 분석

유역의 하류부의 재해 위험을 평가하기 위한 인구노출 분석은 평균 인구밀도의 유역 포함 면적을 기준으로 4번 유역(75명), 3번 유역(73명), 6번 유역(40명), 5번 유역(37명), 7번 유역(19명), 8번 유역(16명), 1번 유역(13명), 2번 유역(4명) 순으로 분석되었다.

3.5 소하천 홍수범람 위험 구역 분석

소하천 홍수범람 위험 구역의 유역 하류부 내 포함 면적을 기준으로 5번 유역(102,281 m2), 6번 유역(31,903 m2), 4번 유역(18,890 m2), 8번 유역(7,416 m2), 7번 유역(2,898 m2), 1번 유역(2,719 m2), 3번 유역(68 m2) 순으로 분석되었다.

3.6 최종 분석 결과 및 표준화

산사태 위험도, 토사유출량, 자연 휴양적 이용 등급, 인구노출, 소하천 홍수범람 위험구역 등의 인자를 분석하여 유역별 면적 점수를 표준화하였다. 각 인자별 유역 면적 분석 결과는 Fig. 7, Table 5와 같고, 표준화 결과는 Fig. 8, Table 6과 같다.

Fig. 1.

Location of Study Subwatershed


Fig. 2.

Decision Method of Optimal Subwatershed


Fig. 3.

Results of Landslide Hazard Analysis by Subwatershed


Fig. 4.

Natural Recreational Use Grade Analysis Result


Fig. 5.

Population Exposure Analysis Results


Fig. 6.

Result of Flooding Hazard Map Analysis of Small River


Fig. 7.

Analysis Results by Subwatershed Factor


Table 1

Characteristic of Study Area

SubwatershedArea(km2)Slope(%)Length(m)Avg. Elevation(m)Location
Latitudelongitude
WS01*18.0461.74730.00477.5237.868901127.82625
WS02175.3458.792685.30406.6537.897778127.923067
WS0379.1362.881907.82373.8338.023372127.622445
WS0489.2867.932131.08414.7138.022171127.615677
WS05167.5056.402245.51490.1638.064362127.6004
WS06176.0945.092564.22430.8438.001731127.755467
WS07162.3060.251832.00523.7537.88462127.934876
WS08184.7050.781892.00544.3738.001683127.792462

Table 2

MudM2-DSI (Decision Support Index)

FunctionDecision Support Index
Disaster preventionRisk Element (Up Stream)Landslide Hazard Map
Sediment Discharge
Exposure Element (Down Stream)Population Density
Small River Flood Hazard Map
Water Use/Water-friendlyNatural Recreational Use Grade

Table 3

Method of Damage Functions Drawing Indication

SubwatershedDesignationSymbolNote (RGB Code)
Damage Functions0.3~0.5 m255-255-100
0.5~1.0 m210-255-100
1.0~1.5 m100-255-200
1.5~2.0 m100-150-255
2.0~2.5 m000-000-255
2.5~3.0 m100-000-255
Over 3.0 m255-000-000

Table 4

Sediment Discharge Analysis Result

SubwatershedSediment Discharge
(ton/ha/year)
WS0147.92
WS02108.52
WS0378.15
WS04126.93
WS0578.47
WS06119.91
WS07206.53
WS08984.00

Table 5

Summary of Analysis Results for each Subwatershed

SubwatershedNatural Recreation Grade Area(m2)Landslide Hazard Area(m2)Average Population DensityFloodingSediment Discharge
HighMiddleLow12345(persons)(m2)(ton/ha/year)
WS010129,61054,9008,20025,50058,50072,90020,000132,71947.92
WS02349,200744,300625,500137,300252,300647,700587,500113,70040108.52
WS0314,400143,100610,200235,900253,500185,20071,30026,700736878.15
WS040198,900691,200129,900276,500322,800131,60043,4007518,890126.93
WS05482,400806,400301,500432,300469,100315,200183,800120,50037102,28178.47
WS06043,2001,699,200135,200462,300717,900334,700101,9004031,903119.91
WS07072,0001,556,100195,500329,300580,300384,600101,000192,898206.53
WS0801,225,800562,500137,600429,400731,600407,100103,000167416984.00

Fig. 8.

Diagram of Standardization Result


Table 6

Standardization Result of Analysis

SubwatershedNatural recreation gradeLandslide riskpopulation densityFloodingSediment discharge
W 010.012.525.037.512.5
W 0287.562.512.50.050.0
W 0375.087.587.525.025.0
W 040.025.0100.075.075.0
W 05100.0100.062.5100.037.5
W 060.037.575.087.562.5
W 070.075.050.050.087.5
W 080.050.037.562.5100.0

각각의 지표 분석 결과를 상대비교하기 위하여 분석 데이터 값의 순위결과를 바탕으로 100점 만점 기준으로 점수를 표준화하였다.

표준화에 따른 적합도 분석결과 8개 대상유역 중, 5번 유역이 400점으로 토석류 유출저감시설의 설치가 우선시 되어야 하는 지역으로 분석되었으며, 3번 유역 300점, 4번 유역 275점, 6, 7번 유역 262.5점, 8번 유역 250점, 2번 유역 212.5점, 1번 유역 87.5점 순으로 분석되었다.

인자별 표준화 결과를 정리하면 유역내 산사태 위험은 유역 5에서 가장 큰 것으로 나타났으며, 토사유출량은 유역 8에서 가장 큰 것으로 분석되었다. 유역 하류부의 위험노출은 인구밀도의 경우 유역 4, 3이 높게 나타났으며, 유역 5에서 소하천의 홍수 범람 위험이 가장 큰 것으로 분석되었다. 이수⋅친수 기능을 분석해본 결과 유역 5가 가장 적합할 것으로 분석되었다.

4. 결론

본 연구에서는 방재 및 이수⋅친수 기능을 포함한 토석류 유출저감시설 적지 선정에 대한 방법을 제시하였다. 이를 위해 다기능 토석류 유출저감시설(MudM2)의 방재 및 이수⋅친수기능을 고려할 수 있는 판단기준인 MudM2-DSI를 개발하였다. MudM2-DSI는 유역내 재해 위험을 평가하기 위한 산림청 산사태위험등급도 및 토사유출량, 유역 하류부의 재해 노출을 평가하기 위한 통계청 인구밀도 및 국민안전처 소하천범람 위험구역도, 이수⋅친수 기능을 고려하기 위한 산림청 자연휴양적 이용 등급도로 구성된다.

개발된 MudM2-DSI의 적용성을 분석하기 위하여 대상 소유역(8개소)의 상대비교를 실시하였으며, 이를 표준화하여 위험요소와 유역 하류부의 위험노출 및 이수⋅친수 적합도를 파악하였다.

이와 같이, 토석류 유출저감시설 위치선정에 객관적인 자료와 분석 등을 통해 구체적인 연구가 지속될 필요가 있으며, 본 연구를 통해 제시된 토석류 유출저감시설의 적지 선정 기준은 MudM2의 적합 모듈 결정과 경제적이고 효율적인 시공을 가능하게 할 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 국민안전처 자연재해저감기술개발사업의 지원으로 수행한 ‘극한 강우사상을 고려한 다기능 토석류 유출저감기술 개발’[NEMA-자연-2014-74]과제에 의해 수행되었습니다.

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