1. 연구배경 및 목적
2017년 5월 6일 강원도 삼척시와 강릉시에서 대규모 산불이 발생하였다. 산림청의 중앙산불사고수습본부에 따르면, 강원도 삼척시와 강릉시의 피해면적은 각각 765 ha, 252 ha이었으며, 피해금액은 약 110억원 규모인 것으로 확인되었다. 산불이 발생하게 되면 인명 및 재산 피해 등의 직접적인 피해에만 관심이 집중되지만, 산불피해지역은 산림토층의 투수성 변화와 산림 식생의 강우차단 효과의 감소로 인해 동일한 강우 조건에서도 천층붕괴와 토석류가 발생할 가능성이 증가하게 된다(Esteves et al., 2012). 따라서 산불피해지에서는 당해 연도 우기 이전에 주요 계류를 중심으로 사방댐을 포함하는 응급복구를 실시하고, 2차 피해 방지대책의 과정으로 항구복구를 2~3년에 걸쳐 실시하게 된다. 그러나 이러한 2차 피해 대책에도 불구하고 2000년 강원도 동해안에서 발생한 대형 산불피해지에서는 2002년 “루사” 및 2003년 “매미”에 의해 강원도 동해안 일원에서 대규모 산사태 피해가 발생하였다(Gangwon-Do, 2002).
한편, 산불피해지의 2차 피해를 방지하기 위한 대부분의 연구는 토석류의 형태로 3, 4차 곡의 침식기준면까지 이동된 토사의 양을 계측하고, 이를 억제하기 위한 시설물 설치에 주력하여 왔다(Kim et al., 2005a; Kim et al., 2005b). 이는 산불발생 직후 광범위한 지역의 표토 관리가 현실적으로 곤란하고, 천층붕괴 발생 예상지를 파악하는 방안이 체계화되지 않아 현장적용이 곤란한 가운데 현재의 방식이 가장 효율적인 것으로 인식되어 적용되어 왔다. 이와 같은 상황에서 하류를 중심으로 제한된 숫자의 사방댐이 설치되고, 그나마 소규모 구거에 설치된 사방시설은 큰 규모의 강우 발생시 사방댐의 수로를 통하여 다량의 토사가 유출되어 구거의 통수단면이 잠식됨으로서, 범람에 의한 추가 피해가 반복되고 있다.
따라서 이 연구에서는 보다 신속하게 산불피해지 내의 천층붕괴 발생 예상지를 추출하는 방안을 제시하기 위해 과거 산불발생 후 수해가 발생된 지역을 사례 연구하였다. 즉, 강원도 동해시 삼화동은 2000년 4월 산불발생 후 2002년 태풍 “루사” 당시 천층붕괴가 발생하여 토석류화한 지역으로서, 2002년 8월 촬영된 항공사진과 2005년 촬영된 LiDAR 자료를 활용하여 천층붕괴 발생 사례를 조사하고 이를 지형특징으로 해석하였다.
2. 선행연구사례
지금까지 진행된 국내의 천층붕괴는 토층 내 간극수압 상승으로 인한 붕괴가 대부분을 차지하였고, 그 가운데 산불은 중요한 고려 요소가 되어왔다. 따라서 산불피해를 받은 임분(forest)은 정상 임분에 비해 천층붕괴 밀도가 더 높아지는 것으로 조사되었다(Tillety et al., 2014; Kimura et al., 2008). 원인은 산불발생 후 일정기간이 경과하면 수목의 뿌리가 부후되면서 인장강도가 저하되는 것과 수관(Tree Crown)의 강우 차단효과 상실로 인한 면상침식(sheet erosion), rill 및 gully 침식의 증가가 지목되고 있다(Cha, 2006; Choi et al., 2016; Esteves et al., 2012). 특히 산불피해지의 경우 약 270~450°C에 이르는 고열이 지층 30~50 ㎝ 깊이까지 영향을 미치게 되면서 표면에는 소수성(Hydrophobia)이 생기고 토층이 들뜨는 현상에 의해 토질강도(점착력 및 내부마찰각)가 낮아지는 것으로 보고되었다(Kim et al., 2005b; Park et al., 2009).
이와 같이 산불피해지의 천층붕괴와 관련된 연구의 대부분은 산림환경 및 생태학적 측면의 연구가 주류를 이루면서 산지 내에서의 붕괴방지를 지원하는 기술체계인 사방공학의 기술 발전으로 연결되지 못한 것이 현실이다. 이에 사방공학적 기술체계로 발전시키기 위한 노력이 요구되어 왔고, 1970년대 후반부터 진행된 몇 가지의 연구 성과가 체계화되어 이론체계로 소개되었다. 사면 미지형 구분(Tamura, 1987), 사면에서의 지표수의 거동 유형(Convergent & Divergent) 구분(Suzuki, 1977) 및 0차곡의 사면붕괴이론(Tsukamoto and Minematsu, 1987)이 이에 해당된다. 이후 이러한 개념은 Evans(1980), Zeverbergen and Thorne(1987), Jenson and Domingue(1988) 및 Moore et al. (1991)에 의해 경사와 곡률을 산정하는 전산모델로 발전되었고, 최근에는 이를 GIS 상에서 정사항공사진과 LiDAR DEM을 기반으로 판독, 도화 및 분석하는데 응용되고 있다(Lee et al., 2016; Lee et al., 2017).
3. 자료 및 방법
3.1 연구대상지
연구대상지는 2000년 4월 산불 발생 후 2002년 천층붕괴가 발생한 강원도 동해시 삼화동 일원의 4개 산지유역으로 그 면적은 804,714m2이며, 해발고는 최저 27.7 m, 최고 336.7 m, 평균 147.3 m로 확인되었다. 이 지역에서는 2002년 8월 31일부터 9월 1일까지 태풍 “루사”에 의한 집중호우로 천층붕괴가 발생하였고, 8월 31일의 일강수량은 319.5 mm인 것으로 확인되었다(Gangwon-Do, 2002). 연구대상지의 지질(KIGAM, 2011)은 해발 약 200 m를 기준으로 산지의 하부는 화강암으로 이루어지고 있으며, 200 m 이상의 산지 상부는 반상변정질 편마암으로 확인되었다(Fig. 1).
3.2 연구절차
이 연구에서는 붕괴지 형태를 판독하여 5가지 유형으로 구분하였다. 붕괴지형의 분석은 상부사면기여면적 기준의 0차곡 분류, 곡률 기준의 산지사면 분류, 경사도 기준의 산지미지형 구분을 실시하였다. 최종적으로는 산불발생 이력이 있는 대상지의 천층붕괴지 발생 현황과 지형적 특징을 연계 분석하였다(Fig. 2).
3.3 붕괴지 판독 방법
붕괴지 판독에는 2002년 9월 태풍 “루사” 이후 촬영된 아날로그 항공사진 2매를 활용한 정사항공사진을 이용하였고, 사진모델은 DPS Master(Ver. 1.5) 상에서 제작하였다. 평균제곱근오차(RMSE)는 측량결과에 정확도를 나타내는 지표로서 v를 오차량, n을 관측 수로 할 때 그 식은 다음과 같다.
이 연구에서의 절대표정의 오차량(RMS)은 Table 1과 같이 X, Y, Z에서 각각 0.19, 0.34, 0.16으로, 1:1000의 수치지형도 오차범위인 수평 ±0.7 m, 수직 ±0.3 m 범위 이하 값을 보이는 것으로 확인되었다(Park, 2013).
3.4 산지지형 분석 방법
산지지형의 분석은 2005년 6월에 촬영된 LiDAR 데이터를 기반으로 Cell 크기가 1×1 m인 DEM을 제작하여 활용하였다. DEM 자료는 LiDAR 데이터의 전처리 과정을 거쳐 제작하였으며, LiDAR 시스템은 Table 2와 같다(Kim et al., 2009).
Table 2
The Information of LiDAR System
| Classification | Factor |
|---|---|
| Model | ALTM 3070 |
| Flight Data | 2005/06/25 |
| Laser Frequency | 70000 |
| Scanner Rate | 35 |
| Eyesafe Altitude | 550 m |
| Intensity Gain | 20 |
| Laser Hours | 37.5 |
3.4.1 상부사면기여면적의 분석
상부사면기여면적(Upslope Contributing Area)은 곡(Ravin)의 한 지점의 집수에 영향을 미칠 수 있는 상부의 면적이다. 이 연구에서는 유출수가 1차곡의 시점을 형성하는 상부사면기여면적과 천층붕괴지에 영향을 주는 상부사면기여면적을 확인하였다. 1차곡의 경우 1차계류가 시작되는 지점의 상부사면기여면적의 값을 확인하였고, 붕괴지의 경우 붕괴지 하단기준 상부사면기여면적을 합산하여 그 값을 추정하였다(Fig. 3).
이때, 상부사면기여면적은 8방향흐름모델(D8) 기반의 흐름방향(Flow Direction)의 값에 Cell의 누적가중치인 흐름누적(Flow accumulation)을 기반으로 추정하였다(Lee et al., 2017; Jenson and Domingue, 1988).
3.4.2 경사도의 분석
경사도와 곡률은 DEM Cell 간의 상관관계를 분석하여 그 값을 나타낼 수 있다. 이 연구의 경사도와 곡률을 Evan (1980)이 제시한 식을 기반으로 추정하였다. Evan(1980)은 Eq. (2)와 같이 두 개의 변수를 갖는 2차함수의 형태로 표면을 나타내었다.
여기서, a, b, c, d, e, f는 추정될 상수이며, 각 격자의 셀의 높이 값 zn과 격자의 Cell 크기 w에 따라 다음과 같이 나타낼 수 있다.
먼저, 경사도(slope)는 ArcGIS(v.10.01)에서 제작하였고, 이때 경사도는, x, y 방향의 이동거리와 높이 z의 비율로써, 그 식은 다음과 같다.
여기서, x와 y의 편도함수는 Eq. (2)를 기반으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.
이때, 구하고자 하는 Cell은 x, y의 값이 0이 됨으로, 경사도의 식은 최종적으로 다음의 Eq. (5)와 같이 나타낼 수 있다.
3.4.3 곡률도의 분석
천충붕괴지의 지형특성을 해석하기 위한 곡률산정에는 지형분석 S/W인 Landserf(Ver. 2.4)가 사용되었다. 이 연구에서는 연속된 지형의 특징을 구현하기 위해 Kernel의 크기를 9×9로 증가시켜 횡단곡률도(Plan curvature)와 종단곡률도(Profile curvature)를 제작하였다(Lee et al., 2017).
Landserf의 곡률해석의 수학모델은 Evan(1980)이 제시한 Eq. (2)를 기반으로 하며, 횡단곡률(Plan curvature)과 종단곡률(Profile Curvature)의 식은 다음과 같다.
3.5 산지지형의 분류
3.5.1 0차곡의 추정
Tsukamoto and Minematsu(1987)는 1차곡의 상부에 위치한 0차곡에 주목하였으며, 그 구간에서 천층붕괴가 주로 발생된다고 강조하였다. 이 연구에서는 Fig. 4와 같이 등고를 기준으로 0차곡과 1차곡을 구분하였다(Lee et al., 2017).
3.5.2 산지사면의 분류
Suzuki(1977)는 유수의 집수(Convergent) 및 산수(Divergent)에 영향을 미치는 산지사면의 형태를 9가지 형태로 구분하였다. 산지사면의 형태는 곡률 값으로 해석할 수 있으므로, 이 연구에서는 횡단곡률 및 종단곡률의 값 범위를 조합하여 연구대상지의 사면의 형태를 구분하였다. 즉 횡단곡률 0.1 이상의 값은 오목지형, -0.1 이상 0.1 이하의 값은 평탄지형, -0.1 이하의 값은 볼록지형으로 구분하였고, 종단곡률에서는 0.1 이상의 값은 볼록지형, -0.1 이상 0.1 이하의 값은 평탄지형, -0.1이하의 값은 오목지형으로 구분하였다(Fig. 5).
3.5.3 산지지형의 구분
Tamura(1987)는 산지사면의 경사의 변환에 따라 산지 곡두부(谷頭部)를 정부사면(頂部斜面, Crest slope), 곡벽사면(谷壁斜面, Side slope), 곡두요지(谷頭凹地, Head Hollow),
녹부사면(麓部斜面, Foot slope) 및 수로(水路, Channel way)의 5개의 미지형으로 구분하였고, 소규모의 붕괴는 곡벽사면 내에서 주로 발생한다고 보고하였다. 이 연구에서는 경사도의 값을 5°의 간격으로 재분류하여 경사변화의 패턴을 확인하였으며, 그 결과를 Tamura(1987)의 미지형 분류 기준을 바탕으로 산지미지형을 구분하였다(Table 3).
Table 3
The Precedent Researcher’s Criteria for Classifying the Micro Topography
| Micro Topography | Tamura (1987) | Lee et al. (2017) |
|---|---|---|
| Crest Slope | 0 ~ 30° | 0 ~ 30° |
| Side Slope | 20 ~ 40° | 25°< |
| Head Hollow | 15° | 10 ~ 20° |
| Foot Slope | 5 ~ 25° | 10 ~ 20° |
| Channel Way | 10cm ~ Several m | Stream (Over 1st) |
4. 결과 및 고찰
4.1 붕괴지 판독 결과
천층붕괴지는 붕괴의 폭이 급격하게 넓어지거나 좁아지는 지점 또는 붕괴지 내 기반암이 나타나는 지점까지로 설정하였다. 이때 산지유역별 붕괴발생 개소는 1유역 29개, 2유역 45개, 3유역 77개, 4유역 83개로 총 234개의 붕괴지가 판독되었다. 천층붕괴지의 총 면적은 13,577 m2, 평균면적은 58 m2로 대상지의 총 면적 804,715 m2 중 1.7%에 해당하였다. 또한 10,000 m2 당 붕괴발생 개수는 2.9개인 것으로 확인되었다(Fig. 6).
붕괴면적별 분포는 0~25 m2 이하의 붕괴지가 83개로 가장 많았으며, 이어서 25~50 m2 65개, 100 m2 이상 43개, 50~75 m2 27개, 75~100 m2 16개의 순으로, 50 m2 이하의 붕괴지가 63.2%인 것으로 확인되었다(Fig. 7).
붕괴발생 형태별 붕괴지의 개소수는 유형① 78개, 유형② 10개, 유형③ 17개, 유형≣ 64개, 유형⑤ 65개소로 확인되었다. ①유형은 곡벽사면 내 작은 구곡(Gully)에서 주로 나타났으며, 유형②는 주로 곡벽사면에서 발생하였다. 또한 ③유형은 붕괴가 연속해서 발생한 것으로 설정하였고, ≣유형은 주로 ①유형보다 큰 구곡(Gully) 내 계류의 시작점에서 발생하였다. 그리고 ⑤유형은 기타의 형태로 임도의 절⋅성토사면 및 묘지가 붕괴된 유형이었다(Table 4).
Table 4
The Area and Slope Surveyed by the Landslide Type
한편, 붕괴지의 평균경사는 30.8°로 확인되었으며, 붕괴유형별 편차는 크지 않은 것으로 확인되었다. 경사별 붕괴지의 분포는 25~35°에서 147개소(62.8%)가 발생하였고, 35~45°에서 53개소(22.6%), 15~25°에서 28개소(12.0%), 0~15°에서 4개소(1.7%), 45° 이상에서 2개소(0.9%)의 순으로 확인되었다(Fig. 8).
4.2 붕괴지와 계류의 차수 및 곡의 분석 결과
연구대상지의 계류의 차수를 분석한 결과, 0차곡 계류는 5,385 m, 1차계류는 3,183 m, 2차계류는 1,368 m, 3차계류는 916 m인 것으로 확인되었다. 이때 계류의 차수는 Lee et al. (2016)가 제시한 분류기준을 바탕으로 1차곡 시작지점에 곡두사면이 위치하는 지점까지로 하였으며, 1차곡 기준의 상부사면기여면적의 평균은 10,258.8 m2인 것으로 확인되었다. 계류차수에 따른 천층붕괴는 0차곡에서 113개소(48.3%), 1차곡에서 60개소(25.6%), 3차곡에서 32개소(13.7%), 2차곡에서 29개소(12.4%)의 순으로 발생하였다(Fig. 9).
천층붕괴지의 상부사면기여면적은 임도의 절⋅성토사면에 위치한 붕괴지 47개소와 묘지가 완파된 17개소의 붕괴지는 상부사면의 기여면적 보다 인위적 영향에 더 큰 영향을 받았기 때문에 제외하였고, 174개소의 붕괴지만을 대상으로 조사하였다. 그 결과, 붕괴지의 상부사면기여면적의 최소는 1.0 m2, 최대는 85,460 m2 평균은 958.6 m2이었다. 상부사면기여면적 분포별 붕괴지의 개소수는 0~250 m2에서 106개(60.1%)로 가장 많았고, 상부사면기여면적이 증가할수록 붕괴지의 개소가 줄어드는 경향을 보였다(Fig. 10). 5,000 m2 이상의 상부사면기여면적이 관측된 붕괴지는 계류의 합류점 또는 계류 근방에서 계류의 방향으로 길게 붕괴가 발생된 곳이 주로 관측되었다(Fig. 11).
4.3 붕괴지와 산지사면의 분석 결과
강원도 동해시 삼화동 일원의 산지사면을 9종으로 구분한 결과는 Fig. 12와 같다. 산지사면의 면적분포는 ②(20.9%), ①(18.2%), ⑧(15.9%), ⑨(14.2%), ⑦(7.9%), ⑤(7.7%), ③(7.5%), ≣(4.0%) 및 ⑥(3.6%)의 순으로 확인되었다.
9종의 산지사면에 따른 붕괴지의 위치는 사면이 집수(集水, Convergent)의 형태인 ⑦, ⑧, ⑨의 사면에서 169개소(72.2%)의 붕괴가 발생하였고, 특히 ⑨ 사면에서 79개소(33.8%)로 가장 많은 붕괴가 발생하였다. 반면 비교적 직선형태인 ≣, ⑤, ⑥ 사면에서는 4.7% 붕괴지가 위치하여 비교적 붕괴가 잘 발생되지 않는 것으로 확인되었다(Fig. 13).
4.4 붕괴지와 산지 미지형의 분석 결과
강원도 동해시 삼화동 일원의 산지를 Lee et al. (2017)의 5가지 미지형 기준으로 Fig. 14와 같이 분류할 수 있었다. 이때 강원도 동해시 삼화동 일원의 천층붕괴의 약 88.9%는 곡벽사면(Side slope)에서 발생하였으며, 그 다음으로 곡두사면(Head Slope) 5.1%, 녹부사면(Foot slope) 3.0%, 계류(Stream) 1.3%의 순서로 발생하였다(Fig. 15).
미지형에 기반한 붕괴지 위치는 Lee et al. (2017)가 2011년 토사재해 이력이 있는 우면산을 대상으로 실시한 미지형별 붕괴발생의 패턴과 유사한 결과를 보였다. 또한, 강원도 동해시 삼화동 인근의 산지는 임도와 묘지가 다수 분포하고, 임도 절⋅성토사면이 위치한 곡벽사면(Side Slope)에서 붕괴가 발생한 것으로 확인되었다.
5. 결론
이 연구는 2000년 산불 이후 2002년 태풍 루사에 의해 토사재해가 발생한 강원도 동해시 삼화동 일원을 대상으로 천층붕괴지를 판독하고 그 지형적 특성을 해석한 연구로 그 결과는 다음과 같다.
(1) 4개 산지유역의 천층붕괴지 시작부위를 조사한 결과, 총 234개소가 판독되었으며, 붕괴지의 총 면적은 13,577 m2, 평균면적 58.0 m2이었다. 또한 붕괴발생지의 평균경사는 30.8°이었으며, 25~35°의 경사에서 147개소(62.8%)의 붕괴가 발생된 것으로 확인되었다.
(2) 강원도 동해시 삼화동 일원의 1차곡의 평균 상부사면기여면적은 10,258.8 m2이었으며, 계류차수에 따른 천층붕괴는 0차곡에서 113개소(48.3%)로 가장 많이 발생하였다. 그리고 붕괴지의 평균 상부사면기여면적은 958.6 m2으로 Lee et al. (2017)가 일반 산지의 천층붕괴지를 조사한 면적보다 약 800 m2가 작은 것으로 확인되었다. 또한 0~250 m2의 상부사면기여면적을 갖는 천층붕괴지가 106개소(60.1%)로 가장 많은 것으로 확인되었다.
(3) 산지사면은 종단(Profile)곡률 값의 범위와 횡단(Plan)곡률 값의 범위를 활용하여 구분할 수 있었다. 산지사면 형태별 붕괴의 발생 빈도는 사면이 집수가 되는 형태인 ⑦, ⑧, ⑨의 사면에서 169개소(72.2%)가 발생하였고, 특히 오목하고(Concave) 집수(Convergent)형인 ⑨사면에서 79개소(33.8%)의 붕괴가 발생한 것으로 확인되었다.
(4) 경사변환선을 활용하여 Lee et al. (2017)의 기준에 따라 산지미지형을 구분하여 붕괴지의 발생위치를 확인한 결과, 곡벽사면(Side Slope)에서 208개소(88.9%)의 붕괴가 발생된 것으로 확인되었다.
(5) 이와 같은 천층붕괴 패턴을 고려할 때, 사방공학적 측면에서의 대형 산불 복구는 하류의 사방댐 시공과 함께 붕괴빈도가 높은 사면에 대한 산복사방공사가 실시되어야 할 것으로 파악되었다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation
Print
