1. 서 론
최근 기후변화의 영향으로 국지성 집중호우와 단시간 강우강도의 증가가 빈번해지면서 산지 유역에서의 산사태 및 토석류 재해 위험이 커지고 있다(Crozier, 2010; Gariano and Guzzetti, 2016; Fowler et al., 2021). 우리나라는 산지가 국토의 큰 비중을 차지하고 있으며, 산지 하류부에 도로, 농경지, 주거지와 같은 피해잠재요소가 밀집한 경우가 많아 토석류 발생 시 인명 및 재산 피해로 직결될 가능성이 높다(Froude and Petley, 2018; Ministry of the Interior and Safety, 2024). 특히 토석류는 붕괴된 토사와 유수가 혼합된 상태로 계류를 따라 급속히 이동하는 재해로서 높은 유속과 큰 충격력을 동반하기 때문에 일반적인 사면붕괴보다 피해 범위와 파급효과가 큰 특성을 가진다(Iverson, 1997; Takahashi, 2007). 이러한 이유로 토석류 재해의 예측과 저감은 국내 방재 및 사방 분야에서 중요한 연구 주제로 다루어지고 있다(Shen et al., 2019; Chen et al., 2020; Choi et al., 2021).
토석류 재해를 저감하기 위한 대표적인 구조적 대책으로는 사방댐이 널리 활용되고 있다. 사방댐은 계류 내 토사의 이동을 억제하거나 포착하고 유하 에너지를 감소시켜 하류부 피해를 줄이는 기능을 수행한다. 국내에서도 산사태취약지역과 토석류 우려 계류를 중심으로 사방댐 설치가 지속적으로 추진되어 왔으며, 실제 재해 발생 시 토석 및 유목의 이동을 차단하여 피해를 완화한 사례가 보고되어 왔다(Korea Forest Service, 2023; Ministry of the Interior and Safety, 2024). 그러나 사방댐의 저감효과는 단순히 설치 여부만으로 결정되지 않으며, 설치 위치, 설치 간격, 구조물 제원, 계류 형상, 상⋅하류 지형조건 및 예상 토사발생량에 따라 크게 달라질 수 있다(Satofuka and Mizuyama, 2005; Shen et al., 2019; Lee et al., 2025). 따라서 효과적인 사방댐 계획을 위해서는 다양한 설치 대안을 대상으로 저감효과를 정량적으로 비교⋅평가할 필요가 있다.
그럼에도 불구하고 실제 계획 및 설계 단계에서는 제한된 시간과 자료 여건으로 인해 소수의 대안만을 검토하거나 경험적 판단에 의존하는 경우가 많다(Jakob et al., 2005; Takahashi, 2007; Corominas et al., 2014). 특히 사방댐 후보지를 선정하고 후보지별 시나리오를 구성한 뒤 각 시나리오에 대해 지형자료를 수정하고 반복적인 수치모의를 수행하는 과정은 많은 시간과 노력이 요구된다(Lee et al., 2025). 이로 인해 다수의 설치 시나리오를 체계적으로 비교하기 어렵고 결과적으로 최적 또는 우수 대안을 충분히 검토하지 못하는 한계가 있다. 최근에는 토석류 수치모형과 GIS 기반 지형분석을 활용하여 구조적 저감대책의 효과를 평가하려는 연구가 수행되고 있으나(Shen et al., 2019; Chen et al., 2020; Choi et al., 2021; Lee et al., 2025), 사방댐 후보지 생성부터 시나리오 구성, 수치모의, 저감효과 평가까지의 전 과정을 통합하여 자동화한 연구는 아직 제한적이다.
토석류 대응 사방사업의 실무 활용성을 높이기 위해서는 대상 유역의 지형정보와 계류 특성을 반영하여 설치 가능 후보지를 자동으로 탐색하고 다양한 설치 조합을 생성하며, 각 시나리오에 대한 토석류 거동과 피해 저감효과를 신속하게 비교할 수 있는 분석체계가 필요하다. 특히 다수의 시나리오를 반복적으로 계산해야 하는 경우에는 계산 효율성이 중요하므로 병렬연산 기반의 고속 수치모의 기법을 연계할 필요가 있다. 이러한 접근은 사방댐 설치 여부를 판단하는 수준을 넘어 어느 위치에 어떤 조합으로 설치하는 것이 효과적인지를 정량적으로 검토할 수 있게 한다는 점에서 의미가 있다.
이에 본 연구에서는 토석류 수치모형과 지형정보를 연계하여 사방댐 설치 시나리오를 자동으로 생성하고 각 시나리오의 저감효과를 정량적으로 평가할 수 있는 자동분석 프로그램을 개발하고자 하였다. 개발된 프로그램은 수치지형자료, 계류 정보, 초기 토석류 조건 및 피해영향 범위를 입력자료로 활용하여 사방댐 후보지를 자동 생성하고 단일 설치 시나리오를 구성한 뒤 GPU 기반 토석류 수치모의를 수행하도록 설계하였다. 또한 사방댐이 고려되지 않은 기준 시나리오와 설치 시나리오를 비교하여 피해영향면적, 유입체적, 최대 유동심 등 주요 지표를 산정함으로써 사방댐의 재해 저감효과를 평가할 수 있도록 하였다.
본 연구에서 개발한 수치모형의 적용 대상은 2019년 포항 기북면 일원에서 발생한 토석류 사건으로 설정하였다. 해당 사례는 실제 토석류 발생 이력이 있는 지역을 대상으로 사방댐 설치 시나리오를 검토한다는 점에서 개발된 프로그램의 적용성과 실무적 활용 가능성을 평가하기에 적합하며, 더 나아가 해당 지역엔 실제로 사방댐이 설치되어있기 때문에 본 연구를 통해 설치된 사방댐의 성능을 평가할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 해당 대상지를 중심으로 사방댐 후보지를 자동으로 생성하고, 다양한 설치 시나리오에 대한 토석류 거동과 저감효과를 비교⋅분석하였다.
2. 프로그램 개요
2.1 토석류 수치모형
본 연구에서는 사방댐 설치에 따른 토석류 피해 저감효과를 분석하기 위하여 물리 기반의 토석류 수치모형을 개발하여 활용하였다. 최근 토석류의 유동 및 퇴적 과정을 모의하기 위해 2차원 연속체 기반 수치모형(An et al., 2019)을 비롯하여 다상 흐름을 고려한 2차원 유체역학 모형(Pudasaini and Krautblatter, 2021), Material Point Method (Yang et al., 2025), Smoothed Particle Hydrodynamics (Han et al., 2019) 등 다양한 수치해석 기법이 개발⋅적용되고 있다. 이러한 고도화된 수치기법은 토석류의 복잡한 유동 특성과 국부적인 물리과정을 상세히 해석하는 데 장점이 있으나, 다수의 사방댐 설치 후보지와 토석류 피해저감 효과를 반복적으로 평가해야 하는 본 연구의 목적에는 계산 효율성과 적용성이 함께 요구된다. 이에 본 연구에서는 토석류 모의에 적합하되 계산 효율성이 높은 2차원 천수방정식 기반의 깊이평균 모형을 채택하였으며, 이를 바탕으로 다수의 사방댐 시나리오 분석에 적합한 프로그램을 개발하였다. 지배방정식은 다음 Eqs. (1), (2)와 같다.
여기서 h는 유체의 유동 높이(m), u와v는 각각 Cartesian 직교좌표계에서 x, y방향으로의 유동 속도(m/s), t는 시간(s), g는 중력가속도(m/s2)를 의미한다. 또한 Sgx와 Sgy는 각각 중력 및 지형 경사에 의해 발생하는 x, y방향의 가속도 성분을 나타낸다.
토석류는 순수한 물과 달리 비뉴턴 유체(non-Newtonian fluid)의 거동 특성을 나타내므로 이를 고려할 수 있고 토석류 해석에 널리 적용되는 Voellmy 유변학 모형을 마찰항 Sf에 Eq. (3)과 같이 적용하였다(Voellmy, 1955).
여기서 ∨는 or를 의미하며, μ는 Coulomb 마찰계수로서 저속 유동 조건에서 감속 거동을 지배하는 매개변수이고(-), ξ는 난류 마찰계수로서 고속 유동 조건에서 지배적인 영향을 미치는 매개변수이다(Bartelt et al., 2013; Frank et al., 2015).
또한 토석류는 유동 과정에서 지표면 또는 표토와 상호작용하며, 토석류의 전단응력이 표토의 저항전단응력을 초과할 경우 침식과 연행이 발생한다. 반대로 토석류의 전단응력이 임계값보다 작을 경우 일부 토사가 퇴적된다. 본 연구에서는 이러한 침식, 연행 및 퇴적 과정을 고려하기 위하여 Lee et al. (2022)에서 제안한 메커니즘을 i항에 Eqs. (4), (5)와 같이 적용하였다.
여기서 dz/dte는 침식⋅연행 속도(m/s), dz/dtd는 퇴적 속도(m/s), hmax는 최대 침식 깊이(m), d는 토양심도(m), dz/dτ는 평균 잠재 침식 깊이(m/kPa), τ(=ρghs)는 전단응력, τe는 침식⋅연행의 임계 전단응력(kPa), τd는 퇴적의 임계 전단응력(kPa), ρ는 토석류의 밀도(kg/m3), s는 지형 경사를 의미한다.
지배방정식은 유한체적법으로 이산화하였으며, 격자 간 수치유속은 HLLC Riemann 근사해법을 이용한 양해법으로 계산하였다. 한편, 마찰, 침식, 연행 및 퇴적과 관련된 source term은 계산 안정성 확보를 위하여 Eqs. (6), (7)과 같이 Liang and Marche (2009)가 제안한 splitting method 기반의 음해법을 적용하였다.
또한 양해법의 시간적분 과정에는 CFL 조건을 만족하는 적응형 시간간격을 적용하여 계산의 안정성과 효율성을 확보하였다.
2.2 사방댐 후보지 생성 알고리즘
본 연구에서는 계류를 따라 사방댐 설치 가능 지점을 자동으로 탐색하기 위하여 수치지형자료(DEM)와 계류 중심선 기반의 점 자료를 이용한 후보지 생성 기법을 적용하였다. 여기서 점 자료는 연구지역의 계류를 임의로 정의한 자료가 아니라 GIS 프로그램에서 분석된 stream line을 기반으로 생성된 자료이다. 즉, 연구대상 유역의 DEM 또는 수문지형 자료를 이용하여 GIS 환경에서 주 계류의 흐름선을 추출한 뒤 이를 따라 형성된 중심선을 점열(point sequence) 형태로 변환하고 수치모형에서 사용할 수 있도록 전처리한 후 입력자료로 활용하였다. 전처리 과정에서는 점들이 계류를 따라 상류에서 하류 또는 하류에서 상류 방향으로 일관되게 정렬되도록 하였으며, 중복점이나 비정상적인 절점은 제거하고 DEM과 동일한 좌표체계를 유지하도록 구성하였다.
입력된 점 자료를 바탕으로 먼저 인접한 점 간 거리를 계산하여 전체 계류 연장을 산정하였다. 이후 사용자가 설정한 설치 간격을 기준으로 계류를 따라 사방댐 설계 후보지를 생성하였으며, 각 후보지의 위치는 인접한 점 사이의 선형보간을 통해 결정하였다. 이 과정에서 각 후보지에 대한 진행 방향 벡터와 이에 직교하는 법선 벡터를 함께 산정하여 후속 단계에서 사방댐의 횡방향을 정의하는 데 활용하였다.
생성된 각 후보지에 대해서는 후보지 직교 방향으로 지형을 조사하여 설치 단면의 기하학적 성립 가능성을 검토하였다. 구체적으로는 후보지 중심에서 좌우 방향으로 일정 간격으로 지형고를 탐색하여 최저 지반고를 산정하고 여기에 계획 사방댐 높이를 더하여 사방댐의 높이를 결정하였다. 이후 양측 사면에서 지형고가 사방댐의 높이와 만나는 교점을 탐색하여 사방댐 양안의 접속점 좌표를 산정하였다. 양측 교점이 모두 확보된 경우에만 해당 후보지를 기하학적으로 유효한 사방댐 후보지로 판정하였다.
사방댐 형상은 대한민국에서 주로 활용되는 폐쇄형 사방댐으로 설정하였으며(Kim et al., 2020), 양안 접속점을 연결한 선분을 기준으로 사용자가 지정한 댐 폭을 갖는 직사각형 다각형으로 표현하였다. 이후 다각형 내부에 포함되는 격자 중 사방댐의 높이보다 낮은 셀에 대해 DEM을 사방댐의 높이까지 상승시키고 해당 셀에서의 토양심도는 0으로 수정하여 사방댐에선 토양 침식이 발생하지 않도록 설정하였다.
2.3 시나리오 분석 방법
본 연구의 사방댐 시나리오 분석은 사방댐이 고려되지 않은 기준모의와 후보지별 사방댐 설치모의를 순차적으로 수행하는 방식으로 구성하였다. 먼저 사방댐이 없는 원지형 조건에서 토석류 수치모의를 수행하고 결과로부터 최대 유동심 분포를 산정하였다. 이후 최종 최대 유동심 분포를 피해영향 평가용 raster로 활용하여 사방댐 후보지 생성과 저감효과 산정의 기준자료로 사용하였다.
후보지 생성이 완료되면 각 유효 후보지마다 하나의 단일 사방댐 시나리오를 독립적으로 구성하였다. 각 시나리오에 대해서는 후보지별로 생성된 DEM 수정 결과와 토심 수정 결과를 입력자료로 사용하였으며, 초기 토석류 발생조건, 유변학적 매개변수, 계산시간, CFL 조건, 저장주기 등 수치모형의 주요 설정은 기준모의와 동일하게 유지하였다. 즉, 사방댐 설치 여부만이 시나리오 간 차이가 되도록 하여, 구조물 위치에 따른 저감효과를 직접 비교할 수 있도록 하였다.
이러한 절차는 Fig. 1과 같이 지형자료, 후보지별 사방댐 시나리오, 토석류 모의 매개변수를 입력으로 하여 시나리오별 지형⋅토심 수정, 수치모의 수행, 그리고 저감효과 산정으로 이어지는 순서로 구성된다.
2.4 저감효과 평가방법
저감효과 평가는 거주지 내 최대 유동심의 면적 및 체적 변화를 이용하여 수행하였다. 먼저 기준모의 결과에서 거주지 내 토석류가 유동한 격자를 대상으로 피해영향면적과 피해영향체적을 산정하였다. 이를 기준으로 각 사방댐 시나리오 모의결과를 위와 동일한 메커니즘으로 피해영향면적과 피해영향체적을 계산하여 최종적으로 사방댐 설치에 따른 저감효과는 Eq. (8)과 같이 기준모의 대비 면적 저감률과 체적 저감률로 계산하였다.
면적 저감률은 기준 피해영향면적 대비 시나리오 피해영향면적의 감소 비율로, 체적 저감률은 기준 피해영향체적 대비 시나리오 피해영향체적의 감소 비율로 정의하였다. 계산된 결과는 사방댐이 설치된 위치(토석류 시점부터의 거리), 사방댐이 설치된 지역의 사면 경사, 사방댐 저사용량, 사방댐 폭, 설계 가능 여부와 함께 시나리오 분석결과를 출력하도록 설계하였다. 이를 통해 계류를 따라 생성된 단일 사방댐 후보지들에 대해 저감효과를 정량적으로 비교하고 상대적으로 효과적인 설치 위치를 선별할 수 있도록 하였다.
3. 연구대상지 및 입력자료
3.1 2019년 경상북도 포항시 북구 기북면
본 연구의 대상지는 2019년 토석류가 발생한 경상북도 포항시 북구 기북면 일원으로 선정하였다. 해당 사건은 실제 토석류로 인해 1명이 사망하고 1명이 부상한 인명피해가 발생한 사례로, 토석류의 위험성과 구조적 저감대책의 필요성을 보여주는 대표적 사례라 할 수 있다. 따라서 본 사례는 사방댐 설치 시나리오에 따른 피해 저감효과를 검토하고 개발된 자동분석 프로그램의 적용성과 실무적 활용 가능성을 평가하기에 적합하다. 또한 대상지에는 실제 사방댐이 설치되어 있어 시나리오 분석 결과와 현장 여건을 연계한 성능 검토가 가능하다.
Fig. 2에 나타난 바와 같이 연구대상지는 산림이 우세한 산지 유역으로 계류를 따라 발달한 곡저부 인근에 주거지와 농경지가 분포하고 있다. 정사영상에서는 계곡부를 따라 형성된 유로와 하류부의 인가 및 농경지 분포가 확인되며, 표고분포도에서는 약 130~350 m 범위의 고도차와 급경사 사면, 그리고 계곡을 따라 발달한 지형 특성이 나타난다. 지질은 백악기 흑운모화강암이 우세하고 일부 지역에 세립질 흑운모화강암 및 제4기 붕적층이 분포하며, 토양은 사질양토와 점질양토가 혼재하고 토심은 20~200 cm 범위로 다양하게 나타난다.
3.2 지형 및 입력자료 구축
연구대상지의 입력자료는 지형자료, 토양자료, 계류 중심선 자료, 초기 토석류 발생조건, 그리고 피해영향 평가자료로 구성하였다. 본 연구에 사용된 영상자료와 DEM은 국토지리정보원에서 제공하는 2019년 및 2023년 1:5,000 축척 자료를 활용하였으며, 토양도는 대한민국 농업과학원에서 제공하는 자료를, 지질도는 한국지질자원연구원에서 제공하는 자료를 사용하였다(Oh and Jeong, 1975). 이들 자료는 동일 좌표체계로 정리한 후 raster 기반의 수치모형 입력자료로 구축하였다. 개발된 프로그램은 수치지형자료, 계류 정보, 초기 토석류 조건 및 피해영향 범위를 입력자료로 활용하여 사방댐 후보지를 생성하고 시나리오별 수치모의를 수행하도록 설계되어 있다.
Fig. 3은 연구대상지의 토석류 발생 전후 지형 및 영상자료를 비교한 결과를 나타낸다. Fig. 3(a)의 지형고 차분도에서는 토석류 발원부와 유하 경로를 따라 뚜렷한 지형변화가 확인되며, 특히 발원부 인근의 큰 지형고 변화는 초기 붕괴 및 침식이 집중된 구간을 보여준다. 또한 Figs. 3(b)와 3(c)의 재해 전⋅후 영상 비교를 통해 토석류로 인한 지표교란과 시설물 피해 양상을 확인할 수 있었으며, 사방댐 설치 과정에서 발생한 절취 구간 또한 판독할 수 있었다. 본 연구에서는 이러한 지형고 차분자료와 영상 판독 결과를 종합하여 토석류 발원부와 유하 경로를 확인하고 초기 토석류 조건과 해석범위를 설정하였다.
Fig. 3
Topographic Change and Orthophoto Comparison Before and After the 2019 Debris-flow Event in Gibuk-myeon, Pohang
Fig. 4는 계류를 따라 생성된 사방댐 후보지와 실제 설치 위치를 나타낸다. 본 연구에서는 계류 중심선을 따라 일정 간격으로 단일 사방댐 후보지를 연속적으로 생성하였으며, 실제 설치된 사방댐 위치를 함께 도시하여 자동 생성된 후보지와 현장 적용 사례를 비교할 수 있도록 하였다. 이러한 입력자료 구축 과정은 대상지의 실제 지형⋅지반 조건과 재해 흔적을 반영한 시나리오 분석의 기초 자료로 활용되었다.
Fig. 4
Automatically Generated Check-dam Scenarios Along the Stream Channel and the Actual Installed Check-dam Location
Table 1에는 토석류 해석에 사용된 입력 매개변수와 사방댐 시나리오 해석에 적용된 주요 매개변수를 정리하였다. 토석류 해석에 사용된 유변학적 매개변수와 토석류 침식, 연행, 퇴적 메커니즘에 활용된 매개변수는 기존 연구(Pirulli and Sorbino, 2008; Hussin et al., 2012; Frank et al., 2015; Frank et al., 2017)에서 제시된 일반적인 적용 범위와 국내 토석류 해석 사례(Lee et al., 2022; Lee et al., 2025)를 참고하여 초기 범위를 설정하였다. 이후 기준모의에서는 토석류 발생 후 위성사진에서 확인된 피해흔적, 퇴적 및 유하 범위, 도달거리와 모의 결과의 공간적 일치도를 비교하는 역해석(back-analysis)을 수행하여 대상지의 실제 토석류 거동을 AUC (Area Under the Curve) 기준에서 가장 합리적으로 재현하는 매개변수 조합을 선정하였다.
Table 1
Model Parameters for Debris-Flow Simulation and Check-Dam Scenario Analysis
여기서 AUC는 관측된 토석류 피해지역와 모의 결과의 공간적 일치도를 정량적으로 평가하기 위한 지표이다(Fawcett, 2006). 실제 피해가 발생한 격자는 양성(True), 비(非)피해 격자는 음성(False)으로 정의하였으며, 모의 결과에서 각 격자에 계산된 최대 유동심을 예측값으로 사용하였다. 이를 바탕으로 TPR (True Positive Rate: 피해지역에 대한 재현율)과 FPR (False Positive Rate: 비피해지역에 대한 오차율)을 계산하여 Receiver Operating Characteristic (ROC) 곡선을 작성하고 그 아래 면적을 AUC로 산정하였다. AUC가 1에 가까울수록 재현성이 높은 것으로 평가하였다.
사방댐 시나리오 해석에서는 사방댐의 설계 높이를 단계적으로 변화시키면서 각 시나리오를 분석하였으며, 이를 통해 설계 높이별 저감효과를 비교하고 최적의 설치 위치를 도출하고자 하였다.
4. 적용 결과 및 고찰
4.1 2019년 경상북도 포항시 북구 기북면 토석류 재현
사방댐의 피해 저감 효과를 분석하기에 앞서 2019년 경상북도 포항시 북구 기북면에서 발생한 토석류 사건에 대한 재현모의를 수행하였으며, 그 결과는 Fig. 5와 같다. 모의결과에 따르면 토석류의 유하 경로와 피해 범위는 정사영상으로 확인된 실제 피해 양상을 AUC 기준 0.851의 양호한 정확도로 재현하는 것으로 나타났다. 특히 Figs. 3(b) 및 3(c)에서 붉은색 점선으로 표시된 시설물 피해 구간까지 토석류가 도달한 것으로 모의되었으며, 해당 구간에서의 최대 유동심은 약 5 m에 이르는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 본 연구에서 적용한 수치모형이 대상지의 실제 토석류 거동을 합리적으로 재현하고 있음을 보여주며, 이후 수행된 사방댐 시나리오별 피해 저감효과 비교의 기준모의로 활용될 수 있음을 시사한다.
4.2 시나리오별 저감효과 비교
사방댐 시나리오별 저감효과는 기준모의 결과를 바탕으로 생성된 피해영향 범위를 기준으로 평가하였다. 즉, 사방댐이 고려되지 않은 기준모의로부터 최대 유동심 분포를 산정한 후 이를 피해영향 평가용 raster로 활용하였으며, 각 유효 후보지에 대해 단일 사방댐 시나리오를 독립적으로 구성하여 기준모의와 동일한 조건에서 비교하였다. 또한 저감효과는 거주지 내 최대 유동심의 면적 및 체적 감소율로 정량화하였다.
Table 2에는 시나리오별 설치 위치와 지형 조건, 구조적 제원 및 저감효과 산정 결과의 예시를 제시하였다. 이를 통해 개별 후보지의 설계 가능 여부와 저감효과를 함께 비교할 수 있으며, Fig. 6은 이러한 개별 시나리오 결과를 발원점으로부터의 거리와 설계 높이 조건에 따라 종합적으로 나타낸 것이다.
Table 2
Example of Check-Dam Scenario Analysis Results
Fig. 6
Variation in Mitigation Ratio with Distance from the Debris-flow Initiation Point Under Different Check-dam Heights
Fig. 6은 토석류 발원점으로부터의 거리와 사방댐 설계 높이에 따른 저감률 변화를 나타낸다. 전반적으로 사방댐의 설계 높이가 증가할수록 저감효과가 향상되는 경향이 확인되었다. 특히 2.5 m 조건에서는 대부분의 후보지에서 저감효과가 제한적으로 나타난 반면 5 m 이상에서는 일부 구간에서 저감률이 뚜렷하게 증가하였다. 또한 7.5 m 및 10 m 조건에서는 상류부와 중상류부의 여러 후보지에서 높은 저감률이 나타나 구조물 높이 증가에 따라 토석류 저류 및 차단 효과가 크게 향상됨을 확인할 수 있었다.
한편 저감률은 설치 위치에 따라 단조롭게 변화하지 않았으며, 동일한 설계 높이에서도 후보지별로 큰 차이를 보였다. 이는 사방댐의 효과가 단순히 발원점으로부터의 거리만으로 결정되지 않고 각 후보지의 국부 지형, 계곡 형상, 양안 접속 가능성, 저사용량 및 설계 가능 여부 등에 의해 복합적으로 좌우되기 때문으로 판단된다. 실제로 본 연구의 시나리오 분석 체계는 후보지별 설계 가능 여부와 사면 경사, 저사용량, 폭 등을 함께 산정하여 저감효과를 비교하도록 구성되어 있다.
특히 Fig. 6의 음영 영역으로 표시된 거주지 구간은 피해 저감효과를 평가하기 위한 대상 구간으로 설정된 것이며, 실제 사방댐 설치의 우선 검토 구간으로 해석되기는 어렵다. 거주지 인근은 주택, 도로 및 기타 시설물이 분포하는 생활권 공간으로서 구조물 설치를 위한 부지 확보와 시공 여건 측면에서 제약이 크기 때문이다. 따라서 거주지 구간에서 일부 높은 저감률이 나타나더라도 이는 이론적으로 하류부에 가까운 위치에서 토석류를 직접 차단할 경우의 효과를 보여주는 결과로 해석하는 것이 타당하며, 실질적인 설치 적지는 거주지 하류 또는 내부가 아니라 거주지 상류의 설치 가능 구간에서 우선적으로 검토되어야 한다.
이러한 관점에서 보면 본 대상지에서는 거주지 상류부에 위치한 상류 및 중상류 후보지 가운데 비교적 높은 설계 높이를 적용한 시나리오가 현실성과 저감효과를 동시에 확보할 수 있는 대안으로 판단된다. 즉, 거주지 구간 자체에 구조물을 배치하는 방식보다는 토석류가 생활권으로 유입되기 전에 상류측에서 유동량과 에너지를 선제적으로 저감하는 방식이 보다 실효적인 계획 대안이라 할 수 있다. 따라서 본 연구의 결과는 단순히 저감률이 가장 큰 지점을 찾는 데 그치지 않고, 설치 가능성까지 고려할 경우 거주지 상류부의 후보지 중에서 상대적으로 높은 저감효과를 보이는 위치를 우선 선정하는 것이 합리적임을 보여준다.
4.3 설치된 사방댐에 대한 성능 평가
연구대상지에는 실제 사방댐이 설치되어 있으나, 해당 구조물의 설계 높이, 두께, 너비 및 저사부 형상과 같은 세부 제원은 공개자료를 통해 확인하기 어려워 직접적인 재현모의를 수행하는 데에는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 실제 설치된 사방댐의 정확한 구조 제원을 그대로 모형화하기보다는, 실제 설치 위치를 시나리오 분석 결과와 연계하여 그 성능을 간접적으로 평가하고자 하였다.
Figs. 3, 4의 정사영상을 기준으로 확인한 결과 실제 설치된 사방댐은 토석류 발원점으로부터 약 80 m 및 190 m 지점에 설치된 것으로 파악되었다. 이는 모두 거주지 구간의 하류 또는 내부가 아니라 거주지 상류의 설치 가능 구간에 해당하며, 토석류가 생활권으로 유입되기 전에 상류측에서 유동량과 에너지를 선제적으로 저감하려는 배치 개념에 부합한다. 즉, 실제 설치 위치는 본 연구에서 도출한 설치 가능 후보지 체계와 비교할 때도 실무적으로 타당한 위치에 해당하는 것으로 판단된다.
Fig. 6의 시나리오 결과를 살펴보면 80 m 지점은 상류부 후보지 가운데 비교적 높은 저감효과가 기대되는 구간으로 나타났다. 특히 사방댐 높이가 증가할수록 저감효과가 크게 향상되었으며, 저높이 조건에서는 효과가 제한적이지만 중⋅대형 규모의 조건에서는 매우 높은 저감률을 보였다. 이는 발원부에 가까운 상류측에서 토석류를 조기에 저지할 경우 하류부로 전달되는 유동량을 크게 줄일 수 있음을 의미한다. 반면 190 m 지점은 중상류부 후보지에 해당하며, 상류 최적 후보지에 비해서는 저감효과가 다소 낮을 수 있으나, 설치 높이가 충분할 경우 여전히 의미 있는 저감효과를 확보할 수 있는 구간으로 나타났다. 따라서 실제 설치된 두 사방댐은 각각 상류부와 중상류부에서 토석류를 단계적으로 제어하는 기능을 수행하도록 배치된 것으로 해석할 수 있다.
이와 같은 결과는 실제 설치된 사방댐의 성능을 절대적인 수치로 검증한 것은 아니지만 적어도 설치 위치 측면에서는 시나리오 분석 결과와 부합하는 합리적인 대안이었음을 시사한다. 특히 80 m 지점은 본 연구의 시나리오 결과상 우수한 저감효과를 보이는 상류 후보지에 해당하며, 190 m 지점 또한 추가적인 저감효과를 기대할 수 있는 중상류 구간에 위치한다. 따라서 본 대상지의 실제 사방댐 배치는 거주지 상류에서 토석류를 선제적으로 제어한다는 점에서 재해 저감 목적에 부합하는 것으로 평가된다.
다만 본 평가는 실제 사방댐의 정확한 설계 제원을 반영한 직접 평가가 아니라 설치 위치를 기준으로 한 시나리오 기반의 간접 평가라는 한계를 가진다. 향후 실제 사방댐의 높이, 폭, 유효 저사용량 및 시공 후 지형변화 자료가 확보된다면 보다 정밀한 모의분석과 성능 검토가 가능할 것으로 판단된다.
4.4 프로그램의 활용성 및 한계
본 연구에서 개발한 프로그램은 기준모의 결과와 지형정보를 바탕으로 사방댐 후보지를 자동 생성하고 각 후보지의 설치 가능 여부와 저감효과를 정량적으로 비교할 수 있도록 구성되었다. 사용자는 입력자료와 주요 매개변수만 조정함으로써 사방댐 설치 간격, 설계 높이, 폭 등 다양한 조건에 대한 시나리오를 손쉽게 사전평가할 수 있으며, 동일한 분석 체계를 다른 대상지에도 적용할 수 있다. 또한 CUDA 기반 GPU 병렬연산을 적용하였기에 하나의 시나리오를 분석하는데 1~2분 정도가 소요되었다. 이러한 빠른 계산 속도는 다수의 후보지에 대한 반복 모의를 비교적 효율적으로 수행할 수 있으므로 사방댐 계획 및 설계 단계에서 우선 검토가 필요한 설치 대안을 신속하게 선별하는 데 유용하다. 특히 기존의 수작업 기반 분석에서는 후보지 선정, 지형 단면 검토, 조건별 모의 수행 및 결과 정리에 많은 시간이 소요되고 분석자의 판단에 따라 반복성과 일관성이 저하될 수 있으나, 본 프로그램은 후보지 생성부터 시나리오별 모의, 저감효과 산정 및 결과 표출 과정을 일련의 자동화된 절차로 수행함으로써 분석 시간을 단축하고 동일 기준에 따른 반복 평가와 결과 비교를 가능하게 한다.
다만 본 프로그램은 몇 가지 한계를 가진다. 첫째, 본 연구는 2019년 포항 기북면에서 발생한 토석류 사례를 대상으로 프로그램의 적용성을 검토하였으므로 다양한 유역면적, 지형 경사, 토석류 발생 규모 및 유로 조건을 갖는 다른 대상지에 대한 일반화 가능성은 아직 충분히 검증되지 않았다. 둘째, 현재는 단일 사방댐 시나리오를 독립적으로 분석하는 구조이므로 복수 사방댐의 조합 효과를 직접 평가하기 어렵다. 셋째, 구조물 형상이 완전 차단형 사방댐으로 가정되어 있어 부분적으로 유출⋅월류가 발생하는 슬릿형⋅투과형 사방댐에 대해선 해석이 어렵다. 넷째, 구조물을 고정된 지형조건으로 취급하므로 토석류 충격이나 구조적 손상에 따른 사방댐 파괴 시나리오는 고려할 수 없다. 따라서 향후에는 다양한 대상지에 대한 적용성 검토와 함께 다중 설치 시나리오, 투과형 사방댐, 그리고 구조물 파괴⋅세굴을 고려한 해석 기능으로의 확장이 필요하다.
5. 결 론
본 연구에서는 토석류 수치모형과 지형정보를 연계하여 사방댐 설치 시나리오를 자동으로 생성하고, 각 시나리오의 피해 저감효과를 정량적으로 비교할 수 있는 자동분석 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램은 기준모의 결과를 바탕으로 사방댐 후보지를 생성하고 후보지별 설치 가능 여부와 저감효과를 자동으로 산정함으로써 다양한 설치 대안을 신속하게 비교할 수 있도록 설계되었다.
2019년 경상북도 포항시 북구 기북면 토석류 사례에 적용한 결과 기준모의는 실제 피해 양상을 합리적으로 재현하였으며, 사방댐의 저감효과는 설치 위치와 설계 높이에 따라 크게 달라지는 것으로 나타났다. 특히 사방댐 높이가 증가할수록 전반적인 저감효과가 향상되었고 동일한 높이에서도 국부 지형조건과 저사용량, 설계 가능 여부에 따라 효과 차이가 크게 나타났다. 또한 실제 설치된 사방댐은 거주지 상류의 설치 가능 구간에 위치한 것으로 확인되어 시나리오 결과와 비교할 때 비교적 합리적인 설치 대안으로 평가되었다.
따라서 본 프로그램은 토석류 대응 사방사업의 계획 및 설계 단계에서 다양한 설치 대안을 빠르게 사전평가하고 우선 검토 후보지를 선별하는 데 유용한 도구로 활용될 수 있다. 다만 현재는 단일 사방댐 시나리오, 폐쇄형 사방댐 형식, 비파괴 조건에 한정된다는 한계가 있으므로, 향후 다중 설치 시나리오와 구조물 파괴를 포함한 해석으로 확장될 필요가 있다.
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