1. 서론
토사재해의 발생은 대규모피해를 동반하는 재해로서 국내외에서 다양한 연구와 수리실험이 수행된 자연재해 분야이다. 2000년대 이전에는 토사재해 발생에 따른 강우량이나 간극수압등의 연구가 수행되었으며 2000년 이후에는 수리실험을 통한 총 강우량과 강우강도 그리고 토사재해 저감시설에 대한 연구가 주로 수행되었다. 국내외 선행연구로는 Takahashi, T. (1980), Ikeya, H. (1981), Kim et al.(2011)은 수로의 경사가 운동 내부마찰각과 정지 내부마찰각의 비율보다 작거나, 수로의 경사가 10° 이하부터 토사 및 유송잡물의 퇴적이 발생된다고 제시하였다. 상기 연구는 수로의 경사조건에 따라 토사 및 유송잡물의 퇴적이 발생되는 지점을 산정하였을 뿐 대상유역 운영을 통한 강우발생시 토사 및 유송잡물 퇴적 특성에 대한 모니터링 연구는 수행되지 않았다.
토사재해 발생과 강우량에 대한 연구로는 Caine, N. (1980)과 Finlay et al.(1997)은 강우강도-지속시간에 따라 산사태가 발생되는 기준강우설정 연구를 진행하였다. Jeong et al. (2011b)과 Okura et al.(2002)은 수리실험을 통해 집중호우 또는 100 mm/hr 강우강도를 적용하여 토사재해의 연구를 수행하였다. Ikeya(1989)은 1일 강우량이 200 mm 이상이거나 강우가 하루이상 지속되고 평균 강우강도가 10 mm/hr 이상일 경우 산사태가 발생한다고 제안하였으며 Olivier et al.(1994)은 산사태의 시작은 누적강우량 보다는 강우강도가 더 많은 영향을 미친다고 제시하였다. 또한, Song et al.(2017a), Song (2017c)은 총 강우량이 30 mm 이상이거나 9 mm/hr 이상일 때 배수로에 유송잡물이 퇴적되어 배수로의 유지관리가 필요하다고 제안하였다. 토사재해 발생에 대한 연구는 주로 수리실험을 활용한 총 강우량이나 강우강도에 대하여 수행되었으며 강우지속시간별 강우강도에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 수리실험을 통한 유송잡물에 관련된 대표적인 연구는 Chae et al.(2007), Kim et al.(2010), Chae et al.(2006), Jeong et al.(2011a) 등이 있다. 이들은 수리실험을 통해 강우강도에 따른 간극수압과 함수비의 관계를 규명하고 사면경사에 대한 토사 및 유송잡물에 대한 흐름특성을 파악하였다. Song et al.(2017b), Song(2017c)는 배수로 저감시설별 유송잡물의 포착효율을 산정하여 배수로 저감시설의 설치방안을 제안하였다. 상기연구는 토사 및 유송잡물의 흐름특성이나 저감시설의 설치방안 연구가 수행되었을 뿐 토사나 유송잡물의 퇴적이 발생되는 강우특성에 대한 연구는 수행되지 않았다.
국내외에서 수행된 토사재해 관련 연구는 대규모 피해에 대한 재해원인이나 저감시설 등의 연구가 진행되었을 뿐 토사재해를 유발하는 주변시설물에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 배수로에 퇴적된 유송잡물은 설계빈도 이하의 강우에도 월류피해를 발생시킬 수 있는 원인이 되며, 월류로 인한 토양의 과포화는 토사재해의 가능성을 증가시킨다. 따라서, 배수로 유송작물 퇴적 특성에 대한 연구는 배수로 통수능력확보 측면에서 중요한 연구이다. 본 연구에서는 배수로 유송잡물 퇴적 특성을 강우지속시간별-강우강도로 정량화하고자 한다. 1년간의 모니터링을 수행하여 배수로 저감시설에 퇴적 특성을 검토하고, 모니터링 결과를 바탕으로 유송잡물 퇴적이 발생하는 지속시간별 강우강도의 관계를 회귀식과 지속시간별 강우강도의 상관성을 제시하였다.
2. 대상유역 현황
2.1 대상유역
본 연구에서는 배수로 저감시설의 퇴적 특성을 연구하기 위해 ‘세종시 남세종로 한국개발연구원 게스트 하우스 인근’을 대상유역으로 선정하였으며 사방시설을 기준으로 좌측으로 450 m, 우측으로 450 m 총 900 m에 걸쳐 배수로가 위치하고 있다. 대상유역에 위치하고 있는 배수로에는 Song (2017c)에서 개발한 저감시설이 배수로 크기에 따라 좌측 배수로에는 7개의 저감시설이, 우측 배수로에는 11개의 저감시설이 Fig. 1과 같이 설치되어 있다. 대상유역에 설치된 저감시설은 강우발생시 배수로로 유입되는 유송잡물을 포착하는 시설로서 Song et al.(2017a)과 본 연구의 대상유역에 설치된 배수로 저감시설의 특성은 동일하다.
대상유역의 사방시설을 제외한 배수로 저감시설 18개의 총 유역면적은 82,282 m2이며 각 저감시설별 유역면적은 Table 1과 같다. 배수로 저감시설별 유역면적은 L04의 452 m2부터 R03의 29,883 m2의 크기로 나누어져 있으며 R01부터 R05까지, L04는 500 mm 배수로가 R06부터 R11까지, L01부터 L03, L05부터 L07까지는 300 mm 배수로에 저감시설이 설치되었다.
Table 1
Basin Characteristics of Drainage Reduction Facility
2.2 강우발생특성
대상유역 인근에 위치한 기상청 관할 강우관측소는 대전, 청주, 천안이 위치하고 있다. 대상유역 인근에 위치한 강우관측소를 통해 티센다각형(Thissen Polygon Method)을 작성하였으며 대상유역의 강우자료는 대전 관측소의 관측자료를 활용하여 분석하였다(Fig. 2).
대상유역 인근에 위치하는 대전관측소의 강우자료는 2015년 10월부터 2016년 9월까지 1년 동안 관측된 강우자료를 활용하여 분석하였다. 대전관측소의 관측자료는 10분단위 강우자료를 사용하였으며 1시간이상 무강우 발생시 강우사상을 분리하여 1년동안 발생한 강우사상은 총 57회로 Fig. 3과 같다.
모니터링 수행기간 동안 대상유역에서 발생한 강우사상의 특징은 Table 2와 같다. 대전관측소의 2015년 10월부터 2016년 9월까지 발생한 총 강우사상은 57회이며, 총 강우량은 935 mm, 평균 강우량은 16.4 mm가 발생하였다.
Table 2
Rainfall Characteristics
3. 지속시간별 강우강도에 따른 유송잡물 퇴적 특성
3.1 모니터링을 통한 지속시간별 강우강도 특성
대상유역의 배수로 저감시설 설치 후 1년 동안 24회의 모니터링과 강우관측자료에 대한 지속시간별 강우특성을 검토하였다. 모니터링은 1달에 2회 수행하였으며, 유지관리를 통해 기존 강우로 인해 퇴적된 유송작물의 영향은 배제하였다. 대상유역의 모니터링은 총 24회가 진행되었으며 그 중 3회(8회, 9회, 23회)는 강우가 발생하지 않았으며 1회 관측에 1개의 강우사상에서 많게는 11개의 강우사상이 발생하였다. 배수로 저감시설에 퇴적된 유송잡물은 총 강우량뿐만 아니라 지속시간별 강우강도의 크기에 따라 유송잡물의 이동이 발생하므로 강우사상별 총 강우량, 지속시간별 강우강도 특성을 분석하였다. 1년 동안 관측된 모니터링의 강우특성은 평균 16.4 mm, 최대 124 mm, 최소 2 mm가 발생하였으며 지속시간별 10분, 20분, 30분, 40분, 50분, 60분의 강우특성은 Table 3과 같다.
Table 3
Rainfall Intensity Characteristics of Duration Times
3.2 유송잡물에 따른 지속시간별 최대 강우강도 특성
대상유역에 설치된 배수로 저감시설의 유송잡물 퇴적 특성은 모니터링 24회 동안 강우사상은 57개가 발생하였으며 총 7회의 유송잡물 퇴적이 관측되었다. 7회의 유송잡물 모니터링에는 최소 2개에서 최대 11개의 강우사상이 발생되었다. Table 3과 같이 모니터링 1회에 포함된 강우사상 중 유송잡물의 퇴적이 발생한 강우사상을 선정하기에는 어려움이 있다. 따라서, 본 연구에서는 배수로 저감시설의 유송잡물 포착기준을 모니터링 1회에 발생한 강우사상 중 지속시간별 최대 강우강도를 선정하였다. 모니터링 24회 중 무강우 3회를 제외한 배수로 저감시설에 유송잡물 퇴적이 발생한 7회와 유송잡물의 퇴적이 발생하지 않은 14회의 지속시간별 10분, 20분, 30분, 40분, 50분, 60분의 최대 강우강도의 특성은 Table 4와 같다.
Table 4
Maximum Rainfall Intensity Characteristics of Duration Times
대상유역에 설치된 배수로 저감시설 중 유송잡물 퇴적이 7회 발생한 좌측배수로 no.7번에서 퇴적된 유송잡물의 특성은 Fig. 4와 같다.
4. 유송잡물 퇴적과 지속시간별 강우강도의 적용성 평가
4.1 지속시간별 강우강도에 따른 유송잡물 퇴적 특성 평가
모니터링과 강우관측 자료를 활용하여 지속시간별 강우강도에 따른 배수로 저감시설의 유송잡물 퇴적 특성 산정식을 제안하고자 한다. 본 연구에서는 대상유역의 모니터링이 강우발생 후 진행되기 때문에 실시간으로 퇴적되는 유송잡물의 특성을 검토하기에는 어려움이 있다. 그래서, 대상유역의 모니터링 결과를 기반으로 지속시간별 강우강도에 따른 유송잡물 퇴적 관계를 분석하였다. 배수로 저감시설의 모니터링 결과는 각 강우사상에 대한 지속시간별 최대 강우강도를 Table 4에 제시하였으며, 유송잡물의 퇴적이 발생된 지속시간별 최저 강우강도를 통해 배수로 저감시설에서 유송잡물의 퇴적이 발생되는 회귀식을 Fig. 5와 같이 산정하였다.
지속시간별 배수로 저감시설에 퇴적이 발생되는 회귀식은 Eq. (1)와 같으며 R-squared 값은 0.86의 상관성이 분석되었다. R-squared 값은 지속시간별 유송잡물 퇴적이 발생한 강우강도 6개에 대한 회귀식을 산정하였다.
여기서, DR: Debris sedimentation of Rainfall Intensity (mm/hr), DT: Duration Time (min), (10≤DT≥60)
4.2 유송잡물 퇴적 특성과 지속시간별 강우강도의 상관성 분석
유송잡물의 퇴적이 발생되는 지속시간별 강우강도에 대한 회귀식을 4.1절에서 산정하였다. 대상유역에서 진행한 1년간의 모니터링 결과 24회 관측에 57개의 강우사상이 발생하였으나 1회 모니터링에 1개 ~ 11개의 강우사상이 발생하여 유송잡물이 포착된 강우사상을 선정하기에는 어려움이 있다. 4.1절에서 제안한 회귀식을 적용한 유송잡물 퇴적 특성의 상관성을 평가하기 위해 모니터링 24회의 57개 중 1개의 강우사상만을 가지고 평가를 수행하였다. 각 모니터링에 대한 강우사상의 선정은 총 강우량이나 지속시간별 강우강도가 큰 값을 선정하여 모니터링의 대표 강우로 선정하였다. 모니터링과 유송잡물 퇴적 회귀식의 상관성 분석은 총 24회 모니터링 결과를 대상으로 유송잡물 퇴적과 유송잡물 미발생을 모두 고려하여 산정하였다. 배수로 저감시설에 강우발생시 유송잡물 퇴적이 발생되는 산정식에 대한 모니터링 결과의 상관계수(Correlation Coefficient)는 Eq. (2)를 활용하여 상관성을 분석하였다.
여기서, X: Debris Sedimentation), Y: Duration Times of Rainfall Intensity
모니터링 결과와 4.1절에서 산정한 유송잡물 퇴적 산정식에 대한 상관계수을 분석하였다. 지속시간별 강우강도에 따른 배수로 저감시설의 유송잡물 퇴적에 대한 상관계수는 10분 강우강도에서는 0.745, 20분 강우강도에서는 0.745,
30분 강우강도에서는 0.745, 40분 강우강도에서는 0.531, 50분 강우강도에서는 0.531, 60분 강우강도에서는 0.816으로 Table 5와 같이 분석되었다. 지속시간별 상관계수의 차이는 강우발생시 초기 10분, 20분, 30분은 배수로 주변의 유송잡물이 유입으로 상관계수가 높으며, 40분 이후에는 배수로 대상유역 상류지역에 위치한 유송잡물이 유입되는 시간이 있어 상관계수가 감소하다가 60분에서 강우발생시 유송잡물 포착에 따른 상관계수가 가장 높은 것으로 판단된다. 유송잡물 퇴적과 지속시간별 강우강도의 상관관계는 60분 강우강도에서 배수로 저감시설의 유송잡물 퇴적과 가장 높은 상관성이 있는 것으로 분석되었다. 이 결과는 Song et al.(2017b)에서 유송잡물 퇴적에 따른 유지관리방안의 강우특성을 총강우량과 60분 강우강도로 제안한 결과와도 일관성 있는 결과가 분석되었다.
Table 5
Correlation Coefficient for Debris Sedimentation and Rainfall Intensity of Duration Times
5. 결론
본 연구에서는 대상유역 배수로에 설치된 저감시설의 유송잡물 퇴적 특성에 대한 산정식과 지속시간별 강우강도의 상관성을 연구하였다. 대상유역의 배수로 유역면적은 82,282 m2, 총 연장 900 m에 저감시설이 18개가 설치되어 있으며 2015년 10월부터 2016년 09월까지의 모니터링 결과를 활용하였다. 배수로 저감시설의 유송잡물 퇴적 특성은 모니터링 24회 동안 발생한 57개의 강우사상에서 최대 강우강도를 선정하여 유송잡물 퇴적과 유송잡물 미발생을 분류하여 지속시간별 강우강도에 대한 유송잡물 퇴적 산정식 ‘DR = 22.84 – 0.71 × DT + 0.007 × DT2’을 제안하였다.
대상유역의 모니터링 24회 결과에서 각 모니터링을 대표하는 1개 강우사상을 선정하여 유송잡물 퇴적 산정식을 통해 유송잡물 퇴적 유무를 분석하고 실제 유송잡물 퇴적 모니터링 결과와의 상관관계를 분석하였다. 분석결과 60분 강우강도가 상관계수 0.816로 유송잡물 퇴적과 가장 상관성이 높은 지속시간 강우강도로 분석되었으며 Song et al. (2017b)의 결과와도 일관성있는 분석결과가 산정되어 유송잡물 퇴적에 따른 산정식과 지속시간 강우강도의 타당성을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 대상유역에 설치된 배수로 저감시설로 유입되는 유송잡물의 퇴적특성에 대한 모니터링 관측결과를 활용하여 연구를 수행하였다. 추후 CCTV 관측이나 유송잡물의 정량적인 관측이 추가된다면 강우발생시 유송잡물 퇴적에 따른 보다 정밀한 지속시간별 강우강도의 특성을 산정할 수 있을 것으로 예상된다.
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