산사태란 강우나 지진으로 인해 흙이나 암석이 균형을 잃고 중력 작용에 의하여 무너져 내리는 현상을 의미하며, 토석류는 산사태 등과 같은 붕괴로 인하여 무너진 흙, 바위, 유목 등이 계곡을 따라 하류부로 일시에 흐르는 현상으로, 주로 장마철과 태풍이 지나가는 여름철에 집중적으로 발생하고 있다.

최근 전 세계적으로뿐 만아니라 우리나라에도 이상기후로 인해 국지성 집중호우 및 태풍의 피해가 빈번해지면서 토석류 피해가 잦게 발생하고 있으며, 이로 인해 인명 및 재산피해도 크게 발생하고 있는 추세이다. 토석류는 계곡을 따라 하류부로 유하하여 하부지역에 분포하는 시설물에 피해를 발생시키며, 피해범위는 주거지 및 공공시설, 농경지 등 다양한 형태로 발생되기 때문에 사회⋅경제적 피해는 광범위하게 나타난다. 이러한 토석류 피해를 저감하기 위해서 산림청, 한국지질자원연구원, 국립재난안전연구원 등에서는 지형 및 지반특성 등이 고려된 GIS기반 산사태 위험지도를 작성하여 서비스 중에 있으며, 국립재난안전연구원에서는 급경사지 붕괴경보 및 대피기준 설정에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다(National Institute of Disaster and Safety, 2004; Korea Forest Service, 2006; KIGAM, 2009).

국내외 산사태 및 토석류 위험성 평가 및 위험지도 작성에 관한 연구동향을 살펴보면 국외의 경우 GIS 기술을 이용하여 무한평면사면안정모델을 통해 사면의 경사와 집수지역을 기반으로 하는 사면안정등급을 정의한 바 있으며(Montgomery and Dietrich, 1994), 무한평면사면안정모델에 동적인 수리 모델링을 접합시킨 더욱 정교한 모델을 제시하고(Wu and Sidle, 1995), 수리적 모델을 무한평면사면안정모델과 결합하여 사면 안정 분석을 위한 SINMAP을 개발하였다(Pack, 1995). 또한 토석류 발생 영향인자인 모암의 종류, 기반암 내단층의 길이, 사면파괴 면적, 사면 경사, 사면 방향, 계곡부 경사, 유역 면적, form factor, C factor를 선택하여 GIS를 이용하여 토석류 발생 위험도를 예측하였으며(Lin et al., 2002), 산간지방의 지역별 지형 및 지질정보를 중심으로 로지스틱 회귀분석을 수행하여 산사태 영향인자를 결정하고, 인자별 분석 계수를 제시하여 산사태 위험지도를 작성한 바 있으며(Ayalew et al., 2004), Deb and El-kadi (2009)는 SINMAP과 수문학적 모형을 이용하여 산사태의 민감성 평가를 실시하였다.

국내의 경우 금호강 유역을 대상으로 산사태 발생에 영향을 미치는 환경인자들을 추출하고 GIS와 원격탐사 기법을 활용하여 각 인자를 매트릭스 방법을 이용하여 산사태 취약성 지도를 작성한 바 있으며(Kim et al., 2005), 596개의 산사태 발생이력 자료와 산사태 발생요인 정보를 기초로 산사태 발생과 발생요인 간의 상관관계를 분석하고 분석 결과를 통해 가중치 및 위험도 인덱스를 통해 산사태 위험지도를 작성한 바 있으며(Yun et al., 2009), 토석류 발생지역에 대한 위험성 분석을 위해 통계적 기법과 결정론적 기법을 이용하여 GIS 기법을 통해 재해위험지도를 작성하였다(Jun and Oh, 2011).

Lee (2016)는 춘천지역을 대상으로 강우량조사와 주변의 지형, 수문, 토양, 지질요인들을 이용하여 GIS를 활용한 WOE모델 기법을 적용하여 산사태가 발생할 확률이 높은 지역을 선정하고 SINMAP을 통하여 토석류 위험지도를 작성하였으며 토석류 시뮬레이션 모델인 Flo-2D를 활용하여 물리학적 피해 지수 중 건물에 대한 리스크를 평가하였다.

그 밖에도 많은 연구자들이 토사재해와 관련된 많은 연구를 진행하고 있으나, 대부분의 산사태 및 토석류 위험지도는 피해를 유발하는 강우나 하부에 위치한 시설물들을 고려하지 않으며, 주로 경사도를 이용하여 발생위치를 예측하거나 위험지역을 선정하며, 피해지역의 시뮬레이션을 통해 위험성을 평가하거나 계측을 통해 이상 징후가 발견되었을 때 작동되는 예⋅경보시스템 또는 대피 기준을 선정하는데 집중되어 왔다(Choi et al., 2012).

따라서 본 연구에서는 2011년에 발생했던 서울시 우면산과 춘천시 마적산을 대상으로 토석류를 유발하는 강우를 고려하기 위하여 지속시간 9시간의 빈도별 확률강우량(30년, 100년, 200년)을 이용하여 분포형 강우-유출모형인 S-RAT에 적용하여 토사유출모형 RAMMS의 입력자료인 첨두홍수량과 유출총량을 산정하였다. 산정된 첨두홍수량과 유출총량을 RAMMS모형에 적용하여 빈도별 토석유동심(H), 토석유속(V)을 산정하였으며, 이를 통해 토석류 위해성지도를 작성하고, 국토교통부의 용도별 건축물의 종류(MOLIT, 2017)에 따라 하부의 시설물별 중요도로 분류하여 영향중요도지도를 작성하였다. 또한 작성된 토석류 위해성지도와 영향중요도지도를 위험도 매트릭스에 적용하여, 최종적으로 토석류 위험영향지도를 작성하였다.

우리나라의 토사재해는 6월부터 9월 여름철의 태풍 및 집중호우로 인해 발생한다. 2011년 서울시 서초구에 위치한 우면산과 강원도 춘천시의 마적산에서 발생한 토석류 피해 역시 7월 여름철에 국지성 집중호우로 인해 발생한 피해이며, 이로 인해 많은 인명과 재산 피해가 발생하였다.

연구 지역은 서울시 서초구 우면산 일대 중에 가장 많은 피해가 발생했던 래미안 아파트 일대와 강원도 춘천시 마적산의 많은 피해가 발생했던 마적산 하류부의 펜션과 민박 일대를 선정하였다. 당시 서울시 서초구 우면산 일대의 누적강우량을 살펴보면 9시간 동안 서초구 281 mm, 강남구 318 mm, 관악구 348 mm, 남현 358 mm, 강원도 춘천시의 경우 소양2교 261 mm, 지촌초교 257 mm, 천전리 306 mm 이상 강우가 발생하였다.

본 논문에서는 서울시 서초구 우면산 일대와 강원도 춘천시 마적산 일대의 1:5,000 수치지도를 활용하여 5 m × 5 m 격자의 DEM을 생성하였으며 토지이용도와 토양도 또한 동일한 크기로 생성하여 S-RAT 모형과 RAMMS 모형에 적용하였다. Fig. 1은 서울시 우면산 및 춘천시 마적산의 누적강우량을 나타냈으며, Fig. 2는 연구지역 및 피해사진을 나타냈다.

본 논문의 연구흐름도는 Fig. 3과 같다. 2011년 실제 토석류를 유발시킨 강우자료와 지속시간 9시간의 빈도별 확률강우량(30년, 100년, 200년)을 이용하여 Spatial Runoff Assessment Tool (S-RAT)모형에 적용하였고 토사유출모형인 Rapid Mass Move Simulations (RAMMS)모형의 입력자료인 첨두홍수량과 유출총량을 산정하여 사용하였다. RAMMS모형의 입력자료인 토사량은 일본 국토교통성에서 제시한 토사량 산정식에 근거하여 산정하였다(Kim, 2011). 또한 실제 발생했던 토석류 피해 범위와 RAMMS모형에서 산정되는 피해 범위는 상이하기 때문에 Net Sucsess Index (NSI) 정량지수를 이용하여 RAMMS 모형의 최적의 매개변수를 산정하여 적용하였으며, 토석유동심(H)와 토석유속(V)을 산정하여 토석류 위해성지도를 작성하였다(Nam et al., 2016). 영향중요도지도는 3단계 높음, 중간, 낮음으로 분류하였으며, Fig. 3의 연구흐름도에 나타냈다. 또한 피해지역 하부에 있는 시설물을 국토교통부 용도별 건축물의 종류(MOLIT, 2017)를 이용하여 피해 범위내의 시설물에 대해 국한하여 시설물 중요도를 주거지역의 경우 높음, 제1종 근린시설과 제2종 근린시설은 중간, 그 외 논, 밭 등을 낮음으로 분류하여 영향중요도지도를 작성하였으며, 위해성지도와 영향중요도지도를 위험도 매트릭스에 적용하여 토석류 위험영향지도를 작성하였다.

본 논문에서는 서울시 우면산 일대와 춘천시 마적산 일대를 대상으로 토석류 위험영향지도를 작성하기 위하여 토석류를 유발하는 빈도별(30년, 100년, 200년) 강우분석을 실시하여 토석류 수치모형 RAMMS의 입력자료인 첨두홍수량 및 유출총량을 산정하였으며, 산정된 빈도별(30년, 100년, 200년) 첨두홍수량 및 유출총량을 RAMMS모형에 적용하여 토석유동심 및 토석유속을 산정하였다. 분포형 강우-유출모형 S-RAT을 이용한 강우분석 결과와 토석류 수치해석모형 RAMMS를 이용한 결과 및 NSI 정량지수를 이용한 매개변수 최적화에 대한 결과는 Nam et al. (2016)에서 제시한 최적매개변수를 사용하였다.

서울시 우면산과 춘천시 마적산의 토석류 위험영향지도 작성 결과 서울시 우면산의 경우 아파트 A-1, A-2, A-5, A-6은 위해성지도에서는 위험등급이 낮음이나, 영향중요도지도로 볼 때 위험등급 높음으로 산정되었으며, 위험영향지도에서는 위험등급 높음으로 산정되었다. C-1은 위해성지도나 중요도에서도 위험등급 중간으로 산정되었으며, 위험영향지도에서도 중간 등급으로 산정되었다. 실제로 C-1은 토석류 피해로 인해 완파되어 재건축되었다. A-3, A-4의 경우 30년 빈도일 때에는 피해를 받지 않으나 100년, 200년 빈도일 때 피해가 발생하였으며, 위해성지도에서는 위험등급이 낮음으로 산정되었으나 영향중요도지도로 볼 때는 높음 등급으로 산정되었고, 위험영향지도에서도 위험등급 높음으로 산정되었다. R-1은 위해성지도에서 높음 등급으로 나타났고, 영향중요도지도에서는 중간으로 산정되었으나 위험영향지도로 산정하였을 때 높음 위험등급으로 나타났다.

춘천시 마적산은 P-1, P-2, P-3, H-1은 30년 빈도일 경우 피해를 받지 않으며 100년, 200년 빈도부터 피해가 발생하며, 위해성지도에서의 위험등급은 낮음, 영향중요도지도로 보았을 때 중간등급으로 산정되었으며, 위험영향지도에서는 위험등급 낮음으로 산정되었다. P-4, P-5, P-6 또한 위해성지도에서 낮음 등급으로 산정되었고, 영향중요도지도 또한 중간등급으로 산정되었다. R-1, R-2는 위해성지도에서 중간등급으로 산정되었고, 영향중요도지도 또한 중간등급으로 산정되어 위험영향지도에는 중간등급으로 산정되었다. F-1, F-2는 위해성지도로 볼 땐 위험등급이 중간등급이나, 영향중요도지도로 볼 땐 낮음, 위험영향지도 또한 낮음으로 산정되었다. H-1은 100년 빈도 및 200년 빈도일 일 때 위험영향지도에서는 높음 등급으로 산정되었으며, H-2의 경우 위해성지도에서는 중간등급이나, 영향중요도지도에서는 높음 등급으로 위험영향지도에서 높음 등급으로 나타났다. 실제로 H-2는 토석류로 인해 많은 피해가 발생한 곳이다. C-1은 중간등급, C-2는 30년, 100년 빈도일 때 낮음 등급으로 보이나 200년 빈도일 때 중간등급으로 산정되었다. C-3, C-4, C-5는 위해성지도 및 영향중요도지도에서 중간등급으로 나타났고, 위험영향지도에서 또한 중간등급으로 산정되었다(Tables 4, 5). Figs. 4, 5는 서울시 우면산과 춘천시 마적산의 토석류 위해성지도를 나타냈고, Fig. 6은 시설물 영향중요도지도를 나타낸 것이며 Figs. 7, 8은 위험영향지도를 나타낸 것이다.

본 논문에서는 2011년 토석류 피해지역인 서울시 우면산 일대와 춘천시 마적산 일대를 대상으로 토석류 위험영향지도를 작성하기 위해 빈도별 확률강우량(30년, 100년, 200년)을 이용하여 분포형 강우-유출모형 S-RAT에 적용하여 토석류를 유발하는 인자인 첨두홍수량과 유출총량을 산정하였으며, 산정된 첨두홍수량과 유출총량을 이용하여 토석류 수치해석 모형인 RAMMS에 적용하여 빈도별 토석유동심(H)과 토석유속(V)을 산정하였다. 토석류의 피해를 극대화시키는 인자인 토석유동심과 토석유속을 이용하여 빈도별 토석류 위해성지도를 작성하여 높음, 중간, 낮음 3단계로 분류하였다. 또한 토석류로 인해 하부에 피해를 받는 시설물을 국토교통부 용도별 건축물의 용도(MOLIT, 2017)에 의거하여 높음, 중간, 낮음 3단계로 분류하였으며, 최종적으로 위해성지도와 영향중요도지도를 위험도 매트릭스에 적용하여 토석류 위험영향지도를 작성하였다. 서울시 우면산 및 춘천시 마적산의 토석류 위험영향지도 작성 결과 서울시 우면산의 경우 30년의 빈도에서 A-1, A-2, A-3, A-4, A-5, A-6, R-1 모두 동일하게 높음 등급으로 나타났으며, C-1은 중간 등급으로 나타났다. 100년 빈도 및 200년 빈도는 모두 동일하게 높음 등급으로 나타났다. 또한 춘천시의 경우 30년의 빈도에서는 F-1, F-2, C-1, C-2, P-1, P-2, P-3, P-4, P-5, P-6이 낮음 등급, C-3, C-4, C-5, R-1, R-2가 중간 등급, H-2가 높음 등급으로 나타났으며, 100년 빈도 및 200년 빈도에서는 피해 규모가 커지면서 H-1이 높음 등급으로 나타났다. 이러한 결과를 볼 때 토석류의 피해 규모도 중요한 인자이나 하부의 구조물의 용도(주거지, 식당, 나지 등) 및 구조물의 재료(콘크리트, 조적조, 목조 등)에 따라 피해가 크게 달라진다. 따라서 본 논문에서 작성한 토석류 위험영향지도를 전국적으로 작성하여 도시계획 및 방재계획에 이용한다면 신규 구조물의 재료 결정이 가능할 것이라 판단된다. 향후 연구계획으로는 하부의 구조물이 받는 외력(Pressure)과 구조물의 재료별에 따라 저항하는 저항력(Resistance)을 고려하여 위험영향지도를 개선할 계획이다.