지상 LiDAR 및 Kanako-2D 를 이용한 토석류 피해지 분석

Analysis of Debris Flow Disaster Area Using Terrestrial LiDAR and Kanako-2D

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J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2016;16(5):113-118
Publication date (electronic) : 2016 October 31
doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2016.16.5.113
김영환*, 전계원***, 전병희
* Member. Master’s Course, Graduate School of Disaster Prevention, Kangwon University
*** Member. Professor, School of Fire & Disaster Prevention, Kangwon University
**Corresponding Author. Jun, KyeWon. Member. Professor, Graduate School of Disaster Prevention, Kangwon University. (Tel: +82-33-570-6816, Fax: +82-33-570-6501, E-mail: kwjun@kangwon.ac.kr)
Received 2016 May 20; Revised 2016 May 31; Accepted 2016 June 15.

Abstract

토석류 재해규모의 예측이나 효과적인 사방 구조물의 검토에 있어 토석류 수치모형은 매우 중요하다. 본 연구에서는 2009년 7월 토석 류 피해가 발생한 충북 제천지역을 대상으로 사방댐 설치 전·후에 따른 토석류의 유동특성과 피해범위를 산정하기 위해 토석류 수치모형인 Kanako-2D 모형을 적용하였다. 먼저 토석류 발생 전·후의 수치지도와 지상 LiDAR 측정자료를 이용하여 수치모의를 위한 기본자료를 구축하였다. 이를 활용하여 Kanako-2D 모형을 적용하여 사방댐 설치 전·후의 피해범위를 분석한 결과 사방댐 설치 전 11,232 mm2에 해당하는 면적에 토석류 피해가 발생하였으나 최대유동심 발생구간에 사방댐 설치 후에는 사방댐 설치 전에 비해 약 19% 저감된 9,160 mm2의 면적에 피해가 발생되는 것으로 분석되었다.

Trans Abstract

In the prediction of the scale of disaster from debris flow and the effective review of debris barrier, the numerical model of debris flow is very important. This study targeted Jecheon in Chungcheongbuk-do Province, which was hit by debris flow in July, 2009, and to find out the characteristics of debris flow depending on whether there is debris barrier or not and to measure the scope of damage, it applied Kanako-2D model, a numerical model of debris flow. First of all, basic data was collected for numerical simulation using numerical maps before and after debris flow and the measurement data of terrestrial LiDAR. Using this, Kanako-2D model was applied and the scope of damage before and after the construction of debris barrier was analyzed. The result showed that damage from debris flow occurred on 11,232 mm2 area before the construction of debris barrier but after constructing the debris barrier in the area of maximum flow depth, damage occurred on 9,160 m2 area, about 19% reduction compared to the scope prior to debris barrier.

1. 서론

최근 기후변화에 의해 빈번하게 발생하는 태풍과 국지성 집중호우는 국토의 64% 가 산지로 되어 있는 우리나라에서 토석류 재해의 위험성을 증가시키고 있다. 토석류는 흙, 암석과 물이 섞여 일종의 연속유체처럼 이동하는 현상으로서, 이동 경로와 퇴적지점에 있는 시설물과 인명에 큰 피해를 입히는 자 연재해이다.(Kim (2008)) 국내에서 토석류 발생 및 피해사례 는 과거부터 있었지만 2000 년대 초반까지만 해도 관심이 거 의 없었다. 하지만 2000 년대 들어 발생한 태풍 ‘루사’, ‘매미’, ‘에위니아’ 등으로 많은 토석류가 발생하였고, 특히 2011 년 춘천시 마적산, 서울시 우면산에서 동시 다발적으로 발생한 토석류는 산림지역이 아닌 도시지역에서 발생하여 많은 인명 및 재산피해가 발생하였고, 이는 사회적인 문제로 크게 대두되었다(Kim (2013)). 이러한 토석류의 피해를 경감하거나 예 방하기 위하여 사방댐과 같은 효율적인 대책을 계획하는 것 과 토석류 피해의 규모예측을 위한 토석류 수치모형은 매우 중요하다.

국내·외의 주요연구는 Jun et al. (2010)이 토석류 피해가 발생한 충북 제천지역에 지상 LiDAR를 이용하여 토석류 발생 에 의한 침식, 퇴적량을 측정하였고, Lee et al. (2009)은 항공 라이다 DEM과 GIS를 이용하여 강원도 평창군의 토석류 발생 가능성을 분석하였다. Nakatani et al. (2008)는 산지하천에 서 발생하는 토석류해석을 위해 토석류 수치모형인 Kanako 모형을 개발하였고, Kim (2011); Mun (2014)은 토석류 피해 지역을 해석하기 위해 토석류 해석프로그램인 FLO-2D모델 을 이용하여 토석류의 유동특성과 적용성을 검토하였다. Cesca et al. (2008)은 토석류 해석모형인 RAMMS 모형과 FLO-2D모형을 같은 매개변수를 사용하여 이탈리아 북부지 역의 Dolomite 산맥에 적용하였고, Kim and Lee (2014)은 침식 및 퇴적작용 반영이 가능한 수치모형을 구현한 후 직선수 로에 대해 수치모의를 실시하였다. Jun et al. (2013)은 강원도 평창의 실물실험지역의 현장 조사자료를 이용하여 수치모의 를 수행하고, 사방댐 설치 유무에 따른 토석류의 저감효과를 분석하였다.

본 연구에서는 토석류 피해지 분석을 위해 지상 LiDAR를 이용해 고정밀도 DEM자료를 생성하여 수치모의를 위한 기본자료를 구축한 후, 토석류에 의한 침식 및 퇴적현상을 통합 하여 구현할 수 있는 Kanako-2D모형을 이용하여 사방댐 설치 전· 후의 토석류 유동특성과 확산범위 등을 비교 분석하였다.

2. 모형의 기본이론 및 측정장비

2.1 Kanako-2D모형

Kanako-2D모형은 산지하천에서 발생하는 토석류의 흐름 및 토석류 특성을 해석하기 위해 일본에서 개발된 토석류 수치 모형이다. Kanako-2D모형은 급경사의 계곡부에서는 토석 류의 유동·퇴적 과정을 재현 하는 1차원 해석과 완경사인 퇴적부에서는 2차원으로 토석류의 유동을 해석하는 통합모형을 적용하였다. 또한 Kanako-2D는 사방댐의 종류인 폐쇄형 (Closed Type)과 개방형(Slit Type)의 사방댐 설치가 가능한 장점을 가지고 있어 사방 구조물 설치 시 그 효과에 대한 모의수행이 가능하다. Fig. 1(a)은 1차원 모형의 좌표계와 흐름 모식도를 나타내었고, Fig. 1(b)는 2차원 모형의 평면 좌표계와 흐름 모식도에 대한 그림이다.

Fig. 1

Coordinates system and flow schematic diagram of 1D model and 2D model

2.2 지배방정식

Kanako-2D모형의 2차원 토석류 지배방정식으로는 물과 토사를 포함한 체적보존식 Eqs. (1), (2), 운동량방정식 Eqs. (3), (4), 하상변동식 Eqs. (5)을 사용하였다.

(1)ht+uhx+vhy=i
(2)Cht+Chux+Chvy=iC*
(3)ut+uux+vuy=gsinθwxτxph
(4)vt+uvx+vvy=gsinθwyτyph

여기서, h: 유동심, u: x방향의 유속, v: y방향의 유속, C: 토사 농도, z: 하상고, t: 시간, i: 침식, 퇴적 속도, ρ: 토석류 밀도, C*: 하상 퇴적물의 체적농도, θwx, θwy : x, y 방향의 수면 구배, τw, τy : x, y 방향의 하상 전단력이다.

2.3 지상 LiDAR

본 연구에서 지상 LiDAR 3D 스캐닝을 통해 정밀한 지형 자료를 구축하기 위해 사용한 장비는 RIEGL사의 LMS-Z210ii 로 반사율 80%기준에서 최대 측정거리 650 m, 수직 0°~80°, 수평 0°~360° 범위로 15 mm 의 오차수준으로 포인트를 획득 할 수 있으며 카메라와 GPS를 장착하면 측정 포인트의 RGB 값 및 절대좌표를 획득할 수 있다. GPS는 HUACE사의 X90 2주파 RTK(Real Time Kinematic) 기능 장비로 국토지리정보원에서 구축한 VRS(Virtual Reference System) RTK 시스템 을 이용하면 수평방향 ±20 mm+1 ppm의 정확도로 위치정보를 획득할 수 있다. Fig. 2는 지형조사에 사용된 LiDAR 장비의 간단한 기본 구성을 나타내고 있다.

Fig. 2

Constitution of Terrestrial LiDAR

3. 모형의 적용

3.1 연구대상지역

본 연구대상지역은 충청북도 제천시 봉양읍 공전리에 위치하며, 2009년 7월 14일 시간 최대강우량 64mm/hr, 누적강우 량 455 mm 의 집중호우로 인해 토석류 피해가 발생한 지역이 다. 지역의 특성은 유역면적 1.22km2, 최고해발고도 680m, 최저 275m, 평균 464m 로 나타났으며, 평균경사는 약 12°로 나타났다. Fig. 3은 연구대상지인 충북 제천시의 위치를 나타내고 있다.

Fig. 3

Study Area

3.2 Kanako-2D 적용

3.2.1 지형자료 구축

충북 제천시 일대에 발생한 토석류 피해지역을 해석하기 위해 토석류 피해 복구 전 지형을 지상 LiDAR로 측정하여 구축된 DEM자료(Fig. 4(c)) 를 활용하였다. 토석류 발생지점인 급경사 계곡부는 1차원 모형으로 설정하였고 토석류 피해가 발생한 퇴적부는 2차원 지형으로 구축하였다. 또한 사방댐 설치 전·후의 토석류 저감효과를 분석하기 위해 Kanako-2D 모형에 설치한 사방댐은 2010 년 시공된 폭 20 m 높이 5m의 사방댐이다 (Fig. 4(d)). Fig. 4 는 Kanako-2D 모형의 지형자료 구축화면과 사방댐 설치 위치를 나타낸 그림이다.

Fig. 4

Terrain Setting

3.2.2 유출토사량 및 첨두유량

Kanako-2D 모형에서 입력자료로 사용되는 토석류 첨두유량은 유출토사량을 근거로 산출하는 방법과 동일한 유역의 실측치가 있을 경우 실측된 자료를 바탕으로 토석류 첨두유량 을 산정하는 2가지 방법이 있다. 본 연구에서는 현장에서 지상 LiDAR로 측정한 지형자료와 기존의 수치지도를 중복시켜 클리핑 작업이 끝난 침·퇴적량 자료 (Fig. 5)를 토대로 실측된 유출 토사량 값을 산정하여 일본국토교통부 (2007) 에서 검증된 첨두유량 산출방법을 사용하였다. Fig. 5는 지상 LiDAR 를 이용하여 측정된 토석류 발생 후 대상지역의 침·퇴적량을 그래프로 표현한 그림이다.

Fig. 5

Directly measured erosion and deposition

평균 첨두유량과 총 유량의 관계는 Eqs. (6), (7) 과 같이 나 타낸다.

(5)QSP=0.01Q
(6)Q=Vdqp·C*Cd

여기서, Qsp 는 토석류 첨두유량 (m3/s), ∑Q 는 토석류 총 유량 (m3), Vdqp은 유출토사량 (m3), C*은 하상 퇴적물의 체적농도, Cd는 토석류 농도이다.

3.2.3 매개변수 산정

Kanako-2D 모형은 단일입경을 사용하기 때문에 연구지역 의 상류지점부터 하류지점까지 6개의 지점에서 각각 하상시료를 채취한 후 체가름 실험을 실시하여 얻은 대표입경 (2mm) 을 모형의 입력값으로 사용하였다. Fig. 6은 연구지역의 6개 지점에서 얻은 하상시료를 체가름 실험하여 얻은 입도 분포곡선을 나타내고 있다. 또한 현장에서 취득이 곤란한 입력 매개변수 값은 매뉴얼 상에서 주어진 값을 사용하였다 (Table 1)

Fig. 6

Particle Size Distribution Curve

Input Parameter

4. 결과분석

Kanako-2D 모형의 모의를 위해 구축된 자료를 모형에 입 력 한 후 토석류 피해가 발생한 대상지역에 적용하여 사방댐 설치 전 · 후의 토석류 유동심, 확산면적, 침식량, 퇴적량에 대해 분석하였다.

4.1 유동심 분석

그림 7의 (a), (b) 는 시뮬레이션 시작 후 최대 유동심이 발생 한 180 초 때의 모의결과를 상류, 중류, 하류로 구분하여 표현한 그림이다. Fig. 7(a) 는 사방댐 설치전 퇴적부 유동심 결과이며, 토석류 발생 후 상류, 중류, 하류유역의 중심부에서 0.25 m(붉은색)이상의 높은 유동심이 발생하였고, 유역의 외곽부근에서 0.01~0.04 m(푸른색)의 낮은 유동심이 발생하였다. 또한 상류지점에서 1.42 m에 해당하는 최대유동심이 발생하였다.

Fig. 8

Result of dam installation before and after

Fig. 7(b) 는 사방댐 설치 후 퇴적부 유동심 결과로 상류, 중 류 유역의 중심부에서 0.25 m(붉은색)이상의 높은 유동심이 발생하였고 중류, 하류지점에서는 대부분 0.01 m~0.04 m에 해당하는 낮은 유동심이 발생하였다. 사방댐설치 후퇴적부 상류지점에서 0.92 m의 최대유동심이 발생하여 사방댐 설치 이전과 비교하였을 때, 약 0.5 m의 유동심 저감효과가 나타났다.

Fig. 7

Analysis of flow depth (180sec)

4.2 확산범위 및 침 · 퇴적량 분석

사방댐 설치 전 ·후에 따른 모의결과는 Table 2 와 같다. 사방 댐 설치 이전 토석류가 발생하여 확산된 면적은 11232 m2, 침식량은 6567 m3, 퇴적량은 7019.5 m3로 분석되었고, 사방댐 설치 이후 확산면적은 9160 m2, 침식량은 4099 m3, 퇴적량은 5131 m3로 분석되었다. 사방댐 설치 이후의 저감효과는 침식 량 2468 m3(37.58%), 퇴적량 1888.5 m3(26.90%) 확산면적 2072 m2(18.45%) 의 저감효과를 확인하였다.

Debris flow reduction effects of dam installation before and after

5. 결론

본 연구에서는 토석류의 이동에 의해 피해가 발생한 지역에 지상 LiDAR를 활용하여 기본자료를 구축한 후 토석류 수치 모형인 Kanako-2D 모형을 적용하여 댐 설치 전과 후의 토석 류 유동특성과 확산에 대해 분석을 수행한 후 다음과 같은 결론을 얻었다.

Kanako-2D 모형의 사방댐 설치 전·후의 유동심 모의 결과 사방댐 설치 이전 퇴적부 상류지점에서 1.42 m 높이의 최대 유동심이 발생하였으나 사방댐 설치 후 동일지점에서 0.5m 감소한 0.92m의 유동심이 발생하였다. 사방댐 설치 전 ·후퇴 적부에서 발생한 토석류 이동에 따른 침식량, 퇴적량, 확산면적을 비교한 결과 사방댐 설치 후 침식량 37.50%, 퇴적량 26.90% 및 확산면적 18.45% 의 저감효과를 확인하였다.

현재 연구대상지의 하류에 민가, 비닐하우스 및 농경지 등이 위치되어 있고 토석류 발생 시 위험지역으로 분류되어 있으므로 향후 연구에서는 다양한 사방댐의 종류와 설치위치를 변화하여 추가적인 연구를 수행할 예정이다.

감사의 글

본 연구는 국민안전처 자연재해저감기술개발사업의 지원으로 수행한 ‘극한 강우사상을 고려한 다기능 토석류 유출방지 기술 개발’ [NEMA-자연-2014-74] 과제와 2013 년도 정부 (교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초 연구사업임(2013R1A1A4A01010397).

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Article information Continued

Fig. 1

Coordinates system and flow schematic diagram of 1D model and 2D model

Fig. 2

Constitution of Terrestrial LiDAR

Fig. 3

Study Area

Fig. 4

Terrain Setting

Fig. 5

Directly measured erosion and deposition

Fig. 6

Particle Size Distribution Curve

Table 1

Input Parameter

Parameters Value
Simulation continuance time (sec) 1800
Mass density of bed material(kg/m3) 2650
Mass density of fluid phase [water and mud, silt](kg/m3) 1200
Concentration of movable bed, C* 0.6
Manning’s roughness coefficient 0.03
Interval of 2D-x calculation points(m) 6
Interval of 2D-y calculation points(m) 6

Fig. 7

Analysis of flow depth (180sec)

Fig. 8

Result of dam installation before and after

Table 2

Debris flow reduction effects of dam installation before and after

Kanako-2D Erosion (m3) Deposition (m3) Diffusion Area (m2)
No Dam 6567 7019.5 11232
5m Dam 4099 5131 9160
Reduction Effects 2468 (37.58%) 1888.5 (26.90%) 2072 (18.45%)