1. 연구배경 및 목적
2011년 7월 서울시 우면산 일원에서 발생한 토석류(Debris Flow)는 지반공학, 수리학 기반의 동역학적 모델 개발의 계기가 되어 많은 연구사례가 보고되었다(Kang and Kim, 2015; Choi et al., 2014). 이러한 연구노력 중 간과되는 것이 토석류 발생이 시작되는 천층붕괴 현상이다. 국내 토석류의 대부분이 천층붕괴 후 계류로 유입된 유실토사가 포화⋅이동되면서 토석류화 하는 것이 일반적이다(Kim and Jang, 2014; Kim et al., 2015). 이러한 개념에 기초하여 조사된 우면산 토석류 피해 당시의 천층붕괴지(Shallow failure) 면적은 약 1.0 ha로서 우면산 491.3 ha의 0.2% 수준으로서 매우 작아 토사재해 대비 선제적 산지관리를 위한 예측이 매우 곤란함을 알 수 있다(Lee et al., 2016).
그간 산지의 직관적 관리를 지원해 온 분야와 방법은 사방학 분야의 지형해석 방법이었다. 토사일루방지(土砂溢漏防止; 砂防)를 기본개념으로 하는 사방학은 산지사면에서 물이 집중되고 분산되는 지점을 특정하고 이 지역에 대해서는 시간적, 공간적으로 물의 순차적 분산을 유도하는 공법을 제안하고 있다(Suzuki, 1977; Tamura, 1974; Tsukamoto and Minematsu, 1987). 과거에는 산지관리 과정이 경험에 의존해 왔으나, 최근 관련 개념이 GIS 기반의 전산모델로 구현되면서 천층붕괴에 관여하는 지형요소를 계량화 할 수 있게 되었다(Evans, 1980; Moore, 1991; Zeverbergen and Thorne, 1987). 게다가 LiDAR DEM의 활용이 가능해지면서 지형도 기반의 수치지형도가 갖고 있던 수목 피복에 의한 높이 오차량을 소거할 수 있어 지형요소와 천층붕괴지와의 관계해석이 보다 직관적으로 수행될 수 있는 환경이 되었다(Kang et al., 2006; Kim et al., 2014).
도심산지는 다양한 자연문화 활동 공간이 되고 있다. 이는 지표류의 이상 집중과 이로 인한 천층붕괴의 위험성을 높인다고 주장되었다(Lee, 2010). 향후 더욱 커질 강우강도는 지표류의 과집중을 심화시킬 것이며, 이에 천층붕괴의 위험성 또한 더욱 심화될 것으로 예상된다. 산지관리의 효율화를 위해 직관적인 관리 수단의 개발이 시급하다.
이 연구에서는 현장에서 적용 가능한 선제적 산지관리를 위한 기준 값을 제안하고자 한다.
2. 선행연구 사례
지형과 관련된 연구 중 물의 집중 및 분산과 관련된 분야는 방재라는 필요성에 의해 본격화되었다. 물의 이동을 결정하는 경사변환선(Turning line of slope)에 주목한 Tamura (1974)와 Lee et al.(2016)는 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), 수로(水路 Channel way)의 5개의 미지형으로 구분하였다. Tsukamoto and Minematsu(1987)는 Horton의 1차곡 직상부인 0차곡 구간에서 대부분의 천층붕괴가 발생하는 것에 착안하여 “0차곡 이론(0 次谷, Zero order basin)”을 제시하였다. 나아가 종단 및 횡단 곡률에 기반한 Suzuki(1977)의 사면형태 분류 기법을 차용하여 0차곡의 특징을 정리하였다. 그 후 Nishikane et al.(2015)는 소규모의 천층붕괴가 0차곡을 구성하는 곡벽사면 내에서 주로 발생한다고 보고 하였다.
GIS 툴과 정교한 DEM을 활용할 수 있게 되면서 국내에서도 계량적 지형분석과 천층붕괴와의 상관성을 설명하는 연구가 진행되었다. Ko et al.(2014)은 우면산 붕괴지를 대상으로 2가지의 경사도 분석방법과 경사향, 고도, 곡률에 대한 상관관계를 해석하였으며, 그 결과를 최대 경사방향 20~25°, 40~45°와 종단곡률이 오목한 지형이 상대적으로 산사태 발생빈도가 높다고 하였다. Kang et al.(2015)은 서울, 경기도, 강원도에서 발생한 산사태 및 토석류의 임계기준을 제시하기 위해 사면경사(Slope), 상대고도(Relative elevation), 사면곡률(Curvature), 상부사면기여면적(Upslope contributing area)의 지형학적 인자를 유사운송능지수(STI), 하천강도지수(SPI), 지형특성지수(TCI)와 습윤지수(TWI)로 해석하였으며, 그중 유사운송능지수(SPI)의 값이 크고, 지형특성지수(TCI)의 값이 음수이면서 절대 값이 클수록 토석류 발생가능성이 증가한다고 제시하였다. 또한 유사운송능지수(SPI)의 범위가 6.5 이상으로 증가하면 상부사면기여면적과 경사도가 커지게 되며, 지형특성지수(TCI)의 값이 양수라도 절대 값이 크면 상부사면기여면적의 증가로 인해 토석류가 발생 가능하게 된다고 하였다(Table 1).
Table 1
The Topographic Factors Concerning in Shallow Failure
| Study | Study area | Main factor (Range) | |
|---|---|---|---|
| Ko et al. (2014) | Mt. Umyeon (Landslide) | Maximum slope | 20~25°, 40~45° |
| Elevation | 100-150m | ||
| Aspect | No effect | ||
| Plan curvature | Convergent | ||
| Profile curvature | Straight | ||
| Kang et al. (2015) | Seoul-si Gyeonggi-do Gangwon-do (Landslide, Debris flow) | Slope | 15°< (Landslide, Debris flow) |
| Relative elevation | 0~100 (Landslide, Debris flow) | ||
| Plan curvature | -2~2 (landslide) <-2 (Debris flow, Convergent) | ||
| Profile curvature | -2~2 (landslide, Debris flow) | ||
| Upslope contributing area | 0~500 m2 (Landslide) 50~5,000 m2 (Debris flow) | ||
3. 자료 및 방법
3.1 연구대상지 및 연구절차
3.1.1 연구대상지 및 연구자료
2011년 7월 27일 재해 후 촬영된 항공사진과 수치도화기를 이용하여 우면산 일원의 붕괴지 형태 및 크기, 지형 등을 판독 및 도화하였다(Lee et al., 2016). 특히 우면산을 대상으로 한 선행연구에서 붕괴지의 형상, 크기에 대한 정교한 조사 자료가 없어 이 연구에서는 정사항공사진 상에서 붕괴지 원형이 파악되는 70개소를 추출하여 정밀 조사하였다.
DEM은 LiDAR data를 활용하여 3차원 국토공간정보구축작업규정의 1:1000 수치지형도 DEM기준에 따라 1×1 m의 간격으로 제작하였다. 또한 1 m 간격의 등고선을 제작하여 기초자료로 활용하였다.
3.1.2 연구절차
이 연구에서는 붕괴지의 지형량 자료 획득을 위해 붕괴지를 5가지로 유형화하고 가로, 세로의 길이와 면적을 조사하였다. 각 붕괴지에서 물의 집중과 분산에 관여하는 사면특성을 분류하기 위해 Ⓐ 사면 곡률(Curvature)을 활용하여 Suzuki가 정리한 9가지 형태의 산지사면으로 분류하였다. 또한 Tsukamoto의 0차곡 이론에 따라 산지에서 붕괴지 상부에 위치하며 지표류와 지중류가 집중하는데 기여하는 집수구역의 면적을 산정하기 위해 ⓑ 붕괴지 기준 상부의 면적을 상부사면기여면적(Upslope contributing area)으로 정의하고 그 면적을 산정하였다. Ⓒ 미지형은 Tamura의 기준을 적용하여 분류하였다. 위의 조사자료를 이용하여 천층붕괴와 산지지형 관계를 분석하고, 산지관리 방안을 제시하였다(Fig. 1).
3.2 붕괴지 판독
항공사진으로 제작된 스트레오 모델과 1×1 m DEM으로 확인된 붕괴지는 총 142개였으며, 이 중 붕괴지 원형이 확인된 것은 70개소로서 이들을 대상으로 붕괴발생지의 형태 및 지형적 특징을 조사하였다(Fig. 2).
3.3 산지지형 분석
3.3.1 경사도와 곡률의 분석
일반적으로 자연사면의 종, 횡단상 곡 부분 원호의 시작과 끝은 불분명하다. DEM 크기가 작으면 곡반경이 작은 계곡에서는 정교한 값을 얻을 수 있으나 자연사면에서는 곡을 구성하는 원호의 형상이 불분명하여 곡 반경의 왜곡이 발생한다. 이에 이 연구에서는 Kernel 크기를 9×9로 증가시켰고 이를 지형분석 툴인 Landserf(Wood, 2004, http://www.landserf.org/, Ver 2.4)를 이용하여 구현하였다(Fig. 3).
Landserf는 Evans(1980)가 제시한 식을 기반으로 하며, 다음 Eq. (1)과 같이 두 개의 변수를 갖는 2차함수의 형태로 표면을 나타낸다.
여기에서, a, b, c, d, e, f는 추정될 상수이며, 각 격자 Cell의 높이 값 z_n과 격자 Cell의 크기 w에 따라 다음과 같이 나타낼 수 있다.
먼저, 경사도(slope)는 x, y 방향의 이동거리와 높이 z의 비율이며, 이 때 식은 다음과 같다.
여기에서, x와 y의 편도함수는 Eq. (1)을 기반으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.
이때, 구하고자 하는 Cell은 x, y의 값이 0이 됨으로, 경사도의 식은 최종적으로 다음의 Eq. (4)와 같이 나타낼 수 있다.
다음으로 곡률은 횡단곡률(Plan curvature)과 종단곡률(Profile curvature)로 구분하여 나타낼 수 있다. 곡률해석에 대한 수학모델은 Evans(1980), Zeverbergen and Thorne (1987), Moore et al.(1980)가 제시한 것이 대표적이며 이를 활용한 Landserf, Surfer, ArcGIS와 SAGA 등의 GIS 소프트웨어가 있다. 이때 활용되는 식에 따라 오목 및 볼록 사면형상을 나타내는 값의 ± 부호가 다르고 경우에 따라 100을 곱하여 해석하는 것으로 확인되었다(Table 2). Landserf에서 활용된 횡단곡률(Plan curvature)과 종단곡률(Profile Curvature)의 식은 Eq. (1)을 기초로 하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Table 2
The Sign Meaning and Formular for Calculating the Curvature by GIS S/W
| S/W | Landserf | ArcGIS | SAGA | Surfer | |
|---|---|---|---|---|---|
| Formular | Evans (1980), Wood (1996) | Zeverberen and Thorne (1987) | Moore et al. (1991) | ||
| Plan Sign Value | Convergent | + | - | - | + |
| Divergent | - | + | + | - | |
| Profile Sign Value | Concave | - | + | - | + |
| Convex | + | - | + | - | |
3.3.2 상부사면기여면적의 분석
상부사면기여면적(Upslope contributing area)은 1차곡이 시작되는 지점의 집수(集水, Catching water)에 영향을 미칠 수 있는 상부의 면적이다. 이 연구에서는 ArcGIS 10.01을 활용하여 8방향 흐름모델(D8)을 기반으로 상부사면기여면적을 추정 하였다. 흐름방향(Flow direction)은 DEM의 중심 Cell과 인접한 8개 Cell의 높이(z) 비교를 통해 결정되며, 흐름누적(Flow accumulation)은 흐름방향이 결정된 Cell의 누적 가중치로 계산된다. 이때 상부사면기여면적은 흐름누적에 Cell 면적을 곱하여 계산하였다(Jenson and Domingue, 1988).
3.4 산지지형의 분류
3.4.1 산지사면의 구분
산지사면은 GIS 상에서 산정되는 횡단곡률과 종단곡률의 값을 이용하여 Suzuki(1977)가 제시한 9가지 사면분류 방법에 따라 구분하였다. 횡단곡률에서 1 이상의 값은 오목, –1 이하의 값은 볼록, 1과 –1 사이의 값은 평탄지형으로 구분하였고, 종단곡률에서는 1 이상의 값은 볼록, –1 이하의 값은 오목, 1과 –1 사이의 값은 평탄지형으로 구분하였다(Fig. 4).
3.4.2 계류차수의 추정
이 연구에서의 계류차수는 Horton-Strahler의 체계를 따랐으며 천층붕괴와 밀접한 관계가 있는 0차곡까지 분류하였다(Tsukamoto, 1987). 이를 위해 Lee et al.(2016)의 방법과 같이 등고선을 기준으로 0차곡과 1차곡을 분류하였다. 이후 1차곡의 평균 상부사면기여면적(Upslope contributing area)을 계측하고 연구대상지의 0차곡 및 1차곡을 확인하였다.
3.4.3 산지지형의 구분
이 연구에서는 Tamura(1974)가 제시한 기준에 따라 산지지형을 분류하였다. Fig. 5와 같이 산지의 정부를 따라 경사 0~30° 정도의 볼록 또는 평탄한 지형을 정부사면(Crest Slope), 정부사면 하단의 경사가 급변하는 경사 20~40° 정도의 사면을 곡벽사면(Side Slope), 곡벽사면에 둘러싸인 경사 15° 정도의 지점은 곡두요지(Head Hollow), 곡두요지 아래 경사 5~25° 지점은 녹부사면(Foot Slope), 그리고 수로(Channel way)는 수 십 cm에서 수 m의 범위이다(Table 3).
Table 3
The Tamura’s Criteria for Classifying the Micro Topography (1974)
| Tamura (1974) | Classification Standard | Note |
|---|---|---|
| Crest Slope | Slope: 0~30° | Convex Segment, Facet |
| Side Slope | Slope: 20~40° |
Upper: Convex Segment Lower: Convex Segment |
| Head Hollow | Slope: 15° (approximately) | Surrounding Side Slope |
| Foot Slope | Slope: 5~25° | The Lower Part of Head Hollow |
| Channel Way | Length: 10cm ~ Several m | Between Side Slope |
4. 결과 및 고찰
4.1 붕괴지 판독 결과
선행연구에서는 천층붕괴 시작점의 단변 및 장변의 길이, 붕괴 면적, 경사도 및 곡률을 산정하는 기준이 명확하지 않았다(Ko et al., 2014; Kang et al., 2015). 이에 길이, 면적 측정의 기준을 설정하기 위해 붕괴원형이 확인되는 70개소에 대해 항공사진판독으로 붕괴지 형상을 5개로 유형화하였고, 그 결과는 ① 31개, ④ 17개, ⑤ 10개, ③ 8개, ② 4개의 순이었다(Table 4).
Table 4
The Area and Slope Surveyed by the Failure Type
붕괴지의 평균면적은 67.27 m2이었고, 면적 분포별 붕괴지의 개소는 0~25 m2 24개소, 25~50 m2 25개소, 50~75 m2 9개소, 75~100 m2 3개소, 100 m2 이상에서 9개소로서 50 m2 이하의 소규모에서 70.0%의 붕괴가 발생한 것으로 확인되었다. 이때 붕괴형태와 면적의 관계를 보면 ① 25.50 m2, ② 33.38 m2, ③ 53.77 m2, ④ 63.70 m2, ⑤ 227.20 m2의 크기로 붕괴형태별 평균면적이 다른 것을 확인하였다. ⑤는 임도, 등산로 등의 인공구조물 절⋅성토사면에서 발생하여 상대적으로 면적이 큰 것으로 확인되었다(Fig. 6).
또한, 붕괴지의 평균경사는 29.52°이었으며, 0~15° 3개소, 15~25° 13개소, 25~35° 42개소, 35~45° 10개소, 45° 이상에서 2개소로 확인되어 25~35°에서 60.0%의 붕괴지가 위치한 것을 확인하였다(Fig. 7).
붕괴지와 경사도에 관한 선행연구에서 20~25°와 40~45°에서 붕괴발생빈도가 높은 것으로 보였으나(Ko et al., 2014), 이 연구에서는 붕괴지의 경사범위가 다소 다르게 확인되었다. 그 이유는 붕괴지의 경사 측정시 고해상도의 DEM으로 붕괴면적에 대한 경사의 평균을 값을 활용하였기 때문에 붕괴면적을 대표하는 경사의 분포가 다양해져 그 값이 달라진 것으로 판단되었다.
4.2 산지지형의 분류 결과
우면산을 대상으로 산지사면을 9종으로 구분한 결과, 데이터가 누락된 지역을 제외한 총 면적은 약 4,214,232 m2이었으며, 면적의 크기는 Fig. 4의 ②- 23.9%, ⑧- 20.3%, ①- 14.8%, ⑨- 13.5%, ⑤- 8.3%, ③- 6.7%, ⑦- 6.6%, ⑥- 3.1%, ④- 2.9%의 순으로 나타났다(Fig. 8).
이때 붕괴는 횡단곡률이 오목(+)한 ⑧, ⑨, ⑦의 사면에서 총 붕괴개소의 75.7%인 53개소가 발생하는 것으로 나타났고, 특히 횡단곡률이 오목(+)하고, 종단곡률이 평탄한(0) 사면인 유형 ⑧에서 34개소(48.6%)가 발생한 것으로 확인되었다(Fig. 9).
4.3 붕괴지와 계류의 차수 및 곡의 분석 결과
변성암으로 형성된 우면산의 0차곡을 구성하는 상부사면기여면적을 조사한 결과, 평균 17,000 m2 정도인 것으로 확인되었다. 0차곡은 1차 계류의 상부 또는 1차 이상 계류의 곡벽사면에 위치하였고, 이때 상부사면기여면적은 약 17,000 m2 이하에서 부터 형성되었다. 붕괴지는 0차곡에서 54개소, 1차곡에서 13개소, 2차곡에서 3개소가 발생하였다(Fig. 10).
붕괴지의 상부사면기여면적의 평균은 약 1,758m2로 확인되었으며, 상부사면기여면적의 범위에 따른 붕괴지의 수는 0~250 m2 33개, 250~500 m2 14개, 500~1,000 m2 8개, 1,000~5,000 m2 9개, 5,000 m2 이상에서 6개로 나타났다. 이때 0~250 m2의 범위를 보인 붕괴지의 평균 상부사면기여면적은 79.0m2으로 작은 값을 보였으며, 5000 m2 이상의 평균 상부사면기여면적 14,163 m2으로 큰 값을 보였고, 붕괴의 형상 ⑤에 해당되었다. 유형 ⑤는 횡단곡률 ±2~3의 오목 또는 볼록의 산주름으로 둘러싸인 산정부를 가정했을 때, 시설물의 대지와 선형의 도로 등이 설치되면서 각 산주름의 횡단 부분 오목한 부분에 종횡으로 큰 성토사면이 형성되어 있다가 일제히 붕괴되면서 큰 면적이 측정된 것으로 판단되었다(Fig. 11).
4.4 붕괴지와 산지지형의 분석 결과
우면산의 경사는 0~58°의 분포를 보였으나, 40도 이상의 경사는 1.1%로 점유율이 낮았다. 경사분포는 20~25°에서 가장 넓은 면적을 보였고, 최대 또는 최소 경사로 갈수록 면적이 줄어드는 경향을 보였다(Fig. 12).
지형분류는 경사도를 5°의 경사변환선을 기준으로 재분류하였다. 이때 우면산을 대상으로 지형을 분류한 결과 경사변환선을 따라 지형을 분류할 수 있는 것으로 확인되었다(Fig. 13).
능선의 경우 0~30°의 범위를 보였으며 경사가 25° 이상으로 급변하는 지점에서 곡벽사면이 위치하였다. 곡벽사면은 경사가 가장 급한 것으로 나타났으며 주로 25~58°의 범위를 보였다. 곡두사면의 기준은 1차 계류가 끝나는 지점의 상부와 곡벽사면에서 경사가 20° 이하로 완만해지는 지점으로 확인되었다. 곡두사면의 범위는 대부분 10~20°도를 보였다. 수로는 1차 이상의 계류를 기준으로 하였으며, 녹부사면은 수로와 곡벽사면 사이 10~20°의 범위로 다소 완만한 지점으로 분류하였다. 분류결과를 Table 5와 같이 정리하여 Tamura (1974)의 지형분류 기준과 비교한 결과 대부분 비슷한 경향이었으나, 곡벽사면, 녹부사면에서 약 5° 정도의 차이를 보였다. 여기에서, 국내 실정에 맞는 분류기준의 일반화를 위해서는 추가적인 데이터의 확보가 필요할 것으로 판단되었다.
Table 5
The Criteria Classifying the Micro Topography of Tamura(1974) and this Study
| Mountainous topography | Tamura (1974) | This study (2017) |
|---|---|---|
| Crest slope | Slope: 0~30° | Slope: 0~30° |
| Side slope | Slope: 20~40° | Slope: 25° < |
| Head hollow | Slope: 15° (approximately) | Slope: 10~20° |
| Foot slope | Slope: 5~25° | Slope: 10~20° |
| Channel way | Length: 10cm ~ Several m | Stream(Over 1st) |
또한, 산지지형 분류에 따른 붕괴의 위치는 급경사지인 곡벽사면에서 57개소, 곡두사면에서 9개소, 정단사면에서 3개소, 수로에서 1개소가 발생하였다(Fig. 14).
5. 결론
이 연구는 지형공간정보를 활용하여 토사재해이력이 있는 서울시 우면산을 대상으로 지형을 분류하고 천층붕괴와의 상관성을 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
(1) 산지사면은 횡단곡률과 종단곡률의 값의 범위에 따라 구분되며, 붕괴는 횡단곡률이 오목(+)한 지형에서 약 76%가 발생하였고, 특히 횡단곡률이 오목(+)하고 종단곡률이 평탄(0)한 지형에서 약 49%가 발생하였다. 따라서 산지토사재해 방지사업은 횡단곡률이 오목한 지형이 우선이 되어야 할 것으로 판단되었다.
(2) 상부사면기여면적을 기준으로 0차곡의 범위를 추정한 결과 상부사면기여면적이 약 17,000 m2 이하의 범위에서 형성되었고, 천층붕괴는 상부사면기여면적이 500m2 이하인 지점에서도 다수 발생하였으므로 산지관리의 기본단위는 소규모의 상부사면기여면적으로 구성된 0차곡이 되어야 할 것으로 판단되었다.
(3) 경사변환선을 기준으로 산지지형을 분류한 결과 정부사면은 0~30°의 범위를 보였고, 여기에서 경사가 25°이상으로 급격하게 높아지는 지점에 곡벽사면이 위치하였다. 곡두사면은 주로 곡벽사면으로 둘러싸여 있었으며 경사의 범위는 10~20°이었다. 녹부사면은 1차곡의 하부에 위치하였고 그 경사의 범위는 10~20°이었다. 또한 수로는 1차 이상의 계류로 설정할 수 있었다. 산지지형에 따른 붕괴는 곡벽사면에서 약 81%가 발생하였으므로 산지관리의 주요 대상지는 정부사면에 위치한 경사변환점 약 25° 이상이 되는 곡벽사면이 되어야 할 것으로 판단된다.
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