LAHARZ_py 프로그램을 이용한 라하르 범람지역의 예측: 백두산 화산에 적용 Prediction of Lahar Flow Inundation Areas Using LAHARZ_py Program: Application for the Mt. Baekdu Volcano원문보기
북한과 중국의 국경에 위치한 백두산은 전형적인 산지 지형으로 잠재적 분화 가능성이 있는 화산이다. 화산지대에서 발생하는 라하르는 인명과 재산에 큰 피해를 줄 수 있는 주요 화산 재해 중 하나이다. 백두산에서 발생할 수 있는 라하르에 의한 영향을 포괄적으로 다루기 위하여 Laharz_py 프로그램을 이용하여 침수영역을 수치모의 하였다. 백두산의 근위위험지역경계(proximal hazard zone boundary; PHZB)를 설정하기 위하여 수치표고모델(DEM)에 추가적인 750 m의 고도를 가정하여 수치모의에 필요한 H/L비를 0.10으로 설정하였다. 수치모의를 위하여 발생 가능한 라하르의 부피를 각각 $1{\times}10^6$, $5{\times}10^6$, $1{\times}10^7$, $5{\times}10^7$, $1{\times}10^8$, $5{\times}10^8$, $1{\times}10^9m^3$으로 설정하였다. 수치모의 결과, 압록강(남쪽), 두도송화강, 금강하, 화피하(이상 서-남서쪽), 송강하, 소사하, 조자하, 삼도송강하(이상 서-북서쪽), 두도백하, 이도백하, 삼도백하(이상 북쪽), 오도백하 및 그 지류에 해당하는 3개의 하천(북동쪽), 그리고 두만강(동쪽) 등 15개의 하천이 근위위험지역경계에 위치하였다. 본 연구 결과는 백두산에서 발생할 수 있는 화산 재해에 의한 피해 저감 대책수립을 위한 재해위험도를 작성함에 있어 기초 자료로 활용할 수 있다.
북한과 중국의 국경에 위치한 백두산은 전형적인 산지 지형으로 잠재적 분화 가능성이 있는 화산이다. 화산지대에서 발생하는 라하르는 인명과 재산에 큰 피해를 줄 수 있는 주요 화산 재해 중 하나이다. 백두산에서 발생할 수 있는 라하르에 의한 영향을 포괄적으로 다루기 위하여 Laharz_py 프로그램을 이용하여 침수영역을 수치모의 하였다. 백두산의 근위위험지역경계(proximal hazard zone boundary; PHZB)를 설정하기 위하여 수치표고모델(DEM)에 추가적인 750 m의 고도를 가정하여 수치모의에 필요한 H/L비를 0.10으로 설정하였다. 수치모의를 위하여 발생 가능한 라하르의 부피를 각각 $1{\times}10^6$, $5{\times}10^6$, $1{\times}10^7$, $5{\times}10^7$, $1{\times}10^8$, $5{\times}10^8$, $1{\times}10^9m^3$으로 설정하였다. 수치모의 결과, 압록강(남쪽), 두도송화강, 금강하, 화피하(이상 서-남서쪽), 송강하, 소사하, 조자하, 삼도송강하(이상 서-북서쪽), 두도백하, 이도백하, 삼도백하(이상 북쪽), 오도백하 및 그 지류에 해당하는 3개의 하천(북동쪽), 그리고 두만강(동쪽) 등 15개의 하천이 근위위험지역경계에 위치하였다. 본 연구 결과는 백두산에서 발생할 수 있는 화산 재해에 의한 피해 저감 대책수립을 위한 재해위험도를 작성함에 있어 기초 자료로 활용할 수 있다.
Mt. Baekdu which located the border of North Korea and China, is known as a potentially active volcano in a typical mountainous terrain. A lahar on the volcanic area is one of the important hazard that can cause the loss of life and property damage. In order to comprehensively address the impact of ...
Mt. Baekdu which located the border of North Korea and China, is known as a potentially active volcano in a typical mountainous terrain. A lahar on the volcanic area is one of the important hazard that can cause the loss of life and property damage. In order to comprehensively address the impact of lahar hazard at Mt. Baekdu, we simulated lahar inundation area using Laharz_py. We assumed 750 m of additional elevation for DEM to draw proximal hazard zone boundary (PHZB) of Mt. Baekdu that H/L ratio are selected 0.10. And lahar volumes for simulation were estimated to $1{\times}10^6$, $5{\times}10^6$, $1{\times}10^7$, $5{\times}10^7$, $1{\times}10^8$, $5{\times}10^8$, $1{\times}10^9m^3$, respectively. In the results, 15 streams are located near a proximal hazard zone boundary, Amnok (Yalu) river (south), Toudaosonghua river, Jinjiang river and Huapi river (west-southwest), Songjiang river, Xiaosha river, Caozi river and Sandaosongjian river (west-northwest), Toudaobai river, Erdaobai river and Sandabai river (north), Wudaobai river-1, -2, -3 (northeast) and Duman (Tumen) river (east). The results of this study can be used as basic data to make a hazard map for reduce the damage that can be caused by volcanic hazards occurred on Mt. Baekdu.
Mt. Baekdu which located the border of North Korea and China, is known as a potentially active volcano in a typical mountainous terrain. A lahar on the volcanic area is one of the important hazard that can cause the loss of life and property damage. In order to comprehensively address the impact of lahar hazard at Mt. Baekdu, we simulated lahar inundation area using Laharz_py. We assumed 750 m of additional elevation for DEM to draw proximal hazard zone boundary (PHZB) of Mt. Baekdu that H/L ratio are selected 0.10. And lahar volumes for simulation were estimated to $1{\times}10^6$, $5{\times}10^6$, $1{\times}10^7$, $5{\times}10^7$, $1{\times}10^8$, $5{\times}10^8$, $1{\times}10^9m^3$, respectively. In the results, 15 streams are located near a proximal hazard zone boundary, Amnok (Yalu) river (south), Toudaosonghua river, Jinjiang river and Huapi river (west-southwest), Songjiang river, Xiaosha river, Caozi river and Sandaosongjian river (west-northwest), Toudaobai river, Erdaobai river and Sandabai river (north), Wudaobai river-1, -2, -3 (northeast) and Duman (Tumen) river (east). The results of this study can be used as basic data to make a hazard map for reduce the damage that can be caused by volcanic hazards occurred on Mt. Baekdu.
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문제 정의
본 연구에서는 백두산에서 라하르가 발생할 경우에 대비하여 Laharz_py 프로그램을 이용한 사전 수치모의를 통해 그 영향 범위를 파악함으로써 근접화산재해로부터 야기될 수 있는 인명과 재산의 피해를 최소화하는 데 목적이 있다. 또 본 연구 결과는 백두산에서 라하르에 대비한 근접화산재해 방재 대책 수립 및 라하르 재해-분대지도(Hazard zone map) 작성을 위한 기초자료로 제공되어질 것이다.
가설 설정
(2013)은 백두산 분화로 인한 화산이류모델링을 위한 LAHARZ의 적용 연구에서 H/L비를 Wan et al.(2012)이 에너지-선 모형(Energy-line model) 을 이용하여 산정한 0.07로 가정하여 사용하였다. Kim et al.
(1998)은 신속하게 재현할 수 있고 객관적인 침수 (Inundation) 및 도달범위를 예측하는 경험 및 통계기반의 예측 방법을 개발하였다. 이들은 또한 멀리까지 영향을 줄 수 있는 원위 라하르는 근위 소스로부터 발생한 것으로 가정하였고, 산정상부나 화산 사면의 높은 곳에 위치한 호수의 붕괴에 의한 발생한 홍수, 화성쇄설류, 암석사태나 얼음눈사태 등으로부터 전형적으로 진화하여 갑작스럽게 발생하는 라하르에 초점을 맞추었다. 비록 라하르가 하류 쪽으로 이동하면서 성분과 크기가 진화하긴 하지만 Iverson et al.
제안 방법
100 m, 70 m, 50 m 해상도의 백두산 DEM을 이용하여 ‘수치고도자료 전처리 및 하천 산정단계’의 채움한계치(Fill threshold) 값과 흐름한계치(Stream threshold) 값을 다양하게 적용하며 그 결과를 비교해 보았다.
, 2014). VEI와 분출물의 상관 관계로부터 각 VEI를 대표할 수 있는 분출물의 양을 1~2 가지 경우로 나누어 산정하였다. 즉 VEI 2의 경우 1×106 m3, 5×106 m3, VEI 3의 경우 1×107 m3, 5×107 m3, VEI 4의 경우 1×108 m3, 5×108 m3, VEI5의 경우 1×109 m3으로 산정하였다.
고도보정을 하지 않은 경우(Yun et al., 2016)의 H/L 비 0.07에 근거한 근위위험지역경계가 +750 m 고도 보정을 하여 계산한 H/L비 0.10과 0.11의 근위위험지역경계 사이에서 거의 유사하므로(Fig. 2), 본 연구에서는 +750 m 고도보정을 한 H/L비 0.10을 기준으로 라하르 근위위험지역경계에서 발원하는 하천을 대상으로 라하르 수치모의를 실시하였다.
백두산 지역에서 라하르 침수 범람범위 예측 수치모의에서 가장 핵심적인 입력 상수인 H/L비를 0.10, 백두산에서 발생 가능한 라하르 부피를 각 하천 당 1×106, 5×106, 1×107, 5×107, 1×108, 5×108, 1×109 m3으로 정하여, 10 m × 10 m 해상도의 DEM자료를 이용하여 수치 모의하여 각 도달거리와 침수범위 범람면적을 파악하였다(Fig 3).
하천의 지형 구배와 폭이 각각 다르므로, 같은 체적의 수치모의에서 도달거리는 하천별로 다르게 나타난다. 본 연구에서 하천은 모두 DEM자료를 기반으로 한 경사도로부터 산정된 자연하천만을 고려하였는데, 백두산 산록에서 발원하여 근위위험지역경계를 통과하여 하류 쪽으로 연결되는 압록강과 두만강으로 포함하여 중국내의 송화강 상류 지류 등 총 15개수계에 대하여 수치 모의결과를 제시하였다.
본연구에서는 라하르 피해 예상 범위를 사전에 파악하여 방재에 사용하는 것이 목적이므로 정밀하게 영향 범위를 표현할 수 있는 정밀도가 높은 10 m × 10 m 해상도 DEM을 적용하였다.
압록강과 두만강에서 95% 신뢰수준에 대하여 라하르의 침수면적과 도달거리의 범위를 구하였다. 통계학에서 신뢰수준이란 특정한 통계치가 특정구간(영역)내에 존재할 확률을 의미한다.
09로 산정하여 시나리오 기반 수치 모의 결과를 보고하였다. 이들 연구에서는 백두산의 천지 칼데라 외륜산의 최고 높이인 2,750 m로부터 주변사면에서의 경사를 고려하여 H/L비를 계산하여 적용하였다.
입력 상수의 민감도에 따라 백두산의 지형구배비(H/L 비), 흐름 방향, 예상 라하르의 부피를 시나리오의 영향 변수로 성정하였고, H/L비는 칼데라의 지형을 보정하여 0.10으로, 흐름 방향은 근위위험지역경계로부터 발원 가능한 수계 15개 하천의 하류 방향으로, 발생가능한 라하르 부피는 1×106 , 5×106 , 1×107 , 5×107 , 1×108 , 5×108 , 1×109 m3 를 적용하여 시나리오를 작성하고 이에 따라 수치모의를 진행하였다.
1985년 11월에 이 화산이 분화하여 대기 중으로 약 30 km 높이의 플리니식 분연주를 뿜어내었다. 화성쇄설류에 의해 촉발된 분연주의 연속적인 붕괴는, 산 정상부의 빙하를 녹여 엄청난 양의 물을 방출하였다. 화성쇄설성 암설과 혼합된 홍수 물은 고밀도의 슬러리를 형성하면서 시속 100 km의 속도로 강 계곡들을 따라 이동하면서 그 이동 경로에 있는 모든 것들을 쓸어버렸다.
이론/모형
라하르 부피 산정은 화산폭발지수(Volcanic explosivity index; VEI, Newhall and Self, 1982)를 기준으로 산정하였다(Kim et al., 2014). VEI와 분출물의 상관 관계로부터 각 VEI를 대표할 수 있는 분출물의 양을 1~2 가지 경우로 나누어 산정하였다.
성능/효과
백두산에서는 성층화산의 사면 경사면으로부터 외삽법으로 최고 고도를 산출하면, 칼데라 형성 전의 원추형 화산체의 높이에 해당하는 3,500 m가 나오므로, 현재 외륜산의 최고 고도(2,750 m)에 750 m를 더한 3,500 m로 H/L비를 산정할 필요가 있다. Fig. 1은 본 연구에서 제안하는 최고 고도를 3,500 m로 하는 시나리오에 따른 라하르 근위위험지역경계(PHZB)를 나타낸 것으로, H/L비가 0.07에서 0.15로 증가함에 따라 해당 근위 위험지역경계가 산정부를 향하여 좁아짐을 확인할 수 있었다. Kim et al.
백두산 동쪽의 두만강 상류지역은 라하르 부피가 1×106 , 5×106 , 1×107 , 5×107 , 1×108 , 5×108 , 1×109 m3로 증가함에 따라 PHZB로부터 영향 거리는 2.8, 5.8, 8.2, 14.2, 19.0, 44.9, 72.2 km까지 영향을 미치는 것으로 나타났다.
(2013)은 백두산 지역의 움푹 패인 골짜기의 깊이를 알아보기 위해 추가적인 모델링을 해본 결과, 25 m 미만의 움푹 패인 곳이 많은 것을 알 수 있었다고 보고하였다. 수치 고도 자료의 해상도에 따른 움푹패인 곳의 수는 특정한 경향을 보이지는 않았으나, 해상도가 높아짐에 따라 하천 격자는 많이 산정되었다. 이는 높은 해상도의 DEM일수록 연속되는 격자의 수가 많은 결과로 풀이된다.
, 2013). 한편, 화산이류 침수 범위는 해상도와 관계없이 화산이류의 부피가 증가할수록 화산이류의 침수 범위와 면적은 증가하였고, 해상도에 따라 그 정도의 차이는 있었다. 해상도에 따라유의한 침수면적 또는 범위가 달라지므로 화산이류에 의한 침수범위 자료를 이용해서 의사결정을 내릴 경우 적정 해상도의 DEM을 이용해야 한다.
후속연구
py 프로그램을 이용한 사전 수치모의를 통해 그 영향 범위를 파악함으로써 근접화산재해로부터 야기될 수 있는 인명과 재산의 피해를 최소화하는 데 목적이 있다. 또 본 연구 결과는 백두산에서 라하르에 대비한 근접화산재해 방재 대책 수립 및 라하르 재해-분대지도(Hazard zone map) 작성을 위한 기초자료로 제공되어질 것이다.
15개 하천유역에 위치한 마을로는 두도백하, 이도백하 및 삼도 백하 유역의 이도백하진, 송강하와 두도송화강이 만나는 곳에 위치한 무송진, 조자하와 송강하가 만나는 지점에 위치한 송강하진, 화피하와 금강하가 두도송화강과 만나는 지점에 위치한 만강진, 오도백하 유역의 송강진 등이 있다. 본 연구에서 도출된 각 하천별 라하르 영향 거리는 백두산에서 라하르에 대비한 근접화산 재해 방재 대책 수립을 위한 기초자료로 제공되어질 것이며, 영향 거리 내에 위치한 마을들은 인명 및 재산의 피해를 최소화하기 위한 대비가 필요할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Laharz_py는 어떠한 언어로 제작되었는가?
Schilling(2014)에 따르면, Laharz의 최신 버전인 Laharz_py는 PythonTM 프로그래밍 언어로 제작되었으며, ArcGIS(10 혹은 그 이후 버전, Environmental Systems Research Institute(2012))에서 ArcMap toolbox에 포함된 7개 스크립트의 세트(이하 도구)로 작동한다. 7개의 도구는 각각 연산을 위한 추가 래스터 데이터셋을 생성(Create surface hydrology rasters), 사용자가 정의한 역치를 사용하여 신규 표면 수계를 생성 (Generate new stream network), 근위위험지역 생성 (Hazard zone proximal), 사용자가 입력한 부피로부터계산된 침수가능지역(원위위험지역)을 생성(Lahar distal zones), 사용자가 입력한 부피로부터 계산된 침수가능 지역과 함께 사용자가 선택한 신뢰도에 따라 변화되는 2개의 침수지역표시(Lahar distal zones with conf.
ArcMap toolbox에 포함된 7개의 스크립트 세트는 무엇인가?
Schilling(2014)에 따르면, Laharz의 최신 버전인 Laharz_py는 PythonTM 프로그래밍 언어로 제작되었으며, ArcGIS(10 혹은 그 이후 버전, Environmental Systems Research Institute(2012))에서 ArcMap toolbox에 포함된 7개 스크립트의 세트(이하 도구)로 작동한다. 7개의 도구는 각각 연산을 위한 추가 래스터 데이터셋을 생성(Create surface hydrology rasters), 사용자가 정의한 역치를 사용하여 신규 표면 수계를 생성 (Generate new stream network), 근위위험지역 생성 (Hazard zone proximal), 사용자가 입력한 부피로부터계산된 침수가능지역(원위위험지역)을 생성(Lahar distal zones), 사용자가 입력한 부피로부터 계산된 침수가능 지역과 함께 사용자가 선택한 신뢰도에 따라 변화되는 2개의 침수지역표시(Lahar distal zones with conf. levels), 각각 다른 침수유역을 결합(Merge rasters by volume), 그리고 래스터를 벡터 데이터 셋으로 변환 (Raster to shapefile) 등이다(Yun and Chang(2016)의 Fig. 1).
백두산화산지대에는 어떠한 것이 포함되는가?
백두산이 위치하는 백두산화산지대(Mt. Baekdu volcanic field)는 18,350 km 2 면적의 개마용암대지와 순상화산체, 그리고 백두산 성층화산체를 포함한다. 백두산 꼭대기에는 직경 약 5 km의 함몰칼데라 내에 ‘천지(天池)’라는 장경 4.
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