With the increase in frequency of typhoons and heavy rains following the climate change, the scale of damage from the calamities in the mountainous areas has been growing larger and larger, which is different from the past. For the case of Korea where 64% of land is consisted of the mountainous area...
With the increase in frequency of typhoons and heavy rains following the climate change, the scale of damage from the calamities in the mountainous areas has been growing larger and larger, which is different from the past. For the case of Korea where 64% of land is consisted of the mountainous areas, establishment of the check dams has been drastically increased after 2000 in order to reduce the damages from the debris flow. However, due to the lack of data on scale, location and kind of check dams established for reducing the damages in debris flow, the measures to prevent damages based on experience and subjective basis have to be relied on. Under this study, the high-precision DEM data was structured by using the terrestrial LiDAR in the Jecheon area where the debris flow damage occurred in July 2009. And, from the numerical models of the debris flow, Kanako-2D that is available to reflect the erosion and deposition action was applied to install the erosion control facilities (water channel, check dam) and analyzed the effect of reducing the debris flow shown in the downstream.After installing the erosion control facilities, most of debris flow moves along the water channel to reduce the area to expand the debris flow, and after installing the check dam, the flow depth and flux of the debris flow were reduced along with the erosion. However, as a result of analyzing the diffusion area, flow depth, erosion and deposition volume of the debris flow generated from the deposition part after modifying the location of the check dams with the damages occurring on private residences and agricultural land located on the upstream area, the highest reduction effect was shown when the check dam is installed in the maximal discharge points.
With the increase in frequency of typhoons and heavy rains following the climate change, the scale of damage from the calamities in the mountainous areas has been growing larger and larger, which is different from the past. For the case of Korea where 64% of land is consisted of the mountainous areas, establishment of the check dams has been drastically increased after 2000 in order to reduce the damages from the debris flow. However, due to the lack of data on scale, location and kind of check dams established for reducing the damages in debris flow, the measures to prevent damages based on experience and subjective basis have to be relied on. Under this study, the high-precision DEM data was structured by using the terrestrial LiDAR in the Jecheon area where the debris flow damage occurred in July 2009. And, from the numerical models of the debris flow, Kanako-2D that is available to reflect the erosion and deposition action was applied to install the erosion control facilities (water channel, check dam) and analyzed the effect of reducing the debris flow shown in the downstream.After installing the erosion control facilities, most of debris flow moves along the water channel to reduce the area to expand the debris flow, and after installing the check dam, the flow depth and flux of the debris flow were reduced along with the erosion. However, as a result of analyzing the diffusion area, flow depth, erosion and deposition volume of the debris flow generated from the deposition part after modifying the location of the check dams with the damages occurring on private residences and agricultural land located on the upstream area, the highest reduction effect was shown when the check dam is installed in the maximal discharge points.
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문제 정의
본 연구에서는 지상 라이다(Light Detection And Ranging : LiDAR)를 이용하여 토석류 발생지역에 고정밀도 수치표고모형(Digital Elevation Map : DEM)을 구축한 후 토석류 수치해석 모형인 Kanako-2D모형에 적용하였다. 그리고 기 설치되어 있는 사방시설의 저감효과를 분석한 후 위치별로 사방댐위치를 변경하여 사방댐의 시공적지를 예측함으로서 산지사면에서 발생하는 재해에 대한 피해를 최소화함을 목적으로 한다.
따라서 본 연구에서는 사방댐의 시공적지 선정을 위해 토석류 발생 후 피해복구가 이루어진 2014년 지형자료를 이용하여 계곡부에 설치된 사방댐을 제거한 후 모델링을 실시하였다. 그리고 사방댐이 없을 경우 계곡부에서 발생하는 최대유동심 발생지점과(site1) 최대 유량 발생지점(site2), 최대유속 발생지점에(site3) 기 설치되어 있는 동일한 제원의 사방댐을 설치하여 퇴적부에서 발생하는 토석류의 확산면적, 침식량, 퇴적량, 유동심을 비교분석하였다[Fig.
스캐닝 작업 후 얻어진 모든 점들은 지형을 나타내는 점들 이외에도 구조물, 수목, 노이즈 등 다양한 점들을 포함한다. 따라서 이러한 점들을 제거하고 지형을 나타내는 점들만 필터링 작업을 실시하여 DEM생성을 위한 기초자료로 가공하였다. 마지막으로 필터링작업을 실시한 후 지형을 나타내는 점들만 이용하여 기존의 수치 지도에 삽입한다.
본 연구에서는 지상라이다를 이용하여 토석류 피해가 발생한 지역에 스캐닝작업을 실시하였다. 대상지역은 산지에 해당하며 만곡이 심하고 지형지물이 많기 때문에 스캔지점까지의 거리를 40 m정도로 하여 스캐닝 함으로써 좀 더 정밀한 지형을 구축하였다.
제안 방법
1차원으로 설정한 계곡부에서 기 설치된 사방댐을 제거한 후 토석류를 발생시켰을 때 최대 유동심이 발생한 지점(Site1), 최대유량이 발생한 지점(Site2), 최대 유속이 발생한 지점(Site3)을 분석한 후 기 설치된 사방댐과 동일한 제원의 사방댐을 설치하였다. 민가와 농경지, 비닐하우스 등이 위치한 퇴적부(2차원지형)에서 발생한 토석류의 최대유동심의 위치는 Fig.
Kanako-2D모형은 단일입경을 사용하기 때문에 대상 유역의 상류부터 하류까지 6개소에서 각각 하상시료를 채취한 후 체가름 분석을 실시하여 얻은 대표입경(2 mm)을 모형의 입력 값으로 사용하였다.
따라서 본 연구에서는 사방댐의 시공적지 선정을 위해 토석류 발생 후 피해복구가 이루어진 2014년 지형자료를 이용하여 계곡부에 설치된 사방댐을 제거한 후 모델링을 실시하였다. 그리고 사방댐이 없을 경우 계곡부에서 발생하는 최대유동심 발생지점과(site1) 최대 유량 발생지점(site2), 최대유속 발생지점에(site3) 기 설치되어 있는 동일한 제원의 사방댐을 설치하여 퇴적부에서 발생하는 토석류의 확산면적, 침식량, 퇴적량, 유동심을 비교분석하였다[Fig. 5].
본 연구에서는 지상라이다를 이용하여 토석류 피해가 발생한 지역에 스캐닝작업을 실시하였다. 대상지역은 산지에 해당하며 만곡이 심하고 지형지물이 많기 때문에 스캔지점까지의 거리를 40 m정도로 하여 스캐닝 함으로써 좀 더 정밀한 지형을 구축하였다. 스캐닝 작업 후 얻어진 모든 점들은 지형을 나타내는 점들 이외에도 구조물, 수목, 노이즈 등 다양한 점들을 포함한다.
대상지역의 하류부에서 사방시설물 설치 전(2009년)보다 피해가 대체적으로 줄어드는 양상을 나타내고 있지만 퇴적부 상류에 위치한 민가와 농경지에 여전히 토석류 피해가 발생하였다. 따라서 기 설치된 사방댐과 동일한 제원의 사방댐을 위치만 변경하여 계곡부에 설치한 후 퇴적부의 저감효과를 비교하여 사방댐의 적정위치를 분석하였다.
따라서 이러한 점들을 제거하고 지형을 나타내는 점들만 필터링 작업을 실시하여 DEM생성을 위한 기초자료로 가공하였다. 마지막으로 필터링작업을 실시한 후 지형을 나타내는 점들만 이용하여 기존의 수치 지도에 삽입한다. 이후 생성된 DEM자료(Fig.
05를 적용하였다. 물의 밀도, 하상의 유사밀도, 내부마찰각 등은 현지조사를 통해 그 값을 이용하는 것이 적절하나 본 연구에서는 매뉴얼 상에서 주어진 값을 사용하였다. 향후 연구에서는 이런 점을 보완하여 보다 현장성이 향상된 결과를 도출할 필요가 있다.
. 본 연구에서는 기존 연구9,10)에서 산정한 토사유출량을 토대로 첨두유량을 사용하였다.
앞 절에서 구축된 DEM자료를 바탕으로 모형의 지형자료를 구축하였고(Fig. 3), 현장조사를 기반으로 입력매개변수를 입력한 후 Kanako-2D를 시뮬레이션 하여 사방시설물의 저감효과 분석을 실시하였다.
마지막으로 필터링작업을 실시한 후 지형을 나타내는 점들만 이용하여 기존의 수치 지도에 삽입한다. 이후 생성된 DEM자료(Fig. 2)들을 사방시설물의 저감효과 분석을 위해 사용하였다.
토석류 피해가 발생한 지역의 지형적 특성을 잘 반영하기 위해 셀 크기를 3 m × 4 m 크기로 구축한 후 토석류 발생 후 피해복구가 이루어지기 전의 DEM자료 (2009년)와 피해복구 후 DEM(2014년)자료를 바탕으로 각각 시뮬레이션 하여 피해복구 후 설치된 사방시설물 (사방댐, 사방수로)의 저감효과 분석과 사방댐의 적정 위치 분석을 실시하였다.
대상 데이터
본 연구대상지역은 충청북도 제천시 봉양읍 공전리에 위치하며, 연평균 강수량은 1,295 mm로서 전국 평균 강수량보다 높다. 2009년 7월 14일 제천시 일대 집중호우가 발생하였고, 당시 최대 시강우량은 64 mm로 다수의 토석류 피해가 발생하였으며, 대상지역의 지형 특성은 Table 1과 같다.
이론/모형
Kanako-2D는 토석류의 유동을 해석하기 위해 지배방정식으로 Takahashi모델을 기반으로 하고 있다. 2차원 토석류 계산에 사용되는 기초방정식은 Takahashi akagawa가 제안한 식7)으로, 토석류의 전체 체적과 토사의 연속방정식과 x, y방향의 운동방정식, 하상변동식으로 나타낸다.
Kanako-2D모형은 1차원지형과 2차원지형의 결합모델을 사용한다. 따라서 대상유역을 모형의 특성에 맞게 적용하기 위해 토석류가 발생한 급경사의 계곡부에서는 1차원으로 Fig.
본 연구에서는 지상 라이다(Light Detection And Ranging : LiDAR)를 이용하여 토석류 발생지역에 고정밀도 수치표고모형(Digital Elevation Map : DEM)을 구축한 후 토석류 수치해석 모형인 Kanako-2D모형에 적용하였다. 그리고 기 설치되어 있는 사방시설의 저감효과를 분석한 후 위치별로 사방댐위치를 변경하여 사방댐의 시공적지를 예측함으로서 산지사면에서 발생하는 재해에 대한 피해를 최소화함을 목적으로 한다.
성능/효과
1) 라이다를 활용한 토석류 피해복구 전⋅후의 고정밀도 DEM 생성결과 피해복구 후 설치된 사방수로와 사방댐의 형태가 지형자료와 토석류모형에 모두 반영되었고, 고정밀도 DEM을 Kanako-2D모형의 지형자료로 사용한 결과 사방시설물에 의한 하류부의 토석류저감효과가 모두 나타났다.
2) 피해복구 후 기 설치된 사방시설물의 저감효과 분석을 위해 피해복구 전⋅후 퇴적부에서 발생한 토석류의 확산면적과 유동심, 침식⋅퇴적량을 비교분석한 결과 사방시설물 설치 후 퇴적부에서 약 50%의 확산면적이 감소하였지만 여전히 퇴적부 상류지점에서 피해가 발생하였다.
3) 따라서 사방댐 적정위치 선정을 위해 사방댐의 위치를 위치별로 변경한 후 퇴적부의 저감효과를 분석한 결과 확산면적과 최대유동심은 최대유량 발생지점에 사방댐 설치 시 가장 높은 저감효과가 나타났고, 침식량은 최대유동심 발생지점, 퇴적량은 기 설치된 사방댐 위치에서 가장 큰 저감효과가 나타났다. 침식⋅ 퇴적량의 경우 최대유량발생지점에 사방댐 설치 시 저감효과가 가장 높게 나타나지 않았으나, 침식과 퇴적이 일어난 위치를 분석했을 때 대부분 사방수로가 방어할 수 있는 양으로 나타나 4가지 결과를 모두 고려했을 때 최대유량 발생지점에 사방댐 설치 시 민가와 농경지가 위치한 지점에 피해가 적은 것으로 나타났다.
그 원인은 2가지로 나타낼 수 있는데 첫 번째는 계곡 부 하류(1차원지형 하류)에 설치된 사방댐으로 인해 퇴적부(2차원지형)의 토석류 유속이 감소하면서 침식된 면적과 양이 줄어들었고 이에 반대로 퇴적된 면적과 양이 증가하였다. 두 번째는 수로정비 이후 토석류의 이동경로가 대부분 정비된 수로를 따라 이동함으로써 확산면적이 감소하였고, 수로 중심부에서 대부분 1 m이상의 유동심이 발생한 것으로 나타났다. 대상지역의 하류부에서 사방시설물 설치 전(2009년)보다 피해가 대체적으로 줄어드는 양상을 나타내고 있지만 퇴적부 상류에 위치한 민가와 농경지에 여전히 토석류 피해가 발생하였다.
따라서 유동심, 확산면적, 침식량과 퇴적량을 모두 고려했을 때 기 설치된 사방댐위치보다 최대유량 발생지점에 사방댐 설치 시 가장 저감효과가 높은 것으로 판단된다.
본 연구를 통하여 Kanako-2D모형의 적용성을 확인하였고, 기 설치된 사방시설물의 저감효과를 확인하였다. 또한 사방댐 위치선정 시 현장조사와 토석류 모형을 병행하면 효과적인 사방댐 위치를 결정할 수 있을 것으로 판단된다.
사방댐을 위치별로 각각 설치한 후 퇴적부에서 발생한 최대유동심 비교결과 최대유량 발생지점에 사방댐 설치 시 기 설치된 사방댐보다 0.12 m 감소한 유동심이 나타났으며, 확산면적 또한 최대유량 발생지점 위치에 사방댐 설치 시 가장 높은 저감효과가 나타났다. 침식량은 최대 유동심 발생지점에 사방댐 설치 시 86.
최대유동심과 확산면적은 Site2에 사방댐을 설치하였을 경우 저감효과가 높은 것으로 나타났고, 침식량은 Site1, 퇴적량은 기 설치된 사방댐 위치에서 가장 높은 저감효과가 나타났다. 하지만 침식⋅퇴적량의 저감효과가 가장 높았던 Site1과 기 설치된 사방댐 위치의 경우 확산면적과 최대유동심의 저감효과가 높았던 Site2와 비교했을 때, Site2에서 침식과 퇴적이 높게 발생한 위치가 대부분 사방수로에서 나타났고, 민가와 농경지가 위치한 부분에도 피해가 가장 적은 것으로 나타났다.
침식⋅ 퇴적량의 경우 최대유량발생지점에 사방댐 설치 시 저감효과가 가장 높게 나타나지 않았으나, 침식과 퇴적이 일어난 위치를 분석했을 때 대부분 사방수로가 방어할 수 있는 양으로 나타나 4가지 결과를 모두 고려했을 때 최대유량 발생지점에 사방댐 설치 시 민가와 농경지가 위치한 지점에 피해가 적은 것으로 나타났다.
12 m 감소한 유동심이 나타났으며, 확산면적 또한 최대유량 발생지점 위치에 사방댐 설치 시 가장 높은 저감효과가 나타났다. 침식량은 최대 유동심 발생지점에 사방댐 설치 시 86.6 m3감소하였고, 퇴적량은 기 설치된 사방댐 위치에서 가장 적은 퇴적량이 나타났다.
하지만 침식⋅퇴적량의 저감효과가 가장 높았던 Site1과 기 설치된 사방댐 위치의 경우 확산면적과 최대유동심의 저감효과가 높았던 Site2와 비교했을 때, Site2에서 침식과 퇴적이 높게 발생한 위치가 대부분 사방수로에서 나타났고, 민가와 농경지가 위치한 부분에도 피해가 가장 적은 것으로 나타났다.
후속연구
본 연구를 통하여 Kanako-2D모형의 적용성을 확인하였고, 기 설치된 사방시설물의 저감효과를 확인하였다. 또한 사방댐 위치선정 시 현장조사와 토석류 모형을 병행하면 효과적인 사방댐 위치를 결정할 수 있을 것으로 판단된다.
물의 밀도, 하상의 유사밀도, 내부마찰각 등은 현지조사를 통해 그 값을 이용하는 것이 적절하나 본 연구에서는 매뉴얼 상에서 주어진 값을 사용하였다. 향후 연구에서는 이런 점을 보완하여 보다 현장성이 향상된 결과를 도출할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 연구에서 Kanako-2D 모형을 사용한 방법은?
일본에서 개발된 Kanako-2D모형은 그래픽 사용자 인터페이스(Graphical User Interface : GUI) 기능이 탑재된 범용 토석류 수치모형으로 1차원지형과 2차원지형의 결합 모델을 사용하고 있다5,6). 급경사의 계곡부에서는 산지하천에서 발생하는 토석류의 유동⋅퇴적과정을 재현하는 1차원 계산과 선상지의 완경사 영역에서는 침식⋅퇴적 작용에 대한 2차원 계산을 실시한다. 각 영역의 경계부분에서는 1차원계산 영역과 2차원계산 영역에서의 결과가 서로 영향을 준다.
산지나 급경사지에서 발생하는 토석류가 발생시키는 피해는?
산지나 급경사지에서 발생하는 토석류는 짧은 시간에 높은 수위의 홍수를 발생시키고 흙, 자갈, 유목 등과 함께 유동되어 하류에 위치한 재산 및 인명피해를야기한다. 이러한 피해를 미연에 방지하고자 국내에서는 사방댐을 주로 설치하고 있으며 그 숫자는 2000년대 이후부터 급격히 증가하였다3).
국내에서 진행되는 사방댐의 설치 과정의 문제점은?
이러한 피해를 미연에 방지하고자 국내에서는 사방댐을 주로 설치하고 있으며 그 숫자는 2000년대 이후부터 급격히 증가하였다3). 사방댐의 설치를 위해서는 우선적으로 토사재해 발생이 가능한 홍수유량을 결정하거나 구조물의 위험도를 판단하여4), 시설물의 규모와 위치를 결정하여야 하지만 국내의 경우 사방댐의 규모와 위치, 종류에 대한 자료부족으로 경험적이고 주관적인 방재대책이 적용되고 있는 실정이다.
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