[논문]복합재해 영향을 고려한 산불 후 산사태 잠재적 피해 위험도 분석

이종욱; 이동근; 송영일

doi:10.13087/kosert.2019.22.1.33

복합재해 영향을 고려한 산불 후 산사태 잠재적 피해 위험도 분석
Analysis of the potential landslide hazard after wildfire considering compound disaster effect 원문보기

環境復元綠化 = Journal of the Korean Society of Environmental Restoration Technology, v.22 no.1, 2019년, pp.33 - 45

이종욱 (서울대학교 환경대학원 협동과정 조경학) , 이동근 (서울대학교 조경.지역시스템공학부) , 송영일 (환경정책평가연구원 국가기후변화적응센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Compound disaster is the type that increases the impact affected by two or more hazard events, and attention to compound disaster and multi-hazards risk is growing due to potential damages which are difficult to predict. The objective of this study is to analyze the possible impacts of post-fire landslide scenario quantitatively by using TRIGRS (Transient Rainfall Infiltration and Grid-Based Regional Slope-Stability Analysis), a physics-based landslide model. In the case of wildfire, soil organic material and density are altered, and saturated hydraulic conductivity decrease because of soil exposed to high temperature. We have included the change of soil saturated hydraulic conductivity into the TRIGRS model through literature review. For a case study, we selected the area of $8km^2$ in Pyeongchang County. The landslide modeling process was calibrated before simulate the post-wildfire impact based on landslide inventory data to reduce uncertainty. As a result, the mean of the total factor of safety values in the case of landslide was 2.641 when rainfall duration is 1 hour with rainfall intensity of 100mm per day, while the mean value for the case of post-wildfire landslide was lower to 2.579, showing potential landslide occurrence areas appear more quickly in the compound disaster scenario. This study can be used to prevent potential losses caused by the compound disaster such as post-wildfire debris flow or landslides.

주제어

표/그림 (8)

표 Table 1. Type of compound disaster and description
그림 Figure 1. Relation of multi-hazard risk causing compound disaster
그림 Figure 2. Location and topography of the study area, (a) Key map and satellite image (from Google map), (b) Digital elevation map (meter) (c) Slope map (degree,°)
표 Table 2. Summary of soil property values used for modelling
그림 Figure 3. ROC graph (IZLT =1.0×10^-7))
표 Table 3. Result of ROC analysis
그림 Figure 4. TRIGRS modeling result maps of post-wildfire landslide compound disaster case compared to landslide single disaster case (rainfall intensity of 100mm/day), (a) Landslide single disaster case (rainfall duration-1h), (b)Landslide single disaster case (rainfall duration-4h), (c) Post-wildfire landslide compound disaster case (rainfall duration-1h), (d) Post-wildfire landslide compound disaster case(rainfall duration-4h)
그림 Figure 5. TRIGRS modeling result graphs of post-wildfire landslide compound disaster case compared to landslide single disaster case (rainfall intensity of 100mm/day), (a) Changes of factor of safety (FS) at different rainfall duration, (b) Changes of total area of FS less than 1 at different rainfall duration

AI 본문요약
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문제 정의

그 외에 다양한 복합재해의 유형과 재해 시나리오에 대하여 알아보고 향후 복합재해 연구를 위한 접근 방향을 제시하고자 한다.
본 연구는 단일 재해로서 산사태 경우와 비교하면 복합재해인 산불-산사태의 영향 고려하였을 때 증가되는 산사태 발생 가능지역을 파악하고, 복합재해로 인한 잠재적 피해를 저감하기 위하여 활용될 수 있다.
본 연구에서는 산불 후 산사태 복합재해 시나리오를 실제 대상지에 적용하여 물리식 기반의 모델링을 수행하기 위하여 평창군 용평면 일대의 지형자료, 토양자료, 강우자료 등을 이용 TRIGRS 모델 결과를 분석하였다.
본 연구에서는, 문헌 검토를 통하여 토양시료 실험에 근거한 산불 이후의 토성 변화를 반영하고자 하였으며, TRIGRS 모델에 입력 변수 중 토양의 포화 수리전도도의(Saturated hydraulic conductivity–Ks) 변화를 고려하여 산불-산사태 복합재해 영향을 알아보고자 하였다.
본 연구의 목적은 복합재해의 유형 중 국내에서도 발생이 가능한 산불-산사태 복합재해 시나리오에 대하여 물리식 기반 산사태 모델인 미지질 조사국(U.S. Geological Survey-USGS)의 TRIGRS (Transient Rainfall Infiltration and Grid-Based Regional Slope-Stability Analysis)을 이용한 분석 방법에 대하여 알아보는 것이다.
산불 후 산사태 발생의 복합재해 시나리오 적용 시 추가로 고려해야 하는 변수 조건을 적용 하기 위하여 산불에 의한 토양 물성의 변화에 대하여 문헌 조사를 하였다.
산사태 발생 조사 자료를 근거로 검정 과정을 거친 모델 및 입력자료 대하여, 산불-산사태 복합 재해 발생 시 피해 영향에 대해 알아보았다.

제안 방법

ROC 분석을 통한 검정(calibration)은 2006년 태풍 에위니아(Ewiniar) 피해 직후 보고된 평창지역 산사태 조사 자료를 사용하여 실시하였으며, 실제 산사태 발생 자료와 입력 변수별 모델링 결과를 비교하여 산사태 발생지역에 대한 판별력이 가장 좋은 입력 변수를 사용하도록 하였다.
산불-산사태 복합재해 영향평가를 위한 강우 강도는 국내에서 48시간 동안 200mm 이상의 강우가 지속될경우 산사태가 유발된다는 연구 결과를 반영하여(Kim & Chae, 2009) 1일 100mm의 강우 강도를 설정하여 결과를 모의하였다. 다만 높은 강우 강도 입력 값에서 토양층 포화 후 안전율에 대한 민감도가 현저히 감소하는 TRIGIRS 모델의 특성을 반영하여, 산사태 단일 재해의 경우에 비교한 산불-산사태 복합재해 발생 가능 면적의 차이가 크게 나타나는 강우 초기 시간에 대하여 분석하였다.
본 연구 에서는 대상지의 토양 포화 수리전도도 입력 값들의 약 0.1배에서 0.01배의 값들을 0.1의 구간으로 나누어 1.0×10-6에서 1.0×10-9까지 4개의 시나리오에 대하여 ROC 분석을 실시하였다.
본 연구에서는 산불이 발생한 이후 일정 기간 동안 지속될 수 있는 water repellency 효과를 고려하여 산불-산사태 복합재해 시나리오를 설정, 피해 영향 분석을 실시하였다.
산불-산사태 복합재해 영향평가를 위한 강우 강도는 국내에서 48시간 동안 200mm 이상의 강우가 지속될경우 산사태가 유발된다는 연구 결과를 반영하여(Kim & Chae, 2009) 1일 100mm의 강우 강도를 설정하여 결과를 모의하였다.
산사태 모델링 결과는 신뢰성을 향상시키기 위하여 연구 대상지인 평창지역 실제 강우 강도 자료 및 산사태 조사 자료에 근거하여 검정(calibration) 과정을 거쳤다.
본 연구에서는 산불 후 산사태 복합재해 시나리오를 실제 대상지에 적용하여 물리식 기반의 모델링을 수행하기 위하여 평창군 용평면 일대의 지형자료, 토양자료, 강우자료 등을 이용 TRIGRS 모델 결과를 분석하였다. 산사태 발생 가능성에 대한 모델링 결과는 불확실성을 감소시키기 위하여 이 지역에 발생하였던 산사태 조사 자료와 비교하여 ROC 분석을 통한 검정을 실시하였다. 산불 후 토양의 포화 수리전도도 감소로 인한 산사태 발생 가능지역 증가는 동일한 강우 조건에서 단일 재해에 비교하여 산불-산사태 복합재해 경우에서 위험지역이 보다 증가하여 나타났다.
아울러 사례연구를 위한 대상지역에 산불-산사태 복합재해 발생을 가정하여 해당 물리식 기반 모델을 위한 입력 변수를 선택하고, 발생 가능한 영향과 피해에 대하여 정량적인 분석을 하고자 한다.
이 실험은 유기물의 손실 정도의 차이를 반영하지 못하였다는 점에서 한계점이 있으나, 현장 토양 시료에 대한 실험을 통하여 토양의 물성 변화를 분석했다는 점을 고려하여 산불-산사태 복합재해 시나리오 적용을 위한 변수 조건으로 반영하였다.
토양 포화 수리 확산계수는 문헌을 참조하여 포화 수리전도도의 100배에 해당하는 수치를 사용하였으며 (Liu and Wu, 2008), 강우 전 정상 침투율은 모델 결과의 불확실성을 감소시키기 위하여 Receiver Operating Characteristic (ROC) 분석을 통하여 선택하도록 하였다.
토질의 다양성과 유기물 함량의 차이 등에 따라 산불에 의한 토성 변화는 대상지 별로 상이할 것으로 예상되나, 국내 실험 데이터의 부족 및 재해 대비를 위한 최악의 시나리오(worst case scenario) 적용을 감안하여 상기 연구 결과에서 제시된 0.54배의 포화 수리전도도 감소를 복합재해 모델링을 위한 토양 변수 조건으로 적용하였다.

대상 데이터

대상지에 대한 TRIGRS 모델 결과 값 도출을 위해 지형자료, 토양자료, 기상자료 세 종류의 자료를 입력하였다.
모델링 검정을 위한 강우 자료는 기상청에서 제공하는 평창 인근의 대관령 관측소 강우 강도 자료를 사용하였으며, 태풍 에위니아가 피해를준 2006년 7월 15일에서 16일 사이 강우 자료를 ROC 검정을 위하여 사용하였다.
모델링 대상지로는 산불 및 산사태 발생의 위험도가 높은 강원도 평창군 지역 중 용평면 일대의 약 8km 2 를 선택하여 분석을 진행하였다.
본 연구를 위하여 지형자료는 10m 해상도의 수치 지형도(Digital Elevation Map–DEM)을 이용하였으며, 지형도를 기반으로 GIS 프로그램을 이용하여 경사도 및 사면방향 자료를 생성하였다.
토양자료로는 농촌진흥 청에서 제공하는 정밀 토양도를 이용하였으며, 대상지 토성별로 입력해야 하는 점착력, 포화 수리전도도, 내부 마찰각, 습윤 중량, 공극률의 토양 물성 자료는 미국 농업국(United States Department of Agriculture)에 의해 제공되는 SPAW 프로그램의 토성별 기본값(default value)을 사용하였다.

이론/모형

TRIGRS 모델 이외에 물리식 기반의 산사태 영향을 알아보기 위한 모델들은 SHALSTAB (Shallow Slope Stability Model.), The dSLAM (distributed Shallow Landslide Analysis), SHETRAN (System Hydrology European TRAN sport), SINMAP (Stability Index MAPping) 등이 있으며(Park, 2013), TRIGRS는 학술적 검증 자료가 비교적 많고 넓은 대상지에 대한 구동 편리성 때문에 본 연구를 위해 사용되었다.
TRIGRS 수문모델은 불포화 토양층에서의 물의 이동을 시간 변화에 따라 표현하기 위한 Richard 공식을 Iverson(2000)이 정적인 요소와 경과적인 요소를 포함하여 제안한 수정 식에 근거하고 있다.

성능/효과

강우 1시간 경과 시 산사태 단일 재해 경우는 안전율이 1 미만인 (FS<1) 위험지역의 전체 면적이 0.56km2인 반면 산불-산사태 복합재해 경우 안전율 1 미만 지역의 면적은 1.03 km2으로 보다 넓은 면적이 산사태 위험지역으로 분석되었다.
강우 전 정상 침투율 수치 선정을 위한 ROC 모델링 검정 결과, AUC (Area Under Curve)는근소한 차이지만 강우 전 정상 침투율 1.0×10-7 을 입력했을 때 AUC 수치가 가장 크게 나타났다.
고온 노출 (표면 기준 450–500 °C) 조건의 경우 수리전도도가 평균 14.0×10-5 cm·s-1 로 증가하여 소수층이 파괴돼 오히려 산사태 유발 요인이 감소하는 것으로 나타났다.
모델링 결과, 산불에 의한 토양의 포화 수리 전도도 감소로 인한 산사태 발생 가능지역 증가는 Figure 4의 (a) 와 (c)의 비교에서 볼 수 있듯이, 동일한 강우 지속시간 1시간 조건에서 산사태 단일 재해 경우보다 산불-산사태 복합재해 경우가 위험지역이 (안전율 FS<1) 보다 넓은 지역에서 급속히 나타났다.
모델의 결과는 안전율 (Factor of Safety–FS)의 값으로 도출이 되며 시뮬레이션 결과가 FS < 1 로 나타나는 위치에서 산사태가 발생할 확률이 높은 것으로 해석된다.
03 km²으로 보다 넓은 면적이 산사태 위험지역으로 분석되었다. 복합 재해와 단일 재해 경우 모두 시간의 경과에 따라 위험 지역 증가 하였으나 증가 비율은 강우가 지속되면서 둔화되는 경향을 보였다. 특히, 산불-산사태 복합재해의 시나리오는 산사태 단일 재해 경우 보다 위험지역이 급속히 최대치로 수렴하였으며, 3시간 경과 후로는 1.
복합재해와 단일 재해 경우 모두 강우 시간이 경과 하면서 안전율 감소 비율은 감소하 였으나 산불-산사태 복합재해 경우에서 안전율 평균값이 지속적으로 낮게 유지되었으며, 강우 4시간 경과 후 안전율 평균값은 각각 2.42와 2.41로 두 경우 모두 유사한 수치로 수렴하였다.
본 연구의 결과에서 확인할 수 있듯이 TRIGRS와 같은 물리식 기반 모델을 이용할 경우 실제 대상지의 지형, 토양, 기상 자료에 근거한 물리 변수들을 입력하여 산사태 발생 확률이 높은 위험 지역 분석이 가능하다.
32km²의 동일한 면적이 유지되었다. 분석 결과, 복합재해 시나리오를 위해 전체적으로 감소된 포화 수리 전도도가 입력되었기 때문에 강우 시간 4시간 경과 기준, 위험지역 최대 면적은 복합재해 시나리오에서 1.32 km²로 단일 재해 산사태의 경우1.37km² 보다 약간 작은 면적으로 나타났다.
산불 후 토양의 포화 수리전도도 감소로 인한 산사태 발생 가능지역 증가는 동일한 강우 조건에서 단일 재해에 비교하여 산불-산사태 복합재해 경우에서 위험지역이 보다 증가하여 나타났다.
실험에 따르면, 토양 시료는 대조구에서 평균 3.7×10-5 cm·s-1 의 수리전도도를 보였으나, 실험에 의해 저온 노출 (표면기준 200–250 °C) 조건을 가한 후 평균 2.0×10-5 cm·s-1 으로 0.54 배 정도의 감소된 결과를 보였다.
즉, 복합재해 시나리오에서 산사태 발생위 험이 큰 지역이 더욱 넓게 분포하는 경향을 보였다.
복합 재해와 단일 재해 경우 모두 시간의 경과에 따라 위험 지역 증가 하였으나 증가 비율은 강우가 지속되면서 둔화되는 경향을 보였다. 특히, 산불-산사태 복합재해의 시나리오는 산사태 단일 재해 경우 보다 위험지역이 급속히 최대치로 수렴하였으며, 3시간 경과 후로는 1.32km²의 동일한 면적이 유지되었다. 분석 결과, 복합재해 시나리오를 위해 전체적으로 감소된 포화 수리 전도도가 입력되었기 때문에 강우 시간 4시간 경과 기준, 위험지역 최대 면적은 복합재해 시나리오에서 1.

후속연구

국내에서도 향후 산불-산사태의 복합재해뿐만 아니라 다른 양상의 복합재해 발생이 증가될 것으로 예상되므로 발생 가능한 다양한 유형의 복합재해에 관하여 연구가 지속될 필요가 있다.
정밀 토양도 등 자료의 특성상 같은 토성으로 분류되어 있더라도 지역에 따른 편차가 분명 존재할 수 있으므로, 실제 시료 채취 및 실험에 근거하여 해당 지역의 지질, 지형적 특성이 반영된 모델링 및 영향평가가 이루어져야 한다. 또한, 현재 자료 부재로 인해 산불-산사태의 영향 결과에 대한 검정은 실시하지 하지 못하였다. 실제 산불-산사태 복합재해가 일어난 지역에 대한 충분한 조사 자료가 있다면 입력변수의 불확실성을 고려한 다양한 시나리오 기반의 검증이 가능할 것이다.
본 연구의 결과는 특정 강우 사상에 의해 실제 유발될 수 있는 산불-산사태 복합재해 발생 위험지역의 분포 추정이 가능하다는 점에서 봄철 건조기 산불 발생 후 예측하지 못한 산사태 피해 예방을 위해 활용될 수 있다.
산불 후 단기간의 전체 식생 복원이 어렵다면, 토양유실 방지 효과가 있는 식생 패치를 우선적으로 만드는 것도 재해 예방을 위한 활동이될 수 있을 것이다.
본 연구의 결과는 특정 강우 사상에 의해 실제 유발될 수 있는 산불-산사태 복합재해 발생 위험지역의 분포 추정이 가능하다는 점에서 봄철 건조기 산불 발생 후 예측하지 못한 산사태 피해 예방을 위해 활용될 수 있다. 수치 모델 결과의 불확실성을 감안하더라도, 복합재해로 인한 잠재적 피해를 사전에 알아볼 수 있다는 점에서 향후 물리 모델을 이용한 다양한 유형의 복합재해에 관한 연구가 필요할 것이다.
실제 산불-산사태 복합재해가 일어난 지역에 대한 충분한 조사 자료가 있다면 입력변수의 불확실성을 고려한 다양한 시나리오 기반의 검증이 가능할 것이다.
향후, 조사 자료가 구비된다면 Modified Success Rate (MS) 혹은 Cohen’s Kappa와 같은 지수를 이용하여 산불-산사태 복합재해에 대한 물리 모델 예측의 정확성 평가도 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건조한 기후의 영향으로 산불이 발생하는 경우 일어나는 현상은?	그 외에 다양한 복합재해의 유형과 재해 시나리오에 대하여 알아보고 향후 복합재해 연구를 위한 접근 방향을 제시하고자 한다. 건조한 기후의 영향으로 산불이 발생하는 경우 식생이 소실되며, 지표면이 고온조건에 노출되어 토양의 물리적 특성이 변화하게 된다. 산불 이후에 토양의 물리적 특성이 변화하여 투수 효과를 감소시키고 구조적 안전성을 감소시키는 현상을 water repellency 효과라고 하며, 산불 이후 변성 정도에 따라 길게는 수개월에 걸쳐 지속되 기도 한다고 알려져 있다(Shakesby & Doerr, 2006).
	물리식 기반의 모델링의 장점은 무엇인가?	본 연구의 결과에서 확인 할 수 있듯이 TRIGRS와 같은 물리식 기반 모델을 이용할 경우 실제 대상지의 지형, 토양, 기상 자료에 근거한 물리 변수 들을 입력하여 산사태 발생 확률이 높은 위험 지역 분석이 가능하다. 산불 후 산사태로 인한 피해지역의 확대는 복합재해 시나 리오를 적용한 물리변수 반영을 통해 모델링이 가능하였다. 이것은 통계 기반 모델링과는 차별 화되는 물리식 기반의 모델링 장점으로, 특정 강우 사상에 의해 실제 유발될 수 있는 산불-산사태 복합재해 발생 위험지역의 분포 추정이 가능하였다.
	water repellency 효과란?	건조한 기후의 영향으로 산불이 발생하는 경우 식생이 소실되며, 지표면이 고온조건에 노출되어 토양의 물리적 특성이 변화하게 된다. 산불 이후에 토양의 물리적 특성이 변화하여 투수 효과를 감소시키고 구조적 안전성을 감소시키는 현상을 water repellency 효과라고 하며, 산불 이후 변성 정도에 따라 길게는 수개월에 걸쳐 지속되 기도 한다고 알려져 있다(Shakesby & Doerr, 2006). TRIGRS와 같은 물리식 기반의 산사태 모델은 입력 변수에 산불 영향에 의해 변화된 표층 토양 성질의 특징을 반영할 수 있어 산불-산사태 복합재해 피해 영향에 대한 시뮬레이션이 가능하다.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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