[논문]실시간 강우자료분석을 활용한 산사태 경보시스템 연구

김성욱; 최은경; 박덕근; 박정훈; 손성곤

실시간 강우자료분석을 활용한 산사태 경보시스템 연구
Establishment of Early Warning System of Steep Slope Failure Using Real-time Rainfall Data Analysis 원문보기

김성욱 (지아이) , 최은경 (지아이 지반정보연구소) , 박덕근 (국립방재연구소) , 박정훈 (넥스지오) , 손성곤 (코오롱건설)

In this study, localized heavy rainfall occurred during the collapse of steep slopes adjacent to the construction site and to ensure the safety of residents to build an early warning system was performed. Forecast/Alert range was estimated based on vulnerability landslide map and past disaster history. And established a critical line in consideration of the characteristics of local rainfall and operating a snake line, the study calculated causing and non-causing points. Also, be measured in real-time analysis of rainfall data in conjunction with the system before the steep slope failure occurred forecast/Alert System is presented.

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문제 정의

본 연구는 호우기간 동안 발생하는 급경사지 붕괴에 따른 인명피해 저감을 위한 방안으로 실시간 강우자료 관측과 분석 방법을 도입한 조기 경보시스템을 구축하였다. 재해이력에 기초한 경보기능은 재해발생에 대한 지역적인 고려 없이 단순히 강우강도와 누적강우량에 의한 경보 기능의 단점을 보완하여, 재해 발생을 가시적인 한계선 상에서 표현하여 조기 경보기능을 강화한다.

가설 설정

재해이력은 재해정보 분석시스템 개발에서 요구되는 한계선 도출과 강우데이터와 연동한 산사태 예·경보를 위한 필수적인 입력사항이다. 특정 지역의 한계선 설정을 위해 재해이력은 1) 발생 지역의 강우정보, 2) 발생 시각, 원인, 인명피해 및 재산피해 현황, 3) 지역의 지형, 지질 등의 현장 정보를 포함하고 있어야 한다.

제안 방법

인제군의 발령 권역별로 3개 지점에 버켓식, 중량식, 광학식의 강우량계를 설치하고 실시간 계측을 분석을 위한 측정시스템을 구성하였다. 강우량계 측정지점은 지역적 강우 특성을 대표하며, 과거 강우자료와 산사태 발생이력, 발령범위, 지형 고도, 설치 편의성을 고려하여 산정하였다. 그림 8은 현장에 설치된 강우량계의 시스템 구성도를 나타낸 것이다.
강우자료는 산사태가 발생한 시점의 기상청 실시간 자료를 이용하여 작용강우량과 표준강우량을 산정하였고, 유발 및 비유발 강우자료의 경계값을 이용하여 예·경보 한계선을 설정하였다.
급경사지 붕괴에 의한 인명과 재산의 손실을 최소화하기 위해 본 연구에서 제안하는 사전점검과 유지 관리 방안은 먼저 강우조건에 따른 급경사지 붕괴의 위험도를 예측하기 위해서 자연적 요인에 의한 재해위험도를 평가하고 이를 바탕으로 권역별 예·경보 발령 범위를 구분한다.
따라서 호우기간 동안 재해가 발생한 급경사지의 붕괴시점과 강우강도 및 누적강우량에 대한 자료를 구축하여 붕괴를 수반하는 유발강우와 비유발강우의 강우특성을 도출하고 발령 범위별로 적합한 한계선을 작성한다. 끝으로 국지성 강우를 예측하기 위한 현장의 실시간 강우량 계측자료의 분석시스템을 구축한다. 기상청의 681개 AWS(Automatic weather system)와 유관기관의 강우계측기의 분포 빈도는 국지성 강우의 공간적인 분포를 파악하기 위해서 절대적으로 부족하며 실시간 분석을 위한 자료 연계에 여러 문제점들이 있다.
강우자료는 산사태가 발생한 시점의 기상청 실시간 자료를 이용하여 작용강우량과 표준강우량을 산정하였고, 유발 및 비유발 강우자료의 경계값을 이용하여 예·경보 한계선을 설정하였다. 발령범위에 따라 구분된 유역별로 대표지점에 강우량계를 설치하고 웹기반의 실시간 강우자료 축적과 분석시스템을 개발하였다.
시범지역의 위험도를 작성하기 위해 지표수의 수렴과 발산에 관계되는 방향, 경사, 곡률, 습윤지수, 상부사면기여면적의 지형인자를 이용하였다. 위험도를 결정하는 과정은 각각의 지형인자로부터 빈도분석을 하여 위험수준 값을 의사 결정한 다음 마스킹 도면(Masking Map)을 만든다.
시스템은 발령 권역별 실시간 강우자료를 사행선에 도시하고 이를 한계선과 비교함으로써 예ㆍ경보 및 대피 기능에 활용하고 붕괴 지역에 대한 피해정보를 가시화 모듈을 포함하도록 구성하였다. 과거이력과 현장조사 자료는 강우자료 분석시스템과 연계되도록 하며, 설치된 강우량계로부터 획득된 자료를 분석시스템에 저장, 전송하여 향후 유발 작용강우량 산정에 활용한다.
실시간 예·경보의 발령범위의 최적화 방안으로 지표수의 수렴과 발산에 관계되는 경사, 방위, 곡률, 습윤지수, 상부사면기여면적, 수계밀도를 이용한 재해위험도를 작성하고 재해가 발생한 지점의 공간적 위치를 비교 분석하여 유역을 구분하였다.
예·경보 한계선의 경보선(WL), 대피선(EL)은 과거 최대시우량 자료를 이용하여 설정하였으며, 발생빈도와 미발생율이 최대 시우량에서 정한 대피선보다 적을 경우 10년 주기 발생 시우량으로 대피선 설정하였다(그림 5).
인제군을 대상으로 수행한 실시간 강우자료분석 과정을 달성군 유가면의 도로건설 예정지에 적용하였다. 유가면은 2003년 태풍 매미에 수반된 호우로 하천의 범람과 토석류 발생으로 최대 사상자가 발생하였으며, 인제군과는 상이한 지형, 지질 조건을 갖추고 있다.
인제군의 발령 권역별로 3개 지점에 버켓식, 중량식, 광학식의 강우량계를 설치하고 실시간 계측을 분석을 위한 측정시스템을 구성하였다. 강우량계 측정지점은 지역적 강우 특성을 대표하며, 과거 강우자료와 산사태 발생이력, 발령범위, 지형 고도, 설치 편의성을 고려하여 산정하였다.
재해 발생지역은 현장조사를 통해 붕괴 현황에 대한 체크리스트 작성하고 붕괴위치를 포함하는 DB자료로 구축하였다(그림 1). 특히 발생 시간은 유발강우량을 산정할 수 있는 정보로 활용되므로 현지 주민의 설문조사를 병행하여 발생시각에 대한 교차검토를 실시하였다.
재해 발생지역은 현장조사를 통해 붕괴 현황에 대한 체크리스트 작성하고 붕괴위치를 포함하는 DB자료로 구축하였다(그림 1). 특히 발생 시간은 유발강우량을 산정할 수 있는 정보로 활용되므로 현지 주민의 설문조사를 병행하여 발생시각에 대한 교차검토를 실시하였다.

대상 데이터

유가면은 2003년 태풍 매미에 수반된 호우로 하천의 범람과 토석류 발생으로 최대 사상자가 발생하였으며, 인제군과는 상이한 지형, 지질 조건을 갖추고 있다. 도로 예정지로부터 반경 20km 지점에 포함되는 지역의 재해이력을 조사하여 4개의 유발강우자료를 획득하였고, 기상청의 실시간 강우자료 분석으로 한계선을 설정하였다(그림 10). 대피선(EL)과 경보선(WL)은 과거 2시간 및 1시간의 최대 연속강우량으로부터 산정하였다.
연구의 시범지역은 2006년 집주호우로 8명의 사상자가 발생한 강원도 인제군을 대상으로 하였으며, 시범지역의 결과를 달성군 유가면의 도로건설 예정지에 적용하였다.

이론/모형

강우의 공간적 분포를 추정하는 방법으로 티센망(thiessen ploygon)을 이용하는 방법과, 등강우법(isohyetal method), inverse distance squared & krigging method 등이 이용되며 시범지역은 강우의 공간적 분포와 기존 관측소의 강우자료를 비교하여 상관성이 양호한 inverse distance squared method를 적용하여 실측된 강우자료의 확장범위를 결정하였다(그림 3).
예·경보를 위한 한계선 설정은 유발 및 비유발 강우량에 의해 결정되며, 경보 및 대피를 위한 표준강우량의 선정방법은 탱크모델, 작용강우량, 유출수의 이동시간 동안에 발생되는 강우강도, 다변량 분석 이론 등이 있다. 시범지역의 연구에서 표준강우량 설정은 위원회 지침(방재연구소, 2005)의 작용강우량을 적용하였다. 한계선은 유발 및 비유발강우의 72시간 반감기와 1.

성능/효과

위험도를 결정하는 과정은 각각의 지형인자로부터 빈도분석을 하여 위험수준 값을 의사 결정한 다음 마스킹 도면(Masking Map)을 만든다. 적용된 요소별로 가중치는 요소별 기본도의 가중치에 적용하고 재해 발생지점과 비교 분석을 통해 인제군은 상부사면기여면적을 기본으로 한 재해도가 현장 적용 시 가장 적합하였다(그림. 2).

후속연구

실시간 강우자료를 활용한 급경사지 재해의 예・경보시스템 실용화를 위해 실시간 강우자료 분석 시스템을 설계하고 시스템을 운용하기 위한 신뢰성 있는 자료를 확보하여야 하다. 기상청 등의 유관기관의 관측자료 만으로는 국지성 강우의 해석에 한계가 있고, 소규모 권역에 최적화된 현장 계측이 필수적이며, 지속적인 자료의 축적은 보다 정확한 예·경보 기능을 제공하게 될 것으로 기대된다.
다음으로 우리나라는 강우강도(mm/hr), 작용강우량(mm), 지역적 강우특성 등이 산사태를 유발시키는 주요 요인으로 보고되고 있으므로, 이와 관련하여 급경사지붕괴와 누적강우량과의 관계(Lumb, 1975) 및 강우강도의 관계(Brand, 1984)를 일반적으로 이용하고 있다. 따라서 호우기간 동안 재해가 발생한 급경사지의 붕괴시점과 강우강도 및 누적강우량에 대한 자료를 구축하여 붕괴를 수반하는 유발강우와 비유발강우의 강우특성을 도출하고 발령 범위별로 적합한 한계선을 작성한다. 끝으로 국지성 강우를 예측하기 위한 현장의 실시간 강우량 계측자료의 분석시스템을 구축한다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

산사태를 유발하는 직접적인 자연환경적인 요인은 무엇인가?

산사태를 유발하는 직접적인 자연환경적인 요인은 강우에 의한 급경사지의 하중 증가, 침식, 지진에 의한 진동, 균열 발생 등이 있고(Brand, 1988), 이 중 가장 높은 빈도를 나타내는 요인이 강우로써 급경사지 최상부층의 단위체적당 중량을 증가시키고 붕괴면의 저항력을 감소시켜 붕괴를 유발한다. 우리나라의 경우 특히 집중 호우 시 빈번하게 발생한다(홍원표 외, 1990).

산사태를 유발하는 원인 중 가장 높은 빈도를 차지하는 강우는 무엇을 유발하는가?

산사태를 유발하는 직접적인 자연환경적인 요인은 강우에 의한 급경사지의 하중 증가, 침식, 지진에 의한 진동, 균열 발생 등이 있고(Brand, 1988), 이 중 가장 높은 빈도를 나타내는 요인이 강우로써 급경사지 최상부층의 단위체적당 중량을 증가시키고 붕괴면의 저항력을 감소시켜 붕괴를 유발한다. 우리나라의 경우 특히 집중 호우 시 빈번하게 발생한다(홍원표 외, 1990).

산사태를 유발하는 인문적 요인은 무엇인가?

우리나라의 경우 특히 집중 호우 시 빈번하게 발생한다(홍원표 외, 1990). 한편으로 도로 개설, 산업단지의 조성 등의 인문적 요인에 의해 산사태가 발생하며, 환경오염에 따른 산성강우에 의한 침식과 풍화가 가속되고 있고, 개발에 따른 절토와 성토, 벌목 등으로 급경사지 붕괴는 더욱 가중되고 있다.

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