1. 서 론
2. 연구대상지 및 연구 방법
2.1 지반 조사
2.2 유효누적강우량 및 체적함수비 증가 기울기 산정 방법
3. 강우 시 비탈면 함수 반응
4. 비탈면 붕괴 민감도 분석과 기준
5. 결 론
1. 서 론
국내 산지는 국토 면적의 약 70%를 차지하며 토층 심도는 평균 4 m 이하로 얕게 분포한다. 이러한 지형·지질 특성으로 인해 극한 강우 시 산사태가 빈번하게 발생하며 특히 여름철(6~9월)에는 비탈면과 평행하게 진행되는 2 m 이하의 얕은파괴(Shallow failure)가 대표적으로 발생한다(Kim et al., 2004). 현재 국내에서는 강우량을 기준으로 산사태 예·경보를 운영하고 있으나 약 60%의 산사태가 산림청 주의보 기준 강우량에 미치지 않는 상황에서 발생한 것으로 보고되었다(Kim et al., 2013). 이는 강우량만으로는 산사태 발생을 정밀하게 예측하는데 한계가 있으며, 강우 침투로 인한 지반 내 함수 상태 변화를 직접적으로 계측하는 접근이 필요함을 시사한다.
이와 같은 한계를 극복하기 위해 IEEE 802.15.4 기반 Zigbee 통신 모듈을 활용한 현장 모니터링 연구, GIS 자료를 활용한 산사태 위험도 분석 연구, 그리고 KIGAM의 K-LEWS(Landslide Early Warning System)와 LEWS(산사태조기경보시스템) 구축과 같은 다양한 기술적 시도가 이루어져 왔다(Lee et al., 2023). 산사태를 보다 정확하게 예측하기 위해서는 현장조건을 반영한 실측 기반 분석이 요구되며, 이에 따라 체적함수비(Volumetric Water Content, VWC)를 활용한 실시간 모니터링과 조기경보 체계 개발이 활발히 추진되고 있다. 선행연구들에 따르면 체적함수비는 습윤전선의 하강과 함께 즉각적인 변화를 보이며, 붕괴 직전까지 일정 수준이 장기간 유지되는 특성을 나타내 중요한 지표로 활용될 수 있음이 확인되었다(Kim et al., 2008; Seo et al., 2017; Suk et al., 2018; Suk et al., 2020).
또한 다수의 연구에서 산림 벌채는 급경사지의 산사태 발생을 촉진하는 주요 요인으로 보고 되었다(Sidle et al., 1985; Montgomery et al., 2000; Glade, 2003; Imaizumi and Sildle, 2012). 다만 벌채의 영향은 기후, 지질, 지형, 토양 및 식생 등 지역적 환경 조건에 따라 상이하게 나타난다(Saito et al., 2017; Lehmann et al., 2019). 특히 산림 벌채 후 약 3-10년 사이에 천층 및 전이형 산사태 발생이 증가하는 것으로 보고되었는데(Bishop and Stevens, 1964; Megahan et al., 1978; Endo, 1980), 이는 벌채목 뿌리의 고사·부후와 더불어 새롭게 형성된 식생의 뿌리가 충분히 발달하지 못해 토양 보강 효과가 벌채 이전보다 저하된 데 기인한다는 해석이 제시되었다(Wu et al., 1979; Sidle, 1992).
함수비 변화 특성은 지표면 조건과 환경적 요인의 영향을 크게 받으며, 특히 식생은 강우 유입과 지반 내 수분 분포를 조절하는 핵심 인자로 알려져 있다. 식생의 뿌리는 토층의 보강 효과를 제공할 뿐 아니라 증발산 작용을 통해 함수 상태를 조절하므로 동일한 강우 조건에서도 수풀지역과 벌목지역은 서로 다른 함수변화 양상을 보이며, 이는 붕괴 발생 임계조건 차이로 이어진다. Park et al.(2024)은 벌목지역의 경우 강우 침투가 빠르고 단기간 내 불안정 상태에 도달한 반면, 수풀지역은 함수 변화가 비교적 완만하게 진행되어 붕괴 민감도가 낮다고 보고하였다.
이에 본 연구는 식생 유무에 따른 체적함수비 증가 기울기(VWCG; Volumetric Water Content Gradient)와 유효누적강우량(ECR; Effective Cumulative Rainfall)의 상관성을 분석하고 이를 기반으로 얕은 사면붕괴 민감도 평가를 수행하였다. 특히 실제 집중호우로 사면 붕괴가 발생한 지역을 대상으로 무선센서네트워크(WSN; Wireless Sensor Network) 기반 실시간 계측시스템을 활용하여 함수비를 지속적으로 관측하였다. 이를 바탕으로 수풀지역과 벌목지역의 조건을 비교하고, 두 구역 간 VWCG-ECR- 지표의 차이를 규명하고자 하였다. 또한 강우 조건과 토양 함수 상태를 동시에 반영한 얕은붕괴 조기경보 기준을 제시함으로써 향후 현장 적용성 향상에 기여하고자 한다.
2. 연구대상지 및 연구 방법
2.1 지반 조사
본 연구의 대상지는 광주광역시에 위치한 OO산 사면으로 약 40°의 급경사를 이루며 벌목지역과 수풀지역이 혼재된 지형적 특성을 지닌다. 대상지 지반은 Table 1과 같이 전 구역에서 Non-Plastic 특성을 나타내며, Fig. 1의 입도분포곡선에서도 상대적으로 조립질 비율이 높은것을 확인할 수 있다. 이러한 지반 특성으로 인해 강우 시 침투가 빠르게 진행되고 함수비가 즉각적으로 변화하는 경향을 보인다. 이에 강우조건에 따른 식생 및 지반 특성별 함수비 반응을 정량적으로 평가하기 위해 본 연구에서는 무선센서네트워크(WSN; Wireless Sensor Network) 기반의 실시간 함수비 모니터링 시스템을 Fig. 2와 같이 구축하였다.
Table 1.
Physical properties of soil in OO mountain
센서는 Fig. 3과 같이 구역별 깊이 20cm, 40cm, 60cm에 매설하여 강우 시 함수비 변화를 계측하였으며, 데이터는 10분 간격으로 수집하여 게이트웨이를 통해 서버로 전송되어 실시간 모니터링을 실시하였다(Park et al., 2024). 본 시스템을 통해 총 1년 7개월간 벌목지역과 수풀지역의 함수비 반응 특성을 비교·분석하였다.
2.2 유효누적강우량 및 체적함수비 증가 기울기 산정 방법
본 연구에서는 강우 조건에 따른 사면의 함수반응 특성과 붕괴 민감도를 정량적으로 평가하기 위해 유효누적강우량(ECR; Effective Cumulative Rainfall)과 체적함수비 증가 기울기(VWCG; Volumetric Water Content Gradient)를 주요 분석 지표로 활용하였다. 유효누적강우량(ECR)은 강우에 의해 체적함수비가 증가하여 최대값에 도달할 때까지 소요되는 강우량을 정량화하기 위해 식 (1)과 같이 적용하였다.
여기서, 는 체적함수비가 증가하기 시작한 시점부터 최대 체적함수비에 도달하기까지의 시간을 의미한다. 체적함수비 증가 기울기(VWCG)는 최대 체적함수비 도달 시간()에 대한 증가 시작 시간()의 비 ()을 정규화한 후, 선형회귀분석으로 산정된 기울기를 사용하였다(Fig. 4). 또한, Chae and Kim(2012)은 실내 토조실험과 현장 테스트베드 계측을 통해 산정된 체적함수비 증가 기울기(VWCG)를 기준으로 붕괴 발생 여부를 평가하였으며, 0.1 VWC/()의 계측 임계값을 초과할 경우 붕괴 가능성이 높아지는 것으로 제시한바 있다(Fig. 5).
하지만 이 방법은 강우 시 포화과정을 실시간으로 파악할 수 있어 소규모 사면 모니터링에 유용하지만, 실내 조건에 기반한 제한된 자료로 제안된 기준이기 때문에 실제 현장 적용성에는 제약이 있다. 이후 Suk et al.(2019)은 실내에서 다양한 경사·밀도·강우 조건을 추가적으로 고려하여 붕괴 사례의 증가 기울기가 크게 나타나는 경향을 확인하고 비 붕괴사례에서도 0.1을 초과하는 값을 확인하였다(Fig. 6). 이어서 Suk et al.(2020)은 대규모 토조 실험과 유사 지반의 테스트베드 현장에서 확보한 계측 자료를 비교 분석하여, 체적함수비 증가 기울기가 높을수록 붕괴 발생 경향이 뚜렷해짐을 확인하고 이를 바탕으로 4단계 경보기준을 제시하였다(Table 2).
Fig. 6
Relationship between volumetric water content gradient and ECR based on the data from case 1 and case 2 (Suk et al., 2019)
Table 2.
Criterion for volumetric water content gradient (Suk et al., 2020)
그럼에도 기존 연구는 대부분 통제된 실내조건에 국한되어 있거나 짧은 모니터링 기간으로 실제 현장 지반·식생 조건을 반영하기 어렵기 때문에 실제 사면에서의 함수비 증가 특성 축적 및 검증을 통한 현장 기반 기준 설정이 미흡한 상황이다. 특히, 본 연구는 기존 연구와 달리 실제로 붕괴가 발생한 대상 구역을 중심으로 장기 모니터링과 분석을 수행함으로써 실측 붕괴 사례를 반영한 보다 현실적이고 적용 가능한 현장 기반 기준을 마련하고자 하였다.
3. 강우 시 비탈면 함수 반응
현장 모니터링 자료를 바탕으로 Chae and Kim(2012)이 제안한 방법을 적용하여 체적함수비 증가 기울기(VWCG)를 산정하였다. 강우 지속 시 체적함수비는 초기 단계에서 급격히 증가한 뒤 일정 시간 이후 수렴하는 경향을 보였으며, 이때의 수렴값을 최대 체적함수비로 정의하였다(Fig. 7). 최대 체적함수비에 도달하는 시간을 정규화하여 산정함으로써, 강우 침투에 따른 함수비 변화 속도를 정량적으로 평가하였다. 아울러 강우의 누적효과를 반영하기 위해 유효누적강우량(ECR)을 식 (1)에 따라 산정하였으며, 이를 통해 체적함수비 변화와 붕괴 민감도의 연계성을 분석하였다(Fig. 8). 본 현장의 경우, 심도 20cm와 40cm에서는 강우량에 따라 침투속도가 빠르게 변화한 반면, 60cm는 표층부에 비해 반응이 늦어 20cm와 40cm 자료만 분석에 활용하였다(Park et al., 2024).
분석에 활용한 모니터링 자료는 강우로 인해 함수비 변화가 뚜렷하게 관찰된 시기(2023년 8월)와 전반적으로 표층이 습윤한 시기(2024년 6월), 모니터링 기간 중 최대 일 강수량(87.1 mm/day)을 기록한 2024년 9월을 대상으로 구역별 체적함수비 증가 기울기 특성을 검토하였다(Fig. 7).
Fig. 9(a)는 수풀지역에서의 체적함수비 증가 기울기(VWCG)와 유효누적강우량(ECR)의 관계를 나타낸 것이다. 분석 결과, ECR은 60 mm를 넘지 않았으며 VWCG는 주로 0.05~0.15 범위에 분포하였다. 전반적으로 기울기 변화가 완만하게 나타났고 뚜렷한 급상승 구간은 관찰되지 않았다. 이는 수풀의 강우차단과 증발산 효과로 인해 유효 침투량이 감소하고 이로 인해 함수비 변화가 점진적으로 진행된 결과로 해석된다.
Fig. 9(b)는 벌목지역의 VWCG-ECR 관계를 제시한 것으로 ECR 증가에 따라 기울기가 뚜렷하게 상승하는 경향을 보였다. 특히, ECR은 약 73 mm까지 증가하였으며, VWCG는 주로 0.1~0.25 범위에 집중적으로 분포하였다. 이러한 결과는 VWCG가 주로 0.1 이상에서 붕괴가 나타난다고 보고한 Chae and Kim(2012)의 연구결과와는 분명한 차이를 보이며, Suk et al.(2020)이 제시한 단일 임계값 기반의 경보기준과도 상이하다. 즉, 기존 연구에서 제안된 단일지표(VWCG 단독) 기반 기준은 현장의 식생 및 지반조건 변화를 충분히 반영하지 못하며, 본 연구에서 확인된 벌목지역의 빠르고 민감한 함수비 반응은 단일 임계값 접근이 현장적용에 한계를 가질 수 있음을 시사한다. 이는 식생이 제거된 조건에서 강우가 직접 토체로 침투하며 불포화토의 함수비가 급격히 증가한 결과로 동일 강우조건에서 벌목지역 사면이 상대적으로 높은 민감도를 보이며 안정성 저하에 더 취약함을 의미한다.
4. 비탈면 붕괴 민감도 분석과 기준
식생유무에 따른 비탈면 붕괴 민감도를 분석하고 붕괴 기준을 제시하기 위해 본 연구에서는 일 강수량이 20 mm/day 이상인 시기의 자료를 활용하여 표본을 확장하였다. 이는 일정 수준 이상의 강우가 지속될 경우 표층으로의 침투가 활발해지면서 함수비 변동이 명확하게 나타나는 경향이 관측되었기 때문이다. 이러한 조건을 대상으로 체적함수비 증가 기울기(VWCG)와 유효누적강우량(ECR)의 상관성을 분석함으로써 식생 피복 여부에 따른 붕괴 민감도를 보다 정량적으로 평가하였다.
Fig. 10(a)와 Fig. 10(b)는 각각 수풀지역과 벌목지역에서 수집된 데이터를 바탕으로 체적함수비 증가 기울기(VWCG)와 유효누적강우량(ECR)의 분포 특성을 나타낸 것이다. 수풀지역의 경우, 대부분 VWCG가 0.1 이하, ECR이 60 mm 이하 범위에 집중 분포하였으며 이는 식생 피복으로 인해 강우 침투가 지연된 결과로 해석된다. 반면, 벌목지역에서는 VWCG가 0.2 이상까지 급격히 증가하는 사례가 다수 관찰되었으며, 이는 식생이 제거됨에 따라 동일한 강우강도 조건에서도 초기 함수비의 변동 폭이 커져 VWCG의 민감도가 높아진 것으로 해석된다.
또한, ECR 분포 특성을 비교한 결과 수풀지역은 대부분 60 mm 이하의 낮은 수준에서 안정적으로 형성된 반면 벌목지역은 동일한 강우조건에서도 상대적으로 높은 ECR 값을 기록하였다. 이러한 차이는 강우지속 시 식생 피복 여부가 침투·저류 과정에 미치는 영향을 보여준다. 따라서 VWCG와 ECR의 상관관계는 식생 분포 상태에 따라 뚜렷하게 구분되며 이를 통해 얕은 파괴 발생 가능성을 정량적으로 평가할 수 있는 조기 경보 기준 설정이 가능하다. 특히, 벌목된 사면은 VWCG와 ECR이 동시에 증가하는 불안정한 양상 뿐만 아니라 비교적 작은 ECR 조건에서도 VWCG가 급격히 상승하여 붕괴 민감도가 높아지는 사례가 확인되었다. 이는 벌목으로 인한 강우 침투의 직접적 영향을 반영하는 결과라 할 수 있다.
함수 변화패턴과 강우조건의 상관성은 사면붕괴 리스크를 정량적으로 평가하는 핵심 지표이다. 벌목지역과 같이 식생 피복이 제거된 환경에서는 함수변화 특성이 붕괴 발생 시점과 민감도에 직접적인 영향을 미친다. 이점을 검증하기 위해 붕괴 발생 시점의 계측치(2018년 사례 포함)를 기존 표본에 합산하여 최종본을 제시하였다.
Fig. 11은 붕괴 발생 당시의 강우 데이터를 포함하여 계측된 체적함수비 증가 기울기(VWCG)와 유효누적강우량(ECR)의 분포를 종합적으로 제시한 결과이다. 분석 결과, 붕괴 사례는 주로 VWCG가 0.3 이상이면서 동시에 ECR이 80 mm 이상인 구간에서 집중적으로 나타났다. 이는 장기간의 강우로 인해 사면이 포화에 근접한 상태에서 함수비가 급격하게 변화하는 시점이 붕괴를 유발하는 임계조건으로 작용함을 의미한다. 즉, 해당 구간에서는 지반의 불안정이 급격히 증가하므로 실시간 모니터링을 기반으로 한 즉각적인 경보 발령이 필수적인 상황으로 판단된다.
한편, 기존 연구들은 주로 VWCG 단독 지표에 기반하여 조기경보 체계와 붕괴 기준을 제시해 왔다. 그러나 본 연구 결과는 VWCG와 ECR을 복합적으로 고려할 경우 단일 지표 활용보다 붕괴 민감도를 정밀하게 평가할 수 있음을 보여준다.
5. 결 론
본 연구에서는 실시간 함수비 계측 자료를 활용하여 비탈면 얕은파괴 조기경보 체계 수립을 위한 함수변화 패턴과 붕괴 리스크 간의 연계성을 분석하였다. 분석에 사용한 지표는 VWCG(Volumetric Water Content Gradient)와 ECR(Effective Cumulative Rainfall)를 주요 지표로 설정하여 식생 분포 여부에 따른 함수 반응 특성과 붕괴 민감도를 비교·분석하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 함수비 반응 특성 비교 결과, 수풀지역은 강우 시 함수비 상승폭이 완만하고 포화 도달 시간이 지연되는 경향을 보였다. 이는 식생의 우산효과와 증발산 작용으로 침투 속도가 조절되어 급격한 함수비 변화를 억제한 결과로 해석된다. 반면, 벌목지역은 식생 제거로 인해 표층이 직접 노출되면서 침투 저항성이 크게 감소하였고, 이로 인해 함수비가 빠르게 증가하고 포화 도달 시간도 단축되는 양상을 보였다.
(2) 사면 조건에 따른 붕괴 민감도 분석 결과, 벌목지역은 VWCG와 ECR 모두에 민감하게 반응하여 단기간의 급격한 함수 변화뿐만 아니라 누적 강우 증가에 따라 비탈면의 불안정성이 빠르게 증가하는 것으로 나타났다. 반면, 수풀지역은 식생의 강우차단과 증발산 효과로 초기 침투가 제한되지만, 장기 강우 시 ECR이 지속적으로 누적되면서 함수 상태가 빠르게 포화에 도달해 붕괴 민감도가 크게 증가하였다. 이는 벌목지역이 단기 집중호우에 취약하고 수풀지역은 장기 강우 조건에서 위험성이 높아지는 상반된 거동을 보이며, 식생 유무가 강우-함수 반응 메커니즘을 결정짓는 핵심 인자임을 의미한다.
(3) VWCG와 ECR이 동시에 높은 조건에서 붕괴 위험이 가장 크게 나타났다. VWCG ≥ 0.3 및 ECR ≥ 80 mm를 동시에 만족하는 구간에서 실제 붕괴가 집중적으로 발생하였으며, 이는 강우 지속에 따른 토층 포화와 급격한 함수비 변화가 복합적으로 작용하는 임계 상태임을 보여준다. 이러한 결과는 단일 지표 기반 경보기준이 토질 및 강우 특성을 충분히 반영하지 못하는 한계를 보완할 수 있으며, 복합 지표 기반 기준이 붕괴 민감도를 보다 정밀하게 평가하는데 효과적임을 시사한다.
본 연구는 VWCG ≥ 0.3, ECR ≥ 80 mm를 주요 임계값으로 제시하였으나, 이는 특정 현장 조건에 기반한 결과이므로 다양한 지질·지형 조건에서의 보정이 필요하다. 향후에는 식생회복, 사면 보강 등 사면 관리 전략과 경보 기준을 연계하여 현장 적용성을 높이는 연구가 필요할 것으로 판단된다.
