1. 서 론
2. 연구방법
2.1 연구수행 절차
2.2 산사태 발생영역의 추출
2.3 암반 비탈면 파괴유형 주제도
3. 분석 및 고찰
3.1 암반 비탈면 파괴유형 분석
3.2 지형특성 분석
3.3 산사태 발생 위험도 분석
4. 결 론
1. 서 론
최근 집중강우로 인하여 국립공원 지역 내에서 산사태가 많이 발생하고 있으며 특히 지리산의 경우, 집중호우의 원인인 태풍의 길목에 자리하고 있어 다른 국립공원에 비해 산사태의 규모가 크며 그 빈도 또한 높다. 지리산 지역의 산사태는 주민과 등산객들의 안전을 위협할 뿐만 아니라 생태학적 변화를 초래하기 때문에 지리산 산사태에 대한 기본 연구와 산사태 발생 예측시스템 구축이 절실하게 요구된다.
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Fig. 1. Satellite image showing four high peaks, the river Gwangcheon, and towns and farmlands in the study area |
산사태 발생 예측과 관련한 논문에 따르면 국내에서 발생하는 산사태의 대부분이 토석류로 발생하고 있어 지반의 공극률, 밀도, 투수성 및 그 외에 지형 고도나 사면 경사가 산사태 발생에 영향을 끼치는 인자로 고려하고 있다(Lee, 2010; Jung, 2004; Chae et al., 2004). 또 지반특성이나 지형특성 이외에 지질구조를 고려한 산사태 발생 예측에 관한 연구(Lee et al., 2002)도 활발히 이루어지고 있으며 산사태 발생에 있어서 암반절리 특성에 대해서도 여러 논문이 발표된 바가 있다(Lee et al., 2002; Cho and Jang, 2006; Choi and Paik, 2002; Gokceoglu, et al., 2000; Sturzenegger, et al., 2007). 외국에서는 산사태 발생에 직접적으로 불연속면의 주향 및 경사, 사면의 주향 및 경사를 고려하여 산사태 발생을 예측하기도 하며(Gokceoglu, et al., 2000; Lee, et al., 2002) Cho and Jang(2006)는 산사태 지역에서 발달하는 절리의 방향 및 경사, 절리 밀도 등의 절리특성을 연구하였다. Lee et al.(2002)는 지질구조선도의 작성을 이용한 산사태 취약성 분석을 실시하였고 Cho and Jang(2006)의 논문에서는 강릉지역에서 발생한 산사태 지역의 절리의 방향 및 경사, 그리고 절리 밀도에 대해 연구하였으며 Choi and Paik(2002)은 산사태 발생의 원인인 인장균열의 특성 및 생성시기 분석과 구조선 분석을 실시하였다. 또한 Gokceoglu et al.(2000)는 절리의 방향 및 경사, 그리고 빈도를 입력하여 KINAN(Kinematic analyses program) 분석을 실시하였으며 Sturzenegger et al.(2007)는 암괴크기와 절리빈도를 측정하여 GIS로 암괴 크기에 관한 지도를 작성하였다.
이와 같이 산사태와 절리와의 관계에 관한 연구는 다수 있지만 GIS(Geographic Information System) 영상을 이용하여 산사태 발생 영역의 암반사면 파괴유형을 분석한 연구는 아직도 미진한 편이다. 따라서 본 연구에서는 산사태 발생과 관련한 암반사면 파괴유형에 대하여 검토하였다. 또 산사태 발생의 피해에 대비한 산사태 발생 위험도를 작성하였는데, 먼저 지형특성을 바탕으로 하여 산사태 발생 예측도를 작성하고 추가하여 인문학적 특성을 고려하였다.
연구대상 지역은 지리산의 북쪽에 위치하는데, 행정구역상으로는 경상남도 함양군 마천면과 전라북도 남원시 산내면에 속하고, 서룡산, 삼봉산, 백운산, 금대산을 포함한다. 지리좌표 상으로는 동경 127°36′51″～127°42′00″ 북위 35°23′27″～35°28′52″으로, 가로와 세로 각 7.9km로 면적 약 62.4km2에 해당하며 고도는 낮은 지역이 해발 약 230m, 높은 지역이 약 1,200m로 경사가 매우 급하고 지형이 매우 험준하다. 또한 Fig. 1과 같이 하천이 흐르며 하천을 따라서 주변에 농지 및 주거지(산내면 및 마천면 소재지)가 위치하고 있다.
연구대상 지역의 지질은 Fig. 2에서와 같이 중생대 화성암류인 마천 반려암과 함께 흑운모편마암이 넓게 분포하고 있다. 연구지역에는 절리, 단층 및 암맥이 발달하고 있으며 이들 불연속면은 산사태 발생에 영향을 끼칠 수 있는 중요 인자이다.
2. 연구방법
2.1 연구수행 절차
연구수행 절차는 먼저 원격탐사 영상을 이용하여 산사태 발생영역을 추출하고 GIS를 이용하여 산사태 발생영역의 지형특성을 분석하며 지형특성을 토대로 빈도비 값을 계산하였다. 다음 빈도비 값을 사용하여 산사태 발생 예측도를 작성하고 산사태가 발생했을 경우, 피해에 민감한 정도를 분석하여 이를 최종적으로 고려하여 산사태 위험도를 작성하였다. Raster 형태의 픽셀 값은 5m×5m로 설정하였다.
먼저 산사태 발생영역을 추출하기 위해서 사용된 위성사진은 Spot Image이며 좌표계는 중위도 원점으로 Table 1과 같이 TM(Transverse Mercator) 좌표계를 사용하였으며 좌표계가 설정된 위성사진으로 육안판독에 의한 무감독 분류를 통하여 산사태 발생영역을 추출하였다.
본 연구대상 지역의 경우와 같이 낙석류로 발생한 산사태의 경우, 암반의 불연속면의 방향과 경사가 산사태 발생에 큰 영향을 미친다. 본 연구에서 실시한 절리 특성분석은 먼저 야외에서 측정한 절리의 주향 및 경사를 DIPS 프로그램을 사용하여 평사 투영망에 극점으로 도시하여 대표 절리군의 주향 및 경사를 선정하였다. 이 대표 절리와 연구지역의 자연사면 방위와 경사를 이용하여 실제 산사태 영역의 평면파괴, 전도파괴 및 쐐기파괴의 가능성을 분석하였다. 산사태 위험도는 산사태 예측도와 산사태 피해도를 중첩하여 최종적으로 총 5등급으로 구분하여 작성하였다. Melchiorre et al.(2007)는 산사태 위험도 작성에 있어서 산사태 취약도(landslide vulnerability map)와 재해도(hazard map)을 중첩하여 보수적인 관점에서 위험도를 결정하였으나 본 연구에서는 위험도가 높은 정도와 낮은 정도의 차이를 크게 하기 위해서 위험도가 매우 높음과 매우 낮음을 다른 등급에 비해 많이 나타날 수 있도록 하였다.
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Fig. 3. Previous landslide areas appeared in red color deduced from satellite image. Approximately 1.32% of the study area is influenced by landslide based on pixel count. |
먼저 산사태 예측도 작성은 지형특성을 기본으로 하였는데, 고려된 지형인자로는 해발고도(elevation), 사면방향(slope aspect), 사면경사(slope angle), 음영도(shaded relief), 곡률(curvature), 하천이격 거리(stream distance) 등 6개의 인자이다. 이와 같은 지형인자는 국내외의 여러 논문에서 산사태에 영향을 끼친 인자로 사용되어왔으며(Kim et al., 1998; Kim et al., 2009; Son et al., 2009; Yang et al., 2006; Lee et al., 2004a, Lee et al., 2004b; Lee et al., 2006; Yilmaz, 2009; Angillieri, 2010; Lee and Lee, 2006), 또 해발고도, 사면방향, 사면경사 및 하천이격 거리 등 일부 인자는 선사유적 입지분석 등 다른 분야에서도 사용되고 있다(Lee and Kim, 2011a; Lee and Kim, 2011b; Lee and Kim, 2012). 지형특성 분석에 사용된 프로그램은 Arc GIS 9.0이며 1:5,000 수치지형도를 바탕으로 하여 각 지형특성 주제도를 작성하였다. 산사태 발생 피해도는 산사태가 발생했을 때, 직접적인 피해가 예상되는 시설물인 도로와 건물의 피해를 고려하였다.
2.2 산사태 발생영역의 추출
위성사진을 통하여 산사태가 발생한 영역을 추출한 결과는 Fig. 3의 붉은 색으로 나타내었는데, 연구지역의 총 픽셀 수(pixel count)는 2,524,912개이고 산사태 발생영역의 픽셀 수는 33,334개로 산사태 발생영역은 전체 연구대상 면적의 약 1.32%를 차지하였다.
2.3 암반 비탈면 파괴유형 주제도
현장조사에서는 절리의 방향 및 경사의 대표성을 갖기 위해 규칙절리 만을 측정하였으며 측정한 절리는 암반 비탈면 파괴조건에 만족하도록 사면의 방향 및 경사에 영향을 미치는 60°이하인 절리만 이용하여 대표 절리군을 결정하였다. 대표 절리군은 Fig. 4와 같이 rose diagram과 Contouring point density 기법으로 결정하였는데, 선정된 3개의 대표 절리군은 052/37, 308/28 및 189/32으로 경사는 30° 내외이고 주향은 N38W, N38E, S81E 이다.
대표 절리군의 주향과 경사를 이용하여 산사태가 발생할 수 있는 가능성이 있는 자연사면의 방향 및 경사의 범위를 프로그램 DIPS를 이용하여 Table 2와 같이 구하였다. 이 결과에서 평면파괴(plane failure)가 예상되는 영역을 Fig. 5, 전도파괴(toppling failure)가 예상되는 영역을 Fig. 6과 같이 주제도로 표시하였는데 연구지역의 상당한 영역에서 대표 절리군과 사면방위가 조합되어 평면파괴 및 전도파괴의 가능성이 있는 것으로 분석되었다. 그러나 두 개 이상의 대표 절리가 조합되어 발생할 수 있는 쐐기파괴(wedge failure)의 가능성은 극히 적은 영역에서만 발생하는 것으로 분석되었다.
3. 분석 및 고찰
3.1 암반 비탈면 파괴유형 분석
암반 비탈면의 평면파괴, 전도파괴 및 쐐기파괴의 가능성이 있는 영역과 실제 산사태가 발생한 영역을 중첩하여서 산사태 기발생영역의 파괴유형을 분석하였다. Fig. 7과 Fig. 8은 평면파괴와 전도파괴조건에 해당하는 산사태 기발생영역인데, 그림에서 실제 산사태가 발생한 영역은 노란색(붉은색 포함)으로 표시하였고 평면 및 전도 파괴형태가 일어날 가능성이 있는 영역은 붉은색으로 표시하였다. 산사태 기발생 면적에 포함되는 평면파괴 가능영역은 전체 산사태 발생영역의 21.46%, 전도파괴 가능영역은 23.74%로 나타났다.
3.2 지형특성 분석
지형특성을 나타내는 6개의 요소의 범위를 적절하게 구분하여 각각의 해당영역(domain area)을 구하고, 산사태 발생영역의 면적을 픽셀 수(pixel count)로 산출하여 산사태 발생영역(landslide area)으로 표시하였고, 전체 산사태 발생영역의 총 픽셀 수는 33,334개 이었다. 산사태 발생 빈도비(frequency ratio, 
)는 domain area(
)에 대한 landslide area(
)의 비이며 다음 식으로 표시된다.
(1)
1)해발고도(elevation) : 해발고도의 특성분석 결과는 Table 3과 Fig. 9에 정리하였는데, 산사태는 고도 330～710m에서 88.01%가 발생하였다. Kim et al.(2007)의 논문에 따르면 사면고도가 70% 미만일 경우, 산사태 발생 빈도가 현저하게 떨어지는 것으로 보고하였지만, 본 연구에서는 산사태 발생이 오히려 많은 것으로 분석되었다. 또 사면고도에 따른 산사태 빈도비를 분석한 결과, 높은 능선에서 산사태가 많이 발생하는 선행연구 결과와 달리 고도 425∼710m에서 산사태 발생 빈도가 높은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 선행연구에서는 산사태 발생 시작점을 산사태 영역으로 선정한 반면, 본 연구에서는 산사태에 영향을 받은 모든 영역을 산사태 발생영역으로 선정하였기 때문인 것으로 판단된다. 이 연구에서는 산사태 발생 후 촬영된 위성영상에서 산사태 영역을 추출하였기 때문에 산사태 발생 시작점을 확인할 수 없었다.
2)사면방향(slope aspect) : Table 4와 Fig. 10에 사면방향 특성과 그에 따른 산사태 발생 면적 백분율 및 빈도비를 나타내었다. 표에서 보듯이 90～270° 방향에서 전체의 77.7%의 산사태가 발생한 분석되어 사면방향이 동남∼남∼남서 방향으로 경사진 사면에서 산사태가 많이 발생하였다. 이는 태양의 영향을 많이 받는 양지쪽의 암석풍화가 더 많이 진행되어 풍화대의 심도가 깊기 때문인 것으로 판단된다. 빈도비 분석 결과도 마찬가지로 남동∼남∼남서 방향의 사면에서 산사태 발생확률이 높은 것으로 나타났다. 이에 반하여 북쪽으로 경사진 사면인 0°～45°와 315°～360° 등급에서 빈도비가 가장 낮은 값을 보였다. 이와 같은 결과는 암석풍화가 겨울철이 상대적으로 긴 우리나라의 기후에 영향을 크게 받기 때문인 것으로 볼 수 있다.
3)사면경사(slope angle) : 사면경사 특성분석은 Table 5 및 Fig. 11과 같이 경사각 10°～40°에서 93.39%의 산사태가 발생하는 것으로 나타났으며 61°이상인 사면경사를 가지는 영역에서는 산사태가 발생 하지 않은 것으로 분석되었다. 이는 Lee et al.(2004b), Yilmaz (2009)의 연구에서도 40°이상의 경우, 산사태 발생 빈도가 매우 낮게 나타났으며 또한 Yilmaz(2009)는 사면경사가 45°이상인 경우에는 산사태가 전혀 발생하지 않는 것으로 분석된 것과 일치하는데, 그 원인은 사면경사도가 급한 지역은 대부분 암반이 분포하는 지역이기 때문인 것으로 추정된다. 빈도비 분석결과는 10°～20°에서 산사태가 발생할 확률이 높은 것으로 해석할 수 있으며 그 다음으로는 20°～30°이다. 사면경사가 50° 이상인 영역에서는 산사태가 거의 발생하지 않는 것을 볼 수 있으며 40°이상부터 산사태 발생 확률은 현저하게 떨어지는 것을 확인하였다.
4)음영도(shaded relief) : 음영도 특성분석은 Table 6과 Fig. 12에서 보듯이 등급 3∼7에서 13∼21%의 범위로 비슷한 비율로 산사태가 발생한 것으로 분석되었다. 이는 태양의 영향을 거의 받지 않는 지역은 햇빛에 의한 풍화진행이 느리기 때문이고, 햇빛을 많이 받는 지역은 식생이 잘 자랄 수 있는 환경이 조성되어 식생 때문에 산사태 발생 빈도가 낮아진 것이 원인인 것으로 보인다. 음영도의 빈도비 분석결과 등급 2∼5에서 산사태 발생확률이 높은 것으로 확인되었으며 그 외 등급에서도 산사태 발생확률이 낮았다.
5)지형 곡률(curvature) : 지형의 곡률특성 분석은 Table 7 및 Fig. 13에서 보듯이 산사태 발생 면적의 86.28%가 곡률 특성치 -5∼+5 사이에서 발생하여서 곡률이 적은 지역 즉, 완만한 볼록 지형 내지 완만한 오목 지형에서 대부분의 산사태가 발생한 것으로 분석되었다. 곡률특성의 빈도비 분석 결과, 아래로 오목한 지형에서는 빈도비가 1 이하의 값을 보여서 산사태 발생 확률이 낮은 것으로 나타났다. 즉, 음의 값을 가지는 위로 볼록한 지형이 산사태 발생 확률이 높은 것으로 해석할 수 있다. 이는 Lee et al.(2004b)의 곡률 분석 결과에서도 아래로 볼록한 지형을 가진 지역의 산사태 발생 빈도비가 1.01, 위로 볼록한 지역인 약 1.46의 값을 가진 것으로 분석되어서 상대적으로 위로 볼록한 지형을 가진 지역이 산사태 발생확률이 높게 나타난 것과 일치한다. 산사태 발생면적과 빈도비가 서로 다른 경향을 보이는 것은 연구지역 내에 높은 음의 곡률영역(-5 이하)이 5.86%로 적었기 때문에 이 곡률에서의 빈도비 값이 상대적으로 높게 산출된 것으로 사료된다.
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Fig. 15. Landslide prediction map deduced by superposing frequency ratio of each geographic feature layers |
6)하천 이격거리(stream distance): 하천까지의 이격거리에 따른 산사태 발생 면적과 빈도비 분석은 Table 8 및 Fig. 14와 같이 100m 단위로 실시하였다. 하천과의 거리에 따른 산사태 발생 영역은 100m 이내인 경우가 전체 산사태 영역의 약 41%를 차지하였으며, 그 다음 200m, 300m, 400m 순으로 산사태 발생영역의 면적 비율이 높은 것으로 분석되었다. 이와 같은 결과는 Choi et al.(2007), Lee and Lee(2006), Yilmaz (2009)의 연구 결과와 일치하며 하천과 가까운 거리에서 산사태 발생이 많은 것을 알 수 있다. 그러나 하천 이격거리에 대한 빈도비 분석 결과는 지형특성 분석 결과와 다소 차이를 나타내었는데, 지형특성 분석에서는 100m 이내에서 산사태 발생 면적비가 가장 크게 나타나고 400m 이후에서 현저하게 적어졌지만 빈도비 분석 결과에서는 하천으로부터 300m 떨어진 지점부터 산사태 발생 확률이 높아지는 것으로 분석되었다. 이는 표에서도 볼 수 있듯이 산사태 발생영역과 지형영역의 면적 비율이 비슷하며 다른 인자들의 분석 결과와 다르게 빈도비 값의 표준편차가 크지 않았기 때문인 것으로 보인다. 따라서 본 연구지역의 산사태는 다른 인자들에 비해서 하천 이격거리의 영향은 크지 않은 것으로 판단할 수 있다.
3.3 산사태 발생 위험도 분석
본 연구에서는 사용한 6개의 지형특성 인자들이 모두 같은 정도로 산사태 발생에 영향을 미친다고 가정하고 각 주제도의 빈도비를 중첩하여 다음 Fig. 15와 같이 산사태 예측도(prediction map)를 작성하였다. 여기서 산사태 발생가능성은 누적 빈도비에 따라 ‘Natural breaks’ 기법으로 ｢매우 높음(very high, 
7.63), 높음(high, 6.57
7.63), 보통(moderate, 5.63
6.57), 낮음(low, 4.69
5.63) 및 매우 낮음(very low, 
4.69)｣등 5등급으로 분류하였다. 이와 같이 분석한 산사태 예측도와 실제 발생한 산사태 영역이 일치하는지 여부를 확인하기 위해서 두 지도를 중첩하여 Fig. 16의 예상되는 산사태 확률도(probability map)를 얻었다. 그 결과 산사태 예측도에서 ‘very low’와 ‘low’ 등급으로 분석된 지역에서는 실제 산사태가 각각 0.90% 및 7.16% 발생하였고, ‘high’와 ‘very high’ 등급 지역에서는 실제 산사태가 각각 28.90% 및 46.09% 발생하였으며, ‘moderate’ 지역의 16.95%에서 산사태가 실제로 발생하였다. 즉 실제 발생한 산사태의 약 75% 정도가 산사태 발생확률이 높은 영역으로 예측된 지역에서 발생하여서 본 연구에서 적용한 지형특성에 근거한 산사태 예측기법이 상당히 신뢰성 있는 방법임이 입증되었다.
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Fig. 16. Landslide probability map showing approximately 75% of landslide area is belong to ‘high’ and ‘very high’ grades |
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Fig. 17. Landslide damage map deduced by considering roads and buildings to be affected by landslide |
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Fig. 18. Landslide risk map deduced by combination both prediction map and damage map |
산사태 발생 시, 인명 피해가 예상되는 위치인 도로와 건물을 고려하여 Fig. 17과 같이 산사태 피해도(damage map)를 작성하였고, 이를 산사태 예측도(Fig. 15)와 중첩하여 Fig. 18과 같이 산사태 위험도(risk map)를 작성하였다. 여기서 산사태 위험등급은 Table 9와 같이 산사태 피해등급과 예측등급을 조합하여 결정하였다.
산사태 발생 위험도(Fig. 18)에 의하면 연구지역은 위험도가 ‘보통(moderate)’ 이하인 지역이 86.73%이고 ‘높음(high)’ 이상인 지역이 13.27%로 분석되었다. 산사태 위험도(Fig. 18)는 피해도(Fig. 17)와 비슷한 양상을 나타내었는데, 이는 산사태가 발생하는 경우 위험정도는 산사태의 피해정도와 관련이 크다는 것을 의미한다.
4. 결 론
본 연구에서는 산사태 기발생영역의 절리특성을 조사하고 GIS를 이용하여 추출한 지형특성을 분석하여 연구지역에서 예상되는 암반사면 파괴유형을 분석하였다. 또 해발고도, 사면방향, 사면경사, 음영도, 곡률, 하천 이격거리 등 6개의 지형특성 인자를 바탕으로 각 인자의 빈도비 분석을 실시하여 산사태 예측도를 작성하였으며, 도로 및 주거지와 같은 지역의 인문적인 인자를 고려하여 산사태 피해도를 작성하고 이 두 주제도를 조합하여 최종적으로 연구지역의 산사태 위험도를 작성하였다. 본 연구에서는 6개의 지형특성 인자들의 빈도비가 같은 비중으로 산사태 발생에 영향을 미친다고 가정하였지만, 각 인자들에 대한 민감도 분석을 실시하여 각각의 가중치를 도출하여 적용한다면 더욱 정확한 산사태 발생 예측이 가능할 것이다. 또한 예측 방법으로 사용된 빈도비는 그 특성상 domain 영역의 크기에 따라 예민하게 변화될 수 있기 때문에 이를 보완하는 연구도 필요할 것으로 판단된다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
(1)암반사면 파괴유형 분석 결과, 평면파괴와 전도파괴의 가능 영역은 전체 산사태 발생 역역의 각각 21.46% 및 23.74%로 나타났으며 쐐기파괴의 가능성은 거의 없는 것으로 나타났다.
(2)해발고도 330∼710m에서 88%의 산사태가 발생하였으며 이 영역에서 빈도비도 높게 나타났다. 이는 선행연구결과에서 사면고도 70% 이상에서 많은 산사태가 발생한다고 보고된 것과 대조되는데 산사태 영역의 설정에 따른 차이로 판단된다.
(3)사면방향은 동남-남-남서 방향(90∼270o)에서 77.7%의 산사태가 발생하였으며 빈도비 또한 높게 나타나서, 사면 일조량이 큰 지역에서 산사태가 많았다. 이는 암석의 풍화심도가 일조량의 크기에 따라 증가하기 때문인 것으로 사료된다.
(4)사면경사 10∼40o에서 93.39%의 산사태가 발생하였으며 빈도비도 높게 나타났다. 이는 사면 경사가 커지면 산사태 발생이 적어진다는 선행연구결과와 잘 부합된다.
(5)음영도 등급 3∼7에서 산사태 발생비율이 13∼21%로 비슷한 비율로 산사태가 발생하였고 등급 2∼5에서 빈도비 1 이상을 보였다. 태양의 영향을 많이 받는 높은 등급에서 산사태 발생이 많은 경향을 보였다.
(6)곡률특성은 –5∼+5에서 86.28%의 산사태가 발생하였으나 빈도비는 곡률 값이 –5 이하인 볼록 지형에서 더 높게 나타났다. 이는 연구지역 내에 높은 곡률 영역(-5 이하)이 5.86%로 상대적으로 적었기 때문에 나타난 결과로 보인다.
(7)하천 이격거리가 가까울수록 산사태 발생 면적이 증가하였으나 빈도비는 오히려 적어지는 경향을 보였다. 이는 하천 이격거리가 가까울수록 지형적 분포면적도 증가하여 빈도비의 표준편차가 적었기 때문에 나타난 결과이며, 산사태에 미치는 영향은 적을 것으로 판단된다.
(8)산사태 예측도를 산사태 기발생 주제도와 비교한 결과, 실제 발생한 산사태의 약 75% 정도가 산사태 발생확률이 높은 영역으로 예측된 지역에서 발생하여서 산사태 예측도의 신뢰성을 입증하였다.
