서론
우리나라는 국토의 63%가 산림으로 이루어져 있고, OECD 국가 중에서 4번째로 산림 비율이 높은 국가이기 때문에 이를 관리하는 것은 국토 보전 차원에서 중요하다(Korea Forest Service, 2018). 그러나 국내에서는 여름철 집중되는 강우로 인해 산림지역에서 매년 산사태가 발생하여 인명과 재산 피해는 물론 산림이 소실되고 있다. 이러한 산사태는 최근 5년간(2016~2020년) 연평균 341ha 피해를 보았고, 2020년에는 1,343ha로 역대 3번째 큰 피해 규모로 발생했다.
산사태가 발생하는 원인은 유인(誘因)과 소인(素因)으로 구분할 수 있다. 유인은 산사태를 유발하는 직접적인 원인으로 강우·지진·강설·화산이며, 소인은 지형·지질·임상·토양과 같은 간접적인 원인으로 구분된다. 국내에서 발생하는 산사태 유인의 대부분은 강우(Chae et al., 2016) 이지만, 2016년 경주지진(ML 5.8)과 2017년 포항지진(ML 5.4) 이후에는 지진을 유인으로 하는 산사태 피해방지를 위한 연구개발의 필요성이 제기되었다(Lee et al., 2017; Seo et al., 2018).
현재까지 국내에서 수행된 지진에 의한 산사태 관련 연구는 Newmark(1965) 변위법에 의한 소규모 사면 또는 특정 지역에 대한 시나리오 기반의 연구를 통하여 사면 변위 및 안전율 변화를 예측하는 연구가 주로 수행되었다(Jeon et al., 2014; Lee et al., 2014; Lee et al., 2015). 최근 들어 지진에 의한 산사태 국외 연구 동향·발생사례·특성 분석 및 국내 연구수행 방향이 제안되었고(Lee et al., 2017; Seo et al., 2018; Kang et al., 2020), 모델링과 시나리오를 기반으로 하는 지진유발 산사태 위험성평가를 서울 우면산 지역에 적용하기도 하였다(Lee et al., 2020).
실제 지진에 의한 산사태 발생사례를 통한 인벤토리가 구축된 일본·중국·대만에서는 지진에 의한 산사태 취약 지형 특성분석(Harp et al., 2011; Guo et al., 2013), 붕괴 메커니즘 규명(Huang et al., 2012), 통계기반의 산사태 위험성 분석 및 위험지도 구축(Lee et al., 2008; Lee, 2014), 지진 이후 강우의 영향성 분석(Ma et al., 2017) 등 다양한 연구가 수행되고 있다.
지진 전·후에 지진의 영향이 고려된 산사태 발생 위험지도는 예방·대비·대응·복구의 재해 관리 전 과정에서 위험장소 선정 등 기초적인 정보를 제공할 수 있기 때문에 중요하다. 해외의 지진 방재 선진국에서는 실제 사례 분석을 통하여 지진유발 산사태 위험지도가 갖춰져 있지만, 국내에는 없는 실정으로 이를 구축하여 지진 방재에 활용할 필요가 있다.
지진에 의한 산사태 발생사례가 없는 국내에서는 시·군·구의 광역 단위 또는 국가 규모에서 지진에 의한 산사태 위험지역 예측을 통하여 효율적이고 선제적인 방지대책이 필요하다. 앞서 언급한 산사태를 유발하는 유인은 강우에서 지진으로 바뀌지만, 소인이 되는 지형·지질·임상·토양은 국내산지의 특성을 그대로 가지고 있다. 이러한 관점에서 국내에 산사태 위험지역 예측에 활용되고 있는 산사태 위험지도를 이용하는 방법이 효율적이라 판단된다. 산사태 위험지도는 지형·지질·식생·토양·수문 등 9개 인자를 통하여 산사태 발생확률을 1~5등급으로 구분하고 있다(Woo et al., 2014). Seo et al.(2018)의 연구에서는 단층대 위치 및 지진 규모를 변수로 사용하고 기존의 산사태 위험지도를 활용한 효율적 위험지 예측을 제안하였다.
본 연구는 지진에 의한 산사태 위험도 평가를 통하여 지진발생 전에는 산사태 예방사업, 지진발생 후에는 피해지 예측 및 복구 우선순위 선정 등 사후관리를 효율적·선제적으로 수행하여 지진에 의한 산사태 피해저감을 위한 기초자료를 제공하고자 수행하였다. 이를 위해 국외 선행연구를 분석하여 평가 방법론 검토와 평가 인자를 도출하였고 국내 산사태 위험지도 활용성을 검토하였다. 또한 포항지역에 단층대 및 진앙지 기준으로 지진에 의한 산사태 위험지도를 시범 구축하였다.
지진에 의한 산사태 위험도 평가 국외연구 검토 및 분석
국외의 지진에 의한 산사태 위험도 평가방안
지진에 의한 산사태 위험도를 평가하는 방법은 다양하지만, 실제 사례가 없는 국내에서는 각각의 방법에 대한 적용성을 검토하기 위해 국외에서 수행된 연구를 분석하고 주요 국가별로 지진에 의한 산사태 위험도 평가 방법을 정리하였다. 분석에는 “Web of Science” 플랫폼을 이용하여 “earthquake”, “landslide”, “susceptibility”를 키워드(keyword)로 하는 문헌을 선별하였다. 선별결과 총 397개의 문헌이 검색되었고, 이 중에서 산사태와 직접적인 관련이 없거나 원격 탐사 등 지진에 의한 산사태 위험도 평가와는 연관성인 낮은 문헌을 제외하고 총 228개 문헌에 대해 연구 동향을 분석하였다.
지진에 의한 산사태 위험도 평가 관련 연구는 1996년에 1건 발표되었는데, 이는 1994년 미국에서 발생한 Northridge 대지진에 관한 연구였다. 이후 발표되는 논문의 건수가 지속해서 증가하였으며 2010년을 기점으로 관련 연구가 급격히 증가하는 추세를 보였다(Fig. 1).
Fig. 1. The number of papers per year related to risk assessment of earthquake-induced landslides
연도별 논문 출판 건수는 국가별 논문 발표 비율과도 밀접한 관련이 있는 것으로 사료된다. 2018년을 기준으로 국가별 논문발표 건수를 분석한 결과 중국에서 약 44%의 연구를 수행하여 가장 많은 것으로 나타났다. 이는 2008년 쓰촨성 지역의 대지진 이후 중국에서 지진에 의한 산사태 관련 연구가 급격하게 수행되었기 때문으로 판단된다. 중국에 이어 이탈리아 16%, 미국 15%, 일본 10%, 대만 8%, 그 외 국가 7% 순으로 나타났으며(Fig. 2), 주요 국가에서 수행된 연구내용은 다음과 같다.
Fig. 2. Percentage of papers related to earthquake-induced landslides risk assessment by country
중국
2008년 쓰촨성 지역에서 발생한 대지진으로 다수의 산사태가 발생하였고, 연구자들은 해당 지역에서 발생한 산사태 사례들을 조사·분석하였다. 이를 바탕으로 많은 기법을 적용하여 지진에 의한 산사태 위험도를 분석하였다. 중국에서 수행된 대부분의 연구는 실제 사례를 확보하여 분석하는 만큼 통계적 방법론을 적용하여 위험도를 분석한 연구가 가장 많았다. 특히, 통계적 방법론에 대해서도 단순한 빈도비를 이용한 영향인자 도출(Xu et al., 2014)부터 ANN(Artificial Neural Network), SVM(Support Vector Machine)과 같은 기계학습 기법(Xu et al., 2012a; 2012b)까지 다양한 방법을 적용하여 수행하였다. 또한 Newmarks 모형과 같은 물리적 모형을 활용하여 지진에 의한 산사태 위험도를 분석한 연구도 있다(Wang et al., 2017).
이탈리아
유럽 국가 중에서 지진에 의한 산사태 위험도 평가에 대한 연구가 비교적 활발하게 수행되었다. 통계적 기법의 연구보다는 물리적 모형을 기초로 하는 연구가 많이 수행되었고, Newmarks 모형을 활용한 연구(Facciorusso et al.,2012; Paoletti et al., 2013)와 사면안정에 대한 수치해석을 통하여 위험도를 분석하였다(Vessia et al., 2017).
미국
1996년부터 지진에 의한 산사태 연구를 수행한 만큼 장기간의 연구 성과가 있었다. 그러나 초기에 이루어진 연구는 1994년 Northridge 대지진으로 발생한 산사태를 바탕으로 하는 연구이고, 이후 연구자들은 세계 여러 지역을 대상으로 다양한 방법론을 적용하는 연구를 수행하였다(Kamp et al., 2008; Sharifi-Mood et al., 2017). 방법론에 대해서는 Jibson et al.(2000)에 의해 제안된 지진동을 고려한 Newmarks 모형의 사면변위 모형이 널리 적용되었다(Sharifi-Mood et al., 2017). 또한 인공신경망과 로지스틱 회귀분석 등의 통계적 방법론에 관한 연구도 수행하였다(Kamp et al., 2008).
Newmarks 모형을 응용하여 산사태 위험지도를 구축하는 방법론이 미국지질조사국(United States Geological Survey; USGS)에 의해 제시되었다. Jibson et al.(1998)은 Newmarks 모형을 기반으로 지진동의 강도 인자를 적용한 사면변위 모형을 구축하고 이를 캘리포니아 로스앤젤레스 지역에 시범 적용하였다. 또한 Northridge 대지진에 의한 산사태 사례와 비교하여 변위에 따른 붕괴 위험도를 확률적으로 제시하였다.
또한 Jibson et al.(2009)은 캘리포니아 지역에 적용한 방법론을 활용하여 알래스카 지역에서도 사면변위에 따른 지진에 의한 산사태 위험도를 평가하였다. 특히, 해당 연구에서는 Newmarks 모형에서 나타나는 변위를 일정한 기준에 따라 구분하여 위험도를 제시하였다. 그러나 캘리포니아와 알래스카 지역의 지질학적 차이 등으로 인해 캘리포니아 지역에서 평가된 변위에따른 붕괴확률이 동일하게 적용되지는 않지만 전체적인 위험성 경향 파악을 통하여 위험도 평가 및 피해 예방에 활용할 수 있음을 시사한다.
일본
높은 지진 빈도로 인해 지진에 의한 산사태와 관련된 많은 사례와 정보가 축적되어 있고, 이에 따라 많은 기법을 활용하여 지진에 의한 산사태 위험도 평가 연구가 수행되었다. 통계적 기법(Kawabata et al., 2009)과 세계적으로 활용되고 있는 Newmarks 모형을 활용한 물리적 접근법(Shinoda et al., 2017) 외에도 AHP(Anlytical Hierachy Process)나 (Yoshimatsu et al., 2006) 지형 인자에 따른 경험식(Nonomura et al., 2016)을 개발하여 위험도 평가에 활용하였다.
또한 일본에서는 국제지반공학회(International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering; ISSMGE)를 통하여 산사태 위험지도 구축 매뉴얼을 발간하였다(ISSMGE-TC4, 1999). 본 학회의 제 4기술위원회는 일본 지반공학회를 중심으로 지진에 의한 지반거동, 사면 불안정성, 토양 액상화에 대한 위험지도 매뉴얼을 제작하였다.
1999년에는 매뉴얼의 일부 내용을 개정하여 지진에 의한 지반거동, 사면 불안정성, 토양 액상화에 대한 위험지도를 해상도에 따라서 3개의 등급으로 나누어 제시하였다. 1, 2등급은 기존 산사태 위험지도 구축 방법과 유사한 통계적 또는 범주적 방법을 취하고 있지만, 3등급의 경우에는 정밀한 위험지도를 제시하기 위해 Newmarks 모형을 사용하거나 지진동에 의한 관성력을 토압의 횡하중으로 입력하여 안정성을 해석하는 Koppular 유사정적해석 등 물리모형을 통해 위험도를 평가하도록 하고 있다. ISSMGE TC4에서 발간한 매뉴얼은 일본뿐만 아니라 이탈리아 연구자들이 활용하기도 하였다(Facciorusso et al.,2012; Paoletti et al., 2013).
대만
국토면적은 작지만 큰 고저차로 인해 지진외 다른 원인에 의해서도 산사태가 많이 발생하는 국가이다. 1999년 발생한 Chi-Chi 대지진으로 인해 많은 산사태가 발생했고, 이에 대한 조사 자료를 활용한 통계적 방법론이 주된 위험도 평가기법으로 적용되고 있다(Lee et al., 2008; Lee, 2014). 특히, 전국에 설치된 지진 관측시설을 통해 지진강도에 대한 동진동이 나타나는 구역을 표시하는 등지진도 지도(isoseismal map)를 구축하고 거리에 따른 지진 강도 감쇠 효과를 적용한 위험도 평가 연구가 수행되었다(Lee, 2014).
지진에 의한 산사태 위험도 평가를 위한 방법론 및 인자 분석
지진에 의한 산사태 위험도 평가 방법론 분석
지진에 의한 산사태 위험도 평가의 방법론을 검토하기 위하여 ①통계적 모형 ②물리적 모형 ③사례 및 조사보고 ④실험적 연구 ⑤경험적 모형으로 유형을 구분하여 분석하였다. 같은 문헌에서 복수의 방법론을 다루고 있는 경우에는 각 유형에 대해서 중복으로 분류하였다(Table 1).
Table 1. Type classification results by risk assessment method
통계적 모형은 전체 문헌 중 59%로 가장 높은 비율로 나타났는데 이는 지진에 의한 산사태 위험도 연구가 실제 산사태 사례를 바탕으로 통계적 기법을 통하여 관련 인자를 분석하였기 때문에 가장 높았던 것으로 판단된다. 통계적 방법론에는 특정 조건에서 산사태 발생과 비(非)발생의 변수를 대상으로 로지스틱 회귀분석이 많이 활용되었고, 최근에는 인공신경망, 서포트벡터머신 기법 등 기계학습 기법을 활용한 사례도 증가하고 있다.
물리적 모형에 관한 연구는 23%로 대부분이 해석론적 방법론을 개발하였으며, 개발된 분석 기법은 지진에 의한 산사태가 발생하지 않은 지역에서도 적용할 수 있는 특징이 있다. 물리적 모형을 적용한 연구는 지진강도를 추정하여 사면의 변위를 모의하는 Newmarks sliding block 모형을 활용한 연구가 가장 많았고, 사면안정해석 공식을 GIS에서 3차원적으로 구현하고 수치해석으로 풀어내는 등 다양한 기법이 사용되고 있다.
사례 및 조사 보고에 대한 연구는 14%로 나타났으며, 지진으로 발생한 산사태 사례들에 대해 발생 면적·밀도·위치·지형 등 현지 조사 결과를 바탕으로 기초 통계량을 제시하는 연구가 많았다. 한편, 물리적 모형을 적용한 연구중 일부는 실험적 연구를 수행하였는데 대표적 토질정수인 점착력, 전단강도 등의 값을 획득하기 위해서 삼축압축시험, 전단시험을 수행하였다. 이 외에도 전문가의 의견에 따른 가중치 적용, 중요변수들로 구성된 경험적 모형의 개발, 조사방법론, 붕괴량 예측 등의 연구가 수행되었다. Seo et al.(2018)이 제시한 연구의 대부분이 지진에 의한 산사태 사례가 있는 국가에서는 다양한 기법을 사용하여 수행된 것으로 판단된다.
지진에 의한 산사태 위험도 평가 인자 분석
위험도 평가의 방법론도 중요하지만 통계적 모형의 경우에는 어떤 인자를 활용하여 분석하는가에 따라 결과의 정확도와 적용성에 차이가 발생하게 된다. 또한 국내에서는 지진에 의한 산사태 발생사례가 없기 때문에 국외에서 지진유발 산사태에 영향을 미치는 인자 종류와 사용 빈도를 파악하는 것은 중요하다. 국외에서 활용되고 있는 인자는 여러 연구자들에 의해서 공통적으로 생각되는 중요 인자로서 지진에 의한 산사태 위험도를 평가하는데 주요 인자로 고려될 수 있다.
활용 인자의 종류는 많은 문헌에 대한 경향성을 보기 위하여 인자의 종류를 ①지형 인자 ②지질 인자 ③산사태 유발인자(지진 강도 등) ④기타 인자로 유형을 구분하였다.
지형 인자는 경사·사면방향·고도·지형조도·지형곡률이 많이 활용되는 것으로 나타났다. 이들 변수는 대부분 연속변수의 형태로 나타나지만, 통계적 모형에서 사면방향의 경우는 각각의 방향을 독립된 변수로 설정하여 적용되는 등 이산적 특성을 가지는 변수로 적용하고 있었다.
지질 인자는 모암·단층으로부터의 거리가 가장 많이 활용되고 있었으며, 모암의 경우 지형 인자의 사면방향과 같이 이산적 특성을 가지는 변수로 활용되었다.
산사태 유발인자는 지진 발생원 혹은 지진강도에 대한 인자를 반영한 경우로 분류하였다. 여기에는 실제 지진의 강도를 나타내는 최대지반가속도(Peak Ground Acceleration; PGA)나 Arias intensity와 같은 지진강도를 적용한 경우가 있었고, 실제 강도를 적용하지 않은 경우에는 단층으로부터의 거리 인자가 적용되기도 하였다. 특히, 경험적 감쇠식을 통해 단층으로부터의 거리와 지진강도를 결합시키거나 지진 발생 확률에 따른 확률인자로 적용하기도 하였다. 기타 인자로는 하천, 도로로부터의 거리·지형습윤지수·토양수분지수·식생 조건 등이 있다.
본 연구에서는 지진에 의한 산사태 위험도를 평가하는데 중요한 인자를 도출하기 위해 각 인자의 활용 빈도를 분석하였다. 통계적 방법론을 적용한 문헌 분류군과 물리적 방법론을 적용한 문헌 분류군에 대하여 문헌의 초록에서 각 인자의 활용빈도를 분석하였다.
지형 인자에서는 고도(65건), 경사(60건), 사면방향(59건), 지형곡률(39건) 순으로 나타났으며, 이 인자들은 대부분의 연구에서 활용되고 있었다. 지질 인자의 경우 단층으로부터의 거리(65건), 모암(59건) 순으로 나타나 많은 연구에서 분석에 활용한 인자임을 확인할 수 있었다. 산사태 유발인자(지진 강도 등)의 경우에는 최대지반가속도(31건), Arias intensity(4건)로 나타나 최대지반가속도가 우세하게 활용되고 있었다(Fig. 3). 그러나 두 인자는 시간에 따라 연속적으로 변하는 지진동 곡선의 특징을 어떻게 표현하는가에 따라서 달라지는 부분이기 때문에 실질적으로 거의 동일한 인자로 볼 수 있다. 특히, 산사태 유발인자는 지질 인자 중 단층으로부터의 거리와 밀접한 관련이 있는 인자로 단층으로부터의 거리에 따른 지진동 감쇠를 고려한 연구에서는 이 두 인자를 모두 분석에 활용하기도 하였다.
Fig. 3. Frequency of factors used to assess the risk of earthquake-induced landslides in previous studies
기타 인자에서는 하천으로부터의 거리(30건), 토지이용현황/피복현황(27건)에 대한 인자가 활용도 높았다. 하천으로부터의 거리나 지형습윤지수(Topographic Wetness Index; TWI)와 같은 인자는 토양 수분과 관련되는 인자로 이는 토층의 점착력과 유효응력에 영향을 미치기 때문에 산사태 위험도를 평가하는데 높은 비율로 활용된 것으로 판단된다. 토지이용 및 피복조건과 같은 인자도 침식에 대한 감수성의 차이를 유발하기 때문에 많은 연구에서 채택된 것으로 판단된다.
국내 산사태 위험지도를 활용한 위험도 평가
국외의 선행연구에서 활용한 방법론 및 분석 인자를 바탕으로 현재 국내에서 사용되고 있는 산사태 위험지도를 이용한 지진에 의한 산사태 위험도 평가의 적합성을 검토하였다. Woo et al.(2014)은 과거 국내에서 발생한 산사태 1,912개소의 지형·지질·임상 등의 특성을 분석하고 로지스틱 회귀분석을 통하여 산사태 위험지도를 구축하였다. 산사태 위험지도의 산사태 발생확률을 구하기 위한 식은 아래 식 (1)과 같다.
LS = -2.596 + 0.069 × 사면경사 - 0.022 × 집수길이 + 0.011 × 사면곡률 + 0.734 × TWI - 0.594 × 경급 + 0.006 × 토심 + 사면방위 + 모암 + 임상 (1)
식 (1)의 산사태 발생확률식에 사용된 사면경사·사면곡률·사면방위·모암 인자는 지진에 의한 산사태 위험도 평가의 선행연구에서 많이 사용되고 있는 인자들이다. 이외 TWI와 같은 토양 수분에 관한 인자나 경급·임상과 같은 토지 피복 및 식생에 관련된 인자도 지진에 의한 산사태 위험도 평가에 활용되고 있기 때문에 현재 국내에서 활용되는 산사태 위험지도를 이용한 지진에 의한 산사태 위험도 평가는 충분히 합리적인 것으로 판단된다. 또한 Seo et al.(2018)의 연구에서도 기존의 산사태 위험지도를 기반으로 하고 단층대 위치 및 지진 규모를 변수로 사용하여 효율적인 지진에 의한 산사태 위험지 예측을 제안하였다.
단층대 기준의 지진동 감쇠식을 이용한 산사태 위험도 평가
지진의 영향을 고려하기 위한 방법으로는 실제 관측된 지진동 측정값을 바탕으로 isoseismal map을 구축하여 적용(Lee, 2014)하는 방법과 단층으로부터의 거리를 버퍼로 설정하여 단계적인 위험도를 적용하는 방법(ISSMGE-TC4, 1999; Xu et al., 2012b)이 사용되어 왔다. 그러나 지진동 측정값을 정밀하게 획득하는 것은 현실적으로 어렵기 때문에 많은 연구에서는 단층을 잠재적인 지진원으로 간주하고 단층으로부터의 거리 인자를 주요 변수로 적용하고 있다(Xu et al., 2012; Lee, 2014). 최근 국내에서 수행된 연구들은 Atkinson et al.(1995)가 제시한 지진동 감쇠식을 이용하고 있으며 아래 식 (2)와 같다.
ln(PGA) = c0 + c1R - lnR (2)
여기서, PGA는 최대지반가속도(cm s-2), c0, c1은 상수, R은 진앙거리(km)를 의미한다.
기상청(KMA, 2006)의 ‘가속도 관측망 구성 및 계기진도도 최적화 방안 연구’에서는 국내에서 개발된 일부 지진동 감쇠식을 비교·검토하였는데 Atkinson et al.(1995)의 감쇠식을 일부 수정한 Jo(2002)의 감쇠식이 보편적인 경향을 보인다고 보고하였다. Jo(2002)의 연구에서 제시된 식은 이후 Kim et al.(2010)과 Kim et al.(2015)에서도 동일하게 활용되면서 상수를 변화시켰지만 실제 도출되는 결과는 유사한 형태로 나타났다. 특히, Jo(2002)의 연구에서는 기존의 식에서 100km 이하의 거리에서는 거리의 역수, 그 이상의 거리에서는 표면파가 우세하여 기하학적 확산이 거리 제곱근의 역수로 나타나는 것을 포함하여 보다 정밀한 결과를 도출하였다. Jo(2002)의 식은 아래 식 (3)과 같다.
\(\begin{aligned}\ln a=c_{0}+c_{1} R+c_{2} \ln R+\frac{1}{4}\left|\ln \frac{R}{100}\right|-\frac{3}{4} \ln 100\end{aligned}\) (3)
여기서, a는 최대지반가속도(PGA, cm s-2), R은 진앙으로부터의 거리(km)이며 ci(i=0, 1, 2)는 계수로 아래 식 (4)와 Table 2로 계산한다.
ci = ξi0 + ξi1(Mw - 6) + ξi2(Mw - 6)2 + ξi3(Mw - 6)3 (4)
Table 2. Coefficient of seismic attenuation in the Korean peninsula(Jo, 2002)
여기서, ξ는 상수 계산을 위한 회귀계수이고, Mw는 모멘트 규모이다.
본 연구에서는 Jo(2002)의 감쇠식을 사용하여 단층으로부터의 거리에 따른 지진 강도 감쇠를 모의하였다. 식 (4)의 지진규모는 에너지 단위로 표현되는 모멘트 규모(Mw)로써 기상청에서 발표되는 지진 규모(ML)와는 다르기 때문에 연구에는 KMA(2006)에서 제시한 변환식 식 (5)을 사용하여 지진 규모를 변환하여 분석에 활용하였다.
Mw = 0.066M2L + 0.333ML + 1.282 (5)
여기서, Mw는 모멘트 규모, ML은 리히터 규모를 의미한다.
본 연구에서는 PGA에 따른 위험도 구분을 위해 MOLIT(2016)의 건설공사 비탈면 설계기준에서 제시하는 내진기준을 적용하였다. 건설공사로 발생하는 깎기 및 쌓기 비탈면에 적용되는 내진기준을 자연산지에 적용하기는 어렵지만 국내에서 활용할 수 있는 자연산지에 대한 내진설계 기준이 없기 때문에 이를 활용하였다.
에서는 설계지반운동 수준에 대해서 아래 Table 3과 같이 제시하고 있다.
Table 3. Design ground motion class when designing a slope
특등급은 구조물 혹은 시설 파괴 시에 재난이 초래되거나 기능이 마비된다면 사회적으로 큰 영향을 줄 수 있는 경우, 1등급은 교량과 같은 주요 기반시설 등 주요 구조물에 영향을 줄 수 있는 경우, 2등급은 일반 구조물 등 상대적으로 재난으로 인한 구조물 붕괴 시에 예상되는 피해 규모가 비교적 낮은 경우를 의미한다.
설계지반운동에서 제시하는 붕괴방지 수준의 재현주기는 지진재해 대책법에서 공표하는 국가지진위험지도(소방방재청공고 제2013-179호)의 지반가속도계수를 통해 도출된다(Table 4, 5). 지반가속도계수는 국내 각 지역별로 부여된 지진구역계수에 재현주기에 따른 위험도 계수를 곱하여 구하며, 지반가속도계수는 중력가속도에 대해서 얼마의 규모를 가지는가로 표현한다.
Table 4. Administrative district and seismic coefficient based on the average return period of 500 years
Table 5. Risk coefficient according to earthquake return period
본 연구에서는 Table 3의 각 등급을 가정하여 해당 등급의 지반가속도계수 이상의 값이 나타나는 구역을 지진에 의한 산사태 위험지역으로 적용하였으며, 기상청 지진규모 4.0부터 6.0까지 0.5단위로 분석하여 지도화하였다.
지도화 시범적용을 위한 연구대상 지역은 2017년 지진이 발생한 포항지역으로 하였으며, 단층의 분포와 위치는 한국지질자원연구원에서 제공하는 1:250,000 도엽을 사용하였다.
단층대를 잠재적 지진원으로 가정하고 진도에 따라서 최대지반가속도 거리에 따른 분포를 추정하기 위하여 Jo(2002)의 연구에서 제시한 감쇠식 상수를 도출하였다(Table 6).
Table 6. Moment magnitude and coefficient of seismic attenuation in the Korean peninsula
도출한 감쇠식을 연구대상 지역의 단층대에 적용하여 각 등급별 및 진도 규모별로 설계지반가속도계수를 초과하는 영역을 나타내었다. 연구대상 지역인 경상북도 포항지역은 지진구역계수가 500년 주기로 0.11에 해당하는 구역이기 때문에 2등급은 500년 주기(0.11g) 1등급은 1,000년 주기(0.154g), 특등급은 2,400년 주기(0.22g)를 적용하여 지도상에 도시화하였다(Fig. 4).
Fig. 4. Seismic hazard range of slope seismic design according to grade
높은 등급의 사면 안정성을 적용한 경우에는 지진에 의한 위험구역이 감소하는 것으로 나타났다. 이와 같은 지진의 영향범위가 어느 정도 신뢰성을 갖는지 검토하기 위해 2017년 발생한 포항지진으로 인해 발생한 땅밀림 우려지역에 대한 분포를 함께 표시하여 비교·검토하였다(Fig. 5).
Fig. 5. Seismic hazard range and slow-moving landslide risk area(☆) of slope seismic design according to grade
포항지역의 땅밀림 우려지 조사지역에 대해서 사면이 2등급의 내진설계 강도를 갖는다고 가정했을 때 진도 5.5에서 위험구역으로 나타나는 지역이 15건으로 가장 높은 비율을 차지하였다. 1등급으로 가정할 때는 진도 6.0에서 위험구역 지역이 13건, 특등급에서는 11건으로 진도 6.0일 때 가장 많이 분포하는 것으로 나타났다(Table 7). 2017년 포항지진 당시 진도가 5.4인 것을 고려하면 진도 5.5에서 대부분의 땅밀림 우려지역이 포함되는 2등급의 내진설계 등급이 포항지역의 지진 사례에 적합한 것으로 판단된다.
Table 7. The number of slow-moving landslide risk areas according to the seismic intensity of earthquake use group
지진에 의한 산사태 위험도 평가를 위해 단층대를 고려하여 도출된 지진인자에 기존 산사태 위험지도와의 중첩시 위험등급의 변화가 나타나는지 살펴보았다. 이를 위해 각 셀의 위험도 가중치의 합을 결합하고 기존 산사태 위험지도에서 나타나는 위험등급과 지진의 영향이 반영된 위험등급을 비교하였다(Fig. 6).
Fig. 6. Landslide hazard map considering earthquake effects based on fault zone
현재 산사태 위험지도에서는 지형·임상 등의 인자 특성에 따라 산사태 위험도가 다양하게 나타난다. 그러나 2등급부터 특등급까지 내진설계 강도를 적용한 산사태 위험등급은 지진인자에 의한 위험도가 과도하게 반영하는 것으로 판단된다. 즉, 단층대 주변은 기존의 산사태위험도가 낮게 나타나더라도 지진인자를 반영하면 높은 위험등급으로 평가되었다.
진앙지 기준의 지진동 감쇠식을 이용한 산사태 위험도 평가
진앙지를 기준으로 하는 지진동 감쇠식은 실제 지진이 발생했을 때의 진앙지 위치와 지진규모, 진원거리 등의 정보를 이용하여 지진 발생 이후 산사태에 취약한 지역을 파악하고 조사 및 복구 우선순위에 활용할 수 있다.
진앙지 기준의 지진영향에 의한 산사태 위험도를 평가하기 위해 국민안전처(2017년 기준, 현재 행정안전부)에서 운영되는 지진재해대응시스템에 사용되는 거리에 따른 진도 감쇠식(Murphy et al., 1977) 식 (6)을 이용하여 최대지반가속도(PGA)를 도출하였다. 진도값은 아래 식 (7)을 사용하여 PGA로 환산하였다.
\(\begin{aligned}I_{\text {site }}=I_{0}-2.9 \cdot \ln \frac{R_{\text {hypo }}}{h}-0.001\left(R_{\text {hypo }}-h\right)\end{aligned}\) (6)
lnPGA = 0.25 + 0.25 · Isite (7)
여기서, I0는 진앙에서 MMI(Modified Mercalli Intensity), Isite는 건물 부지에서 MMI 진도값, Rhypo는 진원거리(km), h는 진원깊이(km), PGA는 최대지반가속도(gal) 이다.
본 연구에서는 2017년 포항지진의 실제 발생위치인 본진 진원깊이 7km, 진원거리 15km를 사용하였고, 지진의 규모는 극한의 상황인 진도 8을 가정하여 지진의 영향이 미치는 범위를 공간적으로 분석하였다.
산사태 위험지도의 위험등급은 1등급에서 5등급으로 구분하고 있어 최대지반가속도 값의 범위를 등간격의 5등급으로 분류하였다. 또한 산사태 위험등급과의 매트릭스법을 통하여 지진의 특성이 반영된 상대적 위험등급으로 분류하였다(Fig. 7).
Fig. 7. Influence range of peak ground acceleration at seismic intensity 8
실제 포항 지진의 진앙지를 중심으로 진도 8의 지진을 가정했을 때 산사태 위험등급의 1등급지는 그대로 1등급이지만 2, 3등급지는 지진의 영향으로 인해 1등급 또는 2등급으로 위험등급이 높아졌다(Fig. 8). 이러한 지진의 영향이 반영된 산사태 위험도 평가를 통하여 직관적인 위험지역 선정으로 지진에 의한 산사태 피해방지에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
Fig. 8. Landslide hazard map considering earthquake effects based on seismic epicenter
결론
2016년 경주지진과 2017년 포항지진 이후 한반도는 더 이상 지진의 안전지대가 아니라는 인식이 확대됐다. 이와 함께 산사태와 관련된 연구가 직접적인 원인인 강우 중심에서 지진에 의한 산사태 피해방지를 위한 연구개발의 필요성이 제기되었다. 본 연구에서는 지진에 의한 산사태 위험도 평가를 위하여 실제 사례가 있는 국외 선행연구를 분석하여 평가 방법론 검토와 평가 인자를 도출하고 국내 산사태 위험지도 활용성을 검토하였다. 또한 산사태 위험지도를 활용하여 2017년 지진이 발생한 포항지역을 대상으로 단층대 및 진앙지 기준의 산사태 위험도 평가를 수행하였다.
지진에 의한 산사태 위험도 평가 연구는 1996년 미국에서 1건 발표된 것을 시작으로 꾸준히 증가하다가 2010년을 기점으로 관련 연구가 급격히 증가하였다. 국가별 논문발표 건수는 중국이 전체의 44%로 관련 연구가 가장 활발히 수행되었는데, 이는 2008년 쓰촨성 대지진의 영향이 큰 것으로 판단된다. 중국에 이어 이탈리아 16%, 미국 15%, 일본 10%, 대만 8% 순으로 나타났다. 이런 국가들에서는 지진에 의한 산사태 취약 지형 특성 분석, 붕괴 메커니즘 구명, 통계기반의 산사태 위험성 분석 및 위험지도 구축, 지진 이후 강우의 영향성 분석까지 다양한 연구가 수행되었다.
지진에 의한 산사태 위험도 평가 방법론을 분석한 결과 통계적 모형이 전체 문헌의 59%로 가장 많았고, 물리적 모형이 23%로 나타났다. 통계적 모형은 특정 조건에서 산사태 발생과 비(非)발생의 변수를 대상으로 로지스틱 회귀분석이 많이 활용되었고, 최근에는 인공신경망, 서포트벡터머신 기법 등 기계학습 기법을 활용한 사례도 증가하고 있다. 물리적 모형은 대부분이 해석론적 방법론을 개발하였으며, 지진강도를 추정하여 사면의 변위를 모의하는 Newmarks sliding block 모형을 활용한 연구가 가장 많았다.
통계적 모형의 경우 어떤 인자를 활용하여 분석하는가에 따라 결과의 정확도와 적용성에 차이가 발생하기 때문에 선행연구에서 활용된 인자의 종류와 활용 빈도를 분석한 결과 고도, 단층대와의 거리, 경사도, 사면방향, 모암, 지형곡률 인자가 많은 연구에서 활용되었다.
현재 국내에서 사용되고 있는 산사태 위험지도는 지형·지질·임상 등의 특성을 분석하고 로지스틱 회귀분석을 통하여 산사태 위험지도를 구축하였는데 대부분의 인자가 지진에 의한 산사태 위험도 평가에 활용되고 있기 때문에 산사태 위험지도를 활용한 지진에 의한 산사태 위험도 평가는 충분히 합리적이고 효율적인 것으로 판단된다. 그 이유는 산사태를 유발하는 유인과 소인을 고려하면 지형·지질·임상 등의 정보를 담고 있는 산사태 위험지도는 소인으로써 국내산지 환경의 특성을 그대로 반영하지만 기존의 유인인 강우만 지진으로 변한 것이다.
연구에서는 단층대 및 진앙지 기준의 지진동 감쇠식을 이용하여 산사태 위험도를 평가하였다. 두 가지 방법 모두 지진의 영향에 따라 산사태 위험등급이 변화하였다. 포항지진의 규모가 5.4인 것을 고려하면 2등급의 내진설계 등급이 포항지진 사례에 적합한 것으로 판단된다.
단층대 기준의 산사태 위험지도는 이미 알고 있는 단층대를 기준으로 산사태에 취약한 지역을 알 수 있다. 이는 지진에 의한 산사태 피해방지를 위한 선제적 예방사방사업 대상지 선정에 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 진앙지 기준의 산사태 위험지도는 지진이 발생한 이후에 지진정보가 명확한 상황에서 지진에 의한 산사태 피해 현황을 조사하거나 피해지 복구, 지진발생 이후 강우에 의한 피해방지 대책 우선순위 선정 등 효율적 사후관리에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
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