Assessing Landslide Risk in Relation to Rainfall Frequency and Duration under the SSP5-8.5 Climate Change Scenario

SSP5-8.5 기후변화 시나리오를 적용하여 강우재현빈도-강우지속시간에 따른 토사재해 위험도 변화 분석

Abstract

Landslide risk is influenced by internal factors such as terrain, geology, soil composition, and forest cover, and external factors such as rainfall and seismic activity. In particular, changes in rainfall patterns due to climate change and changes in terrain due to urban sprawl result in increased landslide risk, both directly and indirectly. This study analyzes internal factors that influence landslide risk using existing spatial data and examines changes in rainfall under the SSP5-8.5 climate change scenario. Rainfall intensity was evaluated across different frequencies and durations, and the landslide risk was assessed by applying rainfall infiltration models to mountain slopes. The analysis reveals that with increasing rainfall duration (1, 6, 12, 18, and 24 h) for an event with a recurrence interval of 10 yr rainfall intensity decreases. However, for shorter rainfall durations (1 h), the intensity increases with the event frequency (10, 20, 50, and 100 yr). Infiltration analysis further shows that with prolonged rainfall, the proportion of areas with a safety factor of 1.3 or higher decreases, thereby raising the landslide risk.

토사재해의 발생인자는 지형, 지질, 토질, 산림 등과 같은 내적 인자와 강우, 지진 등과 같은 외적 인자로 구분해 볼 수 있다. 특히, 기후변화 영향으로 인한 강우사상 변화, 생활권 확장에 따른 지형 변화 등은 직간접적으로 토사재해 발생 위험성을 증가시키는 주요 요인으로 볼 수 있다. 본 연구에서는 내적 인자는 기존의 공간정보 자료를 활용하고, 외적 인자인 강우사상 변화를 기후변화 시나리오 SSP5-8.5인 극한조건을 적용하여 강우재현빈도별 강우지속시간에 따른 강우강도를 분석하고, 산지사면 내 강우 침투해석 조건을 적용하여 토사재해 위험도를 분석하였다. 분석 결과, 강우재현빈도(10년)에 대한 강우지속시간(1, 6, 12, 18, 24시간)이 길어질수록 강우강도는 감소하는 것으로 나타났으나, 강우재현빈도별(10, 20, 50, 100년)에 대한 강우지속시간 1시간의 강우강도는 점진적으로 증가하였다. 이를 적용한 침투해석 분석 결과에서는 강우지속시간이 길어질수록 기준안전율 1.3 이상의 면적비율이 감소하면서 토사재해 위험도가 커지는 것을 알 수 있다.

서론

기후변화 영향은 기온 상승, 강우사상 변화, 식생 변화 등으로 인해 직간접적으로 지반의 안정성을 저해시키는 요인으로 작용하기도 한다. 특히, 강우사상 변화는 집중호우의 빈도와 강도를 증가시켜 짧은 시간에 많은 비가 내려 경사지 내 사면붕괴, 산사태, 토석류 등의 발생 위험성을 증가시킨다(Jang et al., 2007; Kirschbaum et al., 2020; Lee et al., 2021). 산지 내로 생활권이 확장됨에 따라 지반을 대상으로 인위적인 절성토 사면 조성과 지표수 흐름경로 변화 등으로 인해 산지재해 발생 빈도도 함께 증가하는 추세이다(Choi, 2018; Froude and Petley, 2018). 재해연보에 따르면 최근 2011~2020년 자연재해로 인한 피해액은 약 4조 4천억으로 호우, 태풍, 대설 순으로 큰 피해를 발생시켰다. 이와 같은 기후변화는 태풍, 호우, 폭염 등 위험 기상의 발생이 증가함에 따라 사회‧ 경제적 피해도 함께 증가하고 있다(MOIS, 2021). 기후변화 영향으로 일강우 50 mm 이상의 호우일수가 1970년대 7.4일에서 2000년대 14.4일로 두 배 이상 증가하였고, 이는 점진적으로 대형화하는 재해 발생 특성을 보이는 것으로 보고되고 있다.

우리나라 국토의 63% 가량이 산지로 이루어져 있는 지형적 특성과 함께 집중호우 및 태풍이 매년 하절기(6~9월)에 집중되어 발생하는 계절적 ‧ 기상학적 특징으로 인해 산사태와 토석류 등과 같은 토사재해를 발생시킬 수 있는 주요한 원인중의 하나이다. 특히, 국내에서는 이상기후로 인한 국지성 폭우와 여름철 태풍, 집중호우 등으로 하천 및 도심지에서의 홍수, 산림지역 인접 생활권으로 산사태 발생과 더불어 이로 인한 토석류 확산과 같은 피해가 점진적으로 증가하는 추세이다(Kim et al., 2013, 2022b; Chae et al., 2016; Gariano et al., 2019; KFS, 2021). 이와 같이 기후변화로 인해 설계빈도를 초과하는 극한강우가 현실화함에 따라 이에 대응하기 위한 토사재해 위험성에 관한 예측과 관리의 필요성이 증가하고 있다(Sobie, 2020; Lin et al., 2022; Cha et al., 2023).

본 연구에서는 IPCC 6차 기후변화보고서에서 제시한 SSP5-8.5 시나리오를 적용하여 토사재해 위험도를 분석하였다. SSP5-8.5 시나리오의 개념은 기후변화를 충분히 완화하지 않는 경우, 2081~2100년의 강수량은 약 50 mm, 강우강도는 현재 기후값(2000~2019년 기준)에 비해 약 25% 이상 증가할 것으로 예상되어 미래 기후변화에 의한 토사재해 위험도를 예측할 필요가 있다. 이를 위하여 강우재현 빈도별 강우지속시간에 따른 강우강도를 산정하고, 극한강우 시나리오를 고려한 토사재해 위험도를 분석하였다. 공간격자 기반으로 강우강도를 적용할 수 있는 물리모델을 적용하여 연구지역에 대한 토사재해 위험도를 분석하고, 과거 산사태 발생 이력 및 산사태 위험등급간의 비교를 통해 강우강도별 토사재해 위험도를 산정하여 제시하였다.

연구 방법

토사재해 위험도 분석을 위한 S-P-R-C 방법론

토사재해 위험도 평가를 위하여 기존의 위해성(hazard), 노출성(exposure), 취약성(vulnerability)으로 구성되었던 정적인 위험도(static risk) 개념에서 벗어나 본 연구에서는 기후변화 영향으로 인해 강우의 변동성이 커지는 점을 감안하여 발생원(source)의 개념을 새로이 접목하였다. 토사재해의 발생원(source)은 강우사상과 이로 인한 토사재해가 확산되는 범위인 흐름경로(pathway), 피해를 받는 대상(receptor)에 영향을 주기 때문에 위험의 결과(consequence)에 대해 정량적 토사재해 피해로 나타낼 수 있는 동적인 위험도(dynamic risk) 개념인 Source-Pathway-Receptor-Consequency(S-P-R-C) 기반 토사재해 위험도 평가 개념을 제안하였다. 따라서, S-P-R-C 기반 토사재해 위험도 평가는 강우사상에 따른 산사태 발생범위(source) - 산사태 붕괴물의 흐름(pathway) - 산사태 붕괴물의 흐름확산으로 인해 영향을 받는 대상(receptor) - 토사재해 피해영향(consequence)으로 정의할 수 있다.

본 연구에서는 기후변화 시나리오별 강우강도를 적용하기 위하여 지반설계기준(MOLIT, 2020)에서 제시하는 우기 시 침투해석의 기준안전율(factor of safety, FS = 1.3)을 활용하였다. 강우 조건에 따른 격자별 산사태 위험 변화를 분석하고, 해당 산사태 위험격자에 대한 토층 심도를 고려해 산사태 붕괴 체적을 산정한다. 해당 붕괴 체적의 유하 흐름경로와 토석류 확산영향 범위를 산정하는 것이 토사재해 위험도 분석의 방향이다. 본 연구에서는 토석류 유하 흐름경로 및 피해영향 범위 분석의 전단계인 기후변화 시나리오별 격자기반 산사태 위험 범위의 변화를 분석하였다.

기후변화 시나리오를 고려한 격자기반 토사재해 위험도 분석

연구지역에 대한 토사재해 위험도는 10 m급 공간격자를 기반으로 분석되며, 극한강우 시나리오는 기후변화 시나리오 SSP5-8.5를 토대로 강우 재현빈도(10, 20, 50, 100년)에 대한 강우지속시간(1, 6, 12, 18, 24시간)별 강우강도를 분석하여 적용하였다. 이를 통해 강우 침투조건을 고려할 수 있도록 우기 시 침투해석 기준안전율 개념을 적용하여 산지사면의 위험성을 평가하고, 해당 산지사면 내 위험격자를 병합하여 토석류의 발생 시점구역으로 선정할 수 있도록 고안하였다. 산림청에서 제작된 토석류예측지도의 경우, 토석류 발생시점부를 산사태위험 1등급의 면적이 1 ha 이상인 구간을 대상으로 설정하여 분석하고 있다. 이에 본 연구에서도 동일한 개념을 적용하여 토석류 발생시점부를 설정하고 향후 토석류 흐름경로 및 확산범위를 분석하는데 활용할 수 있도록 하였다. 또한, 토석류 흐름경로 및 확산범위는 극한강우로 발생할 수 있는 토사재해 피해영향 범위를 파악할 수 있고, 이로부터 영향을 받는 대상정보(impact library)를 이용하여 토사재해 영향수준(impact level)을 산정하여 토사재해 위험도(risk matrix) 분석에 활용이 가능하다. 이를 토대로 토사재해로 영향을 받는 대상정보(impact library)는 노출 지표와 취약성 지표의 조합을 통해 토사재해를 발생시키는 토석류 흐름(pathway) 범위 내에 포함되는 대상정보에 대한 토사재해 취약성 평가에 활용이 가능할 것이다.

연구 결과

산사태 발생이력 공간분석

연구지역인 강원특별자치도는 총면적 16,875 km², 산지 면적은 13,690 km²로 총면적 대비 약 81%로 이루어져 있으며, 산지 면적이 넓어 타 지역에 비해 집중호우 및 태풍 영향으로 인한 사면 및 급경사지 붕괴, 산사태, 토석류 등을 포함하는 토사재해의 발생 빈도가 상대적으로 높은 것으로 알려져 있다. 연구지역에 대한 산사태 발생이력 자료는 구글어스(Google Earth Pro)의 디지털 항공사진과 한국지질자원연구원 자료를 분석하여 총 19,487개소에 대한 산사태 발생이력 자료를 공간정보 분석을 위하여 GIS 상에 발생지점(point) 자료 형태로 DB를 구축하였다(Fig. 1). 강원특별자치도는 7개 시와 11개 군으로 구분되며, 분석된 산사태 발생지점 자료를 시 ‧ 군별로 구분해 보면 인제군 4,877개소(25.0%), 평창군 4,212개소(21.6%), 강릉시 2,972개소(15.3%)로 가장 많은 산사태 발생 이력을 가진 것으로 나타났다(Fig. 2).

Fig. 1. Overview of landslide occurrences in Gangwon State.

Fig. 2. Area and landslide occurrence ratios by city/county in Gangwon State.

최근 50년간 강우사상 변화

국내 토사재해 발생은 주로 하절기에 강우와 함께 발생하기 때문에 분석을 위해서는 강우사상 분석이 필수적이다. 강원특별자치도 소재 강우관측소 15개소에서 관측된 강우자료 분석을 위하여 1972년부터 2022년까지 50년간의 강우량 자료를 수집하여 분석하였다. 여기서, 강릉(105), 대관령(100), 속초(90), 원주(114), 인제(211), 춘천(101), 홍천(212) 등 7개 강우관측소는 1972년부터 2022년까지 강우량 자료를 수집 활용할 수 있었으나, 이 외8개 강우관측소는 자료가 제공되는 해당 년도부터 수집하여 분석을 수행하였다(Fig. 3). 이상과 같이 수집된 강우자료를 분석한 결과, 연평균 강우량은 기상관측소 대관령(100)이 1,633.3 mm로 가장 크고, 정선군(217)은 1,146.0 mm로 가장 적은 것으로 나타났다. 또한, 연평균 강우량 양상은 1990년에 약 1,992 mm로 최대값을 보였으며, 2015년 약 893 mm가 최소값으로 나타났다. 선형회귀 분석 결과에서 연평균 강우량은 증가하는 추세로 나타났으며, 이를 환산하면 1972년 대비 2022년의 연평균 강우량이 약 106 mm 가량 증가한 것을 알 수 있다(Fig. 4).

Fig. 3. Locations of rainfall observation stations in Gangwon State used for rainfall trend analysis.

Fig. 4. Temporal trend in average annual rainfall in Gangwon State over the past 50 years.

산사태 발생지와 산사태 위험등급 연관성

강원특별자치도 전역에 대한 10 m급 해상도의 DEM 제작을 위하여 국토지리정보원(NGII)에서 제공하는 1:25,000 수치지도를 이용하였다. 이를 통해 분석한 결과, 지형고도는 최소 0 m에서 최대 1,702.2 m까지로 평균 504.8 m의 고도를 갖는 것으로 나타났으며, 사면 경사는 최소 0°에서 최대 71.2°의 범위로 평균 사면 경사는 20.6°인 것으로 분석되었다(Fig. 5).

Fig. 5. Terrain information and current landslide hazard grades in Gangwon State.

산사태 발생지와 산림청에서 제공하는 산사태 위험등급을 비교하기 위하여 산림공간정보포털을 통해 10 m급 해상도의 강원특별자치도 전역에 대해 산림청(Korea Forst Service, KFS)에서 제공하는 산사태 위험등급(1~5등급)의 분포 비율을 분석하였다. 그 결과, 산사태 위험등급 분포 비율은 1등급 11.7%, 2등급 21.0%, 3등급 34.5%, 4등급 24.3%, 5등급 8.5%인 것으로 나타났으며, 이를 산사태 발생지와의 중첩율을 분석해 보면 1등급 24.5%, 2등급 28.9%, 3등급 28.3%, 4등급 12.0%, 5등급 3.2%, 산사태 위험등급에 포함되지 않는 산사태 발생지는 3.1%인 것으로 나타났다(Fig. 6).

Fig. 6. Comparison of sites of landslide occurrence and landside hazaed grades by Korea Forest Service(KFS).

산사태 발생지의 범위가 산사태 위험등급인 1등급에서 3등급의 범위 내 81.7%에 해당하며, 비교적 산사태 위험성이 낮은 4등급과 5등급에서 15.2% 정도의 산사태가 발생한 것으로 나타났다. 산사태 위험등급 범위 이외에서 발생된 산사태의 비율인 3.1%는 산지사면 내 인위적 개발지, 산불 피해지 등 최근 지형 및 환경 변화를 반영하지 못하였기 때문인 것으로 판단된다.

기후변화 시나리오별 토사재해 위험도 분석 결과

기후변화에 관한 정부간 협의체(IPCC)의 제6차 평가보고서에서 제시하고 있는 기후변화 시나리오 SSP5-8.5의 극한상황을 반영한 조건을 본 연구의 강우 시나리오에 반영하였다. 강원특별자치도 내 7개 강우관측소(속초(90), 대관령(100), 춘천(101), 강릉(105), 원주(114), 인제(211), 홍천(212))에 대한 티센망 분석을 실시하여 강우재현빈도(10, 20, 50, 100년)에 대한 강우지속시간(1, 6, 12, 18, 24시간)별 누적강우량(mm)과 강우강도(mm/h)를 각각 산정하였다. 해당 조건에 대한 분석 결과, 전반적으로 강우재현빈도별 강우지속시간이 길어질수록 강우강도는 감소하는 것으로 분석되었으며, 강우재현빈도 100년의 강우지속시간 1시간의 강우강도를 기준으로 강우재현빈도 10년의 1시간 강우강도가 약 2배 가량 높게 나타났다(Fig. 7). 또한 강우재현빈도별 강우지속시간이 길어질수록 강우강도값은 점전적으로 감소하며 수렴하는 경향을 갖는 것을 알 수 있다.

Fig. 7. Changes in sumulative rainfall and rainfall intensity ralative to rainfallduration for different rainfall frequencies, assuming the SSP5-8.5 climate change scenario.

기후변화 시나리오를 고려한 강원특별자치도 토사재해 위험도 평가

본 연구에 적용한 기후변화 시나리오는 강우재현빈도 10년, 20년, 50년, 100년 기준으로 강우지속시간 1시간, 6시간, 12시간, 18시간, 24시간에 대한 총 20개의 강우강도를 산정하여 토사재해 위험도 분석에 활용하였다. 단계별 강우강도 적용 가능하고, 토층 깊이에 대한 침투수 변화를 고려할 수 있는 수정된 안정성 물리모델을 활용하였다(Kim and Lee, 2023). 해당 모형의 입력인자인 지반물성은 산림청의 산림지반물성주제도 상에서 토층의 지반물성치를 활용하였다. 여기서 토층 심도는 일반적인 고도모델(Z-model)과 경사모델(S-model)의 중간값을 취하는 고도-경사 결합모델(combined model)로 산정하였다(Saulnier et al., 1997; Kim et al., 2022a). 특히, 지형경사 50° 이상이 되는 급경사지에 대해서는 토층심도를 10 cm로 제한하여 분석하였는데, 이는 급경사를 갖는 사면에서는 표토층의 형성이 어렵고, 일반적으로 기반암 노두가 형성되어 있다는 점을 감안하여 적용하였다.

해당 단계별 강우강도는 크리깅(Kriging) 기법을 이용하여 공간보간을 수행하여 적용한 것으로 강우강도의 공간분포를 따라 강우강도가 커질수록 토사재해 위험도의 위험성도 증가하는 물리적 특성을 보였다. 10 m급 격자기반의 단계별 강우강도 및 지반물성치를 적용하여 안전율(FS) 결과를 도출하는데, 토층 내 강우 침투를 고려하여 분석한 결과이기 때문에 지반설계기준의 침투해석 시의 기준안전율 1.3을 적용하여 토사재해 위험도를 분석하였다.

Fig. 8과 같이 10년, 20년 50년, 100년에 대한 강우지속시간 1시간 강우강도에 해당하는 분석 결과를 안전율 개념으로 나타내었다. 강우재현빈도가 증가할수록 강우지속시간 1시간에 대한 강우강도 함께 증가함을 알 수 있다. 해당 강우강도를 적용하여 침투해석 기준에 따른 안전율 분석 결과도 강우재현빈도 증가에 따라 기준안전율 이하의 면적이 증가하는 것으로 나타났다.

Fig. 8. Changes in landslide risk (1-h rainfall duration) for various recurrence intervals under the SSP5-8.5 climate change scenatio.

토의

강원특별자치도를 중심으로 IPCC 6차 보고서에서 언급하는 SSP5-8.5 극한조건을 가정하여 강우재현빈도별 강우지속 시간에 따른 평균강우강도를 분석한 결과, 모든 강우재현빈도의 강우지속시간 1시간에서 가장 높은 평균강우강도를 나타내었으며, 강우지속시간이 길어질수록 평균강우강도는 감소하는 것으로 나타났다(Fig. 7). 이는 강우지속시간 1시간에 대한 강우량을 강우지속시간별로 나누었기 때문에 평균강우강도가 낮아지는 결과를 보였다(Table 1).

Table 1. Ratios of different landslide risk levels for different rainfall intensities

강원특별자치도의 평균강우강도를 적용하여 기준안전율 범위에서 분석한 결과, 강우지속시간이 길어질수록 기준안전율 1.3 이하로 점진적으로 감소하는 것으로 나타났다. 이를 토사재해 위험도 측면으로 볼 때, 강우지속시간이 길어짐에 따라 기준안전율을 만족하는 면적 범위가 감소하기 때문에 토사재해 위험도는 증가함을 의미한다.

또한, 해당 분석 결과로부터 강우재현빈도 10년을 기준으로 강우지속시간별 안전율 1.3 이상의 면적범위 비율을 분석하였다. 강우재현빈도 10년의 강우지속시간별 안전율 1.3 이상에 대해 강우재현빈도 20년, 50년, 100년을 각각 비교해 보면, 강우지속시간 1시간의 경우, 강우재현빈도 100년이 안전율 1.3 이상의 면적 비율이 가장 많이 감소함을 알 수 있다. Fig. 9와 같이, 강우지속시간이 길어질수록 안전율 1.3 이상의 면적비율은 감소폭이 줄어들면서 수렴하는 것을 알 수 있다.

Fig. 9. Analysis of the change ratio for a safety factor of 1.3 and different rainfall duration for a 10-year recurrence frequency.

산림청에서 활용하는 강우량에 따른 산사태 예경보 기준에서 시강우량은 산사태 주의보가 20~30 mm, 산사태 경보가 30 mm 이상이다. 이를 참고하여 강우재현빈도별 강우지속시간에 대한 강우강도를 비교해 보면, 강우재현빈도 10년에서는 강우지속시간 1시간 범위 내에서 산사태 경보, 6시간 범위 내에서 산사태 주의보 발령에 해당한다. 또한, 강우재현빈도 100년의 경우는 강우지속시간 18시간 범위까지 산사태 경보, 24시간 범위까지는 산사태 주의보 발령에 해당한다. 따라서, 강우재현빈도 및 강우지속시간이 증가할수록 산사태 주의보 및 산사태 경보발령 범위가 확대되어 위험성이 점진적으로 증가함을 알 수 있다.

결론

기후변화 영향으로 설계빈도를 초과하는 극한강우가 현실화함에 따라 이에 대응하기 위한 토사재해 위험도에 관한 위험정보의 필요성이 커지고 있다. 이에 본 연구에서는 IPCC 6차 기후변화보고서에서 제시한 SSP5-8.5 시나리오를 적용하여 강우재현빈도에 대한 강우지속시간을 고려하여 10 m급 격자기반으로 강원특별자치도 전역에 대한 토사재해 위험도를 분석하였다.

이를 통해 강우 침투조건을 고려할 수 있도록 우기 시 침투해석 기준안전율 개념을 적용하여 산지 사면 내 위험성을 평가하고, 향후 산지사면 내 위험격자를 병합하여 토석류 발생 시 시점구역으로 선정할 수 있도록 고려함으로써 토석류 흐름경로 및 확산범위를 분석하는데 활용할 수 있도록 하였다.

(1) 연구지역의 최근 50년간 관측된 강우량 변화는 1990년에 약 1,992 mm로 최대값, 2015년 약 893 mm로 최소값으로 나타났으며, 선형회귀 분석 결과에서 1972년 대비 2022년의 연평균 강우량이 약 106 mm 가량 증가하는 추세를 보임으로써 전반적으로 강우량이 증가하는 것으로 볼 수 있다.

(2) 강원특별자치도의 산사태 위험등급 분포비율은 1등급 11.7%, 2등급 21.0%, 3등급 34.5%, 4등급 24.3%, 5등급 8.5%로, 이를 총 19,487개소의 산사태 발생지와 공간적 중첩율을 분석해 보면 1등급 24.5%, 2등급 28.9%, 3등급 28.3%, 4등급 12.0%, 5등급 3.2%, 산사태 위험등급에 포함되지 않는 산사태 발생지는 3.1%인 것으로 나타났다.

(3) 강우재현빈도(10, 20, 50, 100년)에 대한 강우지속시간(1, 6, 12, 18, 24시간)별 누적강우량(mm)과 강우강도(mm/h)를 분석한 결과에서 강우재현빈도별 강우지속시간이 길어질수록 강우강도는 감소하는 것으로 분석되었다.

(4) 강우재현빈도가 증가할수록 강우지속시간 1시간에 대한 강우강도도 함께 증가함에 따라 해당 강우강도를 적용 시에 침투해석 기준에 따른 안전율 결과도 강우재현빈도 증가에 따라 기준안전율 이하의 불안정한 산지사면의 면적이 증가하는 것을 알 수 있다.

(5) 해당 분석 결과로부터 강우재현빈도 10년을 기준으로 강우지속시간별 안전율 1.3 이상의 면적범위 비율을 분석한 결과, 강우재현빈도 10년의 강우지속시간별 안전율 1.3 이상에 대해 강우재현빈도 20년, 50년, 100년을 각각 비교해 보면, 강우지속시간 1시간의 경우, 강우재현빈도 100년이 안전율 1.3 이상의 면적비율이 가장 많이 감소함을 알 수 있다. 또한, 강우지속시간이 길어질수록 안전율 1.3 이상의 면적비율은 감소하면서 수렴하는 것으로 나타났다.