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Prediction of the Area Inundated by Lake Effluent According to Hypothetical Collapse Scenarios of Cheonji Ground at Mt. Baekdu
Prediction of the Area Inundated by Lake Effluent According to Hypothetical Collapse Scenarios of Cheonji Ground at Mt. Baekdu
The Journal of Engineering Geology. 2013. Dec, 23(4): 409-425
Copyright © 2013, The Korea Society of Engineering Gelology
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  • Received : October 24, 2013
  • Accepted : December 13, 2013
  • Published : December 30, 2013
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장원 서
희욱 이
성민 김
형동 박
hpark@snu.ac.kr

Abstract
본 연구에서는 백두산 분화 전 지반 균열 및 거동에 의한 천지못 지반 붕괴 시나리오 별 천지못 유출수의 이동경로와 홍수 피해영향범위를 시계열로 예측하였다. 지형·지표·기상·환경 자료를 기반으로 다방향 흐름기법, 지표토양에 의한 흡수율과 초기저장량, 화구 및 분지 지형의 부피(저장공간)를 함께 고려할 수 있는 지리정보시스템 기반의 수문분석 알고리즘을 개발하였다. 백두산 지역의 화산군 분포와 지형적 특성을 고려하여 4가지 경우의 천지못 지반 붕괴 지점을 가상으로 선정하고, 개발된 알고리즘을 적용하여 천지못 유출수의 확산패턴과 시간 변화에 따른 피해영향범위를 산정하였다. 시나리오 1과 2(천지못 전체/남쪽 경계 지반 붕괴)의 경우 천지못 유출 약 3시간 경과 후부터 중국쪽 마을에 홍수피해가 발생한 반면 북한 영토는 천지못 남동쪽에 위치한 산봉우리의 지형적 특성으로 인해 거의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 반면 시나리오 2의 조건에 천지못 남동쪽 산봉우리를 붕괴시킨 시나리오 3과 4의 경우에는 천지못 유출 약 3시간 경과 후부터 중국뿐만 아니라 북한 영토쪽 마을에도 1,500만톤 이상의 홍수 피해를 발생시키는 것으로 분석되었다.
Keywords
서 론
최근 백두산의 화산이 분화할 것이라는 주장을 뒷받침하는 다양한 전조현상이 관찰됨에 따라 화산재해 가능성에 대한 국내외적인 관심이 증대되고 있다. 백두산 화산 분화에 대한 징후로는 백두산 천지 지하에서 발생하는 지진 빈도 증가, 천지 하부 규장질 마그마방의 상승, 백두산 화산체의 지형 변화, 천지 암벽 균열, 천지주변 온천수의 수온 상승, 화산가스 발생량의 변화와 화산가스 분출로 인한 식물 고사 등을 들 수 있다 (Kim et al., 2001 ; Kim and Won, 2005 ; Wu et al., 2009 ; Ji et al., 2010 ; Yun and Lee, 2010 ; Kim et al., 2011 ; Park and Lee, 2011 ; Yun and Lee, 2012) . 특히, 역사적으로 수차례 분화한 것으로 알려진 백두산 화산의 최대 폭발 규모에 대한 기록(10세기 경 화산폭발지수(Volcanic Explosivity Index, VEI) 7의 분화 발생; 2010년 아이슬란드 화산 분화 규모의 약 1,000배)에 근거해볼 때, 동일한 규모로 백두산이 다시 분화할 경우 전 세계적으로 막대한 피해발생이 예상될뿐만 아니라, 작은 규모로 분화하더라도 한국을 포함하여 동북아시아 등 주변 국가(북한, 중국, 일본)에 직·간접적인 영향을 미칠 수 있다. 특히, 오랜 기간 동안 유지되어온 공산주의와 최근 정권 교체로 인해 정치·경제적으로 불안정한 북한의 현재 상황을 고려했을 때 백두산 화산재해에 대한 대응 및 대비 연구가 미비할 것으로 예측되고, 남북간의 교류협력 및 통일·평화적 관점에서도 이러한 재난대응체계 구축에 대한 필요성이 요구되고 있다 (National Disaster Management Institute, 2012 ; Kim and Park, 2013) .
과거 발생한 대규모 화산재해 사례(1991년 필리핀 피나투보 화산 및 일본 운젠 화산 폭발, 2010년 아이슬란드 에이야프얄라요큘 화산 및 인도네시아 메라피 화산폭발 등)에서 알 수 있듯이, 화산 분출 또는 폭발은 다양한 재해를 발생시켜 막대한 인명적·환경적·사회적·경제적인 파급 피해를 유발시킬 수 있다. 백두산의 경우에는 용암류에 의해 산불 또는 화재가 발생할 수 있고, 화산쇄설활동(화산재나 부석 발생)으로 인하여 동식물이 고사될 수 있으며, 수증기(유독가스) 생성으로 인하여 사람이나 가축이 질식사되거나 수중 생태계가 파괴될 수 있다. 또한, 백두산 분화 시 발생되는 지진에 의해 산사태(암설류 또는 이류)가 발생되거나 과거 정상부가 함몰되어 형성되었던 천지못이 유출되어 백두산 주변 지역에 대규모 홍수가 발생될 수 있다 (Yun, 2010) . 특히, 북한의 경우에는 사회적 인프라와 경제적 능력의 부족으로 인해 위와 같은 1차 피해뿐만 아니라, 질병·기아 등에 의한 사망과 같은 2차 피해가 상당할 것으로 예측되고 있어 화산재해에 대응할 수 있는 화산방재 능력의 확보가 절실한 실정이다. 물론 백두산 분화 시점과 규모, 발생 재해에 관한 예측은 분화가 임박했을 때를 제외하면 현실적으로 어려운 실정 (Kin-Yip et al., 2009) 이다. 그러나 화산재해에 대응하여 피해를 최소화하기 위해서는 화산방재지도의 작성을 통한 화산재해 별 규모와 시공간적인 영향범위의 파악이 필수적으로 요구된다. 국내에서는 1990년대 후반부터 백두산 화산의 활동 및 분화 가능성에 대한 연구가 다수 보고되었으며 (Yun and Cui, 1996 ; Kim et al., 2001 ; Kim and Won, 2005 ; Yun and Lee, 2010 ; Yun and Lee, 2012) , 최근 들어 백두산 분화로 인한 대형 화산재해에 대응하기 위한 다학제적 연구방안이나 기술적·정책적 방재 대책 수립에 계획안들이 제시되었다 (Yun and Lee, 2010 ; Park et al., 2011 ; National Disaster Management Institute, 2012 ; Suh et al., 2012) . 백두산 분화 시 발생 가능한 재해에 관한 기존의 연구들은 주로 화산재나 용암류에 의한 문제를 중심으로 수행되었다. 그 예로, 화산재의 확산(영향) 범위 추정이나 화산재와 대기질 또는 대기흐름장과의 관계에 관한 연구 (Lee et al., 2010 ; Kim, 2011 ; Lee, 2011 ; Lee and Yun, 2011 ; Moon et al., 2011 ; Lee et al., 2012) , 기후변화에 대한 연구 (Li et al., 1996 ; Wei et al., 1997) , 용암 이동경로 분석을 통한 재해지도 작성 연구 (Kim, 2011) 등이 발표된 바 있다. 반면에 20억톤의 방대한 양의 물의 유출에 의한 홍수 피해에 관한 연구는 미비한 실정이다. 백두산 천지못 유출에 의한 홍수 피해영향범위에 대한 연구 (National Disaster Management Institute, 2012) 도 보고된 바 있으나, 이 연구에서는 백두산 주변에 위치한 8개의 강(유로)만을 대상으로 시간 변화에 따른 범람 시뮬레이션을 수행하여 강이 존재하지 않는 지역의 홍수 피해영향범위 파악이 어려운 한계가 있었다. 천지의 물이 유출되면 강뿐만 아니라 백두산의 지형경사에 기반한 수계흐름에 의해 주변의 평야나 마을 지역에도 홍수가 발생할 수 있기 때문에 이를 함께 고려해야 할 필요가 있다. 국외에서도 재해 모델링 사례로서 이탈리아 Etna 화산의 용암재해지도 작성 연구 (Marina et al., 2009) , 멕시코 Nevado de Toluca 화산의 눈사태 및 이류 발생 영향범위 추정 연구 (Jose et al., 2007) 등의 발표를 찾아볼 수 있으나, 화산 정상부(분화구)에 위치한 호수의 유출로 인한 홍수 피해영향범위 파악에 대한 연구는 미비한 실정이다.
본 연구의 목적은 백두산 분화의 전조현상으로써 지반의 균열 발생 시 천지못 주변 지반의 붕괴 시나리오에 따른 유출수의 이동경로와 홍수 피해영향범위를 예측하는 것이다(폭발성 화산에 의한 재해는 범위가 매우 크고 예측이 거의 불가능하기 때문에 본 연구의 범위를 벗어나며, 분화 전의 지반 거동에 의한 재해 평가에 초점을 둠). 이를 위해, 백두산 주변 지역의 화산지형·토지피복·환경 조건과 특성을 면밀하게 검토하여 천지못주변 지반의 붕괴 지점(유출 지점)들을 가상으로 선정한다. 지리정보시스템(Geographic Information Systems, GIS)을 기반으로 지형기복에 근거하여 천지못 유출수의 이동경로를 분석하고, 지표토양(토지피복)과 오목지형(화구, 카르, 분지 형태)의 흡수율과 저장량을 고려하여 홍수 범람 높이를 산정하며, 확산 속도와 집수 패턴을 분석하여 각각의 가정에 따른 홍수 피해영향범위를 시계열로 예측하고자 한다.
연구대상지역
한반도의 최고봉(해발고도 약 2,750 m)인 백두산은 북한의 북부 마천령산맥의 북단과 중국 동북부의 장백산맥 중부가 교차하는 지점에 자리하고 있다. 백두산 화산체가 존재하는 지역의 지리적 좌표는 북위 41°50’~42°10’, 동경 127°50’~128°15’이며, 남북 길이는 240km, 동서 너비는 190 km로 총 면적은 약 45,600 km 2 에 이른다. 본 연구에서는 천지못 유출수에 의한 피해영향 범위를 산정하기 위해 천지를 중심으로 한 반경 약 40~50 km의 영역(천지와 그 주변의 화룡시, 안도현, 무송현, 장백 조선족 자치현 등을 포함)을 연구대상지역으로 선정하였다( Fig. 1 ).
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Location map and photo of Cheonji lake on Mt. Baekdu (modified image from https://maps.google.co.kr).
백두산은 지질학적으로 거대한 층상 복식 화산이며, 약 200만 년 전에 발생한 화산 분출 후 지각 상승 및 지구 물리화학적 작용과 외부 침식으로 인해 평면이 불균형한 환상 복합 구조가 형성되었다 (Kim, 2011) . 백두산은 제3기 중기부터 근대에 이르기까지 수차례 분출하였으며, 이는 6개의 화산 활동기로 구분할 수 있다. 제 3기 말부터 제4기 초에 현무암질 용암이 흘러나와 현무용암대지가 형성되었고, 제3기 말과 제4시 중반에 알칼리 조면암질 마그마의 분출로 현무용암대지 위에 층상순상 화산 원추체가 형성되었다. 그 후, 지금으로부터 약 1,000년 전 대폭발로 인해 직경 약 5 km의 거대한 칼데라가 형성되었다.
백두산은 현무용암대지(해발 600~1,100 m), 현무용암고원(해발 1,100~1,800 m), 화산 원추체(해발 1,800~2,750 m)로 이루어져 있다. 현무용암대지는 10° 이내의경사를 갖는 완만한 지형으로 변두리로 나갈수록 고도가 낮아진다. 산록경사 용암고원은 현무용암대지와 백두산 원추체 사이 지역으로서 경사도가 15° 이상이며, 화산 원추체의 경우 산 경사는 5~15°, 산봉우리 경사는 30° 이상이다. 생태학적으로 현무용암대지에는 주로 활엽수와 침엽수림이, 현무용암고원에는 침엽수림이 존재하고 있으며, 화산 원주체 하부 지대는 악화림·과도림대·관목·초본 식물대 등으로 구성되어 있다 (Kim, 2011) . 이러한 지형경사와 지표피복은 물의 이동속도와 투수에 영향을 줄 수 있다.
지리적으로 북위 42°06’, 동경 128°03’에 자리하고 있는 백두산 천지는 제4기 말 홀로세에 발생한 화산폭발로 인해 형성된 화구에 물이 고여 칼데라호가 형성되었으며, 장군봉 등 백두산 원추체의 상부를 이루는 27개의 산봉우리로 둘러싸여 있다. 천지는 세계에서 가장 깊은 화산호수인 동시에 세계에서 가장 높고 아시아에서 가장 큰 화구호로 알려져있다. Table 1 에 제시된 바와 같이 천지에 저수되어 있는 물의 용량은 약 20억 4000만 m 3 으로, 상대적으로 남쪽이 얕고 북쪽의 깊으며 가장 깊은 곳의 수심은 384 m이다 (Yun, 2010) . 천지 물의 원천은 주로 지하수로 천지 물의 약 61%를 차지하는데 이는 지하 마그마의 열로 인한 냉각·고결 과정에서 대량의 수증기가 생겨 유출되기 때문이다. 나머지는 강수 또는 주변 지역으로부터 유입되는 물이 약 39%를 차지한다. 천지 물의 연 유출량은 약 0.4억톤이며 봄과 여름에는 주로 지표로, 가을과 겨울에는 주로 지하수로 유출된다.
Descriptive summary of Cheonji lake at Mt. Baekdu (afterKim, 2011).
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Descriptive summary of Cheonji lake at Mt. Baekdu (after Kim, 2011).
백두산의 수계는 백두산의 상승으로 인해 방사상으로 형성되었다. 백두산 원추체 주위의 동서남북 방향에서 송화강 상류 하천이 발원하고 있으며, 압록강 수계는 백두봉 동남쪽에서 발원한다. 또한, 두만강은 백두산 동부에서 발원하는 것으로 알려져 있다. 백두산 원추체 주위에는 소천지, 적지, 곡지, 원지, 왕지, 화산, 보천석 단열화구 등 많은 소규모의 화구가 분포되어 있다. 또한, 천지로부터 일정 거리 이상 떨어진 지역에도 이러한 분지형태의 화구들이 다수 존재하는 것으로 알려져있다 (Kim, 2011) . 백두산 주변의 화구 또는 분지 형태를 갖는 지역들은 지형적 특성으로 인하여 크고 작은 호수(화구호)를 이루거나 습지인 경우가 많기 때문에 백두산의 수계 흐름이나 집수 패턴에 영향을 미칠 수 있다.
GIS 기반의 천지못 유출수 이동경로 및 피해영향범위 산정 방법
백두산 분화 전 천지 주변 지반의 붕괴로 인해 대량의 물이 유출된다고 가정하면 광범위한 영역에 걸쳐 홍수피해가 발생될 수 있다. 특히, 백두산과 같은 화산지형은 지표의 투수율이 높고, 화구나 분지 또는 함몰 지형 등이 다수 존재하기 때문에 천지못 유출수로 인한 확산 패턴이나 양적 피해를 합리적으로 예측하기 위해서는 이러한 지형적·물리적·환경적 특성 등을 고려해야 할 필요가 있다. 그러나 일반적인 홍수 모델링 소프트웨어는 주로 기존 수계(강)와 같은 특정 구역에서 강우가 차오르는 현상을 모델링하는 것에 초점을 두고있기 때문에 백두산과 같은 화산 지형의 경사, 흡수, 저장, 집수 특성 등을 종합적으로 고려해야하는 천지 유출수 분석에는 적합하지 않다고 사료되었다. 마찬가지로 기존에 알려진 대부분의 GIS 기반 알고리즘은 함몰된 지형을 제거한 후 수계분석을 수행하기 때문에 이를 개선할 필요가 있다고 판단되었다.
따라서 본 연구에서는 다양한 공간 데이터를 기반으로 광범위한 영역에 대한 분석을 신속하게 수행할 수 있는 GIS를 기반으로 기존의 수계분석 알고리즘에 추가적인 기능을 수행할 수 있는 새로운 통합 알고리즘을 개발하였다. 구현된 알고리즘은 백두산 지역의 지형기복에 근거한 유출수의 다방향 흐름 방향과 속도, 물리적 특성(지표피복과 토양 종류)에 의한 유출수의 흡수와 초기 저장용량, 화구 또는 분지 지역의 수계 저장 공간 부피 등 크게 3가지 항목을 동시에 고려하여 시간 변화에 따른 수계 확산 패턴을 모델링 할 수 있도록 하였다. 또한, 천지못 유출수가 기존 수계와 만나게 될 경우 유입량에 따른 수계의 시계열 수위 변화를 함께 고려할 수 있도록 설계되었다. 물론 본 연구에서 제안한 GIS 기반의 수계분석 알고리즘은 수위측정 자료를 필요로 하는 홍수 예측 모형과 비교할 때 특정 지점의 정확한 수위변화를 예측하는 것은 상대적으로 어렵지만, 광역적인 범위에서 천지못 유출수의 이동경로를 분석하고 피해영향범위를 예측하는데 있어 적합한 방법으로 판단되었다.
- 지형기복을 이용한 다방향 흐름(Multiple flow direction) 분석 기법의 원리
천지 유출수의 영향범위를 예측하기 위해서는 지형의 기복을 고려하여 물의 흐름방향을 결정하는 것이 매우 중요하다. 일반적으로는 수치고도모델(Digital Elevation Model, DEM)에서 중심격자를 둘러싼 8개의 주변 격자셀 중 경사도가 가장 급한 방향으로만 빗물이 흐른다고 가정하는 단방향 흐름 분석(Single Flow Direction, SFD) 알고리즘이 GIS 분야에서 가장 대중적으로 이용되고 있다. SFD 알고리즘은 빠르고 직관적으로 물의 흐름방향을 결정할 수 있으며 집수구역 분석 등 다양한 수계분석에 응용될 수 있다는 장점을 갖지만, 유체가 여러 방향으로 확산되는 현상을 설명할 수 없다는 단점이 있다. 홍수 영향범위의 예측을 위해 SFD 알고리즘을 적용할 경우, 영향범위가 선 형태로 나타나 피해 영역이 과소평가될 우려가 있고, 일부 지역에만 과도한 물이 집중되는 오류가 발생할 수 있다 (Kim et al., 2012) . 따라서 본 연구에서는 지형 경사에 따라 물이 여러 방향으로 확산되는 현상을 합리적으로 모델링할 수 있는 다방향 흐름 분석(Multiple Flow Directions, MFD) 알고리즘 (Freeman, 1991) 을 적용하였다.
GIS 분석에 있어 물의 흐름방향을 결정하기 위해서는 먼저 지형의 기복에 따른 경사도를 계산해야 한다. Fig. 2 (a)는 임의의 3 × 3 격자 구조에서 격자셀크기(5 m)와 고도를 이용한 지형의 경사도 계산 결과를 보여준다. 각 격자셀의 중앙에 적혀있는 수치는 고도값을 의미하며, 좌측하단에 적혀있는 숫자는 계산된 경사도값을 나타낸다. 수직방향의 경사도를 구할 때는 두 격자셀 사이의 고도차를 격자셀크기로 나누어 계산하고, 대각선방향의 경사도를 구할 때는 두 격자셀 사이의 고도차를 대각선길이(격자셀크기×
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)로 나누어 계산한다. Fig. 2 (a)와 같은 격자셀 구조를 3차원으로 나타내면 Fig. 2 (b)와 같이 나타낼 수 있다. 중심 격자셀에 있는 물이 어디로 흐르는지 결정하기 위해서 SFD 알고리즘을 적용하면 Fig. 2 (c)와 같이 경사도가 가장 큰 우측 방향으로만 모든 물이 흐른다고 결정되는 반면, MFD 알고리즘을 적용하면 Fig. 2 (d)와 같이 중심 격자셀보다 고도가 낮은 모든 방향으로 물이 확산되도록 흐름방향이 결정된다. 이 때, 물이 확산되는 각 방향 별 경사도의 상대적 비율을 고려하여 방향별 가중치를 계산하고, 그 결과를 반영하여 물이 주변 격자셀로 분산되는 양을 계산한다.
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Principle of calculating multi-flow direction using terrain relief data. (a) Calculation of slope gradient based on DEM. (b) 3D visualization of a 3 × 3 grid. (c) Result for a single flow direction. (d) Results for multiple flow directions. The value in each grid represents the elevation (m a.s.l.).
- 지표 토양의 특성에 따른 투수율과 초기 저장 용량을 고려한 수계 모델링의 원리
Jain and Singh (2005) Philip (1969) 의 Philip two-term infiltration model (식 1)을 GIS 기반의 시계열 수문분석에 적용하여 각 격자셀 별로 유입된 물이 시간에 따라 지하로 흡수되는 현상을 모델링할 수 있는 기법을 제시한 바 있다. 본 연구에서는 Jain and Singh가 제안한 기법(지표 토양의 투수 특성을 고려하여 물이 지하로 흡수되는 정도를 추정)을 활용하여 시간 변화에 따라 지하로 침투되는 물의 양을 격자셀 단위로 계산하였다. 이 때, 각 격자셀 별 흡수율은 개별 격자셀의 공극률, 수리전도도, 공극크기분포지수, 초기 포화도를 식 (1)에 입력받아 정의된다.
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여기서, f c 는 잠재 침투량(potential infiltration rate (L/T)), S 는 흡습률(infiltration sorptivity (LT −0.5 )), t 는 시간(s)을 의미하며, A 0 는 토양특성에 따른 침투율(gravitational infiltration rate)로 통상적으로 Ks 로 대체될 수 있다. 각 격자셀의 투수조건에 의해 포화시점 t 0 이 달라질 수 있는데 포화 시점 t 0 를 계산하여 모델에 적용하면 전체 대상지역의 투수 현상을 모사할 수 있다. S 는 식 (2)와 같이 계산될 수 있다.
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여기서, Sini 는 초기 포화도, η 는 유효 공극률, Ks 는 포화 수리전도도(LT −0.5 ), λ 는 공극크기분포지수인데 이들은 대상지역의 지표 투수특성에 따라 결정되어 있는 계수들이다. φ 는 토양의 포화 행렬 포텐셜이고 Φ ( d , Sini )는 토양의 무차원 표면 수착 확산도이다. φ 는 식 (3)을 Φ ( d , Sini )는 식 (4)를 이용하여 계산될 수 있다.
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여기서, d 는 확산 계수(diffusivity index)로서 (1 + 2 λ ) / λ 로 계산된다. σw 는 공극내 물의 표면장력, γw 는 공극내 물의 비중이다. Fig. 3 은 시간에 따른 유입그래프 I ( t )와 침수그래프 fc ( t )를 모식적으로 나타낸 것이다. Fig. 3 에서 일정시간 t 0 이전까지는 유입량이 지표가 흡수할 수 있는 범위 내에 포함되므로 다음 식 (5)를 만족한다.
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Principle of Philip’s two-term infiltration model and effective flux (modified from Jain and Singh, 2005).
Philip 침투 모형을 이용하여 시간에 따른 유효유입량을 계산하기 위해서는 S A 0 외에도 ts 를 산정해야 한다. 계산의 편의를 위하여 tc = t 0 ts 라 정의할 때, t 0 까지는 유입된 유량을 토양이 모두 흡수하기 때문에 식 (6)이 성립될 수 있다.
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또한, t 0 에서 처음으로 해당 격자셀의 유입유량이 흡수량보다 커지기 때문에 해당 격자셀은 유입되는 물을 더 이상 흡수하지 못하게 되고, 이 시점부터 유수가 발생한다. Fig. 3 에서 보이는 바와 같이 유입유량과 흡수량 그래프가 서로 접하는 지점에서 식 (7)이 성립한다.
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식 (6)과 식 (7)을 연립하여 tc 를 소거하면 다음과 같이 식 (8)을 유도할 수 있다. 아래 식을 이용하면 각 격자셀이 포화되어 흡수율이 현저히 떨어지는 시점을 계산할 수 있으며, 이를 토대로 흡수 모델링에 필요한 계수들을 확정할 수 있게 된다.
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식 (8)에 A 0 , S , I ( t )를 대입하여 이를 만족하는 t 0 를 계산한 뒤, 식 (7)에 t 0 을 대입하여 tc ts 를 계산한다. 계산된 ts fc 에 대입하여 각 격자셀별로 흡수량 수식을 적용하여 유효유입량(effective flux)을 계산할 수 있다.
계산된 유효유입량은 시계열 수문분석을 수행하면서 물이 유입될 때마다 적용되며 각 격자셀의 투수율, 공극률 등의 지표 피복특성과 초기포화도에 따라 각각 다른값을 적용받는다. 수문분석에는 Jain and Singh (2005) 가 제안한 시계열 기법을 알고리즘으로 구현하여 사용하였으며, 본 연구에서는 이 기법이 MFD 분석 기법과 호환되도록 알고리즘을 수정 및 보완하였다. 수정 및 보완된 기법은 지표의 투수특성을 고려한 GIS 기반의 시계열 수계모델링에 적용되었다. 시계열 수문분석 기법은 다음의 지배방정식(식 9)을 따른다.
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식 (9)를 수치해석적으로 변환하고 수식에 격자셀 형태의 래스터 자료가 가지는 속성을 적용하면, 각 셀의 수위 hi * 는 이전 시간 t 의 수위( hi )로부터 유입( Qtin ) 및 유출( Qtout )되는 유량을 고려하여 식 (10)과 같이 계산할 수 있다.
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여기에서 Ai 는 입력한 격자셀 자료의 단위면적이다. 계산된 각 격자셀의 수위와 함께 경사도, 마찰력에 대한 정보를 해당 지역의 유속을 계산할 수 있는 Manning 방정식에 적용하면 해당 시간에서의 유속은 식 (11)과 같다.
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본 연구에서 사용된 MFD 분석 기법은 각 격자셀마다 여러 방향으로 물이 흐를 수 있으므로 흐름속도도 여러 방향으로 따로 계산되어야 한다. 이 경우, 각 방향마다 경사 및 지형 조건이 다르기 때문에 이를 고려하여 방향별 분율이 적용된다. 식 (11)에서 ni 는 셀 i의 Manning 조도 계수(Manning’s roughness coefficient)이고 Sf * 는 해당 셀의 마찰경사이다. Sf * 는 식 (12)와 같이 계산할 수 있다.
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Fig. 4 는 본 연구에서 제안한 시계열 기반의 수계분석기법을 개념적으로 시각화 한 것이다. 시간이 경과하면서 지형기복에 의해 물이 경사방향으로 흐르게 되는데 지표의 흡수특성이나 경사도 등에 의해 각 격자셀마다 시간 별로 유속이 계속 변화하며 모델링이 수행된다. 그러나 해당 알고리즘은 아래쪽 경사방향으로만 물이 흐를 수 있도록 설계되었기 때문에 결과적으로 대상지역의 지형에 따라서는 Fig. 4 와 같이 오목한 지형에 물이 부자연스럽게 모이는 것과 같은 결과를 야기할 수 있다. 본 알고리즘에 대한 자세한 설명은 Jain and Singh (2005) 의 연구를 참고할 수 있다.
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Conceptual representation of time-series hydraulic analysis used in this study (the intensity of infiltrated water zone indicates the degree of saturation).
- 범람 시뮬레이션(Flooding simulation) 분석 기법의 원리
앞에서 언급한 GIS 기반의 수계분석 알고리즘을 적용하여 화구 및 함몰지형이 많은 백두산 천지 주변 지역을 모델링 할 때 Fig. 4 와 같은 현상이 발생하지 않도록 하기 위해서는 함몰지형에 집수구역이 형성되고 수계의 크기에 따라 물이 범람하여 지형을 벗어나는 현상을 모사할 수 있어야 한다. 따라서 본 연구에서는 Yi et al. (2009) 이 제시한 알고리즘을 개선하여 유수의 양에 따라 침수 및 범람 발생지역을 분석할 수 있는 범람 시뮬레이션 알고리즘을 설계하였다. 지형에 따른 수계형성, 함몰지형의 크기 등의 요소를 반영하였고 해당 지형 또는 수계로 유입되는 유량에 따라 수위가 상승하고 범람하는 현상을 모사하였다. Fig. 5 는 범람 시뮬레이션의 개념적인 원리를 보여준다.
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Principle of the algorithm for flooding simulation.
범람 시뮬레이션을 구현하는 알고리즘은 다음과 같다. 우선 기존의 수계분석 기법 또는 시계열 수문분석 기법에 의해 유수의 거동을 모사한 뒤, 대상지역의 수계 중에 지형적으로 물이 고이는 지역을 기점으로 설정하여 각 기점마다 유입되는 유량을 계산한다. 이 때, 알고리즘을 격자셀 단위가 아닌 함몰지형 단위로 적용하기 위하여 주변 지형의 격자셀 중에 동일한 고도를 갖는 격자셀들은 그룹으로 분류하고 동일 그룹으로 분류된 지역에 존재하는 유량들을 합산하여 하나의 그룹 당 하나의 유량(watercolumn)이 존재하도록 하는 작업을 수행한다. 알고리즘은 각 기점별로 계산된 유량을 대상으로 흡수를 통해 지하로 유입되는 현상, 저수지를 형성하여 수위를 상승시키는 현상, 저수지 범람으로 인해 다른 지역으로 이동하는 현상의 총 3가지 현상에 대한 정량적 비율을 계산하고, 이 과정을 수차례 반복하여 함몰지형이 물에 잠기고 수위가 상승하여 물이 범람하는 자연현상을 모사한다.
- GIS 기반의 시계열 수문분석을 위한 알고리즘 모듈의 융합
본 연구에서는 GIS 기반의 천지못 유출수 이동경로 및 피해영향범위의 산정을 위하여 앞에서 제시한 4개의 모듈(다방향 흐름 분석 기법, philip 침투 모형, 시계열 수문 분석 기법, 범람 시뮬레이션)을 통합한 알고리즘을 개발하였다. 자연현상을 모사한 각각의 기법들은 시계열 분석을 위하여 하나의 알고리즘으로 융합되었으며, 본 연구에서 개발한 수계분석 알고리즘의 적용 절차를 Fig. 6 에 나타내었다.
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Procedure of the proposed GIS-based hydraulic analysis algorithm.
백두산 천지 및 주변 지반의 붕괴 지점에 대한 가상 시나리오
백두산 분화 전의 지진이나 지반 균열로 인해 천지 주변의 지반이 붕괴될 경우, 방대한 양의 물이 유출되어 주변 지역에 홍수를 유발할 수 있다. 그러나 화산재해는 발생 시기와 규모 추정에 있어 불확실성이 클뿐만 아니라 분화로 인한 주변 지역의 지형 변화나 붕괴 지점에 대한 예측이 거의 불가능하기 때문에 (Houghton and Carey, 2011) 사실상 백두산 천지못의 유출 지점이나 유출량에 대한 객관적인 정보의 획득은 어렵다고 볼 수 있다. 그래서 본 연구에서는 백두산 분화에 의한 재해를 예방하고 저감하기 위한 측면에서 천지못 붕괴(유출) 지점과 주변 지역의 지형 변화에 대한 다양한 가상 시나리오를 구성하여 각각의 가정에 따른 천지못 유출수의 이동경로를 분석하고 피해영향범위를 예측하고자 하였다.
유출량의 경우, 지반 붕괴 시 백두산 천지에 있는 물 (약 20억톤)이 모두 흘러가는 것으로 가정하였다. 계절에 따라 천지에 저수된 물의 양이 변화하기도 하지만 저수량의 차이가 연간 0.4억톤 미만(전체의 0.2%)인 것으로 알려져있기 때문에 (Kim, 2011) 유출량에 대한 시나리오는 1가지 경우로 한정하였다. 물론 백두산 분화로 인하여 지반이 붕괴될 경우 천지에 있는 물의 일부만 유출될 수도 있고, 고온의 마그마와 반응하거나 마그마의 열원으로 인해 상당한 양의 천지 유출수가 증발할 가능성도 제기된 바 있다. 그러나 본 연구에서는 폭발성 화산(explosive volcanoes)의 경우가 아닌, 현무암성 화산(basaltic volcanoes)의 마그마 분출 이전 단계에서 지반 균열이나 미소 지진에 의한 천지못 유출의 경우를 가정하였다. 또한, 화산재해의 확산범위는 다양한 변수와 불확실성을 내포하고 있을 뿐만 아니라 피해 저감을 위한 대책 마련을 위해서는 가장 보수적인 관점에서 영향범위를 산정할 필요가 있다고 판단하였다.
본 연구에서는 백두산 천지 지반 붕괴 지점에 대한 4가지 경우의 가상 시나리오를 다음과 같이 설정하였다( Fig. 7 ).
  • 시나리오 1: 백두산 천지못 전체 경계 지반 붕괴
  • 시나리오 2: 백두산 천지못 남쪽 경계 지반 붕괴
  • 시나리오 3: 백두산 천지못 남쪽 경계 지반 & 천지 남동쪽 산봉우리 붕괴(2,200 m 이상 지역 붕괴)
  • 시나리오 4: 백두산 천지못 남쪽 경계 지반 & 천지 남동쪽 산봉우리 붕괴(2,150 m 이상 지역 붕괴)
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Collapse (pour) zone in the vicinity of Cheonji lake at Mt. Baekdu for each scenario. (a) Scenario #1: entire boundary of Cheonji lake, (b) Scenario #2: southern boundary of Cheonji lake, (c) Scenario #3: scenario #2 with a change in terrain (above 2200 m → 2200 m), (d) Scenario #4: scenario #2 with a change in terrain (above 2150 m → 2150 m).
백두산 천지 붕괴 시나리오 1은 백두산 분화 전 시점에서 백두산 지역의 지형 변화는 없이, 천지못 경계 지반 전체가 붕괴하여 유출수가 모든 지점으로 흘러가는 경우를 가정한 것이다. 실제로 백두산이 분화할 경우에는 백두산 전체 지형의 변화가 발생할 것이므로 이와 일치하는 상황이 일어날 가능성은 적으나, 지형 변화에 대한 예측이 거의 불가능하기 때문에 지형 변화는 없다고 가정하였다. 천지 지반의 붕괴 지점에 대한 본 시나리오는 천지 경계 지반 중 고도가 가장 낮은 지역을 포함하며 백두산 천지 주변의 지반 붕괴 시 약 20억톤의 물이 중국과 북한 지역 모두 피해를 줄 수 있는 경우에 해당한다고 볼 수 있다.
시나리오 2는 백두산 주변 지역의 지형 변화는 없고, 천지못 남쪽 경계 지반만 붕괴되어 유출수가 천지 남쪽 또는 동쪽(북한지역) 방향으로만 흘러가는 경우를 가정한 것이다. 지도상 천지 남쪽과 동쪽 지형은 북한 지역을 향하고 있기 때문에 북한 영토쪽으로 수계가 집중될 것이며, 이 시나리오는 천지못 유출수에 의한 북한 지역의 홍수 피해범위를 알아보기 위한 것이라고 볼 수 있다.
시나리오 3은 전술한 시나리오 2에 천지 남동쪽에 위치한 높은 고도의 산봉우리가 붕괴된 조건을 결합한 경우이다. 이는 천지못 주변 지역 중 북한 영토쪽에 높게 솟아있는 2,200 m 이상의 고도를 갖는 산봉우리의 지형을 변화시켜, 주변 지역과 동일한 고도를 갖도록 한 것이다. 연구대상지역의 지형적 특성을 살펴보면 백두산천지 남동쪽 부근(북한 지역)에 높은 고도의 봉우리가 다수 존재하고 있는 것을 확인할 수 있는데( Fig. 7 (c)) 이러한 산봉우리들은 천지못 유출수 확산시 큰 벽과 같은 역할을 함으로써 북한쪽으로 유입되는 물의 양을 감소시킬 수 있다. 그러나 실제로 지진을 동반한 화산 활동으로 인하여 백두산 천지 남동쪽에 위치한 산봉우리가 붕괴되고 해당 지역의 지형 변화가 일어난다면 시나리오 2의 경우보다 더 큰 홍수 피해를 유발할 수도 있다. 실제로 높은 산봉우리가 존재하는 백두산 남동부의 북한 지역에는 다수의 위성화산(대각봉, 대연지봉, 소연지봉, 무두봉 등)이 밀집된 형태로 분포 (Kim, 2011) 되어 있기 때문에 남동부 화산군 영역에는 지형의 변화를 주도록 하였다.
시나리오 4는 시나리오 3에서 백두산 남동쪽 산봉우리 붕괴 조건만 2,150 m로 변경한 경우이다. 이는 2,150 m 이상의 산봉우리들을 주변 지형과 동일한 고도를 갖도록 변화시킨 것으로, 남동쪽 산봉우리에 의한 영향을 줄이기 위한 것이다. 즉, 시나리오 4는 북한 지역에서 발생할 수 있는 최대 홍수 피해범위를 예측하기 위한 경우이다.
앞에서 제시된 백두산 천지 지반 붕괴 지점에 대한 가상 시나리오는 지반 균열이 발생될 수 있는 위치에 대한 예측이 어렵기 때문에 모든 지점에 균열 발생이 가능하고, 모든 방향으로 유출이 가능하다는 전제에서 설정된 것이다. 즉, 천지못의 물이 모든 방향으로 유출이 가능하다는 가정에서 백두산 주변 지역의 홍수 피해 영향범위를 예측하기 위함이다. 이는 단순히 천지못의 수위가 상승하여 천지 경계 지반 중 고도가 가장 낮은 곳으로 유출되는 것을 가정하는 것은 아니다.
현장적용 및 결과
- 입력자료
백두산 천지못 유출수의 흐름방향과 유속을 예측하기 위해서는 지형의 기복을 고려해야 하며, 이를 위해서는 해당 지역의 고도값을 갖고 있는 DEM 자료가 필요하다. 백두산 지역의 DEM 자료를 구축하기 위해서 미국지질조사국(U. S. Geological Survey, USGS)의 Earth Explorer 사이트에서 제공하는 ASTER Global DEM 자료를 활용하였고, 광범위한 연구대상지역을 모두 포함시키기 위해 ArcGIS 소프트웨어의 래스터 모자이크 기능을 이용하여 여러 개의 DEM 자료를 하나로 병합하는 작업을 수행하였다. 최초 획득한 DEM 자료는 경위도 좌표계를 따르고 있으나 토지피복도와 같은 서로 다른 래스터 자료 간의 수치연산을 수행하기 위해서 횡단메르카토르(Transverse Mercator, TM) 좌표계를 따르는 60 m 해상도의 DEM으로 변환하였다. DEM 변환 과정에서 고도 값의 오차로 인해 인위적인 함몰지형이 발생하는 부분은 지형의 채움연산(pit removal)을 통해 보정하였다. Fig. 8 (a)은 백두산 지역의 DEM으로서 고도가 높을수록 붉은색에 가깝게 나타나도록 가시화하였다. 최저고도는 774 m, 최고고도는 2,743 m의 값을 보였으며, 백두산의 고도가 약 2,750 m인 것을 고려하면 연구에 사용된 DEM 자료가 실제 고도를 잘 반영하고 있는 것을 알 수 있다.
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Input data. (a) Digital Elevation Model (DEM), (b) classified land cover map of Mt. Baekdu.
본 연구에서는 지표의 피복 종류에 따른 투수율과 초기 저장 용량을 계산하기 위하여 위성영상으로부터 백두산 지역의 피복을 분류하였다. 이를 위해 위성영상은 USGS Earth Explorer에서 제공하는 Landsat 영상자료를 획득하였으며, 위성영상 분석 소프트웨어인 ENVI의 영상분류 기능을 이용해 작업을 수행하였다. 영상분류기법으로는 표본자료의 밴드별 화소값을 추출하여 표본의 값과 유사한 값을 추출하는 감독분류 기법을 사용하였으며, 백두산 주변지역의 영상을 물과 나지, 산림, 초지 등 4개 종류로 분류하였다( Fig. 8 (b)). 토지피복분류 결과 각각의 피복 종류가 차지하는 면적의 비율은 물이 약 0.2%, 나지가 약 2.9%, 산림이 약 67.5%, 초지가 약 29.4%인 것으로 나타났다. Landsat 위성영상으로부터 분류한 토지피복도는 DEM 자료와 동일하게 TM 좌표계를 따르는 60 m 해상도의 자료로 변환하였다.
백두산 천지못 유출수에 의한 홍수피해 정도를 리스크 관점에서 분석하기 위해, 백두산 주변 지역의 마을과 시설물을 파악하였다. 구글어스(Google Earth)에서 마을이나 시설물로 판단되는 구역을 면밀하게 검토하고, 이를 디지타이징하여 KML(Keyhole Markup Language) 형식의 파일로 저장한 후, 변환 프로그램을 이용하여 KML 파일을 셰이프(.shp) 파일로 변환하였다. 셰이프 파일 형태로 변환된 마을 및 시설물 위치 자료는 Fig. 8 (a)에서 검은색 실선으로 나타냈으며, 이와 같이 다른 GIS 자료와 함께 가시화가 가능하기 때문에 최종적으로는 백두산 천지 유출수로 인한 홍수 피해 가능성을 파악하는데 활용되었다.
- 가상 시나리오 별 천지못 유출수의 피해영향범위 예측 결과
지형고도, 수리전도도 자료 이외에도 피해영향범위 산정을 위해 지표피복의 투수특성을 나타내는 계수(공극률, 공극크기분포지수, 초기포화도)와 백두산 천지 붕괴 시나리오 별 설계 수치를 Table 2 와 같이 설정하고 분석에 적용하였다. Table 2 의 값들은 연구대상지역의 투수 특성을 고려하기 위한 침투 모형(infiltration model)의 계수를 결정하기 위하여 식 (1)이나 개발된 소프트웨어에 직접 입력되었다. 공극률, 공극크기분포지수, 초기포화량 등은 모든 시나리오에서 지역 전체에 동일한 대푯값을 적용하였다. Table 2 에 적용된 인자값은 흡수 모델에 대한 기존의 연구 (Rawls and Brakensiek, 1989 ; Rawls et al., 1991) 에서 제시된 기준과 연구대상지역의 지질도를 참조하여 설정되었다. 백두산 천지의 유량이 약 20억 톤으로 알려져 있으므로, 초기 1시간에 걸쳐 동일한 유량으로 물을 모두 유출시키도록 총 4개의 시나리오를 정의하였다.
Parameters for the time series hydraulic analysis algorithm for estimating the flood hazard area.
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Parameters for the time series hydraulic analysis algorithm for estimating the flood hazard area.
시계열 분석은 각 시나리오 별로 천지못 유출 이후 50시간까지의 확산 범위를 모사하였으며, 분석방법은 모든 시나리오에 동일하게 Fig. 6 에 제시된 분석 방법을 적용하였다. 시나리오 1, 2, 3, 4의 시계열 분석 결과를 각각 Fig. 9 , 10 , 11 , 12 에 도시하여 유출수가 확산된 피해영향범위를 확인할 수 있도록 하였다. 대부분의 경우 유출 5시간 이후로는 영향범위 측면에서 큰 변화가 관찰되지 않았기 때문에 유출 5시간 경과 후의 결과를 중심으로 표현하였다. 각 그림에서 하늘색 영역은 백두산지역의 평상시 수계 형상을 묘사한 것이고, 파란색 영역은 각 시나리오에 따른 홍수 피해영향범위를 나타낸다.
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Time-series flood hazard map for Mt. Baekdu: Scenario 1 (Collapses of all-round area on the Cheonji ground).
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Time-series flood hazard map for Mt. Baekdu: Scenario 2 (Collapse of the south-eastern area on the Cheonji ground).
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Time-series flood hazard map for Mt. Baekdu: Scenario 3 (Pour zone #2 & Collapse of the southeastern-peak area above 2200 m).
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Time-series flood hazard map for Mt. Baekdu: Scenario 4 (Pour zone #2 & Collapse of the southeastern-peak area above 2150 m).
시나리오 1의 경우 전체적으로 물이 방사형으로 퍼지지만 남동쪽은 상대적으로 지대가 높고 봉우리가 있어서 홍수 피해가 크지 않은 것으로 나타났다. 유출된 물은 대부분 사면을 따라 흐르면서 계곡이나 강으로 합류하는 것을 확인할 수 있었다. 시나리오 2는 유출된 물이 크게 세 갈래로 갈라지는 것을 확인할 수 있다. 천지 동쪽에서 시작된 흐름은 지형경사를 따라 북동쪽을 거쳐 북북동(방위각 30°) 방향으로 흘러 주로 중국 영토쪽에 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 천지 남동쪽에서 출발한 흐름은 봉우리에 가로막혀 동쪽으로 돌아가거나 남쪽의 강줄기로 합류하는 것으로 분석되었다. 백두산 천지 남동쪽에 위치한 봉우리의 영향으로 북한 영토 방향으로의 흐름은 크게 발달하지 않는 것을 볼 수 있다. 시나리오 3은 백두산 천지 남동쪽의 봉우리를 사전에 붕괴시킨 상황으로 시나리오 2와 비교했을 때 남동쪽 방향으로 일부 흐름이 추가로 생성되는 것을 확인할 수 있다. 이는 천지에서 남동쪽 방향으로 유출이 시작되어 봉우리 방향으로 흐르던 물줄기 중 일부가 봉우리가 붕괴된 지형을 따라 북한 영토 방향으로 유입된 것으로 분석되었다. 시나리오 4의 경우 시나리오 3과 유출수의 확산 패턴은 유사한 형태를 보였으나, 양적인 측면에서 홍수 피해가 더 큰 것으로 확인되었다.
백두산 천지못 유출수에 의한 홍수 피해를 시설물이나 인명 피해 등의 리스크 관점에서 파악하기 위해 연구대상지역에 위치한 마을 및 시설물 총 51개 중 4개 지역( Fig. 9 의 A, B, C, D 지역)을 선정하여 각 시나리오 별로 시간에 따라 마을 지역으로 유입된 누적유량을 분석하였다( Table 3 ). A 지역은 중국 영토로서 백두산 천지 입구로 향하는 등산로 주변에 시설물이 위치한 곳으로 천지 주변 지형 중 비교적 지대가 낮아 전체 방향으로 천지 물이 범람할 경우 가장 먼저 피해를 입을 것으로 판단되는 지역이다. B 지역은 백두산 서쪽 20 km 부근에 위치한 중국 마을이고, C 지역은 백두산 북쪽 15 km 근방에 자리한 중국 영토의 시설물 존재 지역으로 비교적 마을 규모가 크고 백두산 천지와도 비교적 가깝기 때문에 위험도를 파악할 필요성이 있다고 판단되었다. D 지역은 백두산 남동쪽에 위치한 북한 영토의 마을 지역으로 백두산 천지가 범람하여 북한 영토쪽으로 홍수가 발생할 경우 가장 먼저 피해를 입을 것으로 예상되는 지역이기 때문에 대상지역으로 선정되었다.
Time-series accumulated inflow by village area for each scenario.
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Time-series accumulated inflow by village area for each scenario.
백두산 천지못 경계 지반의 전체 방향으로 물이 유출되는 시나리오 1에서는 A, B, C 지역으로 물이 유입되었으며 D 지역으로는 물이 유입되지 않은 것으로 나타났다( Fig. 9 ). A지역은 천지에 인접해 있어 유출 직후부터 물이 유입되어 5시간 경과 후에는 누적유량이 약 3억 톤에 이르는 것으로 분석되었다. B지역과 C지역은 유출이 시작된 지 3시간 경과 후부터 물이 유입되기 시작하였고, 5시간 경과 후에는 각각 약 3.1억 톤, 약 1.7억 톤의 물이 유입되는 등 상당한 홍수 피해가 예상된다. D 지역으로는 천지 남동쪽에 위치한 고도 높은 산봉우리의 영향으로 홍수 피해가 발생하지 않는 것으로 나타났다.
천지못 경계 중 남쪽과 동쪽 지반만 붕괴되었다고 가정한 시나리오 2의 경우에는 B, C 지역으로는 물이 유입된 반면 A, D 지역으로는 물이 유입되지 않았다( Fig. 10 ). 천지에서의 유출량은 시나리오 1과 동일하나 천지남동쪽 방향으로 수계가 집중적으로 형성되었기 때문에 시나리오 1에 비해 B, C 지역으로 유입된 유량이 증가하였다. 분석 결과, 재해 발생 5시간 후 B 지역으로는 약 5.25 억 톤, C 지역으로는 약 2.91억 톤이 유입되었다. 또한, B와 C 지역의 물이 불어나는 속도가 시나리오 1과 비교하여 증가하는 것으로 나타났다.
시나리오 3의 경우, 시나리오 2의 조건에 천지 남동쪽의 산봉우리를 붕괴시킨 경우로써 B, C 지역뿐만 아니라 D 지역으로도 물이 유입되는 것을 확인할 수 있다. B, C 지역으로 유입되는 물의 양은 시나리오 2의 결과와 차이가 없는 것으로 볼 때, Fig. 11 에서 남쪽과 동쪽 방향으로 흐르던 물줄기 중 일부가 남동쪽으로 유입된 것으로 판단된다. D 지역으로는 재해 발생 5시간 후 약 2백만 톤의 물이 유입되는 것으로 나타났다. 시나리오 3에서 B, C 지역은 시나리오 2와 비교하여 큰 차이가 없었으나 북한 영토에 위치한 D 지역은 다른 시나리오와 달리 홍수 피해가 발생할 수 있는 것으로 분석되었다.
시나리오 4는 시나리오 3에서 천지 남동쪽 산봉우리를 조금 더 붕괴시킨 경우로, 시나리오 3의 결과와 유사한 패턴( Fig. 12 )을 보였지만 D 지역(북한 마을)에 유입되는 물의 양은 더 큰 것으로 분석되었다. 즉, 시나리오 3에 비해 D 지역에 미치는 홍수 피해가 더 심할 것으로 예측되었다.
백두산 주변 지역에 위치한 화구 또는 분지 형태를 고려할 수 있는 범람 시뮬레이션의 유용성을 확인해보기 위해 시나리오 3과 같은 조건에서 본 시뮬레이션 대신 해당 지형의 고도를 주변 지형과 같게 해주는 채움연산(Pit removal)을 적용하고 이를 시나리오 3-1로 명명하였다( Fig. 13 ). 그 결과, 동일한 지형조건임에도 불구하고 시나리오 3에 비해서 유출수가 비교적 느리게 흐르고 D 지역 방향으로는 홍수 피해가 발생되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 이는 시계열 수계 모델링 알고리즘이 국부적인 지면 경사에 따라 유속을 결정하기 때문에 평지에 가까운 지형에서는 유속이 매우 느리게 계산되어 발생한 결과인 것으로 판단된다. 범람 시뮬레이션에서는 범람지역의 지형을 분석하여 물이 유출되는 유출구의 경사를 토대로 범람지역의 유속을 계산하기 때문에 기존 방식을 적용한 시나리오 3-1에 비하여 시나리오 3이 실제 범람지역에서의 유출수 거동을 보다 세밀하게 모사한다고 볼 수 있다.
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Time-series flood hazard map for Mt. Baekdu: Scenario 3-1 (Scenario 3 & Pit removal).
결 론
본 연구에서는 백두산 화산재해 대응 및 저감을 위한 기초 연구로서, 백두산 분화 전 천지 지반 거동 또는 균열 발생 시 붕괴 지점에 대한 4가지 경우의 가상 시나리오를 설정하고, 천지못 유출로 인한 주변 지역의 홍수 피해영향범위를 시계열로 예측하였다. 이를 위해 본 연구에서 개발 및 통합된 수계 확산 패턴 모델링 알고리즘이 기존의 GIS 수문분석 알고리즘이 지표토양의 초기저장량이나 오목지형(화구, 카르, 분지 등)을 고려하지 못하는 단점을 보완하고, 백두산 화산의 지형적·물리적·환경적 특성을 고려할 수 있음을 확인할 수 있었다. 화산재해 저감을 위한 보수적인 관점에서 천지에 저장되어 있는 20억톤의 물이 모두 유출된다고 가정하고, 개발된 알고리즘을 백두산 지역에 적용한 결과 각 시나리오 별 유출수의 확산 경로와 패턴, 그리고 홍수 피해 영향범위를 직관적으로 제시할 수 있었다.
천지못 전체 경계 지반이 붕괴되는 경우(시나리오 1) 시설물이 위치한 천지못 인근 지역(A)뿐만 아니라 20 km 이상 떨어진 중국 영토의 마을이나 시설물 존재지역(B, C)에 2천만톤 이상의 홍수가 발생할 수 있는 것으로 분석되었다. 특히, 중국 영토의 B 지역 근처에 위치한 강으로 인해 그 피해가 더 커질 것으로 사료되었다. 천지못 남쪽 경계 지반만 붕괴시킨 시나리오 2의 경우, 북한쪽에 피해가 발생할 것이라는 예상과는 다르게 천지 남동쪽에 위치한 높은 고도의 산봉우리로 인하여 마을이나 시설물이 위치한 북한 영토에는 거의 영향을 주지 않는 것으로 나타난 반면, 백두산의 지형적·환경적 특성으로 인하여 중국 영토(B, C)에는 유출 3시간 경과 후부터 침수 피해가 발생할 것으로 예측되었다. 시나리오 2의 조건에 천지 남동쪽에 위치한 산봉우리를 붕괴시킨 시나리오 3과 4의 경우에는 유출 시작 3시간 경과 후 시점부터 중국 영토(B, C)뿐만 아니라 북한 마을 지역(D)에도 큰 피해가 발생되는 것으로 평가되었다.
본 연구에서는 천지못 유출수의 이동경로와 확산 패턴을 평가할 때 강과 같은 수계지역도 일반적인 지형과 동일하게 경사에 의해 흐름이 정의되고, 유입량에 따라 강의 수위가 변화되는 것으로 간주하였다. 그러나 향후에는 기존에 수계가 형성되어 있는 지역의 수리·수문학적인 특성도 함께 고려하여 홍수 피해영향범위를 예측한다면 보다 현실적인 결과가 얻어질 것으로 판단된다. 또한, 화산재해 저감을 위한 실질적인 방안을 마련하기 위해서 댐 또는 대형 수로와 같은 시설물의 최적 설치 위치와 용량에 대한 향후 연구도 필요할 것으로 사료된다.
본 연구 결과는 백두산 화산재해 발생 시 대피 시나리오 설정 또는 방재용 시설물 입지 및 설계에 대한 정보를 생산하기 위해 천지못 유출수의 확산 및 피해영향 범위를 정량적으로 예측했다는 측면에서 의미를 가지며, 화산재해 대응 체계 구축시 유용한 정보로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 본 연구에서 제안한 GIS 기반의 수계분석 알고리즘은 광범위한 영역에 대하여 지형 및 토지피복 등의 기초자료를 기반으로 물의 양에 따라 침수 또는 범람이 발생하는 지역을 효과적으로 분석할 수 있다. 따라서 현장 특성을 고려하여 입력자료 또는 변수값을 조정한다면 백두산 지역뿐만 아니라 국내외 타 화산지형 또는 광산지역의 수계 확산 모델링이나 홍수 발생 지역 추정시에도 효과적으로 활용될 수 있을 것이다.
Acknowledgements
본 연구는 서울대 통일평화연구원 2012년 통일학·평화학 연구기금의 지원으로 수행되었으며, 또한 논문 작성은 2013년 BK Plus 사업의 지원으로 이루어졌다.
BIO
서장원
서울대학교 에너지자원신기술연구소
151-744 서울특별시 관악구 관악로 1
Tel: 02-880-8283
E-mail: jangwonsuh@hanmail.net
이희욱
서울대학교 공과대학 에너지자원공학과
151-744 서울특별시 관악구 관악로 1
Tel: 02-880-8283
E-mail: hugh086@hanmail.net
김성민
서울대학교 공과대학 에너지자원공학과
151-744 서울특별시 관악구 관악로 1
Tel: 02-880-7229
E-mail: snuhyrule@hanmail.net
박형동
서울대학교 공과대학 에너지자원공학과
151-744 서울특별시 관악구 관악로 1
Tel: 02-880-8808
E-mail: hpark@snu.ac.kr
References
Houghton B. F. , Carey R. J. 2011 Recent volcanic crises in the USA and Europe: some case studies Proc. of International Seminar for Volcano Disaster Management COEX, Seoul October 28 29 - 54
Freeman T.G. 1991 Calculating catchment area with divergent flow based on a regular grid Computers & Geosciences 17 (3) 413 - 422    DOI : 10.1016/0098-3004(91)90048-I
Jain M. K. , Singh V. P. 2005 DEM-based modelling of surface runoff using diffusion wave equation Journal of hydrology 302 107 - 126    DOI : 10.1016/j.jhydrol.2004.06.042
Ji L. , Xu J. , Lin X. , Luan P. 2010 Application of satellite thermal remote sensing in monitoring magmatic activity of Changbaishan Tianchi volcano Chinese Science Bulletin 55 2731 - 2737    DOI : 10.1007/s11434-010-3232-2
Jose F. A. Q. , Ana L. M. D. P. , Jorge L. B. 2007 Volcanic hazards zonation of the Nevado de Toluca Volcano, Central Mexico Natural Hazards 41 159 - 180    DOI : 10.1007/s11069-006-9029-6
Kim H. S. 2011 Mt. Baekdu Volcano Sigma Press Seoul, Korea 412 -
Kim H. W. , Park J. E. 2013 Analysis of Disaster Management Response with respect to Supervolcano Disaster Case Studies Journal of KOSHAM 13 (2) 151 - 156
Kim N. S. 2011 An Analysis on Influence Area by the Simulation over Mt. Baekdu Eruption Journal of The Korean Association of Regional Geographers 17 (3) 348 - 356
Kim S. M. , Choi Y. , Park H. D. , Kim T. H. 2012 Prediction of Mine Leachate Pathway by Considering Divergent Flow of Surface Runoff Journal of The Korean Society for Geosystem Engineering 49 (6) 736 - 745
Kim S. W. , Won J. S. 2005 Radar Measurement of Slow Deformation in the Baekdusan Stratovolcano Korean Journal of Remote Sensing 21 (3) 221 - 228
Kim S. W. , Won J. S. , Kim J. W. , Moon W. M. , Min K. D. 2001 Multi temporal JERS-1 SAR investigation of Mt. Baekdu stratovolcano using differential interferometry Geosciences Journal 5 (4) 301 - 312    DOI : 10.1007/BF02912701
Kin-Yip C. , Yan W. , Gary A. H. 2009 Lg attenuation near the Korean border with China, part 1: model development from regional earthquake sources Bulletin of the Seismological Society of America 99 (5) 3021 - 3029    DOI : 10.1785/0120080316
Lee H. M. , Lee H. W. , Lee S. H. , Yun S. H. 2012 A Study on Characteristic of Air Quality Changes in According to Mt. Baekdu Explosion Proceeding of the Conference on Korean Society for Atmospheric Environment Seoul National University, Seoul May 10-12 113 -
Lee M. W , MS Thesis 2011 The drawing technique study of the Mt. Paekdu volcanic hazards map Kong ju National University MS Thesis 50 -
Lee S. H. , Yun S. H. 2011 Impact of Meteorological Wind Fields Average on Predicting Volcanic Tephra Dispersion of Mt. Baekdu Journal of Korean Earth Science Society 32 (4) 360 - 372    DOI : 10.5467/JKESS.2011.32.4.360
Lee S. S. , Kim H. S. , Lee D. H. 2010 Analysis of Volcanic Ash Dispersion Due to Eruption of Mt. Baek-doo, Essential Research Report of National Disaster Management Institute
Li X. , Li M. , Liu R. 1996 The climate effects of the Changbaishan-Tianchi Volcano eruption Seismological and Geomagnetic Observation and Research (in Chinese with English abstract) 17 12 - 18
Marina B. , Boris B. , Alessandro F. , Marco N. 2009 LiDAR-based digital terrain analysis of an area exposed to the risk of lava flow invasion: the Zafferana Etnea territory, Mt. Etna (Italy) Natural Hazards 50 321 - 334    DOI : 10.1007/s11069-009-9346-7
Moon B. K. , Youn D. , Park R. J. , Yeh S. W. , Kim W. M. , Kim Y. H. , Jeong J. I. , Woo J. H. , Im E. G. , Song C. K. 2011 Meteorological Responses to Mt. Baekdu Volcanic Eruption over East Asia in an Offline Global Climate-Chemistry Model: A Pilot Study Asia-Pacific Journal of Atmospheric Sciences 47 (4) 345 - 351    DOI : 10.1007/s13143-011-0021-z
National Disaster Management Institute 2012 Development of Advancement Method for Supervolcano Disaster Response Technology, Essential Research Report of National Disaster Management Institute 181 -
Park B. C. , Lee J. H. 2011 Current Status of Baekdusan Eruption Countermeasures Proceeding of International Seminar for Volcano Disaster Management COEX, Seoul October 28 1 - 28
Park B. C. , Lee J. H. , Kim H. W. , Kim J. S. , Lim K. H. , Seong J. Y. , Park K. J. 2011 Planning for Countermeasure Technologies for Huge Volcanic Activity, Essential Research Report of National Disaster Management Institute
Philip J. R. 1969 Theory of infiltration Advance of hydrosciences 5 215 - 296
Rawls W. J. , Brakensiek D. L. 1989 Estimation of soil water retention and hydraulic properties, in: Morel-Seytoux (Ed.), Unsaturated Flow in Hydrologic Modelling: Theory and Practice Kluwer Academic Boston 275 - 300
Rawls W. J. , Gish T. J. , Brakensiek D. L. 1991 Estimating soil water retention from soil physical properties and characteristics,in: Setwart, B.A. (Ed.) Advances in Soil Science Springer New York 16 213 - 234
Suh J. W. , Park J. H. , Lee S. H. , Son J. , Park H. D. 2012 Engienering geological study for dealing with volcanic disaster of Mt. Baekdu Proceeding of the 98th Conference of the Korean Society for Geosystems Engineering in Korea Jeju May 3-4 339 -
Wei H. , Liu R. , Li X. 1997 Ignimbrite-forming eruptions from Tianchi Volcano and their climate effect Earth Science Frontiers China University of Geosciences Beijing (in Chinese with English abstract) 4 263 - 266
Wu J. P. , Ming Y. H. , Fang L. , Wang W. 2009 Swave velocity structure beneath Changbaishan volcano inferred from receiver function Earthquake. Science 22 409 - 416    DOI : 10.1007/s11589-009-0409-3
Yi H. , Choi Y. , Park H. D. , Sunwoo C. 2009 Application of modelling of water-level variation and drainage modelling for open-pit mine 2009 Annual Conference on The Korean Society for Geosystem Engineering Hoam Faculty House, Seoul, Korea May 6 109 -
Yun S. H. 2010 The Day of Mt. Baekdu Explosion Haemaji Seoul, Korea 311 -
Yun S. H. , Cui Z. X. 1996 Historical Eruption Records on the Cheonji Caldera Volcano in the Mt. Paektu Journal of Korean Earth Science Society 17 (5) 376 - 382
Yun S. H. , Lee J. H. 2010 past volcanic activity and eruption possibility of Mt. Baekdu, and plan for south korean scholars' participation in Mt. Baekdu studies Proceeding of the 2010 Fall Joint Annual Conference of the Geological Societies in Korea Kyungju October 27-30 14 -
Yun S. H. , Lee J. H. 2012 Analysis of Unrest Signs of Activity at the Baegdusan Volcano Journal of Petrological Society of Korea 21 (1) 1 - 12    DOI : 10.7854/JPSK.2012.21.1.001