서 론

지질공원(geopark)은 지질학적으로 가치가 있는 지질유산을 자발적으로 보전하는 동시에 지역 경제 발전에 기여하는 제도이다(UNESCO, 2024). 기존의 국립공원이나 천연기념물 보호제도와 달리 법적 규제가 없어 재산권 침해 등의 문제가 발생하지 않아 주민 친화적인 제도로 각광받고 있으며, 국내외 지질공원에 대한 관심과 중요성이 점차 확대되고 있다. 그 중 내연산 12폭포는 문동산, 향로봉, 천령산, 문수산 등 높은 봉우리들 사이로 청하골이라 불리는 계곡을 따라 형성되어 있다. 내연산은 폭포를 따라 형성된 폭호와 하식동굴, 폭포 주변의 단애 등 아름다운 지질경관을 관찰할 수 있어(Jang, 2018), 과거부터 이를 인정받아 1993년 경북 8경으로 선정되었으며, 현재는 포항 12경으로 지정되었다. 내연산 내 지질명소는 산악지형에 위치하고 있어 탐방객 이용하는 급경사지 및 절벽 등 산사태 위험에 노출될 가능성이 높다. 하지만 지질공원에 선행연구는 지질공원 개발 및 활용에 집중되어 있으며(Jeon et al., 2016; Ju and Woo, 2016), 지질공원의 탐방로 관리체계 수립 및 산사태 위험도 평가에 대한 연구는 미미한 실정이다(Kwon, 2011).

산사태는 암석이나 흙 등 사면 물질이 중력에 의해 급격히 이동하는 현상을 의미하며(Varnes, 1978), 주로 호우, 풍화, 지진, 인간활동 등 다양한 요인에 의해 발생한다. 산사태는 운동형태에 따라 낙하(fall), 토플링(topple), 미끄러짐(slide), 측면 퍼짐(lateral spread), 흐름(flow) 등으로 구분되며, 이들 중 두 가지 이상의 형태가 복합적으로 발생하는 경우, 복합산사태라 한다(Cruden and Varnes, 1996). 지질공원의 탐방로는 주로 토석류 산사태로 인해 매년 인명 및 재산 피해가 반복적으로 발생한다. 이러한 피해를 최소화시키기 위해서는 토석류의 발생지점을 예측하고 흐름경로 및 확산범위를 예측하는 것이 중요하다(Song and Lee, 2023).

토석류의 확산범위를 예측하기 위한 방법은 경험-통계적 방법, 수치모델, 흐름라우팅(flow routing) 기법 등이 있다(Hürlimann et al., 2008). 먼저 경험-통계적 모델은 과거 산사태 자료를 기반으로 인자 간의 상관관계를 분석하여 토석류 확산범위를 추정하는 방식이다. 산사태의 초기부피와 도달각의 상관관계(Corominas, 1996; Rickenmann, 1999)나 초기부피와 퇴적면적 간의 상관관계(Rickenmann, 1999; Rickenmann and Scheidl, 2013)를 활용하여 토석류의 이동거리나 확산거리를 산정한다. 경험-통계적 모델은 필요한 입력자료와 모델 구조가 상대적으로 단순하여 적용이 용이하다는 장점이 있으나(Komu et al., 2023), 국지적인 지형특성을 반영하기 어려워 예측 정확도가 떨어질 수 있다는 한계가 있다. 반면에 수치모델은 연속체 역학 기반의 물리 모델을 기반으로 시공간적 변화에 따른 유속, 유량, 확산범위 등을 산정하는 방법으로 모델의 정확도가 높다는 장점이 있으나, 모델에 필요한 매개변수가 복잡하고 현장조사 및 실내시험이 필요하기 때문에 광역적인 지역에 적용하기 어렵다는 한계가 있다(Jackson et al., 1989).

흐름 라우팅 기법은 디지털 고도 모델(digital elevation model, DEM)을 활용하여 흐름방향 알고리즘을 통해 토석류 이동 경로 및 확산범위를 산정하는 방식으로 광역적인 지역에 적용이 가능하다는 장점이 있다. 또한 경험적 모델과 달리 경사도를 인자로 활용하여 확산범위를 예측하기 때문에 상대적으로 국지적 지형특성을 반영할 수 있다(Hürlimann et al., 2008). 또한 우리나라 전역에 DEM 자료가 이미 구축되어 있기 때문에 상대적으로 비용이 많이 소요되는 현장 조사 및 실내 시험 없이 모델을 적용할 수 있기 때문에 산악형 지질공원 내의 토석류 위험 지역을 선정하고 탐방로에 대한 보강 및 대피로 설정을 사전에 결정하는데 자료로 활용할 수 있다 따라서 본 연구에서는 simple flow direction과 몬테카를로 랜덤워크를 결합한 dfwalk 모델(Gamma, 1999)을 Hürlimann et al.(2008)에서 단순화시킨 모델을 적용하여 내연산 12폭포의 탐방로에 대한 토석류 확산범위를 예측하고자 한다.

연구지역

연구지역인 내연산은 해발고도가 약 710 m에 달하며, 14 km 길이의 청하골 계곡을 따라 상생폭포, 보현폭포, 삼보폭포, 잠룡폭포, 무풍폭포, 관음폭포, 연산폭포, 은폭포, 복호 1‧ 2폭포, 실폭포, 시명폭포와 같은 다양한 형태의 12개의 폭포가 연속적으로 발달해 있다(Fig. 1). 내연산은 아직 산사태 피해 사례가 보고된 바는 없으나, 산림청 산사태 위험지도를 살펴보면 청하골 계곡 주변부에 산사태 고위험군이 다수 분포하고 있어 산사태 발생 가능성이 높을 것으로 나타난다.

Fig. 1.

Map of the study area: (a) location of study areas, (b) Digital Elevation Model (DEM) and the location of 12 Waterfalls in Naeyeonsan.

내연산의 지질은 크게 쥐라기 화강암, 경상누층군의 퇴적암과 화산암, 제3기층이 분포하며, 구체적으로 쥐라기 화강암의 위를 경상누층군 하양층군, 기송동층에 해당하는 퇴적암이 피복하고 있다(Fig. 2). 유천층군의 안산암질 화산암류가 쥐라기 화강암과 백악기 퇴적암을 관입하고 피복하고 있는 양상을 보여주며, 최상부에는 내연산 응회암이 피복하고 있다. 중생대 백악기 말에 형성된 내연산 응회암으로 보경사에서부터 하옥계곡까지 넓은 지역에서 나타난다. 내연산 응회암은 용결 응회암에 해당하는데, 용결 응회암이란 화산재와 부석 등의 화산쇄설물들이 퇴적되면서 높은 온도와 압력에 의해 서로 용결되고 밀착되어 생성된 화산쇄설암이다. 또한 내연산 일대에는 다양한 방향의 절리들이 발달하고 있는데, 이 중 수직 절리는 선일대, 신선대, 관음대, 영월대와 같은 수직으로 형성된 암석사면인 단애의 형태로 나타난다. 수직절리와 수평절리가 교차하는 곳에서 암석들이 쉽게 파괴되고, 파괴된 부분을 따라 물이 흐르면서 침식작용이 활발해져 폭호가 형성되었다. 폭포에서 낙하한 물에 의해 폭포아래의 암반이 깊게 파여 형성된 폭호는 내연산 12폭포에서 공통적으로 타나나는 침식구조이다. 또한 제6폭포인 관음폭포 뒤쪽에는 하식동굴인 관음굴이 형성되어 있는데, 이는 절리면을 따라 물이 공급되어 형성된 것으로 독특한 형태를 가지고 있다.

Fig. 2.

Geological map of Naeyeonsan.

연구방법

Random Walk Model

토석류 피해예측 모델은 최근 컴퓨터의 성능향상으로 인해 유동 및 퇴적 메커니즘을 기본으로 하는 물리모델에 대한 연구가 다양하게 이루어지고 있다. 그러나 물리모델은 유동물질의 마찰계수, 속도 등 추정하기 어려운 매개변수를 필요로 하여 불확실성이 증가하고 이로 인해 예측 결과에 대한 정확성이 기대에 미치지 못하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 계산방법이 간단하고 토석류의 유동 및 퇴적특성을 경사도로 단순화한 Random Walk Model(RWM)을 적용하였다. 본 연구모델은 Hürlimann et al.(2008)이 Gamma(1999)가 제안한 dfwalk 모델을 단순화시킨 버전을 사용하였다.

토석류 초기 부피

토석류의 피해범위는 토사가 붕괴가 시작되는 위치야 초기 토사량을 어떻게 설정하는 가에 따라 크게 달라질 수 있다. 본 연구에서는 산림청에서 제공하는 산사태 위험지도를 바탕으로 붕괴 위험도가 가장 높은 1등급 구역을 우선적으로 고려하여 토석류 시작지점으로 설정하였다. 토심은 고도와 선형적 반비례 관계를 보이는 Z-model를 적용하여 산정하였다. 이때 고도가 높을수록 침식이 우세하여 토층이 얇아지고 고도가 낮을수록 퇴적이 우세하여 토층이 두꺼워진다고 가정하였다(Saulnier et al., 1997).

여기서, dmax는 연구지역의 최대 토심을 의미하고 dmin은 최소 토심을 의미한다. zmax는 연구지역의 최대 고도, zmin은 최소 고도를 나타내고 zi는 사용자가 토심을 추정하고 싶은 지점의 고도를 의미한다. 식 (1)을 통해 토심을 산출한 후 예상 붕괴 토사량은 1등급 구역의 면적에 산정된 토심을 곱하여 도출하였다.

토사의 이동

토사의 이동은 중심점인 P(0)에서 인접한 P(1)~P(8) 방향 중 하나의 방향으로 이동하게 되며, 어느 하나의 방향으로 이동할 확률은 그 방향의 경사에 비례한다(Fig. 3a). 이때 토사는 고도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동할 수 없기 때문에 P(0)보다 높은 값을 갖는 셀은 0으로 간주한다(Fig. 3b). 토사의 이동확률은 Gamma(1999)가 제시한 개념을 간단하게 변형한 식 (2)를 통해 계산하며, 식 (2)는 다음과 같다.

여기서, θi는 중심 셀에서 인접한 셀 i를 향하는 경사각이며, 셀 i의 이동확률은 해당 셀의 tan값과 셀 i에 인접한 모든 tan값의 합의 비로 정의된다. 하지만 실제 유체는 이전 이동방향을 선호하는 관성력을 가지므로 이를 고려해야 한다. 따라서 이동 후 동일한 방향에 대해 작용하는 관성력 In를 이동확률에 가중치로 부여해야 하며(Fig. 3c), 이 값은 dfwalk 모델과 동일한 값인 1.5로 설정한다. 이후 이동 확률의 총합이 1이 되도록 정규화 시킨다.

Fig. 3.

Method for calculating the probability of the movement of debris flow (The red arrow indicates that inertia weighting is applied in this direction, whereas the blue arrow indicates that inertia weighting is not applied).

최종적으로 토사의 이동은 정규화된 이동확률을 계산한 후 균등 난수 rn을 이용하여 이동 방향을 결정한다. 토사의 이동은 다음과 같은 식 (3)에 의해 결정된다.

여기서, Si은 i번째까지의 누적확률을 의미하며, 다음과 같은 식 (4)로 정의된다.

토사의 정지조건

단순화된 dfwalk 모델에는 정지조건이 없기 때문에 본 연구에서는 토사의 정지조건은 토석류의 총 이동거리를 설정하고 그에 도달하거나 임의의 셀에서 인접한 셀의 경사보다 낮거나 동일한 지점에서 정지 및 퇴적된다고 가정한다. 토석류의 총 이동거리는 Corominas(1996)가 제안한 회귀분석식을 이용하여 산정한다. 해당모델은 초기 붕괴토사량과 산사태 발생지점의 고도 및 수평거리의 비를 토대로 총 이동거리를 예측하기 때문에 지형과 기하학적 특성만을 이용하여 쉽고 간단하다는 장점이 있다(Fig. 4). Corominas(1996)의 회귀분석식 (5)는 다음과 같다.

여기서, H는 산사태 발생지점의 고도, L은 산사태 발생지점과 퇴적지점의 수평거리이며, V는 초기 붕괴토사량을 의미한다.

Fig. 4.

Schematic of debris flow travel distance using the reach angle.

토사의 피해범위 산정

토석류의 피해범위는 식 (2), (3), (4)를 반복하여 이동할 경로를 도출하고, 이후 n번 반복하여 토석류의 이동 궤적을 중첩시킨다. 각 셀의 토석류 통과확률 Pxy는 중첩된 이동 궤적이 통과하는 횟수에 영향을 받으며, 이를 토석류의 도달확률로 간주할 수 있다. 통과확률 Pxy는 식 (6)과 같이 계산할 수 있다(Hürlimann et al., 2008).

여기서, nafect는 토석류 이동 궤적이 통과하는 횟수를 의미하며, niter는 반복 횟수를 의미한다. 본 연구에서는 niter를 총 10,000번 반복하여 토석류 피해범위를 산정하였다.

적용 및 결과

본 연구에서는 내연산 12폭포 일대의 토석류 취약지역을 파악하기 위해 랜덤워크 모델을 적용하였다 랜덤워크 모델을 적용하기 위해서는 먼저 디지털표고모델(DEM), 초기 토사부피 등의 기초 입력자료가 필요하다. DEM은 국토지리정보원(https://map.ngii.go.kr)에서 제공하는 5 m × 5 m 해상도의 수치지형도의 등고선을 10 m × 10 m 해상도로 TIN(triangulated irregular network) 보간하여 사용하였다. 초기 토사부피는 산림청(https://map.forest.go.kr/forest)에서 제공하는 2024년 산사태 위험지도의 위험등급 1등급을 활용하였다. 내연산 12폭포를 중심으로 반경 200 m 이내에서 위험등급이 1등급인 폴리곤을 추출한 후, 폴리곤의 면적에 Z-model로 도출된 토심을 곱하여 초기 토사부피를 산정하였다(Table 1). 이후 산사태 위험지도에서 선정된 토석류 시작지점을 기준으로 랜덤워크를 10,000회 반복 수행하여 내연산 12폭포 일대의 토석류 취약지역을 분석하였다.

시명폭포

시명폭포는 내연산 12폭포 중 마지막 폭포로, 협곡사이에 위치하고 있어 양 사면의 산사태 위험에 노출되어 있다. 폭포를 기준으로 북쪽사면과 남쪽사면의 산사태 고위험군을 랜덤워크 모델로 분석한 결과, 북쪽사면은 토석류 발생시 약 1.6 ha의 피해범위가 발생할 것으로 예측되며, 탐방로 약 135 m가 피해를 입을 것으로 예측된다(Fig. 5a). 남쪽사면은 토석류 발생시 약 3.3 ha의 범위가 피해를 입을 것으로 예측되며(Fig. 5b), 피해범위 내 시명폭포가 속해 있어 추가적인 방재대책이 필요할 것으로 사료된다.

Fig. 5.

Random walk model simulation results for Simyeong waterfall: (a) slope north of the waterfall and (b) slope south of the waterfall.

실폭포

실폭포는 30여 개의 벼랑에서 가느다란 실타래가 풀어지듯이 가느다란 실 같은 폭포 형태를 띤다는 데에서 이름이 유래되었다. 이 폭포는 능선사이 계곡의 하류부에 위치하며, 상류 쪽 능선으로부터 200 m 내에 산사태 고위험군이 분포하고 있으며, 해당지점을 랜덤워크 모델로 분석한 결과, 피해범위는 약 1.87 ha가 발생할 것으로 추정된다(Fig. 6). 실폭포를 통과할 확률은 0.001으로 낮은 확률을 보이지만, 이는 랜덤워크 모델에서 토석류가 다른 경로로 이동하는 비중이 높다는 의미일 뿐, 실폭포가 토석류의 예상피해범위 내 있기 때문에 토석류의 피해를 유의해야 한다.

Fig. 6.

Random walk model simulation results for Sill waterfall.

복호 1폭포와 복호 2폭포

복호폭포의 이름의 유래는 과거 폭포주변에 호랑이가 자주 출몰하여, 바위 위에 엎드려 쉬고 있는다는 데서 유래되었다. 복호폭포는 계곡의 하류부 폭포를 복호 1폭포로, 상류부 폭포를 복호 2폭포로 나눠진다. 복호 1폭포의 경우에는 약 3.47 ha 범위의 피해가 예측되며, 인근 탐방로는 약 243 m 구간이 토석류에 취약할 것으로 예측된다(Fig. 7a). 복호 2폭포는 산사태 위험지도 상 고위험군 구역과 불과 50 m 내외로 인접해 있으며, 예상범위는 약 0.8 ha로 추정된다(Fig. 7b). 복호 2폭포는 폭포의 상부의 발생부는 사면 능선에 위치하며, 주변에 골짜기가 발달해 있지 않아, 사면형 산사태로 발생할 가능성이 높을 것으로 사료된다.

Fig. 7.

Random walk model simulation results for (a) Bokho 1 waterfall and (b) Bokho 2 waterfall.

은폭포, 무풍폭포, 관음폭포, 보현폭포

은폭포 경우 토석류 예상 피해범위는 약 3.87 ha에 달하며, 은폭포와 인접 탐방로는 204 m 구간이 토석류에 취약할 것으로 예측된다(Fig. 8a). 무풍폭포와 관음폭포는 산사태 위험 지도의 고위험군 내에 위치해 있으며, 탐방로의 약 72 m 구간이 고위험군에 속해 있다(Fig. 8b). 보현폭포는 1.5 ha의 피해범위가 예측되며, 인근 탐방로의 23 m 구간이 토석류에 취약할 것으로 예측된다(Fig. 8c).

Fig. 8.

Random walk model simulation results for (a) Eun waterfall; (b) Mupung and Gwaneum waterfalls; and (c) Bohyeon waterfall.

피해를 입지 않은 지역

연산폭포는 폭포주변에 산사태 고위험군이 존재하지 않아 산사태 취약성이 매우 낮고(Fig. 9a), 잠룡폭포와 상생폭포는 토석류의 피해범위 밖에 있어 직접적인 영향을 받지 않을 것으로 예측된다(Fig. 9b and c). 하지만 삼보폭포는 토석류가 폭포에 직접적인 영향을 주지 않지만 그 인근 탐방로의 약 64 m 구간이 토석류로 인한 피해를 입을 것으로 판단된다.

Fig. 9.

Random walk model simulation results for (a) Yeonsan waterfall; (b) Jamryong and Sambo waterfalls; and (c) Sangsaeng waterfall.

시명폭포, 실폭포, 복호 1폭포, 복호 2폭포, 은폭포는 비교적 넓은 범위의 토석류 피해가 발생할 것으로 예측되며, 특히 폭포 인근 탐방로 또한 72 m에서 260 m 구간이 위험한 것으로 나타났다. Table 1을 살펴보면, 탐방로의 총 취약구간은 내연산 2코스 탐방로 전체 길이인 8.5 km의 약 10%로 나타났다. 반면 연산 폭포, 보현폭포, 상생폭포는 산사태 위험지도의 고위험군의 분포가 없거나 랜덤워크 분설 결과 토석류의 영향을 거의 받지 않아 상대적으로 안전한 지역으로 평가된다. 이러한 결과는 내연산 12폭포의 폭포별 토석류의 피해범위와 탐방로의 취약구간을 파악할 수 있기 때문에 토석류로 인한 피해양상이 큰 구역은 우선적으로 방재대책 보강이 필요할 것으로 사료된다.

결 론

본 연구에서는 Hürlimann et al.(2008)이 제안한 단순화시킨 dfwalk 모델을 적용하여 경북 동해안 지질공원 내 위치한 내연산 12폭포 탐방로를 대상으로 토석류의 확산범위를 예측하였다. 토석류의 초기 부피는 산림청에서 제공하는 산사태 위험지도에서 1등급 구역의 면적과 Z-model로 산출된 토심의 곱으로 추정하였으며, 이후 simple flow routing 알고리즘과 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 토석류의 이동경로와 확산거리를 예측하였다.

연구결과, 내연산 12폭포의 8~12폭포는 상대적으로 토석류에 의한 피해범위가 넓게 나타났으며, 인근 탐방로 또한 최소 72~260 m 구간이 위험구간으로 예측되었다. 반면 1~7폭포는 산사태 위험지도의 고위험군이 분포하지 않거나 토석류 피해 범위에 거의 포함되지 않아 상대적으로 취약성이 낮은 것으로 나타난다. 이러한 결과는 향후 지질공원 내 위험구간을 사전에 식별하여 방재 대책 수립 및 탐방로 관리 체계 수립을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.