1. 서 론

 

홍수예방 시스템은 미국 공공시설물의 가장 중요한 분야이다. 점점 그 수가 증가하고 있는 미국의 하전 연안의 도시들 대부분은 토사제방으로서 홍수예방을 의존하고 있다. 현재 토사제방은 침투수, 열화 및 지진에 의한 불안정 등에 의한 다양한 파손위험에 노출되어 있다. 최근 발생한 허리케인 카트리나와 같은 자연재해들은 이러한 노후되고 열화된 홍수 방지시설에 대해 업그레이드 및 유지관리 필요성을 높이고 있는 상황이다. 더욱이, 미국 토목엔지니어 협회(ASCE) 에서는 최근 2009년도 미국 기반시설 상태 보고서를 발표하였는데, 여기서 제방구조물은 다른 모든 구조물 형식에 비해 가장 낮은 등급인 D- 를 부여하였다.

 

홍수예방 시스템의 취약성을 분석하는데 가장 어려운 점 중 하나는 이 시스템들은 대단히 복잡하고, 타 분야와의 상호연결성이 크며, 어떤 측면에서는 엄격하고 일관된 접근방법이 필요한 다양한 요소에 대해 체계적인 검토가 필요한 즉, 엔지니어의 기술력에 상당히 의존한다는 점이다. 이 제방시스템의 한 부분의 파괴는 전체 시스템의 파괴와 같은 의미를 갖는다. 그러나 비록 제방의 연장이 대단히 길고 이들이 다양한 지형적일 공정과 장시간에 걸친 인력작업에 의해 건설되었더라도 토양의 특성과 관련된 정보들은 제한된 지점에 대해서만 획득되었기 때문에 평면적인 위치와 깉이에 따라 대단히 다른 결과를 보일 수 있다. 그러므로 관련 토양의 정보를 얻을 수 없는 위치의 제방 거동의 예측은 제방시스템의 위험도 분석에서 대단히 제한적일 수 밖 에 없다. 특히 지진활동이 중요시 되는 지역에서는 제방거동 및 동적거동에 대한 불확실성이 주요 관심요소가 된다. 이러한 응답특성은 제방의 지형적인 위치, 제방의 조성재료 및 기초지질은 물론이며 지진활동 자체에도 영향을 받게 된다.

 

본 연구보고서는 제방 시스템의 위험도 분석 방법에 대해 소개하도록 한다. 강변지형과 삼각주지형 환경에 대한 해석을 위해 재방 조성재료 및 하부 기초에 대한 토질 다양성에 대한 지형통계학적 모델을 제시한다. 지형정보시스템(GIS)을 해석 플랫폼으로 적용하여 지형정보의 조작간편성 및 조회능력, 공간적 연계성과 해석기능, 집적화된 데이터베이스 및 첨단의 해석결과 도출기능 등을 활용하도록 하였다.

 

본 연구는 물론 제방사업에 GIS를 직접적으로 적용하는 방법은 GIS를 토양 조사위치, 데이터 및 유지관리 기록들에 대한 데이터 베이스로 활용하는 것과 홍수지역의 매핑과 시물레이션 등에 국한된다. 해석 도구로서 GIS 는 해당 지역에서의 홍수 예상지역을 식별하는 홍수평면 관리업무를 지원하고 홍수저감 대책 및 관리 실행계획을 보조하게 된다. 야마구치 등은 (2007) GIS 기반의 홍수 시뮬레이션 소프트웨어를 개발하여 하상 제방의 천반부의 중첩도만을 적용하여 인근지역의 홍수평면의 대한 위험도 분석이 가능하도록 하였는데 이때 제방의 지형적 파괴에 대한 모델링은 고려하지 않고 있다. “Spatial Decision Support System to Optimize Inspection, Maintenance, and Operations of River Levees" 는 Serra 등 (2006) 에 의해 개발되어 프랑스의 일부 제방에 적용되었다. 입력 데이터는 현장 조사결과 카드를 사용하며 여기에는 제방측면부 내의 식물 뿌리, 침식면, 제방을 관통하는 파이프, 제체 내의 식물뿌리, 잠재적인 지하수 침투 등이 포함된다.

 

지역 안보 및 긴급재난 처리국(FEMA)는 홍수, 태풍 및 지진으로 인한 잠재적 손실을 분석하는 위험분석 방법인 HAZUS-MH를 개발하였다. 그러나 이 HAZUS-MH 의 홍수 시나리오는 제방 높이기 또는 하천수위 변동에 대한 결과를 반영하며 따라서 지진으로 유발되는 파괴로 인한 잠재적 홍수피해는 반영하지 못하고 있다.

 

2. 지반특성의 다양성과 불확실성

 

토사와 암반은 원래의 상태로 보면 공학에서 가장 변동성이 높은 물질이다. 지반특성의 변동성은 지역별 및 지층별 나타나는 차이점 뿐 만 아니라 한 지점에서도 수직적 지층분포에 대한 3차원 문제점이 존재하는 점과 더불어서 특정 지층에서의 평면적인 변동성도 가지고 있는 등의 다양한 변동성을 가지고 있다. 한 없이 많은 지점에 대해 원하는 만큼 지반조사를 수행할 수는 없기 때문에 지반 공학자들은 대단히 제한적인 지질조사 데이터를 이용하여 이들을 분석하는데 대부분의 시간을 사용하게 된다. 이러한 제한된 설계 자료를 다루는 재래적인 방법은 안전율을 토질 특성치와 결합하여 적용하는 것이다. 그러나 현장의 다양한 위치에서 추출된 유사한 토질 데이터는 충분히 만족할 만큼의 정확도를 가진 지층곡선을 나타내기도 한다. 토질 변수 특성치의 정확도는 (a) 추출된 표본의 신뢰도, (b) 조사를 수행하지 않은 지역의 특성 가정치의 정확도에 의해 결정된다. 측정된 토질 표본의 신뢰도는 사용된 장치, 적용한 시험방법 및 추출한 표본의 수에 의해 결정된다. 미 조사된 지역의 추정치는 공간적 분포특성과 기지의 데이터들 간의 상호연관성을 고려하는 크리깅 기법을 사용하여 추정하며 사용가능한 특성들에 기초하며 이들의 경향을 수립하게 된다. 이들은 지질 해석도구로서 확장 소프트웨어인 ArcGIS를 사용하여 얻어낼 수 있다.

 

3. 목적

 

본 연구보고서는 토층의 공간적인 변동성을 감안하고 개선된 사면안정 및 액상화 평가 모델, 특히 토사제방에 최적화된 모델을 포함하고 있는 GIS 기반의 전산해석 플랫폼을 개발하여 토사 제방시스템의 단일화 된 위험도 평가 시스템을 위한 접근방법을 제시한다. 본 연구의 가장 기본적인 가정은 제방 및 기초재료에 대한 토질특성치의 간략화 및 파손확률의 결정에 대한 간소화 이다. 이러한 간소화 및 가정들에도 불구하고 본 시험연구는 제안하는 방법의 상세한 적용예로서의 역할을 충실히 수행하고 있다.

 

캘리포니아의 홍수예방 시스템의 지진재해 노출가능성은 이 지역이 특히 이러한 두 가지 파손에 대한 시험연구를 진행하기에 최적의 조건을 구비하였다. 이러한 시험연구에 선택된 지역은 북 캘리포니아를 둘러싸고 있으면서 해당 지역을 보호하고 있는 제방시스템으로 선정하였다. 이 지역은 북부 캘리포니아의 가장 인구밀도가 높은 지역이면서 미국 전체의 연간 재해위험도의 25% 이상(FEMA 2008)을 나타내는 지역이다.

 

4. 데이터 수집 및 제방 구성요소의 정의

 

토사제방의 응답분석과 보호지역의 위험도를 평가하는데 필요한 입력 데이터는 다음과 같은 3가지 주요 부분으로 나뉜다: (1) 지정된 위치에서의 토질 특성, (2) 지진강도 측정치, (3) 조사지역의 특성(기저 지층특성, 하천의 굴곡도 및 이동특성)

본 연구에 사용되는 데이터는 다양한 출처로부터 획득되었는데, (1) 지표 토양, 고도, 지표수, 인구조사 수치 등에 대한 국가 데이터베이스, (2) 시 경계 및 기반시설에 대한 지역 자료, (3) 지질토양 조사보고서, (4) USGS 국립 지진재해 지도 등 이다.

제방 시스템은 토사로 구성된 일련의 둑과 이에 따르는 보호대상 구역으로 정의할 수 있다. 이 시스템은 지형적 위치와 특정한 성질을 나타내는 다수의 노드와 지점을 가지고 있으며, 특별한 성질을 가지고 있는 끝점, 교차점, 중간점, 데이터점 등이 있다. 더 나아가서 이 제방 시스템은 해석 목적으로 인하여 2개의 연속적인 점 사이에 조성된 제방으로 정의되는 분절로 나누어지게 된다. 제안된 점(Node)분류체계와 제방 분절에 대한 일반적인 개념은 <그림 1> 에 나타낸 것과 같다.

 

데이터 처리는 ArcGIS 플랫폼 기능들과 모델빌더에 탑재된 기능들을 이용하여 수행된다. 이러한 기능에는 수해 해당지역의 수작업으로 수행된 지형의 스켄이미지 지도를 전산화 하는 작업과 지반조사 위치의 전산화 및 지반조사 보고서의 다양한 시추주상도와 지층단면도로부터 얻은 제방의 토질 특성치의 전산화 그리고 최종적으로 조감도와 기타 자료를 이용하여 가장 높은 지역을 연결한 제방의 지형형상을 결정하는 작업으로 구성된다(그림 2).

 

< 그림 1. 제안된 노드 분류체계 및 제방 분할 개념도 >

 

5. 지질학적 변수에 대한 지형공간 모델링

 

지질통계적 공간 변동성 모델을 개발하는데 있어서 제방 및 하부 기초 토질특성의 공간적 변동성에 대한 발생 가능한 연관성 확인을 위해 여러 가지 요소들이 검토되어야 한다. 자연적으로 발생된 제방과 같은 기형형상의 연구 및 지형조성의 역사와 이러한 형상을 조성하게 한 동적 작용 등에 대한 연구를 수행하는 것을 지형학이라고 한다. 예를 들어 이러한 관점에서 토사의 액상화는 무작위적으로 발생하지 않으며 지질학적 특성과 수리적 특성이 어떤 한정된 영역에 존재하는 제한된 지역에서 발생하고, 대부분의 액상화 현상은 1500년전 이후에 조성된 퇴적층 및 부적절하게 성토된 지역에서 주로 발생한다. 더욱이, 자연적인 제방조성 및 동적작용은 상대적으로 하천 지형학의 연구대상으로 다루어지지 못하였다. 그럼으로 인하여 침전물의 형식과 이들이 어디에 침전되는지를 결정하는데 하천지형학적 복잡성에 대해서 연구하는 것이 대단히 중요하며, Helley 등 (1985) 의 연구자료로 부터 얻을 수 있는 정보들이 제방시스템 인근지역의 적절한 퇴적수준을 결정하는데 사용되고 있다.

더욱이, 상대적으로 직선선형의 하천 단면은 그 침전물의 특성치들에 대한 변동성이 크지 않은 반면에 곡선선형의 하천단면의 경우 침전물의 특성치의 변동성이 대단히 커서 인근 제방에 추가적인 침전물의 발생가능성을 높이고 있다. 이러한 만곡부의 비율 또는 만곡지수(SI) 는 하천의 선형이 얼마나 곡선으로 형성되었는지를 정량적으로 나타내게 되는데, 이는 하천길이의 가장 짧은 연장선으로부터 각 변동치를 측정하여 나타낸다. 굴곡이 심한 하천은 횡 방향에 대한 변동으로 인하여 제방은 이론적으로는 하천과 상당히 이격이 될 수 밖 에 없다. 그러나 언제나 이런 것은 아니며 특히 공간이 부족한 도심지 에서는 제방의 건설을 이러한 하천변을 따라서 건설하기도 한다. 따라서 제방 해석시 이러한 하천의 만곡을 해석에 반영하기 위하여 이렇게 만곡이 심한 하천변에 위치한 제방을 확인하는 작업이 대단히 중요하다.

 

< 그림 2. ArcGIS 소프트웨어에 나타난 제방과 지반조사 위치 >

 

제방 시스템은 제방 형성재료와 하부에 위치한 지형 간의 공간적인 연관성에 기초하여 분할할 수 있다. 하천의 만곡률 또한 향후에는 반영할 계획이다. 최종 분할된 제방에 대한 토질 특성치의 추정은 Ordinary 크리깅 기법을 사용하여 추정하는데, 여기서 u 지점에 대한 확정 파라메타에 대해 Z* 의 추정치는 다음과 같이 계산 된다:

 

Z*(u) = m(u) = ∑ λα(u)[Z(uα)-m(uα)]

 

여기서, m(u)는 파라메터에 대한 추정 평균치이고, α는 파라메터 값을 알고 있는 위치의 수이며, Z(uα) 는 알고 있는 위치의 파라메타 수치, m(uα) 는 기지의 파라메터 수치의 평균치, 그리고 λα(u)는 에러 변수를 최소화하기 위한 σE2 = Variance[Z*(u) - Z(u)] 의 선형방정식 시스템을 해석하여 얻어지는 가중치를 나타낸다. 제방 기초의 점토질에 대한 전단강도의 추정치를 크리깅 기법을 적용하여 결과를 도출한 것이 <그림 3> 에 나타나 있다.

 

< 그림 3. 크리깅 기법을 이용한 제방기초 점토질에 대한 전단강도의 추정치>

 

6. 제방 구조의 응답분석

 

앞에서도 언급하였듯이, 제방의 파손형태 중 2가지의 치명적인 파괴모드를 본 연구에서 다루고 있는데: 과도한 침투수로 인한 파괴와 제방제체 또는 제방기초의 액상화로 인한 파괴 이다. 제방과 기초는 공간적 연결부를 통하여 결합되어 있다(그림 4). 본 단계에서의 연구의 단순화를 위해 제방 물성치는 단일 층(모래 또는 점토)으로 구성되어 있는 것으로 가정하고 하부의 지형지도는 기초 층으로 사용하고 마찬가지로 기본적인 특성을 가지고 있다고 가정한다(모래 또는 점토).

하부 침투수는 제방 제체 및 제방 기초에서 발생되는 제방파괴의 가장 전형적인 원인이다. 조밀하거나 느슨하거나 모래는 점토에 비해 투수성이 대단히 높으며, 따라서 이러한 형태의 파괴에 노출되기 쉽다. 더욱이, 제방기초가 깊은 모래층으로 조성되어 있을 경우 수리경사가 높아져서 제방자체가 모래로 구성되어 있는 경우 보다 훨씬 더 침투수에 의해 손상을 받기 쉽게 되어 있다.

지진 발생시, 토사 액상화에 의한 제방여유고의 유실에 대한 해석은 (1) 여러 가지의 대상 제방의 일반단면으로 각 제방 위치의 특성화, (2) 각 위치별 제방 및 제방기초에 대한 토질정수 및 지형 특성치를 입력, (3) 제방 단면에 대한 액상화를 유발할 가능성의 측정을 위한 응력 순환비 (CSR) 의 분포를 계산 하는 등의 사전에 정립된 제방의 일반단면에 대한 해석에 의존하게 된다.

 

< 그림 4. 대상 지역의 제방 및 제방 기초의 토질 분류 >

 

개략 파괴확률 추정개념은 이러한 1계(First Order) 해석에 사용된다. 각 토질 지층구성에 대해 이 경우 제방 토질 및 제방기초 토질은 과도한 침투수 또는 액상화로 인한 파괴 가능성을 정량적으로 측정되게 된다. 해석의 결과는 <그림 5> 에 나타나 있으며, 초기 해석지도에 사용된 파괴개념은 <표 1> 에 정리되어 있다.

 

< 표 1. 침투수 및 액상화로 인한 개략 파괴개념 >

 

 

< 그림 5. 침투수 및 액상화로 인한 파괴해석 결과 >

 

 

 

7. 홍수 시나리오, 재난 예측 및 위험시스템 평가

 

그 다음 절차는 전체 제방 세그먼트에 대한 가능한 홍수시나리오의 모델링과 과도한 침투수 및 액상화로 인하여 각 세그먼트에 발생 가능한 파손 정도에 대해 색체를 사용하여 표시해 주는 작업으로 구성되어 있다. 이러한 작업은 10m X 10m 정밀도의 전산 지형모델 데이터를 해석하여 얻은 유출패턴과 지형경사를 이용하여 수행할 수 있다. 이 작업은 모델구성 환경 하에서 ArcGIS 소프트웨어를 이용하여 수행할 수 있다. 이 소프트웨어는 저 고도 지역의 특정 위치에 대해 흘러 들어오는 모든 지역에 대한 영향면적을 계산해 낼 수 있다. 제방은 인근 지역에 비하여 고도가 높고, 지표수가 흐르는 지역을 찾아내는 것이 목표가 되기 때문에, 이 디지털 고도 모델을 반전시켜 파괴가 발생 가능한 제방지역으로 하천수의 흐름이 흐르는 것으로 하천 유역도구를 적용시키게 된다. 결과적으로 나타나는 모든 제방 단면에 대한 두 가지 경우에 의한 파손 유형에 의한 홍수 시나리오는 주변 경관과 지형특성과 일치하게 되고 이는 <그림 6>에 나타난 바와 같이 알 수 있다. 제시된 홍수 모델은 홍수발생 지역의 누적 홍수에 의한 영향과 일정기간의 유수의 흐름이 발생된 후에 궁극적으로 이러한 유수들이 어디로 가는 지는 모사되지 않는 다는 점을 명심해야 한다. 이 모델은 모든 파괴된 제방단면은 물리적으로 존재하지 않는 것으로 가정하며 이는 가장 최악의 시나리오로서 이 해석이 상당히 보수적인 해석임을 나타내 주고 있다.

앞선 단계에서 결정된 홍수지역은 인구 데이터를 포함한 GIS 플랫폼에 결합 , 중첩되었으며 이는 ArcGIS 소프트웨어를 사용하여 3차원으로 제시된다. 이 절차는 시각적으로 인지하기 쉬운 형태로 결과물을 제시하도록 하여 의사결정자들이 인지하기 쉽게 하고 또한 엔지니어들에게 유지관리 계획, 보수 및 긴급 재난대책 수립을 용이하게 하도록 도와준다<그림 7>. 최종적으로 개별 세그먼트와 전체적인 제방시스템의 위험도는 응답해석 함수와 지진활동 지역에 대한 위험도 커브의 작성으로 인한 손상추정치에 의해 측정되게 된다.

 

< 그림 6. 모든 제방 세그먼트들의 침투수와 액상화로 인한 홍수 시나리오 >

 

8. 결 론

 

제안된 접근방법은 비록 개략적이긴 하지만, 제방시스템의 공간적 위험도의 1계적인 추정치를 제공하고 결과물을 인지효율이 높은 시각적 결과로 나타냄으로서 의사결정자로 하여금 신속하게 심각한 지역을 인지할 수 있도록 하고 있다. 이러한 것들은 제방의 침투수 및 액상화 위험도를 추정하는 개략적인 접근방법과 더불어 공간적인 토질 변동치의 지형적 모델을 결합하여 달성할 수 있다. 최종적으로는, GIS가 관련정보를 가공하고 제시하는 플랫폼으로 사용되게 된다. 상기의 해석을 완료하기 위해 많은 가정과 간소화가 이루어 졌는데, 이들 대부분은 제방의 “알고 있는” 위치 사이의 토질 특성치의 추정에 적용되었으며 정확한 홍수발생 지역의 결정에 대해서는 가급적 반영하지 않았다. 토질특성의 변동성 문제는 향후 보다 자세한 지형통계적 해석방법에 의해 다루어 져야 할 것으로 판단된다.

 

시험 연구에 사용되는 보다 자세한 지형 데이터는 1/9 arc second 의 개선된 정밀도로 최근에 발간된 자료를 참조할 수 있다. 캘리포니아 수자원국은 FEMA와 협력하여 모든 캘리포니아의 제방에 대해 지형적 데이터, 시험 위치, 역사 등에 대한 자료를 수집하고 있으며, 이는 계속적인 사업으로 본 연구시점에서는 이 자료를 이용할 수 없었다. 따라서 본 연구에서는 수작업으로 전산화된 제방의 평면도에 의존할 수 밖 에 없었다.

 

▣ 원문제목 : A GIS-ENABLED APPROACH FOR THE RISK ASSESSMENT OF LEVEE SYSTEMS

 

▣ 원문의 주요목차********************************************************************

1. 서론

2. 지반특성의 다양성과 불확실성

3. 목적

4. 데이터 수집 및 제방 구성요소의 정의

5. 지질학적 변수에 대한 지형공간 모델링

6. 제방 구조의 응답분석

7. 홍수 시나리오, 재난 예측 및 위험시스템 평가

8. 결론