This research attempts to develop a debris flows mobilization criterion and assess its applicability at a regional scale area with the debris-flow spreading assessment in which slope failure analysis, debris-flow initiation analysis and debris-flow spreading analysis are sequentially applied. In addition, suitable methods for the slope failure analysis and the debris-flow spreading analysis are described for a reasonable modelling of debris flow events in Korea.
Firstly, the identification of reasonable methods for the three analyses applied to the debris-flow spreading as-sessment was carried out: (1a) Change in pore water pressure, observed from devices installed at a study site, was compared to the results from an infiltration analysis considering influential factors on infiltration. From the study, a slope stability analysis associated with the rainfall infiltration using the modified van Genuchten-Mualem model for relative permeability and two-phase flow of water and air were identified as an appropriate approach for the study site. (1b) Topographical characteristics in actual slide and debris flow occurrence areas were analyzed through a comparison analysis to identify relationships between debris-flow initiation and each topographic index. Then, a mobilization criterion for debris flows based on the topographical characteristics was suggested using an Artificial Neural Network model combined with a modified threshold for a relationship between slope and upslope contributing area. (1c) The most appropriate combination of algorithms for the debris-flow susceptibility assessment that produced the highest average of efficiency and sensitivity for each classification, based on the geological conditions and the types of soil texture, was examined by applying a confusion matrix.
Secondly, sequential applications of the three proposed methods were performed to assess and validate the ap-plicability of the debris-flow spreading assessment for the area of Umyeon Mountain, Seoul, Korea: (2a) The infiltration analysis was conducted, and changes in pore water pressure and pore air pressure obtained from the infiltration analysis were used to predict safety factors. The success rate of the slope stability analysis and the area under the curve of the cumulative frequency diagram was calculated as 96.2 % and 92.3 %, respectively. (2b) The debris-flow mobilization criterion was applied to potential areas of slope failure, predicted by the slope stability analysis, to detect debris-flow initiation areas. The total prediction success rate of the debris-flow initiation analysis was calculated as 93.04 %. (2c) The debris-flow susceptibility assessment utilizing the appropriate schemes was performed with debris-flow source areas determined from the debris-flow initiation analysis. The appropriate schemes, based on the classification according to geological conditions, with a combination of Holmgren’s algorithm with an exponent of 4 and a proportional method with a 5-m resolution DEM and the SFLM with a travel angle of 11.7$\circ$ and a maximum velocity limit of 28 m/s produced the highest average efficiency and sensitivity larger than 90 %. Therefore, the debris-flow spreading assessment with the sequential applications of three methods proposed in this study shows a good applicability for the area of Umyeon Mountain.
본 연구에서는 토석류 전이규준을 개발하고 광역적 지역에 대해 사면파괴 분석, 토석류 전이 분석, 토석류 흐름 분석을 순차적으로 적용시킨 토석류 확산 평가를 수행함으로써 전이규준의 적용성 평가를 수행하였다. 또한, 한국에서 발생되는 토석류를 광역 지역을 대상으로 합리적으로 모델링 하기 위해 사면파괴 분석과 토석류 흐름 분석에 대한 적절한 방법을 제안하고자 하였다.
먼저 토석류 확산 평가에 적용되는 세 가지 분석에 대한 합리적인 방법론을 적립하였다: (1a) 연구 지역에 설치된 계측 장치에서 실시간으로 계측되는 간극수압의 변화와 침투에 영향을 미치는 여러 인자들을 고려한 침투 해석 결과와의 비교를 통해 수정 van Genuchten-Mualem 모델로부터 획득한 불포화 투수계수와 2상(물과 공기) 흐름을 적용한 강우 침투 해석 및 사면 안정 해석이 사면파괴 해석에 대한 적절한 방법론으로 확인되었다. (1b) 토석류 전이와 지형학적 인자 간 관계를 파악하기 위해 실제 평면 파괴 및 토석류 발생 지점에서의 지형학적 특성을 비교 분석하였으며, 인공신경망(artificial neural network) 모델과 개선된 사면경사-상부사면 기여면적 관계의 임계 기준을 결합한 지형학적 특성 기반의 토석류 전이규준을 제안하였다. (1c) 지질학적 상태와 토성 종류에 따라 분류된 연구 지역에 대해 여러 알고리즘 조합을 적용하여 경험론적 기반의 토석류 민감도 분석을 수행한 후 해석 결과에 오차 행렬(confusion matrix)을 적용하여 가장 높은 효율성(efficiency)과 민감성(sensitivity)의 평균을 나타내는 알고리즘 조합을 분석하였으며, 해당 조합을 활용한 토석류 민감도 분석을 토석류 흐름 분석에 적합한 방법론으로 정의하였다.
두 번째로 서울 우면산 지역을 대상으로 앞서 제안된 세 가지 방법론을 순차적으로 적용시킨 토석류 확산 평가의 적용성을 검증하였다. (2a) 침투 해석을 수행하여 얻어진 간극수압 및 간극공기압의 변화를 적용하여 안전율을 분석하였으며, 사면파괴 분석에 대한 예측 성공률과 누적 도수분포 도표(cumulative frequency diagram)의 곡선 아래 면적 비율은 각각 96.2%와 92.3%로 비교적 높은 값을 보였다. (2b) 사면파괴 분석 단계에서 예측된 사면파괴 지역으로부터 토석류 발생 지점을 추출하기 위해 해당 지역을 대상으로 토석류 전이규준을 적용한 결과 토석류 전이 분석에 대한 예측 성공률은 93.04%로 계산되었다. (2c) 토석류 전이 분석 단계에서 추출된 토석류 발생 예측 지점을 대상으로 지질학적 조건에 따른 연구 지역의 분류에 기반한 알고리즘 조합(Holmgren(1994)의 흐름 방향 알고리즘(exp=4.0) & proportional 방법을 적용한 관성 알고리즘), 5m해상도의 수치고도모델(DEM), 11.7$\circ$의 토석류 확산 각(travel angle)과 28m/s의 토석류 제한 속도를 활용한 마찰-제한 단순화 모델(simplified friction-limited model)을 적용하여 토석류 흐름 분석을 수행하였을 때 90% 이상의 효율성과 민감성의 평균이 도출되어 가장 높은 값을 나타냈다. 그러므로, 본 연구에서 제안된 세 가지 방법론을 순차적으로 적용한 광역 지역 대상의 토석류 확산 평가는 우면산 지역을 대상으로 높은 적용성을 보인다고 판단할 수 있다.
