1. 서 론
최근 신재생에너지에 대한 국가적 관심이 높아지면서 태양광 발전시설의 설치가 증가하고 있다. 국내 산지에 설치된 태양광 발전시설은 2020년 기준으로 총 12,527 개소이며, 이 중 약 7.4%인 922 개소가 산사태 위험 1, 2등급 지역에 위치하고 있다. 특히, 강원 지역에 설치된 태양광 발전시설은 산지가 약 90%에 달하는 강원 지역의 특성상 많은 숫자가 산지에 건설되고 있으며, 이로 인한 사면재해의 위험성 역시 증가하고 있다. 태양광 시설의 피해현황을 살펴보면 주로 전기적 설비의 구조적 결함 및 노후화 등으로 인한 것으로 나타나고 있으나, 장마나 폭우로 태양광 발전시설 주변 지반에서 발생되는 소규모 사면파괴 역시 이후 대규모 사면붕괴를 유발하거나 토석류로 전이되어 인근 지역에 큰 인명 및 재산 피해를 가져올 수 있으므로 매우 중요하다. Fig. 1과 같이, 태양광 발전시설이 설치된 지역에서는 주로 얕은 사면파괴가 발생되는 것으로 확인되고 있으며, 주로 강우 침투에 따른 상부 지반의 포화 및 그로 인한 유효응력과 전단강도 감소가 주요 원인으로 밝혀지고 있다(Lu et al., 2013; Song et al., 2016; Park & Song, 2020). 이 때문에 산지 일시사용 허가에 대한 법령(산지관리법 시행령 제18조의2)에 따르면 산지 태양광 발전시설의 안정성 확보를 위해 2018년 12월부터 구축되는 산지 태양광 발전시설의 산지 평균경사 기준을 25° 이하에서 15° 이하로 낮추었다.
강우 시 지표면에 내린 우수는 일부가 지표면 내부로 스며들고, 남은 일부는 지표면 외부로 흐르게 된다. 이 때, 산지 태양광 발전시설 주변 지반의 안정성과 주변 지역의 위험성은 태양광 시설의 면적, 사면경사 등에 의하여 큰 영향을 받는다. 그 동안 사면 안정성에 대한 연구는 다양한 연구자들에 의해 연구되어 왔다. Won(2008)은 사면 높이, 구배, 점착력 등을 변화시켜 가며 사면 안정성 해석을 수행하고, 회귀분석을 통하여 사면 조건에 따른 안전율 추정식을 도출하였다. Chae et al.(2012)은 불포화토 지반 내 강우 침투에 따른 지반의 포화깊이 비를 고려하여 사면안정해석을 수행한 후, 안전율 변화를 확인하였다. Cho(2018)는 강우 침투에 대한 불포화토 사면의 확률론적 안정해석을 수행한 후, 안전율 변화을 계산하고 사면의 파괴확률을 분석하였다. Hwang(2015)은 다양한 사면 경사와 지표면 특성에 따른 사면 안정성 해석연구를 수행하였고, Park & Ahn(2019)은 다양한 사면 높이 및 기울기를 고려하여 사면 안전율에 대한 해석적 연구를 수행하였다. Kim et al.(2021)은 불포화토 사면의 얕은 사면파괴에 대한 안정해석을 수행하고, 흙-함수특성 곡선의 영향을 확인하였다. 하지만 지금까지 수행된 대부분의 연구들은 자연사면에 대한 강우침투를 고려하여 사면에 대한 안전율, 안정해석 등을 연구한 사례가 대부분이며, 산지 태양광 발전시설이 설치된 사면 특성을 조사하고, 이를 분석한 연구는 전무하다. 최근 들어 일부 연구자들(Yu et al., 2023)에 의해 태양광 발전시설이 설치된 사면에서 강우 침투가 사면의 안정성 및 거동에 미치는 영향을 분석하는 연구가 유일하게 다루어졌을 뿐이다.
이에 본 연구에서는 강원 지역의 산지 태양광 발전시설이 설치된 지역의 사면 특성을 분석하기 위해, 강원 지역의 태양광 발전시설 설치현황을 조사하였다. 또한 강원 지역 18개 시, 군 중에서 가장 많은 태양광 발전시설이 설치된 강릉과 원주 지역에 대한 태양광 발전시설의 설치 현황을 확인하고, GIS 기법과 위성사진을 활용하여 지형자료를 수집한 후에 태양광 발전시설 설치 지역에 대한 면적, 사면경사, 해발고도 등의 데이터베이스를 구축하였다. 이후 구축된 데이터베이스를 활용하여 강원 지역의 산지 태양광 발전시설이 설치된 지역의 사면 특성을 분석하였다.
2. 데이터베이스 구축
본 연구에서는 강원 지역의 산지 태양광 발전시설이 설치된 지역의 사면 특성을 분석하기 위해, 위성사진을 이용하여 강원 지역 전역에 대한 태양광 발전시설의 설치 현황을 우선적으로 확인하였다. 이 때, 평지에 구축된 태양광 발전시설은 제외하고, 산지에 구축된 태양광 발전시설 만을 데이터베이스에 포함시켰다. Fig. 2는 강원 지역 산지에 설치된 태양광 발전시설의 분포를 보여주는 것이며, 총 424 개소의 태양광 발전시설이 강원 지역 전체에 분포하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이 중 원주시와 강릉시에 가장 많은 태양광 발전시설이 설치되어 있었으며, Fig. 3, 4와 같이, 원주와 강릉 지역에 각각 48, 36개소의 발전시설이 설치되어 있는 것으로 나타났다. 이 후, 태양광 발전시설이 설치된 지역의 위성지도와 국토정보지리원에서 제공하는 1:5,000의 벡터 데이터인 수치지도를 레스터 데이터인 DEM(Digital Elevation Map)으로 생성하고, GIS 기반의 공간분석을 거쳐 강릉과 원주 지역에 대한 산지 태양광 설치 지역의 면적, 평균경사, 최대경사, 해발고도 등을 산정하였다. 이 때, 태양광 발전시설이 설치된 지역은 위성지도와 수치지도를 비교하면서 수치지도 레이어에 경계를 설정하고 면적을 추출하였다. Fig. 5는 태양광 발전시설이 설치된 지역 중 한 곳에서 위성지도와 DEM에서 사면경사도를 추출한 예를 보여주고 있다. 이 때, 경사도는 태양광 발전시설 구역 내의 지표면 경사도를 의미한다. 이와 같이 추출된 데이터들을 데이터베이스로 구축하고 이를 기반으로 강릉과 원주 지역에서 태양광 발전시설 설치 지역의 사면 특성을 분석하였다. 강릉과 원주 지역의 구축된 데이터베이스는 Table 1과 2에 정리되어 있다.
Table 1.
Database of Gangneung
Table 2.
Database of Wonju
3. 태양광 발전시설이 설치된 지역의 사면 특성
3.1 면적
구축된 데이터베이스를 기반으로 원주 및 강릉 지역에서 산지 태양광 발전시설이 설치된 지역의 면적, 평균경사, 최대경사, 해발고도 등을 산정하였다. Fig. 6은 산지 태양광 발전시설의 설치 면적을 10,000m2의 간격으로 정리한 후에 지역별로 구분하여 도시한 히스토그램이다. 강릉과 원주 지역의 태양광 발전시설 면적은 1,449~53,413m2의 범위를 가지는 것으로 나타났으며, 0~10,000m2에서 32개소(39%), 10,000~20,000m2에서 22개소(27%), 20,000~30,000m2에서 18개소(22%)의 순서로 나타나 면적이 증가할수록 빈도 수가 감소하였으며, 강릉과 원주 지역의 태양광 발전시설의 면적은 대부분 30,000m2 미만(87%, 72개소)인 것으로 나타났다. 이를 강릉과 원주로 나누어 살펴보면 원주 지역은 0~10,000m2의 면적이 가장 많은 비중을 차지한 것에 비하여(23개소, 72%), 강릉 지역은 10,000~20,000m2에서 가장 많은 비중을 차지한 것으로 나타나(12개소, 55%), 원주 지역이 강릉에 비하여 소규모 태양광 시설 설치 비중이 더 큰 것으로 나타났다.
3.2 평균경사와 최대경사
Fig. 7은 태양광 발전시설이 설치된 지역의 평균경사를 강릉과 원주로 구분하여 나타낸 히스토그램이다. 평균경사는 각 태양광 발전시설 별로 전체 발전시설 영역의 경사를 평균한 것이며, 그림에는 평균경사를 5° 간격으로 정리하여 도시하였다. 전체 데이터를 살펴보면 태양광 발전시설이 설치된 지역의 평균경사는 5~25°의 범위를 가지며, 전체 데이터 중 빈도가 가장 높은 경사는 13°, 평균값은 10°로 나타났다. 특히, 산지관리법 시행령에서 제시한 태양광 발전시설의 산지 평균경사 기준인 15° 보다 높은 평균경사를 갖는 지역이 총 83개소 중 14개소(17%)를 차지하는 것으로 나타났다. 강릉과 원주를 각각 비교하면 10° 미만의 경사에서는 강릉 지역이 원주 지역 보다 높은 빈도를 보였지만, 10° 이상에는 원주 지역이 강릉 지역 보다 2.0배 이상의 높은 평균경사 빈도를 보였다. Fig. 8은 태양광 발전시설의 설치된 지역에 대한 평균경사를 15° 이하 및 이상으로 구분하여 정리한 히스토그램이다. 강릉과 원주 지역에서는 평균경사가 15° 이하(83%, 70개소)인 지역이 대부분인 것으로 나타났지만, 15° 이상의 평균경사를 갖는 지역도 17%(14개소)인 것으로 나타나, 태양광 발전시설에 대한 경사기준을 초과하는 15° 이상의 경사를 갖는 시설도 적지 않은 것으로 나타났다.
장마철 국지성 집중호우 및 태풍으로 태양광 발전시설 부지에서는 사면의 길이가 활동면의 깊이 보다 긴 무한사면, 활동면의 깊이가 사면의 높이 보다 깊은 유한사면 등에서 얕은 사면파괴가 발생할 수 있다. 그 중 부지 영역 내에서 경사가 가장 급한 곳에서 주로 발생하게 된다. 따라서 태양광 발전시설의 평균경사에 더하여 최대경사를 추가로 분석하였다. Fig. 9는 태양광 발전시설이 설치된 지역에서의 최대경사를 강릉과 원주 지역으로 구분하여 도시한 히스토그램이다. 이 때, 태양광 발전시설이 설치된 면적에서 최대경사를 나타내는 영역을 추출하여 최대경사를 결정하였다. 최대경사는 앞선 평균경사 보다 2~52°의 비교적 넓은 경사 범위를 가지며, 전체 최대 경사의 평균값도 25°로 10°를 갖는 평균경사 보다 2.5배 더 높은 것으로 나타났다. 평균경사와 유사하게 경사도 15° 이상부터는 강릉 지역 보다 원주 지역의 최대경사 발생빈도가 점차적으로 높아지는 경향을 보였다. 강릉과 원주 지역의 최대경사 15° 이상인 지역은 Fig. 10과 같이 전체의 74% 이상을 차지하는 것으로 나타났으며, 강릉 지역이 30개소(83%), 원주 지역이 41개소(85%)로 각각 나타나, 원주 지역의 최대경사 15° 이상 지역이 강릉 지역 보다 36% 더 많은 것으로 나타났다. 이는 원주 지역은 주로 경사가 가파른 산지를 메워 태양광 발전시설을 설치하면서 강릉 지역 보다 상대적으로 높은 경사 범위를 갖기 때문이다. 또한, 행안부의 급경사지 판정 기준인 최대 경사 34°를 기준으로 살펴보면 강릉과 원주 지역에서 34° 이상인 지역은 각각 8개소(22%)와 10개소(21%)로 나타나 급경사지로 관리되어야 할 가능성이 높은 시설도 상당수 존재하는 것으로 나타났다. 실제로 기존 연구에 따르면, 한국에서의 토석류의 발생은 경사 26~30° 범위에서 가장 많은 발생 빈도를 보였고(Kim et al., 2006), 강원 지역의 경우에는 30~40°로 나타난 것을 고려할 때(Jun et al., 2013), 강릉과 원주 지역에서는 여름철 국지성 집중호우 및 태풍으로 인해 태양광 발전시설 내에서 소규모 사면붕괴의 발생 위험이 높다고 판단된다.
3.3 해발고도
Fig. 11은 태양광 발전시설이 설치된 지역의 해발고도를 강릉과 원주 지역으로 구분하여 나타낸 히스토그램이며, 100m 간격의 해발고도로 정리하여 그림에 도시하였다. 여기서, 해발고도는 해수면으로부터 태양광 발전시설이 설치된 산지의 최대 높이까지를 나타낸다. 강릉과 원주 지역에 설치된 태양광 발전시설의 해발고도는 25~763m의 범위를 보이는 것으로 나타났으며, 300m 이하의 해발고도(76%, 64개소)에서 대부분의 태양광 발전시설이 설치된 것으로 나타났다. 일부 강릉 지역에서는 600m 이상의 고도에서 지어진 태양광 발전시설이 7개소(19%)로 나타나, 강릉 지역에서 원주 지역에 비하여 고도가 높은 산지에 설치된 태양광 발전시설이 일부 있는 것으로 나타났다. 하지만, 강릉과 원주 지역의 전체적인 분포현황을 살펴보면, 강릉 지역에서는 0~200m의 해발고도 범위에서 가장 많은 비중(72%, 26개소)을 차지하는데 비하여 원주 지역은 100~300m에서 가장 많은 비중(79%, 38개소)을 차지하고 있어, 원주 지역에 설치된 태양광 발전시설이 강릉 지역 보다 고도가 더 높은 산지에 설치된 것으로 나타났다. 앞서 언급된 것처럼, 원주 지역은 주로 경사가 가파르고, 고도가 높은 산지를 메워 태양광 발전시설을 설치함에 따라 강릉 지역 보다 상대적으로 높은 해발고도의 범위를 갖는 것으로 나타났다.
3.4 면적과 경사
Fig. 12는 태양광 발전시설이 설치된 지역에 대한 면적과 평균경사의 관계를 나타낸 결과이다. 그림에는 지역별로 전체 결과에 대한 추세선을 그어 면적-평균경사 간의 상관성을 확인할 수 있도록 하였다. 먼저, 강릉 지역을 살펴보면, 태양광 발전시설의 설치 면적이 증가함에 따라 평균경사는 점차적으로 감소하는 경향을 보이면서 면적과 평균경사는 큰 관련성을 보이지 않았다. 그러나 원주 지역에서는 태양광 발전시설의 설치 면적이 증가함에 따라 평균경사도 점차적으로 증가하는 경향을 보였다. 이러한 경향은 강릉 지역의 태양광 발전시설이 주로 경사가 낮은 산지 주변에 설치된 반면, 원주 지역의 태양광 발전시설은 주로 경사가 높은 산지 주변에 설치되었기 때문이다. Fig. 12를 보면, 대부분의 태양광 발전시설이 15° 이하의 지반에서 설치된 것으로 나타났지만, 앞선 Fig. 9와 10에서 확인할 수 있듯이, 태양광 시설 내에서도 경사가 가파른 사면이 상당히 존재하는 것으로 나타났다.
태양광 발전시설이 설치된 지역에 대한 면적과 최대 경사의 관계를 정리하여 도시한 Fig. 13을 보면, 평균경사와 달리 최대경사는 강릉과 원주 지역 모두 태양광 발전시설의 설치 면적이 증가할수록 면적 내 최대 경사는 증가하는 경향을 보였다. 또한 강릉 지역 보다 원주 지역에서 면적증가에 따라 최대 경사가 더욱 급하게 증가하는 경향성을 보였다. 일반적으로 유역 면적이 증가할수록 토석류로 인한 하류부의 피해 면적은 증가하는 것으로 알려져 있다(Marchi, 2004; Kang & Kim, 2014). 이는 태양광 시설의 규모가 큰 지역에서 소규모의 사면붕괴가 발생할 경우 토석류로 전이되어 하류부의 피해 면적이 크게 증가할 수 있음을 의미한다. 따라서 태양광 발전시설이 설치된 지역의 사면 안정성을 확보하기 위해서는 현재 산지관리법 시행령에서 제시한 15° 이하의 산지경사 기준을 고려할 때, 평균경사 뿐만아니라 최대경사도 함께 고려하는 것이 필요할 것으로 보여진다. 하지만, 이러한 연구결과가 더욱 명확해지기 위해서는 더 많은 지역에 대한 추가적인 데이터베이스 구축과 함께 다양한 분석이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 강원 지역의 산지 태양광 발전시설이 설치된 지역의 사면 특성을 분석하기 위해 강원 지역의 강릉과 원주 지역에 대한 태양광 발전시설의 설치현황을 조사한 후, GIS 기법을 통해 지형자료를 수집하여 태양광 발전시설에 대한 면적, 사면경사, 해발고도 등의 데이터베이스를 구축하였다. 구축된 데이터베이스를 기반으로 강릉과 원주 지역에 대한 산지 태양광 발전시설이 설치된 지역의 사면 특성을 분석하였다. 이에 대한 결론은 다음과 같다.
(1) 강릉과 원주 지역의 태양광 발전시설은 대부분 0.03km2 미만(87%, 72개소)의 면적에서 설치되었으며, 원주 지역이 강릉에 비하여 소규모 태양광 발전시설 설치 비중이 더 큰 것으로 나타났다.
(2) 강릉과 원주 지역에서는 평균경사가 15° 이하(83%, 70개소)인 지역이 대부분인 것으로 나타났다. 하지만, 15° 이상의 평균경사를 갖는 지역도 17%(14개소)인 것으로 나타나 일부 태양광 발전시설 지역에서 개정된 15° 이하의 경사기준 보다 높은 경사를 갖는 것으로 나타났다.
(3) 강릉과 원주 지역의 최대경사는 15° 이상인 지역은 전체의 74% 이상을 차지하는 것으로 나타났으며, 원주 지역의 최대경사 15° 이상 지역이 강릉 지역 보다 36% 더 많은 것으로 나타났다. 또한, 행안부의 급경사지 판정 기준인 최대 경사 34°인 지역이 강릉과 원주 지역에서 18개소(21%)로 나타나 급경사지로 관리되어야 할 가능성이 높은 시설도 상당수 존재하는 것으로 나타났다.
(4) 강릉과 원주 지역에서의 태양광 발전시설은 대부분 300m 이하의 해발고도(76%, 64개소)에서 설치된 것으로 나타났으며, 원주 지역의 태양광 발전시설이 강릉 지역 보다 해발고도가 더 높은 산지에 설치된 것으로 나타났다.
(5) 강릉과 원주 지역 모두 태양광 발전시설의 설치 면적이 증가할수록 면적 내 최대 경사는 증가하는 경향을 보였으며, 강릉 지역 보다 원주 지역에서 면적증가에 따른 최대경사가 더욱 급하게 증가하는 경향을 보였다. 따라서, 태양광 발전시설이 설치된 지역의 사면 안정성을 확보하기 위해서는 현재 산지관리법 시행령에서 제시한 15° 이하의 산지경사 기준을 고려할 때, 평균경사 뿐만아니라 최대경사도 함께 고려하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
