산림인접지역의 산불에 의한 비화특성 예측 연구

국문 초록 (Abstract)

기후변화로 인한 고온·건조한 기상조건의 빈발과 국지적 강풍의 증가로 국내 산불은 대형화·고강도화되는 경향을 보이며, 이 과정에서 발생하는 비화(Firebrand spotting)는 산불 피해의 급격한 확산을 유발하는 핵심 요인으로 지목되고 있다. 비화는 연소 중 탈락한 가연성 입자가 상승기류 및 바람을 따라 이동하여 수십에서 수백 미터 떨어진 지점에서 새로운 착화를 일으키는 현상으로, 화재 전선을 다중화시키고 대응을 어렵게 만든다. 특히 국내 산림 인접 지역은 국외와 비교하여 목조 주택 비율은 낮으나 가건물, 비닐하우스, 소형 창고 등 화재 취약 시설물이 산림과 매우 가까운 거리에 분포하는 사례가 많아, 단거리 비화에 의한 착화 및 화재 전파에 취약한 구조적 특징을 가진다. 또한, 국내 산림의 상당 부분을 차지하는 소나무 단일 산림은 건조 민감성과 수지 함량으로 인해 비화 발생 가능성이 상대적으로 높아, 산림 인접 지역의 복합적인 위험성을 더욱 가중하고 있다.
그러나 비화의 이동·낙하·착화·전파 과정은 공기역학적·열역학적 요인이 복합적으로 작용하며, 실 규모 실험의 수행이 어렵고 동일한 조건에서 반복적으로 진행하기 어렵다. 이에 본 연구는 화재 역학 기반 수치해석 모델인 FDS(Fire Dynamics Simulator)를 활용하여, 단거리 구간에서의 비화 이동 및 착화 특성과, 이후 초지에서의 지표 화재 확산 양상을 분석하였다. 먼저, 실험 연구에서 제시된 불티 특성을 기반으로 비화를 수치적으로 모사하고, 풍속 조건에 따른 비화 불티의 낙하 거리와 분포 특성을 비교하여 모델의 재현성을 검증하였다. 검증된 비화 모델을 바탕으로, 풍속 조건별 초지에서의 비화 착화 발생 및 지표화로의 전이 과정을 분석하였으며, 지표의 화염 전선 이동을 추적하여 풍속에 따른 화재 전파 속도(Rate of Spread, ROS)를 산정하였다. 또한 불티의 낙하 개수 및 낙하 면적에 따른 착화 및 화염 전파특성의 변화를 비교 분석함으로써 단거리 비화가 초지 화재의 발생 및 전파까지 미치는 영향을 확인하였다.
해석 결과, 건조한 초지 연료 조건에서 비화는 불티의 낙하 직후 또는 다수 불티가 축적된 이후 착화로 이어졌으며, 풍속 조건에 따라 착화 및 화재 전선의 전파 경향이 달라졌다. 풍속 2 m/s 이하의 경우에는 연료층의 밀도가 착화 및 화재 전파 유무에 영향을 미쳤다. 풍속 3 m/s 조건에서부터 불티 낙하에 의한 착화, 화염 전선 형성 및 화재 확산이 발생하였으며 5 m/s, 강풍 조건인 9 m/s, 11 m/s 조건으로 풍속이 증가함에 따라 불티의 낙하 거리가 증가하고 전방 화재 전파 속도가 약 0.5 m/s에서 약 1.6 m/s로 증가함을 보였다. 풍속 3 m/s 조건에서 불티의 낙하 밀도 혹은 불티 유입량 증가에 따라 발화 시간이 짧아지고 화재 전파 속도가 증가하거나, 착화시간이 기존보다 빨라지는 경향을 확인하였다.
본 연구는 국내 산림 인접 지역에서 단거리 비화가 착화 및 화재 전파에 미치는 영향을 파악하였다는 점에서 의의를 가진다. 이를 통해 산불 위험성 평가 시 비화 모델링 적용을 통한 산불의 비화에 의한 산림 인접지역 시설물의 조기 착화 및 다중 화재 확산 가능성 평가가 필요함을 보여준다. 본 연구에서의 작은 규모 초지 화재를 기반한 비화의 기본 특성 규명에 관한 기초 데이터를 바탕으로 추후 산림 인접 지역 화재 안전 기준 마련을 위해 다양한 불티, 규모 확대, 지형 및 연료 다변화 등을 통한 비화 확산 특성 정량화 및 상관성 도출이 필요할 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 선행 연구 검토 7
• 제2장 이론적 고찰 11
• 2.1 비화의 생성 및 특성 11
• 2.2 CFD 17
• 제3장 연구 방법 19
• 3.1 수치해석 방법 19
• 3.1.1 시뮬레이션 설정 20
• 3.1.2 연료모델 설정 24
• 3.1.3 풍속조건 설정 26
• 제4장 연구 결과 28
• 4.1 풍속 조건별 비화 분포 모델 검증 28
• 4.1.1 무풍조건(0 m/s) 비화 분포 28
• 4.1.2 강풍조건(9 m/s) 비화 분포 30
• 4.2 연료 모델 검증 32
• 4.3 풍속에 따른 비화 확산 33
• 4.3.1 0 m/s 풍속 조건 하 비화 확산 33
• 4.3.2 2 m/s 풍속 조건 하 비화 확산 33
• 4.3.2.1 2 m/s 풍속 조건 하 연료층의 밀도에 따른 비화 확산 35
• 4.3.3 3 m/s 풍속 조건 하 비화 확산 37
• 4.3.4 5 m/s 풍속 조건 하 비화 확산 40
• 4.3.5 9 m/s 풍속 조건 하 비화 확산 43
• 4.3.6 11 m/s 풍속 조건 하 비화 확산 45
• 4.4 비화 불티의 투입 밀도와 유입량에 따른 화재 전파특성 48
• 제5장 결 론 51
• 참고문헌 53
• ABSTRACT 57