1. 서 론

국가의 경제 규모가 확대되고 인구 및 산업 시설의 도시집중화가 가속화되면서 지하공간의 이용과 시설물이 대형화 되는 추세에 있으며, 이상기후로 인한 피해의 규모는 향후 계속 증가할 것으로 전망되고 있다(Korea Disaster Prevention Association, 2011; KEI, 2011). 또한, 도심지 지하시설물의 노후화와 대심도화로 인하여 대규모 붕괴 위험이 높아지고 있다(KICT, 2014). 최근 들어 과거 개발 사업에 의해 건설된 시설물의 노후화 및 내구성 저하에 의한 붕괴 사고 발생빈도가 증가하고 있고, 이러한 추세는 점진적으로 증가하게 될 것이다. 1970년대 급격한 도시화를 이룬 서울시의 경우 준공된지 40년이 넘은 노후 건물이 약 12만채 존재하며, 전국적으로 재난 위험시설은 1,193개가 존재하고 있다(MPSS, 2015). 따라서 도심지 시설물 붕괴에 대응하여 신속한 인명의 구조와 더불어 선제적 방재를 포함한 유지관리 방안 마련이 시급할 것으로 판단된다.

기존의 위험지도들은 각각의 위험물을 대상으로 하여 다양한 조건들(지형, 지질, 임상, 투수계수, 전단강도, 시설물 정보, 인구 등)을 제시하고 있으며, 중첩분석, 로지스틱 회귀분석, 인공신경망, 취약성 지수, AHP 분석 등 다양한 기법을 통해 접근하고 있다(Kim et al., 1993; Yang et al., 2001; Chae et al., 2004). 본 연구에서는 도심지 시설물의 지반침하지도 개발을 위하여 여의도와 강남역 일원의 시범지역을 대상으로 다양한 지반특성을 고려한 도심지 지반침하지도를 제작하였다. 제작된 지반침하지도의 신뢰성 검증을 위해 지반조건의 재해위험도는 붕괴이력과의 비교분석을 실시하였다. 도심지 시설물 붕괴 위험지도를 위한 지반 취약지표들은 재난대응 강화를 위한 통합관리시스템 구축의 인자로 활용될 수 있을 것이며, 재난 발생 시 긴급구호를 위한 설계와 붕괴에 따른 지반의 2차 붕괴예측에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

2. 재해위험지도 입력자료 수집 및 구축

본 연구에서는 특정 지역을 선정하여 대상지역의 지반조건 자료를 구축하고, 이를 통한 위험지도 제작을 수행하였다. 이를 위한 작성의 흐름은 Fig. 1과 같다. 그림에서 보는 바와 같이 고지형과 시추공정보를 이용한 자료의 구축은 도심지의 붕괴조건을 고려하여 새롭게 반영된 자료이다. 이를 통해 도심지의 지반과 건물의 위험지도 개발을 위해 요구되는 다양한 환경과 조건들 중 지반조건을 고려한 위험지도를 작성하여 재난대응 시 사용자가 필요로 하는 정보 제공을 대상으로 한다.

Fig. 1.

Hazard mapping flows considering the ground conditions

재해위험도 평가를 위해 수집 분석된 지형, 지질, 지반 정보 자료들을 수치지형 기반의 자료로 변환한 후 크리깅(Krigging) 기법을 통해 다시 동일한 격자크기(10m 간격)로 구분하여 각각의 값을 할당하였다. 획득한 자료는 격자별로 입력치를 할당하였고, 입력 값이 없는 격자는 공간보간법을 이용하여 예측값을 산정하여 단위격자별 입력자료 DB를 작성하였고, 이를 바탕으로 재해위험지도를 작성하였다.

재해위험도를 작성하는 대상지역은 최근 지반침하로 인해 언론에 피해가 노출되고 있는 여의도와 강남역 일원을 시범지역으로 선정하여 위험지도를 작성하였다.

2.1 GIS 기반 지형/지질자료 구축

시범지역의 지형자료 구축을 위하여 국토지리정보원의 1:5,000 축척의 수치지형도를 이용하여 수치고도모형을 작성하였으며, 지형자료로부터 추출된 고도값은 Tapes-G 지형 수문모델을 이용하여 방위, 경사, 곡률을 산정하였다. 지표수의 수렴 및 발산, 상부사면기여면적, 습윤지수는 Costa-Cabral and Burges(1994)에 의해 제안된 DEMON(Digital Elevation MOdel Networks) 알고리즘을 적용하였으며, 알고리즘은 지표수의 수렴정도를 2차원적 흐름을 고려하여 하부 격자로 흐름을 분배하였다. 지형요소 산정을 위한 자세한 공식은 국립재난안전연구원((NDMI, 2008)의 재해위험도 작성방식을 따르고 있으며, 이후 논문에서 다루고 있으므로 산정 공식에 관련된 상세한 부분은 제외하였다(Wilson, 2007; NDMI, 2008; 2013; Choi et al., 2013).

대상지역의 지질도는 한국지질자원연구원에서 발간된 1:50,000 지질도(서울도폭, 뚝섬도폭, 안양도폭, 둔전도폭)를 이용하여 암상과 단층에 대한 자료를 반영하였다. 대상지역에 나타나는 암종의 경우 여의도 지역은 호상편마암이 주를 이루고 있으며, 강남역 지역은 호상편마암과 세립질편마암이 분포하고 있는 것으로 나타났다(Fig. 2).

Fig. 2.

Topographic theme map and geological map of study area (Yeouido area)

2.2 지표면 정보

현장에서 실시한 지반붕괴조사에서 동일 암종내에서 붕괴가 발생한 지점과 발생하지 않은 지점의 가장 큰 차이점은 풍화심도의 차이로 조사되었으며, 붕괴가 발생한 사면에서의 풍화대의 심도가 훨씬 두껍게 나타나는 것으로 확인되었다. 이러한 사항을 고려하여 위험도 작성 시 풍화대의 심도를 추가하였다. 전국단위로 작성된 토양도(토양환경정보시스템, http://soil.rda.go.kr)는 다양한 인자들로 구성되는데, 토양의 물리적 특성에서 유효토심지도는 암석노출지-매우 얕음-얕음-보통-깊음-매우 깊음의 단계로 구분된다. 그러나 유효토심지도의 심도범위는 토양심도(soil depth)만을 고려하므로 0∼20cm, 20∼50cm, 50∼100cm, 100cm 이상의 단계로만 구분되어 적용성이 낮으므로 시추공 정보에서 추출된 실제 풍화토의 심도를 입력하는 것이 정확도가 높을 것으로 판단된다. 이를 위하여 국토지반정보통합DB센터의 시추정보유통자료(국토교통부)와 서울시의 지반정보통합관리시스템(서울시)의 자료에서 시추정보를 수집하여 이용하였으며, 시추정보가 제공되지 않은 지점 및 암반노출지에 대해서는 토양도의 유효토심을 이용하여 도면을 추출하였다.

2.3 고지형 자료 수집

도심지의 경우 개발로 인해 다양한 지형의 변화가 나타난다. 도심지 조성을 위한 인공적인 절토, 매립이 진행되어왔고, 거주 및 산업을 위한 고층건물의 조성과 이에 따른 지하공간의 개발, 하천정비사업 및 하천 복개사업 등 짧은 기간내에 다양한 지형의 변화가 불가피하게 발생하게 된다. 현재 여의도지역과 강남지역은 한강 수계의 변화가 크며, 매립된 지역이 많아 이에 대한 고려가 필요할 것으로 판단된다. 이에 시범지역을 대상으로 제작 연도가 다른 지형도를 이용, 수계의 흐름 위치, 규모의 변화와 충적지 분포 범위와 개발에 따른 지형 변화를 파악하였다. 조사지역은 서울도폭에 해당하며 경성(1932년), 서울(1970년, 1974년, 1978년, 1985년, 1987년, 1995년, 2005년)도폭을 이용하였고, Global Mapper 프로그램을 사용하여 연도별 고지형도를 수치지형도의 좌표계에 정사보정한 후 고수계(고하천)를 추출하고 이러한 부분을 재해위험도의 가중요소로 적용하였다. Fig. 3은 시범지역인 여의도 지역의 시간에 따른 수계변화를 나타낸 것이다.

Fig. 3.

Change of topography and water (drainage) system of study area (Yeouido area)

2.4 시추공 정보

시범지역 지반의 공학적 특성을 고려한 암종 분류는 기존에 발간된 지질도의 암종과 단층 영향 정도를 분석하고 토양도와 시추공 자료를 통해 전국권의 풍화토 심도를 추출하여 토양심도지도를 작성하였다. 풍화토 심도는 한국건설기술연구원의 국토지반정보통합DB센터와 서울시의 지반정보통합관리시스템의 자료로부터 토양과 기반암 출현심도를 추출하여 활용하였다(Fig. 4).

Fig. 4.

Borehole location and informations of study area (Gangnam-gu area)

2.5 재해이력 자료 수집

GIS 기반의 도심지 지반침하지도의 정확성을 파악하기 위해 지반 붕괴 지점에 대한 재해이력 자료를 구축하였다. 시범지역의 재해이력은 KBS에서 발표한 지반침하 우려지역 지도(KBS, https://www.google.com/maps/d/ viewer?mid=1TmEveTjNksPPD2jR2k2b_ mppCCk)의 위치와 2000년부터 현재까지 인터넷과 미디어에 보도된 자료를 중심으로 구축하였다. 지반침하 우려지역은 미확인 지점이 많고 도심지 지역에 집중되어 있어 전국단위로 확대 적용하기 위해서는 많은 보완이 필요할 것으로 판단된다. 한편 서울시는 2015년 도로함몰 우려구간에 대한 조사를 수행하여 위험구간을 제시한 바 있어 그 자료를 활용하였다(https://fusiontables.googleusercontent.com /embedviz?q=select+col8+from+1ANtFK_Ob4Q6_Is8PgB22ZVJlSW7R_7JAr6IlNgsH&viz=MAP&h=false&lat=37.50869441016177&lng=127.08069764880372&t=1&z=11&l=col8&y=2&tmplt=2&hml=ONE_COL_LAT_LNG). Fig. 5, Table 1은 여의도와 강남역 일원의 재해발생지점을 표기한 것이다.

Fig. 5.

Disaster data of Yeouido and Gangnam-gu area

Table 1. Reference record of subsidence in the study area

3. 지반침하지도 제작

3.1 도심지 지반침하지도 입력인자

급경사지에 적용되는 위험지도의 경우 지형에서 추출된 요소인 경사, 방위, 곡률, 상부사면기여면적, 습윤지수 등의 자료를 이용하여 작성하게 된다. 그러나 잘 발달된 도심지의 경우 인공적으로 평탄화 된 지형이 많아 지형의 기복이 크지 않고, 인공적으로 매립된 지반과 고층건물의 건설로 인한 지하공간의 굴착으로 인해 자연 상태의 지형과 동일 시 하여 적용하기는 어려울 것으로 판단된다. 본 연구에서는 시범지역에 대하여 1단계로 지형요소만을 반영한 위험지도를 작성하고, 2단계로 지형조건에 지형변화와 지질조건(단층)에 가중치를 부여한 위험지도를, 3단계로 지형, 지형변화, 지질(단층), 시추공정보, 토양조건을 가중치 부여하여, 인위적 요소까지 반영된 지반침하지도를 각각 작성하였다. 작성된 지도는 수집된 재해발생 지점 DB와 비교하여 그 신뢰성을 판단하였다. Fig. 6은 GIS 기반의 자료구축과 지반침하지도 제작을 모식화 한 것이다. 기본 지형분석 자료와 지질도에서 분리된 암상 및 단층분포밀도에 고지형에서 추출된 고수계를 반영하고, 토양 특성(유효토심)에 대하여 배점을 부여하고, 시추공정보에서 추출된 풍화토 심도 및 시추공 지하수위 등을 반영하여 지반침하지도를 제작하였다.

Fig. 6.

Construction of GIS-based data and production of collapsing hazard map

3.2 입력인자의 등급

1단계 위험지도 작성 시 지형주제도 입력요소의 등급은 국립재난안전연구원((NIDP, 2008, 2013)의 재해위험도 작성방법에 따른 등급 및 배점을 적용하였다(Table 2, Table 3). 2단계의 위험지도는 고수계와 지형 요소, 단층 분포 밀도에 대하여 배점을 부여하고, 각각의 요소에 대하여 크리깅 공간보간법을 적용하여 GIS기반의 지반의 안정성을 평가하였다(Table 4, Table 5). 3단계의 위험지도에서는 수치 지형요소 외 인자(풍화대 심도, 토지피복도, 유효토심, 토양배수조건)들의 가중치를 적용하였으며, 등급은 Table 6과 같이 적용하였다.

Table 2. Hazard map of level 1 : coverage of terrain factors

Table 3. Hazard map of level 1 : rating of terrain factors

Table 4. Hazard map of level 2 : coverage of variety factors

Table 5. Hazard map of level 2 : rating of terrain factors

Table 6. Hazard map of level 3 : rating of terrain factors

3.3 시범지구 적용 결과

Fig. 7은 여의도 지역과 강남역 지역의 단계별 지반침하지도와 재해발생지점을 붉은색 점으로 표시하였다. 여의도 지역은 지형요소의 경우 붕괴이력과 위험지도의 유의성이 거의 없는 반면 본 연구에서 구축한 개발 지형과 지하수위, 토층심도를 적용한 위험지도는 실제 붕괴 지역의 위치에서 위험도가 증가하는 것을 볼 수 있다. 선행 연구된 여러 기관들의 위험지도와 같이 지형주제도의 입력요소만을 고려했을 때 강남역 일원은 매우 안정된 지반조건을 보여주며, 붕괴이력과 유의성은 없는 것으로 판정할 수 있다. 그러나 지형의 변화에 따른 매립된 수계와 하천제방 등의 위치에 대한 가중치를 부여한 결과 실제 붕괴가 발생한 지점에서 위험 등급이 증가하는 경향이 나타나는 것을 알 수 있다.

Fig. 7.

Step-by-step hazard map of study area

1918년에서 1988년까지 단계별로 제작된 강남지역 고지형도에서 현재 강남역이 위치하는 지역은 과거 남-북 방향으로 흐름으로 한강에 유입되는 하천에 위치하며, 하천의 양안으로 자연제방이 발달하고 있었으나(Fig. 8), 1970년대 이후 도로, 주거지, 상업시설 등의 개발 사업으로 하천과 제방이 매립되었다. 도심지 개발 과정에서 과거 하천이 담당했던 지표수와 지하수의 유출을 위한 유로가 확보되지 않았고 지하공간 내에서 일정기간 흐름이 지속될 것으로 추정된다. 강남역 일원에서 조사된 붕괴이력에서 지충붕괴는 과거 고수계를 따라 분포하고 있고 이러한 지역은 주변의 원지반과 토성이 상이한 매립층에 해당한다. 강남역 일원에 대한 지반침하지도는 위험등급별 분포면적에서 분해능이 비교적 낮게 표현되는데, 본 연구에서 적용한 입력요소만으로도 강남역과 같이 밀집된 지역에서 위험도의 해상도를 높이기 위해서는 국소적인 이상대를 판별하기 위한 추가적인 입력요소의 선정이 필요하다.

Fig. 8.

Change of topography of Gangnam-gu

4. 결 론

여의도, 강남역 일원을 시범지역으로 하여 지형의 고도자료와 흐름분배 알고리즘으로 산정되는 지형주제도와 지질도, 단계별 지형변화, 토양심도, 토양특성 등을 반영한 지반의 지반침하지도를 작성하였다. 또한 미디어와 기 발표된 붕괴이력을 조사하여 위험지도의 신뢰성을 검토하는데 활용하였다.

국내 여러 기관에서 적용하는 지형기반의 재해위험도는 본 연구의 시범지역에서 붕괴이력과 유의성이 전혀 관찰되지 않았다. 이는 지형기반의 재해도가 지형의 기복을 기초로 하는 것에 반해 시범지역은 모두 평지에 해당하여 오히려 안정성이 높은 지역으로 분류되었다.

도심지 지반 붕괴위험도의 입력 자료로 지형요소 외에 시추공자료를 이용한 토층 심도, 토양도의 토성, 배수조건, 지하수 수위 등을 반영하여 저경사 평탄의 재해위험도가 높은 요소를 반영하였고, 더불어 고지형분석을 통해 원지반과 상이한 개발지역의 범위를 추출하여 입력요소로 활용하였다. 추가된 입력요소를 이용한 붕괴위험도는 실제 붕괴가 발생한 지점에서 위험도가 증가하였고 상당한 유의성을 지시하는 것으로 나타났다.

실제 붕괴자료와 지반침하지도의 매칭결과에서 기본의 지형요소맵에서는 3등급은 12%, 4등급은 88%을 보이고 있으며, 도심지 특성화맵을 통해 2등급 2%, 3등급 29%, 4등급 66%, 5등급 2%로 재해발생지의 2-3등급 매칭율이 상승하였다. 제시된 지반침하지도에서 안정영역에 대한 범위는 비교적 명확하게 제시된 반면 위험지역의 분포에서 해상도가 떨어지는 단점이 있었고, 이를 보완하기 위해서는 국소적인 이상대를 판별하기 위한 추가적인 입력요소의 선정이 필요할 것으로 판단된다. 또한 최근 발생된 도심지 붕괴지점들이 노후관로와 많은 연계성을 보이는 것으로 보도되고 있으므로 하수관망에 대한 자료(관망의 매설 및 보수시기)에 관련된 정보들을 축적하고 이를 활용함으로써 재해와 인위적인 요소와의 상관성 및 신뢰도를 검증하는데 좋은 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.