연안지역 홍수취약성 평가기법 개발
Development of a Flood Vulnerability Assessment Methodology for Coastal Areas
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Abstract
본 논문에서는 우리나라 연안지역에 대한 홍수취약성 평가기법을 개발하여, 홍수위험 관리 및 저감 대책에 필요한 기본정보를 제공하고자 한다. 따라서 본 논문에서는 지역별 중요도를 나타내는 지역중요성 지수(RSI) 및 홍수에 의한 피해가능성을 나타내는 피해가능성 지수(DPI)로부터 산정되는 연안홍수취약성 지수(CFVI)를 제시하였다. 지역중요성 지수(RSI)는 4개의 대리지표로 산정되며, 인구밀도와 취약인구비율로 구성된 인적요소와 자산밀도와 주요시설물비율로 구성되는 물적요소로 분류된다. 또한 6개의 대리지표가 피해가능성 지수(DPI)의 산정을 위해 구축되었으며, 일최대강수량과 태풍강우강도가 기상요소로, 극고조위 및 유역경사가 지형요소로, 그리고 재산피해와 침수면적이 재해요소로 각각 구성되었다. 선별된 10개의 홍수취약성 평가지표는 각기 다른 범위와 단위로 측정되기 때문에, 전국 74개 연안 시군구에 대한 홍수취약성 평가를 위해 표준화된 점수로 변환되었다. 연안홍수취약성 지수(CFVI)는 지자체의 통합 홍수위험 관리정책 의사결정에 중요한 역할을 할 것으로 기대한다.
Trans Abstract
This study developed a methodology of the flood vulnerability assessment for coastal areas in the Korean Peninsular, which can provide preliminary information for the flood risk management and damage reduction plans. This study therefore proposed CFVI (Coastal Flood Vulnerability Index) from RSI (Regional Significance Index) for regional importance of districts and DPI (Damage Possibility Index) for damage possibility by flooding. RSI is estimated by four representative factors, which are population density and vulnerable population ratio as for human factor, and property density and main facilities ratio as for physical factor. Six representative factors were also constructed for DPI: daily maximum rainfall and typhoon rainfall intensity for weather factor, extreme sea level and basin slope for geography factor, and property damages and inundation areas for damage factor. The selected ten flood vulnerability factors measured at different scales and units were transformed into standardized scores to evaluate the coastal flood vulnerability for the 74 administrative districts in coastal areas nationwide. This proposed CVFI is expected to play a significant role in decision-making of local governments on the integrated flood risk management strategies.
1. 서론
우리나라는 지형적 및 기후적 특성으로 인하여, 특히 연안지역에서의 홍수피해가 매년 반복적으로 크게 발생하는 특성을 가지고 있다. 홍수피해를 저감하기 위해서는 지형, 인문, 사회 등을 종합적으로 고려하여 해당 유역 및 하천의 다양한 특성에 따라 각기 다른 양상으로 나타나는 홍수위험의 대비가 필요하며, 이를 위하여 유역의 홍수원인 및 홍수취약성을 분석하기 위한 기초 조사 및 연구가 선행되어야 한다. 국내외에서 유역의 홍수취약성을 평가하기 위한 연구가 진행되어 왔고, 다양한 홍수취약성 분석기법이 제시되고 있지만, 분석기법에 따른 특징들로 인하여 정확하고 객관적인 분석에는 많은 어려움이 있다. 홍수위험에 합리적으로 대처하기 위해서는 유역의 다양한 기능을 종합적으로 진단하고 이를 객관적으로 정량화 할 수 있는 체계의 구축이 매우 절실하다고 할 수 있다. 우리나라의 홍수피해 저감대책은 주요 하천을 중심으로 주로 구조적인 방어대책 수립이 주로 이루어져 왔으나, 연안도시를 대상으로 한 치수대책이나 홍수피해 저감에 대한 연구는 상대적으로 부족한 형편이다. 따라서 본 연구의 목적은 연안유역에서 지역의 각종 정보를 이용한 홍수취약성 분석방안의 제시하여, 이를 통하여 통합홍수위험관리 측면에서 지역의 특성 및 중요도에 따른 지역별 홍수방어대책의 우선순위를 선정하고, 최적의 홍수방어 대안선정에 활용할 수 있도록 지원하고자 한다.
연안지역의 홍수취약성 분석을 위해서는 우선적으로 지역별 특성을 반영할 수 있는 적절한 평가지표의 선정 및 분류가 필요하다. 평가지표를 구분하는 방법으로 인과 관계적 접근방식을 적용한 PSR 모형은 1991년 OECD(Organization for Economic Co-operation and Development)에서 개발되어 국제기구나 각국의 지표설정에 주로 활용되고 있다(OECD, 1991). 압력지표(Pressure Indicator, PI), 현상지표(State Indicator, SI), 대책지표(Response Indicator, RI)로 구성되는 PSR 구조는 현 치수특성 평가문제를 인과관계로 분석 할 수 있으며, 사회, 경제 및 여타 쟁점사항간의 상호 연관된 관점에서 파악이 가능하다. 한편, DPSIR 모형은 OECD의 PSR 구조를 개선하여 1999년에 EEA(European Environmental Agency)가 제안한 모형이다(EAA, 1999). 추진력-압력-상태-영향-반응(Driving force-Pressure-State-Impact-Response)으로 구성된 DPSIR 구조는, 기존의 PSR 구조에서는 복잡한 생태학적 과정과 인간 환경의 상호인과관계를 포함하지 못하는 점을 보완하기 위하여 추진력과 영향으로 반영되는 개념을 도입하여 인간의 삶의 환경 및 경제적인 개념을 도입하였다. 또한, 2001년에 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)는 기후변화 취약성이란 한 시스템이 기후의 변이와 극한사상과 같은 기후변화의 부정적인 효과에 대해 쉽게 영향을 받거나 적절히 대처하지 못하는 정도를 의미하는 것으로, 특정 시스템에서 기후변화에 노출 정도와 민감도 및 적응능력의 함수라고 정의하였다(IPCC, 2001). 따라서 취약성은 시스템의 노출, 민감도, 적응 능력으로 인한 사후변화의 성질, 등급, 비율로 나타낸다. 반면, 우리나라 수자원장기종합계획에서 소개된 홍수피해잠재능(Potential Flood Damage, PFD)은 특정 치수단위구역의 홍수에 대한 잠재적인 홍수피해의 취약정도를 나타내는 지수이며, 홍수에 의한 잠재적인 피해정도를 나타내는 잠재성요소와 홍수피해가 발생할 가능성 및 이에 대한 방어능력 정도를 나타내는 위험성 요소로 평가지표를 구분하였다(MOLIT, 2000).
연안지역에 대한 홍수취약성 분석에 관한 연구로는, 미국 지질조사국 보고서(USGS, 1999)에서 연안의 경사, 지형특징, 조차, 침식률, 파고, 해수면상승 등 6개의 기본적 정보들을 종합한 연안취약성지수(Coastal Vulnerability Index, CVI)를 제시하였고, 우리나라 동해안 해수면 상승에 따른 연안역의 취약성 분석을 위해 한국환경정책평가연구원에서 이와 같은 USGS의 연안취약성지수(CVI)를 적용하였다(KEI, 2010). 한편, 인도의 동쪽 연안지역에 대한 홍수취약성 분석을 위해서는 연안 고도, 경사, 조위, 지형특징, 파고, 해일상승, 해수면 및 해안선 변화율 등의 8가지 지표를 통하여 산정한 연안취약성지수(Coastal Vulnerability Index, CVI)가 제시되었다(Kumar et al., 2010). 우리나라 연안재해취약성 평가체계 구축을 위해서는 국립해양조사원 주관으로 연안재해취약지수(COastal Priority Index, COPI)를 산정하여 연차적으로 권역별 연안취약성을 평가하고 있다(MOLIT, 2010). 연안재해취약지수(COPI)는 연안재해노출지수(COastal Disaster Exposure Index, CODI), 연안민감도지수(COastal Sensitivity Index, COSI), 그리고 연안적용능력지수(Coastal Adaptive Capacity Index, CACI)에 의해 산정된다. Lee and Choi(2016)은 우리나라 연안시군구를 대상으로 태풍 및 호우에 의한 최근 17개년(1998-2014년) 동안의 인명피해, 재산피해, 그리고 침수피해의 발생추이를 분석하여, 태풍 홍수취약성지수, 호우 홍수취약성지수, 그리고 2가지 발생원인을 함께 고려한 태풍/호우 홍수취약성지수를 각각 산정하였다. 이와 같이, 연구방법별로 다양한 홍수취약성 평가지표의 선정 및 분류, 그리고 이를 종합하는 방법이 다르므로, 우리나라 연안지역에 적합한 홍수취약성 평가방안의 제시가 필요하다.
본 논문에서는 지형적 및 기후적 특성으로 해마다 홍수로 인한 피해가 많이 발생하고 있는 우리나라 연안지역에 적용할 수 있는 홍수취약성 분석방법을 개발하기 위하여, 연안홍수취약성을 지역중요성과 피해가능성으로 구분하여 평가지표를 분류하고, 이를 대표할 수 있는 세부평가인자들을 선정하여 구축하였다.. 본 논문에서 제시한 지표분류기준에 따라 선정 및 구축된 평가인자들의 표준화 및 지수화를 통하여 새로운 연안홍수취약성 지수(Coastal Flood Vulnerability Index, CFVI)를 연안지역 시군구별로 산정하여, 우리나라 연안홍수취약성의 평가방안을 제시하고자 한다.
2. 홍수취약성 평가지표 선정 및 구축
2.1 대상 시군구 선정
본 논문에서는 연안지역에 대한 홍수취약성 분석을 위하여 해안을 접하고 있는 시군구를 대상으로, 지자체 행정구역 광역시의 시군구는 분구된 행정구역으로, 일반 도시의 경우는 하나의 시단위로 대상지역을 선정하였다. 이에 따라 Fig. 1과 같이, 전국 74개의 시군구(부산광역시 10개, 인천광역시 8개, 울산광역시 4개, 제주특별자치도 2개, 강원도 6개, 경기도 5개, 경상북도 5개, 그리고 경상남도 7개, 전라북도 4개, 전라남도 16개, 충청남도 7개)를 연안도시 홍수취약성 분석대상지역으로 선정하였다.
Administrative Districts for Study in Coastal Areas
2.2 평가지표 선정
홍수취약성 평가를 위한 평가인자의 대표적인 분류체계 중, PSR 구조(OECD, 1991)의 경우 대책지수의 인자들이 이미 대책의 효과가 반영된 결과인 현상지수와 중복적으로 평가되어 피해대책 영향을 실제보다 과도하게 산정할 우려가 있으며, DPSIR 구조(EEA, 1999)는 평가인자를 5가지 개념으로 구분하기가 복잡하고 지표를 구축하기 위한 많은 자료를 수집하는데 어려움이 있어, 이를 이용하여 분석하는데 적용상의 한계점을 가지고 있다. 또한 기후변화취약성 평가 이론(IPCC, 2001)의 경우 취약성을 이루는 노출성과 민감도는 성향이 비슷하여 구분이 모호할 수 있고, 적응능력 요소가 전체 홍수취약성을 실제보다 과도하게 완화할 우려가 있다.
본 논문에서는 홍수취약성에 영향을 비교적 직접적으로 미치는 대표적 평가인자를 선별할 수 있도록 홍수피해잠재능(PFD)의 지표분류 방법을 활용하여 평가인자들을 지역중요성 지표와 피해가능성 지표로 분류하여 구분하였다. 이에 따라, 지역의 중요성을 나타내는 지표에는 인적요소 및 물적요소를 선정하고, 피해가능성을 나타내는 지표에는 기상요소 및 지형요소와 아울러 적응능력이 반영된 홍수피해특성 자료인 재해요소를 평가지표로 선정하였다. 잠재성 지표의 인적요소로는 인구밀도와 취약인구비율을, 물적요소로는 자산밀도와 주요시설물비율을 각각 세부평가지표 항목으로 선정하였다. 연안지역의 특성을 고려한 피해가능성 지표의 세부평가지표 항목의 선정을 위하여 기상요소로는 일최대강우량과 태풍강우강도, 유역의 지형요소로는 고극조위와 유역경사를, 그리고 재해요소로는 재산피해액과 침수면적을 각각 세부평가지표들로 구성하였다. 이와 같이 구성된 총 10개의 세부평가지표항목은 Table 1과 같다.
Coastal Flood Vulnerability Factors
2.3 평가지표 구축
인적요소를 나타내는 평가인자로서 인구밀도와 취약인구비율을 세부평가지표로 구축하였다. 인적요소로서 인구밀도는 해당하는 시군구의 면적당 인구수로 산정함으로서 면적대비 인적 피해의 잠재성을 평가하기 위하여 구축하였고, 취약인구비율은 해당 시군구의 전체 인구당 취약인구수로 산정함으로서 인구대비 취약 인적 피해의 잠재성을 반영할 수 있도록 구축하였다. 취약인구수의 경우 홍수발생시 상대적으로 대처 반응이 힘든 0~4세와 65세 이상의 연령을 대상으로 구축하였으며, 이와 같은 인구수와 취약인구수는 통계청에서 제공하는 시군구 형태의 2014년 자료를 기준으로 산정하였다.
물적요소를 나타내는 평가인자로서 자산밀도와 주요시설물비율을 세부평가지표로 구축하였다. 지역의 시설물 및 건축물의 가치에 따른 홍수피해의 잠재성을 평가하기 위하여 각각 공시지가와 주요시설물면적 자료를 모두 해당 시군구의 면적당 비율로 산정하였다. 국토교통부에서 제공하는 2015년 자료를 사용한 공시지가의 경우 지역의 자산가치를 비교함으로서 해당지표를 통하여 물적 중요도를 평가할 수 있다. 주요시설물면적의 경우 환경부에서 제공하는 2011년 토지피복지도를 이용하여 산정하였으며, 주거지역, 공업지역, 상업지역, 문화⋅체육⋅휴양지역, 교통지역, 공공시설지역의 면적으로 이루어져있다.
기상요소를 나타내는 평가인자로서 일최대강우량과 태풍강우강도를 세부평가지표로 구축하였다. 관측된 최근 10년(2005∼2014) 평균 일최대강우량과 아울러 연안지역의 주요한 홍수피해원인 중에 하나인 태풍으로 인한 위험성을 평가하기 위하여 태풍내습 시 강우강도를 기상요소로 선정하였다. 관측 일최대강우량의 경우 기상청과 국토교통부의 502개 강우관측지점 자료를 이용하였고, 태풍강우강도는 최근 10개년(2005∼2014)간 우리나라에 영향을 미친 총 26개 태풍의 영향기간동안 73개 기상청 관측소에서의 시우량 자료를 사용하였다.
지형요소를 나타내는 평가인자로서 고극조위와 유역경사를 세부평가지표로 구축하였다. 고극조위는 일반 내륙지역과는 다른 연안지역의 자연적인 환경특성을 고려한 인자로, 장기 조위관측에서 천문조에 의한 최고조위에 기상조에 의한 이상조위가 함께 고려되어 실측된 연중 최고조위를 의미하며, 전국 조위관측소 45개 지점에서 10개년(2005∼2014)동안의 평균값을 이용하여 구축하였다. 유역경사의 경우 2010년을 기준으로 환경부에서 제공한 수치지형표고자료(Digital Elevation Model, DEM)를 이용하여 시군구별 평균경사를 산정하였으며, 대부분 유역의 최하단부에 위치한 연안지역의 배수조건을 고려하여 유역경사는 완만할수록 취약성이 높은 지역으로 평가된다.
재해요소를 나타내는 평가인자로서 홍수피해자료 중 재산피해액과 침수면적을 선정하여 평가지표를 구축하였다. 홍수피해자료는 해마다 발생특성이 상이하므로, 일정기간동안 집계된 자료의 통계값을 사용하여야 한다. 그러나 현재의 기상적, 지형적, 사회적, 경제적 상황과 다를 수 있는 오래전 과거 자료를 포함할 경우 현황을 반영하기 어렵고, 최근 단기간의 자료만을 분석할 경우 지역의 홍수피해특성을 충분히 고려할 수 없다(Lee and Choi, 2016). 따라서 본 연구에서는 최근 10개년(2005~2014)간 집계된 시군구별 홍수피해자료를 사용하였다. 홍수피해자료 중 홍수로 인한 사망, 실종 및 부상 등의 인구수를 나타내는 인명피해자수는 중요한 요소이지만, 인명피해자의 주민등록상 주소지 기준과 자료수의 부족으로 인하여 제외하였다. 홍수피해자료는 국가재난정보센터(National Disaster Information Center, www.safekorea.go.kr)에서 제공하는 자료로서, 재산피해액은 건물, 선박, 공공시설, 농작물, 기타 등의 손실액을 의미하며 화폐가치를 통계청의 2014년 소비자물가지수를 기준으로 환산하여 산정하였고, 침수면적은 홍수에 의한 농경지 및 기타 부지에 대한 침수면적을 나타낸다.
3. 연안지역 홍수취약성 분석
3.1 평가지표 표준화
4개의 지역중요성 지표 및 6개의 피해가능성 지표들은 각각 값의 범위와 단위가 다르기 때문에 지표의 표준화과정이 필요하다. 본 논문에서는 10개 유형별 홍수취약성 평가지표를 동일한 기준으로 비교하기 위하여, 원자료값의 분포 및 상대적 크기에 대한 자료특성을 변형없이 그대로 유지하여 지표를 표준화할 수 있도록 Eq. (1)과 같이 각 평가지표 자료의 원자료값(xi)을 최대값(xmax)으로 나누어 최대값 1의 지표값(si)으로 무차원 표준화하였다.
10개 평가지표의 표준화 결과는 Fig. 2에 나타내었다.
Spatial Distribution of Standardized Coastal Flood Vulnerability Factors
Coastal Flood Vulnerability Results
3.2 홍수취약성지수 산정
10개 평가지표를 이용하여 연안지역의 홍수취약성을 종합적으로 평가하기 위해서는 성격이 다른 각 지표의 특성을 종합하여 하나의 연안홍수취약성 지수(CFVI)로 나타내는 과정이 필요하다.
연안홍수취약성 지수(CFVI)의 산정에 앞서, 4개의 지역중요성 평가지표(RF1~RF4)를 종합한 지역중요성 지수(RSI)와 6개의 피해가능성 평가지표(DF1~DF6)를 종합한 피해가능성 지수(DPI)를 각각 Eqs. (2) 및 (3)에 의해 산정하였다.
여기서ai및bi는 가중계수로서, 각 평가지표에 대하여 적절하지 못한 기준으로 가중치를 적용하게 되면 연안홍수취약성 지수(CFVI) 산정결과에 큰 영향을 미칠 수 있다. 따라서 본 논문에서는ai= 1/4 및bi= 1/6를 적용하여, 지역중요성 지수(RSI)와 피해가능성 지수(DPI) 산정 시 각 평가지표들에 대한 동일한 가중치를 사용하였다.
최종적으로, 지역중요성 지수(RSI)와 피해가능성 지수(DPI)를 종합한 연안홍수취약성 지수(CFVI)는 다음 Eq. (4)에 의해 산정된다.
여기서α및β는 가중계수로서, 위에서 언급한 것과 같은 맥락으로 동일한 가중치인 1/2을 적용하였다.
3.3 홍수취약성 평가
74개 연안시군구에 대한 지역중요성 지수(RSI) 산정결과 부산광역시 및 인천광역시의 주요 지역이 높게 평가되었으며, 전반적으로 서해안 및 남해안 지역에 비하여 동해안 지역이 상대적으로 지역중요성이 낮게 분석되었다. 한편, 피해가능성 지수(DPI)의 경우, 남해안 지역의 시군구들이 높게 분석되었으며, 지역중요성 지수(RSI) 와 비슷한 양상으로 서해안에 비해 동해안 지역의 피해가능성이 상대적으로 낮게 평가되었다. 지역중요성 지수(RSI)와 피해가능성 지수(DPI)를 종합한 연안홍수취약성 지수(CFVI)의 산정결과, 부산광역시 중구, 인천광역시 남구, 동구, 부산광역시 수영구, 인천광역시 남동구, 부산광역시 동구, 경남 창원시, 부산광역시 남구, 서구, 영도구, 인천광역시 연수구, 부산광역시 해운대구, 사하구, 인천광역시 서구, 전남 고흥군 등 15개 시군구가 분석대상 상위 20%의 홍수취약성이 높은 지역으로 평가되었다. 이와 같이, 지역중요성이 높은 부산광역시 및 인천광역시의 주요 구들이 피해가능성에서도 증간이상의 수치로, 연안지역 홍수취약성 종합결과에서 상위권에 속하는 결과를 보이며, 다른 지역에 비해 취약성이 상대적으로 높은 것으로 평가되었다. 반면에 동해안의 대부분 시군구들은 어느 정도이상의 피해가능성을 보이나, 지역중요도가 상대적으로 낮게 평가되어, 울산광역시와 강원도 양양군을 제외하고는 연안홍수취약성이 전반적으로 낮게 평가되었다.
4. 결론
우리나라는 지형적 및 기후적 영향으로 연안지역에서 매년 홍수피해가 지속적으로 발생하고 있기 때문에, 연안지역의 특성을 고려한 홍수피해 저감대책의 수립이 필요하며, 연안지역에 적합한 치수대책의 수립을 위하여 연안홍수취약성 평가가 필요하다. 따라서 연안지역 시군구에 대한 홍수취약성을 평가하여 연안지역 수재해 정책 및 대책 수립의 우선순위 선정에 필요한 정보를 제공하기 위해, 본 논문에서는 연안지역의 홍수피해 특성을 지역증요도와 피해가능성으로 구분하고, 수집가능한 대리지표를 선별하였다. 지역중요성 지수(RSI)를 평가하는 지표로는 인구밀도 및 취약인구비율로 구성되는 인적요소와 자산밀도 및 주요시설물비율로 구성되는 물적요소를 고려하였다. 홍수에 의한 피해가능성을 평가하는 피해가능성 지수(DPI) 산정을 위해 기상요소로 일최대강수량 및 태풍강우강도, 지형요소로 고극조위 및 유역경사, 그리고 재해요소로 재산피해액 및 침수면적을 각각 평가지표로 선정하여 구축하였다. 이와 같이 구축된 10개의 세부평가지표들을 표준화 및 지수화 분석을 통해 지역중요성 지수(RSI)와 피해가능성 지수(DPI)를 산정하였고, 2개의 지수를 종합한 연안홍수취약성 지수(CFVI)를 전국 74개 연안시군구별로 산정하였다. 연안홍수취약성 평가결과, 동해안에 비하여 서해안과 남해안의 홍수취약성이 상대적으로 높은 것으로 분석되었으며, 특히 부산광역시와 인천광역시의 주요 지역에서 홍수취약성이 높은 것으로 평가되었다.
본 논문에서 산정한 연안홍수취약성 지수(CFVI)는 4개의 지역중요성 평가지표와 6개 피해가능성 평가지표가 연안지역 홍수취약성에 미치는 영향이 각각 독립적이고 동등하다고 가정하였으므로, 후속 연구를 통하여 연안지역 홍수취약성에 미치는 다양한 평가지표의 영향을 분석할 필요가 있다. 또한 기후변화로 인한 강수량 및 해수면 변화율 등의 기후변화 영향인자를 평가지표로 추가하여 포함하고, 시군구별로 집계된 홍수피해 자료의 정확성 및 공간해상도의 고도화를 수행한다면, 보다 정밀하고 포괄적인 연안지역 홍수취약성을 평가할 수 있을 것으로 기대한다.
감사의 글
본 연구는 정부(국민안전처)의 재원으로 자연재해저감기술개발사업단의 지원을 받아 수행된 연구임 [MPSS-자연-2015-77].