1. 서 론
한반도 주변에서 중규모 이상 지진의 발생빈도가 증가함에 따라 사회기반시설의 기능 저하에 대한 우려가 높아지고 있다. 2016년 경주 지진(M = 5.8)과 2017년 포항 지진(M = 5.4), 2011년 동일본 대지진 등의 사례는 건물 피해뿐만 아니라 상수도, 전력, 가스 등 핵심 라이프라인 인프라의 취약성을 보여주었다. 상수도 시스템의 경우 지하 매설 특성과 광범위한 관로 연장, 높은 노후화율로 인해 지진 손상에 특히 취약한 것으로 평가된다. 상수관망에 지진이 발생하면 물리적 파손과 기능적 단절로 인해 단수, 누수, 압력 저하, 수질 이상 등이 연쇄적으로 나타날 수 있다. 동일본 대지진 시에는 센다이 지역 송수관망의 65% 이상이 손상되어 일부 지역의 물공급이 6개월 이상 중단되었다(Kameda, 2000).
상수도 시스템 복구 시 중요한 것은 물공급과 함께 공급되는 물의 수질을 안정적으로 확보하는 것이다. 관로 파손은 유량 감소와 흐름 패턴 변화를 초래하여 관망 내 물의 체류시간(Water Age)을 증가시키게 되며 이는 염소 잔류량 감소, 미생물 증식, 부식 생성물 용출 등의 수질 악화가 발생한다. 체류시간은 정수장 출수부터 소비자 도달까지의 소요시간을 의미한다. 지진에 의한 관로 파손이나 유로 단절 시 관망 내 유속 감소와 일부 구간의 흐름 정체로 인해 비정상적으로 증가하게 된다. WHO 수질기준과 국내 먹는물 수질기준은 수돗물의 체류시간을 48시간 이하로 유지하도록 권고하고 있다. 이를 초과할 경우 염소 잔류량 부족에 따른 미생물 증식 위험과 관로 내벽 부식생성물 용출이 급증한다. 이에 따라 지진에 의한 상수관망 손상과 체류시간 증가의 정량적 분석 및 수질 악화 가능성의 체계적 평가는 재난 이후 상수도 시스템 회복탄력성 확보를 위한 핵심 요소라 할 수 있다.
국외에서는 지진 발생 시 상수관망의 지진 복원력 확보를 위한 연구가 활발히 수행되어 왔다. Davis (2014)는 상수도 시스템의 기능 복구 단계를 수질, 수압, 유량, 연결성, 공간적 확장성이라는 다섯 가지 핵심 기능 요소를 중심으로 분석하였으며, 특히 수질 회복 지연이 전체 시스템 복구의 주요 병목이 될 수 있음을 지적하였다. EPA (2002)는 ‘Water Age’ 개념을 도입하여 관망 내 체류시간 증가가 수질에 미치는 영향을 구조적으로 분석하였다. 체류시간 연장이 잔류염소의 점진적 소모를 야기하고 이것이 미생물 증식, 혼탁도 상승, 소독 부산물 형성 등의 수질 저하 현상으로 이어진다고 보고하였다. 체류시간 증가에 따른 HPC (Heterotrophic Plate Count) 수치 상승과 잔류염소 농도 감소는 Shamsaei et al. (2013)에 의해 실증적으로 제시되었으며 Kerneïs et al. (1995)은 장기 체류수의 생물학적 수질 안정성 저하 가능성을 언급하였다. Yu et al. (2024)은 중국 본토 720개 도시의 상수도 시스템 지진 위험도를 평가하면서 관재질, 배관 형상, 지역별 지진 강도 등을 고려한 시나리오 기반 손상 확률 모델을 개발하였고 Wu et al. (2023)은 지진 이후 상수도 시스템 회복탄력성 평가를 위한 정량적 프레임워크를 제안하였다.
국내 선행연구에서는 지진 발생 시 상수관망 손상과 복구에 관한 다양한 연구가 진행되었다. Jeong et al. (2023)은 수체 및 관체 반응계수의 온도 의존성을 고려하여 월별 잔류염소농도 변화 특성을 반영한 수질 예측 모델을 개발하였다. EPANET 2.2 기반으로 월별 수온 변화에 따른 수질 반응계수 보정을 통해 정수장 적정 염소 투입량과 수질 취약지역을 분석하였다. Choi (2017)는 관로 손상 분포에 따른 다양한 복구 시나리오를 설정하고 복구 인력 배치 전략이 물공급 복원 속도와 시스템 안정성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. Youn (2020)은 수리해석 모델을 통해 상수도 관망 내 단수 위험도와 수질 리스크를 구분 평가하였고 관로 파손으로 인한 유속 저하가 염소 소모 가속화와 정체 구간 침전물 축적 가능성을 증가시킨다는 점을 강조하였다. Lim (2022)은 건물도괴위험도, 화재위험도, 대피위험도, 단수위험도의 네 가지 인자를 통해 전주시 대상 지진 피해 위험도 평가 지표를 개발하였고 GIS 기반 공간분석을 통한 행정동 단위 위험도 시각화를 수행하였다. 하지만 해당 연구는 물공급률 회복에 중점을 두어 지진 이후 수질 변화나 수질 악화 경로에 대한 내용은 다루지 않았다.
국내외 선행연구들은 관망 구조적 복구, 수질 항목별 개별 분석, 복구 시뮬레이션 기반 평가 등 다양한 접근을 시도하고 있다. 그러나 기존 연구 대부분은 건물 붕괴, 인명 피해, 물리적 지표나 단수 발생 등 수 서비스 중단 측면에 중점을 두었고 상수도 시스템의 수질 저하, 특히 체류시간 증가로 인한 공중보건 리스크와 같은 요소는 평가 지표로 충분히 반영되지 못하였다. 실제로는 지진 이후 관로 파손, 압력 저하, 비정상 유입 등으로 관망 내 유속이 감소하고 체류시간 증가로 인해 잔류염소 소멸, 병원성 미생물 증식, 소독 부산물 형성 등의 수질 악화가 연쇄적으로 발생할 수 있다. 이러한 현상은 단순한 단수보다 심각한 공중보건 문제를 야기할 수 있음에도 불구하고, 대부분의 지진 위험도 평가 체계에서는 반영되지 않고 있다.
지진 위험도 평가에서는 건물, 화재, 대피, 단수 등 서로 다른 성격의 위험 인자들을 하나의 통합 지표로 결합해야 한다. 각 인자의 상대적 중요도를 결정하는 가중치 산정이 핵심적인 과제가 된다. 가중치 산정 방법은 크게 전문가 판단에 기반한 주관적 방법과 데이터의 통계적 특성에 기반한 객관적 방법으로 구분할 수 있다. 위험도 평가의 가중치 산정 방법론에서도 중요한 한계점들이 확인된다. 기존 연구에서 널리 사용되는 AHP (Analytic Hierarchy Process) 등의 주관적 가중치 방법은 전문가 경험과 판단에 의존하므로 연구자에 따라 상이한 결과가 도출될 가능성이 높다. 특히 신규 지표 도입 상황에서는 기존 전문가 경험이나 선호도에 의존하기 어려운 한계가 존재한다. 이에 반해 Shannon (1948)이 개발한 엔트로피 방법은 각 평가기준의 정보량을 기초로 객관적인 가중치를 산정할 수 있어 주관적 판단에 의한 편향을 최소화할 수 있는 장점을 갖는다. 엔트로피 방법에서는 해당 기준이 제공하는 정보량에 비례하여 각 평가기준의 가중치가 결정된다.
AHP와 엔트로피 방법을 활용한 위험도 평가 연구가 수행되었으나, 두 방법론의 체계적 비교 분석은 미흡한 실정이다. 특히 동일가중치 방법은 계산의 단순성과 이해의 용이성이라는 장점을 갖지만 각 지표의 실제 정보량이나 차별화 기여도를 고려하지 못한다는 한계가 있다. 따라서 본 연구는 경주시를 대상으로 기존 4개 위험도 지표(건물도괴위험도, 화재위험도, 대피위험도, 단수위험도)에 체류시간 기반 수질위험도를 새로운 독립 인자로 추가한 5개 지표 통합 평가체계를 구축하였다. 수질위험도는 EPANET 수리모형을 통해 지진 시나리오별 관내 체류시간 증가를 시뮬레이션하고 48시간 기준으로 수질 안전성을 평가하는 방법론을 적용하였다. 본 연구의 핵심 기여는 엔트로피 방법과 동일가중치 방법의 체계적 비교 분석을 통해 각 가중치 산정 방법론의 특성과 적용성을 정량적으로 검토하는 것이다. 엔트로피 방법은 각 지표의 정보량에 따라 객관적 가중치를 산정하여 데이터 자체의 특성을 반영하는 반면, 동일가중치 방법은 모든 지표에 동등한 중요도를 부여하여 전문가 판단이나 데이터 분포에 영향을 받지 않는 단순성을 갖는다. 두 방법론을 동일한 데이터셋에 적용하여 지진 규모별(M = 5.0, M = 7.0) 가중치 변화 패턴과 지역별 위험도 순위 변화를 비교함으로써 경주시 45개 법정동의 공간적 위험도 분포를 파악하고 위험지역의 우선순위를 제시하여 효과적인 재해 예방 및 대응 방안 수립에 기여하고자 한다.
2. 지진 위험도 및 수질위험도 평가기준
2.1 지진 위험도 평가기준
지진 위험도 평가는 크게 ‘물리적 피해’와 ‘기능적 피해’로 구분되며 평가요소로는 건물, 화재, 대피, 라이프라인 등이 있다. 국내외 지진 위험도 평가기준에 따른 주요 인자는 Table 1과 같으며 ‘기능적 피해’의 경우 ‘물리적 피해’보다 수질 안전성까지 고려한 통합적 평가의 필요성이 제기되고 있다. 그 이유는 상수관망의 경우 지진으로 인한 관로 파손과 체류시간 증가로 인한 수질 악화 가능성이 크기 때문이며 기존 연구에서는 단순한 단수 여부만을 고려하고 있다. 본 연구에서는 지진 위험도 평가요소를 검토한 결과 기존 4개 지표(건물도괴, 화재, 대피, 단수)에 수질위험도를 추가한 5개 지표 체계가 적합한 것으로 판단하였다. 그리고 기존 연구 및 평가기준 등에서는 가중치 산정 시 주관적 방법만을 제시하였을 뿐 객관적 방법과의 비교 연구는 확인할 수 없었다.
2.2 경주시 지진 현황
본 연구는 지진 위험도 평가의 실증성을 확보하기 위해 2016년 경주지진(M = 5.8) 피해 현황을 조사하였다. 조사지역으로는 진원지 인근인 외동읍, 황오동, 교동, 북군동과 상수도 피해가 발생한 감포읍, 서악동을 조사하였다. 조사 결과 건물 피해는 총 5,200여 건이 신고되었으며 이 중 완전파손 21건, 반파손 158건, 일부파손 5,043건으로 분류되었다(Fig. 1). 조사한 지역의 상수도 시설 피해는 주로 관로 파손에 집중되었으며, 총 47개소의 누수 사고가 발생하였다. 그러나 설치된 상수관망 중 수질 모니터링 시설은 일부구간에만 설치된 사례를 확인할 수 있었다. 하지만 설치된 모니터링 시설은 정수장에서 배수지로의 송수 과정에서의 수질 관리시설일 뿐 배수지에서 소비자까지의 배급수 과정에서의 수질 저하를 관리하기 위한 시설은 확인할 수 없었다. 경주시 상수관망의 경우 관로 연장 7,800 km, 배수지 42개소, 가압장 18개소로 구성되어 있으며, 관종별로는 주철관, 덕타일주철관, PE관 등이 분포하고 있다. 관경별 분포를 보면 100 mm 이하가 전체의 60% 이상을 차지하고 있어 소구경 관로의 비중이 높은 특성을 보인다. 특히 외곽 지역일수록 관로 밀도가 낮고 단선형 공급구조를 가진 특징을 보이며, 이는 지진 시 우회 공급 경로 확보가 어려워 체류시간 증가에 따른 수질 악화 위험이 높은 것으로 판단된다.
2.3 수질위험도 평가기준 고찰
상수관망에서 수질 안전성을 위한 체류시간 기준의 적정성을 검토하기 위해 국내외 연구내용, 수질기준, 실제 수질 변화 사례에 대하여 비교하였다. 국내외 연구에서는 Table 2와 같이 체류시간이 24시간~72시간을 초과할 때 수질 안전성이 급격히 저하된다고 제시되었으며(Kerneïs et al., 1995; EPA, 2002) 실제로 체류시간 증가에 따른 잔류염소 농도는 지수함수적으로 감소한다고 보고되었다.
Table 2
Comparison of Water Age Criteria for Water Quality
| Source | Organization/Study | Water Age Criterion | Water Quality Parameter | Note |
|---|---|---|---|---|
| International | EPA (2002) | ≤ 48 hours | Chlorine Residual | Standard |
| Domestic | Ministry of Environment | ≤ 48 hours | General Standard | Regulation |
| Research | Clark et al. (1993) | 24-48 hours | Chlorine Decay | Critical Point |
| Kerneïs et al. (1995) | 48-72 hours | Microbial Growth | Risk Threshold | |
| Shamsaei et al. (2013) | > 48 hours | HPC (Heterotrophic Plate Count) Increase | Significant Change |
또한 체류시간이 증가하면 다양한 수질 문제가 발생할 수 있다. 먼저 미생물학적 측면에서 체류시간이 48시간을 초과할 경우 잔류염소 농도가 0.1 mg/L 이하로 감소하여 살균력이 저하되고, 이로 인해 일반세균, 대장균군, 레지오넬라균 등 병원성 미생물의 재성장이 발생하며 HPC 수치가 지수함수적으로 증가한다(Shamsaei et al., 2013). 화학적으로는 장기간 체류로 인한 관로 내벽의 부식 가속화로 철, 망간 등 중금속이 용출될 수 있다. 또한 잔류염소와 유기물의 반응으로 트리할로메탄(THMs), 할로아세트산(HAAs) 등 소독부산물 농도가 증가하여 발암 위험성이 높아진다. 물리적으로는 유속 감소로 인한 침전물 축적과 바이오필름 형성으로 혼탁도가 상승하고 맛과 냄새가 악화되어 음용적합성이 저하된다. 이 외에도 국내 먹는물 수질기준을 대상으로 선행연구에서 제시한 수질 악화 임계 체류시간, 48시간 기준의 적정성 등을 같이 비교하였다. 선행연구에서 제시하고 있는 수질 악화 임계 체류시간은 24~72시간으로 다양하나 국내 기준에서 권고하는 48시간은 중간값에 해당하며 안전 마진을 고려한 적정한 기준으로 판단된다. 2016년 경주지진 시 일부 지역에서 실제 측정된 체류시간은 최대 96시간까지 증가하여 현재의 48시간 기준을 크게 초과하는 것으로 확인되었다.
따라서 현재의 48시간 체류시간 기준은 극한 상황이 아닌 일반적인 지진 조건에서는 충분한 수질 안전성을 확보하고 있어 수질위험도 평가기준으로 타당하다고 판단된다. 그러나 상수관망의 수질 안전성을 지속적으로 유지하기 위해서는 지진으로 인한 체류시간 증가를 사전에 예측하고 평가할 수 있는 수질위험도 평가 체계를 구축하는 것이 필요하다.
3. 지진 위험도 평가 방법론
3.1 지진 위험도 평가 방법
본 연구는 경주시 45개 법정동을 대상으로 5개 위험도 인자를 산정하고 엔트로피 가중치법과 동일가중치법을 비교하여 통합 지진 위험도를 평가하는 절차로 수행된다.
전체 연구 절차는 5단계로 구성되며, 1단계에서는 경주시 법정동별 건축물, 인구, 도로, 상수관망 등 기초 공간데이터를 수집하고 GIS 기반으로 통합 데이터베이스를 구축한다. 2단계에서는 구축된 데이터를 활용하여 건물도괴위험도, 화재위험도, 대피위험도는 공간분석을 통해 산정하고, 단수위험도와 수질위험도는 각각 REVAS.NET과 EPANET 모델링을 통해 산정한다. 3단계에서는 5개 위험도 지표의 엔트로피값을 계산하여 객관적 가중치를 도출하고 이를 비교를 위해 동일가중치도 함께 적용한다. 4단계에서는 가중합 방법을 사용하여 법정동별 통합 지진 위험도를 산정하며, 5단계에서는 두 가중치 방법의 결과를 비교 분석하여 방법론별 특성과 차이점을 도출한다.
3.2 데이터 수집 및 구축
경주시 45개 법정동별 위험도 산정을 위해 건축물, 인구, 도로, 상수관망 등 4개 분야의 기초 데이터를 수집하였다. 건축물 관련 데이터는 경주시청으로부터 건축물대장 전수 자료를 확보하여 건축연도, 구조형식, 용도, 층수 등 총 15개 속성정보를 구축하였다. 인구 데이터는 통계청 인구주택총조사(KOSIS, 2020) 기준 법정동별 상주인구와 주간활동인구 자료를 활용하였으며, 도로망 현황은 국토교통부 도로명주소 전자지도에서 도로폭별 연장 정보를 추출하였다.
상수관망 데이터는 경주시상수도사업본부에서 제공하는 관망도를 기반으로 관로 연장 7,800 km, 배수지 42개소, 가압장 18개소에 대한 상세 정보를 구축하였다. 특히 관로의 경우 관경, 관종, 매설년도, 매설깊이 등의 속성정보를 포함하여 지진 취약도 분석에 활용하였다.
수집된 각종 데이터를 법정동 단위로 통합하기 위해 ArcGIS 10.8을 활용하여 공간분석을 수행하였다. 건축물 데이터는 건물별 좌표를 기준으로 해당 법정동을 할당하였으며, 도로 데이터는 법정동 경계와 교차분석(Intersect)을 통해 법정동별 도로연장을 산정하였다. 상수관망의 경우 관로 및 시설물의 좌표 정보를 활용하여 법정동별 관로밀도와 시설 분포를 파악하였다.
3.3 개별 위험도 산정 방법
건물도괴위험도는 법정동별 전체 건축물을 대상으로 내진설계 적용여부, 중요도계수, 경사도 가중치, 노후도 가중치의 4개 인자를 곱하여 개별 건물의 위험도를 산정한 후, 법정동별 평균값으로 도출한다.
내진설계 적용여부는 1988년 내진설계기준 도입을 기점으로 이후 건축물은 1.0, 이전 건축물은 2.0의 계수를 적용한다. 중요도계수는 건축물의 구조기준 등에 관한 규칙에 따라 특급(1.5), 1급(1.2), 일반(1.0)으로 구분하며, 경사도 가중치는 25% 미만 평지는 1.0, 25% 이상 급경사지는 1.25를 적용한다. 노후도 가중치는 국세청 건물 기준시가 산정방법의 구조형식별 연상각률을 활용하여 철근콘크리트조(0.018), 목조(0.0225), 경량철골조(0.03), 컨테이너(0.045)로 차등 적용한다.
화재위험도는 화재하중위험도와 연소위험도를 결합하여 산정한다. 화재하중위험도는 건축물 용도별 화재 발생 빈도와 피해 규모를 고려하여 1~5등급으로 분류하며, 묘지관련시설(1.0), 주거시설(1.25), 교육시설(1.5), 숙박시설(1.75), 공장시설(2.0)의 계수를 적용한다.
연소위험도는 소방차 접근성을 나타내는 지표로 도로폭 5 m 미만의 협소도로 비율로 산정한다. 협소도로 비율이 0.1 미만이면 1.0, 0.1~0.3이면 1.25, 0.3~0.5이면 1.5, 0.5 이상이면 2.0의 계수를 적용한다. 최종 화재위험도는 각 건물의 화재하중위험도에 연면적을 가중한 평균값에 연소위험도를 곱하여 산정한다.
대피위험도는 지진 발생 시 안전한 장소로 대피하는 과정에서의 혼잡도를 나타내는 지표로 대피예상인구를 유효도로면적으로 나누어 산정한다. 대피예상인구는 주간과 야간의 인구분포 차이를 고려하여 상주인구에 주간인구지수를 적용한 주간인구와 상주인구인 야간인구의 평균값으로 계산한다.
유효도로면적은 대피 시 충분한 통행공간을 확보할 수 있는 도로폭 5 m 이상 도로의 총면적으로 정의한다. 행정동과 법정동의 경계가 일치하지 않는 경우에는 면적 비율을 고려하여 인구를 재배분하며, 최종 대피위험도는 단위면적당 대피인구 밀도(명/m2)로 산출한다.
단수위험도는 Yoo (2013)가 개발한 REVAS.NET 프로그램을 활용하여지진 시나리오별 상수관망의 시스템 서비스 가능도를 산정한 후 이의 보수개념으로 정의한다. 관로 취약도 분석에서는 ALA (2001) 기준에 따라 최대지반속도(PGV) 기반 수리율(Repair Rate) 개념을 사용하고 관경, 관종, 지형, 액상화 조건에 따른 보정계수를 적용한다. REVAS.NET 분석에서는 관로의 지진 손상 가능성을 계산하기 위해 국제적으로 검증된 기준값들을 적용하였다. ALA (2001)가 제시한 미국 서부지역 지진 데이터를 기반으로 관로 파손률 계산의 기본값 2.25 × 10-4를 사용하였다. 관의 굵기에 따른 영향을 반영하기 위해 100 mm 미만의 가는 관은 1.6배, 100-200 mm는 기준값 1.0, 200-500 mm는 0.8배, 500 mm 이상 굵은 관은 0.5배의 보정값을 적용하였다. 관 재질별로는 주철관을 기준(1.0)으로 하여 강관과 덕타일주철관은 0.3, PE관은 0.8의 값을 사용하였다. 이는 Isoyama et al. (2000)이 일본의 지진 피해를 분석한 연구결과를 참고한 것이다.
배수지 및 가압장 등 상수도 시설의 취약도는 최대지반가속도(PGA) 기반 취약도 곡선을 사용하며, Extensive 및 Complete Damage 상태일 경우 시설 기능정지로 간주한다. Monte Carlo Simulation을 통해 100회의 독립적인 손상 시나리오를 생성하고 각 시나리오별로 시스템 서비스가능도를 산정한 후 평균값을 해당 지역의 단수위험도로 결정한다.
수질위험도는 지진으로 인한 상수관망 손상이 관내 체류시간 증가를 통해 수질 악화로 이어지는 위험성을 정량화한 지표이다. 산정 절차는 4단계로 구성되며, 1단계에서는 REVAS.NET에서 도출된 관로 손상 시나리오를 EPANET 모델에 반영하여 손상된 관망 모델을 구축한다.
2단계에서는 각 손상 시나리오별로 EPANET의 수질해석 모듈을 활용하여 관망 전체 절점의 체류시간을 산정한다. 3단계에서는 WHO 및 국내 먹는물 수질기준에서 권고하는 48시간을 기준으로 각 절점의 수질 안전성을 평가하며 4단계에서는 법정동별로 48시간 초과 절점의 비율을 산정하고 100회 시뮬레이션 결과의 평균값을 해당 법정동의 수질위험도로 결정한다.
3.4 가중치 산정 및 통합 평가
엔트로피 가중치법은 Shannon의 정보 엔트로피 이론을 기반으로 각 지표의 정보량에 따라 객관적 가중치를 산정하는 방법이다. 본 연구에서는 다음 4단계 절차를 통해 가중치를 도출한다.
1단계에서는 각 법정동의 위험도 지표값을 이용하여 상대적 비율을 계산한다. 2단계에서는 법정동 개수에 관계없이 비교 가능하도록 정규화 상수를 계산하며 3단계에서는 각 지표의 엔트로피값을 산정한다. 4단계에서는 1에서 엔트로피를 뺀 정보량을 계산하고, 각 지표의 정보량 비율로 최종 가중치를 결정한다.
엔트로피 방법과 동일가중치 방법으로 각각 산정된 가중치를 활용하여 법정동별 통합 지진 위험도를 계산한다. 통합 위험도는 5개 위험도 지표값에 해당 가중치를 곱한 후 합산하는 가중합(Weighted Sum) 방법을 적용하며, 최종값은 0~1 범위로 표준화하여 지역별 상대적 위험 수준을 나타낸다.
4. 경주시 지진 위험도 평가 결과 분석
수질위험도를 고려한 경주시 지진 위험도 평가를 위하여 엔트로피 방법과 동일가중치법을 적용한 5개 인자 통합 평가 체계를 구축하였다. 기존 4개 인자(건물도괴, 화재, 대피, 단수위험도)에 새롭게 도입한 수질위험도의 영향을 정량적으로 분석하고 두 가중치 산정 방법론 간의 차이점을 비교 평가하였다. REVAS.NET과 EPANET를 연계한 확률론적 해석을 통해 지진 규모별 위험도 변화를 도출하였으며, 2016년 경주지진 실증 사례를 통해 평가 결과의 현실 적합성을 검증하였다.
4.1 연구대상지역 분석 조건
경주시 45개 법정동을 대상으로 한 지진 위험도 평가를 위하여 Table 3과 같은 분석 조건을 설정하였다. 지진 시나리오는 중규모 지진(M = 5.0)과 강진(M = 7.0)으로 구분하여 적용하였으며, 수질위험도 산정을 위한 체류시간 기준은 WHO 및 국내 기준에 따라 48시간으로 설정하였다. 가중치 산정에는 Shannon 엔트로피 이론 기반의 객관적 방법과 모든 인자에 0.2를 부여하는 동일가중치 방법을 병행 적용하여 결과를 비교 분석하였다.
Table 3
Analysis Conditions for Seismic Risk Assessment
4.2 개별위험도 산정 결과
수질위험도는 M = 5.0에서 평균 0.0824, M = 7.0에서 평균 0.1194로 44.9% 증가하였다. Fig. 1에서 확인할 수 있듯이 M = 5.0 조건에서는 건천읍(0.9167)만이 극고위험을 보였고 42개 법정동(93.3%)이 저위험으로 분류되었다. M = 7.0에서는 건천읍이 0.7407로 감소한 반면 위험 지역 수는 증가하여 수질 영향 범위가 확산되는 경향을 보였다. 또한 Table 2는 5개 위험도 인자의 통계적 특성을 비교한 결과이다. 수질위험도는 평균값은 가장 낮았으나 변동계수가 1.699로 가장 높아 지역 간 변별력이 탁월하였다. 건물도괴위험도는 평균 0.4663으로 높았으나 표준편차 0.0933으로 변별력이 제한적이었다.
4.3 엔트로피 가중치 산정 결과
엔트로피 방법을 적용하여 산정한 가중치는 지진 규모별로 상이한 분포를 보였다. Table 4에서 확인할 수 있듯이 M = 5.0에서는 수질위험도(38.28%)가 최고 가중치를, M = 7.0에서는 대피위험도(47.72%)가 최고 가중치를 나타냈다.
Table 4
Entropy Weight Results by Earthquake Magnitude
4.4 통합 위험도 결과 비교
엔트로피 가중치법과 동일가중치법을 적용한 통합 지진 위험도 결과는 Tables 5~8과 같이 차이를 보였다. M = 5.0 조건에서 엔트로피 방법은 건천읍(0.4841)을 최고위험 지역으로 식별한 반면, 동일가중치 방법은 남산동(0.5003)을 최고위험 지역으로 평가하여 방법론별 차별화된 결과를 도출하였다.
Table 5
Integrated Seismic Risk Assessment Using Entropy Weighting Method (M = 5.0)
Table 6
Integrated Seismic Risk Assessment Using Entropy Weighting Method (M = 7.0)
Table 7
Integrated Seismic Risk Assessment Using Equal Weighting Method (M = 5.0)
Table 8
Integrated Seismic Risk Assessment Using Equal Weighting Method (M = 7.0)
두 방법론 간의 결과를 비교한 결과 Fig. 1과 같이 개별 지역 수준에서는 상당한 순위 변화가 관찰되었으며 특히 수질위험도가 높은 지역들에서 두 방법론 간 차이가 현저하게 나타났다.
건천읍의 경우 엔트로피 방법에서 1위를 차지한 것은 극도로 높은 수질위험도(0.9167)가 높은 가중치(38.28%)와 결합된 결과이다. 반면 동일가중치 방법에서는 수질위험도의 특수성이 희석되어 4위에 그쳤다. 이는 엔트로피 방법이 데이터의 고유한 특성을 더 정확히 반영한다는 것을 보여주는 사례이다. 또한 두 방법론의 공간적 위험도 분포를 비교한 결과, 엔트로피 가중치법에서는 외곽 지역의 기능적 취약성이 부각되는 반면, 동일가중치법에서는 도심 중심부의 종합적 위험이 강조되는 차별적 패턴을 확인하였다. 엔트로피 방법에서 상위권을 차지한 건천읍, 안강읍, 강동면 등은 모두 경주시 외곽에 위치하여 장거리 송수관로와 단선형 공급구조의 취약성을 반영한 결과이다. 반면 동일가중치 방법에서는 남산동, 시동, 교동 등 도심 지역이 상위권을 차지하여 물리적 위험 요소들의 종합적 영향이 반영되었다. 엔트로피 가중치법은 각 지표의 정보량에 따라 객관적 가중치를 산정하여 데이터 기반의 정밀한 우선순위를 제공하는 장점이 있다. 특히 수질위험도와 같이 지역별 변별력이 큰 지표의 중요성을 적절히 반영할 수 있어, 특정 위험 요소에 대한 집중적 대응이 필요한 경우에 유용하다. 반면 동일가중치법은 모든 위험 요소를 균등하게 고려하여 직관적이고 이해하기 쉬운 결과를 제공한다. 복합적 위험 상황에서 균형잡힌 관점의 종합 평가가 필요한 경우에 적합하며, 계산이 단순하여 실무 적용성이 높다는 장점이 있다. 따라서 정밀한 위험 우선순위 도출이 필요한 경우에는 엔트로피 방법이, 종합적 관점의 균형 잡힌 평가가 필요한 경우에는 동일가중치 방법이 더 적절한 것으로 판단된다.
4.5 2016년 경주지진 사례 검증
실제 경주지진(M = 5.8) 진원지를 적용하여 검증한 결과 석장동(0.5281), 교동(0.4859), 남산동(0.4518) 등이 고위험 지역으로 식별되었다. 이는 Fig. 2와 같이 당시 실제 피해가 집중된 지역과 높은 일치성을 보여 평가 방법론의 현실 적합성을 확인하였다. 특히 석장동, 교동 등을 중심으로 지진이 발생된 지점을 중심으로 피해가 집중되는 경향이 동일하게 시뮬레이션 되었다. 반면, 제안된 모델에 의한 시뮬레이션에서는 경주지역의 외곽지역의 경우에는 실제 지진에 따른 인프라의 전반적 파손보다 국부적 파손에 따른 단수로 인한 물공급 단절에 의한 위험도가 높게 나타나, 실제 인프라의 피해가 정확히 집계되지 않은 외곽지역과 위험도가 다르게 나타남을 확인하였다.
5. 결 론
최근 한반도 내륙에서 발생하는 중규모 이상 지진의 빈도 증가는 상수관망 시스템의 기능 저하에 따른 공중보건 위험성을 높여 수질 안전성까지 고려한 종합적 위험도 평가 체계 구축이 필요한 상황이다. 기존 연구에서는 건물도괴, 화재, 대피, 단수위험도 등 물리적 피해와 공급 중단에 중점을 둔 4개 인자 중심의 평가가 수행되었을 뿐, 지진으로 인한 상수관망 손상이 체류시간 증가를 통해 수질 악화로 이어지는 연쇄적 위험성은 충분히 고려되지 못하였다.
따라서 본 연구에서는 경주시 45개 법정동을 대상으로 체류시간 기반 수질위험도를 신규 도입한 5개 인자 통합 평가 체계를 구축하고, 엔트로피 방법과 동일가중치법의 비교 분석을 통해 각 방법론의 특성과 적용성을 검토하였다.
수질위험도는 WHO 기준 48시간 체류시간을 기준으로 REVAS.NET과 EPANET를 연계한 확률론적 해석을 통해 산정하였으며, 지진 규모 M = 5.0에서 평균 0.0824, M = 7.0에서 평균 0.1194로 44.9%의 증가율을 보였다. 특히 건천읍, 안강읍, 강동면 등 외곽 지역에서 높은 수질위험도를 나타내어 장거리 송수관로와 단선형 공급구조의 취약성을 확인하였다.
엔트로피 가중치 분석 결과, M = 5.0에서는 수질위험도(38.28%)가 최고 가중치를, M = 7.0에서는 대피위험도(47.72%)가 최고 가중치를 나타내어 지진 강도별 위험 요인의 변화를 정량적으로 도출하였다. 이는 중규모 지진에서는 수질 관리가, 강진에서는 대피 대책이 우선 과제임을 시사한다.
통합 위험도 평가에서 엔트로피 방법은 건천읍을, 동일가중치 방법은 남산동을 최고위험 지역으로 식별하여 방법론별 차별화된 결과를 보였다.
2016년 경주지진 실증 검증 결과, 석장동, 교동, 남산동 등이 고위험 지역으로 예측되었으며 이는 당시 실제 피해 집중 지역과 높은 일치성을 보여 평가 방법론의 현실 적합성을 입증하였다.
본 연구에서는 상수관망의 수질적 취약성을 반영한 지진 위험도 평가 체계를 제안하였으며 엔트로피 방법의 객관성과 동일가중치 방법의 직관성을 비교 검증하였다. 그러나 경주시 단일 지역을 대상으로 한 연구로서 타 지역 적용을 위한 일반화 가능성 검토에는 한계가 있었으며, 향후 다양한 도시 특성을 반영한 광역적 적용과 건물⋅화재⋅대피위험도의 지진 규모별 동적 변화를 고려한 개선된 평가 모델 개발이 필요할 것으로 판단된다.
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