KIGAM 한국지질자원연구원

영화 ‘싱크홀’ 속 에피소드와 비슷한 사건이 실제로 일어났다. 충남 당진의 한 주차장에 지반함몰(싱크홀)이 발생해 주차해 있던 차량 1대가 지하로 빨려 들어간 것이다. 다행히 인명 피해는 발생하지 않았지만, 싱크홀에 대한 경각심을 높이기에는 충분했다. 싱크홀은 도시에서 자주 발생하는 지질재해 중 하나다. 세계적으로 많은 도시에서 다양한 지질재해가 발생하면서 전 세계 지질전문가들의 도시지질재해 대응을 위한 과학적인 연구가 본격적으로 시작되고 있다. 한국지질자원연구원에서도 도시복합지질재난 능동 대응 스마트 통합 솔루션 기술 개발에 돌입했다.

지질재난으로부터 안전한 도시를 그리다

도시복합지질재난 능동 대응 스마트 통합 솔루션 기술 개발팀

도시화에 따른 지질재난 위험 증가

OECD(2020) 보고서에 따르면 지난 40년간 인구의 가파른 상승과 더불어 전 세계적인 도시화가 급속도로 진행되었으며, 2050년에 전세계 인구의 55%가 도시에 거주할 것으로 전망했다. 한편, 산지가 대부분인 우리나라는 도시지역 인구비율이 2020년 기준 91.8%로 OECD 평균 대비 도시의 인구밀집도가 매우 높다. 도시화가 가속화되면서 부족한 지상 공간을 대신하기 위한 지하공간 개발과 이용도 함께 증가했다. 통신선, 상수도관, 지하철 등 많은 사회기반시설이 지하에 조성됐다. 지상의 건물도 점점 고층화되면서 재난에 취약한 구조가 됐다.

인구가 밀집된 도시는 지진, 절개지 붕괴, 쓰나미 등의 지질재난이 발생하면 단일 재난에 멈추는 것이 아니라 국가기반시설과 연관된 복합재난이 발생할 확률이 매우 높다. 10년 전 집중호우 로 인해 발생했던 우면산 산사태, 춘천 산사태를 비롯해 대규모 지하공간 개발에 따른 지반함몰(예: 2020년 구리시 지하철 공사 구간 함몰) 사례와 같이 자연적 또는 인위적 지질환경 문제가 지속해서 발생해왔다. 이런 시대적 요구에 맞춰 도시지질학이 지질 자원의 새로운 분야로 떠올랐다.

“연구팀에서는 작년부터 도시지질학분야의 연구를 시작했습니 다. 도시지질학이 생소한 단어이기 때문에, 먼저 도시지질학이 무엇인지 고민했습니다. 도시의 경우 자연스럽게 생성된 지질환경에 도시활동과 같은 인위적인 변화를 가하면서, 지중환경에 교란이 발생하게 됩니다. 그래서 도시지질학을 도시환경 속에서 과학적이고 안전한 삶, 편리한 삶, 에너지환경 분야를 중점적으 로 다루는 분야로 정리했고, 이 중에서도 도시에서의 안전한 삶을 위한 재난에 대응하는 방법에 중점을 두고 연구를 시작했습니다.”

능동 대응을 위한 첫걸음

도시복합지질재난 능동 대응 스마트 통합 솔루션 기술은 도시지하환경에서 발생할 수 있는 지반침하, 지중환경 오염 등 복합지질재해에 대처하기 위해 대도시의 각종 지하환경 정보를 모아 플랫폼을 구축하고 이를 기반으로 재해를 예측 평가하기 위한 능동 대응체계 마련을 목표로 하고 있다.

“도시복합지질재난의 유형은 지진, 도시 산사태, 지반함몰 및 침하, 지하수 토양환경, 도시 연안 환경 재난으로 나눌 수 있습니다. 도시복합지질재난에 능동 대응하기 위해 도시환경 데이터 정보화 를 통한 빅데이터를 구축하고 처리하는 기술, 복잡지질재난의 조기 감지, 사전 예방을 위한 지능형 모니터링과 예측 기술, 그리고 재난 유발인자를 분석해 복합지질재난 취약성을 평가하고 리질리언스(시스템 외부에 저항하는 능력)를 산정하는 기술 등 3개 분야 기술을 연구 개발 범위로 선정하였습니다.”

도시지역에서 발생할 수 있는 복합지질재난에 능동적으로 대응할 수 있는 기술 개발을 위해 기본적으로 필요한 것은 지하구조 정보를 대표할 수 있는 지질, 지층모델이라고 한다. 도시지역의 경우 일반적인 국가 차원의 지층모델과 달리 약 50m 정도의 얕은 심도에 대한 지하구조에 대해 더 세밀하게 모델링 될 필요가 있으며, 특히 매립층 같은 인위적인 지층에 대한 모델링이 큰 차이점이라고 설명한다.

“도시지역에 대한 신뢰할 수 있는 지층모델을 구축하기 위해 서는 지질도, 탄성파 자료, 시추 정보, 원격탐사 자료 등 다양 한 종류의 데이터베이스를 구축하는 것이 필수적입니다. 이번 연구에서는 이러한 자료들이 포함된 데이터베이스를 구축하는 것에서 나아가 3차원 지층모델을 구현하는 것이 목표입니다.”

도시에서 일어나는 지진은 자연적인 지질구조뿐 아니라 거주 하는 건물의 구조나 층수 등에도 영향을 받게 된다. 이러한 구조물에 의한 영향은 지표에 설치되는 지진계로는 측정할 수가 없고, 센서를 설치하여 직접 취득하는 것이 가장 정확하다고 한다.

“기존의 지진계는 너무 비싸 대량 설치가 어렵고, 현재 공공기관 건출물에 설치된 가속도 계측기 숫자도 약 800개 정도로 너무 적은 편입니다. 그래서 비교적 저렴한 소형 계측기를 통신망 에 연결하여 다양한 생활공간의 지반 진동을 취득하고, 연구과 제 내의 지진동 관련 연구, 리질리언스 산정과 같은 다양한 분야에서 사용할 수 있도록 실시간 데이터를 취득, 가공하는 시스템을 개발하고 있습니다.”

도시 생활공간 내의 고밀도 진동정보는 아직 취득된 바가 없다 고 한다. 이러한 정보를 이용해서 잠재적인 위험도, 피해량 산정, 지질구조 파악, 건축물의 구조나 형상 등을 반영한 여러 공 학적 연구에 응용할 수 있길 기대하고 있다.

최근 도심지에서 발생할 수 있는 지질재해 중 가장 이슈가 된 것은 지반함몰이 아닐까. 싱크홀로 알려진 이 현상은 영화로 제 작되었을 만큼 발생 빈도가 증가하고 있다. 지반함몰은 여러 요인으로 인하여 토사가 지하수에 의해 휩쓸려 나감으로써 동공이 형성되고 이 동공이 무너져 발생하는 재난이다. 연구팀은 물리적 해석기법을 이용하여 지반함몰이 발생하는 기본원리를 밝히고 발생 취약성을 평가할 수 있는 모델을 개발하고 있다.

“수직형태의 대규모 지하공간 개발은 도시 물순환과 생태계 의 기저를 지탱하는 지하수 환경에 심각한 영향을 초래합니다. 이러한 수문순환의 변화는 필연적으로 연쇄적, 대규모 형태의 각종 지질재난을 유발할 수 있습니다. 대표적인 예로 인도네시아 수도 자카르타는 지구온난화 뿐 아니라 지하수 남용, 고층건물 급증 등 도시 과밀화의 영향으로 지반침하 및 25% 이상의 침식피해가 발생하여 수도 이전을 검토하고 있습니다.”

우리나라도 서울 용산기지 주변의 지하수 유류오염 사례 등 인위적 재난 피해 사례가 지속적으로 발생하고 있다고 한다. 연구 팀은 이런 문제를 극복하기 위해 도시환경에 특수성을 반영한 지하수 취약성 및 리질리언스 평가 모델 개발을 수행하고 있다.

연구팀은 통합솔루션 검증을 위해 도시화가 진행 중인 부산 낙 동강 조간대, 도시과밀화 지역인 서울, 지진 피해가 지속적으로 대두된 경주와 포항, 세 지역을 테스트베드(Test_bed)로 선정했다. 현재 세 지역을 대상으로 도시지질환경 데이터 정보화를 위해 구축되어야 할 인벤토리를 모으고 있다.

지지지지(知地知志)면 백전불태(百戰不殆)

화재와 같은 인위적 재난의 경우 발생요소를 사전에 차단함으로써 능동적인 대응이 가능하다. 하지만 자연재해로 인해 발생하는 재난의 경우 발생원인을 사전에 차단하기란 불가능하다. 하지만 자연재해가 일어났을 때 취약할 수 있는 지점을 예측하고 방재한다면, 지금보다는 더욱 능동적인 대응이 가능해질 것이다.

“도시지질복합재난은 언제 찾아올지는 모르지만, 기후위기의 시대에 확실히 발생할 수 있는 국가적 위험입니다. 땅을 알고 그 뜻을 알면 백번 싸워도 위태롭지 않다고 생각합니다. 우리가 발 딛고 사는 도시, 그 땅 아래에서 발생할 수 있는 모든 위험에 항상 귀를 기울일 수 있다면 우리는 지질재난으로부터 안전한 도시를 가꿔나갈 수 있을 것입니다. 도시지질복합재난 능동 대응을 위한 연구의 첫 발을 내디딘 만큼 다양한 지질재난 위협으로부터 안전한 도시 대응 체계를 구축할 수 있도록 연구에 만전을 기하겠습니다."