A GIS-Based Seismic Vulnerability Mapping and Assessment Using AHP: A Case Study of Gyeongju, Korea

GIS 기반 AHP를 이용한 지진 취약성 지도제작 및 평가: 경주시를 중심으로

Abstract

In this study, a seismic vulnerability map of Gyeongju city, where the 9.12 Gyeongju earthquake occurred, was produced and evaluated using analytic hierarchy process(AHP) and geographic information system (GIS). Geotechnical, physical, social, structural, and capacity factors were selected as the main indicators and 18 sub-indicators to construct a spatial database. Weights derived using the AHP were applied to the 18 sub-indicators, which generated a vulnerability map of the five main indicators. After weighting the five generated maps, we created seismic vulnerability maps by overlaying each of the five maps. The seismic vulnerability map was classified into five zones, i.e., very high, high, moderate, low, and safe. For seismic vulnerability, the results indicated that 3% of Gyeongju area is characterized as having very high vulnerability, while 19% was characterized as safe. Based on district standards, Jungbu-dong, Hwangoh-dong, Hwangseong-dong, Seonggeon-dong, and Dongcheon-dong were high-risk areas, and Bodeok-dong, Gangdong-myeon, Yangbuk-myeon, Yangnam-myeon, and Oedong-eup were characterized as safe areas. The seismic vulnerability map produced in this study could possibly be used to minimize damage caused by earthquakes and could be used as a reference when establishing policies.

본 연구에서는 9.12 경주지진이 발생한 경주시를 대상으로 AHP와 GIS를 사용하여 지진취약성지도를 작성하고 이를 평가하였다. 지질공학적, 물리적, 사회적, 구조적, 수용적 요인을 주요지표로 선정하였으며, 이와 관련된 18개의 하위지표를 선정하여 공간데이터베이스로 구축하였다. AHP를 사용하여 도출된 가중치는 18개 하위 지표에 적용되었으며, 이를 기반으로 5가지 주요지표의 취약성 지도를 생성하였다. 생성된 5개의 지도에 가중치를 부여한 후, 이를 중첩하여 최종 결과물인 지진취약성지도를 생성하였다. 취약성 지도는 5개의 범주(safe, low, moderate, high, very high)로 분류하였으며, 경주시 전체 면적 중 3%가 아주 높음(very high), 19%가 안전(safe) 지역으로 나타났다. 행정동 기준으로는 중부동, 황오동, 황성동, 성건동, 동천동이 위험지역으로, 보덕동, 강동면, 양북면, 양남면, 외동읍이 안전지역으로 나타났다. 본 연구에서 작성된 지진취약성지도는 사전에 취약지역을 파악함으로써 지진 재해로 인한 피해를 최소화하고, 지진 재해 관련 정책 수립 시 중요한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

1. 서론

2016년 9월 12일 경상북도 경주시 남남서쪽 8 km 지점에서 규모 5.8의 지진이 발생하였다. 이는 한반도에서 지진 계측이 시작된 1978년 이후 관측된 기록 중 역대 최대 규모의 지진으로 영남권을 비롯한 전국 대부분의 지역에서 진동이 감지되었으며, 23명의 부상자와 5,368건의 재산피해가 발생한 것으로 보고되었다. 이를 계기로 지진 안전성 확보에 대한 국민들의 요구가 증가함에 따라 사전에 지진 재해 발생 시 피해를 최소화 할수있는 대책 방안이 요구되고 있다(MPSS, 2017).

오늘날 도시는 인구와 산업시설들이 밀집되어 있는 다양한 형태를 가지고 있기 때문에 지진 재해 발생 시 피해의 규모가 쉽게 커질 수 있으며, 그에 따른 파급효과가 장기적으로 나타나게 되어 경제적으로 큰 타격을 줄 수 있다(NEMA, 2012).

국외의 경우, 지진 재해에 대비하기 위해 주로 확률론적 지진재해도를 제작하고 있으며, 새로운 방법론을 토대로 주기적으로 갱신 중인 것을 확인할 수 있다. 미국지질조사국(U.S. Geological Survey, USGS)은 지진원모델, 감쇠식 개발, 추가로 발견된 단층 정보 등을 반영하여 1996년 이후부터 6년 주기로 지진재해도를 갱신하고 있다(Frankel et al., 1996; Frankel et al., 2002; Petersen et al., 2008; Petersen et al., 2014). 일본 지진조사연구추진본부 (Headquartersfor Earthquake Research Promotion, HERP)는 지속적인 연구와 새로운 자료 추가 등을 통해 국가 지진재해도를 갱신 중에 있다(Kyung et al., 2016).

국내에서는 2008년 지진재해대책법이 제정되어 내진 대책의 일환으로 국가지진위험지도를 작성하고 있다. 한국지진공학회가 주관하여 만든 지진위험지도를 시작으로(EESK and KICT, 1997), 2012년 KIGAM(Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources), 2013년 소방방재청에서 기존 지도를 갱신하여 국가지진위험지도를 발표하였다(Kim and Kyung, 2015). 이들은 최대지반가속도(peak ground acceleration, PGA)를 기반으로 최대 지진동의 발현 주기와 크기를 계산하여 등치선의 형태로 제작하였다. 이는 지진 목록(역사지진, 계기지진)과 단층 지진원의 특성(단층 크기, 발생 가능 최대 규모 지진, 변이율), 지진파 감쇠 모형 등 물리적 특성 기반의 입력 자료를 사용하여 위험도를 예측하였다.

기존 국가지진위험지도는 지역별로 전반적인 위험정도를 파악하기에는 용이하지만 시군구 단위와 같이 세부 지역의 위험도를 파악하기에는 적합하지 않다. 또한 물리적 특성 자료를 기반으로 지도를 제작하고 있는 실정인데, 실제 지진 발생 시 물리적 특성의 영향뿐만 아니라 건물이나 사회적 요인 등 복합적인 요소들의 작용으로 인해 피해가 발생한다. 이러한 피해를 사전에 방지하여 최소화하기 위해 지진 발생 시 취약한 지역을 예측하고 이를 관리하여야 한다.

본 연구에서는 지진 취약성을 평가하기 위해 취약성에 영향을 미치는 주요 지표로 지질공학,물리,구조,사회, 수용적 요인을 설정하였으며, 이와 관련된 18개의 인자들을 분석하여 공간데이터베이스로 구축한다. 각각의 인자들을 정량적으로 분석하기 위해 계층적 분석 방법인 AHP(analytic hierarchy process)를 사용하여 각 인자의 가중치를 산정하였다. 산정된 가중치를 GIS(geographic information system)기반의 공간데이터베이스로 구축된 인자들에 적용하여 경주시의 취약성을 직관적으로 파악할 수 있는 지진취약성지도를 제작하였다. 이를 기반으로 취약지역을 도출하고 각 주요지표들이 취약성에 미치는 영향을 평가하고자 한다.

2. 이론적 고찰

1) 연구 지역

본 연구의 대상지역은 경상북도 경주시로 위도 35°51′ 22″, 경도 129° 13′ 29″에 위치하고 있다(Fig. 1). 이 지역은 다수의 지점에서 제4기 단층 운동이 보고된 울산단층과 양산단층을 비롯한 동래, 모량, 밀양, 일광 등 여러 단층들이 분포하고 있다(Kim et al., 2017). 이러한 특성으로 인해 추후 계속해서 지진이 발생할 확률이 높다 (Lee, 2018).

Fig. 1. Study area, Gyeongju district, Korea.

역사기록에 따르면 한반도 동남권 지역에서 발생한 지진 중 총 75회가 경주지역 일대에 집중되었으며, 9.12 지진 발생 전까지 총 21회의 계기지진이 발생하였다 (MPSS, 2017). 9.12 경주지진 이후 규모 2이상의 지진이 전국에서 508건 발생하였으며, 그 중 36%인 183건이 경주시에서 발생하였다.

경주시는 역사유적지구로 수많은 문화재와 한옥 등이 존재하고 있어 국가적으로 보존가치가 높은 지역이며, 원자력발전소와 폐기물처리시설 등 다수의 국가기반시설이 위치하고 있는 곳으로 사전 대비를 통해 지진 발생 시 2차 피해의 확산을 최소화하여 방지하여야 한다.

2) 데이터셋 구축

본 연구의 목적은 포괄적인 관점에서 지진에 대한 취약성을 평가하는 것이므로, 모든 영향력 있는 요소를 종합적으로 고려하여야 한다. 따라서 선행연구 문헌고찰 기반으로 Table 1과 같이 지질공학, 물리, 구조, 사회, 수용적 요인 총 5가지의 주요지표와 이와 관련된 18개의 하위지표를 선정하여 래스터 형식의 공간데이터베이스로 구축하였다(Fig. 2).

Table 1. Indicators for the vulnerability assessment

Fig. 2. Sub indicator maps.

(1) 지질공학적 지표

지질공학적 요소는 지진 발생 시 도시의 취약성을 증가시키는 가장 영향력이 높은 요인으로, 지진 취약성 평가 시 필수적으로 반영해야 할 요소이다(Panahi et al., 2014). 본 연구에서는 3가지 인자를 고려하였으며 그 중 기울기와 고도는 주로 산사태 발생에 영향을 미치는 인자로, 가파른 경사와 높은 고도에 따른 암석의 추락, 구조물 및 지면 붕괴 확률을 증가시켜 2차 재해를 초래할 수 있는 요인이다(Moustafa et al., 2016). 지하수위 자료는 대규모의 지진 발생 시 지진 응답에 영향을 미치는 인자로 관정 위치별 지하수위 자료를 수집하여 경주시 전체 지역에 보간하여 사용하였다(Thaker et al., 2018).

(2) 물리적 지표

실제 지진발생과 가장 큰 연관성이 있는 지표로써, 물리적 지표 자료 중 하나인 진앙지는 지구 내부에서 지진이 발생한 위치인 진원의 직상부 지표상의 지점으로, 지진 발생 시 대부분 진앙지에서 가장 큰 피해를 보인다. 따라서 9.12 경주지진을 포함하여 2015년부터 2018년 4월까지의 진앙지 위치자료를 사용하였다. 다음으로 최대지반가속도는 지표면에서 지반이 흔들리는 정도를 나타낸 크기로(MPSS, 2017), 일반적으로 단층의 활동량과 관련이 있어 지진 취약성을 평가하는데 가장 중요한 인자이다(Rezaie and Panahi, 2015). 본 연구에서는 전국의 기상청 관측소별 원시자료를 가속도로 변환한 자료 기반으로 경주시 전체 지역에 보간하여 사용하였다(Kim et al., 2016a; Kim et al., 2016b). 마지막으로 단층면의 구조에 따라 피해의 정도가 달라질 수 있다는 점을 고려하여 단층 위치 또한 평가 인자로 사용하였다.

(3) 구조적 지표

9.12 경주지진으로 인해 5,368건의 재산상의 피해가 발생하였고 이후 건축물의 내진설계에 대한 중요성이 부각되고 있다. 1988년 처음으로 국내에 내진설계가 도입된 이후 현재 3층 이상의 건축물만 의무적으로 내진설계를 수행 중에 있으며, 2016년 11월 기준 서울시 건축물 중 주거용 건축물의 29.9%, 비 주거용 건축물의 23.7% 만이 내진설계가 되어있는 실정이다(CRPC, 2017). 향후 9.12 경주지진보다 큰 규모의 지진 발생 가능성을 배제할 수 없는 상황에서 국내 건축물의 취약성은 상당히 높을 것으로 예상된다. 본 연구에서는 건축물의 취약성을 평가하기 위해 건물 연령, 건물 층수, 건축 재질, 건물 밀도 총 4가지 지표를 선정하였으며, 구조물의 건축 재질별 취약성 등급은 EMS98을 참고하여 분류하였다(Grünthal, 1998).

(4) 사회적 지표

사회의 인구구조형태 파악함으로써 지진 발생 후 사상자의 파악과 구호활동에 직접적으로 도움을 줄 수 있다. 따라서 본 연구에서는 사회적 취약성에 영향을 미치는 인구와 관련된 3가지 하위지표를 선정하였다. 먼저 나이를 기준으로 상대적으로 취약한 연령대인 65세이상의 노년층과 15세 미만의 유소년층 인구수를 평가요소로 사용하였으며, 인구가 밀집한 지역에서 더 큰 피해가 발생할 확률이 높기 때문에 경주시의 인구밀도 또한 함께 고려하여 사회적 지표의 취약성을 평가하였다.

(5) 수용적 지표

도시 내의 수용 시설들은 불규칙적으로 분포하고 있어 모든 국민들이 동일한 접근성을 가지고 있지 않다. 이는 재해 발생 시 피해 규모를 예측하기 어려울 뿐 만 아니라, 이로 인해 경제적으로 큰 타격을 줄 수 있다. 따라서 지진 재해 발생 시 도움을 줄 수 있는 사회기반시설과 큰 피해를 야기할 수 있는 위험 시설의 위치 파악과 이를 통해 접근성을 파악함으로써 도시 내에서의 위험도를 감소시키고자 한다. 본 연구에서는 사회기반시설인 경찰서, 소방서, 병원, 도로망과 위험시설인 주유소 총 5가지 요인의 물리적 거리를 고려하여 재해 발생시 접근성 정도를 평가하였다.

3) 연구 방법

AHP는 Saaty(1977)에 의해 개발된 것으로, 의사결정과정에서 평가기준이 다수인 경우 각 기준의 우선순위를 결정하기 위해 이를 계층화 하고 중요도를 정량화하는 다기준의사결정기법이다(Lee, 2015).

일반적으로 AHP는 3단계로 구분한다. 첫 번째는 최종 목표에 접근하기 위한 지표의 계층 구조를 구축하고 각 단계를 구성하는 기준을 결정한다. 두 번째는 각 단계별 주요지표와 하위지표 간의 쌍대비교를 통해 각 지표의 가중치를 계산한다. 마지막으로 쌍대비교의 결과와 가중치 사이의 일관성을 검증하고 최종적인 우선순위를 결정한다(Rezaie and Panahi, 2015).

계층적분석방법의 핵심은 각 단계의 요소들 간의 중요도를 결정하는 과정과 척도라고 할 수 있다. 두 인자간의 중요도는 9점 척도를 사용하여 평가하였으며, 이를 상호비교하는 쌍대비교행렬을 통해 가중치를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 정부기관, 연구원, 대학교수 등 전문가를 대상으로 설문조사를 실시하였으며, 쌍대비교행렬을 통해 주요지표와 하위지표의 가중치를 산정하였다.

본 연구에서 실시한 설문조사에는 주관성이 개입되어 있기 때문에 일관성을 검증하여야 한다. 일관성 지수(consistency index, CI)는 아래와 같이 계산된다. λ_max는 최대 고유값, n은 인자 개수를 말한다. CI 지수가 0일 때 완전한 일관성을 가지게 되며, 그 값이 커질수록 일관성이 낮아진다.

\(\mathrm{CI}=\frac{\lambda_{\max }-n}{n-1}\)        (1)

다음으로 일관성 비율(consistency ratio, CR)을 계산하여 그 값이 0.1 미만일 때 최종적으로 일관성을 갖게된다(Panahi et al., 2014). 본 연구에서는 CR값이 0.1미만인 설문지만 선별하여 사용하였다.

\(\mathrm{CR}=\frac{C I}{R I}\)​       (2)

식(2)에서 평균무작위지수(random index, RI)는 표본 500개로부터 무작위로 생성한 9점 척도의 역수행렬을 바탕으로 일관성지수를 구하여 평균한 값이다. RI 값은 Table 2와 같이 행렬 크기에 따라 결정된다(Chabuk et al.,2017; Lim and Cho, 2002). 18개의 하위지표에 AHP를 통해 산출된 가중치를 적용하여 각 주요지표의 취약성 지도(Mi)를 작성하였다(Table 3). 주요지표의 취약성 지도는 속성의 등급 값(x_ij)과 정규화 된 가중치 값(w_i)을 곱하여 합산한 것을 바탕으로 생성된다(식 3). 등급 값과 정규화 된 가중치 값은 Thaker et al.(2018)의 연구를 참고하여 산정하였다.

 \(M_{i}=\sum_{i} x_{i j} w_{i}\)       (3)

Table 2. Random indices (RI) for n=1, 2, …, 12 (Saaty, 1980; 2000)

Table 3. Sub-indicators weights and consistency ratio

최종 산출물인 지진취약성지도(M)는 5가지의 주요 지표 지도에 각 지표의 가중치(W_i)를 곱하여 이를 모두 중첩하였으며, 주요지표와 최종 지진취약성지도를 작성하였다(Table 4)(Fig. 3).

\(M=\sum M_{i} W_{i}\)       (4)

Table 4. Main-indicators weights and consistency ratio

Fig. 3. The process of seismic vulnerability assessment of using AHP and GIS.

3. 연구 결과

AHP를 통해 산출된 가중치 값을 부여하여 5가지 주요지표의 취약성을 계산하였다. 모든 결과물은 취약도에 따라 5등급(safe, low, moderate, high, very high)으로 구분되었고(Fig. 4), Fig. 1에 제시된 경주시 관할 내 23개의 행정동을 기준으로 각 범주의 면적을 계산하여 분석하였다(Fig. 5).

Fig. 4. Vulnerability map considering (a) geotechnical, (b) physical, (c) structural, (d) social, (e) capacity, and (f) seismic vulnerability map.

Fig. 5. Ratio of vulnerable areas by Gyeongju district.

1) 지질공학적 취약성 지도

지질공학적 지표의 취약성 평가 결과, 경주시의 전체 면적 중 11%에 해당하는 지역이 아주 높음으로 나타났으며, 17%가 높음, 각 23%가 중간과 낮은 취약성을 가지고 있으며, 25%의 면적이 안전한 지역으로 분류되었다. 행정동 별로 나누어 분석한 결과 해당 읍면동의 전체 면적 대비 위험지역(high와 very high에 해당하는 면적 비의 합)으로 평가된 곳은 산내면(61.37), 건천읍(37.89), 내 남면(33.21), 양북면(32.80), 보덕동(32.73)으로 주로 경주시 남쪽 부근의 산지 지형에서 위험한 것으로 나타났다. 상대적으로 안전한 지역(safe와 low에 해당하는 면적 비의 합)은 황성동(100), 황오동(100), 중부동(100), 성건동 (77.43), 강동면(76.17)으로 경주시 중심부와 북동쪽에 위치하는 것으로 나타났다.

2) 물리적 취약성 지도

물리적 지표의 취약성 평가 결과로는 경주시의 전체 면적 중 11%에 해당하는 지역이 아주 높음으로 나타났으며, 24%가 높음, 16%가 중간, 28%가 낮은 취약성을 가지고 있으며, 21%의 면적이 안전한 지역으로 분류되었다. 행정동 별로 나누어 분석한 결과 해당 읍면동의 전체 면적 대비 위험지역으로 나타난 곳은 성건동(100), 중부동(100), 황남동(95.56), 선도동(95.02), 건천읍(87.58)으로 주로 경주시의 서쪽 부근으로 나타났으며, 상대적으로 안전한 지역으로는 감포읍(100), 양북면(99.38), 양남면(99.37), 보덕동(98.96), 강동면(98.05)으로 경주시의 동쪽 지역에 분포하는 것으로 나타났다.

3) 구조적 취약성 지도

구조적 취약성 평가의 결과, 경주시의 전체 면적 중 2%가 높음, 2%가 중간, 다음으로 22%가 낮은 취약성을 가지고 있으며, 74%의 면적이 안전한 지역으로 분류되었다. 행정동 별로 나누어 분석한 결과 경주시 전체 면적 대비 위험지역으로 나타난 곳은 중부동(100), 황오동 (100), 동천동(44.68), 황성동(33.89), 성건동(29.85)으로 주로 경주시의 중심부 부근으로, 상대적으로 안전한 지역은 산내면(99.22), 양북면(99.18), 보덕동(99.17), 양남면(98.93), 내남면(98.68)으로 나타났다.

4) 사회적 취약성 지도

사회적 취약성 평가의 결과, 경주시의 전체 면적 중 8%가 아주 높음, 11%가 높음, 28%가 중간, 다음으로 33%가 낮은 취약성을 가지고 있으며, 21%의 면적이 안전한 지역으로 분류되었다. 행정동 별로 나누어 분석한 결과 해당 읍면동의 전체 면적 대비 위험지역으로 나타난 곳은 경주시의 중심부 일대인 현곡면, 선도동, 성건동, 동천동, 용강동, 황성동, 중부동이었으며, 상대적으로 안전한 지역은 대부분 경주시 외곽의 보덕동, 산내면, 서면으로 나타났다.

5) 수용적 취약성 지도

수용적 취약성 평가의 결과, 경주시의 면적 중 4%가 아주 높음, 13%가 높음, 27%가 중간, 30%가 낮은 취약성을 가지고 있으며, 26%의 면적이 안전한 지역으로 분류되었다. 행정동 별로 나누어 분석한 결과 해당 읍면동의 전체 면적 대비 위험지역으로 나타난 곳은 보덕동 (36.19), 양남면(30.22), 안강읍(27.26), 감포읍(26.92), 강동면(18.80)으로 대부분 수용적 시설과 다소 거리가 먼 해안지역이나 산지지형 부근의 지역으로 나타났다. 상대적으로 안전한 지역은 다양한 시설을 쉽게 접할 수 있는 도심지인 경주시의 중심부로 동천동(100), 용강동(100), 중부동(100), 황성동(100), 황오동(100)으로 나타났다.

6) 지진 취약성 지도

5가지 주요지표를 모두 반영하여 최종 결과물인 지진취약성지도를 작성하였다. 해당 지도 또한 5가지 범주로 분류하여 평가하였으며, 그 결과 경주시의 면적 중 3%가 아주 높음, 19%가 높음, 28%가 중간, 32%가 낮은 취약성을 가지고 있으며, 19%의 면적이 안전한 지역으로 분류되었다. 다음으로 행정동 별로 나누어 분석한 결과 해당 읍면동의 전체 면적 대비 위험지역으로 나타난 곳은 중부동(100), 황오 동(100), 황성동(86.92), 성건동(86.09), 동천동(81.64)으로, 상대적으로 안전한 지역은 보덕동(98.77), 강동면(97.13), 양북면(95.54), 양남면(92.02), 외동읍(85.00)으로 나타났다. 전반적으로 경주시의 동쪽 지역이 안전한 것으로, 중심부와 남서쪽 지역 부근이 위험한 것으로 나타났다.

4. 결론

본 연구에서는 경주시의 지진 취약성 지도제작 및 평가를 위해 지질공학, 물리, 구조, 사회, 수용적 지표를 일괄적으로 고려하였다. 주요지표와 관련하여 총 18개의 하위지표를 공간데이터베이스로 구축하였으며, AHP를 사용하여 5개의 주요지표와 18개 하위지표의 가중치를 산정하였다. 이를 기반으로 주요지표 별 취약성 지도와 최종 결과물인 경주시의 지진취약성지도를 작성하였다. 작성된 지도를 분석하기 위해 5등급으로 취약도를 분류하였으며, 경주시 관할 내 23개의 행정동 별로 취약도 분석을 실시하였다.

전반적으로 경주시의 중심부와 남서쪽 부근이 위험도가 높은 것으로 나타났다. 9.12 경주지진의 진앙지와 양산단층이 위치하고 있는 경주시 남서쪽 지역은 물리적 영향으로 인해 취약도가 높게 나타난 것으로 보이며, 사전 점검을 통해 건물 및 수용시설의 보수가 필요할 것으로 보인다. 또한 경주시 중심부 지역에는 다수의 문화재가 존재하고 있으며, 주요 기관과 주거시설 등이 밀집해있어 다소 위험도가 높게 나타난 중부동, 황오동, 황성동 등에 대한 전반적인 점검이 필요할 것으로 분석된다. 낮은 위험도를 가진 지역으로 분류된 곳은 대부분 경주시의 동쪽 부근에 위치하고 있었으며, 9.12 경주지진 발생 후 경주시에 위치한 원자력 발전소에 대한 안전성 여부에 대해 관심이 높은 가운데 해당 지역인 양남면은 타 구역에 비해 취약도가 낮은 것으로 나타났다.

그러나 다른 취약성 지도에 비해 구조적 취약도가 다소 낮게 산출되었다. 이는 건물 단위로 산정되는 구조적 취약성의 특성으로 인해 산림 등과 같이 건물이 존재하지 않는 상당한 면적에 가중치가 부여되지 않았기 때문이다.

최종적으로 작성된 지진취약성지도는 지진 재해로 인한 피해를 사전에 저감시키는데 활용 가능할 뿐만 아니라, 지진 재해 관련 정책 수립 시 중요한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.