1. 서 론

기후변화에 따른 기상이변 및 지진 등에 취약한 농업용 저수지 (30~50 년 빈도 최대강수량으로 설계)에 대한 지질재해 대비를 위한 체계적인 관리 가 필요하다. 농업기반 수리시설물 중 지진·화산재해대책법에 따른 내진설 계 대상 시설은 전체 3,548개소 (저수지 3,398개소 및 방조제 150개소) 중 총 697개소 (저수지 594, 방조제 103)이지만 (Korea rural community corporation [1]), 이는 각각 저수량 500천 m³ 이상 (및 제고 15 m 이상)과 국가관리방조제를 기준으로 설정됨에 따라 각 시설물이 위치한 지질구조 와 무관하게 지정되어 있다. 그러나 2016년 9월 12일 규모 5.8 경주지진의 영향을 공사관리 지진가속도계 17개소와 농어촌지하수/해수침투관측망 지하수위 관측공 364개소의 관측자료로 분석한 결과 (Wang and Manga [2]), 진앙으로부터의 거리와 무관하게 단층 및 지질구조선 분포에 따라 영 향이 발생하는 것으로 나타났다. 최근 관련법에 의거한 내진설계 의무시설 의 내진 보강 기준을 상향시키는 연구가 진행되고 있는데, 이와 관련하여 시 설물이 위치한 지역의 단층 및 선구조 등 지질구조선을 고려한 기준 마련이 필요하다. 결과적으로 단층 및 선구조 등 지질구조 밀도가 높은 인근 저수지 에 대한 지질재해 예측 기법과 체계적인 지질재해 취약성도 구축을 통한 종 합적인 대응기법이 필요하다. 또한 내진보강을 위한 대상 저수지 선정 시에 도 기존의 설계기준인 총저수량과 제고 이외에 주변 지질구조선에 따른 취 약성 등급 결과를 활용한 새로운 보강기준의 적용이 필요하다. 이를 위해서 본 연구에서는 저수지 주변 단층분포 특성을 고려한 저수지별 지질재해 취 약성을 평가할 수 있는 평가지표를 개발하고 이를 통해 등급화 방안 마련 및 이의 활용방안을 제시하고자 하고자 하였다. 또한, 최근에 본진이후 여진이 계속되고 지진 안전에 대한 국민적인 관심이 높아졌으며, 공사관리 노후 저 수지에 대한 종합적인 지진대처 방안 마련 필요에 따라 저수지 안전성 확보를 위한 인근 지질재해 취약성을 고찰하였다.

본 연구에서 제시된 단층분포 특성을 고려한 저수지별 지질재해 취약성 평가 기준을 우선 2017년 11월 경북 포항지진과 인접한 저수지를 대상으로 시범 적용하여 고찰하였다. 지진 직후에 수리시설물에 대하여 긴급점검을 실시한 결과, 진앙지 인근 저수지 4개소에서 제체 내 댐마루 균열 피해가 보 고되었다. 이전과 다르게, 이번 지진으로 총저수량 규모가 722여 천톤에 이 르는 대형 저수지에 종방향 균열 피해가 나타났다는 것은 큰 우려사안이었 다. 따라서 우선 대형 자연재해 대비를 위한 비상대처계획 수립 대상 저수지 (총저수량 기준 30만 톤 이상)에 대한 저수지 주변 지질구조선 등을 파악 및 분석하여 지질재해 취약성 평가지표를 수립하고, 이를 통한 소규모 저수지 에 대한 지질재해 취약성을 살펴보고자 하였다.

저수지 주변 단층분포 특성에 따른 지질재해 취약성 등급화를 위해 지진 시 우선순위를 정하여 긴급하게 대처하기 위해서, 취약성 평가의 구성요소인 내진성능, 정밀안전진단 및 지진영향 및 지질구조선 평가지표를 정립하였다. 연구지역 내 지질재해 취약성 평가 대상 저수지는 21개소가 해당되며, 저수지 제체를 중심으로 위치보정을 실시하였다. 그리고 GIS Geoprocessing Tool 을 활용하여, 저수지 제체 위치정보를 기준으로 2 km Buffer를 실시하여 지질재해 영향범위 및 추가적인 지형분석을 실시하였다 (Bae [3], Hubbard et al. [4], Kassou et al. [5]). 지질재해 종합평가에 있어서 평가 지표는 여러 번에 걸쳐서 전문가 의견을 반영하여 각 구성요소 간의 가중치 를 반영하여 결정하였다. 본 평가체계는 저수지 시설물 및 주변 지질구조선 에 따라 평가지표별로 판단하는 것에 근거하고 있으며, 환경적, 지리적 요 소, 사회적 기능의 중요성 및 위험도는 포함되지 않았다.

2. 연구지역 현황

2.1 지질학적 특징

연구 지역은 경북 포항시 북부의 흥해읍에 위치하고 지체구조적으로는 제 3기 포항분지 중부의 대부분이 환동해 알칼리 화산지구에 속한다 (Lee [6]). 이 지역 주변 일대의 광역적인 지질은 백악기 경상누층군의 하양층군 에 속하는 퇴적암류를 최기저층으로 하여 이를 관입한 제3기의 석영반암, 흑운모화강암, 규장암 및 석영조면암 그리고 이들을 피복하는 퇴적암류가 제3기 포항분지의 기반암을 이루며 지표에 분포하고 있다. 이전 연구 결과 에 의하면 (Song et al. [7]), 시추공의 코아 및 시추 작업 시에 발생하는 슬 러리 (slurry)를 회수하여 지질검층을 실시한 결과, 각 시추공의 대표적인 암종은 미고결 이암 (semiconsolidated mudstone), 화산력 응회암 (lapilli tuff), 이암 (mudstone), 유문암 (rhyolite), 중성맥암 (intermediate dyke), 사암 및 이암 (sandstone & mudstone) 등이다. 이 중에서 최상부에 매우 두 터운 층후를 보이는 미고결 이암은 암갈색이고 전반적으로 완전히 고화되 지 못한 암석에 속하며, 화산력 응회암은 대부분 담녹회색이고 응회질 사암 과 함께 전 구간에서 약풍화 암상을 보이며 그 하부에 분포하였다.

2.2 주변 저수지 현황 및 피해 사례

2017년 포항강진 직후에 진앙지로부터 반경 100 km 이내 공사관리 시 설물에 대하여 긴급 현장점검을 완료하였다. 긴급점검 대상 농업기반시설 물은 저수지, 양배수장 및 취입보 등 1,180여 개소에 이른다. 이중에서 저수 지는 724개소이며, 외관조사 및 긴급점검 으로 파악된 직접 피해가 나타난 저수지는 4개소였다 (Table 1). 대부분은 저수지 제체에 종방향 혹은 횡방 향 균열 피해가 보고되었는데, 회학저수지 경우에, 저수지 제체 No.5+10 지 점에서 횡방향 균열 및 No. 7 지점의 종점부에서 횡방향 균열 발생하였다. 균열 발생 구간에 대한 누수 가능성 및 진행 여부를 파악하기 위해서, 정밀 전기비저항탐사를 추가 실시하였으며, 이후 발생한 여진에 따른 더 이상의 피해는 보고되지 않았다.

3. 지질재해 취약성 평가요소

3.1 저수지 지질재해 취약성 평가 방법

본 연구는 국내 농업용 저수지를 대상으로 주변 단층분포 특성에 따른 지질재해 취약성 등급화를 통해 지진 시 우선수위를 정하여 저수지 안전성 확보를 위해서 효과적으로 비상대응체계를 확립하는데 그 목적이 있다. 연 구지역 내 저수지 제체 중앙을 기준으로 2 km 반경을 저수지별 지질재해 취 약성 영향범위로 설정하였다. 각 저수지별 영향범위에 대해 내진성능, 정밀 안전진단, 지진영향 및 지질구조선에 대해 분석하였다. 또한 저수지별 지질 재해 취약성 평가의 구성요소인 내진성능, 정밀안전진단, 지진영향 및 지질 구조선 평가지표를 정립하고 산정방법을 개발하였고, 각 구성요소 간의 가 중치를 반영하여 저수지별 종합취약성 우선순위를 결정하는데 이용하였다. 연구지역 내 저수지별 영향범위를 설정하였고, 내진성능, 정밀안전진단, 지 진영향 및 지질구조선을 분석하여 종합적인 취약성 평가지수를 산정하였다. 본 평가체계는 연구에 따른 자문회의 시 충분한 토론을 거친 후에 전문가 의 견을 반영하였으며, 이에 따라서 지질구조선 구성요소에 취약성 가중치를 더 산정하였다. 하지만 구성요소간 가중치 설정을 보다 구체적이고 현실적 으로 보완할 필요가 있으며, 향후 AHP 방법 등을 통한 다방면의 전문가 의 견 및 공청회 등을 통하여 평가지표를 업데이트할 계획이다. 본 연구에서 제 시한 단층분포 특성을 고려한 저수지별 지질재해 종합취약성 평가를 위해 우선 시범지구를 선정하고 적용하였다. 시범지구는 행정구역상 포항시에 속한 1종 저수지로 총 21개소이다 (Fig. 1).

3.2 저수지 내진성능 평가

일반적으로, 내진성능 평가라 함은 시설물이 최신 내진설계에서 규정하는 내진성능에 비해 어느 정도의 내진성능을 보유하고 있는지에 대한 평가를 말한다. 저수지 내진설계의 법적 근거는 지진·화산재해대책법 제14조 및 같은 법 시행령 제10조에 의하며, 저수지 경우는 총저수량 50만 톤 이상이 면서 제체 높이가 15 m 이상이 이에 해당된다. 공사관리 저수지 중 내진성 능 저수지는 총 594개소인데, 시범지구 내 저수지 21개소는 모두 시설물 내 진설계가 적용되어서 이를 반영하여 내진성능 평가지수를 산정하였다.

3.3 저수지 정밀안전진단 평가

정밀안전진단 상태평가는 재료시험 및 외관조사에 의해 시설물의 각 부 재로부터 발견된 상태변화 (결함, 손상, 열화)를 근거로 하여 상태평가 기준 에 따라 실시하며, 시설물의 전체 부재에 대한 외관 조사망도를 작성하여 부 재별로 상세히 상태평가를 실시하며, 상태변화가 전체 구조물에 미치는 안 전성의 영향정도, 구조적인 중요도가 적절히 고려되어 평가될 수 있도록 결 함 및 손상을 평가유형별로 구분하여 영향계수를 적용하여 최종 등급을 결 정한다 (Jang et al. [8]). 본 연구에서는 농업용 저수지 정밀안전진단을 위한 상태평가 기준에 의해서 수행된 농업기반시설 안전진단 결과를 그대로 활 용하여 저수지별 지질재해 취약성 등급화에 이용하였다.

3.4 저수지 지진영향 평가

지진영향 평가지표는 지진이벤트 시 저수지별 지진영향 크기로 산정하 였으며, 여기서 평가지표 산정을 위한 최대지반가속도 (PGA)는 저수지 인 근 기상청 지진관측소에서 계측된 값을 크리깅 기법을 이용하여 구하였다. Fig. 2는 2016년 9월 12일에 규모 5.1의 경주지진 시 전·후 1시간 동안 기 상청 지진관측소 자료를 이용하여 구한 PGA 분포도 상에 시범지구 내 저 수지 21개소 위치를 함께 도시한 것이다. 본 연구에서는 이를 이용하여 시범 지구 내 저수지별 상대적인 지진영향 순위를 구한 후 지질재해 위험성을 등 급으로 분류하였다. 그림에서 살펴보면, 경주지진 (그림에서 별표) 북서쪽 에 위치한 의성관측소 (EUSB) 및 영천관측소 (YOCB)에서 지진영향이 크게 나타났는데, 반면에 남서쪽 방향의 울산관측소 (USN)에서는 상대적 으로 지진영향이 미약하게 나타났다.

3.5 저수지 주변 지질구조선 평가

지질구조선 평가지표는 저수지 인근에 분포하는 단층 및 선구조 밀집도, 지진이벤트 밀도, 활성단층 분포 및 지각응력분포 특성으로 구성되며, 여기 서 선정된 지표는 기존 문헌을 통한 밀도 분석, 로즈 다이어그램을 통한 선 구조의 밀도 분석, 위성영상 분석을 통한 추출 (Thannoun [9]) 및 지질구조 선 판독에 따라 도출된 결과이다 (Fig. 3). 앞서 구축된 지질재해 취약성 평 가 구성요소에 본 지질구조선 취약성 평가 지수를 활용하여 최종적으로 종합 취약성 평가지수를 산정하였다.

연구지역을 포함한 경상북도 위성영상 및 문헌 분석하여 GIS D/B 결과 (Fig. 3(a)), 포항시 경우에 단층은 총 137개이며, 이들 총합은 106,780 m이 었다. Fig. 3(b)는 인공위성 영상자료를 활용하여 본 연구를 위해서 정의된 저수지 영향범위 내 선구조 및 단층분포를 추출한 결과이며, 한반도에서 발 생한 총 1,522회 지진의 시공간적 분포 특성을 분석한 결과는 Fig. 3(c)에 나타내었다. 활성단층이 존재하는 지역은 지진 발생 가능성이 높다는 것을 의미하는데, 본 연구로부터 파악된 경상북도에 소재한 71개소 활성단층부터 연구대상 저수지와 거리 특성에 따른 위험지수 분포도를 작성하였다 (Fig. 3(d)). 지진은 지각응력이 과도하게 누적되어 단층이 그 응력을 견디지 못할 때 단층면을 따라 발생하는데, 이때 응력의 크기는 지진 발생 가능성 척도이 다. 저수지별 영향범위 내 최대 수평 주응력과 연직응력의 비를 분석하여 시범 지구 내 응력분포 특성을 Fig. 3(e)에 나타냈다. 또한 로즈 다이어그램을 구 축한 결과, 포항시에 존재하는 전체 단층은 대략적으로 북동-남서 방향에 밀집되어 있음을 알 수 있었다. Fig. 3(f)는 저수지 댐마루 주향방향과 단층의 주향 및 밀도에 따른 지질재해의 취약성을 판단하기 위하여 수리구조물과 단층의 로즈 다이어그램을 오버레이한 것으로, 단층의 개수, 평균주향 및 총 단층길이를 종합하여 분석하였다. 선구조의 기하학적 특성 분석 결과, 본 연구지역에 속한 저수지와 주된 단층 주향방향은 서로 상관성이 낮은 것 으로 나타났다.

3.6 저수지별 지질재해 종합취약성 평가지수

앞서 살펴본 바와 같이, 연구지역 내 저수지 제체 중앙을 기준으로 2 km 반경을 저수지별 지질재해 취약성 영향범위로 설정하였다. 각 저수지별 영 향범위에 대해 취약성 평가의 구성요소인 내진성능, 정밀안전진단, 지진영 향 및 지질구조선 평가지표를 구하고, 각 구성요소 간의 가중치를 반영하여 저수지별 종합취약성을 결정하였다. 최종적으로, 저수지별 설정한 영향범 위 내 내진성능, 정밀안전진단, 지진영향 및 지질구조선을 분석하여 종합적 인 취약성 평가지수 산정 식 (1)을 다음과 같이 구하였다.

그 결과, 연구지역 내 지질재해 취약성이 가장 높은 수리시설물은 기동 저수지로 평가지수 0.364로 분석되었다. 포항강진 피해가 발생한 회학저 수지는 연구대상 저수지중 8번째로 취약한 것으로 나타났는데, 지질구조선 구성요소가 상대적으로 높게 나타났다 (Table 2). 하지만 이들 평가지수들 간의 가중치 산정 기준은 추가 연구할 계획이다.

4. 결과 및 고찰

2017년 포항지진 시 진앙지로부터 반경 100 km 이내 공사관리 시설물에 대하여 긴급 현장점검을 완료하였다. 긴급점검 대상 농업기반시설물은 저 수지, 양배수장 및 취입보 등 1,180여 개소에 이르는데, 이 중 저수지는 724 개소였다. 그 당시에 외관조사 및 긴급점검 시 직접적인 지진피해가 파악된 저수지는 4개소였다. 피해저수지 대부분은 댐마루에 균열이 발생하는 피해 가 발생하였다. 총저수량이 가장 큰 회학저수지에 대하여 (Fig. 1의 검정색 원형 및 Fig. 4(a)의 검정색 사각형), 지진에 따른 저수지 주변 지질구조 및 기초지반 특성을 고찰하였다.

4.1 저수지 주변 지질구조 특성

최근 경북 내 강진 주변을 지질학적으로 살펴보면, 경주지역은 암반층이 고 포항지역은 연약 지반층으로 포항지진이 경주지진에 비해 큰 피해가 발 생한 원인이었다. 포항지진 시 진앙지 주변으로 피해 저수지 4개소가 거의 일직선상으로 나타났는데 (Fig. 4(a)), 이에 대한 방향은 이 주변에 나타난 단층 방향과 일치하지 않았다.

지역을 구성하는 지질조건을 살펴본 결과, 진앙지 주변 (Fig. 4(a)의 별 모양 표기)은 대부분 충적층, 사질셰일 및 응회질 이암이 교대되어 나타나 는 역암이존재하는 학림층및 흥해층이 분포하는특징이 보였다. 이는 경주지 진이 불국사층군 화강암 지반이 위치하는 것과 차이를 보였다. 따라서 지진 피해가 발생한 저수지 (Fig. 4(b)의 검정색 원형) 주변 지질학적인 특징인 두터운 상부 퇴적층 (Fig. 4(c)의 AA’ 참조)과 무관하지 않으며, 결과적으 로 지진파가 피해 저수지 근방에서 크게 증폭된 것으로 판단된다. 단층운동 에 의하여 지진이 발생하였을 경우, 암반으로 전파되어 온 지진파가 토사지 반을 통과하면서 증폭되는데, 그 크기는 암반층에 비하여 최대 10배까지 증 폭되는 것으로 알려졌다.

4.2 저수지 기초지반 특성

지진에 의해 피해가 발생한 4개 저수지 중 총저수량 규모가 가장 크며, 진앙지로부터 북쪽으로 약 12 km정도 떨어진 위치에 있는 회학저수지에서 실시한 정밀안전진단 현장조사 자료를 이용하여, 저수지 기초지반 특성을 파악하였다. 시추조사는 정밀안전진단 제체의 상태를 파악하기 위해서 저 수지 제체 중앙에서 NX구경의 회전식 시추기를 사용하였으며, Table 3은 표준관입시험 (SPT) 결과이다.

지층은 시추조사 시 배출되는 슬라임과 굴진 용수의 배수색, 굴진속도, 표준관입시험으로 채취된 교란시료 등으로 판단하였으며, 암반층에 대해 서는 굴진속도, 코어회수율 및 균열이나 절리의 발달상태 등으로 구분하였 다. 그 결과, 제체 지층은 성토층, 중심코아의 점토층, 연암층으로 구분되었다. 성토층 (0.0~2.2 m)은 자갈 이 20~30% 정도 함유된 점토성분으로 성토되 어 있고, 자갈의 크기는 φ100 mm이하 우세하며 황갈색이었다. 중심코아 는 자갈이 5~10% 정도 함유된 점토성분으로 구성되어있으나, 부분적으로 19.0 m 이하 구간은 자갈이 40~50% 정도 함유되어 있다. 점토층 (2.2~20.0 m)은 습한상태며 소량의 모래성분이 혼재되어 있고 황갈색을 나타내었다. 기반암의 연암은 균열 및 절리가 매우 발달해 있으며 약한 풍화의 풍화도와 약함~보통강함 및 암편상 코아가 회수되며 암회색을 나타냈다. 표준관입 시험 결과, 중심코아는 7타/30 cm~14타/30 cm로 보통견고 (medium) ~ 견고 (stiff)한 상태로 조사되었다. 본 회학저수지는 기초지반은 암반층으로 파악되어서, 지진에 따른 저수지 제체 가속도 증폭은 크지 않을 것으로 판단된 다. 금번 피해저수지는 추가적인 정밀점검으로 전기비저항탐사를 수행하였 는데 (Park et al. [10]), 제체 내 균열 및 침식에 의한 누수가능성은 없는 것 으로 확인하였다. 이후 긴급 조치로서 수위를 낮추고, 균열구간에는 우천대 비 방수포를 설치하였다. 또한 여진에 따른 추가균열 여부를 계속적으로 주 의관찰하고 있다. 지진에 따른 피해 정도에 따라서 피해저수지 4개소에 대 한 항구복구 계획으로, 회학저수지 및 인근 둔각저수지 경우는 종방향 및 횡방 향 균열깊이까지 제방토사를 걷어내고 되메움 다짐 또는 그라우팅 처리를, 삼정저수지 및 지땡이 저수지는 종방향 균열깊이까지 제방토사를 걷어내 고 되메움 다짐하는 보수·보강 대책이 수립되었다.

5. 결 론

본 연구는 국내 농업용 저수지를 대상으로 주변 단층분포 특성에 따른 지질재해 취약성 등급화를 통해 지진 시 우선수위를 정하여 저수지 안전성 확보를 위해서 효과적으로 비상대응체계를 확립하는데 그 목적이 있다. 연 구지역 내 저수지 제체 중앙을 기준으로 2 km 반경을 저수지별 지질재해 취 약성 영향범위로 설정하였다. 각 저수지별 영향범위에 대해 내진성능, 정밀 안전진단, 지진영향 및 지질구조선에 대해 분석하였으며, 이를 저수지별 지 질재해 취약성 평가의 구성요소로 정립하고 산정방법을 개발하였다.

연구지역 내 지질재해 취약성 평가는 전체 저수지 중 21개소가 해당되며, 저수지제체를 중심으로위치보정을실시하였다. 그리고 GIS Geoprocessing Tool을 활용하여, 저수지 제체 위치정보를 기준으로 2 km Buffer를 실시 하여 지질재해 영향범위 및 추가적인 지형분석을 실시하였다. 그 결과, 본 연구지역 내 지질재해 취약성이 가장 높은 기동저수지는 종합취약성 평가 지수가 0.364로 분석되었다.

최근 지진 발생 직후, 진앙지로부터 반경 100 km 이내 공사관리 시설현 황에 대하여 긴급 현장점검을 완료하였다. 이전에 피해 발생 저수지를 포함 하여 긴급현장점검을 실시한 결과, 모두 양호한 것으로 보고되었다. 현재 여진에 따른 피해시설물 안전여부를 지속적으로 모니터링하고 있다. 지진 시 긴급하게 점검을 해야 하는 시설물은 양적으로 많으며 대상 수리시설물 중 대형 피해가 우려되는 저수지도 724개소에 이른다. 하지만, 진앙지에서 거리가 가까운 시설물을 우선 순위로 정하여서 긴급현장점검을 실시하고 있는 상황이다.

향후, 본 연구에서 제시한 저수지별 지질재해 취약성 평가 방법을 토대로, 저수지별 취약성 등급 기준 수립 및 우선수위를 부여하여서 지진에 따른 긴급 현장점검 및 피해 최소화에 활용할 계획이다.