A Study on the Volcanic Ash Damage Sector Selection based on the Analysis of Overseas Cases and Domestic Spatial Information

해외 사례 분석과 국내 공간정보 분석을 통한 화산재 피해 분야 선정

Abstract

Mt. Baekdu, Mt. Aso, Mt. Sakurajima, Mt. Kikai and etc are distributed around the Korean Peninsula. Recently signs of eruption of Mt. Baekdu are increasing, raising concerns over possible damage to volcanic ash from seasonal winds during the winter eruption. Therefore, detailed procedures for investigation and countermeasures for volcanic ash spread and damage are required. But the standards for the warning and alarm signal of volcanic ash presented by Korea Ministry of Government Legislation are vague, with "when damage is expected" and "when serious damage is expected". In this study, to analyze the damage threshold and to apply the cases of overseas damage to the country, a survey was conducted on the establishment of domestic spatial information by public institutions with public confidence. As a result of the investigation of damage from volcanic ash overseas, the details of the damage cases were different depending on the type of life or income sources of each country. Therefore, instead of applying the volcanic ash damage cases abroad in Korea, spatial information analysis was performed to reflect domestic social and natural characteristics. In addition, we selected the areas to be considered in the event of volcanic ash damage in Korea. Finally, domestic volcanic ash damages should be classified as health, residential, road, railroad, aviation, power, water, agriculture, livestock, forest, and soil. When establishing the volcanic ash alarm optimized for Korea in the future, overseas volcanic ash damage cases and domestic spatial information construction in this study will be helpful in policy establishment.

한반도 주변에는 백두산, 아소산, 사쿠라지마산, 키카이산 등이 분포하고 있으며 최근 백두산의 분화 징후가 급증하고 있어 겨울철 분화 시 계절풍에 따라 화산재가 유입될 수 있는 피해가 우려되고 있다. 따라서 화산재 확산 및 피해에 대한 조사 및 대책에 대한 구체적인 절차가 필요하지만 우리나라 국가법령정보센터에서 제시하는 화산재 주의보 및 경보는 '피해가 예상될 때'와 '심각한 피해가 예상될 때'로 기준이 모호하다. 이에 본 연구에서는 피해발생 임계치를 분석하고 국외 피해사례를 국내에 적용하기 위하여, 공신력있는 공공기관의 국내 공간정보 구축 현황 조사를 수행하였다. 국외 화산재 피해 조사 결과 각 국가의 생활 형태나 수입원에 따라 피해사례가 자세히 작성된 부분이 상이하였다. 따라서 국외 화산재 피해 사례를 국내에 집적으로 적용하는 것이 아니라, 국내의 사회환경 및 자연환경의 특징을 반영한 공간정보 분석을 수행하였고 우리나라 화산재 피해발생시 고려해야 할 매체를 선정하였다. 최종적으로 국내 화산재 피해내역은 보건, 주거, 도로, 철도, 항공, 전력, 수도, 농업, 축산, 산림 그리고 토양으로 분류하는 것이 적합할 것으로 사료된다. 본 연구는 국내외 화산재 피해가 발생했을 경우 공신력 있는 공간정보를 활용해 피해 항목을 정리 했다는 것에 의미가 있으며, 향후 우리나라에 최적화된 화산재 경보 수립할 때 본 연구에서 조사한 국외 화산재 피해사례 및 국내 공간정보구축 현황은 정책수립에 도움이 될 것이다.

1. 서론

우리나라의 수도권 및 남해안권 기준 반경 500 km 이내에는 4개의 화산(백두산, 아소산, 사쿠라지마산, 키카이산)이 분포하고 있으며 해당 화산 분화 시 국내 화산재 유입으로 피해가 예상된다. 특히 1천년 전 일어난 백두산의 분화는 최근 분화한 아이슬란드 화산의 1,000배 이상의 규모를 가졌으며 2002년 이후 백두산 인근에서 화산성 지진과 화산가스의 방출이 급증하여 백두산 화산 활동 재개에 대한 가능성이 높아지고 있다. 백두산이 겨울철 분화 시 화산재가 한반도 방향으로 확산되며 항공기 결항, 화산재로 인한 생활환경 및 산업적 피해 등 직간접적인 피해가 발생할 것이다. 뿐만 아니라 활화산인 아소산과 사쿠라지마산 등은 분화의 계절적 시기에 따라 한반도 남부 해안에 화산재가 확산되었던 사실이 있으며(Machida, 2002), 최근 기후 변화로 이상 기상과 계절풍의 패턴이 변동되고 있어 국외 화산 분화로 국내의 화산재 피해발생 잠재성은 가속될 수 있다.

한반도 주변 휴화산 및 활화산의 활동 징후가 활발해진 현 시점에서 화산재 확산 및 피해에 대한 구체적인 절차 확보가 필요하다. 하지만 지진화산 업무 규정, 기상청 훈련자료 제 881호에 의하면 화산재 주의보와 경보는 ‘피해가 예상될 때’와 ‘심각한 피해가 예상될 때’로 기준이 모호한 한계점이 있다(Fig. 1). 따라서 본 연구에서는 향후 국내에 최적화된 화산재에 의한 피해 예경보의 임계치 설정을 위해 피해가 발생 할 수 있는 국내의 항목을 정리하였다.

Fig. 1. Volcanic ash warning and alarm from Korea Ministry of Government Legislation (Figure from Korea Ministry of Government Legislation, http://www.law.go.kr/admRulLsInfoP.do?admRulSeq=2100000090433).

정리 내용은 다음과 같다. 첫째, 우리나라 주변국가의 주요 활화산 현황 및 화산재 유입 가능성을 정리하였다. 둘째, 활화산을 보유하고 있는 국가 중 화산재에 의한 피해 현황을 분야별로 정리하고, 이를 인벤토리로 구축하였다. 셋째, 인벤토리 중 국외 사례에서 확인 할 수 있는 세부 화산 피해를 분야별로 정리하고 우리나라에서 화산재 피해와 연계되는 공간정보를 조사하였다. 넷째. 국내 사회, 자연환경적 특징의 고려 및 공간정보 자료 획득이 불가능한 피해 분야를 삭제하고 최종적으로 국내 화산재 피해 분야를 선정하였다. 세부적인 연구의 흐름은 Fig. 2와 같다.

Fig. 2. Flow chart.

2. 국외 화산재 피해 사례 및 인벤토리 작성

활화산이 분포하는 국외의 경우, 화산 관련 국가기관, 민간 연구 기관에서 화산이 분화한 후 화산재의 확산 범위, 피해 정도 등을 기록하고 피해규모 산정과 그에 대한 대응 매뉴얼을 작성한다. 작성된 피해 내용을 바탕으로 화산재 확산으로 발생할 수 있는 피해 정도를 예측한다. 이에 우리나라의 화산재 피해 수치화를 위해 주변국가와 주요 화산 피해 국가를 중심으로 화산재 피해 문헌을 수집 및 검토하였다. 이때 대규모 화산재 피해가 발생하여 국가 차원의 조사 및 연구가 진행된 화산 사례를 중심으로 검토하였다. 조사 국가는 일본, 미국, 뉴질랜드, 인도네시아, 아이슬란드, 칠레, 과테말라, 아르헨티나, 에콰도르로 총 9개국이다. 화산재에 의한 국외 피해를 조사하기 위해 논문 33편, 보고서 18편, 사이트 4곳, 총 59개의 자료를 검토했다(Thorarinsson and Sigurdur, 1979; Cook et al., 1981, Mack and Richard, 1981; Brown et al., 1982; Harrison, 1982; Seymour et al., 1983; Blong et al., 1984; Folsom, 1986; Scasso et al., 1994; Zobel and Antos, 1997; PAHO/WHO, 2002a; PAHO/WHO, 2002b; Chaneton et al., 2014; Antos et al., 2005; Oetelaar et al., 2005; Gardner et al., 2006; Wilson et al., 2007; Bebbington et al., 2008; Guffanti et al., 2009; Stewart et al., 2009; GNS, 2010; USGS, 2010; Escobar, 2011; Robles, 2011; Gudmundsson, 2011; Spence et al., 2005; Wilson et al., 2011a; Wilson et al., 2011b; Ministry for Primary Industries, 2012; Wardman et al., 2012; Jiang et al., 2013; JMA, 2013; Wilson et al., 2013; Scaini et al., 2014; Ágústsdóttir, 2015; Hasegawa et al., 2015; Volcanic ash fall Impact working group, 2015; In an easy-to-understand way to live tomorrow Government Public Relations Online, 2015; BNPB, 2016; Elissondo et al., 2016; JMA, 2016; Mitsuhiko et al., 2016; Blake, 2017; USGS, 2017; Swiss Reinsurance Company Ltd, 2017).

1) 한반도 및 주변 국가 주요 화산 현황

2010년 에이야프얄라요쿨 화산의 분화로 아이슬란드뿐만 아니라 다량의 화산재로 유럽 전역의 막대한 항공편 결항이 발생하였다. 우리나라 주변엔 백두산, 사쿠라지마산, 아소산 등 휴화산과 활화산이 분포하고 있으며, 도쿄의 화산재주의보센터에서 제공된 위성영상과 화산재 방향 정보를 이용해 2015~2017년 까지 일본지역의 화산 분화에 따른 화산재 확산 방향을 분석해본결과 70건 이상이 한반도 방향으로 확산되었다(VAAC, https://ds.data.jma.go.jp/svd/vaac/data/index.html). 뿐만 아니라 최근 2013년 일본의 사쿠라지마산은 폭발적인 분화가 발생하였으며(Japan Meteorological Association, 2013) 2002년 백두산에서 규모 7.3의 지진이 발생하는 등 화산활동의 전조현상이 발생하고 있다(Yun and Lee,2012). 백두산과 우리나라의 거리를 감안했을 때 백두산 분화 시 화산에 의한 직접적인 피해는 없을 것으로 예상되지만 겨울철 분화 시 국내로 화산재가 유입되어 화산재에 의한 물적, 인적 피해가 클 것으로 예상된다(Lee and Yun, 2011). 이처럼, 한반도 및 주변국가 화산들의 분화 및 분화 징조가 발생하면서 국내에서도 화산 재해에 대한 필요성이 높아지고 있다.

2) 각 국가별 화산재 피해 현황 정리

화산재 피해에 대한 인벤토리의 구성은 전체 7가지 (분야, 세부피해분야, 누적량, 1차(직접), 2차(간접), 화산 재 상태, 국가)로 구성된다(Table 1). 분야는 세부 피해분 야에 대해 대분류로 매치한 것으로 보건, 건물, 도로, 철도, 항공, 전력, 수도, 농업, 축산, 수산으로 10가지로 구분하였다. 세부피해분야는 앞서 언급된 논문 편, 보고서 편 등을 통해 획득된 9개국에서 나타난 세부적인 피해를 나타낸 것이다. 전체 세부피해분야는 보건분야에서 기관지 관련 증상 악화, 호흡기 환자 증가, 인명피해, 정신적 후유증, 건물분야에서 목조건물 붕괴, 가옥 대부분 훼손, 지붕붕괴, 주택표면 손상, 건물 붕괴 등과같이 나뉜다. 누적량은 화산재에 의한 누적량을 의미하는 것으로서 도로 분야의 경우 최소 0.1 mm에서 최대 300 mm까지 기록되어있다. 1차 피해와 2차 피해는 직접 피해, 간접 피해를 뜻하는 것으로 보건분야의 경우 인명피해와 같은 직접피해, 정신적 후유증 같은 간접 피해로 나뉜다. 또한 화산재 상태를 구분하여 피해 내용을 정리하였다. 통상 비가 내리면 화산재 두께는 건조한 상태의 1.7배가 되므로 하중과 물리적 영향이 다르므로 이를 구분하여 기록하였다.

Table 1. Volcanic Ash Damage Status by Country

Table 1. Continued

이러한 인벤토리의 특징을 국가별로 정리하면 다음과 같다. 일본의 경우, 총 세부피해항목 46개 중 가장 많은 21개, 약 46%에 해당된다. 이는 우리나라의 인접국가 중 장 많은 활화산을 보유하고 있으며, 실제 화산재에 의한 피해가 발생한 사례가 많다는 것을 의미한다. 일본의 화산재 피해 세부항목 중 특이점은 주거시설 중 목조 건물의 비중이 높으며, 이에 대한 피해가 발생하는 것을 정리한 것이다. 예를 들어, 화산재 누적량이 40~60 cm일 때 목조건물 붕괴, 60 cm이상일 때 가옥 대부분 훼손으로 목조건물과 가옥에 대한 피해를 구분하고 있다. 다음으로 미국의 경우 세부피해 항목의 26%를 차지하고 있으며, 특이점은 가축의 종류에 따라 화산재양과 농도에 따라 피해를 받는 역치가 다르므로 이를 구분하여 기록하였다. 소의 경우 화산재의 불소의 양이 40µg/g일 때 피해가 발생, 양의 경우 불소가 60 µg/g일 때 피해 발생으로 피해 내용을 구분하고 있다. 뉴질랜드의 주요 화산재 피해기록 특징은 화산재 누적량을 정량적 수치범위로(1 mm 이하, 1~5 mm, 5 mm~100 mm, 100mm~300 mm, 300 mm 이상) 나누어 피해 내용을 구분하고 있었다. 자세한 예를 들면 건물 부문의 피해는 1mm 이하일 때 건물 표면의 손상, 1~5 mm일 때 건물의 장비 고장, 100 mm~300 mm일 때 하중으로 인한 지붕 붕괴, 300 mm 이상일 때 건물 붕괴이다. 인도네시아는 농업분야 세부피해항목의 50%를 차지하고 있으며 농업분야에서 화산재 피해에 대해 자세히 기록하였다. 특히 2006년 분화한 메라피 화산의 경우 농업이 밀집된 지역에서 분화하여 현장 관측을 통한 농업 및 기반시설에 대한 피해 조사가 자세히 이루어졌다. 조사된 내용은 쌀(이삭), 쌀(다 자란 쌀), 담배(나뭇잎 손상, 잎 떨어짐), 토마토(잎 손상, 열매 손상), 양배추 작물 손상, 고추(잎과 열매 손상, 꽃과 잎 손상, 열매와 잎의 큰 손상, 작물손상), 그 외 작물(땅콩, 오렌지 등 10개 작물) 손상, 일반작물 손상이다. 칠레의 주요 화산재 피해내용은 주요 수입원인 축산에 집중되어있다는 것이다. 칠레 축산의 경우 가축의 치아 손상으로 인한 건강 악화 및 죽음, 가축손실, 화산재 양털 흡착으로 인한 양털 산업의 피해, 스트레스로 인한 가축의 출산율 저하, 가축들의 각막 손상 및 실명, 목초지 완전 덮임, 목초지 및 보조식량 생산량 감소로 구체적인 피해 대상을 언급하였다. 이를 누적량에 따라 수치적으로 구분하면 축산 부문의 피해는 50 mm 이하일 때 가축의 치아 손상으로 건강 악화 및 죽음, 50 mm 이상일 때 목초지 및 보조식량 생산량 감소, 100 mm일 때 목초지 완전 덮임, 20~40 cm일 때 가축 손실의 피해로 구분된다. 과테말라는 현장 관측, 현장 테스트, 인터뷰 등 현장 위주의 화산재 피해 내용을 조사하여 화산재의 누적량뿐만 아니라 화산재의 온도에 따라서도 피해를 구분하였다. 구체적인 예를 들면, 농업부문의 피해에서 10~12 cm 일 때 농작물의 50%가 피해를 입었고, 15 cm 누적량인 뜨거운 테프라의 경우 식량부족을 야기할 만큼 큰 피해가 발생하였다(Fig. 3).

Fig. 3. Crop damage from burns (Wardman et al., 2012).

3. 화산재 피해 관련 국내 공간정보 조사

2장에서 조사된 국외 화산재 피해발생 현황을 국내에 적용하기 위해 국내에 이미 구축된 공간정보 자료를 수집·분석하고 종합하였다. 이를 위하여 통계청 국가통계 포털, 통계청 지리정보서비스, 공공데이터포털, 환경공간정보서비스, 건강보험공단자료공유 서비스, 국가교통정보센터, 한국공항공사, 인천국제공항공사, 한국전력공사, 한국수자원공사, 산림청 제공하는 통계 데이터베이스 등 총 11개를 조사하였다(Korean Statistical Information Service; SGIS; DATA; EGIS; NHISS; ITSStandard Nodelink; KAC; IA; KEPCO; K-Water; KFS).

Table 2는 이상의 과정을 통하여 구축한 국내 화산재피해 관련 공간정보 현황을 나타낸다. 전술된 화산재 피해 인벤토리 및 국내의 공간정보 자료 현황을 고려하여 보건, 주거, 도로, 철도, 항공, 전력, 수도, 농업, 축산, 산림 그리고 토양으로 분류하였다. 조사 및 확보 결과 각 화산재 피해 분야에 대하여 보건 49개, 건물과 도로 각 1개, 철도 2개, 항공 3개, 전력 2개, 수도 1개, 농업 3개, 축산 9개 그리고 토양과 산림 각 1개 자료를 확보하였다. 구축이 가능한 자료를 정리하면서 국외의 사례에서 확인할 수 있는 전체 세부 화산재 피해 분야들을 그 내용에 따라서 묶었다. 또한, 활용 가능한 공간정보 자료를 획득할 수 없는 일부 매체들은 삭제하였다. 그 예로는 통신 분야(1종 시설물로 적절한 공간정보 확보 불가능), 수산 분야 (특정 수산물의 산지 확인 어려움)가 있다.

Table 2. Status of Spatial Information in Korea by Volcanic Ash Damage

수집된 자료 중 일부는 좌표계가 포함된 공간 자료의 형식으로 제공되고 있다. 반면 상기 외의 자료들은 모 두 전국을 일정 행정구역으로 구분하여 통계 자료를 제 공하고 있었다. 예를 들어 중분류 토지피복지도(주거 및 농업), 표준노드링크 (도로), 임상도(산림), 그리고 토양도(토양)는 공간 자료로 제공된다. 한편 이를 제외한 보건, 철도, 항공, 전력, 수도, 축산 분야의 자료는 행정구역(시군구 혹은 시도)에 따라 관심 속성 정보를 제공하고 있다.

지역에 따른 화산재 누적량을 고려하여 분야별 화산재 피해 매체를 결정하기 위해서 수집된 공간 자료들에 대한 일관적인 분석이 필요하다. 이를 위하여 가장 우선적으로 각 세부 피해 공간 자료의 형식을 통일해야 한다(Lee et al., 2019; Lee, 2019). 일반적인 국내 기상 특보 발령이 행정 구역에 따라 제공된다는 점에서 행정구역에 따른 자료 변환이 필요하다. 따라서 구축된 공간정보를 함께 활용하기 위해서는 1) 행정구역에 따라 단순 통계자료로 제공되는 자료의 공간자료화; 2) 선(line), 면(polygon) 형태로 제공되는 공간 자료의 단순화(행정구역 별); 그리고 3) 변환된 행정구역별 공간자료의 일반화(행정구역 수준 통일)의 과정을 수행하였다.

최종적으로, 국내 화산재가 유입되면, 피해 발생 항목은 보건, 주거, 도로 철도 및 항공등 7개이며(Table 2),보건분야의 세부 피해 항목은 기관지 및 호흡기 질환 증가, 천식 및 알레르기 증가 등 총 5개이다. 피해 발생 누적량의 경우는 기관지 및 호흡기 질환의 경우, 0.1 mm등 총 0.1~5 mm의 사이에 분포한다. 또한 해당 지역별 피해 발생 현황을 파악할 수 있는 공간정보는 통계청의 인구통계자료 및 건강보험공단의 질병소분류 및 세분류 통계가 해당된다. 해당되는 모든 자료는 전국단위 시군구로 분석이 가능하다.

수도 분야의 세부 피해 항목은 수질저하(pH감소), 단수, 여과장치 손상, 배수로 막힘으로 총 4개이며, 피해 발생 누적량은 수질저하의 경우 0.1 mm, 단수의 경우 10mm로 0.1~10 mm 사이에 분포한다. 전국단위로 분석이 가능한 상수도 통계자료는 수자원공사에서 자료를 제공하며 지역별, 급수인구, 관로 현황 등에 대한 정보가 포함되어 있다.

농업 분야의 경우 피해항목은 밭농사 피해, 벼농사피해, 비닐하우스 농업 불가로 총 3개이며, 각 분야별 화산재 피해 발생 누적량은 밭농사 0.1 mm, 비닐하우스농업 불가 10 mm로 0.1~10 mm 사이에 분포한다. 중분류 토지피복지도에 해당하는 밭지도, 논지도, 하우스재배지 지도는 환경부에서 제공하는 자료로 전국단위로 분석이 가능하며 밭, 논, 하우스 재배지의 넓이 정보가 포함되어 있다.

4. 결론 및 제언

한반도 주변 활화산과 휴화산의 분화 징후가 활발해진 현 상황에서 화산의 분화로 화산재에 인한 피해가 우려가 가속되고 있다. 따라서 우리나라에 최적화된 화산재 특보 발령 방안 구축을 위해 국외 화산재 피해 사례 및 수치화 연구, 국내 공간정보 구축 현황을 조사하였다.

국외 화산재 피해 조사 결과 각 국가의 생활 형태나 주요 수입원에 따라 피해사례가 자세히 작성된 부분이 상이하였고, 이는 공간정보를 통해 각 국가의 주거 형태, 주요수입원 등의 위치와 종류의 파악이 중요함을 시사한다. 이와 관련하여 대응되는 국내 공간정보 현황을 조사하였다. 예를 들어, 통계청의 인구통계자료, 환경부의 논과 밭의 토지피복지도 등을 통해 국내 공간정보 구축현황을 조사하였다.

해외사례를 기반으로 작성한 인벤토리는 보건, 건물, 도로 등 12가지 분야에 49가지 세부피해분야가 있지만 국내 공간정보로 작성 가능한 인벤토리는 11가지 분야에 23가지 세부피해분야가 작성 가능하다. 국내 공간정보로는 대분류 된 분야에 대해선 수산을 제외하고 해외사례와 동일한 항목 작성 가능하지만 세부피해항목에 대해선 적절한 공간정보 확보가 어려운 현황이다. 결과적으로, 조사 결과 획득 불가한 공간정보를 제외하고 우리나라의 국내 화산재 피해내용은 보건, 주거, 도로, 철도, 항공, 전력, 수도, 농업, 축산, 산림 그리고 토양으로 분류하는 것이 적합할 것으로 판단된다.

본 연구는 국외 사례 대비 국내의 화산재 피해가 발생할 경우, 이를 공신력 있는 공간정보를 활용하여 피해 항목을 정리하였다는 것에서 의미가 있으며 우리나라에 최적화된 화산재 경보 정책 수립에 도움이 될 것이다. 그러나 본 연구의 한계는 화산재 확산 시나리오를 모델링하여 화산재 유입량에 대한 조사를 수행하지 못하였고, 그에 따라 조사된 공간정보 기반으로 피해 확산을 예측하지 못하였다. 이는 차후 연구에서 수행하여 화산재 피해지수와 국내 특성을 고려한 한국형 화산재 특보 발령 방안을 제시 하고자 한다.