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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 17(1); 2017 > Article
건물침수지역과 시가지유형간의 관계에 대한 실증분석

Abstract

The purpose of this research is to investigate, empirically, the relationship between developed area types and flooded buildings due to urban flooding. The employed method is Morphological Spatial Pattern Analysis(MSPA) for the city of Gangneung by using flooding records for the year of 2006. The findings are as follows; The total 681 flooded buildings are located in each different type of developed area. 60 buildings(8.8%) are found in Core, 82(12%) in Bridge, 66(9.7%) in Edge, 88(12.9%) in Branch. The rests(385, 56.5%) are found in Islet. It means that buildings located in the fragmented type of developed area could be susceptible to urban flooding and the findings are required to be validated for the following researches. The results imply the importance of the needs of stand-alone buildings to minimize flooding damages.

요지

본 연구는 홍수로 인한 건물침수지역과 시가지 유형 사이에 어떠한 관계성이 존재하는가에 대한 실증분석을 목적으로 한다. 강원도 강릉시를 대상으로 Morphological Spatial Pattern Analysis(MSPA)를 이용하여 분석한 결과 2006년 강릉시 시가지 내 주택침수지 총 681개는 각 시가지 유형별로 다음과 같이 분포하고 있는 것으로 나타났다: 군집형(Core) 60개소(8.8%), 교량형(Bridge) 82개소(12%), 경계형(Edge) 66개소(9.7%), 가지형(Branch) 88개소(12.9%)가 입지하고 있었다. 그리고 가장 많은 385개소(56.5%)는 섬형(Islet)의 시가지 유형을 갖는 시가지에서 관찰되었다. 즉 시가화지역 내 주택침수 대다수는 Islet 지역, 즉 나 홀로 건축물, 에서 발생하는 것으로 나타났다. 이는 나 홀로 건물들은 도시홍수에 취약할 수 있음을 암시하고 있으며 이러한 관찰에 대한 설득력 있는 근거 제시는 추후연구를 통해 검증될 필요가 있다. 다만 현 시점 도시홍수 대책으로서 나 홀로 아파트·주택의 침수대책은 고려할 필요가 있다.

1. 서론

최근 들어 이상기후로 인한 홍수피해는 지속적으로 발생하고 있으며 이러한 추세는 꾸준히 증가하는 추세이다. 이러한 현상은 기후변화 및 도시화와 같은 자연 및 인문환경변화에 의한 결과로, 과거 2011년 서울 광화문 및 강남역 침수를 비롯하여 2016년 태풍 차바 집중호우 등 향후 홍수피해는 계속될 것으로 전망된다. 재해연보(2006-2010)에 따르면 지난 5년간 우리나라 재해원인과 피해액은 호우와 태풍이 94%를 차지하고 있다. 또한 지난 10년간 자연재해 피해액은 연간 8,000억 원에 이르고 피해를 복구하는 비용은 피해액의 약 2배인 1조 5,000억 원에 달한다. 서울의 경우 주로 여름철 6~8월에 집중되는 국지성 집중호우로 인해 풍수해가 발생하는데 1987년, 1990년, 1998년, 2001년, 2010년, 2011년 등 대략 10년 주기로 2~3회 발생하고 있다(서울특별시, 2014).
침수피해는 저지대 평지를 중심으로 지형적 영향과 배수불량으로 인하여 저지대 시가지 침수, 반지하주택 침수, 지하공간 침수, 도로침수 등 내수침수가 대부분을 차지하고 있다. 그 중 주택침수와 관련해서 기존에는 주택침수 등에 의한 문제해결을 위해 재해위험지구 경계를 설정하는 경우도 있는데 국민안전처(2008)에서는 도심지형과 우수의 흐름에 따라 재해발생지구와 재해위험지구로 구분하기도 하였다. 지금까지 대부분의 도시홍수 및 주택침수는 주로 지형 및 수문학적 관점에서 해석되어져 왔다. 반면 Rantz(1970)는 1969년 미국 캘리포니아 남부에서 발생하였던 도시홍수는 도시의 무분별한 도시확장(Urban Sprawl)에 포괄적 책임이 있음을 지적하면서 도시 스프롤은 도시기반시설의 체계적인 유지관리보수를 제약한다는 점을 강조하였다.
하지만 실제로 도시홍수가 발생하는 시가지 지역(Develope Area)의 관점에서 주택침수지를 해석하고자 하는 시도는 찾아보기 어렵다. 이에 본 연구에서는 홍수로 인한 건물침수지역과 시가지 유형 사이에 어떠한 관계성이 존재하는가에 대한 실증 관찰 및 분석을 목적으로 한다.

2. 연구방법론

2.1 강릉시 주택침수지와 시가지 자료

강릉시는 2002년 태풍 루사가 한반도를 통과했을 때 때 가장 피해를 많이 입은 지역 중 하나이다. 당시 시간당 80mm, 일일 강수량 890mm의 기록적인 강우로 인해 강릉 오봉댐이 붕괴 위험수준까지 이르는 등 시 전역은 매우 큰 홍수 피해를 겪었다. 이후, 2005년 이후 2014년까지 강릉시에는 총 4개 년도에 걸쳐 홍수피해가 기록되어 있다. 2016년 강릉시로부터 수집한 사유재산피해기록에 따르면 강릉시 건물침수는 2006년 2,173건, 2007년 2건, 2009년 69건, 2012년 358건이 발생하였다. Fig. 1에서 보여주듯이 본 연구에서는 건물침수지 분석결과의 설득력을 가급적 높이기 위하여 최근 강릉시에서 가장 많은 피해가 발생하였던 2006년도의 침수지 위치자료를 사용하였다.
Fig. 1
Location of Flooded Buildings in the City of Gangneung for the Year of 2006
KOSHAM_17_01_347_fig_1.gif
시가지 분석을 위해서는 국토교통부 국가수자원관리종합정보시스템(www.wamis.go.kr)에서 공개하는 토지피복도를 활용하였다. 해당 기관의 자료 중 강릉시의 경우 공간해상도는 5m로 ESRI 레스터 형태로 사용되었다. 2016년 현재 강릉시에 활용 가능한 가장 고해상도의 자료는 중분류 토지피복도로 분류되는 2000년, 2007년, 2013년이며 공간해상도 1m인 세분류 토지피복도는 제공되지 않는다.
토지피복도는 최근 강릉에서 가장 많은 건물침수를 기록하였던 2006년의 토지이용현황과의 일치를 위해 2007년 자료를 이용하였다. 국가수자원관리종합정보시스템에서 토지피복도 사용 시 공지하는 내용인 토지피복도의 연도는 실제 촬영시점을 의미하지는 않는다는 점을 고려할 때, 2007년 토지피복도 자료는 본 연구에서 활용하고자 하는 2006년도 당시의 토지의 형질을 가장 근사하게 나타내고 있는 자료라고 가정하였다. 본 연구에서 언급하는 시가화지역은 토지피복도 피복분류상 동일한 용어인 시가화지역으로 정의되고 있다. 시가화지역의 공간분석을 위해 수집된 토지피복도 자료는 ArcMap을 이용하여 시가화지역은 Foreground(0)로 설정하고 그 밖의 유형들은 Background(1)로 이진법 방식으로 구분하여 TIFF 이미지로 전환하였다.
가급적 많은 건물침수자료 활용을 위해 본 연구에서는 2009년과 2012년도의 주택침수자료도 활용하고 싶었으나, 동일시기의 토지이용현황을 나타내는 토지피복도가 없어 사용하지 못했다. 2009년과 2012년도 주택침수자료의 경우 가장 근사한 시기의 토지피복도는 2014년 토지피복도이다. 하지만 2014년도의 토지이용이 2009년 또는 2012년도의 토지이용과 근사하다는 가정은 다소 무리가 있어 본 연구에서는 2009년과 2014년 건물침수지와 시가지 패턴분석은 수행하지 못하였다.

2.2 Morphological Spatial Pattern Analysis

앞서 기술하였듯이 강릉지역 시가화지역은 2007년 토지피복도의 시가화지역을 이용하여 형태학적 공간패턴분석(Morphological Spatial Pattern Analysis: MSPA)을 수행하였다. 도시의 물리적 현상인 형태학적 측면에서의 도시의 이해는 MSPA 방법을 이용하여 가능하다(Vogt et al., 2007; 2010). Soille(2003)에 따르면 MSPA는 Mathematical Morphology로부터 파생된 개념으로, Binary 패턴분석을 통해 모양, 크기, 연결성 법칙을 이용하여 이해하고자 하는 특정 형태를 이미지형태로 변환한 후, 군집 또는 파편화 등의 기하학형태로 분류하여 계량화하는 방식이다. Wickham et al.(2010)는 이미지로 전환된 토지피복도를 이용하여 이해하고자 하는 특정 토지이용에 대한 공간적측면의 상관성 및 구조 분석이 가능하다는 점을 기술하였다.
MSPA는 European Commission Joint Research Centre 에서 개발된 Graphical User Interface for the Description of image Objects & their Shapes(GUIDOS) 프로그램을 이용하여 분석 가능하다. GUIDOS를 이용한 MSPA 분석은 공간정보와 관련된 여러 분야에서 활용되고 있다(Kang and Choi, 2014; Kang and Kim, 2015; Vogt, 2010). GUIDOS를 활용한 MSPA 기하학 분류는 Fig. 2에서 보여주고 있듯이 군집형(Core), 섬형(Islet), 교량형(Bridge), 고리형(Loop), 가지형(Bbranch), 경계형(Edge), 그리고 천공형(Perforation) 형태로 분류된다(Soille and Vogt, 2009).
Fig. 2
Graphical Images of MSPA Classes
KOSHAM_17_01_347_fig_2.gif
본 연구에서는 GUIDOS를 이용하여 Foreground로 정의하였던 토지피복도 유형 중 하나인 시가화지역의 이미지의 픽셀들 상호간의 연결패턴을 분석하였다. 픽셀간의 연결성은 8-Neighbor 또는 4-Neighbor로 설정할 수 있다. 이때 8-Neighbor은 어떤 한 개의 픽셀과 연결된 픽셀은 그 픽셀의 4개면과 4개의 꼭짓점이 접하는 모든 픽셀들(8개의 픽셀)이 연결성을 지니고 있음을 의미한다.
또한 4-Neighbor은 어떤 한 개의 픽셀과 연결된 픽셀은 그 픽셀이 가진 4개면만을 접하는 픽셀들만(4개의 픽셀)이 연결성을 갖고 있다는 것을 말한다. 본 연구에서는 GUIDOS 매뉴얼을 참조하여 Foreground의 연결성 기준을 다음과 같이 설정하였다. 첫째, 연결성 기준으로 8-Neighbor을 사용하였다. 둘째, 경계의 폭(Edge Width)은 강릉지역 토지피복자료의 공간해상도 5m를 고려하여 프로그램에서 제공하는 최소단위인 5m(Edge Wwidth = 1)로 설정하였다.

3. 분석결과

3.1 대다수 건물침수는 시가화지역 외 지역에서 발생

건물침수지 발생지역이 시가화지역 형태 유형 중 어디에 속하고 있는지 파악하기에 앞서, 건물침수가 시가화지역에서 얼마만큼 발생하는지 먼저 살펴보았다. 살펴본 결과 총 2,173개소 주택침수지 중 토지피목도 유형 중 시가지에 위치한 건물침수지는 총 681개(31.3%)로 나타나고 있다. 그 외 1,492개의 건물침수지(68.7%)는 시가화지역 외 지역에서 발생하는 것으로 나타나고 있다.
즉, ArcMap을 통해 살펴본 결과, 대다수의 건물침수지(1,492개소 68.7%)는 본 연구에서 사용된 중분류 토지피복도 상 분류에 따르면 시설재배지 또는 기타 재배지에 입지하는 건축물 또는 구조물이 침수된 것으로 나타나고 있다. 여기서
지칭하는 시설재배지란 비닐 또는 유리, 철제 등 시설로 된 재배지, 시설 내 버섯재배지, 육묘공장 등이 포함되며, 기타재배지란 축산과 낙농을 위해 사용하는 시설로 목장·농장·농원·방목장을 모두 포함하며, 생산을 위한 시설물로 부화장, 양계장, 양봉장, 곤충재배, 견사, 양식장 등 부대시설을 의미한다(https://egis.me.go.kr/ba/grdCoverIntroPage.do?mode=2). 중분류 토지피복도상 시가지는 주거, 공업, 상업, 문화체육휴양지역, 교통, 공공시설지역이 해당된다.
본 연구에서는 건물침수지와 시가지 유형간의 상관성을 살펴보고자 하는 것이므로 총 2,173개소 중 시가지에 위치하는 681개소만을 상관성분석에 사용하였다.

3.2 MSPA 분류에 의한 강릉 시가지의 형태학적 특성

MSPA 분류 기준으로 볼 때 강릉 시가화지역의 형태학적 특성은 크게 Core와 Islet의 위치와 규모를 통해 살펴볼 수 있다. 여기서 언급하는 Core란 주거지역 또는 상업지역들이 집적되어 있는 지역으로 물리적 형태는 서로 연결된 하나의 군집 형태로 이해할 수 있다. 또한 Islet은 대표적인 파편화의 형태로 주변 시가화지역과 연결성이 전혀 없는 형태의 시가화지역으로 흔히 일컫는 소규모 나홀로 아파트 또는 단독주택 등의 형태를 보이는 지역을 의미한다고 볼 수 있다.
따라서 Core와 Islet 관찰을 통해 어떠한 지역이 연담화되어 있는 모습을 보이는지 또는 파편화 되어있는 모습을 보이는지 살펴볼 수 있다. Fig. 3에서 보여주듯이 현재 강릉시 시가화지역은 Islet이 66.54%로 가장 많은 비중을 차지하고 있으며 다음으로 Branch가 12.61%를 차지하고 있다. Branch는 나뭇가지와 같이 한쪽은 연결되어 있으나 반대편은 연결성을 지니지 않고 있는 물리적 형상으로 Islet과 같이 완전 독립된 형태는 아니나, 연결성은 다소 크지 않은 시가지 유형으로 이해할 수 있다. 가장 대표적인 연결된 시가화 모습인 Core는 전체 시가화지역의 2.74%를 차지하고 있으며 교량과 같은 형태인 Bridge는 10.15%, 그리고 고리형태인 Loop는 2.83%를 차지하고 있다.
Fig. 3
Map of MSPA Classes and Their Fractions to the Entire Gangneung
KOSHAM_17_01_347_fig_3.gif
뿐만 아니라, Table 3에서 나타나듯이 Islet은 총 406개의 독립된 Object로 나타나고 있는 반면 Core는 6개의 Object만이 존재하는 것으로 나타나고 있어 강릉 시가화의 파편화 정도는 그 규모와 빈도에 있어 매우 높은 것으로 나타나고 있다.
Table 1
Definition of MSPA Classes (Referenced and Amended from Wickham et al., 2010, p.188)
Type MSPA Class Definition
Patch Core Foreground pixels surrounded on all sides by foreground pixels and greater than the specified edge width distance from background.
Islet Foreground pixels that do not contain core. Islet is the only unconnected class. Edges and perforations surround core, and loops, bridges and branches are connected to core.
Connecter Bridge Foreground pixels that connect two or more disjunct areas of core.
Loop Foreground pixels that connect an area of core to itself.
Boundary Perforation Pixels that form the transition zone between foreground and background for interior regions of foreground. Consider a group of foreground pixels in the shape of a doughnut. The pixels forming the inner edge would be classified as perforations, whereas those forming the outer edge would be classified as edge.
Edge Pixels that form the transition zone between foreground and background.
Branch Foreground pixels that extend from an area of core, but do not connect to another area of core.
Table 2
Number of Flooded Buildings in the Developed Area and Non-Developed Area
Landcover Class Number of Flooded Buildings
Developed Area 681(31.3%)
Non-Developed Area 1,492(68.7%)
Total 2,173(100.0%)
Table 3
Frequency of Each MSPA Class Occurring as Individual Objects
MSPA Class Frequency (#)
Core 6
Islet 406
Perforation 0
Edge 12
Loop 4
Bridge 2
Branch 36
즉, 강릉 시가화지역은 비교적 도시가 고밀압축 또는 물리적으로 집약된 형태로의 시가화 모습을 보인다기 보다는 상당한 정도로 파편화되고 시가지 상호간 서로 연결성이 낮은 형태의 시가지 모습을 보이고 있다.

3.3 건물침수지역과 시가지 유형과의 상관성

MSPA 분류에 의한 강릉 시가지의 형태학적 특성 분석결과와 시가지 내에 입지하는 681개소의 건물침수지의 공간적 특성을 살펴보았다. 그 결과 건물침수는 시가화지역 특정 유형에서 높은 빈도로 관찰되고 있는 것으로 나타났다.
Table 4가 보여주듯이 시가지 내 건물침수 681개소 중에서 대다수인 385개소(56.5%)가 파편화된 시가화지역인 Islet에서 발생하고 있는 것으로 나타나고 있다. 두 번째 높은 빈도의 침수 역시 연결성 정도가 낮은 Branch에서 88건(12.9%)이 관찰되었다. 반면 연결된 시가화지역인 Core와 Bridge에서는 각각 60건(8.8%), 82건(12.0%)이 관찰되고 있어, 건물침수는 파편화된 시가지에서 많이 관찰되고 있음을 보여주고 있다.
Table 4
Number and Ratios of Flooded Buildings in the Developed Areas
MSPA Class Number of Flooded Buildings Flooded Building Ratio
Developed Area Core 60 8.8%
Islet 385 56.5%
Loop 0 0.0%
Bridge 82 12.0%
Perforation 0 0.0%
Edge 66 9.7%
Branch 88 12.9%
Total 681 100%

4. 결론

본 연구는 건물침수지역과 시가지 유형 사이에 어떠한 관계성이 존재하는가에 대한 실증분석을 목적으로 한다. 연구대상지는 강원도 강릉시로서 최근 10여 년 동안(2005-2014)의 지자체 사유재산피해 중 가장 높은 빈도의 건물침수피해기록이 있는 2006년 자료와 당해 연도의 토지이용자료를 MSPA 분석을 통해 살펴보았다. 분석결과를 정리해보면, 강릉시 시가지 내 건물침수지 총 681개는 각 시가지 유형별로 다음과 같이 분포하고 있는 것으로 나타났다: Core 60개소(8.8%), Bridge 82개소(12%), Edge 66개소(9.7%), Branch 88개소(12.9%)가 입지하고 있었다. 그리고 가장 많은 385개소(56.5%)는 Islet의 시가지 유형을 갖는 시가지에서 관찰되었다.
본 연구를 통해 살펴본 강릉시의 시가화지역은 상당히 높은 수준으로 파편화 되어있음으로 나타나고 있다. 연결성이 전혀 없는 Islet과 같이 파편화된 지역은 물리적 Object 뿐 아니라 차지하는 면적에서 군집형 또는 연결성을 지닌 시가화지역보다 월등히 높은 수준이다.
이러한 형태의 소규모 나 홀로 개발은 일반적으로 국내 중소도시에서 관찰되는 현상으로 강릉시 역시 이러한 형태의 난개발이 과도하게 존재하고 있음을 보여주고 있다. 본 연구를 통해 이러한 도시 시가화의 특성은 주택침수와 높은 관계성이 있다는 점을 암시하고 있다. 강릉시 시가화지역 내 주택침수 대다수는 파편화된 시가화지역인 Islet에서 관찰되고 있다.
강릉시를 비롯한 도심 내 건물침수 대책은 기존의 치수적 관점과 더불어 도시계획적 접근에서 바로 볼 필요가 있다. 이러한 관점에서 본다면 최소한 다음의 두 가지 제안을 할 수 있다. 첫째, 도시홍수대책을 위해서는 국내 중소도시의 전형적 특성 중 하나인 나홀로 개발지의 공간적 그리고 기능적 연계성 강화가 필요하다. 최근 전국적으로 높은 관심을 끌고 있는 도시재생사업을 고려해 본다면 구도심 도시재생을 추진함에 있어, 이미 파편화된 시가화지역들의 효율적인 연결성 회복에 관심을 둘 필요가 있을 것이다. 둘째, 나 홀로 건물들은 도시홍수에 취약할 수 있음을 암시하고 있으며 이러한 관찰에 대한 설득력 있는 근거 제시는 추후연구를 통해 검증할 필요가 있다. 다만 현 시점 도시홍수 대책으로서 나 홀로 아파트·주택의 침수대책은 고려할 필요가 있다.
본 연구결과로 제시하는 파편화 지역이 도시홍수에 취약하다는 논의는 건물침수 빈도가 높은 지역이 파편화된 지역이라는 사실에 근거하고 있다. 도시홍수에 취약하다는 것은 배수체계 유무, 설계기준, 관거 상태 등의 수리수문학적 원인과 건물노후정도나 건물형태 등의 물리적 현상과 더불어 이러한 물리적 현상이 유지될 수밖에 없는 해당지역의 사회·경제적 특성 등에 의한 복합적 원인의 결과값으로 볼 수 있다. 일반적으로 지방중소도시 시가화의 파편화지역은 도시 스프롤 등의 관리되지 않은 개발행위를 통해 나타나고 있어 이는 곧 체계적인 도시 인프라 확보와 관련된 문제일 것이다.
이와 같은 이유로 파편화지역이 도시홍수에 취약할 수 있다는 실증분석결과의 검증 및 원인분석은 본 연구결과인 건물침수지역들이 파편화된 시가화지역에서 빈번하게 발생한다는 가정을 시작으로 파편화지역은 그렇지 않은 지역들과 도시홍수와 관련된 요인들 측면에서 어떠한 차이성을 보이는지에 대한 해석이 필요할 것이다. 파편화된 시가화지역이 도시홍수에 취약하다는 것에 대한 정량적 원인분석은 추후 연구를 통해 진행될 필요가 있다.

감사의 글

본 연구는 국립강릉원주대학교 도시 및 지역연구소의 연구지원으로 수행되었고, 이에 감사드립니다.

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