이슈 & 토론  도시침수·지반침하와 하수도사업 재정,무엇이 문제인가?

 

대도시 하수도의 구조적 문제점은 도심침수와 지반침하 문제로 나누어진다. 일반적으로 도심침수는 하수도와 관련한 안전문제 측면에서 살펴볼 수 있으며, 피해 대부분은 지자체 관할 중·소규모 하천 및 도심지에서 주로 발생한다. 기후변화에 따른 급수성 집중호우 및 도시화에 따른 불투수 면적 증가 등으로 강우 유출수가 하수관을 통해 제대로 배출되지 못하면서 문제는 점점 심각해지는 실정이다.

이에 국가적 차원에서 많은 대책이 시행되었으며, 특히 국가하천에 대해 많은 진보가 이뤄졌으나 중·소규모 하천과 내수침수 등에는 아직도 많은 노력이 필요하다. 최근 환경부는 문제를 예방하기 위해 여러 분야에 큰 영향을 미치는기후의 변화 측면에 주목하고 있다.

전 세계는 극심한 가뭄이 진행되고 있으며, 우리나라도 올해 심각한 가뭄을 겪었다. 가뭄과 침수피해는 생태계 변화와 전염병 등에도 영향을 끼친다. 강우패턴의 급격한 변화로 강우 일수 자체의 편차가 심해짐에 따라 평균 기온이 상승하고 있으며, 극한 기후 현상과 같은 국지성 호우가 발생해 강우패턴을 변화시키고 있다.

도심침수의 원인으로는 △침수면적 감소 및 침수피해 급증 △불투수면 증가에 따른 지표 유출량 증가 △하수관로 용량초과 및 통수능 부족 △빗물펌프장 부적절한 위치 선정 및 용량 부족 등이 지목된다.

지난 2010년 9월에 일어났던 광화문 침수, 2011년 7월에 일어났던 신림동 침수 등 도심지 침수와 관련된 문제를 살펴보면 제방이 무너진 외수침수에 의한 사례라고 할 수 있다. 우리나라는 외수침수에 의한 사례보다는 내수침수가 더 빈번하게 발생한다.

거시적인 대응 못지 않게 미시적 대응도 이루어졌으나 내수침수 문제는 많은 예산이 투입될 수밖에 없다. 최근에는 대규모 침수보다는 도심지 내에서 발생하는 도심침수가 더 많이 발생하는 추세로 특히 저지대의 침수피해가 빈번하게 발생한다.

도시 내부 인프라 시스템의 관점에서 도시 하수 계획을 점검하면, 우수관련 정비, 펌프장 개선, 저지대·반지하 가구 정비, 침수위험 정보제공, 실시간 모니터링 및 제어 등 대응방안이 요구된다. 외국의 경우 사전예방의 측면에서 침수위험의 정보를 제공하거나 실시간 모니터링을 제공하고 있다.

▲ 도시 내부 인프라 시스템의 관점에서 도시하수계획을 점검하면 우수관련 정비, 펌프장 개선, 저지대·반지하 가구 정비, 침수위험 정보제공, 실시간 모니터링 및 제어 등 대응방안이 요구된다. 사진은 2010년 9월 22일 서울시 강서구 신월동·화곡동 일대에 내린 폭우로 반지하 가구가 침수된 모습.

지반침하는 최근 많은 주목을 받고 있다. 그 중 싱크홀은 석회암 지대에서 지하수가 녹아들면서 위에 있던 클레이(clay) 성분들도 함께 녹아 공동이 발생함에 따라 큰 규모로 발생한다. 도심지에서 발생하는 싱크홀은 배설된 하수와 관련해 하수관로에서 자주 나타나는데, 주변 기초재료와 밀착이 잘 되지 못한 상태에서 크랙(crack)이 발생되었기 때문이다. 관로 주변의 틈새로 지하수가 계속 침투해 지지력을 받지 못함에 따라 공동은 점점 커져 하수관 변형 및 붕괴가 일어나 지반침하가 발생한다.

결합한 포장체로 빗물이 침투하면 분리현상으로 인해 혼합된 아스팔트의 불량한 부분에 도로면이 움푹 파이는 포트홀(pothole)이 발생한다. 포트홀은 싱크홀(sinkhole)보다 규모가 작아 지반침하로 보기는 어렵다. 지반침하는 실질적으로 굴착공사에 의한 발생, 지중 매설물 파손, 우수로 인한 토사유실 등 이밖에도 다양한 원인이 복합적으로 나타남에 따라 발생할 수 있어 원인을 명확히 파악해야 한다.

도심지에서 발생하는 지반침하의 원인으로는 지하수위 저하와 연관되어 시공 및 건설에 의한 부분이 주목된다. 부적절한 지반에 굴착공사가 이뤄지면 지반함몰이 나타날 수 있으며, 흙막이 부분에 문제가 있거나 되메움 과정이 부실한 경우에도 발생한다. 공사에 의해 직접적으로 하수관 파열이 일어나면서 지반침하가 나타나기도 한다.

직접적이고 정확한 원인으로는 △하수관로 손상 △노후화 및 결함에 의한 손상 등이 꼽힌다. 하수관로가 매설된 기간이 장기화됨에 따라 지반침하 발생빈도는 높아지고 있으며, 도시 침수문제와 연관되므로 하수도 분야에서 큰 문제가 될 것으로 판단된다.

▲ 도심지에서 발생하는 지반침하의 원인으로는 지반굴착공사, 연약지반침하, 지중매설물 파손, 우수로 인한 토실 등을 들 수 있다.

하수관의 손상 원인은 △노후화로 인한 부식 및 균열 △굴착공사로 인한 지반침하 △굴착장비에 의한 관 파손 및 변형 △다짐부족 및 되메움재 불량 △우수 및 지하수 △파이핑 및 히빙 △동결융해로 인한 지반이완 동상 등이 지목된다.

서울시의 도로함몰 원인을 분석한 결과 2014년 기준으로 하수관 손상이 85%, 굴착공사 등 기타 원인이 15%로 나타났다. 일본 도쿄도의 분석결과 1999년에서 2001년도까지의 원인으로는 하수관 손상이 절반에 가까운 48%이지만, 2001년에서 2009년의 조사내용을 보면 하수관 손상은 28%에 불과하다.

실제적으로 엄밀한 조사를 거치면 하수관로에 기인한 지반함몰은 25% 내외일 것으로 판단된다. 지반함몰 문제는 단독적인 원인으로 발생하기 어려우며, 매설 기간이 증가하는 현 시점에서는 이러한 요인이 더욱 중요하게 작용한다.

지반침하 현상의 피해를 막기 위해서는 GPR(Ground Penetration Radar, 지표투과 레이더 탐사) 방법이 이용된다. GPR은 전자파를 전파시킨 후 물리적 성질이 다른 매질의 경계에서 반사되는 반사파 해석을 통해 지반정보를 획득한다. △지층구조·지하공동·상하수도관 등 매설물 존재 여부를 확인하기 위한 지반조사 및 지하매설물 조사 △철근피복 두께·라이닝 두께 등 콘크리트 비파괴 조사 등에 적용할 수 있다.

그러나 도심지 내 지장물이 있는 경우 심도가 깊을수록 신뢰도가 떨어진다. 하수관의 심도에서는 해석의 편차가 심해 지반침하 현상을 발견하기 어려우며, GPR을 통해 알 수 있는 부분은 다소 제한적이다. 콘크리트 비파괴조사에서는 GPR을 이용해 상당히 정확하게 철근의 내용을 파악할 수 있으나, 지반조사에 이용된 GPR은 지장물의 유무 정도만 파악이 가능하므로 한계성을 가진다.

전 세계는 EHS 문제에 주목한다. EHS 문제는 Environment(환경), Health(보건), Safety(안전)를 의미하며, 과거에 적용된 기술들만으로는 비용 문제가 발생하므로 선제적 대응을 하기 어려워 사회 안전망의 인프라 구축이 필요한 실정이다. 이에 인프라를 개선하기 위한 구조적 방법에서 외국의 접근방법 변화를 주목해야 한다.

미국의 홍수재해 예방 시스템은 홍수와 관련된 다양한 조기경보 및 예측 서비스를 제공해 즉각적인 대응이 가능하도록 지원하며, 유럽연합(EU) 또한 ICT 기반의 신속하고 정확한 과학적 홍수 예·경보 시스템을 개발해 활용하고 있다.

홍수재해 접근방식은 사후 대응 관점보다 예방 개념의 안전 패러다임으로 선제적인 대응방식의 도입이 필요하다. 우리나라는 무선 인터넷 관련 기술이 발달한 편으로 ICT 기술을 주목해 인프라에 활용하면 사전적·선제적인 시스템 구축이 가능할 것으로 판단된다. ICT 기반의 대표적인 기술로는 △실시간 모니터링 △실시간 모델링·경보 △실시간 제어 등을 살펴볼 수 있다.

▲ 홍수재해 접근방식은 사후 대응 관점보다 예방 개념의 안전 패러다임으로 선제적인 대응방식의 도입이 필요하다. 사진은 지난 2003년 9월 태풍 ‘매미’로 인한 강원도 정선군 조양강의 홍수 모습.

현재 기후변화문제와 침수와 관련해 수많은 데이터가 수집되어 모델링을 분석하는 기술은 진보 중이다. 센서 기술, 모바일 기술, 인터넷 기술 등 ICT 기술의 활용으로 실시간 자료를 확보한 후, 모델링을 통해 예측 서비스를 제공하면 하수와 관련한 수많은 시설을 제어하는 시스템과 연동이 가능할 것으로 보인다.

최근 각종 무선환경센서 기술이 진보되어 수위·유량·수질 등의 하수관로 환경에 적용시키는 것이 가능해졌다. 또한 실시간으로 신속하게 데이터를 확보할 수 있는 저비용, 고효율 네트워크 센서도 개발 중이다. 이를 실시간 모델링·경보 시스템이나 실시간 제어 시스템 등과 연동해 도시침수를 예방할 수 있도록 지속적인 기술개발이 요구된다.  대응 가능한 수준의 아웃풋을 형성하면 시민들 스스로 사고를 예방하는 것이 가능할 것으로 예측된다.

하수도 네트워크는 방대하고 복잡해 해석하기 어려우나, 각 지점의 유기적으로 교류 및 데이터를 통한 수리적 해석과 예·경보를 위한 시스템을 기반으로 살펴볼 수 있다. 하수도 설비 및 구축은 과거에 이미 시행되었으나 유지·관리 측면에서 얼마큼 과학적으로 적용되는가의 문제는 기존에 전혀 도입되지 않았다. 때문에 ICT 기술을 이용해 실질적으로 필요한 시스템을 구축하는 것이 필요하다.

모니터링을 통해 확보한 정보는 실시간 모델링·경보 시스템을 통한 예보·경보 서비스를 통해 하수관로 네트워크 모델링, 실시간 도시홍수 예측 시스템, 자동경보장치·경고방송·지역 알람·SNS·문자메시지 등 침수 예·경보시스템 등을 구축할 수 있다.

프랑스는 강우 자료들을 15분 간격으로 전송해 강우유출 모델의 수행 결과를 30분 간격으로 실시간 업데이트 한다. 기존의 홍수 위험지도가 업데이트 됨에 따라 실시간으로 경고 시스템이 작동하며, 침수 위험에 대해 미리 알릴 수 있다. 또한 많은 피해를 예방하기 위해서는 예측의 신속도가 중요하다.

하수도와 관련된 시설들은 수많은 데이터를 구축하고 있으며, 광역적 최적화(global optimization)를 통한 실시간 제어가 가능하다. 빗물펌프장 제어, 저류조 제어, 빗물수확 제어, 월류수(CSO·SSO) 제어, 모델예측 제어 등이 해당한다.

먼저 제어기술을 기반으로 예측을 적용해 선제적이고 진보한 제어가 가능하다. 기존 지점에서 제어가 시작되면 연계된 지점에서도 제어가 시작되는 경우가 발견된다. 이를 종합해 전격제어가 가능한 시스템의 개발이 요구되지만, 기술적 난이도가 높아 실효성 검토 등의 문제가 제기된다.

센서기술과 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 기술 등은 예측에 도움이 된다. 기상청의 경우 웹서버의 기후예측자료를 통해 실시간으로 지역에서 측정되는 유량자료를 모니터자료로 이용해 시뮬레이션하고 알람을 적용해 서비스를 제공한다. 이는 앞으로 하수도 분야에 반드시 도입되어야 할 시스템으로 판단된다.

각 나라마다 이와 관련된 연구를 진행하고 있으나, 저마다 대응방법이 달라 외국의 사례를 우리나라에 그대로 적용하기는 어렵다. 우리나라는 산악지대가 많은 지형으로 15분 이내에 예측하는 것이 바람직하며, 외국 평지 지역의 예·경보 시스템과 차이를 보인다.

하수관로의 지반침하 문제에서 가장 중요한 것은 정확히 무엇 때문에 발생했는가에 대한 원인 규명이다. 기존 하수관로 시스템은 CCTV를 통해 조사했으며, 지표면의 토질은 GPR 방법을 활용했다. 관 내부를 열화상 자료와 지하수위 조사결과를 연계한 방법도 있으며, 이러한 기술들은 단독적으로 사용될 때보다 연계·결합했을 때 효용성이 더욱 크므로 염두에 두고 기술을 개발해야 한다.

정확한 지반침하 지점을 탐측하기 위해 문제가 있는 하수관을 찾는 관로 시스템의 예비 진단이 필요하다. 기초계획을 수립해 기존자료 평가를 수행한 후 우선 조사지역을 설정하고, 임계 하수관로를 결정해야 한다.

우선 조사지역은 노후 하수관로가 밀집된 지역, 지하수위가 높은 지역, 대형공사 이력이 많은 지역, 교통량이 많은 지역 등이 해당한다. 관로 시스템은 자체의 맨홀 단위로 평가가 이루어지며, 기존자료를 바탕으로 평가하면 문제가 있는 하수관로를 파악할 수 있다.

하수관로의 모든 부분을 정밀하게 조사하는 것은 불가능하다. 후보 지점에 복합탐측기술을 도입해 하수관로 결함도를 조사하고, GPR 탐측을 활용해 지반침하 우려지역의 지표를 탐사하면, 지반침하 위험이 있는 지점을 파악할 수 있다. 지하수 온도와 하수 온도는 차이가 있으므로 열화상 탐측을 이용하면 침입수 및 누수율 파악도 가능하다.

GPR 조사에서 이상이 발견되었을 경우 GIS를 기반으로 한 DB프로그램 형태를 공개한다. 위치기반서비스(LBS)를 통해 하수도 대장 연계, 하수도 DB 구축, 하수도 지리정보서비스(GIS) 연계 등이 가능하며 오픈 웹서버 방식을 이용해 정보를 제공할 수도 있다.

▲ 하수관로의 모든 부분을 정밀하게 조사하는 것은 불가능하다. 후보 지점에 복합탐측기술을 도입해 하수관로 결함도를 조사하고, GPR 탐측을 활용해 지반침하 우려지역의 지표를 탐사하면, 지반침하 위험이 있는 지점을 파악할 수 있다.

하수관로 시스템은 도시생활을 영위하는 데 있어 가장 중요한 핵심 인프라로 공공보건위생, 쾌적한 생활환경 유지, 안전 측면의 문제와 관련된다. 앞으로 지속가능한 입지를 구축하고 효율적인 유지·관리를 위해서는 ICT, 빅데이터(Big Data) 기술, 자산관리 기법(Asset Management) 등을 이용한 스마트 인프라(Smart Infrastructure)를 구축해야 한다.

▲ 하수관로 시스템은 도시생활을 영위하는 데 있어 가장 중요한 핵심 인프라로 공공보건위생, 쾌적한 생활환경 유지, 안전 측면의 문제와 관련된다.

먼저 EHS문제를 해결하기 위한 예방적 하수도 사회간접자본시설(SOC)의 구축이 필요하다. 집중호우에 의한 침수·극한 가뭄 등은 국민들에게 큰 충격을 주고 있어 재난을 극복하는 효과적인 재난인프라가 요구된다. 이에 도시인프라를 재정비하고 노후화 대책을 수립해야 하며, 안전·환경·보건 패러다임을 재구축해 지속가능하고 효율적인 유지관리가 필요한 실정이다.

실질적인 기술적 측면은 사물인터넷(loT)과 ICT의 접목에 달려 있는데, 기존 예산으로는 유지·관리 방식으로는 이를 감당하기 어렵다. 전통적 방식의 유지·보수·관리 부분은 현재 과다한 비용과 사후 대응 등으로 한계에 다다른 실정이다. 재난 후 대책 시스템을 도입하기 보다는 예방 차원의 시스템을 도입하는 것이 적절하며, 신속하고 정확한 정보를 공유해야 한다.

우리나라는 ICT 강국이지만 인프라가 잘 구축되지 않아 적용하지 못하는 경우가 많다. 기존의 하수관 파이프를 만들고 시공하는 기술만으로는 국제 경쟁력을 갖추기 어려우므로 국제경쟁력을 확보할 수 있는 차별화된 기술을 도출해야 한다. 이를 바탕으로 새로운 시장 창출을 형성하게 된다면 고용 및 경기부양의 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.