서 론

백두산은 과거 총 10여회의 분화 기록을 가지고 있으며(Yun and Lee, 2011), 분화 시 북풍 또는 북동풍이 발달하게 되면 국내에 화산재가 확산될 가능성이 있다(KMA, 2011).

화산재에 의해 영향을 받는 환경 분야 중 사회불안과 경제적인 혼란을 발생시킬 수 있는 가장 민감한 분야는 하천, 호소, 저수지 등 생활용수를 공급하는 수자원이며(MPSS, 2015), 지표수 위주의 수자원 이용률이 높은 국내의 경우 오염 발생 시 매우 큰 직·간접적 경제 피해가 예상된다(Jiang et al., 2013). 또한 우리나라 도시지역의 인구밀도는 매우 높은 수준으로 식수와 생활용수의 공급을 책임지는 수자원 공급 시설에 피해가 발생할 경우, 도시 지역에 사회적 혼란이 발생할 위험이 있다.

화산재는 단기간 동안 수체의 물리화학적 요소를 변화시키므로 양질의 용수 공급에 차질을 일으키는 것 외에, 화산재가 작은 조각의 암석과 화산유리로 구성되어 있기 때문에 취수 및 정수 시설의 프로세스(process) 이동 시 마모나 흠집을 일으켜 상수도 시설의 기계적 손실을 초래하기도 한다. 또한 화산재 세척에 필요한 용수의 급격한 증가는 용수 공급에 차질을 불러일으키게 되며, 상수원의 심각한 오염은 용수 공급 중단을 발생시킬 수 있다. 화산 분화와 화산재에 의한 상수도 시설의 피해를 감소시키기 위해서는 탁도와 산도가 증가하기 전에 상수도시스템을 폐쇄하거나, 정기적인 수질 모니터링을 통해 오염도 확산 여부를 지속적으로 파악해야 한다. 탁도가 증가하면 수질정화 능력이 저하되기 때문에, 탁도가 기준치를 초과할 경우 필터를 차단하고 미세한 화산재가 오랜 기간 남아 있는 경우 응집제를 추가하여 제거해야 한다.

백두산 분화 시 하천, 호소, 저수지, 댐 등의 취수원으로부터 안정적인 상수도 공급을 받기 위해서는 정부 차원의 관리정책 및 체계가 필요하며, 낙하 화산재 피해 대응을 위해 하천과 호소, 댐, 저수지 상 ‧ 하수도 등의 수자원과 관련 시설을 모두 포함한 관리기준이 수립되어야 한다.

본 연구에서는 화산재 피해 저감을 위한 상수도 시설의 관리기준 설정을 위해 국외의 화산 분화 사례, 화산재로 인한 피해 사례 등을 조사하였으며, 조사 결과를 분석하여 관리 기준의 방향을 선정하고, 피해요인과 구체적인 피해 대상을 도출하였다. 또한 국내의 화산 재난 대응 보고서, 피해대응 매뉴얼, 대규모 수질오염 위기대응 실무매뉴얼 및 수질오염 매뉴얼 등을 검토하여 각 피해대상에 대한 관리기준(안)을 설정하였다.

국외 피해 사례 조사

국외 피해 사례 조사는 문헌조사를 통해 이루어졌으며, 각종 보고서와 논문의 자료를 수집하여 정리하였다. 과거 분화로 피해가 기록된 화산은 바누아투(Vanuatu)의 로페비(Lopevi) 화산(2003년 분화), 뉴질랜드(New Zealand)의 루아페우(Ruapehu) 화산(1969년 분화), 알래스카(Alaska)의 스퍼(Spurr) 화산(1953년 분화), 아이슬란드(Iceland)의 헤크라(Hekla) 화산(1947년 분화), 미국(USA)의 세인트 헬렌즈(Saint Helens) 화산(1980년 분화) 등이며, 인도네시아(Indonesia)의 탐보라(Tambora) 화산(1815년 분화) 등의 20세기 이전의 화산은 기록이 정확하지 않은 이유로 분석에서 배제하였다.

조사 결과 화산재에 의한 상수도 영향 중 가장 적은 1 mm 이하의 화산재가 퇴적되었을 경우, 주택의 빗물 집수 시설과 장비에 경미한 손상 가능성이 있었으며, 집수시설 물탱크의 수질이 오염되었다. 수질 오염의 원인은 불소농도의 증가로 0.4~0.7 mg/L에서 1.3~2.7 mg/L로 나타났다. 취수원이 영향을 받은 경우는 루아페우 화산에서 보고되었으며, 1~6 mm의 화산재가 퇴적되었을 때 pH를 5.3으로 감소시켰고, 불소 농도를 증가시켰다(Table 1). 국외 화산재 피해 검토 결과 대부분의 상수도에서 pH 감소와 불소농도 증가가 보고되었고, 영향을 미치는 기간이 몇 시간에서 수 일로 짧게 나타났다.

피해사례 유형화 및 피해요인 도출

화산재 퇴적에 따른 상 ‧ 하수도 피해사례 조사 결과를 이용하여 관리기준 수립 시 고려해야 할 피해 대상을 선정하였다. 하천환경과 상 ‧ 하수도 시설, 하수관에 대해서 피해 대상을 선정하였고, 각 대상별로 화산재 피해 유형을 분류하였다. 또한 국내에 발생가능성이 있는 유사 피해를 분류하여 관리 기준 수립 시 참고하고자 하였다.

하천 환경에 발생 위험이 있는 화산재 피해는 취수 수질 불량, 탁도 증가, 산도 감소, 미생물 과잉 번식, 하상 증가, 퇴적물 용출 등이 있으며, 하류 지역일수록 유속이 느리고 하폭이 넓으며 유량이 많기 때문에 피해는 더욱 가중될 것으로 예상된다. 또한 용수 이용과 취수를 중점으로 하는 댐과 저수지는 독성 오염과 탁도로 인한 미생물 증가에 민감하므로 이를 관리할 수 있는 관리 기준의 수립이 필요하다. 시설의 위험 측면에서 상수도 시설의 위험요소는 스크린 손상, 약품 과다 투입, 침전 방해와 같은 수처리 방해, 전력 공급 중단에 따른 펌프 가동 중단 등이 있다. 상 ‧ 하수도 관로의 위험요소는 화산재 퇴적에 따른 빗물받이 막힘, 관로 막힘, 흡착에 따른 부식, 물리적 성질에 따른 손상 등이 있다. 화산재 피해와 유사한 환경오염으로는 물리적인 오염 사례와 화학적 오염사례가 있다. 물리적인 오염은 황사, 비산재 유입, 석탄재 유입, 토사 유입, 월류 등이 있으며, 화학적인 오염은 유해화학물 유입, 오탁수 유입, 조류 번식, 물고기 폐사 등이 있다.

최종적으로 상수도 시설과 부설 시설에 대한 피해 요인을 퇴적, 흡착/침착, 마모로 나누어 예상되는 피해 정도를 분류하였다(Table 2). 이를 통해 각 시설별 관리를 위한 우선순위를 선정하고 불필요한 관리 요소를 배제하였다.

화산재 피해등급 설정

국외 화산재 오염으로 인한 피해사례 조사 결과 1 mm 이하의 퇴적 두께에서는 수질 오염 가능성과 경미한 피해가 보고되었다. 1 mm보다 더 많은 양의 퇴적량에서는 실제 수질 오염이 보고되었고, 300 mm 이상의 퇴적량에서 심각한 피해가 발생한 것으로 나타났다.

본 연구진은 선행연구를 통해 백두산 화산재 성분과 유사한 화산인 Pacaya, Fuego 화산을 선정하고, 선정된 화산의 분화시 측정된 화산재 성분(알루미늄, 카드뮴, 불소, 철, 납, 마그네슘, 염소와 스트론튬 등) 농도와 국내 먹는물 수질기준과 분석한바 있다(Jee et al., 2014). 이때 사용된 방법론은 Stewart et al. (2006)이 제안한 것으로 화산재 퇴적 두께에 따른 화학적 오염 부하 농도를 산출하였다(식 (1)).

  (1)

여기서, 은 화산재가 퇴적되는 유역의 화학적 오염 부하 농도(mg/L)이고, 는 침출된 화산재의 농도(mg/kg), T는 화산재의 두께(m), D는 화산재의 밀도(kg/L), A는 화산재가 퇴적되는 저수면적(m²), 는 화산재가 퇴적되는 유효저수용량(m³)을 나타낸다.

화산재 퇴적량 0.1, 0.5, 1, 5, 10, 50, 100 mm로 변화시켜가며 분석한 결과, 1~5 mm 범위에서는 알루미늄과 마그네슘, 5~10 mm 범위에서는 불소와 철, 10 mm 이상의 범위에서는 납과 카드뮴 등의 중금속이 수질기준을 초과한 것으로 나타났으며(Fig. 1), 화산재 피해등급 설정을 위한 참고자료로 활용하였다.

Fig. 1.

Analysis of cadmium concentration by volcanic ash thickness (Jee et al., 2014).

최종적으로 화산재로 인한 상수도 시설의 관리 기준 단계는 VAD (Volcanic Ash Degree) 4단계로 도출하였다. VAD I은 평시 수준의 화산재로 VAD IV로 갈수록 화산재 양이 증가하는 것으로 지표를 구성하였으며, 국내 먹는물 수질기준(Table 3)을 이용한 화산재 퇴적 두께에 따른 화학적 오염 부하 농도 분석 결과와 국외 화산재 피해 조사 결과를 이용하여 0~1 mm은 VAD I, 1~3 mm는 VAD II, 3~5 mm는 VAD III, 5 mm 이상은 VAD IV로 정의하였다(Table 4).

분석 결과 화산재 퇴적에 따른 위험 단계의 설정에 있어 상수도 시설은 수중의 화산재 물질의 퇴적에 기인하고, 대기로부터 지표면에 낙하하는 화산재에 영향을 받는 것으로 나타났다. 관리등급 수립에 있어 화산재 퇴적에 따른 상수도 시설의 위험 단계와 별개로 강한 유독성 물질인 중금속에 대해서는 별도의 관리 기준이 필요할 것으로 판단된다.

상수도시설 관리 기준(안) 설정

화산재 피해 저감을 위한 상수도 시설의 관리 기준(안)의 수립은 중요 시설인 취수 시설과 정수 시설을 대상으로 수립하였고, 상수관망인 도수, 배수, 급수, 송수 시설에 대한 관리 기준은 취수시설과 정수시설의 관리 기준(안)에 포함하였다. 이와 함께 상수도 시설 피해 판단을 위한 기준 및 대응 절차를 수립하였다. 대응 절차는 하천의 화산재 물질 검출 여부에 따라 퇴적량을 조사하며, 화산재 퇴적 여부 확인시 개별 항목 분석을 통해 VAD 2단계 이내가 24시간 검출될 시 취정수장의 운영이 부분 제한되며, VAD 3단계 허용 기준 초과 정도에 따라 취정수장의 운영이 중단되게 구성하였다(Fig. 2).

Fig. 2.

Flow-chart of water system damage management.

관리 기준(안)은 화산재 퇴적 두께에 따른 경보 단계의 분류, 시설에 대한 화산재 영향, 피해 대응 방안 등으로 구성하였다. VAD 1단계는 평시 수준으로 정상 취수가 가능한 상태로 간이 수질 측정을 실시한다. VAD 2단계는 화산재 영향이 부분적으로 예상되는 상태로 비상근무를 실시하고, 일부 시설물을 덮개 처리하며, 취수원 주변 방제선 설치 및 중금속 분석을 실시한다. VAD 3단계는 화산재로 인한 피해가 일부 발생될 것으로 예상되는 상태로 후각, 육안, 물질 비중 및 부유물질 농도를 정밀 분석한다. VAD 4단계는 상당 양의 화산재로 인한 피해가 우려되는 상태로 판단 기준에 따라 취수중단 및 주민 경보를 발령하며, 방제 작업을 위한 사고대책반을 운영하는 것으로 구성하였다(Table 5).

결론 및 토의

본 연구는 백두산 분화시 피해가 예상되는 상수도 시설의 관리 기준을 설정하는 것을 목적으로 진행되었으며, 주요 결론 및 시사점은 다음과 같다.

1. 백두산 분화로 인한 상수도 시설의 관리 기준 수립을 위해 다양한 국외 지역의 화산 분화 사례와 피해사례, 피해 분야 등을 조사하였다. 과거 피해가 발생한 화산은 Lopevi(바누아투), Ruapehu(뉴질랜드), Spurr(알래스카), Hekla(아이슬란드), Copahue(아르헨티나) 등이며, 조사 결과 대부분의 상수도 피해 사례에서 pH 감소와 불소농도 증가가 보고되고, 영향을 미치는 기간은 몇 시간에서 수 일로 조사되었다.

2. 국외 피해사례 조사 결과를 바탕으로 상수도 시설과 부설 시설에 대한 피해 요인을 퇴적, 흡착/침착, 마모로 나누었으며, 예상되는 피해 정도를 분류하였다.

3. 피해 사례 조사 결과와 정량적 위험 평가 결과를 종합하여 화산재 퇴적 두께에 따른 상수도 시설의 관리 기준은 VAD(Volcanic Ash Degree) 4단계로 도출하였다. 화산재 퇴적량이 0~1 mm 경우 VAD I단계로, 1~3 mm는 VAD II단계, 3~5 mm는 VAD III단계, 5 mm 이상은 VAD IV단계로 구성하였다.

4. 상수도 시설의 관리 기준 4단계에 따라 위험 경보 단계, 상수도 시설 영향 및 피해 대응 방안 등으로 구성된 상수도 시설 관리 기준(안)을 설정하였으며, 상수도 시설 피해 저감을 위한 대응 절차를 제시하였다.

현재 우리나라는 화산재에 의한 재해 이력이 전무하기 때문에 백두산 분화시 화산재에 대한 영향 분석 및 상황 판단을 위한 기초자료가 부족이다. 이에 따라 본 연구에서는 국외에서 과거 화산 분화시 하천에 응축되는 화산재 퇴적 두께 및 피해 조사 결과를 바탕으로 국내의 상수도 시설 관리 기준(안)을 제시하였다. 추후 백두산 분화 및 화산재 피해 상황을 가정한 모의 재난 훈련 등을 통해 본 연구에서 제시된 관리 기준(안)의 문제점을 지속적으로 개선할 수 있는 후속 연구가 필요할 것으로 판단된다.