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에너지 시스템 이론(Energy system theory)을 바탕으로 창시된 시스템 생태학(Systems ecology)이란 자연시스템과 경제시스템을 하나의 통합된 시스템으로 인식하여 시스템 내의 유기적인 관계와 상호작용을 열역학 법칙을 기반으로 체계적이고 정량적으로 파악하는 학문이다. 이에 재해가 일어나는 과정을 시스템 관점에서 Order(질서)와 Disorder(무질서)의 유기적관계로 인식할 수 있다. 생물권은 열역학 제 2법칙(엔트로피 법칙)에 따라 질서정연한 구조나 형태가 무질서한 형태로 서서히 변화되며 흐트러진 형태로부터 다시 정돈되는 형태로 질서를 구축하며 이를 반복한다(Odum and Odum[1976]; (Brown and Woithe[1995]). Fig. 1에서 나타나듯이 Ordering energy(일상적 에너지)가 시스템 내부로 들어와 Ordered structure(일상적 스트럭쳐)를 축적시키며 시스템 외부의 Disordering energy(재해 에너지)가 유입되어 Disordered parts(재해 영향)를 형성하고 이를 복구하기 위해 Rebuilding energy(복구 에너지)가 들어와 질서를 재건한다(Brown and Woithe[1995]). 즉, 시스템생태학적 관점의 재해란 것은 재해 에너지가 들어와서 일상적 스트럭쳐를 파괴하는 현상으로 볼 수 있다. 이렇게 발생하는 재해에너지로 인한 재해 영향 정도는 일상적 에너지를 통하여 구축되어 있는 일상적 스트럭쳐에 재해 에너지가 얼마만큼 들어와서 어떻게 작용하고 피해를 입히는지의 에너지 흐름을 통해서 파악될 수 있다. 이들 에너지는 각기 종류가 다르기 때문에 이런 종류가 다른 에너지를 서로 비교하기 동일한 척도로서 정량화 시킬 수 있는 에머지 평가법이 적용될 수 있다.

Fig. 1. 
System diagram of Order and Disorder (Brown and Woithe [1995]).

에머지(Emergy)란 “현재 가지고 있는 에너지뿐만 아니라 생산과정에서 과거에 사용된 모든 에너지(Used energy)”를 의미하는 것으로 에머지량은 측정된 에너지, 질량, 화폐 등의 흐름량이나 보유량에 적합한 UEV를 곱하여 나타낸다(Odum[1996]).

에머지 평가는 크게 3단계로 1) 에너지 시스템 다이어그램 작성, 2) 에머지 분석표 작성, 3) 에머지 지수 계산 및 분석으로 나누어진다. 에너지 시스템 다이어그램은 Odum[1996]이 제안한 에너지시스템언어(energy system language)를 이용하여 작성하며, 평가 대상 시스템의 경계를 설정하고 시스템 내부의 주요 구성성분들과 이들 사이의 유기적인 연결 관계를 파악하여 에너지 시스템 언어의 규칙에 따라 그린다. 그리고 이렇게 그려진 시스템 구성 성분들을 정량화하기 위해 에머지 평가표를 작성하게 되는데, 평가표는 Table 1과 같이 항목의 주석번호, 평가항목의 명칭, 에머지량 계산에 필요한 에너지량, 물질량, 화폐량 등의 기초자료(주요 유입, 유출, 내부 구성성분을 나누어 기재), UEV, 태양 에머지 값의 순으로 작성한다. 마지막 단계로 앞서 작성된 에머지 분석표를 기초하여 지수를 계산하거나 산정된 값을 분석한다(Odum[1996]; Lee et al.[2000]; Kang[2013]).

본 연구는 2003년 발생한 태풍매미로 인해 피해를 크게 입었던 부산광역시를 대상지로 연구범위를 선정하였으며, 일상적 에너지 분석은 대상시스템의 자연환경과 경제활동을 유지 및 구축할 때 유입되는 주요 에너지원으로, 재해 에너지는 태풍 매미로 발생한 에너지를 이용해 나타내었다. 그리고 토지 이용형태에 따라 대상지를 자연시스템, 농경지시스템, 도시시스템으로 구분하여 각 시스템 내에 있는 바이오매스, 콘크리트 등과 같은 내부의 보유량으로 일상적 스트럭쳐를 분석하고, 태풍으로 인해 일어난 피해와 손실인 재해영향과 복구에너지를 공통의 척도인 에머지로 평가하여 재해발생으로 인한 영향정도를 정량적으로 도출하고자 하였다.

에머지 평가에 사용된 기초 자료들은 2003년의 부산통계연보(BHC[2003]), 재해연보(MPSS[2003]), 기상연보(KMA[2003]), 산림통계연보(KFS[2003]), 상수도통계(ME[2003]) 등의 신뢰할 수 있는 기관의 자료를 이용하였다. UEV의 경우, 문헌 자료를 참고하였으며 UEV 계산의 기준이 되는 지구 전체 재생가능에머지 유입량(Emergy baseline)은 12.00E+24 sej/yr(Brown et al.[2016])를 이용하였다.

부산의 자연활동과 경제활동을 가동시키는 근원이 되며 질서를 구축하는 에너지흐름과 보유량을 평가하기 위해 Fig. 2와 같은 다이어그램을 작성하여 유입 에너지를 전체적으로 파악하였다. Table 1은 Fig. 1의 에너지 시스템 다이어그램에서 파악된 부산시의 유입에너지흐름을 재생 가능한 자연환경 자원(Renewable resources), 재생 불가능한 내부 보유 자원(Nonrenewable sources use from within system), 재생 가능한 에너지원에 기반한 내부의 생산(Indigenous renewable energies), 외부 구입 자원(Purchased input sources)으로 구분하여 에머지 평가표로 작성한 것이다. 2003년을 기준연도로 태양, 바람, 강우, 파도, 지질작용, 조석, 하천으로 구성된 자연환경활동에서 제공되는 재생 가능한 에너지는 태양에너지가 가장 높고, 강우의 화학적 에너지, 파도에너지, 하천의 화학적 에너지 등의 순으로 산출되었다. 하지만, 서로 다른 형태의 에너지를 비교하기 위하여 에너지 질을 고려한 에머지의 경우는 하천의 화학적 에머지가 가장 높고, 파도에머지, 비의 화학적 에너지, 조석에머지 등의 순으로 산출되었다. 이는 각각 에너지의 능력을 고려 해준 값으로서 실제 가치를 나타낸다. 부산시 내부의 재생 불가능한 보유 자원의 경우 지하수와 토양이 있으며, 주요한 재생 가능한 생산으로는 수산업 생산과 농업 생산이 있다. 외부로부터 구매하여 유입된 자원의 경우는 석유 제품류가 가장 컸으며 재화와 용역, 전기, 천연가스, 석탄 순으로 산출되었다.

Fig. 2. 
Energy system diagram of Busan.

부산광역시의 경제를 유지하기 위해 2003년에 사용한 총 유입 에너지의 양은 4.66E+22 sej/yr로 나타났으며, 이는 중복계산을 피하기 위해 강우의 화학적 에너지, 조석에너지, 하천의 화학적 에너지로부터의 공급된 에머지량을 더한 값이다. 외부 구입 자원의 에머지량이 전체의 98.53%로 가장 높은 기여도를 나타냈고 재생 가능한 자연환경 자원과 재생 불가능한 내부 보유 자원이 각각 1.35%, 0.13%로 낮은 수준을 보였다. 산출된 결과를 종합하면 부산의 경제구조는 외부 구입 자원에 크게 의존하고 있는 것을 알 수 있다.

부산의 토지 이용 형태(ME[2004])에 따라 자연 시스템, 농경지 시스템, 도시 시스템으로 구분하여 각 시스템 내에 있는 주요 보유량인 바이오매스, 아스팔트, 콘크리트량으로 내부 자산을 분석하였다(Table 2). 그 결과, 부산지역의 총 에머지 스트럭쳐는 1.98E+22 sej로써 도시 스트럭쳐가 95.00%로 부산시 대부분의 스트럭쳐를 차지하였고, 자연 스트럭쳐(농경지 포함)가 5.00%로 구성되어 있음을 알 수 있었다. 그러므로 재해가 발생 했을 때, 대부분 재해영향이 도시 스트럭쳐에서 발생 할 것임을 예상해볼 수 있다. 도시 스트럭쳐 중에서도 주거지역의 스트럭쳐가 가장 컸으며 산업과 상업지역, 교통지역 순으로 산출되었다. 이러한 시스템 관점에서 전체적으로 부산시의 주요한 유입 에너지와 스트럭쳐를 파악하고 평가함을 통해 기존의 재해영향평가에서 발생했던 지표의 개수 선정이나 항목 설정의 문제가 해결되며 표준화방법론의 선택에 대한 고민 또한 해결된다.

Fig. 3. 
Systems diagram of the inflows of disordering and ordering energies that resulted from Typhoon Maemi in Busan.

재해현상이 발생해 재해 에너지가 시스템 내에 유입되어 영향을 미치게 되는 유기적인 관계를 Fig. 3과 같이 에너지 시스템 다이어그램으로 나타내었다. 이 관계는 에너지와 물질의 흐름으로 동일한 척도로 정량화될 수 있으며, 재해연보(2003)에 제시된 피해내역을 기반으로 각 하위 시스템 별 재해 에너지의 영향을 산출하였다(Table 3). 그 결과, 태풍 에너지는 7.80E+18 sej 였으며, 이로 인해 총 4.55E+20 sej 만큼(태풍 에너지의 58.34배)의 태풍 영향이 발생했다. 태풍의 영향 중, 도시 시스템의 피해가 90.87%, 자연시스템의 피해가 9.13%로 대부분의 피해와 손실은 경제활동이 이루어지는 도시에서 일어났으며, 그 중에서도 산업과 상업지역의 기반시설피해가 가장 컸고 도시의 생산성, 교통지역의 기반시설, 주거지역의 기반시설 순으로 피해가 산정되었다. 추후 투입되는 복구 에너지는 총 3.79E+20 sej로 그 중에서도 정부의 지원액이 가장 컸으며 단순히 복구액 뿐만 아니라 봉사자들의 인적에너지도 고려해서 산정하였지만 피해영향의 절대적 크기보다 다소 작게 투입되었음 알 수 있었다(태풍 영향의 0.86배). 이상의 결과를 바탕으로 Table 4에서 1992년 미국 남부지역 Dade County를 강타했던 기록적인 자연재해 중 하나인 허리케인 앤드류(Andrew)의 에머지 평가 사례(Brown and Woith, 1995), 2006년 대만 Hshi-Chih 지역에 큰 피해를 미친 태풍 샹센(Xangsane)의 에머지 평가 사례(Chang and Huang, 2011)와 본 연구 결과를 비교해보았다.

허리케인 앤드류의 에너지는 3.17E+20 sej, 허리케인으로 인한 영향은 1.59E+20 sej로 태풍 매미보다 재해에너지와 재해영향 모두 매우 컸지만, 재해 에너지 1단위당 피해영향은 태풍 매미가 58.34배, 허리케인 앤드류가 50.39배로 부산 지역이 받은 피해 영향이 Dade County보다 크다는 것을 알 수 있었다. 피해를 복구하기 위한 복구에너지의 경우, Dade county는 지역이 받은 영향보다 2.92배 큰 수준의 복구 에너지를 투입하였지만 이에 비해 부산의 경우, 재해 단위당 피해 영향이 컸음에도 불구하고 피해 영향의 0.86배로 복구하였다. 이를 통해 부산의 경우 태풍 매미보다 더 큰 태풍이 나타날 시에 대비해서는 방재능력과 복구능력을 강화시켜주어야 함을 판단할 수 있다. 태풍 샹센의 경우, 태풍 에너지의 크기가 1.63E+18 sej, 재해 영향은 1.11E+21 sej, 복구에너지 4.54E+19로써 태풍 매미보다 재해 에너지의 크기는 작았지만 피해는 더욱 크게 나타났음을 통해 부산이 Hshi-Chih 지역보다는 방재능력이 높단 것을 알 수 있었고, 재해 에너지 단위당 피해가 683.77배, 재해 영향에 대비한 복구 에너지는 0.04배 수준임을 통해 이 지역은 방재와 복구수준 모두 저조함을 알 수 있었다.