북한의 수자원 현황을 분석하고 미래를 전망하는 일은 수자원분야 전문가들의 공통 관심사 중 하나이다(안재현 등, 2010). 그러나 북한은 독일 환경단체(Germanwatch), 유엔 산하 재해경감 전략기구(UNISDR: United Nations Office for Disaster Risk Reduction)와 벨기에 루뱅대학 부설 재난역학연구센터(CRED: Centre for Research on ther Epidemiology of Disasters) 등 여러 국제기구에서 언급한 바와 같이 자연재해에 취약한 국가이면서, 대표적인 비접근지역이고, 관측자료 또한 시공간적으로 관측 밀도가 낮은 지역으로 홍수와 같은 자연재난 발생 시 이에 대한 즉각적인 분석이 어려운 것이 현실이다.

북한의 수자원 및 물관리 관련 기존 연구동향은 2000년대 초반까지 간헐적으로 연구가 진행되고 있다. 북한 수자원에 대한 연구가 한정적인 원인은 데이터 수집의 어려움과 군사기밀, 보안 등으로 인해 접근이 쉽지 않다는 단점을 갖고 있으며, 이것이 북한 물관리 연구에 대한 현실적인 어려움으로 사료된다. 또한 대부분의 북한 수자원 관련 연구가 북한의 물관리 기관 및 법제도 사례조사, 남북한 수자원 경제협력 방안과 같은 사업제안 등이 주요 연구내용이며, 정량적인 북한의 홍수와 가뭄 등 분석은 미흡한 실정이다(한국건설기술연구원, 2018).

위성영상을 이용한 원격탐사 기법은 미계측/비접근 지역에 대한 홍수범람 범위를 분석하는 방법으로 이용되고 있으며, 특히 SAR(Synthetic Aperture Radar)영상은 기상학적 영향을 받지 않아 홍수범람 범위를 분석하는 영상으로 다수 활용되고 있다. 위성으로부터 유도된 위성강수는 1997년 TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)위성이 발사된 이후 본격적인 연구가 진행되고 있으며, 2014년 GPM(Global Precipitation Measurement Mission) Core위성이 발사된 이후 계측강수가 부족한 지역에서 활용되고 있으며, 북한의 관측자료보다 시공간해상도가 매우 높은 자료이다.

이에 본 연구에서는 능동형 위성영상인 SAR영상과 위성으로부터 유도된 위성강수 자료, 그리고 AW3D30 DSM(Digital Surface Model) 자료를 이용하여 2024년 북한 압록강 유역에 발생한 홍수의 규모와 홍수범람 범위를 정량적으로 추정하는 것을 목적으로 하였다.

압록강의 홍수에 대한 기록은 1995년, 2010년 등이 있으며, 2010년 홍수의 경우 2010년 8월 19일부터 이틀간 최고 600여㎜의 폭우가 내렸다고 언론(연합뉴스, 2010.8.24.)에서 제시하고 있다. 2010년과 비슷한 규모로 2024년 7월에 많은 비가 내렸으며, 북한 기상수문국이 밝힌 바에 따르면 2024년 7월 25일 00시부터 28일 20시까지 평안북도 천마군 635mm, 운산군 642mm, 대관군 487mm, 자강도 송원군 554mm, 만포시 472mm의 강수가 내려(SPN서울평양뉴스, 2024.07.29.) 압록강 하류에 대규모 홍수가 발생하였다고 보도하였다.

본 연구에서는 북한 신의주 부근의 홍수량 분석을 위해 북한 기상수문국이 언급한 북한 5개 지역(2024년 7월 25일 00시~2024년 7월 28일 20시)의 총강우량과 세계기상기구(WMO: World Meteorological Organization)의 GTS(Global Telecommunication System)를 통해 강우자료 수집이 가능한 연구지역 인근 관측소 6개소(중강, 강계, 수풍, 신의주, 구성, 희천)에 대하여 2024년 7월 24일 21시부터 2024년 7월 28일 21시까지의 관측강우량 자료를 수집하였으며, 이 기간의 총강우량은 [표 1]과 같다.

○ 방수벽
중국의 단둥 시가지 압록강변에는 일제시대 때부터 가동된 수방벽이 있으며, 단둥 곳곳에 널려 있는 노천 탄광을 압록강 범람에서 지키기 위해 일제가 설치한 것을 중국이 꾸준히 시설을 보완, 유지해오고 있다(연합뉴스, 2010.8.24.). 유사시에는 [그림 1]과 같이 도로 좌우에 설치된 5ｍ 높이의 콘크리트 기둥 사이에 철제 빔을 세우고 50㎝ 두께의 목재를 층층이 쌓아 홍수방지문을 만들어 압록강이 범람하더라도 강물이 시가지로 들어오는 것을 차단할 수 있는 시설이다.

○ 지형특성
지형분석을 위해 일본 JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency)에서 제공하고 있는 ALOS World 3D-30m(AW3D30) DSM을 이용하였다. [그림 2]와 같이 AW3D30을 이용하여 단둥과 신의주 지역의 고도를 분석한 결과 AW3D30의 등고선 4m 정도가 압록강 흐름을 표시하고 있으며, 홍수가 발생했을 때 신의주 지역은 5.5m부터 침수위험지역이 나타나고, AW3D30의 등고선 9m에서는 조중우의교와 연결된 신의주의 시가지가 완전히 잠기는 것으로 나타났으며, 단둥의 경우 등고선 높이 11m에서 침수가 발생하기 시작하는 것으로 나타나 단둥과 신의주간 고도는 약 2~3m 정도 차이가 나는 것으로 분석되었다.

○ 위성강수
홍수량 분석을 위해서는 최소 한 시간 간격의 시간 강수량 자료가 필요하나 앞서 언급한 바와 같이 북한의 기상수문국에서 제시한 지상계측 강수량 자료는 최근 6시간 간격의 12시간 총강우량 합만을 제시하고 있다. GSMaP(Global Satellite Mapping of Precipitation) 위성강수는 시간해상도가 1시간으로 북한 관측소에서 제시하고 있는 지상계측자료 보다 시간해상도가 우수하다. 본 연구에서는 북한에서 제시한 총강우량을 참값으로 하고 총강우량에 대한 시간분포는 GSMaP의 1시간 간격 자료의 시간분포를 이용하였다. 각 관측소 자료의 보정계수 평균값인 1.513을 전체 기간의 GSMaP 위성강수의 보정계수로 사용하였고, 과소 추정된 위성강수가 보정에 의해서 지상 관측 강우량만큼 수정되었으며, 보정된 위성강수를 [그림 3]과 같이 제시하였다.

○ 홍수량 분석
압록강 지역의 홍수량 계산을 위해 한국건설기술연구원에서 개발한 GRM 모형을 이용하였다. 강우량자료는 지상계측 총강우량과 위성강수의 시간분포 자료를 이용하고, 위성강수 보정계수를 적용한 위성보정강수를 GRM(Grid based Rainfall-runoff Model) 모형의 입력자료로 적용하였다.

모형 적용 결과 [그림 4]와 같이 첨두유출이 발생한 시간은 7월 28일 22시(KST: Korea Standard Time)이고, 첨두유출량은 85,102 ㎥/s로 분석되었다. “위성자료를 이용한 북한 홍수범람 분석 기술 개발(한국건설기술연구원, 2020)”의 압록강 유역 출구점에 대한 지속시간 24시간-재현기간 200년 빈도의 홍수량 분석에서 홍수량이 약 40,000㎥/s 정도를 나타내고 있어 금번 홍수량이 200년 빈도 홍수량을 크게 상회하는 결과로 나타나 앞서 제시한 강우량 분석의 500년 빈도를 상회하는 결과와 부합하는 것으로 판단된다. [그림 4]의 두 개의 유출량 시계열 자료는 각각 압록강 출구점(파란색)과 압록강의 상류에 위치하는 수풍댐 하류부(회색)에서의 유출량을 나타낸 것이다.

○ SAR영상 분석
위성원격탐사는 광역적인 홍수 감시의 수단으로 활용되고 있는데, 특히 합성개구레이더 SAR는 EO(Electro-Optics)센서와 달리 구름을 투과하여 관측하기 때문에 우천 시에도 홍수 탐지가 가능한 장점이 있다(Tay et al., 2020).

분석자료인 Sentinel-1A에 대해 홍수 전·후 영상 분석 결과 [그림 5]와 같이 수체면을 추출하였다. 이는 [그림 4]의 수문곡선에서 제시한 것과 같이 홍수 전·후의 수체면의 크기가 확연히 다름을 확인할 수 있다. 이 때 GRM모의에 의해 계산된 압록강 출구점의 유출량은 각각 10,506.2㎥/s(7월 22일 영상)와 15,482.3㎥/s(8월 3일 영상)로 분석되었다. 홍수 후의 영상이 첨두홍수가 발생한 7월 28일 22시(KST)보다 늦은 8월 3일 18시(KST)로 최대 침수범위를 추출하는데 한계가 있음을 확인할 수 있다.

○ 지형자료를 이용한 침수범위 분석
DEM(Digital Elevation Model)은 홍수모델링과 함께 홍수 매핑 및 모델링을 돕기 위해 다양한 방식으로 사용되어 왔다. 본 연구에서는 AW3D30를 이용하여 홍수범람 분석을 수행하였다. AW3D30를 이용하여 1m 간격의 등고선을 추출하였다.

“신의주 본부동, 강안동 일대는 아파트 3~4층까지 물이 차고 마전동, 남민동, 신상동, 백토동, 상단동, 하단동 등지의 피해가 심각하다”고 보도(SPN 서울평양뉴스)하고 있으며, AW3D30로부터 추출한 8m 등고선에서는 [그림 6]의 a)와 같이 신의주 본부동이 침수되기 전이며, 등고선 높이 9m부터 침수되기 시작하였으며, [그림 6]의 c) Contour 15.0 El.m.에서 빨간색 원이 백토동 지역으로 등고선 15m에서 침수된 것으로 분석되어 신의주 본부동, 마전동, 남민동, 백토동 등의 지역에서 AW3D30의 등고선 높이 15m 이상의 범위가 침수범람구역으로 판단된다.

북한은 대표적으로 계측자료 확보가 곤란하고 접근 불가한 지역으로 북한 지역에 대한 홍수 발생 시 즉각적인 홍수 분석을 수행하기 어려운 지역이다. 이러한 지역에 대한 정보들은 언론을 통해 제시되는 정보들과 WMO의 GTS 기상자료, 그리고 위성영상으로 EO와 SAR 등의 자료 취득이 가능하며, 미국 NASA(National Aeronautics and Space Administration)의 IMERG(Integrated Multi-satellitE Retrievals for GPM)와 일본 JAXA의 GSMaP 등의 위성강수, 그리고 글로벌 GIS(Geographic Information System) 자료 등을 이용하여 분석이 가능하다. 본 연구에서는 상기의 가용한 자료를 이용하여 2024년 7월 압록강 하류 지역의 홍수범람 분석을 수행하였다.

분석결과 SAR 영상을 이용한 분석에서 SAR영상은 햇빛의 유무와 강우, 구름여부 등 기상 조건의 영향을 거의 받지 않는 장점이 있으나 Sentinel-1A 위성의 경우 재방문 주기가 12일로 시간해상도의 문제가 있어 첨두유출이 발생한 시점의 촬영영상을 획득하기 어려워 정확한 홍수범람 범위를 추출하는데 한계가 있음을 확인하였다. 그러나 홍수의 첨두유출이 발생한 시점과 위성영상 촬영시점을 고려하여 유추함으로써 의미있는 홍수범위를 추출할 수 있었다.

유출량 분석의 경우 위성강수가 과소 추정되는 경향이 있으나 언론에서 제시한 정보와 WMO의 GTS를 통해 획득한 자료를 이용하여 위성보정강수를 생산할 수 있으며, 이를 이용한 홍수량을 산정할 수 있음을 제시하였고, 글로벌 지형자료를 이용하여 의미있는 홍수범람 범위를 추출할 수 있음을 확인하였다.

향후 계산된 홍수량 자료를 바탕으로 침수해석 모형의 활용을 통해 보다 과학적인 홍수범람 범위를 추출할 수 있는 연구가 필요하다.