1. 서 론

하천 유출량은 유역의 수문순환을 정량적으로 이해하고 수자원 관리 및 홍수 대응을 수행하기 위한 핵심 수문요소이다. 특히 자연유출량은 인위적 영향이 제거된 상태에서의 유출 특성을 의미하며, 유역 물수지 분석 및 수문모형 검증의 기준으로 활용된다. 최근 기후변화와 함께 댐 건설, 수자원 이용 및 유역변경과 같은 인위적 영향이 증가함에 따라 하천 유출 체계는 점차 복잡해지고 있다. 특히 유역변경은 하천 유출을 타 유역으로 재분배하여 유역 내 물수지를 변화시키는 대표적인 인위적 요인으로, 하천 흐름의 연속성을 저해하고 유출 전달 체계를 교란하여 수문 해석의 불확실성을 증가시킨다. 이에 따라 관측유량은 자연 상태의 유출 특성을 충분히 반영하지 못할 가능성이 있으며, 인위적 영향이 제거된 자연유출량의 평가 필요성이 증대되고 있다.

임진강은 북한에서 발원하여 군사분계선을 지나 한강으로 유입되는 대표적인 남북 공유하천으로, 상류 유역의 대부분이 북한 지역에 위치하고 있다. 이로 인해 강우 및 유출자료 확보가 제한적이며, 임진강 유역은 대표적인 미계측 또는 부분계측 유역으로 분류된다(Kim et al., 2011). 또한 북한에 위치한 상류 지역에서는 다수의 댐 건설과 유역변경 사업이 수행되고 있어 하류 관측유량은 이미 인위적 영향을 포함하고 있는 것으로 판단된다.

기존 연구에서는 임진강 유역의 유출 특성과 인위적 영향에 대한 분석이 다양한 방법으로 수행되어 왔다. Kim et al. (2011)은 북한 지역 댐 건설에 따른 유출 감소 및 유출 체계 변화를 분석하여 상류 수자원 개발이 하류 유출에 미치는 영향을 제시하였으며, Lee et al. (2015)은 돌발홍수지수를 활용하여 임진강 유역의 홍수 위험성을 평가하였다. 또한 Lee et al. (2017)은 임진교 지점의 장기 유량자료를 기반으로 북한 상류 댐의 영향을 분석한 결과 약 8% 수준의 유출 감소가 발생한 것으로 보고하였다.

최근에는 관측자료 확보가 어려운 북한 지역을 대상으로 위성자료 기반 수문 분석 연구가 활발히 수행되고 있다. Smith and Pavelsky (2008)은 위성영상 기반 하천폭 변화를 이용한 유출량 추정기법을 제시하였으며, Brakenridge et al. (2007)은 위성 기반 수위 및 범람면적 정보를 활용한 유출 모니터링 기법을 제안하였다. Rodell et al. (2004)은 GLDAS를 통해 관측자료가 부족한 지역에서도 수문요소를 일관성 있게 재현할 수 있음을 제시하였다. 또한 Kim et al. (2020)은 위성자료를 활용하여 임진강 유역의 수자원 변동을 분석하였으며, Kim et al. (2021)은 Sentinel-2 영상을 이용하여 황강댐 유입량을 추정함으로써 미계측 유역에서의 수문 분석 가능성을 제시하였다. Kye et al. (2021)은 NDWI 기반 수체 탐지를 통해 저수지 수문 변화를 정량적으로 분석하였다.

그러나 기존 연구들은 주로 댐 건설 및 운영에 따른 유출 변화 분석 또는 위성자료 기반 수문 특성 평가에 초점을 두고 있으며, 임진강 상류에서 수행되고 있는 유역변경을 정량적으로 고려하여 자연유출량을 복원한 연구는 매우 제한적이다. 특히 임진강과 같이 미계측 조건과 인위적 영향이 동시에 존재하는 유역에서는 관측유량만으로 실제 수문 특성을 평가하기 어렵기 때문에 위성자료, 재분석자료 및 수문모형을 통합적으로 활용한 접근이 필요하다.

따라서 본 연구에서는 임진강 유역을 대상으로 위성자료, 재분석자료 및 분포형 수문모형을 통합 활용하여 자연유출량을 산정하고, 상류 북한 지역의 댐 저류 및 유역변경이 하류 유출에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고자 한다. 이를 위해 (1) 위성자료를 이용하여 주요 댐의 담수 시기와 유역변경 발생 시점을 분석하고, (2) GSMaP 강수자료와 GLDAS 증발산자료를 활용하여 유역별 자연유출량을 모의하며, (3) 발전용수 및 관개용수 기반 유역변경 유량을 산정하고 이를 반영하여 임진강 유역의 자연유출량 변화와 수문학적 영향을 평가하고자 한다.

기존 연구에서는 개별 댐 또는 특정 수리시설의 영향을 분석하거나 위성자료를 활용한 수문특성 평가가 주로 수행되어 왔다. 그러나 임진강 유역 전반에서 발생하는 유역변경 유량을 통합적으로 정량화하고, 이를 반영하여 자연유출량을 복원한 연구는 매우 제한적이다. 따라서 본 연구는 위성자료, 재분석자료 및 분포형 수문모형을 연계하여 임진강 유역의 자연유출량을 추정하고 유역변경 영향을 정량적으로 평가함으로써, 관측자료 확보가 제한되고 인위적 수문 교란이 존재하는 공유하천의 수문분석 방법론을 제시한다는 점에서 의의가 있다.

2. 연구대상지역 및 연구방법

2.1 유역 개요

임진강 유역은 한반도 중부를 동서로 관통하는 대표적인 남북 공유하천으로, 북한 지역에서 발원하여 남한을 거쳐 한강으로 유입된다. 유역은 산악지형이 우세하며, 강수는 여름철에 집중되는 전형적인 동아시아 몬순 기후 특성을 보인다. 이에 따라 유출의 계절적 변동성이 크고, 홍수기와 갈수기의 차이가 뚜렷한 수문 특성을 나타낸다.

임진강 유역의 수문체계는 자연적 요인뿐만 아니라 다양한 인위적 요인의 영향을 받고 있다. 특히 상류의 북한 지역에는 다수의 댐과 수리시설이 분포하여 유출 체계가 인위적으로 조절되고 있다. Kim et al. (2025a)은 Sentinel-1 SAR 영상을 활용하여 북한 지역의 댐 분포를 분석한 결과, 북한 전역에 약 523개의 댐이 존재하며 이 중 약 45개가 임진강 유역에 위치하는 것으로 보고하였다. 또한 수체면적 1.0 km2이상의 댐은 총 13개로 나타났다. 이들 시설은 대규모 저수지 중심이 아닌 중·소규모 댐이 하천을 따라 분산된 형태로 존재하며, 계단식 수리체계를 형성하고 있다. 대표적인 시설인 황강댐은 임진강 본류 상류에 위치한 다목적 댐으로, 홍수조절, 수력발전 및 유역변경 기능을 수행한다. 특히 황강댐은 저낙차-대유량형 구조로 운영되며, 하류 유출량 변화에 직접적인 영향을 미치는 핵심 수리시설로 알려져 있다. 따라서 임진강 유역은 자연적인 강우-유출 과정과 함께 다수의 댐 운영 및 유역변경이 복합적으로 작용하는 인위적 수문환경을 갖고 있으며, 자연유출량 평가 시 이러한 영향에 대한 고려가 필수적이다. 연구대상지역과 주요 댐 및 유역변경 시설의 위치는 Fig. 1에 제시하였다.

Fig. 1.

Study area of the Imjin River basin showing the locations of dams and inter-basin diversion sites

2.2 임진강의 유역변경 사항

임진강 유역에서는 수력발전 및 농업용수 확보를 목적으로 유역 외부로 수자원을 전환하는 유역변경이 이루어지고 있다. 이러한 유역변경은 크게 발전용수 기반 유역변경과 관개용수 기반 유역변경으로 구분할 수 있다. 발전용수 기반 유역변경은 황강댐과 동해안 지역 수력발전시설을 중심으로 이루어지고 있다. 황강댐은 예성강 계통 발전시설과 연계되어 임진강 상류 유량의 일부를 예성강 유역으로 전환하는 대표적인 사례로 알려져 있다. 또한 동해안 지역의 원산군민발전소와 원산청년발전소는 마식령 산맥을 관통하는 도수터널을 이용하여 임진강 유역의 수자원을 동해안 유역으로 전환한 후 수력발전에 활용하고 있다. 이러한 시설들은 임진강 유역의 물수지 및 하류 유출량에 영향을 미치는 주요 인위적 요인으로 평가된다.

관개용수 기반 유역변경은 황해북도 곡산군, 신계군 및 수안군 일대의 미루벌(Mirubol) 지역을 중심으로 이루어지고 있다. 미루벌은 약 420 km²규모의 농업지대로, 임진강 유역 지류에서 취수된 수량을 신계-곡산 평야로 공급하기 위한 ｢미루벌 물길(Mirubol Canal)｣이 건설된 것으로 보고되고 있다 (Kim et al., 2013; Daily NK, 2006). 이 수로는 자연유하식 구조를 기반으로 운영되며, 별도의 양수시설 없이 농업용수를 공급하는 대규모 관개수로 체계로 알려져 있다. 따라서 미루벌 물길은 임진강 수계를 대동강 계통 농경지로 연결하는 대표적인 관개용수 기반 유역변경 사례로 볼 수 있다.

이와 같이 임진강 유역에서는 예성강, 동해안 및 대동강 유역으로의 다양한 유역변경이 이루어지고 있으며, 이러한 인위적 수문 교란은 하류 유출량 감소와 유역 물수지 변화에 직접적인 영향을 미친다. 본 연구에서는 이러한 유역변경 시설을 대상으로 유역변경 유량을 산정하고, 자연유출량 평가 시 이를 반영하여 영향 정도를 정량적으로 분석하였다. 임진강 유역의 유역변경 현황은 Fig. 2 및 Table 1에 제시하였다.

Fig. 2.

Overview of inter-basin diversion system and hydropower facilities in the Imjin River basin based on satellite imagery

2.3 연구방법

본 연구는 위성강수 자료와 재분석 증발산 자료를 이용하여 임진강 유역의 자연유출량을 산정하고, 상류 지역에서 수행되고 있는 유역변경이 하류 유출에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위해 수행되었다. 이를 위해 위성강수 자료의 구축 및 편이보정, 분포형 유출모형인 GRM을 이용한 자연유출량 모의, 유역변경 유량 산정, 그리고 유역변경을 고려한 유출량 평가를 통합적으로 수행하였다. 본 연구의 전체 분석 절차는 Fig. 3에 제시하였다.

Fig. 3.

Framework for satellite-based natural runoff analysis considering inter-basin diversion

모의기간은 GSMaP 위성강수 자료와 GLDAS (Global Land Data Assimilation System) 증발산 자료의 공통 제공기간인 2000년 1월 1일부터 2024년 12월 31일까지로 설정하였다. 강수 입력자료로는 GSMaP (Global Satellite Mapping of Precipitation) 위성강수 자료를 활용하였다. GSMaP 자료는 일 단위로 집계하여 일강수량으로 변환하였으며, 동일 기간의 파주 및 동두천 기상관측소(ASOS) 강수자료와 비교하여 편이보정을 수행하였다. 편이보정은 위성강수와 관측강수 간의 관계를 이용하여 보정계수를 산정한 후 이를 GSMaP 자료에 적용하는 방식으로 수행하였다. 증발산 입력자료로는 GLDAS 기반 증발산 자료를 활용하였다. GLDAS 자료는 3시간 간격으로 제공되는 증발산량(Evap_tavg)을 일 단위로 누적하여 일 증발산량으로 변환하였으며, 이후 유출모형의 입력자료로 적용하였다.

자연유출량 산정을 위해 분포형 유출모형인 GRM을 구축하였다. 모형 구축에는 수치표고모델(Digital Elevation Model, DEM), 토지이용도 및 토양도 자료를 활용하였으며, 유역의 지형 및 물리적 특성을 반영하여 매개변수를 설정하였다. 또한 침투, 지표유출 및 기저유출 과정을 고려하여 유출모의를 수행하였다. GRM 모형을 통해 산정된 유출량은 인위적 영향이 배제된 자연조건 하의 유출량으로 간주하였다.

임진강 유역의 유역변경 유량은 발전용수 기반 유역변경과 관개용수 기반 유역변경으로 구분하여 산정하였다. 발전용수 기반 유역변경은 수력발전시설의 설비용량, 유효낙차 및 설비이용률을 고려하여 발전유량으로 환산하였으며, 관개용수 기반 유역변경은 관개면적과 단위면적당 물수요를 기반으로 산정하였다. 특히 논 관개용수는 작물증발산, 침투 및 누수, 담수 유지 및 수로 손실 등을 고려한 물수지 개념을 적용하여 산정하였다. 이를 통해 각 시설별 연간 유역변경 유량을 도출하였다. 산정된 유역변경 유량은 임진강 유역의 자연유출량에 반영하여 유역변경에 따른 유출 감소 효과를 평가하였다. 특히 필승교 유역을 대상으로 유역변경 적용 전·후의 유출 특성을 비교하여 유역변경이 하류 유출에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.

한편, 필승교 관측유량은 상류 지역의 댐 운영 및 유역변경의 영향을 이미 포함하고 있으므로 자연상태 유출을 직접적으로 대표하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 관측유량을 자연유출량 검증자료로 사용하지 않았으며, 위성자료와 수문모형 기반의 자연유출량 산정 결과를 중심으로 분석을 수행하였다.

3. 유출 모의

3.1 입력자료 및 분석결과

3.1.1 강수 데이터

본 연구에서는 임진강 유역의 자연유출량 산정을 위한 강수 입력자료로 GSMaP 위성강수 자료를 활용하였다. GSMaP는 위성관측을 기반으로 강수량을 산정하는 자료로, 지상 관측망이 부족한 지역에서도 시·공간적으로 연속적인 강수 정보를 제공할 수 있어 북한과 같은 미계측 유역의 수문분석에 유용하게 활용될 수 있다.

그러나 기존 연구에서는 GSMaP 위성강수가 지상 관측강수량에 비해 과소 추정되는 경향이 보고된 바 있다(Kim et al., 2025b). 이에 본 연구에서는 GSMaP 자료와 인근 기상관측소인 파주 및 동두천 ASOS 관측강수량을 비교하여 편이보정을 수행하였다. Fig. 4는 GSMaP와 ASOS 강수량 간의 관계를 나타낸 산점도이다. 분석 결과 두 자료는 양호한 선형관계를 보였으나, GSMaP가 전반적으로 낮은 값을 나타내는 경향이 확인되었다. 이에 두 자료 간의 비율 관계를 이용하여 보정계수 1.1097을 산정하였으며, 이를 GSMaP 자료에 적용하여 편이를 보정하였다. 편이보정이 적용된 GSMaP 강수자료는 임진강 유역의 자연유출량 모의를 위한 GRM 수문모형의 강수 입력자료로 활용하였다. 이를 통해 위성강수 자료의 과소추정 경향을 보완하고, 미계측 지역을 포함하는 임진강 유역의 강수 분포를 보다 합리적으로 반영하고자 하였다.

Fig. 4.

Relationship between GSMaP and ASOS precipitation data

3.1.2 증발산 자료

본 연구에서는 자연유출량 산정을 위한 수문모형 입력자료로 GLDAS 기반 증발산 자료를 활용하였다. GLDAS에서 제공되는 증발산은 토양증발, 식생 증산 및 차단 증발을 포함하는 물리기반 실제증발산으로, 다양한 기상요소를 고려하여 산정된 지표면 수분 플럭스를 나타낸다. 북한 지역은 장기간의 수문·기상 관측자료 확보가 제한적인 대표적인 미계측 유역으로, 공간적으로 연속된 증발산 자료를 확보하기 어렵다. 이러한 조건에서 GLDAS와 같은 재분석 자료는 시·공간적으로 일관된 수문기상 정보를 제공할 수 있어 자연유출량 산정을 위한 유용한 대체 자료로 활용될 수 있다. 본 연구에서는 공간해상도 약 0.25°(약 25 km) 및 시간해상도 3시간 간격의 GLDAS 자료를 활용하였다. GLDAS에서 제공되는 증발산량(Evap_tavg)을 일 단위로 누적하여 일 증발산량으로 변환한 후 유출모형의 입력자료로 적용하였다.

GLDAS의 활용에 대한 기존 연구에서는 GLDAS를 포함한 재분석 및 위성 기반 증발산 자료가 에디공분산 기반 플럭스타워 관측값에 비해 다소 높은 값을 나타내는 경우가 보고된 바 있다. 특히 국내 유역을 대상으로 수행된 연구에서는 GLDAS, GLEAM 및 MOD16 등의 증발산 자료가 플럭스타워 관측값보다 상대적으로 크게 산정되는 경향이 보고되었다 (Baik et al., 2019). 이러한 차이는 재분석 자료의 공간평균 특성, 관측 대표성의 차이 및 지표면 수문·에너지 플럭스 모의 과정에서의 불확실성 등에 기인하는 것으로 알려져 있다.

이에 본 연구에서는 재분석 증발산 자료의 불확실성과 국내 유역의 장기 유출 특성을 종합적으로 고려하여 GLDAS 증발산 자료에 보정계수 0.7을 적용하였다. 국내 대표 산악유역인 소양강댐 유역을 대상으로 2004~2018년 기간의 강수량 및 유출량 자료를 분석한 결과 평균 유출률은 0.593으로 산정되었다. 임진강 유역 또한 산림 비율이 높고 산악지형이 우세한 유역 특성을 가지므로 장기 유출률이 유사한 범위에 존재하는 것이 수문학적으로 타당하다고 판단하였다. 따라서 본 연구에서는 선행연구에서 보고된 GLDAS 증발산 자료의 과대 산정 가능성과 국내 산악유역의 장기 유출 특성을 종합적으로 고려하여 GLDAS 증발산 자료에 0.7의 보정계수를 적용하였으며, 향후 북한 지역의 수문·기상 관측자료가 확보될 경우 추가적인 검증이 필요하다. 보정된 증발산 자료는 자연유출량 산정을 위한 GRM 모형의 입력자료로 활용하였다.

3.1.3 분석결과

Fig. 5는 임진강 유역 내 5개 유역에 대한 일별 강우-유출 관계와 월평균 강수량 및 유출량 변동 특성을 비교하여 나타낸 것이다. 유출 모의는 GRM을 이용하여 수행하였으며, 강수 입력자료로는 GSMaP 위성강수 자료를, 증발산 입력자료로는 GLDAS 증발산 자료를 적용하였다. Fig. 5(a)의 일별 강우-유출 그래프에서는 강수 발생 이후 유출량이 증가하는 전형적인 강우-유출 반응 특성이 나타났다. 특히 여름철 집중호우 기간에는 급격한 유출 증가가 반복적으로 발생하였으며, GRM 모의 결과는 이러한 단기 수문응답 특성을 적절히 반영하는 것으로 나타났다. 반면 겨울철에는 강수량 감소와 함께 유출량도 전반적으로 낮은 수준을 유지하여 안정적인 저유량 특성을 보였다.

Fig. 5.

Rainfall–runoff characteristics in the Imjin River basin

유역별로 살펴보면, 황강댐(Hwanggang Dam) 및 필승교(Pilseunggyo) 유역은 상대적으로 큰 유역면적과 상류 유입의 누적 영향으로 인해 큰 유출 규모를 나타냈다. 또한 대유역 특성상 강우 변동에 비해 비교적 완만한 수문곡선 형태를 보였으며, 이는 유역 내 저류효과와 유출 지체효과에 기인하는 것으로 판단된다. 반면 법동(Beobdong), 구룡(Guryong), 리상리(Risangri)와 같은 상류 소유역은 강우 발생 시 상대적으로 빠르고 민감한 유출 반응 특성을 나타냈으며, 이는 산악형 소유역의 짧은 도달시간을 반영하는 결과로 해석된다.

Fig. 5(b)의 월평균 강수량 및 유출량 변동 특성에서는 전체 분석기간 동안의 평균적인 계절 변동 양상이 나타났다. 강수량은 주로 6월부터 8월 사이에 집중되었으며, 이에 따라 유출량 역시 여름철에 최대값을 보였다. 특히 7~8월의 높은 강수량은 월평균 유출량 증가와 밀접한 관계를 나타내어 임진강 유역이 강수에 의해 지배되는 수문 특성을 가지고 있음을 시사한다. 반면 겨울철에는 강수량 감소와 함께 유출량 역시 최소 수준으로 감소하는 경향이 나타났다. 전체적으로 GSMaP 위성강수와 GLDAS 증발산 자료를 이용한 GRM 모의 결과는 임진강 유역의 계절적 강우-유출 특성과 유역 규모에 따른 수문응답 특성을 적절히 반영하는 것으로 나타났다.

GSMaP 위성강수와 GLDAS 증발산 자료를 이용한 GRM 모의 결과는 임진강 유역의 전반적인 계절 수문거동을 적절히 반영하는 것으로 나타났다. 특히 여름철 홍수기 유출 증가와 겨울철 저유량 특성이 모의 결과에 나타났으며, 이를 통해 위성 기반 강수자료와 재분석 기반 증발산 자료를 활용한 자연유출량 산정의 적용 가능성을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 관측자료 확보가 제한적인 북한 지역과 같은 미계측 유역에서도 위성 및 재분석 자료 기반 수문모의가 활용될 수 있음을 시사한다.

임진강 유역 내 5개 유역의 강수-유출 특성은 Table 2와 같다. 연평균 강수량은 약 1,025~1,235 mm/yr 범위로 나타났으며, 하류로 갈수록 다소 증가하는 경향을 보였다. 이는 임진강 유역의 지형적·기후적 특성에 따른 공간적 강수 분포 차이를 반영하는 것으로 판단된다. 특히 필승교 유역은 약 1,235 mm/yr로 가장 높은 연평균 강수량을 보였다. 연평균 유출심은 약 558~797 mm/yr 범위로 나타났으며, 강수량과 유사하게 유역별 차이를 보였다. 리상리 유역은 약 797 mm/yr로 가장 높은 유출심을 보였으며, 이는 상대적으로 작은 산악형 유역 특성과 빠른 유출 반응 특성을 반영하는 결과로 해석된다. 반면 필승교 유역은 가장 높은 강수량을 보였으나 유출심은 약 558 mm/yr로 가장 낮게 나타났다.

연평균 총유출량은 유역면적의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. 황강댐 유역은 약 14.79 × 10⁸ m³/yr, 필승교 유역은 약 22.56 × 10⁸ m³/yr로 상대적으로 큰 유출량을 보였으며, 이는 넓은 유역면적과 상류 유입의 누적 효과에 기인한다. 반면 법동, 구룡 및 리상리와 같은 상류 소유역은 상대적으로 작은 총유출량을 나타냈다. 유출계수는 강수량 대비 유출로 전환되는 비율을 의미하며, 본 연구에서는 약 0.452~0.669 범위로 나타났다. 법동, 구룡 및 리상리 유역은 0.6 이상의 유출계수를 보였으며, 이는 강수 발생 시 지표유출이 상대적으로 빠르게 발생하는 산악형 유역 특성을 반영하는 것으로 판단된다. 반면 황강댐 유역은 0.542, 필승교 유역은 0.452로 상대적으로 낮은 유출계수를 나타냈다. 이는 유역 규모 증가에 따른 저류효과와 침투 및 증발산 증가 등에 의해 유출률이 감소하는 일반적인 수문학적 특성을 반영하는 결과로 해석된다. 또한 상류 소유역에서는 높은 유출계수와 빠른 유출응답 특성이 나타난 반면, 하류 대유역에서는 상대적으로 낮은 유출계수와 완만한 유출 특성이 나타났다. 이러한 결과는 유역면적 증가에 따른 저류효과와 유출 응답시간 차이를 반영하는 것으로 판단된다.

유황곡선(Flow Duration Curve, FDC)은 특정 기간 동안 발생한 유량을 크기순으로 정렬한 후 각 유량이 초과되는 빈도(Exceedance Probability)를 나타낸 곡선으로, 유역의 장기적인 유량 특성을 종합적으로 평가하는 데 널리 활용된다. 유황곡선은 홍수기와 갈수기를 포함한 다양한 유량 조건을 동시에 표현할 수 있어 유역의 수자원 이용 가능성, 갈수 지속성 및 유량 변동성을 평가하는 대표적인 지표이다. 본 연구에서는 2000년부터 2024년까지의 모의 유량자료를 이용하여 법동, 구룡, 리상리, 황강댐 및 필승교 유역에 대한 유황곡선을 작성하였다(Table 3 and Fig. 6). 또한 초과확률을 기준으로 풍수구간(0-25%), 평수구간(25-50%), 저수구간(50-75%) 및 갈수구간(75-100%)의 네 구간으로 구분하여 유량 특성을 분석하였다.

Fig. 6.

Flow duration curves of the Imjin River basin

Table 3 and Fig. 6에 나타난 바와 같이 모든 유역에서 초과확률이 증가할수록 유량이 감소하는 일반적인 유황곡선 형태를 보였다. 소유역인 법동, 구룡 및 리상리 유역은 풍수구간과 갈수구간의 유량 차이가 크게 나타나 상대적으로 높은 유량 변동성을 보였다. 특히 구룡 유역은 풍수유량 대비 갈수유량의 비율 차이가 크게 나타나 강수에 대한 유출 반응이 민감하고 갈수기 유량 유지 능력이 상대적으로 낮은 것으로 분석되었다.

반면 황강댐 및 필승교 유역은 유역면적 증가에 따른 지하수 유출과 유역 내 저류효과의 영향으로 갈수기 유량이 비교적 안정적으로 유지되는 특성을 보였다. 특히 필승교 유역은 풍수구간 평균유량이 약 250 m³/s, 갈수구간 평균유량이 약 5 m³/s로 나타나 상류 소유역에 비해 유황곡선의 기울기가 완만한 경향을 보였다. 이는 대유역에서 일반적으로 나타나는 수문학적 특성으로, 유역 내 저류효과와 기저유출의 기여도가 증가함에 따라 유량 변동성이 감소한 결과로 해석된다.

전체적으로 리상리와 법동 유역은 상대적으로 높은 유출계수와 함께 풍수구간 유량이 크게 나타났으며, 황강댐과 필승교 유역은 갈수기에도 일정 수준의 유량이 유지되는 특성을 보였다. 이러한 결과는 임진강 유역 내 소유역과 대유역 간 수문응답 특성의 차이를 반영하는 것으로 판단된다. 또한 GRM 모형을 이용한 모의 유량자료는 유역 규모에 따른 유량 특성 및 유황곡선의 형태를 합리적으로 나타내고 있으며, 향후 유역변경에 따른 수문영향 평가와 자연유출량 분석을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

3.2 임진강 유역변경 유량 분석

3.2.1 발전용수 기반 유역변경

황강댐과 연계된 예성강청년1호발전소의 설비용량은 약 40 MW로 알려져 있으며, Kim et al. (2021)은 예성강 유역으로의 전환 유량을 약 29.2 m³/s로 제시하였다. 이를 연간 유출량으로 환산하면 약 9.21 × 10⁸ m³/yr에 해당하며, 이는 임진강 유역에서 가장 큰 규모의 유역변경 사례 중 하나로 평가된다. 동해안 유역으로의 전환은 원산군민발전소와 원산청년발전소를 통해 이루어진다. 원산군민발전소는 두 개의 발전소가 총 40 MW (원산군민1호 발전소 약 2 MW 추정) 발전 능력을 갖춘 것으로 보고되고 있으며, 임진강 상류인 강원도 법동군에 댐을 쌓고 마식령을 가로지르는 지름 3 m의 수로터널을 20 km 이상 뚫어서 흐르는 강물을 동해로 돌림으로써 큰 낙차를 만들어 전기를 생산한다. 원산청년발전소는 1호(40 MW), 2호와 3호(각 6 MW), 4호(8 MW) 등 4개의 발전소로 이뤄져 있으며 임진강의 물을 동해로 돌려 낙차를 이용하여 발전한다. 구룡댐의 담수량은 약 2억t, 도수터널 길이는 약 13.69 km로 이루어져 있는 것으로 보고되고 있다.

발전유량의 계산은 Eqs. (1) and (2)를 이용하여 계산할 수 있다. 본 연구에서는 도수관 직경은 3 m, Darcy-Weisbach 마찰계수는 0.02, 발전효율(η)은 0.85로 가정하였다. 원산군민발전소와 원산청년발전소는 각각 약 243 km²및 179 km²규모의 산악유역을 수원으로 하는 자연유하식 수력발전시설로 알려져 있으나 실제 발전량 및 운영자료가 공개되어 있지 않아 설비이용률을 직접 산정하기 어렵다. 또한 소규모 산악유역 기반의 자연유하식 발전소는 계절별 유량 변동의 영향을 크게 받는다. 따라서 본 연구에서는 유역 규모와 수문특성을 고려하여 설비이용률(capacity factor)을 15%로 가정하였으며, 이를 기반으로 잠재적인 유역변경 규모를 평가하였다. 장거리 자연흐름식 도수터널에서는 관내 마찰에 의해 에너지 손실이 발생하므로, 실제 발전에 이용 가능한 유효낙차는 감소하게 된다. 이에 따라 본 연구에서는 Darcy-Weisbach 식을 이용하여 마찰손실수두를 고려하였다. 본 연구에서 산정된 발전용수 기반 유역변경 유량은 실제 운영조건에 따라 달라질 수 있으며, 결과는 잠재적 유역변경 규모를 나타내는 추정치로 해석할 필요가 있다.

여기서 P는 발전출력(W), ρ는 물의 밀도(1,000 kg/m³), g는 중력가속도(9.81 m/s²), Q는 발전유량(m³/s), H는 유효낙차(m), η는 발전효율, hf는 마찰손실수두(m), f는 Darcy-Weisbach 마찰계수, L은 도수관(터널) 길이(m), D는 도수관 직경(m), V는 관내 평균 유속(m/s) 이다.

3.2.2 관개용수 기반 유역변경

북한은 농업생산성 향상과 식량 확보를 위하여 대규모 관개수로 건설을 추진해 왔으며, 대표적인 사례로 임진강 상류 수계를 황해북도 미루벌 지역으로 연결하는 물길공사가 알려져 있다. 미루벌은 곡산군, 신계군 및 수안군 일대에 분포하는 대표적인 농업지역으로 약 420 km²규모의 경작지를 포함하는 것으로 알려져 있다. 미루벌 지역의 경지면적 구성비는 통계청(Statistics Korea)의 북한통계 자료에서 제시한 북한 전체 경지면적 현황을 참고하였다. 2009년 기준 북한의 경지면적은 논 31.9%, 밭 68.1%로 구성되어 있으며(KOSTAT, 2014), 본 연구에서는 이를 각각 약 32%와 68%로 적용하였다. 북한의 경지면적은 논 32%, 밭 68%로 구성되어 있는 것으로 보고되고 있으며, 본 연구에서는 미루벌 지역 또한 동일한 비율을 가진다고 가정하여 관개용수량을 산정하였다.

작물별 관개용수 요구량은 작물증발산량(crop evapotranspiration, ETcrop), 침투 및 누수량(percolation and seepage), 담수 유지수량(water layer maintenance), 유효강수량(effective rainfall) 등을 고려하여 산정하였다. Allen et al. (1998)은 FAO-56에서 기준증발산량(reference evapotranspiration, ETo)과 작물계수(crop coefficient, Kc)를 이용하여 작물증발산량을 산정하는 방법을 제시하였으며, 논의 경우 토양 포화수량(SAT), 담수 유지수량(WL), 침투 및 누수량(PERC)을 함께 고려하도록 제시하였다. 특히 논의 침투 및 누수량은 토양조건에 따라 약 4~8 mm/day 범위로 나타나는 것으로 보고하였다(FAO, 1992).

관개용수량 산정을 위한 기준 필요수량은 논 1,000 mm/yr, 밭 500 mm/yr를 적용하였다. 논의 경우 작물증발산량 외에도 담수 유지, 토양 포화, 침투 및 누수 손실이 지속적으로 발생하므로 실제 관개용수 요구량이 크게 증가한다. Renault and Facon (2004)에 따르면 벼 재배기간 동안의 총 필요수량은 약 900~2,250 mm 범위로 보고된 바 있으며, 본 연구에서는 해당 범위 내의 대표값으로 1,000 mm/yr를 적용하였다. 밭의 경우 옥수수, 콩, 감자 등 일반 밭작물의 작물증발산량과 생육기 수분 부족량을 고려하여 500 mm/yr를 적용하였다.

연간 필요용수량은 Eq. (3)을 이용하여 산정하였으며, 강수량을 고려하지 않을 경우 논과 밭의 연간 필요용수량은 Eqs. (4) and (5)과 같이 계산된다.

여기서 V는 연간 필요용수량(m³/yr), A는 관개면적(m²), D는 단위 필요수량(m/yr)이다.

따라서 미루벌 지역 전체의 총 관개 필요용수량은 약 2.73 × 10⁸ m³/yr (Vpaddy+Vupland)로 산정되었다. 그러나 실제 관개 수요는 강수량에 의해 일부 충족될 수 있으므로 계산된 필요용수량에서 연강수량을 제외하여 순필요용수량으로 산정하였다. 미루벌 인근의 신계 지역의 연강수량은 약 1,050 mm/yr 수준으로 알려져 있으며, 본 연구에서는 작물 생육기에 이용 가능한 유효강수율은 일반적인 농업용수 설계기준 및 FAO 기준을 참고하여 60%를 적용하였다. 이에 따른 유효강수량은 약 630 mm/yr로 계산된다. 논의 경우 순필요용수량는 370 mm/yr로 계산되며, 밭의 경우 기준 필요수량보다 유효강수량이 크게 나타나 용수 수요는 발생하지 않는 것으로 가정하였다. 따라서 유효강수를 고려한 경우 논의 연간 순필요용수량은 126.0 × 10⁶ × 0.37 = 0.46 × 10⁸ m³/yr로 산정되며, 이를 연속유량으로 환산하면 약 1.47 m³/s로 계산되었다.

Hong et al. (2016)은 토양수분 물수지 모형을 이용하여 국내 주요 밭작물의 순관개용수량(Net Irrigation Requirement, NIR)을 산정하였으며, 작물별 NIR은 약 55~425 mm 범위로 나타났다. 또한 기후변화 시나리오 하에서 유효강우량은 감소하고 관개용수 수요는 증가하는 것으로 분석되었다. 따라서 농업용수 확보를 위한 유역변경 수요는 향후 더욱 증가할 가능성이 있다. Table 4는 임진강 유역 내 주요 유역변경 시설에 대하여 취수부와 방류부의 고도, 유효낙차, 도수거리, 발전용량 및 추정 유역변경 유량을 정리한 결과이다.

3.3 유역변경을 고려한 유출량 분석

3.3.1 유역변경 시점 평가

앞의 2.2절에 기술한 바와 같이 임진강 유역에서는 상류 및 중류에 위치한 수리 구조물에 의해 타 유역으로의 유역변경이 이루어지고 있으며, 본 연구에서는 위성영상 및 문헌자료를 기반으로 총 4개의 주요 유역변경 지점을 확인하였으며, 상류에서는 동해안 및 대동강 유역으로, 중류에서는 황강댐을 통해 예성강 유역으로의 유역변경이 수행되는 것으로 파악된다.

유역변경이 하천 유출에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위해서는 각 구조물의 유역변경 시작 시점을 명확히 설정하는 것이 중요하다. 이에 본 연구에서는 Google Earth Pro와 Landsat 위성영상을 활용하여 각 수리구조물의 담수 시작 시점을 분석하였다. 특히 Landsat 영상에 대해서는 NDWI (Normalized Difference Water Index) 분석을 적용하여 수체 면적의 시계열 변화를 분석하여 유역변경 발생 가능 시점을 도출하였다.

① 법동댐

법동댐은 원산군민발전소의 수원 확보를 위한 핵심 구조물로 Google Earth Pro 시계열 영상 분석 결과 2015년 5월에는 저수지가 형성되지 않은 상태였으나 2015년 10월 영상에서는 명확한 수체 형성이 확인되었다. 이는 해당 기간 사이에 담수가 시작되었음을 의미하며, 분석의 일관성과 연 단위 시간해상도를 고려하여 본 연구에서는 2016년 1월 1일을 유역변경 시작 시점으로 설정하였다.

② 구룡댐

구룡댐은 원산청년발전소에 연계된 시설로, Google Earth Pro 영상 분석 결과 2007년 12월에는 댐 상류에 뚜렷한 수체가 나타나지 않으나, 2008년 12월에는 저수지가 형성된 상태가 확인되었다. 이에 따라 담수 시작 시점은 2007~2008년 사이로 판단되며, 본 연구에서는 2008년 1월 1일을 유역변경 시작 시점으로 정의하였다.

③ 리상리댐

리상리댐은 미루벌 물길(Mirubol Canal)을 통해 대동강 유역으로 물을 공급하는 유역변경 시설이다. Google Earth Pro 영상에서는 정확한 최초 담수 시점을 특정하기 어려웠으나, 2013년 10월 영상 이전부터 이미 저수지가 형성된 상태가 확인되었다. 또한 관련 문헌 및 북한 매체 보도에 따르면 미루벌 관개수로는 2009년경 완공된 것으로 보고되고 있어, 본 연구에서는 2009년 1월 1일을 유역변경 시작 시점으로 설정하였다.

④ 황강댐

황강댐은 임진강 중류에 위치하며 예성강 유역으로의 유역변경을 수행하는 대표적인 대형 수리시설이다. 본 연구에서는 Landsat 위성영상을 활용하여 NDWI 분석을 수행하였으며, 그 결과 2007년 10월경부터 저수지 수체 면적이 급격히 증가하는 것이 확인되었다(Fig. 7). 이는 댐 담수 및 본격적인 수문 조절의 시작을 의미하며, 본 연구에서는 2008년 1월 1일을 유역변경 시작 시점으로 설정하였다.

Fig. 7.

Satellite-based identification of reservoir impoundment and inter-basin diversion timing

본 연구에서는 도수터널 및 발전시설의 실제 가동 시점을 직접 확인하기 어려운 한계가 있으므로, 문헌 및 보도자료에 제시된 사업 완료 시점과 위성영상 분석 결과를 종합적으로 검토하였다. 또한 수문분석의 시간해상도 일관성을 고려하여 저수지 담수 개시 시점을 유역변경이 발생 가능한 최소 시점으로 정의하였다. 이에 따라 도출된 유역변경 적용 시점은 Table 5에 정리하였으며, 이후 유역변경 유량을 반영한 유출량 분석에 활용하였다.

3.3.2 유역변경 유량을 고려한 유출 분석

Table 6은 유역변경을 고려하여 산정한 임진강 유역 주요 지점의 장기 수문특성을 나타낸다. 분석 결과, 연평균 증발산량은 462.7~545.0 mm/yr 범위로 나타났으며, 구룡 유역에서 가장 높은 값(545.0 mm/yr)을 보였다. 평균유량은 유역면적에 따라 증가하는 경향을 나타내어 법동, 구룡 및 리상리 유역에서는 각각 4.58, 2.50 및 1.95 m³/s로 나타난 반면, 황강댐과 필승교 유역에서는 각각 33.0 및 57.3 m³/s로 분석되었다.

연평균 총유출량은 법동 1.44억 m³/yr, 구룡 0.79억 m³/yr, 리상리 0.61억 m³/yr, 황강댐 10.41억 m³/yr, 필승교 18.07억 m³/yr로 나타났다. 유출고는 리상리 유역이 679.8 mm/yr로 가장 높게 나타났으며, 법동 유역은 593.0 mm/yr, 황강댐과 필승교 유역은 각각 456.7 mm/yr 및 446.9 mm/yr로 분석되었다. 유출계수는 법동(0.579)과 리상리(0.572)에서 상대적으로 높게 나타난 반면, 황강댐(0.383)과 필승교(0.362)에서는 낮은 값을 나타냈다. 이는 유역 규모 증가에 따른 저류효과와 상류 유역에서 발생한 유역변경 영향이 복합적으로 반영된 결과로 판단된다.

Table 7은 유역변경에 따른 유출량 감소 효과를 정량적으로 평가한 결과를 나타낸다. 분석 결과, 황강댐과 필승교 유역에서 가장 큰 감소량이 나타났다. 황강댐 유역의 연평균 총유출량은 14.79억 m³/yr에서 10.41억 m³/yr로 감소하여 약 4.38억 m³/yr (29.6%) 감소하였으며, 필승교 유역은 22.56억 m³/yr에서 18.07억 m³/yr로 감소하여 약 4.49억 m³/yr (19.9%) 감소하였다. 이는 상류 지역에서 수행된 발전용수 및 관개용수 기반 유역변경 사업이 하류 유출량 감소에 상당한 영향을 미치고 있음을 의미한다. 소유역에서는 구룡 유역의 유출량 감소율이 가장 크게 나타났다. 구룡 유역의 연평균 총유출량은 1.18억 m³/yr에서 0.79억 m³/yr로 감소하여 약 0.39억 m³/yr (33.1%) 감소하였으며, 유출계수는 0.619에서 0.415로 감소하였다. 법동 유역은 약 0.20억 m³/yr (12.2%), 리상리 유역은 약 0.11억 m³/yr (15.3%) 감소한 것으로 나타났다. 유출계수 변화 또한 유출량 감소와 유사한 경향을 보였다. 법동, 구룡 및 리상리 유역은 각각 0.079, 0.204 및 0.097 감소하였으며, 황강댐과 필승교 유역은 각각 0.159 및 0.090 감소하였다. 특히 구룡 유역은 유출량 감소율과 유출계수 감소폭이 가장 크게 나타나 유역변경의 영향을 상대적으로 크게 받는 것으로 분석되었다. 유역변경을 고려한 결과, 임진강 유역의 연평균 총유출량은 유역별로 12.2~33.1% 감소하였으며, 황강댐 및 필승교 유역에서는 각각 약 4.38억 m³/yr 및 4.49억 m³/yr 규모의 유출 감소가 발생하는 것으로 분석되었다. 또한 유출계수는 0.079~0.204 감소하여 유역변경이 임진강 유역의 장기 유출특성에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났다.

3.4 수문학적 및 정책적 시사점

본 연구 결과는 임진강 유역의 수문체계가 자연적인 강수-유출 과정뿐만 아니라 상류 지역의 수자원 개발과 유역변경에 의해 영향을 받는 복합적인 수문시스템임을 보여준다. 특히 발전용수 및 관개용수를 목적으로 한 유역 외부 전환은 하류 유출량 감소뿐만 아니라 유역 내 물수지 구조와 수문순환 과정에도 영향을 미칠 수 있으며, 장기적으로는 유출계수, 갈수기 유량 및 유황 특성의 변화를 유발할 가능성이 있다. 임진강과 같은 공유하천에서는 관측유량이 반드시 자연 상태의 수문특성을 반영한다고 보기 어렵다. 따라서 유역의 수문특성을 평가하거나 수문모형을 적용할 경우 강수 및 기상조건뿐만 아니라 상류 지역의 댐 운영과 유역변경 여부를 함께 고려할 필요가 있다. 특히 북한 지역에서 수행되고 있는 수력발전 개발과 농업용수 이용은 하류 유출체계에 상당한 영향을 미칠 수 있으므로 자연유출량과 실제 유출량을 구분하여 해석하는 접근이 중요하다.

또한 본 연구에서 적용한 위성자료와 재분석자료 기반 접근방법은 관측자료 확보가 어려운 미계측 유역의 수문특성을 평가하기 위한 효과적인 대안으로 활용될 수 있다. 최근 위성원격탐사 기술의 발전으로 강수, 수체면적, 수위 및 지표수 변동을 지속적으로 모니터링할 수 있게 됨에 따라 향후 미계측 유역의 수문분석 정확도는 더욱 향상될 것으로 기대된다.

정책적 측면에서는 임진강이 남북이 공유하는 국제하천적 성격의 유역인 만큼 상류 지역의 수자원 이용 현황과 수문변화를 지속적으로 모니터링할 필요가 있다. 특히 기후변화에 따른 수문 변동성 증가와 북한 지역의 추가적인 수자원 개발 가능성을 고려할 때 위성자료 기반의 장기 감시체계 구축과 공유하천의 통합 수자원 관리방안 마련이 중요할 것으로 판단된다.

한편, 본 연구에서 적용한 GSMaP 강수 보정계수는 파주 및 동두천 ASOS 관측자료를 기반으로 산정되었다. GSMaP는 위성 마이크로파 및 적외선 관측자료와 대기 상태 정보를 이용하여 생산되는 광역 격자형 강수자료로서 북한 지역을 포함한 강수장의 공간분포를 반영할 수 있는 장점이 있다. 그러나 보정계수는 접경지역 관측자료를 이용하여 산정되었기 때문에 북한 상류 산악지역의 지형성 강수 특성을 충분히 반영하지 못할 가능성이 있다. 또한 북한 지역의 직접적인 수문·기상 관측자료가 부재하여 GLDAS 증발산량 보정계수 및 유역변경량 산정 과정에 일정 수준의 불확실성이 존재한다. 따라서 향후 북한 지역의 관측자료 또는 고해상도 재분석자료가 확보될 경우 보다 정교한 검증과 불확실성 평가가 필요할 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 임진강 유역을 대상으로 위성강수 자료(GSMaP), 재분석 기반 증발산 자료(GLDAS) 및 분포형 수문모형(GRM)을 활용하여 자연유출량을 산정하고, 북한 상류지역에서 이루어지는 유역변경이 하류 유출에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다. 또한 위성영상과 문헌자료를 이용하여 주요 유역변경 시설의 운영 시점을 분석하고, 발전용수 및 관개용수 기반 유역변경 유량을 산정하여 자연유출량 변화 특성을 분석하였다. 주요 연구결과는 다음과 같다.

(1)Google Earth Pro 및 Landsat 위성영상을 활용하여 법동댐, 구룡댐, 리상리댐 및 황강댐의 담수 시점을 분석한 결과, 각각 2016년, 2008년, 2009년 및 2008년을 유역변경 적용 시점으로 설정하였다. 위성영상 기반 분석은 관측자료가 부족한 북한 지역의 수리시설 운영 시점을 파악하는 데 효과적으로 활용될 수 있는 것으로 나타났다.

(2)GSMaP 위성강수 자료와 GLDAS 증발산 자료를 이용하여 GRM 모형을 구축한 결과, 임진강 유역의 계절적 강우-유출 특성과 유역 규모에 따른 수문응답 특성이 적절히 반영되는 것으로 나타났다. 연평균 강수량은 약 1,025~1,235 mm/yr, 연평균 유출심은 약 558~797 mm/yr 범위로 분석되었으며, 유출계수는 약 0.45~0.67 범위로 나타났다. 상류 소유역은 상대적으로 높은 유출계수와 빠른 유출응답 특성을 보인 반면, 황강댐 및 필승교 유역과 같은 대유역은 저류효과에 의해 상대적으로 완만한 유출 특성을 나타냈다.

(3)발전용수 및 관개용수 기반 유역변경 유량을 산정한 결과, 황강댐을 통한 예성강 유역 전환량은 약 9.08 × 10⁸ m³/yr로 가장 크게 나타났으며, 법동댐과 구룡댐을 통한 동해안 유역 전환량은 각각 약 0.81 × 10⁸ m³/yr 및 0.62 × 10⁸ m³/yr로 평가되었다. 또한 미루벌 관개수로를 통한 대동강 유역 전환량은 강수조건에 따라 약 0.46 × 10⁸ m³/yr 범위로 분석되었다. 이에 따라 임진강 유역의 총 유역변경 유량은 약 10.97 × 10⁸ m³/yr 수준으로 추정되었다.

(4)유역변경 유량을 반영하여 자연유출량 변화를 분석한 결과, 황강댐 유역의 연평균 총유출량은 약 29.6% 감소하였으며, 필승교 유역에서는 약 19.9% 감소하는 것으로 나타났다. 또한 필승교 유역의 유출계수는 0.452에서 0.362로 감소하는 것으로 분석되어, 유역변경이 임진강 하류 수문체계에 상당한 영향을 미치는 것으로 평가되었다.

(5)본 연구 결과는 임진강 유역의 장기 유출 특성이 단순한 강수-유출 관계뿐만 아니라 상류 수리시설 운영 및 유역변경에 의해 크게 영향을 받을 수 있음을 보여준다. 특히 황강댐을 통한 예성강 유역 전환이 전체 유역변경 유량의 대부분을 차지하는 것으로 나타났으며, 동해안 수력발전 계통 및 미루벌 관개수로 또한 하류 유출 감소에 기여하는 것으로 분석되었다.

본 연구는 위성자료, 재분석자료 및 분포형 수문모형을 연계하여 관측자료가 부족한 공유하천의 자연유출량을 추정하고 유역변경 영향을 정량적으로 평가할 수 있는 방법론을 제시하였다. 향후 SWOT, Sentinel-1/2, GK-2A 등 다양한 위성자료와 연계한 지속적인 모니터링이 이루어진다면 북한 지역 수자원 개발이 임진강 유역 수문체계에 미치는 영향을 보다 정밀하게 평가할 수 있을 것으로 기대된다.