북한의 산림복원과 기후변화가 물관리 취약성에 미치는 영향과 정책방향 연구(Ⅱ)

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연구보고서

북한의 산림복원과 기후변화가 물관리 취약성에 미치는 영향과 정책방향 연구(Ⅱ) Assessing the impacts of reforestation and climate changeon water management in DPR Korea (Ⅱ)

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보고서명
북한의 산림복원과 기후변화가 물관리 취약성에 미치는 영향과 정책방향 연구(Ⅱ)
보고서명(영문)
Assessing the impacts of reforestation and climate changeon water management in DPR Korea (Ⅱ)

책임자 김익재
소속기관한국환경정책·평가연구원
공동책임자 전동진
내부연구참여자명수정,조을생,이문환,한대호,김예인,김수빈
외부연구참여자서승범
발행기관 한국환경연구원
ISBN979-11-5980-469-4
출판년도2020
페이지151
보고서유형 일반연구보고서
연구유형 정책
표준분류 환경 > 환경일반
자료유형연구보고서
공공누리유형 4유형 (출처표시+상업적이용금지+변경금지)
주제어북한 물관리, 기후변화, 산림복원, WEF 넥서스, 재령강, 사리원

Ⅰ. 서론
1. 연구의 배경 및 목적
❏ 기후변화의 영향으로 빈번해지는 물재해(가뭄 또는 홍수)는 자연 혹은 인공 물 인프라 시설이 부족한 북한에서 심각한 인명·재산 피해를 야기함
ㅇ 산림은 기후변화로 인한 영향을 완화하는 기능을 가지고 있으나, 북한의 산림황폐화 수준은 매우 심각함
ㅇ 2020년 발생한 폭우와 태풍과 같은 기상 이변급 재해는 물 인프라가 부족한 북한에 심각한 피해를 일으킴. 특히 주요 곡창지대에 막대한 피해를 일으켜 북한의 식량안보상황이 악화됨
ㅇ 북한의 에너지 생산에 중요한 수력 발전(량)은 장기 가뭄과 같은 기후변화의 영향에 취약함
ㅇ 산림복원이 남북한 간 환경 협력 분야의 우선과제로 채택됨에 따라 양측에서 환경개선 및 교류 확대 계획을 밝힌 바 있음
❏ 북한의 물관리 현황을 분석하고, 산림복원 및 기후변화가 물관리에 미치는 영향을 규명하며, 물 이용 문제 해소를 위한 북한 산림환경의 보전과 기후변화 적응은 물론 물-에너지-식량 넥서스 관점의 향후 환경협력 과제와 정책방향을 도출
2. 연구 추진 체계
❏ 본 연구는 총 3개년 연구계획 중 2차 연도 연구에 해당됨

Ⅱ. 기후변화 시나리오 기반 미래 홍수 빈도 분석
1. 북한 전역 대상 미래 홍수 규모 및 빈도의 변동성에 대한 분석
❏ 관측자료 및 두 개의 대표농도 시나리오(RCP 4.5 & 8.5) 기반으로 연 최대 일 강우량의 미래 추세 전망
ㅇ 미래 홍수빈도의 분석을 위해 과거(1987~2020년) 자료를 사용하여 연 최대 일 강우량의 경향성 분석을 실시한 결과, 평양시를 포함한 중남부 내륙지역에서 최대 일 강우량은 증가하는 경향성을 보임
ㅇ 극한강우량의 미래 경향성 분석을 위해 5개의 대표 GCM 모델을 활용하여, 기후변화 시나리오인 RCP가 반영되는 기간(2006~2100년)의 자료를 사용하여 미래 연 최대 일 강우량의 경향성 분석을 실시함. RCP 8.5 시나리오에서 일 최대 강우량의 뚜렷한 증가 전망이 나타남
ㅇ 과거 관측 자료를 사용했을 때와 기후변화 시나리오에서의 극한강우량의 증가 경향성을 보인 지역이 일치하지 않았음. 지역적 연구의 공간적 상세화 과정에서 발생할 수 있는 불확실성을 고려했을 때 지역별 또는 관측소별 전망 결과에 대한 비교보다는 장기 전망의 경향성을 북한 전지역에 대한 종합적인 측면에서 분석하는 것이 올바를 것으로 판단됨
❏ 관측자료 및 두 개의 대표농도 시나리오(RCP 4.5 & 8.5) 기반으로 확률강우량의 미래 변동성 전망
ㅇ 매개변수가 시간의 흐름에 따라 변동한다는 가정 아래, 비정상성을 반영할 매개변수를 선정·추정하여 확률강우량의 미래 변동성을 분석함
ㅇ 기후변화 시나리오에서 미래 극한강우량의 규모는 시간이 흐름에 따라 증가함. 평양관측소 RCP 8.5의 trend 매개변수는 RCP 4.5 대비 약 3배 이상 크게 산정되고, RCP 8.5의 100년 빈도 확률강우량은 2020년에 438mm/day에서 2080년에 556mm/day 로 27% 증가할 것으로 전망함
ㅇ 북한지역의 2020년대 100년 빈도의 확률강우량은 2080년에는 38년 빈도로 작아지며, 극한강우사상이 더욱 빈번히 발생할 것으로 예측함

Ⅲ. Water-Energy-Food 넥서스의 개념과 관련 북한의 현황
1. 국제기구 및 학술연구에서 제시된 WEF 넥서스 개념 및 분석사례를 검토하여, 구체적인 분석에 앞서 본 연구를 위한 WEF 넥서스 개념을 정립
❏ 식량 및 에너지원의 확보를 위해 급속하고 무분별하게 산림황폐화가 진행되고, 개간된 농경지의 비율이 높아지는 북한의 현황을 고려해야 함
❏ 자원 간 상호 연계성과 상승 및 상쇄 효과가 북한 지역 내에서도 다를 수 있으므로, 지역 간의 특수성을 고려하는 WEF 넥서스 접근이 필요함
2. 물, 에너지, 농업, 그리고 기후변화와 관련된 13개의 북한 법령을 조사
❏ 형식 면에서는 대한민국의 기본 환경법과 유사한 체계를 가지고 있으며, 목적과 기본원칙, 준수해야 할 사항에 대해서는 명확한 규정을 마련하고 있음
3. 물, 에너지, 농업과 관련한 김일성종합대학보(지구환경과학 및 지질학, 지질 및 지리과학, 기상과 수문, 농업수리화 분야) 학술지를 대상으로 57개의 북한 논문을 분석
❏ 물 분야의 간행물이 상대적으로 많으며, 하천의 건강성 평가, 생태유량, 수질평가, 유량예측과 관련하여 연구가 수행되고 있기는 하나 결과만 제시하는 데 그치는 것으로 나타나 연구동향의 개략적 파악만 가능함
❏ 에너지 분야에 관련하여 수력발전댐의 운영 및 수력발전량 예측 방안에 대한 연구가 수행됨
❏ 농업 분야는 생육조건에 따른 농업지대 잠재력 평가 및 농업용수 관리체계에 대한 연구가 수행된 것으로 파악됨
❏ 논문 분석을 통해 얻을 수 있는 관측자료가 상당히 부족한 것으로 파악함

Ⅳ. 산림복원과 기후변화가 Water-Energy-Food 넥서스에 미치는 영향
1. 북한 유역도 제작과 시범유역 선정 및 유역 모델링 구축
❏ DEM에 따른 북한의 유역도를 구축하고, 재령강과 예성강 유역을 시범유역으로 선정함
ㅇ 유역모형 구축을 위한 입력자료로 DEM 자료는 90m 해상도의 SRTM Ver. 3.0 GL1, 토지피복도는 2000년도 대분류자료, 한국임업진흥원(2015)의 산림토양예측도를 활용함
❏ 토지이용도, 토양자료, 경사도 자료를 바탕으로 유역모형 특성을 분석함
ㅇ 재령강 유역은 557개의 수문반응단위, 152개 소유역으로 나뉨. 토지이용특성은 농지 58%, 산림면적 36%, 도시 1.7%으로 나타났으며, 용수 공급 및 수력발전을 위한 댐 시설은 3개가 있음
ㅇ 예성강 유역은 2,060개의 수문반응단위, 268개 소유역으로 나뉨. 토지이용특성은 농지 50%, 산림 41%, 도시 1.8%로 나타났으며, 댐 구조물이 13개가 있고, 인공수로를 건설하여 용수공급을 하므로 수문거동 분석에 한계가 있음
2. 산림복원과 기후변화 시나리오 구축 모의
❏ 산림복원 및 기후변화 시나리오에 따른 유입유량의 변화 분석
ㅇ 1980년대 수준으로 산림을 복원하는 산림복원 시나리오와, 2050년대(2036~2065년)의 기후변화 시나리오 2가지(RCP 4.5, 8.5)에 따른 6가지 시나리오를 구축함
ㅇ 산림복원에 따른 토지변화는 서흥호 상류에서 산림면적의 16.3% 증가, 은파호와 장수호는 8.5%와 2.1% 증가할 것으로 전망되었으나, 은파호의 경우 상류에 장수호가 위치하여 장수호를 제외할 경우 은파호 상류유역의 산림 면적은 18% 증가할 것으로 전망함
3. 시범유역의 산림복원과 기후변화가 수문순환에 미치는 영향
❏ 산림복원에 따른 수문순환의 변화 분석
ㅇ 산림이 복원될 경우 4~11월까지 실제 증발산량은 증가하는 반면, 총 유출량은 감소함. 총 유출량 중 지표유출량은 감소하는 반면 추가로 침투된 토양수분으로 인해 지하수유출량과 측방유출량은 증가함
ㅇ 산림면적의 증가로 인해 동일한 강우조건하에서 홍수기 하천첨두유량은 감소하고, 토양수와 지하수의 추가 유입으로 인해 비홍수기의 하천유출량은 증가함
❏ 기후변화와 산림복원에 따른 수문순환의 변화 분석
ㅇ RCP 8.5 시나리오에 따라 지표 유출량의 발생 비율이 가장 높은 7~9월에 홍수위험도가 크게 증가하는 반면, 토양수분과 유출량이 대부분의 기간에서 증가하여 비홍수기 하천유량 증가가 전망됨
ㅇ 산림복원을 같이 고려할 경우, 기후변화만 고려하였을 경우에 비하여 지표유출은 감소하고, 측방유출과 지하수유출은 더욱 증가함
ㅇ 산림복원은 극한홍수량 저감 및 갈수량 증가시키는 효과가 있으며, 이는 기후변화에 의해 취약해질 물관리 시스템에 긍정적인 역할을 할 것으로 기대됨
❏ 유역모형 시나리오에 따른 댐 유입유량 변화 전망과 에너지 생산 변화 추정
ㅇ 산림복원만을 고려할 경우 각 저수지로 유입되는 연평균유량은 3~5% 감소함
ㅇ 기후변화를 고려할 경우 연평균 저수지 유입량이 현재 기후조건 대비 37~56% 증가하고, 추가 확보된 모든 수자원을 발전방류로 이용할 경우 서흥호에서 5.5~11.1GWh, 은파호에서 5.7~12.33GWh만큼 연간 발전량이 증가할 것으로 전망됨
ㅇ 본 연구결과는 북한의 발전방류에 관한 정보가 없이 연간 발전량을 가정하여 산정한 결과로, 향후 댐 운영에 관한 정보를 추가한다면 더욱 정확한 발전량을 산정할 수 있을 것임

Ⅴ. 연구결과 및 향후 계획
1. 1차 연도 연구방법론 재정립 및 보완
❏ 기후변화에 따른 가뭄 전망(1차 연도)에 이어 북한 전역에 기후변화 시나리오를 반영한 미래 확률강우량 전망
ㅇ 북한지역의 미래 극한강우량(100년 빈도 일 강우량)은 꾸준히 증가하여, 2020년도 대비 2050년엔 약 4.7%(RCP 4.5), 약 14.5%(RCP 8.5) 정도 증가할 것으로 전망
2. WEF 관점에서의 물관리 방향 모색을 위한 WEF 넥서스 개념 정립, WEF 관련 북한 현황과 법령 체계 분석
3. 기후변화와 산림복원이 북한의 물관리(수문순환)에 미치는 영향을 평가
❏ 재령강 유역을 시범구역으로 선정하고 SWAT 모형을 구축하여 평가한 결과, 기후변화의 영향을 적응·상쇄할 수 있는 긍정적인 효과를 보임
❏ 서흥호와 은파호 수력발전시설의 발전 가능량을 평가한 결과, 산림복원 시 유입량의 감소로 발전량이 줄어들 것으로 전망되지만, 기후변화로 추가 확보될 수자원을 전량 발전방류로 이용한다면 발전 가능량은 증가
4. 한계점 및 보완점
❏ 해당 지역의 인구, 산업 등 가장 기초적인 자료뿐만 아니라 유량 등의 자료를 수집하기 어렵고, 각 요소마다 다양한 변수가 존재하여 정확한 현황 파악이 어려운 상황에서 산림복원이 물관리 및 이용의 각 요소에 어떠한 영향을 미칠지 예측하는 것은 대략적인 접근만 가능함
❏ 실측 유량 및 저수지 수위 및 운영 등에 대한 자료가 부재하여 유역모델링의 보정 및 검정의 한계가 있었음
❏ 본 연구에서 수집 및 구축한 기초적인 연구자료 및 분석체계와 결과를 토대로 물분야 기후변화 취약성 평가 절차 도출이 가능할 것으로 기대되며, 이를 통해 산림복원 및 기후변화 복합적인 영향에 대한 보다 정량적인 취약성 평가가 가능할 것으로 판단됨
5. 3차 연도 향후 계획
❏ 북한 물관리 현황 파악 및 산림복원 및 기후변화가 미치는 영향을 평가하여 WEF 넥서스 관점에서의 북한 물관리 발전 방향 및 환경협력 방안을 모색
ㅇ 연구 자료를 DB화하고, WEF 관련 북한의 법령 현황, 중장기 계획, 연구간행물 등의 자료도 목록화하여 추후 연구에 활용될 수 있도록 할 예정
❏ WEAP 모형을 이용한 WEF 연계분석
ㅇ 전 세계적으로 널리 쓰이는 물수지분석 도구인 WEAP을 이용하여 용수 수요 공급 체계를 구성하고 이를 수자원 변동에 따른 영향 예측에 활용
ㅇ 추후 연구에 활용될 수 있도록 WEF 분석 가능한 모형 구축
❏ WEF 넥서스 관점의 물관리 법령 및 정책 개선방안 도출
ㅇ 시범유역을 대상으로 산림복원 및 기후변화의 영향이 미치는 영향 분석, 임농복합경영의 활성화에 따른 시나리오 기반 산림복원 및 식량 생산 변화를 추정해 보고, 댐시설의 농업용수 및 발전용수의 합리적 관리방안을 검토
ㅇ WEF 넥서스 모형에서 산림복원과 기후변화를 고려하고 연계할 수 있는 모형을 제시하고, 부문 간 연계작용에 적합한 분석도구의 선정 검토와 적용가능성 평가

1. Background and significance of the research
❏ The impact of climate change and water-related disasters cause the loss of human life and damage to property in the DPRK where natural and artificial water infrastructures are insufficient.
ㅇ The mitigation of the impact of climate change, one important function of forests, is being impeded due to the high rate of deforestation in the DPRK.
ㅇ Extreme water-related disasters, such as heavy rains and typhoons that occurred in 2020 cause serious damage to the DPRK.
ㅇ Increase in extreme climate events and variability puts pressure for the up-stream and in-stream hydropower production which has been the key elements of the DPRK’s energy production.
ㅇ As forest restoration has been adopted as a priority project in the environmental cooperation sector between the two Koreas, both have announced plans to improve environmental health and expand inter-Korean exchanges.
❏ The purpose of this study is to derive policy suggestions for the development
of environmental cooperation in the water sector by evaluating the impact
of forest restoration and climate change on the DPRK’s water management.
❏ The accumulation of quantitative results is expected to provide clues to
solve water-related problems including flood, food, energy, and landscape and to improve the DPRK’s adaptability to climate change as well as quality of life.
2. Research structure
❏ This study corresponds to the second-year phase of the three-year research shown in the Figure 1.

Ⅱ. Frequency Analysis for Extreme Precipitation based on RCP Climate Change Scenarios
1. Assessing the volatility of future flood magnitude and frequency across the DPRK
❏ Conducting an analysis of the future propects of the annual maximum precipitation based on RCP 4.5 & 8.5 scenarios　
ㅇ The trend analysis of maximum daily rainfall using the past data (1987-2020) to predict future flood frequency shows that the maximum daily rainfall tends to increase in the south-central inland area including Pyongyang.
ㅇ The trend analysis of future extreme rainfall was conducted by using data (2006~2100) with five representative GCM models. A clear increase in daily maximum rainfall was observed in RCP 8.5.
ㅇ There is a need for analysis on the long-term tendency in the entire DPRK when considering the high level of future uncertainty.
❏ Estimation of the future probable precipitation based on the RCP 4.5 & 8.5
ㅇ For the estimation of change in the future probable precipitation, LP3 probability distribution, which is widely used for the analysis of extreme rainfall and flood, was selected and frequency analysis considering abnormality was performed to properly reflect the frequency of extreme rainfall.
ㅇ The scale of future extreme precipitation in climate change scenarios increased over time.
ㅇ In the Pyongyang area, the trend parameter of RCP 8.5 is estimated to be more than three times greater than that of RCP 4.5. The 100-year rainfall amounts in RCP 8.5 are expected to increase by 27%, from 438 mm/day in 2020 to 556 mm/day in 2080.
ㅇ The rainfall recurrence interval of the DPRK is expected to be shortened from 100 years in the 2020s to 38 years in the 2080s and it is expected that extreme rainfall will occur more frequently.

Ⅲ. Conceptualization of the WEF Nexus and Its Status in the DPRK
1. Reviewing the concept of the WEF Nexus and quantitative analysis methods proposed by International organization and other research projects
❏ To secure water (W), energy (E), and food (F) resources, it is necessary to consider the current situation in the DPRK where deforestation proceeds rapidly and the proportion of cropland is increasing.
❏ The interconnection (the trade-off and synergies) between resources might differ within the DPRK at the regional level. Therefore, the regional context should be integrated with the WEF nexus approach.
2. The investigation on the legal status and academic journals related to water, energy, agriculture, and climate change
❏ The DPRK’s legal system is similar to that of the basic environmental legal system of the Republic of Korea.
3. Analysis of 57 articles published in the DPRK
❏ There is relatively a large number of publications in hydrology and although studies of ecological health assessment of stream, environmental flow, water quality assessment, streamflow forecasting are being conducted, only approximate results are presented.
❏ In the energy-related field, research focusing on hydropower operation and predicting hydroelectric power generation has been conducted.
❏In the field of agriculture, research on the evaluation of agricultural potentials according to growth conditions and the agricultural water management system has been conducted.

Ⅳ. The Impacts of Reforestation and Climate Change on the WEF Nexus in the DPRK
1. Watershed mapping, watershed selection for pilot study, and watershed modeling
❏ The Chaeryong River and Ryesong River were chosen as the pilot study area.
ㅇ The SRTM data with a resolution of 90 m, the land cover classification data for the year 2000, and the forest soil profile map were used as input data for watershed modeling.
❏ The characteristics of the model were identified based on land use maps, soil type data, and slope data.
ㅇ The Chaeryong River is composed of 557 HRUs and 152 catchment areas. Different types of land cover are determined; 58% of farmland, 36% of forest area, and 1.7 % of the urban area. There are three dam facilities for water supply and hydropower production.
ㅇ The Ryesong River basin is composed of 2060 HRUs and 268 catchment areas. Different types of land cover are determined; 50% of farmland, 41% of forest area, 1.8% of the urban area. There are 13 dam facilities for water supply and hydropower production. However, there is a limitation in the analysis of hydrological behavior due to the construction of artificial channels.
2. Development of scenarios for reforestation and climate change impacts
❏ Analysis of the changes in inflow under reforestation and climate change scenarios
ㅇ Reforestation scenarios of the 1980s and climate change scenarios of the 2050s (2036-2065) were generated.
ㅇ Land changes resulting from reforestation are expected to increase by 16.3% of the forest area upstream of Lake Seoheung and by 8.5% and 2.1% for Lakes Eunpa and Jansu, respectively.
3. The impacts of reforestation and climate change on the hydrological cycle of the tested area
❏ Analysis of changes in the hydrological cycle under the reforestation scenario
ㅇ The total runoff will decrease while the actual evapotranspiration will increase from April to November. Of the total runoff, the amount of surface runoff decreases, while groundwater runoff and lateral runoff increase due to additional infiltrated soil moisture.
ㅇ The increase in forest area decreases the peak flow of rivers during the flood period under the identical rainfall conditions and increases the flow of rivers during the non-flood period due to the additional replenishment of soil water and groundwater.
❏ Analysis of changes in the hydrological cycle under the reforestation and climate change scenario
ㅇ Under the RCP 8.5 scenario, the flood risk increases significantly from July to September when the rate of surface runoff is the highest, while soil moisture and runoff increase during the overall period, leading to an increase in river flow in the non-flood season.
ㅇ With the reforestation scenario, surface runoff decreases, and lateral and groundwater flow increase further than when only climate change is considered.
ㅇ Forest restoration has the effect of reducing extreme floods and increasing low flow, which is expected to play a positive role in water management.
❏ Estimation of changes in the dam inflow rate and energy production according to a watershed model scenario
ㅇ The rate of annual average flow into each reservoir decreases by 3-5% under the reforestation-only scenario.
ㅇ When climate change is considered, the annual average flow into reservoirs increases by 37-56%, and if all the additional water resources are used for hydropower production, the annual hydropower production will increase by 5.5-11.1 GWh in Lake Seoheung and 5.7-12.33 GWh in Lake Eunpa.
ㅇ The results were calculated assuming annual power production without information on the DPRK’s power production. It is expected that more accurate calculation of power production will be possible with more detailed information of dam operation.

Ⅴ. Conclusion and Suggestions (Achievements)
1. Reviewing and improving the research methodology employed in the first year
2. Establishment of the WEF Nexus concept to investigate water management strategies with the WEF nexus approach
3. Evaluation of the impacts of climate change and reforestation on water management (hydrological cycle) in the DPRK
❏ The result of selecting the Chaeryeong River basin as the pilot site and establishing and evaluating the SWAT model revealed a positive effect in adapting and offsetting the effects of climate change.
❏ The evaluation result of the potential power production of Lake Seoheung and Lake Eunpa hydroelectric facilities revealed that the amount of power generated is expected to decrease due to the decrease in inflow during forest restoration but the amount of power generated increases if additional water resources are used for climate change.
4. Limitation
❏ The accessibility, credibility, and the shortage of research datasets are limitations of this study. Nevertheless, the significance of this study is that it estimated the impacts of climate change and reforestation on water management in the DPRK.
❏ There is a limitation in the verification of the watershed modeling due to the lack of ground data including observed flow and operation hours of reservoirs.
❏ Based on the analysis and collected data in this study, it is expected that evaluation of the vulnerability of climate change and the quantitative effects of reforestation in the DPRK is possible.
5. Plans for further research
❏ Promoting water-related environmental cooperation between the two Koreas by evaluating the current state of water management in the DPRK and the impact of reforestation and climate change
ㅇ The research data repository shall be established and the data of the current state of WEF-related law, medium- to long-term plans, and research publications will be catalogued to be used for future research.
❏ The WEF nexus approach by using the Water Evaluation And Planning (WEAP) tool
ㅇ Model construction for water budget analysis will be conducted.

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