지속가능한 남북 광물자원 교류 협력을 위한 GIS 기반의 교통 연결성 분석

Abstract

2021년 석유, 천연가스, 석탄 등을 포함한 원자재 가격이 상승하면서 전 세계적인 에너지 대란이 발생했다. 원자재 대부분을 수입에 의존하고 있는 대한민국은 안정적인 자원 확보가 중요한 상황이다. 지리적으로 가까운 북한 지역은 상대적으로 풍부한 자원들이 부존해 있다. 따라서 북한과의 자원교류 협력을 통해 안정적인 자원 확보와 더불어 북한의 경제 및 산업 발전을 도모할 수 있을 것으로 기대된다. 북한의 경우 노후화된 인프라와 낮은 전력 공급률 등으로 인해 광산 개발 및 운영이 어려운 상황이며, 침수 피해로 인한 광산 시설 피해와 가동 중단 사례가 발생하고 있다. 지속가능한 개발을 위해서는 자연재해에 대비한 안정적인 전력 공급 대책과 효율적인 광물 운송 전략이 필요하다. 본 연구에서는 GIS를 이용해 침수 취약성을 정량적으로 평가하고 북한의 광산과 항만 간의 교통 연결성을 분석하였다. 침수 취약성 분석에 앞서, 광산에서 가장 최소의 비용으로 접근할 수 있는 최적의 항만을 찾아 북한의 주요 항만 8곳의 항만을 중심으로 교통 연결성에 따라 권역을 분류하였다. 고도, 경사, 곡률, 수계로부터의 거리 변수를 통해 침수에 대한 지형적 취약지수를, 강수량과 태풍위험지수 변수로 기상적 취약지수를 산정하였다. 두 취약지수를 중첩해 최종적인 침수취약지수를 산출한 후, 분위수 기법으로 1~5 등급으로 분류하였다. 대부분의 권역에서 지형적 취약지수는 불균일한 도수분포를 보여주었지만, 기상 요소를 더한 결과 침수 위험 등급이 가장 높은 격자 셀의 비율이 증가하여 등급별 도수분포의 표준편차가 최소 10~80%가 감소하였다. 2020년에 발생한 태풍 전후의 합성개구레이더 영상을 통해 수해 지역을 추정하여 침수 취약성 분석 결과와의 상관관계를 파악하였다. 침수 취약성이 가장 높은 5등급의 침수 셀 비율을 해당 등급의 전체 셀 비율로 나눈 값이 1 이상으로 나타났으며, 추정된 수해 지역과 침수 취약성 결과의 상관관계가 있는 것으로 분석되었다. 다익스트라 알고리즘을 기반으로 최단 경로를 계산하는 ArcGIS의 closest facility 기능을 이용해 주요 광산과 항만 간의 최적 경로 분석을 수행한 후 침수 취약성 결과를 반영하였다. 각 권역의 대표 광산 다섯 곳을 선정하여 운반경로를 분석한 결과, 상농광산기업연합소에서 단천항까지의 경로 중 침수 취약성이 5등급에 해당하는 경로가 약 80% 이상으로 해당 경로에 대해 우선적인 침수 피해 예방 대책을 마련할 필요가 있다. 북한 지역의 안정적인 에너지 공급을 위해서는 이미 설치된 댐과 저수지를 양수 발전소로 전환하는 것이 효율적인 대안이 될 수 있다. 따라서 연구 지역의 양수발전 잠재량을 평가하기 위해 공간 분석기법을 통해 양수발전 적합 지역을 선정하여 에너지 발전 잠재량을 추정하였다. 가장 많은 에너지 저장용량을 가지는 적합 지역은 23.613 GWh의 잠재량을 가진 것으로 분석되었다. 본 연구 결과는 추후 남북 자원교류 협력 시 광산 개발의 우선순위를 선정하고 광물 운반 및 에너지 공급 계획 수립을 위한 참고자료로 활용될 수 있으며, 광산과 항만 간 인프라 및 경로에 대한 침수 방지대책을 마련하기 위한 기초 자료가 될 수 있을 것이다.

The worldwide energy crisis in 2021 was caused by rising prices for energy resources such as oil, natural gas, and coal. South Korea, which imports most raw materials, is in a critical position to secure stable energy resources, while North Korea, which is geographically close, has relatively abundant resources. It is expected to secure stable resources for economic and industrial growth in Korea through inter-Korean resource exchange and cooperation. However, in the case of North Korea, it is difficult to develop and operate mines due to decrepit infrastructure and poor power supply rates, and there have been cases of mining facility damage and shut down due to flooding. Stable power supply measures and efficient mineral transportation strategies are required for long-term development. In this study, after computing the typhoon risk index in North Korea by using typhoon history and weather data from the Korea Meteorological Administration with GIS, the vulnerability to flooding was analyzed by overlaying topographic data. Prior to analyzing flood vulnerability, the region was classified based on the transportation connection, focusing on the eight major ports in North Korea, and the optimal port that could be accessed from the mine at the lowest cost was found. The Topographical Susceptibility Index(TSI) was calculated using the variables of altitude, slope, curvature, and distance from the water. The Meteorological Susceptibility Index(MSI) was calculated by adding precipitation and typhoon risk index to the TSI, and the grade was derived using the quantile method. In most regions, the frequency distribution of TSI was found to be uneven. However, when the meteorological parameters were added, the proportion of grid cells with the highest risk of flooding increased, reducing the standard deviation of the frequency distribution for each class by at least 10 to 80%. The correlation with the FSI was identified after estimating the flood damage area using Synthetic Aperture Radar(SAR) images before and after the 2020 typhoon. The value obtained by dividing the ratio of flooded gird cells in the fifth grade with the highest flood vulnerability by the ratio of the total grid cells in that class was greater than 1, and it was analyzed that there was a correlation between the predicted flood damage area and the FSI. After the optimal route analysis connecting major mines and ports using the Closest-facility function in ArcGIS, which calculates the shortest route based on the Djikstra algorithm, the susceptibility to flooding was reflected. As a result, more than 80% of the routes from Sangnong Mine to Dancheon Port were vulnerable to flooding. Therefore, it is necessary to prepare measures to prevent flooding along the route. Conversion of existing dams and reservoirs into Pumped Hydro Energy Storage System(PHES) could be an efficient alternative for North Koreas sustainable energy supply. The potential for energy generation was evaluated by selecting an area suitable for PHES. Consequently, the suitable area with the greatest capacity for energy storage was expected to have a potential of 23.613 GWh. The results of this study can serve as reference data for setting priorities for mine development and establishing mineral transport and energy supply plans for inter-Korean resource exchange cooperation in the future. In addition, it can be used to prepare flood prevention measures for infrastructure and transportation routes between mines and ports.