Application of Remote Sensing Techniques to Survey and Estimate the Standing-Stock of Floating Debris in the Upper Daecheong Lake

원격탐사 기법 적용을 통한 대청호 상류 유입 부유쓰레기 조사 및 현존량 추정 연구

Abstract

Floating debris in large quantities from land during heavy rainfall has adverse social, economic, and environmental impacts, but the monitoring system for the concentration area and amount is insufficient. In this study, we proposed an efficient monitoring method for floating debris entering the river during heavy rainfall in Daecheong Lake, the largest water supply source in the central region, and applied remote sensing techniques to estimate the standing-stock of floating debris. To investigate the status of floating debris in the upper of Daecheong Lake, we used a tracking buoy equipped with a low-orbit satellite communication terminal to identify the movement route and behavior characteristics, and used a drone to estimate the potential concentration area and standing-stock of floating debris. The location tracking buoys moved rapidly during the period when the cumulative rainfall for 3 days increased by more than 200 to 300 mm. In the case of Hotan Bridge, which showed the longest distance, it moved about 72.8 km for one day, and the maximum moving speed at this time was 5.71 km/h. As a result of calculating the standing-stock of floating debris using a drone after heavy rainfall, it was found to be 658.8 to 9,165.4 tons, with the largest amount occurring in the Seokhori area. In this study, we were able to identify the main concentrations of floating debris by using location-tracking buoys and drones. It is believed that remote sensing-based monitoring methods, which are more mobile and quicker than traditional monitoring methods, can contribute to reducing the cost of collecting and processing large amounts of floating debris that flows in during heavy rain periods in the future.

집중호우 시 육상으로부터 다량으로 유입된 부유쓰레기는 사회, 경제적 및 환경적으로 악영향을 주고 있으나 집적 구역과 발생량에 대한 모니터링 체계는 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 중부권 최대 상수원인 대청호를 대상으로 집중호우 시기에 하천 내로 유입되는 부유쓰레기의 효율적인 모니터링 방안과 현존량을 추정하기 위해 원격탐사 기법 적용 방안을 제안하였다. 대청호 수역에서 발생하는 부유쓰레기의 실태 조사를 위해 저궤도 위성통신 단말기가 탑재된 위치 추적 부이를 활용하여 이동 경로와 거동 특성을 파악하였으며, 드론 영상을 활용하여 부유쓰레기의 잠재적 집적 구역과 현존량을 추정하고자 하였다. 위치 추적 부이는 3일간 누적강우량이 200-300 mm 이상 증가하는 시기에 빠르게 이동하였다. 가장 긴 이동거리를 나타낸 호탄교의 경우 하루동안 약 72.8 km를 이동하였고 이때 최대 이동속도는 5.71 km/h를 나타냈다. 집중호우 이후 드론 영상을 활용하여 부유쓰레기의 현존량을 산출한 결과, 658.8-9,165.4 ton을 나타냈으며, 석호리 수역에서 가장 많이 발생하였다. 본 연구에서는 위치 추적 부이와 드론 영상을 통해 부유쓰레기 주요 집적 우심 구간을 파악할 수 있었으며, 전통적인 모니터링 방안보다 기동성, 신속성이 우수한 원격탐사 기반 모니터링 방법은 향후 집중호우 시기에 다량으로 유입되는 부유쓰레기의 수거, 처리 부담 비용을 절감하는데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

1. 서론

최근 기록적인 집중호우와 잦은 태풍 등 기후변화로 육상으로부터 다량의 부유쓰레기가 일시적으로 하천으로 유입되어 수계의 수질오염 및 수생태계에 악영향을 미치고 있다(Lincoln et al., 2022; van Emmerik et al., 2022). 인력 중심의 수거방식으로 인해 장기간 집적되어 있는 육상(하천변)의 쓰레기를 포함하여 집중호우시기 다량으로 유입된 부유쓰레기를 수거·처리를 위하여 많은 비용이 소요되고 있으며, 이는 상·하류 지자체간의 비용분담에 대한 갈등을 유발하고 있다(Jang et al., 2014; Jang et al., 2015; Korea Maritime Institute, 2020). 하천으로 유입된 부유쓰레기는 ‘하천·하구 쓰레기 정화사업’, ‘상수원 및 하천변 쓰레기 수거사업’, ‘댐 쓰레기 수거사업’ 등으로 쓰레기 적체 및 선별을 통해 그 발생량을 추정하거나, 유입되는 양을 최소화하기 위해 주요 유입 경로에 차단막을 설치하여 사전 예방적 접근 방법을 수행하고 있다. 그러나 수백 km에 달하는 하천으로부터 부유쓰레기를 수거하는 것은 한계가 있으며, 많은 인력과 비용이 소요되므로 부유쓰레기 발생 실태를 정확하게 파악하여 관리하는 데 어려움이 있다(Korea Maritime Institute, 2020). 부유쓰레기의 효율적 수거 관리 대책을 수립하기 위해서는 광범위한 지역을 신속하고 효과적으로 모니터링하여 발생량을 파악하고, 부유쓰레기가 상습적으로 발생하는 주요 구간을 탐색하여 상시적인 수거 방안 마련이 필요하다.

최근 육상에서 유입되는 부유쓰레기 발생 및 분포 현황을 신속하고 효율적으로 파악하기 위해 원격탐사 기법을 적용한 연구가 활발하게 수행되고 있다. Jang et al. (2014)은 낙동강에 유입된 쓰레기의 거동 특성을 파악하기 위해 위성 추적 송신 장치가 부착된 소형 부이를 통해 이동 경로를 추적하고 수문기상 환경에 대한 분석을 통해 부이 이동과의 관련성을 파악하였으며, Jang et al. (2015)은 이동 경로 추적 시험을 통해 부유쓰레기의 주요 집적 구간을 제시하였다. 한편, 최근 접근이 어려운 지역을 대상으로 신속하게 자료취득이 용이한 드론영상을 활용하여 쓰레기를 탐지하고 현존량을 추정하는 연구가 수행되고 있다. Kim et al. (2017)은 무인항공기와 다중분광센서를 이용하여 하천부유쓰레기 탐지 알고리즘을 개발하고 이를 활용하여 초목류와 스티로품 육상기인 부유쓰레기의 현존량을 파악하였다. Song et al. (2021)은 드론과 딥러닝 기법을 활용하여 해안쓰레기의 현존량을 산정하고 전통적인 모니터링 방법과 비교·분석을 통해 효율적인 모니터링 방안을 제시하였다. Kim et al. (2022)은 Setinal-2 위성과 고정익 드론에 탑재된 다중분광 영상을 딥러닝에 접목하여 해안쓰레기 모니터링 가능성을 파악하였고 이를 활용하여 초목류와 플라스틱의 분포 면적을 파악하였다. 즉, 기존의 목시 조사에 기반한 부유쓰레기 모니터링 체계는 인력·시간·비용 등의 제약으로 한계를 보였던 반면, 원격탐사기법을 적용한 모니터링 방식은 광범위한 지역의 부유쓰레기 현황과 현존량을 신속하고 효율적으로 파악할 수 있다.

대청호는 대전, 청주 등 충청권 지역에 생활 및 공업 용수 등을 공급하는 중요한 상수원으로, 국가적 특별대책지역으로 지정될 만큼 중요한 수역이다. 그러나 장마·태풍에 의한 집중호우가 발생할 때마다 부유쓰레기 의 문제가 매년 지속적으로 나타나고 있으며, 대청호에 유입된 부유쓰레기 중 일부는 수중에 침적되어 상수원 수질을 오염시킬 뿐만 아니라 상류로 유입되어 지자체 간 갈등을 유발하고 있다. 대청호로 유입되는 부유쓰레기의 주요 발생원으로는 금강 본류로 유입되는 직유입 하천과 하천 주변에서 이루어지는 불법 투기·방치에 의한 것으로 추정되고 있으나, 부유쓰레기의 발생 실태에 대한 구체적인 연구 사례는 전무한 실정이다. 대청호 유입 부유쓰레기의 효율적 관리를 위해서는 유입 및 거동 특성, 주요 집적 구간 파악 등 구체적인 발생 특성을 파악하고 이에 따른 사전 수거·처리량 증대 및 관리 방안 마련이 요구된다. 따라서, 본 연구에서는 원격탐사 기법에 기반한 모니터링 적용을 통해 대청호 상류에 유입되는 부유쓰레기의 실태 조사와 현존량을 파악하고 이에 대한 적용 방안을 제시하고자 한다.

2. 연구자료 및 방법

2.1. 연구지역

금강 유역 면적 중 4,234 km²로 가장 넓은 면적을 차지하는 대청호 권역(Fig. 1)은 1980년 대청댐이 완공되면서 국가적 특별대책지역으로 지정될 만큼 중요성이 높으나 매년 수질오염이 반복해서 발생하고 있다(Choi et al., 2020). 특히, 대청호 유역은 장마·태풍과 같은 집중호우 시기에 부유쓰레기로 인한 문제가 매년 발생하고 있다. 집중호우 시기 이후 대청호에서 수거된 부유물의 성상은 초목류가 80% 이상, 스티로폼 등 생활쓰레기가 약 20%로 추정되고 있다.

Fig. 1. The location of the study area. (a) Monitoring area to survey of land-based floating debris in Daecheong Lake. (b) Dropping points of the location tracking buoy. (c) Observation routes of drone surveys.

2.2. 부유쓰레기 이동 경로 추적 시험

하천 부유쓰레기는 수 일 또는 수 주 동안 표층에 부유하거나 수면에 일부 잠긴 상태로 이동한다. 대청호 수변 부유쓰레기가 매년 발생하여 문제가 되고 있지만 구체적인 유입 경로에 대해 파악한 연구는 없었다. 따라서 대청호 직유입하천 수역을 대상으로 하천 부유쓰레기의 구체적이고 정확한 유입 특성을 파악하기 위하여 본 연구에서는 실시간 위치 추적 부이를 활용하여 이동 경로 추적 시험을 수행하였다(Fig. 1b). 표층에 부유하여 이동하는 플라스틱류 등 생활쓰레기와 수면에 잠긴 상태로 대규모 이동하는 초목류의 이동을 묘사하기 위하여 하천 주변에 산재된 쓰레기를 수거하여 가로 1m × 세로 1m의 포집망을 제작하였다(Fig. 2). 포집망 상단에 저궤도 위성 통신 서비스와 발신기를 탑재한 위치 추적 부이를 연결하여 웹사이트를 통해 인터넷 사용이 가능한 모든 원격지에서 1시간 간격(1일 24회)으로 위치 정보를 수신 가능하도록 설정하였다. 투하 시기는 장마·태풍의 영향으로 부유쓰레기의 유입 및 이동이 집중될 것으로 추정되는 홍수기에 연속 모니터링을 수행하였다. 부이 이동에 영향을 미치는 외부요인을 평가하기 위해 기상자료개방포털(https://data.kma.go.kr/)에서 대전 기상대 정점의 강우량 자료, 국가수자원관리종합정보시스템(https://www.wamis.go.kr)에서 직유입하천 정점별 수위, 유량 자료를 취득하여 수문·기상 환경에 따른 부이의 이동 및 정체 시간과 집적 구역을 파악하였다.

Fig. 2. The shape of real-time location tracking buoys for land-based debris drifting trial.

2.3. 드론 영상을 이용한 부유쓰레기 우심 구간 및 현존량 추정

집중호우시 다량으로 발생하는 부유쓰레기는 효율적인 수거·처리를 위해 성상별 인공물 쓰레기의 탐지 및 정량화보다 대규모 초목류를 포함한 쓰레기의 현존량을 산정하여 정량화하는 것이 더욱 중요하다. 따라서 본 연구에서는 부유쓰레기 발생 실태를 파악하고 현존량을 파악하기 위해 대청호 상류 내 상습 정체 및 집적 우심구간과 주요 직유입하천 합류부를 대상으로 2023년 6월 15일과 7월 19~20일 총 2회 드론을 이용한 항공 예찰을 수행하였다(Fig. 1c). 항공 예찰을 통해 잠재적으로 하천에 유입될 수 있는 부유쓰레기 우심 구역(hotspot)을 탐색하였다. 부유쓰레기 실태조사에 활용한 장비는 DJI 사의 Phantom 4 한 대를 사용하였다. 드론 영상 전처리를 위해 상용 소프웨어인 Pix4D mapper pro를 이용하여 정사영상을 제작하였다. 부유쓰레기 면적은 정사영상 이미지 내 부유쓰레기를 폴리곤(polygon)으로 생성하고 Pix4D의 volume 기능을 이용하여 산출하였다. 부유쓰레기의 체적량은 수면 하 집적 깊이 최소 0.15 m, 최대 0.3 m를 적용하여 계산하였으며, 한국수자원공사댐 부유물 평균 비중 0.3 ton/m³를 적용하여 부유쓰레기 현존량을 산정하였다.

3. 연구결과 및 고찰

3.1 부유쓰레기 이동 경로 추적 시험

실시간 위치 추적 부이는 홍수기(2023년 06월 16일~2023년 07월 31일)에 대청호 수역내 직유입하천 인근 13개 교량 입구에서 총 13개의 부이를 투하하였으며, 총 13개의 부이 중 이동거리가 가장 긴 4개 부이들의 이동 경로를 Fig. 3에 나타냈다. 13개의 부이 중 호탄교에서 투하한 부이가 84.46 km로 가장 긴 이동거리를 나타냈으며, 양강교(80.78 km), 이원대교(56.22 km), 원당교(38.23 km) 순으로 나타났다(Fig. 3). 7월 14일부터 16일까지 누적강우량이 300 mm 이상 증가하면서 유량 또한 최대 871 m³/s를 나타냈고, 가장 긴 이동거리를 나타낸 호탄교의 경우 2023년 7월 14일 하루동안 약 72.8 km를 이동하였다. 이때, 부이의 최대 이동속도는 5.71 km/h를 나타냈다(Figs. 4 and 5). ChungNam Institute (2020)는 대전 기상대에서 일일 강우량이 100 mm 이상인 경우 부유쓰레기 유입이 급증하는 것으로 보고하였다. 본 연구에서도 2~3일 짧은 기간동안 누적강우량이 200–300 mm 이상 급격하게 증가할 시 특히 충북 옥천군과 영동군에서 투하한 부이들이 빠르게 석호리 수역까지 유입된 것을 확인할 수 있었다. 즉, 일일 강우량이 급격하게 증가할 시 유량이 많아져 하천변에 정체되어 있거나 육상으로부터 유입된 부유쓰레기들이 대청호 수역 상류까지 빠른 속도로 이동할 수 있을 것으로 판단된다. 한편 대청호 하류에 위치한 금산군, 무주군 및 진안군에서 투하한 부이들도 긴 이동거리를 나타냈으나(최대 이동거리 37.41 km), 대청호 상류 수역까지는 이동하지 못했다.

Fig. 3. Result of tracking the moving path of the buoys at Daecheong Lake.

Fig. 4. Results of tracing the moving path of the buoys at the Daecheong Lake. (a) Hotan bridge (St.7), (b) Yanggang bridge (St. 6), (c) Iwondae bridge (St. 5), and (d) Wondang bridge (St. 3).

Fig. 5. Timeseries of meteorological data (precipitation and Accumulation precipitation), flow, water level and moving distance of buoys deployed at Hotan bridge.

3.2. 잠재적 부유쓰레기 주요 집적구간 탐색

드론 영상을 활용하여 대청호 유역에 상습적으로 발생하는 지역(hotspot)을 파악하고자 항공 예찰을 수행하여 취득된 좌표를 지오코딩(geocoding)을 통해 지도 위에 표기하였다(Fig. 6). 또한 13개의 부이가 최종적으로 신호를 소실한 정점의 위치도 함께 표기하였다. 주요 집적구역은 부이가 느린 유속에 의해 짧은 거리를 이동한 후 하천변에 정체한 정점들과 유사하게 나타났다. 특히, 13개의 부이 중 3개의 부이는 최종적으로 석호리 수역에 표착하였다. 대부분 대청호 상류 지역을 중심으로 다량의 초목류가 하천변에 집적되어 있었으며 스티로폼과 같은 생활쓰레기도 초목류에 뒤엉켜 분포하고 있었다. 또한 평상시 수거되지 못한 다량의 초목과 생활쓰레기가 동일 정점에서 장기간 존치되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 강수량이 적은 갈수기 또는 평수기에 하천변에 수거되지 않은 초목류 쓰레기들은 강수량 증가로 유량이 많아져 하천으로 유입이 증가되고, 주변 골짜기에 집적되어 있는 쓰레기들도 유입됨으로써 대청호 상류에 발생하는 쓰레기가 급증하여 광범위한 피해를 미칠 것으로 판단된다.

Fig. 6. Points of buoy located on land and aerial surveillance of the frequent accumulation areas of floating debris in the upper reaches of Daecheong Lake and examples of potential floating debris (vegetation type).

한편, 대청호 상류에 위치한 회인천과 용담호 저수구역인 죽도교에서도 넓은 영역에 걸쳐 부유쓰레기가 분포하였다. 회인천과 죽도교의 부이의 이동 경로를 파악한 결과, 많은 강우에도 불구하고 이동거리가 5 km 이하로 투하 지점으로부터 멀리 이동하지 못하였다. 이는 두 수역의 지형적인 특성으로 인한 느린 유속의 영향으로 하천을 통해 유입된 부유쓰레기들이 멀리 이동하지 못하고 입구 인근에서 부유된 상태로 집적될 것으로 판단된다.

3.3. 드론 영상을 이용한 부유쓰레기 우심 구간 및 현존량 추정 결과

강우가 집중적으로 발생하는 시기 이후 부유쓰레기의 효율적 수거 및 처리를 위해 대규모 초목류를 포함한 쓰레기의 면적과 체적, 무게의 정량화가 요구된다. 본 연구에서는 드론 영상을 활용하여 부유쓰레기 면적과 체적을 계산하였으며, 이를 통해 현존량을 산출하였다. 산출시기는 기록적인 강우를 나타냈던 2023년 7월 장마시기를 대상으로 수행하였다. 조사 위치는 이동 경로 위치 추적 시험을 결과와 드론을 활용한 항공 예찰을 통해 부유쓰레기가 다량으로 집적되어 있는 구역을 대상으로 수행하였다. 그 결과, 대량의 초목류와 생활쓰레기가 혼재된 상태로 실제 집적되어 있음을 확인할 수 있었다. 2023년 7월 집중호우 이후 7월 19일에 촬영한 결과, 석호리 수역에 부유쓰레기가 가장 많이 밀집되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 드론 영상을 활용하여 그 면적을 계산한 결과, 101,837.5 m²로 산정되었으며 부피는 최소 15,275.6 m³, 최대 30,551.2 m³로 나타났다. 부유물 평균 비중 0.3 ton/m³을 적용하면 석호리 수역에서 집적된 부유쓰레기의 현존량은 4,582.7–9,165.4 ton으로 추정되었다(Table 1). 추소리 수역은 658.8–1,317.6 ton의 현존량을 나타냈다. 두 수역의 특징은 수역 중간에 부유쓰레기가 대청호 상류 지역으로 유입되는 것을 막기 위한 차단막이 곳곳에 설치되어 있다. 대청호 중·하류 지역으로부터 유입된 부유쓰레기들이 집중호우 기간에 빠르게 이동한 이후 강우량이 감소하면서 유량이 감소하여 수위가 낮아지면서 이 차단막에 밀집된 것으로 판단된다. 한편 많은 강우에도 불구하고 지형적인 특성으로 부유쓰레기가 다량으로 밀집되어 있던 회인천 부근은 2,049.8–4,099.7 ton, 용담호 저수구역에 위치한 죽도교의 경우 3,780.9–7,561.8 ton으로 추정되었다.

Fig. 7. Results of RGB floating debris in (a) Chuso-ri, (b) Seokho-ri, (c) Jugdo-gyo, and (d) Hoein Strem in monitoring area (photographed on July 19, 2023).

Table 1. Result of area, volume, and amount at monitoring area

기존의 부유쓰레기 현존량 추정은 집중호우 시기 이후 선박 또는 인력을 통해 쓰레기를 수거하고 이를 집하장으로 운반하여 산정하는 방식으로 운영되고 있다. 그러나 지자체별로 수처리 비용이 달라 수거사업 예산을 지속적이고 안정적으로 확보하기 어렵다는 문제가 있어 정량적인 부유쓰레기 실태 조사가 어려운 상황이다. 육상기인 쓰레기를 사전에 예방하기 위해 차단막을 설치하고 있으나 강우량 증가로 인한 많은 유량과 빠른 유속으로 인해 그 기능을 상실한다는 결과가 있었다(Korea Maritime Institute, 2020). 차단막을 통해 부유쓰레기 유입을 저감하는 것도 중요하지만 하천변에 방치된 쓰레기를 사전에 수거하여 집중호우시 하천으로 대량 유입을 최소화하는 것이 더 중요할 것으로 판단된다. 따라서 원격탐사 기법 중 하나인 드론 영상을 활용하면 빠른 시간내 대청호 수역 내 밀집되어 있는 부유쓰레기의 주요 집적 구간을 탐색하고 우선적으로 부유쓰레기를 수거할 구역을 파악하여 발생한 쓰레기에 대한 신속하고 체계적인 대응시스템 구축할 수 있을 것으로 판단된다.

4. 결론

본 연구는 집중호우 시기 대청호 수역으로 유입되는 부유쓰레기의 실태 조사와 현존량을 추정하기 위해서 원격탐사 모니터링 방법 중 위성 수신기가 부착된 위치 추적 부이를 통해 이동 경로 추적 시험과 드론 조사를 수행하였다. 홍수기에는 호탄교에서 투하한 부이가 일일 최대 72.8 km를 이동하였으며, 대청호 상류에서 투하한 부이들은 하천변에 표착되지 않으면 대부분 석호리 수역에 유입되는 결과를 보여주었다. 드론 영상을 이용하여 부유쓰레기 주요 집적구간과 그 구역을 대상으로 현존량을 파악하였다. 대부분 부이가 표착된 구간에 초목류를 포함한 다량의 쓰레기가 집적되어 있었으며, 특히 석호리 수역에 많은 양의 부유쓰레기가 집적되어 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 평상시 육상(하천변)에 방치된 초목류는 누적 강우량이 200–300 mm 이상 급격하게 증가할 시 유량이 많아지면서 유속이 빨라져 빠른 시일내 대청호 상류지역에 유입될 수 있음을 보여준다. 또한 집중호우에도 불구하고 짧은 이동거리를 나타낸 대청호 상류의 회인천과 용담호 저수구역인 죽도교의 경우도 부유쓰레기들이 빠져나가지 못한 채 대부분 하천 입구 주변에서 다량으로 밀집된 상태로 부유하고 있음을 확인할 수 있었다.

본 연구는 원격탐사 기법을 적용하여 대청호 상류 수역에 유입되는 부유쓰레기의 구체적인 이동 경로, 집적 위치 등을 파악했다는 측면에서 의미가 있다. 또한 대청호 수역으로 유입된 부유쓰레기의 효율적 관리 방안과 우선순위를 선정하여 수거 지원 대책을 마련하기 위한 과학적 근거 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 부유쓰레기의 이동량을 보다 정량적으로 산출하기 위해 홍수기를 제외한 갈수기, 평수기의 자료를 추가하여 강우량과 유량 분석 연구가 필요한 것으로 판단된다. 향후 드론 영상과 AI 객체탐지 기법 적용을 적용하고, 이를 통해 세부 성상별 구성 비율과 토지피복 현황 자료를 이용하여 유역의 토지 이용 현황에 따른 부유쓰레기 성상 비교가 필요할 것으로 판단된다.