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한반도의 서부 저지대에 해당하는 지역으로서, 크게 대동강 유역의 중·서부 평양지대와 북·동부 산악지대로 이루어져 있다.
전반적인 지세는 동부는 높고 서쪽으로 가면서 점차 낮아진다. 평균높이는 약 300m이며, 해발 200m 이하의 구릉과 평야지대가 도면적의 약 50%를 차지하고, 200~500m의 저산지대는 27%, 500~1,000m의 중산지대는 20%, 1,000m 이상의 고산지대는 3%를 차지한다. 동부와 북동부는 낭림산맥과 북대봉산맥이 남북방향으로 뻗어내려 함경남도와 경계를 이루고 있으며, 이 경계를 따라 동백산(2,094m)·백산(1,834m)·사수산(1,748m)·평풍산(1,548m)·민봉산(1,134m)·북대봉(1,326m) 등의 높은 산들이 솟아 있고 검산령(1,130m)·거차령(577m)·아호비령(648m) 등의 고개가 있다.
북부는 묘향산맥이 낭림산맥에서 갈라져 남서방향으로 뻗으면서 자강도와 평안북도와의 경계를 이룬다. 이를 따라서 낭림산(2,186m)·웅어수산(2,020m)·소백산(2,015m)·묘향산(1,909m)·용문산(1,180m)이 솟아 있고, 다섯령(776m)·두일령(471m) 등의 고개가 있다. 중앙부를 향해 북대봉산맥으로부터 갈라진 장안산맥·천성산맥이 동서방향으로 뻗어 있으며, 여기에 장안산(1,250m)·후선유봉(1,104m)·재동산(1,017m) 등의 산들이 중첩하여 중동부 산악지대를 이루었다. 남부는 동서방향으로 뻗은 강동산맥의 영향으로 천을봉(1,209m)·하람산(1,485m)·시루봉(1,181m)·서백년산(1,219m) 등이 솟아 남쪽 경계를 이룬다.
서부는 저산성 산맥인 오석산맥이 남북방향으로 뻗어 있고 오석산(566m)이 솟아 있다.
하천은 대동강이 도의 북동부 대흥군 낭림리 북부 2,118m 지점 서쪽 계곡에서 발원하여 동부 산악지대를 흐르는 비류강과 남강 등 60여 개의 지류와 합류함으로써 도내 전체의 하계망을 형성하고 평양특별시 및 남포직할시를 거쳐 서해에 유입한다.
청천강은 평안북도와의 경계를 따라 흐르며 개천시·안주시·문덕군을 지나 서해에 유입한다. 대동강과 청천강을 수원으로 하는 면적 14.87㎢의 연풍호를 비롯해서 독좌·평원·좌영 등의 관개용 저수지가 건설되어 있다. 서부지역인 안주·문덕·숙천·평원 일대는 안주박천평야의 일부를 이루는 열두삼천리평야가 서해안까지 뻗어 있으며, 남서부 대동강 하구에는 온천평야가 펼쳐져 있다. 산악지대인 대동강 상류 유역에는 영원분지·덕천분지·양덕분지 등의 산간분지가 형성되어 있으며, 중류에는 북창분지·성천분지·순천분지 등의 침식분지가 발달해 있다.
이들 분지는 대동강 등의 하천 침식작용과 기반암인 석회암의 용식작용 등으로 이루어졌다. 해안은 광량만과 서조선만 등이 형성되어 있으나 해안선이 단조로워 거의 직선에 가깝고 수심이 얕으며, 조수간만의 차는 약 5.3m이다. 근해에는 남조압도·화도·압도·일출도 등의 작은 섬들이 산재해 있다.
한반도의 지체구조상 평남분지에 속하는 지역이다.
지질은 시생대·원생대·고생대·중생대·신생대 지층이 다양하게 분포하나, 대부분이 고생대 조선계의 대석회암층이다. 이곳에는 금·납·아연·니켈·철 등의 금속광물을 비롯해 석회석·무연탄·갈탄·인회석 등의 비금속광물이 풍부하게 매장되어 있다. 주요암석은 화강암·결정편암·석회암·고회암·혈암·사암 등이다. 토양은 갈색삼림토가 가장 넓게 분포하는데 중부지대와 서부 해안지대에 주로 분포하며, 동부 산악지대는 포드졸성 갈색삼림토, 대동강과 청천강을 비롯한 하천 유역에는 충적토, 서부 해안지대에는 염류토가 분포한다.
기후는 남북간보다 동서간의 기후차가 크며, 겨울과 여름이 길고 봄과 가을이 짧다.
연평균기온은 5~10℃로서 해안지대인 온천군이 9.8℃로 가장 높고 북동부 산악지대의 대흥군이 5.1℃로 가장 낮다. 1월평균기온은 -13~-6℃로서 서부 해안지대는 -8~-6℃이며, 동부의 고산지대에서는 -13℃에 이른다. 7월평균기온은 20~24℃이나 일교차가 심하며, 개천시가 24.8℃로서 가장 덥다. 연평균강수량은 820~1,500㎜로 해안에서 내륙으로 갈수록 비가 많다. 온천군과 증산군은 822~936㎜로서 가장 비가 적다. 이를 이용해 광량만에서는 천일제염이 발달했다.
동부 산악지대인 영원군·덕천시·맹산군은 1,100~1,480㎜로서 가장 많다. 바람은 지형이 복잡하여 지역에 따라 풍향과 풍속이 다르나, 겨울에는 북동 및 북서풍이 서해의 습기와 만나 눈이 많이 내리고 여름철에는 남동풍이 주로 분다. 풍속은 0.7~4m/s로, 해안지대에서 강하게 분다. 첫서리는 9월 22일(대흥군)에서 10월 15일(증산군)경이며, 마감서리는 해안지대에서 4월 중순에 내리고 대흥군에서는 5월 20일경이다.
산림은 도면적의 약 60%이며, 주요수종은 소나무·참나무·사스래나무·자귀나무·분비나무·잎갈나무 등이다.
그밖에 잣나무·가래나무·개암나무와 같은 유실수와 오미자·삼지구엽초 등의 약초들이 있다. 노루·멧돼지·산양·산토끼·너구리 등 30여 종의 포유동물이 서식하고 있으며, 맹산군의 만주흑송림(북한 천연기념물 제4호), 순천시의 자모산 동물보호구(북한 천연기념물 제3호), 환송리 청서(북한 천연기념물 제2호), 덕천시의 금성리 검은 황새(북한 천연기념물 제8호) 등의 동식물이 이 천연기념물로 지정되어 있다.
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