산림의 수자원 공급 생태계서비스 평가를 위한 InVEST Water Yield 모형의 적용 Application of InVEST Water Yield Model for Assessing Forest Water Provisioning Ecosystem Service원문보기
본 연구에서는 Natural Capital Project에서 개발 된 InVEST Water Yield 모형을 통해 국내 산림의 수자원 공급 서비스를 평가하고 적용성을 검토 해 보았다. InVEST Water Yield 모형은 총 8가지의 필수 입력자료를 요구하며, 그 중 6가지는 공간자료로, 2가지는 계수로 설정되었다. 국내에서 쉽게 활용 및 보정 가능한 자료를 이용한 모형 구동 결과, 우리나라 산림생태계의 수자원 공급서비스 총량인 수원함량은 2011년을 기준으로 9,409,622,083톤으로 나타났다. 이 결과는 해당년도 강우량의 분포와 비슷한 경향을 보였으며, 대상지에서 공간분석을 통해 이뤄진 기존 연구 및 통계적으로 분석된 전국 규모의 연구 결과와 비교 시 차이를 보였다. 이러한 차이는 모형의 기작 특성에 따른 통계적 방식과 공간적 구현 방식에서의 차이로 인해 발생하는 것으로 파악되었다. 따라서 InVEST 모형의 활용은 현 시점에도 개발이 지속되고 있는 상황임을 감안해야 하며, 정량적인 평가보다는 정성적인 평가에 중점을 두어야 할 것이다. 또한 향후 모형의 고도화를 위해서는 우리나라에 맞는 입력자료의 작성 및 멀티모델링을 통한 비교를 통해 정확성을 향상시켜야 한다.
본 연구에서는 Natural Capital Project에서 개발 된 InVEST Water Yield 모형을 통해 국내 산림의 수자원 공급 서비스를 평가하고 적용성을 검토 해 보았다. InVEST Water Yield 모형은 총 8가지의 필수 입력자료를 요구하며, 그 중 6가지는 공간자료로, 2가지는 계수로 설정되었다. 국내에서 쉽게 활용 및 보정 가능한 자료를 이용한 모형 구동 결과, 우리나라 산림생태계의 수자원 공급서비스 총량인 수원함량은 2011년을 기준으로 9,409,622,083톤으로 나타났다. 이 결과는 해당년도 강우량의 분포와 비슷한 경향을 보였으며, 대상지에서 공간분석을 통해 이뤄진 기존 연구 및 통계적으로 분석된 전국 규모의 연구 결과와 비교 시 차이를 보였다. 이러한 차이는 모형의 기작 특성에 따른 통계적 방식과 공간적 구현 방식에서의 차이로 인해 발생하는 것으로 파악되었다. 따라서 InVEST 모형의 활용은 현 시점에도 개발이 지속되고 있는 상황임을 감안해야 하며, 정량적인 평가보다는 정성적인 평가에 중점을 두어야 할 것이다. 또한 향후 모형의 고도화를 위해서는 우리나라에 맞는 입력자료의 작성 및 멀티모델링을 통한 비교를 통해 정확성을 향상시켜야 한다.
InVEST Water Yield model developed by Natural Capital Project was applied for South Korea to assess domestic forest ecosystem's water provisioning services. The InVEST Water Yield model required 8 input dataset, including six spatial map data and two derived by coefficients. By running the model wit...
InVEST Water Yield model developed by Natural Capital Project was applied for South Korea to assess domestic forest ecosystem's water provisioning services. The InVEST Water Yield model required 8 input dataset, including six spatial map data and two derived by coefficients. By running the model with relatively easy acquired and modified data, the result of domestic forest ecosystem's water provisioning services was 9,409,622,083 ton using the standard of the year 2011. The result showed similar patterns and distribution of rainfall in 2011, but showed difference when compared with existing researches spatially driven in nationwide statistical analysis results. This difference is assumed to occur with different model mechanism in spatial implementation and statistical analysis. So given that the model is currently still developing, applications should be taken on qualitative perspectives rather than on quantitative perspectives. Additionally, for advancing the application of InVEST water yield model, quantification of suitable input data and comparison using multi-modeling is required.
InVEST Water Yield model developed by Natural Capital Project was applied for South Korea to assess domestic forest ecosystem's water provisioning services. The InVEST Water Yield model required 8 input dataset, including six spatial map data and two derived by coefficients. By running the model with relatively easy acquired and modified data, the result of domestic forest ecosystem's water provisioning services was 9,409,622,083 ton using the standard of the year 2011. The result showed similar patterns and distribution of rainfall in 2011, but showed difference when compared with existing researches spatially driven in nationwide statistical analysis results. This difference is assumed to occur with different model mechanism in spatial implementation and statistical analysis. So given that the model is currently still developing, applications should be taken on qualitative perspectives rather than on quantitative perspectives. Additionally, for advancing the application of InVEST water yield model, quantification of suitable input data and comparison using multi-modeling is required.
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문제 정의
, 2014), 중첩분석을 통해 서남해안연안의 생태 분석과 경제적 상관관계를 파악(Chung, 2012)하는데 적용되 었던 InVEST 모형을 국내에 적용하였다. 이를 통해 산림수자원 공급서비스 평가를 위한 해외 모형 적용 결과와 기존 국내 연구 결과의 차이 를 확인하고, 그 원인을 파악하고자 한다. 또한 모형 적용 과정에 있어서의 유의점을 바탕으로 계량화와 지도화를 통한 활용 방안을 제언하고자 한다.
제안 방법
, 2003). Land Use는 환경부 중분류토지피복도를 바탕으로 하여 마찬가지로 생태계서비스 유형 분류를 적용하였다. 해당 분류 시에는 임상도를 참조하여 임상 및 임령에 대한 속성자료를 확인하였다.
국내에서 가용한 입력자료 현황을 우선적으로 파악하였는데, InVEST Water Yield에서 요구 하는 자료의 내용과 직접적으로 일치하는 경우 해당 자료를 이용하였으며, 해당 자료가 존재하지 않은 경우에는 대체 자료를 이용하여 공간 자료화 하였다. 공간적으로 단절된 자료들은 보간법을 이용하였고, 기존 구축된 주제도에 자료를 입력 할 수 있는 경우에는 통계자료를 입력하여 공간자료 구축되으며, 이러한 과정은 상용 프로그램인 Arcmap 10.2.1과 QGIS 2.6.1를 통해 수행되었다.
본 연구에서는 그림 1과 같이 InVEST Water Yield 모형의 국내 적용을 수행하였다. 국내에서 가용한 입력자료 현황을 우선적으로 파악하였는데, InVEST Water Yield에서 요구 하는 자료의 내용과 직접적으로 일치하는 경우 해당 자료를 이용하였으며, 해당 자료가 존재하지 않은 경우에는 대체 자료를 이용하여 공간 자료화 하였다. 공간적으로 단절된 자료들은 보간법을 이용하였고, 기존 구축된 주제도에 자료를 입력 할 수 있는 경우에는 통계자료를 입력하여 공간자료 구축되으며, 이러한 과정은 상용 프로그램인 Arcmap 10.
입력자료를 산림만으로 국한하였을 시 산림지역 경계부분에 위치한 유역과의 상호작용이 고려되지 않기 때문에 모형 결과의 신뢰성이 낮아지게 된다. 따라서 본 연구에서는 우리나라 전국토를 대상으로 자료를 구축하여 모형의 입력자료로 활용하였다.
1m를 적용하였다. 또한 그 외의 지역에는 국가수자원종합정보시스템(WAMIS)에서 제공하는 토심자료의 최대값을 대체하여 보완하였다. Plant Available Water Fraction은 식물 토양 내 공극률로로 물 함유지반의 공극률 범위에 대해 지반의 재질에 따라 점토, 실트, 균일모래 등으로 구분한 것을 흙토람에서 제작한 토양도의 토성자료에 적용하여 공간적으로 산출하였다(Yoon et al.
해당 분류 시에는 임상도를 참조하여 임상 및 임령에 대한 속성자료를 확인하였다. 또한 모형 구동 시 Biophysical Table과의 연계를 위하여 환경부의 분류를 해당 코드 값을 수정하여 적용하였다. Watersheds는 표준유역도의 소분류 자료를 이용하였으며, 형식은 폴리곤 형식으로, 국가수자원종합정보시스템에서 제공하는 것을 그대로 이용하였다.
모형의 특성상 InVEST Water Yield는 과정 기반의 모형으로 강우가 내린 상황에서 증발산량으로 인한 손실량과 토지피복별 최대 저류량 고려하여 저류되는 수자원의 양을 평가한다. 따라서 모형의 결과는 강우시 실제로 수자원이 공급서비스로 제공 될 수 있는 잠재량으로 해석해야 할 것이다.
Biophysical Table은 생물리적 값에 대한 표로, 각 정보와 Land Use의 분류가 코드를 통해 연결된다. 본 연구에서는 환경부에서 구축한 중분류 토지피복도의 분류 구분을 활용하여 각 코드 값을 선정하였으며, 그 결과는 표 2와 같다. 이 때 공간자료와는 다르게 해당 토지피복에서의 적용 될 수 있는 증발산량, 식생의 뿌리깊이, 증발산량 등이 식생의 유무에 따라 다르게 적용된다.
4m를 사용하였다. 이는 생태계 분류방법으로 분류된 산림지역을 모두 포함하지만, 전국 적용 시에는 자료의 공백이 발생할 수 있으므로 토지피복도를 이용하여 초지지역은 2.6m을 농경지에 대해서는 2.1m를 적용하였다. 또한 그 외의 지역에는 국가수자원종합정보시스템(WAMIS)에서 제공하는 토심자료의 최대값을 대체하여 보완하였다.
Land Use는 환경부 중분류토지피복도를 바탕으로 하여 마찬가지로 생태계서비스 유형 분류를 적용하였다. 해당 분류 시에는 임상도를 참조하여 임상 및 임령에 대한 속성자료를 확인하였다. 또한 모형 구동 시 Biophysical Table과의 연계를 위하여 환경부의 분류를 해당 코드 값을 수정하여 적용하였다.
대상 데이터
또한 모형 구동 시 Biophysical Table과의 연계를 위하여 환경부의 분류를 해당 코드 값을 수정하여 적용하였다. Watersheds는 표준유역도의 소분류 자료를 이용하였으며, 형식은 폴리곤 형식으로, 국가수자원종합정보시스템에서 제공하는 것을 그대로 이용하였다.
국내에서 Reference Evapotranspiration과 관련하여 20개의 point에서의 증발산량과 공간정보를 제공하는 Lee and Cho(2011)의 연구가 존재였으나, 일부 도시지역에만 point가 설정되어 있어 전국을 대상으로한 보간에는 한계가 있었다. 따라서 대체 자료로는 미국 몬태나주립대학교의 NTSG(Numerical Terradynamic Simulation Group)가 NASA Earth Observing System과의 파트너십을 통해 생산해 낸 MODIS 영상 기반 증발산량 자료를 이용하였다. 해당 자료는 2011년 기준으로 MOD16 Global Evapotranspiration(ET)로써, 약 1km×1km의 공간해상도와 8일 간격의 시간해상도를 갖고 얻어진 자료를 월간 및 연간 사용이 가능하도록 수정하여 공개된 것이다.
입력자료는 InVEST 모형에서 제공하는 User Guide에 기초하여 Sample Data의 형식에 따라 보정되었다. 또한 요구하는 입력자료의 확보가 어려운 경우 InVEST 모형에서 제공하고 있는 샘플 데이터나 글로벌 자료를 이용하였다. 입력자료를 산림만으로 국한하였을 시 산림지역 경계부분에 위치한 유역과의 상호작용이 고려되지 않기 때문에 모형 결과의 신뢰성이 낮아지게 된다.
해당 자료는 2011년 기준으로 MOD16 Global Evapotranspiration(ET)로써, 약 1km×1km의 공간해상도와 8일 간격의 시간해상도를 갖고 얻어진 자료를 월간 및 연간 사용이 가능하도록 수정하여 공개된 것이다.
이론/모형
본 연구에서는 우리나라 전체 산림을 연구대상지로 설정하였으며, Jeon et al.(2013)이 고안한 방법을 통해 산림지역을 도출하였다. 이 방법은 산림의 생태계서비스 기능평가를 위해 제시된 것으로 임상도 기준 면적에 비해 약 40만ha 정도 적은 수치이나 산림의 유형분류를 임종, 임상, 임령에 따라 15가지로 분류하여 각각의 차이에 따른 생태계서비스의 차이를 파악에 유용한 방법이다.
(1996)이 제시하는 침엽수, 활엽수, 농지, 초지 등으로 구분 된 최대 뿌리깊이를 Jeon et al.(2013)이 고안한 산림생태계서비스 평가를 위한 유형 분류 방법을 적용하여 공간화하였다. 해당 분류방법에서 나타난 침엽수, 활엽수에는 최대 뿌리 깊이로 제시된 3.
Precipitation은 2011년 기준 기상청의 전국 78개 강우량 관측값을 이용하였으며, 각 지점의 point 자료는 IDW(Inversed Distance Weighted) 방법을 통해 보간되어 공간적으로 구축되었다(Shepard, 1986; Kim et al., 2010; Park and Kim, 2013). 국내에서 Reference Evapotranspiration과 관련하여 20개의 point에서의 증발산량과 공간정보를 제공하는 Lee and Cho(2011)의 연구가 존재였으나, 일부 도시지역에만 point가 설정되어 있어 전국을 대상으로한 보간에는 한계가 있었다.
따라서 본 연구에서는 산림생태계의 수자원 공급서비스의 계량화 결과를 가치평가로 이어지기 위해서 필요한 톤(ton) 단위의 결과를 산출해 낼 수 있으며(Choi et al., 2014), 중첩분석을 통해 서남해안연안의 생태 분석과 경제적 상관관계를 파악(Chung, 2012)하는데 적용되 었던 InVEST 모형을 국내에 적용하였다. 이를 통해 산림수자원 공급서비스 평가를 위한 해외 모형 적용 결과와 기존 국내 연구 결과의 차이 를 확인하고, 그 원인을 파악하고자 한다.
InVEST 모형은 상용프로그램과 연동하여 진행하는 방식과 자체 배포된 소프트웨어를 사용하는 방식으로 나누어 구동이 가능하다. 본 연구에서는 2013년 12월 출시된 InVEST Version 2.6.0을 기준으로, 자체 제작된 소프트웨어 중 수자원 공급서비스 기능에 해당하는 하부모형인 Water Yield : Reservoir Hydropower Production 모형을 사용하였다. 총 17개의 하부모형으로 구성된 InVEST Version 2.
본 연구에서는 그림 1과 같이 InVEST Water Yield 모형의 국내 적용을 수행하였다. 국내에서 가용한 입력자료 현황을 우선적으로 파악하였는데, InVEST Water Yield에서 요구 하는 자료의 내용과 직접적으로 일치하는 경우 해당 자료를 이용하였으며, 해당 자료가 존재하지 않은 경우에는 대체 자료를 이용하여 공간 자료화 하였다.
산림생태계의 수자원공급 서비스 계량화는 InVEST 모형을 이용하였다. InVEST는 미국 National Capital Project에서 오픈소스로 제공하는 모형으로 자연자산(Natural Capital)과 생태계서비스와 관련된 의사결정을 지원하기 위해 개발되었다.
본 연구에서는 추가자료(Sub-Watersheds, Results Suffix)는 제외하였다. 입력자료는 InVEST 모형에서 제공하는 User Guide에 기초하여 Sample Data의 형식에 따라 보정되었다. 또한 요구하는 입력자료의 확보가 어려운 경우 InVEST 모형에서 제공하고 있는 샘플 데이터나 글로벌 자료를 이용하였다.
성능/효과
InVEST Water Yield 구동 결과 2011년 기준 우리나라 산림생태계의 수자원 공급서비스 총량은 9,409,622,083톤으로 나타났다. 이 결과는 10m×10m로 구성된 픽셀 563,036,577개의 래스터 자료로 평균 1,671.
따라서 InVEST Water Yield의 결과는 이러한 통계적인 총량과 비교하면 약 2배정도 적은 수치로 나타난다.
또한 모형 구동 결과는 입력자료인 해당 시점의 강우량(최소값: 963.66톤/ha; 최대값: 2,305.92톤/ha; 평균값: 1,672.15톤/ha)과도 양적으로 비슷하였고, 전국적인 분포에서도 강우량이 높은 곳에서 수자원 함량이 높게 나타나는 연관성을 보여주었다. 이는 수자원 공급량이 높게 나타난 한강 유역에서 입력자료인 강우량 또한 높은 것을 통해 확인 할 수 있었다.
33톤/ha)으로 나타나 과대추정 되는 경향을 보였다. 부산을 대상으로 추출하여 비교 시에는 1,460.63톤 /ha(최소값: 1334.80톤/ha, 최대값: 1586.77 톤/ha)으로 과소평가 되는 것으로 나타났다.
산림의 임상을 산림생태계서비스 평가를 위한 유형 분류를 통해 침엽수림, 활엽수림, 혼효림으로 구분 시, 공급하는 수자원의 총량은 침엽수임, 혼효림, 활엽수림 순으로 많은 것으로 나타났다. 그러나 ha 당 공급량은 활엽수림, 침엽수림, 혼효림 순으로 나타났다.
Oh and Yeo(2011)는 부산시의 산림을 대상으로 하여 수원함량을 구하였으며 총 71,602,040톤으로 추정하였다. 이 결과를 적용된 부산시 임상도 면적인 337,384,937㎡으로 나누었을 시 2,122.27톤/ha의 수원함량을 가진 것으로 환산 할 수 있었다. 환산된 결과를 InVEST Water Yield의 결과와 비교하였으며, 진상면 대상지로 추출하여 비교 하였을 시, 1,808.
임령을 0~2 영급, 3~4영급, 5영급 이상으로 구분 시, 가장 많은 면적을 차지하고 있는 3~4영급의 산림에서 가장 많은 수자원을 공급을 담당하고 있는 것으로 나타났다.
62톤/ha)에 해당하는 값을 가진다. 전체적인 공급서비스의 분포는 그림 4에서 나타나는 것과 같이 전체적으로 한강유역의 산림에서 높은 것으로 나타났으며, 그 외에 지리산 주변 유역에서도 높은 것으로 나타났다. 그러나 경북지역의 산림에서는 수자원 공급량이 적은 것으로 나타났으며, 특히 해안가를 중심으로 감소하는 경향을 보였다.
27톤/ha의 수원함량을 가진 것으로 환산 할 수 있었다. 환산된 결과를 InVEST Water Yield의 결과와 비교하였으며, 진상면 대상지로 추출하여 비교 하였을 시, 1,808.31톤/ha(최소 값: 1,769.41톤/ha, 최대값: 1,849.33톤/ha)으로 나타나 과대추정 되는 경향을 보였다. 부산을 대상으로 추출하여 비교 시에는 1,460.
후속연구
다만 현재 상황에서 InVEST Water Yield 모형을 활용하여 생태계서비스에 대한 평가가 이뤄져야 한다면, 토지피복에 기초한 모델링이 가능하다는 점에서 시계열 분석이나, 정규 화 등을 통한 서비스의 정성적 상태를 도출하여 이용하는 것이 효과적일 것이다. 그러므로 향후 연구에서는 정량적인 결과의 정확성을 향상을 통해 보다 정확한 생태계서비스 평가가 가능하도록 우리나라에 맞는 모형의 개선이 요구된다.
또한 모형의 활용 시에는 다른 여러 모형들을 통한 멀티모델링을 수행하여 정확성을 향상하는 것이 중요하다고 생각된다. 다만 현재 상황에서 InVEST Water Yield 모형을 활용하여 생태계서비스에 대한 평가가 이뤄져야 한다면, 토지피복에 기초한 모델링이 가능하다는 점에서 시계열 분석이나, 정규 화 등을 통한 서비스의 정성적 상태를 도출하여 이용하는 것이 효과적일 것이다. 그러므로 향후 연구에서는 정량적인 결과의 정확성을 향상을 통해 보다 정확한 생태계서비스 평가가 가능하도록 우리나라에 맞는 모형의 개선이 요구된다.
하지만 한계점에도 불구하고 InVEST 모형은 적절한 자료가 주어졌을 시 GIS를 이용하여 공간적인 정보를 제공할 수 있으며, 수문모형 외의 다른 생태계서비스와의 연계를 통한 분석을 수행 할 수 있는 장점이 있다. 또한 InVEST 모형의 사용은 여러 가정 속에서 불확실한 결과를 도출하기도 하지만, 추후 모형의 활용성과 한계점을 인지하여, 생태계서비스에 관한 시사점을 파악하는 것이 중요하다고 할 수 있다. 따라서 의사결정 단계, 혹은 평가하려는 생태계서비스에 따라서 정량적 혹은 정성적 접근이 필요할 것으로 판단된다.
이를 통해 산림수자원 공급서비스 평가를 위한 해외 모형 적용 결과와 기존 국내 연구 결과의 차이 를 확인하고, 그 원인을 파악하고자 한다. 또한 모형 적용 과정에 있어서의 유의점을 바탕으로 계량화와 지도화를 통한 활용 방안을 제언하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
InVEST Water Yield 모형의 자료들은, 그 특성에 따라 어떻게 구분되는가?
InVEST Water Yield 모형의 필수적인 구동에 필요한 자료는 총 8가지로 표 1과 같다. 이 자료들은 그 특성에 따라 기상자료, 물리적자료, 속성자료로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 추가자료(Sub-Watersheds, Results Suffix)는 제외하였다.
InVEST 모형의 개발 목적은 무엇인가?
산림생태계의 수자원공급 서비스 계량화는 InVEST 모형을 이용하였다. InVEST는 미국 National Capital Project에서 오픈소스로 제공하는 모형으로 자연자산(Natural Capital)과 생태계서비스와 관련된 의사결정을 지원하기 위해 개발되었다. InVEST모형은 2008년 10월 Version 1.
생태계서비스는 어떻게 분류되는가?
새천년생태계평가(Millennium Ecosystem Assessment, MA, 2005)에 따르면, 생태계서비스(Ecosystem Services, ES)는 생태계로부터 인간이 얻는 편익(benefits)으로, 크게 생산 (provisioning), 조절(regulating), 지원 (supporting), 문화(cultural) 서비스로 분류 된다. MA 외에도 Daily(1997), Costanza et al.
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