산불 위험 평가 및 피해지 복원 연구와 RHESSys 생태수문모형을 활용한 산림 생태계의 탄소 및 물 거동 예측 doc_id PCY_201711220595022681_4

본 연구에서 적용성이 검토되는 FFMC는 현재 캐나다에서 사용하고 있는 캐나다 산불위험평가시스템(Canadian Forest Fire Danger Rating System, CFFDRS)의 구성 요소인 FWI(Fire Weather Index)를 구성하는 기본 입력 자료이다. 이것은 1920년대부터 현재까지 수십 명의 연구자들이 계속적인 보완연구를 거듭하고 있고, 개발된 프로그램은 캐나다 전 지역에서 현재 산불예방 및 진화 등에 활용되고 있다. FWI 시스템은 3가지 종류의 연료의 습도의 변화와 이를 이용하여 바람의 영향을 고려하여 산정된 ISI(Initial Spread Idex), 그리고 BUI(Build Up Index)의 5가지의 구성요소로 되어 있다. 첫 번째 3개의 구성요소는 본 연구에 적용될 연료에 포함된 습도코드로서, 지상의 임내 가는 연료의 습도를 예측하는 가는 연료 수분 지수(Fine Fuel Moisture Code, FFMC)와 느슨하게 구성된 지상 연료 층의 습도를 예측하는 Duff Moisture Code(DMC) 그리고 깊은 유기층과 지중의 굵은 연료의 수분을 예측함으로써 계절적인 가뭄과 지중화의 가능성을 예측하는 Drought Code(DC)로 구성된다. 그 후 산불위험률 추정체계를 보완하는 많은 연구들이 수행되었는데, Haines(1987)는 산림화재의 진화를 위한 효율적인 자원 및 장비의 배치를 위해 Markov Chain Model을 개발하여, 모의시험을 통해 산불방제요원 및 장비의 기회비용을 30%까지 절감할 수 있다고 보도하였다. Warren 등(1981)은 산불에 기상요소들이 가장 큰 영향을 미친다는 가정하에서 중서부 지방의 임내 기상을 자동 측정할 수 있는 무인기상관측소(emote Automatic Weather Station)를 설치하여 산불위험도를 분석하였다. 1992년에는 James A. Woods와 Franklin Gossette가 캘리포니아주 산타모니카 산림지역에서 GIS를 이용한 산불관리 방안을 제시하였다. 산림 지대 내의 도시가 계속적으로 확장되면서 산불발생 건수 당 피해규모가 대규모화되는 덕을 방지하기 위해서 식생, 지형, 기후, 산불발생 기록, 교통망, 인간활동과 산불발생과의 관계를 규명하고자 하였으며, 산불 재해 모델을 개발하여 산불관리과정을 체계화 하였다. 예를 들어 산불피해를 입은 산지사면에 종자를 파종하여 피복상태의 변화를 관찰한 Pinaya et al.(2000)의 연구결과, 산불피해지에 있어서 경사 30% 이하의 대상사면의 식생피도가 증가하는 것을 확인하였다. 그러나 경사가 52%인 산불피해지의 사면을 대상으로 실시한 Kim et al.(2008)의 연구에서는 종자파종을 통한 처리는 토양침식에 따른 종자유실로 인해 이상적인 결과를 유도하지 못하였다. 이 같은 경우 종자파종을 실시하기 이전에 구조물의 도입을 통한 복구대상지의 물리적 환경의 개선이 선행되어야 할 것으로 사료된다. 한편, 중강도 산불피해 및 저강도 산불피해를 입은 산림의 경우 산불피해 후 2년 이내에 토양침식이 안정화되는 경향을 나타내고 있기 때문에 앞서 기술한 토사유실을 저감키 위한 적극적인 처리는 극히 제한된 지역에서 실시할 필요가 있다. 예를 들어 하천에 인접해 있는 산지사면의 경우 유실된 토사가 계류로 유입되어 하류에 형성되어 있는 하천생태계 혹은 인간생활권에 직접적인 피해를 가할 수 있기 때문에 토사유실 방지를 위한 적극적인 처리가 요구된다. 산불피해의 강도가 감소함에 따라, 그리고 산불발생 후의 경과년수가 증가함에 따라 지표토양의 침식에 영향을 미치는 강우형태는 일강우량에서 실효우량으로 변화하였으며, 토양침식에 영향을 미치는 강우강도는 점차 증가하는 것으로 나타났다. 산불이 발생하게 되면 식생에 의한 강우차단이 저감될 뿐만 아니라 토양공극이 감소되어 침투능 역시 저하되며, 이러한 유수의 표면유출에 관여하는 물리적·생태학적 조건은 산불피해의 강도 및 경과년수에 따라 다양화된다. 이러한 현상은 산불피해지의 토양침식에 직접적인 영향을 미쳐 산불피해의 강도가 감소함에 따라, 그리고 산불발생 후의 경과년수가 증가함에 따라 침식토사량은 경감되었으며, 그 증가 추세 역시 감소되는 것으로 나타났다. 따라서 산불피해지의 다양한 물리적·생태학적 조건을 고려한 종합적인 복원 및 관리 방안의 수립이 절실히 요구된다. 생태계의 복잡한 물질순환 과정과 이들의 상호작용 및 변화를 예측하는 도구로서 생태계 물질순환모형이 널리 사용되어왔다. RHESSys는 GIS (Geographic Information System)을 바탕으로 3차원 공간에서의 탄소와 물 그리고 영양염의 흐름을 모사한다(Tague and Band, 2004). 강우, 증발 그리고 유출량을 모사하여 유역 안에서의 수평적인 흐름과 토양 단면에 따른 수직적 물의 흐름을 모사하며, 동시에 수문과정과 식생성장 간의 상호작용을 고려하는 특징을 가지고 있다. 따라서 복잡지세(complex terrain)의 산림유역이 발달한 한국 산악경관의 단위 유역 내에서의 물의 거동과 탄소 및 질소 등의 생지화학적 과정을 함께 모사하는 데에 매우 효과적인 틀을 제공한다. RHESSys는 연구목적에 따라 각각 일 단위 예측과 시간단위 예측이 가능하다. 일 단위 예측은 주로 장기적인 산림기능의 변화를 추적하는 데에 효과적이며, 특히 기후변화 영향 평가와 같이 부득이하게 시간단위 기상자료를 구하기 어려울 경우에 사용가능한 대안이다. 반면에 시간단위 예측은 보다 상세한 일중변화를 추적하는 데에 효과적이므로, 생태계 과정이 일중변화에 크게 영향받는 경우 유용한 대안이 된다. 다만 시간단위 기상자료를 입력자료로 사용하므로 적합한 입력기상자료의 획득이 중요한 관건이 된다. 일 단위든 시간단위이든 RHESSys는 생지화학적 과정과 수문과정의 구동인자로서 기상자료를 입력자료로 사용하여, 유출량, 토양수분, 증발산과 같은 수문과정과 임목생장량, 순일차생산량, 토양호흡, 엽면적지수 등 생지화학적 과정에 대한 동적변화를 예측한다. RHESSys(Regional Hydro-Ecologic Simulation System)는 다양한 기후 조건하에서 산림유역의 생태수문 모사에 성공적으로 적용되었다. RHESSys는 지하수 흐름을 예측할 때 필요한 비포화대 흐름을 나타내는 침투모델 또는 수문기상학적 모델과 포화대의 흐름을 나타내는 배수모델 그리고 식생과 지표에 의한 물의 흐름을 나타낼 수 있는 식생모델이 연결되어 기존의 Lumped모형 연구보다 현실적인 지하수의 흐름을 모사할 수 있다는 장점이 있다. 지하수위를 모델링하는 데 있어 가장 큰 어려움은 비포화대에서 포화대로의 지하수 유입량의 추정이다. 우리는 이번 연구에서 수문관련 파라미터의 최적 값을 찾기 위하여 해당 파라미터에 대한 일정 범위를 설정하여 그 범위 내에서 파라미터의 샘플을 추출하고 그에 따라 시뮬레이션을 하여 목적 함수가 가장 향상되게 나오는 몬테카를로 시뮬레이션을 실시하였다. RHESSys는 매우 다양한 지역에 성공적으로 적용 및 평가되었다. 캐나다 온타리오주 중앙에 위치한 복잡 산악 지형에서 기후변화에 따른 증발산량, 순광합성량, 유출량 등에 관한 연구은 캘리포니아 관목수풀지대에서 미지형 환경요인이 식생의 생물리학적 과정에 어떤 영향을 주는가에 대한 연구는 유럽 알프스 산맥의 여러 소유역에 대한 유출량, 적설량, 실제 증발산량 예측력 평가, 그리고 광릉시험림유역에서의 유출량, 토양수분, 증발산 및 순생태계탄소교환량(net ecosystem exchange of CO2) 추정에 대한 연구 등이 수행되었다. 산림유역의 탄소와 물 거동은 지구온난화, 수자원 관리 등과 직접적으로 연관되며, 기후변화에 의한 산림재해를 예측하기 위한 산림생태계 정보를 제공한다는 데에도 중요한 연관성을 가진다. RHESSys를 이용한 생태수문모형연구는 특히 산림유역의 탄소와 물 거동이 산림의 기능에 미치는 영향을 평가하고, 향후 예상되는 기후변화의 영향을 파악하는 데에 유용한 수단으로 사용될 것으로 기대된다.