이 상 현
Research Institute for Humanity and Nature (RIHN), Japan [email protected]
유 승 환 전남대학교 / 조교수 [email protected]
1. 들어가며
물-에너지-식량의 통합적인 관리는 과학적인 이론 기반의 모델링과 의 사결정을 위한 정책적인 요소를 동시에 포함하고 있다. 따라서 개별 자원 에 대한 모델링을 기초로 의사결정자의 시나리오를 적용하고 통합적인 관 점에서 평가할 수 있는 시스템을 필요로 한다. 또한 기후변화는 개별자 원뿐 아니라 자원간의 연계에도 영향을 미칠 수 있기 때문에 기후변화 시 나리오를 적용할 수 있는 시스템이 동시에 수반되어야 할 것이다. 이에 SNAK (Smart Nexus for Agriculture in Korea)에서는 개별 자원의 모 델링, 자원들 간의 연계해석 시스템을 기반으로 사용자 기반의 시나리오 및 기후변화 시나리오를 동시에 적용, 평가하는 시스템을 포함하는 플랫폼 (Platform)을 구축하고자 하였다.
2. 물-식량-에너지 넥서스 통합 플랫폼 설계
“Nexus”는 World Economic Forum에서 소개되었고, 현재 자원 간 연 계해석을 위한 새로운 방법으로 부각되고 있다(Hoff, 2011; WEF, 2011;
FAO, 2013). 이에 따라 넥서스의 개념 설정에 관한 연구부터 실제 적 용 가능한 시스템 개발에 이르기까지 다양한 연구가 수행되어 오고 있다 (Mohtar and Daher, 2012; Bhaduri et al., 2015, Daher and Mohta, 2015). 또한 UN에서 17개의 지속가능한 개발목표를 수립함에 따라 이를 달성하기 위한 방법론으로서 넥서스 개념이 강조되고 있다 (Weitz et al., 2014).
시스템 다이내믹스 기반의 SNAK 연계해석 플랫폼
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물-에너지-식량 넥서스를 활용한 지속가능 자 원관리 분석을 위한 플랫폼 개발은 3개의 단계로 구분할 수 있다. 첫 번째로 생물물리학적 모델기 반의 다양한 기초자료의 수집 및 조사를 바탕으로 데이터베이스 구축과 인벤토리 작성 후, 모델링을 통하여 자원별 정량화를 위한 포트폴리오를 구축 한다. 두 번째는 관계 해석 프로그램 또는 시스템 다이내믹스를 활용하여 정량화된 자원간의 상충 (trade-offs) 및 연계 관계 해석을 통하여 각 요 소 간 영향이 어느 정도 되는 지를 파악할 수 있도 록 한다. 마지막으로 기후변화, 정책, 사회 경제 영향, 인구변화, 자원의 제한 등을 고려한 영향 지 수나 시나리오를 적용하여 외부요인의 영향을 평 가할 수 있는 자원관리 평가 시스템을 개발하고자 한다.
본 연구에서 개발 중인 넥서스 플랫폼은 아래와 같은 4가지 특징을 기반으로 구축되고 있다.
1) 현장 결과 및 시뮬레이션 결과, 레퍼런스 된 자 료들을 데이터베이스로 구축하여 자료의 신뢰 성을 높이고,
2) 다양한 모델들을 하나의 플랫폼에 안에 연계가 가능하도록 구성하고,
3) 새로운 자원관리 시스템의적용이 가능하며, 4) 사용자의 다양한 시나리오들이 평가가 가능할
것을 목표로 하고 있다.
3. 빅데이터 모델링 기반의 자원별 인벤토리 및 포트폴리오 구축
넥서스 시스템의 분석 기반이 되는 데이터베이 스는 크게 자원, 시스템, 외부요인 등에 따라 적용 되는 데이터의 형식, 규모, 시기 등에 차이가 있 다. 예를 들어 자원들 간의 연계성 해석을 위해서 는 물발자국(water footprint) 등의 자료가 필요 하며 이는 작물필요수량 모의 모델링 또는 기존 연구자료 등을 통하여 공급이 가능함. 또한 대상 지역에 따라 이용 가능한 수자원 및 토지, 에너지 등에 대한 자료(capacity)가 필요하며, 생산방식 에 따라 자원이용량 등에 차이가 있으므로 대상지 역에 적용중인 생산시스템 또는 관개시스템에 대 한 자료 역시 구축될 필요가 있다.
본 연구에서는 이와 같은 자료들을 자원 데이 터, 관계형 데이터, 시나리오 데이터로 구분하여 데이터베이스를 구축하였다. 자원 데이터는 주로 개별 자원들의 이용가능량과 현재 이용량을 의미 하고, 식량부분에서는 생산량과 수요량을 의미한 다. 관계형 데이터는 물발자국, 에너지발자국 등 과 같이 단위 생산량에 따른 물, 에너지 이용량, 또는 용수공급량에 따른 에너지 이용량, 에너지 이용에 따른 탄소배출량 등의 원단위 자료를 중심 으로 구축되었다. 시나리오 데이터는 주로 자원관 리 부분과 연관된 데이터로써 식량자급율, 신재생 에너지 이용률 등이 해당된다.
그림 1. 넥서스 플랫폼의 대표적인 특징
4. 시스템 다이내믹스 기반의 모델 간 연계 기술 개발
넥서스는 기본적으로 물-에너지-식량 요소간 자원 이용의 상충관계(trade-offs)를 평가하여 자 원의 지속가능성을 도출하기 위한 기반임. 이를 위해 개별 자원의 사용이 타 자원에 미치는 영향 및 기후, 인구 등의 외부요인의 변화가 자원 활용 에 미치는 영향을 파악해야 하고, 이를 위해 자원 들 간의 상충관계의 분석이 필요하다.
넥서스에 적용된 시스템다이내믹스는 생산시 스템별 자원 이용량 모의 부분과 수자원 및 에너 지 공급시스템, 에너지 이용에 따른 탄소배출 모 의 부분으로 구성된다. 특히 자원 이용량 모의를 위해서는 재배면적 당 생산량(Productivity), 단 위 생산량 당 용수 이용량 (Water footprint), 재 배면적(또는 생산량) 당 에너지 이용량 (Energy footprint) 등이 필수적이며 이는 현장데이터 및 서브모델에 의한 모의 값이 적용될 수 있다.
작물재배 방식별 자원 간 상호 연계성 분석
자원 간 상호 관계는 생산방식(노지배재, 시설 재배)별로 차별성을 갖고 있다. 예를들어 시설재 배와 노지재배에 따른 자원 연계의 차이점을 살펴 보면, 시설재배는 100 % 관개용수에 의해 작물 필 요수량이 공급되며, 냉난방 시스템 및 조명시스템 의 적용이 가능하다. 특히, 조명 시스템은 작물의 생산량 증가와 연관이 있으므로 에너지 사용에 따 른 작물 생산 증가 관계로 해석될 수 있음. 노지재 배의 경우, 작물 필요수량이 관개시설 외에 유효 우량에 의해 공급이 가능하며 이에 따라 용수 절 약이 가능하지만 기후변화에 따른 강우변화에 민
감할 수 있다.
생산량, 재배면적, 작물 필요수량 등은 재배면적 당 생산량, 단위 생산량 당 용수 이용량, 재배면적(또 는 생산량) 당 에너지 이용량 등에 의해 모의된다.
관개방식별 자원 간 상호 연계성 분석
관개방식, 용수 공급시설, 에너지 공급시설에 따라 개별 자원들의 변화가 미치는 영향이 달라질 수 있다. 논벼 노지재배의 경우 간단관개, 연속관 개 등의 관개방식의 적용이 가능하며, 개별 방식 에 따라 용수공급 효율이 차별적이고, 또한 단위 용수량을 공급하기 위한 에너지 사용량 역시 차이 가 발생할 수 있다. 따라서 관개방식별 용수공급 량, 공급효율, 관개시설의 에너지 사용량을 시스 템다이내믹스에 적용하였음. 시설재배의 경우, 점 적관개, 지표관개 등의 적용이 가능하며, 관개방 식별 관개효율과 에너지사용량을 적용할 수 있다.
용수공급시설별 자원 간 상호 연계성 분석
국내의 경우 논벼지역은 주로 농업용저수지에 의해서 관개용수가 공급되고 있으며, 밭작물의 경 우 지하수가 주 용수원으로 이용되고 있다. 그러 나 지하수 수위의 저하 및 물 안보의 증진을 위해 하수재이용 등과 같은 새로운 용수원에 대한 필요 성이 높아지고 있기 때문에 저수지, 지표수, 지하 수 등의 기존의 용수공급원 외에 하수재이용, 기 수담수화 등의 새로운 용수공급시설을 시스템 다 이내믹스에 적용할 필요가 있다.
에너지 모의 및 공급시설별 자원 간 상호 연계성 분석 주 에너지 사용은 시설재배의 경우 냉난방 시스
템, 조명 시스템, 관개 시스템에서 발생되고, 노지 재배의 경우 농기계 이용에 의한 에너지 이용 등 이 주 에너지 소비원으로 고려될 수 있다. 에너지 공급의 경우 신재생 에너지를 적용하여 기존의 에 너지 공급원을 태양력, 풍력 등으로 전환할 경우 기존 에너지 이용량의 변화 및 탄소배출량의 변 화, 신재생 에너지 시설에 따른 추가적인 효과 등 을 고려할 필요가 있다.
에너지 사용에 따른 탄소배출 모의
◦ 직접적인 탄소배출량 산정
: 농기계의 화석연료(경유, 등유) 사용에 탄소 배출량 산정
: 단위 화석연료별 사용량 당 탄소배출량 관련
연계식 필요
◦ 간접적인 탄소배출량 산정
: 발전소 전력생산에 따른 탄소배출량 산정 : 발전원별 (화력 발전, 원자력 발전 등) 단위
전력 생산량 당 탄소배출량
5. 의사결정시스템으로서의 물-식량-에너지 넥서스의 활용
사용자 시나리오 입력 기반의 의사결정지원 시 스템 플랫폼 구축
지속가능한 자원 관리방안을 제시하기 위하여 자원별 관리 시나리오의 적용, 평가 부분이 필수 적이다. 본 넥서스 플랫폼에서는 식량자급율, 신
그림 2. 시스템다이내믹스 기반의 연계모듈 구성도
규용수원 공급, 신재생에너지 등의 자원관리 부분 을 사용자 시나리오로 적용이 가능하도록 설계하 고 있다. 또한 개별 시나리오에 대한 식량, 에너 지, 수자원 등의 자원 이용의 정량적인 분석 뿐 아 니라 자원별 최대이용가능량에 따른 이용가능성 및 비용-편익 분석 기반의 경제적 영향 평가 등을 포함해야한다.
쌀의 식량안보 변화에 따른 자원 간 연계해석 및 쌀 자급율 시나리오 평가
구축된 넥서스 플랫폼을 기반으로 국내의 쌀 자 급율 변화에 따른 타 자원들에 대한 영향 평가를 수행한다.
특히, 쌀 소비와 생산을 중점으로 쌀 자급 안보 를 대표 시나리오로 적용가능하도록 기존의 시스 템다이내믹스를 아래 그림과 같이 조정할 필요가 있다.
사용자는 미래 쌀 수급변화 속에서 목표 자급율
에 도달하기 위한 물, 에너지, 토지이용량에 대한 정량적인 분석을 수행할 수 있으며, 최대이용가능 량을 기반으로 자원별 이용가능성에 대한 평가를 수행할 수 있다. 이와 같은 넥서스 기반의 통합적 분석은 자원 연계해석의 새로운 패러다임으로서 미래 기후변화에 따른 농업가뭄 대응 부분에서도 활용이 가능할 것으로 기대된다.
기후변화 변동요인의 넥서스 적용
기후변화는 물-식량-에너지에 영향을 미치는 중요한 인자로, 본 넥서스 플랫폼의 주요 적용 목 적 중 하나는 기후변화 영향을 포함한 다양한 시 나리오 등을 통합적으로 평가하는 것에 있다. 이 에 Multi-GCMs 기반의 기후변화 시나리오를 생 물물리학적 모델에 적용할 수 있는 시스템을 넥서 스 플랫폼에 적용할 필요가 있으며 이를 통하여 기후변화 변화에 따른 자원별 변동 요인의 분석이 가능하고, 기후변화 대응한 자원관리 의사결정 지
그림 3. 식량 안보 시나리오 평가 중심의 시스템다이내믹스 구성도
원이 가능할 것으로 기대된다.
기후변화에 따라 넥서스 해석의 중요 인자 중 하나인 작물필요수량 및 생산량이 변화할 경우 동 일한 식량 관련 시나리오일지라도 결과는 다르게 나타날 수 있다. 또한 기후변화의 불확성에 따른 요인들의 변동 범위를 설정함에 따라 아래 그림과 같이 시나리오의 변동폭의 설정이 가능하도록 넥 서스 시스템을 구축할 필요가 있다.
6. 맺음말
본 연구에서 구축 중인 시스템 다이내믹스 기반 의 물-식량-에너지 넥서스 통합 플랫폼은 국가가 아닌 지역단위로 분석함으로써 기존의 거시적 평 가 툴에 비해 보다 정확하고 풍부한 정책적 시사 점을 제공할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 구축 된 플랫폼을 바탕으로 다양한 농업 정책이 추구하 고자 하는 농업지속가능성과 생산성을 동시에 평 가가 가능할 것으로 판단된다. 또한 물-에너지- 식량 넥서스 개념이 반영된 통합 수자원 관리 차 원에서의 용수공급·이용 및 관리기준을 마련하여 영농현장에 활용가능하며, SNAK 플랫폼은 미래
기후변화 및 인구변화 등의 외부 요인들에 효율적 으로 적응 및 대응하기 위한 농촌 용수원 관리 방 안에도 평가할 수 있을 것으로 판단된다. 최종적 으로 넥서스 기반의 농촌 용수원 복합 연계관리는 용수원 관리 뿐 아니라 개별자원의 관리정책이 타 자원에 미치는 영향을 통합적으로 보여줄 수 있는 도구로서 활용도가 높을 것으로 기대된다.
참고문헌
1. Mohtar, R. H.; Daher, B. Water, energy, and food: The ultimate Nexus. Encyclopedia of agricultural, food and biological engineering.
2012, 1–15. Abingdon, UK: Taylor & Francis:
2. Weitz, N.; Nilsson, M.; Davis, M. A Nexus approach to the post-2015 agenda:
Formulating integrated water, energy, and food SDGs. SAIS Review of International Affairs. 2014, 34(2), 37–50.
그림 4. 기후변화 및 물-에너지-식량 자원간의 연계성 검토
사사 : 본 성과물은 농촌진흥청 공동연구사업(세부과제번 호 : PJ01343503)의 지원을 받아 연구되었음.
3. Hoff, H. Understanding the Nexus. Background Paper for the Bonn2011 Conference: The Water, Energy and Food Security Nexus. Stockholm:
Stockholm Environment Institute. 2011.
4. World Economic Forum (WEF). Global Risks:
An initiative of the Risk Response Network.
Sixth Edition. Cologne/Geneva, Switzerland:
World Economic Forum. 2011.
5. Bhaduri, A.; Ringler, C.; Dombrowski, I.; Mohtar, R.; Scheumann, W. Sustainability in the water–
energy–food Nexus. Water International. 2015, 40(5-6), 723-732.
6. Daher, B. T.; Mohtar, R. H. Water–energy–
food (WEF) Nexus Tool 2.0: guiding integrative resource planning and decision-making. Water International. 2015, 40(5-6), 748-771.
7. Food and Agriculture Organization(FAO).
Aninnovative accounting framework for the food-energy-water Nexus. 2013.
