연구성과

환경 감종훈 교수팀, 가뭄의 비극: 저수지가 탄소 농도를 높인다?

2024-05-13 254

[감종훈 교수팀, 농업용 저수지 저수량과 총 유기 탄소 시공간적 분석 성공]

환경공학부 감종훈 교수 · 박사과정 이광훈 씨 연구팀은 국내 농업용 저수지의 저수량과 수질 데이터를 분석해 극심한 가뭄이 수자원 관리 시스템에 미치는 수(水)문학적 영향을 분석했다. 이번 연구는 수자원 분야 국제 학술지인 ‘물 연구(Water Research)’에 최근 게재됐다.

최근 기후 위기로 인해 가뭄과 홍수 등 기상 이변이 빈번하게 발생하고 있다. 이에 따라 효과적인 수자원 정책을 수립하기 위해 전 세계적으로 이러한 재해가 물 순환과 지구의 탄소 순환에 미칠 것이라는 가설은 모델에서 증명되었지만, 관측데이터를 통해 정량적으로 이해하려는 연구 시도는 저수량과 수질의 수자원 빅데이터 부재로 제한적이었다.

모내기가 시작되는 봄철에는 논과 밭에 충분한 양의 물이 필요하다. 강수량이 매년 일정하지 않기 때문에 현재 국내에 있는 3,000개 이상의 농업용 저수지를 활용해 수자원을 관리하고 있다. 모내기 시기 이용가능한 수자원량을 감시하기 위해 농업용 저수지의 물수위 데이터를 수집하고, 2020년 이후부터는 계절별 저수지 수질 데이터도 함께 수집하고 있다. 3,000개 이상의 농업용 저수지들에서 관측되는 수자원 빅데이터는 물순환을 통한 탄소순환 변화를 연구할 수 있는 기회를 제공한다.

이번 연구에서 연구팀은 농업용 저수지 수위와 수질 빅데이터의 차원을 축소하는 회전 주성분 분석(rotated Principal Component Analysis)*1을 이용했다. 분석에 사용한 데이터는 2020년부터 2022년까지 국내 2,200개 이상의 농업용 저수지에 보관된 저수량과 총 유기 탄소(total organic carbon, 이하 TOC) 농도 관련 자료로, 해당 연구 기간 저수지의 저수량은 289~360mt(106t), TOC 농도는 3.54~4.60mg/L, TOC 부하는 1,165~1,492톤으로 각각 추정됐다.

첫 번째 회전 주성분 분석 결과, 2022년 한반도 남부 지역에서 가뭄으로 인해 수온이 증가하고 저수지 수위가 낮아지는 경우 TOC 농도가 증가했다. 또, 연구팀은 두 번째 분석에서도 중부 지역 저수지 수위 변화와 TOC 농도 변화 간 높은 상관성을 발견했다. 농업용 저수지 주변의 논 · 밭 면적이 넓은 지역일수록 TOC 농도가 일부분 높아진다는 사실도 확인했다. 이번 연구는 극심한 가뭄 발생시 탄소를 저장하던 농업용 저수지가 대기 중으로 탄소를 방출하는 공급원으로 만들 수 있음을 증명하였습니다.


감종훈 교수는 “수자원 빅데이터와 고급 통계 기술을 이용해 극심한 가뭄으로 인한 물순환과 탄소순환의 정량적인 변화를 제시하는 데 성공했다”며, “현재까지 수량에만 집중되어 오던 수자원 정책에서 수량과 수질 모두를 고려한 탄소 중립 시대 맞춤형 환경 및 수자원 정책 변환이 시급하다”고 강조했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 해양-육상-대기 탄소순환시스템 연구사업의 지원을 받아 수행됐다.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121610


1. 회전 주성분 분석
고차원 데이터에서 가장 중요한 정보를 나타내는 적은 수의 차원(주성분)으로 데이터를 추출하고 이런 주성분을 회전시켜 변환하는 고급통계기법