생태계서비스 정량화를 위한 InVEST 모델

생태계서비스 정량화를 위한 InVEST 모델 1/2 – 모델의 개요

인간은 인간을 둘러싼 생태계에서 주는 각종 서비스와 재화에 의존하여 살고 있다. 생태계의 1차생산을 통해 쌀과 밀을 비롯한 대부분의 식량을 얻고 있으며, 우리가 숨을 쉬고 있는 산소도 결국 식물생태계의 광합성에 의해 생산된 산소에 의존하고 있다. 이렇듯 인간의 지속 가능성은 생태계에 의존할 수 밖에 없으며, 이에 따라 생태계가 지속 가능하게 유지하는 것은 인간의 삶이 지속 가능하게 하는 유일한 수단일수 밖에 없다.

 

InVEST 모델이란?

InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs) 모델은 미국 스탠포드 대학교에서 수행중인 Natural Capital Projects의 일환으로 개발되고 있다. InVEST모델은 인간의 삶의 유지하고 충족시켜주는 생태계에서 생산되는 재화 및 서비스를 정보화하고 평가하는데 사용하는데 사용될 수 있는 오픈소스 프로그램의 모듈이다. 물수지, 탄소 저장 및 흡수, 농업작물 등의 다양한 생태계에 대한 25개 모델(2022년 12월 현재)로 구성되어 있다.

InVEST모델은 입력자료의 최소화와 사용의 간편성이 뛰어난 점과 결과값을 지리정보와 결합된 형태로 취득하여 분석의 다양성을 의 장점이 있으나, 입력자료 (토지이용분류)와 탄소저장량데이터(탄소풀계수)의 정확도에 의해 모델의 정확성이 결정된다는 단점도 동시에 가지고 있다. 따라서 우리나라의 실정에 맞는 계수와 정밀한 토지피복분류는 기후변화 대응을 위한 국가 인벤토리의 구축의 기본이 되므로 국가적으로 이를 구축한다면 InVEST모델의 정확도는 더욱 향상될 것으로 보여 그 활용도 또한 커질 것으로 보인다.

 

InVEST 모델의 종류

탄소 (Carbon) 

InVEST 탄소 저장 및 격리 모델은 특정한 지역에 저장된 현재 탄소의 양을 추정하고 시간이 지남에 따라 격리된 탄소의 양을 평가하는 모델이다. 먼저 사용자가 제공한 LULC(토지 사용/토지피복) 지도를 기반으로 4개의 탄소 풀(지상 생활 바이오매스, 지하 생활 바이오매스, 토양 및 고사 유기물)에 저장된 탄소의 생물물리학적 양을 집계하는 방식으로 계량화한다. 또한 사용자가 미래의 예측치를 가지는 LULC 맵을 제공하면 모델의 탄소 격리 구성 요소는 시간이 지남에 따라 예상되는 탄소 축적량 변화를 추정할 수 있는 기능도 가지고 있다. 또한 이 모델은 탄소의 시장 가치 또는 사회적 비용, 연간 변화율 및 할인율에 대한 추가 데이터를 사용하여 환경 서비스로 격리된 탄소의 양을 평가하여 계량화된 수치를 제공한다.

<탄소 InVEST모델 사용법>

 

해양블루카본 (Coastal Blue Carbon)

해안 식생과 습지 서식지는 산림과 마찬가지로, 대기에서 많은 양의 이산화탄소를 제거하여 지구의 기후를 조절하는 데 도움을 줄 수 있다.  맹그로브숲, 해초, 염습지와 같은 해안 및 해양 식물은 탄소를 저장할 뿐만 아니라 바이오매스와 퇴적물에 지속적으로 탄소를 축적하여 장기간 탄소 저장소를 만들고 있다. InVEST의 Blue Carbon 모델은 시간 경과에 따른 탄소 저장량의 변화를 분석하고 이를 대체 관리 시나리오와 비교함으로써 해안 생태계가 제공하는 탄소 저장 및 격리 서비스의 가치를 정량화 하는 모델이다.. 이 모델은 사용자가 기후 변화(예: 해수면 상승) 및 인간 활동(예: 습지 배수 또는 해안선 파괴)으로 인한 식생 교란에 대한 공간적으로 명확한 정보를 제공할 수 있는 최초의 해안 블루 카본 도구 중 하나로서 그 가치가 있다.

 

해안 취약성평가 (Coastal Vulnerability)

InVEST Coastal Vulnerability 모델은 해안 지역의 지구물리학적 및 자연 서식지 특성을 사용하여 악천후 시 침식 및 홍수에 대한 민감도를 평가하는 모델이다. 해안지역에 거주하는 인구 밀도에 대한 데이터를 중첩하면 모델의 출력을 사용하여 인간이 폭풍과 해일로 인한 피해 위험이 더 높은 곳을 식별할 수도 있다.

작물 수분 (Crop Pollination)

InVEST 작물 수분 모델은 생태계 서비스가 제공하는 자연의 수분 매개자(주로 곤충)에 생태적 가치 측정에 중점을 둔 모델이다.. 이 모델은 주요 수분매개자인 곤충의 둥지, 밀원식물의 위치 및 곤충들의 비행가능거리 등의 범위를 추정하여 지역에서 수분 매개자가 얼마나 풍부한지에 대한 지수를 도출하는 모델이다. 원하는 경우 모델은 농업 생산에 대한 수분 매개자의 가치에 대한 지수를 생성하여 계량화 할 수도 있다.

작물생산 (Crop Production)

작물 생산에 관한 InVEST 모델은 사용자가 제공한 토지피복 정보에서 추출한 특정 작물 수확량과 영양소의 분포를 추정하며, 이에 따른 작물 수확량은 주로 기후와 영양소의 양에 의해 결정됩니다

서식지 품질 (Habitat Quality)

InVEST Habitat Quality 모델은 서식지의 질과 희소성을 기준으로 사용하여 경관의 생물다양성을 나타내고, 경관 전반에 걸친 서식지와 식생 유형의 범위 및 현재 상태를 추정하는 모델이다. 이 모델은 LULC(Land Use Land Cover) 지도와 서식지에 대한 위협 및 서식지 반응에 대한 데이터를 결합하여 계량화한다. 생태계 서비스와 함께 서식지 품질을 모델링하면 사용자가 공간 패턴을 비교하고 보전이 자연 시스템에 가장 도움이 되고 위협받는 생물종을 보호할 영역에 대한 정보를 취득할 수 있다.

서식지 위험 평가 (Habitat Risk Assessment)

Invest Habitat 위험 평가 모델은 인간 활동에 대한 노출과 생태계 서비스 제공을 위한 노출된 서식지별 결과 측면에서 해안 및 해양 서식지에 제기된 위험을 평가하는 모델이다. 이 모델은 현재 및 미래의 사용 시나리오에서 서식지 위험을 평가하는 데 사용할 수 있으며, 서식지 품질 및 기능의 손상을 최소화하기 위한 관리 전략을 수립하는데 도움이 된다. 보다 광범위하게 이 모델을 사용하면 기후 변화와 인위적 압력의 영향이 여러 생태계 서비스 간에 절충점을 만들 수 있는 해양지역의 영역을 시각화 할 수도 있다.

해상 풍력 에너지 (Offshore Wind Energy)

InVEST Offshore Wind Energy 모델은 바다와 넓은 호수 표면 위의 풍력 발전 잠재력을 측정할 수 있는 모델이다. 선택한 지역에 대해 모델은 예상 풍력 및 수확 에너지를 추정하고 에너지 비용과 풍력 에너지 시설을 건설하고 운영하는 순 현재 가치를 계산할 수 있다. 공간적으로 명시적인 출력을 통해 사용자는 조력 에너지 시설의 위치를 ​​평가하여 다른 방식의 이용과 관련하여 에너지 생산 및 가치를 최적화할 수 있다.

 

휴양 (Recreation)

휴양과 관광은 많은 국가 및 지역 경제의 중요한 구성 요소이며 신체의 건강, 학습 및 삶의 질에 수많은 방식으로 기여한다. 휴양의 자연 환경의 가치를 정량화하기 위해 InVEST 휴양 모델은 자연 서식지의 위치 및 휴양 장소에 대한 사람들의 결정에 영향을 미치는 기타 기능을 기반으로 인당 휴양경험의 확산을 예측하게 된다. 방문에 대한 경험적 데이터가 없는 경우 방문 수치를 사용하여 모델을 매개변수화 하기도 한다.. 위치 정보 태그가 지정된 사진은 웹사이트 flickr에 게시됩니다. 모델은 사진을 사용하여 미래의 자연적 특징 변화가 방문률을 어떻게 변화시킬지 예측하고 현재 및 미래의 레크리에이션 사용 패턴을 보여주는 지도를 출력할 수 있다.

 

저수지 수력발전(수력생산량) (Reservoir Hydropower Production (Water Yield))

InVEST Reservoir Hydropower Production 모델("수력생산량 모델"이라고도 함)은 유역에서 생산되는 연간 평균 물의 양을 추정하는 모델이다. 그런 다음 경제 모델은 저수지 수력 발전 생산을 위한 물 생산량의 가치를 추정한다. 연간 평균 수력 발전량과 수력 발전량에 대한 각 토지 구획의 상대적 기여도를 계산하고 에너지 생산 측면에서 이 기여도를 평가하며 저수지 수명 동안 수력 발전 생산의 순 현재 가치를 계산한다.. 상대적 물 산출량의 공간지리정보 시스템은 수력 발전 가치에 가장 많이 기여하는 지역을 구별하고 경관의 변화가 그 기여도를 어떻게 바꿀 것인지 알려줄 수 있다.

경관의 질 (Scenic Quality)

InVEST Scenic Quality 모델은 시각적 품질에 영향을 미치는 현장 또는 계획된 기능을 기반으로 경관의 시각적 품질을 평가하는 모델이다. 이 모델을 사용하면 피어 리뷰 문헌의 평가 기능을 사용하여 연간 "시청 일수" 또는 경관 품질 변화의 금전적 가치와 같은 다양한 방법으로 경관 품질을 평가할 수 있다. 이러한 기능을 통해 이 도구는 정교한 영향 평가를 생성할 수 있습니다. 경관 품질에 영향을 미치는 기능을 배치할 위치에 대한 연구 질문이 있는 경우 도구는 사람들이 풍경에 있는 위치에 대한 정보를 가져와서 풍경 전체에서 볼 수 있는 것을 평가하여 최적의 배치 위치를 결정할 수 있습니다. 이 오픈 소스 도구는 모든 환경에 대한 다양한 질문에 답할 수 있도록 유연하면서도 강력하게 설계되었는 모델이다.

계절별 물수지 (Seasonal Water Yield)

SWY(Seasonal Water Yield) 모델은 유역에서 생산되어 1년 동안 하천에 도달하는 물의 양을 추정하는 모델이다. 모델의 기본 출력은 Quickflow, Local recharge 및 Baseflow 등이다. durltj Quickflow는 비가 오는 동안과 직후에 땅에서 직접 흘러 내리는 강수량을 나타내며,  Local recharge은 식물이 증발하거나 사용하는 양을 뺀 토양으로 침투하는 강우량을 나타냅니다. Baseflow는 건기를 포함하여 지하 흐름을 통해 점차적으로 하천으로 들어가는 강수량을 말한다. 이 모델은 지형(DEM), 토양, 토지피복 및 관리, 강우량, 식생의 양 등의 데이터를 이용하여 계량화한다.

 

퇴적물 평가 (Sediment Retention)

InVEST Sediment Retention 모델은 지형, 기후, 식생 범위 및 토지의 관리 방식에 대한 정보를 사용하여 일정규모의 면적에의 퇴적물의 용량을 추정하는 모델이다. 일정 구획의 토지에서 예상되는 토양 유실 및 퇴적물 수송은 InVEST 모델의 서비스 단계에 정보를 제공하며 퇴적 방지 측면에서 결과치를 보여주기도 한다. 이 모델은 또한 수질 유지 또는 저수지 퇴적 방지 측면에서 경관의 가치를 평가하는 데 도움이 되는 정보를 제공할 수 있다.

도시 열섬 완화 (Urban Cooling)

도시 열섬 현상의 완화는 최근 몇 년 동안 폭염을 겪은 많은 도시에서 중요한 해결과제 중의 하나이다. 식생은 그늘을 제공하고 도시 조직의 열 특성을 수정하며 증발산을 통해 냉각을 증가시켜 도시 열섬현상을 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 이는 사망률 감소, 편안함과 생산성 증가, 에어컨(A/C)의 필요성 감소를 통해 시민의 건강과 웰빙에 영향을 미치게 된다. InVEST 도시 냉각 모델은 냉각 섬(예: 공원)으로부터의 거리 뿐만 아니라 그늘, 증발산 및 알베도를 기반으로 열 완화 지수를 계산한다.

 

도시 홍수위험 저감 (Urban Flood Risk Mitigation)

홍수 위험은 강(또는 하천) 홍수, 폭우(또는 도시) 홍수 및 해안 홍수를 포함하여 다양한 출처에서 발생한다. 그린인프라는 이들 각각에 대한 역할을 할 수 있습니다. 빗물 범람과 관련하여 - InVEST 홍수 위험 완화 모델의 초점인 자연 기반 시설은 주로 다음과 같이 운영됩니다. InVEST 모델은 유출량 감소, 즉 강우량과 비교하여 단위 면적당 유지되는 유출량을 계산한다. 또한 잠재적인 홍수 범위 및 건설된 기반 시설에 대한 정보를 중첩하여 각 유역에 대해 잠재적인 경제적 피해를 계산하게 된다.

 

도시내 홍수 계량 (Urban Stormwater Retention)

도시에서는 환경을 보호하면서도 기후 변화, 홍수 위험 또는 인구 증가와 같은 문제를 해결하기 위한 전략으로 도시의 홍수(유수) 관리가 매우 중요하다. InVEST 홍수 계량 모델은 도시내의 우수 및 홍수시 우수 관리와 관련된 두 가지 생태계 서비스인 유출 저류 및 지하수 재충전에 대한 정보를 제공함으로써 도시내 물관리에 도움을 줄 수 있다 (홍수 위험 감소는 별도의 InVEST 모델인 Urban Flood Risk Mitigation 에서 평가됨)

 

수질정화 (Water Purification)

InVEST 수질정화기능 평가 모델은 (영양분 전달 비율 모델) 유역의 영양분 공급원과 하천으로의 이동을 계량화하는 모델이다. 이 공간 정보는 자연 식생에 의한 영양분 보유를 평가하는 데 사용할 수 있다. 모델 결과는 사람과 수중 생물을 위해 가장 효과적으로 물 공급을 정화하는 토양 및 식생 영역을 대상으로 보존 결과를 평가할 수 있다.

 

파력에너지 (Wave Energy)

파력에너지 모델은 조력발전의 잠재력을 측정하고 평가하는 모델이다. 모델은 지정된 지역별로 예상 파력과 수확 에너지를 추정하고 파력 에너지 변환 시설을 건설하고 운영하는 순 현재 가치를 계산하서 타당성을 평가한다. 위치에 대한 정보를 공간적으로 지리정보화 하여사용자는 파력 에너지 시설의 위치를 ​​선정할 때 장단점을 평가하여 수명 기간 동안 에너지 생산과 가치를 최적화할 수 있게 된다..

 

 

생태계서비스 정량화를 위한 InVEST 모델 2/2 – 탄소모델의 이용 (서울시 성동구 사례)

 

InVEST는 생태계서비스를 정량화하고 지도화하는데 유용한 도구이다. 이중에서도 탄소저장량과 변화량에 대한 정보를 취득할 수 있는 InVEST Carbon모델은 InVEST 모델중에서도 가장 많이 사용되는 모델중의 하나이다.

탄소저장량 및 변화량은 생태계서비스의 주요 지표중의 하나하며, 기후변화에 있어서 그 정도를 측정하는 중요한 인자이다. 일부 연구에 따르면 전 새계의 육상생태계가 포함하고 있는 탄소의 양은 2,000 ~2,500페타그램 (1페타그램은 1,000,000,000 톤)으로 추정되고 있으며, 이중 식생에 500~600 페타그램 그리고 나머지는 토양에 저장되어 있을 것으로 추정된다고 한다.

기후위기에 대응함에 있어 주요배출원에 에너지(전환), 산업공정 이나 폐기물 분야에서 배출량을 저감하는 것이 우선적으로 시행되어애 하고 중요한 사업이지만,  식생 (주로 산림)에 의한 탄소흡수를 확대하는 것도 매우 중요한 일이다. 특히 산림과 공원과 같은 탄소흡수원은 단순히 탄소흡수의 역할 만을 하는 것이 아니라, 공기질 정화, 수질정화, 생활 환경 개선과 같은 많은 긍정적 효과도 동시에 가져 오기 때문에 온실가스배출저감과 더불어 온실가스를 흡수 저장하는 탄소흡수원의 확대 방안도 꼭 필요하다.

식생(산림)을 통한 기후변화 대응은 크게 두가지 방향이 있는데, 첫번째는 기존의 탄소흡수원이 파괴되거나 다른 용도로 전환되는 것을 막는 것이다. 사실 이 사례가 현대에 와서 기후변화에 더 중요한 요소로 언급되는데, 선진국이나 개도국의 도시지역에서는 도시화와 산업화에 따라 산림이 주거용지나 산업용지로 전환이 되고, 개도국의 산림지역은 농업을 위한 경작지로의 전환, 화전, 목축, 불법 벌채 등으로 산림이 지속적으로 파괴되어 기존의 탄소 저장량이 그대로 대기중으로 배출되는 것이다. 이런 산림전용과 파괴를 막는 것이 매우 중요한 기후변화의 대응이 되었다. 두번째로는 탄소흡수원의 양을 늘리고, 질을 개선하여 탄소 흡수량을 늘리려는 방향이다. 이는 기존 산림의 관리를 개선하여 산림의 생장을 좋게 하고, 유휴지나 황폐지에 식생을 가꾸어 탄소흡수원의 절대량을 증가시키는 방법이 그 다른 하나이다.

이렇게 탄소흡수원을 통한 기후변화 대응을 위해서는 탄소흡수원의 계량화와 지리정보화가 꼭 필요하며, 이를 쉬운 방법으로 계산해 낼 수 있는 것이 바로 InVEST의 탄소모델이다.

 

InVEST 탄소모델의 사용법

InVEST 모델은 오픈소스 무료 프로그램으로 누구나 홈페이지에 접속해 다운로드 받아 사용할 수 있다. 다운 후 실행을 시키면 InVEST의 다양한 모델 중 원하는 모델을 선택하는 화면이 나오고 이중 우리가 원하는 Carbon모델을 선택하면 그 모델에 해당하는 입력자료 선택화면이 나오게 된다.

탄소모델의 경우 두가지 입력자료를 필요로 한다. 첫번째로는 토지이용에 관한 지리정보자료(Land Cover Map)이며, 두번째는 각각의 토지이용에 대한 탄소저장량을 수치화한 탄소저장량표 (Carbon Pool)가 필요하다.

우리나라의 경우 Land Cover Map은 환경부에서 제공하고 있는 중분류 토지피복지도를 활용하여 분석하는 것이 타당하며, Carbon Pool은 여러 연구결과에 다양한 수치를 제시하고 있다. 사실상 InVEST모델의 정확도는 위 두가지 입력자료의 정확성에 크게 의존하므로 위 두 자료에 대한 국가적인 조사와 개발이 지속적으로 이루어 져야 한다.

<서울시 성동구의 토지피복지도 및 Carbon Pool)>

 

토지이용별 Carbon Pool은 바이오매스의 종류에 따라 자상부바이오매스, 지하부바이오매스, 토양 그리고 고사유기물로 분리되어 산정이 되며, 토지이용형태별로 정확히 계측되어야 한다.

 

입력데이터를 입력한 후 모델을 실행시키면, 해당 시점의 탄소저장량이 지도화 계량화 되어 분석되어 결과물로 출력되게 된다.

 

사례로 서울시

성동구의 탄소변화량을 InVEST 탄소모델을 통해 분석해보면 위와 같은 정보가 출력되게 된다. 사진상에서 초록색이 진할수록 그 지역의 탄소저장량이 높다는 것을 나타낸다. 이를 계량화해서 연도별로 살펴보면 다음과 같은 표가 나온다.

연도	2000	2007	2009	2013	2018	2021
탄소저장량 (Mg C)	8,879.35	6,878.43	7,340.48	10,350.35	15,307.49	18,596.62
탄소저장량 변화	-	-2,000.92	462.05	3,009.87	4,957.14	3.289.13

 

즉 2000년에는 약 8,800톤(Mg C는 탄소 메가그램으로 톤과 같은 수치이다.) 이었던 것이 2007년까지는 줄어들다가 그 이후부터 지속적으로 증가하여 2021년에는 2000년대비 약 10,000톤 정도가 증가한 수치가 나온다. 이렇게 시간의 경과에 따라 탄소저장량이 증가하는 것은 매우 특이한 경우이며, 다른 연구결과를 비교하더라도 대부분의 도시에서 0.69%(안성시)에서 심하게는 25.4%(오산시) 정도 감소하는 것이 일반적인 현상이다. 이를 위의 그림과 비교해서 보면 성동구의 경우 기존의 산림(응봉산, 대현산)을 잘 보존하였고, 서울숲의 조성과 중량천변의 녹화사업으로 많은 양의 탄소를 저장했다고 볼 수 있다.

InVEST는 탄소모델은 간단한 입력자료만 가지고 지역의 탄소저장량과 그의 변화량을 쉽게 구할 수 있는 장점이 있다. 이를 통해 정책결정자들은 관할구역내의 탄소의 변화를 쉽게 알 수 있고, 그에 따른 대책을 수립할 수 있게 된다. 하지만 이 모델은 그 정확성이 토지이용과 토지이용별 탄소저장량의 정확성에 의존하므로 이 데이터에 대한 정확한 계량이 반드시 필요하다.