물, 에너지, 식량(WEF)과 같은 천연자원에 대한 수요의 증대는 지난 수십 년 동안 심각한 전 지구적 과제를 야기해 왔다. WEF 넥서스(WEF nexus)라는 개념은 이러한 도전에 대응하고 지속가능한 자원 배분 전략을 위한 틀을 제공하기 위해 등장하였다. 물-에너지-식량 부문 간의 다양한 상호작용 가운데, 이 장에서는 동아시아 및 동남아시아에서의 물-식량(WF) 넥서스 관계를 검토한다. 작물 물 추정(crop water estimation), 물-식량 풋프린트(water-food footprints), 가상수(vitual water) 무역과 같이 WF 넥서스 분석에서 널리 채택되는 일부 지표들을 소개한다. 아울러 동아시아 및 동남아시아에서 WF 넥서스 현황을 나타내는 지역 간 관계들을 검토하고, 그것이 WF 넥서스의 안보에 미치는 함의를 논의한다. 본 장 전반에서, 지속가능한 식량 생산과 물 안보를 보장하기 위해 WF 넥서스 분석이 중요하다는 점을 제시한다.

한국의 벼 재배는 오랜 역사를 지니고 있으나, 가뭄과 홍수의 잦은 발생을 포함한 기후 변동성으로 인해 강우량이 논농사에 충분하지는 않다. 따라서 한국의 논농사는 건기 동안의 물 부족을 극복해 온 역사이다. 벼의 파종과 이식은 장마가 시작되기 전에 이루어지며, 저수지는 봄철 물이 부족한 시기의 관개를 위한 간편하고 체계화된 해법이었다. 본 장에서는 국제관개배수위원회(ICID)에 의해 세계유산 관개구조물(World Heritage Irrigation Structure)로 등록된 한국의 왕국 시대 저수지의 위치, 제원 등과 관련된 내용을 소개한다. 이 저수지들은 왕국 시대에 사람들이 논을 경작하기 위해 기울인 노력을 보여줄 수 있다.

관개 수로에서 수위를 측정하는 일은 관개 시스템의 의사결정과 관개용수 공급량을 추정하는 데 있어 중요한 작업이다. 본 연구는 관개 수로의 영상 정보를 이용하여 수위를 측정하고자 하였다. 영상은 CCTV(폐쇄회로 텔레비전) 카메라로부터 획득하였으며, 정답(ground-truth) 마스크 영상을 생성하기 위해 수작업으로 주석을 달았다. 본 연구에서는 4개의 백본(backbone) 모델(ResNet-18, ResNet-50, VGGNet-16, VGGNet-19)과 2개의 분할(segmentation) 모델(U-Net, Link-Net)을 사용하여 비교 분석을 수행하였다. 물 픽셀을 수위로 변환하기 위해 주로 수위와 관련된 ROIs(관심영역, Regions of Interest)를 선택하였다. ResNet-50 백본을 사용한 U-Net은 F1 점수와 견고성(robustness) 측면에서 다른 조합들보다 우수했으며, ROI를 선택하고 물 픽셀과 수위 간에 이차(quadratic) 선형을 적용한 경우 R2 0.99, MAE(평균 절대오차, Mean Absolute Error) 0.01 m, ME(최대오차, Maximum Error) 0.05 m를 보였다. 313개의 테스트 데이터셋에서의 F1 점수는 0.99로, 수면이 충분히 분할되었고 수위 측정 오차가 관개 시스템에서 허용 가능한 범위 내에 있음을 나타냈다. 이 방법론은 데이터셋과 모델을 구축하기 위해 초기 작업이 필요하긴 하지만, 정확하면서도 저비용으로 수위를 측정할 수 있게 한다.

물, 에너지, 식량(WEF)과 같은 천연자원에 대한 수요의 증대는 지난 수십 년 동안 심각한 전 지구적 과제를 야기해 왔다. WEF 넥서스(WEF nexus)라는 개념은 이러한 도전에 대응하고 지속가능한 자원 배분 전략을 위한 틀을 제공하기 위해 등장하였다. 물-에너지-식량 부문 간의 다양한 상호작용 가운데, 이 장에서는 동아시아 및 동남아시아에서의 물-식량(WF) 넥서스 관계를 검토한다. 작물 물 추정(crop water estimation), 물-식량 풋프린트(water-food footprints), 가상수(vitual water) 무역과 같이 WF 넥서스 분석에서 널리 채택되는 일부 지표들을 소개한다. 아울러 동아시아 및 동남아시아에서 WF 넥서스 현황을 나타내는 지역 간 관계들을 검토하고, 그것이 WF 넥서스의 안보에 미치는 함의를 논의한다. 본 장 전반에서, 지속가능한 식량 생산과 물 안보를 보장하기 위해 WF 넥서스 분석이 중요하다는 점을 제시한다.

한국의 벼 재배는 오랜 역사를 지니고 있으나, 가뭄과 홍수의 잦은 발생을 포함한 기후 변동성으로 인해 강우량이 논농사에 충분하지는 않다. 따라서 한국의 논농사는 건기 동안의 물 부족을 극복해 온 역사이다. 벼의 파종과 이식은 장마가 시작되기 전에 이루어지며, 저수지는 봄철 물이 부족한 시기의 관개를 위한 간편하고 체계화된 해법이었다. 본 장에서는 국제관개배수위원회(ICID)에 의해 세계유산 관개구조물(World Heritage Irrigation Structure)로 등록된 한국의 왕국 시대 저수지의 위치, 제원 등과 관련된 내용을 소개한다. 이 저수지들은 왕국 시대에 사람들이 논을 경작하기 위해 기울인 노력을 보여줄 수 있다.

관개 수로에서 수위를 측정하는 일은 관개 시스템의 의사결정과 관개용수 공급량을 추정하는 데 있어 중요한 작업이다. 본 연구는 관개 수로의 영상 정보를 이용하여 수위를 측정하고자 하였다. 영상은 CCTV(폐쇄회로 텔레비전) 카메라로부터 획득하였으며, 정답(ground-truth) 마스크 영상을 생성하기 위해 수작업으로 주석을 달았다. 본 연구에서는 4개의 백본(backbone) 모델(ResNet-18, ResNet-50, VGGNet-16, VGGNet-19)과 2개의 분할(segmentation) 모델(U-Net, Link-Net)을 사용하여 비교 분석을 수행하였다. 물 픽셀을 수위로 변환하기 위해 주로 수위와 관련된 ROIs(관심영역, Regions of Interest)를 선택하였다. ResNet-50 백본을 사용한 U-Net은 F1 점수와 견고성(robustness) 측면에서 다른 조합들보다 우수했으며, ROI를 선택하고 물 픽셀과 수위 간에 이차(quadratic) 선형을 적용한 경우 R2 0.99, MAE(평균 절대오차, Mean Absolute Error) 0.01 m, ME(최대오차, Maximum Error) 0.05 m를 보였다. 313개의 테스트 데이터셋에서의 F1 점수는 0.99로, 수면이 충분히 분할되었고 수위 측정 오차가 관개 시스템에서 허용 가능한 범위 내에 있음을 나타냈다. 이 방법론은 데이터셋과 모델을 구축하기 위해 초기 작업이 필요하긴 하지만, 정확하면서도 저비용으로 수위를 측정할 수 있게 한다.

농업용수는 전체 물 사용량의 63%를 차지하며, 물은 식량 생산에 필수적이다. 식량 생산을 위한 농업용수의 공급과 이용은 ‘식량을 위한 물(Water for food, W-F)’ 넥서스에 해당하고, 저수지, 양수장, 지하수 관정과 같은 관개 시설은 전력 사용과 직접적으로 연관되어 농업용수를 공급하는 데 활용된다. 전력 사용은 간접 탄소 배출을 유발하므로, 농업에서 탄소 배출을 줄이기 위해서는 직접 및 간접 탄소 저감 효과를 정량적으로 평가할 필요가 있다. 본 연구는 물-에너지-식량 넥서스에서 식량 생산을 위한 W-F 넥서스 시스템을 중심으로, 농업용수 공급에 사용되는 전력 사용량과 탄소 배출을 평가하고자 하였다. 또한 탄소 배출 저감을 위한 수단으로서 논 물관리의 직접 및 간접 탄소 배출을 종합적으로 평가하였다. 모든 부문의 농업용수 공급을 위한 총 전력 사용량은 펌핑 스테이션의 전력 사용량이 크게 증가하고, 밭 관개의 비중은 점진적으로 증가함에 따라 전반적으로 증가 추세를 보였다. 총 간접 탄소 배출은 점진적으로 증가하는 것으로 나타났으며, 벼 재배로부터의 탄소 배출 비중은 3.3%에서 7.1%로 증가하였다. 논 물관리를 적용할 때, 중기 배수와 얕은 수위에서의 총 탄소 저감 효과는 각각 24.76%와 61.27%로 추정되었다. 본 연구는 W-F 넥서스 관점에서 식량 생산 시스템의 물-에너지-탄소 연계를 정량화하였다. 아울러 전력 사용 비중이 증가할 것으로 예상되는 만큼, 농업용수 공급의 에너지 효율이 더욱 중요한 이슈가 될 것을 제시하였다.

지속가능한 개발은 개발로 인해 발생하는 환경에 대한 영향을 최소화하면서 개발의 이점을 극대화하는 것을 포함한다. 본 연구는 기후변화가 농업 분야의 지속가능한 자원 관리에 미치는 영향을 평가하기 위해 물–에너지–식품 넥서스(water–energy–food nexus) 프레임워크와, 한국의 농업을 위한 스마트 넥서스(Smart Nexus for Agriculture in Korea, SNAK)를 사용한다. 본 연구에서 적용한 넥서스 데이터베이스는 자원, 자원 간 연계(interlinkages), 자원 관리 시나리오와 관련된 세 개의 개별 데이터베이스로 구성되며, 프레임워크의 모든 변수와 시나리오를 포함한다. 다양한 자원 관리 시나리오는 자원 간 연계를 조사하고 자원 소비 및 지속가능성을 정량화함으로써 평가하였다. 변수 선택 및 적용 모듈은 연계 데이터베이스를 사용하여, 한 자원의 생산과 공급이 다른 자원들의 소비에 어떻게 영향을 미치는지를 정량적으로 모형화한다. 시나리오 분석 모듈은 개별 자원에 대한 정책 및 기후변화를 기반으로 자원 관리 시나리오를 식별하고 적용하는 과정을 포함한다. 지속가능성 평가 모듈은 앞의 두 모듈을 연결하여 각 시나리오에서의 식량 생산, 식량 및 에너지 자원의 소비, 탄소(CO2) 배출, 토지 이용을 정량화한다. 마지막으로 각 시나리오의 지속가능성 지수 산정 시 자원 안보 및 경제적 편익을 고려하였다. SNAK 플랫폼은 물, 에너지, 식품에 기반한 환경·사회·경제 시스템을 분석할 수 있는 능력을 갖출 것으로 기대된다. 또한 본 플랫폼은 농업 자원의 적정 시기와 배분을 최적화하여 최적의 관리 시나리오 도출로 이어질 수 있다고 보인다. 더 나아가 플랫폼은 물–에너지–식품 연계성에 대한 평가를 활용하여 식량 수요, 수자원 활용, 에너지 소비를 다루는 시나리오 기반 정책을 수립할 것이다.

산업 및 지방자치단체의 물 수요가 증가하는 상황에서, 하구(河口) 저수지는 해결책이 될 수 있는 중요한 수자원 중 하나이다. 따라서 본 연구는 하구 농업용 저수지의 수지(水支) 모델을 시뮬레이션하여 추가적인 산업용수 방류가 그 성능에 미치는 영향을 평가하였다. 우리는 유출수와 처리수를 물 유입으로, 논(벼) 관개 필요량 및 수소 플랜트의 용수 사용을 방류로 고려하였다. 유출수와 관개 용수 요구량은 각각 Tank 모형과 FAO 개량 Penman 방법을 사용하여 추정하였다. 산업용수 수요는 연중 32,000 m 3 day −1로 조사되었다. 그 결과, 저수지의 신뢰도(reliability)는 재이용(return flow)으로 인해 수분 손실과 관개 면적이 감소할수록 증가하며, 이는 산업용수 공급의 영향이 거의 없는 것으로 나타났다. 복원력(resiliency)의 경향은 신뢰도와 유사하나, 산업 방류는 수분 손실이 더 낮게 적용되고 논 면적이 감소하는 경우에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 취약성(vulnerability)은 추가 목적의 물이 방류될 때 악화된다. 즉, 저수지가 방류하는 물의 양이 많을수록 가뭄의 정도가 더 심해진다. 따라서 엔지니어와 운영자는 저수지의 설계 및 관리에서 신뢰도, 복원력, 취약성으로 제시되는 예상 위험을 고려해야 한다.