Sub-Watershed Prioritization for Soil Erosion Risk Assessment in the Wadi Ouahrane Basin (Algeria) Using an Integrated Morphometric Analysis and Entropy-WASPAS Model

기술 요약: 와디 오우아란 분지의 토양 침식 위험 평가를 위한 소유역 우선순위 결정

문제 정의
토양 침식은 지형적 가파름, 희소한 식생, 인위적 압력이 토지 황폐화를 악화시키는 알제리와 같은 아프리카 및 지중해 연안의 건조 및 반건조 지역에서 심각한 환경적 과제이다. 알제리에서는 5,000만 헥타르 이상의 면적이 위험에 처해 있으며, 이는 댐의 퇴적물 증가와 저수 용량 손실로 이어진다. 효과적인 유역 관리를 위해서는 보전 우선순위 지역을 식별해야 하지만, 전통적인 계획 수립 방식은 침식 민감도에 따라 소유역의 순위를 매기는 데 있어 포괄적이고 객적인 프레임워크가 부족한 경우가 많다. 본 연구는 토양 보전과 지속 가능한 관리를 위해 와디 오우아란(Wadi Ouahrane) 분지 내 소유역을 객관적으로 우선순위화하기 위한 강력한 의사결정 지원 메커니즘의 필요성을 다룬다.

연구 방법론
본 연구는 지리정보시스템(GIS), 형태측정학적 분석(morphometric analysis), 그리고 다기준 의사결정(MCDM) 기법을 결합한 통합 프레임워크를 채택하였다. 연구 지역인 와디 오우아란 분지(270 km²)는 ArcGIS 10.2와 ArcHydro 확장을 사용하여 14개의 소유역으로 세분화되었다.

1. 형태측정학적 분석: 수치표고모델(DEM) 및 하천망 데이터를 기반으로 세 가지 범주의 형태측정 파라미터를 산출하였다:
   • 선형(Linear): 하천 차수, 분기비($R_b$), 하천 길이 비율($R_l$), 지표 유출 길이($L_o$).
   • 면적(Areal): 형상 계수($F_f$), 신장률($R_e$), 원형률($R_c$), 배수 밀도($D_d$), 배수 질감($D_t$), 압축 계수($C_c$).
   • 구배(Relief): 분지 구배($R$), 구배 비율($R_r$), 상대 구배($R_{hp}$), 거칠기 수($R_n$), 고도-면적 적분($H_i$).
2. 엔트로피 가중치(Entropy Weighting): 이러한 파라미터에 중요도를 부여할 때 발생하는 주관적 편향을 제거하기 위해 엔트로피 방법을 적용하였다. 이 데이터 기반 접근 방식은 데이터셋 내의 분산을 바탕으로 객관적 가중치를 계산하여, 어떤 형태측정 기준이 침식 민감도에 가장 유의미한 영향을 미치는지 결정한다.
3. WASPAS 순위 결정: 14개 소유역의 순위를 매기기 위해 가중 합산 곱 제품 평가(WASPAS) 모델을 활용하였다. 이 하이브리드 MCDM 방법은 균형 잡히고 안정적인 침식 위험 평가를 보장하기 위해 결합 일반화 기준 파라미터($\lambda = 0.5$)를 사용하여 가중 합산 모델(WSM)과 가중 곱 모델(WPM)을 합성한다.

주요 결과

• 형태측정학적 특성: 와디 오우아란 분지는 낮은 형상 계수($0.36–0.42$), 신장률($0.38–0.41$), 원형률($0.23–0.50$)에서 나타나듯 세장형(elongated) 기하 구조를 특징으로 한다. 배수 네트워크는 428개의 구간을 가진 5차 하천 체계이며, 1차 하천이 전체의 45.56%를 차지한다. 배수 밀도는 $1.60$에서$1.95$ km/km² 사이이며, 모든 소유역은 "매우 거친" 배수 질감 클래스($D_t < 2$)에 속하여 일반적으로 유리한 침투 조건을 시사하나 국지적인 변동은 존재한다.
• 엔트로피 가중치: 분석 결과, **분기비($R_b$)**와 **하천 길이 비율($R_l$)**이 침식 민감도를 제어하는 가장 영향력 있는 요인으로 나타났으며, 각각 $0.283$과$0.252$의 가중치를 가졌다. 반면, 신장률 및 형상 계수와 같은 형태 관련 파라미터는 무시할 만한 수준의 가중치($<0.002$)를 보였다.
• 우선순위 지정 및 위험 분류: WASPAS 모델은 침식 위험의 상당한 공간적 이질성을 확인하였다.
  • 매우 높은 위험: SW-3, SW-4, SW-5, SW-7, SW-12, SW-13 소유역이 임계 지역으로 분류되었다. 특히 SW-4는 최종 점수($V_{SPM}$) 0.857로 가장 높은 민감도를 보였으며, 최우선 개입 대상지로 선정되었다.
  • 매우 낮은 위험: SW-2와 SW-14 소유역은 각각 $0.541$과$0.505$의 점수를 기록하며 가장 낮은 위험을 가진 것으로 식별되었다.
  • 분지 전체의 위험 점수는 $0.505$에서$0.857$ 사이로 나타났으며, 이를 통해 5개의 뚜렷한 위험 등급으로 명확히 층화할 수 있었다.

의의 및 주장
본 논문은 엔트로피와 WASPAS를 GIS 기반 형태측정학적 분석과 통합하는 것이 유역 관리를 위한 과학적으로 타당하고 투명하며 재현 가능한 의사결정 지원 도구를 제공한다고 주장한다. 본 연구는 데이터 분산에 의존하여 가중치를 산출함으로써 주관성을 효과적으로 최소화하고, 이를 통해 토양 보전 조치의 우선순위를 정하는 강력한 근거를 제공한다는 점을 강조한다.

저자들은 본 방법론이 일반적인 분지 수준의 평가를 넘어 특정 소유역에 대한 표적화된 개입을 가능하게 함으로써, 긴급한 복구가 필요한 특정 소유역을 성공적으로 식별해냈다고 단언한다. SW-4를 가장 중요한 지역으로 강조함으로써, 본 연구는 지속 가능한 토지 및 수자원 관리 정책을 수립하기 위한 구체적인 데이터를 제공한다. 결론적으로, 현재의 평가는 정적이며 주로 형태측정 파라미터에 의존하고 있으나, 본 프레임워크는 확장 가능하며 예측 능력을 높이기 위해 사회경제적 변수, 토지 이용 변화, 기후 시나리오를 포함할 수 있는 향후 연구의 기초 모델 역할을 할 수 있다.