Effects of Land Cover Change and Climate Variability on the Hydrological Balance of the Kulpawn Basin, Ghana

기술 요약: 가나 쿨파운 분지의 수문 균형에 미치는 토지 피복 변화 및 기후 변동성의 영향

문제 제기
가나 화이트 볼타(White Volta) 강의 핵심 지류인 쿨파운 강 분지(Kulpawn River Basin, KRB)는 토지 이용 및 토지 피복(LULC) 변화와 기후 변동성이라는 이중 압력으로 인해 심화되는 수문학적 과제에 직면해 있다. 단일 강우 체계와 장기적인 건기를 특징으로 하는 이 지역은 천수 농업과 천연자원에 크게 의존하고 있다. 그러나 급격한 도시화, 농업 확장, 삼림 벌채, 불법 소규모 채굴 및 땔감 추출로 인해 분지의 식생 피복이 퇴화되었다. 기존 연구들은 더 넓은 범위의 화이트 볼타 분지 내에서 기후 변동성이나 LULC 변화를 개별적으로 조사해 왔으나, 쿨파운 분지의 수문 과정에 미치는 이들의 결합적이고 누적적인 효과를 이해하는 데에는 여전히 상당한 공백이 존재한다. 이러한 통합적 분석의 부재는 표적화된 수자원 관리 전략 수립을 저해하며, 결과적으로 분지를 수자원 가용성 감소, 홍수 증가 및 생태계 탄력성 약화에 취약하게 만든다.

연구 방법론
본 연구는 1995년부터 2023년까지의 변화를 평가하기 위해 원격 탐사, 머신러닝 및 수문 모델링을 결합한 통합적 접근 방식을 채택하였다.

• LULC 분류: 1995년, 2005년, 2015년, 2023년의 Landsat 위성 영상(TM, ETM+, OLI)을 R 소프트웨어의 랜덤 포레스트(Random Forest, RF) 알고리즘을 사용하여 처리하였다. 다섯 가지 LULC 클래스(밀집 사바나 숲, 경량 사바나 숲, 농경지, 시가지, 수역)를 식별하였으며, 전체 정확도(Overall Accuracy, OA)와 카파 계수(Kappa coefficients)를 사용하여 정확도를 검증하였다.
• 수문 모델링: 수문-기후 조건을 시뮬레이션하기 위해 SWAT(Soil and Water Assessment Tool)를 활용하였다. 모델은 SWAT-CUP 내의 SUFI-2(Sequential Uncertainty Fitting) 알고리즘을 통해 관측된 유출량 데이터(1992~2012)를 사용하여 보정 및 검증되었다.
• 기후 분석: 기후 데이터는 가나 기상청과 위성 제품(CHIRPS, NASA POWER)에서 확보하였다. 미래 기후 투영치는 CMIP6 프로젝트의 두 가지 사회경제적 경로(SSP1-2.6 및 SSP5-8.5) 하에 있는 6개의 전지구 기후 모델(GCM)로부터 도출되었다.
• 시나리오 평가: 서로 다른 LULC 시나리오(1995, 2005, 2015, 2023)와 기후 시나리오 하에서 수문 구성 요소(강수량, 증발산량, 지표 유출량, 지하수 흐름, 수량 등)를 시뮬레이션하여 토지 피복 변화와 기후 변동성의 영향을 분리하고 정량화하였다.

주요 결과

• LULL 역학: 1995년과 2023년 사이에 유의미한 토지 피복 전환이 관찰되었다. 밀집 사바나 숲은 28.34% 감소하였으며, 주로 경량 사바나 숲(20.83%)과 농경지(3.22%)로 전환되었다. 시가지 면적은 연간 29.80%씩 확장되었고, 농경지는 연간 9.35%씩 증가하였다. 반대로, 수역은 연구 기간 동안 약 13.78% 감소하였다.
• 수문학적 영향: LULC의 변화는 수문 균형의 뚜렷한 변화와 상관관계를 보였다.
  • 강수량: 2.14% 감소 (2691 mm에서 2633.25 mm로).
  • 증발산량(ET): 식생 피복 감소로 인해 4.91% 감소하였다.
  • 지표 유출량(SurfQ): 도시화 및 식생 손실로 인한 침투율 감소로 인해 7.78% 증가하였다.
  • 수량(WYLD): 전체적인 수자원 가용성이 감소함을 나타내는 14.5%의 유의미한 감소를 보였다.
  • 지하수 및 침투: 측면 흐름은 1.8% 감소하였고, 침투량은 4.87% 감소하여 지하수 충전 능력이 감소했음을 시사하였다.
• 기후 추세: 고배출 시나리오인 SSP5-8.5 하에서, 분지는 1995년부터 2023년까지 12.48%의 온도 상승과 3.47%의 강수량 감소를 경험하였다. 본 연구는 LULC 변화와 수문-기후 변수 사이의 강력한 양의 상관관계를 확립하였으며, 이는 토지 피복의 변화가 국지적 강우 및 기온 패턴에 유의미한 영향을 미친다는 것을 나타낸다.
• 계절적 변동성: LULC 변화의 영향은 우기(5월10월)에 가장 두드러졌으며, 이 시기에 지표 유출량이 급격히 증가한 반면, 건기(11월4월)에는 심각한 수자원 결핍과 기저 유출 기여도 감소가 나타났다.

의의 및 기여
본 연구는 인위적인 토지 피복 변화와 기후 변동성이 어떻게 공동으로 쿨파운 분지의 수문학적 퇴화를 유도하는지에 대한 중요한 통합적 평가를 제공한다. LULC 전환과 수문-기후 변수 사이의 강력한 상관관계를 확립함으로써, 본 연구는 수량 감소와 지표 유출량 증가가 단순히 기후에 의한 것만이 아니라 지속 불가능한 토지 관리 관행에 의해 악화된다는 점을 강조한다. 연구 결과는 밀집 사바나 숲이 시가지 및 농경지로 전환됨에 따라 분지의 자연적 완충 능력이 훼st되어, 우기에는 돌발 홍수의 위험을 높이고 건기에는 물 부족을 초래한다는 점을 분명히 한다.

권고 사항 및 정책적 시사점
이러한 발견을 바탕으로, 저자들은 분지의 수문학적 탄력성을 높이기 위한 통합 관리 전략을 옹호한다. 주요 권고 사항은 다음과 같다:

• 민감한 생태 구역으로의 침범을 방지하기 위한 공간적 토지 이용 계획의 시행 및 집행.
• 토양 수분을 보존하고 침식을 줄이기 위해 농림업(agroforestry), 피복 작물 재배, 최소 경작과 같은 기후 스마트 농업 방식 장려.
• 식생 피복을 복원하기 위해 자생종을 활용한 지역사회 기반의 재조림 및 조림 프로그램 우선 추진.
• 협력적 거버넌스를 육성하기 위해 환경보호청(EPA), 수자원위원회(WRC) 및 지역사회를 포함하는 분지 수준의 이해관계자 플랫폼 구축.
• LULC 변화와 수문학적 반응을 추적하기 위해 원격 탐사와 수문 모델을 활용한 장기 모니터링 시스템 개발.

본 연구는 지속 가능한 토지 및 물 이용 계획이 수반되지 않는다면, 쿨파운 분지의 수자원 가용성은 계속 악화되어 해당 지역의 식량 안보, 생계 및 생태계 서비스에 심각한 결과를 초래할 것이라고 결론짓는다.