중국 연구팀, 생태모델과 융합한 지하수 연구 새 패러다임 제시

중국과학원 연구팀이 생태모델링 개념을 융합한 지하수 연구의 새로운 패러다임을 제안했습니다. 이 연구는 표층 지하수의 용질 운동이 토양 염분화를 촉진하며, 광범위한 생태 효과를 유발하여 토지 생산성과 생물 다양성을 위협하고 인간의 생존 환경에 영향을 미치기 때문에, 이러한 현상을 정확히 모델링하는 것이 생태 보호와 자원 관리에 중요한 과학적 의미를 가집니다. 표층 지하수 시스템은 수력 연결이 복잡하고 공간 분포가 불균일하며 영향을 미치는 요인이 다양하기 때문에, 특히 건조 지역에서 정확한 용질 분포 모델링은 어려움이 따랐습니다. 한정된 현장 관측 데이터로 인해 이 문제는 더욱 복잡해졌습니다. 중국과학원 동북지리농업생태연구소 연구팀은 이러한 난제를 해결하기 위해 생태학 분야에서 사용되는 종 분포 모델(SDM)을 표층 지하수 주요 용질인 Na+, K+, SO4²⁻, Cl⁻ 등의 공간 예측에 적용했습니다. 연구팀은 전통적인 수문학 모델과 머신러닝 방법을 통합하여 대규모 건조 지역의 지하수 용질 분포 모델을 구축했습니다. 이를 통해 지하수 품질 모니터링과 염분화 방지에 새로운 기술 수단을 제공하였습니다. 연구에서는 표층 지하수, 심층 지하수, 지표수 샘플을 수집하여 지형, 기후, 수력 연결, 토양 특성, 인간 활동 등 5개의 환경 요인을 포함하는 다차원 데이터베이스를 구축했습니다. 용질 농도를 생태계에서의 종 '적응성'에 비유하여, 종 분포 모델을 이용하여 지하수 시스템 내 용질의 공간 분포 규칙을 모델링했습니다. 연구팀은 end-member mixing analysis, random forest, 그리고 AICc 모델 선택 등의 최신 알고리즘을 도입하여 현장 관측 데이터 부족 문제를 해결하였습니다. 결과적으로 예측 정확도가 기존 공간 보간 방법보다 30% 이상 향상되었습니다. 연구 결과, 연구 지역의 표층 지하수에서 Na+, K+, SO4²⁻, Cl⁻의 농도는 주로 지표수의 화학 조성에 의해 조절되는 것으로 나타났습니다. Ca²⁺의 분포는 심층 지하수와 연관성이 강했습니다. 인간 활동은 용질 농도와 양의 상관관계를 보였으며, 특히 농업 관개 지역에서 두드러졌습니다. 기후 요인 중에서는 강수량과 증발량이 용질 운동에 중요한 영향을 미쳤습니다. 이 연구는 표층 지하수 용질 운동 메커니즘 연구에 새로운 시각을 제공하며, 염분 집중 지역의 정밀 식별과 지하수 자원의 과학적 관리에 기술적 지원을 할 수 있습니다. 최근 이 연구 결과는 Water Resources Research 저널에 온라인으로 발표되었습니다. 연구는 국가자연과학기금과 '흑토량창' 과학기술 전쟁 인재특별기금 등의 지원을 받아 이루어졌습니다. 또한 동북지리연구소와 하남대학교 등 여러 기관이 협력하여 수행되었습니다. 업계 전문가들은 이 연구가 건조 지역의 지하수 관리에 실질적인 도움을 줄 것이라고 평가합니다. 연구팀이 개발한 모델은 현장 관측 데이터의 한계를 극복하고, 지하수 품질을 더 정확하게 예측할 수 있는 길을 열었기 때문입니다. 중국과학원 동북지리농업생태연구소는 지속 가능한 생태 및 농업 시스템 연구에 앞장서고 있으며, 이번 연구는 그 연장선상에서 이루어진 중요한 업적입니다.