2.1.1 NbS의 정의

본 장에서는 문헌고찰을 통해 NbS의 정의와 기존 친환경 수자원 관리 기법들과의 유사성 및 차이점에 대해 살펴본다. NbS에 관한 가장 보편적인 정의는 세계자연보전연맹과 유럽위원회(European Commission, EC)가 제시한 내용으로, 대부분의 보고서와 연구들은 이 2가지 정의 중 하나를 따르고 있다. 세계자연보전연맹에 따르면 NbS(자연기반해법)란 '인류 복지와 생물다양성 혜택을 동시에 제공하고 사회적 과제를 유연하고 효과적으로 해결하기 위해, 자연 생태계 및 변형 생태계를 보호하고 지속가능한 형태로 관리하는 조치'로 정의할 수 있다(^{Cohen-Shacham et al., 2016}). 본 정의는 다양한 형태의 자연 및 인공 생태계를 복원하고 보전하는 데 초점을 맞추어 이러한 보전행위가 자연스럽게 더 큰 생태적 혜택으로 이어질 수 있도록 하는 것이다.

반면 2015년 유럽위원회는 NbS를 ‘사회가 환경적, 사회적, 그리고 경제적 과제를 지속가능하고 비용-효율적인 방식으로 해결하는 것을 목적으로, 자연을 배우고 모방하고 활용함으로써 기존의 해결책을 향상시키거나 혁신적 해결책을 개발하려는 행동’으로 정의하였다(EC, 2015). 특히 ‘탄소를 흡수하고 저장하며 물을 비롯한 자원을 순환시키고 재생시키는 자연의 특징(feature)과 프로세스(process)’를 적극 활용해 기후재난 저감 및 사회적으로 포용적인 녹색 성장을 이룩할 것을 강조하고 있다(EC, 2015). 즉 유럽위원회는 NbS를 혁신적 친환경 기술의 하나로 바라보고 이를 통해 환경-사회-경제라는 TBL (triple-bottom line)의 모든 축을 만족시킬 수 있는 다기능성(multifunctionality)을 강조하고 있다고 볼 수 있다. 세계자연보전연맹과 유럽위원회의 정의를 바탕으로 NbS는 생태계에 대한 개입 정도에 따라 『보전(preservation) < 관리(management) < 변형(alteration) < 재창조(re-creation)』로 세부적으로 분류될 수 있다(^{Shiao et al., 2020}). 보전은 완전한 비개입적 해법을 의미하며, 재창조는 변형생태계 혹은 인공생태계를 창출하는 기술적 개입을 의미한다(^{Cohen-Shacham et al., 2016}; ^{World Bank, 2021}).

최근 세계자연보전연맹은 NbS 이외에도 자연유래해법 (Nature-derived Solutions, NdS)과 자연모방해법(Nature- inspired Solutions, NiS)이라는 새로운 개념도 언급하였다(Fig. 1, IUCN, 2020). 자연유래해법이란 바람, 파도, 태양 에너지처럼 자연에서 유래한 에너지를 이용해 저탄소발전을 실현하는 것을 의미하며, 자연모방해법은 자연의 원리를 닮은 혹은 생물학적 과정을 모방한 건축 및 인프라 디자인을 의미한다. NdS와 NiS 모두 건강한 자연생태계를 반드시 필요로 하지는 않는다는 점에서 NbS와 근본적으로 다르며, 세계자연보전연맹은 NbS의 본질은 생태계 복원과 확대라고 보고 있다. 이러한 정의를 물관리와 수자원 시스템에 적용한다면 NbS란 자연생태계와 수생태계, 그리고 종다양성의 회복을 돕는 기술이며 이를 통해 자연이 가지고 있는 자정 능력 및 재해조절능력, 그리고 회복탄력성을 이용해 다양한 수자원 문제를 해결하고자 하는 것이다.

Fig. 1. Comparison of NbS, NdS, and NiS (adapted from IUCN, 2020).

2.1.2 NbS 연관 개념 및 비교

NbS는 자연물과 생태계 원리를 활용하는 해법이라는 측면에서 기존에 비슷한 방향성을 가진 친환경 공법들과 유사한 측면이 존재한다(^{Woo and Han, 2020}). 국제 보고서들과 실증연구들을 살펴보면, NbS는 차별적 용어라기보다 기존의 유사한 용어들과 접근법을 통합하는 포괄적 프레임워크(umbrella framework)라고 보는 것이 합리적이다(^{Cohen-Shacham et al., 2016}; IUCN, 2020; ^{Ruangpan et al., 2020}). 이러한 유사한 용어들이 문헌에 등장하기 시작한 시점들을 살펴보면 1963년 생태공학(Ecological Engineering)이 등장한 이후로 저영향개발(LID) (1977), 최적관리기법(BMP) (1980), 자연하천공법(close-to-nature river technique, CRT) (1985), 산림경관복원(FLR) (1993), 물민감형 도시설계(water-sensitive urban design, WSUD) (1994), 그린인프라(green infrastructure, GI) (1995), 지속가능한 도시배수시스템(sustainable urban drainage systems, SuDs) (2001), 자연기반해법(NbS) (2008), 생태기반적응(eco- system-based adaptation, EbA) (2009), 생태기반 재해위험저감(ecosystem-based disaster risk reduction, Eco-DRR) (2010), 기후적응서비스(climate adaptation services, CAS) (2012), 그리고 블루그린인프라(BGI) (2013)의 순서로 용어들이 등장, 발전, 보급되어 왔다(Fig. 2) 이러한 용어들의 정의와 목적, 주요 도입지역을 정리하면 Table 1과 같다.

Fig. 2. The timeline of terminologies similar to nature-based solutions in literature (adapted fromCohen-Shacham et al., 2016andRuangpan et al. 2020).

12개의 연관 개념들 중, LID, BMP, WSUD, SuDs는 도시지역의 강우유출(stormwater) 관리에 초점이 맞춰져 있다. 구체적인 기법에서는 차이가 있지만 큰 틀에서는 도시 내에서 자연경관 및 자연물, 투수성 표면의 활용을 통해 종래의 직선적 유출량 관리에서 국지적 관리 및 순환적 접근방식으로 바꾸어 배수, 물공급, 생태계가 하나의 시스템으로 통합된 친환경 시스템을 창출하는 것을 말한다(^{Ruangpan et al., 2020}). CRT는 보다 좁은 관점에서 인공하천을 자연하천의 형태와 물리적 구성에 가깝게 개조하는 기술을 의미하며, GI와 BGI는 도시화로 인해 단절되거나 훼손된 자연녹지와 물, 수자원의 네트워크를 복구하고 강화하는 것을 의미하는 것으로, 물관리에서 더 나아가 다양한 생태계서비스와 사회경제적 부가가치의 창출을 지향한다(^{Woo and Han, 2020}). FLR은 그린인프라 중에서도 산림생태계의 복원에 초점을 맞춘다. Eco- DRR, EbA, 그리고 CAS는 기후변화 적응이라는 목표를 달성하기 위한 수단으로 생태계와 생물다양성에 초점을 맞춘다. Eco-DRR은 중단기적 관점에서 생태계보전을 통해 자연재해 취약성 저감을 목표로 하며, EbA와 CAS는 장기적 관점에서 생물다양성과 생태계 보존을 통해 기후변화에 대한 포괄적 적응을 추구한다. EE는 모든 자연기반 솔루션을 가능케하는 공학 및 설계기술에 관한 것이다. 자연 생태계에 대한 초점과 포괄성 측면에서 BGI와 EE가 NbS에 가장 가깝다고 여겨지나, NbS는 자연기반해법에 대한 다양한 해석을 허용하고, 모든 기술적·비기술적 접근방식을 망라하기 때문에 다양한 이해관계자들을 논의에 포섭할 수 있다는 특징이 있다(^{Woo and Han, 2020}).역사적으로 NbS의 발전을 살펴보면, 물관리 패러다임은 단일 기능(예: 이수, 치수, 수량확보)에 대한 초점에서 점차 다기능적 설계로 발전하였고 나아가 생태계 보전, 회복탄력성 및 도시의 다른 기능과의 연계에 대한 강조로 나아갔다 (Fig. 3). 최근 기후변화와 사회경제적 웰빙 등 수자원이 갖는 포괄적 중요성에 대한 대중들의 인식이 높아지고 이해관계자와 이익집단의 시각이 다양해지면서 사회적 협의를 통한 사회정치적(sociopolitical) 물관리라는 개념도 등장하였다(^{Oral et al., 2020}). NbS는 이러한 패러다임 발전의 최전방에 위치하여 도시의 일부 혹은 전체를 대상으로 한 재자연화(re-naturalization)라는 급진적 해법까지도 수용할 수 있는 생태계 중심 물관리 패러다임을 내포하고 있다.

Fig. 3. Historical evolution of water management paradigm: From water-supply city to nature-based city (Adapted fromOral et al. 2020).

물관리 패러다임의 발전에서 NbS에 기반한 도시, 즉 Nature-based city라는 개념은 가장 최전방에 위치하고 이전에 등장한 상대적으로 협의의 유사 개념들은 자연기반 도시에 포함되는 형태로 나타난다(Fig. 3). SuDs, LID의 경우 물순환 도시(water cycle city)에 초점을 맞춘 개념이며, WSUD는 기후변화에 대비한 물 민감형 도시(water sensitive city), 그리고 GI와 BGI는 물관리에서 더 나아가 포괄적 생태계서비스 제공을 목표로 하는 Urban blue green에 해당한다. NbS는 자연에 대한 훨씬 방대하고 기술적인 이해를 바탕으로 자연기반 시스템의 통합과 지속가능성, 기후변화 저감을 추구하는 포괄적 전략이다. 한편, EbA, EbM, 그리고 CAS는 기후변화 회복탄력성을 중시하는 물 민감형 도시 전략에 가장 가깝지만 기후변화에 수반되는 기타 재난(폭염, 혹한, 서식지파괴, 홍수)에 대응하기 위한 목적도 가지고 있어 다른 개념들과 맥락이 다소 다르다고 볼 수 있다. CRT와 FLR은 각각 자연하천 그리고 자연산림 생태계 회복에 초점을 맞춘 하위 개념으로 단기적인 재해예방효과는 불분명하다.

3.1.1 기능별 분류

NbS의 유형을 분류하는 체계는 다양하지만, 크게 기능별 분류, 규모별 분류, 목적별 분류를 시도할 수 있다. 먼저 NbS는 그 기능에 따라 저감(mitigation), 적응(adaptation), 기능향상(enhancement)을 위한 솔루션으로 나눌 수 있다. 하나의 NbS 사례가 둘 이상의 목표에 동시에 효과를 가질 수 있으며 이러한 다기능성(multifunctionality)은 NbS의 중요한 특징이다.

이외에도 NbS는 United Nations (UN)의 2030년 SDGs (Sustainable Development Goals)와 관련해 다양한 목표들을 성취하는 데 효과적이다. 예를 들어 습지 생태계서비스를 보존하는 NbS는 건강과 웰빙(SGD3), 깨끗한 식수와 위생(SD G6), 지속가능한 도시와 공동체(SDG11), 수생태계(SDG14), 생명체 보호(SDG 15) 등 다양한 SDG 목표를 조화롭게 달성하는 데 도움을 줄 수 있다(^{Ruangpan et al., 2020}).

기후변화에 효과적으로 대응하기 위해서 현재 물관리 체계는 NbS의 저감, 적응 그리고 기능향상 부문을 모두 활용할 필요가 있다. 첫째, 기후변화를 일으키는 원인물질인 이산화탄소 등 온실가스의 배출을 저감하고, 둘째, 기후변화로 인한 홍수, 가뭄 등 극단적 강우현상의 발생 빈도와 강도 증대에 자연적이고 지속가능한 방식으로 대응하며, 마지막으로 기후변화로 인한 이상고온 및 저온 발생 시 자연기작을 통해 이상 기후를 감내가능한 범위로 조절해줌으로써 인간과 생태계에 가해질 충격을 완화시키는 것이다. 과학적 설계를 통한 물관리 시스템의 자연화를 통해 위와 같은 문제들을 통합적이고 동시적으로 해결하는 것이 중요하다.

3.1.2 규모별 분류

NbS는 주로 도시지역을 대상으로 하는 소규모 NbS와 비도시지역(하천, 산림, 해안지역)을 대상으로 하는 상대적으로 규모가 큰 광역 NbS로 나눌 수 있다. 소규모 NbS는 주로 건물이나 도로와 같은 단일 장소에 적용되거나 성능을 높이기 위해 특정 사이트 내 다수의 건물 및 도로에 적용된다. 주요 목적은 첨두 홍수량 감소 및 지연, 하수 및 우수 관거 범람 저감, 지표면 유출량 감소이며, 가뭄 예방도 포함된다. 물 사용량이 높은 교외 주거지역에 빗물 저류 및 우수 재활용량을 높여서 물 소비를 줄이기도 한다. 가장 흔한 도시 NbS는 녹색지붕(혹은 옥상녹화), 빗물정원, 빗물집수, 투수성 포장, 건조저류연못(dry detention pond), 생태저류지, 인공습지, 그리고 식목이다(^{World Bank, 2021}). 현재까지 대부분의 성능평가는 단일 NbS 기법에 대해서 이루어졌으며 통합적 적용에 의한 시너지 평가는 부족한 실정이다.

도시지역 NbS의 성능을 결정하는 가장 중요한 요인은 강우량과 강우빈도이다. 각각의 NbS는 서로 다른 저장능력과 투수효과를 갖고 있다. 가령, 녹색 지붕과 빗물정원의 첨두 홍수량 감소 효과는 대량의 드문 강우패턴보다 소량의 잦은 강우 패턴에 효과적이며, 인공습지와 투수포장은 단기 집중호우에 홍수예방효과가 더욱 큰 것으로 나타났다(^{Ruangpan et al., 2020}). 다양한 NbS 기법들은 함께 연계해서 쓰일 경우 시너지를 낼 수 있다. 가령, 한 지역 내에서 녹색지붕과 투수포장 중 하나의 기법만을 적용할 경우보다 두 기법을 모두 적용할 경우 더 큰 최대 침수량의 감소를 기대할 수 있다(^{World Bank, 2021}; ^{Wu et al., 2018}). 이는 서로 다른 NbS가 다른 하위유역(sub-catchment)에서 발생한 유출량을 국지적으로 동시에 처리하기 때문이다(^{Ruangpan et al., 2020}). 따라서 여러 기법을 통합한 NbS를 적용할 때에는 세부 기법마다 공간적 배치를 신중히 결정해야한다. ^{Liquete et al. (2016)}은 지하흐름 인공습지, 지상 인공습지, 그리고 수생식물을 결합한 NbS가 combined sewer overflow (CSO)를 정화하는 데 탁월한 효과가 있으며 지하저류조와 건조저류지를 결합한 것보다 수질개선과 유출수조절에 더 효과적임을 발견했다.

기존 문헌에서 비도시지역의 하천, 산림, 해안지역을 대상으로 한 NbS 연구는 도시지역 대상의 연구에 비해 드물다(^{Turkelboom et al., 2021}). 기후변화와 도시화로 인한 물관리 위기는 보다 광역적인 규모에서 이루어지는 물 수지 균형, 물 순환, 그리고 생태계 서비스에 지대한 영향을 준다. 따라서 넓은 규모의 NbS가 작은 규모의 NbS 보다 효과적일 수밖에 없다(^{WWAP/UN-Water, 2018}). 홍수 및 가뭄 위험 저감에 있어서도 습지 재건, 유역 관리 등 광역 NbS의 효과가 토지이용규제 등 도시지역 NbS에 비해 훨씬 크며 근본 원인(source)을 다루는 상위 해결책으로 여겨진다(Fig. 4). 그럼에도 불구하고 광역적 혹은 비도시지역 NbS에 대한 연구는 부족한 실정이다.

Fig. 4. SPR (Source to Pathway to Receptor) (WWAP/UN-Water, 2018).

비도시지역에서 NbS의 개입형태는 관리(management)와 복원(restoration)으로 나눌 수 있다. 자연습지의 어류 개체수를 조절하는 것, 산림 수종을 탄소 흡착력 및 저장량이 높고 경제성이 높은 수종으로 대체하는 것은 기존 자연 생태계의 기능을 강화시키는 ‘관리’에 해당한다(^{Triest et al., 2016}). 반면 생태하천을 만들고 더 나아가 유역규모의 LID기법과 연계시키는 것은 자연성의 ‘복원’에 해당한다. 가장 보편적 광역 NbS 형태는 홍수범람유역에서 산림의 보존 및 재생, 재산림화, 자연 홍수저류지 복원, 홍수터 조성, 하천 폭 확대, 하천 식생대 조성, 자연하천 복원, 그리고 대규모 습지 조성이다 (^{Perosa et al., 2021}; ^{Turkelboom et al., 2021}; ^{U. S. EPA., 2005}). 대표적으로 네덜란드의 ‘Room for the River 프로젝트’가 있다. 2006년부터 2015년까지 라인-뫼즈강을 따라 9개의 광역 NbS 프로젝트를 수행하였다. 주된 작업은 홍수터 및 주수로 준설, 제방 후퇴 및 재배치, 고수위 수로(high-water channel) 건설, 홍수소통 장애물 제거, 제방 강화이다. 저류공간을 확보하고 습지화하여 서식지와 생태계를 보호하고 휴양기능도 강화하였다(^{Ruangpan et al., 2020}). 폴란드의 국립 산림청은 지하수위 감소로 인한 산림 황폐화와 산림습지 소멸을 막기 위해 국유림과 사유림에 소규모 저류지 조성 사업을 전개하였다(^{Matczak et al., 2019}). 수천개의 소규모 저류지와 소수의 댐을 설치한 결과 지하수위 상승에 큰 효과를 거뒀으며 가뭄예방 및 산불예방, 그리고 수생태계 복원에도 높은 효과가 있음을 입증하였다. 농어촌지역은 이러한 광역적 NbS로 높은 편익을 누릴 수 있다. 광역 인공습지는 관개 및 농업용수 등 비음용 용도에 적합한 용수를 생산할 수 있어 효과적이며 하류 오염 감소와 같은 전반적 편익도 발생하기 때문이다(^{WWAP/UN-Water, 2018}).

대규모 기후변화에 보다 효과적으로 대응하기 위해서는 광역적 차원의 NbS 설계가 필요하다. 광역적 NbS는 대규모 건설 및 관리 비용이 소요되며 오⋅폐수처리시스템 등 다른 광역 인프라와의 연계가 필수적으로 고려되어야 하는 등 매우 복잡한 속성을 지니고 있다. 유역과 연계되지 않은 생태하천복원은 안정적 수량과 수질을 확보할 수 없기에 하천의 지속가능성을 위해서는 유역 내 다양한 NbS 기법 적용을 통한 수량확보가 필수적이다(^{WWAP/UN-Water, 2018}). 해안지역과 산림지역도 NbS를 도입하여 다양한 재해 위험(예: 태풍, 풍랑, 해안 침식, 산사태)을 예방할 수 있는 잠재력이 매우 높다. 그러나 상대적인 불확실성과 복잡성으로 인해 광역 NbS에 대한 투자는 그레이인프라 투자와 소규모 NbS에 비해 상대적으로 미비한 실정이다.

3.1.3 재해범주별 분류

NbS는 예방하고자 하는 재해의 범주에 따라 그 유형을 분류할 수 있다. 크게 홍수, 가뭄, 폭염, 산사태, 그리고 폭풍해일과 연안침식의 5가지로 자연재해 유형을 구분할 수 있으며 그 세부적인 기법은 Table 2와 같다(^{Kumar et al., 2021}). 세부적인 기법들을 살펴보면, 다양한 형태의 자연 및 인공 습지의 사용이 가장 보편적으로 제시되며, 빗물정원의 설치, 투수층 확대, 생태저류지, 홍수터 복원, 재산림화, 천이적 식목, 둑턱(berm), 식생수로, 갈대밭, 망그로브, 수생식물 조성 등 앞서 살펴본 기존 친환경 공법들의 특징적 솔루션들이 고르게 포함되어 있음을 알 수 있다. 이는 NbS가 독창적 기법들을 제시한다기보다는 기존 친환경·생태공법들을 포괄적으로 지칭하는 상위 개념임을 다시 확인해준다.NbS는 기후변화로 인한 도시 및 연안 홍수 피해를 저감하기 위한 비용효과적인 수단이 될 수 있다. 홍수피해 저감 및 예방은 NbS의 효과가 가장 빈번히 검증된 부문이다. 네덜란드 에인트호벤에서 침투표면(porous pavement)의 다양한 확대⋅배치를 NbS로 활용한 연구는 홍수 시 침수면적 감소가 5년 주기 홍수의 경우 약 32%, 10년 주기 홍수는 23%, 그리고 100년 주기 홍수는 17%까지 가능함을 입증하였다(^{Costa et al., 2021}). 유럽의 도시들을 대상으로 NbS (자연 저류지, 생태수로)와 그레이 인프라의 비용편익을 분석한 결과, NbS는 그레이 인프라보다 세제곱미터당 15~63% 가량 적은 비용으로 동일한 수준의 홍수 피해를 예방하는 것으로 나타났다(^{Le Coent et al., 2021}). 염습지와 망그로브는 기존 공학적 대비책보다 2~5배 적은 비용이 드는 반면 홍수와 해일피해를 평균 약 70% 줄여주는 것으로 나타났다(^{Narayan et al., 2016}). 녹색지붕과 녹색벽 등 건물 중심 하이브리드 NbS 기법은 홍수저감 뿐만 아니라 생활하수 및 유출수 정화 측면에서 상당한 비용효과성과 에너지절약 잠재력을 가지고 있는 것으로 나타났다(^{Boano et al., 2020}; ^{World Bank, 2021}). 가뭄 피해 저감은 기후변화 대응 과제 중 가장 복잡한 분야이다. NbS의 가뭄 예방 효과에 관해 명확히 밝혀진 실증적 증거는 아직까지 부족하다(^{Debele et al., 2019}).

3.1.4 하이브리드 솔루션

NbS가 의미하는 솔루션에는 자연기반 해법을 기존 공학적 솔루션과 병합해 불확실성과 변동성을 낮추는 하이브리드 접근법(hybrid solutions)도 포함된다. 최상의 효과를 내기 위해서 종래의 엔지니어링 기법과 NbS를 결합하는 이러한 전략도 다양한 보고서와 연구들에서 제시되고 있다. 생태계가 수자원에 미치는 영향의 높은 변동성으로 인해 NbS의 효과에 대한 일반화가 어렵다는 점이 하이브리드 솔루션을 고려하게 되는 이유 중 하나이다. 일례로 고도처리시설을 통해 개선된 하수처리수를 수량이 부족한 인공습지, 수변공간, 지하수 충전에 연계시키는 방안은 공학적 해법과 자연적 해법을 적절히 융합해 시너지 효과를 노린 NbS의 일종으로 볼 수 있다(^{WWAP/ UN-Water, 2018}). 이와 비슷하게 다양한 그린인프라 기법은 댐 건설과 하수처리플랜트 운영을 보조할 수 있다(Table 3). NbS의 일종인 그린인프라와 그레이인프라를 결합하면 비용을 절감하고 수자원 변동성에 더욱 잘 대처할 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 현재 적절한 조합을 찾기 위한 기술적 지침이나 의사결정 가이드라인이 부재한 상황이며, 이런 이유로 프로젝트 개발계획 단계에서 쉽게 간과되고 있다(^{WWAP/ UN-Water, 2018}).