생태공학
1. 개요
생태공학은 자연 에너지원을 활용하여 환경 시스템을 조작하고 제어하는 것을 목표로 하는 학문 분야이다. 하워드 오덤에 의해 처음 소개되었으며, 사회와 자연에 이로운 문제를 해결하기 위한 다양한 접근 방식을 포괄한다. 생태계의 자기 설계 능력에 기반하며, 생태 이론을 현장에서 시험하고, 시스템적 접근 방식을 활용하여 비재생 에너지원을 보존하고 생태계와 생물학적 보존을 지원하는 것을 특징으로 한다.
설계 지침은 시스템 생태학과 공학 설계를 결합하며, 생태 경제학을 통합하고 생물학적 보존을 장려하는 가치 체계를 고려한다. 생태공학은 환경 공학, 토목 공학 등과 밀접한 관련이 있으며, 수자원 공학 분야에서 특히 광범위하게 중첩된다. 전 세계 여러 대학에서 관련 학술 커리큘럼이 운영되고 있으며, 환경 공학, 시스템 생태학, 복원 생태학 등의 과목을 포함한다. 한국에서는 1990년대 후반부터 환경 복원 사업에 적용되었으며, 4대강 사업 이후 생태 복원에 대한 사회적 요구가 높아지면서 기술 개발 및 적용이 활발하게 이루어지고 있다.
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생태 복원 -
물웅덩이
물웅덩이는 빗물 등으로 인해 지표면에 일시적으로 고인 물로, 자연적으로 사라지기도 하지만 도로 등 인공적인 요인으로 발생하기도 하며, 야생동물에게 수분 공급원이 되거나 질병 매개체가 되기도 하고, 교통사고나 아이들의 놀이 공간이 되기도 한다. -
생태 복원 -
경관생태학
경관생태학은 이질적인 토지 영역에서 상호작용하는 생태계 집합을 연구하며 공간 패턴이 생태 과정에 미치는 영향을 분석하는 학문으로, 패치, 주변, 생태축, 서식지 단편화 등의 개념을 포함하고 인간의 영향 또한 주요 연구 대상으로 한다. -
환경공학 -
슬러리
슬러리는 액체에 고체 입자가 분산된 혼합물로, 농도에 따라 다양하게 존재하며 유동성을 이용해 성형하거나 특정 목적의 재료, 시멘트나 석탄 슬러리 등으로 산업 분야에서 활용되고, 계산을 통해 고체 비율, 액체 질량, 체적 분율 등을 파악한다. -
환경공학 -
대기 확산 모델링
대기 확산 모델링은 대류권과 행성 경계층의 특성을 고려하여 대기 중 오염 물질의 확산 과정을 예측하는 기법으로, 가우시안 확산 방정식과 같은 수학적 모델을 활용하여 국내외 기관에서 대기 질 관리 및 정책 수립에 활용된다. -
분야별 공학 -
경영공학
경영공학은 과학적 관리법에서 시작하여 공장 생산성 향상을 목표로 발전해왔으며, 현재는 인간공학, 생산공학, 시스템 공학, 경영학 등 다양한 분야를 포괄하는 학문이다. -
분야별 공학 -
원자력공학
핵분열 발견 이후 시작된 원자력공학은 핵반응로 설계 및 건설, 원자력 발전, 방사성 폐기물 관리, 방사선 이용 등 원자력 관련 기술과 학문을 연구하며 에너지 생산 외 의료, 환경 등 다양한 분야에 기여하는 학문이다.
2. 기원, 핵심 개념 및 정의
생태공학은 1960년대 초 하워드 오덤 등에 의해 처음 소개되었으며, 환경 시스템을 조작하고 제어하기 위한 주요 투입물로서 자연 에너지원을 활용하는 것으로 정의된다. 오덤의 생태 모델링 및 생태계 시뮬레이션 연구는 자원 효율적 사용에 영향을 미치는 에너지와 물질 흐름의 전체적인 거시적 패턴을 포착하기 위한 것이었으며, 이는 생태공학의 기원이 되었다.
미치와 요르겐센은 생태공학을 사회와 자연에 이로운 문제를 해결하는 다른 접근 방식과 구별하는 다섯 가지 기본 개념을 다음과 같이 요약했다.
* 자기 설계 생태계의 능력에 기반한다.
* 생태 이론의 현장 시험이 될 수 있다.
* 시스템 접근 방식에 의존한다.
* 비재생 에너지원을 보존한다.
* 생태계 및 생물학적 보존을 지원한다.
미치와 요르겐센은 생태공학을 사회적 서비스를 설계하여 사회와 자연에 이롭게 하는 것으로 처음 정의했으며, 이후 설계는 시스템 기반, 지속 가능해야 하며 사회와 자연 환경을 통합해야 한다고 언급했다.
버겐 외는 생태공학을 다음과 같이 정의했다.
* 생태 과학과 이론을 활용한다.
* 모든 유형의 생태계에 적용한다.
* 엔지니어링 설계 방법을 적용한다.
* 지침 가치 시스템을 인정한다.
바렛(1999)은 이 용어에 대해 "인류에게 이익을 주고, 종종 자연에도 이익을 주기 위해 조경/수생 구조물과 관련 식물 및 동물 군집(즉, 생태계)을 설계, 건설, 운영 및 관리(즉, 엔지니어링)하는 것."이라고 정의했다. 바렛은 이어서 "동등하거나 유사한 의미를 가진 다른 용어로는 생태 기술과 침식 제어 분야에서 가장 자주 사용되는 두 가지 용어인 토양 생체 공학 및 생물 기술 공학이 있다. 그러나 생태 공학은 세포 수준에서 유전 공학을 설명할 때 '생명 공학'과 혼동해서는 안 되며, 인공 신체 부위의 건설을 의미하는 '생체 공학'과도 혼동해서는 안 된다."고 설명한다.
3. 설계 지침, 기능 분류 및 설계 원칙
생태공학 설계는 시스템 생태학과 공학 설계 과정을 결합한다. 공학 설계는 일반적으로 문제 공식화(목표), 문제 분석(제약 조건), 대체 솔루션 검색, 대안 선택, 솔루션 명세 단계를 거친다. 설계 솔루션이 생태학적 시간을 고려하도록 시간적 설계 프레임워크가 제시되었다. 대안 선택 시 설계는 생태 경제학을 통합하고, 생물학적 보존을 장려하며, 사회와 자연에 이익이 되는 가치 체계를 고려해야 한다.
미치와 요르겐센은 생태공학 설계를 위한 5가지 기능 분류를 제시하였다.
# 오염 문제를 줄이거나 해결하기 위해 활용되는 생태계 (예: 식물 정화, 폐수 습지, 폭풍우 유출수 생물 유지)
# 자원 문제를 해결하기 위해 모방하거나 복제된 생태계 (예: 산림 복원, 대체 습지, 가로변 빗물 정원 설치)
# 교란 후 복구된 생태계 (예: 광산 토지 복원, 호수 복원, 수로 수생 복원)
# 생태학적으로 건전한 방식으로 수정된 생태계 (예: 선택적 벌목, 생물 조작, 포식성 물고기 도입)
# 균형을 파괴하지 않고 이점을 위해 사용되는 생태계 (예: 지속 가능한 농업 생태계, 다종 양식, 혼농임업 부지 도입)
미치와 요르겐센은 생태공학을 위한 19가지 설계 원칙을 제시하였으며, 모든 원칙이 단일 설계에 기여할 것으로 예상되는 것은 아니다. 아래는 그 목록이다.
* 생태계 구조 및 기능은 시스템의 힘 함수에 의해 결정된다.
* 생태계에 대한 에너지 투입과 생태계의 가용 저장 용량은 제한적이다.
* 생태계는 개방적이고 소산적인 시스템이다. (열역학적 에너지, 물질, 엔트로피의 균형이 아닌 복잡하고 혼돈스러운 구조의 자발적인 출현)
* 오염을 예방하거나 생태계를 복원하는 데 가장 전략적인 것은 제한된 수의 지배/제어 요인에 대한 주의이다.
* 생태계는 강력하게 가변적인 투입의 영향을 완화하고 억제하는 어느 정도의 항상성 능력을 가지고 있다.
* 생태계의 속도에 재활용 경로를 일치시키고 오염 영향을 줄인다.
* 가능한 모든 곳에서 펄스 시스템을 위해 설계한다.
* 생태계는 자체 설계 시스템이다.
* 생태계의 과정은 환경 관리에 고려해야 하는 특성적인 시간 및 공간 규모를 가지고 있다.
* 생태계의 자체 설계 능력을 유지하기 위해 생물 다양성을 옹호해야 한다.
* 생태계에 있어 변연역, 즉 전이 구역은 세포의 막만큼 중요하다.
* 가능한 모든 곳에서 생태계 간의 결합을 활용해야 한다.
* 생태계의 구성 요소는 서로 연결되어 있고, 상호 관련되어 있으며, 네트워크를 형성한다. 생태계 개발의 직접적인 노력뿐만 아니라 간접적인 노력도 고려한다.
* 생태계는 개발의 역사를 가지고 있다.
* 생태계와 종은 지리적 가장자리에서 가장 취약하다.
* 생태계는 계층적 시스템이며 더 큰 경관의 일부이다.
* 물리적 및 생물학적 과정은 상호 작용하며, 물리적 및 생물학적 상호 작용을 모두 알고 이를 적절하게 해석하는 것이 중요하다.
* 에코 기술은 가능한 한 모든 상호 작용하는 부분과 프로세스를 통합하는 전체적인 접근 방식을 필요로 한다.
* 생태계의 정보는 구조에 저장된다.
4. 다른 공학 분야와의 관계
생태공학은 환경 공학, 토목 공학 등 다른 공학 분야와 밀접하게 관련되어 있으며, 특히 강우수 및 폐수의 처리와 관리를 포함하는 수자원 공학 분야에서 겹치는 부분이 많다. 그러나 각 분야는 고유한 전문성을 가진다.
생태공학은 주로 자연 환경과 자연 인프라에 중점을 두고, 인간과 지구의 관계에 대한 중재를 강조한다. 반면 토목 공학은 구축된 인프라와 공공 사업에, 환경 공학은 폐기물 처리 및 관리를 통한 공중 보건 및 환경 건강 보호에 중점을 둔다.
5. 학술 커리큘럼 (대학)
생태공학을 위한 학술 커리큘럼은 환경 공학, 시스템 생태학, 복원 생태학, 생태 모델링, 정량적 생태학, 생태 공학의 경제학 및 기술 선택 과목을 핵심 요소로 포함한다. 오리곤 주립대학교에서 2009년 세계 최초로 생태공학 학사(B.S.) 프로그램이 공식화되었다.
2024년 미국 공학 기술 인증 위원회(ABET)는 처음으로 생태 공학 프로그램 인증 기준을 발표했다. 인증을 받기 위한 생태 공학 학사 프로그램은 다음을 포함해야 한다.
* 미분 방정식, 확률 및 통계를 포함한 수학, 미적분 기반 물리학, 대학 수준 화학
* 지구 과학, 유체 역학, 수력학 및 수문학
* 다양한 규모의 다중 유기체 자가 유지 시스템, 시스템 생태학, 생태계 서비스 및 생태 모델링에 중점을 둔 생물학 및 고급 생태 과학
* 물질 및 에너지 균형, 공기, 물 및 토양 내 및 사이의 물질의 운명 및 이동, 생명 시스템의 열역학
* 기후, 종 다양성, 자기 조직화, 불확실성, 지속 가능성, 탄력성, 생태 및 사회 시스템 간의 상호 작용, 시스템 규모의 영향 및 이점을 고려하는 공학 설계에 대한 생태학적 원리의 적용