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문제 정의
- 관측점으로 군집화 함으로서 동일군집내에 속해있는 관측점의 수질특성을 조사하기 위한 목적으로 이용된다. 요인분석은 변수들 간의 상관관계를 이용하여 서로 유사한 변수들끼리 묶어주는 방법으로, 여러 항목이 복잡 하게 연관되어 있어 직접적인 해석이 어려운 항목간의 관계를 보다 간결하게 묶음으로서 그 특징을 쉽게 해석 하고 평가하는데 목적이 있다.
- 요인분석은 변수들 간의 상관관계를 이용하여 서로 유사한 변수들끼리 묶어주는 방법이다(Johnson과 Wichem, 1988). 따라서, 여러 항목이 복잡하게 연관 되어 있어 직접적인 해석이 어려운 항목간의 관계를 보다 간결하게 묶음으로서 그 특징을 쉽게 해석하고 평가 하는데 목적이 있다. 요인모델은 벡터 X = ( x1, x2, .
- 본 연구에서는 환경부<2000a)에서 관리하는 삽교호 유역 수질관측점의 월별 수질자료를 이용하여 수질의 일반적 특성을 분석하였고, 삽교호유역의 주요 본류 및 지류에 위치한 수질관측지점의 수질자료를 이용하여 군 집분석을 실시하여 서로 비슷한 수질특성을 가지고 있는 관측지점을 몇 개의 군집으로 군집화하였다 또한 서로 다른 군집으로 분류된 수질관측지점들에 대한 요 인분석을 실시하여 각기 서로 다른 수질특성을 보이는 요인을 알아보았다
가설 설정
- 는 , 번째 특수분산 (specific variance)이다. 네 번째 가정으로는 F와 U가 독립적이다. 즉, Cov(F, U) =E(UF) = 0 이다.
제안 방법
- 군집분석결과에 의하면 삽교호유역의 수질은 지류별 로 상이한 수질특성을 보이는 것으로 나타났다. 따라서, 삽교호유역의 수질은 삽교호(R1 ~R3), 삽교천(Sl~ S3), 무한천(Ml ~M4) 및 곡교천(kC21, K24, K25, K31) 의 4개 그룹으로 나눌 수가 있었으며, 각 수질관 측지점의 수질요인을 알아보기 위하여 요인분석을 실시하였다. 수질자료를 이용한 요인분석을 수행하기 위하여 필요한 가정인 자료의 정규분포성을 만족시키기 위하여 원래의 자료에 상용대수를 취하여 자료를 변환하였다.
- 본 연구에서는 첫번째로 삽교호유역의 주요 본류 및 지류에 위치한 19곳의 수질관측지점의 수질변수를 이용한 군집분석을 실시하여 서로 비슷한 수질특성을 가지고 있는 관측지점을 몇 개의 군집으로 군집화하였다. 또한 서로 다른 군집으로 분류된 수질관측지점들에 대한 요인분석을 실시하여 각기 서로 다른 수질특성을 보이는 요인을 알아보았다. 따라서 본 연구의 결과는 삽 교호유역에 위치한 기존의 수질관측 지점간의 수질특성 연구에 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
- Table 2에서는 19곳의 수질관측 지점의 cluster membership을 보여주고 있다. 본 연구에서는 너무 세 분하여 수질관측지점을 수질특성별로 분류하여 군집화 하는 경우 군집분석의 의미가 상실된다는 점을 고려하여 2~7개의 군집만을 예시하였다. 2개의 군집으로 분 류하였을 경우에 천안공단만이 다른 수질특성을 보였으 며 3개의 군집으로 분류하였을 경우에는 K24와 K31 지 점이 그 외 17곳의 수질관측지점의 수질과 상이한 특성을 보였다.
- 본 연구에서는 삽교호유역의 주요 본류 및 지류관측 지점에서의 수질변수를 이용한 군집분석 (Johnson과 Wichem, 1988)을 실시하여 서로 비슷한 수질특성을 가지고 있는 관측지점을 군집화하였으며, 또한 가장 수 질특성이 다른 군집으로 분류된 수질관측지점을 선정하여 수질관측지점의 수질요인을 비교 · 분석하였다
- 본 연구에서는 첫번째로 삽교호유역의 주요 본류 및 지류에 위치한 19곳의 수질관측지점의 수질변수를 이용한 군집분석을 실시하여 서로 비슷한 수질특성을 가지고 있는 관측지점을 몇 개의 군집으로 군집화하였다. 또한 서로 다른 군집으로 분류된 수질관측지점들에 대한 요인분석을 실시하여 각기 서로 다른 수질특성을 보이는 요인을 알아보았다.
- 삽교호유역 19곳의 수질관측 지점의 수질특성에 따른 군집화 경향을 알아보기 위하여 군집분석을 실시하 였고, 서로 다른 군집으로 분류된 수질관측지점들에 대한 요인분석을 실시하여 각기 서로 다른 수질특성을 보이는 요인을 알아보았다. 군집분석 결과에 의하면 삽교 호 유역에서 수질 자료를 분석한 결과 오염도에 따른 특성이 있음을 알 수 있었다 군집분석한 결과 삽교호 유역의 수질은 삽교호 삽교천 무한천 및 곡교천의 4개 그룹으로 나눌 수가 있었다.
- 따라서, 삽교호유역의 수질은 삽교호(R1 ~R3), 삽교천(Sl~ S3), 무한천(Ml ~M4) 및 곡교천(kC21, K24, K25, K31) 의 4개 그룹으로 나눌 수가 있었으며, 각 수질관 측지점의 수질요인을 알아보기 위하여 요인분석을 실시하였다. 수질자료를 이용한 요인분석을 수행하기 위하여 필요한 가정인 자료의 정규분포성을 만족시키기 위하여 원래의 자료에 상용대수를 취하여 자료를 변환하였다. 삽교호 유역의 하천과 저수지를 대상으로 요인 분석한 결과는 Table 3~6과 같다.
- 이 식은 변수값들의 차이를 제곱하여 합산한 거리, 다차원 공간에서 직선최단거리를 말하며, 가장 일반적으로 사용되는 거리측정방법이다. 이때 거리의 계산시 만약 변 수값을 표준화하지 않는다면 변수값의 단위에 따라 상 이한 결과를 초래할 수 있기 때문에 본 연구에서는 분 석에 앞서 수질자료의 표준화를 통하여 선정된 수질변 수들의 중요도를 표준화하였다
- 인구의 증가, 산업의 발달 및 도시화로 인해 유역하 천으로부터 생활하수와 산업폐수가 다량 유입되고, 또한 농경지나 산지 등 비점오염원으로부터 오염물질이 하천으로 유입되어 하천의 자정능력 범위를 초과하게 되면, 수질의 오염도가 증가하게 된다. 이와 같이 각 지류로부터 하천본류로 유입되는 오염물질은 지류유역의 특성, 즉 토지이용 조건, 인구밀도 및 산업조건 등에 따라 상이하게 다르다 따라서 여러 지류 및 본류지점에 위치한 수질관측 지점으로부터 측정되어진 수질자료들 을 이용하여 다변량 수질분석을 실시함으로서 전반적인 각 수질관측 지점간의 수질특성을 파악할 수 있을 것이 다 다변량분석은 연구대상으로부터 측정된 2개 이상의 변수들의 관계를 동시에 분석할 수 있는 통계적인 기법 으로 요인분석, 회귀분석, 다변량분산분석, 판별분석, 군집분석 등이 있으며, 본 연구에서는 군집분석과 요인 분석을 통하여 수질자료의 분석을 실시하였다.
대상 데이터
- 1에 나타나 있으며, 관 측 지점명은 충의대교(S1), 구만교(S2), 구양교(S3), 신대51(M1), 동산교(M2), 송지리(M3), 예당저수지댐 (M4), 신례원교 (M5), 남부교 (M23), 원성교(K22), 남산교(K21), 천안공단(K24), 휴대교(K25), 남관교 (K11), 옥정교(K31), 강청교(K12), 군덕리(R1), 대음 리(R2) 및 삽교호방조제(R3) 등이다. 또한 분석에 이 용된 수질자료는 8개의 기초 수질자료로서 즉, 용존산 소(1)0), 생화학적산소요구량(BOD), 화학적 산소요구량 (COD), 부유물질(TSS), 총대장균군수(TC), 총질소 (TN), 총인(TP) 및 전기전도도(SC)이다
- 본 연구를 위해서 사용되어진 수질자료는 환경부 (2000a)에서 관리하는 수질관측점의 월별 수질자료로 서 삽교호유역의 본류 및 지류에 위치한 수질관측 지점 의 월별자료를 이용하였으며 자료의 기간은 1995년 1 월부터 1999년 12월까지이다. 삽교호유역에서 선택된 19곳의 수질관측 지점들은 Fig.
- 본 연구에서 분류의 대상은 삽교호유역의 본류 및 지류에 위치한 19곳의 서로 다른 수질관측지점이며, 분류를 위하여 각 수질관측지점에서 관측되어진 수질 자료의 평균값을 이용하였다. 19개의 수질관측 지점을 군집화하기 위하여 적용되어진 방법은 single-linkage agglomeration hieramhical 방법(Barlett, 1938)이다.
이론/모형
- 본 연구에서 분류의 대상은 삽교호유역의 본류 및 지류에 위치한 19곳의 서로 다른 수질관측지점이며, 분류를 위하여 각 수질관측지점에서 관측되어진 수질 자료의 평균값을 이용하였다. 19개의 수질관측 지점을 군집화하기 위하여 적용되어진 방법은 single-linkage agglomeration hieramhical 방법(Barlett, 1938)이다. 이 방법은 기존의 군집에 속해 있는 대상 중에서 어느 하나와 가장 가까운 대상으로부터 군집에 편입시 키는 방법이다.
- 이 방법은 기존의 군집에 속해 있는 대상 중에서 어느 하나와 가장 가까운 대상으로부터 군집에 편입시 키는 방법이다. 또한 대상 자료들의 유사성을 거리로 환산하기 위하여 euclidean distance 방법을 적용하였으며, 이 방법은 다음 식(1)로 표현되어질 수 있다. 이 식은 변수값들의 차이를 제곱하여 합산한 거리, 다차원 공간에서 직선최단거리를 말하며, 가장 일반적으로 사용되는 거리측정방법이다.
성능/효과
- 본 연구에서는 너무 세 분하여 수질관측지점을 수질특성별로 분류하여 군집화 하는 경우 군집분석의 의미가 상실된다는 점을 고려하여 2~7개의 군집만을 예시하였다. 2개의 군집으로 분 류하였을 경우에 천안공단만이 다른 수질특성을 보였으 며 3개의 군집으로 분류하였을 경우에는 K24와 K31 지 점이 그 외 17곳의 수질관측지점의 수질과 상이한 특성을 보였다. 4개 수질특성 군집으로 분류하였을 경우에 K24, K31 지점 그리고 K25지점이 그 이외의 16개 지 점과 비교하여 각기 다른 수질특성을 보였다.
- 2개의 군집으로 분 류하였을 경우에 천안공단만이 다른 수질특성을 보였으 며 3개의 군집으로 분류하였을 경우에는 K24와 K31 지 점이 그 외 17곳의 수질관측지점의 수질과 상이한 특성을 보였다. 4개 수질특성 군집으로 분류하였을 경우에 K24, K31 지점 그리고 K25지점이 그 이외의 16개 지 점과 비교하여 각기 다른 수질특성을 보였다. 5개의 군 집으로 분류하는 경우 이들 3개 지점을 포함한 K21 지 점의 수질이 다른 지점의 수질과 상이한 독립적인 수질 특성을 보였다.
- 4 mg O2/l이었다. K24, K25 및 K31 지점의 평균값이 5.9 mg 로서 그 수준 이하이었고, 다른 지점에 비해 DO의 결핍이 현저하였다 SC는 무한천이 211 uS/ cm로서 낮았고, 곡교천이 686 µS/cm로서 높았다. SS는 평균값이 17.
- 3은 19곳의 수질관측 지점이 군집화되어 가는 과정을 보여주는 수지도 (dendrogram) 이다. R1과 R2 간의 Euclidean distance ( dkt)가 가장 작으 며, M4와 K24 사이의 Euclidean distance (dkl)가 가장 큰 것으로 나타났다 이는 19곳의 수질관측지점 중에서 M4와 K24의 수질특성이 가장 다르며, R1과 R2사이의 수질특성이 가장 유사하다는 것을 보여준다. 또한 삽교호유역 중 오염부하량이 클 것으로 사 료되는 천안시에 위치한 수질관측지점(K21, K22, K23, K24, K25)의 수질은 예당저수지 상류에 위치 한 수질관측점(Ml, M2, M3, M4)과 가장 다른 수질 특성을 보여주었다
- 결과적으로 삽교호 유역에서 수질의 오염도를 평가 한 결과 곡교천의 수질이 가장 악화되어 있고 그 다음 으로 삽교천, 삽교호 그리고 무한천의 순으로 나타났다. 또한 무한천 (Ml ~ M4) 과 곡교천 (k11) 의 상류는 매우 청정한 수질을 유지하여 도시와 공단게 인접한 천 안천과 온천천의 수질과는 크게 대비되었다.
- 이것은 하류로 유하하면서 농경지와 주거지로부터 비롯되는 탁수와 농촌 생활하수의 영향이 컸던 것으로 추정되었다. 곡교천의 중상류부로 유입되는 천안천은 TN, TP 및 SC가 K21에서 각각 0.64, 0.79, 0.57, K22에서 0.86, 0.70, 0.73 및 K23에서 0.82, 0.70, 0.74로서 수 질의 지배 요인으로 볼 수 있었고 BOD와 COD가 K22에서 0.82, 0.79, K23에서 Q.76, 0.87로서 주요 인 자에 해당하였다. 하.
- 삽교호유역 19곳의 수질관측 지점의 수질특성에 따른 군집화 경향을 알아보기 위하여 군집분석을 실시하 였고, 서로 다른 군집으로 분류된 수질관측지점들에 대한 요인분석을 실시하여 각기 서로 다른 수질특성을 보이는 요인을 알아보았다. 군집분석 결과에 의하면 삽교 호 유역에서 수질 자료를 분석한 결과 오염도에 따른 특성이 있음을 알 수 있었다 군집분석한 결과 삽교호 유역의 수질은 삽교호 삽교천 무한천 및 곡교천의 4개 그룹으로 나눌 수가 있었다. 삽교호 유역에서 수질의 오염도를 평가한 결과 곡교천의 수질이 가장 악화되어 있고 그 다음으로 삽교천, 삽교호 그리고 무한천의 순 으로 나타났다.
- 66)가 제 3요인으로 추출되어 유기물과 영양염의 부 하가 높았고 이것은 천안천과 유사한 양상이었다. 끝으 5, 삽교호는 상류의 R1에서 COD (0.81), BOD (0.70), TP (0.63) 및 SS (0.60) 가 제 1요인으로 나타난 반면, R2와 R3는 각각 SC 0.82, 0.80, DO 0.70, 0.81 및 TN 0.69, 0.64가 제 1요인으로서, 삽교천과 무한천 그리고 곡교천에서 높은 부하를 보인 인자가 주 된 요인으로 추출되어 유입지천의 영향^ 잘 반영되었다. 본 연구는 조사지점에 대한 유입하천의 특성을 고려한 요인분석으로서 계절적인 영향을 포함시킨다면 더욱 복잡한 양상을 보일 것으로 생각되지만 평균 수질로 볼 때, 천안천과 온천천의 오염 수준은 다른 하천과는 매우 상이한 수질을 보임으로서 이에 대한 대책 마련이 시급한 것으로 판단된다.
- M4는 농촌 저수지의 최하류 지점으로 비교적 청정한 수역인데 반해 K24는 천안하?폐수종말처리장 (시설용량 70천톤/일, 표준활성 슬러지법)직후에 위치하고 있어 생활 및 공단 오?폐수 를 차집 처리하여 배출하는 처리수의 영향이 매우 큰 곳이다 (환경부 2000b). 따라서 M4와 K24지점은 오 염도의 양극화 현상이 뚜렷하였고 하류의 삽교호에 미 칠 수 있는 영향 잠재력도 비교될 수 있었다. K31은 아산하수종말처리장 (시설용량 36천톤/일, 표준활성슬 러지법)을 수계에 두고 있어 천안천 다음으로 오염이 심한 전형적인 도시하천에 해당한다.
- 8?02 MPN/ml로서 다른 하천보다 146~ 3, 640배 범위로 많았다. 따라서, 곡교천은 미생물 오염 이 극심함을 알 수 있었고, 현재 우리나라 하수처리 과정에서 하 . 폐수와 분뇨를 합병처리 (2차처리)하는 것 에 기인하는 결과 (신재기 등, 2001)로 볼 수 있었다.
- 폐수종말처리장에서 처리 수가 배출되는 직후 지점과 상이한 수질양상을 보여주 었다. 또한 삽교호는 삽교천과 무한천 그리고 곡교천에서 높은 부하를 보인 인자가 주된 요인으로 추출되어 유입지천의 영향이 잘 반영되었다. 본 연구는 조사지점 에 대한 유입하천의 특성을 고려한 요인분석으로서 계 절적인 영향을 포함시킨다면 더욱 복잡한 양상을 보일 것으로 생각되지만 평균 수질로 볼 때, 천안천과 온천 천의 오염 수준은 다른 하천과는 매우 상이한 수질을 보임으로서 이에 대한 대책 마련이 시급한 것으로 판단된다.
- 삽교호 유역에서 수질 자료를 분석한 결과 오염도에 따른 특성이 있음을 알 수 있었다. 수질조사 지점간 Euclidean distance 행렬에서 가장 차이가 큰 지점은 M4와 K24로서 특히 DO, BOD, COD, SS, TN, TP 및 SC 요인 영향이 대별되었다.
- 결과적으로 삽교호 유역에서 수질의 오염도를 평가 한 결과 곡교천의 수질이 가장 악화되어 있고 그 다음 으로 삽교천, 삽교호 그리고 무한천의 순으로 나타났다. 또한 무한천 (Ml ~ M4) 과 곡교천 (k11) 의 상류는 매우 청정한 수질을 유지하여 도시와 공단게 인접한 천 안천과 온천천의 수질과는 크게 대비되었다.
- 삽교호 유역에서 수질 자료를 분석한 결과 오염도에 따른 특성이 있음을 알 수 있었다. 수질조사 지점간 Euclidean distance 행렬에서 가장 차이가 큰 지점은 M4와 K24로서 특히 DO, BOD, COD, SS, TN, TP 및 SC 요인 영향이 대별되었다. M4는 농촌 저수지의 최하류 지점으로 비교적 청정한 수역인데 반해 K24는 천안하?폐수종말처리장 (시설용량 70천톤/일, 표준활성 슬러지법)직후에 위치하고 있어 생활 및 공단 오?폐수 를 차집 처리하여 배출하는 처리수의 영향이 매우 큰 곳이다 (환경부 2000b).
- 윤양호와 박종식(2000)은 주성분분석을 적용하여 거금수도의 수질환경 및 식물프랑크톤의 변동요인을 해 석하였다. 연구결과에 따르면 계절에 따라 거금수도의 해양환경을 지배하는 요인이 다르게 나타나고 있으며, 거금수도는 지속적으로 유입되는 하천 등의 결여로 수 도내의 영양염류는 해조류양^장 등에서 유입되는 유기 물분해에 의한 재순환과 해수의 유입에 의존하는 비율이 큰 것으로 나타났다.
- 최근 들어 삽교호유역에 위치한 하천들의 수질이 점차 오염되어 수질개선을 위한 대책수립이 절실히 요구 되고 있다. 이들 수질오염 발생부하량을 인구 산업 및 축산별로 구분해 보면 인구에 의한 오염발생량은 전체 발생원의 86%, 산업에 의한 오염발생량은 10%, 리 고 축산폐수에 의한 오염발생량은 4% 정도에 해당한 다 또한 생화학적산소요구량을 고려하여 삽교호 유역 의 오염발생원을 분석하면 인구가 37.5%, 산업이 2.2%, 축산이 37.5%, 양식장이 2.8%, 온천이 10.3% 그리고 토지이용에 따른 오염발생량이 약 9.7% 정도 에 해당한다. (금강환경관리청, 1997).
- 하.? 폐수종말처리장에서 처리수가 배 출된 직후인 K24에서는 BOD (0.87), COD (0.85) 및 SC (0.68) 가 제 1요인으로 DO (0.81) 가 제 2요인으 로, TN (0.79), TP (0.79)가 제 3요인으로 추출되어 용존 전해질이 풍부할 뿐만 아니라 과다한 유기물 유입 에 따른 DO의 요구도가 높은 것으로 설명될 수 있었 고, 질소와 인의 부하도 매우 큼을 알 수 있었다 천안 천 하류 (K25)는 천안천 중류 (K21~K23)와 하수처 리장 (K24)의 영향을 복합적으로 받아 전술한 제 1요 인이 모두 해당하였다.
후속연구
- 또한 서로 다른 군집으로 분류된 수질관측지점들에 대한 요인분석을 실시하여 각기 서로 다른 수질특성을 보이는 요인을 알아보았다. 따라서 본 연구의 결과는 삽 교호유역에 위치한 기존의 수질관측 지점간의 수질특성 연구에 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
- 64가 제 1요인으로서, 삽교천과 무한천 그리고 곡교천에서 높은 부하를 보인 인자가 주 된 요인으로 추출되어 유입지천의 영향^ 잘 반영되었다. 본 연구는 조사지점에 대한 유입하천의 특성을 고려한 요인분석으로서 계절적인 영향을 포함시킨다면 더욱 복잡한 양상을 보일 것으로 생각되지만 평균 수질로 볼 때, 천안천과 온천천의 오염 수준은 다른 하천과는 매우 상이한 수질을 보임으로서 이에 대한 대책 마련이 시급한 것으로 판단된다.
- 64가 제 1요인으로서, 삽교천과 무한천 그리고 곡교천에서 높은 부하를 보인 인자가 주 된 요인으로 추출되어 유입지천의 영향^ 잘 반영되었다. 본 연구는 조사지점에 대한 유입하천의 특성을 고려한 요인분석으로서 계절적인 영향을 포함시킨다면 더욱 복잡한 양상을 보일 것으로 생각되지만 평균 수질로 볼 때, 천안천과 온천천의 오염 수준은 다른 하천과는 매우 상이한 수질을 보임으로서 이에 대한 대책 마련이 시급한 것으로 판단된다.
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