국가 지하수관측소 지하수위, 전기전도도 및 수온자료에 대한 모수적 및 비모수적 변동 경향성 분석 Parametric and Non-parametric Trend Analysis of Groundwater Data Obtained from National Groundwater Monitoring Stations원문보기
본 연구에서는 국가 지하수관측소에서 획득한 지하수위, 전기전도도 및 수온 관측자료에 대해 모수 및 비모수 경향 분석을 실시하였다. 분석대상은 2003년까지 3년 이상 모니터링을 실시하고 있는 관측소의 지하수 자료이며, 이에는 충적관측정 95개소와 암반관측정 169개소가 해당된다. 모수분석으로 일평균 및 월중앙값에 대해 선형회귀분석을, 그리고 비모수분석으로 월중앙값에 대해 Mann-Kendall test 및 Sen's test를 적용하였다. 선형회귀분석을 통해서는 약50%의 관측정에서 수위, 전기전도도 및 수온이 증가경향을 나타내었고 나머지 절반은 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 월중앙값을 이용한 비모수 경향분석에서는 99% 신뢰수준에서 지하수위는 $14.8{\sim}20.0%$가 감소경향으로 나타났고, 전기전도도는 $24.2{\sim}36.9%$가 증가경향을 보였으며, 수온의 경우에는 $27.4{\sim}32.5%$가 증가경향을 보였다. 높은 비율의 관측정에서 증가 혹은 감소의 경향성을 보이는 것은 분석대상 기간이 상대적으로 짧은(최장 6년) 것에 기인한 결과일 수 있다. 한편 현장조사를 실시하여 평가한 결과에서 나타난 지하수위 혹은 전기전도도의 감소 혹은 증가경향 자체가 직접적인 지하수 장해를 의미하지는 않는다. 결국 장기적인 경향성과 더불어 해당 인자의 값 자체 및 감소율을 고려하여야 한다. 본 연구는 국가 지하수관측소 자동 측정자료에 대한 최초의 전면적인 경향분석 결과이다. 이번 연구사례를 토대로 국내 지하수 자원의 전체적인 변동상황을 파악하기 위해서는 정기적인 경향분석을 수행할 필요가 있다.
본 연구에서는 국가 지하수관측소에서 획득한 지하수위, 전기전도도 및 수온 관측자료에 대해 모수 및 비모수 경향 분석을 실시하였다. 분석대상은 2003년까지 3년 이상 모니터링을 실시하고 있는 관측소의 지하수 자료이며, 이에는 충적관측정 95개소와 암반관측정 169개소가 해당된다. 모수분석으로 일평균 및 월중앙값에 대해 선형회귀분석을, 그리고 비모수분석으로 월중앙값에 대해 Mann-Kendall test 및 Sen's test를 적용하였다. 선형회귀분석을 통해서는 약50%의 관측정에서 수위, 전기전도도 및 수온이 증가경향을 나타내었고 나머지 절반은 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 월중앙값을 이용한 비모수 경향분석에서는 99% 신뢰수준에서 지하수위는 $14.8{\sim}20.0%$가 감소경향으로 나타났고, 전기전도도는 $24.2{\sim}36.9%$가 증가경향을 보였으며, 수온의 경우에는 $27.4{\sim}32.5%$가 증가경향을 보였다. 높은 비율의 관측정에서 증가 혹은 감소의 경향성을 보이는 것은 분석대상 기간이 상대적으로 짧은(최장 6년) 것에 기인한 결과일 수 있다. 한편 현장조사를 실시하여 평가한 결과에서 나타난 지하수위 혹은 전기전도도의 감소 혹은 증가경향 자체가 직접적인 지하수 장해를 의미하지는 않는다. 결국 장기적인 경향성과 더불어 해당 인자의 값 자체 및 감소율을 고려하여야 한다. 본 연구는 국가 지하수관측소 자동 측정자료에 대한 최초의 전면적인 경향분석 결과이다. 이번 연구사례를 토대로 국내 지하수 자원의 전체적인 변동상황을 파악하기 위해서는 정기적인 경향분석을 수행할 필요가 있다.
Trends of variation in groundwater levels, electrical conductivities and water temperatures obtained from the national groundwater monitoring stations (95 shallow and 169 deep wells) of Korea were evaluated. For the analysis, both parametric (linear regression) and non-parametric (Mann-Kendall test,...
Trends of variation in groundwater levels, electrical conductivities and water temperatures obtained from the national groundwater monitoring stations (95 shallow and 169 deep wells) of Korea were evaluated. For the analysis, both parametric (linear regression) and non-parametric (Mann-Kendall test, Sen's test) methods were adopted. Results of linear regression analysis indicated that about 50% of the monitoring wells showed increasing trends of groundwater levels, electrical conductivities, and water temperatures and the others showed decreasing trends. However, the non-parametric analyses with monthly median values revealed that $14.8{\sim}20.0%$ of water levels were decreased, $24.2{\sim}36.9%$ of electrical conductivities were increased, and $27.4{\sim}32.5%$ of water temperatures were increased at a confidence level of 99%. Highly proportions of increasing or decreasing trends were unexpected and they resulted from the relatively short term of data collection (maximum 6 years). Meanwhile, the investigation of groundwater around the national groundwater monitoring stations showed that the decreasing or increasing trends of water levels, electrical conductivities, themselves, didn't indicate directly groundwater hazards such as groundwater depletion or groundwater contamination. Both the values and variation rates (slopes) of water level, electrical conductivity and temperature in the longer period are considered simultaneously. This study is the first comprehensive work in analyzing trends of groundwater data obtained from the national groundwater monitoring stations. Based on this study, the periodical and regular analysis of groundwater data is essentially required to grasp the overall variational trend of groundwater resources in the country.
Trends of variation in groundwater levels, electrical conductivities and water temperatures obtained from the national groundwater monitoring stations (95 shallow and 169 deep wells) of Korea were evaluated. For the analysis, both parametric (linear regression) and non-parametric (Mann-Kendall test, Sen's test) methods were adopted. Results of linear regression analysis indicated that about 50% of the monitoring wells showed increasing trends of groundwater levels, electrical conductivities, and water temperatures and the others showed decreasing trends. However, the non-parametric analyses with monthly median values revealed that $14.8{\sim}20.0%$ of water levels were decreased, $24.2{\sim}36.9%$ of electrical conductivities were increased, and $27.4{\sim}32.5%$ of water temperatures were increased at a confidence level of 99%. Highly proportions of increasing or decreasing trends were unexpected and they resulted from the relatively short term of data collection (maximum 6 years). Meanwhile, the investigation of groundwater around the national groundwater monitoring stations showed that the decreasing or increasing trends of water levels, electrical conductivities, themselves, didn't indicate directly groundwater hazards such as groundwater depletion or groundwater contamination. Both the values and variation rates (slopes) of water level, electrical conductivity and temperature in the longer period are considered simultaneously. This study is the first comprehensive work in analyzing trends of groundwater data obtained from the national groundwater monitoring stations. Based on this study, the periodical and regular analysis of groundwater data is essentially required to grasp the overall variational trend of groundwater resources in the country.
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문제 정의
본 연구에서는 1995년이래 건설교통부와 한국수자원공사에서 국가 기본관측망으로 전국에 걸쳐 설치하고 있는 국가 지하수관측소에서 얻은 지하수위, 전기전도도 및 수온 자료에 대해 모수 및 비모수 경향분석을 실시하였다. 선형회귀분석을 통해서는 약 50% 관측정의 수위, 전기전도도 및 수온이 증가경향(양의 기울기)을 나타내었고 나머지 절반은 감소하는 것으로 평가되었다.
본 연구에서는 국가 지하수관측소에서 획득한 지하수위, 전기전도도 및 수온자료에 대해 정량적 경향분석을 실시하였다. 이를 위해 2003년 12월 31일까지 최소 3년 이상의 관측자료가 있는 국가관측소(264개 관측정)를 분석대상으로 하였으며 또한 전국에 분포한 국가 지하수관측소 인접 76개 기상관측소의 강수량 자료에 대해서도 분석하였다.
모수적 방법의 대표적인 예로 선형추세분석(linear trend analysis) 혹은 선형회귀분석(linear regression)이 있다. 어떤 관측자료가 단조증가 혹은 단조감소하는지에 대한 경향성을 판단하기 위해 적절한 직선식에 부합시켜 기울기를 보고 평가하는 것이다. 선형회귀분석은 통계학의 최소자승법(least square)을 이용한다.
가설 설정
관측값의 수 n과 Mann-Kendall 통계량 S*를 이용하여 증가하는 경향성이 없다는 가설(귀무가설 S*= 0)에 대한 확률을 구할 수 있다. 감소하는 경향성에 대해서는 S*의부호를 반대로 하여 구할 수 있다.
제안 방법
본 연구에서는 2003년까지 3년 이상 모니터링을 실시한 관측소의 지하수 자료를 이용하였으며 이에는 충적관측정 95개소와 암반관측정 169개소가 해당되는데(Table 1), 각각 264개 세트의 지하수위, 전기전도도 및 수온의 시계열 자료로 정리할 수 있다. 본 연구에서는 일평균(daily average) 자료 및 월중앙(monthly median) 자료에 대해 모수적 경향분석을, 또 월중앙 자료에 대해 비모수적 분석을 수행하고 그 결과를 비교하였다. 6시간 자료나 일일자료의 경우 자기상관성이 크거나 해당 인자의 변동폭이 커 장기적인 변화경향을 평가하는데 있어 통계적인 가정을 만족하지 못할 수 있어 비모수 분석에 적절하지 못한 경우가 있다(Hamed and Rao, 1998).
선형회귀분석과 비모수 경향분석의 해석결과를 비교하였다. 선형회귀분석은 변동경향에 대한 정량적 신뢰도 정보를 주지 못하는 반면 비모수 경향분석은 증감경향에 대한 신뢰수준 정보를 제공한다.
지하수위, 전기전도도 및 수온의 월중앙값에 대하여 비모수 경향분석을 실시하였다. Table 4는 월중앙 수위값에 대한 분석결과이다.
대상 데이터
변동경향을 신뢰성있게 판단하기 위해서는 보다 장기간의 자료를 이용할수록 좋다. 본 연구에서는 2003년까지 3년 이상 모니터링을 실시한 관측소의 지하수 자료를 이용하였으며 이에는 충적관측정 95개소와 암반관측정 169개소가 해당되는데(Table 1), 각각 264개 세트의 지하수위, 전기전도도 및 수온의 시계열 자료로 정리할 수 있다. 본 연구에서는 일평균(daily average) 자료 및 월중앙(monthly median) 자료에 대해 모수적 경향분석을, 또 월중앙 자료에 대해 비모수적 분석을 수행하고 그 결과를 비교하였다.
본 연구에서는 국가 지하수관측소에서 획득한 지하수위, 전기전도도 및 수온자료에 대해 정량적 경향분석을 실시하였다. 이를 위해 2003년 12월 31일까지 최소 3년 이상의 관측자료가 있는 국가관측소(264개 관측정)를 분석대상으로 하였으며 또한 전국에 분포한 국가 지하수관측소 인접 76개 기상관측소의 강수량 자료에 대해서도 분석하였다.
데이터처리
6시간 자료나 일일자료의 경우 자기상관성이 크거나 해당 인자의 변동폭이 커 장기적인 변화경향을 평가하는데 있어 통계적인 가정을 만족하지 못할 수 있어 비모수 분석에 적절하지 못한 경우가 있다(Hamed and Rao, 1998). 또한 월평균(monthly average)값은 특정 이상값에 의하여 월평균값이 크게 영향을 받는 경우가 발생할 수 있어 비모수 통계값인 중앙값을 분석에 사용하였다.
이론/모형
국가 지하수관측소에서는 일일 4회(6시간 간격) 지하수위, 전기전도도 및 수온을 측정하고 있는데, 건설교통부와 한국수자원공사는 해당 관측소의 일평균값을 공식적인 관측자료로 하여 매년 관측연보를 발행하고 있다. 경향성을 평가하는 가장 기초적인 접근법으로 최소자승법(least square)을 이용한 선형회귀 방법을 적용하였다.
어떤 관측자료가 단조증가 혹은 단조감소하는지에 대한 경향성을 판단하기 위해 적절한 직선식에 부합시켜 기울기를 보고 평가하는 것이다. 선형회귀분석은 통계학의 최소자승법(least square)을 이용한다. 이 때 선형회귀직선이 어느 정도 잘 부합되었는지는 결정계수(r2)로 나타낸다.
다만 Kim(2005)은 국가 지하수관측소에서 매년 상하반기 총 2회에 걸쳐 실시한 정기 지하수 수질분석 자료(1995~2001)에 대해 정량적 통계 및 경향 분석을 수행한 바 있다. 이 연구에서 6개의 수질인자(pH, COD, Coliform, Cl, NO3-N, EC)들의 양방향 경향성을 평가하기 위해 비모수분석법인 Mann-Kendal 법과 Sen’s 방법을 적용하였다.
성능/효과
, 2006a). 25~75% 범위에 있어서 암반관측정이 충적관측정보다 좁은 범위의 변동기울기를 보였으나 일부 관측정의 경우 충적관측정보다 큰 수온 증가 혹은 감소율(변동기울기)을 보였다. 보다 안정적일것으로 기대되는 암반관측정에서 이와 같이 큰 변동율을 보이는 것은 고심도의 지하수 이용과 밀접한 관련이 있는 것으로 사료된다.
8b). 25~75%의 구간은 암반관측정이 충적관측정에 비해 큰 반면, 전체적인 변동기울기는 충적관측정이 훨씬 크고 넓게 나타났다. 이는 지표에 가까운 충적관측정은 오염 혹은 강수에 민감하여 전기전도도 변동 기울기가 큰 반면 암반관측정은 이러한 영향에 상대적으로 안정적이어서 작은 변동기울기를 보이는 것으로 사료된다.
이에 비해 암반관측정은 동일수준 신뢰도에서 훨씬 높은 증가경향 비율을 보였다. 95% 및 99% 신뢰수준에서 각각 42.3~42.8% 및 35.7~36.9%가 증가경향을 보였다. 특히 암반관측정의 경우 내륙뿐만 아니라 해안지역에서도 전기전도도의 뚜렷한 증가경향이 나타나는데(Fig.
선형회귀분석을 통해서는 약 50% 관측정의 수위, 전기전도도 및 수온이 증가경향(양의 기울기)을 나타내었고 나머지 절반은 감소하는 것으로 평가되었다. 그러나 월중앙값을 이용한 비모수 경향분석에서는 95~99% 신뢰수준에서 지하수위는 14.8~27.4%가 감소경향으로 나타났고 전기전도도의 경우 동일 신뢰수준에서 24.2~42.8%가 증가 경향을 보였다. 수온의 경우 29.
1%가 음의 기울기를 보였다. 두 관측정을 모두 합치면 49.6%가 양의 기울기를, 50.4%가 음의 기울기를 보였다. 전기전도도의 경우 충적관측정은 양과 음의 기울기가 거의 같은 비율을 보였으나 암반관측정의 경우 양의 기울기가 9% 우세하게 나타났다.
본 연구에서는 1995년이래 건설교통부와 한국수자원공사에서 국가 기본관측망으로 전국에 걸쳐 설치하고 있는 국가 지하수관측소에서 얻은 지하수위, 전기전도도 및 수온 자료에 대해 모수 및 비모수 경향분석을 실시하였다. 선형회귀분석을 통해서는 약 50% 관측정의 수위, 전기전도도 및 수온이 증가경향(양의 기울기)을 나타내었고 나머지 절반은 감소하는 것으로 평가되었다. 그러나 월중앙값을 이용한 비모수 경향분석에서는 95~99% 신뢰수준에서 지하수위는 14.
두 비모수 분석방법은 거의 일치하는 결과를 보여주었다. 수위의 경우 수위강하가 주요 관심사인데 95% 및 99% 신뢰수준에서 충적관측정은 27.4% 및 20.0%, 암반관측정의 경우 각각 23.7% 및 14.8%가 감소하는 경향을 나타내었다. 그러나 50% 이상의 관측정에서는 감소 혹은 증가추세를 보여주지 않았다.
실제로 연구자들이 애초에 기대한 바와 달리 지나치게 높은 비율이 증가 혹은 감소의 경향성을 보이는 것으로 나타났는데, 이는 본 연구의 분석대상 기간이 상대적으로 짧은(최장 6년 = 72개월) 것에 기인한 결과일 수 있다. 향후 보다 장기적인 경향분석을 위해서는 지속적인 관측과 신뢰성 있는 자료의 축적이 필수적이다.
4%가 음의 기울기를 보였다. 전기전도도의 경우 충적관측정은 양과 음의 기울기가 거의 같은 비율을 보였으나 암반관측정의 경우 양의 기울기가 9% 우세하게 나타났다. 수온의 경우 충적 및 암반관측정 모두에서 양의 기울기가 약 10% 크게 나타났다.
그러나 상당 비율의 관측소의 지하수온이 하강경향을 보였다. 특히 암반관측정에서 지하수온의 하강경향이 충적관측정에 비해 약 20% 이상 큰 비율을 보였다. 증가 혹은 감소경향의 지역적 분포는 매우 불규칙적으로서(Fig.
후속연구
본 연구는 국가 지하수관측소 자동 측정자료에 대한 최초의 전면적인 경향분석 결과이다. 이번 연구사례를 토대로 국내 지하수 자원의 전체적인 변동상황을 파악하기 위해서는 정기적인 경향분석을 수행할 필요가 있다.
실제로 연구자들이 애초에 기대한 바와 달리 지나치게 높은 비율이 증가 혹은 감소의 경향성을 보이는 것으로 나타났는데, 이는 본 연구의 분석대상 기간이 상대적으로 짧은(최장 6년 = 72개월) 것에 기인한 결과일 수 있다. 향후 보다 장기적인 경향분석을 위해서는 지속적인 관측과 신뢰성 있는 자료의 축적이 필수적이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지하수관측소에서 충적층 대수층 지하수관측을 위한 충적관측정은 어느 정도의 깊이에서 실행하는가?
지하수관측소에서는 매 6시간 간격으로 지하수위, 전기전도도 및 수온을 측정하고 일일 1회 자동으로 측정자료가 한국수자원공사 수신서버로 전송된다. 기본적으로 각 관측소에는 충적층 대수층 지하수관측을 위한 충적관측정(약 20 m 깊이)과 암반대수층의 관측을 위한 암반관측정(약 70 m 깊이)이 있다. 이들 관측소로부터 획득하는 자료의 품질을 보장하기 위하여 한국수자원공사에서는 상시점검팀과 비상점검팀을 구성하여 정기적으로 점검업무를 수행하고 있다.
지하수관측소에서 획득하는 자료의 품질을 보장하기 위하여 한국수자원공사에서 무엇을 구성해 정기적으로 점검업무를 수행하고 있는가?
기본적으로 각 관측소에는 충적층 대수층 지하수관측을 위한 충적관측정(약 20 m 깊이)과 암반대수층의 관측을 위한 암반관측정(약 70 m 깊이)이 있다. 이들 관측소로부터 획득하는 자료의 품질을 보장하기 위하여 한국수자원공사에서는 상시점검팀과 비상점검팀을 구성하여 정기적으로 점검업무를 수행하고 있다.
지하수관측소에서는 몇 시간 간격으로 지하수위, 전기전도도 및 수온을 측정하는가?
, 2006a, b), 2004년말 현재 전국에 293개의 국가지하수관측소가 설치되었다. 지하수관측소에서는 매 6시간 간격으로 지하수위, 전기전도도 및 수온을 측정하고 일일 1회 자동으로 측정자료가 한국수자원공사 수신서버로 전송된다. 기본적으로 각 관측소에는 충적층 대수층 지하수관측을 위한 충적관측정(약 20 m 깊이)과 암반대수층의 관측을 위한 암반관측정(약 70 m 깊이)이 있다.
참고문헌 (18)
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Sen, P.K., 1968, Estimates of the regression coefficient based on Kendall's tau, J. Amer. Stat. Assoc., 63, 1379-1389
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