[논문]다변량기법을 활용한 용담호 수질측정지점 유사성 연구

이요상; 권세혁

다변량기법을 활용한 용담호 수질측정지점 유사성 연구
A Study on Measuring the Similarity Among Sampling Sites in Lake Yongdam with Water Quality Data Using Multivariate Techniques 원문보기

환경영향평가 = Journal of environmental impact assessment, v.18 no.6, 2009년, pp.401 - 409

이요상 (K-water연구원 수자원연구소) , 권세혁 (한남대학교 비즈니스 통계학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Multivariate statistical approaches to classify sampling sites with measuring their similarity by water quality data and understand the characteristics of classified clusters have been discussed for the optimal water quality monitering network. For empirical study, data of two years (2005, 2006) at the 9 sampling sites with the combination of 2 depth levels and 7 important variables related to water quality is collected in Yongdam reservoir. The similarity among sampling sites is measured with Euclidean distances of water quality related variables and they are classified by hierarchical clustering method. The clustered sites are discussed with principal component variables in the view of the geographical characteristics of them and reducing the number of measuring sites. Nine sampling sites are clustered as follows; One cluster of 5, 6, and 7 sampling sites shows the characteristic of low water depth and main stream of water. The sites of 2 and 4 are clustered into the same group by characteristics of hydraulics which come from that of main stream. But their changing pattern of water quality looks like different since the site of 2 is near to dam. The sampling sites of 3, 8, and 9 are individually positioned due to the different tributary.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

용담댐 저수지는 2000년 12월에 완공되어 2001년부터 담수를 시작하였으며, 지금은 초기 담수에 의한 수질영향이 사라지고 저수지 수질이 안정기에 접어든 것으로 보인다. 본 연구에서는 용담댐 저수지에서 2005년부터 2년간 9개 관측지점, 4개 관측위치(표층, 상층, 중층, 하층)에서 월 1~4회 측정된 수질 데이터 중 주요 7개 지표(SD, SS, COD_Mn, T-P, PO₄-P, T-N, Chl-a)를 이용하여 관측지점의 유사성을 측정하고 이를 이용하여 수질변화 측면에서 유사성 높은 관측지점의 분류을 위해 우선 연도별, 월별 수질 변화를 관찰하여 유사성 분석에 사용될 데이터 형태를 설정하고자 한다. Fig.
본 연구에서는 용담댐의 9개 수질관측지점, 각 2개의 수심에서 2년 동안 관측된 7개 수질항목 데이터를 이용하여 관측지점간 수질 패턴 유사성을 유클리디안거리로 측정하고 이를 바탕으로 계층적 군집분석에 의해 유사 관측지점을 분류하였다. 분류된 관측지점의 특성을 주성분 분석과 수질 관점에서 평가하여 과학적이며 효율적인 수질측정망지점선정에 활용 가능한 방법을 제시하고자 한다.

제안 방법

1, 화살표는 하천 흐름 표시). 각 지점별 수질변화 관측을 위해 2005년과 2006년에 걸쳐 1월부터 12월까지 월 1~4회씩 각 관측지점의 표층, 상층, 중층, 하층 위치에서 19개 수질항목에 대한 수질 조사를 실시하였다.
본 연구에서의 실증분석은 수질을 군집변수로 하여 관측위치에 대한 군집분석을 실시하였다. 관측위치간 유사성은 앞 절에서 설정한 주요 수질변수들에 의해 측정한 후 각 개체들은 평균연결방법에 의해 계층적 군집화하고, 이 과정에서 얻어진 덴드로그램에 의해 적절한 군집개수를 결정하였다. 분류하려는 개체 수에 비해 군집변수가 상대적으로 많아 비계층적 군집분석은 효율적인 분석방법이 아니므로 본 연구에 적용하지 않았다.
본 연구의 목적은 수질에 의한 관측지점 유사성 측정이므로 13개 수질변수를 군집변수로 하고 년도 전체 평균을 관측치로 하여 실증분석을 실시하였다. 년도별 수질 분포의 차이를 고려하여 2005년, 2006년 데이터에 개별적으로 군집분석을 실시하였다.
분류하려는 개체 수에 비해 군집변수가 상대적으로 많아 비계층적 군집분석은 효율적인 분석방법이 아니므로 본 연구에 적용하지 않았다. 대신 군집개수 설정의 적절성 및 분류된 군집의 특성 파악을 위하여 상관계수행렬을 사용하는 주성분분석을 적용하였다.
그러나 수질측정망 구성 시 관측지점의 수질에 대한 측정 항목들의 패턴을 고려하여 관측지점의 수질 유사성을 판별하는 연구는 전무하다. 본 연구에서는 용담댐의 9개 수질관측지점, 각 2개의 수심에서 2년 동안 관측된 7개 수질항목 데이터를 이용하여 관측지점간 수질 패턴 유사성을 유클리디안거리로 측정하고 이를 바탕으로 계층적 군집분석에 의해 유사 관측지점을 분류하였다. 분류된 관측지점의 특성을 주성분 분석과 수질 관점에서 평가하여 과학적이며 효율적인 수질측정망지점선정에 활용 가능한 방법을 제시하고자 한다.
본 연구에서의 실증분석은 수질을 군집변수로 하여 관측위치에 대한 군집분석을 실시하였다. 관측위치간 유사성은 앞 절에서 설정한 주요 수질변수들에 의해 측정한 후 각 개체들은 평균연결방법에 의해 계층적 군집화하고, 이 과정에서 얻어진 덴드로그램에 의해 적절한 군집개수를 결정하였다.
월별변수를 군집변수로 사용하는 경우 특성이 다른 수질변수들을 평균과 같은 총합화는 적절하지 않다. 본 연구의 목적은 수질에 의한 관측지점 유사성 측정이므로 13개 수질변수를 군집변수로 하고 년도 전체 평균을 관측치로 하여 실증분석을 실시하였다. 년도별 수질 분포의 차이를 고려하여 2005년, 2006년 데이터에 개별적으로 군집분석을 실시하였다.
용담댐 9개 관측지점에서 7개 수질항목에 대하여 측정한 데이터를 활용하여 2005년과 2006년 용담댐 월별 수질변화 특성을 정리하였다. 이를 바탕으로 관측지점간 유사성을 분석하였으며 유사한 관측지점을 분류하기 위하여 월별 관측치를 평균하여 통합화하고 수질 특성 7개와 관측지점 2개의 결합조건 13개를 군집변수로 사용하여 년도별로 개별적인 계층적 군집분석을 실시하였다.
용담댐 9개 관측지점에서 7개 수질항목에 대하여 측정한 데이터를 활용하여 2005년과 2006년 용담댐 월별 수질변화 특성을 정리하였다. 이를 바탕으로 관측지점간 유사성을 분석하였으며 유사한 관측지점을 분류하기 위하여 월별 관측치를 평균하여 통합화하고 수질 특성 7개와 관측지점 2개의 결합조건 13개를 군집변수로 사용하여 년도별로 개별적인 계층적 군집분석을 실시하였다. 군집화 된 관측지점의 특성을 파악하기 위하여 주성분 분석을 실시하여 13개 군집변수가 2개의 변수군, 제2 주성분(SD, COD_Mn상, Chl-a)특성과 나머지 수질 특성(제1 주성분)들로 축약됨을 보였다.
이상과 같이 용담댐저수지 9지점에 대한 2년간 수질자료를 적용하여 다변량 통계기법을 활용한 측정 지점별 분석을 실시하였으며, 각 지점별 수질특성에 따른 유사성 분석결과를 제시하였다. 분석된 결과는 활용목적에 따라 새롭게 측정망을 구축하는데 적용할 수 있으며, 이를 통해 수집된 자료는 저수지 수질현황 파악을 정확하고 용이하게 하고 장래수질보전정책 수립을 위한 기초자료로 활용이 가능할 뿐만 아니라 다양한 연구나 업무에 활용 될 수 있을 것으로 판단된다.

대상 데이터

앞 절의 수질 관련 변수의 시계열 도표에서 보았듯이 상층과 하층 관측치의 패턴과 연관성은 월별에 따라 상이하므로 상층과 하층의 평균을 이용하기 보다는 개별적인 군집변수로 사용하는 것이 적절하다. 따라서 본 연구의 실증분석 데이터는 군집화 하려는 개체인 관측지점의 수 9개, 7개 수질변수의 각 상층 하층 관측치에 의해 얻어진 13개, 각 관측지점별 7개 수질, 2개 관측위치에 대한 월별 관측치의 평균으로 구성되어 있다. 관측지점의 유사성을 계산하는 군집변수로는 13개의 수질변수나 20개의 월별변수를 활용할 수 있다.
본 연구의 대상인 용담댐은 상기한 바와같이 4지점의 조사지점이 운영되고 있으나 조사지점간 수질 유사성분석을 위해서는 수질관측지점을 늘려 저수지 전역에 관측 위치가 고밀도로 분포되도록 관측지점을 선정할 필요가 있다. 이를 위해 용담저수지 내의 수질측정 지점은 그림 1과 같이 댐 앞에 1개(1번) 지점에서부터 시작하여 주자천 유입 지류에 2개(2번, 3번) 지점을 설정하였고, 저수지 본류에 6개 지점(4번~7번, 9번과 10번)을 선정하였으며 진안천 지류에 1개(8번) 지점을 선정하였다(Fig. 1, 화살표는 하천 흐름 표시). 각 지점별 수질변화 관측을 위해 2005년과 2006년에 걸쳐 1월부터 12월까지 월 1~4회씩 각 관측지점의 표층, 상층, 중층, 하층 위치에서 19개 수질항목에 대한 수질 조사를 실시하였다.

성능/효과

8. 6)였으며 12~27CMS 범위에서 방류량이 관리되었고, 유입량은 비강우기에는 매우 적은량이 유입되나 강우기에는 최대 1979.8CMS(’05.
이를 바탕으로 관측지점간 유사성을 분석하였으며 유사한 관측지점을 분류하기 위하여 월별 관측치를 평균하여 통합화하고 수질 특성 7개와 관측지점 2개의 결합조건 13개를 군집변수로 사용하여 년도별로 개별적인 계층적 군집분석을 실시하였다. 군집화 된 관측지점의 특성을 파악하기 위하여 주성분 분석을 실시하여 13개 군집변수가 2개의 변수군, 제2 주성분(SD, COD_Mn상, Chl-a)특성과 나머지 수질 특성(제1 주성분)들로 축약됨을 보였다.

후속연구

이에 따라 현재 운영되고 있는 수질측정망에서 저수지별 수질조사 지점은 대청댐이 6 지점, 충주댐이 3지점, 용담댐이 4지점 등과 같이 일반적으로 각 댐별 수질조사 지점은 측정망 기준으로 2~6개 지점으로 운영되고 있다. 본 연구의 대상인 용담댐은 상기한 바와같이 4지점의 조사지점이 운영되고 있으나 조사지점간 수질 유사성분석을 위해서는 수질관측지점을 늘려 저수지 전역에 관측 위치가 고밀도로 분포되도록 관측지점을 선정할 필요가 있다. 이를 위해 용담저수지 내의 수질측정 지점은 그림 1과 같이 댐 앞에 1개(1번) 지점에서부터 시작하여 주자천 유입 지류에 2개(2번, 3번) 지점을 설정하였고, 저수지 본류에 6개 지점(4번~7번, 9번과 10번)을 선정하였으며 진안천 지류에 1개(8번) 지점을 선정하였다(Fig.
관측위치간 유사성은 앞 절에서 설정한 주요 수질변수들에 의해 측정한 후 각 개체들은 평균연결방법에 의해 계층적 군집화하고, 이 과정에서 얻어진 덴드로그램에 의해 적절한 군집개수를 결정하였다. 분류하려는 개체 수에 비해 군집변수가 상대적으로 많아 비계층적 군집분석은 효율적인 분석방법이 아니므로 본 연구에 적용하지 않았다. 대신 군집개수 설정의 적절성 및 분류된 군집의 특성 파악을 위하여 상관계수행렬을 사용하는 주성분분석을 적용하였다.
이상과 같이 용담댐저수지 9지점에 대한 2년간 수질자료를 적용하여 다변량 통계기법을 활용한 측정 지점별 분석을 실시하였으며, 각 지점별 수질특성에 따른 유사성 분석결과를 제시하였다. 분석된 결과는 활용목적에 따라 새롭게 측정망을 구축하는데 적용할 수 있으며, 이를 통해 수집된 자료는 저수지 수질현황 파악을 정확하고 용이하게 하고 장래수질보전정책 수립을 위한 기초자료로 활용이 가능할 뿐만 아니라 다양한 연구나 업무에 활용 될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 하천 및 저수지 등의 수질오염이 심화 되어감에 따라 정부는 어떤 노력을 시작하였는가?	1960년대 초부터 시작된 경제개발 정책으로 인한 오염배출량의 급격한 증가로 국내 하천 및 저수지 등의 수질오염이 심화되었다. 이에 따라 정부에서는 1977년부터 주요 수질오염 물질에 대한 농도규제로 제도적인 수질관리를 시작하였으며, 1990년대부터는 삶의 질이 향상되면서 원수 수질에 대한 관심과 환경보전에 대한 국민의 기대가 커지게 되었다.
	국내 하천 및 저수지 등의 수질오염이 심화하게 된 배경은 무엇인가?	1960년대 초부터 시작된 경제개발 정책으로 인한 오염배출량의 급격한 증가로 국내 하천 및 저수지 등의 수질오염이 심화되었다. 이에 따라 정부에서는 1977년부터 주요 수질오염 물질에 대한 농도규제로 제도적인 수질관리를 시작하였으며, 1990년대부터는 삶의 질이 향상되면서 원수 수질에 대한 관심과 환경보전에 대한 국민의 기대가 커지게 되었다.
	수질측정망의 설계와 평가가 어려운 이유는 무엇인가?	수질데이터는 충분한 자료의 취득이 상대적으로 어렵고 대상항목이 다양하며 고려하는 수질항목에 따라 영향이 상이하게 나타나기 때문에 수질측정망에 관련된 연구는 활발하게 이루어지지 않고 있는 실정이다. 더구나 수질은 대상수체 주변의 환경변화에 쉽게 영향을 받기 때문에 현재 상태에서 적절히 구성된 측정망도 시간이 지나면서 부적절한 측정망으로 변화될 수 있다. 이러한 문제로 수질측정망의 설계와 평가는 어려우며 특히 규모가 크고 복잡한 유역일 경우에는 더욱 어렵게 된다.

참고문헌 (9)

건설교통부, 2004. 수문관측 매뉴얼
경민수, 김상단, 김형수, 박석근, 2006, 통계적 기법을 이용한 경안천 유역의 수질 측정망 구성, 대한토목학회논문집, 26(3B), 291-300
권상우, 유철상, 2001, 엔트로피 방법을 이용한 수질측정망의 평가, 대한토목학회논문집, 21(5-B), 501-509
박수영, 왕수균, 최정현, 박석순, 2007, 유전자 알고리즘을 이용한 낙동강 유역의 수질 측정망 설계에 관한 연구, 한국물환경학회지, 23(5), 697-704
왕수균, 나은혜, 박석순, 2005, 한강수계 수질측정망 개선을 위한 목적 지향 설계 방안에 관한 연구, 대한환경공학회지, 27(5), 453-460

원문보기 상세보기
한국수자원공사, 2005, 2006, 2007. 용담댐 일원 하천유량측정 등 수문조사보고서
Johnson, Dallas E., 1998, Applies Multivariate Methods for Data Analysis, Duxbury Press
Johnson, Richard A. and Wichern Dean W., 2007, Applies Multivariate Statistical Analysis, 6th edition, Pearson Prentice Hall
Tanaka, Y., Tarumi, T., and Huh, M. H., 1994, Research and Applications of Quantification Methods, in New Approaches in classification and Data Analysis, Springer-Verlag, Berlin

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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