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문제 정의
- 지하수 이용량은 사용 용도와 지역 특성 뿐만 아니라 상수도 보급률, 관정의 시설제원, 생활양식, 농업용의 경우 재배작물의 종류, 농지의 면적 등 수많은 요인에 의해 차이가 발생하기 때문에 획일적으로 특정 기준에 따라 이용량을 산정할 경우 필연적으로 차이가 발생할 수 밖에 없으나 현실적으로 모든 지하수 이용량을 직접 측정할 수 없는 상황인 경우 보다 합리적인 기준을 제시하는 것이 필요하다고 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 표본시설에 대한 실측자료를 바탕으로 하여 직접 이용량 측정이 어려운 경우에 적용할 수 있는 합리적인 이용량 추정기법을 개발, 제시함으로써 국가 지하수 이용량 통계의 신뢰도를 제고하고 궁극적으로 지하수 활용사업의 성공적인 수행을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- 군집분석 결과 모든 용도에서 2~5개의 군집으로 분류되기는 하지만, 군집별로 표본수의 차이가 너무 커서 일부 군집에서는 추정식을 도출하는데 필요한 표본수가 너무 적거나 각 군집별로 추정식에 포함되는 인자가 서로 달라지는 등 문제점이 나타났다. 따라서, 지하수 이용량에 차이가 있을 것으로 예상되는 인자를 선정하고 이를 기준으로 전국을 군집화하였다. 즉, 생활용 지하수의 경우 도시 형태에 따라 전국을 도시지역, 도농복합지역, 농촌지역으로 구분하였으며, 농업용 지하수의 경우 강수량에 따라 평균 강수량지역(1,251~1,450 mm), 평균 강수량 미만지역(1,251 mm 미만), 평균 강수량 초과지역(1,450 mm 초과)으로 구분하였다.
- 본 연구에서는 전국을 대상으로 2006년부터 2012년까지 7년에 걸쳐 총 7,693개의 지하수 시설을 대상으로 실시한 지하수 이용량 모니터링 자료를 가지고, 자료선별(data cleaning) 과정과 통계분석을 통해 지하수 이용량을 추정하는 방법을 제시하였다. 군집분석 결과 모든 용도에서 2~5개의 군집으로 분류되기는 하지만, 군집별로 표본수의 차이가 너무 커서 일부 군집에서는 추정식을 도출하는데 필요한 표본수가 너무 적거나 각 군집별로 추정식에 포함되는 인자가 서로 달라지는 등 문제점이 나타났다.
- 모니터링 대상시설은 지하수 기초조사자료와 전국 관공서의 행정업무를 통합관리하는 새올행정시스템상의 지하수 개발 인허가 자료를 수집하여 시설물의 위치, 용도, 관정 제원 등을 바탕으로 1차적으로 후보시설을 선정하였다. 이후 직접 현장을 방문하여 후보시설의 제원, 유랑계 설치 및 작동 여부를 확인하였으며, 펌프용량, 양수능력, 상수도 급수여부, 급수가구, 급수인구, 급수지역 면적, 재배작물, 가축 사육종, 가축 사육두수 등 지하수 이용량에 영향을 미칠 수 있는 인자들에 대한 조사를 수행하였다.
- 현장 모니터링 조사는 지역별로 최소 1년 이상 실시하였으며, 월 1회 현장을 방문하여 유량계 혹은 시간계의 수치를 확인하였다. 한편, 현장조사 결과 확보된 자료 중 관측은 하였으나 이용량이 없는 경우, 유량계 고장 등의 사유로 지속적인 관측이 이루어지지 않은 경우, 가정용, 공동주택용, 마을상수도용 중에서 연속적으로 5회 이상 이용량이 없는 경우 등은 대상자료에서 제외하였다.
대상 데이터
- 모니터링 대상시설은 지하수 기초조사자료와 전국 관공서의 행정업무를 통합관리하는 새올행정시스템상의 지하수 개발 인허가 자료를 수집하여 시설물의 위치, 용도, 관정 제원 등을 바탕으로 1차적으로 후보시설을 선정하였다. 이후 직접 현장을 방문하여 후보시설의 제원, 유랑계 설치 및 작동 여부를 확인하였으며, 펌프용량, 양수능력, 상수도 급수여부, 급수가구, 급수인구, 급수지역 면적, 재배작물, 가축 사육종, 가축 사육두수 등 지하수 이용량에 영향을 미칠 수 있는 인자들에 대한 조사를 수행하였다.
- 5σ (여기서 σ는 표준편차)를 벗어나는 자료는 이상값(outlier)으로 제거하였다. 이상과 같은 자료선별(data cleaning) 과정을 거쳐 모니터링을 실시한 총 7,693개 지하수 시설 자료 중에서 6,664개 시설의 자료가 선별되었다.
- 한편, 현장조사 결과 확보된 자료 중 관측은 하였으나 이용량이 없는 경우, 유량계 고장 등의 사유로 지속적인 관측이 이루어지지 않은 경우, 가정용, 공동주택용, 마을상수도용 중에서 연속적으로 5회 이상 이용량이 없는 경우 등은 대상자료에서 제외하였다. 이와 같은 방법으로 총 7,693개 지하수 시설로부터 이용량 모니터링 자료를 확보하였다(Table 2).
- 시간계는 펌프의 작동시간을 측정하는 장치로서 측정된 시간을 유량으로 환산하기 위해 모니터링 조사에 앞서 별도로 펌프 가동시간당 양수량을 측정하였다. 한편, 농촌에 설치된 지하수 시설은 농업용과 생활용을 겸용하여 사용하는 경우가 많으므로 독립적인 용도로 사용되는 시설을 선별하여 모니터링 대상시설로 선정하였다.
- 합리적인 지하수 이용량 산정기준을 마련하기 위해 전국을 대상으로 연차별로 2006년부터 2012년까지 총 7,693개 지하수 시설을 표본으로 선정하여 지하수 이용량을 모니터링 하였다(Table 1).
데이터처리
- 군집분석에서 나타난 문제점을 해결하기 위해 지하수 이용량에 영향을 줄 것으로 예상되는 인자를 발굴하여 이를 토대로 인위적으로 전국 시군을 그룹화하고 각 그룹별로 회귀분석을 통해 가정용 지하수 이용량 추정식을 도출하였다.
- 지하수 이용량 모니터링을 실시한 지하수 시설 중 이상값을 제외하고 선별된 6,664개 지하수 시설을 대상으로 지하수 이용 특성에 따라 군집을 설정하고 이를 토대로 각 군집별로 지하수 이용량 산정기준을 제시하기 위해 군집분석을 실시하였다. 군집분석(cluster analysis)은 각 개체의 유사성을 측정하여 유사성이 높은 집단을 분류하고 같은 군집에 속하는 개체들의 유사성과 다른 군집의 개체 간의 상이성을 규명하는 다변량 통계 분석 방법으로 대상을 분류하는 명확한 기준이 존재하지 않거나 기준이 밝혀지지 않은 상태에서 다양한 특성을 지닌 자료들을 분류하는데 사용된다.
이론/모형
- 대표적인 군집분석의 종류는 1) 계층적 군집분석, 2) K-means 군집분석, 3) Fuzzy 군집분석, 4) EM 알고리즘 등이 있으며, 본 연구에서는 비계층적 군집화 방법 (nonhierarchical clustering method) 중의 하나인 Kmeans 군집분석을 이용하여 각 유형별 변수들의 대표값을 구하고 군집의 경계를 구분하였다. K-means 군집분석은 개체를 대상으로 K개의 군집으로 구분한 뒤 군집 내 각 변수의 중심점을 계산하고 이 중심점과 개체간의 거리를 반복적으로 계산하여 최단거리를 찾아내는 방법으로 이러한 과정은 모든 개체들이 최종적으로 군집화될 때까지 반복하게 된다.
- 지하수 용도는 크게 생활용과 농업용으로 구분하고, 공업용과 온천용, 먹는샘물 등 기타용의 경우 대부분 대규모 시설로서 유량계 등을 통해 지하수 이용량을 직접 확인할 수 있기 때문에 모니터링 대상에서 제외하였다. 생활용은 ‘지하수 업무수행지침’(MOCT, 2006)에서 제시한 분류 기준에 따라 가정용, 일반용, 공동주택용, 마을상수도용, 학교용으로 분류하였다. 이 중 가정용은 상수도 급수지역과 미급수지역으로 세분하고, 영업용은 양수능력에 따라 30 m3/일미만, 30~100 m3/일, 100~150 m3/일, 150 m3/일 초과로 세분하였다.
성능/효과
- 본 연구에서는 전국을 대상으로 2006년부터 2012년까지 7년에 걸쳐 총 7,693개의 지하수 시설을 대상으로 실시한 지하수 이용량 모니터링 자료를 가지고, 자료선별(data cleaning) 과정과 통계분석을 통해 지하수 이용량을 추정하는 방법을 제시하였다. 군집분석 결과 모든 용도에서 2~5개의 군집으로 분류되기는 하지만, 군집별로 표본수의 차이가 너무 커서 일부 군집에서는 추정식을 도출하는데 필요한 표본수가 너무 적거나 각 군집별로 추정식에 포함되는 인자가 서로 달라지는 등 문제점이 나타났다. 따라서, 지하수 이용량에 차이가 있을 것으로 예상되는 인자를 선정하고 이를 기준으로 전국을 군집화하였다.
- 군집분석에 사용된 변수는 생활용은 급수인구와 급수가구, 농업용은 굴착구경, 토출관직경, 양수능력, 펌프용량, 몽리면적 등이며, 세부 용도별로 추가적인 변수를 사용하였다(Table 3). 군집분석 결과 모든 용도에서 2~5개의 군집으로 분류되었으나, 2개 군집으로 분류할 수 있는 간이상수도용을 제외하면 각 군집별로 추정식을 도출하는데 필요한 표본수가 너무 적거나 추정식에 포함되는 인자가 각 군집별로 달라지는 등 문제점이 노출되어 단일 군집으로 분류하는 것이 적합한 것으로 나타났다. 한편, 군집분석 결과를 토대로 각 용도별로 영향인자에 따른 지하수 이용량 추정식을 도출하였다(Table 4).
- 즉, 생활용 지하수의 경우 도시 형태에 따라 전국을 도시지역, 도농복합지역, 농촌지역으로 구분하였으며, 농업용 지하수의 경우 강수량에 따라 평균 강수량지역(1,251~1,450 mm), 평균 강수량 미만지역(1,251 mm 미만), 평균 강수량 초과지역(1,450 mm 초과)으로 구분하였다. 또한, 지하수 용도는 생활용의 경우 가정용, 공동주택용, 간이상수도용, 학교용, 일반용으로 세분하였으며, 농업용의 경우 전작용, 답작용, 원예용, 축산용(육우용, 양돈용, 양계용)으로 세분하였다. 이상과 같이 분류한 지역마다 각 세부 용도별로 회귀분석을 통해 지역별-용도별 지하수 이용량 산정기준을 제시하였으며, 향후 본 연구에서 제시한 기준을 지자체에서 실시하는 지하수 이용실태조사에 적용하면 국가 지하수 이용량 통계의 신뢰도가 크게 향상될 것으로 기대된다.
- 본 연구에서 제시한 식에 따라 지하수 일사용량을 추정해 보면, 가정용의 경우 4인 가족을 기준으로 하면 도시지역과 도농복합지역은 1.013 m3/일, 농촌지역은 0.989 m3/일을 사용하는 것으로 나타났다. 일반용의 경우 양수능력 100 m3/일을 기준으로 하면 도시지역은 4.
- 본 연구에서 제시한 식에 따라 지하수 일사용량을 추정해 보면, 전작용의 경우 양수능력 50 m3/일을 기준으로 하면 평균강수 미만지역은 7.614 m3/일, 평균강수 지역은 6.360 m3/일, 평균강수 초과지역은 6.388 m3/일인것으로 나타났다. 답작용의 경우 양수능력 50 m3/일을기준으로 하면 평균강수 미만지역은 4.
- 따라서, 지하수 이용량에 차이가 있을 것으로 예상되는 인자를 선정하고 이를 기준으로 전국을 군집화하였다. 즉, 생활용 지하수의 경우 도시 형태에 따라 전국을 도시지역, 도농복합지역, 농촌지역으로 구분하였으며, 농업용 지하수의 경우 강수량에 따라 평균 강수량지역(1,251~1,450 mm), 평균 강수량 미만지역(1,251 mm 미만), 평균 강수량 초과지역(1,450 mm 초과)으로 구분하였다. 또한, 지하수 용도는 생활용의 경우 가정용, 공동주택용, 간이상수도용, 학교용, 일반용으로 세분하였으며, 농업용의 경우 전작용, 답작용, 원예용, 축산용(육우용, 양돈용, 양계용)으로 세분하였다.
후속연구
- 이상과 같이 분류한 지역마다 각 세부 용도별로 회귀분석을 통해 지역별-용도별 지하수 이용량 산정기준을 제시하였으며, 향후 본 연구에서 제시한 기준을 지자체에서 실시하는 지하수 이용실태조사에 적용하면 국가 지하수 이용량 통계의 신뢰도가 크게 향상될 것으로 기대된다. 다만, 전국을 군집화하는데 사용된 도시화 정도, 평균 강수량 등의 인자는 유동적이므로 변동 상황에 따라 주기적인 군집의 조정이 필요할 것으로 보이며, 또한, 회귀분석 결과에서 보듯이 군집분석의 문제를 해결하기 위해 인위적으로 전국을 그룹화함에 따라 결정계수(R2 )가 매우 낮게 나타났는데, 이는 향후 지역별, 세부 용도별로 대표적인 시설을 지정하고 지속적인 모니터링을 실시함으로써 양질의 자료를 확보하고 최적의 통계기법 적용을 통해 계속적으로 개선해야 할 과제로 판단된다. 아울러, 조사 기간 동안에 나타나는 강수량의 변동 등과 같이 지하수 이용 패턴에 영향을 미칠 수 있는 요인들에 대한 정밀 분석 등도 추후 연구 대상이 될 것으로 본다.
- 다만, 전국을 군집화하는데 사용된 도시화 정도, 평균 강수량 등의 인자는 유동적이므로 변동 상황에 따라 주기적인 군집의 조정이 필요할 것으로 보이며, 또한, 회귀분석 결과에서 보듯이 군집분석의 문제를 해결하기 위해 인위적으로 전국을 그룹화함에 따라 결정계수(R2 )가 매우 낮게 나타났는데, 이는 향후 지역별, 세부 용도별로 대표적인 시설을 지정하고 지속적인 모니터링을 실시함으로써 양질의 자료를 확보하고 최적의 통계기법 적용을 통해 계속적으로 개선해야 할 과제로 판단된다. 아울러, 조사 기간 동안에 나타나는 강수량의 변동 등과 같이 지하수 이용 패턴에 영향을 미칠 수 있는 요인들에 대한 정밀 분석 등도 추후 연구 대상이 될 것으로 본다.
- 또한, 지하수 용도는 생활용의 경우 가정용, 공동주택용, 간이상수도용, 학교용, 일반용으로 세분하였으며, 농업용의 경우 전작용, 답작용, 원예용, 축산용(육우용, 양돈용, 양계용)으로 세분하였다. 이상과 같이 분류한 지역마다 각 세부 용도별로 회귀분석을 통해 지역별-용도별 지하수 이용량 산정기준을 제시하였으며, 향후 본 연구에서 제시한 기준을 지자체에서 실시하는 지하수 이용실태조사에 적용하면 국가 지하수 이용량 통계의 신뢰도가 크게 향상될 것으로 기대된다. 다만, 전국을 군집화하는데 사용된 도시화 정도, 평균 강수량 등의 인자는 유동적이므로 변동 상황에 따라 주기적인 군집의 조정이 필요할 것으로 보이며, 또한, 회귀분석 결과에서 보듯이 군집분석의 문제를 해결하기 위해 인위적으로 전국을 그룹화함에 따라 결정계수(R2 )가 매우 낮게 나타났는데, 이는 향후 지역별, 세부 용도별로 대표적인 시설을 지정하고 지속적인 모니터링을 실시함으로써 양질의 자료를 확보하고 최적의 통계기법 적용을 통해 계속적으로 개선해야 할 과제로 판단된다.
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