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문제 정의
- 계절 맨-켄달 검정법을 이용하여 총량기간 동안의 수질 개선도를 평가하였으며 LOWESS 분석법을 통해 대상기간동안의 구체적인 변화 특성을 분석하였다. 또한 경향성 분석결과를 단위유역의 공간적 위치, 수질오염총량제 시행조건(시행대상지역, 수질개선계획지역)과 함께 분석하여 수질오염총량제의 시행에 따른 효과를 평가하고자 하였다. 본 연구를 통해 도출된 결과는 총량관리 단위유역별로 구체적인 시·공간적 수질변화 특성을 제공하여 향후 제도효과 분석 및 개선방향 마련의 기초자료로 제공될 것으로 기대된다.
- 본 연구에서는 금강수계의 1단계 수질오염총량제로 인한 수질변화 경향성을 정량 정성적 분석을 통하여 과학적으로 제시하였다. 이러한 방법은 금강 수계 이외의 다른 수계에 대해서도 수질오염총량제 시행으로 인한 수질개선 효과를 평가하는데 있어서 유용하게 활용될 수 있을 것이며, 이를 통해 향후 총량제 관리방안 등을 결정할 때 기본 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
제안 방법
- 계절 맨-켄달 검정결과 1단계 수질오염총량제 기간 동안 금강수계 전체 단위유역중 농도 변화가 일어난 곳은 14개 지점이었으며, 각 지점에 대한 변화율을 도시하여 서로 비교하였다(Fig. 6). 금강 수계에서 농도 감소폭이 가장 큰 단위유역은 고부 A와 갑천 A로 나타났으며, 무심 A의 감소폭이 가장 작은 것으로 나타났다.
- 5). 계절 맨-켄달 검정결과에서 Z value는 관측치간의 차이를 통해 구해진 켄달 통계치에 대하여 표준정규분포화한 표준 정규변량이고 Z를 기초로 구해진 p값을 이용하여 경향성이통계적으로 유의한지(95% 신뢰수준에서) 판단하게 되며, 결과로 나타난 경향성분석 결과를 up, down, no trend로 구분하여 제시하였다. Slope는 계절 켄달 기울기 통계량을 계산한 것으로 변화의 크기를 의미한다.
- 금강수계에서 1단계 수질오염총량제 기간인 2004년부터 2010년까지 7년 동안의 BOD 농도에 대한 경향 분석을 계절 맨-켄달 검정법과 LOWESS 분석을 이용해 실시하였으며 그 결과는 다음과 같다(Table 1, Fig. 2, Fig. 4, Fig. 5). 계절 맨-켄달 검정결과에서 Z value는 관측치간의 차이를 통해 구해진 켄달 통계치에 대하여 표준정규분포화한 표준 정규변량이고 Z를 기초로 구해진 p값을 이용하여 경향성이통계적으로 유의한지(95% 신뢰수준에서) 판단하게 되며, 결과로 나타난 경향성분석 결과를 up, down, no trend로 구분하여 제시하였다.
- 0 통계 패키지를 이용하여 5% 유의수준으로 양측검정을 수행하였다. 또한 계절 켄달 기울기 통계량을 구하여 변화의 크기를 분석하였다.
- 본 연구에서는 계절 맨-켄달 검정법과 LOWESS 분석법을 적용하여 금강수계에서의 1단계 수질오염총량제 기간 동안의 BOD 농도 변화 경향성을 정량 정성적으로 분석하였다.
- 본 연구에서는 비모수 경향분석법을 이용하여 금강수계에서 1단계 수질오염총량제 기간 동안의 BOD 농도 변화 경향성을 분석하였다. 계절 맨-켄달 검정법을 이용하여 총량기간 동안의 수질 개선도를 평가하였으며 LOWESS 분석법을 통해 대상기간동안의 구체적인 변화 특성을 분석하였다.
- 수질자료를 분석하기 위하여 2004년부터 2012년까지 환경부 수질총량측정망에서 8일 간격으로 측정하고 있는 자료를 수집하였으며, 이 중 1단계 수질오염 총량제의 대상물질인 BOD 농도에 대해서 분석을 시행하였다. 분석 대상 지점은 금강유역의 단위유역말단에 위치하는 수질총량측정망 전체 22개소와 만경강 동진강 유역의 수질총량측정망 중 만경C와 동진B를 제외한 8개 지점을 대상으로 하였다(Fig.
- 시행조건에 따른 수질오염총량제의 효과를 분석하기 위해서, 분석 지점의 단위유역이 본류 또는 지류인지, 시행계획지역 또는 수질개선계획 지역인지 여부에 따라 경향성의 변화를 분석하였다. 이를 위해 각각에 대한 비율을 조사하였으며 그 결과를 Fig.
- 위의 분류 조건에 따른 BOD 농도변화 경향성의 비율을 세분화하여 분석하기 위하여 전 지점을 본류이면서 수질개선계획지역, 본류이면서 시행계획지역, 지류이면서 수질개선계획지역, 지류이면서 시행계획지역의 4가지 조건으로 나누어 각 조건에서의 경향성 비율을 비교하였다(Fig. 9).
- 7에 제시하였다. 유역도에 금강 수계의 주요 하천과 수질오염총량제 단위유역경계를 표시하였고, 각 단위유역은 시행계획 지역과 수질개선계획 지역으로 구분하였다.
대상 데이터
- 본 연구대상인 금강유역은 금강 수역, 만경강 수역, 동진강 수역으로 이루어져 있다(Fig. 1). 금강 유역은 한반도 중서부에 위치하며, 충청남북도의 약 절반과 전라북도의 대략 1/4정도를 차지하고, 경상남북도 일부와 경기도 일부를 포함하고 있으며 유역면적으로 볼 때 우리나라에서 3번째에 해당하는 유역이다.
- 수질자료를 분석하기 위하여 2004년부터 2012년까지 환경부 수질총량측정망에서 8일 간격으로 측정하고 있는 자료를 수집하였으며, 이 중 1단계 수질오염 총량제의 대상물질인 BOD 농도에 대해서 분석을 시행하였다. 분석 대상 지점은 금강유역의 단위유역말단에 위치하는 수질총량측정망 전체 22개소와 만경강 동진강 유역의 수질총량측정망 중 만경C와 동진B를 제외한 8개 지점을 대상으로 하였다(Fig. 1).
데이터처리
- 본 연구에서는 비모수 경향분석법을 이용하여 금강수계에서 1단계 수질오염총량제 기간 동안의 BOD 농도 변화 경향성을 분석하였다. 계절 맨-켄달 검정법을 이용하여 총량기간 동안의 수질 개선도를 평가하였으며 LOWESS 분석법을 통해 대상기간동안의 구체적인 변화 특성을 분석하였다. 또한 경향성 분석결과를 단위유역의 공간적 위치, 수질오염총량제 시행조건(시행대상지역, 수질개선계획지역)과 함께 분석하여 수질오염총량제의 시행에 따른 효과를 평가하고자 하였다.
- 본 연구에서는 월별로 계절을 구분하였고, 2004년~2010년까지 8일 간격 BOD 농도 자료에 대해서 월별로 중간값을 구하여 계절 맨-켄달 검정법을 적용하였으며, SPSS 17.0 통계 패키지를 이용하여 5% 유의수준으로 양측검정을 수행하였다. 또한 계절 켄달 기울기 통계량을 구하여 변화의 크기를 분석하였다.
이론/모형
- 계절 맨-켄달 검정법에서 상관계수인 Kendall’s tau를 구하여 그 유의성을 검증함으로써 경향성의 유무를 파악하고, 이에 수반되는 계절 켄달 기울기 통계량(Seasonal Kendall Slope estimator)을 구하여 경향의 정도를 판단할 수 있다(Gilbert, 1987; Helsel and Hirsch 1992; Lee and Park, 2009).
- 계절 맨-켄달 검정법은 연구대상 기간 동안의 선형 경향을 기본 가정으로 하기 때문에 특정기간 내에 변화하는 경향성을 파악하기 어렵다(Lee and park, 2008, 2009) 따라서 장기간 수질 변화의 경향성과 더불어 단기간 변화하는 수질 변화의 경향성을 파악하기 위해 LOWESS 기법을 함께 적용하였다. LOWESS는 1차 또는 2차의 특정 회귀모델을 가정하지 않고 이동직선에 대한 데이터 점들을 통해 회귀 모델을 적합시키는 방법으로 특정기간 내 변화하는 경향성을 파악할 수 있으며 평활상수는 f = 0.
- 금강 수계 수질의 변화 경향을 정량적으로 분석하기 위하여 계절 맨-켄달 검정법(Seasonal Mann-Kendall test)을 적용하였다. 계절 맨-켄달 검정법은 관측치들간의 상관 측정치를 통해 경향을 분석하는 비모수 통계방법으로 사용자가 정의한 각 계절에 대해 켄달 검정을 독립적으로 시행한 후, 각 결과들의 가중합을 구하여 하나의 경향분석 결과를 도출해냄으로써 계절성을 배제하는 분석법이다(Hirsch et al.
성능/효과
- 1단계 수질오염총량제 시행 기간 동안 금강수계에서 BOD농도 감소가 일어난 단위유역은 10개, 증가는 4개, 그리고 변화가 없는 것으로 나타난 단위유역은 16개로, 33.3%에서 농도감소, 13.3%에서 농도증가, 나머지에서 무변화경향의 비율로 나타났다. 증가 또는 감소폭을 비교하였을 때(Fig.
- 분석결과 1단계 수질오염총량제 시행 기간 동안 BOD농도 감소가 일어난 단위유역은 10개, 증가는 4개, 변화가 없는 단위유역은 16개였다. 감소경향을 보이는 단위유역중 농도 감소폭이 가장 큰 유역은 고부 A와 갑천 A이며, 만경강 유역 만경 B는 농도 증가가 가장 크게 나타났다
- 금강 상류에 유입되는 초강 A, 보청 A 그리고 유등 A에서는 총량제 시행기 초반과 2009년 이후 농도가 감소하는 것으로 보이나 중간에 농도가 증가되는 기간이 있어 전반적인 경향성은 없는 것으로 나타났으며, 미호 A와 논산 A 역시 증가와 감소 구간이 반복되어 경향성이 없는 것으로 나타났다(Table 1, Fig. 4
- 6). 금강 수계에서 농도 감소폭이 가장 큰 단위유역은 고부 A와 갑천 A로 나타났으며, 무심 A의 감소폭이 가장 작은 것으로 나타났다. 만경강 본류에 위치하는 만경 B에서 농도 변화가 가장 크게 일어났으며 가장 큰 증가폭을 보였다.
- 대청댐 하류에서는 미호천 유역, 갑천 유역과 주변 본류의 단위유역(금본 G, 금본 H)에서 감소 경향이 관찰되었고, 미호천과 갑천의 상류에 해당하는 수질개선계획 지역에서는 변화 경향이 없는 것으로 나타났다. 금강수계 나머지 단위유역 중 시행계획 지역인 금본 I, 금본 J, 금본 K, 논산 A는 수질변화가 없는 것으로 나타났으며, 수질개선계획 지역인 금본 L은 감소 추세를 보였다. 만경강 유역은 농도가 감소된 유역이 없었 으며 오히려 농도가 증가된 유역이 2개나 존재한다.
- 금강유역 지류에 위치하는 10개의 단위유역 중 갑천 A, 미호 B, 미호 C, 병천 A, 무심 A의 5개 유역에서 유의한 감소 경향이 관찰되었다. 특히 갑천 A와 미호 B, 미호 C는 초기부터 꾸준히 농도가 감소하며 각각의 감소율은 -0.
- 금본 L의 경우 LOWESS 분석결과 초기에 감소했다가 중반기에 약간 증가하는 상류(금본K)와 달리 꾸준한 감소가 이루어져 맨-켄달 분석결과도 감소경향을 나타냈다. 금본 I, 금본 J, 금본 K의 경우 2008년경의 농도 증가로 인해 변화 경향이 없는 것으로 분석되었으나, LOWESS 그래프를 보면 2009년 이후 농도가 감소하는 것으로 나타났다(Table 1, Fig. 2 (i),(j),(k)). 이는 해당 단위유역 면적이 상류 단위유역(금본 G, 금본 H)보다 넓으며 갑천, 미호천으로부터 상대적으로 떨어져 있어 이들 지류에서의 농도감소 영향을 적게 받았기 때문으로 판단된다.
- 대청댐 하류에 위치하는 금본 G, 금본 H, 금본 L에서는 기울기가 각각 -0.150 mgL-1y -1, -0.181 mgL-1y-1, -0.150 mgL-1y-1 으로 감소하는 경향을 보였다. 상류(금본 F)에서의 수질이 증가경향이 있는데 비하여 금본 G에서 감소하는 이유는 갑천 A에서 수질이 지속적으로 감소했기 때문으로 판단된다(Table 1, Fig.
- 금강수계의 경우 대청댐 상류는 모두 수질개선계획 지역으로 이루어져 있는데, 2개 단위유역에서 증가 경향을, 나머지 유역은 무변화 경향을 보였다. 대청댐 하류에서는 미호천 유역, 갑천 유역과 주변 본류의 단위유역(금본 G, 금본 H)에서 감소 경향이 관찰되었고, 미호천과 갑천의 상류에 해당하는 수질개선계획 지역에서는 변화 경향이 없는 것으로 나타났다. 금강수계 나머지 단위유역 중 시행계획 지역인 금본 I, 금본 J, 금본 K, 논산 A는 수질변화가 없는 것으로 나타났으며, 수질개선계획 지역인 금본 L은 감소 추세를 보였다.
- 더구나 만경 B는 가장 높은 증가율을 보여 엄격한 수질관리가 필요한 것으로 판단된다. 동진강 유역은 동진 B를 제외한 전체가 시행계획 지역으로 구성되어 있으며 유입 지류인 고부 A와 정읍 A에서 농도감소 경향을 보였으나 나머지 유역은 변화가 없는 것으로 나타났다.
- 따라서 BOD를 기준으로 볼 때 1단계 수질오염총량제 기간 동안 금강수계에서는 전반적으로 수질 개선이 일어났으며, 이는 수질오염총량제 시행으로 인해 오염원 관리가 영향을 미쳤기 때문으로 판단된다. 일반적으로 하천에서의 BOD 변화는 유역의 오염원으로부터의 배출부하량 변화와 더불어 유량, 수온, 조류 성장 등의 변화의 영향도 함께 받으나 장기적인 변화경향성은 수질오염총량제 시행으로 인한 배출부하량 감소에 의한 영향이 작용하였을 것이라 사료된다.
- 금강 수계에서 농도 감소폭이 가장 큰 단위유역은 고부 A와 갑천 A로 나타났으며, 무심 A의 감소폭이 가장 작은 것으로 나타났다. 만경강 본류에 위치하는 만경 B에서 농도 변화가 가장 크게 일어났으며 가장 큰 증가폭을 보였다.
- 만경강 유역에 위치하는 만경 A와 만경 B에서는 2009년 중반기 이후로 농도가 감소하는 경향을 보이기는 하지만 전 기간 경향성 분석결과, 각각 0.050 mgL-1y-1과 0.456 mgL-1y-1의 기울기로 증가경향을 보였다(Table 1, Fig. 5 (a),(b)). 만경 A는 유역내 배출부하량이 증가하여 2009년 중반기 이전까지 농도가 상승하였기 때문이며, 만경 B는 전주 A에서의 농도감소 기간 동안에도 농도가 증가한 것으로 보아 전주천 유입의 영향 보다는 만경 B유역 내에 위치하는 익산천을 비롯한 다른 오염원들에 의한 영향인 것으로 판단된다(NIER, 2011).
- 수질변화 경향의 공간적 분포를 분석한 결과 전체가 수질개선지역인 금강수역의 대청댐 상류에서는 2개 유역이 증가 경향을, 대청댐 하류에서는 미호천 유역, 갑천 유역과 주변 본류의 단위유역들에서 감소 경향을 보였다. 미호천과 갑천의 상류 단위유역과 금본 L를 제외한 대청댐 하류의나머지 유역들은 모두 경향성이 없는 것으로 나타났다.
- 3에 제시하였다. 분석 결과 금강수계 본류는 갑천 유입 이후의 금본 G와 미호천 유입 이후의 금본 H부터 농도가 크게 상승하는 것을 볼 수 있어 이들 유역을 농도 상승 유발 유역으로 판단할 수 있다. 그러나 금본 G 이하 유역에서 후반기에 전반적으로 농도가 감소하는 경향을 보이므로 총량제 시행에 따른 수질 개선효과도 나타난 것으로 판단된다.
- 분석 결과 농도감소 경향은 지류이면서 시행계획지역이 64%로 가장 컸으며, 농도증가 경향은 본류이면서 수질개선 계획지역이 50%로 가장 크게 나타났다. 본류이면서 수질개선계획지역에서 수질이 개선된 비율이 13%이긴 하나 전반 적인 감소경향과 증가경향의 비율로 볼 때 수질개선의 정도는 지류-시행계획지역 > 본류–시행계획지역 > 지류–수질개선계획지역 > 본류–수질개선계획지역 순이라고 판단된다.
- 분석결과 1단계 수질오염총량제 시행 기간 동안 BOD농도 감소가 일어난 단위유역은 10개, 증가는 4개, 변화가 없는 단위유역은 16개였다. 감소경향을 보이는 단위유역중 농도 감소폭이 가장 큰 유역은 고부 A와 갑천 A이며, 만경강 유역 만경 B는 농도 증가가 가장 크게 나타났다
- 분석결과 각 분석 지점의 단위유역이 지류일 때는 증가 경향이 나타나지 않는 반면에 본류일 때 증가 비율이 27%로 더 높게 났으며, 본류인지 지류인지에 상관없이 경향성이 없는 비율은 같게 나타났다(Fig. 8(a),(b)).
- 수질변화 경향의 공간적 분포를 분석한 결과 전체가 수질개선지역인 금강수역의 대청댐 상류에서는 2개 유역이 증가 경향을, 대청댐 하류에서는 미호천 유역, 갑천 유역과 주변 본류의 단위유역들에서 감소 경향을 보였다. 미호천과 갑천의 상류 단위유역과 금본 L를 제외한 대청댐 하류의나머지 유역들은 모두 경향성이 없는 것으로 나타났다.
- 수질오염총량제 시행조건에 따른 효과를 분석한 결과, 수질개선계획지역보다는 시행계획지역에서, 본류보다는 지류에서 수질개선 효과가 잘 나타났다. 1단계 수질오염총량제 시행 기간 동안 전 지점의 33.
- 상대적으로 감소경향 비율은 지류일 때가 47%로 본류일 때의 20%보다 더 높았다. 한편 시행계획지역 단위유역은 감소경향이 50%로 수질개선계획 지역의 8%보다 높았으며, 증가경향과 무경향 비율은 각각 6%와 44%로 수질개선계획 지역의 25%, 67%보다 낮았다(Fig. 8(c),(d)).
후속연구
- 수체의 수질은 외부 오염원의 변동, 강우 등의 기후요인, 내부 하천환경 변화 등 복합적인 요인에 의해 영향을 받기 때문에 수질 변화의 명확한 원인분석에는 한계가 있다. 그러나 장기적인 수질변화 경향은 여러 가지 요인을 종합적으로 고려하여 전반적인 정책 효과를 분석하는데 있어서 중요한 지표로 작용할 것이므로, 수질오염총량제의 효과를 분석하고 향후 발전방안을 모색하기 위해서는 선행적으로 수질오염총량제 기간 동안의 수질 변화 경향성을 분석하는 것이 필요하다.
- 이러한 방법은 금강 수계 이외의 다른 수계에 대해서도 수질오염총량제 시행으로 인한 수질개선 효과를 평가하는데 있어서 유용하게 활용될 수 있을 것이며, 이를 통해 향후 총량제 관리방안 등을 결정할 때 기본 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 다만, 총량제 시행으로 인한 수질개선효과의 명확한 인과관계 분석을 위해서는 본 연구에서 고려되지 못한 유량의 증감에 의한 영향과 단위 유역별 배출부하량의 변화에 의한 영향을 종합적으로 분석 하는 것이 필요하며 향후 연구에서는 이러한 분석이 보완되어야 할 것으로 사료된다.
- 또한 변화가 없는 유역 중 전주 A를 제외하고는 시행계획지역에서는 후반기에 농도감소가 이루어졌다. 따라서 금강수계에서 수질오염총량제는 오염원 관리를 통해 시행계획지역을 중심으로 수질을 개선시키는 역할을 한 것으로 판단되며, 앞으로의 2단계 총량제 시행 기간 동안에도 목표수질을 달성할 정도로 꾸준한 수질관리가 필요하다고 생각된다. 수질개선계획 지역은 목표수질을 만족하는 유역이므로 수질 개선 필요성이 약하지만, 하류에 미치는 영향을 생각할 때 적어도 수질이 악화되지는 않는 수준으로 관리가 이루어져야 한다고 사료된다.
- 본 연구를 통해 도출된 결과는 총량관리 단위유역별로 구체적인 시·공간적 수질변화 특성을 제공하여 향후 제도효과 분석 및 개선방향 마련의 기초자료로 제공될 것으로 기대된다.
- 본 연구에서는 금강수계의 1단계 수질오염총량제로 인한 수질변화 경향성을 정량 정성적 분석을 통하여 과학적으로 제시하였다. 이러한 방법은 금강 수계 이외의 다른 수계에 대해서도 수질오염총량제 시행으로 인한 수질개선 효과를 평가하는데 있어서 유용하게 활용될 수 있을 것이며, 이를 통해 향후 총량제 관리방안 등을 결정할 때 기본 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 다만, 총량제 시행으로 인한 수질개선효과의 명확한 인과관계 분석을 위해서는 본 연구에서 고려되지 못한 유량의 증감에 의한 영향과 단위 유역별 배출부하량의 변화에 의한 영향을 종합적으로 분석 하는 것이 필요하며 향후 연구에서는 이러한 분석이 보완되어야 할 것으로 사료된다.
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