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낙동강 중점관리지류·지천의 계절적 오염발생특성 분석
A Study on Seasonal Pollutant Distribution Characteristics of Contaminated Tributaries in Nakdong River Basin 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.18 no.3, 2016년, pp.301 - 312  

나승민 (국립환경과학원, 낙동강물환경연구소) ,  권헌각 (국립환경과학원, 낙동강물환경연구소) ,  신상민 (국립환경과학원, 낙동강물환경연구소) ,  손영규 (금오공과대학교 환경공학과) ,  신동석 (국립환경과학원, 낙동강물환경연구소) ,  임태효 (국립환경과학원, 낙동강물환경연구소)

초록
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본 연구는 낙동강수계 중점관리하천인 35개 지류 지천 수질 및 유량을 모니터링하고 수질오염농도, 발생부하량, 계절별 오염특성과 수질항목 간 상관관계 및 다중회귀분석을 실시하여 지류중심의 오염특성을 확인하였다. 그 결과 COD, TP, TOC 및 TN을 제외한 대부분의 하천에서 $BOD_5$, Chl_a 및 Fecal E. Coli 등은 50% 이상이 하천수질항목 II(약간좋음)등급 이하에 속하였다. 비유량(Q)은 $0.05m^3/s/km^2$ 이상 지점이 54.4%(19지점)를 차지하였고, 이 가운데 달서천, 현지천, 석교천1, 의령천1 및 대산천2 지점 등은 오염농도 역시 높아 오염물질부하량을 고려한 상세조사가 필요할 것으로 판단된다. 35개 중점관리지천은 낙동왜관, 금호강, 낙동고령, 낙동창녕, 남강, 낙동밀양 및 낙동강하구언 등 7개 중권역에 속하였으며, 이 가운데 금호강과 남강 중권역은 영천댐, 가창댐, 공산댐 및 남강댐과 같은 인공댐의 영향을 받아 다른 중권역과 달리 일정한 하천 유지유량을 보임으로써 오염물질부하량도 높게 조사되었다. 계절적 오염특성을 살펴볼 때, 농도편차가 큰 수질항목은 $BOD_5$, TN, SS, 비유량(Q)이, 큰 편차가 없는 항목은 TP와 Chl_a가 관찰되었고 이는 강우특성 및 유 무기물의 분해특성이 다르기 때문으로 판단된다. 이러한 결과를 바탕으로 계절별/수질항목 간 상관관계는 피어슨 상관계수(Pearson correlation coefficient)를 이용하여 분석하였고, 일부 항목을 제외한 모든 계절에서 TOC와 COD의 상관성이 높음을 확인하였다. 계절별 상관관계가 높은($R2{\geq}0.5$) 수질항목들이 $BOD_5$에 미치는 영향력을 알아보기 위해 단계선택방법(Stepwise regression method)을 이용한 다중회귀분석(Multiple regression analysis)을 실시함으로써 계절별 영향력이 높은 수질인자 및 회귀식을 제시하였다. 그 결과 겨울철을 제외한 봄, 여름 및 가을에 다중회귀분석이 적합하였고 봄철에는 COD, TP가, 여름철에는 Chl_a, TOC가 가을철에는 TOC 및 COD가 $BOD_5$에 영향력이 높음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study has performed comparative analysis on characteristics of contaminated 35 tributaries on seasonal variation/point discharge load/pollutant distribution of water quality factors(8) in order to understand the effect of the watershed in Nakdong River Basin. As a results, the water quality of ...

주제어

#다중회귀분석   #단계선택방법   #오염물질부하량   #중점관리하천   #피어슨 상관계수  

AI 본문요약
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제안 방법

  • 계절별 조건은 봄의 경우 3∼5월, 여름은 6∼8월, 가을은 9∼11월, 겨울은 12∼2월로 구분하여 조사하였다.
  • 낙동강권역에서는 1,187개의 (낙동강수계 779개) 국가 및 지방하천과 7천여개의 소하천이 위치하며, 본 연구의 모니터링 지점은 2013∼2014년간 195개 지류지천 가운데 BOD5, COD 오염등급이 II(약간좋음, BOD5 ≥ 3 mg/L, COD ≥ 5 mg/L)등급 이하를 기준으로 우심하천을 선정하여 조사·분석하였다.
  • 수질등급은 수질 및 수생태계 환경기준에서 하천 및 호소의 생활환경기준 등급을 준용하였으며, 유량 등급은 하천의 유역유출량의 규모만을 파악할 수 있도록 정성적 기준안을 마련하였다. 유량은 하천유량을 나타내는 단위로 비유량(specific discharge, Q)을 사용하였으며, 이는 유량(m3/s)을 유역면적(km2)으로 나눈 것으로 “m3/s/km2”의 단위를 갖고 크기가 서로 다른 유역에서의 유출률을 비교할 때 편리하므로 본 연구에는 비유량을 이용하여 등급화 하였다.
  • 수질분석항목은 수온(Temperature), 용존산소(DO), 전기전도도(EC), 수소이온농도(pH) 등 다항목측정기(YSI-556mps)를 이용하여 현장에서 측정하였고, 생물화학적산소요구량(BOD5,), 화학적산소요구량(COD), 총질소(TN), 총인(TP), 부유물질(SS), 총유기탄소(TOC), 클로로필-a(Chl-a) 그리고 분변성대장균수(Fecal E. Coil) 등 유·무기오염물질은 수질오염공정시험기준에 준하여 분석하였다.
  • 유량은 하천유량을 나타내는 단위로 비유량(specific discharge, Q)을 사용하였으며, 이는 유량(m3/s)을 유역면적(km2)으로 나눈 것으로 “m3/s/km2”의 단위를 갖고 크기가 서로 다른 유역에서의 유출률을 비교할 때 편리하므로 본 연구에는 비유량을 이용하여 등급화 하였다.
  • 중점관리지점은 2013∼2014년 조사결과 오염도가 심하다고 판단되는 지점들을 중권역별로 구분하여 2015년 재조사한 결과로 35개 지류·지천의 수질 및 유량을 모니터링하고 지점별/중권역별 수질오염현황, 오염물질발생부하량, 계절별 오염특성과 수질항목 간 상관관계 및 다중회귀분석을 실시하여 아래와 같이 확인하였다.
  • 특히, 상류지역의 저수지나 하천에 설치된 보에 의한 영향이 최소화 할 수 있는 곳을 선정하였고, 강우, 결빙으로 채수가 불가능한 기간을 피하여 채수하였다. 하천 유량 및 수질측정은 오염물질의 거동특성, 수질 및 유량간의 상관성을 고려하여 동일지점에서 측정하는 것을 원칙으로 하였다. Fig.
  • 회귀분석을 실시하기 위하여 종속변수의 자기상관과 독립변수 간 다중공선성(VIF, Variance Inflation Factor, 분산팽창요인)을 검토하였다. 종속변수의 자기상관은 Durbin-Watson 지수를 이용하였다.

대상 데이터

  • 낙동강권역에서는 1,187개의 (낙동강수계 779개) 국가 및 지방하천과 7천여개의 소하천이 위치하며, 본 연구의 모니터링 지점은 2013∼2014년간 195개 지류지천 가운데 BOD5, COD 오염등급이 II(약간좋음, BOD5 ≥ 3 mg/L, COD ≥ 5 mg/L)등급 이하를 기준으로 우심하천을 선정하여 조사·분석하였다. 그 결과 낙동왜관, 금호강, 낙동고령, 낙동창녕, 남강, 낙동밀양, 낙동강하구언 등 7개 중권역에 총 35개 하천을 선정하여 Table 1과 같이 제시하였다.
  • 따라서, 본 연구는 2013∼2014년 낙동강수계 지류·지천 195개 지점을 대상으로 수질 및 유량 모니터링을 실시하였고(Na et al., 2015), 이러한 결과 가운데 “수질 및 수생태계” 부분 “하천 생활환경기준”에서 생물화학적산소요구량(BOD5)과 화학적산소요구량(COD) Ⅱ(약간좋음)등급 이상을 기준으로 중점관리지천(35개 지점)을 선정하여 2015년에 조사하였다.
  • 유량측정 및 시료채수는 2015년 월별 채수하였고, 채취한 시료는 아이스박스를 이용하여 4℃ 이하로 유지하여 실험실로 이동하여 분석하였다. 특히, 상류지역의 저수지나 하천에 설치된 보에 의한 영향이 최소화 할 수 있는 곳을 선정하였고, 강우, 결빙으로 채수가 불가능한 기간을 피하여 채수하였다.
  • 유량측정 및 시료채수는 2015년 월별 채수하였고, 채취한 시료는 아이스박스를 이용하여 4℃ 이하로 유지하여 실험실로 이동하여 분석하였다. 특히, 상류지역의 저수지나 하천에 설치된 보에 의한 영향이 최소화 할 수 있는 곳을 선정하였고, 강우, 결빙으로 채수가 불가능한 기간을 피하여 채수하였다. 하천 유량 및 수질측정은 오염물질의 거동특성, 수질 및 유량간의 상관성을 고려하여 동일지점에서 측정하는 것을 원칙으로 하였다.

데이터처리

  • 4) 계절별 상관관계가 높은(R2≥0.5) 수질 항목들이 BOD5에 미치는 영향력을 알아보기 위해 단계선택방법에 의한 다중회귀분석을 실시하였다.
  • , 2015), 이러한 결과 가운데 “수질 및 수생태계” 부분 “하천 생활환경기준”에서 생물화학적산소요구량(BOD5)과 화학적산소요구량(COD) Ⅱ(약간좋음)등급 이상을 기준으로 중점관리지천(35개 지점)을 선정하여 2015년에 조사하였다. 각 지점별/중권역별 오염부하량과 유량 및 온도 패턴이 다른 계절별 오염물질발생특성을 확인하였고, 계절별 수질항목 간 상관성을 알아보기 위해 피어슨 상관계수(Pearson correlation coefficient)를 이용하여 분석하였다. 계절별 상관관계가 높은(R2≥0.
  • 계절별 상관관계가 높은(R2≥0.5) 수질항목들이 BOD5에 미치는 영향력을 알아보기 위하여 단계선택방법(Stepwise regression method)을 이용한 다중회귀분석(Multiple regression analysis)을 실시함으로써 계절별 영향력이 높은 수질인자 및 회귀식을 제시하고자 하였다.
  • 0을 이용하여 최종 유량 값을 계산하였다. 상자 그림(Box Plot), 피어슨 상관계수 및 다중회귀분석 등 통계분석은 통계분석프로그램(SPSS. ver. 22.0)을 이용하였다.
  • 그 결과 계절과 무관하게 상관관계가 높은 항목은 BOD5, COD 및 TOC 이였으며,여름, 겨울철에는 Chl_a가 봄, 여름철에는 EC 등이 추가적으로 상관계수가 높은 것으로 관찰되었다. 이러한 상관분석 결과를 이용하여 여러 항목들간의 복합적인 경향을 평가하기 위해 다중회귀식을 유도하였다. 변수선택은 새로운 수질항목이 추가 될 때 마다 기존 독립변수에 미치는 영향에 따라 변수를 선택할 수 있는 단계선택법(stepwise regression method)을 사용하였으며, 다중회귀분석 시 사용되는 종속(BOD5) 및 주요독립변수(Dependent/Independent Variable) 및 계절별 유도한 다중회귀분석과 그 식은 Table 4와 Table 5에 각각 나타내었다.

이론/모형

  • 이러한 상관분석 결과를 이용하여 여러 항목들간의 복합적인 경향을 평가하기 위해 다중회귀식을 유도하였다. 변수선택은 새로운 수질항목이 추가 될 때 마다 기존 독립변수에 미치는 영향에 따라 변수를 선택할 수 있는 단계선택법(stepwise regression method)을 사용하였으며, 다중회귀분석 시 사용되는 종속(BOD5) 및 주요독립변수(Dependent/Independent Variable) 및 계절별 유도한 다중회귀분석과 그 식은 Table 4와 Table 5에 각각 나타내었다.
  • 하천 유량은 연속 측정이 가능하고 사용이 보편화된 유속계를 이용하여 유속-면적법(중간단면적법)으로 구하였다. 이때 각 하천의 유속은 도섭법을 이용하여 측정하였고, 각 결과들은CalPad 2.0을 이용하여 최종 유량 값을 계산하였다. 상자 그림(Box Plot), 피어슨 상관계수 및 다중회귀분석 등 통계분석은 통계분석프로그램(SPSS.
  • 회귀분석을 실시하기 위하여 종속변수의 자기상관과 독립변수 간 다중공선성(VIF, Variance Inflation Factor, 분산팽창요인)을 검토하였다. 종속변수의 자기상관은 Durbin-Watson 지수를 이용하였다. 가을철 Durbin-Watson 지수는 1.
  • Coil) 등 유·무기오염물질은 수질오염공정시험기준에 준하여 분석하였다. 하천 유량은 연속 측정이 가능하고 사용이 보편화된 유속계를 이용하여 유속-면적법(중간단면적법)으로 구하였다. 이때 각 하천의 유속은 도섭법을 이용하여 측정하였고, 각 결과들은CalPad 2.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
상관분석에서 상관계수의 해석은? 상관분석은 두 변수 간의 상호관계성을 평가하는 방법으로, 상관분석에서 구해지는 상관계수(r)는 두 변수 사이 선형적 관련성의 정도를 나타낸다. 일반적으로 상관계수(r)는 피어슨 상관계수를 의미하고, “-1에서 1” 사이에 존재하나 상관계수가 “0” 이라면 두 변수 사이에 선형적 관계가 없다는 것을 나타낸다. 더불어 ‘+’인 경우 양의 상관 또는 정적 상관이 있다고 하며, ‘-’인 경우 음의 상관 또는 부적 상관이 있다고 할 수 있다. 상관계수 크기를 코헨(J.
좋은 물 달성비율 높아지면서 일어난 일은? 4대강 위주로 좋은 물 달성비율이 높아지면서 4대강 유역에서 하수처리장, 폐수처리장의 확충으로 수질개선대책이 추진되고 있으며, 환경부와 국립환경과학원에서는 수질예보 및 조류경보를 실시하는 등 하천의 수질 개선, 관리 및 예측에 많은 관심을 갖고 있다. 더불어, 2012년 4대강 보 완공이후 변화된 하천환경에 대한 유역관리 정책전환이 필요하게 되었고, 이에따라 낙동강수계 유역 여건에 맞는 실현 가능한 현실적인 물 관리 대책이 제시되었다(Kim and Yi, 2011; NIER, 2012).
일부 지방자치단체의 지류·하천 모니터링의 한계는? 하지만, 현재 우리나라 하천 치수·이수 환경계획 등은 대부분 본류 중심의 유역관리체계로 본류 하천환경에 근원이 되는 지류·지천들의 체계적인 관리 및 연구는 부족한 실정이다. 일부 지방자치단체에서 자체적으로 운영하고 있는 지류·하천 모니터링의 경우, 유량측정 없이 대부분 수질 결과만을 제시하고 있어 수질오염총량관리 및 수질개선을 위한 삭감계획(개선방안)을 위한 기초자료로 활용하는데 그 한계를 보이고 있다. 특히 낙동강 유역은 하천 오염문제를 해결하기 위한 목적으로 많은 수의 수질 및 수문 관측망을 설치하고 다량의 데이터가수집·관리되고 있으나, 자료의 통계학적인 특성을 파악하고 이를 하천관리 및 운영, 예측 등에 응용하고자 하는 노력은 상대적으로 미흡하다.
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참고문헌 (12)

  1. Cho, BW, Choi, JH, Yi, SJ, Kim, YI(2012). Selection priority of tributary catchments for improving water quality using stream grouping method, J. of Korean Society on Water Environment, 28(1), pp. 18-25. [Korean Literature] 

  2. Choi, DH, Jung, JW, Yoon, KS, Lee, KS, Choi, WJ, Lim, SS, Park, HN, Yim, BJ, Hwang, TH(2012). Estimation of TOC concentration using BOD, COD in runoff from paddy fields, J. of Korean Society on Water Environment, 28(6), pp. 813-818. 

  3. Cohen, J(1988). Statistical Power Analysis for the Behavioral Sciences (2nd edition). Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associate. 

  4. Han, MH, Park, SJ, Choi, SS, Kim, JC, Lee, CH, Namkung, E, Chung, WJ(2009). The effects of flow and land use types on seasonal variations of water quality in stream, J. of Korea Society on Water Quality, 25(4), pp. 539-546. [Korean Literature] 

  5. Jung, SJ, Kim, KS, Seo, DJ, Kim, JH, Lim, BJ(2013). Evaluation of Water Quality Characterisitics and Grade Classification of Yeongsan River Tributaries, J. of Korean Society on Water Environment, 29(4), pp. 504-513. [Korean Literature] 

  6. Kim, ES, Sim, KB, Kim TS, Jeong, DH, Yoon, JH, Kang, DK, Kim, SD(2012). Comparative analysis on seasonal water quality factors in multipurpose Dams and agricultural reservoirs, J. of Korean Society of Environmental Engineers, 28(1), pp. 102-108. [Korean Literature] 

  7. Kim, HS, Hong, JJ, Seong, JU, Choi, KS, Park, JC(2013). Comparison of organic matter distribution in major tributaries of the Nakdong River, J. of Korean Society on Water Environment, 29(5), pp. 618-624. [Korean Literature] 

  8. Kim, YL, Yi, SJ(2011). Improvement of procedures for reasonable implementation of TMDL, J. of Korean Society of Environmental Engineers, 33(8), pp. 617-622. [Korean Literature] 

    원문보기 상세보기 crossref

  9. Lee, JW, Kwon, HG, Kwak, IS, Youn, JS, Cheon, SU(2012). The estimation of contribution ratio for sub-stream in Nam River basin, Environmental Impact Assessment, 21(5), pp. 745-755. [Korean Literature] 

  10. Lim, BS, Cho, BW, Kim YI, Kim, DY(2010). Application of priority order selection technique for water quality improvement in stream watershed by relationship of flow and water quality, J. of Korean Society of Environmental Engineers, 32(8), pp. 802-808. [Korean Literature] 

  11. Na, SM, Lim, TH, Lee, JY, Kwon, HG, Cheon, SU(2015). Flow rate？water quality characteristics of tributaries and a grouping method for tributary management in Nakdong River, J. of Wetlands Research, 17(4), pp. 380-390. [Korean Literature] 

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  12. National Institute of Environmental Research (NIER)(2014). Technical Guidelines for TMDLs, 11-1480523-001918-01, National Institute of Environmental Research. [Korean Literature] 

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