[논문]낙동강 남강 합류부 수위와 수질 패턴 및 추세

양득석; 임태효; 이인정; 정강영; 김경훈; 권헌각; 유제철; 안정민

doi:10.5322/jesi.2018.27.2.63

낙동강 남강 합류부 수위와 수질 패턴 및 추세
Patterns and Trends of Water Level and Water Quality at the Namgang Junction in the Nakdong River Based on Hourly Measurement Time Series Data 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.27 no.2, 2018년, pp.63 - 74

양득석 (국립환경과학원 낙동강물환경연구소) , 임태효 (국립환경과학원 낙동강물환경연구소) , 이인정 (국립환경과학원 낙동강물환경연구소) , 정강영 (국립환경과학원 낙동강물환경연구소) , 김경훈 (국립환경과학원 낙동강물환경연구소) , 권헌각 (국립환경과학원 낙동강물환경연구소) , 유제철 (금오공과대학교 환경공학과) , 안정민 (국립환경과학원 낙동강물환경연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

As part of the Four Major Rivers Restoration Project, multifunctional weirs have been constructed in the rivers and operated for river-level management. As the weirs play a role in draining water from tributaries, the aim of this study was to determine the influence of the weirs on the water level of the Nam River, which is one of the Nakdong River's tributaries. Self-organizing maps (SOMs) and a locally weighted scatterplot smoothing (LOWESS) technique were applied to analyze the patterns and trends of water level and quality of the Nakdong River, considering the operation of the Changnyeong-Haman weir, which is located where the Nam River flows into the Nakdong River. The software program HEC-RAS was used to find the boundary points where the water is well drained. Per the study results at the monitoring points ranging between the junction of the two rivers and 17.5 km upstream toward the Nam River, the multifunctional weir influenced the water level at the Geoyrong and Daesan observation stations on the Nam River and the water quality based on automatic monitoring at the Chilseo station on the Nakdong River was affected strongly by the Nakdong River and partly by the Nam River.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 창녕함안보 상류에 위치해 있는 낙동강 본류와 남강을 대상으로 SOM 기법과 LOWESS 기법을 이용하여 수위 및 수질에 대한 패턴 및 추세를 분석하고, 시간적 환경인자들의 영향에 대하여 분석 하고자 하였다. 또한, 1차원 수리모형인 HEC-RAS를 이용하여 최대배수영향 경계지점을 분석하여 본류 수위가 지류 수위에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 본류에서 운영 중인 다기능보 운영에 따른 수위가 지류 수위에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 창녕함안보 상류에 위치해 있는 낙동강 본류와 남강을 대상으로 SOM 기법과 LOWESS 기법을 이용하여 수위 및 수질에 대한 패턴 및 추세를 분석하고, 1차원 수리모형인 HEC-RAS 모형을 이용하여 최대 배수영향 경계지점을 분석하였다.
본 연구에서는 창녕함안보 상류에 위치해 있는 낙동강 본류와 남강을 대상으로 SOM 기법과 LOWESS 기법을 이용하여 수위 및 수질에 대한 패턴 및 추세를 분석하고, 시간적 환경인자들의 영향에 대하여 분석 하고자 하였다. 또한, 1차원 수리모형인 HEC-RAS를 이용하여 최대배수영향 경계지점을 분석하여 본류 수위가 지류 수위에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.
수질자동관측소는 수질 예보제 운영 지원 등 일반측정망의 보완적 기능을 담당하고 있으며, 특히 수질오염사고 시 신속한 대응조치를 위한 수질감시경보 체계로 운영되고 있다. 최근 물관리 일원화에 대한 논쟁이 지속되고 있으며, 이에 일환으로 본 연구에서는 기존에 설치되어 있는 실시간 수리 수질 관측망에 대한 대표성을 검증하고자 한다.

제안 방법

1차원 하도 추적시, 시계열 강우, 수위, 유량과 같은 상류경계조건은 수리모형의 안정화를 위해 time step은 1분, 상류에서 유입되는 최소유량을 낙동강의 경우 남강 합류전 구간은 133.28 m3/sec, 남강합류 후 구간은 150 m3/sec, 남강은 57.82 m3/sec로 적용하였으며, 최소유량 이하의 유량은 최소유량으로 대체하였다.
Fig. 4~7과 같이 모니터링 결과를 바탕으로 SOM을 이용한 월별 관측 수위와 수질의 패턴 분석과 LOWESS을 이용한 수위와 수질의 추세 분석을 수행하였다. 수위자료는 국토교통부에서 운영하고 있는 낙동강홍수통제소의 국가수위관측소 자료를 이용하였고, 수질자료는 환경부에서 운영하고 있는 국가수 질자동측정망의 전기전도도 관측 자료를 활용하였다.
선택된 출력 뉴런의 수 결정은 규정화된 원칙은 없으나 이 연구에서는 40개의 격자 (N=8×5)를 사용하였다. SOM 분석은 Matlab 환경에서 이루어졌으며, SOM toolbox (http://www.cis.hut.fi/projects/somtoolbox)에서 제공하는 함수와 인자들을 이용하였다.
관측된 월별 전기전도도 자료를 관측소별로 시계열로 정리하고, SOM에서 data loading이 가능한 형태의 파일로 변환한 후 SOM을 구동하였다. 학습율 감소인자는 0.
낙동강 본류의 진동과 적포교, 남강의 거룡강, 대산, 정암 수위표에서 관측된 2015년부터 2016년 2년간 수위자료를 이용하여, Fig. 4와 Fig. 6에 제시된 바와 같이, SOM과 LOWESS 기법으로 패턴과 추세를 분석하였다. SOM과 LOWESS 분석 결과, 낙동강 본류의 진동과 적포교, 남강의 거룡강과 대산은 동일한 패턴과 추세를 나타냈다.
9는 HEC-RAS 모형을 이용한 최대 배수영향 경계지점을 분석한 결과이다. 낙동강과 남강의 하상지형, 2017년 1월부터 10월까지 유량 그리고 수위 등 수리 데이터를 적용하여 배수영향을 분석 하였다. 남강하천정비기본계획 상의 단면 번호 No.
낙동강과 남강이 합류하는 지점 인근에 위치해 있는 자동측정망의 전기전도도 관측데이터를 이용하여 Fig. 5와 Fig. 7과 같이 SOM 및 LOWESS 기법으로 패턴과 추세를 분석하였다. 자동측정망은 낙동강 본류의 적포, 칠서, 청암 관측소, 남강의 진주, 남강 측정소 지점 자료를 2014년 4월 1일부터 2016년 12월 31일까지 일평균 자료를 이용하였다.
본류에 위치해 있는 다기능보의 관리수위 운영과 이에 따른 수위상승은 본류 및 지류에 위치해 있는 기존 관측소들에 영향을 미칠 수 있기 때문에 본 연구에 서는 경향분석과 패턴분석을 통해 배수위에 따른 영향을 분석하였다. 경향을 분석하는 기법 중 많은 연구자들이 이용하고 있는 기법은 Seasonal Mann-Kendall 기법이다.
하지만 칠서 자동측정망 지점에서 낙동강 본류와 남강의 수체가 혼합되는 것으로 패턴이 나타났기 때문에, 남강의 영향을 받는 것으로 확인되었다. 적포 측정소와 칠서 측정소 사이는 31 km 구간으로 두 측정소 사이에 자동 측정소가 없기 때문에, 칠서 측정소를 이전하거나 두 측정소 사이에 새로운 측정소를 추가하는 것을 제안한다.
본 연구에서는 본류에서 운영 중인 다기능보 운영에 따른 수위가 지류 수위에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 창녕함안보 상류에 위치해 있는 낙동강 본류와 남강을 대상으로 SOM 기법과 LOWESS 기법을 이용하여 수위 및 수질에 대한 패턴 및 추세를 분석하고, 1차원 수리모형인 HEC-RAS 모형을 이용하여 최대 배수영향 경계지점을 분석하였다. 이러한 정보는 물관리 일원화와 더불어 하천의 수위•수질 관리에 기초적인 정보로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
전기전도도의 경우, 빗물은 10~20 uS/cm, 수돗물은 100 uS/cm, 바닷물은 50,000 uS/cm 범위의 값을 가진다. 특정 매질의 고유성을 판단하는 근거로는 안정동위원소 분석 등 다양한 기법이 있을 수 있지만, 본 연구에서는 하천의 고유성을 판단하는 매질로 수질측정망에서 운영 중인 전기전도도를 활용하였다. 전기 전도도는 손쉽게 측정할 수 있는 수질측정 항목이기 때문에, 연구의 확장성을 고려했을 때 가장 적합하다고 판단하였다.

대상 데이터

선택된 출력 뉴런의 수 결정은 규정화된 원칙은 없으나 이 연구에서는 40개의 격자 (N=8×5)를 사용하였다.
4~7과 같이 모니터링 결과를 바탕으로 SOM을 이용한 월별 관측 수위와 수질의 패턴 분석과 LOWESS을 이용한 수위와 수질의 추세 분석을 수행하였다. 수위자료는 국토교통부에서 운영하고 있는 낙동강홍수통제소의 국가수위관측소 자료를 이용하였고, 수질자료는 환경부에서 운영하고 있는 국가수 질자동측정망의 전기전도도 관측 자료를 활용하였다. 전기전도도는 물질에서 전류가 잘 흐르는 정도를 나타내는 물리량으로, 비저항의 역수다.
7과 같이 SOM 및 LOWESS 기법으로 패턴과 추세를 분석하였다. 자동측정망은 낙동강 본류의 적포, 칠서, 청암 관측소, 남강의 진주, 남강 측정소 지점 자료를 2014년 4월 1일부터 2016년 12월 31일까지 일평균 자료를 이용하였다. SOM을 이용한 패턴 분석결과, 전기전도도 분석 범위가 남강 측정소는 121 242 uS/cm, 칠서 측정소는 164~324 uS/cm, 진주 측정소는 97.
하천단면은 낙동강 및 남강 하천기본계획(Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, 2008; Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, 2009)에 제시 되어 있는 지형단면을 적용하였다. 1차원 하도 추적시, 시계열 강우, 수위, 유량과 같은 상류경계조건은 수리모형의 안정화를 위해 time step은 1분, 상류에서 유입되는 최소유량을 낙동강의 경우 남강 합류전 구간은 133.

이론/모형

이와 관련한 국내 연구로는 Kim et al.(2014)이 금강수계 총량관리 단위유역의 수질변화를 분석하고자 Seasonal Mann-Kendall 검정법과 LOWESS (LOcally Weighted Scatter plot Smoother) 분석법을 적용하였으며, Jung et al.(2016)도 금호강 본류에서 BOD의 장기 경향 분석을 위해 같은 방법을 연구에 활용하였다.
8. Maximum drainage impact point analyzed by the HEC-RAS model.
3. Results of water level on the Daesan station calculated by the HEC-RAS model.
수치모의를 위한 매개변수는 낙동강(Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, 2009)과 남강(Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, 2008) 하천정 비기본계획에 제시되어 있는 조도계수를 적용하였다. Table 2와 같이 조도계수의 신뢰성을 확인하기 위해 부정류흐름해석을 수행할 수 있는 HEC-RAS 모형을 이용하여 부정류 흐름해석을 수행하였다.
(2016)도 금호강 본류에서 BOD의 장기 경향 분석을 위해 같은 방법을 연구에 활용하였다. 국외에서는 Rodriguez-Murillo and Filella(2015)가 스위스 호수에서의 유기 탄소 농도의 시간적 변화를 분석하기 위하여 LOWESS 분석법을 활용하였으며, Haiming et al.(2015)는 미국 펜실베이니아의 기후 및 수문학의 장기 추세연구에서 LOWESS 분석법을 적용하는 등 지금까지 세계 여러 연구자들에 의해 많은 분야에서 적용되었다.
(1989)은 수치모의를 수행하기 위해 지켜야 할 원칙으로, 목적을 명확히 하고 가장 간단한 모형을 선별하여 관심 있는 항목만 적절한 시간규모 이상으로 예측하라고 한 바 있다. 수치모의를 위한 매개변수는 낙동강(Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, 2009)과 남강(Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, 2008) 하천정 비기본계획에 제시되어 있는 조도계수를 적용하였다. Table 2와 같이 조도계수의 신뢰성을 확인하기 위해 부정류흐름해석을 수행할 수 있는 HEC-RAS 모형을 이용하여 부정류 흐름해석을 수행하였다.
일반적으로 대부분의 월별 수위•수질자료는 계절의 변화에 따른 주기성을 가지고 변화하기 때문에 주기성을 포함하는 추이가 있는지를 분석해야한다. 패턴 분석은 SOM 기법, 추세는 LOWESS 기법을 이용하였고, 최대 배수경계 영향지점 분석은 HEC-RAS모형을 이용하였다.

성능/효과

1) 본류에 위치해 있는 진동과 적포교 수위관측소 관측수위와 남강에 위치해 있는 거룡강과 대산 수위 관측소 관측수위의 경우, 추세와 패턴이 함께 나타나는 것을 볼 때, 남강에 위치해 있는 거룡강과 대산 수위관측소는 본류에 위치해 있는 다기능보의 관리수위에 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 따라서, 남강에 위치해 있는 수위관측소의 경우 수위관측이나 유량측정에 문제가 있다면, 상류로 지점을 변경하거나 남강 유입지류로 이전을 검토할 필요가 있다.
2) 추세와 패턴 분석결과, 칠서 수질자동측정소의 경우 낙동강의 특성을 강하게 나타내지만, 남강의 특성이 함께 나타나는 것을 알 수 있었다. 물환경측정망의 목적에 따라 세부측정위치는 해당 구간 중 횡단면에서의 수질이 동일한 즉, 완전 혼합이 이루어지는 지점이어야 된다.
4) 수질오염총량제의 경우 말단지점에서의 수질을 정확하게 평가하는 것이 중요하고, 다기능보의 관리 수위운영은 지류 말단부 지점에 배수위 영향을 미치고 있기 때문에 본류의 물이 역류할 경우 낙동강 수질의 영향을 받아 지류 말단부 지점의 수질이 지류의 수질을 대표하는 것이 아닐 수 있다. 따라서, 향후 압력식 수위계를 이용한 실제 수위관측을 통해 본 연구를 뒷받침할 수 있는 배수영향을 파악해야 되며, 본류 다기능보 운영을 통한 지류 말단부 지점의 배수위 영향에 대한 기존 수질 측정망의 대표성에 관한 연구가 진행될 필요가 있다.
자동측정망은 낙동강 본류의 적포, 칠서, 청암 관측소, 남강의 진주, 남강 측정소 지점 자료를 2014년 4월 1일부터 2016년 12월 31일까지 일평균 자료를 이용하였다. SOM을 이용한 패턴 분석결과, 전기전도도 분석 범위가 남강 측정소는 121 242 uS/cm, 칠서 측정소는 164~324 uS/cm, 진주 측정소는 97.6~196 uS/cm, 청암측정소는 199~371 uS/cm, 적포 측정소는 241~485 uS/cm로 나타났다. 전기전도도 최대값은, 적포 측정소에서 485 uS/cm, 남강 측정소 242 uS/cm로 나타났다.
34번 단면부터 배수영향이 나타나지 않았다. 이 결과를 토대로 낙동강 본류가 지류에 미치는 최대 배수영향 경계지점을 나타내면 Fig. 9와 같이 남강 상류로 17.5 km 범위까지 배수영향이 발생하는 것을 알 수 있었다.
특정 매질의 고유성을 판단하는 근거로는 안정동위원소 분석 등 다양한 기법이 있을 수 있지만, 본 연구에서는 하천의 고유성을 판단하는 매질로 수질측정망에서 운영 중인 전기전도도를 활용하였다. 전기 전도도는 손쉽게 측정할 수 있는 수질측정 항목이기 때문에, 연구의 확장성을 고려했을 때 가장 적합하다고 판단하였다.
종합적인 분석결과, 남강과 진주 측정소는 서로 같은 패턴을, 적포와 청암 측정소는 서로 같은 패턴을, 칠서 측정소의 경우 낙동강과 남강이 혼합되는 패턴을 나타낸 것을 알 수 있다. 칠서 자동측정망의 경우, 본류의 수질오염사고 시 신속한 대응조치를 위한 수질감시경보 체계 운영의 목적으로 설치 운영되고 있다.
칠서 측정소의 경우, 낙동강과 남강의 주요 패턴이 함께 나타났다. 추세의 경우에는 Fig. 7과 같이 정성적인 분석의 결과로서, 칠서와 청암 측정소는 분포와 거동은 유사하였지만 최고치와 최저치는 남강의 수체혼합 영향을 받아 대체적으로 값의 크기가 작아지는 형태로 나타났다.

후속연구

3) HEC-RAS 모형을 이용한 최대배수영향 경계지점을 분석한 결과, 낙동강과 남강이 합류하는 지점으로부터 남강 상류로 17.5 범위까지 배수영향이 발생하는 것을 알 수 있었으며, 향후 다기능보 관리수위별 지류에 미치는 배수영향 분석을 통해, 국가적으로 추진하고 있는 다기능보의 상시배수 및 보 개방 모니터링을 수행하는데 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
4) 수질오염총량제의 경우 말단지점에서의 수질을 정확하게 평가하는 것이 중요하고, 다기능보의 관리 수위운영은 지류 말단부 지점에 배수위 영향을 미치고 있기 때문에 본류의 물이 역류할 경우 낙동강 수질의 영향을 받아 지류 말단부 지점의 수질이 지류의 수질을 대표하는 것이 아닐 수 있다. 따라서, 향후 압력식 수위계를 이용한 실제 수위관측을 통해 본 연구를 뒷받침할 수 있는 배수영향을 파악해야 되며, 본류 다기능보 운영을 통한 지류 말단부 지점의 배수위 영향에 대한 기존 수질 측정망의 대표성에 관한 연구가 진행될 필요가 있다.
물환경측정망의 목적에 따라 세부측정위치는 해당 구간 중 횡단면에서의 수질이 동일한 즉, 완전 혼합이 이루어지는 지점이어야 된다. 수질자동측정소의 운영 목적을 고려할 때, 적포와 칠서 수질자동측정소 구간 사이에 추가 적으로 수질자동측정소를 추가하거나, 칠서 수질자동 측정소를 이전할 것을 제안한다.
이러한 정보는 물관리 일원화와 더불어 하천의 수위•수질 관리에 기초적인 정보로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SOM 기법은 어떻게 구성되나?	SOM 기법은 구조적으로 2개의 층(입력 : 자료를 입력받는 곳, 출력: 계산된 자료결과를 보여주는 곳) 으로 구성되며, 각 층은 뉴런 (node)이라는 계산단위 체로 구성된다. 입력층(본 연구에서는 수질자료)과 출력층(결과를 제시하는 곳)은 연결강도(weight, 가중치)라는 계산 값으로 연결된다.
	인공뉴런에 기초를 둔 SOM 기법의 장점은 무엇인가?	Kohenen에 의해 개발된 자기조직화 지도(Self-organizing maps)는 비지도 학습(Unsupervised Learning) 신경망 모델의 한종류이다. 인공뉴런에 기초를 둔 SOM 기법은 비선형적인 관계 분석, 수학적 지식이 없는 관계, 쉽고 빠른 자료의 업데이트, 다중변수에 대한 통합 등의 장점을 가지고 있다(Hong et al., 2001).
	Seasonal Mann-Kendall 기법의 단점은 무엇인가?	경향을 분석하는 기법 중 많은 연구자들이 이용하고 있는 기법은 Seasonal Mann-Kendall 기법이다. 그러나 이 방법은 선형 경향을 기본 가정으로 하고 있기 때문에 연구 대상 기간 동안 경향성이 변할 경우에는 이를 적절히 반영할 수 없다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 특정회귀모델을 가정하지 않고 이동 직선에 대한 데이터 점들을 통해 회귀모델을 적합 시키는 방법으로 기간 내 변화하는 경향성을 파악할 수 있는 LOWESS (LOcally WEighted Scatter polt Smoother) 경향 분석이 사용되고 있다(Hirsch et al.

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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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