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문제 정의
- 본 연구에서는 광주지역의 민방위비상급수로 이용되는 지하수의 11년간 수질검사 결과를 바탕으로 수질항목의 농도 변화를 통계적으로 분석하고, 다변량 통계 기법으로 각 시설별 먹는물 수질기준 초과횟수와 평균농도 분석, 경향성 분석의 3 가지 오염지시인자를 이용하여 오염등급을 정량화하고 시각화 하였으며, 비상급수시설 주변 토지이용현황이나 설치연도별로 지하수 오염도를 분석하여 민방위비상급수의 수질 관리에 반영하고자 하였다.
가설 설정
- a)Microorganisms that could be improved by disinfection were excluded from the analysis. b)Odor and Taste were not expressed in numerical form and were excluded from the analysis items.
- a)Microorganisms that could be improved by disinfection were excluded from the analysis. b)Odor and Taste were not expressed in numerical form and were excluded from the analysis items. c)Non selectiond)Selection
- 관측값의 수 n과 Mann-Kendall 통계량 S*를 이용하여 증가하는 경향성이 없다는 가설(귀무가설)에 대한 확률을 구할 수 있다. 감소하는 경향성에 대해서는 S*의 부호를 반대로 하여 구할 수 있다.
제안 방법
- 광주지역의 민방위비상급수의 오염도를 정량화 하기 위해 각 시설에 대해 항목별로 먹는물 수질기준 초과횟수 조사와 평균농도분석, 경향성 분석을 실시하여 각 분석방법을 오염지시인자로 설정하였다.
- 국토지리정보원에서 제공하는 1:25,000 토지이용도를 이용하여 토지이용을 분석하고 토지이용분류는 토지이용현황도의 분류체계에 따라 농업지역(Agricultural area), 자연(Natural area), 공공지(Public area), 주거지역(Residential area), 수계(Water system), 교통지역(Traffic area), 공업지역(Industrial area), 기타(Etc)로 나타내어 총 8 개로 분류하여 QGIS (ver 2.14.)를 이용해 토지이용도를 나타내고 오염등급 산출결과를 나타내어 시각적으로 한눈에 알아볼 수 있도록 하였다.
- 따라서 101개의 민방위비상급수 시료에 대해 15 개 항목(F, As, Nitrate nitrogen, B, Hardness, Comsumption of KMnO4, Cu, Color, pH, Zn, Cl−, Fe, Mn, Turbidity,Sulfate)을 수질초과횟수분석, 평균농도초과횟수, 경향성 분석을 실시하여 오염지시수를 합산하여 오염등급을 판단하였다.
- 또한 본 연구에서 전체시설에 대한 오염등급산출 결과를 바탕으로 식 (9)와 같이 오염지시수를 시설수로 나눈 값에 통계적으로 적용한 수질초과횟수, 평균농도분석, 경향성분석의 3 가지 오염지수를 반영한 백분율로 오염도 분석을 실시하였다. 토지이용, 설치연도, 심도별로 더 구체적인 지하수 수질특성을 알아보았다.
- 1에 분포를 나타내었다. 민방위비상급수의 수질분석은 먹는물 공정시험기준에서8 규정한 46 개 항목의 방법에 의하였으며, 2006년부터 2016년까지 101 개 지점에 대해 한 지점당 최대 18회의 수질측정자료를 이용하여 통계적 방법을 통해 지하수 수질 특성을 분석하고 정량화 하였다.
- 등이 있다. 본 연구에 적용한 민방위비상급수의 오염도를 판단하는데 있어 시간에 따른 농도의 경향성을 조사하기 위해 EU의 WFD (Water Framework Directives)와 미국 EPA에서도 공통적으로 제시하는 Mann-Kendall 방법과 Sen의 경향성 분석방법을 수행하였다.16
- 본 연구에서는 지하수 수질 등급을 평가하기 위해 오염지시인자로서 환경부의 ‘지하수 오염원 정량적 관리 및 종속 생태환경 모델링 기술 개발’에9 제시된 통계적 분석방법을 본 연구에 적합하도록 적용하여 수질기준 초과횟수조사, 평균농도분석, 경향성분석의 세가지 방법을 분석하여 결과 Table 1과 같이 오염 지시수를 합산하여 수질 오염 등급을 평가하였다.
- 수질기준초과횟수는 분석대상항목으로 선정된 항목에 대하여 먹는물 수질기준을 초과한 횟수를 조사하여 초과횟수가 1이상일 때 오염을 지시하는 것으로 하였다. 평균농도분석은 각 시설의 선정된 항목에 대해 측정된 농도의 평균과 표준편차를 계산하고 평균농도의 95 % 신뢰구간(식 (1))을 계산하여 평균농도의 95 % 신뢰구간의 상한선이 수질기준보다 높은 경우 오염을 지시하는 것으로 하였다.
- 9 %)순으로 높게 나타났다. 이러한 수질분석결과를 이용하여 15 개 항목에 대한 101 개 지점의 오염등급을 결정하였다. Fig.
- 또한 본 연구에서 전체시설에 대한 오염등급산출 결과를 바탕으로 식 (9)와 같이 오염지시수를 시설수로 나눈 값에 통계적으로 적용한 수질초과횟수, 평균농도분석, 경향성분석의 3 가지 오염지수를 반영한 백분율로 오염도 분석을 실시하였다. 토지이용, 설치연도, 심도별로 더 구체적인 지하수 수질특성을 알아보았다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 데이터 확보와 접근이 비교적 용이한 광주지역의 먹는물 용도로 이용되고 있는 민방위비상급수시설로 지정된 101 개소의 지하수 수질측정자료를 이용하였으며, Fig. 1에 분포를 나타내었다. 민방위비상급수의 수질분석은 먹는물 공정시험기준에서8 규정한 46 개 항목의 방법에 의하였으며, 2006년부터 2016년까지 101 개 지점에 대해 한 지점당 최대 18회의 수질측정자료를 이용하여 통계적 방법을 통해 지하수 수질 특성을 분석하고 정량화 하였다.
- 본 연구의 대상인 민방위비상급수는 비상 및 재난시 상수도 시설이 파괴되거나 갈수기 용수 부족시에 시민들에게 안정적으로 물을 공급하기 위한 시설로 행정안전부 소관으로 각 자치구에서 지정·관리 하고 있다.
데이터처리
- 광주지역 지하수의 오염정도를 평가하는 오염지수산출방법으로 환경부에서 2011년도에 보고한 지하수 오염원 정량적 관리 및 종속 생태환경 모델링 기술 개발에9,10 제시된 통계적 분석 방법을 적용하였다. 따라서 사전에 적용 적합 여부를 검증하기 위한 통계적 검증을 실시하였고, 전체지점의 수질측정농도에 대해 항목별로 정규분포를 이루는지 알아보기 위해 Kolmogorov-Smirnov검정과 Shapiro-Wilk검정11을 실시하였다. 또한 46 개 항목 중 통계적 분석대상 항목을 선정하기 위해 각 항목에 대해 평균, 표준편차 등 기술통계분석을 실시하였고, 각 급수시설 간의 수질 측정 농도의 차이가 있는지 알아보기 위해 정규분포의 제한을 받지 않는 Kruskal-Wallis검정을12 실시하여 분석대상 항목을 선정하였다.
- 따라서 사전에 적용 적합 여부를 검증하기 위한 통계적 검증을 실시하였고, 전체지점의 수질측정농도에 대해 항목별로 정규분포를 이루는지 알아보기 위해 Kolmogorov-Smirnov검정과 Shapiro-Wilk검정11을 실시하였다. 또한 46 개 항목 중 통계적 분석대상 항목을 선정하기 위해 각 항목에 대해 평균, 표준편차 등 기술통계분석을 실시하였고, 각 급수시설 간의 수질 측정 농도의 차이가 있는지 알아보기 위해 정규분포의 제한을 받지 않는 Kruskal-Wallis검정을12 실시하여 분석대상 항목을 선정하였다.
- 분석대상항목을 선정하기 위해 광주지역 민방위비상급수에 대한 수질측정항목인 46 개 항목에 대하여 기술통계분석을 수행하였다. Table 2에 나타난 바와같이 각 항목의 평균값, 표준편차, 최대값, 최소값이 대부분 불검출이거나, 냄새 등과 같이 수치화 할수 없는 항목 등 26 개 항목은 분석대상에서 제외하였다.
- 앞서 기술통계분석에서 제외된 항목 이외에 나머지 20개 항목에 대하여 급수시설별로 수질측정항목의 평균값의 차이가 있는지 알아보기 위해 비모수적 방법인 Kruscal-wallis 검정을 실시한 결과를 Table 3에 나타내었다. 그 결과 Ammonium nitrogen과 Al은 유의확률 0.
- 연구에서 수집된 자료의 통계분석은 대표할 수 있는 수질 측정값을 선별하기 위해 각 지점마다 각 항목에 대해 SPSS (ver 2.0)를 이용한 BOX PLOT을 통해 극한 이상치를 제거 하였다. 광주지역 지하수의 오염정도를 평가하는 오염지수산출방법으로 환경부에서 2011년도에 보고한 지하수 오염원 정량적 관리 및 종속 생태환경 모델링 기술 개발에9,10 제시된 통계적 분석 방법을 적용하였다.
이론/모형
- 0)를 이용한 BOX PLOT을 통해 극한 이상치를 제거 하였다. 광주지역 지하수의 오염정도를 평가하는 오염지수산출방법으로 환경부에서 2011년도에 보고한 지하수 오염원 정량적 관리 및 종속 생태환경 모델링 기술 개발에9,10 제시된 통계적 분석 방법을 적용하였다. 따라서 사전에 적용 적합 여부를 검증하기 위한 통계적 검증을 실시하였고, 전체지점의 수질측정농도에 대해 항목별로 정규분포를 이루는지 알아보기 위해 Kolmogorov-Smirnov검정과 Shapiro-Wilk검정11을 실시하였다.
성능/효과
- (b)의 민방위비상급수시설 설치연도에 따른 오염도는 Nitratenitrogen와 Cl−이 1990년대 > 1980년대 > 2000년대2', '> 2')">> 2010년대순으로 높았으며 항목 전체적인 오염도는2010년대(8.3%) > 1990년대(7.1%) > 1980년대(6.6%) 2', '>2')">>2000년대(4.7%)에 설치한 순으로 오염도가 높게 나타났다.
- (c)의 심도에 따른 오염도 산출결과는 Nitrate nitrogen, Cu, Zn, Fe, Mn, Sulfate 등 300 m 이상에서 오염도가 나타나지 않았고 전체항목에 대한 오염도는 100~200 m이하(7.1%) > 200~300 m이하(6.7 %', ')>')">)> 100 m이하(6.4 %) > 300 m이상에서(5.6 %)순으로 오염도가 높게 나타났다.
- Fig. 2는 전체급수시설에 대한 각 항목의 오염등급 분포로 민방위비상급수시설 101 개소를 대상으로 민방위비상급수의 오염등급 분석결과 Table 1의 기준에 의한 오염등급이 (0)~(3)까지 다양하게 분포한 Turbidity, Color, Nitrate nitrogen의 3 개 항목을 제외하면 12개 항목에 대한 오염등급을 평가한 결과 전 시설 중 ‘오염된 등급(2)’이 최대 4% 이내, ‘오염가능한 등급(1)’이 최대 26% 이내로, 74% 이상이 ‘안전한 등급(0)’으로 평가되었다.
- 경향성 분석 결과의 오염지시율은 Hardness (25.7%) > Cl− (24.8 %) > Sulfate (19.8 %) > pH(11.9 %)순으로 높게 나타났다.
- 경향성이 없다는 귀무가설(null hypothesis)에 대하여 M1과 M2에 해당되는 Q값이 0을 포함하지 않으면 귀무가설은 기각되어 경향성이 있다고 판단할 수 있다. 경향성 분석은 95% 신뢰구간에 해당하는 결과를 이용하여 농도 기울기가 증가하다고 분석되는 경우 오염을 지시하는 것으로 판단하였다.
- 앞서 기술통계분석에서 제외된 항목 이외에 나머지 20개 항목에 대하여 급수시설별로 수질측정항목의 평균값의 차이가 있는지 알아보기 위해 비모수적 방법인 Kruscal-wallis 검정을 실시한 결과를 Table 3에 나타내었다. 그 결과 Ammonium nitrogen과 Al은 유의확률 0.05이상으로 민방위비상급수의 각 지점의 수질측정농도 값이 평균적 차이가 거의 없어 수질 오염도를 평가하는데 의미가 없어 제외하였고, 나머지 항목들의 수질측정농도 유의확률 0.05 이하로 각 지점의 수질측정농도가 유의한 차이가 있음을 판단할 수 있다. 본 연구에서는 소독 등의 방법으로 개선할 수 있는 미생물분야의 항목은 분석대상에서 제외하였다.
- 물-암석 반응에 의한 자연적인 기원보다는 하수, 제설제, 산업용폐수 및 동물의 배설물 등으로 인해 지하수를 유입되는 Cl−은 주거지역(9.6%', ')>')">)> 상업지역(9.0%) > 농업지역(6.7%)순으로 외부의 오염물질의 영향을 받았을 가능성이 높았을 것으로 추정되며, 공업지역에서는 주로 Cu, Zn, Mn 등 중금속의 오염도가 높은 것을 알 수 있었다.
- 민방위비상급수시설 101 개소를 통계적 방법으로 선정된 12 개 항목의 수질 오염등급을 분석한 결과 전체 시설 중 ‘오염된 등급(2)’이 최대 4% 이내, ‘오염가능한 등급(1)’이 최대 26% 이내로, 74% 이상이‘안전한 등급(0)’으로 평가되었다.
- 오염등급산출결과를 토대로 오염 지시율이 높게 평가된 4 개항목(Turbidity, Color, Nitrate nitrogen, Hardness)에 대한 QGIS를 이용하여 오염지도를 작성한 결과 오염이 심각하다고 평가된 시설의 위치를 한눈에 알아볼 수는 있었지만 어떤 오염인자와 상관관계가 있는지 파악은 어려운 단계이다. 민방위비상급수시설 위치를 지역에 따라 농업지역, 상업지역, 공업지역, 주거지역의 형태로 나누어 오염도를 나타낸 결과 수질오염의 지표로 이용되는 Nitrate nitrogen의 오염도는 주거지역과 농업지역에서 높게 나온 것으로 보아 생활하수, 농업에서 이용되는 비료의 영향을 받은 결과로 추정되며, 공업지역은 주로 Cu, Zn, Mn 등 중금속의 오염도가 높았다. 시설설치연도에 따른 오염도는 Nitratenitrogen와 Cl−이 최근에 설치한 시설일수록 대체적으로 오염도가 낮은 경향을 나타냈다.
- 세가지 오염지시인자를 분석하여 합산한 결과 Turbidity (51.5 %) > Color (32.7 %) N', '>N')">>Nitrate nitrogen (28.7 %) > Hardness (25.7 %)순으로 오염 지시율이 상대적으로 높게 평가되었다.
- 수질기준초과횟수는 오염지시인자인 15 개 항목의 수질기준 초과횟수조사와 평균농도분석결과 Turbidity, Color, Nitrate nitrogen의 순으로 오염 지시율이 높았고, 경향성분석 결과 Hardness, Cl−, Sulfate의 순으로 10% 이상의 오염 지시율을 보였다.
- 시설설치연도에 따른 오염도는 Nitratenitrogen와 Cl−이 최근에 설치한 시설일수록 대체적으로 오염도가 낮은 경향을 나타냈다.
- 지질에 따른 오염도를 산출한 결과 Nitrate nitrogen는 대보관입암류화강암류(11.7%) 산', '>산')">>산성화강암류(11.1%) > 소백산편마암복합체화강편마암(9.1%) > 충적층(5.6 %)순으로 Zn은 소백산편마암복합체화강편마암(6.1 %)>충적층(4.4%) > 대보관입암류화강암류(4.3%) > 산성화강암류(0.0 %) 순으로 철은 충적층(3.0%) > 소백산편마암복합체화강편마암(6.1%', ')>')">)> 대보관입암류화강암류(0.6%) > 산성화강암류(0.0 %)순으로 오염도가 높은 것을 알 수 있었다.
- 지하수의 심도와 생산량은 Comsumption of KMnO4와 유의확률이 각각 0.297과 –0.315로 유의한 상관관계가 있는 것으로 나타났고, 지질은 Hardness, Cl−, Fe과 유의확률이 0.329, 0.296, −0.312로 유의한 것으로 나타났다.
- 토지이용에 따른 오염도를 계산한 결과 수질오염의 지표로 이용되는 Nitrate nitrogen의 오염도는 주거지역(12.6%) > 농업지역(9.3%) > 공업지역(6.7%) > 상업지역(5.1%)순으로 높았다.
후속연구
- 또한 광주광역시 내 지하수의 관정의 수가 2015년 말 기준으로 11,614 개소에3 이르는데 그 중 101 개소에 대한 연구로 분석결과를 단정 짓기에는 수질등급을 과소평가하거나 과대평가할 가능성이 높다. 이러한 한계에도 불구하고 대표성 있는 지하수에 대한 지속적인 데이터 관리 및 지속적인 모니터링을 통해 본 연구에서 사용한 통계적 비교방법과 시각적 그래프를 함께 이용하고, 수질변화를 분석하고 비교 가능한 자료가 충분히 존재한다면 특정지점과 지점사이에서의 수질변화 파악이나 특정연도의 수질변화 파악 등 지하수의 지속적인 이용 및 수질보호와 민방위비상급수시설의 신규지정 등 시설관리의 과학적 근거자료로서 다양하게 적용 가능할 것으로 판단된다.
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