[논문]확률분포를 이용한 남한강 보 건설 전·후 수질변화 분석

김경섭

doi:10.15681/kswe.2019.35.1.55

확률분포를 이용한 남한강 보 건설 전·후 수질변화 분석
Analysis of Water-Quality Constituents Variations before and after Weir Construction in South Han River using Probability Distribution 원문보기

한국물환경학회지 = Journal of Korean Society on Water Environment, v.35 no.1, 2019년, pp.55 - 63

Abstract ▼ AI-Helper

The Four Major Rivers Restoration Project started in 2009 and completed in early 2013 is a large-scale inter-ministry SOC project investing ₩22.2 $10^{12}$ and one of the Project's objectives was to enhance the water-quality grade through recovering the river eco-system and environment. The average concentration and probability distribution of water-quality constituents at given and selected sampling sites are very significant elements for analyzing and controlling the water-quality of rivers or reservoirs effectively. Average concentration can be estimated by point estimator, distribution function of water-quality constituents or Bootstrap method, in which the distribution function estimated with more data in case of insufficient dataset, is applied. Ipo and Gangcheon water-quality monitoring stations in South Han River were selected to compare and analyze the variation of concentration before and after Ipo and Gangcheon Weirs construction, using the whole 4-year's data, from 2005 to 2008 and from 2014 to 2017. Water-quality constituents such as BOD and COD relating to oxygen demanding wastes and TP and Chlorophyll-a relating to the process of nutrient enrichment called eutrophication were also selected. The guidelines for water-quality control and management after weir construction including evaluation of water-quality constituents' variations can be presented by this paper.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. South Han River Weirs (Gangcheon, Yeoju, Ipo) and monitoring stations.
그림 Fig. 2. Ipo water-quality constituents variation.
$Table 1. Critical value of <TEX>$D^{\alpha}_{n}$</TEX>$ 표 Table 1. Critical value of $D^{\alpha}_{n}$
그림 Fig. 3. Gangcheon water-quality constituents variation.
그림 Fig. 4. Monitoring data and theoretical Cumulative Distribution Function of COD at Ipo.
그림 Fig. 5. Monitoring data and theoretical Cumulative Distribution Function of COD at Gangcheon.
표 Table 2. Maximum difference (D_max) of water-quality constituents
표 Table 3. Rejection and acceptance of probability distribution
표 Table 4. Mean and standard deviation(s.d.) of the water-quality constituents at Ipo
표 Table 5. COD value of cumulative distribution function at Ipo
그림 Fig. 6. Distribution of water-quality constituents before and after Ipo-Weir construction.
그림 Fig. 7. COD probability distribution at Ipo.
그림 Fig. 8. Risk analysis of COD at Ipo.
표 Table 6. Mean and standard deviation of the water-quality constituents at Gangcheon
표 Table 7. COD value of cumulative distribution function at Gangcheon
표 Table 8. Null hypothesis test with significance level α=0.05
표 Table 10. Risk of BOD, TP and Chl-a water-quality grade violation at Ipo
표 Table 9. Risk of COD water-quality grade violation at Ipo
표 Table 11. Risk of COD water-quality grade violation at Gangcheon
표 Table 12. Risk of BOD, TP and Chl-a water-quality grade violation at Gangcheon

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구의 목적은 보 건설 전·후 4개의 주요 수질 항목의 4년간의 월평균 측정자료 48개를 활용하여 각 항목의 수질이 악화되었는지 아니면 개선되었는지 비교·분석하는 것이며, 또한 보 건설로 인한 수질변화 양상을 명확히 평가하여 장래 보 수질관리 가이드라인에 활용하는 것이다.

가설 설정

보 건설 전·후 BOD, COD, TP 및 Chl-a 수질항목의 평균의 차이가 존재하는지, 존재하지 않는지 파악하기 위하여 차이가 없다를 귀무가설로, 차이가 있다를 대립가설로 유의 수준 0.05에서 가설검정을 실시하였으며 결과가 Table 8에 나타나 있다.

제안 방법

2) 확률분포 평균을 통하여 보 건설 전·후 각 수질항목의 변화를 파악하였다.
4) 보 건설 전·후 수질항목 평균 차의 유의성 검정을 실시하였다.
5) 수질항목의 대수정규분포 분석을 통하여 목표수질 위반의 위험도를 파악하였다. 이포지점 BOD, TP 및 Chl-a 수질기준 Ⅱ등급 이상 위반 위험도는 보 건설 전 34.
보 건설 전 4년(2005년 ~ 2008년)과 건설 후 4년(2014년 ~ 2017년) 동안 주요 수질항목 BOD, COD, TP 및 Chl-a의 WEIS 수질자료를 비교·분석하였으며 결과는 다음과 같다.
수질항목 분포 형태를 파악하기 위한 고려 대상 확률 분포는 정규분포, 대수정규분포, Gamma 분포 및 Weibull 분포 등이 있으며 본 연구에서는 일반적으로 분포적용이 검증된 대수정규분포를 적용하였다. 대수정규분포의 평균 및 표준편차를 μ 및 σ, 대수를 취한 확률변수에 대한 평균 및 표준편차를 λ 및 ζ라 하면 각 확률변수간의 관계는 식 (1) 과 식 (2)와 같다.
한해의 자료만을 사용하여 결과를 비교·분석하고 평가하는 것은 연간 변화를 반영하지 못하는 한계를 나타내므로 보 건설 전 4년(2005~ 2008)과 건설 후 4년(2014 ~ 2017) 자료를 모두 사용하여 한계를 나타내는 점추정법 대신 비슷한 자료가 중첩 또는 편중되거나 이상치가 존재하더라도 자료의 평균 등 대표성을 쉽게 확보할 수 있는 확률분포를 적용하는 방법을 사용하였으며 수질항목은 산소요구물질인 BOD 및 COD, 그리고 부영양화 물질인 TP 및 Chlorophyll-a (Chl-a) 등으로 하였다.

대상 데이터

남한강에는 강천, 여주 및 이포 등 3개의 보가 건설되었으며, 남한강 보 건설 전·후 수질자료 분석을 위하여 환경부 물 환경 정보시스템(Water Environment Information System, WEIS)에서 제공하는 원주, 강천, 여주1, 여주2, 이포 및 강상 등 남한강 본류지점가운데 보 건설에 의해 수질에 영향을 받을 수 있는 강천 지점(보 상류 400 m) 및 이포 지점 (보 상류 300 m)을 선정하였다(ME, 2018).
본 논문에서는 남한강에 설치한 강천보, 여주보 및 이포보 등 3개의 보 가운데 보 건설 전부터 수질을 측정하고 건설 후에도 꾸준히 측정하여 보 건설 전·후 수질변화를 비교·분석할 수 있는 상류부에 위치한 강천과 하류부에 위치한 이포를 비교지점으로 선정하였다.

성능/효과

1) 보 건설 전·후 4년간 수질자료는 Kolmogorov-Smirnov의 확률분포 적합도 검정을 통하여 대수정규분포에 잘 적합하는 것으로 파악되었다.
3) 이포지점 COD, BOD, TP 및 Chl-a 표준편차는 보 건설 전보다 건설 후 모두 작아 건설 후 자료가 평균에 가깝게 분포하는 특성을 나타냈다. 강천지점 BOD, COD 및 TP 표준편차는 이포지점과 같이 보 건설 전보다 건설 후 작아 지나 Chl-a는 반대로 커지는 것으로 파악되었다.
6) 보 건설에 따른 수질변화는 수질항목에 따라 악화되거나 개선되어 한마디로 좋아진다, 나빠진다 결론 내리기가 쉽지 않음을 알 수 있다. 그러나 관심 수질항목은 실측자료의 분포분석을 통하여 평균, 자료의 분포 및 수질등급위반 위험도 등을 세밀하게 파악할 수 있어 하천 수질관리의 수월성을 확보할 수 있다.
Table 10에는 COD와 같이 BOD, TP 및 Chl-a 수질등급 위반 위험도가 나타나 있다. BOD, TP 및 Chl-a 모두 수질 등급 위반 위험도가 보 건설 전에 비하여 건설 후 감소하는 것을 알 수 있으며 Chl-a는 하천 수질등급이 설정되어 있지 않아 호소 수질등급을 적용한 결과이다.
6은 이포지점 BOD, COD, TP 및 Chl-a 수질항목의 이포보 건설 전·후 실측자료와 이를 적합 하는 대수정규분포를 보여주고 있으며 Table 4는 적합한 대수정규분포의 각 수질항목별 평균 및 표준편차를 나타내고 있다. BOD, TP 및 Chl-a 분포 평균은 보 건설 전에 비하여 건설 후 감소하나 COD는 반대로 증가하며 4개 수질항목 모두 표준편차는 보 건설 전보다 건설 후 작아 최근 자료가 평균에 가깝게 분포함을 알 수 있다.
05에서 Table 1의 한계편차를 고려하여 확률분포의 기각 또는 채택을 나타낸 것으로 대수정규분포는 유의수준 크기에 상관없이 수질항목 분포를 잘 나타내는 것을 알 수 있다. BOD, TP 및 Chl-a 실측자료 분포도 대수정규분포로 잘 나타나며 유의수준에 관계없이 대수정규분포를 채택할 수 있는 것으로 파악되었다.
강천지점 BOD, COD, TP 및 Chl-a 수질항목의 강천보 건설 전·후 실측자료 및 대수정규분포는 이포지점과 같이 적합성이 확인되었으며 Table 6은 실측자료를 적합한 각대수정규분포의 수질항목별 평균 및 표준편차를 나타내고 있다. TP 및 Chl-a 분포 평균은 이포지점과 같이 보 건설 전에 비하여 건설 후 감소하나 BOD 및 COD는 반대로 증가하며, BOD, COD 및 TP 표준편차는 이포지점과 같이 보 건설 전보다 건설 후 작아지나 Chl-a는 반대로 커지는 것으로 파악되었다.
TP는 보 건설 전·후 모두 시간변화 양상이 미미하나 공공폐수처리시설 총인 방류수 수질기준이 강화된 4대강 사업이후에는 사업 전보다 개선되는 것을 알 수 있으며, Chl-a는 보 건설 전·후 모두 약하게나마 감소하는 추세를 나타냄을 알 수 있다.
강천보 건설 전·후 COD 수질항목 수질등급 위반 위험도가 Table 11에 나타나 있으며 이포보와 같이 보 건설 전 수질기준 Ⅱ등급 이상 위험도는 19.6 %에서 건설 후 28.8 %로 증가하나 수질기준 Ⅲ등급 이상 위험도는 6.2 %에서 건설 후 4.2 %로 감소하며 수질기준 Ⅳ등급 이상 위험도도 Ⅲ등급 이상 위험도와 비슷하게 보 건설 전에 비하여 건설 후 감소하는 경향을 나타낸다.
3) 이포지점 COD, BOD, TP 및 Chl-a 표준편차는 보 건설 전보다 건설 후 모두 작아 건설 후 자료가 평균에 가깝게 분포하는 특성을 나타냈다. 강천지점 BOD, COD 및 TP 표준편차는 이포지점과 같이 보 건설 전보다 건설 후 작아 지나 Chl-a는 반대로 커지는 것으로 파악되었다.
그러나 COD의 경우 수질기준 Ⅲ 및 Ⅳ등급이상 위반 위험도는 수질기준 Ⅱ등급 이상 위험도와 다르게 보 건설 전보다 건설 후 낮아지는 것으로 나타났다. 강천지점 BOD, TP 및 Chl-a 수질기준 Ⅱ등급 이상 위험도는 보 건설 전 9.9 %, 57.0 % 및 40.2 %에서 건설 후 9.7 %, 29.1 % 및 32.0 %로 낮아지며 COD는 이포보와 비슷하게 19.6 %에서 28.8 %로 높아지는 것으로 파악되었다.
강천지점 TP 및 Chl-a 농도는 보 건설 전 0.051 mg/L 및 10.133 μg/L에서 건설 후 0.034 mg/L 및 8.954 μg/L로 감소하며 BOD는 1.246 mg/L에서 1.293 mg/L로 COD는 3.190 mg/L에서 3.661 mg/L로 증가하는 것으로 파악되었다.
이로부터 BOD 및 Chl-a는 5% 위험 하에서 보 건설 전·후 평균농도의 증감은 있지만 유의한 차이가 없는 것으로 즉, 보 건설 전·후 평균이 동일한 의미인 것으로 나타났으며, COD 및 TP는 유의한 차이가 있는 것으로 파악되었다.
이포 및 강천지점 모두 BOD 및 Chl-a는 유의수준 5 %에서 보 건설 전·후 평균농도의 변화가 없는 것으로 나타났으며, COD는 보 건설 후 악화되고, TP는 개선되는 것으로 파악되었다.
이포지점 BOD, TP 및 Chl-a 농도는 보 건설 전 1.858 mg/L, 0.097 mg/L 및 15.082 μg/L에서 건설 후 1.759 mg/L, 0.042 mg/L 및 13.414 μg/L로 감소하나 COD 는 3.750 mg/L에서 4.064 mg/L로 증가하는 것으로 파악되었다.
5) 수질항목의 대수정규분포 분석을 통하여 목표수질 위반의 위험도를 파악하였다. 이포지점 BOD, TP 및 Chl-a 수질기준 Ⅱ등급 이상 위반 위험도는 보 건설 전 34.2 %, 90.6 % 및 48.5 %에서 건설 후 30.5 %, 44.2 % 및 46.1 %로 낮아지나 COD는 36.0 %에서 48.5 %로 높아지는 것으로 파악되었다. 그러나 COD의 경우 수질기준 Ⅲ 및 Ⅳ등급이상 위반 위험도는 수질기준 Ⅱ등급 이상 위험도와 다르게 보 건설 전보다 건설 후 낮아지는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	4대강 사업은 언제 시작하였는가?	4대강 사업은 2009년도에 시작하여 2013년도 초에 마무리가 된 범정부적으로 추진한 약 22.2조가 투입된 대규모 SOC 사업으로 사업 내용을 살펴보면, 첫째 장래 물 부족 대비 수자원 확보를 위하여 하도 준설, 보설치 및 농업용 저수지 증고 등이며, 둘째 홍수 피해 복구비용을 줄이기 위하여 이상기후 홍수에 대비한 홍수조절지 및 강변저류지 등을 조성하며, 셋째 정체상태에 있는 수질 오염도를 개선하여 하천의 생태적 건강성을 증진하고, 넷째 수변공간을 지역주민과 함께하는 문화․여가 등의 복합공간으로 창조하여 강을 중심으로 한 지역발전을 유도하는 것이다.
	4대강 보 건설 전후 8년 동안의 주요 수질항목 BOD, COD, TP 및 Chl-a의 WEIS 수질자료를 비교·분석한 결과는?	1) 보 건설 전·후 4년간 수질자료는 Kolmogorov-Smirnov의 확률분포 적합도 검정을 통하여 대수정규분포에 잘 적합하는 것으로 파악되었다. 2) 확률분포 평균을 통하여 보 건설 전·후 각 수질항목의 변화를 파악하였다. 이포지점 BOD, TP 및 Chl-a 농도는 보 건설 전 1.858 mg/L, 0.097 mg/L 및 15.082 μg/L에서 건설 후 1.759 mg/L, 0.042 mg/L 및 13.414 μg/L로 감소하나 COD 는 3.750 mg/L에서 4.064 mg/L로 증가하는 것으로 파악되었다. 강천지점 TP 및 Chl-a 농도는 보 건설 전 0.051 mg/L 및 10.133 μg/L에서 건설 후 0.034 mg/L 및 8.954 μg/L로 감소하며 BOD는 1.246 mg/L에서 1.293 mg/L로 COD는 3.190 mg/L에서 3.661 mg/L로 증가하는 것으로 파악되었다. 3) 이포지점 COD, BOD, TP 및 Chl-a 표준편차는 보 건설 전보다 건설 후 모두 작아 건설 후 자료가 평균에 가깝게 분포하는 특성을 나타냈다. 강천지점 BOD, COD 및 TP 표준편차는 이포지점과 같이 보 건설 전보다 건설 후 작아 지나 Chl-a는 반대로 커지는 것으로 파악되었다. 4) 보 건설 전·후 수질항목 평균 차의 유의성 검정을 실시하였다. 이포 및 강천지점 모두 BOD 및 Chl-a는 유의수준 5 %에서 보 건설 전·후 평균농도의 변화가 없는 것으로 나타났으며, COD는 보 건설 후 악화되고, TP는 개선되는 것으로 파악되었다. 5) 수질항목의 대수정규분포 분석을 통하여 목표수질 위반의 위험도를 파악하였다. 이포지점 BOD, TP 및 Chl-a 수질기준 Ⅱ등급 이상 위반 위험도는 보 건설 전 34.2 %, 90.6 % 및 48.5 %에서 건설 후 30.5 %, 44.2 % 및 46.1 %로 낮아지나 COD는 36.0 %에서 48.5 %로 높아지는 것으로 파악되었다. 그러나 COD의 경우 수질기준 Ⅲ 및 Ⅳ등급이상 위반 위험도는 수질기준 Ⅱ등급 이상 위험도와 다르게 보 건설 전보다 건설 후 낮아지는 것으로 나타났다. 강천지점 BOD, TP 및 Chl-a 수질기준 Ⅱ등급 이상 위험도는 보 건설 전 9.9 %, 57.0 % 및 40.2 %에서 건설 후 9.7 %, 29.1 % 및 32.0 %로 낮아지며 COD는 이포보와 비슷하게 19.6 %에서 28.8 %로 높아지는 것으로 파악되었다. 6) 보 건설에 따른 수질변화는 수질항목에 따라 악화되거나 개선되어 한마디로 좋아진다, 나빠진다 결론 내리기가 쉽지 않음을 알 수 있다. 그러나 관심 수질항목은 실측자료의 분포분석을 통하여 평균, 자료의 분포 및 수질등급위반 위험도 등을 세밀하게 파악할 수 있어 하천 수질관리의 수월성을 확보할 수 있다.
	4대강 사업에 얼마가 투입되었는가?	4대강 사업은 2009년도에 시작하여 2013년도 초에 마무리가 된 범정부적으로 추진한 약 22.2조가 투입된 대규모 SOC 사업으로 사업 내용을 살펴보면, 첫째 장래 물 부족 대비 수자원 확보를 위하여 하도 준설, 보설치 및 농업용 저수지 증고 등이며, 둘째 홍수 피해 복구비용을 줄이기 위하여 이상기후 홍수에 대비한 홍수조절지 및 강변저류지 등을 조성하며, 셋째 정체상태에 있는 수질 오염도를 개선하여 하천의 생태적 건강성을 증진하고, 넷째 수변공간을 지역주민과 함께하는 문화․여가 등의 복합공간으로 창조하여 강을 중심으로 한 지역발전을 유도하는 것이다. 4대강 사업이 진척되기 전 16개의 보 건설에 의한 하천 수질은 개선될 것이다 또는 악화될 것이다 등으로 다양하게 표출 되었으며, 보 건설 후 약 4년 정도가 지난 이 시점에서 보 건설 전과 건설 후 동일지점에서 주요 수질항목의 변화를 파악하는 것은 효율적인 하천수질관리에 의미 있는 일이다.

참고문헌 (20)

Ang, A. H. S. and Tang, W. H. (2007). Probability concepts in engineering : emphasis on applications to civil and environmental engineering, 2nd ed., John Wiley & Sons, New York, 293-296.
Chang, K. Y., Hong, K. O., and Pak, S. I. (2007). Bootstrap simulation for quantification of uncertainty in risk assessment, Journal of Veterinary Science, 47(2), 259-263.
Chapra, S. C. (1997). Surface water-quality modeling, McGraw-Hill, New York, 317-341.
Di Toro, D. M. (1984). Probability model of stream quality due to runoff, Journal of Environmental Engineering, ASCE, 110(3), 607-628.

상세보기
Efron, B. (1979). Bootstrap method: Another look at the jackknife, The annuals of statistics, Institute of Mathematical Statistics, 7(1), 1-26.
Franceschini, S. and Tsai, C. W. (2008). Incorporating reliability into the definition of the margin of safety in total maximum daily load calculation, Journal of Water Resources Planning and Management, ASCE, 134(1), 34-44.
Han, K. Y., Kim, S. H., and Bae, D. H. (2001). Stochastic water quality analysis using reliability method, Journal of the American Water Resources Association, 37(3), 695-708.

상세보기
Jhun, M. (1990). A computer intensive method for modern statistical data analysis I; bootstrap method and its applications, Journal of the Korean Statistical Society, 3(1), 121-141. [Korean Literature]
Kim, K. S. (2010). Analysis of BOD mean concentration and confidence interval using bootstrap technique, Journal of Korean Society on Water Environment, 26(2), 297-302. [Korean Literature]
Kim, K. S. and Ahn, T. (2010). Characteristics of probability distribution of BOD concentration in Anseong stream watershed, Journal of Korean Society on Water Environment, 25(3), 425-431. [Korean Literature]
Kim, K. S., Kim, B., and Kim, J. H. (2002). Robust measures of location in water-quality data, Water Engineering Research, 3(3), 195-202.

원문보기 상세보기
Li, K. S. (1992). Point-estimate method for calculating statistical moments, Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 118(7), 1506-1511.

상세보기
Manly, B. F. J. (2006). Randomization, bootstrap and monte carlo methods in biology, Chapman & Hall/CRC, Florida.
Melching, C. S. and Yoon, C. G. (1996). Key sources of uncertainty in QUAL2E model of Passaic river, Journal of Water Resources Planning and Management, ASCE, 122(2), 105-113.

상세보기
Ministry of Environment (ME). (2018). Water Environment Information System (WEIS), http://water.nier.go.kr (accessed Aug. 2018).
Novotny, V. (2004). Simplified databased total maximum daily loads, or the world is log-normal, Journal of Environmental Engineering, 130(6), 674-683.

상세보기
Reckhow, K. H., Clements, J. T., and Dodd, R. C. (1990). Statistical evaluation of mechanistic water-quality models, Journal of Environmental Engineering, ASCE, 116(2), 250-268.

상세보기
Schwarz, G. E., Hoos, A. B., Alexander, R. B., and Smith, R. A. (2006). The SPARROW surface water-quality model: theory, application and user documentation, U.S. Geological Survey, Reston, Virginia.
Tsai, C. W. and Franceschini, S. (2005). Evaluation of probabilistic point estimate methods in uncertainty analysis for environmental engineering application, Journal of Environmental Engineering, ASCE, 131(3), 387-395.
Tung, Y. K. and Hathhorn, W. E. (1988). Assessment of probability distribution of dissolved oxygen deficit, Journal of Environmental Engineering, ASCE, 114(6), 1421-1435.

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증