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문제 정의
- 하천의 수질은 단일 요인에 의해 영향을 받는 것이 아니라 여러 요인들이 상호작용하는 인과관계에 의해 영향을 받는다. 본 연구는 구조방정식모형(SEM, Structural Equation Model)을 이용하여 하천 내 총질소(TN: Total Nitrogen) 농도에 대한 하천차수, 고도, 경사를 포함하는 하천환경 특성과 유역의 개발지역 면적, 수변림의 파편화 정도의 구조적 영향 분석에 목적을 두고 수행되었다. 본 연구의 결과는 수질에 미치는 영향을 최소화하기 위한 유역의 토지이용, 그리고 하천 수질 보전 및 관리를 위한 효율적인 수변구역 관리에 직접적으로 활용될 수 있다.
제안 방법
- , 2014).ArcMap 10.6.1에서 수변지역 경계와 2012년 환경부의 토지피복도(산림 및 초지, 중분류)를 중첩하여 수변림을 최종적으로 추출하였다. 벡터 형태의 수변림 지도를 래스터 자료(10m resolution)로 변환하여 FRAGSTATS (McGarigal, 2014)에서 경관 지수를 산출하였다.
- 본 연구에서는 낙동강 수계를 대상으로 하천환경 특성, 유역의 개발지역 면적, 수변림의 공간적 구조가 하천의 총질소 농도에 미치는 영향을 구조방정식모형을 이용하여 체계적인 인과모형으로 제시하고 검증하였다. 가설적 모형을 토대로 경로 도형을 설정하여 모형을 확인하고, 수정을 통해 최적의 모형을 선택하였으며, 추정된 모형의 적합도를 도출하였다. 최종 모형에서 고도가 낮을수록 개발지역 면적은 증가하고, 개발지역 면적의 증가는 하천의 총질소 농도를 높이는 것으로 나타났다.
- 고도, 개발지역 면적, 수변림 공간적 구조를 이용한 총질소농도 모형을 도출하기 위해 총 세 단계의 가설적 구조방정식 모형을 설정하였다. 첫 번째 단계에서는 상관관계 분석결과에 기초하여 하천차수, 고도, 경사를 독립변수로, 유역의 개발지역 면적을 종속변수로 하는 가설적 구조방정식 모형을 설정하였다.
- 즉, 하천환경 특성이 개발지역 면적을 결정하고, 개발지역 면적은 수변 림의 파편화 정도를 결정하는 것으로 추정할 수 있다. 따라서 구조방정식에서 하천환경 특성에 의한 개발지역 면적의 모형을 우선으로 추정하였다.
- 1에서 수변지역 경계와 2012년 환경부의 토지피복도(산림 및 초지, 중분류)를 중첩하여 수변림을 최종적으로 추출하였다. 벡터 형태의 수변림 지도를 래스터 자료(10m resolution)로 변환하여 FRAGSTATS (McGarigal, 2014)에서 경관 지수를 산출하였다. 수변림은 일반적으로 중심지 면적이 넓고 가장자리 면적이 좁으며 파편화되지 않을수록 구조적으로 안정적인 것으로 판단할 수 있다.
- 하천의 수질은 다양한 요인들의 인과관계에 의해 영향을 받는다. 본 연구에서는 낙동강 수계를 대상으로 하천환경 특성, 유역의 개발지역 면적, 수변림의 공간적 구조가 하천의 총질소 농도에 미치는 영향을 구조방정식모형을 이용하여 체계적인 인과모형으로 제시하고 검증하였다. 가설적 모형을 토대로 경로 도형을 설정하여 모형을 확인하고, 수정을 통해 최적의 모형을 선택하였으며, 추정된 모형의 적합도를 도출하였다.
- 본 연구에서는 총질소를 수질 항목으로 선정하였다. 영양염류 농도를 기준으로 하는 총질소 농도는 하천의 오염 정도를 측정하는 대표적인 수질 지표 중 하나이다.
- 환경부에서는 토지피복을 시가화 건조지역, 농업지역, 산림지역, 초지, 습지, 나지, 수역의 총 7개의 대분류와 22개의 중분류, 41개 세분류로 구분하고 있다. 본 연구에서는 토지피복도 세분류에서 시가화 건조지역(주거, 공업, 상업 지역 등)과 농업지역(논, 밭 등)을 개발지역으로 재분류하여 수질 모니터링 지점별 개발지역 면적 비율을 계산하였다.
- 추정된 모형의 χ2, GFI(the goodness-of-fit index),AGFI(adjusted goodness-of-fit index), RMSEA(root mean square error of approximation residuals), NFI(normed fit index)등의 지수를 통해 모형의 적합도(goodness-of-fit)를 평가하고, 모형이 적합할 경우 인과관계를 판단한다. 본 연구에서는 하천환경 특성(하천차수, 고도, 경사), 유역의 개발지역 면적, 수변림의 공간적 구조가 하천의 총질소 농도에 영향을 미칠 것이라는 가설적 연구모형을 설정하고, 모형 추정, 평가 및 수정 과정을 통해 모형 설명력이 우수한 변수들을 이용하여 단계적으로 최종 구조방정식 모형을 추정하는 접근 방법을 채택하였으며, 모형 추정은 IBM SPSS Amos 25 프로그램을 이용하였다.
- 고도, 개발지역 면적, 수변림 공간적 구조를 이용한 총질소농도 모형을 도출하기 위해 총 세 단계의 가설적 구조방정식 모형을 설정하였다. 첫 번째 단계에서는 상관관계 분석결과에 기초하여 하천차수, 고도, 경사를 독립변수로, 유역의 개발지역 면적을 종속변수로 하는 가설적 구조방정식 모형을 설정하였다. 모형을 추정한 결과, 하천차수와 경사는 유의하지 않은 것으로 나타났으며, 고도는 높을수록 개발지역 면적이 감소하는 것으로 나타났다 (Figure 3a 참조).
- 추정된 모형의 χ2, GFI(the goodness-of-fit index),AGFI(adjusted goodness-of-fit index), RMSEA(root mean square error of approximation residuals), NFI(normed fit index)등의 지수를 통해 모형의 적합도(goodness-of-fit)를 평가하고, 모형이 적합할 경우 인과관계를 판단한다.
대상 데이터
- 환경부에서 전국 하천을 대상으로 실시하고 있는 「하천 수생태계 현황 조사 및 건강성 평가」 연구에서는 2007년부터 매년 부착돌말류, 저서성 대형무척추동물, 어류 등 수생 생물군의 건강성과 하천의 수질, 수리․수문, 서식수변 환경 등의 하천 환경 특성을 모니터링해오고 있으며, 각 지점에 대한 조사는 봄과 가을 연 2회 실시하고 있다. 본 연구에서 총 질소 농도 값은 2012년 측정된 낙동강 대권역 「수생태계 현황 조사 및 건강성 평가 결과」의 수질 자료를 이용하였다. 수변림의 범위는 환경부 수계법에 따라 하천 경계로부터 양안 500m 이내로 하였으며, 전체 250개 조사지점 중 하천 양안 500m 내 수변림(산림 및 초지)이 존재하지 않는 지점을 제외한 88개 지점을 대상으로 분석을 수행하였다.
- 본 연구에서 총 질소 농도 값은 2012년 측정된 낙동강 대권역 「수생태계 현황 조사 및 건강성 평가 결과」의 수질 자료를 이용하였다. 수변림의 범위는 환경부 수계법에 따라 하천 경계로부터 양안 500m 이내로 하였으며, 전체 250개 조사지점 중 하천 양안 500m 내 수변림(산림 및 초지)이 존재하지 않는 지점을 제외한 88개 지점을 대상으로 분석을 수행하였다.
- 하천차수는 하천차수도(WAMIS, 2011), 고도 및 경사는 국토지리정보원(NGII, 2014)에서 제작한 수치고도모형(DEM, Digital Elevation Model), 유역의 개발지역 면적은 토지피복도(WAMIS,2011~2013) 세분류 자료를 이용하여 ArcMap 10.6.1(ESRI,2018)을 통해 추출하였으며, 환경부의 권역관리계획상 소유역을 공간적 연구 단위로 사용하였다. 환경부에서는 토지피복을 시가화 건조지역, 농업지역, 산림지역, 초지, 습지, 나지, 수역의 총 7개의 대분류와 22개의 중분류, 41개 세분류로 구분하고 있다.
이론/모형
- ,2014). 본 연구에서는 수변림의 공간적 구조를 정량적으로 분석하기 위해 기존 연구에서 사용된 지수인 PLAND (경관백분율, Proportion of Landscape), LPI (최대패치지수, Largest Patch Index), LDI (경관분할지수, Landscape Division Index),LSI (경관형태지수, Landscape Shape Index)를 선정하였다(Table 1 참조) (e.g., Rutledge, 2003; Wang et al., 2014).ArcMap 10.
성능/효과
- 이는 유역의 개발지역 면적이 높을수록 수변림의 파편화가 심해지는 것으로 해석할 수 있다. LSI를 제외한 수변림의 공간적 구조는 하천 내 총질소 농도와 유의한 관계를 갖는 것으로 나타났다. 구체적으로 PLAND(β=—0.
- 특히, 고도의 표준편차 값이 높게 나타나 유역별 차이가 큰 것으로 나타났다. 개발지역 면적 비율의 평균은 31.03%로 나타났으며, 수변림의 공간적 구조 지수인 PLAND, LPI,LDI, LSI의 평균값은 각각 35.37, 20.73, 0.92, 1.85로 나타났다. 수질 측정 항목인 총 질소 농도는 평균값이 2.
- 개발지역 면적은 LDI에 긍정적인 영향을(β=0.32), 그리고 LPI(β=—0.32)와 PLAND(β=—0.44)에 부정적인 영향을 주는 것으로 분석되었다.
- 개발지역 면적은 하천차수와 LSI를 제외한 모든 변수와 유의한 상관관계를 갖는 것으로 나타났다. 구체적으로 개발지역 면적은 총질소 농도(r=0.
- 구체적으로 PLAND(β=—0.31)와 LDI(β=—0.31)는 총질소의 농도를 낮추고, LPI는 총질소의 농도를 높이는 것으로 나타났다(β=0.25).
- 구체적으로 개발지역 면적은 총질소 농도(r=0.34)와 양의 상관관계, 고도(r=—0.39), 경사(r=—0.27), PLAND (r=—0.44), LPI(r=—0.32), 그리고LDI(r=—0.32)와 음의 상관관계를 갖는 것으로 나타났다.
- 구체적으로 고도는 PLAND(r=0.50), LPI(r=0.30), LDI(r=—0.35), 그리고 개발지역 면적(r=—0.39)과 유의한 상관관계를 보여주었다.
- , 2016). 또한, 개발지역 면적은 수변림의 공간적 구조를 통해 총질소 농도에 간접적으로도 영향을 주는 것으로 나타났다. 개발지역 면적과 수변림 파편화의 관계는 선행연구를 통해 지속적으로 보고되었으며 (Allan,2004; Ferreira et al.
- 첫 번째 단계에서는 상관관계 분석결과에 기초하여 하천차수, 고도, 경사를 독립변수로, 유역의 개발지역 면적을 종속변수로 하는 가설적 구조방정식 모형을 설정하였다. 모형을 추정한 결과, 하천차수와 경사는 유의하지 않은 것으로 나타났으며, 고도는 높을수록 개발지역 면적이 감소하는 것으로 나타났다 (Figure 3a 참조). 고도가 높은 지역의 경우, 개발이 제한되어 있거나 접근성이 떨어져 개발되지 않고 보전된 경우가 많아 고도가 낮은 지역일수록 개발지역의 면적이 넓은 것으로 판단된다(Ye et al.
- 본 연구에서 사용된 변수들의 상관관계를 분석한 결과, 하천 내 총질소 농도는 하천환경 변수나 수변림의 경관 지수와 직접적인 상관관계를 보이지는 않는 것으로 나타났다 (Figure 2 참조). 총질소 농도는 유역의 개발지역 면적과 양의 관계를 갖는 것으로 나타났으며(r=0.
- 본 연구에서는 하천환경 특성, 유역의 개발지역 면적, 수변림의 공간적 구조와 하천의 수질 간 구조적인 관계에 초점을 두고 수행되었다는 측면에서 의의가 있다. 본 연구의 결과에 의하면 유역의 개발지역은 하천의 총질소 농도에 직간접적으로 영향을 미치나, 수변림이 공간적으로 안정적인 구조를 갖고 식생의 수량이 풍부할 경우 개발지역이 하천 수질에 미치는 부정적인 영향을 상당히 완화시킬 수 있을 것으로 판단된다. 유역의 개발지역을 최소화하고 수변림의 양적 확보와 구조를 복원하는 것이 하천의 수질 회복에서 중요함을 시사한다.
- 85로 나타났다. 수질 측정 항목인 총 질소 농도는 평균값이 2.77 mg/L로, 「환경정책기본법」 시행령에 제시된 호소수 수질환경기준에 따르면 5등급에 해당하여 전반적으로 수질이 불량한 것으로 나타났다.
- 또한, 개발지역 면적의 증가는 수변림의 파편화 정도를 높이고, 결과적으로 하천의 총질소 농도에 영향을 주게 된다. 즉, 개발지역은 고도에 의해 한정되고 수변림의 공간적 구조는 개발지역 면적에 의해 결정되며, 개발지역 면적은 총질소 농도에 직접적인 영향과 수변림의 공간적 구조를 통해 간접적으로 영향을 주는 것으로 나타났다.
- 본 연구에서 사용된 변수들의 상관관계를 분석한 결과, 하천 내 총질소 농도는 하천환경 변수나 수변림의 경관 지수와 직접적인 상관관계를 보이지는 않는 것으로 나타났다 (Figure 2 참조). 총질소 농도는 유역의 개발지역 면적과 양의 관계를 갖는 것으로 나타났으며(r=0.34), 이는 개발지역 비율이 높을수록 하천 총질소 농도가 높은 것을 의미한다. 하천 환경 변수 중 하천차수는 LDI(r=0.
- 최종 모형에 의하면 개발지역 면적은 총질소 농도에 직접적인 영향을 주는 것으로 나타났다. 도시지역이나 농경지와 같은 개발지역이 수질에 미치는 부정적인 영향은 기존의 많은 연구를 통해 검증되었다 (Osborne and Wiley, 1988; Woli et al.
- 가설적 모형을 토대로 경로 도형을 설정하여 모형을 확인하고, 수정을 통해 최적의 모형을 선택하였으며, 추정된 모형의 적합도를 도출하였다. 최종 모형에서 고도가 낮을수록 개발지역 면적은 증가하고, 개발지역 면적의 증가는 하천의 총질소 농도를 높이는 것으로 나타났다. 또한, 개발지역 면적의 증가는 수변림의 파편화 정도를 높이고, 결과적으로 하천의 총질소 농도에 영향을 주게 된다.
- 추정된 최종 모형 Figure 4의 적합도 검증 결과, RMSEA와 PNFI를 제외한 나머지 평가지표들을 모두 만족하는 것으로 나타나 (Table 4 참조), 최종 모형이 고도, 유역의 개발지역 면적, 수변림의 공간적 구조가 하천의 총질소 농도에 미치는 영향을 적합하게 설명하는 것으로 나타났다.
- 34), 이는 개발지역 비율이 높을수록 하천 총질소 농도가 높은 것을 의미한다. 하천 환경 변수 중 하천차수는 LDI(r=0.21)를 제외하고는 유의한 상관관계를 보여주지 않았으나, 고도와 경사는 대부분의 수변림 경관 지수, 개발지역 면적과 유의한 상관관계를 갖는 것으로 나타났다. 구체적으로 고도는 PLAND(r=0.
후속연구
- 그러나 본 연구는 낙동강 수계만을 대상으로 제한된 변수들을 사용하여 분석하였기 때문에 연구결과를 일반화하는 것은 무리가 있다. 연구 대상지의 확대와 하천 수질에 영향을 미치는 다양한 종속변수와 수질 측정 항목, 생물지수까지 포함한 구조방정식모형을 도출하는 후속 연구가 요구된다.
- 본 연구는 구조방정식모형(SEM, Structural Equation Model)을 이용하여 하천 내 총질소(TN: Total Nitrogen) 농도에 대한 하천차수, 고도, 경사를 포함하는 하천환경 특성과 유역의 개발지역 면적, 수변림의 파편화 정도의 구조적 영향 분석에 목적을 두고 수행되었다. 본 연구의 결과는 수질에 미치는 영향을 최소화하기 위한 유역의 토지이용, 그리고 하천 수질 보전 및 관리를 위한 효율적인 수변구역 관리에 직접적으로 활용될 수 있다.
- 그러나 본 연구는 낙동강 수계만을 대상으로 제한된 변수들을 사용하여 분석하였기 때문에 연구결과를 일반화하는 것은 무리가 있다. 연구 대상지의 확대와 하천 수질에 영향을 미치는 다양한 종속변수와 수질 측정 항목, 생물지수까지 포함한 구조방정식모형을 도출하는 후속 연구가 요구된다. 특히 본 연구에서 수질 지수로 선정한 총질소 농도는 농업용 비료, 가축분뇨, 미처리된 하수나 공장 폐수 등에 가장 영향을 많이 받으므로 향후 이러한 변수들을 포함하는 구조적인 관계에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 연구 대상지의 확대와 하천 수질에 영향을 미치는 다양한 종속변수와 수질 측정 항목, 생물지수까지 포함한 구조방정식모형을 도출하는 후속 연구가 요구된다. 특히 본 연구에서 수질 지수로 선정한 총질소 농도는 농업용 비료, 가축분뇨, 미처리된 하수나 공장 폐수 등에 가장 영향을 많이 받으므로 향후 이러한 변수들을 포함하는 구조적인 관계에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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