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문제 정의
- 본 연구는 낙동강, 남강, 황강 등 경상남도 내 국가하천과 지방1급하천을 대상으로 BOD, T-P, TOC 등 수질 항목별 시공간적 변화 경향성을 분석하고 하천수질 변화 유형이 유사한 하천 구간들을 군집화 함으로써 경남지역 하천수질 관리를 위한 기초정보를 제공하고자 하였다.
- 광범위한 규모에서 다양한 수질변동 추세를 빠르고 섬세하게 식별할 수 있으며, 수질관리에 필요한 통계정보를 해석하기 쉬운 형태로 제공하는 방법이 요구된다. 이에 본 연구는 수질오염총량제 하에서 경남지역의 하천수질 이력과 전망에 대한 직관적인 이해와 통찰에 기여하고 합리적 하천수질관리를 위한 의사결정에 활용될 수 있도록 경남의 과거 하천수질 변동을 시공간 통계분석 기법으로 유형화하고 하천수질 변화 특성 정보를 지도형태로 도출하고자 하였다.
제안 방법
- Eq. 1에 따라 Gi* 통계치인 z값을 계산하고, 그 값이 우연에 의해 얻을 수 있는 값보다 통계적으로 유의미한 수준에서 크거나 작은지 여부를 분석한다. z값이 양 (+)이고 통계적으로 유의미한 수준에서 충분히 크다면, 하천수질이 높고 또한 주변 구간도 비슷한 수준의 하천수질을 보이는 것을 의미한다.
- 수질항목별 시공간 변화 패턴을 이용하여 하천수질관리를 위한 수질변화 유형을 4가지로 나누었다 (Figure 13). SPSS의 K-평균 군집분석 도구를 이용하여 지점별(1 km 간격 격자, 총 9,605 케이스) 군집을 분류하고, 각 군집별 특성을 해석하였다 (Table 2).
- 각 빈을 이전 시간 단계의 빈과 비교하여 후속 빈의 값이 이전 빈의 값보다 크거나 작거나 같은 경우 +1, -1, 0을 각각 할당하고 가중합의 양 (positive), 영 (zero), 음 (negative)의 여부로 경향성의 유무를 분석한다 (Ahn et al., 2016; Kim & Park, 2004; Kim et al., 2020; Kwon et al., 2014).
- 공간보간으로 생성된 월별 래스터를 점 (point) 속성의 shapefile로 변환하고 월별 수질관측값을 속성으로 정리한 후, 셀 간격 (distance interval) 1 km, 시간간격(time step interval) 1개월 단위로, 2010년부터 2019년까지 120개월의 관측기록을 하나의 시공간큐브로 생성하였다(Figure 6∼8).
- 다음, 월 간격의 각 빈을 차례로 누적하여 3D 자료구조의 시공간큐브 (space-time cube)를 생성하였다. 그리고 개별 시기, 즉 빈별 핫스팟 (hot spot) 클러스터 (cluster)가 시간에 따라 변화하는 경향을 유형화하였고, 최종적으로 하천구간에 따른 수질관리 유형을 군집화하여 지도를 도출하였다 (Figure 5).
- 먼저, 수질관측지점 (point feature) 위치정보를 바탕으로 수질항목별로 월자료를 공간보간 (spatial interpolation) 처리하여 래스터 자료로 변환하였고, 수질항목별로 각각의 래스터를 빈으로 하는 시공간큐브 netCDF (Network Common Data Form) 자료를 생성하였다. 그리고 작성된 시공간큐브를 입력자료로 사용하여 Table 1과 같이 모두 17가지 범주의 핫스팟과 콜드스팟 유형을 분류할 수 있는 발생핫스팟분석을 실행하였다.
- 본 연구에선 공간적 분포와 시간적 변화를 모두 하나의 자료형식으로 처리하기 위하여 먼저, 수질관측점의 월별 수질자료를 공간내삽하고 각각의 결과 레이어를 개별 빈 (bin)으로 작성하였다. 다음, 월 간격의 각 빈을 차례로 누적하여 3D 자료구조의 시공간큐브 (space-time cube)를 생성하였다. 그리고 개별 시기, 즉 빈별 핫스팟 (hot spot) 클러스터 (cluster)가 시간에 따라 변화하는 경향을 유형화하였고, 최종적으로 하천구간에 따른 수질관리 유형을 군집화하여 지도를 도출하였다 (Figure 5).
- , 2016). 먼저, 수질관측지점 (point feature) 위치정보를 바탕으로 수질항목별로 월자료를 공간보간 (spatial interpolation) 처리하여 래스터 자료로 변환하였고, 수질항목별로 각각의 래스터를 빈으로 하는 시공간큐브 netCDF (Network Common Data Form) 자료를 생성하였다. 그리고 작성된 시공간큐브를 입력자료로 사용하여 Table 1과 같이 모두 17가지 범주의 핫스팟과 콜드스팟 유형을 분류할 수 있는 발생핫스팟분석을 실행하였다.
- 발생핫스팟은 기존의 밀도분석이나 공간클러스터 분석과 달리 시간흐름에 따른 공간변화를 분석할 수 있는 기법으로 적용되고 있다 (Shin, 2017). 본 연구에선 공간적 분포와 시간적 변화를 모두 하나의 자료형식으로 처리하기 위하여 먼저, 수질관측점의 월별 수질자료를 공간내삽하고 각각의 결과 레이어를 개별 빈 (bin)으로 작성하였다. 다음, 월 간격의 각 빈을 차례로 누적하여 3D 자료구조의 시공간큐브 (space-time cube)를 생성하였다.
- 수질 계측자료 이외에 공간통계분석과 지도출력을 위해서 경상남도 국가하천과 지방1급하천 지도와 행정경계도, 그리고 수질관측지점 위치도를 수집⋅제작하였고, 좌표계 통일, 공간내삽 등 전처리 작업을 하였다.
- 수질 변화에 대한 발생핫스팟분석을 위해서 수질관측 지점별, 수질항목별 월별 관측자료의 공간보간 래스터를 시간 순서대로 쌓아 올린 3D 자료구조, 시공간큐브를 만들었다. 공간보간으로 생성된 월별 래스터를 점 (point) 속성의 shapefile로 변환하고 월별 수질관측값을 속성으로 정리한 후, 셀 간격 (distance interval) 1 km, 시간간격(time step interval) 1개월 단위로, 2010년부터 2019년까지 120개월의 관측기록을 하나의 시공간큐브로 생성하였다(Figure 6∼8).
- 좌표계는 국가표준좌표체계를 따라 중부원점 (북위 38°, 동경 127°), GRS1980 타원체, TM (Transverse Mercator) 투영법을 사용하였다. 수질관측지점 사이의 수질은 하천중심에서 1 km 버퍼 (buffer) 구간을 마스킹 (making)하고 역거리가중 공간보간한 값을 사용하였다.
- 수질항목별 시공간 변화 패턴을 이용하여 하천수질관리를 위한 수질변화 유형을 4가지로 나누었다 (Figure 13). SPSS의 K-평균 군집분석 도구를 이용하여 지점별(1 km 간격 격자, 총 9,605 케이스) 군집을 분류하고, 각 군집별 특성을 해석하였다 (Table 2).
- 수질항목별로 생성된 3D 시공간큐브를 이용하여 발생 핫스팟 분석을 1년 시간 간격으로 시행한 결과, Figure 9∼11과 같이 구간별 발생핫스팟 유형을 분류하였다.
- 본 연구는 낙동강, 남강, 황강 등 경상남도 내 국가하천과 지방1급하천을 대상으로 BOD, T-P, TOC 등 수질 항목별 시공간적 변화 경향성을 분석하고 하천수질 변화 유형이 유사한 하천 구간들을 군집화 함으로써 경남지역 하천수질 관리를 위한 기초정보를 제공하고자 하였다. 이를 위해 ArcGIS의 발생핫스팟분석 도구를 사용하여 2010년부터 2019년 사이의 수질항목별 발생핫스팟 유형을 추출하였고, K-평균 군집분석법으로 4가지 수질변동 유형을 분류하였다.
- 제방보강, 내⋅외수처리, 하도정비, 이수 및 하천환경을 계획하고 홍수에 안전하면서도 문화⋅생태가 살아있는 쾌적하고 친환경적인 하천 공간으로의 정비를 지향하고.
대상 데이터
- 5%로 나타났다 (Figure 9). Table 1의 16개 발생핫스팟 유형 중 연속형 (consecutive), 강화형(intensifying), 영구형 (persistent), 감소형 (diminishing), 산발형 (sporadic), 진동형 (oscillating) 핫스팟과 강화형, 영구형, 산발형, 진동형 콜드스팟 등 10개가 추출되었다. 가장 많은 비중을 차지한 영구형 콜드스팟은 연차에 따른 증가나 감소 없이 90% 이상이 콜드스팟인 지역으로서 함양을 가로지르는 남강A, 함양과 산청의 경계의 함양위천, 산청 남부의 남강B, 동천강, 거창위천, 그리고 합천의 황강 등 약 42.
- 대상 하천의 약 49.8%를 차지하는 군집으로서 진주 진양호 유역의 남강A, 남강B, 남강댐 하류 등 낙동강 본류와 합류하기 전 하천과 합천의 회천 등이 포함된다.
- 본 연구는 수질오염총량제를 고려하여 BOD, T-P, TOC 등 3개 수질항목을 분석 대상으로 선정하였고, 국립환경과학원 (물환경정보시스템)으로부터 경남 내 94개 수질관측지점의 과거 10년간 (2010년부터 2019년까지) BOD, T-P, TOC의 월별 자료를 수집하였다. 수질오염총량제 3단계 사업까지는 BOD와 T-P만 관리 대상이었지만, 2021년부터 시작되는 수질오염총량제 4단계 사업에서는산업폐수와 비점오염원 등 난분해성 유기물질 배출을 관리하기 위한 총유기탄소 TOC도 도입될 전망이다(Choi et al.
- 본 연구의 공간적 범위는 낙동강 수계 중 경상남도 행정구역 내 국가하천 (10개)과 지방1급하천이고, 시간적 범위는 2010년부터 2019년까지 10년간으로 한정하였다(Figure 1). 경남엔 하천 수질 모니터링을 위해 총량측정망, 자동측정망 등을 포함한 94개 지점의 물환경측정망이 운영되고 있고, 측정망 종류별로 실시간에서 주 1회 혹은 월 1회 주기로 측정된 수질기록을 수집할 수 있다.
- BOD의 경우엔 산발형과 영구형 핫스팟이, T-P는 강화형 핫스팟, 그리고 TOC에 대해서는 진동형 핫스팟이 주류인 군집이다. 수질관리의 우선순위가 가장 높은 유형으로 낙동강A와 낙동강B, 낙동강C, 그리고 서낙동강 등의 하천이 대상이다.
데이터처리
- 동일 시기 하천수질자료의 공간클러스터링은 GetisOrd GI*로 분석하였고, 대상 기간의 시간적 추세는 Mann-Kendall검정을 통해서 각각 분류하였다 (Harris et al., 2017; Shanae, 2019). Getis-Ord Gi* 통계는 임의 지점 혹은 셀 주변의 지역합과 전역합을 계산함으로써 클러스터링 정도를 보여주는 방법이다 (Eq.
이론/모형
- 경남지역 주요 하천구간의 수질변화의 양상을 파악하기 위해 발생핫스팟 (emerging hot spot) 분석기법을 적용하였다. 발생핫스팟은 기존의 밀도분석이나 공간클러스터 분석과 달리 시간흐름에 따른 공간변화를 분석할 수 있는 기법으로 적용되고 있다 (Shin, 2017).
- 본 연구는 Getis-Ord GI* 분석 모듈과 Mann-Kendall통계모듈을 수치지도를 이용하여 바로 처리할 수 있는 ArcGIS의 발생핫스팟분석 도구와 시공간큐브를 이용하였다. 발생핫스팟분석 도구는 발생 정보를 래스터(raster) 시공간규브로 생성하고 공간밀도와 함께 시간경향성을 파악하는데 활용되는데, 최근 공간통계 연구들에서 널리 이용되고 있다 (Kristensson et al.
- 좌표계는 국가표준좌표체계를 따라 중부원점 (북위 38°, 동경 127°), GRS1980 타원체, TM (Transverse Mercator) 투영법을 사용하였다.
성능/효과
- 수집한 94개 수질관측지점의 과거 10년간 수질자료는 Figure 2∼4와 같다. BOD는 10년 평균 1.85 mg/L로 계절에 따라 유사한 거동을 반복하였고, T-P는 계절 변동을 하면서도 후반으로 갈수록 관측지점 사이의 편차와 평균이 감소하는 경향을 나타냈다. 반면에, TOC는 연도별 12개월의 평균값이 상승하는 추세를 보였다.
- Table 1의 16개 발생핫스팟 유형 중 연속형 (consecutive), 강화형(intensifying), 영구형 (persistent), 감소형 (diminishing), 산발형 (sporadic), 진동형 (oscillating) 핫스팟과 강화형, 영구형, 산발형, 진동형 콜드스팟 등 10개가 추출되었다. 가장 많은 비중을 차지한 영구형 콜드스팟은 연차에 따른 증가나 감소 없이 90% 이상이 콜드스팟인 지역으로서 함양을 가로지르는 남강A, 함양과 산청의 경계의 함양위천, 산청 남부의 남강B, 동천강, 거창위천, 그리고 합천의 황강 등 약 42.9%에 해당하였다. 그리고.
- , 2019; Tak, 2013). 결과적으로, BOD, T-P, TOC 농도가 상대적으로 높은 구간이 수질오염이 높거나 높아지는 핫스팟 경향이 강한 클러스터로 판별될 가능성이 높다.
- 6%를 제외한 대상 하천 대부분이 진동형에 속하였다 (Figure 11). 경남지역 하천수질 관리 측면에서, BOD와 T-P는 개선되었지만 주로 산업폐수와 비점오염원의 영향으로 추정되는 TOC에 대한 관리 중요성이 보다 높아질 것으로 추정되었다. 그리고 오염총량제에 TOC를 포함할 경우엔 경남은 목표수질 달성을 위한 적극적인 오염원관리를 추진하여야 할 것으로 전망되었다.
- 계절 변화를 보면, TOC와 T-P의 경우는 겨울철보다 여름철의 평균농도가 약 30∼40% 높은 반면에 BOD는 여름철과 겨울철의 평균농도가 유사하였다.
- 이는 TOC를 배출기준에 도입하는 수질오염총량제에 대응하여 경남은 대부분 하천에서 TOC 수질관리가 우선 강화하여야 함을 시사한다. 그리고 발생핫스팟 분석 결과를 이용하여 하천 구간별 수질변동 유형을 4가지로 구분한 결과, 수질이 양호하고 개선되는 경향의 군집A는 대상 하천의 5.6%에 그쳤지만, 낙동강 하류부와 새낙동강을 포함하여 대상 하천의 약 25.6%를 차지한 군집D는 전반적으로 수질이 불량하거나 악화하는 하천으로서 수질관리의 우선순위가 가장 높아야 할 것으로 나타났다.
- 경남지역 하천수질 관리 측면에서, BOD와 T-P는 개선되었지만 주로 산업폐수와 비점오염원의 영향으로 추정되는 TOC에 대한 관리 중요성이 보다 높아질 것으로 추정되었다. 그리고 오염총량제에 TOC를 포함할 경우엔 경남은 목표수질 달성을 위한 적극적인 오염원관리를 추진하여야 할 것으로 전망되었다.
- T-P 는 진동형, 연속형, 강화형 콜드스팟이 약 70%에 달할 정도로 T-P 농도가 낮거나 감소하는 경향이 뚜렷하였다. 반면에 TOC의 발생핫스팟 분석은 진동형 핫스팟이 약 70%에 달할 정도로 농도의 증감이 반복되면서도 전반적으로 강화되는 경향을 보였다. 이는 TOC를 배출기준에 도입하는 수질오염총량제에 대응하여 경남은 대부분 하천에서 TOC 수질관리가 우선 강화하여야 함을 시사한다.
- 시간간격 1년으로 분석한 결과, BOD의 경우는 농도가 높거나 높아지는 경향의 핫스팟 구간이 전체 대상 하천의 40.9%를, BOD 농도가 낮거나 낮아지는 경향인 콜드스팟이 55.5%로 나타났다 (Figure 9). Table 1의 16개 발생핫스팟 유형 중 연속형 (consecutive), 강화형(intensifying), 영구형 (persistent), 감소형 (diminishing), 산발형 (sporadic), 진동형 (oscillating) 핫스팟과 강화형, 영구형, 산발형, 진동형 콜드스팟 등 10개가 추출되었다.
후속연구
- 본 연구에서 수행한 하천 구간별 수질변동의 특성 이해와 유형화는 경남에서의 수질오염총량 관리에 유효한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 단, 본 연구에선 수질오염총량 관리에 필요한 배출부하량을 직접 다루지 못하고 수질농도만을 처리했고, 하천 본류의 수질에 영향을 미치는 오염배출원과 지류의 영향을 고려하지 못한 한계가 있었다. 총량체 수질관측망의 확대와 관측주기의 단축을 통해서 보다 댜양한 차원의 수질변화 특성을 분석할 수 있다면, 실질적이고 구체적인 수질오염총량관리의 계획과 점검이 가능할 것으로 기대된다.
- 또한, 수질관리 정책과 예산투입의 우선순위를 정하는 것도 중요하다. 본 연구에서 수행한 하천 구간별 수질변동의 특성 이해와 유형화는 경남에서의 수질오염총량 관리에 유효한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 단, 본 연구에선 수질오염총량 관리에 필요한 배출부하량을 직접 다루지 못하고 수질농도만을 처리했고, 하천 본류의 수질에 영향을 미치는 오염배출원과 지류의 영향을 고려하지 못한 한계가 있었다.
- 이상에서처럼 낙동강 본류와 지류 하천의 특성을 이해하기 위한 수질의 시계열 변화, 수질항목간, 관측지점간 상관관계와 경향 등의 분석은 있었지만, 수질의 역동적인 시공간 변화 패턴 (pattern)을 파악하는 연구는 제한적이었다. 합리적인 하천수질관리를 위해서는 수질이 장기간에 걸쳐 시간에 따라 어떻게 변화하고 하천에 따라 어떤 차이가 있는지 파악하는 것이 필요하다.
- 단, 본 연구에선 수질오염총량 관리에 필요한 배출부하량을 직접 다루지 못하고 수질농도만을 처리했고, 하천 본류의 수질에 영향을 미치는 오염배출원과 지류의 영향을 고려하지 못한 한계가 있었다. 총량체 수질관측망의 확대와 관측주기의 단축을 통해서 보다 댜양한 차원의 수질변화 특성을 분석할 수 있다면, 실질적이고 구체적인 수질오염총량관리의 계획과 점검이 가능할 것으로 기대된다.
- 2021년 수질오염총량제 4단계에 들어가면서 대상수질에 TOC가 포함될 계획이므로 경남지역은 수질농도가 낮은 수준을 유지하거나 감소하는 경향의 BOD나 T-P보다는 악화되는 TOC관리에 집중할 필요가 높을 것으로 추정되었다. 특히, 모든 수질항목에서 남강댐 상류에 비해 남강냄 하류, 특히 낙동강 본류와 만나는 의령, 낙동강B 하류에서의 수질이 열악하기 때문에 우선적으로 해당 구간의 수질개선을 위한 전략이 추진되어야 할 것으로 판단되었다.
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