[논문]TOPTSIS를 이용한 낙동강 지류에서의 수질측정망 평가 연구

갈병석; 박재범; 김성민; 심규현; 신상민; 최수연

doi:10.17663/jwr.2022.24.1.44

TOPTSIS를 이용한 낙동강 지류에서의 수질측정망 평가 연구
A Study on Evaluation of Water Quality Measurement Network in the Nakdong River Tributary Using TOPSIS 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.24 no.1, 2022년, pp.44 - 51

갈병석 ((주)다온솔루션) , 박재범 ((주)다온솔루션) , 김성민 (국립환경과학원 낙동강물환경연구소) , 심규현 (국립환경과학원 낙동강물환경연구소) , 신상민 (국립환경과학원 낙동강물환경연구소) , 최수연 (국립환경과학원 낙동강물환경연구소)

초록
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본 연구에서는 TOPSIS(Techniques for Order Performance by Similarity to Ieal Solution)을 이용하여 낙동강수계 34개 지천에서의 수질측정망 설치 지점에 대하여 평가하였다. 낙동강수계에서는 지난 2011년부터 195개 지천에서 수질 및 유량을 측정하고 있다. 특히, 34개 중점관리지점은 오염원이 많고 수질이 불량한 지역으로서 지속적인 수질이 관리가 필요하다. 관리가 필요한 지점 선정을 위해 평가항목은 10개 지표를 선정하였으며 선정된 지표를 표준화하고, 엔트로피 방법(Entropy Method)을 이용하여 가중치를 부여하였다. 가중치 산정결과, 인근 측정망 유무가 가장 크고 평균 수질과 산업단지 유무도 높은 가중치를 얻었다. 평가결과, 상위 지점은 인근 측정망이 없고 산업단지와 폐수처리시설이 있고 평균 수질이 타 지점보다 높은 지점이다. 평가된 자료는 향후 낙동강수계에서의 신규 수질측정망 설정 및 지속적인 지류에서의 수질 관리를 위해 필요한 연구 결과로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, TOPSIS(Techniques for Order Performance by Similarity to Ieal Solution) was used to evaluate the installation points of water quality monitoring networks in 34 streams of the Nakdong River watershed. The Nakdong River System has been measuring water quality and flow in 195 local streams since 2011. In particular, the 34 key management points are areas with many pollutants and poor water quality, requiring continuous water quality management. For the selection of points requiring management, 10 indicators were selected for evaluation, and the selected indicators were standardized and weighted using the entropy method. As a result of weight calculation, the presence or absence of a nearby measuring network received the greatest weight, and the average water quality and presence of an industrial complex obtained the highest weight. The evaluated data are judged to be the research results necessary for the establishment of a new water quality measurement network in the Nakdong River system and continuous water quality management in tributaries.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Sampling site.
그림 Fig. 2. Analysis flowchart.
표 Table 1. 34 Tributary status
표 Table 2. Factors for vulnerability analysis
표 Table 3. Result of normalized
그림 Fig. 3. Changes in indicators by basin according to weight change.
표 Table 4. Entropy Weight for Index
표 Table 5. Rank Comparison

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 낙동강수계에서 운영되고 있는 지류･지천 측정망 중에서 하천측정망과 같이 지속적인 모니터링이 필요한 지점을 선정하기 위해 측정지점에 영향을 미치는 지표를 선정하고 다기준 의사결정방법을 통해 지표를 평가하고 우선순위를 산정하였다. 본 연구결과를 통해 향후 수계에서의 신규 측정망 설치 및 변경 등의 계획 수립시 유용한 정보를 제공할 것이라 기대된다.
본 연구에서는 낙동강수계 지류에서의 우선 수질 측정망 지정을 위한 방법을 평가하여 그 우선순위를 산정하였다. 낙동강수계에서는 2011~2011년까지 약 11년간 지류･지천에서 수질 및 유량이 측정되고 있으며 이 중 오염이 우심한 지점 34개를 중점관리 지점으로 선정하여 관리하고 있다.
본 연구의 목적은 지류･지천에서 운영하는 측정망 중에서 지속적인 관리가 필요한 지점을 선정하기 위하여 다기준 의사결정 기법의 하나인 TOPSIS를 활용하여 낙동강수계 34개 중점관리 지점을 대상으로 평가하고자 한다. TOPSIS 기법은 앞선 사례들을 분석해 볼 때 수자원 및 물 이용, 기후변화 분야의 취약성을 평가하는 데 많이 활용하고 있어 수질측정망 선정과 같은 수환경 분야에 대한 평가 활용도 기대해 볼 수 있다.

제안 방법

낙동강수계에서는 2011~2011년까지 약 11년간 지류･지천에서 수질 및 유량이 측정되고 있으며 이 중 오염이 우심한 지점 34개를 중점관리 지점으로 선정하여 관리하고 있다. 이 측정망 중에서 현재 환경부에서 운영하는 하천측정망과 같이 지속적인 측정이 필요한 지점 선정을 위해 지표를 선정하고 분석하였다. 평가 방법은 다기준 의사결정방법 중 하나인 TOPSIS 방법을 이용하며 의사결정에 사용하기 위한 의사결정을 위한 가중치 산정을 위해서는 엔트로피 방법을 적용하였다.

대상 데이터

본 연구 대상 지점은 국립환경과학원 낙동강물환경연구소에서 측정하는 195개 지천 모니터링 지점 중 34개 중점관리지점을 선정하였다. 34개 중점관리지점은 측정지점 중에서 오염도가 높아 수질 관리 관심이 높은 지점이고 낙동강수계 6개 중권역에 포함되어 있다.
34개 중점관리지점은 측정지점 중에서 오염도가 높아 수질 관리 관심이 높은 지점이고 낙동강수계 6개 중권역에 포함되어 있다. 평가 기간은 2011~2021년의 11년간 자료를 사용하였으며 해당 하천 현황은 아래 Table 1과 같다(Fig. 1).

데이터처리

표준화된 각 지표 자료에 대하여 엔트로피 가중치를 적용하였으며 지표들을 통합하고 분석하기 위해 TOPSIS 방법을 사용하였다. 그리고, 동일 가중치로 산정된 우선순위와 엔트로피 가중치를 통한 순위를 비교하였다. 평가결과, Table 5에서 동일 가중치에서의 상위 지점은 용덕천1, 달서천, 용하천, 퇴래천, 관곡천 순으로 나타났으며 엔트로피 가중치를 적용한 경우 용하천, 용덕천1, 석교천1, 오목천, 동정천 순으로 나타났다.

이론/모형

본 연구에서는 가중치 산정을 위해 엔트로피 방법을 사용하였다. 엔트로피 방법은 1948년 Shannon에 의해 처음 제안되었으며 대안과 속성을 많이 포함하는 기준 의사결정 문제에 대해 의사결정자가 이해하기 쉬운 방법을 적용한 것이다.
표준화 방법으로는 Z-스코어법, 스케일 재조정(re-scaling)법, 기준선과의 차이(distance to reference country) 및 범주 스케일(categorical scale)등이 있다. 본 연구에서는 스케일 재조정 방법의 하나인 Dimension Index 방법을 이용하였다. 이 방법은 자료를 전체 자료 범위 내에서 등수에 따라 일렬로 줄 세우는 방법으로 많이 사용하는 방식으로 아래 Eqn.
수질측정망 설정을 위한 가중치를 엔트로피 방법으로 산정하였다. 산정결과, 아래 Table 4과 같이 목표 수질 달성률에 대한 가중치가 가장 크게 나타나고 있으며 다음으로 인근 수질 측정망 유무, 평균 수질과 산업단지 유무 순으로 높게 나타나고 있다.
이 측정망 중에서 현재 환경부에서 운영하는 하천측정망과 같이 지속적인 측정이 필요한 지점 선정을 위해 지표를 선정하고 분석하였다. 평가 방법은 다기준 의사결정방법 중 하나인 TOPSIS 방법을 이용하며 의사결정에 사용하기 위한 의사결정을 위한 가중치 산정을 위해서는 엔트로피 방법을 적용하였다. 지표들의 가중치를 엔트로피 방법을 통하여 분석한 결과, 목표 수질 달성률과 인근 측정망 유무, 평균 수질과 산업단지 유무 순으로 가중치가 산정되었다.
표준화된 각 지표 자료에 대하여 엔트로피 가중치를 적용하였으며 지표들을 통합하고 분석하기 위해 TOPSIS 방법을 사용하였다. 그리고, 동일 가중치로 산정된 우선순위와 엔트로피 가중치를 통한 순위를 비교하였다.

성능/효과

그러나, 엔트로피 적용 시 낙동왜관은 보 유무가 가장 크게 영향을 미치지만 낙동고령은 인근 수질측정망 유무가 가장 큰 영향을 주는 것으로 평가되었다. 낙동밀양과 낙동창녕, 남강 중권역은 동일 가중치 적용 시 부하밀도의 영향이 가장 큰 것으로 나타났지만 엔트로피 적용 시 인근 측정망 유무의 영향이 가장 큰 것으로 평가되었다.
중권역 분석을 통해 동일 가중치 적용 시 영향이 큰 지표들은 부하 밀도와 목표 수질 달성률이며 그 외 본류에서의 보 유무와 인근 수질 측정망의 유무이다. 그리고 엔트로피 가중치를 통한 영향이 큰 지표들은 인근 수질 측정망 유무와 본류 보 유무, 산업단지 유무와 목표 수질 달성률로 나타났다. 엔트로피 가중치 적용을 통해 동일 가중치에서 보다 부하 밀도와 목표 수질 달성률에서 인근 측정망 유무의 중요성이 커졌으며 목표 수질 달성률은 계속 그 영향이 크게 나타났다.
그러나, 엔트로피 적용 시 낙동왜관은 보 유무가 가장 크게 영향을 미치지만 낙동고령은 인근 수질측정망 유무가 가장 큰 영향을 주는 것으로 평가되었다. 낙동밀양과 낙동창녕, 남강 중권역은 동일 가중치 적용 시 부하밀도의 영향이 가장 큰 것으로 나타났지만 엔트로피 적용 시 인근 측정망 유무의 영향이 가장 큰 것으로 평가되었다. 따라서, 권역별 우선 지점 선정 시에는 해당 권역에서의 엔트로피 기준 변화를 통해 우선 관리가 필요한 지점을 확인할 수 있으리라 판단된다.
인근 측정망 유무 지표(NWQM)는 측정망이 없는 지점이 경호천 외 12개 지점으로 나타났고 평균 수질 지표(AWQ)가 가장 큰 지점은 호계천으로 나타났다. 목표 수질 달성률 지표(TWA)는 가좌천 외 9개 지점이 목표 수질 달성률이 가장 낮았고 유달부하량 지표(DPL)는 오목천 지점이 가장 크게 나타났으며 부하밀도 지표(LD)는 용덕천1지점이 부하밀도가 가장 큰 것으로 나타났다.
그리고 엔트로피 가중치를 통한 영향이 큰 지표들은 인근 수질 측정망 유무와 본류 보 유무, 산업단지 유무와 목표 수질 달성률로 나타났다. 엔트로피 가중치 적용을 통해 동일 가중치에서 보다 부하 밀도와 목표 수질 달성률에서 인근 측정망 유무의 중요성이 커졌으며 목표 수질 달성률은 계속 그 영향이 크게 나타났다.
산업단지 유무 지표(IC)는 달서천 외 11개 지점에서 크게 나타났고 하수처리시설 용량 지표(SW)는 달서천이 가장 크게 나타났다. 인근 측정망 유무 지표(NWQM)는 측정망이 없는 지점이 경호천 외 12개 지점으로 나타났고 평균 수질 지표(AWQ)가 가장 큰 지점은 호계천으로 나타났다. 목표 수질 달성률 지표(TWA)는 가좌천 외 9개 지점이 목표 수질 달성률이 가장 낮았고 유달부하량 지표(DPL)는 오목천 지점이 가장 크게 나타났으며 부하밀도 지표(LD)는 용덕천1지점이 부하밀도가 가장 큰 것으로 나타났다.
중권역별 변화를 보면 금호강 중권역은 동일 가중치 적용시 부하 밀도에 대한 영향이 가장 컸으나 엔트로피 가중치에서는 산업단지 유무와 인근 측정망 유무의 영향이 가장 큰 것으로 나타났다. 금호강 중권역 내에는 타 유역보다 산업시설이 많고 오염도가 높아 측정망 지점 선정 시 산업시설이 있고 인근 측정망이 없는 지점에 대해 우선적 선택이 필요할 것으로 판단된다.
평가 방법은 다기준 의사결정방법 중 하나인 TOPSIS 방법을 이용하며 의사결정에 사용하기 위한 의사결정을 위한 가중치 산정을 위해서는 엔트로피 방법을 적용하였다. 지표들의 가중치를 엔트로피 방법을 통하여 분석한 결과, 목표 수질 달성률과 인근 측정망 유무, 평균 수질과 산업단지 유무 순으로 가중치가 산정되었다. 우선순위가 높은 지점은 용하천, 용덕천1, 석교천1, 오목천, 동정천 순으로 평가되었으며 지점들의 특징은 목표 수질 달성률이 낮고 인근 측정망이 없으며 산업단지 및 폐수처리시설이 있는 지점들로 나타났다.

후속연구

본 연구는 낙동강수계에서 운영되고 있는 지류･지천 측정망 중에서 하천측정망과 같이 지속적인 모니터링이 필요한 지점을 선정하기 위해 측정지점에 영향을 미치는 지표를 선정하고 다기준 의사결정방법을 통해 지표를 평가하고 우선순위를 산정하였다. 본 연구결과를 통해 향후 수계에서의 신규 측정망 설치 및 변경 등의 계획 수립시 유용한 정보를 제공할 것이라 기대된다.

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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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