초록 ▼

Ⅳ. 연구 결과
각 과업의 연구 결과는 다음과 같다.
1) 종합 친수활동지수 예보를 위한 발령 기준 수립 및 적용 방안 설계
국내·외 친수활동 연구 사례 조사를 실시하고 친수활동지표(indicator) 선정 및 종합 친수활동지수(index) 구성, 종합 친수활동등급의 제도적 적용 방안, 친수활동 예보 대상 지점에 대해서 연구를 수행하였다. 그 결과 다음과 같은 결과를 도출하였다.
먼저 친수활동지표 선정 기준을 마련하고, 다양한 기준에 의하여 친수활동지표를 평가하고 선정하였다. 1차년 친수활동지표(안)으로 물리

Ⅳ. 연구 결과
각 과업의 연구 결과는 다음과 같다.
1) 종합 친수활동지수 예보를 위한 발령 기준 수립 및 적용 방안 설계
국내·외 친수활동 연구 사례 조사를 실시하고 친수활동지표(indicator) 선정 및 종합 친수활동지수(index) 구성, 종합 친수활동등급의 제도적 적용 방안, 친수활동 예보 대상 지점에 대해서 연구를 수행하였다. 그 결과 다음과 같은 결과를 도출하였다.
먼저 친수활동지표 선정 기준을 마련하고, 다양한 기준에 의하여 친수활동지표를 평가하고 선정하였다. 1차년 친수활동지표(안)으로 물리 화학적 인자인 친수수질지표 5개(용존산소, pH, TOC, Chl-a, 탁도)와 생물학적 수질지표 1개(분변성대장균군)가 선정되었다. 그리고 중장기 친수활동지표(안)로는 남조류 세포수와 대장균(E-coli)이 추가되었다. 선정된 친수활동지표를 통하여 종합 친수활동지수를 구성한 다음, 이를 등급화 하여 종합 친수활동등급을 도출하였다.
종합 친수활동지수 및 등급 예보는 친수활동에 적합한 수질 정보를 친수용자들에게 사전에 제공하는 것을 목적으로 하며, 예보기능에 초점을 둔다. 종합 친수활동지수 및 등급의 예보 정확도는 다음과 같은 방법으로 평가하여 대국민에게 공개하는 방안을 제안하였다.
정확도(PC, the Proportion Correct or Accuracy) : Accuracy (or PC) =
마지막으로 종합 친수활동지수 및 등급 예보제는 현행의 수질예보제와는 별개의 제도로 운영되는 것이 바람직하며, 친수활동 예보 개선을 위하여 단기에는 모니터링 지점을 확대하고, 예보의 정확도를 개선하며, 남조류 예보값을 연동하며, 중기에는 예보기간의 확대, GIS 자료의 활용, 기상 자료와의 연계를 제시하였다. 장기적으로는 분변성대장균군의 추정 모델을 동태적 대장균 모델로 개선하는 것과 수질 관련 법정계획과 연계시키는 방안, 장기수질예보를 유역수질 관리 측면으로 활용하는 방안을 제시하였다.

2) 종합 친수활동지수 예보 기법 개발
하천에서의 친수활동을 위한 종합적 수질정보인 종합 친수활동지수를 예보하기 위하여 시스템을 구성하였다. 종합 친수활동지수는 친수활동지표 중 분변성대장균군을 제외한 5개의 친수 수질지표(용존산소, pH, TOC, Chl-a, 탁도)를 종합하여 하나의 지수로 종합한 친수수질지수와 분변성대장균군 등급을 합성하여 산정하였다. 이 때 종합 친수활동지수 예보를 목표로 하기때문에 5개의 친수수질지표는 인공신경망 모델을 통해 예측하였으며, 분변성대장균군 등급은 로지스틱 회귀분석, 주관적 기준 방법, 의사결정나무 모델을 통해 추정하였다.
친수수질지표인 pH, DO, TOC, 클로로필 a, 탁도의 가중치는 0.1905, 0.1905, 0.1428, 0.2381, 0.2381로 산정되어 클로로필 a, 탁도의 중요도가 가장 높은 것으로 나타났다. 인공신경망 모델을 통해 친수수질지표 및 전기전도도를 예측하였을 때, 요인분석을 통해 인공신경망 모델의 정확도를 상승시켜 NSE 0.86 이상의 정확도를 보였다. 또한, t+3까지의 수질농도를 예측하였으며, 예측 정확도는 t+2 예측은 NSE 0.70 이상, t+3 예측은 NSE 0.60 정도의 정확도를 보였다. 분변성대장균군 등급은 두 지점(구간 A, 구간 B)에 로지스틱 회귀분석, 로지스틱 회귀분석, 주관적 기준 방법, 의사결정나무를 적용하였다. 구간 A의 경우 각각 오차율 13.5% ~ 20%, 17.3%, 12.2%을 보였고, 구간 B의 경우에는 20.7~26.3%, 13.9%, 11.1%를 보여 의사결정나무방법의 정확도가 가장 높은 것으로 판단되었다. 마지막으로, 예측된 친수수질지표를 종합 친수수질지수로 합성하기 위해 퍼지합성방법을 사용하였으며, 친수수질지수와 분변성대장균군 등급 합성을 위한 알고리즘을 개발하였다.

3) 남조류 예측 모델 개발
4대강 16개보 지점에서 관측된 조류농도(클로로필 a 농도) 자료를 추계학적인 과정을 모사할 수 있는 분포 특성을 확보하여 기존의 단변량 모형의 모의 과정을 통해 조류농도 변동성을 모사한 결과 결정계수 R2= 0.24-0.59, RMSE= 3.52-25.96으로 낮은 모사능력을 보였다. 단순한 과거기록의 기억효과를 표현하는 모형구조로 변동성을 표현하는데 한계를 보여주므로 단변량 모형의 제한된 모의능력을 개선하기 위해 다중과정 단변량 모형을 개발하였다.
개발된 다중과정 단변량 모형의 추계학적인 과정은 1) 클로로필 a의 농도로 나타나는 추계학적 변수는 복수의 추계학적 과정의 선형 합으로 구성, 2) 복수의 추계학적인 과정 간에는 상호 독립성이 존재하며, 각각의 과정은 독립적인 물리생물화학적인 기작에 기인한다는 두 가지 기본가정에 기반을 두었으며, 관측된 조류농도를 최소의 잔차로 모사할 수 있는 최적화의 수행을 수반하는 과정과 동반된다. 모의 결과는 결정계수 R2= 0.59-0.87, RMSE= 2.50-17.49를 나타내어 기존의 모형에 비해서 상당히 개선된 모의능력을 보여주었다.
4대강의 4개 지점에 대해서 조류에 영향을 줄 수 있는 수문 기상인자, 수질인자와 조류 농도들의 원시계열을 이용한 상호상관함수는 각각의 시계열의 계절적 변동특성에서 기인한 추계학적인 구조로 인하여 신뢰할 수 없는 상관성 해석 결과가 도출되는 것을 확인하였다. 이를 해결하기 위해서 배타적 상관성분석 방법론을 도입하였다. 각각의 인자별 시계열의 인과성과 상관성 그리고 내재적인 추계과정을 조사하여 이들의 구조를 제거하였으며, 모형화와 필터링 과정의 반복적인 적용을 통해서 기존의 상관성 분석의 문제점에서 개선된 결과를 도출할 수 있었고, 대부분의 과대 추정된 기존의 상관성 분석에 비해서, 상관계수의 합이 1에 근접하는 합리적인 결과를 확보하였다.

4) 장기 수질예보 생산 방안 개발 연구
공간적인 상세화 및 예측성 향상을 위하여 계절예측 정보의 활용 정도에 따라서 1) 직접적으로 계절예측 정보를 활용하는 Simple Bias Correction (SBC) 방법, 2) 간접적으로 계절예측정보를 활용하는 예측기반의 Moving Window Regression (MWR), 3) 과거관측 기반의 자료를 주로 사용하고 계절예측 정보를 추가적으로 활용하는 관측기반의 Climate Index Regression (CIR) 방법을 개발하였으며, 개발된 3가지 상세화 방법 중에서 Climate Index Regression(CIR) 방법이 강수량 및 평균 기온의 예측에 있어서 가장 안정적인 예측성을 보였다.
원격상관 기반 CIR 방법을 이용하여 27개 지점의 6개 수질 항목에 대한 수질 장기예측을 수행한 결과 유의수준 0.05에서 유의미한 상관관계(Temporal Correlation Coefficient)를 보인경우는 수온, BOD, TN, TP, SS, 클로로필-a의 경우 각각 전체의 88%, 86%, 83%, 73%, 62%, 54%으로 나쁘지 않은 예측성을 보였다.
또한 CIR 방법의 경우 선행예측기간, 누적기간, 대상 지역의 공간적 규모 등에 따라 예측성의 큰 차이를 보이지 않았다. 마지막으로 최종적인 의사결정을 위해 필요한 수질 확률예보를 위해서 다양한 기후 정보, 상세화 방법, 수질 예측 방법의 통합 기법을 제시하였다.

목차 Contents

• 표 지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 요 약 문 ... 5
• 차 례 ... 10
• 표 차 례 ... 13
• 그림 차례 ... 19
• 1장. 서 론 ... 27
• 1절. 연구의 배경 및 필요성 ... 27
• 2절. 연구의 목적 ... 28
• 2장. 연구 내용 및 방법 ... 29
• 1절. 과업의 범위 ... 29
• 2절. 연구추진체계 ... 32
• 3절. 연구 방법 ... 34
• 1. 종합 친수활동지수 예보를 위한 발령 기준 수립 및 적용 방안 설계 ... 34
• 2. 종합 친수활동지수 예보 기법 개발 ... 36
• 3. 남조류 예측 모델 개발 ... 58
• 4. 장기 수질예보 생산 방안 개발 연구 ... 67
• 3장. 연구 결과 및 고찰 ... 76
• 1절. 종합 친수활동지수 예보를 위한 발령 기준 수립 및 적용 방안 설계 ... 76
• 1. 국내·외 친수활동 연구 사례 조사 ... 76
• 2. 친수활동 지표(indicator) 선정 및 지수(index) 구성 ... 109
• 3. 종합 친수활동지수 및 등급의 제도적 적용 방안 ... 140
• 4. 친수활동 예보 대상 지점 제안 ... 161
• 2절. 종합 친수활동지수 예보 기법 개발 ... 180
• 1. 예보 모델의 구성 ... 180
• 2. 수질지표의 가중치 연구 ... 181
• 3. 친수활동지표의 예측 ... 188
• 4. 종합 친수활동지수 산정 방법 개발 ... 249
• 5. 모델의 적용 ... 266
• 3절. 남조류 예측 모델 개발 ... 272
• 1. 클로로필 a 단변량 모형 ... 272
• 2. 조류농도 관련인자 상관성 분석 ... 313
• 4절. 장기 수질예보 생산 방안 개발 연구 ... 372
• 1. 계절예측 상세화 기법 개발 및 예측성 평가 ... 372
• 2. 모델링 기반 장기 수질 예측성 평가 ... 386
• 3. 기후인자의 기반 장기 수질 예측성 평가 ... 397
• 4. 통합 장기 수질 예측 기법 개발 ... 405
• 4장. 결론 ... 414
• 1절. 종합 친수활동지수 예보를 위한 발령 기준 수립 및 적용 방안 설계 ... 414
• 2절. 친수활동지수 예보 기법 개발 ... 417
• 3절. 남조류 예측 모델 개발 ... 421
• 4절. 장기 수질예보 생산 방안 개발 연구 ... 423
• 5장. 기대성과 및 활용 방안 ... 425
• 1절. 기대성과 ... 425
• 2절. 활용방안 ... 425
• 3절. 향후 연구계획 ... 426
• 6장. 참고 문헌 ... 429
• 7장. 부록 ... 436
• 끝페이지 ... 448