비모수 통계기법을 이용한 낙동강 수계의 수질 경향분석

Abstract

국내에서는 1990년대 이후 비교적 수질측정자료가 잘 축적되어 있어 이를 이용하여 시간에 따른 수질 변화 경향을 파악하고 경향의 원인을 분석함으로써 적절한 관리대책을 수립하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 현재 수질오염이 심각한 낙동강 수계를 대상으로 1990년부터 1999년까지 10년간의 수질변화경향을 분석하였다. 대상수질자료는 10년간의 자료가 존재하는 49개 측정지점에서의 BOD(Biological Oxygen Demand), TN(Total Nitrogen)와 TP(Total Phosphorus)의 월평균 자료이다. 경향분석 결과는 낙동강 수계를 공간적으로 상류, 중류, 하류서부와 하류동부 4개의 유역으로 구분하여 제시하였다. 우선, 49개 측정지점들 각각에 대한 경향분석을 수행하였다. 경향분석은 계절 맨-켄달 검정법(Seasonal Mann-Kendall Test)을 이용하여 경향성의 유무를 확인하고, 이에 수반되는 계절 켄달 기울기 통계량(Seasonal Kendall Slope Estimator)을 구해 경향성의 정도를 확인하였다. 이는 비정규분포를 이루고 계절성을 보이며 결측치가 존재하는 등의 특징을 갖는 수질자료의 경향분석에 적합한 비모수통계기법이다. 또한 어떤 특정 회귀식을 가정하지 않고 데이터 점들을 통해 회귀모델을 적합시키기 때문에 유용한 비모수 회귀분석법인 LOWESS(LO-cally WEighted Scatter plot Smoother)를 적용하여 연구기간동안 시간에 따른 수질 경향의 변화 여부를 살펴보았다. 다음, 낙동강 수계의 상류, 중류, 하류서부와 하류동부 4개의 유역에 대하여 각 유역의 전반적인 경향을 분석하기 위하여 대상 수질의 동질성 분석을 수행하였다. 동질성 분석방법은 어떤 유역내 수질의 전반적인 경향을 나타내기 위한 방법으로 유역내 많은 측정지점들의 경향분석 결과를 조합하여 하나의 단일한 경향을 예측하는 방법이다. 측정지점별 경향분석과 유역내 동질성 분석을 통하여 4개 유역의 수질의 경향을 파악한 다음, 그러한 경향이 나타난 원인을 분석하기 위하여 각 유역별 오염배출부하량의 변화와 수질개선대책을 조사하였다. 1990년과 1996년의 오염원별 배출부하량을 조사하여 배출량의 변화를 살펴보았다. 이와 같은 경향 분석 결과, 연구기간동안 상류와 중류유역에서 BOD는 전반적으로 감소하였고, TN과 TP는 증가하는 경향을 보였다. 특히 중류에서 BOD는 크게 감소하는 경향을 보였다. 하류서부와 하류동부유역에서 BOD는 경향성을 보이지 않아 1990년부터 1999년 10년간 수질의 변화가 없었던 것으로 판단되었다. TN과 TP는 증가하는 경향을 나타냈다. 그러나 LOWESS를 적용한 결과, 네 개의 유역 모두 96년 이후로 BOD, TN과 TP의 농도가 감소하는 경향을 보여 수질이 개선되고 있는 것으로 나타났다. 이는 90년대 초부터 하수종말처리장과 축산폐수처리장 등의 설치사업을 추진하여 처리시설이 증가하였고 96년부터 배출허용기준, 방류수 수질기준이 강화되었기 때문으로 판단된다. 본 연구에서는 1990년부터 1999년 10년의 기간동안 계절 맨-켄달 검정법과 동질성 분석법을 적용하여 낙동강 수계의 각각의 측정지점들과 유역별 경향을 분석하였다. 또한 LOWESS 경향분석기법을 적용하여 연구기간동안 수질 경향의 변화를 보이는 변곡점이 존재하는지를 살펴보았다. 이는 낙동강 수계 수질의 시·공간적인 분석을 가능하게 하였고 또한 유역별 배출부하량 변화와 수질개선 대책을 조사함으로써 유역별 수질 변화 경향의 원인을 제시할 수 있었다.;National fixed station stream quality monitoring networks have now been in existence for over ten years. The resulting data bases provide opportunities and challenges for statistical trend assessment. The long-term trends of water quality were used to analyze 49 stations in Nakdong River. Water quality parameters tested in this study is the monthly data of BOD(Biological Oxygen Demand), TN(Total Nitrogen) and TP(Total Phosphorus) measured from 1990 to 1999. The long-term trend was analyzed by seasonal Mann-Kendall test. This is a robust non-parametric statistical test for monotone trends. It is robust towards missing values, values reported as "below the detection limit", seasonal effects and non-normality. The magnitude of trend was estimated by seasonal kendall slope estimator. This estimation method assumes that the trend is constant during the period analyzed. Kendall slope estimator gives the estimated change in concentration per year. And stream water concentrations were plotted against time with a smoothed, locally weighted regression line(LOWESS) as an overlay to show general patterns in the data. The LOWESS Technique is a nonparametric smoothing procedure that uses a weighted, least squares regre ssion model to fit observations within specified window, which in this case was set to 0.5. It is a useful exploratory tool because it fits a regression model through data without making any assumptions about what type of model the data might fit(linear, quadratic, etc.). Nakdong river is divided into four parts, that is watershed of upstream and midstream and western and eastern watershed of downstream. So, in order to infer this regional trends, a meta-analytical technique was applied first described by Van Belle and Hughes that allows, with some restrictions, trend results from multiple sites to be combined into a single estimate of trend. The results of Seasonal Mann-Kendall Test that there were downward trends of BOD and there were upward trends of TN and TP in upstream watershed. Specially, trends of BOD were dominantly downward in midstream watershed. Trends of BOD exhibited no trend and for TN and TP, there were upward trends in western and eastern downstream watershed. But LOWESS curves suggest that BOD, TN and TP concentrations generally increased between 1990 and about 1996, then resumed decreasing. The downward trends since 1996 could be attributable to increase of wastewater treatment facilities in the early 1990s and enhanced effluent standard in 1996. Also the period of record is divided into 1990-1995 and 1996-1999 and the analysis for temporal trends using the nonparametric Seasonal Mann-Kendall Test is needed.