낙동강 하류의 조류발생 특성에 관한 베이지안 계층적 회귀모형 연구

Abstract

본 연구는 낙동강 하류의 조류 발생 특성을 규명하기 위해, 베이지안 계층적 회귀모형을 개발 및 활용한 연구이다. 낙동강 하류는 하구둑의 영향으로 수체가 정체된 하천형 호소의 특성을 갖고 있으며, 부영양화 정도가 심하고 조류가 빈번히 발생하는 반면, 상수원으로 이용되고 있는데도 불구하고 조류 관리 정책이 부족한 실정이다. 따라서 낙동강 하류의 수질 특성을 분석하고 이를 베이지안 계층적 회귀모형에 적용하였다. 하류부의 수질 특성은 크게 3개 지역으로 나뉘어 서로 다른 것으로 나타났다. 낙동강하구언 1, 2, 3 지점의 양상이 유사하며, 서낙동강의 3개 지점 역시 유사한 패턴을 보인다. 그리고 구포, 금곡, 물금의 3개 지점에서 공통적인 수질 특성을 가지며, 이러한 지리적 공통점은 클로로필 a와 질소의 상관관계에서도 나타났다. 현 시스템을 가장 잘 구체화하기 위해, 지점별로 그룹화된 계층 구조를 적용하였다. 여기에 클로로필 a에 대한 개별수준 예측변수로 총질소(TN)를 선정하고, 그룹수준의 예측변수로 각 지점의 총질소에 대한 용존무기질소(Dissolved Inorganic Nitrogen)의 비(DIN:TN ratio)를 선정하였다. 이를 바탕으로 1개의 그룹 수준 예측변수와 1개의 개별 수준 에측변수, 그리고 기울기 절편 간의 상관이 존재하는 varying-intercept, varying slope 구조의 베이지안 계층적 회귀모형을 개발하였다. 모형의 적용 결과, 계층 구조의 적용과 그룹 수준의 예측변수의 활용으로 기존 통계모형보다 불확실성이 감소한 것을 알 수 있었다. 개발된 모형을 정책과 결합하여 활용하기 위해 현재 낙동강 하류에 시행중인 중권역 물환경관리계획의 기준을 적용하였다. 그 결과 ‘좋은 물’의 클로로필 a 기준의 달성 여부가 지점별로 상이하게 나타났는데, 유독 서낙동강의 달성 확률이 적게 나타났다. 또한 조류예보제의 단계별 발령 기준 중 클로로필 a 항목의 기준을 모형에 적용해 지점별로 예보, 경보, 대발생 기준을 초과할 확률을 파악해보았다. 서낙동강 지역의 총질소 농도 0~1.5mg/L 사이에서도 조류 예보 기준을 초과할 확률이 급증하며, 1~3mg/L 범위에서 경보 기준을 초과할 가능성이 큰 것으로 나타났다. 구포, 금곡, 물금 지점은 총질소 농도 6mg/L 이상일 때 조류 대발생 기준을 초과할 가능성이 큰 것으로 나타나 취수원 보호를 위한 정책이 시급한 것으로 보인다.;A study for the algal bloom was performed on the lower Nakdong River, Korea, using Bayesian multilevel regression model. The system of Nakdong River downstream approximates to the reservoir due to the barriage, which separates two water bodies, fresh water and estuary. The study site has serious problems from the severe eutrophication and the frequent algal blooms. However, there are few policies to protect the source water, although there is a intake station for Pusan and other cities. Therefore, we analyzed the water quality related to algal bloom and applied the characteristics to the Bayesian multilevel regresson model. The study site was subdivided to three regions, Nakdong River Hagueon, Seo-Nakdong River, and others: Gupo, Geumgok, and Mulgeum. The three regions have different water quality characteristics. The correlation aspects between Chl-a and TN were attributed to the spatial differences as well. To perform the optimal application, we applied the multilevel/hierarchical structure to the system by sites. For the variable selection, TN was chosen as a individual-level predictor, and DIN:TN ratio as a group-level predictor. The final model was the varying-intercept and the varying-slope model with one individual-level and one group-level predictor, including the correlation between the intercept and the slope. The suitability of the developed model was demonstrated in terms of the improved coefficients uncertainties. We put the developed model to the water quality management policies to predict the risk of the algal bloom in the downstream of Nakdong River: Water Quality Management Plan for Nakdong Hagueon Middle Region and Algae Alert System in Korea. We made a prediction for the one, corresponding to the probablity that the Chl-a concentration was observed at the Ⅰb standard of TN level. It indicated that Seo-Nakdong River had the lowest probablity even if TN concentration was followed well. The other result was predicted by the standard of Chl-a concentration by the AAS level. The probability that exceeded the watch level increased rapidly at the TN level of 0~1.5mg/L, and warning level at the TN level of 1~3mg/L in Seo-Nakdong River. We also emphasize the prompt algae control plan for Gupo, Geumgok and Mulgeum sites, since the risk of algal bloom occurrence seemed to be severe at the region.