통계기법을 활용한 수질관리정책 시행에 따른 수질변화 분석방법 연구

Abstract

The most scientific and statistical analysis makes water quality data to be more comprehensible such that it can provide the scientific guideline to policy decision makers. Appropriate statistical method for estimating the characteristics of the population to the observed sample data should be selected to identify the change in the water quality due to the national policy or projects. This study statistically analyzed the response of water qualities to Geum River restoration project, as a part of national four river restoration project in South Korea. This project is to provide water security, flood control and ecosystem vitality. And, restoration work included sediment dredging, weir construction, and channel enlargement, etc., in low reach of the river. In upper reach, however, no restoration work was performed. In this study, the water quality data monitored by NIER between 2008 and 2013 were used. These data include the Biochemical Oxygen Demand (BOD), Chemical Oxygen Demand (COD), Total Nitrogen (TN) and Total Phosphorus (TP) and Chlorophyll-a measured at 19 monitoring stations along the main stream during the study period. Due to the open occurred skewed distribution of water quality data, both parametric and non-parametric statistical methods were utilized along with normality test. So, statistical comparison of the sign-test and t-test was performed to know changes of water quality before and after project. In addition, this study invented 1:1 Line graphic method to analyze changes in water quality. This study shown that the 1:1 Line graphic method as well as the paired t-test and the sign-test with normality test and seasonality test, could be a powerful tool to compare the water quality. And it was concluded that BOD, TN, TP, Chl-a except COD should be improved in lower reach. In upper reach, but, there is no water quality change between before and after the project.;본 연구는 수질관리정책으로 인한 수질 변화를 평가할 수 있는 수질자료의 특성을 고려한 통계적 방법을 분석하고자 하였다. 수질관리정책의 효과를 분석하기 위해서는 정책 시행 전과 후의 수질 변화를 과학적으로 비교해야 하며, 이를 위한 방법으로 통계적 방법이 주로 사용되기 때문이다. 하지만 국내는 물론 해외에서도 이를 과학적으로 비교·평가하는 연구가 미흡하며 체계화된 방법이 존재하지 않는 실정이다. 따라서 수질자료의 특성을 고려한 체계적인 통계적 방법의 연구가 필요하다. 본 연구에서는 금강 수계에서 2010~2011년 시행된 국가 물관리정책을 사례로 하여 대책 시행 전과 후의 수질 변화를 효과적으로 분석하기 위한 통계적 방법과 이를 보완할 시각적 그래프를 연구하고자 하였다. 통계 분석 전, 연구대상지역인 금강 수계의 일반현황, 수문·기상 현황 그리고 관리 현황을 조사하여 수계 전반에 대한 자료를 수집하고 분석하였다. 또한, 본류와 국가하천에 해당하는 지류인 갑천, 미호천의 BOD, COD, TN, TP, Chl-a 수질 측정 자료를 수집하였다. 수집한 수질측정 자료를 이용하여 통계적으로 정규성과 계절성을 검정하였으며, 이 결과로 금강수계 수질 자료의 특성을 고려한 통계 방법을 선택하여 분석할 수 있도록 하였다. 자료의 특성 분석 이외에 대책 시행 이전부터의 수질 변동에 대해 고려하기 위해 금강 본류의 주요 지점에서 LOWESS방법을 이용한 장기간 수질경향분석을 실시하여 장기간 수질 변화 경향성을 파악하고자 하였다. 또한 다변량 분석법 중 요인분석을 실시하여 금강수계 수질 변동의 주요인을 분석하고자 하였다. 통계분석은 계절성을 고려한 분석을 위해 수질 자료를 월별 대응시켜 전과 후의 변화를 분석하고자 하였으며, 이에 자료를 대응시켜 차이를 분석하는 통계방법으로 부호검정와 대응 t검정 방법을 선택하여 사용하였다. 또한 자료의 정규성 검정을 통해 대부분의 자료가 비정규분포를 이루고 있음을 파악하였기 때문에 통계 결과값 분석에서는 비모수 통계방법인 부호검정를 위주로 분석하였으며 모수적 통계방법인 대응 t검정은 부호검정의 결과를 보충해주는 방법으로 사용하였다. 통계분석 결과 통계분석은 과학적으로 유의한 결과를 나타내지만, 통계값으로 이루어진 수치로만 결과를 표현할 수 있어 변화의 크기 정도를 파악하는 것은 어려울 수 있다는 것을 알 수 있었다. 따라서 1:1 Line을 기준으로 한, 정책 시행 전·후의 월별 대응 수질 자료로 형성된 플랏으로 표현한 시각적 그래프를 함께 분석함으로써 플랏의 대칭정도나 분포정도를 파악하여 수질 변화의 크기 정도를 뚜렷하게 판단할 수 있도록 하였다. 이에 더해 3차원 시·공간 그래프를 이용하여 시간과 공간의 변화에 따른 금강수계 전체의 수질의 변화를 한 눈에 파악할 수 있도록 하여 분석하였다. 본 연구에서 제시한 통계적 기법은 자료의 특성을 고려한 체계적인 통계 방법이며, 통계 결과와 1:1 Line그래프를 함께 이용하여 수질 변화를 비교·평가하는 방법은 개선정도를 알기 어려운 통계적 분석의 단점을 보완하여 수질의 변화를 효과적으로 판단할 수 있는 방법이 될 것으로 사료된다. 이 방법들의 조합을 통해 수질관리정책으로 인한 수질 개선 효과의 유무를 판단 할 수 있을 것으로 기대된다.