Statistical and Visual Analyses of the Water Quality Changes in the Yeongsan River

Abstract

Yeongsan River, one of the large rivers in the Korean peninsula, shows the highest degree of water pollution level compared to the other large rivers due to the densely populated metropolitan watershed and the wastewater discharge from the agricultural areas. In order to improve the water quality along with water flow augmentation, two mainstream weirs such as Seungchon, and Juksan, were constructed in the Yeongsan River. Since some water qualities were not adequately improved, however, the weirs have frequently been opened from the year of 2017. This study was performed to investigate the water quality impacts caused by the construction and opening of the weir using the statistical methods and the visual comparison. Since the water quality data usually show the non-normal distribution in natural rivers, the non-parametric Wilcoxon signed-rank test was utilized in this study. To recognize the non-normal distribution, the normality test was conducted by the Shapiro-Wilk test before the statistical comparison test. To confirm the results of the Wilcoxon signed-rank test, the paired t-test was additionally conducted in the same water quality data sets. Seven water quality parameters were used in this study, including biochemical oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD), suspended solids (SS), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), electrical conductivity (EC), and chlorophyll-a (Chl-a). The total length of data was from 2005 to 2020. The three-dimensional spatiotemporal plots were presented to visualize the water quality changes during the study periods. From the results of this study, it was firmly recognized that the construction of the weirs should improve the water quality, while the opening of the weirs should degrade the water quality. The discernable impacts could be recognized in the three-dimensional spatiotemporal visualization studies. From this study, it can be noticed that the statistical methods and the three-dimensional spatiotemporal visualization would be useful for the comparison of non-normally distributed water quality with high seasonal variations. ;한반도의 큰 강 중 하나인 영산강은 유역에 위치한 인구 밀집 지역과 인근 농업 지역의 폐수 방류로 인하여 다른 대형 하천들에 비해 수질 오염도가 높은 편이다. 영산강의 수질 개선 및 수량 확보를 위해 본류에 승촌보, 죽산보 등 두 개의 보가 건설되었다. 하지만, 보로 인한 수질 개선 효과가 충분하지 않다고 판단되어 두 보 모두 현재까지 간헐적 및 부분적으로 개방되고 있다. 본 연구는 통계적 방법과 시각적 비교를 통하여 보의 건설 및 개방에 따른 수질의 변화를 조사하였다. 자연 수계의 수질 데이터는 일반적으로 비정규분포를 따르는데, 이를 확인하기 위하여 Shapiro-Wilk 정규성 검정을 선행적으로 수행하였다. 이후 비모수 Wilcoxon signed-rank test를 사용하여 통계 분석을 수행하였으며, 분석 결과를 paired t-test를 통하여 확인하였다. 본 연구에서 사용한 수질 지표는 biochemical oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD), suspended solids (SS), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), electrical conductivity (EC), and chlorophyll-a (Chl-a)의 총 7가지이며, 자료 수집기간은 2005년부터 2020년까지이다. 또한, 연구 기간 동안의 수질 변화를 시각화하기 위하여 3차원 시공간적 그래프를 제시하였다. 본 연구 결과를 통하여 보 건설 이후에는 수질이 개선되었고, 보 개방 이후에는 수질이 악화되었음을 확인하였으며, 이러한 변화는 3차원 그래프를 통한 시각적 비교에서도 뚜렷하게 나타났다. 뿐만 아니라, 연구에서 사용된 통계적 분석과 3차원 시공간적 시각화 연구가 비정규분포를 따르며 계절적 변동이 큰 수질 데이터들에 효과적으로 사용될 수 있음을 확인할 수 있었다.