시화호 수질경향분석과 시계열모형에 관한 연구

Abstract

시화호는 국토확장의 일환으로 추진된 서해안 매립계획에 의해 경기도 안산시, 시흥시 및 화성군 일대의 간석지 매립을 목적으로 12.7km에 이르는 방조제 건설에 의해 형성된 호수이다. 시화호는 방조제 완성과 오염원 증가와 더불어 시화호는 96년에 COD기준으로 17.4ppm에 달하는 등의 많은 수질문제가 야기 되어 이에 따른 다양한 수질개선대책이 추진되었으며, 지속적인 모니터링을 수행한 결과 동일한 지역에서 오랜기간의 수질자료들이 축적되어 시계열 자료의 통계적 분석이 가능하게 되었다. 이후 시화호는 “특별관리해역”으로 지정하고 종합관리계획을 수립하고 다양한 방법의 수질관리 대책을 추진하여 온 결과 2004년 현재 5.7ppm정도의 수질을 유지하고 있는 것으로 보고되고 있다. 시화호의 수질개선대책으로 인하여 시화호의 수질이 개선되어 왔는지를 살펴볼 필요가 있으며, 시계열 분석에 의한 예측기법을 적용하여 적절한 관리 대책 및 개선 대책수립에 도움이 될 것이라 생각되어 진다. 따라서 시간에 따른 시화호 수질의 변화과정을 검토하고 시계열 모형을 절정하였고 관찰된 수질의 경향분석은 맨-켄달 검정법과 LOWESS 경향분석기법을 이용하였으며, 시계열 모형의 설정은 계절승법 모형은 박스-젠킨스 방법을 이용하였다. 맨-켄달검정법에 적용된 시화호의 수질의 변화는 Site1의 경우 COD와 총인은 경향성이 없는 것으로 나타나고 있으며, 엽록소 a는 감소하는 경향으로 총질소는 증가하는 경향을 보여주고 있다. Site2의 경우 총질소는 증가의 경향을 나타냈으나 다른 항목에서는 경향성이 유의하지 않게 나타났다. 시화호의 COD 항목의 수질경향성 분석결과 두 지점에서 멘-켄달 경향성은 없는 것으로 나타났으나, 계절 켄달 기울기는 Site1에서 연간 0.026 mg/l 정도로 감소하는 경향을 보이고 있으며, Site2에서는 연간 0.015 mg/l 정도로 증가하는 경향을 나타냈다. LOWESS 경향분석 결과는 Site1에서는 2000년 7월까지는 급격히 감소하다가 그 이후는 약간씩 증가하는 경향을 보여주고 있으며, Site2에서는 2000년 8월까지는 급격히 감소하는 경향을 보이다가 그 이후에 증가하는 경향을 보여주고 있다. 엽록소 a 항목의 수질경향성 분석결과 Site1에서는 감소하는 경향을 나타냈으며, 계절 켄달 기울기에서도 연간 -1.436 mg/l로 나타났다. Site2에서는 통계적으로 유의하지 않으나, 계절 켄달 기울기는 연간 -1.103 mg/l 정도로 감소하는 경향을 나타냈다. 두 지점에서의 경향은 맨-켄달 기울기에서도 감소하는 경향을 보여주고 있는 것과 마찬가지로 LOWESS의 경향분석 또한 시간이 지남에 따라 감소하는 경향을 보여주고 있다. 총인 항목의 수질경향성 분석결과 두 지점의 경향성은 통계적으로 유의하지는 않으나 계절 켄달 기울기에 의하면 Site1은 연간 0.003 mg/l 감소하는 경향을 보였으며, Site2는 연간 0.000 mg/l로 변화가 없으므로 경향성을 보이지 않고 있다. LOWESS 경향분석을 살펴보면 Site1에서는 2000년 6월 전까지는 감소하다가 2001년 6월까지 다시 증가한 후 그 후부터는 아주 약간의 감소하는 경향을 보여주고 있으며, Site2에서는 계절 켄달 기울기 분석결과는 경향성이 없는 것을 보여주나, LOWESS 분석결과는 1999년 8월까지 감소하다 이후 약간씩 증가하는 경향을 보여주고 있다. 총질소 항목의 수질경향성분석 결과 두 지점 모두 경향성에 대하여 통계적으로 유의하며, 증가 경향을 보였다. 계절 켄달 기울기도 Site1 및 Site2 지점에서 연간 0.107 mg/l 및 0.117 mg/l 정도로 증가하는 경향을 보였다. LOWESS 경향분석결과 Site1 및 Site2 지점에서 증가와 감소의 경향에 대하여 유사한 경향을 보여주고 있다. 현재 시화호로 유입되어지는 오염물질부하량 자료는 없으나, 과거보다는 증가하지 않았을 것으로 생각되어 진다. 따라서, 시화호 수질경향분석의 원인 분석을 하고자 시화호 수질회복의 주된 요인인 해수유통량으로 경향분석결과를 설명하였으며, 해수유통량의 변화에 따라 수질변화에 대한 경향성 나타나는 것을 보여주고 있다. 시화호 수질자료에 대한 시계열 분석결과 Site1에 대한 COD, 엽록소 a, 총인 및 총질소의 각 수질항목별 박스-젠키스 시계열 모형은 SARIMA(1, 1, 1)×(1, 1, 0)12, SARIMA(0, 0, 1)×(0, 0, 1)12, SARIMA(0, 1, 1)×(0, 1, 1)12 및 SARIMA(0, 1, 1)×(0, 1, 1)12로 분석되었다. Site2에 대한 COD의 시계열 모형은 SARIMA(1, 0, 1)×(1, 1, 0)12이었으며, 엽록소 a, 총인 및 총질소의 수질항목에 대한 시계열 모형은 SARIMA(0, 1, 1)×(0, 1, 1)12로 분석되었다. 따라서 지점별 수질 항목 모두가 계절주기 12개월로 변화하고 있음을 보여주고 있다. 이와 같이 선정된 모형은 잔차분석을 이용하여 잔차가 백색잡음을 따르지를 파악하기위하여 자기 및 편자기 상관함수에 대한 결과를 분석하였다. 분석결과 95% 신뢰구간에 포함되고 있었으며, 모수 추정치가 유의수준 0.05보다 작게 나타나고 있으므로 선정된 모든 모형이 시화호에 적합한 것으로 판단되었다. 추정과 검정을 통하여 선정된 모형을 가지고 예측을 하였으며, 예측 방법은 비조건부 최소제곱추정법을 이용하여 2003년 1월부터 2005년 12월까지 예측을 하였다. 예측한 결과는 실측치와 유사한 경향을 보여주고 있어 모형이 선정이 적합함을 보여주고 있다.;The long term trend of water qualities in the Shihwa Lake statistically analyzed using the Mann-Kendall test and LOWESS Analysis. Water quality parameters used in this test included chemical oxygen demand, chlorophyll-a, total phosphorus and total nitrogen. The time period of this test is 7 years from Jan. 1998 to Dec. 2004 for most of water qualities. Trend of each water quality was estimated from the individual Z-statistics. The results of Site1 indicated that there were downward trend in total phosphorus and upward trend in total nitrogen. Chemical oxygen demand and chlorophyll-a appeared to have no trend during this period. The results of Site2 indicated that there were upward trend in total nitrogen and Chemical oxygen demand, chlorophyll-a and total phosphorus appeared to have no trend during this period. The statistical models were developed using the Box-jenkins time series analysis to simulate time variable changes of water qualities. The parameters included in this model study are chemical oxygen demand, chlorophyll-a, total phosphorus and total nitrogen. The model development were based on the data obtained Jan. 1998 to Dec. 2004. The model development followed the typical procedures of the Box-Jenkins method including identification, estimation and diagnostic check. Based on the computed autocorrelation function and partial autocorrelation function, the developed models were validated by testing normality and independency of the residuals. The results from model validation indicated the both model would be statistically acceptable. The model type of Site1 were determined to be SARIMA(1, 1, 1)×(1, 1, 0)12 for COD, SARIMA(0, 0, 1)×(0, 0, 1)12 for chlorophyll-a and SARIMA(0, 1, 1)×(0, 1, 1)12 for total phosphorus and total nitrogen. The model type of Site2 were determined to be SARIMA(1, 0, 1)×(1, 1, 0)12 for COD and SARIMA(0, 1, 1)×(0, 1, 1)12 for chlorophyll-a, total phosphorus and total nitrogen. It was shown that the predicted values locate within the 95% confidence limits except certain periods of COD in Site1. Overall, it was concluded that the statistical method such as Mann-Kendall test, LOWESS test and Box-Jenkins time series analysis, would be effective tools analyze and simulate the long term variations of water qualities in the Shihwa Lake.