다변량 통계분석을 이용한 국내 15개 대규모 담수호의 수질 분석 및 Chl-a 예측

이동휘; 강의태; 주진철; 고현우; 안채민; 배용현; 송광덕

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자료유형: 학술저널

저자정보: 이동휘 (한밭대학교) 강의태 (한국농어촌공사) 주진철 (한밭대학교) 고현우 (한밭대학교) 안채민 (부강테크) 배용현 (휴먼네트워크) 송광덕 (가온S&T)

저널정보: 대한환경공학회 대한환경공학회지 대한환경공학회지 제44권 제12호

발행연도: 2022.12

수록면: 589 - 602 (14page)

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목적 : 대규모 담수호는 담수호 중 저수 용량이 5,000,000 ton 이상인 담수호로 유역 최말단에 위치하고있어 넓은 유역에서 복잡하고 다양한 오염원이 유입되며 호내에 장기간 체류 및 누적되는 특성이 있다. 담수호 주변 농가들의 반복적 농업용수 재이용으로 농업용 비점오염원의 지속적인 유입과 퇴적, 복잡한 물이용 및 배수구조로 인해 수질 오염이 더욱 가중되고 있는 추세이다. 본 연구에서는 다양한 수질 인자를 활용한 다변량 통계분석을 통해 대규모 담수호의 주오염원을 도출해 효율적인 담수호 관리의 기초자료로 활용하고, 부영양화로 인한 식물성 플랑크톤의 증식과 관련된 Chlorophyll-a(Chl-a)의 예측을 위한 다중선형회귀분석(multiple linear regression)을 진행하여 장래의 Chl-a를 예측하고 조류 대발생에 영향을 주는 주요 인자를 파악하여 추후 효율적인 담수호 특성별 수질 개선 대책 수립을 위한 보조 자료로 활용하고자한다.
방법 : 환경부에서 운영하는 물환경정보시스템에서 간월호(GW), 금강호(GG), 금호호(GeH), 남양호(NY), 대호호(DH), 부남호(BN), 삽교호(SG), 아산호(AS), 영산호(YS), 영암호(YA)의 경우 호내에 위치한 3개의 측정망에서 2011.01-2020.12까지 10년간 1달 단위의 수질 자료를 수집하였으며, 고흥호(GoH), 군내호(GN), 부사호(BS), 석문호(SM), 해남호(HN)의 경우 호내에 위치한 1개의 측정망에서 2015.04-2019.03까지 5년간 분기 단위의 수질 인자를 수집하였다.
결과 및 토의 : Korean trophic state index(TSIko) 분석 결과 서해 중부권역 대규모 담수호는 대부분 Hypertrophic 등급으로 분류되며, 서해 남부권역 대규모 담수호는 모두 Eutrophic 등급으로 분류되었다. 요인 분석과 주성분분석 결과에 따른 담수호 유형별 적합한 유기물질, 영양염류, 조류 등의 관리 방안이 마련되어야 할 것으로 판단된다. Chl-a 예측을 위한 다중선형회귀분석 결과 서해 중부권역의 대규모 담수호가 서해 남부권역 대규모 담수호 대비 Chl-a 예측을 위한 설명률은 높았으나 0.8 이하로 분석되어 정확성이 높지 않은 것으로 판단된다.
결론 : 서해 중부권역에 해당하는 담수호가 BOD, COD, TOC, T-N, T-P 모두 서해 남부권역 담수호에 비해 호소 수질이 악화된 것으로 조사되어 유기오염물질과 영양염류의 관리가 필요할 것으로 판단된다. 요인분석 결과 organic matter & algae 유형, nutrients 유형, physico chemical factors 유형, other complex 유형으로 분류하였으며, 각 유형에 맞는 적절한 수질 관리 대책이 필요할 것으로 판단된다. principal component analysis(PCA) 이후 수질 인자의 차원축소를 위해 수질 인자를 variation factor(VF)로 그룹화하여 변환하고 변수로 활용하여 요인분석을 진행한 결과 기존의 담수호 대상 연구 대비 설명률이 낮아 대규모 담수호의 경우 PCA 분석 결과를 통해 높은 영향을 미치는 수질 인자만을 추출하여 다중선형회귀분석 등 추가적인 분석을 진행하는 것이 타당할 것으로 판단된다.

Objectives : A large-scale freshwater lake is a freshwater lake with a storage of 5,000,000 tons or more among freshwater lakes. It is located at the end of the basin, so complex and various pollutants flow in from a wide basin, and it has a characteristic of longer retention and greater accumulation for a long time in the lake. Since the continuous inflow and accumulation of non-point pollution sources for agricultural purpose occurred due to the repeated reuse of agricultural water near freshwater lakes, and the complex water use and occurred drainage structure, water pollution is aggravating. In this study, the main pollution sources of large-scale freshwater lakes were derived through multivariate statistical analysis using various water quality factors for efficient freshwater lake management. The analysis is performed out to predict the future Chlorophyll-a(Chl-a) and to identify major factors affecting algal growth, and to use them as establish effective countermeasures to improve water quality based on the characteristics of freshwater lakes algal growth the future.
Methods : In the case of GanWol(GW), GeumGang(GG), GeumHO(GeH), NamYang(NY), DaeHo(DH), BuNam(BN), SapGyo(SG), ASan(AS), YoungSan(YS), YoungAm(YA) in the water environment information system operated by the Ministry of Environment, water quality data on a monthly basis for 10 years from January, 2011 to December, 2020 were collected from three point measurement located in the lake. In the case of GoHeung(GoH), GunNae(GN), Busa(BS), SeokMoon(SM), and HaeNam(HN), water quality data were collected on a quarterly basis for 5 yearsfrom April 2015 to March 2019 from one point measurement located in the lake.
Results and Discussion : As a result of Korean trophic state index (TSIko) analysis, most of the large-scale freshwater lakes in the central region of the West Sea were classified as Hypertrophic, and all of the large-scale freshwater lakes in the southern region of the West Sea were classified as Eutrophic. Based on the results from factor analysis and principal component analysis, countermeasures against organic matters, nutrients, and algal bloom in terms of type of large-scale freshwater lake should be prepared. As a result of multiple linear regression analysis for Chl-a prediction, large-scale freshwater lakes in the central region of the West Sea had higher explanatory rates than large-scale freshwater lakes in the southern region of the West Sea, but all were analyzed below 0.8, suggesting that the accuracy was not high.
Conclusions : BOD, COD, TOC, T-N, and T-P concentration of freshwater lakes in the central region of the West Sea have more deterioating water quality than freshwater lakes in the southern region of the West Sea, suggesting that organic pollutants and nutrients need to be managed. As a result of the factor analysis, it is judged that organic matter & algae type nutrient type, and complex type classification, and appropriate water quality management measures for each type are required. All regression models used for prediction of Chl-a were analyzed as p<0.05, and the independent variables of each prediction formula were meaningful in explaining Chl-a. Chl-a is changed by the complex effects of various water quality factors, and it is also judged that the influence of water quality external products such as precipitation, sunshine time, and flow rate should also be considered. In the future, if the regression is performed by integrating the water quality factors and external factors of a longer period, it is possible to create a model with a slightly higher explanatory rate by increasing the R² value.

#Multivariate statistical analysis #Large-scale freshwater lake #Multiple linear regression Principal component analysis #다변량 통계분석 #대규모 담수호 #다중선형회귀분석 #주성분 분석

참고문헌 (35)

참고문헌 신청

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C. S. Oh, Y. S. Song, J. S. Yoon, J. R. Jang, A study on appropriate water quality management measures dependent on a hydrodynamic characteristics in saemangeum freshening reservoir, J. Korean Coastal Disaster Prevention, 8(1), 41-50 (2021).

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