수질 인자의 퍼지 합성 방법에 의한 하천 레크리에이션 지수 모델의 개발

Abstract

하천의 다양한 이수 기능 중 수영, 뱃놀이 등과 같은 레크리에이션 활동은 가장 중요한 비소모적(non-consumptive) 용도 중 하나로 최근 한국에서 하천에서의 레크리에이션 활동이 각광을 받고 있으며 이를 즐기는 사람이 증가하고 있다. 시민들이 하천에서 레크리에이션을 즐길 때, 수질이 좋지 않을 경우 질병이 발발하는 등의 문제가 생길 수 있으며 불쾌감을 느낄 수 있다. 따라서 하천의 수질은 하천 레크리에이션에 있어 매우 중요하며 하천 관리 기관은 시민이 이해하기 쉬운 수질 정보를 제공하여 수질의 상황에 따라 시민들이 하천 레크리에이션을 즐길 수 있도록 서비스를 제공할 필요가 있다. 국내에서는 실시간 수질 지수가 시민들을 대상으로 기존에 서비스되고 있으나 수질 기준 상에 존재하는 모호함과 불확실성을 고려하지 않은 점, 그리고 수상 레크리에이션 활동에 많은 영향을 미치는 대장균과 같은 중요 수질 지표의 정보를 종합하지 않았다는 점 등에서 한계를 가진다. 따라서 기존 모델의 한계를 보완하는 새로운 레크리에이션을 위한 수질정보 제공 모델이 필요하다. 본 연구에서는 시민들의 하천에서 레크리에이션 활동의 안전성 및 쾌적함을 확보하기 위해 일반 시민에게 실시간 수질 정보를 제공하는 모델인 하천 레크리에이션 지수 산정 모델(River Recreational Index Model, RRIM)을 개발하였다. 본 연구에서는 하천 레크리에이션 지수(River Recreational Index, RRI)를 하천에서 레크리에이션 활동을 할 때에 필수적인 수질이 어느 정도 안전하고 쾌적한지를 나타내는 지수로 정의하여 일반 시민이 이해하기 쉽도록 0에서 100까지 점수 형태로 나타내었으며 나아가서 우수, 양호, 보통, 불량의 등급의 형태인 하천 레크리에이션 등급(River Recreational Grade, RRG)으로 변환되어 제공되도록 모형을 개발하였다. 이 때 우수와 양호는 직접접촉 가능, 보통은 간접접촉 가능 그리고 불량은 접촉활동 불가를 의미하였다. 본 연구에서는 RRIM을 크게 분변성 대장균 모델(Fecal Coliform Model)과 수질 지수 모델(Water Quality Index Model, WQIM)로 구성하여 별도로 개발하였다. 분변성 대장균은 실시간으로 측정되기 어려운 수질 지표이기 때문에 로지스틱 회귀분석을 통해 개발된FCM을 통해 분변성 대장균 등급(Fecal Coliform Grade, FCG)을 예측하였다. 또한, WQIM에서 분변성 대장균 외의 다른 수질 지표들을 종합하여 수질 지수(Water Quality Index, WQI)를 산정하였다. 이 때 수질 기준에 존재하는 모호함을 고려하기 위하여 퍼지 합성 방법을 이용하여 WQIM을 개발하였다. 마지막으로 RRIM에서는 FCG와 WQI를 이용하여 RRIM 알고리즘을 따라 최종적으로 RRI와 RRG를 산정하였다. 첫 번째 단계의 분변성 대장균 모델은 수상 활동에 중요한 대장균 수치의 범위를 예측하고 그 범위에 따라 수질의 안전성을 판단하도록 개발하였다. 분변성 대장균 모델에서는 종속변수가 실수형 변수가 아닌 범주형 변수일 때 사용되는 로지스틱 회귀 분석을 통하여 접촉 가능 여부에 따라 구분되는 세 개의FCG를 예측하는 회귀함수를 도출하였다. FCG에서 1등급은 직접접촉 가능, 2등급은 간접접촉 가능 그리고 3등급은 접촉활동 불가를 의미하였다. 개발된 분변성 대장균 모델은 검증 결과0.63의 정분류율을 보였다. 두 번째 단계의 수질 지수 모델은 분변성 대장균 외에 하천 레크리에이션 활동에 중요한 수질 지표들인 DO, pH, 탁도, 클로로필 a을 종합하도록 개발하였다. 수질 지수 모델에서는 수질 기준의 모호함과 불확실성을 보완하기 위해 퍼지 합성 방법을 사용하여 수질 지표를 종합하였다. RRI 등급에 따라 각 수질 인자의 수질 기준은 국내외 수질 기준을 참고하여 정하였으며 소속함수는 변형-삼각형 형태로 정의하였다. 또한, 소속함수를 통해 도출된 소속 값을 WQI로 종합하는 식을 제안하였다. WQI는 퍼지 함성 방법이 적용되지 않았을 때와 비교하였을 때 수질 기준의 모호함을 잘 반영하고 있음을 확인하였다. RRIM은 낙동강의 구미보 상류 지점과 강정고령보 상류 지점에 적용되었다. 구미보 상류 지점은 적용 기간 동안의 FCG가 모두 1등급으로 나타났으며 강정고령보 상류 지점의 경우 1등급 외에도 2등급과 3등급이 관측되었다. WQI는 두 지점 모두 수질 인자 중 클로로필 a와 pH의 변동을 잘 반영하고 있음을 확인할 수 있었다. DO는 두 지점 모두 좋은 수질 상태를 보여 WQI에 많은 영향을 미치지 못하였고 탁도의 경우 클로로필 a와 영향력이 상쇄되어 WQI에 많이 반영되지 못하였다. FCG와 WQI를 RRI로 종합한 결과, 구미보 상류의 경우 FCG가 모두 1등급이었기 때문에 RRI는 WQI와 같았다. 또한, RRI를 RTWQI와 비교하였을 때 두 지수는 약 0.65의 상관계수를 보여 수질 변화에 따라 비슷한 거동을 보임을 확인할 수 있었다. 강정고령보 상류의 경우, FCG가 2등급이거나 3등급일 때, 모델의 알고리즘에 의해서 RRI가 WQI보다 낮게 조정되었다. 이를 RTWQI와 비교하였을 때, 예측된 FCG에 따라 RRI가 RTWQI보다 평균 52.5점이 낮은 보수적인 결과를 보일 수 있음을 확인하였다.