Relationship between Water Quality Parameters and Socio-economic Factors of 34 Semi-closed Coasts, Korea

Abstract

This study reports the relationship between the water quality parameters and the natural and socio-economic activities in the semi-closed coastal areas. Study areas were selected by connecting between cape points through the analysis of bathymetric charts. Watershed areas adjacent target semi-closed seas were defined based on topographic maps. Variables representing geographical characteristics of the watersheds include surface area, perimeter, elevation, slope, longest axis, and diagonal axis, which are estimated by the analysis of Digital Elevation Model (i.e., DEM) data. Socio-economic characteristics of the watersheds are represented by four population variables, 12 livestock-related variables, three industrial activity variables, eight land use variables, 21 pollutant discharge load variables, and 8 sewage treatment facilities variables, which were selected from national statistics survey in 2006. Parameters of the water quality including annual average of 13 measured items (temperature, salinity, DO, COD, NO2, DIN, DIP, TP, Si, SS, Chlo-a, etc.) were obtained from Korean marine environmental monitoring system. All statistical analyses were conducted by using SAS (version 9.2). Factor analysis for each parameter or variable group results in the selection of key explanatory variables in the group, which are later used for analyzing relationship between variables and the effect of variables on the water quality. DO, COD, DIN and Si was selected for representing the water quality parameters in 34 semi-closed coasts. COD concentration was chosen as a representative variable, since factor analysis shows that phosphorus, one of major nutrients, can have similar impact as COD. Total nitrogen and nitrite are regarded as same factor as DIN. In addition, variables representing natural and socioeconomic activities are as follows: watershed area and elevation from watershed geographical variables, cross-sectional area and mean tidal range from marine geographical variables, rural population and population density from population variables, total livestock number and density from livestock variables, and impervious ratio (i.e., ratio of area urbanized) and proportions of agricultural and forest areas in the watershed area from land use variables. The results of this analysis show that COD concentration has positive relationship with population density and the impervious ratio. Thus, COD concentration of semi-closed coasts should be concerned when establishing urban planning or large-scale land development in the watershed. The results also show that DIN concentration has a positive relationship with tidal range, total livestock numbers and the proportion of agricultural area, but a negative relationship with watershed elevation and the proportion of forest cover. These kinds of correlations should be considered when constructing agricultural and forest area. Si concentration is positively correlated with the proportions of agricultural and forest areas. DO concentration, on the other hand, shows little or no relationship with any of variables.

우리나라 연안 중 반폐쇄성 해역의 수질환경과 인접 유역의 자연환경 및 사회경제적 활동 간의 상관관계를 파악하고자 본 연구를 수행하였다. 먼저 연구대상 지역은 전국 수치지형도를 이용하여 34개의 지역을 선정하였다. 해안 지형을 기준으로 곶과 곶을 연결하여 반폐쇄성 해역 경계를 설정한 후, 해역에 인접한 유역 경계를 재설정하였다. 유역의 자연환경 특성을 나타내는 변수로서 유역면적, 둘레, 고도, 경사도, 장축, 직교대각단축 등 6개 항목의 자료를 DEM자료로 분석하고 유역 지형변수 그룹으로 선정하였다. 유역의 사회경제적 특성 변수로서 인구특성 변수그룹(4개 항목), 축산활동 변수그룹(12개), 산업활동 변수(3개), 토지이용 변수그룹(8개), 오염배출부하 변수 그룹(21개), 하수 및 분뇨처리시설 변수그룹(8개)은 2006년 기준의 국가통계자료로 정리하였다. 한편 반폐쇄성 해역의 수질환경을 나타내는 변수로서 해역별로 설정된 경계 내부의 해양환경측정망 자료(13개 항목: 수온, 염분, DO, COD, NO2, DIN, DIP, TP, Si, SS, 클로로필-a 등)을 연평균하였다. 모든 통계분석은 SAS(version 9.2)를 이용하였다. 변수 그룹별로 인자 분석(Factor Analysis)을 실시하여 그룹별로 대표 변수를 선정하였다. 변수그룹별로 선정된 대표변수를 이용하여 만의 수질환경과 이에 영향을 미치는 변수 간의 상관성을 분석하였다. 해역 수질의 대표변수는 DO, COD, DIN, Si가 선정되었다. 주요 영양염 중의 하나인 인(phosphorus)은 COD와의 동일 인자로 해석되어 COD를 대표변수로 선정하였다. 총질소, 아질산염 등은 DIN과 동일 인자로 구분되었다. 한편 자연 및 사회경제적 활동을 대변하는 설명 변수로서 유역 지형 변수 그룹에서는 유역면적과 고도 변수가, 해역 지형 변수그룹에서는 해역 단면적(cross-sectional area)과 평균 조석간만의 차가, 인구 변수 그룹에서는 농촌인구수와 유역 인구밀도가, 축산 관련 변수로서 총 축산두수와 유역의 축산밀도, 토지이용에 관한 변수로서 불투수층비율(Impervious Ratio 혹은 Ratio of Area urbanized)과 농업면적 비율, 삼림면적 비율 변수가 각각 선택하였다. 해역의 COD 농도는 인구밀도와 불투수층 비율과 양의 선형적 상관관계가 있는 것으로 분석되었다. 따라서 유역에 대한 용도지역 지정 및 변경, 도로 건설 등에 관한 정책을 추진함에 있어 해역의 COD 농도 관리에 유의해야 할 것이다. 한편 DIN 농도는 조석간만의 차, 가축사육 수, 농업면적의 비율과 양의 상관관계를, 유역의 고도, 산림 면적 비율과는 음의 상관관계를 있는 것으로 분석되었다. 이는 유역 내 농지 및 산림 조성에 따른 해역 수질에 대한 영향을 고려해야 함을 의미한다. Si는 농업지역 비율과 산림 면적 비율과 양의 상관관계를 보였다. 반면 DO농도는 대표변수와의 선형적 상관관계를 확인할 수 없었다.