2.1. 연구대상 유역

낙동강 유역(Fig. 1)은 대구, 울산, 부산광역시 등의 대도 시와 중·소도시를 지나며 지류 부근에는 성서산업단지, 구 미공단, 김천공단 등이 있어 각종 산업·생활폐수가 다량 유 입되고 있다. 낙동강 유역에서 생활하고 있는 1,300 여만 명의 식수원인 각종 생·공업용수(21.6%), 농업용수(51.0%) 및 하천유지용수(27.4%) 등으로 활용되고 있어 다양한 오 염원에 의한 수질 오염이 발생할 수 있는 가능성이 매우 높은 유역이다. 또한 최근 4대강 사업의 일환으로 경북 상 주시부터 경남 창녕군까지 약 200km 구간에 상주보, 낙단 보, 구미보, 칠곡보, 강정고령보, 달성보, 합천창녕보, 창녕 함안보의 8개 보가 설치되었으며 총 저수용량은 약 5.3억 톤으로 유역 내 다목적댐 저수용량의 약 17%를 차지한다 (^{NIER, 2013a}). 낙동강수계(안동, 대구, 부산, 구미 기상관 측소)의 2004년부터 2013년 까지 10년간 평균 연강수량 (^{KMA, 2014})은 1,180.7 mm이며 7~9월 강수량은 전체 강 수량의 54.0%를 차지하고 지질은 주로 퇴적암으로 구성되 어 있으며 부분적으로 변성암과 화성암류가 분포하고 있다. 토지이용은 농경지 면적이 5,505 km²로 전체 유역면적의 17.3%를 차지하며 이중 밭이 6.9%, 논이 10.4%, 대지 6.7%, 임야면적이 68.6%, 기타 7.4%를 차지하고 있으며 폐수발생 및 방류량은 4대강 수계 중 가장 많아(^{NIER, 2014}) 과거부 터 수질개선을 위하여 많은 노력을 하고 있다. 특히 2004 년부터 수질오염 총량관리제를 실시하여 기존 방류수 및 배출허용기준에 대한 농도기준을 정하여 관리하던 한계를 벗어나 오염물질 총량을 허용총량 이내로 배출하도록 관리 하는 제도로 전환하였다(^{NIER, 2008}).

Fig. 1. The location of study sites in the Nakdong River.

2.2. 연구방법

낙동강 수계의 수질일반측정망과 수질오염총량측정망 공통 지점인 경호강1(남강A), 경호강2(남강B), 구미(낙본E), 금곡 (낙본L), 금호강6(금호C), 남강4-1(남강E), 내성천3-1(내성 B), 내성천5(내성A), 대암-1(낙본G), 도산(낙본B), 물금(낙본 K), 미천(미천A), 밀양강3(밀양B), 반변천2-1(반변B), 병성 천-1(병성A), 상주3(낙본D), 영강2-1(영강A), 용산(낙본H), 용전천2(용전A), 위천6(위천B), 이안천(이안A), 황강1(황강 A), 황강5(황강B), 회천2-1(회천A)의 총 24개 지점을 연구 대상 지점으로 선정하였다. 연구기간은 2004년 8월부터 2013년 12월까지 약 10년을 선정하였고 분석항목은 5개로 생물학적산소요구량(Biological Oxygen Demand, BOD(mg/L)), 화학적산소요구량(Chemical Oxygen Demand, COD(mg/L)), 총질소(Total Nitrogen, TN(mg/L)), 총인(Total Phosphorous, TP(mg/L)), 유량(m³/s)에 대한 월평균 자료를 이용하였다. 수질 및 유량자료는 물환경정보시스템(^{NIER, 2013b})에서 수집하였다. 통계분석은 24개 지점에 대하여 Regional/Seasonal Kendall test, LOWESS(LOcally WEighted Scatter plot Smoother) 분석 및 adjusted Seasonal Kendall test를 USGS의 추세 검정 프로그램과 R을 이용하여 실행하였다(^{USGS, 2005}). 이중 Regional/Seasonal Kendall test와 adjusted Seasonal Kendall test는 관심기간 동안 수질의 증감 경향을 단조증 감형으로 나타내어 결과 해석에 용이한 장점이 있다. LOWESS 분석은 곡선형 추세분석 방법으로써 직선형 추세 분석의 단조 증감을 보완하여 관심기간 동안 추세 변동을 파악하기 위해 사용되고 있다. 더불어 adjusted Seasonal Kendall test는 Seasonal Kendall test에서 외생변수의 영향 을 제거함으로써 배경 변이성(Background Variables), 즉 잡 음(Noise)을 최소화하여 가설검정 시 오류의 가능성을 줄여 보다 신뢰성 있는 결과를 도출할 수 있는 분석 방법이다 (^{Helsel and Hirsch, 2002}). Regional Kendall test는 앞의 세 가지 분석법과는 달리 24개 지점 전반에 대한 공간적 수질 변동을 파악하기 위하여 사용하는 방법이다. 본 방법은 유 의수준(α) 0.1에서 H₀ (=No Trend)를 기각하는 경우 유의미 한 경향성이 존재하는 것으로 판단하며 증감에 대한 정보 는 S 및 Z통계량을 이용하였다. 이때 양의 값이면 수질이 “증가”, 음의 값이면 “개선”된다고 평가하였다. 분석절차 Fig. 2)는 다음과 같다. 첫 번째로 Regional Kendall test를 통해 낙동강 수계 전체에 대한 증감경향을 파악하였고, 그 다음 Seasonal Kendall test를 실행하여 해당 수계 내 24개 지점 각각에 대한 증감경향을 분석하였다. 또한 각각의 지 점에 대한 관심기간 동안의 세부적인 수질변동 특성을 파 악하기 위해 LOWESS 분석을 실행하였다. 마지막으로 유 량을 제어한 adjusted Seasonal Kendall test를 실행하여 수 질에 영향을 미칠 수 있는 자연적 영향요인인 유량을 제거 한 수질 추세를 파악한 후 유량의 존재 유무에 따른 수질 변화를 비교 분석하고자 하였다.

Fig. 2. Procedure of analysis method used in this study.

3.1. Regional/Seasonal Kendall and LOWESS

수질 항목별 Regional/Seasonal Kendall 결과를 Table 1과 Fig. 3에 나타내었다. BOD에 대한 Regional kendall 결과 S 통계량은 124, p-value는 0.0214로 귀무가설(H₀=no trend)을 기각하여 수계 전반에 걸쳐 BOD 농도는 “증가”하는 경향 을 나타내었다. Seasonal Kendall 결과 상류에 해당하는 반 변천2-1, 내성천3-1, 위천6, 상주3 지점과 중류의 회천2-1 지점에서 S 통계량이 137, 69, 128, 193, 109이고 p-value는 유의수준(α) 0.1 이하로 BOD 농도는 유의한 “증가” 경향을 나타내었다. 반면, 하류 구간에 위치한 대암-1, 남강4-1, 물 금, 금곡 지점의 S 통계량 107, -82, -98, -73, p-value는 유 의수준(α) 0.1 이하로 유의한 “개선” 경향을 나타내었다. 나 머지 15개 지점에서는 증감경향을 나타내지 않았다. 즉 연 구대상기간 중 낙동강수계에서 BOD 농도는 “증가”경향을 나타내고 있으며 특히 반변천2-1, 내성천3-1, 위천6, 상주3, 회천2-1의 5개 지점에서 유의한 “증가” 경향을 나타내었다. COD 농도는 Regional Kendall 결과 S 통계량 409, p-value 0.0000으로 수계 전반에 걸쳐 매우 유의한 “증가” 추세를 나타내었다. Seasonal Kendall 결과 중상류 구간에 위치한 도산, 용전천2, 반변천2-1, 미천, 내성천5, 내성천3-1, 병성 천-1, 위천6, 상주3, 구미, 회천2-1의 11개 지점에서 S통계 량 124~287, p-value 0.0013~0.0570로 유의한 “증가” 경향 을 나타내었다. 나머지 지점에서는 증감경향을 나타내지 않 았다. 즉 COD 농도의 경우 “증가”경향을 나타내고 있는 지 점이 다른 분석 항목에 비해 다수 해당되었으며 특히 상류 구간을 중심으로 “증가” 경향이 뚜렷하였다. TN 농도는 Regional Kendall 분석 결과 S통계량 113, p-value 0.0408로 유의한 “증가” 경향을 나타내었다. Seasonal Kendall 결과 병성천-1, 밀양강3 지점의 S통계량은 각각 -129, -113, p-value 0.0700, 0.0474로 유의한 “개선” 경향을 나타낸 반 면 황강1, 경호강2, 지점의 S통계량은 각각 86, 125, p-value는 0.0738, 0.0545로 “증가” 추세를 나타내었고 이 들 지점을 제외한 대부분의 지점에서는 증감 경향은 나타내 지 않았다. TP 농도의 경우 Regional Kendall 분석 결과 S 통계량 -186, p-value 0.0007로 통계적으로 매우 유의한 “개 선” 경향을 나타내었다. Seasonal Kendall 분석 결과 “증가” 경향을 나타낸 지점은 없었으며 내성천5, 영강2-1, 병성천-1 의 중상류 3개 지점, 용산, 남강4-1, 밀양강3, 물금의 하류 4개 지점에서 S통계량은 -140 ~ -215, p-value는 유의수준 (α) 0.1 이하로 유의한 수질 “개선” 경향을 나타내었다. 이 는 2011년 7월 기준 부산·경남지역에 총 50개소의 하수 및 폐수처리시설에서 총인처리시설을 설치 또는 운영되면 서(^{NDG, 2012}) TP 농도는 다른 수질 항목에 비해 “개선” 된 경향을 나타내는 지점이 다수로 나타내었다. Table 2.

Fig. 3. Results of Seasonal Kendall trend from 2004 to 2013.

LOWESS 분석 결과 대상기간 동안 수질의 증감 변동이 파악되는 지점을 Fig. 4에 나타내었다. 그 결과 BOD, COD 농도는 남강4-1, TP는 구미, 금호강6, 대암-1, 밀양강3 지점 에서 수질 변동 추세를 나타내었다. 이중 구미 지점의 TP 농도는 Seasonal Kendall 결과 경향성이 나타나지 않았으나 LOWESS 분석 결과 2010년도에 “증가” 후 “개선” 경향을 나타내었다. 금호강6 지점은 Seasonal Kendall 결과 “유지” 상태를 나타냈으나 LOWESS 결과 2008년 “증가” 후 “개선” 상태를 유지하였다. 대암-1에서도 Seasonal Kendall 결과 “유지” 상태를 나타내었으나 LOWESS 분석 결과 2007년 부터 “증가” 후 2009년 후반 이후 “개선”되는 경향이 뚜렷 하였다. 밀양강3 지점의 Seasonal Kendall 결과 “개선” 경 향을 나타내었으나 LOWESS 분석 결과 2007년~2009년까 지 소폭 “증가” 후 점차 “개선”되는 추세 변화를 나타내었 다. 남강 4-1 지점의 BOD 농도는 Seasonal Kendall 분석 결과 “개선”, COD 농도는 “유지” 상태를 나타내었으나 LOWESS 분석 결과 2007~2008년 “증가” 후 2009년 “개 선” 경향을 나타낸 뒤 완만히 유지되는 상태를 나타내었다. Table 3, Table 4.

Fig. 4. LOEWSS trend test by the monthly water quality data.

3.2. Comparison of Seasonal and flow-adjusted Seasonal Kendall tests

유량의 영향이 배제된 상태에서의 수질 변화를 살펴보기 위하여, flow-adjusted Seasonal Kendall를 실행하고 Seasonal Kendall 분석 결과와 비교하여 서로 상이한 경우를 Table 5 에 나타내었다. 그 결과 BOD 농도는 용전천2, 영강2-1 지 점에서 Seasonal Kendall 결과 S통계량이 각각 75, 104, p-value는 0.1867, 0.1149로 유의한 변화가 없는 것으로 나 타났다. 하지만 유량의 영향을 제거한 결과 S통계량 103, 117, 기울기 통계량 β 는 0.0802, 0.0845씩 증가되어 통계 적으로 각각 유의한 “증가” 경향을 나타내었다. 즉 용전천 2, 영강2-1 지점의 BOD 농도는 유량의 영향이 없을 때 시 간 흐름에 따라 증가되었으나 유량이 존재할 경우 “유지” 상태를 나타내고 있어 BOD 농도는 유량에 의하여 개선되 고 있는 것으로 판단할 수 있었다. 또한 대암-1 지점의 BOD 농도는 Seasonal Kendall 결과 기울기 통계량 β 는 -0.1000으로 시간에 따라 “개선” 경향을 나타내었으나 flow-adjusted Seasonal Kendall 결과 S 통계량은 -55, p-value는 0.1684로 “유지” 상태를 나타내어, 유량에 의한 수질 농도 “증가”가 이루어지는 것으로 판단되었다. 황강 하류에 위치 한 황강5 지점의 Seasonal Kendall 결과 BOD농도는 어떠 한 경향도 나타내고 있지 않았으나 유량을 제거 후 S통계 량은 -112, p-value 0.0076, 기울기 통계량 β 는 -0.0243으로 유의한 “개선” 경향을 나타내었다. 따라서 시간이 경과하면 서 유량에 의한 BOD 농도 “증가” 경향이 있는 것으로 판단 할 수 있었다. 물금 지점의 BOD 농도는 Seasonal Kendall 결과 시간에 따라 “개선”되는 경향을 나타내었으나 유량을 제거한 후에 있어서는 S 통계량이 각각 -55, -71, p-value는 0.1684, 0.1762로써 유의미한 증감 경향을 나타내지 않는 것으로 분석되어 유량이 수질 변화에 긍정적 효과를 나타 낸 것으로 판단되었다. COD 농도의 경우 황강 유역의 상 류에 위치한 황강1 지점의 Seasonal Kendall test결과 S통 계량은 94, p-value는 0.1304로 “유지” 상태를 나타내고 있 으나 유량을 제거한 후 S통계량은 99, 기울기 통계량 β 는 0.0464로 유의미한 “증가” 경향을 나타내어 유량에 의한 수 질 개선 효과를 나타내었다. TN 농도는 병성천-1, 금호강6 지점에서 상이한 결과를 나타내었다. 이 중 병성천-1 지점 의 경우 Seasonal Kendall 결과 S통계량 -129, 유의수준(α) 0.1에서 기울기 통계량 β 는 -0.0968로 시간에 따라 “개선” 된 수질 경향을 나타내고 있으나 유량을 제거한 후 분석 결과는 “유지” 상태를 나타내어 유량에 의한 수질 개선 효 과를 나타내었다. 금호강6 지점에서도 Seasonal Kendall 결 과 S통계량은 55, p-value 0.3308로 시간에 따라 “유지” 상 태를 나타내고 있으나 유량 제거 후 β 는 0.0995로 수질 “증가” 추세를 나타내어 유량에 의한 수질 개선 효과를 나 타냈었다. TP 농도는 금호강6, 경호강2에서 서로 다른 결과 를 나타내었다. 금호강6 지점의 Seasonal Kendall 결과 S통 계량은 -146이며 이때 p-value 0.1724로 시간에 따라 “유 지” 상태를 나타내고 있으나 유량 제거 후 S통계량은 더욱 감소되었으며 β 는 -0.0231로 시간에 따라 유의한 “개선” 경향을 나타내었다. 즉 유량에 의한 수질 농도 증가가 이 루어지고 있음을 알 수 있었다. 경호강2 지점은 S통계량 -58, p-value 0.3373로 통계적으로 유의한 경향을 나타내지 않았으나 유량 제거 후 S 통계량은 -147, p-value 0.0178, 기 울기 통계량 β 는 -0.0015로 시간에 따라 수질은 “개선”된 경향을 나타내고 있어 유량에 의한 수질 농도 증가가 이루 어지고 있음을 알 수 있었다.