주성분 분석에 의한 인천연안수질의 평가

Abstract

[한글]

海洋의 複雜한 水質變動의 特徵을 간단한 統計處理나 回歸分析 만으로 解析하는 것은 매우 未洽하다.

이에 反하여 多變量解析法은 分析資料의 效率的인 解析과 特徵을 가진 要因 및 要因間의 因果關係를 檢討할 수 있는 方法이며 近來 水質의 綜合的인 評價 手段으로서 利用되고 있다.

한편 主成分分析은 赤潮發生의 豫測뿐만 아니라 海洋還境을 綜合的으로 評價하는데 利用될 수 있기 때문에 우리나라 海岸海域의 水質變動을 總體的으로 檢討하기 우해서는 主成分分析에 의한 解析이 매우 必要할 것으로 생각된다. 그러나 우리나라에서는 河川水質資料에 대해 主成分分析 方法을 適用한 事例가 몇차례 있을 뿐 海洋水質 分析資料에 對한 試圖는 適用의 必要性이 切實이 要求됨에도 불구하고 거의없는 實情이다.

따라서 本 硏究에서는 多變量解析法 중 主成分分析을 利用하여 仁川沿岸海域의 表層水 水質變動에 대한 解析을 試圖하였다.

分析資料는 1985年 4月부터 1988年 10月까지 每年 定期的으로 4回씩 海洋警察隊에서 調査分析한 것이며 對象水質項目은 水溫外에 13개 項目으로서 水質分析項目들을 서로 無相關한 小數의 새로운 要因들로 縮約하고 各要因들과의 關係를 檢討하였다.

우선 仁川沿岸 水質에 대한 總體的인 基本統計量을 算出하고 다음으로 水質分析 對象項目들간의 相關性을 살펴보았다. 主成分分析을 通한 새로운 要因의 數는 固有値 1.0을 基準으로 하여 定하였으며 要因의 構造를 보다 明確히하기 위하여 要因들 間에 無相關한 相互獨立的인 關係를 維持하면서 要因軸이 90 度를 이루도록 回轉시켜 分析하는 Varimax 方式을 適用하였으며 다음과 같은 硏究結果를 얻었다.

1. 仁川沿岸 海域의 水質 汚染度는 季節的인 약간의 變動을 보이고 있으나 持續的으로 汚染이 增加하는 傾向을 나타내고 있으며 COD의 平均濃度는 1.5 mg/l, SS는 22.5 mg/l, T-N는 427.0㎍/l, 그리고 PO^^4 -P는 73.3㎍/l 이었다.

2. 地點 8 에서의 SS, T-N, PO^^4 -P의 平均濃度는 각각 38.2mg/l, 912.4㎍/l 118.7㎍/l 로서 浮游物質과 營養鹽類의 濃度가 最大값을 보이고 있으며 이에 反하여 透明度는 平均 0.6m 로 最小값을 보이고 있어 가장 汚染度가 높은 지점으로 나타났다.

3. 水質分析 項目間 像觀行列을 살펴보면

正像觀을 보이는 것으로는

T-N : NH^^3 -N r=0.8199(p<0.001)

T-N : NO^^3 -N r=0.7960(p<0.001)

T-N : NO^^2 -N r=0.5879(p<0.001)

NO^^2 -N : NO^^3 -N r=0.5329(p<0.001)

pH : DO r=0.4123(p<0.001)

逆像觀을 보이는 항목들은

WT : DO r=-0.6073(p<0.001)

DO : NO^^2 -N r=-0.5038(p<0.001)

SS : Transparency r=-0.4914(p<0.001)

NH^^3 -N : Transparency r=-0.4614(p<0.001)

T-N : Transparency r=-0.4286(p<0.001)

로 나타났다.

그 밖의 項目들 間에는 像觀性을 살펴볼 수 없을 程度로 相關係數 r 값이 낮게 나타났다.

4. 主成分分析을 實施한 結果 縮約된 새로운 要因들의 寄與率은 要因 1이 30.2% 로서 全體 水質變動의 分散중세서 要因 1이 30.2%를 說明하고 있으며 要因 2부터 要因 5까지 寄與率은 각각 13.9%, 10.9%, 8.3%, 그리고 7.2%로서 要因1을 除外하고는 10%內外의 값을 보이고 있다.

5. 要因 1부터 要因 5까지의 累積寄與率은 70.5% 로서 仁川海岸 海域의 水質變動을 總體的으로 評價할 수 있는 情報의 集約度는 그다지 높지 않았으며 그밖의 要因들을 說明力이 낮아 採擇에서 除外하였다.

6. 要因1은 窒酸鹽 要因으로서 生活下水 및 産業廢水에 의한 人爲的인 汚染要因으로 볼 수 있고, SS(浮游物質)로 代表되는 要因2는 降雨에 의해 流入되는 自然的인 汚染要因이라 할 수 있으며, 要因3은 水溫과 DO( 存酸素)와 같은 物理的인 性質에 의한 要因이며, 要因4는 油分成分에 의한 汚染要因이며, 要因5는 海水固有의 鹽分에 의한 要因이라 볼 수 있다.

7. 海洋汚染의 指標로서 通常 COD가 널리 利用되어 왔으나 仁川海岸 海水水質의 變動에 대한 窒酸鹽 및 燐酸鹽 等과 같은 營養鹽類의 說明力이 COD의 說明力보다 훨씬 높게 나타나 海洋環境 汚染指標로서 COD 보다는 營養鹽類를 利用하는 것이 보다 바람직할 것으로 判斷된다.

8. 海水의 流動은 汚染物質의 移動과 擴散을 誘發하므로 水質의 變化에 影響을 미칠것이며 沿岸 海域에서 特히, 仁川沿岸과 같이 干滿의 差異가 큰 海域에서는 潮流의 影響을 많이 받을 것으로 思料되므로 海水의 潮流現象과 沿岸에 流入되는 河川에 의한 影響을 살펴보기 위하여 14個 水質測定對象項目中 salinity 와 SS 및 PO^^4 -P 項目을 對象으로 12個 地點別로 主成分分析을 實施한 結果 潮流의 流動樣相에 影響을 받는 測定地點群들을 確認할 수 있었으며 流入河川들의 影響圈에 對한 解析이 部分的으로 可能하였다.

本 硏究에서 實한 主成分分析에 의한 評價時에 對象項目으로 選定한 理化學的인 水質項目과 窒酸鹽 및 燐酸鹽 等의 營養鹽類 項目만으로는 海域의 主要 汚染現象인 赤潮現象 等과 關聯된 充分한 解析에 어려움이 있었고 海洋의 水質變動 시스템이 海流의 流動 및 底質을 包含한 複雜한 循環系를 이루고 있어 一部 要因 들에 對한 說明이 未洽한 점이 많았다.

따라서 複雜한 海洋 水質變動 시스템의 綜合的인 解析을 위해서는 植物性 플랑크톤과 高次 營養段階, 特히 動物性 플랑크톤과 같은 生物學的인 水質項目에 대한 補完 檢討가 있어야 할 것이다.

한편 本 硏究는 仁川沿岸 海域의 表層數 水質만을 對象으로 하여 分析을 實施하였기 때문에 追後의 硏究에서는 底層의 水質과 水深別 水質分析資料에 대한 解析이 隨伴되어야 할 것이며 附加的으로 蓄積되어야 할 分析項目들로는 海洋에서 發生하는 赤潮現象과 깊은

關聯을 가지고 있는 것으로 밝혀져 있는 chlorophyll, T-P(total phosphorus), 動植物性플랑크톤 等을 생각할 수 있을 것이다.

[영문]

It is not sufficient to evaluate variation of marine water quality merely by basic statistical approach and simple regression.

On the contrary, Multivariate Analysis method is used for comprehensive evaluation of water quality recently.

Principal Component Analysis method is an useful tool to evaluate complex and diverse change of marine water quality varistion system.

In this study 14 items of surface water quality of Incheon coastal area were analyzed. And samples were gathered four times a year periodically from April 1985 to October 1988.

Varimax rotation was adopted for further explanation of initial factor matrix. From this method five factors were extracted.

The results of this study were as follows.

1) An average concentration of COD, SS, T-N, PO^^4 -P were 1.5mg/l, 22.5mg/l, 427.0㎍/l, and 73.3㎍/l, respectively. And water quality of Incheon coastal area was deteriorated gradually.

2) Site 8 was most polluted location as its average concentration of SS, T-N, and PO^^4 -P were 38.2mg/l, 912.4㎍/l, and 118.7㎍/l, respectively. And this site showed minimum average transparency of 0.6 meter.

3) From the principal component analysis, variance of Factor 1 was 30.2%. From Factor 2 to Factor 5, the percent of variance were 13.9%, 10.9%, 8.3%, and 7.2%, respectively. Therfore cumulative percentage of variance from Factor 1 to Factor 5

was 70.5%. 4) Factor 1 was artificial pollution pattern by domestic wastewater and industrial wastewater, Factor 2 was natural pollution pattern by precipitation. Factor 3 was physical property pattern by water temperature and dissolved oxygen, Factor 4 was oil pollution pattern, and Factor 5 was conservative salinity variation pattern.

5) COD has used for typical marine pollution index. But in this study it is more recommended to use nutrients such as nitrogen and total phosphorus for marine pollution inex rather than COD.

6) The groups of smapling sites which were influenced by tidal current in the Incheon coastal area were confirmed. And it is possible to explain partially that the boundaries which were affected by inflow streams through Principal Component Analysis with salinity, SS, and PO^^4 -P.

7) It is not enough to evaluate sea water quality variation system by a few kinds of physicochemical items and nutrients. Therefore biological variables such as phytoplanktom(chioromphll) and zooplakton should be added essentially for further information.