경험적 직교 함수(EOF)를 활용한 제주도 지하수 수질의 시공간 변동성 해석 = Spatiotemporal Variability of Groundwater Quality in Jeju Island Using EOF Analysis

국문 초록 (Abstract)

제주도는 지하수 의존도가 매우 높은 지역으로, 집중적인 농업 활동과 관광객 증가로 인하여 지하수 사용량 증가와 오염원 확대로 인하여 지하수 수질이 저하 되며, 지속 가능성 감소 우려가 커지고 있다. 본 연구는 제주도 지하수의 전반적 인 수질과 주요 오염원을 파악하기 위하여 염소이온과 질산성질소의 시공간 변 동성을 분석하고자 하였다. 이를 위하여, 2015년부터 2019년까지 5년에 걸쳐 수집된 26,645개의 지하수 수질 자료에 대하여 EOF 분석을 적용하였다. 분석 결과, 염소이온은 두 개의 EOF 모드가 전체 분산의 주요 변동성을 설명 하였으며 (EOF1: 46.2%, EOF2: 12.6%), 뚜렷한 해안-내륙의 농도 대비가 관측 되었다. 이는 해수 침투의 영향이 강한 해안 기저 지하수의 특성과 관련된다. 반 면에, 질산성질소는 하나의 EOF 모드만으로도 전체 분산의 주요 변동성 설명이 가능하였으며 (EOF1: 85.1%, EOF2: 12.6%), 단일 모드가 지배적인 안정된 공 간 구조를 나타내었다. 이는 농업 활동과 비점오염이 집중된 내륙 농경지에서 일 관된 고농도 패턴을 보인다. BLMI 분석에서는 농업 지대와 산림 지대가 두 성분과의 유의미한 공간 교차 상관성을 보였으며, 반분산 함수에서는 염소이온이 질산성질소에 비하여 강한 장 거리 공간적 자기 상관성(범위 40 km 이상)을 나타내었다. 이는 염소이온이 해 안선을 따라 광역적으로 영향을 받는 반면, 질산성질소는 국지적 농업 활동에 의 하여 공간적으로 제한된 변동성을 가진다는 점을 시사한다. BLMI 분석을 통하 여, EOF 패턴과 토지 이용 간의 유의미한 공간적 교차 상관관계를 확인하였으 며, 해안 농경지는 두 오염물질 모두에 대하여 가장 높은 오염 취약성을 보이고 있다. 반면에, 한라산 주변의 산림 함양 지역은 장기적인 보전이 필요하다. 이러한 결과는 제주도 지하수의 염소이온과 질산성질소의 오염이 각각 해수 침투와 농업 활동이라는 별개의 오염원으로부터 기인하며, 차별화된 관리 전략이 필요함을 입증한다. EOF 분석법 기반 시공간 프레임워크는 지하수 수질 모니터 링을 위한 강력한 도구를 제공하며, 취약한 해안 농경 지역에서 목표 지향적인 오염 저감 전략을 지원한다.

목차 (Table of Contents)

• 그림 목차 ⅲ
• 표 목차 ⅴ
• 국문 초록 ⅵ
• 1. 서론 1
• 가. 연구 배경 1
• 나. 연구 목적 3
• 2. 연구 방법 3
• 가. 연구 지역 3
• 나. 시료 채취 및 데이터 분포 7
• 1) 지하수 시료 채취 및 데이터 수집 7
• 2) 데이터 전처리: IQR 기반 이상치 처리 7
• 3) 시공간 데이터 집계 및 결측치 보정 9
• 다. EOF 분석 11
• 라. 반분산 함수 (semivariogram) 13
• 마. Bivariate local Moran’s I (BLMI) 14
• 3. 결과 16
• 가. 지하수 수질의 기술 통계 분석 16
• 1) 염소이온과 질산성질소의 기술 통계 분석 16
• 2) 염소이온-질산성질소 비율 기반 오염원 지표 분석 19
• 나. EOF 기반 시공간 패턴 – 염소이온 & 질산성질소 21
• 1) 주성분 계수 (Principal Components) 21
• 2) EOF 모드에 따른 공간 패턴 28
• 3) 경험적 누적 분포 36
• 4) 반분산 함수 (semivariogram) 37
• 다. BLMI 기반 EOF 모드와 토지 이용 유형 간의 상관 분석 39
• 4. 고찰 47
• 5. 결론 50
• 참고문헌 51
• Abstract(영문초록) 56
• 감사의 글 58