낙동강 및 금강 상류의 조류발생 주요인자 영향 분석 : 구조방정식 모형을 이용하여|RISS 상세보기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study analyzed the relationships between environmental variables and harmful algal blooms (HABs) in the upper reaches of the Nakdong River and Geum River in South Korea. Partial least squares structural equation modeling (PLS-SEM) and ARIMAX were used to identify the relationships between water quality variables, hydrological variables, meteorological variables, and HABs.
The results showed that the magnitude of HABs had the strongest relationships with water temperature. During the summer, HABs at the Donam site were significantly related to water quality and hydrological variables of the upstream areas. In contrast, HABs at the Yeongi site were more influenced by water quality and hydrological variables of the tributaries. the relationships between HABs at the Yeongi site and hydrological variables were not statistically significant.
The influence of significant variables was further analyzed based on the timing of HAB occurrence through a moderating effect using PLS-SEM. The water quality variables of the Yeong River at the Donam site and the Miho River at the Yeongi site—tributaries of the Nakdong River and Geum River, respectively—were found to have significant differences as influencing variables.
As a result of analyzing significant factors for HAB occurrence using PLS-SEM and ARIMAX, water temperature emerged as a statistically significant variable affecting HABs at both study sites.
The results of this study suggest that the occurrence of HABs is strongly related to climate change factors, such as increasing water temperatures, flow rates, and storage levels, which are inherently difficult to manage through policies. However, water quality and hydrological variables of tributaries—specifically, the Yeong River and Miho River—were derived as statistically significant latent variables. These findings can serve as a scientific basis for prioritizing water environment management policies.
Additionally, the methodological framework using PLS-SEM, which allows for the analysis of multiple aspects of the relationships between environmental factors and HABs, provides valuable insights for the management of water resources and the mitigation of HABs.

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국문 초록 (Abstract)

최근 기온 상승, 호우 발생 빈도 증가 및 강수 일수 감소 등의 기후 변화 문제가 대두되고 있다. 특히 기온 상승에 따른 수온 증가는 생태계 교란에 영향을 미칠 뿐 아니라 하천·호소에서 지속적으로 문제 제기되는 조류 발생 현상의 규모 및 발생 빈도 확대를 유발할 수 있다. 조류 발생은 주원인인 남조류 중 일부가 가진 독성 물질을 배출할 우려가 있으며, 주로 표층에 집약적으로 발생하여 심미적으로 악영향을 끼칠 수 있다. 따라서 정부에서는 국내 하천·호소 수질 관리를 위해 수질, 유량, 수생태 등 분야별 모니터링 및 평가를 진행하고 있다. 하지만 현재는 각 분야에 대한 단일적인 평가가 주로 이뤄지고 있어 요인 간의 상호작용이나 복합적인 영향을 통합하여 분석하기 위한 분석 체계 마련이 필요한 실정이다.
다양한 요인 간의 영향 관계를 분석하는 일반적인 통계 분석은 유의성, 상관관계 등으로 분석되기 때문에 변수에 대한 정량적인 평가에는 한계가 존재한다. 또한 분석당 하나의 종속변수와의 관계 분석만 가능하다. 하지만 요인분석, 경로분석, 회귀분석, 분산분석을 결합한 모형인 부분최소제곱 구조방정식(PLS-SEM)은 여러 개의 측정변수를 이용하여 추출한 공통 변량의 잠재변수를 사용하여 측정오차를 고려하기 때문에 여러 변수를 다중지표로 이용하여 하나의 종속변수에 대한 개별적인 관계를 분석할 수 있으며 각 요인의 기여율을 정량적으로 분석할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 낙동강 및 금강 수계의 가장 상류에 위치한 도남(상주보)와 연기(세종보)를 대상으로 부분최소제곱 구조방정식(PLS-SEM)을 통해 수질, 기상, 수문 등의 환경요인 중 유해남조류의 발생에 가장 유의한 인자의 기여도를 정량적으로 평가하고 다양한 변수의 관계를 분석하고자 하였다. 또한 시계열 회귀 모형(ARIMAX)을 통해 유해남조류 발생 예측에 가장 유의한 인자를 추가적으로 확인함으로써 두 모형을 통하여 각 연구대상지 유해남조류 발생에 유의한 요인을 비교하고자 하였다.
연도별 수질 변화를 분석한 결과, 낙동강 도남 지점의 경우 `18년 유해남조류의 발생이 가장 높았으며, `18년 평균 수온 18.0℃로 연구 기간 중 가장 높게 나타났다. 금강 연기 지점의 유해남조류 또한 `18년 가장 높게 나타났다.
유해남조류 세포수에 영향을 미치는 주요 영향인자를 파악하기 위해 도남과 연기 지점의 유해남조류 세포수와 수질 항목 간의 상관관계를 분석한 결과, 도남 지점의 유해남조류는 수온과 양(+)의 상관성을 나타냈으며 DO, TN과는 음(-)의 상관성을 나타냈다. 연기 지점의 유해남조류 세포수는 수온, Chl-a와는 양(+)의 상관성을 나타냈으며 DO, TN과는 음(-)의 상관성을 나타냈다.
PLS-SEM을 적용하여 연구대상지의 유해남조류 발생에 영향을 미치는 환경변수를 분석한 결과, 도남 지점의 경우 유해남조류 세포수에 대해서 전체기간에서는 수온이 48%, 강수 11% 및 영강 유량 11%의 기여율을 보이며 통계적으로 유의한 영향인자로 나타났다. 6~9월에서는 안동 유량 24%, 상주보 저수량 15% 및 안동 수질 14%의 기여율을 보이며 유의한 영향인자로 나타났다. 그 외 기간(1~5월, 10~12월)에서는 수온 25%, 영강 수질 25%, 및 강수 10%로 나타났다. 연기의 경우 유해남조류 세포수에 대해서 전체기간에서는 수온 30%, 미호강 유량 25% 및 세종보 저수량 15%의 기여율을 보이며 통계적으로 유의한 영향인자로 나타났다. 6~9월에서는 수온 26%, 미호강 수질 20%의 기여율을 보이며 유의한 영향인자로 나타났다. 그 외 기간에서는 수온 18% 및 세종보 저수량 17%로 유의한 영향인자로 나타났다.
PLS-SEM 기반의 조절효과를 이용하여 두 연구대상지의 유해남조류 발생 시기에 따른 유해남조류 세포수에 대한 잠재변수의 영향력 차를 분석한 결과, 도남 지점은 유해남조류 발생 시기에 따라 지류 지점인 영강 수질이 가장 유의한 차를 보이는 것으로 나타났다. 연기 지점의 경우 또한 지류인 미호강 수질이 가장 유의한 차를 보였으며, 미호강 수질을 구성하는 측정변수는 6~9월 유의한 증가 요인 나타났다.
ARIMAX를 활용하여 유해남조류 세포수에 유의한 영향인자를 분석 결과, 도남 지점과 연기 지점 모두 수온이 유해남조류 세포수에 유의한 영향을 주는 공통적인 요인으로 나타났다. 유해남조류 발생 시기별 분석 결과 도남 지점의 경우 6~9월에는 지류인 내성천 TN과 상류인 안동의 BOD가 유의하게 나타났으며, 그 외 기간에서는 기상 요인과 지류인 영강 유량과 TP가 유의한 요인으로 나타났다. 연기 지점의 경우 6~9월에는 세종보 체류시간과 지류인 갑천의 TN, 그 외 기간에는 세종보의 저수량 및 체류시간, 부강의 TOC, 미호강의 Chl-a가 유의한 요인으로 나타났다.
PLS-SEM과 ARIMAX 두 가지 모형을 통해 낙동강 도남 및 금강 연기 지점의 유해남조류 세포수에 영향을 미치는 환경요인을 분석한 결과, 대부분의 시기에 수온이 통계적으로 유의한 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 도남 지점의 경우 유해남조류 주 발생 시기인 6~9월에는 본류 상류 지점인 안동 수질이 영향 요인으로 나타났으며, 유해남조류 발생 규모와 빈도가 적은 그 외 기간(1~5월, 10~12월)에서 지류인 영강의 수질 및 유량, 강수가 주 영향 요인으로 나타났다. 연기 지점의 경우엔 그 외 기간 세종보의 저수량이 공통적인 영향 요인으로 나타났다.
연구 결과 두 모형 모두에서 유의한 잠재변수로 도출된 수온은 기후 변화와 연관된 요인으로 수온 증가로 인한 남조류 발생 규모와 시기가 확대될 수 있어 모니터링이 강화되어야 할 것으로 판단된다. 또한 유해남조류 발생 시기에 따라 각각 본류 및 지류의 수질과 유량이 유의성을 갖는 잠재변수로 도출되었으므로 수질 관리를 위한 우선순위를 선정하는데 과학적인 근거로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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최근 기온 상승, 호우 발생 빈도 증가 및 강수 일수 감소 등의 기후 변화 문제가 대두되고 있다. 특히 기온 상승에 따른 수온 증가는 생태계 교란에 영향을 미칠 뿐 아니라 하천·호소에서 지...

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