다변량 통계분석을 이용한 신천 유역 유입 지천의 수질오염 특성 분석 = The Research for Examining Pollution Characteristics on Sincheon Watershed through the Multivariate Statistical Analysis

국문 초록 (Abstract)

신천은 한탄강으로 유입된 후 상수원으로 이용되는 임진강으로 흘러가는 중요한 하천 중 하나이다. 그러나 신천은 수질오염도가 높은 하천으로서 매년 수질 악화의 대책마련을 위한 회의가 활발히 진행 중에 있다. 신천 유역은 지자체의 개발사업과 도시화, 이로 인한 인구의 증가로 섬유, 염색, 피혁 등 공장의 산업폐수와 농·축산폐수가 많이 발생하고 있다. 이는 하천과 호수로 직․방류되어 비점오염원의 증가를 발생시킨다.
특히 섬유, 피혁공장 폐수의 경우 유기물의 농도와 색도가 높기 때문에 하천의 자정작용이 활발히 일어나기 어려울 뿐만 아니라 심미적 가치도 저하시킨다. 신천 유역에 존재하는 공공하·폐수처리시설은 총 17개소로서 자체적인 처리를 하고 있지만 중․소규모의 공장이나 축산폐수를 처리하는 분뇨처리시설은 아직 부족한 실정이다. 따라서 이에 대한 대책을 마련하기 위해서는 임진강 오염부하량의 60% 이상을 차지하고 있는 신천의 수질오염특성을 정확하게 파악하는 것이 중요하다.
본 연구에서는 신천의 본류 9개 지점과 유입지천인 지류 15개 지점에 대하여 2015년부터 2019년까지 매달 같은 지점에서 시료를 채수하였고, 오염도 분석을 위하여 일반항목인 BOD, COD, SS, TN, TP와 Chl-a, TOC, 색도를 조사하였다. 이 분석 자료를 이용하여 신천유역의 수질오염 특성을 분석하고자 다변량 통계분석 기법 중 기본통계, 주성분분석과 요인분석을 실시하였다. 군집분석을 통해 군집화시킨 자료를 토대로 상관분석을 실행하여 자료를 해석하였고, 다음과 같은 연구결과를 얻었다.
신천의 유입지류 중 효촌천, 상패천1, 상패천2의 경우 유기물질을 나타내는 BOD, COD, TOC의 농도가 높았으며, 효촌천과 상패천이 합류된 직후인 신천중류와 신천15 또한 유기물의 농도가 높았다. 이는 영양염류의 지표인 TN, TP도 높은 편으로서 하천 주변에 존재하는 많은 수의 축산농가, 일반산업단지와 중․ 소규모의 공장의 영향이 큰 것으로 보여진다. 신천수계의 중요한 문제점인 색도는 신천의 하류지역인 동두천에서 높은경향을 보였으며, 처리되지 않고 방류되는 축산폐수와 동두천 제 1, 2 일반산업단지 및 동두천 공공하수처리시설, 분뇨처리시설이 영향을 미치는 것으로 생각된다.
다변량 통계분석을 이용하여 주성분 및 요인분석을 실시한 결과, 요인의 수는 3개로 구분되었다. 요인1은 BOD, COD, TOC 항목이였고, 요인2는 SS, Chl-a, 색도였으며, 요인3은 영양염류의 지표인 TN과 TP로 나타났다.
하천별 군집분석의 결과로 3개의 군집화가 이루어졌는데, 군집1은 신천수계의 중․ 상류로 대부분의 하천이 비교적 오염도가 낮았다. 군집2는 하천의 중․ 하류로 신천 본류가 대부분을 차지하였고 오염도가 높은 하천이 유입된 후의 하천이 많았다. 군집3은 오염도가 높은 하천들로 나타났다.
신천수계의 깨끗한 수질을 위해서는 관리가 어려운 중․소규모 공장들과 축산농가의 폐수 및 생활하수에 대한 꾸준한 관심과 수질 관리를 통하여 수질오염도를 개선해 나가야 한다. 또한 공장 및 산업단지의 폐수 방류수 수질 관리를 강화할 수 있는 방안 모색이 필요할 것으로 예상되며 본 연구에서 신천수계의 수질오염특성 분석 자료를 통한 다양한 방안이 제시될 것을 기대한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The Sincheon stream is one of the important stream that flow into the Hantan river and then into the Imjin river, which is used as a source of water. However, because Sincheon stream has a high water pollution load, international conferences are held every year to prevent water quality deterioration. However, in northern Gyeonggi-do, there are many factories such as textiles, dyeing and leather, and agriculture and livestock due to the increase in population and urbanization. So industrial wastewater and agricultural/livestock wastewater are generated a lot. As a result, industrial and agricultural wastewater generated is discharged to rivers and lakes, causing an increase in nonpoint pollution sources in Sincheon stream.
Especially in the case of wastewater in textile and leather factories, the concentration of organic substances and color substances are high, the stream's self-purifying action is not only difficult to take place, but also its visual value is lowered. There are a total of 17 public sewage/wastewater treatment facilities located in the Sincheon watershed. The generated wastewater is treated independently through the treatment facility, but it is still insufficient for small and medium scale factories and excreta treatment facilities that treat livestock wastewater. Therefore, in order to prepare countermeasures against this, it is important to accurately understand the characteristics of water pollution in the Sincheon.
In this study, samples were taken at the same point every month from 2015 to 2019 for 9 points of the main stream and 15 points of inflow tributary of Sincheon where the amount of pollution is high. To analyze the characteristics of water pollution, BOD, COD, SS, TN, TP and Chl-a, TOC and Color were measured, and basic statistics, principal component analysis, and factor analysis of multivariate statistical analysis techniques were performed using the measured data. Correlation analysis was performed on the basis of the data obtained from clustering through cluster analysis and the following research results were obtained.
In the case of Hyochon, Sangpae 1 and Sangpae 2, the concentration of BOD, COD and TOC was high, and the concentration of organic substances in the Sincheon main stream immediately after the joining of Hyochon and Sangpae was also high. Also, Hyochon and sangpae have high TN and TP because they are affected by many livestock farms, general industrial estates, and small and medium scale factories in stream watershed. The color, which is an important problem in the Sincheon watershed, tends to be high in the Sincheon downstream area.
This is considered to be due to the effects of untreated livestock wastewater, industrial complex in Dongducheon, public sewage treatment facilities and excreta treatment facilities.
As a result of conducting principal component and factor analysis using multivariate statistical analysis, the number of factors was classified into three. Factor 1 includes BOD, COD, and TOC items, factor 2 is SS, Chl-a, and chromaticity, and factor 3 is TN and TP.
Three clusters were formed as a result of analyzing the clusters by each stream. Cluster 1 had streams located in the midstream and upstream of the Sincheon watershed, and most of them showed relatively low pollution. Cluster 2 had streams located in the midstream and downstream of Sincheon watershed, and most of the main stream of Sincheon belongs to this cluster. It was found out that the cluster 3 is a highly polluted stream.
In order to maintain the clean Sincheon streams, the water quality should be improved through steady interest in wastewater and sewage from small and medium scale factories and livestock wastewater. In addition, it is considered that there is a need to strengthen the water quality management of wastewater discharged from factories and industrial complexes. Based on the results of this study, it is expected that various water quality improvement measures will be presented based on the analysis of the characteristics of water pollution in the Sincheon watershed.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1. 연구의 배경 및 목적 1
• II. 이론적 배경 3
• 1. 한탄강 유입지천 현황 3
• 2. 신천 유역의 특성 4
• 3. 환경기초시설 현황 8
• 4. 산업단지 현황 10
• 5. 수질오염원 현황 12
• 1) 생활계 오염원 13
• 2) 축산계 오염원 14
• 3) 산업계 오염원 15
• 4) 토지계 오염원 16
• 6. 하천의 수질환경기준 17
• 7. 다변량 통계분석 18
• 1) Box-Plot 19
• 2) 상관분석(Correlation Analysis) 19
• 3) 주성분 및 요인분석(Principal Component Analysis and Factor Analysis) 20
• (1) 주성분 분석(Principal Component Analysis) 20
• (2) 요인분석(Factor Analysis) 20
• 4) 군집분석(Cluster analysis) 22
• III. 연구 방법 24
• 1. 연구 대상 하천 및 지천 24
• 2. 시료 채수 방법 26
• 3. 일반항목 27
• 1) BOD (Biochemical Oxygen Demand) 28
• 2) COD (Chemical Oxygen Demand) 28
• 3) SS (Suspended Solid) 28
• 4) TN (Total Nitrogen) 28
• 5) TP (Total Phosphorus) 28
• 6) Chl-a 29
• 7) TOC (Total Organic Carbon) 29
• 8) 색도 29
• IV. 실험 결과 및 고찰 30
• 1. 수질오염특성 33
• 2. 수질항목별 주성분 및 요인분석 40
• 3. 하천별 군집분석 44
• 4. 신천수계 상관분석 46
• 1) 군집1 47
• 2) 군집2 49
• 3) 군집3 50
• 4) 신천수계의 상관분석 51
• V. 결 론 52
• 참고문헌 54
• 영문초록(Abstract) 57