다시 뛰는 공정도시 서울!

문서번호 물환경연구부-4444 결재일자 2021. 5. 4. 공개여부 부분공개(5) 방침번호 시 민 ★주무관 물환경생태팀장 물환경연구부장 이진효 이만호 05/04 이목영 협 조 주무관 김현숙 [창의제안 실행계획서] 도심하천 수질평가를 위한 데이터마이닝 기반의 서울형 통합수질지수 개발 2021. 5. 지속 가능성 ● 정책·계획 등의 지속가능성을 검토하였습니까? 예) 지역경제 발전, 사회적 형평성, 환경의 보전 등 □ ■ 도심하천 수질평가를 위한 데이터마이닝 기반의 서울형 통합수질지수 개발 기존 도심하천 누적 수질항목 데이터를 데이터마이닝 기반의 통계적 기법을 활용하여 업무담당 직원 포함 일반시민들까지도 도심하천 수질을 직관적으로 쉽게 이해할 수 있는 서울형 통합수질지수를 개발하고자 함 Ⅰ 추진배경 및 목적 □ 서울시는 한강 지천 그물망식 수질측정망을 운영하고 있으며, 운영대상은 31개 하천 총 58개 지점으로(서울시 41, 국가 17), 매월 1회 현장 측정항목(수온, pH, DO, 전기전도도)을 포함하여 BOD, SS, TOC, 미생물항목 등 총 11개 수질항목 정기적 조사를 실시함 □ 하지만 각 항목별 개별적 수질데이터 분석만으로는 상시 변동하는 하천의 수질을 종합적으로 쉽게 이해하기 어렵고, 특히 도심하천은 시민생활 이용 활성화 공간(레저공간, 친수공간, 도심경관)으로 물환경에 대한 관심 증가와 알권리 욕구(needs) 충족을 위해 직관적이고 이해하기 쉬운, 종합적인 수질정보를 제공하는 것이 중요함 □ 대표적 사례로써, 일반시민이 A하천 수질이 “전체적으로 어떤가요?” 라고 물으면, 현재는 개별 수질항목별로 pH는 Ia등급, BOD는 Ⅱ등급, TP는 Ⅲ등급 등으로 답변할 수 밖에 없어, 일반시민들이 하천수질을 종합적으로 쉽게 이해하는데(즉, 그래서 좋다는 건지, 나쁘다는 건지 종합적으로 결론내기가 어려움) 한계가 있음 기존 도심하천의 개별적 수질항목 빅데이터를 활용한 데이터마이닝(data mining) 기반의 서울형 통합수질지수(Seoul-Water Quality Index, S-WQI) 개발로 도심하천 수질관리를 최적화하고자 함 ⇒ ※ 데이터마이닝(Data Mining) - 데이터베이스 내에서 어떠한 방법(순차 패턴, 유사성 등)을 적용하여 관심 있는 지식을 찾는 과정임 - 대용량의 데이터 속에서 유용한 정보를 발견하는 과정이며, 기대했던 정보뿐만 아니라 기대하지 못했던 정보를 찾을 수 있는 기술을 의미함 - 데이터마이닝을 통해 정보의 연관성을 파악함으로써 가치있는 정보를 만들어 의사 결정에 적용함으로써 활용을 극대화할 수 있음 Ⅱ 추진개요 □ 추진목적 : 도심하천의 개별적 수질상태를 누구나 쉽게, 직관적으로 이해할 수 있는 통합수질정보를 제공하고자 함 □ 추진근거 : 지식공유시스템 KISS 제안번호 583291(2021.4.12.) □ 추진기간 : 2021년 4월 ~ 12월 □ 추진기술 : 데이터마이닝 기반의 통계적 기법 활용 수질데이터 DB화 통계기법 활용 (요인분석) 서울형 통합수질지수 결정 및 현장 적용 ？ pH, BOD, TP, 미생물 항목 등 총 15개 항목 (Bascar？n WQI 14항목+TOC) ？ 데이터 전처리 ？ 요인분석 적합도 검사 ？ 요인수효 결정, 추출 ？ 필수 모니터링 수질 항목 선정 ？ S-WQI 산정 ？ S-WQI 등급화 ？ S-WQI 현장 적용성 검토 □ 추진내용 ？ 서울시 내 국가수질측정망을 대상으로 매월 생산된 수질데이터(2002~2019)를 이용하여 도심하천에 최적화된 서울형 통합수질지수(S-WQI)를 개발함 - 기존에 유럽, 남미 등에서 널리 사용되고 있는 Bascar？n WQI를 국내 도심하천 특성에 맞게 적용함 □ 서울형 통합수질지수(S-WQI, Seoul Water Quality Index) 개발절차 ？ 1차 수질항목 선정 - 문헌조사를 통해 Bascaron-WQI 수질지수 계산 시 주로 쓰이는 수질항목을 조사하고, 현재 국내 수질측정망의 측정 수질항목 중 필수적이고 충분히 확보된 수질항목을 선택하여 S-WQI 개발에 사용함 ？ 요인분석(Factor Analysis)을 통한 필수 모니터링 수질항목 선정 - 요인분석은 데이터 속의 잠재요인 혹은 구조를 알아내 그 구조를 쉽게 이해하고 해석할 수 있게 해주는 통계 방법임 - 요인분석 과정은 ①데이터 전처리, ②요인분석 적합도 검사, ③요인수효의 결정, ④요인추출 및 회전, ⑤결과 및 해석, ⑥필수 모니터링 수질항목 선정으로 진행함 <예시. 요인분석 ？ 각 항목들 분포도> <예시. 요인분석 ？ 수질항목별 상관계수> ？ 서울형 통합수질지수(S-WQI) 결정 및 등급화 - S-WQI 산정 시, 가중치의 값은 모두 1이고 하부지수의 값은 0~100의 이산값을 갖음 rm S-WQI`=` rm ~ {sum _{i=1} ^{n} C _{i _{}}} over {n _{}} - 여기서, n은 산정대상 수질항목 개수, Ci는 하부지수를 나타내며, S-WQI의 값은 0~100으로 100에 가까울수록 수질상태가 좋아짐을 의미함 - S-WQI는 총 5개의 등급(매우 좋음 ~ 매우 나쁨)으로 구분함 <예시. S-WQI 등급 구분> 등급 S-WQI 색 구분 매우 좋음 90 ~ 100 좋음 70 ~ 89 보통 50 ~ 69 나쁨 25 ~ 49 매우 나쁨 0 ~ 24 <예시. 중랑천수계 S-WQI 시각화> ※ 가중치(Weight) - 요인분석을 통해 수질의 특성을 대표할 수 있는 중요한 수질항목만을 통합수질 지수 산정 대상항목으로 선정하였기 때문에 그 중요도는 대등하다고 볼 수 있음 ？ 서울형 통합수질지수(S-WQI) 현장 적용성 검토 - S-WQI의 현장 적용성 검토 ▶ 환경정책기본법 시행령 제2호 환경기준에 의거 각 항목의 수질등급 값을 산정한 후 평균하여 “예시” 사례와 같이 S-WQI의 값과 비교함 <예시. S-WQI 수질등급평균> ▶ S-WQI를 활용하여 국가수질측정망 지점별 중？장기 수질상태 변화 및 각 지점간 수질상태 비교？분석을 실시함 <예시. S-WQI 기반의 중？장기 수질상태 변화(2002~2019)> Ⅲ 기대효과 □ 도심하천 관련 담당직원 포함 일반시민의 도심하천 수질 접근성 및 이해도 향상 ？ 도심하천의 수질상태를 종합적으로 파악하여 담당직원은 하천수질의 추세파악, 수계간 체계적인 수질비교 등 효율적인 하천수질관리 및 체계적 운영 관리 용이 ？ 서울형 통합수질지수(S-WQI) 시각화로 비전문가, 일반시민 등이 도심하천 수질상태를 직관적으로 쉽게 이해함으로 물환경 생활공간으로서 적극적 활용 기대 끝. ※ 관련 참고문헌 √ Use of water quality indices to verify the impact of Cordoba City(argentina) on Sequia River(2000) √ Evaluation of water quality in the Chillan river(central chile) using physicochemical parameters and a modified water quality index(2005) √ Application of water quality indices and dissolved oxygen as indicatiors for river water classification and urban impact assessment(2007) √ Use of index analysis to evaluate the water quality of a stream receiving industrial effluents(2007) √ Use of the water quality index and dissolved oxygen deficit as simple indicators of watersheds pollution(2007) √ Water quality index as a simple indicator of aquaculture effects on aquatic bodies(2008) √ Parameters selection for water quality index in the assessment of the environmental impacts of land-based trout farms(2014)

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물환경연구부-4444

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