[포스터]ARIMA모델을 이용한 하천 식물플랑크톤 발생 예측 연구 |
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학술지명 한국하천호수학회
저자 송재형,이희숙
발표일 2017-10-18
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본 연구에서는 낙동강 수계 함안 지점을 대상으로 일반적으로 식물플랑크톤 농도의 간접지표로 알려진 Chl-a를 인자로 하는 단변량 ARIMA 모델을 구축하고 단기 식물플랑크톤 발생 예측을 실시하였다. 또한 실측데이터와 비교 분석함으로써 추정 모델식의 예측력을 평가하였다. 1998년 1월부터 2016년 12월까지의 환경부 물환경측정망의 Chl-a 자료를 이용하였으며, 1998년 1월부터 2014년 12월까지의 자료는 모델 구축에 활용하고 이후 2015년 1월부터 2016년 2월까지 자료는 모델의 예측력을 평가하는데 활용하였다(함안지점은 창녕함안보의 대표 수질측정 지점으로 4대강 사업 이후인 2012년 1월부터 관측데이터가 존재하므로 1998년 1월부터 2011년 12월까지의 데이터는 함안 지점 상류 최인근에 위치한 남지 지점의 데이터를 활용하였다). 통계분석을 위한 프로그램은 R을 사용하였으며 ARIMA 모델은 Box-Jenkins가 제안한, 모형식별, 모형추정, 모형진단 순서로 구축하고 예측을 실시하였다. 우선 모델 구축에 앞서 시계열 자료에 로그를 취하여 안정한 시계열로 변환하였으며, 자기상관함수, 편자기상관함수 및 AIC, BIC 등의 통계량값을 이용하여 가장 적합한 모델로 SARIMA(4,0,0)(3,0,0)12 모델을 선정하였다. 다음 모델추정 단계에서는 최소제곱추정법으로 각 파라미터를 추정하였으며, 마지막 모델진단 단계에서는 잔차분석 및 LJung Test 등을 통해 앞서 추정된 모델이 관측된 시계열을 적절하게 적합시키고 있는지 여부에 대해 검증한 결과 잔차에 대한 자기상관이 존재하지 않아 적합한 것으로 나타났다. 앞서 구축된 모델을 이용하여 단기 미래(2015년 1월∼2016년 12월)에 대해 예측한 결과 일부 기간에서 실제 관측데이터와 다소 차이를 보이지만 식물플랑크톤(Chl-a)이 가지고 있는 큰 변동특성을 어느정도 적절하게 반영하고 있는 것으로 나타났다. 즉, 수온이 높아 남조류가 우점하는 여름철(6∼10월)에는 MAPE 기준 37.8% 로서 예측력이 합리적인 수준으로 나타났으나, 수온이 감소하는 겨울∼봄(11월∼5월)에 오차율이 크게 저하되어 MAPE 기준 85.8%로 예측력이 부정확한 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 계절별·시기별 발생하는 조류의 종 및 개체수에 따라 Chl-a 농도에 기여하는 정도가 다른 것에 기인하는 것으로 판단되었다. ARIMA 모델을 이용한 시계열 예측은 이미 알려진 패턴을 그 시계열에서 얼마나 잘 추출해내는가가 매우 중요한데 본 연구의 결과는 식물플랑크톤이 가지는 고유의 시계열 패턴을 어느정도 추출하여 모델에 반영하고 있어 예측의 출발점으로서 손색이 없다고 판단되며 간단한 데이터와 모델링에 의해 향후 하천의 식물플랑크톤 발생에 대한 큰 trend를 도출했다는 점에서 의의가 있다고 판단된다. |