1. Introduction

남세균(藍細菌, cyanobacteria)으로 알려진 남조류(藍藻類, blue-green algae)는 담수 호소나 하천에서 흔히 발견되며, 최근 부영양화나 이상기온으로 인한 bloom 증가가 우려되 고 있다(^{Noh et al., 2014}; ^{Paerl et al., 2011}; ^{Paerl and Paul, 2012}). 남조류의 과다증식은 생태계와 인체에 악영향 을 줄 수 있으며 남조류가 생성하는 microsystin과 같은 대 사체는 신경독성 및 급성 간 질환과 연관이 있고 종양 촉 진(tumor promotion)을 일으킬 수 있는 것으로 알려져 있다 (^{Falconer and Humpage, 2005}). 세계보건기구는 microsystin- LR에 대한 음용수 가이드라인을 1 μg/L로 설정하고 있고 (^{Chorus and Bartram, 1999}) 일반 위락공간에서는 10 μg/L 미만을 저 위험 수준으로 보고 있다(^{WHO, 2003}).

수계에서의 남조류 경보기준은 이러한 독소 가이드라인에 해당되는 남조류 세포수 밀도 환산 값을 사용하고 있다 (^{Park et al., 2011}). 현재 주요 하천 보 구간에서 운영 중인 환경부 수질예보제는 1 μg/L microsystin-LR에 해당되는 남 조류 세포수 10,000 cells/mL 이상을 수질관리 강화기준 ‘관 심단계’로 설정하고 있다. 환경부는 수질관리강화 기준이 초과되면 모니터링 강화 등의 행정적 조치를 하고 있다. 기 준 초과 여부는 채수된 시료를 실험실에서 광학현미경을 이 용한 조류 동정과 계수방법을 통해 판단하고 있다(^{MOE, 2015}). 이러한 실험실 기반의 분석은 표준화된 시료 채수절 차와 숙련된 전문인력을 필요로 하고 있다. 또한 최소 하루 이상의 분석시간이 소요되어 급격한 조류 bloom의 변화에 대한 신속한 대응이 어렵다. 시공간적으로 변이가 큰 조류 대응을 위해서는 다양한 모니터링 접근이 요구되며(^{Agha et al., 2012}), 최근 국내에서도 조류경보제 기준으로 남조류 보 조색소인 phycocyanin 활용 등 보다 측정이 간편한 지표들 이 제안되고 있다(^{Ahn et al., 2007}; ^{Park et al., 2015}).

영산강 수질예보제 지점인 승촌보와 죽산보 상류에 위치 한 수질자동측정소에서는 조류 형광측정장치를 이용한 남 조류 클로로필 a 농도를 실시간 on-line으로 전송하고 있다. 현재 실시간 조류 형광측정값 중 경보기준이 설정된 총 클 로로필a 만 데이터 검증, 관리가 되고 있고 남조류 농도에 대해서는 별도의 데이터 관리나 활용이 되고 있지는 않다. 조류 형광측정은 식물플랑크톤의 광합성 색소에서 방출한 형광 스펙트럼을 이용하여 직접 수체의 조류를 비침습적 (non invasive)으로 정량 분석하는 방법이다(^{Lorenzen, 1966}). 이전 연구에서, 현장(in situ)의 형광측정장치로 측정한 클 로로필 a는 기존의 분광광도계 측정결과와 상관성(r > 0.9) 이 높은 것으로 알려져 있다(^{Catherine et al., 2012}; ^{Gregor and Marsalek, 2004}; ^{Pinto et al., 2001}; ^{Rolland et al., 2010}). 또한, Planktothrix rubescens 등의 남조류 세포수와도 유의 한 상관성(r=0.9)이 보고되었고(^{Leboulanger et al., 2002}) 조류형광측정값과 조류독소 농도와의 비율을 이용한 실시간 남조류 클로로필-a의 경보기준이 제안되기도 하였다(^{Izydorczyk et al., 2009}). 그러나 아직까지 실시간 남조류 형광측 정과 관련하여 기존 조류 밀도 측정 방법과의 비교 연구가 많지 않으며 수질 경보 지표로서 타당성 조사 연구는 매우 제한적이다.

수질자동측정소의 실시간 남조류 측정값을 인근 수질예 보제 지점의 수질관리 지표로 사용하기 위해서는 이 지표 가 수질관리단계를 판별하는데 효과적인지를 살펴 볼 필요 가 있다. 효과적인 지표는 측정값이 일정수준 높은 민감도 (sensitivity)와 특이도(specificity)를 나타내어야 한다. 민감 도는 실제 안 좋은 수질(수질기준 초과)을 안 좋은 수질로 분류할 수 있는 진양성률(true positive rate)을 말하고, 특이 도는 양호한 수질(수질기준 이하)을 양호한 수질로 분류할 수 있는 진음성률(true negative rate) 혹은 1-위양성률(false positive rate)을 의미한다. 수질예보제 지점의 수질이 특정 남조류 세포수 기준치 이상 혹은 미만일 때, 수질자동측정 소 남조류 측정의 기준 초과여부 판별에 대한 정확성은 이 러한 민감도와 특이도를 통해 파악될 수 있다. 특히 초기 경보 기능으로서의 실시간 남조류 측정은 가급적 진양성률 이 크고 위양성률이 작아야 의미가 있는 지표로 활용이 가 능하다. Receiver operating characteristic (ROC) 곡선은 이 러한 민감도와 특이도에 대한 척도를 시각화, 혹은 체계화 하여 측정의 정확성을 평가하고 최적의 판별 기준 선정에 사용하는 기법이다. ROC 분석은 보통 의학분야에서 많이 사용되며 영상장비와 같이 질환의 유무를 진단하는 테스트 의 효율성 평가에 주로 활용되어 왔다(^{Metz, 1978}). 최근 수질 예측지표나 위해도 기준 설정 등 환경분야 연구에 적 용되기도 하였다(^{McLaughlin, 2012}; ^{Morrison et al., 2003}).

본 연구는 조류 관리에 있어 수질자동측정소의 실시간 조류 형광측정이 효과적인 수질 지표인지를 조사하고자 하 였다. 이를 위해 1) 영산강 본류 수질예보제 지점에 위치한 수질자동측정소의 실시간 남조류 클로로필 a 농도가 실제 남조류 세포수 기준 초과여부를 올바르게 판별할 수 있는 지를 평가하였다. 과거 누적된 측정자료로부터 수질자동측 정소의 남조류 농도와 남조류 세포수간의 연관성 여부를 파악하고, ROC 분석을 통해 실시간 남조류 측정의 효과를 통계적으로 검정하였다. 2) 아울러, 수질자동측정의 민감도 와 특이도가 적정한 유효 범위에서 실시간 남조류 농도의 경보기준을 찾아보고자 하였다.

2. Materials and Methods

조사대상 지점은 영산강 중,하류 구간에 2011년 설치된 다기능보인 승촌보 구간(YS1)과 죽산보 구간(YS2) 2지점을 대상으로 하였다(Fig. 1). 승촌보는 광주광역시 남구에 위치 하고 상류구간은 하천폭 460 m, 평균수심 4.6 m, 체류시간 은 4.8일이며 상류 10 km 지점에 광주 하수종말처리장 방 류수가 유입되고 있다. 죽산보는 나주시 죽산리에 위치하며 상류구간은 하천폭 250 m, 수심 최대 7 m, 평균 체류시간 약 8.7 일을 보이고 있으며 주변에는 주로 농업용수용 지 천들이 많이 합류되고 있다.

Fig. 1. Location of the two study sites in the Yeongsan River.

수질자동측정소(용봉, 나주)는 각각 보 상류 0.8 및 1 km 지점에 설치되어 있다. 교량중간 지점에서 수심 1 m 이내 로 자동채수한 시료가 100 m 관로를 통해 실시간 연속 수 질측정 후 online으로 자료가 전송된다. 조류 측정은 조류 종별 고유의 클로로필 형광스펙트럼 들뜸(excitation) 특징 을 이용하는 원리로 470, 525 및 610 nm 파장의 발광다이 오드를 갖는 형광측정장치(AlagaeTorch, BBE Moldaenke GmbH, Germany)를 이용하여 총 클로로필 a와 남조류 농 도를 동시에 측정하고 있다. Phycocyanin과 같은 특정 광 합성 색소 성분을 가지는 남조류는 610 nm 파장에서 최대 형광신호를 보내며 이를 남조류 클로로필 농도로 환산, 정 량하는 방법이다(^{Beutler et al., 2002}). 본 연구의 수질자동 측정소 남조류 농도는 2013년 1월부터 2016년 8월까지의 시간 평균농도(YS1 지점 32,106개, YS2 지점 29,856개) 중 수질예보제 조류 측정(YS1 지점 204개, YS2 지점 213개) 과 동일 시간대의 자료를 선별하여 이용하였다. 실시간 남 조류 농도는 환경부 국가수질자동측정망, 수질예보제 조류 자료는 물환경정보시스템(^{MOE, 2016})을 활용하였다. 수질 예보제 수질 측정, 분석은 모두 수질오염공정시험기준(^{MOE, 2015})에 따라 실시되었다. 각 보의 상류 500 m 지점에서 하천 좌, 중, 우 표층 채수 시료는 Lugol액으로 고정하여 최소 24시간 침전 후 광학현미경으로 남조류를 동정하고 혈구계수기를 이용하여 세포 수를 계수하였다. 남조류 세포 수는 유해남조류인 Anabaena, Aphanizomenon, Microcystis 및 Oscillatoria 속 세포수의 합으로 하였다.

총 클로로필-a는 하천 좌, 중, 우 지점 각각의 수심 1/3, 2/3 지점 등 총 6지점이 혼합된 시료를 실험실에서 전처리 후분광광도계로 측정하였다.

2013년 2월부터 2016년 8월까지 수질예보제의 수질 측정 시간과 동시간대의 수질자동측정값를 선별하여 병합한 데 이터에 대하여 선형 및 로지스틱 회귀분석을 실시하였다. 선형회귀는 두 변수 모두 정규성을 위해 1을 더한 후 로그 변환하여 분석하였다. 로지스틱 회귀분석은 남조류 세포수 10,000 및 5,000 cells/mL 기준 초과 유무를 1, 0의 이진변 수로 변환한 후, 수질자동측정소 남조류 농도 증가에 따른 기준초과 오즈비(odds ratio)를 95% 신뢰구간과 함께 산출 하였다. 기준초과 여부에 대한 수질자동측정소 남조류 농도 의 위양성률(1-특이도) 대비 진양성률(민감도) 변화를 ROC 곡선으로 나타내었다. 이 ROC 곡선 아래 면적(area under the curve, AUC)을 수치적분(trapezoidal method)으로 계산 하여 측정의 유효성을 평가하였다. AUC가 1에 가까울수록 기준 초과여부를 정확히 판별한다고 보고 0.5에 가까울수 록 판별 능력이 없다고 보았다. AUC에 대한 95% 신뢰구 간을 산출하고 0.5와 차이가 있는지에 대한 통계적 유의성 을 검정하였다. 실시간 남조류 측정의 초기 경보기준으로 민감도와 특이도 모두 높은 구간에서 최적으로 절충되는 접점의 해당농도를 찾아보았다.

3. Results and Discussion

2013년 1월부터 2016년 8월까지 조사지점별 200개 이상 의 남조류 세포수 측정 자료와 약 3만개의 수질자동측정소 남조류 시간평균 농도 추이를 비교해 본 결과, 계절별 변 화 등 유사한 경향을 보였다(Fig. 2). YS1과 YS2 지점 모 두 겨울철 우점종인 저온성 규조류가 봄철 이후 다른 종으 로 천이되고, 홍수기를 지나 8월 고수온기에 남조류가 YS2 지점을 중심으로 높게 나타난 후 사라지는 패턴을 보였다.

Fig. 2. Temporal dynamics of cyanobacterial cell count and real-time cyanobacterial concentration from January 2013 to August 2016 at the study sites.

두 지점의 수질예보제 조류 조사와 같은 채수시점의 수질 자동측정소 남조류 측정 유효 자료수는 총 357건으로, YS1 지점 177건, YS2 지점 180건 이었다(Table 1). 현미경으로 계수한 남조류 세포수 범위는 YS1 지점이 0~18,960 cells/ml, YS2 지점은 0~71,840 cells/ml이었다. 수질예보제 관심단계 기준인 10,000 cells/ml 이상은 YS1 지점 4건, YS2 지점 14 건으로 YS2 지점의 남조류가 더 높은 밀도와 횟수를 나타 내었다. 수질자동측정소 남조류 측정결과 전체 평균농도는 YS1 지점 6 μg chl-a/L, YS2 지점 10.4 μg chl-a/L로 YS2 지점이 더 높았고 남조류 세포수 10,000 cells/ml 이상에서 도 YS2 지점이 평균 46.2 μg chl-a/L로 YS1 지점(10.7 μg chl-a/L) 보다 높았다. 반면 총 클로로필 a의 경우 YS1 지점 이 실험실 측정값과 수질자동측정값 모두 YS2 지점 보다 높은 것으로 나타났다. 남조류 동정결과, 조사기간 동안 두 지점 모두 Microcystis (>50%)가 가장 많이 출현되었고 그 다음 Anabaena, Oscillatoria 및 Aphanizomenon 순이었다.

조사지점 수질자동측정소 남조류 농도와 실험실에서 계 수한 남조류 세포수와의 상관성은 유의한 것으로 나타났다 (Fig. 3). 회귀식에 근거한 남조류 세포수 5,000 및 10,000 cells/ml에 해당하는 수질자동측정소 남조류 농도는 YS1 지 점에서 각각 11.6, 12.8 μg chl-a/L 이었고, YS2 지점에서는 각각 17.2, 19.6 μg chl-a/L이었다. 그러나 수질자동측정소 의 남조류 농도는 남조류 세포수가 관찰되지 않아도 그 형 광측정값이 높게 관찰되는 경우가 많았다. 두 지점의 자동 측정소 남조류 농도가 5 chl-a/L 이상이면서 남조류 세포수 는 0인 경우는 총 84건이며 이 중 우점종은 대부분 규조류 (49건)이었고 녹조류(20건)나 기타 cryptomonas(12건), 혹은 세포수에 포함되지 않은 남조류종(merismopedia 등)도 낮은 빈도(3건)로 있었다. 이전 연구에서 이러한 위양성반응 관 련된 다양한 요인들이 제시되었다. 탁도(turbidity)의 경우 실 험적으로는 형광파장 간섭으로 신호세기 손실을 줄 수 있으나 (^{Brient et al., 2008}). 50 Nephelometric turbidity units (NTU) 이상에서 남조류 형광측정값의 위양성반응 증가가 보고되 기도 하였다(^{Bowling et al., 2013}). 또한, 남조류 이외의 종 에서도 남조류와 유사한 형광반응을 보일 수 있는데 한 실 험연구에서 고농도 규조류의 형광측정 결과, 남조류의 1/10 크기의 phycocyanin 농도를 나타내었고 실제 현장에서도 남조류 이외의 종이 1-10 μg/L까지의 phycocyanin 농도를 나타낼 수 있다고 보고하였다(^{Brient et al., 2008}). 본 조사 지점에서 남조류 세포수는 0이지만 형광측정 농도가 5 chl-a/L 이상일 때 탁도나 부유물질(suspended solids)의 증 가는 없었으나 규조류 우점종인 경우 클로로필 a가 YS1, YS2지점 각각 80.8, 72.5 mg/m³으로 형광측정 농도 5 chl-a/L 미만일 때(YS1:30.5, YS2: 43.1 mg/m³)보다 유의하 게 높았다. 지점별 남조류 세포수와 실시간 남조류 농도의 상관계수가 높지 않으며 특히 YS1 지점(r=0.44)은 YS2 지 점(r=0.67)에 비해 상관계수가 낮은 것으로 나타났다.

Fig. 3. Relationship between real-time cyanobacterial concentration and cyanobacterial cell counts at each study sites.

두 측정방법은 채수 시료의 위치나 수심의 차이 이외에 도 다양한 요인에 의해 상관성이 안 좋을 수 있다. 현미경 적 조류 세포수의 계수는 조류의 크기나 형태에 따라 실제 보다 과소평가할 가능성이 있고, 조류 형광측정 역시 다른 종을 남조류로 인식하는 오차가 있을 수 있다. 과거 조류 형광측정에 대한 연구에서 610 nm 파장은 남조류의 형광 반응이 크지만 녹조류 등 다른 종의 반응 편차도 큰 것으 로 알려져 있다(^{Beutler et al., 2002}). 실제로 600 nm 부근 의 파장이 남조류의 선택적인 형광반응을 일으킬 수 있으 나, 규조류 등 진핵 조류가 많은 수체에서는 위양성(false positive) 신호가 나타날 수 있는 것으로 보고하고 있다 (^{Gregor et al., 2007}). 본 조사지점에서도 겨울~봄철 남조 류가 극히 적지만 우점종인 규조류가 남조류 형광측정값으 로 관측되는 경우로 추정할 수 있다.

YS1 지점 총 클로로필 a의 경우 형광측정방식이 실험실 분석결과 보다 다소 낮게 측정되었다. 일부 연구에서 형광 측정방식의 클로로필 a 농도가 조류종이나 빛 산란 부유 입자 등의 영향으로 실험실의 분광광도계로 측정한 값보다 약 60~80% 낮은 결과를 보고하고 있다(^{Catherine et al., 2012}; ^{Gregor and Marsalek, 2004}).

로지스틱 회귀 분석결과, 수질자동측정소 남조류 농도와 남조류 세포수 기준 초과와는 양의 상관성을 보였다(Table 2). 남조류 세포수 10,000 및 5,000 cells/ml 초과 오즈비는 YS1 지점에서 각각 1.07(95% confidence interval (C.I.), 0.96~1.20), 1.16(95% C.I., 1.08~1.24)으로 모두 수질자동측 정소 남조류 농도 증가와 상관성을 보였으며 특히 남조류 세포수 5,000 cells/ml 초과는 유의한 상관성을 보였다. YS2 지점의 남조류 세포수 10,000 및 5,000 cells/ml 초과 오즈비는 각각 1.08(95% C.I., 1.04~1.12), 1.07(95% C.I., 1.03~1.12)으로 모두 수질자동측정소 남조류 농도 증가와 유의한 상관성을 보였다. ROC 곡선의 AUC를 산출한 결과 모두 0.5(대각선의 아래면적)보다 유의하게 크게 나타나 수 질자동측정소의 조류형광측정이 세포수 기준 초과여부를 올바르게 판별하는 것으로 나타났다. 남조류 세포수 10,000 및 5,000 cells/ml 초과여부에 대한 AUC는 YS1 지점이 각 각 0.78 및 0.83이었고 YS2 지점은 각각 0.92 및 0.9 이었 다. AUC 크기는 측정 지표가 실제 수질의 기준초과(1)와 미만(0)과 같은 이산 변수를 정확하게 구분할 수 있는지의 척도로 사용된다. 일반적으로 AUC 크기에 따라 측정지표 를 의미 없음(non informative, AUC=0.5), 낮은 정확성(less accurate, 0.5<AUC≤0.7), 보통 정확성(moderately accurate, 0.7<AUC≤0.9), 높은 정확성 (highly accurate, 0.9<AUC<1), 완벽함(perfect, AUC=1)으로 구분하고 있다(^{Greiner et al., 2000}). 이에 따르면, 남조류 세포수 기준 초과여부를 예측 하기 위한 YS1 지점 수질자동측정의 판별 정확성은 보통 이하 수준이고 YS2의 수질자동측정의 정확성은 보통 이상 수준이라고 볼 수 있다. YS1 지점의 수질자동측정소 조류 측정값이 부정확하다기 보다는 YS1 지점의 전체 유효자료 중 10,000 cells/ml 초과 건수 3 건(1.7 %), 5,000 cells/ml 초과 건수 6 건(3.3 %) 등 적합한 ROC 곡선을 나타내기에는 샘플수가 충분하지 않은 것으로 판단된다. YS2 지점의 남 조류 세포수도 2016년 8월 자료를 제외하고는 10,000 cells/ml 을 초과하는 경우도 많지 않아 향후 추가 자료가 필요한 것으로 보인다.

남조류 세포수 기준 10,000 및 5,000 cells/ml 초과에 대 한 수질자동측정소 남조류 클로로필a 농도의 ROC 곡선을 Fig. 4에 각각 나타내었다. 각 곡선의 순간 기울기는 특이 도 감소(위양성률) 대비 민감도 증가율을 나타낸다. 측정값 이 이상적인 지표일수록 곡선의 출발이 매우 가파른 기울 기를 보이다가 높은 민감도에서는 평편한 모양인 꺽쇠(Г) 형태를 보이며 곡선아래 면적인 AUC가 1에 가깝게 된다. YS2 지점은 수질자동측정소 남조류 측정값의 ROC 곡선이 남조류 세포수 기준 10,000 및 5,000 cells/ml 모두 가파른 순간 기울기를 보여 민감도 증가로 인한 특이도 감소가 쉽 게 일어나지 않는 것으로 나타났다. 반면 YS1 지점은 남조 류 세포수 10,000 cells/ml 초과에 대한 ROC 곡선의 형태 가 완만한 모양이고 5,000 cells/ml 초과에 대한 ROC 곡선 은 기울기가 완만하게 점진적으로 올라가는 모양이었다. YS1 지점은 YS2 지점에 비해 수질자동측정소 남조류 농 도의 정확도가 다소 떨어지며 민감도가 증가함에 따라서 특이도 역시 비례하여 감소하는 것으로 나타났다.

Fig. 4. Receiver operating characteristic (ROC) curves of real-time cyanobacterial measurement for exceeding cyanobacterial density. (A) 10,000 cyanobacterial cells/ml, (B) 5,000 cyanobacterial cells/ml.

실시간 남조류 측정의 수질관리 강화기준(남조류 세포수 10,000 cells/ml) 초과 예측 모형은 YS1 보다 YS2 지점에 서 비교적 적합성이 좋은 것으로 나타났다. YS2 지점의 저 농도 실시간 남조류 측정값에서는 세포수의 10,000 cells/ml 초과 가능성은 낮았다. 실시간 남조류 농도가 10 μg chl-a/L 에서 남조류 세포수 10,000 cells/ml 초과 확률은 6% 이내 이며 50 μg chl-a/L 정도 되어야 초과 확률이 50 %에 해 당되었다(Fig. 5). 따라서 YS2 지점 수질자동측정소 남조류 농도의 경보기준을 낮게 설정할 경우 실제 수질예보제 기 준에 준하는 것보다 많은 경보 발령 횟수를 예상할 수 있다.

Fig. 5. Probability of the event (>10,000 cyanobacterial cell/ml) according to real-time cyanobacterial concentration at YS2 site.

YS2 지점의 실시간 남조류 농도의 적절한 초기 경보기준 안을 위해 농도별로 기준초과 예측에 대한 민감도와 특이도 변화를 살펴보면 실시간 남조류 농도 6 μg chl-a/L 까지는 민 감도가 100 %를 유지하고, 이후 20 μg chl-a/L 까지는 민감 도 80%를 유지하였다(Fig. 6). ROC 곡선에서 최대 볼록 구 간(convex hull)은 민감도와 특이도가 효율적으로 만나는 지 점으로 기준초과 판정의 절단값(cutoff value)로 많이 사용되 고 있다(^{Linden, 2006}). 이 지점에 해당되는 실시간 남조류 농도는 진양성률과 위양성률의 합(SUM)이 최대가 되는 값 으로 YS2 지점에서는 실시간 남조류 농도 23 μg chl-a/L에 해당하였다.

Fig. 6. Sensitivity and specificity of real-time cyanobacterial measurement for discriminating cyanobacterial bloom (≥ 10,000 cyanobacterial cells/ml).

수질자동측정소 남조류 농도를 경보기준으로 설정하였을 때 수질기준 초과여부의 민감도와 특이도를 Table 3에 나타내 었다. 수질예보제 관심단계(남조류 세포수 > 10,000 cells/ml) 일 경우, 수질자동측정소의 남조류 농도 경보 확률은 경보 기준 6 μg chl-a/L에서 90 %, 16 μg chl-a/L에서 80%, 25 μg chl-a/L에서는 70%로 나타났다. 경보기준의 기능을 어디에 초점을 두는 지에 따라 이러한 절단값을 임의로 선택할 수 있다. 남조류의 위해성을 최소화하기 위해 가급적 민감도를 높여 보수적인 절단값을 경보기준으로 선택할 수 있는 반 면, 불필요한 경보횟수를 줄이기 위하여 특이도가 높은 절 단값을 경보기준으로 설정할 수 있다. YS2 지점의 수질자 동측정소 남조류 농도 16 ~ 23 μg chl-a/L 범위가 일정수준 민감도 유지한 상태에서 위양성률도 낮아 초기 경보 기능이 가능할 것으로 보인다. 수질 기준(남조류 세포수 10,000 cells/ ml)초과 시 수질자동측정소 남조류 농도가 23 μg chl-a/L을 초과할 확률인 진양성률은 약 80%이고 수질기준 미만 시 23 μg chl-a/L을 초과할 확률인 위양성률은 약 4% 수준으로 나타났다. 실시간 남조류 농도의 민감도를 높일 경우 경보 기준 초과건수가 증가하므로 경보기준의 효율성도 고려할 필요가 있다. 수질자동측정소 조사기간(2013.1~2016.8) 중 29,856개의 시간별 남조류 농도 자료에 비추어 보면 16 μg chl-a/L 이상은 연간 평균 80일, 23 μg chl-a/L 이상은 연간 평균 58일 정도로 예상된다.

YS2 지점의 ROC 분석을 통해서 수질자동측정소 실시간 남조류 측정으로 수질관리기준 초과여부 판단이 가능하며 실시간 남조류 농도 16 ~ 23 μg chl-a/L 범위가 합리적인 초 기 경보기준안인 것으로 판단된다. 선형회귀식에서 YS2 지 점의 남조류 세포수 10,000 cells/ml에 해당되는 실시간 남 조류 농도는 19.6 μg chl-a/L로 이 범위내에 포함되는 것으 로 나타났다. 선형관계로 부터 남조류 세포수 기준에 부합 되는 남조류 농도를 산출하는 방법은 직관성이 좋지만 상관 성이 낮거나 회귀모형의 적합성이 낮을 경우 오차가 커지게 된다. 한 폴란드 연구에서 조류 독소(microsystin)와의 비율 을 이용하여 1 μg microsystin/L에 해당하는 남조류 클로로 필a 4.94 μg/L를 경보기준으로 제안하였는데 이는 평균 비 율이 아닌, 최악의 시나리오를 가정한 가장 보수적인 비율 (90 percentile)을 적용한 결과였다(^{Izydorczyk et al., 2009}). 수체의 남조류 독소 농도를 고려한 경보기준이 실제 위해성 에 부합된 안전 기준이지만 본 조사지점은 조류 독소 검출 사례가 드물어 이러한 접근이 어렵다. 최근 미국 오하이오 주의 7개 호소를 대상으로 한 연구에서 실시간 phycocyanin 형광측정이 남조류 독소(microcystin-LR) 4 μg/L 초과 여부 를 정확히 판정할 수 있는 지 살펴본 결과, 오즈비는 1.01(95% C.I., 1.00~1.03), AUC는 0.73이었으며, 다변량예측모형을 이용하면 AUC는 0.8까지 증가함을 보고하였다(^{Marion et al., 2012}). 이와 같은 ROC 분석은 측정지표의 정확성을 평 가하고 판정기준을 설정하는데 있어 간단하고 실용적인 방 법이다. 아직 국내 남조류 형광특성에 대한 연구자료가 부 족한 시점에서도 수질자동측정소의 실시간 남조류 측정값을 효과적으로 활용 할 수 있을 것으로 보인다. 그러나 지역특 성별로 자료가 충분하지 않거나 측정지표의 연관성이 적으 면 정확성에 대한 평가가 어려울 수 있으므로 향후 주기적 인 조사 및 평가가 필요하다.

4. Conclusion

본 연구는 수질자동측정소 조류형광측정장치의 실시간 남조류 측정이 실제 남조류 과다 발생을 정확히 판별가능 한지를 평가하고 초기 경보기준을 도출해 보았다. 2013년 1월부터 2016년 8월까지 영산강 수질예보제 2개 지점(YS1, YS2) 수질자료와 동시간의 수질자동측정소 실시간 남조류 측정자료를 대상으로 상관성 및 ROC 분석을 실시하였다. 선형회귀분석 결과, 남조류 세포수와 수질자동측정소 실시 간 남조류 농도간의 유의한 상관성을 보였으나 조사지점별 로 상관계수에 차이가 있었다(YS1: r = 0.44, YS2: r = 0.67). 로지스틱 회귀분석 결과, YS2 지점 수질자동측정소 실시간 남조류 농도 증가에 따른 남조류 세포수 10,000 cyanobacterial cells/ml 초과 오즈비는 1.08(95% 신뢰구간, 1.04~1.12) 로 유의한 연관성을 보였다. YS2 지점에서 실시간 남조류 농도의 ROC 곡선 아래 면적인 AUC값은 남조류 세포수 5,000 및 10,000 cells/ml 초과여부에 대하여 각각 0.90(95% 신뢰 구간, 0.84~0.97) 및 0.92(95% 신뢰구간, 0.84~0.99)로 나타 나 수질자동측정소 실시간 남조류 측정의 남조류 대량발생 의 판별 정확성이 높은 것으로 여겨진다. 반면 YS1 지점의 수질자동측정소 실시간 조류농도는 남조류 세포수와의 연 관성이 비교적 낮고 AUC값이 0.8이하로 정확성이 높지 않 은 것으로 나타났다. YS2 지점의 경우 실시간 남조류 농도 23 μg chl-a/L에서 남조류 세포수 10,000 cells/ml 초과여부 에 대한 민감도(79 %)와 특이도(95 %)가 가장 효율적인 절충 지점인 것으로 나타났다. 실시간 남조류 농도의 초기 경보기준은 민감도가 일정수준 이상이면서 낮은 위양성률 을 보이는 16~23 μg chl-a/L 범위에서 선택 가능 할 것으 로 보인다.

결론적으로 수질자동측정소 실시간 조류형광측정은 수질 예보제 남조류 기준 초과 판별에 유효한 것으로 나타났다. 그러나 수체 특성에 따라 측정 정확성에 차이가 있으므로 지점별로 수질 현황에 대한 조사가 필요하다. 또한, ROC 분석은 측정의 유효성 검증 뿐 아니라 지표 기준을 설정하 는데 있어 간단하고 실용적인 기법인 것으로 판단된다. 향 후 본 조사지점에서 일정기간 추가 데이터 확보가 되면 주 기적인 재검증도 가능할 것으로 보인다.