The Journal of
the Korean Society on Water Environment

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Journal of Korean Society on Water Environment

J. Korean Soc. Water Environ Vol. 34, No. 5, p.514-536

ISSN (print) :

2289-0971

ISSN (online) :

2289-098X

Received : 31 July 2018Revised : 17 September 2018Accepted : 17 September 2018

Publisher ID :

JKSWE-34-514

DOI :

10.15681/KSWE.2018.34.5.514

Development of Simple Benthic Macroinvertebrates Index (SBMI) for Biological Assessment on Stream Environment

하천환경의 생물학적 평가를 위한 간이저서동물지수(SBMI)의 개발

공동수 (Dongsoo Kong) ^1a^†iD 민정기 (Jeong-Ki Min) ^1biD 노성유 (Seong-Yoo Noh) ²iD

경기대학교 바이오융합학부, (Department of Bioconvergence, Kyonggi University)
국립환경과학원 물환경연구부 (Water Environment Research Department, National Institute of Environmental Research)

^1b 석사과정(Master student), https://orcid.org/0000-0002-7674-4423

² 연구원(Researcher), https://orcid.org/0000-0001-6396-4497

^{1a, †,†}Corresponding author : 교수(Professor), dskong@kgu.ac.kr, https://orcid.org/0000-0001-8438-3229

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Abstract

GPI (Group Pollution Index) using 29 indicator groups of Korean benthic macroinvertebrates was proposed in 1992, a higher category taxa-level index developed for rapid field assessment of organic water pollution. This study was performed to revise the assessment scheme of GPI based on taxonomic performance and ecological information accumulated since 1992. The original GPI was renamed SBMI (Simple Benthic Macroinvertebrates Index), and SBMI was based on saprobic valency of 26 indicator groups composed of higher category taxa (mainly family ~ phylum) excluding some genus or species-level taxa. SBMI revealed highly significant correlation with concentration of 5-day biochemical oxygen demand (BOD₅) (correlation coefficient r = 0.78, n = 569 sites), total suspended solids (r = 0.69), and total phosphorus (r = 0.77). Also, SBMI revealed strong correlation with Shannon-Weaver's species diversity (r = -0.85), Margalef's species richness (r = -0.85), and McNaughton's dominance (r = 0.83). Determination coefficient of SBMI to concentration of water quality items and values of community indices such as species diversity was 3 ~ 8 % and approximately 11 ~ 14 % higher than that of GPI, respectively. Correlation between SBMI and water quality factors or community indices such as species diversity did not reveal much difference compared to that of species-level indices, such as BMI (Benthic Macroinvertebrates Index) and ESB (Ecological Score of Benthic Macroinvertebrates). SMBI is a simple-qualitative index with higher category taxa easily identified, and is applicable for rapid field assessment of water environment impairment.

Key words

Benthic macroinvertebrates, Biological assessment, Indicator, Rapid bioassessment, Saprobic index

1. Introduction

지표 수서생물은 장기적이고 종합적인 환경상태를 대변 하는 장점을 가지고 있으나(^{Yoon, 1984}), 현재까지의 물환 경평가가 주로 화학적 방법에 의존하여온 것은 생물의 동 정·분류에 전문성이 요구되기 때문이다(^{Yoon et al., 1992c}). 저서성 대형무척추동물의 경우에는 시료채취와 생물 골라 내기 및 개체수 계수 과정에 상당한 시간과 노력이 소요된 다는 점 역시 제약점이 될 수 있다. 그러나 종(species) 이 하의 하위범주의 분류군 수준에서 설정된 지표치와 정량적 인 출현도를 바탕으로 산정된 지수 값이 반드시 환경상태 를 보다 정확하게 반영한다고 할 수는 없다(^{Kong, Park et al., 2018}).

세계적으로 사용되어 온 ^{Zelinka and Marvan (1961)}의 오수생물지수(Saprobic index, SI)를 비롯한 많은 지수들은 종 수준에서의 출현도를 바탕으로 한 지표 분류군의 평균 내성도(tolerance)를 고려하는 지수이다. 국내의 관련지수로 는 ^{Yoon et al. (1992a)}에 의해 제시된 일련의 지수, ^{Won et al. (2006)}의 한국오수생물지수(Korean Saprobic Index, KSI), ^{Kong et al. (2012)}과 ^{NIER (2017)} 및 ^{Kong, Son et al. (2018)}의 저서동물지수(Benthic Macroinvrtebrates Index, BMI)가 이에 해당한다.

종 수준에서의 출현여부만 고려하는 지수로는 ^{Beck (1955)}과 ^{Tsuda (1964)}의 생물지수(Biotic index)가 있고, 국 내에서는 ^{Kong (1997)}과 ^{Kong, Son et al. (2018)}의 저서성 대형무척추동물 생태점수(Ecological Score of Benthic Macroinvertebrates Community, ESB)가 있다.

상위분류군의 상대출현도를 고려하는 지수로는 Trent Biotic Index (^{Woodwiss, 1964})와 Score system (^{Chandler, 1970}), Systematic system (^{Tuffery and Verneaux, 1968}), Family biotic index (^{Hilsenhoff, 1988})가 있으며, 국내에서 는 ^{Kong et al. (1995)}의 상위분류군생물지수(Higher Taxa Biotic Index, HTBI)가 있다.

상위분류군의 출현여부만을 고려하는 지수로는 영국 환 경청(Environment Agency)의 일반수질평가(general quality assessment, GQA)에서 이용되는 생태질지수(Ecological Quality Indices, EQI)가 있다. 이때 적용되는 저서성 대형 무척추동물은 생물학적 모니터링 업무 모임(Biological Monitoring Working Party, BMWP)에서 정한 80여 개의 과(family)이다(^{Hawkes, 1997}).

일본에서는 전국공해연협의회(현재 전국환경연협의회)가 1992년에 환경청 수질보전국의 위탁사업으로 일본판 BMWP 과의 평균내성도(average score per taxon, ASPT)를 마련한 이후, 이는 1990년부터 국토교통부가 시행하고 있던 ‘하천 수변의 국세조사’에 1993년부터 활용되었고, 2012년에는 환경성의 위탁사업으로 ‘수생생물 등에 의한 수역특성 평 가수법 위원회’에서 기존의 ASPT에 대한 개정안을 마련한 바 있다(^{Nojaki, 2012}).

일본의 환경성과 국토교통성 주관으로 1984년부터 일반 시민이 참가하여 시행하고 있는 ‘전국 수생생물조사’에서는 ‘수생생물에 의한 간이수질조사법’이 활용되고 있는데, 이 는 종 수준에서 목 수준까지 다양한 분류군으로 구성된 저 서성 대형무척추동물 지표군의 출현여부로 수질등급을 판 정하는 것이다. 해당 평가법의 지표군은 2012년까지 30개 군이 적용되었으나, 2011년에 29개 지표군으로 구성된 개 정안이 제안되어 2012년에는 신·구 평가법이 동시 적용된 바 있고 2013년부터는 개정안이 적용되고 있다(^{JMOE, 2013}). 동 조사에는 2016년 기준으로 일본 전국에서 여름 방학 및 휴가 기간을 중심으로 많은 학교(초·등학교 등: 약 39,000명), 시민단체 등(시민단체, 어린이회 등: 약 15,000 명)을 포함하여 연 인원 약 57,000명이 참가하였다(^{JMOE, 2017}). 2016년 전국의 조사지점수는 2,076 지점이었으며, 그 중 62 %가 가재나 강도래류가 출현하는 ‘깨끗한 물’로 판정되었다(^{JMOE, 2017}). 일본의 수생생물조사에서 사용되 고 있는 수질판정법이 이미 30년 이전부터 초·중학생부터 시민단체에 이르기까지 널리 활용되고 있는 것은 사용이 용이하기 때문일 것이다.

국내에서는 ^{Yoon et al. (1992c)}이 종 수준에서 문(phylum) 수준에 걸친 29개 지표군으로 평가하는 군오염지수(Group Pollution Index, Yoon-Kong's GPI)를 제안한 바 있다. GPI 는 ^{Zelinka and Marvan (1961)}의 방법에 따라 오수생물계 열에 따른 각 지표군의 오탁계량치(saprobic valency)를 고 려한 것이다. GPI에서는 각 지표군 중 가장 많은 출현도를 보이는 1 ~ 2개 군의 수를 가중하고 있으나 정량적인 현존 량은 고려되지 않는다.

국내의 저서성 대형무척추동물 종의 내성도 및 군집단위 의 생물지수에 관한 연구가 Yoon et al. (^1992a, ^1992b, ^1992c)으로부터 비롯되어, 그 이후 개발된 BMI 또는 ESB 가 국가 단위의 관련 모니터링에 활용되는 수준에까지 이 르렀으나 위에서 언급된 제한점으로 인해 이러한 지수들이 범용으로 이용되기는 어렵다.

이러한 배경에서 본 연구는 현장에서 육안으로 저서성 대형무척추동물 지표군을 확인하여 물환경 상태를 신속·간 단하게 판정할 수 있는 방법을 개발하는데 목적을 두었다. 일차적으로는 분석과정을 과학적으로 체계화하는데 주안점 을 두었으며, 이를 바탕으로 간이저서동물지수(Simple Benthic Macroinvertebrates Index, Kong's SBMI)라 명명한 환경평 가지수를 개발하였고, 다른 생물지수 및 수질과의 관계에 대한 분석을 거쳐 최종적으로는 SBMI를 이용한 환경평가 의 등급표와 기준치를 제안하였다.

본 연구에서 제시하는 방법은 단기간의 훈련을 거쳐 활 용이 가능한 것으로, 수계생물에 대한 홍보와 교육은 물론 전문 환경평가 시에도 이용가치가 클 것으로 기대된다.

2. Materials and Methods

2.1. 자료수집

분석에 활용한 자료는 ^{Kong, Park et al. (2018)}, ^{Kong, Son et al. (2018)}이 BMI 및 ESB 개발 시 사용한 것과 동 일한 것으로서, 환경부·국립환경과학원의 “수생태계 건강성 조사 및 평가(‘08 ~ ’13년)”와 “하천 수생태계 현황 조사 및 건강성 평가(‘14년)”, 한강수계관리위원회의 “기후변화가 수생태계에 미치는 영향과 대응전략(2010 ~ 2012)”에서의 조사결과 중 일부였다. 이중 환경부·국립환경과학원의 자료 는 동 사업의 저서성 대형무척추동물 조사지점 중 환경부 물환경측정망의 수질측정망 지점과 일치하는 지점에 해당 하는 것만 선별하였다. 수질과 생물이 조사된 총 569개 지 점에서의 연중 또는 연간 반복된 조사를 포괄한 총 표본단 위는 7,086개였다.

본 연구의 조사수역은 산지하천에서부터 강의 하류를 포 괄하는 유수역이었으며, 호소나 늪지와 같은 정수역은 조사 범위에 포함되지 않았다. 따라서 본 연구에서 검토된 생물 군의 지표성은 유수역에 한정된 특성으로 이해되어져야 하 며, 이를 이용한 환경평가 역시 유수역에 제한되어 적용되 어야 한다.

2.2. 지표군의 선별

^{Yoon et al. (1992a)}은 1971년 이후 전국의 613개 표본단 위에서 조사된 저서성 대형무척추동물 군집에서 ^{Shannon and Weaver (1949)}의 종다양도를 산출하고 ^{Staub et al. (1970)}의 기준에 따라 각 표본단위의 부수성(saprobity)을 판정한 후 각 부수계열에 따른 상대출현빈도로 173개 분류 군의 내성치를 정한 바 있다. ^{Yoon et al. (1992c)}이 GPI를 제안할 때 선별한 지표군은 ^{Yoon et al. (1992a)}의 지표생 물표에서 분류형질이 육안으로 식별 가능하고 동정능력을 갖추는데 긴 시간이 소요치 않을 과(Family) 수준 이상의 범주로 하되, 각 범주에 속하는 속이나 종 중 내성치가 크 게 다른 분류군만을 별도의 지표군으로 분리한 것이었다. Appendix 1은 ^{Yoon et al. (1992c)}이 제시한 평가표의 예 시를 최근의 분류군 명으로 재정리한 것이다.

본 연구에서는 최근에 제시된 ^{Kong, Son et al. (2018)}의 지표생물표를 근간으로 하여 유사한 내성치를 가진 분류군 을 상위분류군으로 통합하는 방식으로 26개의 지표군을 도 출하였다(Table 1). 수중에 출현하는 주요 분류군을 모두 포함시키는 것을 원칙으로 곤충류는 각 목별로 내성치에 따라 과 수준에서 지표군을 나누고, 일부에 한해 종 수준 으로 분리하였다. 비곤충류는 문이나 강(class) 수준에서 대 분한 후 지표성이 뚜렷한 군 만을 선정하였다. 기존 GPI 지표군 목록에서 출현도가 낮은 선충류(Nematoda)를 제외 하고 빈모류(Oligochaeta)와 거머리류(Hirudinea)를 환대류 (Clitellata)로 통합하였으나, 복족류(Gastropoda)와 부족류 (Pelecypoda)는 4개 지표군의 6개 분류군으로 나누었다. 전 반적으로는 분류군을 세분화하였으나 GPI에서 9개 분류군 으로 세분되었던 파리류(Diptera)는 3개의 지표군으로 대분 하였다.

Table 1. List of benthic macroinvertebrate indicator groups used at macroscopic water quality evaluation with Simple Benthic Macroinvertebrates Index (SBMI)

Taxa			Taxa
Turbellaria	1	Planariidae	Plecoptera	16	Plecoptera
Mollusca	2	Pleuroceridae	Hemiptera	17	Corixidae
	3	Cyrenidae, Sphaeriidae	Megaloptera	18	Corydalidae
	4	Physidae, Planorbidae	Coleoptera	19	Elmidae, Psephenidae
	5	other Mollusca	Coleoptera	20	other Coleoptera
Clitellata	6	Clitellata	Diptera	21	Limoniidae, Pediciidae, Simuliidae, Blephariceridae, Athericidae
Malacostraca	7	Gammarus		22	Psychodidae, Dixidae, Culicidae, Chironomidae (red), Stratiomyidae, Syrphidae, Ephydridae, Muscidae
Malacostraca	8	Asellidae		23	other Diptera
Collembola	9	Collembola	Trichoptera	24	Hydroptilidae, Hydropsychidae, Psychomyiidae, Leptoceridae
Ephemeroptera	10	Ecdyonurus levis, Potamanthidae, Ephemera orientalis, Serratella, Teloganopsis, Caenidae		25	Ecnomidae
	11	Baetidae		26	other Trichoptera
	12	other Ephemeroptera
Odonata	13	Gomphidae
	14	Calopterygidae, Macromiidae
	15	other Odonata

제1군인 플라나리아과(Planariidae)의 경우, 이에 속하는 분류 군 중 산골플라나리아속(Phagocata)은 플라나리아속(Dugesia) 에 비해 오염에 더욱 민감한 것으로 구분되지만(^{Kong, Son et al., 2018}), 미숙련자는 이 두 분류군을 육안으로 분별하 기 어렵기 때문에 상위분류군인 과 단위로 통합하였다. 또 한 제2군의 다슬기과(Pleuroceridae)에 속하는 분류군 중 곳 체다슬기(Semisulcospira gottschei) 등의 일부 종은 내성의 범위가 넓지만 역시 동정의 어려움을 고려하여 구분하지 않았다.

곤충류 중 제10군의 하루살이류는 기타 하루살이목(제12 군, other Ephemeroptera)에 비해서 내성도가 약간 더 큰 집 단으로서 이에는 꼬리치레하루살이(Ecdyonurus joernensis)가 포함되어야 하지만 육안으로 이를 분별하기 어렵기 때문에 이를 분리하지 않았다. 또한 세갈래하루살이(Choroterpes altioculus)는 내성도로 볼 때 제10군과 제12군의 경계선에 있는 분류군으로 볼 수 있는데 역시 동정의 편이성에 중점 을 두어 이를 분리하지 않았다. 하루살이류 중에는 비교적 내성도가 큰 제11군의 꼬마하루살이과(Baetidae)의 분류군 중 감초하루살이(Baetis silvaticus) 등 일부 종은 청수역에서 출현하는 민감종이지만 크기가 작은 이들을 육안으로 분별 하는 것은 극히 어려운 일이므로 이를 분리하지 않았다.

제13군의 측범잠자리과(Gomphidae)의 종류들은 잠자리목 (Odonata) 중에는 비교적 청수역에서 출현하는 분류군이지 만 호리측범잠자리(Stylurus annulatus)와 같은 일부 종은 정수역의 다소 오염된 곳에서도 출현하는데 이 역시 동정 의 편이성을 위해 구분하지 않았다. 노린재목(Hemiptera)은 잠자리목이나 파리목(Diptera)과 더불어 정수역에서 종 출 현도가 높은 분류군이지만 본 연구의 주요 대상수역인 유수 역에서는 출현도가 낮았던 관계로 단지 물벌레과(Corixidae) 에 국한하여 지표성을 검토하였다. 뱀잠자리목(Megaloptera) 중에는 정수역에서 주로 출현하는 좀뱀잠리과(Sialidae)는 제외하고 유수역에서 출현하는 뱀잠자리과(Corydalidae)만 지표군으로 선정하였다. 딱정벌레목은 물방개류를 비롯하여 많은 종들이 정수역에서 출현하고 있으나 유수역에서는 상 대적으로 종 출현도가 적기 때문에 주로 출현하는 여울벌 레과(Elmidae)와 물삿갓벌레과(Psephenidae)만 별도의 지표 군으로 분리하였다. 파리목의 깔다구류는 동정이 어렵기 때 문에 단지 현장에서의 표현형이 붉은색으로 나타나는 경우 만을 구분하도록 하였다.

날도래목에 속하는 대부분의 종들은 민감종에 해당하지 만, 제24군에 속하는 분류군들은 전반적으로 약간의 내성도 를 가지고 있다. 그러나 제24군에 속하는 분류군 중 줄날 도래 KD (Hydropsyche KD)와 같은 종들은 청수성이고 동 양줄날도래(Hydropsyche orientalis)는 다른 줄날도래류와 비 교하였을 때 내성도가 작아 같은 군으로 보기 어렵다. 이와 반면 날개날도래(Molanna moesta)와 같은 종은 약간의 내 성도를 가진 종으로 제24군에 포함되어야 한다. 그러나 전 반적으로 육안으로 이들을 종 수준에서 분별하기는 어렵기 때문에 이들을 별도의 지표군으로 분리하지는 않았다.

2.3. 지표군의 출현특성 분석

2.3.1. 출현도의 계량화

여러 생물종을 상위분류군으로 묶어 하나의 지표군으로 통합하려면 우선적으로 각 종의 출현특성을 반영하는 수준 을 정하여야 한다. 출현여부만 고려하는 것(출현치: 1, 비출 현치: 0)은 각 종의 출현특성을 현존량과 관계없이 등가로 간주하는 것으로서 이 경우에는 서식 환경상태에 적합한 우점종의 출현특성이 과대평가되는 반면 우연적일 수 있는 소수 종의 출현특성이 과소평가될 수 있다. 또한 지표군에 속하는 종의 출현빈도의 합 또는 상대출현빈도는 정규분포 가 아니라 이항분포를 보이게 될 것이다. 이와 반면 실개 체수를 반영하게 되면 우점도가 높은 경우 일부 우점종의 출현특성만 고려되고 환경의 악화 또는 회복의 변화 과정 에 소수로 출현하는 종, 고유적인 희소종, 생물량이 매우 커서 밀도가 낮은 종의 출현특성은 무시될 수 있다. 또한 생물종의 출현개체수는 정규분포하지 않고 대수정규분포를 보이기 때문에(^{Kong and Kim, 2015}; ^{Preston, 1948}, ¹⁹⁶²), 지표군에 속하는 종의 개체수를 합하거나 평균한 값 역시 대수정규분포를 하게 된다. 이 경우 역시 정규분포의 조건 을 만족하지 않기 때문에 집단 간의 특성을 모수통계로 비 교하고자 할 경우에는 개체수 값을 변환하거나 계량화해야 한다.

본 연구에서는 생물종의 출현개체수가 대수정규분포를 한다고 가정하고, 출현개체수(n)를 대수변환하여 그 최대치 (n_max)와 최소치(n_min)를 고려한 상대적인 값을 계량치(A)로 사용하였다(식 (1)). 식 (1)에서 상수 0.5를 부여한 것은 이 를 고려하지 않으면 최소치의 계량치가 0이 되어 생물종이 출현하지 않은 경우와 분별이 되지 않기 때문이다. 식 (1) 에 따라 계량치의 범위는 0.5 ~ 1.5의 범위를 가지게 된다.

(1)

A = 0.5 + ln n − ln n min ln n max − ln n min = 0.5 + log max / n min n / n min

출현개체수가 식 (2)의 대수정규분포를 따른다고 가정하 고 최대치와 최소치를 임의의 표준점수(z)에 해당하는 값 (n_max = e^{μ + zσ}, n_min = e^{μ - zσ})으로 적용할 경우, 식 (1)은 식 (3)으로 변형되며 그 값은 식 (4)와 같이 N{1, [1/(2z)]²}의 정규분포를 따르게 된다. 즉 계량치의 분포는 단지 표준점 수의 값에 따를 뿐 각 종들의 개체수가 지니고 있던 고유 의 평균이나 분산과는 무관하다.

(2)

f ln n = 1 2 π σ e − ln n − μ 2 2 σ 2

(3)

A = 0.5 + ln n − μ − z σ 2 z σ

(4)

f A = 0.5 + 2 z 2 π e − 2 z 2 A − 1 2 2

Fig. 1은 희소종, 보통종, 다수종을 가정하여 개체수 밀도 값을 표준정규분포의 범위로 계량화 하는 과정을 모식적으 로 표현한 것이다.

Fig. 1. Diagram of abundance adjustment of three species with different individual abundance.

특정 표본단위 j에서의 각 지표군의 출현도(A_j)는 해당 지 표군에 속하는 각 종들의 계량치를 산술평균한 값(해당 생 물종이 출현하지 않은 경우 계량치는 0으로 계산)으로 하 였다.

2.3.2. 수질에 따른 출현특성

생물의 생육에 필요한 환경요인의 적정범위를 파악하는 것은 지표생물학은 물론 복원생태학에서도 중요한 사안이 다. 저서성 대형무척추동물은 호기성 소비자이기 때문에 수 중의 용존산소 농도를 변화시키는 유기물 농도에 크게 영 향을 받는다. 그 외 고형물질은 이들의 섭식을 방해하고 서식처를 피복하는 등 물리적 장애를 유발하며, 영양물질은 부착조류의 번성을 야기하여 서식처의 질을 떨어뜨릴 수 있다. 본 연구에서는 하천의 유기오염을 대표하는 주요 항 목인 5일 BOD (5-day biochemical oxygen demand, BOD₅) 농도와 총부유물질(total suspended solids, TSS) 농도 및 총 인(total phosphorus, T-P) 농도에 따른 생물종의 출현특성 을 분석하였다.

생물종이 생육하는 환경요인의 적정범위를 자연상태에서 나타나는 생물종의 분포특성으로부터 파악하는 것은 기술 적으로 용이한 사항이 아니다. 이는 각 생물종이 분포하는 환경요인의 평균치 또는 분산도를 산출하는 과정에서 개체 수를 어떻게 고려하는 가에 따라 결과가 크게 다를 수 있 기 때문이다. 본 연구에서 지표군의 출현속성은 ^{Dufrene and Legendre (1997)}, ^{Kong and Kim (2016)}, ^{Kong, Son et al. (2018)}과 같이 복합출현도(평균출현도×상대출현빈도)를 고려하였다. 이때 특정 지표군(i)의 평균출현도(D_m)는 각 수질항목 농도의 급구간(m)에서 표본단위(j)별 계량치(A_jm) 의 합(A_m)을 해당 급구간의 총 표본단위수(N_m)로 나눈 값 이다(식 (5)).

(5)

D m = A m N m = ∑ j = 1 N m A jm N m

상대출현빈도(F_m)는 출현도를 고려하지 않고 단지 지표 군의 출현여부만을 고려한 값으로서 m 급구간에서 해당 지표군이 출현한 표본단위수(N_im)를 해당 급구간의 총 표 본단위수(N_m)로 나눈 값이다(식 (6)).

(6)

F m = N im N m

복합출현도(C_m)는 식 (5)와 식 (6)의 곱이다(식 (7)).

(7)

C m = D m × F m

복합출현도의 물리량은 개념 상 쉽게 받아들여지지 않는 것인데, 지표군이 출현한 표본단위만 고려한 실평균출현도 (A_m = A_m/N_im)를 적용하여 식 (7)을 재정리하면 복합출현도 는 출현빈도의 제곱 값으로 가중한 실평균출현도라는 것을 알 수 있다(식 (8)).

(8)

C m = D m × F m = A m N m × N im N m = N im A m ¯ N m × N im N m = N im N m 2 A m ¯

환경요인의 급구간별 출현도 값을 전체 급구간의 출현도 면적으로 나눈 확률함수 값을 구하여(식 (9)) 분포특성을 파악하였다. 식 (9)의 확률함수는 연속확률분포에서는 확률 밀도함수 값에 해당한다.

(9)

PF m = C m ∑ C m Δ x m

식 (9)의 확률함수 값의 분포는 지표군별로 서로 달리 나 타나는데 본 연구에서는 크게 대수정규분포, 와이블(Weibull) 분포, 변형와이블분포 함수(Table 2)에 적합시켜 그 특성을 해석하였다.

Table 2. Probability density function (PDF), cumulative distribution function (CDF), probability mass function (PMF), cumulative mass function (CMF) and parameters of benthic macroinvertebrates according to concentration of water quality items (x)

Lognormal distribution (Type 1)	PDF	1 x 2 π σ e − 1 2 ln x − μ σ 2 , 0 ≤ x ≤ ∞
	CDF	1 2 er fc − ln x − μ 2 σ
	Mean (X)	e μ + σ 2 / 2
	Median X ˜	e μ
	Mode ( X ˆ )	e μ − σ 2
	Percentile value (X_p)	e μ + Z p σ

Weibull distribution (Type 2)	PDF	k λ x λ k − 1 e − x λ k , 0 ≤ x ≤ ∞
	CDF	1 − e − x λ k
	Mean	λ Γ 1 + 1 / k
	Median X ˜	λ ln 2 1 / k
	Mode ( X ˆ )	λ k − 1 k 1 / k
	Percentile value	λ ln 1 1 − p 1 / k

Modified Weibull distribution (Type 3)	PDF	k λ 1 − β a − x λ k − 1 e − a − x λ k , β = e − a / λ k , 0 ≤ x ≤ a
	CDF	e − a − x λ k − β 1 − β
	Mean (X)	a − λ Γ 1 + 1 / k − ∫ a ∞ yw y dy 1 − β y = a − x
	Median X ˜	a − λ ln 2 1 + β 1 / k
	Mode ( X ˆ )	a − λ k − 1 k k 1 / k
	Percentile value (X_p)	a − λ ln 1 β + 1 − β p 1 / k

Discrete distribution (Type 4)	PMF	Eq. (10)
	CMF	Eq. (12)
	Mean (X)	Eq. (11)
	Median X ˜	Eq. (15)
	Mode ( X ˆ )	Eq. (18)
	Percentile value (X_p)	Eq. (15)

확률함수 값이 불연속적인 분포를 보이는 경우에는 식 (10)의 확률질량함수(probability mass function, PMF)를 구 하여 평균치(X)를 구하였다. 각 환경요인 값의 급구간은 배수 체계로 구성하고 급구간의 계급치(class mark, CM)는 급구간의 하위경계 값(X_l)과 상위경계 값(X_u)의 기하평균 (geometric mean) 값으로 적용하였다(식 (11)).

(10)

PMF m = PF m Δ x m

(11)

X ¯ = ∑ PMF m CM m = ∑ PMF m 2 log 2 X l + log 2 X u / 2

불연속분포의 확률순위 값(X_p)은 누적질량함수(cumulative mass function, CMF)값을 구한 다음(식 (12)), 해당 확률(p) 이 포함되는 급구간에서 확률과 구간 값을 대비(식 (13))하 여 도출하였다(식 (14)).

(12)

CMF m = ∑ PF m

(13)

CMF u − CMF l : p − CMF l = log 2 X u − log 2 X l : log 2 X p − log 2 X l

(14)

X p = 2 log 2 X l + log 2 X u − log 2 X l p − CMF l CMF u − CMF l

이때 급구간이 일정한 배수체계인 경우 식 (14)는 식 (15)로 단순화 된다.

(15)

X p = 2 log 2 X l + p − CMF l CMF u − CMF l

불연속분포의 최빈수 X ˆ 는 최빈구간 전후 급구간의 확률 함수 값과 구간 값을 대비(식 (16))하여 도출하였다(식 (17)).

(16)

PF m + 1 + PF m − 1 : PF m + 1 = log 2 X u − log 2 X l : log 2 X ˆ − log 2 X l

(17)

X ˆ = 2 log 2 X l + log 2 X u − log 2 X l PF m + 1 PF m + 1 + PF m − 1

이때 급구간이 일정한 배수체계인 경우 식 (17)은 식 (18)로 단순화 된다.

(18)

X ˆ = 2 log 2 X l + PF m + 1 PF m + 1 + PF m − 1

2.4. 지표군의 오탁계량치 산정

2.4.1. 지표군의 지표성

지표군의 지표성을 도출하기 위한 기준은^{Kong, Park et al. (2018)}, ^{Kong, Son et al. (2018)}과 같이 5계의 오수생물 계열 체계를 따르고 계열에 따른 BOD₅ 농도는 극빈부수성 의 1 mg L^-1로부터 2배수 체계로 구성하였다(Table 3). 생 물 고유의 내재된 특성을 고려하지 않고 변동성이 큰 수질 자료를 가지고 생물의 지표성을 결정하는 것은 한계가 있 는 것이다. 그러나 본 연구에서 사용된 수질 자료는 특정 지점에서 대부분 7년에 걸쳐 매달 측정된 자료의 평균치이 기 때문에 저서성 대형무척추동물의 긴 생활사에 부합하는 객관적인 잣대로 활용하는데 무리가 없다고 보았다.

Table 3. Scheme of BOD5concentration according to saprobic series from Kong,Park et al. (2018),Kong, Son et al. (2018)Unit: mg L-1

Xenosaprobic	Oligosaprobic	β-mesosaprobic	α-mesosaprobic	Polysaprobic
0 ~≤1.0	1.0< ~≤2.0	2.0< ~≤4.0	4.0< ~≤8.0	>8.0

k 오수생물계열에서 i 지표군의 출현속성은 식 (7)과 같 이 계량치 기반의 평균출현도(D_ik)에 상대출현빈도(F_ik)를 곱한 복합출현도(C_ik)로 고려하였는데(식 (19)), 이는 환경요 인의 급구간 대신에 Table 3의 오수생물계열을 출현도 산 정의 범위로 적용하는 차이가 있을 뿐이다.

(19)

C ik = D ik × F ik

오수생물계열별 지표군의 오탁계량치(V_ik)는 식 (19)의 복합출현도의 계열별 상대치로서 식 (20)과 같이 전체 계 량치의 합이 5가 되도록 구성하였다.

(20)

V ik = C ik ∑ k = 1 5 c ik × 5

각 지표군의 오탁지수는 출현속성별로 각 계열의 오탁계 량치(V_ik)와 각 계열에 해당하는 오수생물계열치(S_k)를 곱한 값 즉 오탁계량치가 가중된 오수생물계열치의 평균치(평균 오탁지수)로 설정하였다(식 (21)).

(21)

s i = ∑ k = 1 5 S k V ik ∑ k = 1 5 V ik = ∑ k = 1 5 S k V ik 5

SBMI는 출현한 지표군의 각 오수생물계열별 오탁계량치 합(ΣV_ik)을 가중치로 한 오수생물계열치(S_k)의 평균 값으로 제안하였다(식 (22)). SBMI는 기존 GPI와 같은 특성을 가 진 지수이지만 대상 지표군이 상이한 것 외에도 다음 사항 에서 차이가 있다. 기존 GPI에서는 각 지표군의 오탁계량 치를 1, 2, 3의 세 단계로 구분하되 그 합이 지표군별로 상 이하게 구성되었으나 SBMI에서는 각 지표군의 오탁계량치 의 합이 모두 5로서 각 지표군이 등가의 가치를 가진다. 또한 GPI에서는 지표군 중 많이 출현하는 1 ~ 2개의 지표 군의 오탁계량치를 가중하도록 하고 있으나 SBMI에서는 이를 고려하지 않았다. 이는 다수 출현 지표군에 대한 명 확한 기준이 없기도 하지만 본 연구 과정에서 다수 지표군 을 고려한 경우의 GPI 값은 이를 고려하지 않은 경우의 GPI 값에 비해 BOD₅ 농도에 대한 상관도가 오히려 근소 하게 낮아지는 경향을 확인하였기 때문이다.

(22)

Kong ' s SBMI = ∑ k = 1 5 ∑ i = 1 n V ik S k ∑ k = 1 5 ∑ i = 1 n V ik

SBMI : 간이저서동물지수(Simple Benthic Macroinvertebrates Index)

i : 출현한 지표군의 일련번호(the number assigned to the group)

n : 출현한 지표군의 총수(the number of groups)

V_ik : i 지표군의 k 계열의 오탁계량치(the saprobic valency of i group in series k)

S_k : k 계열의 오수생물계열치(the saprobic series value); 0 at k = 1 (Xenosaprobic), 1 at k = 2 (Oligosaprobic), 2 at k = 3 (β-mesosaprobic), 3 at k = 4 (α-mesosaprobic), 4 at k = 5 (Polysaprobic)

수질 또는 다른 생물 군집지수와 SBMI의 관계를 분석하 였는데, 이때 적용한 군집지수는 Table 4와 같다.

Table 4. Community indices used in this study

Indices	Equation (reference)	Components
Species diversity index	H ′ = − ∑ i = 1 S p i log 2 p i (^{Shannon and Weaver, 1949})	S : Total number of species i : Number assigned to the species p_i : Proportional abundance of i_th species (N_i/N) N : Total number of individuals N_i : Number of individuals in species i N₁ : Number of individuals in 1^st dominant species N₂ : Number of individuals in 2^nd dominant species
Dominance index	DI = N 1 + N 2 N (^{McNaughton, 1967})
Species richness Index	R = S − 1 ln N (^{Margalef, 1958})

3. Results and Discussion

3.1. 생물종의 출현특성

내재적 특성에 따라 생물종별로 달리 나타나는 출현도를 일정한 범위로 계량화하여 비교하기 위해서는 그 출현도의 규칙성을 파악하여야 한다. 종수와 개체수 간의 대수급수칙 은 오래전부터 널리 알려져 있는 사항이다(^{Engen et al., 2002}; ^{Fisher et al., 1943}; ^{Preston, 1948}). Fig. 2는 본 연구 에서 출현한 전체 종 중에서 가장 높은 상대출현빈도(61 %)를 보였던 개똥하루살이(Baetis fuscatus)와 중간 수준의 출현빈도(26 %)를 보인 플라나리아(Dugesia japonica)의 출 현개체수에 대한 정규성을 검토하고 빈도를 분석한 결과이 다. 두 종의 실개체수는 모두 정규성을 크게 벗어났으며, 이 를 변환한 Octave 개체수(개체수 n의 2배수 대수 값, log₂ⁿ) 는 정규성을 보였다. 대수정규분포를 가정하여 Octave 개체 수에 대한 확률밀도함수와 누적분포함수를 구하여 적합시 킨 결과 실측 빈도와 계산치의 차이는 거의 없었다. 본 연 구에서 나타난 대부분의 다른 종들도 정도의 차이는 있으 나 유사한 결과를 보였는데, 이는 종들의 개체수 분포가 식 (1) ~ (4)의 전제조건에 부합하며 식 (1)로 계량화할 경 우 계량치가 정규화됨을 의미하는 것이다.

Fig. 2. Normality test and frequency analysis for individual abundance of two benthic macroinvertebrate species (Left column:Baetis fuscatus, Right column:Dugesia japonica); Note octaves mean log2n, andnis individual abundance (Ind. m-2).

조사된 표본단위가 특정 환경요인 값의 범위를 가진 구 간에 치우쳐 있는 경우에 단순한 방식으로 통계량을 구하 면 실제 생물이 가지고 있는 적정 생육범위를 왜곡시킬 수 있다. 예를 들어 BOD₅ 농도가 0 ~ 1 mg L^-1인 구간과 1 ~ 2 mg L^-1인 구간에서 특정 종의 출현도에 차이가 없다할 지 라도 조사된 표본단위의 수에 차이가 크다면 출현도를 기 반으로 가중평균하거나 출현한 지점의 값만을 가지고 산술 평균한 BOD₅ 농도는 모두 그 종의 특성을 왜곡시키는 결 과로 나타날 것이다.

따라서 생물종의 생육에 필요한 환경요인의 적정범위를 평가하기에 앞서 환경요인의 분포특성을 검토할 필요가 있 는데, 일반적인 담수환경에서 측정되는 수질항목 중 수온이 나 pH 및 용존산소와 같이 대략 일정한 최빈수의 중심 값 을 가지는 경우는 정규분포를 하지만 그 외 대부분의 수질 항목의 값은 시공간적으로 정규분포를 하지 않을 수 있다.

본 연구에서 조사된 7,086개의 표본단위에서 나타난 BOD₅, 총부유물질, 총인 농도의 실농도 값은 정규성을 크게 벗어 난 반면, 이를 대수변환한 값은 정규성을 보였고 그 실측 빈도와 확률함수의 계산치 간에 차이는 거의 없었다(Fig. 3 ~ Fig. 5).

Fig. 3. Normality test and frequency analysis for concentration of BOD5in 7,086 sampling units.

본 연구에서 사용된 수질자료는 물환경측정망 지점 중 생물조사가 병행되고 있는 지점의 연평균 값이다. 같은 지 점에서 많게는 8년간 반복적으로 조사가 시행되었으므로 지점뿐만 아니라 연간의 시간적 변이를 포함하고 있는 자 료이지만 계절 또는 일간의 변이는 포함되어 있지 않다. 본 연구의 총 569개 조사지점에서 나타나는 연평균 BOD₅ 농도는 평균치가 2.2 mg L^-1, 중위수는 1.5 mg L^-1이었고 왜 도는 4.67로 정적편포하는 것으로 해석할 수 있다(Fig. 3).

연평균 TSS 농도는 평균치가 10.5 mg L^-1, 중위수는 6.6 mg L^-1이었고 왜도는 5.62로 BOD₅ 농도보다 더 큰 편포를 보였다(Fig. 4). 이는 강우 시 부유물질 농도가 이례적으로 높은 값을 보이기 때문인 것으로 판단된다. 조사지점 별 연평균 T-P 농도는 평균치가 0.115 mg L^-1, 중위수는 0.053 mg L^-1이었고 왜도는 12.86으로 BOD₅ 농도는 물론 TSS 농도보다 더 큰 편포를 보였다(Fig. 5). 이는 인의 농도가 특정 강우 사상 등에 따라 시기적인 변이가 크다는 것을 의미한다.

Fig. 4. Normality test and frequency analysis for concentration of total suspended solids (TSS) in 7,086 sampling units.

평균 BOD₅ 농도 2.2 mg L^-1은 우리나라 하천 생활환경기 준으로 볼 때 ‘좋음(Ib)’과 ‘약간 좋음(II)’ 등급의 경계치에 가까우며, Slàdeček (¹⁹⁶⁹, ¹⁹⁷³)의 기준으로는 빈부수성 범위의 중간 수준에 있는 값이다. 이와 반면 평균 T-P 농 도 0.115 mg L^-1은 환경기준으로 볼 때 ‘보통(III)’ 수준이고 ^{OECD (1982)} 기준으로는 과영양 상태에 해당한다. 종합적 으로 볼 때 우리나라 하천은 부수성에 비해 영양상태가 악 화되어 있다고 진단할 수 있다.

수질항목의 농도 값이 균등분포를 하지 않고 대수정규분 포를 보인다는 것은 조사된 표본단위가 특정 범위의 환경 요인 값을 가진 구간에 집중되어 있음을 의미한다. 이 경 우 환경요인 값을 구간으로 나누어 각 구간별 생물종의 출 현특성을 고려하여 생물에 대한 환경요인의 적합도를 평가 해야 한다. 국내에서는 ^{Kong and Kim (2017)}이 가평천에 서 물리적 환경요인인 유속, 수심, 하상재질에 대한 저서성 대형무척추동물의 서식처 적합도를 평가한 사례가 있으며, ^{Kong, Son et al. (2018)}은 BOD₅ 농도에 대하여 저서성 대 형무척추동물의 출현개체수가 대수정규분포함을 등줄하루 살이류(Teloganopsis)를 예로 들어 보여준 바 있다.

본 연구의 결과에서 각 수질항목의 농도 값이 대수정규 분포를 이루고 있음을 확인할 수 있었으므로(Fig. 3 ~ 5), 농도 값의 급구간을 배수체계로 구성한 것은 방법론적으로 무리가 없다고 할 수 있다.

Fig. 5. Normality test and frequency analysis for concentration of total phosphorus (T-P) in 7,086 sampling units.

지표군별로 수질항목의 농도 값에 대한 출현도의 유형은 상이한 것으로 나타났다(Fig. 6). 예시로 제시된 제26군 (other Trichoptera, 기타 날도래목)과 같은 청수성 지표군은 Table 1의 확률분포 함수 중 대수정규분포를 따르고, 제6 군(Clitellata, 환대강)과 같은 오수성 지표군은 변형와이블 분포를 따르며, 제8군(Asellidae, 연갑강 물벌레과)과 같이 중간적인 부수성을 보이는 지표군은 와이블분포를 따르는 경향을 보였다. Fig. 6의 예시에서 보여주는 바와 같이 총 부유물질 농도에 대하여 옆새우속(Gammarus)은 연속적인 분포를 보이지 않는데 이러한 경우 식 (11)과 식 (15)에 따 라 통계량을 도출하였다. 아마도 이러한 불연속적인 분포는 분류학적 정리가 미흡하여 청수성, 오수성 종류가 함께 포 함되어 있거나 또는 오동정에 의해 다른 종들의 개체수가 산입되어 있기 때문인 것으로 보이므로 향후 면밀한 검토 가 필요하다.

Fig. 6. Probability function of combined relative abundance of four benthic macroinvertebrate indicator groups by concentration of BOD5and TSS.

각 지표군별로 적합한 확률함수로 분석된 수질항목별 농 도의 평균, 중위수 및 97.5 백분위수는 Appendix 2 ~ 5와 같다. 출현도로 평가된 BOD₅ 농도의 중위수가 1 mg L^-1보 다 낮은 지표군은 제2군인 다슬기과, 제7군인 옆새우속, 제 9군인 톡톡이강(Collembola), 제12군인 기타 하루살이목, 제16군인 강도래목(Plecoptera), 제18군인 뱀잠자리과, 제21 군의 파리목, 제26군인 기타 날도래류목이었다(Fig. 7). 이 중 제7군인 옆새우속은 BOD₅ 농도의 분산도가 크게 나타 나는데, 이에는 위에서 언급된 바와 같이 분류학적 정리가 미흡하거나 오동정에 의한 결과가 영향을 미쳤을 가능성이 있다. 중위수 값이 10 mg L^-1을 넘는 지표군은 제4군의 연 체동물문, 제6군인 환대강, 제20군인 기타 딱정벌레목(other Trichoptera), 제22군의 파리목이었다.

Fig. 7. Median, quartile and 95 % confidence concentration of BOD5by relative abundance of benthic macroinvertebrate indicator groups.

각 지표군 별 BOD₅ 농도의 중위수와 총부유물질 농도 및 총인 농도의 중위수는 각각 선형의 관계를 보였다(Fig. 8). 제8군인 옆새우속과 제17군인 물벌레과(노린재목)는 BOD₅ 에 대한 총부유물질의 농도 비가 상대적으로 높은 곳에서 분포하는 경향을 보였다. 또한 제5군의 연체동물류, 제8군 인 물벌레류(연갑강), 제25군인 별날도래류(Ecnomidae)는 정수성인데 BOD₅에 대한 총인의 농도 비가 높은 곳에서 분포하는 경향을 보였다.

Fig. 8. Relationship between median concentration of BOD5and total suspended solids (TSS) (top), and total phosphorus (T-P) (bottom) of benthic macroinvertebrate indicator groups; Dot lines show 99 % confidence range, and numbers in the figure mean the codes of the indicator groups in Fig.7.

3.2. 오탁계량치(saprobic valency)

식 (19)와과 식 (20)을 적용하여 분석된 각 지표군의 오 탁계량치와 SBMI의 계산 절차는 Table 5와 같다. 오탁계 량치는 해당 오수생물계열에서 각 지표군이 출현할 확률과 같은 개념을 지닌 값으로서 청수성인 지표군은 극빈부수성 계열로, 오수성 지표군은 강부수성 계열로 오탁계량치가 커 지는 경향을 보였다.

Table 5. Saprobic valency of benthic macroinvertebrate indicator groups and simple benthic macroinvertebrate index (SBMI)

Taxa			Saprobic valency
Taxa			0*	1*	2*	3*	4*
Turbellaria	1	Planariidae	3	2
Mollusca	2	Pleuroceridae	3	2
	3	Cyrenidae, Sphaeriidae	1	3	1
	4	Physidae, Planorbidae		1	1	2	1
	5	other Mollusca		2	2	1
Clitellata	6	Clitellata		1	1	1	2
Malacostraca	7	Gammarus	3	1	1
Malacostraca	8	Asellidae		1	2	2
Collembola	9	Collembola	5
Ephemeroptera	10	Ecdyonurus levis, Potamanthidae, Ephemera orientalis, Serratella, Teloganopsis, Caenidae	2	2	1
	11	Baetidae	2	1	1	1
	12	other Ephemeroptera	4	1
Odonata	13	Gomphidae	3	2
	14	Calopterygidae, Macromiidae	1	3	1
	15	other Odonata		1	1	2	1
Plecoptera	16	Plecoptera	5
Hemiptera	17	Corixidae		1	2	2
Megaloptera	18	Corydalidae	4	1
Coleoptera	19	Elmidae, Psephenidae	3	2
Coleoptera	20	other Coleoptera			1	2	2
Diptera	21	Limoniidae, Pediciidae, Simuliidae, Blephariceridae, Athericidae	4	1
	22	Psychodidae, Dixidae, Culicidae, Chironomidae (red), Stratiomyidae, Syrphidae, Ephydridae, Muscidae			1	2	2
	23	other Diptera	1	1	1	1	1
Trichoptera	24	Hydroptilidae, Hydropsychidae, Psychomyiidae, Leptoceridae	2	2	1
	25	Ecnomidae		1	3	1
	26	other Trichoptera	4	1
Sum of saprobic valency corresponding to occurrent groups			a	b	c	d	e
Simple Benthic Macroinvertebrates Index (SBMI)		SBMI = a × 0 + b × 1 + c × 2 + d × 3 + e × 4 a + b + c + d + e

* Saprobic series value: 0 (xenosaprobic), 1 (oligosaprobic), 2 (β-mesosaprobic), 3 (α-mesosaprobic), 4 (polysaprobic)

3.3. 오탁지수(Average saprobic value)

식 (21)로부터 도출된 지표군별 오탁지수를 비교도시한 결과는 Fig. 9와 같다.

Fig. 9. Saprobic values of benthic macroinvertebrate indicator groups; See names of the indicator groups in Fig.7for code numbers.

오탁지수를 기준으로 구분할 때 연체동물류 중 제2군(다 슬기과)은 청수성, 제3군(재첩과와 산골조개과)은 약청수성, 제4군(왼돌이물달팽이과와 또아리물달팽이과)은 오수성, 기 타 제5군은 약오수성 연체동물류로 칭할 수 있다. 하루살 이류 중 제10군(강하루살이과 등)은 약청수성, 제11군(꼬마 하루살이과)은 약오수성, 기타 제12군은 청수성으로 구분된 다. 잠자리류 중 제13군(측범잠자리과)는 청수성, 제14군(물 잠자리과와 잔산잠자리과)은 약청수성, 기타 제15군은 오수 성으로 구분된다. 딱정벌레류 중 제19군(여울벌레과와 물삿 갓벌레과)은 청수성, 기타 제20군은 오수성으로 구분된다. 파리류 중 제21군(애각다귀과, 먹파리과 등)은 청수성, 제 22군(나방파리과, 꽃등에과 등)은 오수성, 기타 제23군은 약 오수성으로 구분된다. 날도래류 중 제24군(애날도래과, 줄 날도래과 등)은 약청수성, 제25군(별날도래과)은 약오수성, 기타 제26군은 청수성으로 구분된다.

오탁지수로 볼 때 제9군(톡톡이강), 제16군(강도래목), 제 26군(청수성 날도래목), 제18군(뱀잠자리과), 제12군(청수성 하루살이목)은 청수성 지표군으로 볼 수 있다. 하루살이류 (Ephemeroptera), 강도래류(Plecoptera), 날도래류(Trichoptera) 는 일반적으로 환경상태가 양호한 곳에서 많이 출현한다. 전체 군집에서 이들이 차지하는 종수의 비 혹은 개체수의 비를 EPT 지수라 하며 이는 환경상태를 평가하는데 적용 되기도 한다(^{Oh et al., 2011}). 본 연구의 결과에서도 이들 생물군은 낮은 오탁지수를 보이는 것으로 나타났다. 다만 향후 EPT 지수를 적용할 경우에 하루살이류 중 오수성인 제11군을 제외하고, 날도래류 중 약오수성인 제24군과 오 수성인 제25군을 제외하는 대신 제18군인 뱀잠자리과를 포 함한 지수(예를 들어 EPCT)를 적용한다면 환경평가에 대 한 변별력을 높일 수 있을 것이라 판단된다.

3.4. 기존 GPI와 SBMI 결과 비교

SBMI는 ^{Yoon et al. (1992)}의 GPI에 비해 BOD5, TSS, T-P 농도에 대한 상관도가 약간 더 높았으며(Fig. 10), 수 질항목에 따라 차이가 있으나 GPI에 비해 약 3 ~ 8 % 정도 더 높은 설명력을 가지는 것으로 분석되었다. 본 연구의 자료와 동일한 자료를 가지고 수행된 ^{Kong, Son et al. (2018)}의 연구에서 BOD₅ 농도에 대한 BMI의 상관계수는 -0.80이었고, ^{Kong, Park et al. (2018)}의 저서성 대형무척추 동물 평균생태점수(Average Ecological Score of Benthic Macroinvertebrate Community, AESB)의 상관계수는 -0.79 였다. SBMI와 BOD₅ 농도 간의 상관계수는 0.79로서 종 기반의 지수인 BMI 또는 ESB가 BOD₅ 농도와 보이는 상 관도와 큰 차이가 없었다. SBMI 지수는 BMI나 ESB에 비 해 도출 과정이 매우 간단하지만 그 적용성은 비슷한 수준 이라 할 수 있다.

Fig. 10. Relationship between (a) Simple Benthic Macroinvertebrates Index (SBMI) (b) Group Pollution Index (GPI) and concentration of BOD5, total suspended solids (TSS) and total phosphors (T-P).

SBMI는 GPI에 비해 다양도지수 등의 객관적 군집지수에 대한 상관성이 뚜렷이 더 높았으며(Fig. 11), GPI에 비해 약 11 ~ 14 % 정도 더 높은 설명력을 가지는 것으로 나타 났다. 객관적 군집지수는 연구자의 주관성이 개입되지 않은 생물군집 자체의 속성에 해당한다. 또한 환경상태가 양호할 수록 종의 다양도나 풍부도가 높아지는 반면 우점도는 낮 아지기 때문에 개략적인 환경평가의 지표로서도 활용가능 하다. SBMI가 GPI에 비해 객관적 군집지수에 대한 상관도 가 높다는 것은 환경평가에서 SBMI가 GPI에 비해 더욱 신뢰성이 있음을 의미하는 것으로 볼 수 있다.

Fig. 11. Relationship between (a) Simple Benthic Macroinvertebrates Index (SBMI) (b) Group Pollution Index (GPI) and concentration of Shannon-Weaver species diversity (H’), McNaughton dominance (DI) and Margalef species richness (R).

^{Kong, Park et al. (2018)}은 본 연구와 동일한 자료에서 AESB가 다양도 H’와는 0.86, 풍부도 R과는 0.85, 우점도 DI와는 -0.85의 상관계수를 가졌다고 보고하였다. SBMI와 해당 군집지수 간의 상관계수는 각각 -0.85, -0.87, 0.84로 서 AESB가 가지는 상관도와 큰 차이를 보이지 않았다.

SBMI는 GPI에 비해 주관적 지표지수인 BMI와 AESB와 의 상관도 역시 약간 더 높은 경향을 보였다(Fig 12). SBMI 는 BMI와 AESB의 각 구간에서 일정한 산포도를 보인 반 면, GPI는 BMI나 AESB가 낮은 구간에서 상관성이 낮고 산포도가 커지는 경향을 보였다. 즉 환경상태가 불량한 곳 에서 GPI 값의 변이가 SBMI에 비해 크게 나타나는 것으 로 해석된다.

Fig. 12. Relationship between (a) Simple Benthic Macroinvertebrates Index (SBMI) (b) Group Pollution Index (GPI) and Benthic Macroinvertebrates Index (BMI), and Average Ecological Score of Benthic Macroinvertebrate Community (AESB).

3.5. SBMI의 평가 등급

BOD₅, 총부유물질, 총인의 장기 평균농도와 SBMI 값의 다중회귀식은 식 23과 같으며 그 결정계수는 0.65였다. 이 때 BOD₅는 유기오염을, 총부유물질은 무기오염을, 총인은 영양상태를 각각 대변하는 수질항목으로 고려한 것이다 (^{Kong, Son et al., 2018}). 같은 자료에서 나타난 다중요인 의 BMI에 대한 결정계수는 0.66이었고(^{Kong, Son et al., 2018}), AESB에 대해서는 0.65였는데(^{Kong, Park et al., 2018})), SBMI와의 결정계수는 이와 비교할 때 큰 차이가 없다고 평가할 수 있다. 각 변수의 변이를 반영하여 표준 화된 회귀계수(standardized regression coefficient)는 BOD₅ 에 대하여 0.19, TSS는 0.05, T-P는 0.07으로서 BOD₅가 다 른 수질항목에 비하여 SBMI에 상대적으로 영향도가 가장 큰 것으로 나타났다.

(23)

SBMI = 1.59 + 0.28 ln BOD 5 + 0.096 ln TSS + 0.14 ln TP r 2 = 0.65

SBMI의 평가등급 체계를 설정하기 위한 BOD₅ 농도의 등급치는 ^{Kong, Park et al. (2018)}에 따라 ^{Sládeček (1973)} 의 체계를 변형한 배수 체계로 구분하였다(Table 6). 총인 농도는 ^{OECD (1982)}의 영양상태 판정기준(<0.01 mg L^-1: oligotrophic, 0.01 ~ 0.035 mg L^-1: mesotrophic, 0.035 ~ 0.1 mg L^-1: eutrophic)과 하천의 생활환경기준의 '약간 나쁨' 등 급의 경계치인 0.3 mg L^-1를 적용하여 구분하였다. 부유물 질 농도는 Ia 등급의 농도를 2.5 mg L^-1로 설정하고 배수 체계로 등급화하였다. 각 등급의 SBMI 기준 값은 각 수질 항목의 등급치를 식 (23)의 다중회귀식에 대입하여 도출하 였다.

Table 6. Scheme of SBMI based on criteria of BOD5, TSS and TP concentration

BOD₅ (mg L^-1)	TSS (mg L^-1)	T-P (mg L^-1)	SBMI calculated from Eq. (15)	Class	Environmental status	Simple Benthic Macroinvertebrates Index (SBMI)

1	2.5	0.010	1.0	Ia	Very good	0 ~ ≤1.0
2	5.0	0.035	1.5	Ib	Good	1.0< ~ ≤1.5
4	10.0	0.100	1.9	II-III	Moderate	1.5< ~ ≤1.9
8	20.0	0.300	2.3	III-IV	Bad	1.9< ~ ≤2.3
				V-VI	Very bad	2.3< ~ 4.0

평가등급은 우리나라 하천생활환경기준에 부합시키되 평 가등급을 5등급으로 통합하여 Ia는 ‘매우 양호’, Ib는 ‘양 호’, II-III는 ‘보통’, III-IV는 ‘불량’, V-VI는 ‘매우 불량’으 로 명명하여 구분하였다.

Appendix 5는 한강수계의 방태천에서 실제 조사된 자료 를 가지고 SBMI 값을 구하여 환경상태를 평가한 예를 보 여주는 것이다. 해당 조사지점은 방태천의 상류에 위치하여 환경상태가 매우 양호한 곳이었다. SBMI 값도 0.725로서 평가등급이 Ia (매우 양호)로 판정되어 육안으로 관찰되는 현장의 환경상태와 잘 부합하는 것으로 나타났다.

4. Conclusion

대체로 과(Family) 이상의 저서성 대형무척추동물의 상위 분류군으로 구성된 26개 지표군을 선별하여 해당 지표군 내의 종별 출현개체수를 계량화하여 출현도를 산정하고 부 수성을 기반으로 오수생물계열별 오탁계량치를 도출하였고, 이를 바탕으로 간이저서동물지수(SBMI)를 제안하고 그 적 용성을 검토한 결과 얻어진 결론은 다음과 같다.

기존의 GPI의 적용성이 여전히 인정되기는 하지만 수 질이나 종다양도 등의 군집지수와 SBMI의 상관성이 GPI 에 비해 약간 더 높고 해당 지표군이 최근의 분류체계로 갱신된 점을 고려하여 개선된 SBMI의 적용을 권고한다.
정확한 동정의 여부에 따라 BMI나 ESB의 신뢰성이 더 높아질 수는 있겠으나, 기존의 자료에서는 SBMI와 환경요 인 또는 종다양도 등의 군집지수 간의 상관도가 종 수준의 지수인 BMI와 ESB의 그것과 큰 차이를 보이지 않았는데 이는 SBMI 지수의 적용성이 높음을 반증하는 것이다.
SBMI는 환경상태에 대한 학술적인 평가에도 활용될 수 있으나 그 용이성의 측면에서 볼 때 초등학생 수준부터 적용가능한 것이므로 환경에 대한 조기인식을 고취하는데 도 도움을 줄 수 있다. 본 연구에 후속하여 다양한 사진, 삽화 등을 보충한 평가 매뉴얼을 작성하여 보급할 필요가 있다.
SBMI는 유수역에서 얻어진 자료로부터 도출된 것이 므로 그 적용 대상수역 역시 유수역에 한정되어야 하며, 호소나 늪지와 같은 정수역의 환경에 대한 생물학적 평가 방법은 추후 별도로 마련되어야 할 것이다.

Acknowledgement

본 연구는 2018학년도 경기대학교 대학원 연구원장학생 장학금 지원에 의하여 수행되었으며, 환경부·국립환경과학 원의 “수생태계 건강성 조사 및 평가(‘08 ~ ’13년)”와 “하천 수생태계 현황 조사 및 건강성 평가(‘14년)” 사업의 결과에 따른 것으로 이에 감사드립니다.

Appendices

Appendix 1. An example of simple water quality evaluation (by D.S. Kong at the Kapyeong stream on March 25, 1991) (^{Yoon et al., 1992c})

Taxa				Saprobic valency					●,○
Taxa				I (0)	II (1)	III (2)	IV (3)	V (4)	●,○
Turbellaria	1	Nematoda		3	2
Turbellaria	2	Planariidae		3	1				○
Clitellata	3	Oligochaeta				1	2	3	○
Clitellata	4	Hirudinea			1	3	2	1
Mollusca	5	Gastropoda			1	3	2
Mollusca	6	Pelecypoda			2	2	1
Malacostraca	7	Gammaridae		3	1
Malacostraca	8	Asellus, Neocaridina			1	3	2
Collembola	9	Collembola		3	2				○
Ephemeroptera	10	Baetis fuscatus, Cloeon dipterum, Caenidae		1	2	3	2		○
	11	Potamanthidae, Ephemera orientalis, Ecdyonurus yoshidae, Choroterpes altioculus, Teloganopsis punctisetae		1	3	1			○
	12	Other Ephemeroptera		3	2	1			●
Odonata	13	Nihonogomphus, Davidius lunatus		2	2	1
Odonata	14	Other Odonata		1	1	3	2
Plecoptera	15	Plecoptera		3	1				○
Megaloptera	16	Megaloptera		2	2	1
Trichoptera	17	Rhyacophilidae, Glossomatidae, Philophotamidae		3	1				○
Trichoptera	18	Other Trichoptera		2	3	1			○
Coleoptera	19	Elmidae, Psephenidae		2	3	1
Coleoptera	20	Other Coleoptera		1	1	2	1
Diptera	21	Tipulidae		2	2	1			○
	22	Tabanidae		1	3	1
	23	Psychodidae				1	2	3
	24	Simuliidae		2	2	1			○
	25	Chironomidae (red)					2	3
	26	Chironomidae (white)		2	3	1	1		○
	27	Blepharoceridae		3
	28	Athericidae		3	2
	29	Eristalidae					2	3
Evaluation	All groups	A(●+○)		25	22	9	5	3	I
	Abundant groups	B(●)		3	2	1
	Total	A+B		28	24	10	5	3
	GPI		28 × 0 + 24 × 1 + 10 × 2 + 5 × 3 + 3 × 4 28 + 24 + 10 + 5 + 3 = 1.01						1.01

Appendix 2. Mean (X), median X ˜ , mode X ˆ and 97.5 percentile (X_97.5) concentration of BOD₅ by the relative abundance of benthic macroinvertebrate indicator groups.

No.	Taxa	BOD₅ (mg L^-1)				Type No.

		X	X ˜	X ˆ	X_97.5

1	Planariidae	2.7	1.3	0.7	16.7	4
2	Pleuroceridae	1.0	0.9	06	2.5	2
3	Cyrenidae, Sphaeriidae	2.1	1.8	1.4	5.0	1
4	Physidae, Planorbidae	12.0	10.9	8.1	28.7	2
5	other Mollusca	8.8	5.6	3.0	29.4	4
6	Clitellata	16.9	17.4	20.2	30.1	3
7	Gammarus	1.4	0.4	0.3	6.9	4
8	Asellidae	6.1	5.8	5.0	13.0	2
9	Collembola	0.4	0.4	0.4	0.6	1
10	Ecdyonurus levis, Potamanthidae, Ephemera orientalis, Serratella, Teloganopsis, Caenidae	1.8	1.4	0.8	6.1	1
11	Baetidae	8.4	6.5	0.7	28.8	4
12	other Ephemeroptera	0.8	0.7	0.3	2.4	2
13	Gomphidae	1.7	1.1	0.6	11.6	4
14	Calopterygidae, Macromiidae	1.6	1.6	1.6	2.8	2
15	other Odonata	7.4	7.2	6.7	14.3	2
16	Plecoptera	0.4	0.3	0.3	0.9	1
17	Corixidae	6.9	5.6	3.8	19.5	1
18	Corydalidae	0.8	0.7	0.6	2.0	1
19	Elmidae, Psephenidae	1.2	1.0	0.8	2.6	1
20	other Coleoptera	11.9	11.2	9.5	25.8	2
21	Limoniidae, Pediciidae, Simuliidae, Blephariceridae, Athericidae	1.1	0.6	0.2	4.5	1
22	Psychodidae, Dixidae, Culicidae, Chironomidae (red), Stratiomyidae, Syrphidae, Ephydridae, Muscidae	16.7	17.0	18.2	29.4	3
23	other Diptera	11.4	8.4	0.7	30.4	4
24	Hydroptilidae, Hydropsychidae, Psychomyiidae, Leptoceridae	3.1	1.7	0.5	14.5	1
25	Ecnomidae	4.3	3.8	3.0	10.0	1
26	other Trichoptera	0.5	0.4	0.2	1.5	1

Appendix 3. Mean (X), median X ˜ , mode X ˆ and 97.5 percentile (X_97.5) concentration of total suspended solids (TSS) by relative abundance of benthic macroinvertebrate indicator groups.

No.	Taxa	TSS (mg L^-1)				Type No.

		X	X ˜	X ˆ	X_97.5

1	Planariidae	12.1	6.6	2.0	56.8	1
2	Pleuroceridae	10.1	4.0	0.6	57.7	1
3	Cyrenidae, Sphaeriidae	19.8	15.1	6.2	59.3	4
4	Physidae, Planorbidae	41.3	37.7	29.0	96.8	2
5	other Mollusca	32.2	28.6	19.6	80.8	2
6	Clitellata	51.8	48.4	7.0	117.4	3
7	Gammarus	24.7	21.7	0.5	61.8	4
8	Asellidae	69.0	71.4	11.7	126.0	3
9	Collembola	1.4	1.3	1.2	2.1	1
10	Ecdyonurus levis, Potamanthidae, Ephemera orientalis, Serratella, Teloganopsis, Caenidae	26.4	11.3	2.1	145.1	1
11	Baetidae	35.9	22.6	0.0	146.0	2
12	other Ephemeroptera	1.5	1.2	0.6	4.1	2
13	Gomphidae	13.9	4.9	1.3	59.0	4
14	Calopterygidae, Macromiidae	12.0	9.4	3.0	37.6	2
15	other Odonata	38.8	35.4	27.2	91.1	2
16	Plecoptera	1.7	0.4	0.0	11.2	1
17	Corixidae	43.8	43.4	43.0	75.3	2
18	Corydalidae	9.0	3.3	1.4	55.5	4
19	Elmidae, Psephenidae	12.2	5.2	2.9	79.8	4
20	other Coleoptera	41.2	37.6	28.7	97.4	2
21	Limoniidae, Pediciidae, Simuliidae, Blephariceridae, Athericidae	15.2	3.8	0.2	99.0	1
22	Psychodidae, Dixidae, Culicidae, Chironomidae (red), Stratiomyidae, Syrphidae, Ephydridae, Muscidae	63.4	63.7	69.1	124.5	3
23	other Diptera	45.1	37.0	16.4	132.2	2
24	Hydroptilidae, Hydropsychidae, Psychomyiidae, Leptoceridae	25.1	12.9	2.9	109.1	4
25	Ecnomidae	26.3	25.0	21.8	55.4	2
26	other Trichoptera	2.8	1.3	0.3	14.7	1

Appendix 4. Mean (X), median X ˜ , mode X ˆ and 97.5 percentile (X_97.5) concentration of total phosphorus (T-P) by relative abundance of benthic macroinvertebrate indicator groups.

No.	Taxa	T-P (mg L^-1)				Type No.

		X	X ˜	X ˆ	X_97.5

1	Planariidae	0.271	0.113	0.014	1.131	4
2	Pleuroceridae	0.057	0.028	0.007	0.292	1
3	Cyrenidae, Sphaeriidae	0.223	0.133	0.024	0.627	4
4	Physidae, Planorbidae	0.662	0.619	0.518	1.455	2
5	other Mollusca	0.515	0.456	0.053	1.226	4
6	Clitellata	0.708	0.738	0.875	1.214	3
7	Gammarus	0.178	0.119	0.005	0.199	4
8	Asellidae	0.475	0.444	0.370	1.049	2
9	Collembola	0.005	0.003	0.002	0.017	1
10	Ecdyonurus levis, Potamanthidae, Ephemera orientalis, Serratella, Teloganopsis, Caenidae	0.240	0.088	0.012	1.411	1
11	Baetidae	0.483	0.429	0.014	1.220	4
12	other Ephemeroptera	0.068	0.026	0.004	0.390	1
13	Gomphidae	0.081	0.038	0.009	0.420	1
14	Calopterygidae, Macromiidae	0.094	0.080	0.043	0.261	2
15	other Odonata	0.505	0.444	0.291	1.296	2
16	Plecoptera	0.013	0.011	0.008	0.037	1
17	Corixidae	0.459	0.348	0.200	1.494	1
18	Corydalidae	0.031	0.023	0.013	0.103	1
19	Elmidae, Psephenidae	0.051	0.037	0.018	0.185	1
20	other Coleoptera	0.525	0.480	0.370	1.231	2
21	Limoniidae, Pediciidae, Simuliidae, Blephariceridae, Athericidae	0.385	0.050	0.001	2.621	1
22	Psychodidae, Dixidae, Culicidae, Chironomidae (red), Stratiomyidae, Syrphidae, Ephydridae, Muscidae	0.704	0.727	0.832	1.204	3
23	other Diptera	0.522	0.410	0.129	1.639	2
24	Hydroptilidae, Hydropsychidae, Psychomyiidae, Leptoceridae	0.335	0.182	0.030	1.545	2
25	Ecnomidae	0.375	0.331	0.221	0.954	2
26	other Trichoptera	0.021	0.010	0.003	0.104	1

Appendix 5. An example of simple water quality evaluation by SBMI with data collected from an upstream site (N:38°02'32" E:128°27'42") of the Bangtae stream in June 2012.

Taxa				Saprobic valency									P/A*
Taxa				0		1		2		3		4	P/A*
Turbellaria	1	Planariidae	플라나리아과	3		2							o
Mollusca	2	Pleuroceridae	다슬기과	3		2
	3	Cyrenidae Sphaeriidae	재첩과 산골조개과	1		3		1
	4	Physidae Planorbidae	왼돌이물달팽이과 또아리물달팽이과			1		1		2		1
	5	other Mollusca	기타 연체동물문			2		2		1
Clitellata	6	Clitellata	환대강			1		1		1		2
Malacostraca	7	Gammarus	옆새우속	3		1		1
Malacostraca	8	Asellidae	물벌레과(등각목)			1		2		2
Collembola	9	Collembola	톡톡이강	5
Ephemeroptera	10	Ecdyonurus levis Potamanthidae Ephemera orientalis Serratella, Teloganopsis Caenidae	네점하루살이 강하루살이과 동양하루살이 범꼬리하루살이속 등줄하루살이속 등딱지하루살이과	2		2		1
	11	Baetidae	꼬마하루살이과	2		1		1		1			o
	12	other Ephemeroptera	기타 하루살이목	4		1							o
Odonata	13	Gomphidae	측범잠자리과	3		2
	14	Calopterygidae Macromiidae	물잠자리과 잔산잠자리과	1		3		1
	15	other Odonata	기타 잠자리목			1		1		2		1
Plecoptera	16	Plecoptera	강도래목	5									o
Hemiptera	17	Corixidae	물벌레과(노린재목)			1		2		2
Megaloptera	18	Corydalidae	뱀잠자리과	4		1
Coleoptera	19	Elmidae Psephenidae	여울벌레과 물삿갓벌레과	3		2
Coleoptera	20	other Coleoptera	기타 딱정벌레목					1		2		2
Diptera	21	Limoniidae Pediciidae Simuliidae Blephariceridae Athericidae	애기각다귀과 장수각다귀과 먹파리과 멧모기과 개울등에과	4		1							o
	22	Psychodidae Dixidae Culicidae Chironomidae (red) Stratiomyidae Syrphidae Ephydridae Muscidae	나방파리과 별모기과 모기과 깔다구과(붉은색) 동애등에과 꽃등에과 물가파리과 집파리과					1		2		2
	23	other Diptera	기타 파리목	1		1		1		1		1
Trichoptera	24	Hydroptilidae Hydropsychidae Psychomyiidae Leptoceridae	애날도래과 줄날도래과 통날도래과 나비날도래과	2		2		1					o
	25	Ecnomidae	별날도래과			1		3		1
	26	other Trichoptera	기타 날도래목	4		1
Sum of saprobic valency corresponding to occurrent groups (o)				24		9		3		2		2	Quality
Simple Benthic Macroinvertebrates Index (SBMI)			24 × 0 + 9 × 1 + 3 × 2 + 2 × 3 + 2 × 4 24 + 9 + 3 + 2 + 2 = 0.725										Ia
			0 ~ 1.0		>1.0 ~ 1.5		>1.5 ~ 1.9		>1.9 ~ 2.3		>2.3
			Ia		Ib		II~III		III~IV		V~VI

* Presence/Absence : o to occurrent groups

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