2.1. 분석자료

본 연구의 분석대상 호소는 환경부 물환경측정망의 81개 호소였으며, 분석에 사용된 자료는 국립환경과학원의 물환경 정보시스템에서 추출한 2013 ~ 2017년(5개년)의 자료였다 (^{NIER, 2018}). 81개 호소 중 조사지점은 191개였다.

국외의 경향과 비교분석에 사용된 수질자료는 상층부의 여 름철(6 ~ 9월) 평균치였으며, 이는 수심 5m 이내의 주로 수 심 50 cm 내외에서 채수된 시료에 대한 분석결과였다. 비교 분석에 사용된 국외 호수의 자료는 ^{Carlson (1977)}에 의한 북미 호수의 결과와 ^{Aizaki et al. (1981)}에 의한 일본의 결과 였다.

영양상태 분류기준을 설정하기 위해 분석된 수질자료는 상 층부의 연평균치였다.

2.2. 유형구분

^{Kong (2019)}은 임의적인 구분으로서 만수위 기준으로 평 균수심이 10 m 이상이고 체류시간이 30일 이상인 호소는 호 수형(lake-type), 그 외는 하천형(river-type)으로 분류하였고 (국내 81개 호소 중 호수형 34개, 하천형 47개), 유엔 식량농 업기구의 염분 기준(^{FAO, 1992})을 준용하여 전층의 연평균 자료로부터 전기전도도가 700 μS/cm을 넘는 경우 기수호로 분류하였으며(담수호 66개, 기수호 15개), 질소와 인의 존재 형태별 비교와 아울러 질소/인 비와 Chl.a의 관계 등을 자세 히 기술하였고 기존의 여러 문헌(^{Forsberg and Ryding, 1980}; ^{JMOE, 1971}; ^{Sakamoto, 1966})을 참고하여 총질소/총인의 농 도비가 10보다 작으면 질소 제한(0개), 20보다 크면 인 제한 (74개), 그 사이면 인·질소 동시 제한(7개)으로 구분하였다. 본 연구에서는 ^{Kong (2019)}의 유형화 결과를 그대로 인용하 였다.

3.1. 영양상태 지표항목 간 상관성

^{Kong (2019)}에 의하면 본 연구의 대상인 81개 호소에서 전층의 연평균 총인에 대한 총질소의 비 및 반응성인에 대한 총무기질소의 비는 기하평균치로 각각 53과 120이었다. 이 는 국내 호수에서 조류성장에 대하여 질소가 제한요인으로 작용할 가능성이 낮음을 시사한다. 국내의 내륙 수체에서 질 소에 비해 인이 제한요인으로 작용하는 것은 조류성장잠재 력에 대한 여러 실험을 통해서도 확인된 바 있다(^{Kim and Hwang, 2004}; ^{Kwon, et al., 2006}; ^{Park, et al., 1992}).

따라서 본 연구에서는 질소를 뺀 총인(total phosphorus, TP), 엽록소a(chlorophyll a, Chl.a), 투명도(Secchi depth, SD)만을 대상으로 항목 간 관계를 분석하였다. ^{Carlson (1977)}은 기존에 발표된 북미의 여러 호수(기 발표는 물론 미발표 자료를 포함 하여 분석한 것으로 기술하고 있으나 대상 호수의 목록은 제시 되지 않음)의 표층수의 여름철 자료로부터 이들 항목 간의 관 계를 도출하였고, ^{Aizaki et al. (1981)}은 1977 ~ 1980년간 일본 의 24개 담수호의 유광층의 여름철 자료를 가지고 같은 분석을 수행한 바 있다.

Table 1은 본 연구에서 도출된 관련 항목 간 회귀식과 ^{Carlson (1977)}, ^{Aizaki et al. (1981)}의 회귀식을 비교하여 정리 한 것이다. 자료의 비교 시 유의해야 할 항목은 Chl.a로서 우리 나라와 일본의 Chl.a 자료는 SCOR/UNESCO법(^{UNESCO, 1966})에 의해 측정된 것인 반면 미국의 자료는 ^{Lorenzen (1967)} 의 방법에 의한 것이다. 두 방법에 의해 측정된 Chl.a 값은 pheophytin의 포함 정도에 따라 차이가 나는데, Lorenzen법에 의한 값이 UNESCO법에 의한 값보다 0.76 배 수준으로 낮다 (^{NIER, 2006}). 따라서 기존에 UNESCO법으로 측정된 원 자료 를 통해 도출된 회귀식과 아울러 UNESCO-Chl.a (C) 값에 0.76 을 곱하여 환산한 Lorenzen-Chl.a (C_L)에 해당하는 회귀식을 함께 제시하였다.

회귀선의 경향으로 볼 때 같은 TP 농도에서 나타나는 Chl. a 농도(Fig. 1a) 및 같은 Chl.a 농도에서 나타나는 SD(Fig. 1c)는 일본 호소의 경향에 비해 현저히 낮았다. 또한 같은 TP 농도에서 나타나는 Lorenzen-Chl.a 농도(Fig. 1b)와 같은 Lorenzen-Chl.a 농도에서 나타나는 SD(Fig. 1d)는 북미 호소 의 경향에 비해 전반적으로 낮았다. 이러한 이유는 국내의 호소가 대부분 인공호로서 강우 시 유역으로부터 다량의 현 탁물이 유입되어 탁도가 높아지고, 현탁물과 함께 인의 농도 가 증가하지만 짧은 체류시간과 빛 제한으로 조류성장에 대 한 인의 이용성이 낮은데 원인이 있다(^{Kim and Jung, 2007}; ^{Kim et al., 1988}; ^{Kong, 1997a}; ^{Kong, 1997b}).

Fig. 1. Relationship between total phosphorus, Secchi depth, and Chlorophyllabased on average values during summer, 2013-2017 in 81 Korean lakes. (Solid lines, dotted lines, and thick dotted lines indicate regression, according to this study,Carlson (1977), andAizaki et al. (1980), respectively; ChlLmeans Chl.atransformed from value, by the UNESCO method of this study, to equivalent value by the Lorenzen method).

3.2. 영양상태 분류기준의 제안

TP 등 개별항목의 영양상태 분류기준은 1970년대에 여러 기관이나 학자들에 의해 제안되었으며(Table 2), 그 이후 나 라별로 또는 지역별로 약간씩 조정되어 적용되고 있으나 거 시적으로 볼 때 큰 차이는 없다. 대체로 빈영양/중영양과 중 영양/부영양의 TP 기준치(threshold)는 각각 10 ~ 15 μg L^-1와 20 ~ 35 μg L^-1, Chl.a는 2 ~ 4 μg L^-1와 6 ~ 10 μg L^-1이며, SD는 3.7 ~ 6 m와 2 ~ 3 m의 범위에 있다.

국외에서 설정된 영양상태 분류기준은 Chl.a에 대한 측정 방법, 비조류성 물질의 영향, 체류시간의 차이로 인해 국내 호소에 그대로 적용할 경우 영양상태를 왜곡하여 진단하게 될 가능성이 크다. 본 연구에서는 조류 현존량의 지표인 Chl.a를 준거로 영양상태의 분류기준치를 정하고, 국내 호소에서 나타나는 항목 간 관계를 통하여 각각 TP와 SD의 기준치를 설정하였다. 분석에 적용된 자료는 호소 상층부의 연평균치 였다. 국외의 경우 대체로 여름철 자료로 영양상태를 평가하 는 경우가 많으나(^{Aizaki et al., 1981}; ^{Carlson, 1977}; ^{Forsberg and Ryding, 1980}), 국내의 조류 현존량은 하천형 인공호에서는 겨울철과 늦여름에 높고 호소형 인공호에서는 초가을에 높기 때문에(^{Kong, 2019}) 연평균치를 분석대상으 로 정한 것이다.

Chl.a의 기준치는 ^{Vollenweider and Kerekes (1982)}의 값을 따랐다. ^{Vollenweider and Kerekes (1982)}의 기준치는 호소 전 층의 연평균 값으로 제시된 것이긴 하지만 Table 2에서 볼 수 있듯이 대략적으로 여러 기준치의 중앙값에 가깝다. 또한 이 기준치는 1982년 OECD 프로그램의 일환으로 수행된 보고서 에 수록되어 있어 “OECD 기준”으로서 보편적으로 인용 및 이용되고 있는 것이다. 여기서 ^{Vollenweider and Kerekes (1982)}의 Chl.a의 기준치는 Lorenzen 법에 의한 것이므로 그 값을 우리나라 공정시험기준인 UNESCO법의 값으로 환산하 고(UNESCO-Chl.a = Lorenzen-Chl.a/0.76) (^{NIER, 2006}) 가독 성을 위해 빈/중영양의 기준치를 3 μg L^-1, 중/부영양의 기준치 는 10 μg L^-1, 부/과영양의 기준치는 30 μg L^-1로 설정하였다. 우리나라와 같이 UNESCO법으로 Chl.a를 측정하는 일본의 자 료를 기반으로 제안된 TSI_m에서 Chl.a의 빈/중영양의 해당 값 은 약 4 μg L^-1, 중/부영양의 해당 값은 약 10 μg L^-1로 본 연구에 서 설정한 기준치와 유사한 수준이었다.

영양상태의 분류체계에서 준거항목의 기준치에 부합하는 관련항목의 기준치는 두 항목 간 상관관계를 전제로 한 회귀 식을 통해 도출된다. 이는 매우 간편한 방법이기는 하지만 항목 간 상관관계가 높지 않은 경우 실제 적용에 있어서는 몇 가지 불확실한 부분이 있다. 그 첫째는 수질항목 간 관계 가 비선형이어서 적합한 회귀식을 결정하는데 혼란이 있다 는 점이다. 수질항목 간 관계는 대체로 멱함수의 형태로 나 타나는데 이 경우 각각의 변수 값을 대수치로 변환하여 선형 화하고 최소자승법으로 회귀식을 도출한 후 다시 멱함수로 변환하는 방법이 있고, 비선형의 멱함수로 관계식을 구성한 후 실측치와 계산치의 차이의 자승합이 최소가 되는 계수를 시행착오법으로 구할 수도 있다. 이때 전자는 큰 수의 상대 적인 차이가 무시되는 반면 후자는 작은 수의 상대적인 차이 가 무시된다. 둘째는 경향을 크게 벗어나는 이례적인 수치가 있거나 독립변수의 특정 구간에 측정치가 몰려 있는 경우, 전자는 이례적인 수치로 인해 회귀선이 왜곡되고 후자는 측 정치가 적은 구간의 값에 대한 회귀선의 적합도가 낮아진다.

전국 81개 호소를 대상으로 한 본 연구의 자료 역시 수질 값이 등 간격을 이루지 못하고 대체로 작은 값 쪽으로 편포 하고 있었으며, 항목 간에 유의적인 상관성이 있었지만 산포 정도가 작지 않았고 이는 호수형 및 하천형 모두에서 같은 경향이었다(Fig. 2). 이에 따라 항목 간 원 자료의 비선형 회 귀를 통하여 도출된 관계식과 대수변환치의 선형 회귀를 통 해 도출된 관계식이 차이를 보였는데 두 식 중 어떤 식이 보 다 적합한지를 판단할 수 없었다. 또한 Chl.a의 영양상태 분 류기준치를 각각의 관계식에 적용하여 TP 또는 SD의 영양 상태 분류기준치를 도출하고 이를 기준으로 영양상태를 판 정한 결과, 이들 항목에 의한 영양상태 유형별 호소 개수는 Chl.a를 기준으로 분류된 유형별 개수와 다소 간의 차이를 보였다.

Fig. 2. Regressed power equation line according to data types (original or log-transformed) between (a) total phosphorus and chlorophylla, (b) chlorophyllaand Secchi-disc depth, based on annual average values at the upper layer, of 81 lakes in Koera (rindicates correlation coefficient, between observed value and calculated value).

이러한 모호성에 따라서 TP와 SD의 영양상태 분류기준치 를 설정하기 위해 회귀방법을 사용하지 않는 대신, 81개 호 소의 평균치에서 Chl.a의 영양상태 분류기준치(빈/중영양의 기준치를 3 μg L^-1, 중/부영양의 기준치는 10 μg L^-1, 부/과영 양의 기준치는 30 μg L^-1)의 순위와 등위인 TP 값과 역순으 로 등위인 SD 값을 각각의 잠정 기준치로 정하였다.

이와 같은 순위기반의 분류기준치 설정방식은 ^{NIER (2006)}가 한국형 부영양화 지수(Korean trophic state index, TSI_KO)의 설정 시 채택한 방법이기도 하다. 항목 간 관계식 은 빈/중영양, 중/부영양, 부/과영양에 대한 Chl.a의 기준치와 순위로 정한 TP 및 SD의 잠정 기준치에 각각 대수를 취하여 선형의 회귀식(각 영양상태의 경계에 대한 기준치이므로 n = 3)을 구한 후 멱함수로 변환하는 과정을 거쳐 도출하였 다. Fig. 3은 도출된 멱함수의 관계식에서 구한 계산치를 실 선으로 하여 원 자료와 비교한 것이다. Chl.a의 실측치와 Chl.a-TP 관계식으로 도출된 계산치 간의 상관계수는 모든 자료를 기반으로 도출된 회귀식의 상관계수(Fig. 2)와 큰 차 이가 없었다.

Chl.a의 분류기준치를 Fig. 3의 관계식에 대입하여 도출된 TP와 SD의 기준치는 Table 3과 같다. TP의 분류기준치는 기 존의 기준치 범위(Table 1)에서 대략 상위 값에 해당하였고 SD는 범위 값을 벗어났다. TP는 조류 증식의 원인물질로서 비록 몬순기에 인의 이용도가 낮더라도 다른 시기의 조류증 식에 대한 잠재적 인자로서 영양상태의 평가 항목으로서 의 미가 있다 할 수 있다. 그러나 SD는 조류증식의 결과가 반영 될 때 영양상태의 지표로 고려될 수 있는데, 몬순기에 집중 유입되는 비조류성 물질이 SD에 미치는 영향이 매우 큰 우 리나라 호수의 영양상태 판정에서 SD는 부적합한 항목으로 볼 수 있다. 이는 관련된 많은 선행 연구의 결과에서도 유추 될 수 있는 것이다(^{An, 2000}; ^{Kim and Kim, 2004}; ^{Kim et al., 1988}; ^{Kim et al., 2001}; ^{Kong, 1997a}; ^{Kong, 1997b}).

Fig. 3. Regressed power equation line according to ordinary classification, between (a) total phosphorus and chlorophylla, (b) chlorophyllaand Secchi-disc depth, based on annual average values at the upper layer, of 81 lakes in Koera (rindicates correlation coefficient between observed value and calculated value).

이에 따라 본고에서는 비록 SD의 자료를 분석에 포함하고 있지만 Table 3의 분류기준표에서 SD의 적용은 배제할 것을 권고한다. 81개 호소의 TP와 Chl.a에 의한 영양상태에 대한 평가결과는 Appendix 1과 같다. 두 항목 모두 빈영양으로 분 류된 4개 호소는 호수형 담수호로서 인 제한으로 분류된 호 소였고, 과영양으로 분류된 9개 호소는 하천형이었으며 서호 와 신갈호를 제외하곤 석호, 하구호 및 간척지 호수였다 (Table 4).

영양상태에 대한 종합적인 평가는 두 항목 중 어떤 항목이 라도 더욱 불량한 영양상태(즉 보다 부영양화된 상태)로 분 류되는 유형으로 결정할 것을 제시하며 이에 대한 개념도는 Fig. 4와 같다.

Fig. 4. Suggestion of classification scheme, for trophic state of Korean lakes.