2.1. 분석자료

본 연구의 분석대상 호소는 환경부 물환경측정망의 81개 호 소였으며, 분석에 사용된 자료는 국립환경과학원의 물환경정 보시스템(http://www.water.nier.go.kr)에서 추출한 2013 ~ 2017 년 (5개년)의 자료였다(^{NIER, 2018}). ^{Carlson (1977)}의 TSI_C 와 ^{Aizaki et al. (1981)}의 TSI_m의 산정에는 상층의 여름철(6 ~ 9월) 평균, TSI_KO는 전층의 연평균, TSI_KON의 산정은 상층 의 연평균 자료가 적용되었다. 상층의 자료는 수심 5 m 이내 의 주로 수심 50 cm 내외에서 채수된 시료에 대한 분석결과 였다. 호수의 규모, 염분 유형, 제한요인의 분류는 ^{Kong (2019)}의 결과를 이용하였다.

2.2. 통계처리

항목 간 TSI의 절대적 차이는 변수 간 평균제곱근편차(root mean square deviation, RMSD)(식 (1))를 비교대상 변수(y_i) 의 범위로 나누어 표준화한 NRMSD (normalized RMSD)(식 (2))로 평가하였다. 이와 더불어 차이의 방향성과 그 정도는 평균편차(mean deviation, MD)(식 (3))를 표준화한 NMD (normalized MD)(식 (4))로 평가하였다.

3.1. TSI 간 상관성

^{Carlson (1977)}은 호수의 투명도(Secchi depth, SD)가 64m 일 때 지수 값을 0으로 하고, 투명도가 1/2로 감소할 때마다 그 값이 10씩 감소하는 로그함수 식을 고안하였다((식 (5)). 이어서 북미 여러 호수의 표층의 여름철 자료에서 도출된 투 명도와 TP 및 Lorenzen법으로 측정된 Chl.a 농도의 관계로 부터 식 (6)과 (7)을 제안하였다. 식 (6)에 대하여 원문에서는 Chl.a를 Chl로 표기하였으나 본고에서는 UNESCO법으로 측 정된 Chl.a와 구분하기 위하여 Chl_L로 표기하였다.

^{Carlson (1977)}은 TSI_C에 대한 영양상태의 분류기준치를 제시하지는 않았으나 일반적으로 이 지수의 40 ~ 50 범위가 중영양상태로 평가되어 왔다. ^{Carlson and Simpson (1996)}은 TSI_C 값의 범위에 따른 영양상태를 구분하고 이에 따른 환경 상태와 이수(water use)에 대한 이해표를 제시하였는데, 이에 따르면 TSI_C가 40미만은 빈영양, 40 ~ 50은 중영양, 50 ~ 70 은 부영양, 70초과면 과영양이다.

^{Aizaki et al. (1981)}은 Chl.a 농도 0.1 μg L^-1에 대한 지수 값을 0, 1,000 μg L^-1는 100으로 정하고 그 사이는 Chl.a 농 도가 2.5배 증가할 때 그 값이 10씩 증가하는 로그함수 식을 고안하였다(식 (8)). 다음으로는 항목 간의 회귀식으로 식 (8) 을 치환하여 각각 식 (9)와 (10)을 제안하였다.

Fig. 2는 국내 81개 호수 상층부의 여름철 수질의 평균치 를 가지고 TSI_C와 TSI_m을 구하고 항목별로 비교한 것이다. 이때 TSI_C(Chl_L)은 UNESCO법으로 측정된 Chl.a에 환산계 수 0.76을 곱하여 Lorenzen-Chl.a로 변환한 후 적용한 것이 다. 지수 값의 차이를 대변하는 NRMSD와 차이의 방향성을 나타내는 NMD로 볼 때, Chl.a에 대한 TSI 값은 TP의 TSI 값(Fig. 1a, 1b)보다 낮았고 SD의 TSI 값(Fig. 1c, 1d)보다는 더욱 낮았으며, 그 경향은 TSI_C(Fig. 1a, 1c)보다 TSI_m(Fig. 1b, 1d)에서 더욱 현저하였다.

^{Kim et al. (1988)}은 한강수계 인공호의 자료에 TSI_C와 TSI_m을 적용한 결과 Chl.a와 TP의 TSI는 높은 상관관계를 보인반면 SD의 TSI는 Chl.a 또는 TP의 TSI와 약간 낮은 상 관도를 보였는데, 그 원인은 무기현탁물이 유입하는 경우 총 인과 식물플랑크톤의 증가 없이 투명도가 감소하기 때문이 라고 추정하였다. 또한 ^{Kim et al. (1988)}의 결과를 살펴보면 본 연구의 결과처럼 SD의 TSI_m 값이 Chl.a 또는 TP의 해당 값보다 매우 높음을 확인할 수 있다. 이는 비교대상이 되는 일본의 호수들의 영양상태가 가지는 특성이 국내 호수의 그 것과 상대적으로 더 큰 차이가 있음을 의미하는 것이다.

^{Carlson (1992)}은 TSI_C(Chl)에 대한 TSI_C(TP)와 TSI_C(SD) 의 편차를 4분면으로 분할하여 각각의 특성을 고찰하였는데, 이 중 제3사분면은 용존유기물 또는 비조류성 고형물로 투 명도가 낮아 조류성장에 대한 인의 이용성이 낮은 상태에 해 당한다. 우리나라의 인공호에는 몬순기에 비조류성 고형물과 함께 인이 다량으로 유입되지만 같은 시기에 수반되는 높은 탁도와 짧은 체류시간으로 인해 조류증식에 대한 인의 이용 성이 상대적으로 낮다는 것이 여러 선행연구를 통해 밝혀진 바 있다(^{An, 2000}; ^{Kim and Kim, 2004}).

본 연구의 결과에서도 TSI_C와 TSI_m 의 항목 간 편차 값은 모두 제3사분면에 집중되어 산포하였다(Fig. 2). 이는 비조류 성 물질에 의한 빛 차단의 영향이 큼을 의미한다. ^{Kong (2019)}은 본 연구와 같은 자료에 대한 분석을 통해 여름철 상층부의 소광(light attenuation)에 미치는 영향도는 비조류 성 고형물(tripton)이 39 %, 유색용존유기물(colored dissolved organic material, CDOM)이 37 %, 조류가 21 %라고 보고하 였다. 즉 여름철에 호소 상층부의 비조류성 물질에 의한 소 광도는 조류에 의한 것보다 약 4배에 달하는데 이는 몬순기 에 집중된 강우와 호수의 짧은 체류시간과 관련된 결과로 보 인다. 조류 현존량의 지표인 Chl.a를 영양상태의 준거치로 볼 때, Chl.a에 대한 잠재적 지표인 인 또는 그 결과적 지표 인 투명도에 대한 외국의 기준을 우리나라 호소에 여과 없이 적용하면 영양상태를 과대평가하는 결과를 초래하게 됨을 확인할 수 있다.

3.2. 한국 영양상태지수(TSI_KON)의 제안

^{NIER (2006)}의 TSI_KO는 환경부 호소수질측정망 대상 호소 와 한국농어촌공사의 수질측정망 대상 농업용저수지를 포함 한 500여개 호소의 2000 ~ 2002년간 3 ~ 10월의 자료에서 각 항목별로 측정치의 25 백분위수는 40으로, 75 백분위수는 60이 되도록 계수를 조정한 것이다(식 (11) ~ (14)). 식 (14)의 종합TSI_KO는 COD에 50 %, Chl.a와 TP는 각각 25 %의 가중 치를 부여하여 합산한 것이며, 영양상태의 분류는 종합TSI_KO 가 30미만은 빈영양, 30 ~ 50미만은 중영양, 50 ~ 70미만은 부영양, 70이상은 과영양으로 정하고 있다.

본 연구에서는 호 내의 영양상태에 따른 내부생산의 잠재성 과 정도 및 그 영향을 평가하는 지수의 개발에 중점을 두고 전통적인 지표항목인 Chl.a, TP, SD를 선정하여 검토하였다.

TSI 식은 Chl.a 농도가 0일 때 0, 무한대일 때 100이 되는 Monod 모형(^{Monod, 1949})으로 구성하였다(식 15). 지수 값 이 50이 되는 반포화상수는 10 μg L^-1로 정하였다. 이에 따 르면 ^{Kong and Kim (2019)}이 제안한 중/부영양의 기준치인 Chl.a 농도 10 μg L^-1에 대한 지수치가 50, 부/과영양의 기준 치인 Chl.a 농도 30 μg L^-1에 대한 지수치는 75가 된다 (Table 1). 지수명은 기존의 TSI_KO와 구분하기 위하여 한국 영양상태지수(New trophic state index of Korea, TSI_KON)로 명명하였다.

TP와 SD의 기준치는 ^{Kong and Kim (2019)}이 도출한 관 계식 (16)과 (17)로 식 (15)를 치환하여 구하였다(식 (18), 식 (19)).

여기에서 Monod 모형의 식 (11)을 포함하여 식 (14)와 (15) 는 모두 영양물질에 대한 생물 반응의 MMF 모형(Morgan-Mercer-Flodin Model; ^{Morgan et al., 1975})의 특수 형(초기 값 또는 최종 값이 0이 되는 형태)이다. 본 연구에서 영양상 태지수에 생물의 성장 모형을 접목한 것은 인의 농도에 따른 조류의 성장률 및 그에 따른 조류 현존량의 변화를 영양물질 에 대한 조류 반응의 연쇄적인 결과로 가정하였기 때문이다.

^{Lee et al. (2014)}은 국내 2개의 자연호(우포늪, 화진포호) 와 34개 인공호의 표수층(0.5 m 수심)에 대한 각각 연 6회의 자료로부터 TOC, Chl.a, TP, Turbidity, COD, 부유물질(SS), SD, 총질소(TN)에 대한 MMF 모형 기반의 LQI (Lake Water Quality Index)를 개발한 바 있다. 이 지수는 수질 값과 이에 해당하는 누적빈도 간 회귀식을 기반으로 산출된 것으로 1/2 의 누적빈도에 해당하는 수질의 지수 값이 50이 되도록 구성 된 것이다. 따라서 LQI는 호수의 영양상태에 기반한 분류라 기보다는 해당 조사 시기에 국내의 대상호수에서 나타난 수 질 값의 확률분포라 할 수 있다. 본 연구의 TSI_KON 식은 영 양상태의 분류기준치에 부합하는 계수로 구성되었다는 점과 사용된 자료가 전국 81개 호수의 5년간 월 1회 또는 주간 1 회의 광역적 고빈도 자료였다는 점에서 차이가 있을 뿐 근본 적인 개념은 ^{Lee et al. (2014)}의 연구와 차이가 없다. LQI는 TSI와는 반대의 개념을 지닌 지수이므로 기존 LQI 식에서 100을 뺀 지수를 LQI'라 할 때, Chl.a, TP, SD에 대한 LQI' 는 식 (20) ~ (22)와 같다.

위에서 논의된 TSI_C, TSI_m, TSI_KO는 모두 로그함수로 구성 된 것이다. 이는 양 극단에서 음의 수 또는 100을 넘는 수가 나타나게 된다(Fig. 3a). 또한 TSI_C와 TSI_m은 중영양에 대한 TSI 값이 40 ~ 50으로 좁아 변별력이 약하다. 즉 TSI_C에서 Lorenzen 법으로 측정된 Chl.a의 중영양 범위 2.6 ~ 7.3 μg L^-1에 해당하는 TSI 값의 범위는 40 ~ 50에 불과하다. 또한 TSI_m에서 UNESCO법으로 측정된 Chl.a의 중영양 범위 4.1 ~ 10.3 μg L^-1에 대한 TSI 값 역시 40 ~ 50에 불과하여 변별력 이 높지 않다. 즉 중영양에 대한 Chl.a 농도의 범위는 대략 2 ~ 10 μg L^-1의 범위로 설정되어 있는데(^{Forsberg and Ryding, 1980}; ^{Rast and Lee, 1978}; ^{U. S. EPA, 1974}; ^{Vollenweider and Kerekes, 1982}), 이 구간에 대한 Carlson의 TSI와 Aizaki 등의 TSI의 변화율은 상대적으로 작기 때문에(Fig. 3b) 단위 기준의 범위나 지수 값의 범위나 큰 차이가 없다. 대체로 많 은 호수들이 중영양상태를 보인다는 점을 감안할 때, 이러한 등급체계로는 단위기준의 비선형체계를 선형화하고 변별력 을 높인다는 TSI의 장점을 살릴 수 없다.

TSI_C와 TSI_m과 비교할 때 TSI_KO와 TSI_KON은 중영양의 구 간 값이 각각 30 ~ 50, 23 ~ 50으로서 해당 구간의 영양상태 에 대한 변별력이 높다. 반면 두 지수는 지수 값의 양 극단 에서 차이를 보이는데 TSI_KO는 Chl.a가 0.48 μg L^-1보다 낮 아지면 음의 값이 되고(Fig. 3c), Chl.a가 188 μg L^-1보다 커 지면 100을 넘는 값이 된다(Fig. 3d). 이는 각각 극빈영양 (ultra-oligotrophic)과 과영양 구간에서 TSI_KO의 변별력이 낮 거나 적용이 불가함을 의미한다. 이러한 로그함수에 의한 부 영양화지수에서 지수 값의 양 극단에서 변별력이 낮아지는 점은 ^{Lee et al. (2014)}에 의해 논의된 바 있다. 우리나라의 주요 호소의 상층부 연평균 Chl.a가 188 μg L^-1을 넘는 경우 가 흔한 것은 아닐지라도 TSI_KO는 극단적인 영양상태에 대 한 평가와 관리에는 적용성이 낮다고 할 수 있다. 반면 TSI_KON은 Monod 형으로 구성되어 있으므로 지수 값의 양 극단에서 로그함수가 갖는 한계점은 나타나지 않으며 반포 화상수를 낮추어 중하위수준에서의 변화율 즉 변별력을 높 일 수 있는 장점이 있으나 지나치게 낮은 반포화상수를 적용 하면 우 극단의 변별력이 떨어진다.

LQI는 빈/중영양의 경계치인 Chl.a가 3 μg L^-1 내외에서 변화율이 최대가 되며, 전반적으로 중영양 구간에서 다른 지 수에 비해 변별력이 높다(Fig. 3a, 3b). 반면 영양상태가 하위 수준에서 지수 값이 상대적으로 작고 변별력이 낮으며(Fig. 3c), 고위수준에서는 지수 값이 상대적으로 크고 변별력이 낮다(Fig. 3d). 이는 LQI가 영양상태의 분류보다는 국내 호 소에서 나타나는 수질분포의 해석에 중점을 두고 도출된 것 이기 때문이다.

Table 2는 기존의 TSI_KO와 본 연구의 TSI_KON의 등급체계 와 관련 수질항목의 해당 값을 비교한 것이다. 전체적으로 볼 때 TSI_KO와 TSI_KON의 영양상태 기준치에 해당하는 Chl.a 와 TP 농도의 기준치는 유사한 수준이며 부/과영양의 TP 기 준치가 TSI_KO에서는 93 μg L^-1로, TSI_KON에서는 80 μg L^-1로 다소 큰 차이를 보이는 정도였다.

개별항목별 TSI_KON의 관계에서 NRMSD는 13 ~ 15 % 수준 이었으며, NMD로 볼 때 TSI_KON(TP)가 TSI_KON(Chl)과 TSI_KON (SD)에 비해 약간 낮게 평가되는 결과를 보였으나 그 정도는 크지 않았다(Fig. 4a, 4c). TSI_KON의 개별지수 간 편차의 4분 면 해석(Fig. 4d)에서 산포 정도는 TSI_C나 TSI_m에 비해(Fig. 2) 크고 편포 정도는 현저히 적었는데, 전자는 지수 간 변별 력의 차이에 따른 것이며 후자는 지수 간 적합도의 차이에 따 른 것으로 판단된다.

본고에서 SD에 대한 영양상태지수를 식 (19)와 같이 제시 하고 있지만 종합적인 영양상태 평가에서는 SD 지수를 배제 할 것을 권고한다. 조류 증식의 원인물질인 인도 수온, 강우 등의 다른 요인의 영향으로 시기에 따라 조류 현존량과의 상 관성이 낮을 수 있다. 그러한 경우에도 체류시간이 긴 호소 에서 인은 영양상태에 대한 잠재적인 인자로서 의미가 있다. 이와 반면 SD는 조류증식의 결과물이기 때문에 SD의 값이 다른 요인에 의해 영향을 크게 받는다면 영양상태의 평가항 목으로 적용하기 어렵다(^{Kong and Kim, 2019}). 몬순기에 비 조류성 고형물질이 집중유입되는 우리나라 호수에서 SD는 영양상태의 평가항목으로서 적합하지 않다고 볼 수 있다.

따라서 TSI_KON(SD)는 여러 조건에서 나타나는 결과의 비교 분석을 위한 참고 지수로 활용하고, 영양상태에 대한 종합 평 가에는 TSI_KON(TP)와 TSI_KON(Chl)만을 적용할 것을 권고한다. 이때 종합 TSI_KON 값은 ^{Kong and Kim (2019)}의 TP와 Chl.a 의 복합평가 개념에 따라 TSI_KON(TP)와 TSI_KON(Chl)의 두 값 중 더 큰 값을 선택(최저상태평가)하며(식 (23)), 이를 바탕으 로 최종적인 영양상태를 판정할 것을 제안한다(Fig. 5).

이상의 평가방법에 각 TSI에 의한 81개 호소의 영양상태 에 대한 평가결과는 Appendix 1, 2와 같다. TSI_C 및 TSI_m과 비교할 때 TSI_KO 및 TSI_KON에 의한 영양상태 평가결과는 빈 영양 및 중영양의 비율이 상대적으로 높고 부영양의 비율이 낮았다(Fig. 6). 이는 국외의 영양상태지수를 가지고 국내 인 공호의 영양상태를 평가하는 경우 영양상태가 부영양으로 치우칠 수 있음을 의미하는 것이다.

TSI_KO에 의한 영양상태 평가결과와 비교할 때 TSI_KON에 의한 결과는 빈/중영양으로 분류되는 호소가 적어지고 부/과 영양으로 분류되는 호소가 많아졌다. 이러한 차이는 TSI_KO에 비해 TSI_KON의 중/부영양의 기준치가 다소 강화되어 있고 (Table 2), 종합 TSI 산정 시 TSI_KO는 개별항목 값의 가중평 균(식 (14))인 반면 TSI_KON은 최저상태평가(식 (23))에 의한 것이기 때문이다. 또 다른 이유는 각 지수별로 COD_Mn 또는 SD의 적용유무와 아울러 전층과 상층의 수질차이에서 비롯 된 변이일 것이다.

TSI_KO와 TSI_KON의 평가결과는 정확성 또는 타당성의 차이 로 비교될 수 있는 것이 아니라 각각의 적용 대상에 따라 해 석을 달리하여야 하는 것일 뿐이다. 즉 외부 유기물의 유입 을 포함한 호수 전층의 영양상태에 대한 지표인 TSI_KO에 의 해 중영양으로 분류되는 호소가 조류의 내부생산에 중점을 둔 상층부의 영양상태에 대한 지표인 TSI_KON에 의해서는 부 영양으로 분류되는 경우가 일부 있었다고 해석하는 것이 적 절할 것이다.

TSI_KON에 의한 평가결과 빈영양호로 분류된 4개 호소는 모두 호수형 담수호로서 인 제한으로 분류된 호소였고, 과영 양으로 분류된 15개 호소는 모두 하천형이었으며 서호, 신갈 호, 예당지, 주남저수지를 제외하곤 석호, 하구호 및 간척지 호수였다(Table 3).