안종호
(Jongho Ahn)
1a,†iD
최미경
(Mikyong Choi)
1biD
이태환
(Taehwan Lee)
2iD
정세웅
(Sewoong Chung)
3iD
-
한국환경연구원 국토환경연구본부
(Land and Environment Research Group, Korea Environment Institute)
-
(주)하이드로코어 유역환경연구소
(Watershed Environment Research Unit, HydroCore Ltd)
-
충북대학교 환경공학과
(Department of Environmental Engineering, Chungbuk National University)
Copyright © KOREAN SOCIETY ON WATER ENVIRONMENT
Key words
Benthic macroinvertebrates, Suspended sediment (SS), Turbidity, River ecosystem
1. Introduction
하천 생태계에서 탁수(turbidity)는 수질과 생태 건강성을 저해하는 대표적인 물리적 교란 요인으로 잘 알려져 있다. 강우유출 과정에서 발생하는
부유물질(Suspended Sediment, SS)은 하천의 탁도를 급격히 증가시키며, 이는 광차단, 1차 생산력 감소, 서식처 피복 및 퇴적, 먹이원
변화 등 다양한 부정적 영향을 초래한다(Henley et al., 2000;
Mulat and Mekoya, 2024). 저서성 대형무척추동물(benthic macroinvertebrates)은 하천 생태계에서 중요한 생태학적 기능을 수행할 뿐아니라, 환경 변화에
민감하게 반응하는 지표 생물군으로 탁수 영향 평가에서 핵심적으로 다루어져 왔다(Lukhabi et al., 2024;
U. S. EPA, 2025). 많은 연구들은 탁수의 발생이 민감종(sensitive taxa)의 감소와 내성종(tolerant taxa)의 상대적 우세를 유발한다고 보고하였다(Henley et al., 2000;
Jones et al., 2012;
Ryan, 1991;
Waters, 1995;
Wood and Armitage, 1997). 특히 하루살이목(Ephemeroptera), 강도래목(Plecoptera), 날도래목(Trichoptera) 등 EPT 분류군은 탁수 증가에 취약한
종으로 널리 알려져 있으며, 이들의 감소는 군집 다양성과 생태지수의 하락으로 이어진다(Henley et al., 2000;
Lenat and Resh, 2001). 반면 깔따구류(Chironomidae)와 같은 일부 분류군은 높은 탁도 조건에서도 내성을 보이며, 교란 이후 기회주의적으로 번성하는 경향을 보인다(Mulat and Mekoya, 2024;
Resh, 2008).
이처럼 종별 반응의 차이는 탁수가 하천 생태계에 미치는 영향을 설명하는 중요한 단서를 제공하지만, 이를 정량적으로 반영한 민감도 기반 지수 개발은
아직 제한적이다. 기존 연구들은 주로 총 SS 농도나 단기적 탁도 값과 같은 단편적 지표에 의존해 생물 반응을 평가해 왔다. 그러나 이러한 접근은
하천 생태계가 실제로 경험하는 장기적⋅누적적 교란 효과를 충분히 포착하지 못한다는 한계를 지닌다(Relyea et al., 2005). 실제로, 탁수 피해는 단기적인 피크보다는 일정 기간 동안 누적된 노출량(Exposure Dose)에 의해 더 잘 설명되는 경향이 있으며, 농도와
시간 요소를 동시에 고려하는 누적 노출량(cumulative exposure), 즉 부유물질의 농도(Concentration, C)와 시간(Time,
t)의 곱으로 표현되는 C×t 개념은 고전적인 Haber's Law에 기초하여 발전해 왔고, 이후 하천 탁수⋅부유물질 연구(Bilotta and Brazier, 2008;
Henley et al., 2000;
Newcombe and Jensen, 1996) 등에서 수생태 영향 평가의 핵심 매개변수로 널리 활용되고 있다. 국내 연구에서도 탁도의 누적합(cumulative turbidity)이 EPT 분류군
및 기능적 먹이 군집 반응을 설명하는 지표로 활용된 바 있으나(Choi et al., 2024), 누적 노출 개념을 정량적 지수 개발에 직접 적용한 사례는 드물다.
한편, 하천 생태계 건강성 평가는 오랫동안 다양한 생물학적 지수를 통해 수행되어 왔다. 대표적으로 Benthic Macroinvertebrates
Index (BMI), Benthic Macroinvertebrates Streambed Index (BMSI), EPT Index 등이 있으며,
이들 지수는 종의 풍부도나 상대풍부도에 기반해 생태계 상태를 평가한다(Kong and Kim, 2016;
Kong et al., 2018;
Taborda et al., 2022). 그러나 이러한 지수들은 특정 교란 요인(예: 탁수)에 대한 종별 민감도 차이를 충분히 반영하지 못하는 한계를 가진다. 동일한 종수 감소가 두 지점에서
관찰되더라도, 그것이 민감종의 소실인지 내성종의 소실인지에 따라 생태학적 해석은 크게 달라질 수 있기 때문이다. 이러한 한계로 인해 종별 민감도를
정량적으로 반영한 새로운 지수 개발의 필요성이 지속적으로 제기되어 왔으며(Extence et al., 2013;
Jones et al., 2012;
Turley et al., 2016), 이는 향후 탁수 영향 평가의 정밀성을 제고하기 위한 연구과제로 인식된다. 따라서 본 연구는 누적탁수노출과 저서성 대형무척추동물 군집 반응 간의
정량적 관계를 규명하고, 종별 민감도를 반영한 새로운 지수(TSI-BM)를 제안함으로써, 탁수로 인한 생태계 교란을 보다 정밀하게 평가할 수 있는
기초를 마련하고자 한다.
2. Materials and Methods
2.1. 연구대상 지역 및 생물측정망 조사자료
연구대상 지역인 북한강 유역의 소양강 댐 상류는 집중강우 이후 지속적 탁수가 발생하며 취수원으로서의 수질악화 뿐만 아니라 수생태계 건강에 잠재적 위해를
초래한다(Cho et al., 2017;
Kim and Jung, 2007;
Park et al., 2017). 하천 체계는 북측의 인북천(IB-1, IB-2, IB-3)과 북천(BC-1, BC-2, BC-3)이 합류하여 IB-4 지점을 형성한 뒤 남류하여
내린천(NR-1, NR-2, NR-3)과 합류하고, 최종적으로 소양강 본류(SY-1)를 거쳐 소양호로 유입된다(Fig. 1). 유역 전체 면적은 2,707 km2로, 이 중 산림지역이 89.0%(2,409 km2)를 차지하여 가장 큰 비중을 보였으며, 농업지역은 5.2%(141 km2)에 불과하다. 세부적으로 소양강 상류 지류별 산림 점유율은 인북천 95.5%, 내린천 97.2%, 북천 86.4%로 나타났으며, 농업지 비중은 북천
9.37%, 내린천 3.83%, 인북천 0.93% 순으로 확인되었다. 따라서 북천 유역은 상대적으로 농업 활동의 영향을 많이 받는 구간으로 평가된다.
대상 유역 내 일강우량 자료는 인제 기상관측소 자료를 활용하였다(KMA, 2022). 저서성 대형무척추동물 출현종의 조사자료는 「물환경보전법」에 근거한 국가 수생태계 조사⋅평가 사업의 일환으로 환경부와 국립환경과학원이 주관하여 수행된
생물측정망 자료를 사용하였다(ME, 2022;
NIER, 2019). 조사시기는 봄(4–5월)과 가을(9–10월) 두 차례 이루어지며, 대상 지역 내 22개 생물측정망에 대해 2011년부터 2020년 기간 동안 조사된
저서형 대형무척추동물 42목 170과 912종 중 본 연구의 대상 기간⋅유역에서 출현한 세 가지 대표 수서 목(Order)인 하루살이목(Ephemeroptera),
강도래목(Plecoptera), 날도래목(Trichoptera)의 255종에 대해 분석하였다.
Fig. 1. Map of the Soyang River watershed showing bio-monitoring sites, weather stations,
rivers, and watershed boundary.
2.2. 강우-유출 모형 구축 및 탁수발생 모의
집중 강우 시 현장 기반 탁수 모니터링에는 한계를 극복하고자, 본 연구에서는 장기 시계열의 강우–유출 과정과 SS 발생을 정량적으로 모의할 수 있는
강우–유출 모형으로 Spatio-Temporal River-basin Eco-hydrology Analysis Model (STREAM)(Cho et al., 2015) v.2.5를 기반으로 한 앙상블 유역모형을 적용하였다. STREAM 모형은 대상 유역을 동일 크기의 격자로 분할하여 지형, 토지이용, 토성 등의
공간적 특성을 반영하여 모의 공간적 일관성을 확보하며, 이상 강우 사상까지 모의할 수 있다. 모델 구축을 위해 연구 대상 지역을 100 m 크기의
정방형 격자로 구분하였으며, 모의 입출력 간격은 1시간으로 설정하였다 공간 입력자료로 지형, 토지피복, 토성자료 등을 구축하였으며, 시간 입력자료로는
모의 기간인 2008년부터 2021년까지의 강우 및 기온, 풍속, 상대습도 등의 기상자료를 구축하였다. STREAM에서 유량 및 SS 농도를 모의하기
위한 주요 매개변수로는 토양의 포화수리전도도 Ksat, 대공극 발달계수 MacFactor, 지표면의 조도계수 InterrillMN, 집중류가 발생한
릴에서의 조도계수 RillMN, 토양의 포화함수율 ThetaS 등이 사용되었다(Table 1).
Table 1. Primary parameters used in the STREAM simulation
|
Parameter
|
Description(with default value in parenthesis)
|
|
Ksat
|
Hydraulic conductivity of the soil(0.2 m/day)
|
|
MacFactor
|
Macro-porosity factor induced by crop or agri. practices(1.0)
|
|
InterrillMN
|
Manning’s n value for the inter-rill flow(1.0)
|
|
RillMN
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Manning’s n value for the rill flow(0.02)
|
|
ThetaS
|
Soil water content at saturation(0.40 m3/m3)
|
앙상블 모델의 구성은 수문 모형 18개와 유사 모형 4개를 조합하여 총 72개 모형(18×4)으로 구성하였다. 수문모형은 증발산, 토양수분함량 및
수리전도도, 토양침투와 관련된 모의방법을 조합하였다. 증발산 산정을 위해 Penman-Monteith Model, Priestley-Taylor Model,
Makkink Model의 3가지 모의 방법을 사용하였으며, 토양수분함량과 수리전도도 산정을 위해 Van Genuchten Model, Brooks
and Corey Model, Campbell Model의 3가지 모의방법을 사용하였다. 토양침투량 산정을 위해 Green-Ampt Model, Phillip's
Two-Term Model의 2가지 모의방법을 사용해 총 18개 앙상블 강우유출 모델을 구성하였다(증발산 3개 × 토양수분함량 및 수리전도도 3개
× 토양침투 2개). 유사 모형은 공간적으로 지표면(overland)과 하천(channel)에서 다른 유사침식의 양태를 보이며, 이를 고려하여 지표면
유사이동 모의방법 2가지(Govers, Julien and Simons) 하천 유사이동 모의방법 2가지(Van Rijn, Engelund and Hansen)를
선정 총 4개 유사이동 방법을 조합하였다. 72개 모형을 통해 산출된 다수의 결과는 예측 신뢰도 및 결과값의 안정성을 고려하여 산술평균을 통해 단일
유량 및 SS 농도값을 생산하였다. 최종적으로 도출된 유량과 SS 자료는 저서성 대형무척추동물의 탁수 노출을 대표하기 위해 시간별 SS 농도의 누적합을
계산하는 데 활용된다. 이러한 접근은 단기적 탁수 피크가 아닌 장기적⋅누적적 탁수 노출로 인한 수생태 교란을 효과적으로 설명한다.
2.3. 저서성 대형무척추동물의 탁수민감도지수(Turbidity Sensitivity Index for Benthic Macroinvertebrates,
TSI-BM)의 개발
저서성 대형무척추동물의 출현종 조사를 기반으로 탁수 노출에 대한 민감 반응을 반영하는 지수 체계(TSI-BM)를 구축하였다. TSI-BM은 (i)
장기 누적 노출 개념(C×t)에 기반한 탁수 노출 지표의 정의, (ii) 종별 탁수 반응(민감도)의 통계적 추정과 그룹화, (iii) 민감도 가중
통합을 통한 군집 수준 지수화 및 검증의 세 단계로 개발되었다.
탁도 농도와 시간의 적분(누적 노출량)이 순간 농도나 단기 탁도 값보다 생물군집의 교란 반응을 더 잘 설명한다는 기존 연구의 전제(Bilotta and Brazier, 2008;
Lloyd et al., 1987;
Newcombe and Jensen, 1996)에 따라, 본 연구에서는 민감도 분석에 기반하여 조사 시점을 기준으로 선행 6개월 동안의 시간별 SS(부유물질) 농도를 적분하여 누적탁수노출량((Cumulative
SS Exposure)으로 정의하였다. 이는 미세퇴적물⋅탁수의 물리적 교란이 누적될수록 생물 반응이 증폭된다는 선행 연구의 관찰과도 일치하며(Lloyd et al., 1987;
Newcombe and Jensen, 1996), 기존 연구에서도 하천 교란을 설명하는 주요 변수로 활용된 바 있다(Relyea et al., 2005;
Williams and Efta, 2024).
전체 출현종의 약 77% 이상을 차지하는 하루살이목(Ephemeroptera), 강도래목(Plecoptera), 날도래목(Trichoptera)에
해당하는 255종에 대해 n≥5 조건으로 탁수노출과의 Spearman 상관분석을 실시하였다. 그 결과를 바탕으로 종별 민감도를 Table 2와 같이 네 등급(A–D)으로 분류하였으며, 음의 상관성이 강한 A⋅B 그룹은 민감종으로 정의하였다. 이러한 구분 방식은 퇴적물 및 오염 교란 연구에서
널리 적용되는 생태학적 반응기반한 분류체계에 기초하며(Extence et al., 2013;
Turley et al., 2016;
Jones et al., 2012), 상관계수 구간(ρ ≤ −0.3, −0.3 < ρ ≤ 0, 0 < ρ < 0.3, ρ ≥ 0.3)은 Cohen(1988)의 효과크기 기준과 생물학적
평가 연구(Bilotta and Brazier, 2008;
Taborda et al., 2022)의 적용 사례를 참고하여 설정하였다. 따라서 4개 그룹 구분은 통계적 구분력과 생태학적 해석가능성을 균형 있게 반영한 체계로서, 민감종과 내성종의
반응 차이를 명확히 제시할 수 있다.
Table 2. Turbidity Exposure Sensitivity Classification
|
Group
|
Sensitivity Rating
|
Sensitivity Level
|
Spearman correlation coefficient (ρ)
|
|
A
|
Highly Sensitive
|
Strong negative correlation
|
ρ ≤ -0.3
|
|
B
|
Moderately Sensitive
|
Weak negative correlation
|
-0.3 < ρ ≤ 0
|
|
C
|
Moderately Insensitive
|
Weak positive correlation
|
0 < ρ < 0.3
|
|
D
|
Highly Insensitive
|
Strong positive correlation
|
ρ ≥ 0.3
|
|
Unclassified
|
-
|
Not calculated
|
각 출현종별 점수(Score)는 개체수($N_i$), 민감도 가중치($\alpha_i$), 탁수노출 상관계수($\rho_i$)를 반영하도록 구성하였으며,
구체적 산정식은 식 (1)에 제시하였다. 상관계수의 절댓값이 1에 가까울수록 민감도가 크다고 간주하여 등급별로 최적화하였으며, 가중치($\alpha_i$)는 초기 균등값에서
출발해 상관성을 최대화하도록 단순 탐색법으로 조정하였다. 또한 계절⋅유역 단위 교차검증을 통해 과적합 여부를 점검하였다. 최종 탁수민감도지수(TSI-BM)는
식 (2)와 같이 계산하였다. 즉, A와 B 그룹 점수의 합을 전체(A–D 그룹) 점수 합으로 나눈 뒤 100을 곱하여 백분율로 산정하였다. TSI-BM 값이
높을수록 민감종이 군집 내에서 차지하는 비율을 높음을 의미한다.
TSI-BM은 기존의 종수⋅풍부도 중심 지표가 충분히 구분하지 못했던 민감종의 소실과 내성종의 우세라는 교란의 본질을 정량화함으로써, 탁수 특이적(stressor-specific)이고
누적 효과를 반영하는 군집 지표로 기능한다. 이는 탁수⋅미세퇴적물 교란 하에서 흔히 관찰되는 EPT 중심의 음의 반응과 내성⋅기회종의 대체를 지수
구조에 직접 반영한 것으로, 장기 모니터링 자료를 활용한 하천 교란 진단과 평가의 정밀도를 높이는 데 기여할 수 있다.
$Score_i$ : $i$종의 탁수노출 민감도 점수
$N_i$ : $i$종의 개체수
$\alpha_i$ : $i$종의 민감도 가중치
$\rho_i$ : $i$종의 탁수노출 상관계수
TSI-BM : Turbidity Sensitivity Index for Benthic Macroinvertebrates (탁수민감도지수)
3. Results and Discussion
3.1. 저서성 대형무척추동물 출현종 분포와 탁수노출 반응
총 42목 912종의 저서성 대형무척추동물이 조사되었으며, 이 가운데 하루살이목(Ephemeroptera), 강도래목(Plecoptera), 날도래목(Trichoptera)
등 EPT 255종이 모든 조사 지점에서 지속적으로 출현하였다(Fig. 2a). 분류군별 출현 종수는 목(order) 간 차이를 보였으며, 특히 날도래목과 하루살이목에서 상대적으로 높은 종수가 기록되었다.
누적탁수노출량과 출현 종수의 관계를 살펴본 결과, 누적 SS가 증가할수록 총 출현 종수는 전반적으로 감소하는 경향을 나타냈다(Fig. 2b). 이는 부유물질의 증가는 광차단, 서식처 피복, 먹이 자원 감소 등을 유발하여 군집의 다양성을 저해한다는 기존 연구 결과와 일치한다(Henley et al., 2000;
Mulat and Mekoya, 2024). 그러나 단순 종수 지표만으로는 탁수 노출 강도의 차이를 충분히 설명하기 어려웠다. 동일한 수준의 종수 감소가 관찰되더라도, 그것이 민감종의 소실
때문인지 내성종의 소실 때문인지에 따라 생태학적 해석은 크게 달라질 수 있기 때문이다(Resh, 2008).
이러한 한계는 기존의 생태지수들에서도 부분적으로 확인되었다. Benthic Macroinvertebrates Index (BMI)와 Benthic
Macroinvertebrates streambed Index (BMSI)는 각각 유기오염(유기물 오염 부하) 과 하상기질(물리적 서식처 교란) 을
평가하기 위해 개발된 지수로서, 탁도나 부유물질 노출을 직접적으로 반영하도록 설계된 지표는 아니다. 따라서 누적탁수노출량 증가에 따른 반응성을 검토할
때, 두 지수는 일정한 감소 경향을 보이기도 했으나 그 관계는 일관되지 않았으며, 탁도-기반 교란 강도를 정량적으로 구분하기에는 한계가 있었다. 일부
조사에서는 총 종수보다 더 큰 감소 폭을 보였으나, 이러한 변화가 특정 민감종의 소실 때문인지 혹은 내성종의 반응 때문인지는 기존 지수만으로는 구분하기
어려웠다.
결과적으로 BMI와 BMSI는 군집 수준의 전반적 변화를 포착하는 데는 유용하지만, 탁도와 같은 비특이적(secondary) 스트레스 요인에 대한
종별 민감도 차이를 설명하기에는 적합하지 않다. 반면, 본 연구에서 제안한 TSI-BM은 종별 탁수 민감도를 반영하여 민감종(A⋅B 그룹)이 군집
내에서 차지하는 비율을 지수화함으로써, 누적탁수노출량과 보다 강하고 일관된 음의 상관성을 나타냈다. 즉, TSI-BM은 기존 지수들이 설명하지 못했던
민감종 중심의 교란 반응을 정밀하게 반영하여, 하천 생태계에서 탁수 스트레스를 평가하는 데 효과적인 대안 지표로서의 가능성을 보여주었다.
Fig. 2. Distribution of benthic macroinvertebrate taxa and responses of species richness
and ecological indices (BMI, BMSI) to turbidity exposure intensity
3.2. EPT종의 탁수노출 상관성 분석 및 그룹화
EPT 종과 누적탁수노출량 간의 상관분석 결과, 상관계수는 전반적으로 -0.5에서 +0.5 범위에 분포하였으며, 평균값은 0에 가까운 정규 분포 형태를
보였다(Fig. 3a). 그러나 일부 종에서는 -1.0에 근접하는 강한 음의 상관성이 확인되었다. 등급별로 살펴보면, A 그룹(ρ ≤ -0.3; n=12)은 뚜렷한 음의
상관성을 나타내어 누적탁수노출량 증가에 따라 개체수가 크게 감소하는 전형적인 민감종(sensitive taxa)으로 분류되었다. B 그룹(-0.3
< ρ ≤ 0; n=37)은 약한 음의 상관성을, C 그룹(0 < ρ < 0.3; n=38)은 미약한 양의 상관성을 보였으며, D 그룹(ρ ≥ 0.3;
n=12)은 뚜렷한 양의 상관성을 보여 내성(resistant) 또는 기회주의적(opportunistic) 특성을 가진 종들로 해석되었다(Fig. 3b). 전체 255종 가운데 156종은 상관성이 불분명하여 미분류(Unclassified) 그룹으로 분류되었다. 이러한 결과는 종별 반응이 뚜렷하게
차별화됨을 보여준다는 점에서 중요한 의미를 가진다. 특히 A 그룹 종들은 탁수 증가에 따라 개체수가 급격히 감소하여 민감종의 특성을 잘 보여주었으며,
이는 기존 연구에서 보고된 “EPT 군집의 탁수 민감성” 결과와 일치한다(Lenat and Resh, 2001). 반대로 D 그룹 종들은 높은 탁수 조건에서 내성(resistant)을 보이거나, 교란 이후 오히려 개체수가 증가하는 기회주의적 양상을 보였는데,
이는 깔따구류와 같은 내성종⋅기회종의 특성을 보고한 기존 연구와 맥락을 같이 한다(Resh, 2008).
이와 같이 EPT 종의 상관성 분석을 통한 민감도 그룹화는 군집 내 전환대(transition zone)를 규명하는 데에도 기여한다. B 그룹과 C
그룹은 민감종과 내성종 사이의 중간적 반응을 보여 교란에 따른 군집의 점진적 전이 과정(community shift)을 반영한다. 이러한 패턴은 퇴적물
또는 미세 입자(fine sediment)가 군집 내 종 조성을 변화시키는 주요 요인임을 강조한 기존 연구 결과와도 부합한다(Relyea et al., 2005;
Taborda et al., 2022). 결과적으로, 종별 민감도 그룹화는 TSI-BM 산정의 기초 자료로서 핵심적인 역할을 하며, 민감종과 내성종의 비율을 반영함으로써 단순 종수 기반
지표의 한계를 보완할 수 있음을 시사한다.
Fig. 3. Distribution of correlation coefficients between turbidity exposure and EPT
species occurrence:
3.3. 탁수노출 강도에 대한 EPT 분류군 및 민감도 지수의 반응성 검토
탁수 노출 강도와 EPT 분류군 및 민감도 지수 간의 상관관계를 검토한 결과, 하루살이목(Ephemeroptera)은 Spearman 상관계수 ρ
= -0.140 (p = 0.015)로 약한 음의 상관성을 보였다. 반면 강도래목(Plecoptera, ρ = -0.085, p = 0.293)과
날도래목(Trichoptera, ρ = -0.061, p = 0.304)은 통계적으로 유의한 반응을 보이지 않았다(Table 3). 총 출현종수 역시 뚜렷한 상관성이 확인되지 않아, 단순 종수 기반 지표만으로는 누적탁수노출량 증가에 따른 군집 반응을 충분히 설명하기 어려움을
시사하였다. 이러한 결과는 기존 연구에서 지적된 바와 같이, 종수 감소만으로는 특정 교란 인자(예: 탁수)의 영향 메커니즘을 파악하는 데 한계가 있음을
보여준다.
반면, 본 연구에서 제안한 TSI-BM (Turbidity Sensitivity Index for Benthic Macroinvertebrates)은
Spearman 상관계수 ρ = -0.463 (p < 0.001)으로 가장 강하고 일관된 음의 상관성을 보였으며, Pearson 분석에서도 동일한
경향(ρ = -0.386, p < 0.001)을 나타냈다. 이는 TSI-BM이 기존 지수들에 비해 탁수 스트레스에 대한 민감성을 더욱 정밀하게 포착함을
의미한다. 특히 A 그룹(ρ = -0.260, p < 0.001)과 B 그룹(ρ = -0.319, p < 0.001)의 점수는 유의한 음의 반응을
보여, 누적탁수노출량이 증가할수록 민감종의 상대적 비율이 급격히 감소함을 확인할 수 있었다. 반대로 C 그룹과 D 그룹은 통계적으로 유의하지 않았으며,
이는 내성종이 탁수 환경에서 군집 내 비중을 유지하거나 증가하는 경향을 반영하는 것으로 해석된다.
누적탁수노출량 증가에 대해 가장 뚜렷한 음의 상관성을 보인 종은 하루살이목의 Ecdyonurus dracon (ρ = –0.52), Rhithrogena
semicolorata (ρ = –0.47), Baetis fuscatus (ρ = –0.44), 강도래목의 Perlodes microcephalus
(ρ = –0.46), 날도래목의 Rhyacophila nigrocephala (ρ = –0.43) 등이었다. 이들은 대부분 여울성⋅부착성 서식형으로,
탁도 및 미세퇴적물의 증가 시 부착기질 상실과 호흡방해에 의해 민감하게 반응하였다. 반면, Chironomidae와 Simuliidae 같은 부유⋅여과형
내성종은 누적탁수 증가 조건에서도 높은 출현도를 유지하였다. 이러한 상반된 반응은 TSI-BM의 구조적 근거를 뒷받침하며, 민감종 비율의 감소가 지수의
하락을 직접적으로 유도하는 핵심 요인임을 시사한다. 따라서 TSI-BM의 하락은 단순히 종수 감소의 결과가 아니라, 탁도 스트레스에 민감한 핵심종의
소실과 내성군의 상대적 우점이라는 군집 구조 변화의 반영으로 해석된다.
Table 3. Comparison of correlations between turbidity exposure, EPT taxa, and sensitivity
indices
|
Category
|
N*
|
Spearman
|
Pearson
|
|
Corr. Coeff. (ρ)
|
p-value
|
Corr. Coeff. (r)
|
p-value
|
|
Ephemeroptera
|
300
|
-0.140
|
0.015
|
-0.106
|
0.067
|
|
Plecoptera
|
155
|
-0.085
|
0.293
|
-0.090
|
0.265
|
|
Trichoptera
|
284
|
-0.061
|
0.304
|
-0.064
|
0.285
|
|
Total Species Count
|
303
|
-0.092
|
0.108
|
-0.095
|
0.100
|
|
TSI-BM
|
303
|
-0.463
|
0.000
|
-0.386
|
0.000
|
|
Σ Scores for Group A
|
312
|
-0.260
|
0.000
|
-0.308
|
0.000
|
|
Σ Scores for Group B
|
312
|
-0.319
|
0.000
|
-0.295
|
0.000
|
|
Σ Scores for Group C
|
312
|
-0.050
|
0.383
|
-0.077
|
0.175
|
|
Σ Scores for Group D
|
312
|
-0.106
|
0.062
|
-0.010
|
0.866
|
* The number of samples analysed
6개월 누적탁수노출량과 TSI-BM의 관계를 살펴본 결과, SS가 증가할수록 TSI-BM 값은 전반적으로 감소하였다(Fig. 4). 특히 누적 SS가 1.0×10⁴ mg⋅h/L 이상인 구간에서 TSI-BM 값이 낮은 수준에 집중되는 경향을 보였다. 계절별 분석에서는 봄(Spring)과
가을(Fall) 모두 유사한 감소 추세를 보였으나, 일부 가을 조사에서 더 낮은 값이 나타났다. 이는 수온, 유량, 생애사 주기 등 계절적 요인과
누적탁수노출량의 복합적 상호작용에 따른 결과로 해석될 수 있다.
종합하면, TSI-BM은 EPT 분류군 출현이나 단순 종수보다 탁수 스트레스에 민감하게 반응하는 지표임을 확인할 수 있었다. 이는 민감도 가중치를
반영한 TSI-BM이 기존 종수 기반 지표나 전통적인 생태지수(BMI, BMSI)에 비해 탁수 교란을 더욱 정밀하게 설명할 수 있음을 시사한다. 기존
연구에서도 미세퇴적물(fine sediment)이나 부유물질이 군집 구조를 변화시키는 과정에서 민감종의 소실이 가장 뚜렷하게 나타나며(Mulat and Mekoya, 2024;
Relyea et al., 2005), 이를 민감도 기반 지수로 정량화할 경우 교란 영향 평가가 강화될 수 있음이 보고된 바 있다(Williams and Efta, 2024). 따라서 TSI-BM은 탁수 스트레스 평가에서 종수 기반 지표의 한계를 보완하고, 수생태계 교란의 민감종 중심 메커니즘을 정량적으로 반영하는 정교한
진단 지표로 활용될 수 있다.
Fig. 4. Responses of TSI-BM to 6-Month Cumulative Turbidity Exposure
3.4. 탁수민감도지수(TSI-BM)의 시공간적 특성
TSI-BM의 시공간적 변화를 분석한 결과, 유역 내 조사 지점들 사이에서 뚜렷한 공간적 차이가 확인되었다(Fig. 5). 상류 소하천 지점에서는 상대적으로 높은 TSI-BM 값이 유지되었으나, 주요 지류와 본류 합류부, 토사 공급이 빈번한 구간에서는 낮은 값이 집중적으로
나타났다. 이는 토지이용 변화 및 토사 유입이 활발한 지역일수록 민감종의 소실이 뚜렷하게 나타난다는 점을 시사하며, 퇴적물과 탁수의 누적 영향이 군집
구조를 장기적으로 변화시킨다는 기존 연구와도 부합한다(Relyea et al., 2005;
Taborda et al., 2022).
봄과 가을의 TSI-BM 값은 모두 누적탁수노출량의 증가에 따라 감소하는 동일한 반응 경향을 보였으나, 가을 조사에서는 민감종의 회복 지연과 군집
구조의 불안정성이 보다 두드러졌다(Fig. 6). 이는 여름철 홍수기 동안 누적된 미세퇴적물의 잔류 효과와, 가을철 유량 감소에 따른 재부유(sediment resuspension) 및 서식처
단편화(habitat fragmentation) 가 복합적으로 작용한 결과로 판단된다. 또한, 가을철 수온 저하와 생애사 주기의 전환(예: 하루살이⋅강도래류의
탈피 및 성충화기 종료)으로 인해 민감종의 재정착 및 개체군 회복률이 낮아 TSI-BM 값이 상대적으로 더 낮게 유지된 것으로 해석된다. 이러한 현상은
탁수 교란의 직접적 영향뿐 아니라, 계절적 회복능력(seasonal resilience)과 하상 안정성의 차이가 복합적으로 작용함을 시사한다(Henley et al., 2000;
Mulat and Mekoya, 2024;
Taborda et al., 2022).
이러한 시공간적 분석을 종합하면, TSI-BM은 단순 종수나 전통적 군집 지수(BMI, BMSI)보다 공간⋅계절적 차이를 더 민감하게 포착하며, 민감종
중심의 비율 변화를 반영함으로써 교란 강도의 차이를 정밀하게 설명한다. 이는 미세퇴적물과 누적 탁수 노출이 교란 평가의 핵심 매개변수임을 강조한 선행연구와도
일치한다(Relyea et al., 2005;
Williams and Efta, 2024). 따라서 TSI-BM은 장기 누적 탁수노출량과 민감종의 반응을 정량적으로 평가할 수 있는 도구로서, 수생태계 교란 진단과 관리에 실질적인 활용 가능성을
보여준다.
따라서 본 연구에서 제안한 TSI-BM은 장기 누적 탁수노출량과 민감종의 시공간적 반응을 정량적으로 평가할 수 있으며, 기존 지표의 한계를 보완하여
탁수 스트레스 평가에 특화된 도구로 활용될 수 있다. 나아가 TSI-BM은 다양한 유역 및 시기별로 나타나는 교란–군집 반응 관계를 통합적으로 설명할
수 있는 진단 지수로서, 향후 하천 모니터링과 수생태계 관리 정책에 실질적인 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.
Fig. 5. Comparative distributions of turbidity exposure intensity, total species richness,
and TSI-BM across major monitoring sites
Fig. 6. Seasonal variation of turbidity exposure intensity, total species richness,
and TSI-BM at Site IB-4
4. Conclusion
본 연구는 북한강 유역 소양강 상류를 대상으로 저서성 대형무척추동물 군집에 대한 탁수의 영향을 정량적으로 평가하고, 이를 기반으로 새로운 민감도 지수인
TSI-BM (Turbidity Sensitivity Index for Benthic Macroinvertebrates)을 개발하였다. 누적탁수노출량은
기존 단기 농도 지표와 달리 장기간 유출⋅부유물질 유입 과정이 군집에 미치는 총체적 부담을 효과적으로 설명하였다. 또한 EPT 255종의 상관분석
결과는 종별 민감도의 차별적 반응을 보여주었으며, 이는 민감도 기반 지수의 필요성을 뒷받침한다. 제안된 TSI-BM은 민감종(A⋅B 그룹)의 비율을
지수화함으로써 누적탁수노출과 가장 강하고 일관된 음의 상관성을 나타냈으며, 공간적⋅계절적 변동을 민감하게 반영하였다. 본 연구는 누적 노출 개념을
적용한 새로운 분석 틀을 제시하고, 종별 민감도를 정량적으로 반영한 지수를 구축함으로써 기존 지표의 한계를 보완하였다.
다만 이번 연구에는 몇 가지 한계가 존재한다. 특정 유역에 국한된 적용으로 다른 유역이나 수계 특성에 대한 보편성 검증이 필요하며, EPT 군집/기능형질(Feeding
guild)/서식처 변수(유속/입도)는 고려되지 않았으며, 다변량 모델(예: GAM)로의 확장은 향후 과제로 남는다. 결론적으로, TSI-BM은 장기적
탁수 노출과 저서성 대형무척추동물 군집 반응을 정밀하게 반영하는 지수로서, 학술적으로는 탁수–생물 반응 연구의 새로운 분석 틀을 제공하고, 실무적으로는
하천 관리와 수질 정책 수립에서 탁수 스트레스 진단을 위한 효과적인 도구로 활용될 수 있을 것이다.
Acknowledgement
This work was supported by the Korea Environmental Industry and Technology Institute
(KEITI) through Aquatic Ecosystem Conservation Research Program, funded by Korea Ministry
of Environment (MOE) (RS-2-21-KE001374).
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