한국 하천의 온전성 평가를 위한 저서성 대형무척추동물 다중계량지수 개발 = Development of Benthic Macroinvertebrate-based Multimetric Index for Ecological Integrity Assessment of Streams in Korea

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, the biological assessment of streams are developed to assess the ecological integrity in many countries. multi-metric index is one of the main methods for assessing the ecological integrity of stream which composed with chemical, physical and biological variables of environments. In Korea, the Benthic Macroinvertebrates Index (BMI) is currently used for assessment of streams on the national biological programs, but BMI does not reflect environmental variables other than water quality in streams. So it is difficult to represent the comprehensive status of stream. In response, This study aims to develop the Benthic Macroinvertebrate-based Multimetric Index (BMMI) to assess the ecological integrity of streams in Korea.
We used the data from 931 sampling sites of national monitoring programs from 2010 to 2020. Firstly, we categorized stream to six types based on catchment area and altitude. And we performed the Principal Component Analysis (PCA) of 8 disturbance variables that were used to screen for reference and disturbed streams. We used the first principal component score (PC1 score) as a generalized disturbance gradient and select reference and disturbed streams of each stream type by the 25th and 75th percentile value.
Secondly, We selected appropriate metrics to develop the BMMI using statistical analysis. We excluded metrics (1) with a coefficient of variation (C.V) greater than or equal to 1 or with too many zero, and selected metrics (2) with high discriminatory power by check Wilks' lambda, and (3) with high significance between reference and disturbed streams by independent samples t-test.
One of the most influential core metrics were selected from each of six categories: richness, composition, biotic index, feeding functional groups, habitat orientation groups, sensitivity. Core metrics for each stream type were quantified by a continuous scoring system with a score of 0 to 10 and rescaled to BMMI score of 0 to 100. BMMI was classified by aggregating the core metric scores, and the value range was classified to five classes (very bad, bad, moderate, good, very good). BMMI developed in this study was clearly distinguished from reference and disturbed streams, and showed significant correlation with various environmental factors. For these reasons, BMMI is considered suitable for assessment of ecological integrity of streams in Korea.

국문 초록 (Abstract)

최근 수생태계에 대한 평가체계는 하천의 생태학적 온전성을 측정하고 평가하는 방식으로 전환되고 있다. 다중계량지수(multi-metric index)는 환경요인을 복합적으로 고려하여 환경의 전반적인 상태를 평가할 수 있는 평가 기법이다. 초기 하천의 평가는 환경요인의 구배에 따른 생물종의 출현 유무 또는 수질과 같은 단일 요소 등을 기반으로 개발되었던 반면, 다중계량지수는 단순한 생물학적 수질평가 방식을 벗어나 교란이 증가함에 따라 예측이 가능한 수준으로 변화하는 생물학적 특성을 고려하여 선정된 평가요소로 수생태계를 평가할 수 있다. 미국 및 유럽국가와 같은 선진국에서는 국가적인 차원에서 하천의 생물학적 온전성을 평가하는 것에 초점을 두고 있으며, 수환경 평가 시 여러 환경요인을 통합적으로 고려하는 방식을 권장하고 있다. 이러한 흐름에 따라 본 연구에서는 현재 수생태계 모니터링에 적용되고 있는 평가 방식의 한계점을 보완함과 동시에 한국 하천의 특성을 고려하여 하천의 온전성을 평가할 수 있는 저서성 대형무척추동물 다중계량지수 (Benthic Macroinvertebrate-based Multimetric Index, BMMI)의 개발을 목표로 하였다.
저서성 대형무척추동물을 이용한 다중계량지수의 개발 시 일반적으로 평가요소의 값이 안정적이거나, 다른 평가요소와 중복되지 않거나, 환경요인과의 상관성이 높은 평가요소를 선정한다. 이때 사분위수 상자그림(Box plot)의 중첩 정도에 따라 점수를 부여하여 평가요소를 선정하거나, 중복되는 평가요소를 제거하기 위하여 상관계수를 확인하는 방식 등이 사용된다. 하지만 사분위수의 중첩 정도가 비슷한 경우에도 점수 차이에 따라 선정 또는 제거될 수 있으며, 선정 기준이 되는 상관계수는 연구자마다 기준이 모두 다르기 때문에 지수 개발 과정에 많은 차이를 보이고 있다. 개발된 지수가 객관적인 지표로 활용되기 어려울 수 있으며, 평가요소 선정 과정을 보완하여 통계분석의 결과를 활용함으로써 보다 일관적이고 정확도가 높은 방식으로 지수를 개발할 필요가 있다.
본 연구는 2010년부터 2020년까지 수행된 수생태계 모니터링 결과 중 931개 지점의 조사 자료를 이용하여 수행되었다. 우선 한국 하천의 특성을 고려하기 위하여 유역면적과 고도 기준으로 하천을 6가지로 유형화하였으며, 하천유형별 참조하천과 교란하천을 구분하기 위하여 하천의 교란요인으로 주성분분석을 수행하였다. 분석 결과로 도출된 PC1 score는 교란요인을 하나의 점수로 축약한 것이며, 이를 크기순으로 나열하여 하천별 교란의 정도를 파악하였다. 다중계량지수를 이루는 평가요소를 선정하기 위하여 선행 연구 및 문헌을 통해 생물학적 속성(category)과 관련된 후보 평가요소들를 선정하였다. 속성별 최종 평가요소를 선정하기 위하여 통계분석의 결과를 평가 기준으로 활용하였다. 첫 번째로, 평가요소의 변동계수로 변이성을 검토하였으며, 값이 매우 작은 평가요소는 제외하였다. 두 번째로, 판별분석을 수행하여 참조하천과 교란하천을 변별력있게 구분하는 평가요소를 선정하였다. 세 번째로, 독립표본 t-검정을 수행하여 참조하천과 교란하천에 간 유의한 평균 차이를 나타내는 평가요소를 선정하였으며, 유의성의 크기에 차이가 없어 선정이 불가한 평가요소들은 변동계수를 비교하여 더 작은 값을 갖는 평가요소를 최종적으로 선정하였다. 평가요소는 일련의 점수로 계량화되었으며, 평가요소의 합을 이용하여 최종적으로 저서성 대형무척추동물 다중계량지수(BMMI) 점수를 도출하였다. 백분위수 확률분포에 따라 등급 기준치를 설정하였으며, 5개의 평가 등급으로 구성된 하천의 온전성 평가체계를 제시하였다. 본 연구에서 개발된 BMMI는 하천유형별 참조하천과 교란하천을 변별력있게 구분하였으며, 기존의 생물지수와 비교하였을 때 하천의 종합적인 환경 상태를 더욱 적절하게 대변하는 것으로 나타났다. BMMI가 국내 하천의 종합적인 환경 평가에 활용될 수 있을 것으로 기대되며, 추가적인 분류학적 개선 및 조사 자료의 축적을 통해 향후 저서성 대형무척추동물에 의한 수생태계 평가가 단일평가 체계에서 온전성 평가를 위한 다중계량지수 평가체계로 전환되는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 생태학적 온전성 평가 4
• 제 1 절 참조상태 및 참조하천 4
• 제 2 절 생태학적 온전성 5
• 제 3 절 다중계량지수 6
• 제 1 항 국내 연구사례 8
• 제 2 항 국외 연구사례 17
• 제 3 장 연구 내용 및 방법 27
• 제 1 절 자료수집 27
• 제 2 절 하천유형화 27
• 제 3 절 참조하천 및 교란하천 선정 30
• 제 1 항 교란요인 선정 30
• 제 2 항 주성분분석 31
• 제 4 절 다중계량지수 개발 38
• 제 1 항 후보 평가요소 38
• 제 2 항 변이성 검토 42
• 제 3 항 판별분석 43
• 제 4 항 독립표본 t-검정 44
• 제 5 항 하천유형별 평가요소 점수화 45
• 제 6 항 다중계량지수 등급화 46
• 제 4 장 연구 결과 47
• 제 1 절 참조하천 및 교란하천 선정 48
• 제 1 항 주성분분석 48
• 제 2 항 적합성 검토 57
• 제 2 절 다중계량지수 평가요소 선정 77
• 제 1 항 변이성 검토 77
• 제 2 항 정규성 검정 90
• 제 3 항 판별분석 93
• 제 4 항 독립표본 t-검정 132
• 제 5 항 하천유형별 평가요소 선정 147
• 제 3 절 다중계량지수 개발 149
• 제 1 항 평가요소 계량화 및 점수 도출 149
• 제 2 항 하천유형별 온전성 등급체계 설정 149
• 제 4 절 다중계량지수 적용성 검토 152
• 제 1 항 변별력 검토 152
• 제 2 항 다중계량지수와 기존 생물지수 비교 154
• 제 5 절 고찰 166
• 제 1 항 참조하천 및 교란하천 선정 기준 166
• 제 2 항 평가요소 선정을 위한 통계분석 활용 167
• 제 3 항 저서동물지수 한계점 보완 168
• 제 4 항 다중계량지수 등급 체계 169
• 제 5 장 결 론 172
• 참고문헌 174
• Abstract 186