Trophic State Index (TSI) and Empirical Models, Based on Water Quality Parameters, in Korean Reservoirs

The purpose of this study was to evaluate trophic conditions of various Korean reservoirs using Trophic State Index (TSI) and predict the reservoir conditions by empirical models. The water quality dataset (2000, 2001) used here were obtained from the Ministry of Environment, Korea. The water quality, based on multi-parameters of dissolved oxygen (DO), biological oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD), total phosphorus (TP), total nitrogen (TN), suspended solid (SS), Secchi depth (SD), chlorophyll-${\alpha}$ (CHL), and conductivity largely varied depending on the sampling watersheds and seasons. In general, trophic conditions declined along the longitudinal axis of headwater-to-the dam and the largest seasonal variations occurred during the summer monsoon of July-August. Major inputs of TP occurred during the monsoon (r=0.656, p=0.002) and this pattern was similar to solid dynamics of SS (r=0.678, p<0.001). Trophic parameters including CHL, TP, SD, and TN were employed to evaluate how the water systems varies with season. Trophic State Index (TSI, Carlson, 1977), based on TSI (CHL), TSI (TP), and TSI (SD), ranged from mesotrophic to eutrophic. However, the trophic state, based on TSI (TN), indicated eutrophic-hypereutrophic conditions in the entire reservoirs, regardless of the seasons, indicating a N-rich system. Overall, nutrient data showed that phosphorus was a primary factor regulating the trophic state. The relationships between CHL (eutrophication index) vs. trophic parameters (TN, TP, and SD) were analysed to develop empirical models which can predict the trophic status. Regression analyses of log-transformed seasonal CHL against TP showed that the value of $R^2$ was 0.31 (p=0.017) in the premonsoon but was 0.69 (p<0.001) during the postmonsoon, indicating a greater algal response to the phosphorus during the postmonsoon. In contrast, SD had reverse relation with TP, CHL during all season. TN had weak relations with CHL during all seasons. Overall, data suggest that TP seems to be a good predictor for algal biomass, estimated by CHL, as shown in the empirical models.

우리나라 대형 인공호에서 영양상태 평가 및 수질 변수를 이용한 경험적 모델 구축

본 연구의 목적은 부영양화도 지수(TSI)를 이용하여 우리나라 호소의 영양 상태를 평가하고, 경험적 모델(Empirical model)에 의한 호소의 상태를 예측하기 위한 것이다. 연구에 사용된 수질 자료(2000, 2001)는 환경부 DB시스템에서 획득하였으며 이용된 변수는 용존산소(DO), 생물학적 산소 요구량(BOD), 화학적 산소 요구량(COD), 총인 (TP), 총질소 (TN), 부유물질 (SS), 투명도(SD), 엽록소-${\alpha}$ (CHL), 전기전도도 (Cond.)였다. 이런 수질 변수의 농도는 측정된 수계 및 계절에 따라 변이양상을 보였다. 일반적으로, 영양상태(Trophic state)는 상류로부터 댐으로 감소하는 경향을 보였으며, 계절적 변이는 여름 장마기 (7${\sim}$8월)동안 크게 발생했다. TP의 주된 유입은 장마기 (r=0.656, p=0.002)동안 일어났고, 이런 현상은 SS(r=0.678, p<0.001)와 유사한 경향을 보였다. CHL, TP, SD 및 TN을 포함한 수질변수는 계절에 따른 수계내의 영양상태를 평가하는 방법에 적용되었다. Carlson(1977)의 부영양화도지수(TSI)에 기초한 수계 내 TSI(CHL), TSI(TP)및 TSI(SD)는 중영양-부영양 상태를 보였다. 한편, TSI(TN)은 계절에 관계없이 전체 호소 내에서 TN농도가 풍부한 부영양-과영양 상태를 보였다. 따라서, 인은 호소 내 영양 상태를 조절하는 주요인자가 된다. CHL와 다른 수질 변수(TP, TN,그리고 SD)사이의 관계를 분석하기 위한 경험적 모델(Empirical model)이 개발되었다. 로그-전환 회귀분석에서 CHL-TP는 장마 전기 $R^2$ 값이 031(p=0.017)이었으나 장마 후기에는 0.69(p<0.017)로 장마 후기 인이 조류 성장에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이와 대조적으로, SD는 TP, CHL증가에 대해 감소하는 경향을 보였고 TN은 모든 기간 동안 CHL와 약한 관계를 가졌다. 결과적으로, 경험적 모델(Empirical model)이 제시하듯이 TP는 CHL을 예측하는 핵심 인자로 사료되었다.