An Analysis of Watershed and Meteorological Influence on Stream Resilience = 유역 및 기상학적 요인이 하천 회복력에 미치는 영향 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Streams face disturbances and disasters caused by human activities and climatic variability. To ensure rapid recovery and ecological stability, it's crucial to consider the influence of anthropogenic, geomorphological, and meteorological factors on stream resilience, such as recovery capacity and disturbance absorption. While many studies have examined the effects of watershed and meteorological factors on streams using water quality indices and vulnerability concepts, these indices and concepts often capture only static conditions, limiting the comprehensive, long-term evaluation of stream ecosystems needed to understand resilience variability. This study investigates the influence of watershed and meteorological characteristics on stream resilience. The specific objectives for achieving the research purpose are as follows. First, the 3Rs (redundancy, resourcefulness, and robustness) attribute-based metrics were applied to quantify stream resilience. The influence of watershed and meteorological characteristics on stream resilience was analyzed at both global and local scales within the Han River watershed using a random forest model. Second, dynamic change-based metrics were utilized to quantify the system performance of stream resilience. The resilience of reference and impaired streams to rainfall was compared by analyzing system performance variability, and recovery period values, and applying linear multiple regression and generalized additive models. The results of analyzing the effects of watershed and meteorological characteristics on stream resilience, variables determining the hydrological cycle, and the type of pollutant flowing into the stream exert a significant effect on resilience. Urban expansion and rising water temperatures were found to impede the increase in stream resilience. Conversely, steep slopes, high elevation, forest and well-drained area expansion, increased evapotranspiration, precipitation, and the 6-month standardized precipitation index accelerated resilience increase. Furthermore, the impact of regional differences on resilience increase was identified by comparing the spatial distribution of predicted resilience values with resilience at the local level. The results of analyzing the stream resilience of reference and impaired streams, the system performance of reference streams has a lower sensitivity to disturbance and recovers more quickly from the influence of rainfall. Consequently, reference streams have higher resilience than impaired streams to rainfall events. This study facilitates understanding changes in stream ecosystems of varying conditions in response to rainfall for ensuring long-term stability and adaptability. The findings of this study provide valuable scientific knowledge regarding the relationships between watershed and meteorological characteristics and stream resilience, which can assist policymakers in developing more effective watershed and stream management plans.

국문 초록 (Abstract)

하천 생태계는 인간 활동에 의한 유역환경의 변화와 극단적 기상현상의 증가로 인해 수질악화, 서식처 파괴 등의 교란에 노출되어 있다. 이에 교란의 부정적인 영향으로부터 빠르게 회복하고 하천 생태계를 안정적으로 유지하기 위해서는 하천 회복력의 동적 변동성에 중점을 두고 유역 내 여러 인위적, 지형학적, 기상학적 특성이 하천의 회복능력, 교란 흡수역량과 같은 시스템 성능 변화에 어떠한 영향을 미치는지 파악하는 것이 중요하다. 수질지표와 취약성 개념을 활용해 유역 및 기상학적 특성이 하천에 미치는 영향을 정량적으로 분석하는 연구는 지속적으로 이루어져 왔다. 그러나 이러한 지표와 개념은 하천의 정적인 상태만을 반영하기 때문에, 하천의 변동성을 이해하거나 포괄적이고 장기적인 하천 생태계를 평가하는 데에는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 유역 및 기상학적 측면이 하천 회복력에 미치는 영향을 조사하였다. 연구목적을 달성하기 위한 세부목표는 다음과 같다. 첫째, 시스템 성능을 기반으로 교란에 대한 회복력의 하락 및 상승 기울기, 감소 폭의 속성 기반 지표를 활용하여 하천 회복력을 정량화 하였다. 한강 유역을 대상으로 랜덤 포레스트 회귀 분석을 활용해 글로벌 및 로컬 스케일에서 유역 및 기상학적 특성이 하천 회복력에 미치는 영향을 분석하였다. 둘째, 하천 시스템 성능의 변동성과 회복에 초점을 두고 동적변화 기반 지표를 활용하여 하천 회복력의 시스템 성능을 정량화 하였다. 시스템 성능의 변동성과 회복기간 값, 다중 선형 회귀 분석(LM), 일반화 가법 모델(GAM)을 활용해 참조하천과 훼손하천의 하천 회복력을 비교하였다. 유역 및 기상학적 특성이 하천 회복력에 미치는 영향을 분석한 결과, 수리수문과 하천으로 유입되는 오염원 유형을 결정하는 변수가 하천 회복력에 중요한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 도시지역 비율과 수온 상승은 하천 회복력의 상승을 저해하는 반면, 높은 고도와 경사, 산림지역과 배수가 잘되는 지역 및 강수량이 풍부한 지역은 하천 회복력의 상승을 촉진하는 것으로 나타났다. 또한, 예측된 회복력 값의 공간적 분포와 지역 수준의 회복력을 비교하여 지역적 차이가 회복력 증가에 미치는 영향을 확인하였다. 참조하천과 훼손하천의 회복력을 비교한 결과, 참조하천은 교란에 대한 민감도가 낮고 강우의 영향에서 더 빠르게 회복되는 것으로 나타나 훼손하천 보다 강우 영향에 대한 회복력이 더 높은 것으로 확인되었다. 각 연구결과는 향후 하천 생태계 회복력 향상을 위한 유역관리 계획, 관리 및 복원을 위한 정량적인 기준의 기초자료로 활용될 수 있다. 특히 다양한 건강성을 가진 하천 생태계가 강우에 반응하는 변화를 이해함으로써 안정성과 적응성을 보장하기 위한 장기적인 관리방안을 개발하는데 기여할 수 있다. 또한, 이러한 연구는 하천 관리를 위해 지역별 차별화된 접근 방식과 맞춤형 관리 전략의 중요성을 강조하는데 도움이 될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Background of the Study 1
• 1.2. Problem Statement 7
• 1.2.1. Indicators Representing Stream Characteristics 7
• 1.2.2. The Concept for Responding to Watershed and Meteorological Disturbances 8
• 1.3. Purpose of the Study 10
• 1.4. Study Framework 12
• Chapter 2. Literature Review 14
• 2.1. Study on the Impact of Watershed and Meteorological Characteristics on Streams 15
• 2.1.1. Stream Characteristics 16
• 2.1.2. Study on Watershed and Meteorological Influences on Stream 19
• 2.1.3. Summary and the Necessity of Indicators Representing Stream Characteristics 28
• 2.2. Study on the Stream Resilience Evaluation in Response to Disturbances 31
• 2.2.1. Vulnerability and Resilience for Stream 31
• 2.2.2. Study on the Stream Resilience Evaluation in Response to Disturbances 37
• 2.2.3. Summary and the Necessity of the Resilience Concept 41
• Chapter 3. Materials and Methods 43
• 3.1. Study Area and Data Collection 43
• 3.2. Study Flow 48
• 3.3. Quantifying Stream Resilience 50
• 3.3.1. Quantifying the Stream Resilience Focusing on Attribute-Based Metrics 50
• 3.3.2. Quantifying the Stream Resilience Focusing on Dynamic Change-Based Metrics 54
• 3.4. Watershed and Meteorological Characteristics 57
• 3.4.1. Watershed Characteristics 57
• 3.4.2. Meteorological Characteristics 59
• 3.5. Analytical Methods 61
• 3.5.1. Random Forest Analysis and Accuracy Assessment 64
• 3.5.2. LM and GAM Analysis 66
• Chapter 4. Results 68
• 4.1. Watershed and Meteorological Factors in Relation to Stream Resilience 68
• 4.1.1. Spatial Distribution of Stream Resilience Measurement 68
• 4.1.2. Variable Importance at Global Levels for Stream Resilience 70
• 4.1.3. Partial Dependence Plots Analysis 73
• 4.1.4. Spatial Distribution of Resourcefulness 76
• 4.2. Relationships Between Rainfall and Stream Resilience 78
• 4.2.1. System Performance Variability Recovery Period of Reference and Impaired Streams 78
• 4.2.2. Analysis of the Impact of Rainfall on System Performance of Reference Streams 80
• 4.2.3. Analysis of the Impact of Rainfall on System Performance of Impaired Streams 86
• 4.2.4. Comparison of Sensitivity of Resilience through Robustness 91
• 4.2.5. Comparison of Stability of Resilience through Rapidity 93
• Chapter 5. Discussion 94
• 5.1. Influence of Watershed and Meteorological Characteristics on Stream Resilience 94
• 5.1.1. Watershed Characteristics and Stream Resilience 94
• 5.1.2. Meteorological Characteristics and Stream Resilience 98
• 5.1.3. Variable Importance at Local Levels 100
• 5.2. Influence of Rainfall on Stream Resilience 103
• 5.2.1. Nonlinearity of System Performance for Reference and Impaired Streams 103
• 5.2.2. Robustness Comparison of Reference and Impaired Streams 105
• 5.3. Management of Stream Resilience 108
• Chapter 6. Conclusions 110
• 6.1. Summary and Conclusions 110
• 6.2. Suggestions for Future Work 113
• References 115
• Abstract (in Korean) 148