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목차
제1장 연구개요 14
1.1. 연구배경 14
1.2. 연구목적 14
1.3. 연구내용 15
제2장 하천 수생태계 모델 구축 및 활용을 위한 전망 및 발전 로드맵 수립 16
2.1. 역사적 배경 및 장기 전망 16
2.1.1. 국내 생태 과학 분야의 과거 개관 16
2.1.2. 국내 생태 과학 분야의 미래 개관 17
2.2. 로드맵 설정 원칙 17
2.2.1. 기술적 방향 17
2.2.2. 행정적 방향 17
2.2.3. 구현 전략 17
2.3. 기술적 진전에 따른 미래 생태 과학 주요 주제 18
2.3.1. 세포/유전자 18
2.3.2. 개체 19
2.3.3. 개체군 19
2.3.4. 군집 20
2.3.5. 생태계 20
2.3.6. 사회 20
2.4. 수환경에서의 수생물 생존/반응에 대한 주요 제한사항 21
2.5. 수환경 관련 미래 생태연구 주제 및 평가 22
2.6. 가까운 미래 수환경-생태 연구 주제 22
2.6.1. 가까운 미래 수생태 군집 연구 개관 23
2.6.2. 가까운 미래 수생태 개체군 연구 개관 23
2.7. 수환경-생태 범위 확장을 위한 방법론 관점에서의 연구 25
2.7.1. 미생물 25
2.7.2. 센서네트워크를 통한 실시간 행동-생태 모니터링 25
2.7.3. 전사체 연구 25
2.7.4. 마크로코즘 25
2.8. 수환경-생태 군집 연구사례 26
2.8.1. 종분포모델 26
2.8.2. 종풍부도 분포 27
2.8.3. 종-지역 관계성 28
2.8.4. 메타 군집 28
2.8.5. 먹이망(먹이 연쇄) 29
2.8.6. 미생물 군집 30
2.9. 수환경-생태 관련 개체군 및 기타 연구사례 31
2.9.1. 메타 개체군 연구 31
2.9.2. 수리행동 행동 모니터링 연구 32
2.10. 모델 구현에 대한 수환경-생태적 관점과 순수 생태적 관점의 구분 33
2.11. 예비 연구과업 설계 34
2.11.1. 연구의 배경 및 필요성 34
2.11.2. 연구 목적 35
2.11.3. 구체적 목표 35
2.11.4. 종다양성 관련 모델의 필요성 36
2.11.5. 연구의 제한점 및 착안점 36
2.11.6. 추진 전략 38
2.11.7. 주요 사업내용 38
2.11.8. 사업 상세 내용 39
2.11.9. 기술적 요구도 63
2.11.10. 연구 성과물 64
2.11.11. 기대효과 및 활용방안 64
2.12. 장기 연구 주제에 대한 예비 조사 64
2.12.1. 미생물 군집 조사 64
2.12.2. 낙동강 수계의 광역적 군집 모수 조사 71
2.12.3. 행동 현장 조사 73
제3장 모델 비교 분석 및 선정 78
3.1. 생태모델 선정 기준 78
3.1.1. 필요 기능 정의 78
3.1.2. 생태모델 종류 79
3.1.3. 비교 모델 선정 80
3.2. 생태모델 특성 비교 및 선정 82
3.3. 시범구축 대상 모델 상세 분석 84
3.3.1. AQUATOX 모델 개요 84
3.3.2. 구성모듈 및 상태변수 86
3.3.3. 반응기작 89
3.3.4. 입출력 환경 92
3.4. 가용 수생태계 모니터링 자료 분석 93
3.4.1. 생태계 모니터링 자료 분석 94
제4장 하천 생태모델 시범 구축 106
4.1. 시범 구축 대상 구간 선정 106
4.1.1. 선정 기준 106
4.1.2. 선정 구간 106
4.2. 모의대상 종 선정 108
4.2.1. 생태계 구성요소 선정 및 피식-포식관계 정의 108
4.2.2. 먹이망 구조 설정 110
4.3. 모델 구축 111
4.3.1. 지형조건 112
4.3.2. 수리조건 113
4.3.3. 상태변수 구성 115
4.3.4. 초기조건 및 경계조건 119
4.3.5. 모델 입력계수 119
4.4. 재현성 평가 125
4.5. 민감도 분석 140
4.5.1. 민감도 분석 과정 141
4.5.2. 민감도 분석 결과 144
4.6. 불확실성 분석 150
4.6.1. 불확실성 분석 과정 150
4.6.2. 불확실성 불석 결과 153
4.7. 하천 여건 변화에 따른 시나리오 예측 154
4.7.1. 시나리오 예측 조건 154
4.7.2. 시나리오 예측 결과 155
4.8. 모델 개선 사항 도출 157
4.8.1. 연구결과 분석 157
4.8.2. 개선 필요 사항 도출 159
참고 문헌 162
[부록 1] 생태연구 주제 및 평가를 위한 항목별 배점 170
[부록 2] 분류군 별 야외 조사, 분석 및 관련 자료 입수 항목 173
[부록 3] AQUATOX 적용사례 분석 181
[부록 4] 생태 관련 모델 계수 및 군집 지수 184
[부록 5] 생지화학 반응식 189
[부록 6] Wizard를 사용한 모델 구축 197
[부록 7] 민감도 분석 결과 204
[부록 8] AQUATOX 적용사례 212
[부록 9] 부록 참고 문헌 213
〈표 2.10-1〉 모델 구현에 대한 수환경-생태적 관점 34
〈표 2.11-1〉 주요 수환경-생태 관련 기존 자료 40
〈표 2.11-2〉 한국형 수환경-생태 종합 모델 연구 년차별 진행 및 주요 결과 44
〈표 2.12-1〉 낙동강 본류 미생물 조사 지점 66
〈표 2.12-2〉 낙동강 본류 주요 지점에 나타난 주요 우점 지표종명과 생태적 특징 68
〈표 3.1-1〉 국내 하천현황과 수생태계 모델의 필요 기능 78
〈표 3.1-2〉 생태모델 종류와 특징 79
〈표 3.1-3〉 주요 구조 모델의 변수 및 기작 비교 81
〈표 3.1-4〉 비교 대상 모델 선정 결과 82
〈표 3.1-5〉 먹이망 생태모델 활용 제한점과 대책 방안 82
〈표 3.2-1〉 주요 먹이망 생태모델 특성 비교 83
〈표 3.2-2〉 목적별 적용사례 분석(Scopus 검색 결과) 84
〈표 3.2-3〉 수역별 적용사례 분석(Scopus 검색 결과) 84
〈표 3.3-1〉 AQUATOX 상태변수 87
〈표 3.3-2〉 식물의 세부 종 87
〈표 3.3-3〉 동물의 세부 종 88
〈표 3.3-4〉 조류에 대한 주요 기작 89
〈표 3.3-5〉 동물에 대한 주요 기작 90
〈표 3.4-1〉 가용 국가측정망 자료 개요 93
〈표 3.4-2〉 가용 생물 자료 비교 94
〈표 3.4-3〉 범주에 따른 환경 변수 94
〈표 3.4-4〉 분류군별 우점종 99
〈표 4.2-1〉 AQUATOX 모델 먹이망 구성종에 따른 섭식율(%) 설정 109
〈표 4.3-1〉 모델 구축 개요 112
〈표 4.3-2〉 보 구간별 지형조건 113
〈표 4.3-3〉 지형별 유량에 따른 유속변환 계수 114
〈표 4.3-4〉 수질 상태변수 116
〈표 4.3-5〉 낙동강 시험 적용시 선정된 생물 상태변수 118
〈표 4.3-6〉 식물플랑크톤에 대한 주요 입력계수 120
〈표 4.3-7〉 무척추동물에 대한 주요 입력계수 121
〈표 4.3-8〉 어류에 대한 주요 입력계수 123
〈표 4.5-1〉 Maximum consumption rate 변화에 따른 주요 생물 민감도 149
〈표 4.7-1〉 시나리오별 실험 조건 155
〈부록표 1-1〉 생태연구 주제 및 평가를 위한 항목별 배점 170
〈부록표 1-2〉 생태연구 주제별 평가 171
〈부록표 3-1〉 AQUATOX 모델 적용 사례 181
〈부록표 4-1〉 모델계수(동물) 184
〈부록표 4-2〉 모델계수(식물) 186
〈부록표 4-3〉 주요 베타 다양도 지수(T : 조사지점 수) 187
〈부록표 4-4〉 다양도 지수 정의 188
〈부록표 5-1〉 유기물별 생성·소멸 기작 192
〈부록표 8-1〉 목적별, 수역별 AQUATOX 적용사례 212
〈그림 1.2-1〉 연구목적 15
〈그림 1.3-1〉 하천 수생태계 모델 구현을 위한 연구 흐름도 15
〈그림 2.1-1〉 우리나라 생태 과학의 역사와 장기 발전 전망 16
〈그림 2.3-1〉 기술적 진전에 따른 미래 생태 과학 주요 주제:... 18
〈그림 2.4-1〉 수생태계에서 수생물 생존/반응에 대한 주요 제한사항... 21
〈그림 2.5-1〉 규모에 따른 수환경 관련 생태 단기 연구 주제 및 평가. y 축은 각 연구... 22
〈그림 2.6-1〉 자료/기술 가용성 및 복잡도에 따른 가까운 미래 수생태 군집 연구 개관 24
〈그림 2.6-2〉 자료/기술 가용성 및 복잡도에 따른 가까운 미래 수생태 개체군 연구 개관 24
〈그림 2.8-1〉 종분포모델(Species Distribution Model; SDM) 사례 26
〈그림 2.8-2〉 종풍부도 분포(Species Abundance Distribution; SAD) 사례 27
〈그림 2.8-3〉 종-지역 관계성(Species Area Relationship; SAR) 사례 28
〈그림 2.8-4〉 메타 군집 연구 사례 29
〈그림 2.8-5〉 먹이망 연구 사례 30
〈그림 2.8-6〉 미생물 군집 연구 사례 31
〈그림 2.9-1〉 메타 개체군 연구 사례 32
〈그림 2.9-2〉 행동 자료 객관화를 위한 주요 모델 사례 33
〈그림 2.11-1〉 연구과업 설계 로드맵 41
〈그림 2.11-2〉 연구 계획 제시(예, 낙동강 본류의 주요 지점(상, 하류)) 42
〈그림 2.11-3〉 생태, 수환경, 모델의 종합적 구현에 관여되는 주요 복잡성 요소 43
〈그림 2.11-4〉 조사대상 수역의 국소적, 광역적 수환경과 지형적 변이에 따른 분류군간... 47
〈그림 2.11-5〉 조사대상 수역에 따른 분류군간(예, 문(Phylum) 사이) 연관성과 분류군의... 48
〈그림 2.11-6〉 Geo-SOM 적용: 중 출현 위치가 연계된 클러스트링 49
〈그림 2.11-7〉 자가조직화 지도를 이용한 조사대상지역에 대한 종합적 군집 유형화를... 49
〈그림 2.11-8〉 SDM 적용(예, 남한 수계의 주요 저서무척추동물 지리적 분포 및 내성) 51
〈그림 2.11-9〉 하천에서의 베타다양도 사례 52
〈그림 2.11-10〉 하천에서의 거리 및 환경 유사도에 따른 Bray-Curtis 유사도 및 PCA... 53
〈그림 2.11-11〉 인위적, 자연적 수환경 교란에 대한 SAD 반응 55
〈그림 2.11-12〉 수환경변화(하천 복원)에 따른 SAD 유형 변화(예, 양재천)... 56
〈그림 2.11-13〉 광역 공간의 SAD 다양성(예, 북미(Mississippi - Missouri River System)의... 57
〈그림 2.11-14〉 서식처 변수의 SOM 학습을 통한 종분포 규명 59
〈그림 2.11-15〉 메타군집 기전에 영향을 미치는 자연적, 인위적 힘 및 기전요인에 따른... 59
〈그림 2.11-16〉 메타 군집 관점에서의 종-지역 관계성 62
〈그림 2.11-17〉 군집 네트웍에 따른 알파, 베타, 감마 다양도 변화(경희대... 62
〈그림 2.11-18〉 종합적 먹이망 모델 구성을 위한 실험 63
〈그림 2.12-1〉 낙동강 본류에서의 하상 미생물(박테리아) 조사 지점 65
〈그림 2.12-2〉 낙동강 보 조사 지점의 저질로부터 추출된 미생물군집의 16S rDNA 서열... 69
〈그림 2.12-3〉 낙동강 보 지역 저질에서 조사된 미생물군집의 분류군(문) 구성 차이 69
〈그림 2.12-4〉 낙동강 보 지역 저질에서 조사된 미생물군집의 종구성 차이 70
〈그림 2.12-5〉 낙동강 보 지역 저질에서 조사된 미생물군집구조의 유사성에 따른... 70
〈그림 2.12-6〉 낙동강 수계의 대형 저서무척추동물 조사 지점간 직선 및 수로 거리에... 73
〈그림 2.12-7〉 어류 자동행동 모니터링 메조코즘 설계 및 야외 관찰 74
〈그림 2.12-8〉 행동 메소코즘의 수직, 수평 관찰에 따른 영상 75
〈그림 3.1-1〉 수생태계 모델 선정 및 활용 과정 82
〈그림 3.3-1〉 AQUATOX 소스코드 예시(animal.pas) 86
〈그림 3.3-2〉 AQUATOX ecosystem 모식도 86
〈그림 3.3-3〉 AQUATOX GUI 메인 화면 90
〈그림 3.3-4〉 AQUATOX 식물플랑크톤 메인 입력 화면 91
〈그림 3.3-5〉 AQUATOX multi-age fish 적용 예시 91
〈그림 3.3-6〉 AQUATOX 모델결과 예시 92
〈그림 3.4-1〉 낙동강 본류 구간에 대한 환경요인별 상관분석... 95
〈그림 3.4-2〉 낙동강 본류 구간 내 분류군별 생물다양성 변화... 96
〈그림 3.4-3〉 낙동강 보 상, 하류에 대한 분류군별 생물다양성 비교 97
〈그림 3.4-4〉 낙동강 보 상, 하류의 분류군별 종 순위-개체수 관계... 99
〈그림 3.4-5〉 낙동강 보 대상 연도별 상류, 하류의 종수-개체수 관계(식물플랑크톤)... 100
〈그림 3.4-6〉 낙동강 보 대상 연도별 상류, 하류의 종수-개체수 관계(동물플랑크톤)... 100
〈그림 3.4-7〉 낙동강 보 대상 연도별 상류, 하류의 종수-개체수 관계(저서 생물)... 101
〈그림 3.4-8〉 보 구간과 분류군별 상관성 비교 102
〈그림 3.4-9〉 낙동강 보 구간별 생물 출현 양상 비교 103
〈그림 3.4-10〉 낙동강 본류 내 어류(상위 5종)와 환경인자 간 연관성 분석 104
〈그림 3.4-11〉 낙동강 본류 내 어류(상위 5종)와 환경인자 간 구조방정식 모형 105
〈그림 4.1-1〉 생태계모델 시험적용 대상 구간과 국가 측정망 정점 위치도 107
〈그림 4.2-1〉 섭식비율에 따른 먹이망 구성 110
〈그림 4.2-2〉 상태변수간 먹이선호도 111
〈그림 4.2-3〉 상태변수간 배출계수 111
〈그림 4.3-1〉 물수지 분석 모식도 114
〈그림 4.3-2〉 일사량과 풍속 관측자료 시계열 115
〈그림 4.3-3〉 AQUATOX 질소 순환 117
〈그림 4.3-4〉 AQUATOX 인 순환 117
〈그림 4.3-5〉 입력변수 Reaction curve 119
〈그림 4.4-1〉 보 구간별 수위 관측시계열 비교 127
〈그림 4.4-2〉 보 구간별 유속 관측시계열 비교 127
〈그림 4.4-3〉 보 구간별 Chl-a 농도 관측 시계열 비교 128
〈그림 4.4-4〉 무척추동물 생체량 모의 결과(달성보)(모델값: 왼쪽축 및 실선,... 129
〈그림 4.4-5〉 무척추동물 생체량 모의 결과(합천창녕보)(모델값: 왼쪽축 및 실선,... 130
〈그림 4.4-6〉 무척추동물 생체량 모의 결과(창녕함안보)(모델값: 왼쪽축 및 실선,... 131
〈그림 4.4-7〉 어류 생체량 모의 결과(달성보)(모델값: 왼쪽축 및 실선, 야외조사값:... 132
〈그림 4.4-8〉 어류 생체량 모의 결과(합천창녕보)(모델값: 왼쪽축 및 실선,... 133
〈그림 4.4-9〉 어류 생체량 모의결과 (창녕함안보)(모델값: 왼쪽축 및 실선,... 135
〈그림 4.4-10〉 무척추동물 구성비(달성보) 136
〈그림 4.4-11〉 어류 구성비(달성보) 136
〈그림 4.4-12〉 식물플랑크톤 성장/사멸률 137
〈그림 4.4-13〉 무척추동물 및 어류(2종) 성장/사멸률 138
〈그림 4.4-14〉 어류 성장/사멸률 139
〈그림 4.5-1〉 AQUATOX 모델 민감도 분석 도구 화면 143
〈그림 4.5-2〉 민감도 분석 결과(phyto. Biomass, ±10%) 145
〈그림 4.5-3〉 민감도 분석 결과(peri. Biomass, ±10%) 146
〈그림 4.5-4〉 민감도 분석 결과(Benthic Invertebrate Biomass, ±10%) 146
〈그림 4.5-5〉 민감도 분석 결과(Pelagic Invertebrate Biomass, ±10%) 146
〈그림 4.5-6〉 민감도 분석 결과(Fish Biomass, ±10%) 147
〈그림 4.5-7〉 선형반응성 분석을 위한 민감도 분석 절차 147
〈그림 4.5-8〉 Chironomid 민감도 분석을 위한 피식-포식관계 분석 148
〈그림 4.5-9〉 계수변화에 따른 Chironomid 생체량 변화 150
〈그림 4.6-1〉 불확실성 분석시 계수 분포 종류 152
〈그림 4.6-2〉 Bass 생체량에 대한 불확실성 분석결과 153
〈그림 4.6-3〉 불확실성 분석에 의한 Bass 생체량 변화 확률 153
〈그림 4.7-1〉 시나리오 예측 과정 154
〈그림 4.7-2〉 시나리오에 사용된 수위, 부하량 조건 시계열(달성보) 155
〈그림 4.7-3〉 시나리오 모의 어류 시계열 결과(달성보) 156
〈그림 4.7-4〉 시나리오 모의 무척추동물 구성도(달성보) 157
〈그림 4.7-5〉 시나리오 모의 어류 구성도(달성보) 157
〈부록그림 5-1〉 AQUATOX 내 유기물 구성도 191
〈부록그림 6-1〉 Wizard를 사용한 모델구축 예시 - nutrients 197
〈부록그림 6-2〉 Wizard를 사용한 모델구축 예시 - Plant 198
〈부록그림 6-3〉 Wizard를 사용한 모델구축 예시 - Invertebrates 198
〈부록그림 6-4〉 Wizard를 사용한 모델구죽 예시 - Fish 200
〈부록그림 6-5〉 Wizard를 사용한 모델구축 예시 - site 201
〈부록그림 6-6〉 Wizard를 사용한 모델구축 예시 - water volume 201
〈부록그림 6-7〉 Wizard를 사용한 모델구축 예시 - water temperature 201
〈부록그림 6-8〉 Wizard를 사용한 모델구축 예시 - wind & Light 202
〈부록그림 6-9〉 Wizard를 사용한 모델구축 예시 - pH 202
〈부록그림 6-10〉 Wizard를 사용한 모델구축 예시 - inorganic soilds 202
〈부록그림 6-11〉 Wizard를 사용한 모델구축 예시 - chemical 203
〈부록그림 6-12〉 Wizard를 사용한 모델구축 예시 - loading 203
〈부록그림 7-1〉 민감도 분석 결과(Nitzschia, ±10%) 204
〈부록그림 7-2〉 민감도 분석 결과(Fragilariaa, ±10%) 204
〈부록그림 7-3〉 민감도 분석 결과(Phyto. High nutrient Diatom, ±10%) 204
〈부록그림 7-4〉 민감도 분석 결과(Phyto Green Algae, ±10%) 205
〈부록그림 7-5〉 민감도 분석 결과(Phyto Blue-green Algae, ±10%) 205
〈부록그림 7-6〉 민감도 분석 결과(Peri. Blue-green Algae, ±10%) 205
〈부록그림 7-7〉 민감도 분석 결과(Phyto Blue-green DR Algae, ±10%) 206
〈부록그림 7-8〉 민감도 분석 결과(Chironomid, ±10%) 206
〈부록그림 7-9〉 민감도 분석 결과(Oilgochaete, ±10%) 206
〈부록그림 7-10〉 민감도 분석 결과(Caddisfly, ±10%) 207
〈부록그림 7-11〉 민감도 분석 결과(Daphnia, ±10%) 207
〈부록그림 7-12〉 민감도 분석 결과(Mayfly, ±10%) 207
〈부록그림 7-13〉 민감도 분석 결과(Riffle beetle, ±10%) 208
〈부록그림 7-14〉 민감도 분석 결과(Minnow Sqialidus, ±10%) 208
〈부록그림 7-15〉 민감도 분석 결과(Carp, Chanodichthys, ±10%) 208
〈부록그림 7-16〉 민감도 분석 결과(Carp, Cyprinus, ±10%) 209
〈부록그림 7-17〉 민감도 분석 결과(Carp, Carassius, ±10%) 209
〈부록그림 7-18〉 민감도 분석 결과(Bluegill, ±10%) 209
〈부록그림 7-19〉 민감도 분석 결과(Dace, Brunneus, ±10%) 210
〈부록그림 7-20〉 민감도 분석 결과(Large-mouth Bass, ±10%) 210
〈부록그림 7-21〉 민감도 분석 결과(Dace, Trodentiger, ±10%) 210
〈부록그림 7-22〉 민감도 분석 결과(phyto. chlorophyll, ±10%) 211
〈부록그림 7-23〉 민감도 분석 결과(peri, chlorophyll, ±10%) 211
〈부록그림 7-24〉 민감도 분석 결과(Benthic chlorophyll, ±10%) 211
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