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Title Page 2

Contents 5

ABSTRACT 11

Chapter 1. Introduction 13

1.1. Background of the Study 13

1.2. Problem Statement 19

1.2.1. Indicators Representing Stream Characteristics 19

1.2.2. The Concept for Responding to Watershed and Meteorological Disturbances 20

1.3. Purpose of the Study 22

1.4. Study Framework 24

Chapter 2. Literature Review 26

2.1. Study on the Impact of Watershed and Meteorological Characteristics on Streams 27

2.1.1. Stream Characteristics 28

2.1.2. Study on Watershed and Meteorological Influences on Stream 31

2.1.3. Summary and the Necessity of Indicators Representing Stream Characteristics 40

2.2. Study on the Stream Resilience Evaluation in Response to Disturbances 43

2.2.1. Vulnerability and Resilience for Stream 43

2.2.2. Study on the Stream Resilience Evaluation in Response to Disturbances 49

2.2.3. Summary and the Necessity of the Resilience Concept 53

Chapter 3. Materials and Methods 55

3.1. Study Area and Data Collection 55

3.2. Study Flow 60

3.3. Quantifying Stream Resilience 62

3.3.1. Quantifying the Stream Resilience Focusing on Attribute-Based Metrics 62

3.3.2. Quantifying the Stream Resilience Focusing on Dynamic Change-Based Metrics 66

3.4. Watershed and Meteorological Characteristics 69

3.4.1. Watershed Characteristics 69

3.4.2. Meteorological Characteristics 71

3.5. Analytical Methods 73

3.5.1. Random Forest Analysis and Accuracy Assessment 76

3.5.2. LM and GAM Analysis 78

Chapter 4. Results 80

4.1. Watershed and Meteorological Factors in Relation to Stream Resilience 80

4.1.1. Spatial Distribution of Stream Resilience Measurement 80

4.1.2. Variable Importance at Global Levels for Stream Resilience 82

4.1.3. Partial Dependence Plots Analysis 85

4.1.4. Spatial Distribution of Resourcefulness 88

4.2. Relationships Between Rainfall and Stream Resilience 90

4.2.1. System Performance Variability Recovery Period of Reference and Impaired Streams 90

4.2.2. Analysis of the Impact of Rainfall on System Performance of Reference Streams 92

4.2.3. Analysis of the Impact of Rainfall on System Performance of Impaired Streams 98

4.2.4. Comparison of Sensitivity of Resilience through Robustness 103

4.2.5. Comparison of Stability of Resilience through Rapidity 105

Chapter 5. Discussion 106

5.1. Influence of Watershed and Meteorological Characteristics on Stream Resilience 106

5.1.1. Watershed Characteristics and Stream Resilience 106

5.1.2. Meteorological Characteristics and Stream Resilience 110

5.1.3. Variable Importance at Local Levels 112

5.2. Influence of Rainfall on Stream Resilience 115

5.2.1. Nonlinearity of System Performance for Reference and Impaired Streams 115

5.2.2. Robustness Comparison of Reference and Impaired Streams 117

5.3. Management of Stream Resilience 120

Chapter 6. Conclusions 122

6.1. Summary and Conclusions 122

6.2. Suggestions for Future Work 125

References 127

국문 초록 160

List of Tables 8

Table 1. Descriptive statistics of the watershed and meteorological characteristics... 72

Table 2. Comparison of random forest model of BOD, TN, and TP 83

Table 3. LM and GAM analysis results of the system performance for BOD, TN,... 94

Table 4. Performance of the LM and GAM models for the system performance... 95

Table 5. LM and GAM analysis results of the system performance for BOD, TN,... 99

Table 6. Performance of the LM and GAM models for the system performance... 100

Table 7. Robustness results include the system performance fluctuation range... 104

Table 8. Rapidity results include the recovery period and results of the rainfall... 105

Table 9. T-test results for land cover of reference and impaired streams 119

List of Figures 9

Figure 1. Study framework 25

Figure 2. Literature review outline 26

Figure 3. Han River watershed, elevation, and water quality measuring networks... 58

Figure 4. Han River watershed, land use classification, monitoring sites of... 59

Figure 5. Study diagram 61

Figure 6. System performance over time and resilience normalization 64

Figure 7. Flow diagram of the analytic framework 67

Figure 8. Change in the system performance after a disturbance 68

Figure 9. Spatial distribution of quantified resilience values 81

Figure 10. SHAP summary plots 84

Figure 11. Partial dependence plots of land use and water temperature 87

Figure 12. Spatial distribution of predicted resourcefulness values 89

Figure 13. Graphs averaging the sum of monthly precipitation value and the... 91

Figure 14. Smooth functions of the relationship between system performance of... 96

Figure 15. Smooth functions of the relationship between system performance of... 101

Figure 16. Land use/land cover (LULC) for two selected sites with the highest... 113

Figure 17. Local interpretations on predicted resourcefulness values of the... 114

Figure 18. Smooth functions and classification regions by smooth function... 116

초록보기

 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.

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