Health Assessment of the Nakdong River Basin Aquatic Ecosystems Utilizing GIS and Spatial Statistics

The objective of this study was to reconstruct spatial information using the results of the investigation and evaluation of the health of the living organisms, habitat, and water quality at the investigation points for the aquatic ecosystem health of the Nakdong River basin, to support the rational decision making of the aquatic ecosystem preservation and restoration policies of the Nakdong River basin using spatial analysis techniques, and to present efficient management methods. To analyze the aquatic ecosystem health of the Nakdong River basin, punctiform data were constructed based on the position information of each point with the aquatic ecosystem health investigation and evaluation results of 250 investigation sections. To apply the spatial analysis technique, the data need to be reconstructed into areal data. For this purpose, spatial influence and trends were analyzed using the Kriging interpolation(ArcGIS 10.1, Geostatistical Analysis), and were reconstructed into areal data. To analyze the spatial distribution characteristics of the Nakdong River basin health based on these analytical results, hotspot(Getis-Ord Gi, $G^*_i$), LISA(Local Indicator of Spatial Association), and standard deviational ellipse analyses were used. The hotspot analysis results showed that the hotspot basins of the biotic indices(TDI, BMI, FAI) were the Andong Dam upstream, Wangpicheon, and the Imha Dam basin, and that the health grades of their biotic indices were good. The coldspot basins were Nakdong River Namhae, the Nakdong River mouth, and the Suyeong River basin. The LISA analysis results showed that the exceptional areas were Gahwacheon, the Hapcheon Dam, and the Yeong River upstream basin. These areas had high bio-health indices, but their surrounding basins were low and required management for aquatic ecosystem health. The hotspot basins of the physicochemical factor(BOD) were the Nakdong River downstream basin, Suyeong River, Hoeya River, and the Nakdong River Namhae basin, whereas the coldspot basins were the upstream basins of the Nakdong River tributaries, including Andong Dam, Imha Dam, and Yeong River. The hotspots of the habitat and riverside environment factor(HRI) were different from the hotspots and coldspots of each factor in the LISA analysis results. In general, the habitat and riverside environment of the Nakdong River mainstream and tributaries, including the Nakdong river upstream, Andong Dam, Imha Dam, and the Hapcheon Dam basin, had good health. The coldspot basins of the habitat and riverside environment also showed low health indices of the biotic indices and physicochemical factors, thus requiring management of the habitat and riverside environment. As a result of the time-series analysis with a standard deviation ellipsoid, the areas with good aquatic ecosystem health of the organisms, habitat, and riverside environment showed a tendency to move northward, and the BOD results showed different directions and concentrations by the year of investigation. These aquatic ecosystem health analysis results can provide not only the health management information for each investigation spot but also information for managing the aquatic ecosystem in the catchment unit for the working research staff as well as for the water environment researchers in the future, based on spatial information.

GIS 및 공간통계를 활용한 낙동강 유역 수생태계의 건강성 평가

본 연구는 낙동강 유역의 수생태계 건강성 조사지점에서 생물 및 서식환경, 수질에 대한 건강성을 조사 및 평가한 결과자료를 이용하여 공간정보로 재구축하고 공간분석기법을 활용하여 낙동강 유역의 수생태계 보전 및 복원 정책의 합리적인 의사결정을 지원하고 효율적인 관리방안을 제시하는데 목적이 있다. 낙동강 유역의 수생태계 건강성을 분석하기 위하여 250개 조사구간의 수생태계 건강성 조사 및 평가 결과자료를 각 지점별 위치정보를 기반으로 점형 자료로 구축하였다. 그리고 공간적인 분석기법의 적용을 위해 면형 자료로 재구축 할 필요성이 있으며, 이를 위해 Kriging 보간법(ArcGIS 10.1, Geostatistical Analysis)을 활용하여 공간적 영향력 및 트랜드를 분석하였고 면형 자료로 재구축 하였다. 이를 바탕으로 낙동강 유역 건강성의 공간분포 특성을 분석하기 위해 Hotspot(Getis-Ord Gi, $G^*_i$)과 LISA(Local Indicator of Spatial Association), 표준편차타원체(Standard deviational ellipse) 분석을 활용하였다. Hotspot 분석 결과 생물지수(TDI, BMI, FAI)의 Hotspot 유역은 안동댐 상류, 왕피천, 임하댐 유역으로 생물지수의 건강성 등급이 양호한 것으로 분석되었으며, Coldspot 유역은 낙동강 남해, 낙동강 하구, 수영강 등의 유역으로 나타났다. LISA 분석 결과 이례지역은 가화천, 합천댐 상류, 영강 상류 유역으로 분석되었으며 이 지역은 생물 건강성 지수가 높은 유역이지만 주변 유역의 건강성이 낮아 수생태계 건강성에 대한 관리가 필요한 유역으로 분석되었다. 이화학적 요인(BOD)의 Hotspot 유역은 낙동강하류 유역과 수영강, 회야강, 낙동강남해 유역으로 나타났으며, Coldspot 유역은 안동댐, 임하댐, 영강 등 낙동강 지류의 상류 유역으로 분석되었다. 서식 및 수변환경(HRI)요인의 Hotspot과 LISA 분석결과 요인별 Hotspot과 Coldspot이 다르게 분석되었으나 일반적으로 낙동강 상류, 안동댐, 임하댐, 합천댐 유역 등 낙동강 본류와 지류의 상류 유역 서식 및 수변환경 건강성이 좋은 것으로 분석되었다. 서식 및 수변환경 요인이 Coldspot으로 나타난 유역들은 생물지수와 이화학적 요인의 건강성 지수도 낮게 나타나 서식 및 수변환경의 관리가 필요한 유역으로 판단할 수 있다. 표준편차타원체로 분석한 시계열 분석결과 생물과 서식 및 수변환경에 의한 수생태계 건강성이 좋은 지역이 점점 북쪽으로 이동하는 경향을 나타내고 있으며 BOD 결과는 조사년도에 따라 방향과 집중도가 각각 다르게 나타나는 것으로 분석되었다. 이러한 수생태계 건강성 분석 결과는 조사지점별 건강성 관리정보뿐만 아니라 향후 공간정보 기술기반 수환경 연구와 실무연구진을 위한 집수구역 단위 수생태계를 관리할 수 있는 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.