Summary
Vi è una necessità critica per gli strumenti e le metodologie in grado di gestire sistemi acquatici di fronte alle condizioni di futuro incerto. Forniamo i metodi per condurre una valutazione spartiacque mirato che consente ai responsabili delle risorse per la produzione di modelli di effetti cumulativi del paesaggio a base per l'utilizzo all'interno di un quadro scenario di gestione analisi.
Abstract
Vi è una necessità critica per gli strumenti e le metodologie in grado di gestire sistemi acquatici all'interno di bacini pesantemente influenzato. Gli attuali sforzi spesso sono insufficienti a causa di una incapacità di quantificare e prevedere complessi effetti cumulativi di scenari di uso del suolo attuali e futuri in materia scale spaziali. L'obiettivo di questo manoscritto è quello di fornire metodi per condurre una valutazione spartiacque mirato che consente ai responsabili delle risorse per la produzione di modelli di effetti cumulativi del paesaggio a base per l'utilizzo all'interno di un quadro scenario di gestione analisi. Siti vengono prima selezionati per l'inclusione all'interno della valutazione svolta da identificare i siti che cadono lungo le pendenze e le combinazioni di fattori di stress noti indipendenti. tecniche di campo e di laboratorio vengono poi utilizzati per ottenere dati sulle caratteristiche fisiche, chimiche, ed effetti biologici delle molteplici attività di uso del suolo. L'analisi di regressione lineare multipla viene poi utilizzato per la produzione di modelli di effetti cumulativi del paesaggio a base per la previsione aquacondizioni di tic. Infine, i metodi per incorporare modelli di effetti cumulativi in un quadro analisi di scenario per la gestione e decisioni di regolamentazione di guida (per esempio, permettendo e mitigazione) all'interno di bacini di sviluppo attivamente sono discussi e dimostrati per 2 sub-bacini all'interno della regione mineraria vetta del centro di Appalachia. L'approccio di valutazione e la gestione dei bacini idrici fornite nel presente documento consente ai responsabili delle risorse per facilitare l'attività economica e lo sviluppo, proteggendo le risorse acquatiche e produrre opportunità per i benefici ecologici netti attraverso il risanamento mirato.
Introduction
Alterazione antropica del paesaggio naturale è tra i più grandi minacce attuali per gli ecosistemi acquatici di tutto il mondo 1. In molte regioni, ha continuato il degrado ai tassi correnti si tradurrà in un danno irreparabile alle risorse acquatiche, in ultima analisi, limitando la loro capacità di fornire servizi ecosistemici preziosi e insostituibili. Quindi, vi è una necessità critica per gli strumenti e le metodologie in grado di gestire sistemi acquatici all'interno di sviluppo bacini 2-3. Ciò è particolarmente importante dato che i manager sono spesso il compito di conservazione delle risorse acquatiche di fronte alle pressioni socio-economiche e politiche per proseguire le attività di sviluppo.
Gestione dei sistemi acquatici nelle regioni in via di sviluppo attivamente richiede una capacità di prevedere probabili effetti delle attività di sviluppo proposti nel contesto della preesistente paesaggio naturale e antropico attributi 3, 4. Una grande sfida per AquatIC di gestione delle risorse all'interno di bacini pesantemente degradati è la capacità di quantificare e gestire complessi (ad esempio, additivi o interattivi) gli effetti cumulativi di più fattori di stress di uso del suolo a rilevanti scale spaziali 2, 5. Nonostante le sfide attuali, tuttavia, le valutazioni degli effetti cumulativi vengono incorporati in linee guida di legge in tutto il mondo 5-6.
Valutazioni spartiacque mirate a verificare l'intera gamma di condizioni rispetto a molteplici fattori di stress di uso del suolo in grado di produrre dati in grado di modellare effetti cumulativi complessi 7. Inoltre, incorporando tali modelli in un quadro di analisi di scenario [predire cambiamenti ecologici in una vasta gamma di sviluppo realistico o proposto o gestione dei bacini idrografici (restauro e mitigazione) scenari] ha il potenziale per migliorare notevolmente la gestione delle risorse idriche nel contesto dei bacini pesantemente influenzato 3, 5, 8 -9. Più in particolare, analisi di scenario fornisceun quadro per l'aggiunta di obiettività e trasparenza alle decisioni di gestione incorporando l'informazione scientifica (relazioni ecologiche e modelli statistici), obiettivi di regolamentazione e delle parti interessate ha bisogno in un unico quadro decisionale 3, 9.
Vi presentiamo una metodologia per valutare e gestire gli effetti cumulativi delle molteplici attività di utilizzo del territorio in un quadro di analisi di scenario. Per prima cosa viene descritto come i siti per l'inclusione nella valutazione svolta sulla base di noti fattori di stress di uso del suolo bersaglio in modo appropriato. Descriviamo tecniche di campo e di laboratorio per ottenere dati sugli effetti ecologici delle molteplici attività di uso del suolo. Descriviamo brevemente le tecniche di modellazione per la produzione di modelli di effetti cumulativi del paesaggio-based. Infine, si discute come incorporare modelli di effetti cumulativi in un quadro di analisi di scenario e dimostrare l'utilità di questa metodologia nel favorire decisioni normative (ad esempio, permettendo e riposoorazione) all'interno di un bacino intensamente estratto nel sud della West Virginia.
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Protocol
1. Siti di destinazione per l'inclusione nella valutazione dei bacini idrici
- Identificare le attività di uso del suolo dominanti all'interno del 8 cifre codice unità idrologico (HUC) spartiacque di destinazione che stanno avendo un impatto fisico-chimiche e condizione biologica 3, 7.
Nota: Questa metodologia presuppone la conoscenza preesistente di stress importanti all'interno del bacino di interesse. Tuttavia, consulenza agenzie di regolamentazione o gruppi spartiacque che hanno familiarità con il sistema può aiutare in questo sforzo. - Selezionare le misure di paesaggio a base di attività di uso del suolo dominanti [ad esempio 2011 copertura National Land Database (NLCD)] 3, 7.
- Consultare letteratura pubblicata per aiutare a identificare le migliori misure di paesaggio-based per ogni territorio attività di impiego 10. Contattare le agenzie di risorse naturali per identificare e ottenere la serie di dati paesaggistici regionali specifici che sono disponibili per l'uso. Tuttavia, può essere necessario creare nuove variabili paesaggio o insiemi di dati.
- Tabulare copertura del suolo e l'uso attribuisce ai 1: bacini 100.000 dataset idrografia nazionale (NHD) utilizzando il software di informazione geografica (GIS): 24.000 o 1.
- Assicurarsi che ogni 1: 24.000 e 1: 100.000 utenza ha un identificatore univoco. Utilizzare qualsiasi identificativo numerico o categoriale definito dall'utente come l'identificatore univoco.
- Tabulare dati vettoriali (ad esempio, punti o linee) di cui di ciascun bacino.
- Riassumere tutte le funzioni vettoriali di ciascun bacino con lo strumento Tabulate Intersezione all'interno del set di strumenti statistiche della casella degli strumenti di analisi. Selezionare il livello di utenza NHD come la caratteristica zona di ingresso, la captazione identificativo univoco come il campo di zona, e il set di dati vettore di interesse come la caratteristica di classe di ingresso.
- Unisciti alla paesaggio tabulati attribuisce al livello di bacino. Fare clic destro sul livello di bacini nella tabella dei contenuti e selezionare unisce e si riferisce dal menu a discesa e iscriviti dalle smenù ubsequent. Selezionare l'identificatore unico come il campo che sarà basata sul join, la tabella di output dal 1.3.2.1 come il tavolo da unire, e l'identificatore unico come il campo nella tabella che il join sarà basato su.
- Tabulare i dati raster utilizzando lo strumento Tabulate zona situata all'interno del set di strumenti zonale della casella degli strumenti Spatial Analyst.
- Caricare l'estensione Spatial Analyst. Selezionare le estensioni dal menu Personalizza. Nella finestra di dialogo Estensioni, selezionare la casella corrispondente alla estensione Spatial Analyst.
- Nella finestra di dialogo Tabulate Area, selezionare l'utenza shapefile NHD come i dati raster in ingresso o di zona caratteristica, l'identificatore univoco (ad esempio, FeatureId) come il campo di zona, e il set di dati di copertura del suolo (ad esempio, NLCD) come raster di ingresso o funzione dati della classe.
- Unisciti alla paesaggio tabulati attribuisce al livello di utenza seguenti protocolli in fase 1.3.2.2, con il tabulatetabella dei risultati della zona come la tabella unirsi.
- Accumula attributi di paesaggio per tutti i bacini NHD.
- Scarica il NHDPlusV2 Bacino attributo Assegnazione e strumento di accumulo (CA3TV2) a http://www2.epa.gov/waterdata/nhdplus-tools. Utilizzare la funzione di accumulo di CA3TV2 per l'accumulo di attributi per 1: 100.000 NHD bacini 11.
Nota: Abbiamo usato il codice scritto personalizzato che si accumula attributi paesaggio per 1: 24.000 NHD scala idrografici 12. Istruzioni dettagliate per l'utilizzo di CA3TV2 sono integrati nello strumento e si può accedere tramite la funzione di Guida.
- Scarica il NHDPlusV2 Bacino attributo Assegnazione e strumento di accumulo (CA3TV2) a http://www2.epa.gov/waterdata/nhdplus-tools. Utilizzare la funzione di accumulo di CA3TV2 per l'accumulo di attributi per 1: 100.000 NHD bacini 11.
- Selezionare bacini NHD come siti di studio in base agli attributi del paesaggio accumulati.
- Creare un diagramma a dispersione di tutti i bacini NHD rispetto ai valori accumulati delle principali attività di uso del suolo (Figura 1A).
- Selezionare i siti di studio (circa 40 siti a 8 cifre HUC spartiacque) per rappresentare l'intera range di influenza da attività di uso del suolo dominanti presenti all'interno del bacino di destinazione (Figura 1B). Selezionare siti all'interno gradienti indipendenti stressanti (vale a dire, influenzati da una singola attività di uso del suolo) e combinazioni stressanti (vale a dire, influenzato da molteplici attività di uso del suolo) (Figura 1B).
- Assicurarsi che i siti di studio sono distribuiti spazialmente in tutto il bacino di destinazione e indipendenti l'una dall'altra rispetto al drenaggio a valle. Assicurarsi che i siti che rientrano nell'ambito di ogni sfumatura individuale e combinata di stress hanno anche simili superfici medie dei bacini.
Figura 1. grafico a dispersione ipotetico di bacini NHD rispetto a influenzare da 2 attività di uso del suolo. Entità del influenza di 2 attività di uso del suolo in tutti i bacini NHD all'interno della ipotetica watershed (n = 4.229) (A). Siti di studio selezionati (n = 40) che rappresentano l'intera gamma di condizioni osservati nell'ambito spartiacque rispetto ai gradienti stressanti indipendenti e combinati (B). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
2. I protocolli di campo per la raccolta dei fisico-chimiche e dati biologici
Nota: Tutti i dati per ciascun sito devono essere raccolti durante la stessa visita in loco presso le normali condizioni di flusso di base. I protocolli presentati qui rappresentano le procedure operative standard per il Dipartimento West Virginia di Protezione Ambientale (WVDEP) 13. Potrebbe essere più opportuno utilizzare stato o procedure riconosciuti a livello federale per lo spartiacque specifica in corso di valutazione.
- Delineare la portata di campionamento per ogni sito da 40 × larghezza del canale attivo (ACW), con lunghezza massima e minima di 150 e300 m 3, 7.
- Attribuisce la qualità delle acque di esempio da luoghi con acqua in movimento che sono caratteristici di tutto il sito di campionamento (ad esempio, non direttamente influenzate da ingressi tributari o tubi di drenaggio).
- Ottenere misure istantanee di ossigeno disciolto, conducibilità specifica, temperatura e pH utilizzando sensori palmari. Calibrare i sensori prima di ogni evento di campionamento seguendo le istruzioni del produttore.
- apparecchiature di filtraggio Sciacquare con acqua deionizzata prima della raccolta del campione di acqua.
- Filtrare 250 ml di acqua (membrana filtrante di cellulosa esteri misti, 0,45 micron di dimensione dei pori) per l'analisi dei metalli disciolti. Fissare ad un pH <2 per garantire metalli rimangono disciolti in soluzione.
Nota: la correttezza volume di acido può essere aggiunto al campione di acqua dopo la raccolta del campione. In alternativa, il volume corretto può essere aggiunto alla bottiglia prima dell'evento campionamento. Il volume necessario per fissare ad un pH <2 dipende forza acida.- Per lo studio qui descritto, raccogliere un campione singolo filtrato da ogni sito e fissare con acido nitrico per la determinazione del disciolto Al, Ca, Fe, Mg, Mn, Na, Zn, K, Ba, Cd, Cr, Ni, e SE 3 , 7.
Nota: La selezione di analiti dovrebbe essere guidata da spartiacque-specifiche attività di uso del suolo.
- Per lo studio qui descritto, raccogliere un campione singolo filtrato da ogni sito e fissare con acido nitrico per la determinazione del disciolto Al, Ca, Fe, Mg, Mn, Na, Zn, K, Ba, Cd, Cr, Ni, e SE 3 , 7.
- Raccogliere 250 ml campione non filtrato (s) immergendo completamente il flacone del campione nella colonna d'acqua. Premere delicatamente il flacone di cancellare l'aria rimasta e, contemporaneamente, mettere il tappo sulla bottiglia campione. Fissare il campione (s) ad un pH <2 se necessario (ad esempio, prevenire attività biologica incidano nutrienti).
- Per lo studio qui descritto, raccogliere due campioni non filtrati da ogni sito. Fissare la prima con acido solforico per la determinazione di NO 2 e NO 3 e totale P. Non fissare il secondo campione non filtrato e usarlo per determinare l'alcalinità totale e bicarbonato, Cl, SO 4, e così totali disciolticoperchi 3, 7.
Nota: La selezione di analiti dovrebbe essere guidata da spartiacque-specifiche attività di uso del suolo.
- Per lo studio qui descritto, raccogliere due campioni non filtrati da ogni sito. Fissare la prima con acido solforico per la determinazione di NO 2 e NO 3 e totale P. Non fissare il secondo campione non filtrato e usarlo per determinare l'alcalinità totale e bicarbonato, Cl, SO 4, e così totali disciolticoperchi 3, 7.
- Ottenere un campo vuoto per ogni fissativo usato durante ogni evento di campionamento. Ottenere gli spazi del campo, seguendo tutti i protocolli per la raccolta dei campioni (ad esempio, il risciacquo, il filtraggio, fissaggio) con acqua deionizzata come campione finale.
Nota: gli spazi del campo sono utilizzati per identificare la contaminazione nella raccolta e analisi dei campioni. - Conservare tutti i campioni di acqua a 4 ° C fino a quando tutte le analisi sono state completate. Assicurarsi che tutti gli analiti sono misurati all'interno del loro tempo di mantenimento specificato 14.
- Misurare lo scarico in ogni sito di campionamento.
- Dividere la larghezza flusso bagnata in incrementi uguali dimensioni.
- Misurare profondità e velocità media della corrente al punto medio di ciascuna sezione.
- Utilizzando una bacchetta calibro di profondità, misurare la profondità come la distanza dal letto flusso alla superficie dell'acqua.
- Utilizzando un current metro, misurare la velocità dell'acqua in profondità d'acqua del 60%.
- Calcolare scarico come la somma del prodotto della velocità, profondità e larghezza attraverso tutte le sezioni.
- Assaggiate la comunità macroinvertebrati in ogni sito.
- Ottenere campioni calcio (dimensioni nette 335 × 508 millimetri 2 con maglie di 500 micron) da 4 riffles rappresentativi distinti distribuiti per tutta la lunghezza del raggio di campionamento.
- In ogni località calcio, posizionare la rete calcio perpendicolare al flusso di flusso e disturbare una zona 0,50 × 0,50 m 2 (cioè, 0,25 m 2) del letto del torrente immediatamente a monte. Assicurarsi che tutti gli organismi e detriti flusso a valle in rete calcio.
- Combinare gli organismi e detriti dai campioni 4 calcio in un campione composito singolo (che rappresenta 1,00 m 2 del letto del torrente) e subito preservare con il 95% di etanolo.
- Ottenere campioni calcio (dimensioni nette 335 × 508 millimetri 2 con maglie di 500 micron) da 4 riffles rappresentativi distinti distribuiti per tutta la lunghezza del raggio di campionamento.
- Misurare la qualità degli habitat fisicoe la complessità in tutta la portata del flusso.
- Prendere le misure di profondità d'acqua, idraulica tipo di canale-unità, classe di sedimenti, e la distanza per oggetto la copertura del pesce in punti distribuiti uniformemente lungo le thalweg (porzione della corrente attraverso il quale si verifica il flusso principale o più rapida). Prendere le misure ogni 1 ACW per i flussi <5 m di larghezza e ogni 0,5 ACW per i flussi> 5 m di larghezza 15.
- Classificare l'unità di canale all'interno del quale ogni sede fondovalle si trova (ad esempio, fucile, correre, piscina, o glide) 16.
- Utilizzando una bacchetta calibro di profondità, misurare la profondità come la distanza dal letto flusso alla superficie dell'acqua.
- Casualmente individuare un pezzo di sedimenti e determinare la sua classificazione di dimensioni Wentworth (limo, sabbia, ghiaia, ciottoli, boulder) 17.
- Stimare la distanza da ogni punto thalweg all'oggetto copertura più vicino.
Nota: coperchio pesce è definito come qualsiasi struttura nel canale attivo in grado di nascondere un 20,32 cm (8 pollici) di pesce 18.
- Contare tutti i pezzi di grandi detriti legnosi all'interno del canale attivo.
- Qualità degli habitat stima con l'Agenzia statunitense Environmental Protection (EPA) valutazioni rapide habitat visivi (RVHA) protocolli 19.
- Prendere le misure di profondità d'acqua, idraulica tipo di canale-unità, classe di sedimenti, e la distanza per oggetto la copertura del pesce in punti distribuiti uniformemente lungo le thalweg (porzione della corrente attraverso il quale si verifica il flusso principale o più rapida). Prendere le misure ogni 1 ACW per i flussi <5 m di larghezza e ogni 0,5 ACW per i flussi> 5 m di larghezza 15.
- Ottenere misurazioni duplicati e campioni da un selezionato casualmente il 10% dei siti di studio. misure duplicati vengono usati per stimare il campionamento e analisi di laboratorio di precisione.
3. I protocolli di laboratorio per fisico-chimici e biologici
Nota: Descrivendo protocolli di laboratorio per la quantificazione chimica dell'acqua attributi è al di fuori del campo di applicazione di questo manoscritto. Tuttavia, l'attuale studio utilizzato metodi chimici standard per acqua e rifiuti 14.
- organismi sottocampione contenuti all'interno di ogni campione di macroinvertebrati (raccolti utilizzando protocolli nella sezione 2.4) per ottenere un sottocampione rappresentativo della comunità macroinvertebrati in ogni sito.
- Posizionare l'intero campione macroinvertebrati composito in un 100 in 2 a griglia di smistamento (misura 5 × 20 a 2). Casualmente assegnare ogni 1 in 2 griglia un numero da 1 a 100.
- Utilizzare uno stereo microscopio per contare e identificare tutti gli organismi entro selezionati casualmente 1 a 2 griglie finché il numero totale di individui smistate è di 200 ± 20%. Identificare gli organismi di genere utilizzando i tasti di macroinvertebrati, come quelle pubblicate da Merritt e Cummins 20.
- Compilare i dati a livello di genere abbondanza nella metriche della comunità [ad esempio, totale ricchezza e% Ephemeroptera, Plecotteri, e Tricotteri (EPT)] per l'uso come variabili di risposta a modelli statistici e la successiva analisi di scenario 3, 7.
4. Analisi statistica e di scenario
- Costruire modelli lineari generalizzati per la previsione in-stream fisiche, chimiche e biologiche da Indicato paesaggio-basedrs delle attività di uso del suolo dominanti.
Nota: I protocolli e le analisi sono state eseguite nella lingua R e l'ambiente per il calcolo statistico (versione 3.2.1) 21.- Test per la normalità utilizzando Shapiro-Wilk [funzione shaprio.test () in pacchetto R statistiche 21] test e trasformare le variabili per soddisfare le ipotesi di analisi parametriche e linearizzare le relazioni.
- Fit modelli massimi iniziali specificano interazioni a 2 vie tra tutti i predittori di uso del suolo [glm () in pacchetto R statistiche 21].
- Applicare una delezione all'indietro per identificare minimo modello adeguato 3, 7, 22.
- Identificare la variabile meno significativo (vale a dire, spiega la minor quantità di variazione) nel modello di massima [sintesi () in pacchetto R statistiche 21] e montare un nuovo modello con questa variabile esclusa [glm () in pacchetto R stats 21] .
- Continuare la rimozione di variabilifino a quando tutti i restanti fattori predittivi sono significativamente diversi da 0 ed esplicativo il potere non si discosta significativamente dal modello massima per ciascuna variabile di risposta utilizzando l'analisi di tabelle devianza e test del rapporto di verosimiglianza [lrtest () in pacchetto R lmtest 23].
- Prevedere le condizioni attuali.
- Utilizzare modelli finali di prevedere condizioni fisico-chimiche e biologiche determinate caratteristiche panorama attuale in tutti i bacini NHD un-campionato in tutto il bersaglio spartiacque [prevedere () in pacchetto R statistiche 21].
- Visualizza previsioni in software GIS.
- Partecipa previsioni per bacini NHD. Fare clic destro sul livello di bacini nella tabella dei contenuti e selezionare Si unisce e si riferisce dal menu a discesa e Join dal menu successivo. Selezionare l'identificatore unico come il campo che sarà basata sul join, il file delle previsioni come il tavolo da unire, E l'identificatore unico come il campo nella tabella che il join sarà basata su
- Fare clic destro sul livello di bacini e selezionare Proprietà. Nella finestra di dialogo Proprietà livello, fare clic sulla scheda Simbologia e selezionare quantità. Selezionare il valore previsto di interesse come il campo Valore e fare clic su Applica.
Nota: I valori sono compresi possono essere modificati manualmente per abbinare criteri ecologici riconosciuti utilizzando il pulsante Classifica.
- scenario delle analisi di confrontare i cambiamenti previsti in condizioni acquatici sotto vari scenari di uso del suolo.
- Aggiornare il set di dati panorama attuale per simulare scenari di sviluppo futuro o di mitigazione plausibili. Per lo studio qui descritto, aggiornare manualmente accumulato valori paesaggistici per la captazione di interesse all'interno della tabella degli attributi (ad esempio, cambiare 10 acri di foreste a copertura del suolo mineraria).
- Selezionare la captazione di interest utilizzando la funzione di Selezione per attributi situato all'interno del menu a discesa di selezione. Nella Selezione per finestra di dialogo attributo, scegliere i bacini NHD come strato. Fare doppio clic sul attributo identificativo univoco, selezionare =, e quindi digitare l'identificativo per la captazione di interesse nella casella dell'equazione.
- Aprire la tabella degli attributi di utenza NHD facendo clic destro lo strato di bacini nella tabella dei contenuti e selezionando Apri tabella attributi dal menu a discesa. Scegliere di visualizzare solo bacini selezionati.
- Con bacini solo determinati mostrando, fare clic destro sulla colonna di interesse e selezionare Calcolatrice campo e inserire il nuovo valore simulato. Nota: bacini multipli possono essere modificati per simulare molteplici attività di sviluppo o di gestione spazialmente espliciti che si verificano in tutto grandi scale spaziali.
Nota: In alternativa, vettoriali e raster set di dati originali possono essere aggiornati con la digitalizzazione nuove funzionalità o alterare e la rimozione originale feAtures per simulare nuova attività di uso del suolo e la gestione di un impatto 24 uso del suolo preesistente. Questo può essere realizzato utilizzando l'Editor Toolbar.
- Riallocare e attributi ri-accumulo orizzontale per tutti i bacini NHD utilizzando protocolli presentati in passaggi 1,3-1,4.
- Prevedere condizioni fisico-chimiche e biologiche in funzione del set di dati paesaggio aggiornato [prevedere () in pacchetto R statistiche 21].
- Visualize condizioni sotto scenari alternativi di uso del suolo utilizzando protocolli presentati al punto 4.2.2 previsto.
- Aggiornare il set di dati panorama attuale per simulare scenari di sviluppo futuro o di mitigazione plausibili. Per lo studio qui descritto, aggiornare manualmente accumulato valori paesaggistici per la captazione di interesse all'interno della tabella degli attributi (ad esempio, cambiare 10 acri di foreste a copertura del suolo mineraria).
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Representative Results
Quaranta 1: 24.000 bacini NHD sono stati selezionati come siti di studio all'interno del Coal River, West Virginia (Figura 2). Siti di studio sono stati selezionati per estendersi un'influenza gamma da miniere di superficie (% superficie 24), sviluppo residenziale [densità struttura (no./km 2)], e miniere sotterranee [sistema inquinamento eliminazione di scarico nazionale (NPDES) densità di permesso (n. / km 2)] in modo che ciascun maggiore attività uso del suolo verificato sia singolarmente che in combinazione, per quanto possibile (Figura 3). In ogni sito, sono stati raccolti i dati sulle condizioni fisico-chimiche e struttura delle comunità di macroinvertebrati.
In uno studio precedente, questi dati sono stati utilizzati per la costruzione di modelli di effetti cumulativi per prevedere West Virginia flusso Condizione Index (WVSCI), un indice multi-metrico-level della famiglia di integrità biotici sviluppato per West Virginia 25E conducibilità specifica con un alto grado di precisione e accuratezza 7. Qui, questi modelli sono utilizzati per prevedere le condizioni attuali e future per due sub-bacini idrici del fiume Coal [Drawdy Creek (Figura 4A) e Laurel Fork (Figura 4B)] sotto vari scenari di sviluppo di uso del suolo. Drawdy Creek e Laurel Fork hanno livelli quasi identiche delle miniere di superficie e di sviluppo% (Tabella 1). Tuttavia, Drawdy Creek è influenzato da strutture residenziali e miniere sotterranee, mentre Laurel Fork non lo è. Di conseguenza, questi due bacini offrono un'opportunità unica per valutare e confrontare la misura in cui gli effetti cumulativi di molteplici utilizzi del terreno di controllare le condizioni acquatiche in corso e l'esito dei futuri scenari di sviluppo di uso del suolo.
Laurel Fork, non è stato previsto di superare chimica (conducibilità specifica> 500 S / cm 26) o Biolog Criteri di iCal (WVSCI <68 25), suggerendo che può assimilare ulteriore attività di utilizzo del territorio senza rischiare perdite di valore (Tabella 1). Una serie di scenari sono stati poi valutati per quantificare la quantità massima di ulteriore miniere di superficie, miniere sotterranee, e lo sviluppo residenziale Laurel Fork può probabilmente assimilare prima della sua uscita attraversa ciascun criterio. Per fare questo, conducibilità specifica e WVSCI sono stati previsti sotto la gamma completa di ogni attività di uso del suolo, mentre tenendo le altre metriche del paesaggio costante. Analisi di scenario suggerisce Laurel Fork può assimilare il 14% (25% totale) e il 21% (32% totale) aumenta in terre Miniera in superficie prima di attraversare la conducibilità specifica e criteri WVSCI, rispettivamente (Figura 5A, 5B). Laurel Fork può anche assimilare 8 della metropolitana miniera permessi NPDES e 22 strutture residenziali prima di attraversare la conducibilità specifica e criteri WVSCI, rispettivamente (Figura 5A, 5B).
ontent "fo: together.within-page keep-=" 1 "> Al contrario, il deflusso di Drawdy Creek si prevede di superare sia il criterio chimiche e biologiche, il che suggerisce l'incapacità di assimilare qualsiasi sviluppo dell'uso del suolo supplementare senza effetti prima di mitigazione del fattori di stress correnti (Tabella 1). di conseguenza, gli scenari di mitigazione che riducono la dimensione complessiva effetto di pre-esistenti attività di uso del suolo (ad esempio, una riduzione del 10% l'effetto di 100 strutture sarebbe equivalente a 90 strutture) sono stati simulati. completamente attenuanti la effetto di sviluppo residenziale e miniere sotterranee non ha comportato un rispettivo aumento della WVSCI sopra 68 o diminuzione della conduttanza specifica al di sotto del 500 S / cm criterio (Figura 6A, 6B). Tuttavia, il deflusso di Drawdy Creek era stato previsto per superare un WVSCI punteggio di 68 e diminuzione al di sotto di 500 S / cm con riduzioni simultanee sia sviluppo residenziale e miniere sotterranee di un 94 e 75%, rispettivamente. < / P>
Figura 2. Mappa del Coal River spartiacque. Lo spartiacque Coal River è mostrata rispetto alla sua posizione all'interno di West Virginia. Sedi di siti di studio (n = 40) e Laurel Fork e Drawdy Creek sub-bacini sono anche presentati. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3. siti di studio Coal River. Entità del mineraria di superficie e di sviluppo residenziale per i siti di studio selezionati (n = 40) all'interno gradienti stressanti indipendenti e la loro combinazione. dimensione del simbolo è relativo al numero di miniere sotterranee dall'inquinamento nazionale sistema di eliminazione di scarico (NPDES) permessi.TTP: //www.jove.com/files/ftp_upload/54095/54095fig3large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4. mappe che descrivono le attività di uso del suolo all'interno Drawdy Creek (A) e Laurel Fork (B). Questi bacini rappresentano modelli di uso del suolo geografia tipico in tutta la regione MTR-VF. sviluppo residenziale [copertura del suolo (come definito dal NLCD) e le strutture] e minerario (metropolitana estrazione permessi NPDES e superficie mia misura) le attività di uso del suolo sono mostrati. Ulteriori permessi non-minato utilizzati nelle analisi di scenario sono mostrati. Fare riferimento alla Figura 2 per la posizione spartiacque all'interno West Virginia. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 5. Esempio risultati di analisi di scenario che predicono in-stream risposta allo sviluppo dell'uso del suolo simulato all'interno di Laurel Fork. Punteggi WVSCI attesi seguenti aumenti simulati nel settore minerario superficie e sviluppo residenziale (A) e prevista la conduttanza specifica dopo gli aumenti simulati nel settore minerario superficie e miniere sotterranee ( B) all'interno del bacino Laurel Fork. Le linee orizzontali rappresentano WVSCI (68) e la conduttanza specifica (500 S / cm) criteri. Le linee verticali rappresentano ulteriori livelli di estrazione mineraria con conseguente passaggio di ogni criterio. Unità per l'asse x variano a seconda del paesaggio attributi modificati in ogni scenario e corrispondono alle unità specificate nella legenda. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 6. Esempio risultati di analisi di scenario predire la risposta in-stream di attività di mitigazione simulate all'interno Drawdy Creek. Punteggi attesi WVSCI (A) e conducibilità specifica (B) in seguito diminuisce simulati nella dimensione dell'effetto di sviluppo residenziale e miniere sotterranee esistenti, rispettivamente. condizioni previste seguenti riduzioni simultanee la dimensione dell'effetto di entrambi sviluppo residenziale e miniere sotterranee sono indicate anche per ogni risposta. Le linee orizzontali rappresentano WVSCI (68) e la conduttanza specifica (500 S / cm) criteri. Le linee verticali indicano le attività di mitigazione con miglioramenti in termini di là di ogni criterio. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
| panorama attuale | |||
| Drawdy Creek | Laurel Fork | ||
| Caratteristiche di uso del suolo | |||
| miniere di superficie (%) | 10.7 | 10.9 | |
| miniere sotterranee (# NPDES permessi) | 9 | 0 | |
| Sviluppo (%) | 4.1 | 4.8 | |
| Densità Structure (#) | 470 | 0 | |
| condizioni rilevate | |||
| conduttanza specifica (S / cm) | 686 | 156 | |
| WVSCI | 65 | 68.8 | |
| Condizioni attesi | |||
| conduttanza specifica (S / cm) | 831 | 279 | |
| WVSCI | 60.9 | 73.1 | |
Tabella 1. Caratteristiche del paesaggio e osservati e previsti condizioni acquatiche per Drawdy Creek e Laurel Fork. Uso del suolo caratteristiche (minerarie di superficie, di estrazione sotterranea, e delle case di abitazione) e prevede condizioni chimiche e biologiche per Drawdy Creek e Laurel Fork in condizioni panorama attuale e la scenario minerario supplementare.
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Discussion
Forniamo un quadro per la valutazione e la gestione di effetti cumulativi delle molteplici attività di utilizzo del territorio in bacini pesantemente influenzato. L'approccio qui descritto indirizzi precedentemente identificato limitazioni associati alla gestione di sistemi acquatici in bacini pesantemente influenzato 5-6. In particolare, il progetto di valutazione spartiacque mirati (ad esempio, il campionamento lungo fattore di stress individuale e combinata assi) produce dati che sono adatti per quantificare gli effetti cumulativi complesse a scale spaziali rilevanti (ad esempio, scala di bacino) via facilmente interpretabili e modellazione implementabile tecniche 3, 7 . Inoltre, questi modelli sono facilmente incorporati in un quadro di analisi scenario che consente la previsione accurata della gestione futura (ad esempio, il ripristino e mitigazione) e risultati di sviluppo. Di conseguenza, l'approccio presentato sarà probabilmente di valore per responsabili delle risorse acquatiche che si fanno sempre più affidamento sulle previsioni Conditioni sotto vari scenari di uso del suolo per aiutare nelle decisioni regolamentari 27.
Il contrasto tra Drawdy Creek e Laurel Fork mette in evidenza l'utilità del quadro presentato nella gestione di sistemi acquatici all'interno delle regioni in via di sviluppo in modo attivo e socio-economico importante. Analisi di scenario suggerisce che Laurel Fork, che è influenzato esclusivamente dalle miniere di superficie (10,9%), può assimilare ulteriore sviluppo dell'uso del suolo, senza superare i criteri chimici e biologici. Drawdy Creek, che è influenzata dai livelli equivalenti di miniere di superficie (10,7%), si prevede di non incontrare né il criterio a causa di effetti cumulativi associati miniere sotterranee e strutture residenziali. Tuttavia, la mitigazione simulato di fattori di stress non-superficie di estrazione (ad esempio, sotterranea miniera di effluenti e acque reflue residenziale) il miglioramento delle condizioni ecologiche, proponendo attività di gestione strategica potrebbe consentire un ulteriore sviluppo a verificarsi. Di conseguenza, la presenteapproccio Ed permette di agevolare l'attività economica e di sviluppo ma anche di produrre opportunità di benefici netti attraverso la bonifica di altri fattori di stress 28.
l'identificazione di successo e campionamento delle dominanti fattori di stress di uso del suolo è un passo fondamentale per l'attuazione con successo le metodologie presentate nel presente documento. E 'anche importante che le analisi di dati di campionamento e le successive si basano sulle migliori informazioni disponibili e la maggior copertura del suolo up-to-date e utilizzare. La coerenza temporale tra copertura del suolo e in-stream di dati contribuire a garantire relazioni statistiche accurate e successive previsioni ecologici 3, 9. Se condotta in modo appropriato, la tecnica di valutazione spartiacque presentato produce dati che sono in gran parte imparziale (ad esempio, riduce al minimo errore di specificazione e omesso pregiudizi variabili) e influenzato da multicollinearità. Di conseguenza, questi dati sono particolarmente adatte per la modellazione predittiva tramite tecniche di regressione tradizionali.Un potenziale limite dell'approccio attuale, tuttavia, è che forte capacità di prevedere empiricamente modello spaziale non garantisce la capacità di prevedere il cambiamento nel tempo. In particolare, gli studi hanno osservato le interazioni tra i cambiamenti climatici e uso del suolo in condizioni fisico-chimiche e biologiche 29-31. Così, approcci di gestione adattativi che mettono alla prova le previsioni temporali e aggiornare modelli predittivi spaziali saranno una componente importante degli sforzi di gestione. Questo dovrebbe comportare incorporando i cambiamenti climatici in modelli statistici e analisi successive scenario.
La nostra metodologia può anche essere adattato ad utilizzare i set di dati esistenti che non possono soddisfare le ipotesi di tecniche di regressione tradizionali (ad esempio, multicollinearità e indipendenza del campione). L'utilizzo dei dati pre-esistente è utile in situazioni in cui i manager hanno il tempo o le risorse limitate. modelli di regressione Tree (BRT) spinti possono essere particolarmente utili quando si analizzano grande, Set di dati preesistenti, perché sono in gran parte influenzato dalla multicollinearità, dati mancanti, valori erratici statistici, ei dati non normali 32. Inoltre, BRT offre elevate prestazioni predittiva e ha dimostrato l'utilità in uno scenario di analisi quadro 28.
E 'importante notare il contesto in cui è stata sviluppata la nostra metodologia. In primo luogo, il nostro approccio è stato sviluppato per bacini caratterizzati da ben definiti gradienti di uso del suolo. Tuttavia, ben definiti gradienti di uso del suolo non si verificano sempre sullo spartiacque scala (ad esempio, le zone del Midwest degli Stati Uniti con una piccola variazione in estensione agricola). Di conseguenza, gli altri approcci alla pianificazione della conservazione, come ad esempio i metodi basati sul rischio che si allineano gli obiettivi di conservazione basate su rischi delle molteplici attività di uso del suolo, possono essere più appropriato 33-34. Inoltre, il nostro approccio è stato progettato al HUC scala di bacino a 8 cifre. In uno studio precedente, abbiamo scoperto che i modelli construCTED su più di 8 cifre bacini HUC non riescono a prevedere sfumature spartiacque-specifici tra uso del suolo e in-stream condizioni 7. Modelli Costruire diverse scale spaziali più piccole (ad esempio, 12 cifre bacini HUC) possono limitare la dimensione del campione e limitare la capacità dei modelli di quantificare gli effetti cumulativi complessi. Tuttavia, il nostro approccio può essere utilizzato per gestire attraverso scale spaziali tramite un quadro casa-quartiere 2. In questo contesto, le priorità di restauro e di protezione sono impostate per i flussi individuali nel contesto di condizioni circostanti. Ad esempio, il restauro potenziali aumenta con l'aumentare condizione quartiere a causa dei benefici connessi con avere buoni flussi nelle vicinanze (ad esempio, un elevato potenziale di ri-colonizzazione).
Forniamo e dimostrare i protocolli per la valutazione e la gestione di effetti cumulativi all'interno di bacini pesantemente influenzato. Anche se il manoscritto corrente focalizzata sulla costruzione e implementazionedi modelli di effetti cumulativi in un quadro analisi di scenario, le tecniche di valutazione spartiacque dimostrato di produrre dati in grado di quantificare i modelli dettagliati di degrado fisico-chimiche e biologiche legate all'accumulo di attività di uso del suolo dominanti attraverso scale spaziali più grandi 35. Di conseguenza, i dati prodotti dai protocolli di progettazione e di campionamento studio qui descritti hanno potenziali vantaggi di gestione che vanno ben oltre quelli discussi. Forse ancora più importante, questo quadro è trasferibile ad altri bacini che affrontano le transizioni in corso in un qualsiasi numero di attività di uso del suolo.
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Acknowledgments
Ringraziamo il campo e di laboratorio numerosi aiutanti che sono stati coinvolti in vari aspetti di questo lavoro, in particolare Donna Hartman, Aaron Maxwell, Eric Miller, e Alison Anderson. Il finanziamento per questo studio è stato fornito dal US Geological Survey attraverso il sostegno da US Environmental Protection Agency (EPA) Regione III. Questo studio è stato in parte sviluppato sotto la scienza per ottenere risultati Fellowship numero Accordo Assistenza FP-91.766.601-0 assegnato dalla US EPA. Anche se la ricerca descritta in questo articolo è stato finanziato dalla US EPA ma non e 'stato sottoposto a pari e politica di revisione richieste dell'Agenzia e, di conseguenza, non riflette necessariamente il punto di vista dell'agenzia, e senza l'approvazione ufficiale può essere presupposta.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Slack Invert Sampling Kit | Wildco | 3-425-N56 | |
| HDPE Square Jars | US Plastic Corp | 66188 | 32 oz; for storing fixed, composite invertebrate samples |
| Ethyl Alcohol 190 Proof | PHARMCO-AAPER | 111000190 | For fixing and storing invertebrate samples |
| 5 in. by 20 in. Macroinvertebrate sub-samplilng grid | N/A | N/A | This item cannot be purchased and must be made in house |
| Stereomicroscope Stemi 2000 with stand C LED | ZEISS | 000000-1106-133 | For macroinvertebrate sorting and identification |
| Thermo Scientific Nalgene Reusable Filter Holders with Receiver | Fisher Scientific | 09-740-23A | |
| Immobilon-NC Transfer Membrane | Millipore | HATF04700 | Triton-free, mixed cellulose exters, 0.45 μm, 47 mm, disc |
| Actron Vacuum Pump Brake Bleeder Kit | Advanced Auto Parts | CP7835 | |
| Nitric Acid Solution | HACH | 254049 | 1:1, 500 ml |
| Oblong NDPE Wide Mouth Bottles | Thomas Scientific | 1229Z38 | 250 ml; for collection of water samples |
| 650 Multi-parameter display, standard memory | Fondriest Environmental | 650-01 | |
| 600XL Sonde with temperature/conductivity sensor | Fondriest Environmental | 065862 | |
| pH calibration buffer pack | Fondriest Environmental | 603824 | 2 pints each of pH 4, 7, & 10 |
| conductivity standard | Fondriest Environmental | 065270 | 1 quart, 1,000 µS |
| Flo-Mate 2000 | TTT Environmental | 2000-11 | |
| Keson English/Metric Open Reel Fiberglass Tape | Forestry Suppliers | 40025 | 300'/100 m |
| ArcGIS 10.3.1 | ESRI |
References
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