Водораздел Планирование в рамках структурного анализа количественного сценария
Summary
Существует острая необходимость в инструментах и методологий, способных управлять водными системами в условиях неопределенных будущих условий. Мы предлагаем методы проведения целенаправленной водораздел оценки, которая позволяет менеджерам ресурсов для производства на основе ландшафтно-моделей кумулятивных эффектов для использования в рамках управления анализа сценариев.
Abstract
Существует острая необходимость в инструментах и методологий, способных управлять водными системами в пределах сильно пострадавших водосборных бассейнов. В настоящее время усилия часто не в результате неспособности количественно оценить и прогнозировать сложные кумулятивные эффекты текущих и будущих сценариев использования земель в соответствующих пространственных масштабах. Целью этой рукописи является предоставление методики проведения целенаправленной водораздел оценки, которая позволяет менеджерам ресурсов для производства на основе ландшафтно-моделей кумулятивных эффектов для использования в рамках управления анализа сценариев. Сайты сначала выбраны для включения в водоразделе оценки по выявлению участков, которые падают вдоль независимых градиентов и комбинаций известных факторов стресса. Методы полевых и лабораторных затем используются для получения данных о физических, химических и биологических эффектов многих видов деятельности землепользования. Множественный линейный регрессионный анализ затем используется для производства на основе ландшафтно-моделей кумулятивных эффектов для прогнозирования акваческие условия. И, наконец, способы введения кумулятивных моделей эффектов в рамках анализа сценариев для направления управления и регулирующих решений (например, выдачи разрешений и смягчение последствий) в рамках активно развивающихся водосборных бассейнов обсуждаются и продемонстрированы на 2 суб-водоразделов в пределах вершины горы горного региона центральной Аппалачей. Подход к оценке водосборных бассейнов и управления представлено здесь позволяет менеджерам ресурсов в целях содействия экономическому и развития деятельности при одновременной защите водных ресурсов и получения возможности для чистых экологических выгод за счет целенаправленного восстановления.
Introduction
Антропогенное изменение природных ландшафтов является одним из самых больших современных угроз для водных экосистем по всему миру 1. Во многих регионах, продолжающаяся деградация при нынешних темпах приведет к непоправимому повреждению водных ресурсов, в конечном счете, ограничивает их способность оказать неоценимую и незаменимые экосистемных услуг. Таким образом, существует острая необходимость в инструментах и методологий , способных управлять водными системами в развивающихся водоразделов 2-3. Это особенно важно, учитывая, что менеджеры часто поставлена задача сохранения водных ресурсов в условиях социально-экономических и политических давлений продолжать деятельность в области развития.
Управление водных систем в активно развивающихся регионах требует способности прогнозировать возможные последствия планируемой деятельности в области развития в контексте уже существующего природного и техногенного ландшафта атрибутов 3, 4. Основной проблемой для aquatIC управления ресурсами в сильно деградировавших водосборных бассейнов является возможность количественной оценки и управления сложными (т.е. аддитивными или интерактивными) кумулятивное воздействие нескольких стрессоров землепользования в соответствующих пространственных масштабах 2, 5. Несмотря на существующие проблемы, тем не менее, оценки кумулятивных эффекты включаются в нормативным требованиям по всему миру 5-6.
Целенаправленные оценки водораздела , предназначенные для выборки полного спектра условий в отношении нескольких стрессоров землепользования могут производить данные , способные моделировать сложные кумулятивные эффекты 7. Кроме того, включение таких моделей в рамках анализа сценариев [прогнозирования экологических изменений при различных реалистической или предложенного развития или управления водосборных бассейнов (восстановление и смягчение) сценариев] имеет потенциал , чтобы значительно улучшить управление водных ресурсов в пределах сильно пострадавших водоразделов 3, 5, 8 -9. В частности, анализ сценариев предусматриваетрамки для добавления объективности и прозрачности в принятии управленческих решений путем включения научной информации (экологические взаимосвязи и статистические модели), нормативные цели, и субъектов деятельности в единую структуру принятия решений 3, 9.
Мы представляем методологию для оценки и управления кумулятивный эффект нескольких видов деятельности землепользования в рамках анализа сценариев. Сначала мы опишем, как надлежащим образом целевых сайтов для включения в водоразделе оценки, основанной на известных стрессоров землепользования. Описаны методы полевых и лабораторных для получения данных об экологических последствиях деятельности нескольких землепользования. Кратко опишем методы моделирования для создания на основе ландшафтно-моделей кумулятивных эффектов. И наконец, мы рассмотрим , как включить накопительные модели эффектов в рамках анализа сценариев и продемонстрировать полезность этой методологии в помощи регулирующих решений (например, выдачи разрешений и отдыхOration) в интенсивно добытого водораздела на юге Западной Вирджинии.
Protocol
Representative Results
Discussion
Мы обеспечиваем основу для оценки и управления кумулятивного эффекта множественных операций землепользования в сильно пострадавших водоразделов. Подход , описанный в настоящем документе адреса ранее определены ограничения , связанные с управлением водными системами в значительной …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим многочисленных полевых и лабораторных помощников, которые были вовлечены в различные аспекты этой работы, особенно Донна Хартман, Аарон Максвелл, Эрик Миллер и Элисон Андерсон. Финансирование данного исследования было предоставлено Геологической службы США благодаря поддержке Агентства по охране окружающей среды США (EPA) области III. Это исследование было частично разработан в рамках науки для достижения результатов стипендий номер договора Помощь FP-91766601-0, присужденную охране окружающей среды США. Хотя исследование описано в этой статье была осуществлена за счет охране окружающей среды США, он не был подвергнут необходимой агентства экспертной и политики обзора и, следовательно, не обязательно отражает точку зрения агентства, и никакого официального одобрения не следует делать вывод.
Materials
| Slack Invert Sampling Kit | Wildco | 3-425-N56 | |
| HDPE Square Jars | US Plastic Corp | 66188 | 32oz./for storing fixed, composite invertebrate samples |
| Ethyl Alcohol 190 Proof | PHARMCO-AAPER | 111000190 | For fixing and storing invertebrate samples |
| 5in. by 20in. 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, 0.45um, 47mm, disc |
| Actron Vacuum Pump Brake Bleeder Kit | Advanced Auto Parts | CP7835 | |
| Nitric Acid Solution | HACH | 254049 | 1:1, 500mL |
| 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, 1000 uS |
| Flo-Mate 2000 | TTT Environmental | 2000-11 | |
| Keson English/Metric Open Reel Fiberglass Tape | Forestry Suppliers | 40025 | 300'/100m |
| ArcGIS 10.3.1 | ESRI |
References
- Allan, J. D. Landscapes and riverscapes: the influence of land use on stream ecosystems. Annu. Rev. Ecol. Evol. Syst. 35, 257-284 (2004).
- Merovich, G. T., Petty, J. T., Strager, M. P., Fulton, J. B. Hierarchical classification of stream condition: a house-neighborhood framework for establishing conservartion priorities in complex riverscapes. Freshwater Science. 32, 874-891 (2013).
- Merriam, E. R., Petty, J. T., Strager, M. P., Maxwell, A. E., Ziemkiewicz, P. F. Scenario analysis predicts context-dependent stream response to land use change in a heavily mined central Appalachian watershed. Freshwater Science. 32, 1246-1259 (2013).
- Petty, J. T., Fulton, J. B., Strager, M. P., Merovich, G. T., Stiles, J. M., Ziemkiewicz, P. F. Landscape indicators and thresholds of stream ecological impairment in an intensively mined Appalachian watershed. J. N. Am. Benthol. Soc. 29, 1292-1309 (2010).
- Seitz, N. E., Westbrook, C. J., Noble, B. F. Bringing science into river systems cumulative effects assessment practice. Environ. Impact Asses. 31, 172-179 (2011).
- Duinker, P. N., Greig, L. A. The importance of cumulative effects assessment in Canada: ailments and ideas for redeployment. Environ. Manage. 37, 153-161 (2006).
- Merriam, E. R., Petty, J. T., Strager, M. P., Maxwell, A. E., Ziemkiewicz, P. F. Landscape-based cumulative effects models for predicting stream response to mountaintop mining in multistressor Appalachian watersheds. Freshwater Science. 34, 1006-1019 (2015).
- Duinker, P. N., Greig, L. A. Scenario analysis in environmental impact assessment: improving explorations of the future. Environ. Impact Asses. 27, 206-219 (2007).
- Kepner, W. G., Ramsey, M. M., Brown, E. S., Jarchow, M. E., Dickinson, K. J. M., Mark, A. F. Hydrologic futures: using scenario analysis to evaluate impacts of forecasted land use change on hydrologic services. Ecosphere. 3, 1-25 (2012).
- Gergel, S. E., Turner, M. G., Miller, J. R., Melack, J. M., Stanley, E. H. Landscape indicators of human impacts to riverine systems. Aquat. Sci. 64, 118-128 (2002).
- McKay, L., Bondelid, T., Dewald, T., Johnston, J., Moore, R., Rea, A. . NHDPlus Version 2: User Guide. , (2012).
- Strager, M. P., Petty, J. T., Strager, J. M., Barker-Fulton, J. A spatially explicit framework for quantifying downstream hydrologic conditions. J. Environ. Manag. 90, 1854-1861 (2009).
- . . WVDEP (Virginia Department of Environmental Protection). Standard operating proceedures. , (2009).
- . EPA-60014-79-020. USEPA. Methods for chemical analysis of water and wastes. , (1983).
- Merriam, E. R., Petty, J. T., Merovich, G. T., Fulton, J. B., Strager, M. P. Additive effects of mining and residential development on stream conditions in a central Appalachian watershed. J. N. Am. Benthol. Soc. 30, 399-418 (2011).
- Bisson, P. A., Nielsen, J. L., Palmason, R. A., Grove, L. E., Armentrout, N. D. A system of naming habitat types in streams, with examples of habitat utilization by salmonids during low streamflow. Acquisition and utilization of aquatic habitat inventory information. Proceedings of a symposium held 28-30 October, 1981. , 62-73 (1982).
- Wentworth, C. K. A scale of grade and class terms for clastic sediments. J. Geol. 30, 377-392 (1922).
- Petty, J. T., Freund, J., Lamothe, P., Mazik, P. Quantifying instream habitat in the upper Shavers Fork basin at multiple spatial scales. Proceedings of the Annual Conference of the Southeastern Association of Fisheries and Wildlife Agencies. 55, 81-94 (2001).
- Barbour, M. T., Gerritsen, J., Snyder, B. D., Stribling, J. B. EPA/841-B-99-022. Rapid bioassessment protocols for use in streams and wadeable rivers: periphyton, benthic macroinvertebrates, and fish. 2nd edition. , (1999).
- Merritt, R. W., Cummins, K. W. . An introduction to the aquatic insects of North America. 4th edition. , (2008).
- Crawley, M. J. . Statistics: an introduction using R. , (2005).
- Zeileis, A., Hothorn, T. Diagnostic Checking in Regression Relationships. R News. 2, 7-10 (2002).
- Maxwell, A. E., Strager, M. P., Yuill, C., Petty, J. T., Merriam, E. R., Mazzarella, C. Disturbance mapping and landscape modeling of mountaintop mining using ArcGIS. Proceedings of the ESRI International User Conference. , (2011).
- Gerritsen, J., Burton, J., Barbour, M. T. . A stream condition index for West Virginia wadeable streams. , (2000).
- Pond, G. J., Passmore, M. E., Borsuk, F. A., Reynolds, L., Rose, C. J. Downstream effects of mountaintop coal mining: comparing biological conditions using family- and genus-level macroinvertebrate bioassessment tools. J. N. Am. Benthol. Soc. 27, 717-737 (2008).
- Luo, Y., et al. Ecological forecasting and data assimilation in a data-rich era. Ecol. Appl. 21, 1429-1442 (2011).
- Petty, J. T., Strager, M. P., Merriam, E. R., Ziemkiewicz, P. F., Craynon, J. R. Scenario analysis and the Watershed Futures Planner: predicting future aquatic condiditons in an intensively mined Appalachian watershed. Environmental Considerations in Energy Productions. , 5-19 (2013).
- Daraio, J. A., Bales, J. D. Effects of land use and climate change on stream temperature I: daily flow and stream temperature projections. J. Am. Water Resour. As. 50, 1155-1176 (2014).
- Mantyka-Pringle, C. S., Martin, T. G., Moffatt, D. B., Linke, S., Rhodes, J. R. Understanding and predicting the combined effects of climate change and land-use change on freshwater macroinvertebrates and fish. J. Appl. Ecol. 51, 572-581 (2014).
- Piggott, J. J., Townsend, C. R., Matthaei, C. D. Climate warming and agricultural stressors interact to determine stream macroinvertebrate community dynamics. Glob. Change Biol. 21, 1897-1906 (2015).
- Elith, J., Leathwick, J. R., Hastie, T. A working guide to boosted regression trees. J. Anim. Ecol. 77, 802-813 (2008).
- Mattson, K. M., Angermeier, P. L. Integrating human impacts and ecological integrity into a risk-based protocol for conservation planning. Environ. Manage. 39, 125-138 (2007).
- (US, U. S. E. P. A. EPA 841-B-11-002. USEPA. Identifying and protecting healthy watersheds. Concepts, assessments, and management approaches. , (2012).
- Merriam, E. R., Petty, J. T., Strager, M. P., Maxwell, A. E., Ziemkiewicz, P. F. Complex contaminant mixtures in multi-stressor Appalachian riverscapes. Environ. Toxicol. Chem. , (2015).
