Vattendelare planering inom en kvantitativ Scenario Analysis Framework
Summary
Det finns ett kritiskt behov av verktyg och metoder som kan hantera akvatiska system inför osäkra framtida förhållanden. Vi tillhandahåller metoder för att genomföra en riktad vattendelare bedömning som gör det möjligt resurshanterare att producera landskapsbaserade kumulativa effekter modeller för användning inom ramen scenarioanalys förvaltning.
Abstract
Det finns ett kritiskt behov av verktyg och metoder som kan hantera akvatiska system inom kraftigt påverkade vattendelare. Nuvarande ansträngningar faller ofta kort som ett resultat av en oförmåga att kvantifiera och förutsäga komplexa kumulativa effekterna av nuvarande och framtida markanvändning scenarier vid relevanta rumsliga skalor. Målet med detta manuskript är att tillhandahålla metoder för att genomföra en riktad vattendelare bedömning som gör det möjligt resurshanterare att producera landskapsbaserade kumulativa effekter modeller för användning inom ramen scenarioanalys förvaltning. Platser först ut för inkludering inom vattendelare bedömning genom att identifiera platser som faller längs oberoende gradienter och kombinationer av kända stressfaktorer. Fält- och laboratorietekniker används sedan för att få fram data om fysikaliska, kemiska och biologiska effekter av flera markanvändning aktiviteter. Multipel linjär regressionsanalys användes sedan för att producera landskapsbaserade kumulativa effekter modeller för att förutsäga aquatic villkor. Slutligen är metoder för att införliva kumulativa effekter modeller inom ramen scenarioanalys för att styra förvaltningen och myndighetsbeslut (t.ex. tillståndsgivning och begränsning) inom aktivt utveckla avrinningsområden diskuteras och demonstreras för 2 under vattendelare inom bergsbrytning regionen i centrala Appalachia. Vattendelaren bedömning och hantering strategi som tillhandahålls häri möjliggör resurshanterare att underlätta den ekonomiska och utvecklingsverksamheten och samtidigt skydda akvatiska resurser och producera möjlighet till netto ekologiska fördelar genom riktade sanering.
Introduction
Mänsklig förändring av naturlandskap är bland de största aktuella hoten mot akvatiska ekosystem över hela världen en. I många regioner, kommer fortsatt nedbrytning i löpande priser leda till irreparabla skador på akvatiska resurser i slutändan begränsar deras kapacitet att ge ovärderliga och oersättliga ekosystemtjänster. Det finns således ett kritiskt behov av verktyg och metoder som kan hantera akvatiska system i utvecklings vattendelare 2-3. Detta är särskilt viktigt med tanke på att chefer ofta till uppgift att bevara akvatiska resurser med tanke på socioekonomiska och politiska påtryckningar för att fortsätta utveckling.
Hantering av akvatiska system inom aktivt utvecklingsregioner kräver en förmåga att förutsäga sannolika effekterna av föreslagna utvecklingsaktiviteter inom ramen för redan existerande naturliga och antropogena landskap attribut tre, fyra. En stor utmaning att Aquatic resurshantering inom kraftigt försämrade vattendelare är förmågan att kvantifiera och hantera komplexa (dvs additiva eller interaktiva) kumulativa effekterna av flera markanvändning stress på relevanta rumsliga skalor 2, 5. Trots dagens utmaningar, men kumulativa effekter bedömningar införlivas i regulatoriska riktlinjer hela världen 5-6.
Riktade vattendelare bedömningar som syftar till att ta prov på alla villkor i förhållande till flera markanvändning stress kan ta fram data som kan modellera komplexa kumulativa effekter 7. Dessutom införlivar sådana modeller inom ramen scenarioanalys [förutsäga ekologiska förändringar i en rad realistisk eller föreslagen utveckling eller vattendelare förvaltning (restaurering och lindring) scenarier] har potential att avsevärt förbättra vattenresursförvaltning inom kraftigt påverkade vattendelare 3, 5, 8 -9. Framför allt ger scenarioanalysen ram för att lägga till objektivitet och insyn förvaltningsbeslut genom att införliva vetenskaplig information (ekologiska relationer och statistiska modeller), regulatoriska mål och intressenter behöver i en enda beslutsramen 3, 9.
Vi presenterar en metod för att bedöma och hantera kumulativa effekter av flera markanvändning aktiviteter inom ramen scenarioanalys. Vi beskriver först hur lämpligt att rikta platser som skall ingå i den vattendelare bedömning baserad på kända markanvändning stressfaktorer. Vi beskriver fält- och laboratorietekniker för att erhålla data om de ekologiska effekterna av flera markanvändning aktiviteter. Vi beskriver kort modelleringstekniker för att producera landskapsbaserade kumulativa effekter modeller. Slutligen diskuterar vi hur man kan införliva kumulativa effekter modeller inom ramen scenarioanalys och visar användbarheten av denna metod i medhjälp regleringsbeslut (t.ex. tillståndsgivning och vilaoration) inom ett intensivt bryts vattendelare i södra West Virginia.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi tillhandahåller en ram för bedömning och hantering av kumulativa effekter av flera markanvändning aktiviteter i kraftigt påverkade vattendelare. Tillvägagångssättet beskrivs häri adresser tidigare identifierat begränsningar som är förknippade med att hantera akvatiska system i kraftigt påverkat vattendelare 5-6. Framför allt, riktade vattendelare konstruktionsbedömningen (dvs. provtagning längs individuella och kombinerade stressaxlar) producerar data som är väl lämpade för att…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar de många fält- och laboratorie hjälpare som var inblandade i olika aspekter av detta arbete, särskilt Donna Hartman, Aaron Maxwell, Eric Miller, och Alison Anderson. Finansiering för denna studie från US Geological Survey genom stöd från US Environmental Protection Agency (EPA) region III. Denna studie har delvis utvecklats under Science att nå resultat Fellowship Assistance Avtalsnummer FP-91.766.601-0 tilldelas av US EPA. Även den forskning som beskrivs i den här artikeln har finansierats av US EPA, har det inte varit föremål för myndighetens krävs inbördes och översyn, och därför inte nödvändigtvis återspeglar åsikterna hos myndigheten, och ingen officiell godkännande ska sluta.
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).
