Watershed Planning binnen een Quantitative Scenario Analysis Framework
Summary
Er is dringend behoefte aan instrumenten en methodieken die het beheer van watersystemen in het gezicht van onzekere toekomstige omstandigheden. Wij bieden methoden voor het uitvoeren van een gerichte waterscheiding beoordeling die resource managers in staat stelt om-landschap op basis van cumulatieve effecten modellen te produceren voor gebruik binnen een scenarioanalyse management framework.
Abstract
Er is dringend behoefte aan instrumenten en methodieken die het beheer van aquatische systemen binnen sterk beïnvloed stroomgebieden. De huidige inspanningen vallen vaak kort als gevolg van een onvermogen om te kwantificeren en complexe cumulatieve effecten van de huidige en toekomstige landgebruik's op relevante ruimtelijke schalen te voorspellen. Het doel van dit manuscript is om methoden voor het uitvoeren van een gerichte waterscheiding beoordeling die resource managers in staat stelt om-landschap op basis van cumulatieve effecten modellen te produceren voor gebruik binnen een scenarioanalyse management framework te bieden. Sites worden eerst geselecteerd voor opname binnen de waterscheiding evaluatie door het identificeren van sites die langs onafhankelijke gradiënten en combinaties van bekende stressoren vallen. Veld en laboratoriumtechnieken worden vervolgens gebruikt om gegevens over de fysische, chemische en biologische effecten van meervoudige landgebruikactiviteiten verkrijgen. Meervoudige lineaire regressie-analyse wordt vervolgens naar liggend gebaseerde cumulatieve effectmodellen produceren voor het voorspellen aquatic omstandigheden. Tot slot, voor het opnemen van cumulatieve effecten modellen binnen een scenario analysekader voor het begeleiden van het beheer en de regelgevende besluiten (bijv toelaat en mitigatie) binnen actief de ontwikkeling van stroomgebieden worden besproken en gedemonstreerd voor 2 sub-stroomgebieden binnen de bergtop mijnstreek in het centrum van de Appalachen. De waterscheiding beoordeling en het beheer aanpak hierin voorzien stelt resource managers aan de economische en ontwikkelingsactiviteiten te vergemakkelijken terwijl de bescherming van de visbestanden en het produceren van kansen voor de netto ecologische voordelen door middel van gerichte sanering.
Introduction
Antropogene verandering van het natuurlijke landschap is een van de grootste huidige bedreigingen voor de aquatische ecosystemen in de hele wereld 1. In veel regio's wordt voortgezet afbraak aan de huidige tarieven leiden tot onherstelbare schade aan aquatische hulpbronnen, uiteindelijk beperking van hun vermogen om waardevolle en onvervangbare ecosysteem diensten. Er is dus een kritische behoefte aan instrumenten en methodieken die het beheer van aquatische systemen binnen ontwikkelen stroomgebieden 2-3. Dit is met name van belang gezien het feit dat managers vaak worden belast met het behoud van de visbestanden in het gezicht van de sociaal-economische en politieke druk om de ontwikkeling van de activiteiten voort te zetten.
Beheer van aquatische systemen binnen actief de ontwikkeling van gebieden vereist het vermogen om waarschijnlijke gevolgen van de voorgestelde ontwikkeling van activiteiten in het kader van reeds bestaande natuurlijke en antropogene landschap voorspellen attributen 3, 4. Een grote uitdaging voor levic resource management binnen zwaar aangetaste stroomgebieden is de mogelijkheid om te kwantificeren en managen van complexe (ie, additief of interactief) cumulatieve effecten van meervoudig grondgebruik stressoren op relevante ruimtelijke schalen 2, 5. Ondanks de huidige uitdagingen, echter cumulatieve effecten assessments worden opgenomen in wettelijke richtlijnen in de hele wereld 5-6.
Gerichte waterscheiding assessments ontworpen om het volledige scala van aandoeningen te proeven met betrekking tot meervoudig grondgebruik stressoren kan gegevens staat het modelleren van complexe cumulatieve effecten 7 produceren. Bovendien, die dergelijke modellen binnen een scenarioanalyse kader [het voorspellen van ecologische veranderingen in het kader van een reeks van realistische of voorgestelde ontwikkeling of het beheer van stroomgebieden (restauratie en mitigatie) scenario's] heeft de potentie om sterk verbeteren van aquatische resource management binnen zwaar getroffen stroomgebieden 3, 5, 8 -9. Het meest opvallend is, scenarioanalyse biedteen kader voor het toevoegen van objectiviteit en transparantie om beslissingen van het management door het opnemen van wetenschappelijke informatie (ecologische relaties en statistische modellen), de regelgeving doelen en belanghebbenden heeft in een enkele afwegingskader 3, 9.
We presenteren een methode voor het beoordelen en beheren van cumulatieve effecten van meervoudig grondgebruik activiteiten binnen een scenario analysekader. We beschrijven eerst hoe om adequaat te richten op sites voor opname in de waterscheiding beoordeling op basis van bekende landgebruik stressoren. We beschrijven veld en laboratoriumtechnieken voor het verkrijgen van gegevens over milieu-effecten van meervoudig grondgebruik activiteiten. We beschrijven kort modelleringstechnieken voor de productie-landschap op basis van cumulatieve effecten modellen. Tot slot bespreken we hoe cumulatieve effecten modellen zijn voorzien binnen een scenarioanalyse kader en tonen het nut van deze methode in de hulp regelgevende besluiten (bijv toelaat en rustoratie) binnen een intensief gedolven keerpunt in het zuiden van West Virginia.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wij bieden een kader voor de beoordeling en het beheer van cumulatieve effecten van meerdere activiteiten landgebruik in zwaar getroffen stroomgebieden. De aanpak hier beschreven adressen eerder geïdentificeerd beperkingen in verband met het beheer van watersystemen in zwaar getroffen stroomgebieden 5-6. Het meest opvallend is de beoogde waterscheiding evaluatie ontwerp (bijv bemonstering langs afzonderlijke en gecombineerde stressor as) geeft gegevens die zijn zeer geschikt voor het kwantificeren v…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken de vele veld en laboratorium helpers die betrokken waren bij de verschillende aspecten van dit werk, vooral Donna Hartman, Aaron Maxwell, Eric Miller, en Alison Anderson. Financiering voor deze studie werd verstrekt door de US Geological Survey door middel van ondersteuning van de Amerikaanse Environmental Protection Agency (EPA) Regio III. Deze studie werd gedeeltelijk ontwikkeld in het kader van het Science Om dat te bereiken resultaten Fellowship Assistance Overeenkomst nummer FP-91.766.601-0 toegekend door de Amerikaanse EPA. Hoewel het in dit artikel beschreven onderzoek is gefinancierd door het Amerikaanse EPA, is het niet onderworpen aan het agentschap vereiste collegiale en beleidsevaluatie, en dus niet noodzakelijkerwijs overeen met de standpunten van het agentschap, en geen officiële goedkeuring moet worden afgeleid.
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).
