Bacias hidrográficas Planejamento dentro de uma Análise Quantitativa Framework Cenário
Summary
Há uma necessidade crítica de ferramentas e metodologias capazes de gerir sistemas aquáticos em face das condições de futuro incerto. Nós fornecemos métodos para a realização de uma avaliação de bacias hidrográficas alvejado que permite aos gestores de recursos para produzir modelos de efeitos cumulativos à base de paisagem para uso dentro de um quadro de gestão de análise de cenários.
Abstract
Há uma necessidade crítica de ferramentas e metodologias capazes de gerir sistemas aquáticos dentro de bacias hidrográficas fortemente impactadas. Os esforços atuais muitas vezes ficam aquém, como resultado de uma incapacidade de quantificar e prever os efeitos cumulativos complexas de cenários de uso da terra atuais e futuras em escalas espaciais relevantes. O objetivo deste artigo é o de fornecer métodos para a realização de uma avaliação de bacias hidrográficas alvejado que permite aos gestores de recursos para produzir modelos de efeitos cumulativos à base de paisagem para uso dentro de um quadro de gestão de análise de cenários. Sites são primeiro selecionado para inclusão no âmbito da avaliação de bacias hidrográficas, identificando sites que caem ao longo de gradientes independentes e combinações de factores de stress conhecidos. técnicas de campo e de laboratório são usados para obter dados sobre a física, química e efeitos biológicos das múltiplas atividades de uso da terra. A análise de regressão linear múltipla é então usada para produzir modelos de efeitos cumulativos à base de paisagem para a previsão do aquacondições de tique. Por fim, métodos para incorporar modelos de efeitos cumulativos dentro de um quadro de análise de cenários para orientar a gestão e as decisões regulamentares (por exemplo, licenciamento e mitigação) dentro de bacias hidrográficas desenvolvendo ativamente são discutidos e demonstrados por 2 sub-bacias dentro da região de mineração da montanha do centro de Appalachia. A abordagem de avaliação de bacias hidrográficas e gestão aqui fornecido permite aos gestores de recursos para facilitar a actividade económica eo desenvolvimento ao mesmo tempo proteger os recursos aquáticos e produzindo oportunidade para benefícios ecológicos líquidos através de remediação alvo.
Introduction
Antropização das paisagens naturais está entre as maiores ameaças atuais para os ecossistemas aquáticos em todo o mundo 1. Em muitas regiões, continuou a degradação nas taxas atuais irá resultar em danos irreparáveis aos recursos aquáticos, em última análise, limitando a sua capacidade de fornecer serviços de ecossistemas valiosos e insubstituíveis. Assim, há uma necessidade crítica de ferramentas e metodologias capazes de gerir sistemas aquáticos dentro desenvolvimento bacias hidrográficas 2-3. Isto é particularmente importante dado que os gestores são muitas vezes encarregado de conservar os recursos aquáticos em face das pressões socioeconômicas e políticas para continuar as atividades de desenvolvimento.
Gestão dos sistemas aquáticos dentro de regiões em desenvolvimento ativamente requer uma capacidade de prever os efeitos prováveis das actividades de desenvolvimento propostas dentro do contexto da paisagem natural e antrópica pré-existente atributos 3, 4. Um grande desafio para Aquatgestão de recursos ic dentro de bacias hidrográficas fortemente degradadas é a capacidade de quantificar e gerenciar complexas (ou seja, aditivos ou interativas) Os efeitos cumulativos de múltiplos estressores de uso da terra em escalas espaciais relevantes 2, 5. Apesar dos desafios atuais, no entanto, as avaliações efeitos cumulativos estão sendo incorporados diretrizes regulatórias em todo o mundo 5-6.
Avaliações de mananciais específicos destinados a provar a gama de condições com relação a múltiplas pressões de uso da terra pode produzir dados capazes de modelar efeitos cumulativos complexos 7. Além disso, incorporando tais modelos dentro de um quadro de análise de cenários [prever mudanças ecológicas sob uma gama de desenvolvimento realista ou proposta ou gestão de bacias hidrográficas (recuperação e mitigação) cenários] tem o potencial de melhorar significativamente a gestão dos recursos aquáticos dentro de bacias hidrográficas fortemente impactadas 3, 5, 8 -9. Mais notavelmente, análise de cenários forneceum quadro para a adição de objectividade e transparência às decisões de gestão, incorporando informação científica (relações ecológicas e modelos estatísticos), objectivos regulamentares e as necessidades dos envolvidos em uma única estrutura de tomada de decisões 3, 9.
Nós apresentamos uma metodologia para avaliar e gerir os efeitos cumulativos das várias atividades de uso da terra dentro de um quadro de análise de cenários. Em primeiro lugar, descrevem como alvo adequadamente sites para inclusão na avaliação de bacias hidrográficas com base em factores de stress de uso da terra conhecidas. Descrevemos técnicas de campo e de laboratório para a obtenção de dados sobre os efeitos ecológicos de múltiplas atividades de uso da terra. Nós descrevemos brevemente técnicas de modelagem para a produção de modelos de efeitos cumulativos à base de paisagem. Por último, vamos discutir como incorporar modelos de efeitos cumulativos dentro de um quadro de análise de cenários e demonstrar a utilidade desta metodologia em ajudar decisões regulamentares (por exemplo, licenciamento e descansooração) dentro de um divisor de águas intensamente extraído no sul da Virgínia Ocidental.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nós fornecemos uma estrutura para avaliar e gerir os efeitos cumulativos das várias atividades de uso do solo em bacias hidrográficas fortemente impactadas. A abordagem aqui descrita endereços previamente identificado limitações associadas ao gerenciamento de sistemas aquáticos em bacias hidrográficas fortemente impactadas 5-6. Mais notavelmente, o projeto de avaliação de bacias hidrográficas alvo (isto é, a amostragem ao longo estressor individual e combinada eixos) produz dados que são…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos aos inúmeros ajudantes de campo e de laboratório que estavam envolvidos em vários aspectos deste trabalho, especialmente Donna Hartman, Aaron Maxwell, Eric Miller e Alison Anderson. O financiamento para este estudo foi fornecido pela US Geological Survey, através do apoio da Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA) Região III. Este estudo foi parcialmente desenvolvido sob a Ciência para alcançar resultados Fellowship número Acordo de Assistência FP-91766601-0 atribuído pela EPA dos EUA. Embora a pesquisa descrita neste artigo foi financiado pela EPA, que não tenha sido submetido a par e política de revisão requerida da agência e, portanto, não refletem necessariamente a opinião da agência, e nenhum endosso oficial deve ser inferida.
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).
