Watershed Planung innerhalb eines Quantitative Szenarioanalyse Rahmen

Das übergeordnete Ziel dieser Methodik ist es, Forschern und Ressourcenmanagern einen Rahmen für den Zugang zu und das Management aquatischer Systeme innerhalb aktiv entwickelnder Wassereinzugsgebiete zu bieten, die von mehreren Landnutzungsaktivitäten betroffen sind. Der in diesem Video beschriebene Planungsansatz für die Bewertung von Wassereinzugsgebieten wird Forschern und Verwaltern aquatischer Ressourcen zugute kommen, indem er die Charakterisierung und Vorhersage der kumulativen Auswirkungen im Zusammenhang mit mehreren Landnutzungsaktivitäten ermöglicht. Ein Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie einen kumulativen Analyserahmen in einen Rahmen für die Analyse von GI-Raumszenarien integriert.

Auf diese Weise können Manager interaktiv auf die Ergebnisse regulatorischer Entscheidungen zugreifen, wie z. B. Genehmigungen und Minderungen. Der vorgestellte Ansatz ermöglicht es beispielsweise, sowohl Wirtschafts- als auch Entwicklungsaktivitäten zu erleichtern und gleichzeitig durch gezielte Sanierung anderer Stressfaktoren Vorteile für aquatische Ökosysteme zu erzielen. Zur Vorbereitung sollten landschaftsbasierte Messungen der vorherrschenden Landnutzungsaktivitäten innerhalb des Zieleinzugsgebiets ausgewählt werden, wie z. B. Landbedeckungsattribute in der National Land Cover Database.

Öffnen Sie dann im GIS die NHD-Einzugsgebietsdatei für das Zielgebiet. Bevor Sie mit der Zusammenfassung beginnen, stellen Sie sicher, dass jedes Einzugsgebiet über eine eindeutige Kennung verfügt. Ordnen Sie zunächst jedem Polygon-Einzugsgebiet vektorielle Landnutzungsdaten zu.

Verwenden Sie das Werkzeug Schnittpunkt tabellarisch erfassen, um Landschaftsattribute für jedes Einzugsgebiet zu berechnen. Wählen Sie den Einzugsgebiets-Layer als Eingabe-Zonen-Feature, den eindeutigen Bezeichner als Zonenfeld und die Vektordaten für die Landnutzung als Eingabeklassen-Feature aus. Ordnen Sie als Nächstes jedem Einzugsgebiet Raster-Landnutzungsdaten zu.

Verwenden Sie das Werkzeug Fläche tabellarisch erfassen, um die Attribute für jedes Einzugsgebiet zu berechnen. Wählen Sie den Layer des Einzugsgebiets als Feature-Zone-Daten, den eindeutigen Bezeichner als Zonenfeld und den Landbedeckungsdatensatz als Eingabe-Raster aus. Verbinden Sie nun die tabellarisch dargestellten Landnutzungsattribute mit dem Einzugsgebiets-Layer.

Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Einzugsgebietsebene im Inhaltsverzeichnis. Wählen Sie im Dialogfeld Verknüpfungen und Beziehungen und dann Verbinden aus. Wählen Sie die tabellarische Vektorausgabe als Tabelle aus, die verknüpft werden soll, und wählen Sie dann den eindeutigen Bezeichner des Einzugsgebiets als Feld aus, auf dem die Verknüpfung basieren soll.

Wiederholen Sie diesen Schritt, um die tabellarische Raster-Ausgabe zu verknüpfen. Akkumulieren Sie dann alle Landschaftsattribute und das Gebietsfeld für jedes Einzugsgebiet mithilfe eines automatisierten Skripts. In diesem Schritt werden die gesamten flussaufwärts gelegenen Einzugsgebietsflächen und Landschaftsattribute berechnet, und zwar für ein NHD-Einzugsgebiet im Maßstab von 100.000 mit dem Werkzeug Zuordnung und Akkumulation von Einzugsgebietsattributen.

Wählen Sie NHD-Einzugsgebiete als Untersuchungsgebiete basierend auf ihren Landschaftsattributen aus. Erstellen Sie zunächst ein Streudiagramm aller NHD-Einzugsgebiete in Bezug auf ihre kumulierten Werte der wichtigsten Landnutzungsaktivitäten. Wählen Sie etwa 40 Einzugsgebiete als Untersuchungsgebiete innerhalb jedes achtstelligen Wassereinzugsgebiets des hydrologischen Einheitscodes aus.

Diese Gebiete sollten die gesamte Bandbreite der Einflüsse der vorherrschenden Landnutzungsaktivitäten innerhalb des Zieleinzugsgebiets repräsentieren. Wählen Sie Standorte innerhalb unabhängiger Stressorgradienten aus, d. h. Standorte, die von einer einzelnen Landnutzungsaktivität beeinflusst werden. Wählen Sie auch Standorte mit Stressorkombinationen aus, die durch mehrere Landnutzungsaktivitäten beeinflusst werden.

Achten Sie darauf, dass die Standorte gut im Wassereinzugsgebiet verteilt und in Bezug auf ihre Abflüsse unabhängig voneinander sind. Stellen Sie sicher, dass Standorte, die in jeden einzelnen und kombinierten Stressorgradienten fallen, auch ähnliche durchschnittliche Einzugsgebietsflächen aufweisen. Im Feld ist die Probenahmereichweite mit dem 40-fachen der aktiven Kanalbreite und einer maximalen und minimalen Länge von 300 und 150 Metern zu begrenzen.

Beginnen Sie mit der Entnahme von Wasserproben. Wählen Sie bewegtes Wasser, das für die gesamte Probenahmestelle charakteristisch ist. Erhalten Sie zunächst sofortige Messungen des gelösten Sauerstoffs, der spezifischen Leitfähigkeit, der Temperatur und des pH-Werts mit Hilfe von Handsensoren.

Entnehmen Sie als Nächstes eine gefilterte Probe. Spülen Sie zunächst die Filtrationsanlage mit entionisiertem Wasser. Filtrieren Sie dann 250 Milliliter Wasser für die Analyse von gelösten Metallen und fixieren Sie die Probe auf einen pH-Wert von weniger als zwei, um sicherzustellen, dass die Metalle in der Lösung gelöst bleiben.

Sammeln Sie anschließend 250 Milliliter ungefiltertes Wasser, indem Sie eine Probenflasche vollständig in die Wassersäule eintauchen. Drücken Sie die Flasche vorsichtig zusammen, um die verbleibende Luft zu entfernen, und setzen Sie gleichzeitig den Deckel auf die Probenflasche. Falls erforderlich, fixieren Sie die Probe auf einen pH-Wert von weniger als zwei, um die biologische Aktivität abzutöten, die die Analyten beeinträchtigen könnte.

Auswahl der Analyten auf der Grundlage lokaler Landnutzungsaktivitäten. Sammeln Sie einmal während jedes Probenahmeereignisses eine Negativkontrolle, indem Sie alle Wasserprobenahmeprotokolle befolgen, um Proben von deionisiertem Wasser zu erhalten. Damit soll sichergestellt werden, dass es keine Kreuzkontamination zwischen den Probenahmestellen gibt.

Lagern Sie alle Wasserproben bei vier Grad Celsius. Das nächste Verfahren besteht darin, den Abfluss an jeder Probenstelle zu messen. Dazu teilt man zunächst die Watbachbreite mit einem Tiefenmessstab in gleich große Schritte ein, misst die Tiefe als Abstand vom Bachbett zur Wasseroberfläche und misst dann mit einem Strömungsmesser die Geschwindigkeit des Wassers bei 60 % der Wassertiefe.

Berechnen Sie nun den Abfluss als Summe aller Produkte aus Geschwindigkeit, Tiefe und Breite an jedem Abschnitt. Um die Makrowirbellosen an jedem Standort zu beproben, werden Kick-Proben von vier separaten Riffeln entnommen, die über die gesamte Länge des Probenahmebereichs verteilt sind. Platzieren Sie das Trittnetz an jeder Stelle senkrecht zur Strömung des Baches und stören Sie mit dem Fuß einen 50 Quadratzentimeter großen Bereich unmittelbar flussaufwärts, um Material im Trittnetz zu sammeln.

Sobald die vier Proben entnommen sind, kombinieren Sie sie und konservieren Sie sie sofort mit 95 % Ethanol. Das nächste Verfahren besteht darin, die Qualität und Komplexität des physischen Lebensraums in der gesamten Flussreichweite zu messen, indem Messungen an gleichmäßig verteilten Punkten entlang des Thow-Kielwassers durchgeführt werden, d. h. an der Stelle innerhalb des Flusskanals mit der schnellsten Strömung. Zählen Sie schließlich alle Stücke von großen Holzresten innerhalb des aktiven Kanals.

Es wird eine Teilprobe der Organismen genommen, die in jeder Makrowirbellosenprobe enthalten sind, die am Prüfort entnommen wird. Legen Sie die gesamte Mischprobe in ein 100 Quadratzoll großes Sortiertablett mit Raster und weisen Sie jedem Quadratzoll des Rasters nach dem Zufallsprinzip eine Zahl von eins bis 100 zu. Entfernen Sie Organismen und Schmutz von einer zufällig ausgewählten Gitterposition und zählen und identifizieren Sie mit einem Stereomikroskop alle Organismen.

Zählen und identifizieren Sie weiterhin Organismen an zufällig ausgewählten Rasterpositionen, bis die Gesamtzahl der sortierten Individuen zwischen 160 und 240 liegt. Identifizieren Sie den Organismus zur Gattung mit einem Makrowirbellosenschlüssel. Kompilieren Sie dann die Abundanzdaten auf Gattungsebene in Gemeinschaftsmetriken, die als Antwortvariablen für die statistische Modellierung verwendet werden.

Zu diesen Variablen gehören der Gesamtreichtum und der prozentuale EPT. Nachdem Sie die Daten verwendet haben, um statistische Modelle zu erstellen, die die physikalischen, chemischen und biologischen Bedingungen vorhersagen, verwenden Sie die GIS-Software, um die Vorhersagen zu visualisieren. Verbinden Sie zunächst die Vorhersagen mit den NHD-Einzugsgebieten.

Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Einzugsgebiets-Layer im Inhaltsverzeichnis, und wählen Sie Verbindungen und Beziehungen und dann Verbinden aus. Wählen Sie die Modellvorhersagen als Tabelle aus, die verknüpft werden soll, und wählen Sie den eindeutigen Bezeichner des Einzugsgebiets als Feld aus, auf dem die Verknüpfung basieren soll. Klicken Sie anschließend mit der rechten Maustaste auf den Einzugsgebiets-Layer und wählen Sie Eigenschaften aus.

Klicken Sie im Dialogfeld "Layer-Eigenschaften" auf die Registerkarte Symbolisierung, und wählen Sie Mengen aus. Wählen Sie den vorhergesagten Wert von Interesse als Wertfeld aus und klicken Sie auf Anwenden. Verwenden Sie bei Bedarf die Option Klassifizieren, um die Bereichswerte manuell zu ändern, um sie an die erkannten ökologischen Kriterien anzupassen.

Führen Sie nun eine Szenarioanalyse durch. Aktualisieren Sie den aktuellen Landschaftsdatensatz, indem Sie die Attributtabelle der Einzugsgebiets-Layer direkt mit der Feldberechnungsfunktion bearbeiten. Ändern Sie beispielsweise ein zuvor bewaldetes Einzugsgebiet in eine Bergbaubedeckung.

Benutzer können auch mehrere Einzugsgebiete bearbeiten, um die wahrscheinlichen Auswirkungen mehrerer Aktivitäten zu quantifizieren, die über große räumliche Skalen hinweg auftreten. Eine weitere Bearbeitungsoption, die hier nicht gezeigt wird, besteht darin, die ursprünglichen Vektor- oder Raster-Landschaftsdatensätze zu bearbeiten. Mit den bereits vorgestellten Verfahren können Sie nun die aktualisierten Landnutzungsattribute für alle NHD-Einzugsgebiete neu zuweisen und neu akkumulieren.

Vorhersage der Bedingungen im Fluss in Abhängigkeit des aktualisierten Landschaftsdatensatzes und Visualisierung der vorhergesagten Bedingungen. Als Untersuchungsstandorte wurden 41 bis 24.000 NHD-Einzugsgebiete im Coal River, West Virginia, ausgewählt. Die Untersuchungsstandorte wurden so ausgewählt, dass sie eine Reihe von Einflüssen abdecken, darunter Tagebau, Wohnbebauung und Untertagebau.

Nach der Datenerhebung und der Erstellung statistischer Modelle wurden zwei Teilwassereinzugsgebiete mit ähnlichem Surface Mining für verschiedene Szenarien zur Landnutzungsentwicklung und -minderung analysiert. Was Drawdy Creek von Laurel Fork unterscheidet, ist, dass Drawdy Creek von Wohnstrukturen und Untertagebau beeinflusst wird. Die Szenarioanalyse deutete darauf hin, dass Laurel Fork eine Zunahme der Bodenbedeckung im Tagebau um 21 % oder 22 Wohngebäude vor einer biologischen Beeinträchtigung aufnehmen kann.

Bevor es zu einer chemischen Wertminderung kommt, könnte Laurel Creek eine Steigerung der Tagebauflächen oder acht Untertageminen um 14 % verkraften. Im Gegensatz dazu wird vorhergesagt, dass der Abfluss des Drawdy Creek sowohl die chemischen als auch die biologischen Kriterien überschreiten wird, so dass mildernde Szenarien getestet wurden. Weder die vollständige Milderung der Auswirkungen der Wohnbebauung noch die vollständige Eindämmung des Untertagebaus reichten aus, um biologische oder chemische Kriterien zu erfüllen.

Stattdessen wurde vorhergesagt, dass die Wohnbebauung und der Untertagebau um 94 bzw. 75 % gemildert werden müssten, um den Abfluss des Drawdy Creek erfolgreich den biologischen und chemischen Kriterien zu erfüllen, wie die gestrichelten Linien zeigen. Dieser Ansatz befasst sich mit den zuvor identifizierten Einschränkungen im Zusammenhang mit dem Management aquatischer Systeme und der aktiven Entwicklung von Wassereinzugsgebieten. Insbesondere liefert die gezielte Bewertung von Wassereinzugsgebieten Daten, die in der Lage sind, komplexe kumulative Effekte auf relevanten räumlichen Skalen zu quantifizieren, und sie integriert Modelle mit bestehenden GIS-Funktionen, um einen leicht interpretierbaren und implementierbaren Rahmen für die Szenarioanalyse zu schaffen.

Es wird für uns wichtig sein, diese Methodik in einen adaptiven Managementrahmen zu stellen, in dem wir Vorhersagen treffen und dann im Laufe der Zeit auf Managementaktivitäten zugreifen, und insbesondere in Zukunft möchten wir die Auswirkungen des Klimawandels einbeziehen und diese Auswirkungen in unsere zukünftigen Szenariomodelle einbeziehen. Dieser Rahmen gilt für Regionen und Wassereinzugsgebiete, die von einer Vielzahl von Landnutzungsaktivitäten betroffen sind, und kann genutzt werden, um die aquatischen Ressourcen angesichts des sozioökonomischen und politischen Drucks, die Entwicklungsaktivitäten fortzusetzen, zu erhalten.