Watershed Planung innerhalb eines Quantitative Szenarioanalyse Rahmen

Das übergeordnete Ziel dieser Methodik besteht darin, Forschenden und Ressourcenmanagern einen Rahmen zu bieten, um auf aquatische Systeme in aktiv entwickelnden Einzugsgebieten zuzugreifen und diese zu verwalten, die von mehreren Landnutzungsaktivitäten betroffen sind. Der in diesem Video beschriebene Ansatz zur Planung von Einzugsgebietsbewertungen wird Forschenden und Managern aquatischer Ressourcen zugutekommen, indem er die Charakterisierung und Vorhersage kumulativer Auswirkungen ermöglicht, die mit mehreren Landnutzungsaktivitäten verbunden sind. Ein wesentlicher Vorteil dieser Technik liegt darin, dass sie einen Rahmen für die kumulative Analyse in einen GI-Raum-Szenario-Analyserahmen integriert.

Dadurch können Entscheidungsträger interaktiv auf die Ergebnisse behördlicher Maßnahmen, wie Genehmigungen und Minderungsmaßnahmen, zugreifen. Beispielsweise ermöglicht der vorgestellte Ansatz, wirtschaftliche und Entwicklungsaktivitäten zu fördern und gleichzeitig Vorteile für aquatische Ökosysteme durch gezielte Sanierung anderer Belastungsfaktoren zu schaffen. Zur Vorbereitung wählen Sie landschaftsbasierte Indikatoren für vorherrschende Landnutzungsaktivitäten im Zielgebiet des Einzugsgebiets aus, wie beispielsweise die Landbedeckungsmerkmale innerhalb der National Land Cover Database.

Danach im GIS die NHD-Einzugsgebietsdatei für das Zielgebiet öffnen. Stellen Sie vor Beginn der Zusammenfassung sicher, dass jedes Einzugsgebiet über eine eindeutige Kennung verfügt. Beginnen Sie damit, Vektordaten zur Landnutzung jedem polygonalen Einzugsgebiet zuzuweisen.

Verwenden Sie das Werkzeug zur Tabellierung von Überschneidungen, um Landschaftsmerkmale für jedes Einzugsgebiet zu berechnen. Wählen Sie die Ebene der Einzugsgebiete als Eingabe-Zonen-Feature, den eindeutigen Identifikator als Zonenfeld und die vektoriellen Landnutzungsdaten als Eingabe-Klassen-Feature aus. Weisen Sie anschließend rasterbasierte Landnutzungsdaten jedem Einzugsgebiet zu.

Verwenden Sie das Werkzeug „Flächenberechnung“, um die Attribute für jedes Einzugsgebiet zu berechnen. Wählen Sie die Ebene des Einzugsgebiets als Geofeature-Zonendaten, die eindeutige Kennung als Zonenfeld und den Datensatz zur Landbedeckung als Eingaberaster aus. Verknüpfen Sie nun die tabellierten Landnutzungsattribute mit der Einzugsgebietsebene.

Rechtsklicken Sie auf die Einzugsgebiets-Layer in der Inhaltsübersicht. Wählen Sie im Dialogfeld „Joins und Verknüpfungen“ und anschließend „Verknüpfung“. Wählen Sie die tabellarische Vektorausgabe als Tabelle aus, die verknüpft werden soll, und anschließend den eindeutigen Identifikator des Einzugsgebiets als Feld, das als Grundlage für die Verknüpfung dient.

Wiederholen Sie diesen Schritt, um die tabellierte Rasterausgabe zusammenzuführen. Anschließend summieren Sie alle Landschaftsmerkmale und das Flächenfeld für jedes Einzugsgebiet mithilfe eines automatisierten Skripts. Dieser Schritt berechnet die gesamten Flächen der oberhalb liegenden Einzugsgebiete sowie die Landschaftsmerkmale und kann für Einzugsgebiete im Maßstab von 1:100.000 des NHD mithilfe des Werkzeugs zur Zuweisung und Akkumulation von Einzugsgebietsattributen durchgeführt werden.

Wählen Sie NHD-Einzugsgebiete als Untersuchungsstandorte basierend auf ihren landschaftlichen Merkmalen aus. Erstellen Sie zunächst ein Streudiagramm aller NHD-Einzugsgebiete in Bezug auf ihre akkumulierten Werte hinsichtlich der wichtigsten Landnutzungsaktivitäten. Wählen Sie pro achtstelligen hydrologischen Einzugsgebietseinheits-Code etwa 40 Einzugsgebiete als Untersuchungsstandorte aus.

Diese Standorte sollten das gesamte Spektrum der Einflüsse der vorherrschenden Landnutzungsaktivitäten innerhalb des Ziel-Einzugsgebiets widerspiegeln. Wählen Sie Standorte innerhalb unabhängiger Stressor-Gradienten aus, also Standorte, die von einer einzelnen Landnutzungsaktivität beeinflusst werden. Wählen Sie außerdem Standorte mit Stressorkombinationen aus, die von mehreren Landnutzungsaktivitäten beeinflusst werden.

Stellen Sie sicher, dass die Standorte im Einzugsgebiet gut verteilt sind und hinsichtlich ihres Abflusses stromabwärts voneinander unabhängig sind. Achten Sie darauf, dass Standorte innerhalb jedes einzelnen und kombinierten Stressorgradienten zudem ähnliche durchschnittliche Entwässerungsgebiete aufweisen. Begrenzen Sie im Gelände die Probenahmestrecke auf das 40-fache der aktiven Kanalbreite, mit einer maximalen Länge von 300 Metern und einer minimalen Länge von 150 Metern.

Beginnen Sie mit der Entnahme von Wasserproben. Wählen Sie fließendes Wasser, das für die gesamte Probestelle charakteristisch ist. Messen Sie zunächst sofort die gelöste Sauerstoffkonzentration, die spezifische Leitfähigkeit, die Temperatur und den pH-Wert mit tragbaren Sensoren.

Sammeln Sie anschließend eine filtrierte Probe. Spülen Sie zunächst die Filtrationsausrüstung mit entionisiertem Wasser. Filtern Sie dann 250 Milliliter Wasser zur Analyse gelöster Metalle und stellen Sie die Probe auf einen pH-Wert von weniger als zwei ein, 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 vorsichtig die Flasche, um verbliebene Luft zu entfernen, und setzen Sie gleichzeitig den Verschluss auf die Probenflasche auf. Falls erforderlich, stellen Sie den pH-Wert der Probe auf weniger als zwei ein, um biologische Aktivität abzutöten, die die Analyten beeinflussen könnte.

Wählen Sie die Analyten basierend auf den lokalen Landnutzungsaktivitäten aus. Sammeln Sie einmal pro Probenahmeereignis eine negative Kontrolle, indem Sie alle Wasserprobenahmeprotokolle befolgen, um Proben von entionisiertem Wasser zu erhalten. Dies dient dazu, sicherzustellen, dass keine Kreuzkontamination zwischen den Probenahmestellen auftritt.

Alle Wasserproben bei vier Grad Celsius lagern. Der nächste Schritt besteht darin, die Durchflussmenge an jedem Probenahmestandort zu messen. Dazu wird zunächst die durchschrittenen Bachbreite mit einem Tiefenmessstab in gleich große Abschnitte unterteilt, die Tiefe als Abstand vom Bachbett bis zur Wasseroberfläche gemessen und anschließend mit einem Strömungsmesser die Geschwindigkeit des Wassers in 60 % der Wassertiefe gemessen.

Berechnen Sie nun die Abflussmenge als Summe aller Produkte aus Geschwindigkeit, Tiefe und Breite in jedem Abschnitt. Um Makroinvertebraten an jedem Standort zu erfassen, nehmen Sie Kick-Proben von vier getrennten Stromschnellen, die über die gesamte Länge des Probennahmeabschnitts verteilt sind. Platzieren Sie an jedem Standort das Kicknetz senkrecht zur Strömungsrichtung des Gewässers und stören Sie mit dem Fuß einen 50 Quadratzentimeter großen Bereich unmittelbar oberhalb des Netzes, um Material im Kicknetz zu sammeln.

Sobald die vier Proben gesammelt sind, werden sie kombiniert und sofort mit 95 % Ethanol konserviert. Als nächster Schritt erfolgt die Messung der physikalischen Lebensraumqualität und -komplexität entlang des gesamten Fließgewässerabschnitts durch Messungen an gleichmäßig verteilten Punkten entlang des Thalwegs, also der Stelle innerhalb des Gerinnes mit der größten Fließgeschwindigkeit. Abschließend werden alle Bestandteile des großen Totholzes innerhalb des aktiven Gerinnes gezählt.

Unterprobieren Sie die Organismen, die in jeder am Untersuchungsort gewonnenen Makroinvertebratenprobe enthalten sind. Geben Sie die gesamte Kompositprobe in eine sortierbare Schale mit 100 quadratischen Zoll großem Raster und weisen Sie jedem quadratischen Zoll des Rasters eine zufällige Zahl von eins bis 100 zu. Entfernen Sie Organismen und Trümmerteile von einem zufällig ausgewählten Rasterfeld und zählen Sie mithilfe eines Stereomikroskops alle Organismen, während Sie diese gleichzeitig identifizieren.

Zählen und identifizieren Sie weiterhin Organismen aus zufällig ausgewählten Rasterpositionen, bis die Gesamtanzahl der sortierten Individuen zwischen 160 und 240 liegt. Identifizieren Sie den Organismus bis zur Gattung mithilfe eines Makroinvertebraten-Schlüssels. Erstellen Sie anschließend aus den Häufigkeitsdaten auf Gattungsebene Gemeinschaftsmetriken, die als Antwortvariablen für die statistische Modellierung verwendet werden.

Solche Variablen umfassen die gesamte Artenvielfalt und den Prozentsatz an EPT. Nachdem die Daten zur Erstellung statistischer Modelle verwendet wurden, die die physikalischen, chemischen und biologischen Bedingungen vorhersagen, nutzen Sie die GIS-Software, um die Vorhersagen zu visualisieren. Verknüpfen Sie zunächst die Vorhersagen mit den NHD-Einzugsgebieten.

Rechtsklicken Sie auf die Einzugsgebiets-Layer in der Inhaltsübersicht und wählen Sie Verknüpfungen und Beziehungen und anschließend Verknüpfung aus. Wählen Sie die Modellvorhersagen als Tabelle aus, die verknüpft werden soll, und wählen Sie den eindeutigen Identifikator des Einzugsgebiets als Feld aus, auf dem die Verknüpfung basieren soll. Danach rechtsklicken Sie auf den Einzugsgebiets-Layer und wählen Eigenschaften aus.

Klicken Sie im Dialogfeld „Eigenschaften der Ebene“ auf den Reiter „Symbolisierung“ und wählen Sie „Mengen“ aus. Wählen Sie als Wertefeld den prognostizierten Wert von Interesse aus und klicken Sie auf „Übernehmen“. Ändern Sie gegebenenfalls mithilfe der Option „Klassifizieren“ die Klassenbereiche manuell, um sie an anerkannte ökologische Kriterien anzupassen.

Führen Sie nun eine Szenarioanalyse durch. Aktualisieren Sie den aktuellen Datensatz der Landschaft, indem Sie die Attributtabelle der Einzugsgebietsebenen direkt mit der Feldrechenfunktion bearbeiten. Ändern Sie beispielsweise ein zuvor bewaldetes Einzugsgebiet in eine Bergbaugebiet-Deckung.

Benutzer können auch mehrere Einzugsgebiete bearbeiten, um die wahrscheinlichen Auswirkungen mehrerer Aktivitäten über große räumliche Maßstäbe hinweg zu quantifizieren. Eine weitere hier nicht gezeigte Bearbeitungsoption besteht darin, die ursprünglichen Vektor- oder Raster-Landschaftsdatensätze zu bearbeiten. Nun werden unter Verwendung der bereits dargestellten Verfahren die aktualisierten Landnutzungsattribute für alle NHD-Einzugsgebiete neu zugeordnet und akkumuliert.

Vorhersage der Bedingungen im Fließgewässer als Funktion des aktualisierten Landschaftsdatensatzes und Visualisierung der prognostizierten Bedingungen. 41 bis 24.000 Einzugsgebiete im Maßstab NHD wurden als Untersuchungsstandorte im Coal River, West Virginia, ausgewählt. Die Untersuchungsstandorte wurden so gewählt, dass sie ein Spektrum an Einflüssen abdecken, einschließlich Oberflächenbergbau, Wohnsiedlungsentwicklung und Untertagebergbau.

Nach der Datensammlung und Erstellung statistischer Modelle wurden zwei Teilgebiete mit vergleichbarem Tagebau hinsichtlich verschiedener Szenarien der Landnutzungsentwicklung und Schadensminderung analysiert. Der Unterschied zwischen Drawdy Creek und Laurel Fork liegt darin, dass Drawdy Creek von Wohngebäuden und Untertagebau beeinflusst wird. Die Szenarioanalyse ergab, dass Laurel Fork eine Zunahme der Flächenversiegelung durch Tagebau um 21 % oder 22 Wohngebäude verkraften kann, bevor es zu biologischen Beeinträchtigungen kommt.

Bevor eine chemische Beeinträchtigung eintritt, könnte Laurel Creek eine um 14 % erhöhte Fläche von Tagebauminen oder acht Untertagebauminen aufnehmen. Im Gegensatz dazu wird vorhergesagt, dass der Abfluss des Drawdy Creek sowohl die chemischen als auch die biologischen Kriterien überschreiten wird, weshalb Minderungsszenarien getestet wurden. Weder die vollständige Minderung der Auswirkungen der Wohnbebauung noch die vollständige Minderung des Untertagebergbaus reichte aus, um die biologischen oder chemischen Kriterien einzuhalten.

Stattdessen wurde prognostiziert, dass die Wohnbebauung und der Untertagebau um 94 beziehungsweise 75 % reduziert werden müssten, damit der Ausfluss des Drawdy Creek die biologischen und chemischen Kriterien erfüllt, wie durch die gestrichelten Linien angezeigt. Dieser Ansatz behebt zuvor identifizierte Einschränkungen im Zusammenhang mit der Bewirtschaftung aquatischer Systeme und sich aktiv entwickelnder Einzugsgebiete. Insbesondere liefert die gezielte Einzugsgebietsbewertung Daten, die in der Lage sind, komplexe kumulative Wirkungen auf relevanten räumlichen Skalen zu quantifizieren, und integriert Modelle mit bestehenden GIS-Funktionen, um einen leicht interpretierbaren und umsetzbaren Rahmen für die Szenarioanalyse zu schaffen.

Es wird wichtig sein, diese Methodik in einen Rahmen des adaptiven Managements einzubetten, innerhalb dessen wir Vorhersagen treffen und anschließend im Zeitverlauf auf Managementmaßnahmen zugreifen. Insbesondere zukünftig möchten wir die Auswirkungen des Klimawandels berücksichtigen und diese Effekte in unsere zukünftigen Szenariomodelle integrieren. Dieser Rahmen ist auf Regionen und Einzugsgebiete anwendbar, die durch eine beliebige Anzahl von Landnutzungsaktivitäten beeinträchtigt sind, und kann genutzt werden, um aquatische Ressourcen trotz sozioökonomischer und politischer Drucks, Entwicklungsaktivitäten fortzusetzen, zu schützen.