Summary
Il y a un besoin critique d'outils et de méthodologies capables de gérer les systèmes aquatiques face à des conditions futures incertaines. Nous fournissons des méthodes pour procéder à une évaluation des bassins versants ciblés qui permet aux gestionnaires de ressources pour produire des modèles basés sur le paysage-effets cumulatifs pour une utilisation dans un cadre de gestion de l'analyse de scénarios.
Abstract
Il y a un besoin critique d'outils et de méthodologies capables de gérer les systèmes aquatiques dans les bassins hydrographiques fortement touchés. Les efforts actuels sont souvent en deçà en raison d'une incapacité à quantifier et prédire les effets cumulatifs complexes des scénarios actuels et futurs d'utilisation des terres à des échelles spatiales pertinentes. Le but de ce manuscrit est de fournir des méthodes pour procéder à une évaluation des bassins versants ciblés qui permet aux gestionnaires de ressources pour produire des modèles basés sur le paysage-effets cumulatifs pour une utilisation dans un cadre de gestion de l'analyse de scénarios. Les sites sont d'abord sélectionnés pour l'inclusion dans l'évaluation des bassins versants par l'identification des sites qui tombent le long de gradients indépendants et des combinaisons de facteurs de stress connus. techniques de terrain et de laboratoire sont ensuite utilisées pour obtenir des données sur les propriétés physiques, chimiques et effets biologiques des multiples activités d'utilisation des terres. analyse de régression multiple linéaire est ensuite utilisé pour produire des modèles à base de paysage-effets cumulatifs pour prédire l'aquaconditions tic. Enfin, les méthodes pour intégrer des modèles d'effets cumulatifs dans un cadre d'analyse de scénarios pour la gestion et les décisions réglementaires de guidage (par exemple, l' autorisation et l' atténuation) dans les bassins versants en développement activement sont discutées et démontrées pour 2 sous-bassins versants de la région minière de montagne du centre des Appalaches. L'approche d'évaluation et de gestion des bassins versants fournie ici permet aux gestionnaires de ressources pour faciliter l'activité économique et le développement tout en protégeant les ressources aquatiques et la production opportunité pour les avantages écologiques nets par le biais de mesures correctives ciblées.
Introduction
L' altération anthropogénique des paysages naturels est parmi les plus grandes menaces actuelles pour les écosystèmes aquatiques à travers le monde 1. Dans de nombreuses régions, la dégradation continue au rythme actuel se traduira par des dommages irréparables aux ressources aquatiques, en fin de compte limiter leur capacité à fournir des services écosystémiques inestimables et irremplaçables. Ainsi, il y a un besoin critique d'outils et de méthodologies capables de gérer les systèmes aquatiques dans les bassins versants en développement 2-3. Cela est particulièrement important étant donné que les gestionnaires sont souvent chargés de la conservation des ressources aquatiques face à des pressions socio-économiques et politiques de poursuivre les activités de développement.
Gestion des systèmes aquatiques dans les régions en développement activement exige une capacité à prédire les effets probables des activités de développement proposées dans le cadre de la pré-existante paysage naturel et anthropique attributs 3, 4. Un défi majeur pour AquaTla gestion des ressources ic dans les bassins hydrographiques fortement dégradées est la capacité à quantifier et gérer complexes (ie, additifs ou interactifs) effets cumulatifs de multiples utilisation des terres de stress à des échelles spatiales pertinentes 2, 5. Malgré les défis actuels, cependant, les évaluations des effets cumulatifs sont incorporés dans les lignes directrices réglementaires à travers le monde 5-6.
Évaluations des bassins versants ciblés conçus pour goûter à la gamme complète des conditions à l' égard de l' utilisation des terres multiples facteurs de stress peuvent produire des données capables de modéliser les effets cumulatifs complexes 7. En outre, l' intégration de ces modèles dans un cadre d'analyse de scénarios [prévoir les changements écologiques dans une gamme de développement réaliste ou proposée ou de la gestion des bassins versants (restauration et atténuation) scénarios] a le potentiel d'améliorer considérablement la gestion des ressources aquatiques dans les bassins hydrographiques fortement touchés 3, 5, 8 -9. Plus particulièrement, l'analyse de scénarios fournitun cadre pour l' ajout d' objectivité et de transparence aux décisions de gestion en intégrant l' information scientifique (relations écologiques et des modèles statistiques), les objectifs réglementaires et les besoins des intervenants dans un cadre de prise de décision unique 3, 9.
Nous présentons une méthodologie pour l'évaluation et la gestion des effets cumulatifs de multiples activités d'utilisation des terres dans un cadre d'analyse de scénarios. Nous décrivons d'abord comment cibler convenablement les sites à inclure dans l'évaluation des bassins versants en fonction des facteurs de stress connus d'utilisation des terres. Nous décrivons les techniques de terrain et de laboratoire pour obtenir des données sur les effets écologiques de multiples activités d'utilisation des terres. Nous décrivons brièvement les techniques de modélisation pour produire des modèles basés sur le paysage-effets cumulatifs. Enfin, nous discutons de la façon d'intégrer les modèles des effets cumulatifs dans un cadre d'analyse de scénarios et de démontrer l'utilité de cette méthode en aidant les décisions réglementaires (par exemple, l' autorisation et le reposoraison) au sein d'un bassin versant intensivement exploité dans le sud de la Virginie Occidentale.
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Protocol
1. Sites cibles pour l'inclusion dans l'évaluation des bassins versants
- Identifier les activités dominantes d'utilisation des terres dans la cible à 8 chiffres code d'unité hydrologique (HUC) des bassins versants qui ont un impact physico - chimiques et la condition biologique 3, 7.
Note: Cette méthode suppose une connaissance pré-existante des facteurs de stress importants dans le bassin versant d'intérêt. Toutefois, la consultation des organismes de réglementation ou des groupes de bassins versants familiers avec le système peut aider dans cet effort. - Sélectionnez les mesures fondées sur le paysage-des activités dominantes d'utilisation des terres [par exemple, 2011 Couverture National Land Database (NLCD)] 3, 7.
- Consultez la documentation publiée pour aider à identifier les meilleures mesures fondées sur le paysage-pour chaque activité d'utilisation des terres 10. Contactez les agences de ressources naturelles afin d'identifier et d'obtenir des ensembles de données de paysages spécifiques à la région qui sont disponibles pour l'utilisation. Cependant, il peut être nécessaire de créer de nouvelles variables du paysage ou des ensembles de données.
- Tabulez la couverture terrestre et l'utilisation des attributs aux 1: bassins 100.000 dataset hydrographie national (NHD) à l'aide d'information géographique (SIG): 24.000 ou 1.
- Assurer que chaque 1: 24.000 ou 1: 100,000 bassin possède un identifiant unique. Utilisez un identifiant numérique ou catégorique défini par l'utilisateur comme identifiant unique.
- TABULATE données vectorielles (par exemple, les points ou lignes) relevant de chaque bassin.
- Résumer toutes les fonctions vectorielles au sein de chaque bassin versant en utilisant l'outil Tabulate Intersection dans le jeu d' outils statistiques de la boîte à outils d'analyse. Sélectionnez la couche de captage NHD que la fonction de la zone d'entrée, le bassin versant identifiant unique que le champ Zone, et l'ensemble de données de vecteur d'intérêt comme la fonction d'entrée de classe.
- Rejoignez le paysage sous forme de tableaux attribue à la couche de captage. Faites un clic droit sur la couche de captage dans la table des matières et sélectionnez rejoint et Concerne dans le menu déroulant et rejoindre des sMenu ubsequent. Sélectionnez l'identifiant unique que le champ que la jointure sera basée sur la table de sortie de 1.3.2.1 que la table à assembler, et l'identifiant unique que le champ de la table que la jointure sera basé sur.
- Tabulation des données raster en utilisant l'outil Tabulate Zone située dans la boîte à outils de zone de la boîte à outils Spatial Analyst.
- Charger l'extension Spatial Analyst. Sélectionnez Extensions dans le menu Personnaliser. Dans la boîte de dialogue Extensions, cochez la case qui correspond à l'extension Spatial Analyst.
- Dans la boîte de dialogue Tabulate Zone, sélectionnez le bassin versant shapefile NHD que les données raster d'entrée ou de la zone de fonction, l'identifiant unique (par exemple, FEATUREID) que le champ de la zone, et l'ensemble de données de couverture du sol (par exemple, NLCD) comme la trame d'entrée ou de fonction données de classe.
- Rejoignez le paysage sous forme de tableaux attribue à la couche de captage suivant des protocoles à l'étape 1.3.2.2, avec le tabulaterésultats de la zone table comme table de jointure.
- Accumulez attributs de paysage pour tous les bassins versants NHD.
- Télécharger le NHDPlusV2 Catchment Attribut Allocation et l'outil d'accumulation (de CA3TV2) à http://www2.epa.gov/waterdata/nhdplus-tools. Utilisez la fonction d'accumulation de CA3TV2 pour l' accumulation d'attributs pour 1: 100.000 captages NHD 11.
Remarque: Nous avons utilisé un code personnalisé écrit qui accumule le paysage attributs 1: 24.000 NHD échelle des bassins hydrographiques 12. Les instructions détaillées pour l' utilisation CA3TV2 sont intégrés dans l'outil et sont accessibles via la fonction d'aide.
- Télécharger le NHDPlusV2 Catchment Attribut Allocation et l'outil d'accumulation (de CA3TV2) à http://www2.epa.gov/waterdata/nhdplus-tools. Utilisez la fonction d'accumulation de CA3TV2 pour l' accumulation d'attributs pour 1: 100.000 captages NHD 11.
- Sélectionnez captages NHD comme sites d'étude en fonction des attributs de paysage accumulés.
- Créer un diagramme de dispersion de tous les captages NHD par rapport aux valeurs cumulées des principales activités d'utilisation des terres (figure 1A).
- Sélectionner les sites d'étude (environ 40 sites par 8 chiffres HUC bassin versant) pour représenter la pleine range de l' influence des activités dominantes de l' utilisation des terres trouvés dans le bassin versant de la cible (figure 1B). Sélectionnez les sites au sein de gradients indépendants de stress ( par exemple, influencés par une seule activité d'utilisation des terres) et des combinaisons de stress ( par exemple, influencée par de multiples activités d'utilisation des terres) (figure 1B).
- Veiller à ce que les sites d'étude sont spatialement répartis dans le bassin versant de la cible et indépendants l'un de l'autre par rapport au drainage en aval. Veiller à ce que les sites relevant de chaque gradient individuel et combiné stresseur ont aussi des zones de bassin moyennes similaires.
Figure 1. Hypothétique diagramme de dispersion des captages NHD par rapport à l' influence de 2 activités d'utilisation des terres. Magnitude de l'influence des 2 activités d'utilisation des terres dans tous les bassins versants NHD au sein de l'hypothétique wbassin versant de (n = 4229) (A). Sites d'étude sélectionnés (n = 40) qui représentent la gamme complète des conditions observées dans le bassin versant par rapport aux gradients de stresseurs indépendants et combinés (B). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
2. Les protocoles sur le terrain pour la collecte des données physico-chimiques et biologiques
Remarque: Toutes les données pour chaque site doivent être collectées au cours de la même visite du site dans des conditions de débit de base normales. Les protocoles présentés ici représentent des procédures normalisées d'exploitation pour le département de la Virginie de l' Ouest de la protection de l' environnement (WVDEP) 13. Il peut être plus approprié d'utiliser l'état ou des procédures reconnues par le gouvernement fédéral pour le bassin versant spécifique en cours d'évaluation.
- Délimiter la portée d'échantillonnage pour chaque site 40 × largeur de canal actif (ACW), avec des longueurs minimales de 150 maximum et300 m 3, 7.
- Qualité de l' eau Attributs des échantillons à partir d' emplacements avec l' eau en mouvement qui sont caractéristiques du site d'échantillonnage complet (par exemple, ne sont pas directement influencés par les apports des affluents ou de tuyaux de drainage).
- Obtenir des mesures instantanées de l'oxygène dissous, la conductivité spécifique, de la température et du pH en utilisant des capteurs de poche. Calibrer les capteurs avant chaque événement d'échantillonnage suivant les instructions du fabricant.
- équipement de filtration Rincer à l'eau déminéralisée avant la collecte d'échantillons d'eau.
- Filtre 250 ml d'eau (filtre à membrane d'ester de cellulose mixte, 0,45 um taille des pores) pour l'analyse des métaux dissous. Fixer à un pH <2 pour assurer des métaux restent dissous dans la solution.
Remarque: Le volume correct d'acide peut être ajouté à l'échantillon d'eau après le prélèvement des échantillons. En variante, le volume approprié peut être ajouté à la bouteille avant l'événement d'échantillonnage. Le volume nécessaire de fixer à un pH <2 dépend de la force de l'acide.- Pour l'étude décrite ici, de collecter un échantillon filtré à partir de chaque site et fixer avec l' acide nitrique pour la détermination de Al dissous, Ca, Fe, Mg, Mn, Na, Zn, K, Ba, Cd, Cr, Ni et Se 3 , 7.
Note: La sélection des analytes doit être guidée par des activités spécifiques des bassins versants utilisation des terres.
- Pour l'étude décrite ici, de collecter un échantillon filtré à partir de chaque site et fixer avec l' acide nitrique pour la détermination de Al dissous, Ca, Fe, Mg, Mn, Na, Zn, K, Ba, Cd, Cr, Ni et Se 3 , 7.
- Recueillir 250 ml d'échantillon non filtré (s) en immergeant complètement la bouteille d'échantillon dans la colonne d'eau. Presser délicatement la bouteille pour expurger l'air restant et simultanément placer le bouchon sur le flacon d'échantillonnage. Fixer l'échantillon (s) à un pH <2 , si nécessaire (par exemple, empêcher l' activité biologique d'affecter les éléments nutritifs).
- Pour l'étude décrite ici, recueillir deux échantillons non filtrés de chaque site. Fixer le premier avec de l' acide sulfurique pour la détermination de NO 2 et NO 3 et totale P. Ne pas fixer le second échantillon non filtré et l' utiliser pour déterminer l' alcalinité totale et le bicarbonate, Cl, SO 4, et le total dissous de façoncouvercles 3, 7.
Note: La sélection des analytes doit être guidée par des activités spécifiques des bassins versants utilisation des terres.
- Pour l'étude décrite ici, recueillir deux échantillons non filtrés de chaque site. Fixer le premier avec de l' acide sulfurique pour la détermination de NO 2 et NO 3 et totale P. Ne pas fixer le second échantillon non filtré et l' utiliser pour déterminer l' alcalinité totale et le bicarbonate, Cl, SO 4, et le total dissous de façoncouvercles 3, 7.
- Obtenir un champ vide pour chaque fixateur utilisé lors de chaque prélèvement. Obtenir des blancs de terrain en suivant tous les protocoles pour la collecte de l' échantillon (c. -à- rinçage, le filtrage, la fixation) en utilisant de l' eau déminéralisée comme l'échantillon final.
Remarque: ébauches de terrain sont utilisés pour identifier la contamination dans la collecte et l'analyse des échantillons. - Conservez tous les échantillons d'eau à 4 ° C jusqu'à ce que toutes les analyses soient terminées. Vérifiez que tous les analytes sont mesurés dans leur temps de maintien spécifié 14.
- Mesurer la décharge à chaque site d'échantillonnage.
- Diviser la largeur du cours d'eau mouillée en incréments de taille égale.
- Mesurer la profondeur et la vitesse moyenne du courant au point médian de chaque section.
- L'utilisation d'une tige de jauge de profondeur, mesurer la profondeur que la distance entre le lit de la rivière à la surface de l'eau.
- En utilisant un current mètre, mesurer la vitesse de l'eau à 60% de profondeur de l'eau.
- Calculer la décharge comme la somme du produit de la vitesse, la profondeur et la largeur à travers toutes les sections.
- Goûtez à la communauté de macroinvertébrés sur chaque site.
- Obtenir des échantillons de coup de pied (dimensions net 335 × 508 mm 2 avec maille de 500 um) à partir de 4 riffles représentatives distinctes réparties sur toute la longueur de la portée de l' échantillonnage.
- A chaque emplacement de kick, placez le filet à coup perpendiculaire à diffuser le flux et de perturber une zone de 0,50 × 0,50 m 2 (soit 0,25 m 2) du lit du cours d'eau immédiatement en amont. Veiller à tous les organismes et les débris de flux en aval dans le filet de coup de pied.
- Combiner les organismes et les débris provenant des échantillons 4 kick dans un seul échantillon composite (représentant 1,00 m 2 du lit du cours d'eau) et de préserver immédiatement avec 95% d' éthanol.
- Obtenir des échantillons de coup de pied (dimensions net 335 × 508 mm 2 avec maille de 500 um) à partir de 4 riffles représentatives distinctes réparties sur toute la longueur de la portée de l' échantillonnage.
- Mesurer la qualité de l'habitat physiqueet la complexité tout au long de la portée du cours d'eau.
- Prendre des mesures de profondeur d'eau, hydraulique de type canal unité, classe de sédiments, et la distance à l'objet de couverture de poisson à des points uniformément espacés le long du thalweg (partie du courant à travers lequel le flux principal ou la plus rapide se produit). Prendre des mesures toutes les 1 ACW pour les flux <5 m de large et tous les 0,5 ACW pour les flux> 5 m de large 15.
- Classez l'unité de canal dans lequel chaque emplacement thalweg se trouve (par exemple, riffle, courir, piscine, ou descente) 16.
- L'utilisation d'une tige de jauge de profondeur, mesurer la profondeur que la distance entre le lit de la rivière à la surface de l'eau.
- Aléatoirement identifier un morceau de sédiments et de déterminer sa classification de la taille de Wentworth (limon, sable, gravier, galets, rocher) 17.
- Estimer la distance de chaque point thalweg à l'objet de la couverture la plus proche.
Remarque: la couverture du poisson est défini comme toute structure dans le canal actif capable de dissimuler un 20,32 cm (8 po) 18 poissons.
- Comptez toutes les pièces de gros débris ligneux dans le canal actif.
- Estimation qualité de l' habitat avec l' Agence des États - Unis Protection de l' environnement (EPA) des évaluations rapides de l' habitat visuels (de RVHA) Protocoles 19.
- Prendre des mesures de profondeur d'eau, hydraulique de type canal unité, classe de sédiments, et la distance à l'objet de couverture de poisson à des points uniformément espacés le long du thalweg (partie du courant à travers lequel le flux principal ou la plus rapide se produit). Prendre des mesures toutes les 1 ACW pour les flux <5 m de large et tous les 0,5 ACW pour les flux> 5 m de large 15.
- Obtenir des mesures et des échantillons en double d'un choisi au hasard 10% des sites d'étude. mesures en double sont utilisées pour estimer l'échantillonnage et l'analyse en laboratoire de précision.
3. Protocoles de laboratoire pour physico-chimiques et des données biologiques
Note: Décrire les protocoles de laboratoire pour quantifier la chimie de l'eau des attributs est en dehors de la portée de ce manuscrit. Cependant, l'étude a utilisé des méthodes chimiques classiques pour l' eau et les déchets 14.
- organismes Sous-échantillon contenues dans chaque échantillon de macroinvertébrés (recueillies à l'aide des protocoles dans la section 2.4) pour obtenir un sous-échantillon représentatif de la communauté de macroinvertébrés sur chaque site.
- Placez l'ensemble de l' échantillon de macroinvertébrés composite en 100 dans 2 QUADRILLÉES tri (mesure 5 x 20 à 2). Aléatoirement affecter chaque 1 à 2 grille un nombre de 1 à 100.
- Utiliser un microscope stéréo pour compter et identifier tous les organismes au sein sélectionnés au hasard 1 à 2 grilles jusqu'à ce que le nombre total d'individus triés est de 200 ± 20%. Identifier les organismes au genre en utilisant les touches de macroinvertébrés, telles que celles publiées par Merritt et Cummins 20.
- Compiler les données d'abondance au niveau du genre dans les mesures communautaires [par exemple, la richesse totale et% Ephemeroptera, Plecoptera et trichoptères (EPT)] pour une utilisation en tant que variables de réponse dans les modèles statistiques et l' analyse ultérieure du scénario 3, 7.
4. Analyses statistiques et scénario
- Construire des modèles linéaires généralisés pour prédire en flux physiques, chimiques et biologiques de conditions indicato basé paysagers d'activités dominantes d'utilisation des terres.
Note: Les protocoles et les analyses ont été effectuées dans la langue de R et de l' environnement pour le calcul statistique (version 3.2.1) 21.- Test de la normalité en utilisant Shapiro-Wilk [fonction shaprio.test () dans le paquet de R stats 21] essais et de transformer les variables pour répondre aux hypothèses des analyses paramétriques et linéariser relations.
- Modèles initiaux maximaux Fit spécifiant les interactions 2 voies entre tous les prédicteurs de l' utilisation des terres [glm () dans package R stats 21].
- Appliquer une suppression en arrière pour identifier le modèle minimum adéquat 3, 7, 22.
- Identifier la variable la moins significative (ie, explique le moins de variation) dans le modèle maximal [résumé () dans package R stats 21] et monter un nouveau modèle avec cette variable exclue [glm () dans package R stats 21] .
- Continuez à supprimer les variablesjusqu'à ce que tous les prédicteurs restants sont significativement différents de 0 et explicative puissance ne diffère pas significativement du modèle maximal pour chaque variable de réponse en utilisant une analyse de tables de déviance et des tests de rapport de vraisemblance [lrtest function () dans le paquet de R lmtest 23].
- Prédire les conditions actuelles.
- Utilisez les modèles finaux pour prédire état physico - chimique et biologique caractéristiques du paysage actuelles données au sein de tous les bassins versants NHD non échantillonnées tout au long de la cible des bassins versants [prédire () dans package R stats 21].
- Visualisez les prévisions dans les logiciels SIG.
- Joignez-vous à des prédictions à captages NHD. Faites un clic droit sur la couche de captage dans la table des matières et sélectionnez jointures et Concerne dans le menu déroulant et rejoindre dans le menu suivant. Sélectionnez l'identifiant unique que le champ que la jointure sera basé sur les prédictions fichier que la table à assembler, Et l'identifiant unique que le champ de la table que la jointure sera basée sur
- Faites un clic droit sur la couche de captage et sélectionnez Propriétés. Dans la boîte de dialogue Propriétés du calque, cliquez sur l'onglet Symbologie et sélectionnez Quantités. Sélectionnez la valeur prédite d'intérêt que le champ de la valeur et cliquez sur Appliquer.
Remarque: Les valeurs standard peuvent être modifiés manuellement pour correspondre à des critères écologiques reconnus en utilisant le bouton Classifier.
- Conduite des analyses de scénarios pour comparer les changements prévus dans les conditions aquatiques dans divers scénarios d'utilisation des terres.
- Mettre à jour l'ensemble de données de paysage actuel pour simuler le développement futur ou d'atténuation des scénarios plausibles. Pour l'étude décrite ici, mettre à jour manuellement accumulée valeurs du paysage pour le bassin d'intérêt au sein de la table d'attribut (par exemple, changer 10 acres de forêts pour la couverture terrestre de l' exploitation minière).
- Sélectionnez le bassin versant de interest en utilisant la fonction de sélection par attribut situé dans la sélection du menu déroulant. Dans la boîte de dialogue Sélectionner par attribut, choisissez les captages NHD que la couche. Double-cliquez sur l'attribut d'identifiant unique, sélectionnez =, puis tapez l'identifiant pour le bassin d'intérêt dans la zone de l'équation.
- Ouvrez la table attributaire du bassin versant NHD en cliquant droit sur la couche de captage dans la table des matières et sélectionnez Ouvrir la table attributaire du menu déroulant. Choisissez d'afficher les captages sélectionnées.
- Avec bassins sélectionnées montrant, cliquez droit sur la colonne d'intérêt et sélectionnez Field Calculator et l' entrée de la nouvelle valeur simulée. Remarque: bassins multiples peuvent être modifiés pour simuler de multiples activités de développement ou de gestion spatialement explicites qui se produisent à travers de grandes échelles spatiales.
Remarque: Alternativement, les ensembles de données vectorielles et matricielles d'origine peuvent être mis à jour par la numérisation de nouvelles fonctionnalités ou de modifier et enlever fe originaleatures pour simuler une nouvelle activité d'utilisation des terres ou la gestion d'un impact de l' utilisation des terres préexistante 24. Ceci peut être accompli en utilisant la barre d' outils Editeur.
- Re-allouer et ré-accumulation paysage attributs pour tous les bassins versants NHD utilisant des protocoles présentés dans les étapes 1,3-1,4.
- Prédire l' état physico - chimique et biologique en fonction de l'ensemble de données du paysage mis à jour [prédire () dans package R stats 21].
- Visualiser prédit conditions en vertu des scénarios alternatifs d'utilisation des terres en utilisant des protocoles présentés à l'étape 4.2.2.
- Mettre à jour l'ensemble de données de paysage actuel pour simuler le développement futur ou d'atténuation des scénarios plausibles. Pour l'étude décrite ici, mettre à jour manuellement accumulée valeurs du paysage pour le bassin d'intérêt au sein de la table d'attribut (par exemple, changer 10 acres de forêts pour la couverture terrestre de l' exploitation minière).
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Representative Results
Quarante 1: 24.000 captages NHD ont été choisis comme sites d'étude au sein de la rivière Coal, Virginie - Occidentale (figure 2). Les sites d'étude ont été choisis pour couvrir une gamme d' influence de l' exploitation minière de surface (% de la superficie des terres 24), le développement résidentiel [densité de structure (no./km 2)], et l' exploitation minière souterraine [système pollution décharge national d'élimination (PNDSE) de densité de permis (pas. / km 2)] de telle sorte que chaque activité importante de l' utilisation des terres a eu lieu à la fois dans l' isolement et en combinaison dans la mesure du possible (Figure 3). Sur chaque site, des données sur les conditions physico-chimiques et la structure des communautés de macroinvertébrés ont été recueillies.
Dans une précédente étude, ces données ont été utilisées pour construire des modèles d'effets cumulatifs pour prédire West Virginia flux Index Condition (WVSCI), un indice multi-métrique niveau de la famille de l' intégrité biotique développé pour West Virginia 25Et la conductivité spécifique avec un degré élevé de précision et d' exactitude 7. Ici, ces modèles sont utilisés pour prédire les conditions actuelles et futures pour les deux sous-bassins versants de la rivière Coal [Drawdy Creek (figure 4A) et Laurel Fork (figure 4B)] selon divers scénarios de développement de l' utilisation des terres. Drawdy Creek et Laurel Fork ont des niveaux presque identiques de l' exploitation minière de surface et de développement% (tableau 1). Cependant, Drawdy Creek est influencée par les structures résidentielles et l'exploitation minière souterraine, tandis que Laurel Fork est pas. Par conséquent, ces deux bassins versants offrent une occasion unique d'évaluer et de comparer la mesure dans laquelle les effets cumulatifs de multiples activités d'utilisation des terres de contrôle des conditions aquatiques actuelles et les résultats des futurs scénarios de développement de l'utilisation des terres.
Laurel Fork n'a pas été prévu pour dépasser chimique (conductivité spécifique> 500 uS / cm 26) ou Biolog critères iques (WVSCI <68 25), ce qui suggère qu'il peut assimiler plus une activité d'utilisation des terres sans risquer de perte de valeur (tableau 1). Une série de scénarios ont ensuite été évalués pour quantifier le montant maximal de l'exploitation minière de surface supplémentaire, l'exploitation minière souterraine, et le développement résidentiel Laurel Fork peut probablement assimiler avant sa sortie traverse chaque critère. Pour ce faire, la conductivité spécifique et WVSCI ont été prévus sous la gamme complète de chaque activité de l'utilisation des terres tout en maintenant les autres mesures du paysage constant. L' analyse de scénario suggère Laurel Fork peut assimiler 14% (25% au total) et 21% (32% au total) augmente dans les terres des mines de surface avant de traverser la conductivité spécifique et critères WVSCI, respectivement (figure 5A, 5B). Laurel Fork peut aussi assimiler 8 mines souterraines permis NPDES et 22 structures résidentielles avant de traverser la conductivité spécifique et les critères WVSCI, respectivement (figure 5A, 5B).
ontenu "fo: keep-together.within-page =" 1 "> En revanche, la sortie de Drawdy Creek est prévu de dépasser à la fois des critères chimiques et biologiques, ce qui suggère une incapacité à assimiler tout développement supplémentaire d'utilisation des terres sans effets première atténuation de facteurs de stress actuels (tableau 1). par conséquent, les scénarios d'atténuation qui réduisent la taille de l' effet global des activités pré-existantes d' utilisation des terres (par exemple, une réduction de 10% de l'effet de 100 structures serait équivalent à 90 structures) ont été simulées. atténuants complètement la effet du développement résidentiel et l' exploitation minière souterraine n'a pas entraîné une augmentation respective de WVSCI ci - dessus 68 ou la diminution de la conductance spécifique en dessous du 500 uS / cm critère (figure 6A, 6B). Cependant, la sortie de Drawdy Creek a été prévu pour dépasser un WVSCI score de 68 et une diminution inférieure à 500 uS / cm avec des réductions simultanées dans les deux développement résidentiel et l'exploitation minière souterraine de 94 et 75%, respectivement. < / P>
Figure 2. Carte du bassin versant de la rivière Coal. Le bassin versant de la rivière Coal est représentée par rapport à son emplacement au sein de la Virginie-Occidentale. Emplacements des sites d'étude (n = 40) et des sous-bassins versants Laurel Fork et Drawdy Creek sont également présentés. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 3. sites d'étude du charbon de la rivière. Ampleur de l' exploitation minière de surface et le développement résidentiel pour les sites d'étude sélectionnés (n = 40) dans des gradients de stresseurs indépendants et leur combinaison. taille Symbol est par rapport au nombre de l'exploitation minière souterraine pollution nationale système d'élimination de décharge (PNDSE) permis.TTPs: //www.jove.com/files/ftp_upload/54095/54095fig3large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 4. Carte illustrant les activités d'utilisation des terres dans Drawdy Creek (A) et Laurel Fork (B). Ces bassins versants représentent des modes d'utilisation des terres géographie typique dans toute la région MTR-VF. Le développement résidentiel [de la couverture terrestre (tel que défini par le NLCD) et structures] et des mines (exploitation minière souterraine permis NPDES et la surface étendue de la mine) activités d'utilisation des terres sont présentés. permet un-extrait supplémentaires utilisés dans l'analyse de scénarios sont présentés. Reportez - vous à la figure 2 pour l' emplacement des bassins versants dans les West Virginia. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 5. Exemple de résultats d'analyse de scénarios prédictifs de réponse en flux pour simuler le développement de l' utilisation des terres au sein de Laurel Fork. Scores WVSCI prédites suivants augmentations simulées dans l' exploitation minière de surface et le développement résidentiel (A) et prédit conductance spécifique suivante augmente simulées dans l' exploitation minière de surface et l' exploitation minière souterraine ( B) dans le bassin versant Laurel Fork. Les lignes horizontales représentent WVSCI (68) et la conductance spécifique (500 uS / cm) critères. Les lignes verticales représentent des niveaux supplémentaires de l'exploitation minière entraînant traversée de chaque critère. Unités pour l'axe des x varient en fonction du paysage attributs changé dans chaque scénario et correspondent aux unités spécifiées dans la légende. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 6. Exemple de résultats d'analyse de scénarios prédictifs de réponse dans le flux d'activités d'atténuation simulées au sein de Drawdy Creek. Scores prédits WVSCI (A) et la conductivité spécifique (B) à la suite des baisses simulées dans la taille de l' effet d'exister développement résidentiel et l' exploitation minière souterraine, respectivement. conditions prédites suivantes réductions simultanées dans la taille de l'effet à la fois le développement résidentiel et l'exploitation minière souterraine sont également indiqués pour chaque réponse. Les lignes horizontales représentent WVSCI (68) et la conductance spécifique (500 uS / cm) critères. Les lignes verticales indiquent les activités d'atténuation résultant des améliorations au - delà de chaque critère. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
| paysage actuel | |||
| Drawdy Creek | Laurel Fork | ||
| Caractéristiques d'utilisation des terres | |||
| l'exploitation minière de surface (%) | 10.7 | 10.9 | |
| L'exploitation minière souterraine (# NPDES permis) | 9 | 0 | |
| Développement (%) | 4.1 | 4.8 | |
| densité de structure (#) | 470 | 0 | |
| conditions observées | |||
| conductance spécifique (uS / cm) | 686 | 156 | |
| WVSCI | 65 | 68,8 | |
| Conditions prédites | |||
| conductance spécifique (uS / cm) | 831 | 279 | |
| WVSCI | 60,9 | 73,1 | |
Tableau 1. Caractéristiques Paysage et observées et prédites conditions aquatiques pour Drawdy Creek et Laurel Fork. Les caractéristiques d'utilisation des terres (minières de surface et souterraines, et de développement résidentiel) et prédit les conditions chimiques et biologiques pour Drawdy Creek et Laurel Fork , dans des conditions de paysage actuelles et la scénario d'exploitation supplémentaire.
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Discussion
Nous fournissons un cadre pour l'évaluation et la gestion des effets cumulatifs de multiples activités d'utilisation des terres dans les bassins versants fortement touchés. L'approche décrite ici les adresses précédemment identifiées limites associées à la gestion des systèmes aquatiques dans les bassins versants fortement touchés 5-6. Plus particulièrement, la conception des bassins versants ciblés d'évaluation (c. -à- échantillonnage le long stresseur individuel et combiné axes) produit des données qui sont bien adaptés pour quantifier les effets cumulatifs complexes à des échelles spatiales pertinentes (c. -à- échelle des bassins versants) par l' intermédiaire de techniques facilement interprétables et de modélisation implémentable 3, 7 . de plus, ces modèles sont facilement incorporés dans un cadre d'analyse de scénario qui permet la prédiction exacte de la gestion future (par exemple, la restauration et l' atténuation) et les résultats du développement. Par conséquent, l'approche présentée sera probablement utile aux gestionnaires de ressources aquatiques qui comptent de plus en plus sur la prévision conditions selon divers scénarios d'utilisation des terres pour aider dans les décisions réglementaires 27.
Le contraste entre Drawdy Creek et Laurel Fork met en évidence l'utilité du cadre présenté lors de la gestion des systèmes aquatiques dans les régions en développement activement et socioéconomiquement importants. L'analyse de scénario suggéré que Laurel Fork, qui est affectée uniquement par l'exploitation minière de surface (10,9%), peut assimiler plus le développement de l'utilisation des terres sans dépasser les critères chimiques et biologiques. Drawdy Creek, qui est affecté par des niveaux équivalents de l'exploitation minière de surface (10,7%), on prévoit de ne pas répondre à ces deux critères en raison des effets cumulatifs liés à l'exploitation minière souterraine et les structures résidentielles. Cependant, l' atténuation simulé des facteurs de stress non-surface minières (par exemple, les effluents des mines souterraines et des eaux usées résidentielles) l' amélioration des conditions écologiques, proposant des activités de gestion stratégique pourrait permettre la poursuite du développement de se produire. Par conséquent, la présenteapproche ed permet de faciliter l' activité économique et le développement tout en produisant possibilité de bénéfices nets par l' assainissement des autres facteurs de stress 28.
identification réussie et l'échantillonnage de la dominante utilisation des terres de stress est une étape critique dans la mise en œuvre avec succès les méthodes présentées ici. Il est également essentiel que les analyses de données d'échantillonnage et les suivantes sont basées sur les meilleures informations disponibles et la plupart couverture des terres mises à jour et à utiliser. Cohérence temporelle entre la couverture terrestre et en flux de données aider à assurer des relations statistiques précises et des prévisions écologiques ultérieures 3, 9. Si elles sont menées de façon appropriée, la technique d'évaluation des bassins versants présentés produit des données qui sont en grande partie impartiale (ie, minimise l' erreur de spécification et omis biais variables) et affecté par multicolinéarité. Par conséquent, ces données sont bien adaptés pour la modélisation prédictive via des techniques de régression traditionnelles.Une limitation potentielle de l'approche actuelle, cependant, est que la forte capacité à prédire empiriquement modèle spatial ne garantit pas une capacité à prédire les changements au fil du temps. Notamment, des études ont observé les interactions entre le climat et l' utilisation des terres sur les conditions physico - chimiques et biologiques 29-31. Ainsi, les approches de gestion adaptative qui testent des prédictions temporelles et spatiales des modèles prédictifs de mise à jour sera un élément important des efforts de gestion. Cela devrait impliquer l'intégration du changement climatique dans les modèles statistiques et des analyses scénario suivant.
Notre méthodologie peut également être adapté pour utiliser des ensembles de données existants qui ne peuvent pas remplir les hypothèses de techniques de régression traditionnelles (par exemple, multicolinéarité et l' indépendance de l' échantillon). L'utilisation des données pré-existante est bénéfique dans les situations où les gestionnaires ont le temps ou les ressources limitées. Régression Arbre (BRT) modèles Boosté peuvent être particulièrement utiles lors de l'analyse à grande, Des ensembles de données pré-existantes , car ils sont en grande partie affectée par la multicolinéarité, les données manquantes, les valeurs aberrantes statistiques, et les données non-normales 32. De plus, BRT offre une performance prédictive et a démontré une utilité dans un cadre d'analyse de scénarios 28.
Il est important de noter le contexte dans lequel notre méthodologie a été développée. Premièrement, notre approche a été développée pour les bassins versants caractérisés par des gradients d'utilisation des terres clairement définies. Cependant, les gradients d'utilisation des terres clairement définies ne se produisent pas toujours à l'échelle des bassins versants (par exemple, les régions du Midwest des États-Unis avec peu de variation dans l' étendue agricole). Par conséquent, d' autres approches de la planification de la conservation, telles que les méthodes fondées sur les risques qui se classent les objectifs de conservation en fonction des risques de multiples activités d'utilisation des terres, peuvent être plus appropriés 33-34. De plus, notre approche a été conçue à l'échelle du bassin versant HUC 8 chiffres. Dans une étude précédente, nous avons constaté que les modèles construCTED sur plusieurs 8 chiffres bassins versants HUC ne parviennent pas à prédire les nuances spécifiques des bassins versants entre l' utilisation des terres et in-stream conditions 7. Modèles Construire à travers des échelles spatiales plus petites (par exemple, à 12 chiffres des bassins versants HUC) peut limiter la taille de l' échantillon et de limiter la capacité des modèles à quantifier les effets cumulatifs complexes. Cependant, notre approche peut être utilisée pour gérer toutes les échelles spatiales via un cadre interne quartier 2. Dans ce cadre, la restauration et la protection des priorités sont fixées pour les flux individuels dans le cadre des conditions environnantes. Par exemple, restauration potentiel augmente avec l' augmentation de la condition de voisinage en raison des avantages associés à avoir de bons courants à proximité (par exemple, un fort potentiel re-colonisation).
Nous fournissons et de démontrer des protocoles d'évaluation et de gestion des effets cumulatifs dans les bassins hydrographiques fortement touchés. Bien que le manuscrit en cours axé sur la construction et la mise en œuvredes modèles d'effets cumulatifs dans un cadre d'analyse de scénarios, les techniques d'évaluation des bassins versants démontré produire des données capables de quantifier les modèles détaillés de dégradation physico - chimique et biologique lié à l'accumulation d'activités dominantes d'utilisation des terres à travers des échelles spatiales plus grandes 35. Par conséquent, les données produites par les protocoles de conception et d'échantillonnage étude décrits ici ont des avantages potentiels de gestion qui vont bien au-delà de ceux qui sont décrits. Peut-être le plus important, ce cadre est transférable à d'autres bassins versants en phase de transition en cours dans un certain nombre d'activités d'utilisation des terres.
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Acknowledgments
Nous remercions les nombreuses aides de terrain et de laboratoire qui ont été impliqués dans divers aspects de ce travail, en particulier Donna Hartman, Aaron Maxwell, Eric Miller, et Alison Anderson. Le financement de cette étude a été fourni par le US Geological Survey grâce au soutien de l'Environmental Protection Agency des États-Unis (EPA) Région III. Cette étude a été partiellement développé sous la science pour atteindre les résultats Fellowship numéro de la convention d'aide FP-91766601-0 décerné par l'US EPA. Bien que la recherche décrite dans cet article a été financé par l'US EPA, il n'a pas été soumis à requis par les pairs et de la politique de l'examen de l'agence et, par conséquent, ne reflète pas nécessairement les vues de l'agence, et aucune approbation officielle devrait être déduite.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Slack Invert Sampling Kit | Wildco | 3-425-N56 | |
| HDPE Square Jars | US Plastic Corp | 66188 | 32 oz; for storing fixed, composite invertebrate samples |
| Ethyl Alcohol 190 Proof | PHARMCO-AAPER | 111000190 | For fixing and storing invertebrate samples |
| 5 in. by 20 in. 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, 0.45 μm, 47 mm, disc |
| Actron Vacuum Pump Brake Bleeder Kit | Advanced Auto Parts | CP7835 | |
| Nitric Acid Solution | HACH | 254049 | 1:1, 500 ml |
| 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, 1,000 µS |
| Flo-Mate 2000 | TTT Environmental | 2000-11 | |
| Keson English/Metric Open Reel Fiberglass Tape | Forestry Suppliers | 40025 | 300'/100 m |
| ArcGIS 10.3.1 | ESRI |
References
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