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Planificación de cuencas dentro de un marco de análisis cuantitativo Escenario

Published: July 24, 2016 doi: 10.3791/54095
Automatic Translation
1, 1, 2
1Division of Forestry and Natural Resources, West Virginia University, 2Division of Resource Management, West Virginia University

Summary

Hay una necesidad crítica de herramientas y metodologías capaces de gestionar los sistemas acuáticos en la cara de las condiciones futuras inciertas. Proporcionamos métodos para llevar a cabo una evaluación de cuencas dirigida que permite a los administradores de recursos para producir modelos de efectos acumulativos a base de paisaje para su uso dentro de un marco de gestión de análisis de escenarios.

Abstract

Hay una necesidad crítica de herramientas y metodologías capaces de gestionar los sistemas acuáticos dentro de las cuencas impactadas fuertemente. Los esfuerzos actuales se quedan cortos, como resultado de una incapacidad para cuantificar y predecir los efectos acumulativos de complejos escenarios actuales y futuros de uso del suelo a escalas espaciales pertinentes. El objetivo de este manuscrito es proporcionar métodos para llevar a cabo una evaluación de cuencas dirigida que permite a los administradores de recursos para producir modelos de efectos acumulativos a base de paisaje para su uso dentro de un marco de gestión de análisis de escenarios. Los sitios se seleccionaron en primer lugar para su inclusión dentro de la evaluación de cuencas hidrográficas mediante la identificación de los sitios que se encuentran a lo largo de gradientes independientes y combinaciones de factores de estrés conocidos. técnicas de campo y de laboratorio se utilizan para obtener datos sobre las propiedades físicas, químicas y efectos biológicos de las múltiples actividades de uso de la tierra. El análisis de regresión lineal múltiple se utiliza entonces para producir modelos de efectos acumulativos basados ​​en paisaje para predecir aquacondiciones de tics. Por último, los métodos para incorporar modelos de efectos acumulativos dentro de un marco de análisis de escenarios para la gestión y las decisiones reguladoras de guía (por ejemplo, la autorización y la mitigación) dentro de las cuencas en desarrollo activamente se discuten y se manifestaron por 2 sub-cuencas de la región minera de cima de la montaña central de los Apalaches. El enfoque de la evaluación y manejo de cuencas proporcionada en este documento permite a los administradores de recursos para facilitar la actividad económica y el desarrollo, mientras que la protección de los recursos acuáticos y la producción de oportunidad para que los beneficios netos ecológicos a través de la recuperación selectiva.

Introduction

Alteración antropogénica de los paisajes naturales es una de las mayores amenazas actuales a los ecosistemas acuáticos en todo el mundo 1. En muchas regiones, la degradación continua al ritmo actual puede causar daños irreparables a los recursos acuáticos, en última instancia, lo que limita su capacidad de proporcionar servicios ambientales invaluables e irremplazables. Por lo tanto, existe una necesidad crítica de herramientas y metodologías capaces de gestionar los sistemas acuáticos dentro de las cuencas en desarrollo 2-3. Esto es particularmente importante dado que los gerentes a menudo se encargan de la conservación de los recursos acuáticos en la cara de las presiones socioeconómicas y políticas para continuar las actividades de desarrollo.

La gestión de los sistemas acuáticos dentro de las regiones en vías de desarrollo de forma activa requiere la capacidad de predecir los efectos probables de las actividades de desarrollo propuestas en el contexto de preexistente paisaje natural y antropogénico atributos 3, 4. Un reto importante para Aquatla gestión de recursos ic dentro de las cuencas fuertemente degradados es la capacidad de cuantificar y gestionar los complejos (es decir, aditivos o interactivos) los efectos acumulativos de múltiples factores estresantes de uso del suelo a escalas espaciales pertinentes 2, 5. A pesar de los retos actuales, sin embargo, las evaluaciones de efectos acumulativos se están incorporando en directrices reguladoras de todo el mundo 5-6.

Evaluaciones de cuencas específicas diseñadas para probar toda la gama de condiciones con respecto a los múltiples factores estresantes uso de la tierra puede producir datos capaces de modelar los efectos acumulativos complejas 7. Por otra parte, la incorporación de estos modelos dentro de un marco de análisis de escenarios [predicción de cambios ecológicos bajo una gama de desarrollo realistas o en proyecto, o el manejo de cuencas (restauración y mitigación) escenarios] tiene el potencial de mejorar en gran medida la gestión de los recursos acuáticos dentro de las cuencas impactadas fuertemente 3, 5, 8 -9. En particular, el análisis de escenarios ofreceun marco para la adición de la objetividad y la transparencia de las decisiones de gestión mediante la incorporación de información científica (relaciones ecológicas y modelos estadísticos), objetivos de la legislación y de los interesados ​​necesita en un único marco de toma de decisiones 3, 9.

Se presenta una metodología para evaluar y gestionar los efectos acumulativos de múltiples actividades de uso de la tierra dentro de un marco de análisis de escenarios. Lo primero que describen cómo detectar a los sitios para su inclusión dentro de la evaluación de cuencas en base a los factores de estrés conocidos uso de la tierra. Se describen las técnicas de campo y de laboratorio para la obtención de datos sobre los efectos ecológicos de las múltiples actividades de uso de la tierra. Describimos brevemente las técnicas de modelado para la producción de los modelos de efectos acumulativos basados ​​en el paisaje. Por último, se discute la forma de incorporar modelos de efectos acumulativos dentro de un marco de análisis de escenarios y demuestra la utilidad de esta metodología en la ayuda a las decisiones regulatorias (por ejemplo, permisos y demásoración) dentro de una cuenca intensamente extraído en el sur de Virginia Occidental.

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Protocol

1. Los sitios objetivo para la Inclusión en la evaluación de cuencas

  1. Identificar las actividades dominantes uso de la tierra dentro de la cuenca del objetivo 8 dígitos código de la unidad hidrológica (HUC) que están impactando físico-química y biológica 3, 7.
    Nota: Esta metodología supone el conocimiento preexistente de factores estresantes importantes dentro de la cuenca de interés. Sin embargo, consultar a los organismos reguladores o grupos de cuencas familiarizados con el sistema puede ayudar en este esfuerzo.
  2. Seleccionar medidas basadas en el paisaje de las actividades de uso de la tierra dominantes [por ejemplo, 2011 Portada Nacional de Tierras de base de datos (NLCD)] 3, 7.
    1. Consulte la literatura publicada para ayudar a identificar las mejores medidas basadas en el paisaje para cada actividad uso de la tierra 10. Póngase en contacto con agencias de recursos naturales para identificar y obtener conjuntos de datos específicos de la región de paisajes que están disponibles para su uso. Sin embargo, puede ser necesario crear nuevas variables del paisaje o conjuntos de datos.
  3. Tabular cobertura y uso atribuye a las 1: 100.000 de captación de datos Nacional de Hidrografía (NHD) que utilizan el software de información geográfica (GIS): 24.000 ó 1.
    1. Asegúrese de que cada 1: 24.000 ó 1: 100.000 de captación tiene un identificador único. Utilizar cualquier identificador numérico o categórico definida por el usuario como identificador único.
    2. Tabular los datos vectoriales (por ejemplo, puntos o líneas) se encuadra en cada cuenca.
      1. Resumir todas las características del vector dentro de cada cuenca utilizando la herramienta Intersección Tabulate dentro del conjunto de herramientas estadísticas de la caja de herramientas de análisis. Seleccione la capa de captación NHD como la función de zona de entrada, el identificador único de captación como el campo de la zona, y el vector conjunto de datos de interés como la clase de entidad de entrada.
      2. Se unen a los atributos del paisaje tabulados a la capa de captación. Haga clic derecho sobre la capa de captación en la tabla de contenido y seleccione une y relaciona en el menú desplegable y unirse a los subsequent menú. Seleccione el identificador único como el campo que se basará en la unión, la tabla de resultados de la tabla 1.3.2.1 como a unir, y el identificador único como el campo de la tabla que la unión se basa en.
    3. Tabular los datos de mapa de bits utilizando la herramienta Tabular la zona situada dentro del conjunto de herramientas Zonal de la caja de herramientas de análisis espacial.
      1. Cargar la extensión Spatial Analyst. Seleccione Extensiones del menú Personalizar. En el cuadro de diálogo Extensiones, marque la casilla que corresponde a la extensión Spatial Analyst.
      2. En el cuadro de diálogo Tabular de área, seleccione el archivo de formas de captación NHD como los datos de trama de entrada o zona característica, el identificador único (por ejemplo, FEATUREID) como el campo de la zona, y la cobertura de la tierra conjunto de datos (por ejemplo, NLCD) como la trama de entrada o función datos de la clase.
      3. Se unen a los atributos del paisaje tabulados a la capa de captación siguiendo los protocolos en el paso 1.3.2.2, con la tabulaciónLos resultados de la mesa como la tabla de unión.
  4. Acumula atributos del paisaje para todas las cuencas NHD.
    1. Descargar el NHDPlusV2 Captación de atributos de asignación y la herramienta de acumulación (CA3TV2) en http://www2.epa.gov/waterdata/nhdplus-tools. Utilice la función de acumulación de CA3TV2 para la acumulación de los atributos de 1: 100.000 cuencas NHD 11.
      Nota: Se utilizó un código personalizado escrito que acumula los atributos del paisaje de 1: 24.000 NHD escala de cuencas hidrográficas 12. Las instrucciones detalladas para la utilización CA3TV2 están integrados en la herramienta y se puede acceder a través de la función de ayuda.
  5. Seleccionar cuencas NHD como sitios de estudio basados ​​en los atributos del paisaje acumulados.
    1. Crear un gráfico de dispersión de todas las cuencas NHD con respecto a los valores acumulados de las principales actividades de uso de la tierra (Figura 1A).
    2. Seleccione los sitios de estudio (aproximadamente 40 sitios por 8 dígitos HUC cuenca) para representar el r completaange de la influencia de las actividades de uso de la tierra dominantes que se encuentran dentro de la cuenca de destino (Figura 1B). Seleccionar los sitios dentro de gradientes independientes estresante (es decir, la influencia de una sola actividad de uso del suelo) y combinaciones de factores de estrés (es decir, la influencia de múltiples actividades de uso de la tierra) (Figura 1B).
    3. Asegúrese de que los sitios de estudio se distribuyen espacialmente en toda la cuenca objetivo e independiente el uno del otro con respecto al drenaje de aguas abajo. Asegúrese de que los sitios que corresponden a cada gradiente de estrés individual y combinado también tienen áreas de las cuencas medias similares.

Figura 1
Figura 1. gráfico de dispersión hipotética de cuencas NHD con respecto a la influencia de las actividades de uso de la tierra 2. Magnitud de influencia de las actividades de uso de la tierra 2 en todas las cuencas NHD dentro de la hipotética watershed (n = 4229) (A). Sitios de estudio seleccionados (n = 40) que representan toda la gama de condiciones observadas dentro de la cuenca en relación con gradientes estresantes independientes y combinados (B). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Los protocolos de campo para la recogida de datos físico-química y biológica

Nota: Todos los datos para cada sitio deben recogerse en la misma visita el sitio en condiciones de flujo de base normales. Protocolos presentados en este documento representan los procedimientos operativos estándar para el Departamento de Protección del Medio Ambiente (WVDEP) 13 West Virginia. Puede ser más apropiado utilizar estatal o federal reconocidas procedimientos para la cuenca específica que se está evaluando.

  1. Delimitar el alcance de muestreo para cada sitio como 40 × anchura del canal activo (ACW), con máximos y mínimos longitudes de 150 y300 m 3, 7.
  2. Atributos de la calidad del agua de la muestra de lugares con agua en movimiento que son característicos de todo el sitio de muestreo (por ejemplo, no estar influenciado directamente por las entradas tributarias de tubería de drenaje).
    1. Obtener medidas instantáneas de oxígeno disuelto, conductividad específica, la temperatura y pH usando sensores de mano. Calibrar sensores antes de cada evento de muestreo siguiendo las instrucciones del fabricante.
    2. Equipos de filtración de enjuague con agua desionizada antes de la recogida de muestras de agua.
    3. Filtro 250 ml de agua (filtro de membrana de éster de celulosa mixta, 0,45 micras de tamaño de poro) para el análisis de metales disueltos. Fijar a un pH <2 para asegurar metales permanecen disueltos en la solución.
      Nota: El volumen correcto de ácido se puede añadir a la muestra de agua después de la recogida de la muestra. Alternativamente, el volumen correcto puede ser añadido a la botella antes del evento de muestreo. El volumen requerido para fijar a un pH <2 depende de la fuerza del ácido.
      1. Para el estudio se describe aquí, se recoge una sola muestra filtrada de cada sitio y fijar con ácido nítrico para la determinación de Al disuelto, Ca, Fe, Mg, Mn, Na, Zn, K, Ba, Cd, Cr, Ni, y Se 3 , 7.
        Nota: La selección de los analitos debe guiarse por las actividades de las cuencas hidrográficas específicas de uso del suelo.
    4. Tomar 250 ml de muestra sin filtrar (s) sumergiendo completamente la botella de la muestra en la columna de agua. Apriete suavemente la botella para purgar el aire que queda y al mismo tiempo colocar el tapón en la botella de la muestra. Fijar la muestra (s) a un pH <2 si es necesario (por ejemplo, evitar la actividad biológica de afectar nutrientes).
      1. Para el estudio se describe aquí, recoger dos muestras no filtradas de cada sitio. Fijar la primera con ácido sulfúrico para la determinación de NO 2 y NO 3 y P. totales No fije la segunda muestra no filtrada y utilizarlo para determinar la alcalinidad total y bicarbonato, Cl, SO 4, y por lo disueltos totalestapas 3, 7.
        Nota: La selección de los analitos debe guiarse por las actividades de las cuencas hidrográficas específicas de uso del suelo.
    5. Obtener un campo en blanco para cada fijador utilizado durante cada evento de muestreo. Obtener muestras de campo siguiendo todos los protocolos para la recolección de la muestra (es decir, el enjuague, el filtrado, la fijación) utilizando agua desionizada como muestra final.
      Nota: Los blancos de campo se utilizan para identificar la contaminación en la recogida y análisis de muestras.
    6. Almacenar todas las muestras de agua a 4 ° C hasta que se hayan completado todos los análisis. Asegúrese de que todos los analitos se miden dentro de su tiempo de retención especificado 14.
  3. Medir la descarga en cada sitio de muestreo.
    1. Se divide el ancho de la corriente humedecida en incrementos de igual tamaño.
    2. Medir la profundidad y la velocidad de la corriente media en el punto medio de cada sección.
      1. Con una varilla de calibre de profundidad, medir la profundidad como la distancia desde el lecho de la corriente a la superficie del agua.
      2. El uso de un current metros, medir la velocidad del agua a una profundidad de agua de 60%.
    3. Calcular la descarga como la suma del producto de la velocidad, profundidad y anchura a través de todas las secciones.
  4. Ejemplo de la comunidad de macroinvertebrados en cada sitio.
    1. Obtener muestras de retroceso (dimensiones netos 335 × 508 mm 2 con una malla de 500-m) a partir de 4 riffles representativos separadas distribuidas a lo largo de toda la longitud del alcance de muestreo.
      1. En cada lugar patada, coloque la red saque perpendicular al flujo de corriente y molestar a una zona de 0,50 x 0,50 m 2 (es decir, 0,25 m 2) de la cama de la corriente inmediatamente aguas arriba. Asegúrese de que todos los organismos y los residuos fluyen aguas abajo hacia la red patada.
      2. Combinar los organismos y residuos de las 4 muestras de tiro en una muestra compuesta única (lo que representa 1,00 m 2 de la cama de la corriente) y preservar inmediatamente con un 95% de etanol.
  5. Medir la calidad del hábitat físicoy la complejidad en todo el tramo de río.
    1. Tomar mediciones de la profundidad del agua, el tipo de unidad de canal hidráulico, clase de sedimentos, y la distancia a los peces objeto de cubierta en puntos uniformemente espaciados a lo largo de la vaguada (parte de la corriente a través del cual se produce la corriente principal o más rápida). Tomar medidas cada 1 ACW para corrientes <5 m de ancho y 0,5 de cada ACW para los flujos> 5 m de ancho 15.
      1. Clasificar la unidad de canal dentro del cual se encuentra cada lugar vaguada (por ejemplo, rifle, correr, piscina, o deslizamiento) 16.
      2. Con una varilla de calibre de profundidad, medir la profundidad como la distancia desde el lecho de la corriente a la superficie del agua.
      3. Identificar al azar un trozo de sedimentos y determinar su clasificación por tamaño Wentworth (limo, arena, grava, cantos rodados, canto rodado) 17.
      4. Estimar la distancia de cada punto de vaguada al objeto tapa más cercana.
        Nota: la cubierta de pescado se define como cualquier estructura en el canal activo capaz de ocultar un 20,32 cm (8 pulgadas) de pescado 18.
    2. Contar todas las piezas de restos leñosos de gran tamaño dentro del canal activo.
    3. La calidad del hábitat estimación con la Agencia de los Estados Unidos de Protección Ambiental (EPA) rápidas evaluaciones de hábitats visuales (RVHA) Protocolos de 19.
  6. Obtener mediciones duplicadas y las muestras a partir de una seleccionada al azar 10% de los sitios de estudio. medidas duplicadas se utilizan para estimar el muestreo y análisis de laboratorio de precisión.

3. Los protocolos de laboratorio para fisicoquímicos y los datos Biológica

Nota: Al describir los protocolos de laboratorio para cuantificar los atributos de la química del agua está fuera del alcance de este manuscrito. Sin embargo, el presente estudio utilizó métodos químicos estándar para el agua y los desechos 14.

  1. organismos submuestra contenidas dentro de cada muestra de macroinvertebrados (recolectados a través de protocolos en la sección 2.4) para obtener una submuestra representativa de la comunidad de macroinvertebrados en cada sitio.
    1. Coloque toda la muestra de macroinvertebrados compuesto en un 100 en la clasificación cuadriculada 2 (medición de 5 × 20 en 2). Aleatoriamente asignar a cada 1 en 2 rejilla un número de 1 a 100.
    2. Utilizar un microscopio estéreo para contar e identificar todos los organismos dentro de seleccionados al azar 1 de cada 2 rejillas hasta que el número total de individuos ordenados es de 200 ± 20%. Identificar los organismos al género utilizando las teclas de macroinvertebrados, tales como las publicadas por Merritt y Cummins 20.
    3. Recopilar datos de abundancia-nivel de género en estadísticas de la comunidad [por ejemplo, el total de la riqueza y el% de Ephemeroptera, Plecoptera y Trichoptera (EPT)] para su uso como variables de respuesta en modelos estadísticos y el posterior análisis de escenarios 3, 7.

4. Análisis estadísticos y Escenario

  1. Construir modelos lineales generalizados para la predicción in-stream físicas, químicas y biológicas de indicato basado en el paisajers de las actividades dominantes de uso del suelo.
    Nota: Los protocolos y los análisis se realizaron en el lenguaje R y el medio ambiente para el cálculo estadístico (versión 3.2.1) 21.
    1. Prueba de normalidad de Shapiro-Wilk usando [shaprio.test función () en el paquete de R Totales 21] pruebas y transformar las variables para satisfacer las hipótesis de análisis paramétricos y linealizar las relaciones.
    2. Modelos máximos iniciales de ajuste especificando 2 vías interacciones entre todos los predictores de uso del suelo [GLM () en las estadísticas del paquete de R 21].
    3. Aplicar una deleción hacia atrás para identificar el modelo mínimo adecuado 3, 7, 22.
      1. Identificar la variable menos significativo (es decir, explica la menor cantidad de variación) en el modelo de máxima [Resumen () en el paquete R Totales 21] y se ajusta un nuevo modelo con esta variable excluidos [GLM () en el paquete R Totales 21] .
      2. Continuar la eliminación de las variableshasta que todos los predictores restantes son significativamente diferentes de 0 y explicativa de energía no difiere significativamente del modelo máxima para cada variable de respuesta utilizando el análisis de las tablas de la desviación y las pruebas de coeficiente de riesgo [lrtest función () en el paquete de R lmtest 23].
  2. Predecir las condiciones actuales.
    1. Utilizar modelos finales para predecir condiciones físico-químicas y biológicas dadas las características actuales del paisaje en todas las cuencas NHD un-muestreada a lo largo del destino de las cuencas hidrográficas [predecir () en las estadísticas del paquete de R 21].
    2. Visualizar predicciones en software GIS.
      1. Unirse a las predicciones en cuencas NHD. Haga clic derecho sobre la capa de captación en la tabla de contenido y seleccione une y relaciona en el menú desplegable y unirse en el menú subsiguiente. Seleccione el identificador único como el campo que se basará en la unión, el archivo de predicciones como la tabla a unir, Y el identificador único como el campo de la tabla que la unión se basa en
      2. Haga clic derecho sobre la capa de captación y seleccione Propiedades. En el cuadro de diálogo de propiedades de capas, haga clic en la pestaña Simbología y seleccione Cantidades. Seleccione el valor predicho de interés como el campo Valor y haga clic en Aplicar.
        Nota: Los valores de rango pueden ser cambiados manualmente para que coincida con los criterios ecológicos reconocidos utilizando el botón de clasificar.
  3. Realizar análisis de escenario para comparar los cambios previstos en las condiciones acuáticas en diversos escenarios de uso del suelo.
    1. Actualizar el conjunto de datos actual paisaje para simular escenarios de desarrollo futuro o mitigación plausibles. Para el estudio se describe aquí, actualizar manualmente los valores del paisaje acumulada para la captación de interés dentro de la tabla de atributos (por ejemplo, cambiar 10 acres de bosques a la ocupación del suelo minería).
      1. Seleccione la captación de interest utilizando la función Selección por Atributo ubicado dentro del menú desplegable de selección. En el cuadro de diálogo Seleccionar atributo, seleccione las cuencas NHD como la capa. Haga doble clic en el atributo identificador único, seleccionar =, a continuación, escriba el identificador para la captación de interés en el cuadro de la ecuación.
      2. Abra la tabla de atributos de captación NHD haciendo clic derecho en la capa de captación en la tabla de contenido y seleccionando Abrir tabla de atributos desde el menú desplegable. Elegir mostrar solamente las cuencas seleccionadas.
      3. Con cuencas seleccionadas única muestra, haga clic derecho en la columna de interés y seleccione Calculadora de campo e introduzca el nuevo valor simulado. Nota: Múltiples zonas de captación pueden ser alteradas para simular múltiples actividades de desarrollo o de gestión espacialmente explícitos que se producen a través de escalas espaciales grandes.
        Nota: Como alternativa, el vector y raster originales conjuntos de datos se pueden actualizar mediante la digitalización de nuevas funciones o la alteración y la eliminación de Fe originalesturas para simular nueva actividad de uso del suelo o la gestión de un preexistente impacto del uso del suelo 24. Esto se puede lograr usando la barra de herramientas Editor.
    2. Vuelva a asignar y los atributos del paisaje re-acumulan para todas las cuencas NHD utilizando protocolos presentados en los pasos 1.3-1.4.
    3. Predecir condiciones físico-químicas y biológicas en función del conjunto de datos actualizada paisaje [predecir () en las estadísticas del paquete de R 21].
    4. Visualizar predijo condiciones bajo escenarios de uso de la tierra alternativos que utilizan los protocolos presentados en el paso 4.2.2.

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Representative Results

Cuarenta 1: 24.000 cuencas NHD fueron seleccionadas como sitios de estudio dentro de la Coal River, Virginia Occidental (Figura 2). Se seleccionaron los sitios de estudio para abarcar una gama influencia de la minería de superficie (% área de tierra 24), construcción de viviendas [densidad de la estructura (no./km 2)], y la minería subterránea [sistema nacional de eliminación de descarga de la contaminación (NPDES) Densidad de permiso (sin. / km 2)] tal que cada actividad principal uso de la tierra tuvo lugar tanto de forma aislada como en combinación con la medida de lo posible (Figura 3). En cada sitio, se recogieron datos sobre las condiciones físico-químicas y estructura de la comunidad de macroinvertebrados.

En un estudio anterior, se utilizaron estos datos para construir modelos de efectos acumulativos para la predicción de Virginia Occidental corriente Condición Índice (WVSCI), una familia de índices de nivel multi-métrica de integridad biótica desarrollado para West Virginia 25, Y la conductividad específica con un alto grado de precisión y exactitud 7. En este documento, estos modelos se utilizan para predecir las condiciones actuales y futuras de dos sub-cuencas del río Carbón [Drawdy Creek (Figura 4A) y Laurel Tenedor (Figura 4B)] bajo diferentes escenarios de desarrollo de uso del suelo. Drawdy Creek y Laurel Tenedor tienen niveles casi idénticos de minería a cielo abierto y el desarrollo% (Tabla 1). Sin embargo, Drawdy Creek está influenciada por las estructuras residenciales y la minería subterránea, mientras que Laurel Tenedor no lo es. En consecuencia, estas dos cuencas ofrecen una oportunidad única para evaluar y comparar el grado en que los efectos acumulativos de múltiples actividades de uso de la tierra controlan las condiciones actuales acuáticos y los resultados de futuros escenarios de desarrollo de uso del suelo.

Laurel Tenedor no se debería superar químico (conductividad específica> 500 S / cm 26) o Biolog criterios de iCal (WVSCI <68 25), lo que sugiere que puede asimilar actividad adicional del uso del suelo sin riesgo de deterioro (Tabla 1). Se evaluó una serie de escenarios a continuación, para cuantificar la cantidad máxima de minería de superficie adicional, la minería subterránea, y la construcción de viviendas Laurel Tenedor puede asimilar probable antes de su salida cruza cada criterio. Para ello, la conductividad específica y WVSCI se predijo en virtud de la gama completa de cada actividad de uso del suelo mientras mantiene las otras variables de paisaje constante. El análisis de escenarios sugiere Laurel Tenedor puede asimilar al 14% (25% en total) y 21% (32% en total) aumenta en tierras de minas de superficie antes de cruzar la conductividad específica y criterios WVSCI, respectivamente (Figura 5A, 5B). Laurel Tenedor también puede asimilar 8 minas subterráneas permisos NPDES y 22 estructuras residenciales antes de cruzar la conductividad específica y criterios WVSCI, respectivamente (Figura 5A, 5B).

ontenido "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Por el contrario, la salida de Drawdy Creek se prevé que exceda tanto el criterio químicas y biológicas, lo que sugiere una incapacidad para asimilar ningún desarrollo adicional del uso del suelo sin efectos atenuantes de primera estresores actuales (Tabla 1). en consecuencia, los escenarios de mitigación que reducen el tamaño del efecto global de las actividades de uso de la tierra preexistentes (por ejemplo, una reducción del 10% en el efecto de 100 estructuras sería equivalente a 90 estructuras) fueron simulados. atenuantes completamente la efecto de la construcción de viviendas y la minería subterránea no se tradujo en un aumento correspondiente en WVSCI por encima de 68 o disminución de la conductancia específica por debajo del 500 S / cm criterio (Figura 6A, 6B). sin embargo, la salida de Drawdy Creek se predijo que superar un WVSCI puntuación de 68 y disminución por debajo de 500 S / cm con reducciones simultáneas en ambas construcción de viviendas y la minería subterránea de un 94 y 75%, respectivamente. < / P>

Figura 2
Figura 2. Mapa del Río Carbón cuenca. El río Carbón cuenca se muestra con respecto a su ubicación dentro de Virginia Occidental. También se presentan las ubicaciones de los sitios de estudio (n = 40) y Laurel Fork y Drawdy Creek sub-cuencas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figura 3
Figura 3. Los sitios de estudio del río Carbón. Magnitud de la minería a cielo abierto y la construcción de viviendas para los sitios de estudio seleccionados (n = 40) dentro de los gradientes estresantes independientes y su combinación. el tamaño del símbolo es relativo al número de minería subterránea contaminación del sistema nacional de eliminación de descarga de permisos (NPDES).TTP: //www.jove.com/files/ftp_upload/54095/54095fig3large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4
Figura 4. Los mapas que representan las actividades de uso de la tierra dentro de Drawdy Creek (A) y Laurel Tenedor (B). Estas cuencas representan los patrones de uso de la tierra geografía típica en toda la región MTR-VF. El desarrollo residencial [cobertura de la tierra (como se define por el NLCD) y las estructuras] y la minería (minería subterránea permisos NPDES y la superficie de la mina medida) las actividades de uso de la tierra se muestran. se muestran los permisos de un-minada adicionales utilizados en el análisis de escenarios. Consulte la Figura 2 para su ubicación dentro de la cuenca de West Virginia. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.


Figura 5. Ejemplo de resultados de análisis de escenarios que predicen la respuesta in-stream al desarrollo simulado uso de la tierra dentro de Laurel Tenedor. WVSCI puntajes predichos siguientes aumentos simulados en minería a cielo abierto y la construcción de viviendas (A) y la conductancia específica prevista tras los aumentos simulados en la minería de superficie y subterránea ( B) dentro de la cuenca Laurel Tenedor. Las líneas horizontales representan WVSCI (68) y la conductancia específica (500 S / cm) criterios. Las líneas verticales representan niveles adicionales de minería de datos resultante de cruce de cada criterio. Las unidades para el eje x varían en función de los atributos del paisaje cambia en cada escenario y corresponden a las unidades especificadas en la leyenda. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.


Figura 6. Ejemplo de resultados de análisis de escenarios que predicen la respuesta en corriente de las actividades de mitigación simulados dentro Drawdy Creek. Puntajes predichos WVSCI (A) y la conductividad específica (B) después de disminuciones simulados en el tamaño del efecto de la construcción de viviendas existentes y la minería subterránea, respectivamente. condiciones predichas siguientes reducciones simultáneas en el tamaño del efecto tanto de construcción de viviendas y la minería subterránea también se muestran para cada respuesta. Las líneas horizontales representan WVSCI (68) y la conductancia específica (500 S / cm) criterios. Las líneas verticales indican las actividades de mitigación que resulta en mejoras más allá de cada criterio. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

panorama actual
Drawdy Creek Laurel Tenedor
Características de uso de la tierra
La minería de superficie (%) 10.7 10.9
La minería subterránea (# permisos NPDES) 9 0
Desarrollo (%) 4.1 4.8
densidad de la estructura (#) 470 0
condiciones observadas
conductancia específica (S / cm) 686 156
WVSCI sesenta y cinco 68.8
Condiciones predichas
conductancia específica (S / cm) 831 279
WVSCI 60.9 73.1

Tabla 1. Características del paisaje y observaciones y predicciones de condiciones acuáticas para Drawdy Creek y Laurel Tenedor. Características de uso de la tierra (minería a cielo abierto, minería subterránea, y la construcción de viviendas) y predijo condiciones químicas y biológicas para Drawdy Creek y Laurel Tenedor bajo las condiciones del paisaje actual y la escenario minería adicional.

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Discussion

Proporcionamos un marco para evaluar y gestionar los efectos acumulativos de múltiples actividades de uso de la tierra en las cuencas impactadas fuertemente. El enfoque descrito en este documento direcciones identificadas previamente limitaciones asociadas con la gestión de los sistemas acuáticos en las cuencas impactadas fuertemente 5-6. En particular, el diseño de la evaluación de cuencas objetivo (es decir, el muestreo a lo largo de estrés individual y combinado de los ejes) produce datos que son muy adecuadas para la cuantificación de los efectos acumulativos complejos a escalas espaciales relevantes (es decir, a escala de cuencas) a través de técnicas de fácil interpretación y modelización implementable 3, 7 . por otra parte, estos modelos se incorporan fácilmente en un marco de análisis de escenarios que permite la predicción exacta de la futura gestión (por ejemplo, la restauración y mitigación) y los resultados del desarrollo. En consecuencia, el enfoque presentado probable que sea de utilidad para los gestores de recursos acuáticos, los cuales cada vez se basan en la previsión Conditiones en diversos escenarios de uso del suelo para ayudar en las decisiones reguladoras 27.

El contraste entre Drawdy Creek y Laurel Tenedor pone de manifiesto la utilidad del marco presentado en la gestión de los sistemas acuáticos que se encuentren en desarrollo activo y socioeconómicamente importantes regiones. El análisis de escenarios sugirió que Laurel Tenedor, que se ve afectado únicamente por la minería de superficie (10,9%), puede asimilar el desarrollo adicional de uso de la tierra, sin exceder los criterios químicos y biológicos. Drawdy Creek, que se ve afectada por los niveles equivalentes de minería de superficie (10.7%), se predice que no cumple con cualquiera de los criterios, como resultado de los efectos acumulativos asociados con la minería subterránea y estructuras residenciales. Sin embargo, la mitigación de los factores de estrés simulado no mineras de superficie (por ejemplo, efluentes de la mina subterránea y aguas residuales residenciales) mejora de las condiciones ecológicas, lo que sugiere actividades de gestión estratégica podría permitir un mayor desarrollo de ocurrir. En consecuencia, la presenteed enfoque hace que sea posible para facilitar la actividad económica y el desarrollo y en la fabricación oportunidad para que los beneficios netos a través de la rehabilitación de otros factores de estrés 28.

identificación exitosa y toma de muestras de los factores de estrés dominantes uso de la tierra es un paso crítico en la implementación exitosa de las metodologías presentadas en este documento. También es fundamental que los análisis de datos y toma de muestras posteriores se basan en la mejor información disponible y la mayor cobertura de la tierra, hasta al día y usar. La coherencia temporal entre la ocupación del suelo y en la corriente de datos ayudará a asegurar relaciones estadísticas precisas y predicciones ecológicos posteriores 3, 9. Si se realiza apropiadamente, la técnica de evaluación de cuencas presentado produce datos que son en gran medida objetiva (es decir, minimiza el error de especificación y omite los sesgos de variables) y afectado por la multicolinealidad. En consecuencia, estos datos son muy adecuadas para el modelado predictivo a través de técnicas de regresión tradicionales.Una limitación potencial del enfoque actual, sin embargo, es que la fuerte capacidad de predecir empíricamente patrón espacial no garantiza la capacidad de predecir el cambio en el tiempo. En particular, los estudios han observado interacciones entre el clima y el cambio de uso del suelo de las condiciones físico-químicas y biológicas 29-31. Por lo tanto, los enfoques de manejo adaptativo que ponen a prueba las predicciones temporales y espaciales de actualización de los modelos de predicción serán un componente importante de los esfuerzos de gestión. Esto debería implicar la incorporación del cambio climático en los modelos estadísticos y análisis escenario posterior.

Nuestra metodología también se puede adaptar para utilizar conjuntos de datos existentes que pueden no cumplir los supuestos de técnicas de regresión tradicionales (por ejemplo, de multicolinealidad y la independencia de la muestra). El uso de datos preexistente es beneficioso en situaciones en las que los administradores tienen tiempo o recursos limitados. Impulsado modelos (BRT) del árbol de regresión pueden ser particularmente útiles en el análisis de grandes, Conjuntos de datos preexistentes, ya que no son afectadas por la multicolinealidad, los datos que faltan, los valores atípicos estadísticos, y los datos no normales 32. Por otra parte, el BRT ofrece un alto rendimiento predictivo y ha demostrado utilidad en un marco de análisis de escenario 28.

Es importante tener en cuenta el contexto en que se desarrolló nuestra metodología. En primer lugar, nuestro enfoque fue desarrollado para cuencas caracterizados por gradientes de uso de la tierra claramente definidos. Sin embargo, los gradientes de uso de la tierra claramente definidos no siempre ocurren en la cuenca escala (por ejemplo, las áreas del medio oeste de Estados Unidos con poca variación en la medida en la agricultura). En consecuencia, otros enfoques para la planificación de la conservación, como los métodos basados ​​en el riesgo que se clasifican los objetos de conservación en base a los riesgos de múltiples actividades de uso de la tierra, pueden ser más apropiados 33-34. Por otra parte, nuestro enfoque fue diseñado a escala de cuencas HUC 8 dígitos. En un estudio anterior, encontramos que los modelos constructed a través de múltiples cuencas HUC 8 dígitos fallan para predecir matices de cuencas específicas entre el uso del suelo y en las condiciones de la corriente 7. La construcción de modelos a través de escalas espaciales más pequeñas (por ejemplo, 12 dígitos cuencas HUC) puede limitar el tamaño de la muestra y limitar la capacidad de los modelos para cuantificar los efectos acumulativos complejos. Sin embargo, nuestro enfoque se puede utilizar para administrar a través de escalas espaciales a través de un marco casa de vecindad 2. En este marco, las prioridades de restauración y protección se establecen para los flujos individuales dentro del contexto de las condiciones circundantes. Por ejemplo, el grado de recuperación aumenta con la condición de barrio a causa de los beneficios asociados con tener buenas corrientes cercanas (por ejemplo, alto potencial de re-colonización).

Proporcionamos y demostramos protocolos para evaluar y gestionar los efectos acumulativos en las cuencas impactadas fuertemente. Aunque el manuscrito actual se centró en la construcción y aplicaciónde los modelos de efectos acumulativos dentro de un marco de análisis de escenarios, las técnicas de evaluación de cuencas demostrado producen datos que permiten cuantificar los patrones detallados de la degradación físico-químico y biológico relacionado con la acumulación de las actividades dominantes uso de la tierra a través de escalas espaciales mayores de 35. En consecuencia, los datos producidos por los protocolos de muestreo y diseño del estudio se describen en este documento tienen beneficios potenciales de gestión que se extienden mucho más allá de los que se analizan. Tal vez lo más importante, este marco es transferible a otras cuencas en situación inestable en curso en cualquier número de actividades de uso de la tierra.

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Acknowledgments

Agradecemos a los numerosos ayudantes de campo y de laboratorio que estuvieron involucrados en varios aspectos de este trabajo, especialmente Donna Hartman, Aaron Maxwell, Eric Miller, y Alison Anderson. La financiación de este estudio fue proporcionado por el Servicio Geológico de Estados Unidos a través del apoyo de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) Región III. Este estudio fue desarrollado parcialmente bajo la Ciencia para lograr resultados Fellowship número Convenio de Asistencia FP-91766601-0 otorgado por la EPA de Estados Unidos. Aunque la investigación descrita en este artículo ha sido financiado por la EPA de los Estados Unidos, no ha sido sometido a pares y la política de revisión requerida de la agencia y, por lo tanto, no necesariamente refleja la opinión de la agencia, y ningún respaldo oficial debe ser inferido.

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

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Planificación de cuencas dentro de un marco de análisis cuantitativo Escenario
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