Watershed Planlægning inden for en kvantitativ Scenario Analysis Framework
Summary
Der er et kritisk behov for værktøjer og metoder, som kan styre akvatiske systemer i lyset af usikre fremtidige forhold. Vi leverer metoder til at gennemføre en målrettet vandskel vurdering, der muliggør ressource ledere til at producere landskab-baserede kumulative effekter modeller til brug inden for et scenario analyse management rammer.
Abstract
Der er et kritisk behov for værktøjer og metoder, som kan styre akvatiske systemer inden stærkt påvirket vandskel. Den nuværende indsats ofte kommer til kort som følge af en manglende evne til at kvantificere og forudsige komplekse kumulative virkninger af de nuværende og fremtidige arealanvendelse scenarier på relevante rumlige skalaer. Målet med dette manuskript er at give metoder til at gennemføre en målrettet vandskel vurdering, der muliggør ressource ledere til at producere landskab-baserede kumulative effekter modeller til brug inden for et scenario analyse management rammer. Websteder er først udvalgt til optagelse i vandskellet vurdering ved at identificere websteder, der falder sammen uafhængige gradienter og kombinationer af kendte stressfaktorer. Field og laboratorieteknikker anvendes derefter til at indhente data om den fysiske, kemiske og biologiske effekter af flere arealanvendelse aktiviteter. Multipel lineær regressionsanalyse anvendes derefter til at fremstille landskab-baserede kumulative virkninger modeller til forudsigelse aquatic forhold. Endelig er metoder til at indarbejde kumulative effekter modeller inden et scenario analyse rammer for at lede forvaltningen og regulatoriske beslutninger (fx tillader og afbødning) inden for aktivt at udvikle vandskel diskuteret og demonstreret for 2 sub-vandskel i bjergtop minedrift regionen i det centrale Appalacherne. Tilgangen vandskel vurdering og styring forudsat heri muliggør ressource ledere til at fremme den økonomiske og udviklingsaktivitet samtidig beskytte akvatiske ressourcer og producerer mulighed for netto økologiske fordele gennem målrettet oprydning.
Introduction
Menneskeskabte ændring af naturlige landskaber er blandt de største aktuelle trusler mod akvatiske økosystemer i hele verden en. I mange regioner vil fortsat nedbrydning i løbende priser medføre uoprettelig skade på akvatiske ressourcer, i sidste ende begrænser deres kapacitet til at yde uvurderlige og uerstattelige økosystemtjenester. Således er der et kritisk behov for værktøjer og metoder, som kan styre akvatiske systemer i udviklingslandene vandskel 2-3. Dette er især vigtigt, fordi lederne ofte har til opgave at bevare akvatiske ressourcer i lyset af socioøkonomiske og politiske pres for at fortsætte udviklingsaktiviteter.
Forvaltning af akvatiske systemer inden for aktivt at udvikle regioner kræver en evne til at forudsige sandsynlige virkninger af foreslåede udviklingsaktiviteter inden for rammerne af allerede eksisterende naturlige og menneskeskabte landskab attributter 3, 4. En stor udfordring at Aquatic ressourcestyring inden stærkt forringede vandskel er evnen til at kvantificere og styre komplekse (dvs. additive eller interaktive) kumulative virkninger af flere arealanvendelse stressfaktorer på relevante rumlige skalaer 2, 5. Trods de nuværende udfordringer, men kumulative effekter vurderinger er blevet indarbejdet i forskriftsretningslinjer hele verden 5-6.
Målrettede skelsættende vurderinger designet til at prøve den fulde række betingelser med hensyn til flere arealanvendelse stressfaktorer kan producere data, der kan modellere komplekse kumulative virkninger 7. Desuden inkorporerer sådanne modeller inden for en scenarie analyse rammer [forudsige økologiske forandringer under en række realistisk eller foreslåede udvikling eller vandskel forvaltning (restaurering og afhjælpning) scenarier] har potentiale til i høj grad forbedre vandmiljøet ressourcestyring inden stærkt påvirket vandskel 3, 5, 8 -9. Mest bemærkelsesværdigt, scenario analyse giveren ramme for at tilføje objektivitet og gennemsigtighed til ledelsesbeslutninger ved at indarbejde videnskabelig information (økologiske forhold og statistiske modeller), lovgivningsmæssige mål, og interessent behov i en enkelt beslutningsproces ramme 3, 9.
Vi præsenterer en metode til vurdering og styring af kumulative virkninger af flere arealanvendelse aktiviteter inden for en scenarie analyse rammer. Vi først beskrive, hvordan man korrekt målrette sites for inklusion i vandskellet vurdering baseret på kendte arealanvendelse stressfaktorer. Vi beskriver felt- og laboratoriemetoder til indhentning af data om de økologiske effekter af flere arealanvendelse aktiviteter. Vi beskriver kort modelleringsteknikker til fremstilling landskab-baserede kumulative effekter modeller. Endelig diskuterer vi, hvordan at indarbejde kumulative effekter modeller inden et scenario analyse rammer og demonstrere anvendeligheden af denne metode i medvirken lovgivningsmæssige beslutninger (fx tillader og hvileTale) inden for en intensivt minerede vendepunkt i det sydlige West Virginia.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi giver en ramme for vurdering og styring af kumulative virkninger af flere arealanvendelse aktiviteter i stærkt påvirket vandskel. Den her beskrevne metode adresser tidligere identificeret begrænsninger forbundet med at lede akvatiske systemer i stærkt påvirket vandskel 5-6. Mest bemærkelsesværdigt, den målrettede vandskel vurdering design (dvs. prøvetagning langs individuel og kombineret stressfaktor akser) frembringer data, der er velegnede til at kvantificere komplekse kumulative virkni…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker de mange felt- og laboratorie hjælpere, der var involveret i forskellige aspekter af dette arbejde, især Donna Hartman, Aaron Maxwell, Eric Miller, og Alison Anderson. Finansieringen af denne undersøgelse blev leveret af US Geological Survey gennem støtte fra US Environmental Protection Agency (EPA) Region III. Denne undersøgelse blev delvist udviklet under Science at opnå resultater Fellowship aftale Assistance nummer FP-91.766.601-0 tildelt af US EPA. Selvom det er beskrevet i denne artikel, forskning er finansieret af det amerikanske EPA, har det ikke været udsat for agenturets krævede peer og revision af politikken, og derfor ikke nødvendigvis afspejler de synspunkter, agenturet, og ingen officiel påtegning skal udledes.
Materials
| Slack Invert Sampling Kit | Wildco | 3-425-N56 | |
| HDPE Square Jars | US Plastic Corp | 66188 | 32oz./for storing fixed, composite invertebrate samples |
| Ethyl Alcohol 190 Proof | PHARMCO-AAPER | 111000190 | For fixing and storing invertebrate samples |
| 5in. by 20in. Macroinvertebrate sub-samplilng grid | N/A | N/A | This item cannot be purchased and must be made in house |
| Stereomicroscope Stemi 2000 with stand C LED | ZEISS | 000000-1106-133 | For macroinvertebrate sorting and identification |
| Thermo Scientific Nalgene Reusable Filter Holders with Receiver | Fisher Scientific | 09-740-23A | |
| Immobilon-NC Transfer Membrane | Millipore | HATF04700 | Triton-free, mixed cellulose exters, 0.45um, 47mm, disc |
| Actron Vacuum Pump Brake Bleeder Kit | Advanced Auto Parts | CP7835 | |
| Nitric Acid Solution | HACH | 254049 | 1:1, 500mL |
| Oblong NDPE Wide Mouth Bottles | Thomas Scientific | 1229Z38 | 250 mL/for collection of water samples |
| 650 Multi-parameter display, standard memory | Fondriest Environmental | 650-01 | |
| 600XL Sonde with temperature/conductivity sensor | Fondriest Environmental | 065862 | |
| pH calibration buffer pack | Fondriest Environmental | 603824 | 2 pints each of pH 4, 7, & 10 |
| conductivity standard | Fondriest Environmental | 065270 | 1 quart, 1000 uS |
| Flo-Mate 2000 | TTT Environmental | 2000-11 | |
| Keson English/Metric Open Reel Fiberglass Tape | Forestry Suppliers | 40025 | 300'/100m |
| ArcGIS 10.3.1 | ESRI |
References
- Allan, J. D. Landscapes and riverscapes: the influence of land use on stream ecosystems. Annu. Rev. Ecol. Evol. Syst. 35, 257-284 (2004).
- Merovich, G. T., Petty, J. T., Strager, M. P., Fulton, J. B. Hierarchical classification of stream condition: a house-neighborhood framework for establishing conservartion priorities in complex riverscapes. Freshwater Science. 32, 874-891 (2013).
- Merriam, E. R., Petty, J. T., Strager, M. P., Maxwell, A. E., Ziemkiewicz, P. F. Scenario analysis predicts context-dependent stream response to land use change in a heavily mined central Appalachian watershed. Freshwater Science. 32, 1246-1259 (2013).
- Petty, J. T., Fulton, J. B., Strager, M. P., Merovich, G. T., Stiles, J. M., Ziemkiewicz, P. F. Landscape indicators and thresholds of stream ecological impairment in an intensively mined Appalachian watershed. J. N. Am. Benthol. Soc. 29, 1292-1309 (2010).
- Seitz, N. E., Westbrook, C. J., Noble, B. F. Bringing science into river systems cumulative effects assessment practice. Environ. Impact Asses. 31, 172-179 (2011).
- Duinker, P. N., Greig, L. A. The importance of cumulative effects assessment in Canada: ailments and ideas for redeployment. Environ. Manage. 37, 153-161 (2006).
- Merriam, E. R., Petty, J. T., Strager, M. P., Maxwell, A. E., Ziemkiewicz, P. F. Landscape-based cumulative effects models for predicting stream response to mountaintop mining in multistressor Appalachian watersheds. Freshwater Science. 34, 1006-1019 (2015).
- Duinker, P. N., Greig, L. A. Scenario analysis in environmental impact assessment: improving explorations of the future. Environ. Impact Asses. 27, 206-219 (2007).
- Kepner, W. G., Ramsey, M. M., Brown, E. S., Jarchow, M. E., Dickinson, K. J. M., Mark, A. F. Hydrologic futures: using scenario analysis to evaluate impacts of forecasted land use change on hydrologic services. Ecosphere. 3, 1-25 (2012).
- Gergel, S. E., Turner, M. G., Miller, J. R., Melack, J. M., Stanley, E. H. Landscape indicators of human impacts to riverine systems. Aquat. Sci. 64, 118-128 (2002).
- McKay, L., Bondelid, T., Dewald, T., Johnston, J., Moore, R., Rea, A. . NHDPlus Version 2: User Guide. , (2012).
- Strager, M. P., Petty, J. T., Strager, J. M., Barker-Fulton, J. A spatially explicit framework for quantifying downstream hydrologic conditions. J. Environ. Manag. 90, 1854-1861 (2009).
- . . WVDEP (Virginia Department of Environmental Protection). Standard operating proceedures. , (2009).
- . EPA-60014-79-020. USEPA. Methods for chemical analysis of water and wastes. , (1983).
- Merriam, E. R., Petty, J. T., Merovich, G. T., Fulton, J. B., Strager, M. P. Additive effects of mining and residential development on stream conditions in a central Appalachian watershed. J. N. Am. Benthol. Soc. 30, 399-418 (2011).
- Bisson, P. A., Nielsen, J. L., Palmason, R. A., Grove, L. E., Armentrout, N. D. A system of naming habitat types in streams, with examples of habitat utilization by salmonids during low streamflow. Acquisition and utilization of aquatic habitat inventory information. Proceedings of a symposium held 28-30 October, 1981. , 62-73 (1982).
- Wentworth, C. K. A scale of grade and class terms for clastic sediments. J. Geol. 30, 377-392 (1922).
- Petty, J. T., Freund, J., Lamothe, P., Mazik, P. Quantifying instream habitat in the upper Shavers Fork basin at multiple spatial scales. Proceedings of the Annual Conference of the Southeastern Association of Fisheries and Wildlife Agencies. 55, 81-94 (2001).
- Barbour, M. T., Gerritsen, J., Snyder, B. D., Stribling, J. B. EPA/841-B-99-022. Rapid bioassessment protocols for use in streams and wadeable rivers: periphyton, benthic macroinvertebrates, and fish. 2nd edition. , (1999).
- Merritt, R. W., Cummins, K. W. . An introduction to the aquatic insects of North America. 4th edition. , (2008).
- Crawley, M. J. . Statistics: an introduction using R. , (2005).
- Zeileis, A., Hothorn, T. Diagnostic Checking in Regression Relationships. R News. 2, 7-10 (2002).
- Maxwell, A. E., Strager, M. P., Yuill, C., Petty, J. T., Merriam, E. R., Mazzarella, C. Disturbance mapping and landscape modeling of mountaintop mining using ArcGIS. Proceedings of the ESRI International User Conference. , (2011).
- Gerritsen, J., Burton, J., Barbour, M. T. . A stream condition index for West Virginia wadeable streams. , (2000).
- Pond, G. J., Passmore, M. E., Borsuk, F. A., Reynolds, L., Rose, C. J. Downstream effects of mountaintop coal mining: comparing biological conditions using family- and genus-level macroinvertebrate bioassessment tools. J. N. Am. Benthol. Soc. 27, 717-737 (2008).
- Luo, Y., et al. Ecological forecasting and data assimilation in a data-rich era. Ecol. Appl. 21, 1429-1442 (2011).
- Petty, J. T., Strager, M. P., Merriam, E. R., Ziemkiewicz, P. F., Craynon, J. R. Scenario analysis and the Watershed Futures Planner: predicting future aquatic condiditons in an intensively mined Appalachian watershed. Environmental Considerations in Energy Productions. , 5-19 (2013).
- Daraio, J. A., Bales, J. D. Effects of land use and climate change on stream temperature I: daily flow and stream temperature projections. J. Am. Water Resour. As. 50, 1155-1176 (2014).
- Mantyka-Pringle, C. S., Martin, T. G., Moffatt, D. B., Linke, S., Rhodes, J. R. Understanding and predicting the combined effects of climate change and land-use change on freshwater macroinvertebrates and fish. J. Appl. Ecol. 51, 572-581 (2014).
- Piggott, J. J., Townsend, C. R., Matthaei, C. D. Climate warming and agricultural stressors interact to determine stream macroinvertebrate community dynamics. Glob. Change Biol. 21, 1897-1906 (2015).
- Elith, J., Leathwick, J. R., Hastie, T. A working guide to boosted regression trees. J. Anim. Ecol. 77, 802-813 (2008).
- Mattson, K. M., Angermeier, P. L. Integrating human impacts and ecological integrity into a risk-based protocol for conservation planning. Environ. Manage. 39, 125-138 (2007).
- (US, U. S. E. P. A. EPA 841-B-11-002. USEPA. Identifying and protecting healthy watersheds. Concepts, assessments, and management approaches. , (2012).
- Merriam, E. R., Petty, J. T., Strager, M. P., Maxwell, A. E., Ziemkiewicz, P. F. Complex contaminant mixtures in multi-stressor Appalachian riverscapes. Environ. Toxicol. Chem. , (2015).
