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Bacias hidrográficas Planejamento dentro de uma Análise Quantitativa Framework Cenário

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

Há uma necessidade crítica de ferramentas e metodologias capazes de gerir sistemas aquáticos em face das condições de futuro incerto. Nós fornecemos métodos para a realização de uma avaliação de bacias hidrográficas alvejado que permite aos gestores de recursos para produzir modelos de efeitos cumulativos à base de paisagem para uso dentro de um quadro de gestão de análise de cenários.

Abstract

Há uma necessidade crítica de ferramentas e metodologias capazes de gerir sistemas aquáticos dentro de bacias hidrográficas fortemente impactadas. Os esforços atuais muitas vezes ficam aquém, como resultado de uma incapacidade de quantificar e prever os efeitos cumulativos complexas de cenários de uso da terra atuais e futuras em escalas espaciais relevantes. O objetivo deste artigo é o de fornecer métodos para a realização de uma avaliação de bacias hidrográficas alvejado que permite aos gestores de recursos para produzir modelos de efeitos cumulativos à base de paisagem para uso dentro de um quadro de gestão de análise de cenários. Sites são primeiro selecionado para inclusão no âmbito da avaliação de bacias hidrográficas, identificando sites que caem ao longo de gradientes independentes e combinações de factores de stress conhecidos. técnicas de campo e de laboratório são usados ​​para obter dados sobre a física, química e efeitos biológicos das múltiplas atividades de uso da terra. A análise de regressão linear múltipla é então usada para produzir modelos de efeitos cumulativos à base de paisagem para a previsão do aquacondições de tique. Por fim, métodos para incorporar modelos de efeitos cumulativos dentro de um quadro de análise de cenários para orientar a gestão e as decisões regulamentares (por exemplo, licenciamento e mitigação) dentro de bacias hidrográficas desenvolvendo ativamente são discutidos e demonstrados por 2 sub-bacias dentro da região de mineração da montanha do centro de Appalachia. A abordagem de avaliação de bacias hidrográficas e gestão aqui fornecido permite aos gestores de recursos para facilitar a actividade económica eo desenvolvimento ao mesmo tempo proteger os recursos aquáticos e produzindo oportunidade para benefícios ecológicos líquidos através de remediação alvo.

Introduction

Antropização das paisagens naturais está entre as maiores ameaças atuais para os ecossistemas aquáticos em todo o mundo 1. Em muitas regiões, continuou a degradação nas taxas atuais irá resultar em danos irreparáveis ​​aos recursos aquáticos, em última análise, limitando a sua capacidade de fornecer serviços de ecossistemas valiosos e insubstituíveis. Assim, há uma necessidade crítica de ferramentas e metodologias capazes de gerir sistemas aquáticos dentro desenvolvimento bacias hidrográficas 2-3. Isto é particularmente importante dado que os gestores são muitas vezes encarregado de conservar os recursos aquáticos em face das pressões socioeconômicas e políticas para continuar as atividades de desenvolvimento.

Gestão dos sistemas aquáticos dentro de regiões em desenvolvimento ativamente requer uma capacidade de prever os efeitos prováveis ​​das actividades de desenvolvimento propostas dentro do contexto da paisagem natural e antrópica pré-existente atributos 3, 4. Um grande desafio para Aquatgestão de recursos ic dentro de bacias hidrográficas fortemente degradadas é a capacidade de quantificar e gerenciar complexas (ou seja, aditivos ou interativas) Os efeitos cumulativos de múltiplos estressores de uso da terra em escalas espaciais relevantes 2, 5. Apesar dos desafios atuais, no entanto, as avaliações efeitos cumulativos estão sendo incorporados diretrizes regulatórias em todo o mundo 5-6.

Avaliações de mananciais específicos destinados a provar a gama de condições com relação a múltiplas pressões de uso da terra pode produzir dados capazes de modelar efeitos cumulativos complexos 7. Além disso, incorporando tais modelos dentro de um quadro de análise de cenários [prever mudanças ecológicas sob uma gama de desenvolvimento realista ou proposta ou gestão de bacias hidrográficas (recuperação e mitigação) cenários] tem o potencial de melhorar significativamente a gestão dos recursos aquáticos dentro de bacias hidrográficas fortemente impactadas 3, 5, 8 -9. Mais notavelmente, análise de cenários forneceum quadro para a adição de objectividade e transparência às decisões de gestão, incorporando informação científica (relações ecológicas e modelos estatísticos), objectivos regulamentares e as necessidades dos envolvidos em uma única estrutura de tomada de decisões 3, 9.

Nós apresentamos uma metodologia para avaliar e gerir os efeitos cumulativos das várias atividades de uso da terra dentro de um quadro de análise de cenários. Em primeiro lugar, descrevem como alvo adequadamente sites para inclusão na avaliação de bacias hidrográficas com base em factores de stress de uso da terra conhecidas. Descrevemos técnicas de campo e de laboratório para a obtenção de dados sobre os efeitos ecológicos de múltiplas atividades de uso da terra. Nós descrevemos brevemente técnicas de modelagem para a produção de modelos de efeitos cumulativos à base de paisagem. Por último, vamos discutir como incorporar modelos de efeitos cumulativos dentro de um quadro de análise de cenários e demonstrar a utilidade desta metodologia em ajudar decisões regulamentares (por exemplo, licenciamento e descansooração) dentro de um divisor de águas intensamente extraído no sul da Virgínia Ocidental.

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Protocol

1. Sites alvo para a Inclusão na avaliação de Bacias Hidrográficas

  1. Identificar as atividades de uso da terra dominantes dentro do código da unidade hidrológica (HUC) divisor de águas de 8 dígitos de destino que estão impactando físico-químicas e condição biológica 3, 7.
    Nota: Esta metodologia pressupõe o conhecimento pré-existente de estressores importantes dentro do marco decisivo de interesse. No entanto, consultar as agências reguladoras ou grupos de bacias hidrográficas familiarizadas com o sistema pode ajudar neste esforço.
  2. Seleccione medidas baseadas paisagem de atividades de uso da terra dominantes [por exemplo, 2011 National Land Cover banco de dados (NLCD)] 3, 7.
    1. Consulte a literatura publicada para ajudar a identificar as melhores medidas baseadas em paisagem para cada atividade do uso do solo 10. Entrar em contato com agências de recursos naturais para identificar e obter conjuntos de dados paisagem específicos da região que estão disponíveis para uso. No entanto, pode ser necessário criar novas variáveis ​​da paisagem ou conjuntos de dados.
  3. Tabular cobertura do solo e atributos uso às 1: captação 100.000 conjunto de dados nacional hidrografia (NHD) usando software de Informação Geográfica (GIS): 24.000 ou 1.
    1. Assegurar que cada 1: 24.000 ou 1: 100.000 de captação tem um identificador único. Usar qualquer identificador numérico ou categórica definido pelo usuário como o identificador exclusivo.
    2. Tabular os dados vetoriais (por exemplo, pontos ou linhas) que cai dentro de cada bacia hidrográfica.
      1. Resumir todas as características do vetor dentro de cada bacia hidrográfica utilizando a ferramenta Planilha Intersection dentro do conjunto de ferramentas de Estatísticas da caixa de ferramentas de análise. Selecione a camada de captação NHD como a característica zona de entrada, o identificador único de influência como o Campo Zone, e o conjunto de dados vector de interesse como a classe de entrada de recursos.
      2. Junte-se a atributos da paisagem tabulados para a camada de captação. Botão direito do mouse sobre a camada de bacias hidrográficas na tabela de conteúdo e selecione junta e se relaciona no menu suspenso e junte-se a partir das sMenu ubsequent. Escolha do identificador único, como o campo que a junção irá ser baseada em, a tabela de saída a partir 1.3.2.1 como a tabela a ser unidos, e o identificador único, como o campo na tabela que a junção irá ser baseado.
    3. Tabular os dados raster usando a ferramenta Planilha área localizada no interior do conjunto de ferramentas Zonal da caixa de ferramentas Spatial Analyst.
      1. Carregar a extensão Spatial Analyst. Seleccione Extensões no menu da personalização. Na caixa de diálogo Extensions, marque a caixa que corresponde à extensão Spatial Analyst.
      2. Na caixa de diálogo Planilha de área, selecione o shapefile de captação NHD como os dados raster de entrada ou de zona recurso, o identificador único (por exemplo, FEATUREID) como o campo de fuso, e o conjunto de dados de cobertura do solo (por exemplo, NLCD) como o raster de entrada ou de recurso dados de classe.
      3. Junte-se a atributos da paisagem tabulados para a camada de captação seguindo protocolos no passo 1.3.2.2, com a tabularOs resultados da área da tabela como tabela de junção.
  4. Acumular atributos da paisagem para todos os captações NHD.
    1. Baixe o NHDPlusV2 Captação Atributo Atribuição e Ferramenta de Acumulação (CA3TV2) a http://www2.epa.gov/waterdata/nhdplus-tools. Use a função de acumulação de CA3TV2 para a acumulação de atributos para 1: 100.000 NHD bacias hidrográficas 11.
      Nota: Nós usamos o código escrito personalizado que acumula atributos da paisagem de 1: 24.000 NHD escala bacias hidrográficas 12. Instruções detalhadas para o uso CA3TV2 são integrados a ferramenta e pode ser acessado através da função Ajuda.
  5. Selecione bacias NHD como locais de estudo com base em atributos da paisagem acumuladas.
    1. Criar um gráfico de dispersão de todas as bacias hidrográficas NHD no que diz respeito a valores acumulados de grandes atividades de uso do solo (Figura 1A).
    2. Selecionar locais de estudo (cerca de 40 sítios por 8 dígitos HUC divisor de águas) para representar o r completoange de influência das atividades de uso da terra dominantes encontrados dentro da bacia do alvo (Figura 1B). Escolha sites dentro gradientes independentes estressores (ie, influenciados por uma única atividade de uso da terra) e combinações estressores (ie, influenciado por múltiplas atividades de uso da terra) (Figura 1B).
    3. Assegurar que os locais de estudo são espacialmente distribuídos por toda a bacia do alvo e independentes uns dos outros no que diz respeito à drenagem a jusante. Certifique-se de que os sites que caem dentro de cada gradiente estressor individual e combinada também têm áreas de bacias médias semelhantes.

figura 1
Figura 1. gráfico de dispersão hipotético de captação NHD no que diz respeito à influência de 2 atividades de uso da terra. Magnitude da influência de 2 atividades de uso da terra em todas as bacias hidrográficas NHD na hipotética watershed (n = 4229) (A). Locais de estudo selecionados (n = 40), que representam toda a gama de condições observadas dentro do marco decisivo no que diz respeito aos gradientes de estressores independentes e combinadas (B). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Protocolos de campo para Recolha de físico-química e Dados Biológicos

Nota: Todos os dados de cada site deve ser recolhida durante a mesma visita ao local, em condições normais de fluxo base. Protocolos aqui apresentados representam procedimentos operacionais padrão para o Departamento de Proteção Ambiental (WVDEP) 13 West Virginia. Pode ser mais apropriado usar estado ou procedimentos reconhecidas pelo governo federal para a bacia específica que está sendo avaliada.

  1. Delinear o alcance de amostragem para cada local como 40 × largura do canal ativo (ACW), com comprimento mínimo de 150 e máximo e300 m 3, 7.
  2. Atributos da qualidade da água da amostra a partir de locais com água em movimento que são característicos de todo o local de amostragem (por exemplo, não diretamente influenciado por entradas tributárias ou tubo de drenagem).
    1. Obter medidas instantâneas de oxigênio dissolvido, condutividade específica, temperatura e pH usando sensores portáteis. Calibrar os sensores antes de cada evento de amostragem seguindo as instruções do fabricante.
    2. equipamento de filtragem lavagem com água deionizada antes da coleta de amostra de água.
    3. Filtro de 250 ml de água (filtro de membrana de éster de celulose misturado, 0,45 uM de tamanho de poro) para a análise dos metais dissolvidos. Corrigir a um pH <2 para assegurar metais permanecem dissolvidos na solução.
      Nota: O volume correcto de ácido pode ser adicionado à amostra de água após a recolha da amostra. Alternativamente, o volume correcto pode ser adicionado ao frasco antes do evento de amostragem. O volume necessário para fixar a um pH <2 é dependente da força do ácido.
      1. Para o estudo descrito aqui, recolher uma única amostra filtrada a partir de cada local e fixar-se com ácido nítrico para a determinação de Al dissolvido, Ca, Fe, Mg, Mn, Na, Zn, K, Ba, Cd, Cr, Ni, e SE 3 , 7.
        Nota: A selecção de analitos deve ser orientada por atividades de uso do solo específicos de bacias hidrográficas.
    4. Recolher 250 ml de amostra não filtrada (s), submergindo completamente o frasco da amostra na coluna de água. Aperte suavemente a garrafa para expurgar o ar restante e, simultaneamente, colocar a tampa no frasco da amostra. Fixar a amostra (s) a um pH <2, se necessário (por exemplo, impedir a actividade biológica de nutrientes que afecta).
      1. Para o estudo descrito aqui, recolher duas amostras não filtradas de cada site. Corrigir o primeiro com ácido sulfúrico para a determinação de NO2 e NO3 e P. totais não corrigir a segunda amostra não filtrada e usá-lo para determinar a alcalinidade total e bicarbonato, Cl, SO 4, e totais dissolvidos de formatampas 3, 7.
        Nota: A selecção de analitos deve ser orientada por atividades de uso do solo específicos de bacias hidrográficas.
    5. Obter um campo em branco para cada fixador utilizado durante cada evento de amostragem. Obter espaços em branco de campo, seguindo todos os protocolos para coleta de amostras (ou seja, lavagem, filtragem, fixando) usando água deionizada que a amostra final.
      Nota: Espaços em branco de campo são usados ​​para identificar a contaminação na coleta e análise de amostras.
    6. Armazenar todas as amostras de água a 4 ° C até que todas as análises sejam concluídas. Certifique-se de todos os analitos são medidos dentro de seu tempo de retenção especificado 14.
  3. Medida de descarga em cada site de exemplo.
    1. Divida a largura fluxo molhada em incrementos de igual tamanho.
    2. Medir a profundidade e velocidade média da corrente no ponto médio de cada seção.
      1. Usando uma vara de medidor de profundidade, medir a profundidade como a distância a partir do leito para a superfície da água.
      2. Usando um curremedidor de nt, medir a velocidade da água a uma profundidade de água de 60%.
    3. Calcular descarga como a soma do produto da velocidade, a profundidade, largura e em todas as secções.
  4. Experimente a comunidade de macroinvertebrados em cada local.
    1. Obter amostras líquidas retrocesso (dimensões 335 x 508 milímetros 2 com malha de 500 um) a partir de 4 espingardas representativas separadas distribuídas ao longo de todo o comprimento do alcance de amostragem.
      1. Em cada local pontapé, coloque o líquido pontapé perpendicular à corrente de fluxo e perturbar uma área de 0,50 × 0,50 m 2 (ou seja, 0,25 m 2) do leito imediatamente a montante. Certifique-se de todos os organismos e detritos flua a jusante para a rede chute.
      2. Combine os organismos e os restos das amostras 4 pontapé em uma única amostra composta (representando 1,00 m 2 do leito) e preservar imediatamente com etanol a 95%.
  5. Medir a qualidade do habitat físicoe complexidade ao longo do alcance de fluxo.
    1. Tome as medições de profundidade de água, hidráulico tipo unidade de canal, classe sedimentos e raio de cobertura de objeto peixes em pontos uniformemente espaçados ao longo do talvegue (parte da corrente através do qual o fluxo principal ou o mais rápido ocorre). Tome as medições a cada 1 ACW para fluxos <5 m de largura e cada 0,5 ACW para fluxos> 5 m de largura 15.
      1. Classificar a unidade de canal dentro do qual cada local thalweg está localizado (por exemplo, riffle, correr, piscina, ou glide) 16.
      2. Usando uma vara de medidor de profundidade, medir a profundidade como a distância a partir do leito para a superfície da água.
      3. Aleatoriamente identificar um pedaço de sedimentos e determinar a sua classificação do tamanho de Wentworth (silte, areia, cascalho, calçada, pedra) 17.
      4. Estimar a distância de cada ponto de thalweg ao objecto mais próximo da tampa.
        Nota: Tampa Peixe é definido como qualquer estrutura no canal ativo capaz de esconder a 20,32 cm (8 in) de peixe 18.
    2. Contagem de todas as peças de grande detritos de madeira dentro do canal ativo.
    3. Qualidade do habitat estimativa com a Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA) rápidas avaliações de habitats visuais (RVHA) protocolos 19.
  6. Obter medições duplicadas e amostras de um selecionados aleatoriamente 10% dos locais de estudo. medidas duplicadas são utilizados para estimar a precisão de amostragem e análise laboratorial.

3. Os protocolos de laboratório, para físico-químicas e Dados Biológicos

Nota: Descrevendo protocolos laboratoriais para quantificar química da água atributos está fora do escopo deste artigo. No entanto, o estudo utilizou métodos químicos convencionais de água e resíduos 14.

  1. organismos subamostra contidos em cada amostra de macroinvertebrados (coletados por meio de protocolos na seção 2.4) para obter uma subamostra representativa da comunidade de macroinvertebrados em cada local.
    1. Coloque toda a amostra de macroinvertebrados composta em um 100 em 2 Gridded triagem (que mede 5 × 20 em 2). Aleatoriamente atribuir a cada um em dois grade um número de 1 a 100.
    2. Use um microscópio estéreo para contar e identificar todos os organismos dentro de 1 em 2 grades selecionadas aleatoriamente até que o número total de indivíduos ordenados é de 200 ± 20%. Identificar organismos ao género usando chaves de macroinvertebrados, tais como as publicadas por Merritt e Cummins 20.
    3. Compilar dados em nível de gênero abundância em métricas da comunidade [por exemplo, a riqueza total e% Ephemeroptera, Plecoptera e Trichoptera (EPT)] para o uso como variáveis ​​de resposta em modelos estatísticos e subsequente análise de cenário 3, 7.

4. Análises Estatísticas e Cenário

  1. Construir modelos lineares generalizados para prever in-stream físicas, químicas e biológicas do indicato à base de paisagemrs de atividades de uso da terra dominantes.
    Nota: Os protocolos e as análises foram realizadas na linguagem R e ambiente para computação estatística (versão 3.2.1) 21.
    1. Teste de normalidade de Shapiro-Wilk [função shaprio.test () no pacote de R Status 21] testes e transformar variáveis ​​para atender às premissas de análises paramétricas e linearizar relacionamentos.
    2. Modelos máximas iniciais Fit especificando as interações de 2 vias entre todos os preditores de uso da terra [GLM () no pacote de R Status 21].
    3. Aplicar uma eliminação para trás para identificar o modelo mínimo adequado 3, 7, 22.
      1. Identificar a variável menos significativo (ie, explica a menor quantidade de variação) no modelo máximo [resumo () no pacote de R Status 21] e coloque um novo modelo com esta variável excluídos [GLM () no pacote de R Status 21] .
      2. Continue removendo variáveisaté que todos os indicadores restantes são significativamente diferentes de 0 e poder explicativo não difere significativamente do modelo máxima para cada variável de resposta através de análise de tabelas de desvio e testes de razão de probabilidade [função lrtest () no pacote de R lmtest 23].
  2. Prever condições atuais.
    1. Use modelos finais de prever a condição físico-química e biológica dadas as características da paisagem atuais dentro de todas as bacias hidrográficas NHD un-amostradas em todo o alvo de bacias hidrográficas [prever () no pacote de R Status 21].
    2. Visualize previsões em software GIS.
      1. Junte-se a previsões para captação NHD. Botão direito do mouse sobre a camada de bacias hidrográficas na tabela de conteúdo e selecione junta e se relaciona no menu suspenso e junte-se a partir do menu subseqüente. Escolha do identificador único, como o campo que a junção irá ser baseada em, arquivar as previsões como a tabela a ser unida, E o identificador único, como o campo na tabela que a junção irá ser baseado em
      2. Botão direito do mouse sobre a camada de bacias hidrográficas e selecione Propriedades. Na caixa de diálogo Propriedades da camada, clique na guia Simbologia e selecione Quantidades. Selecione o valor previsto de interesse como o campo Valor e clique em Aplicar.
        Nota: Os valores variam pode ser alterada manualmente para coincidir com critérios ecológicos reconhecidos utilizando o botão Classify.
  3. cenário de Conduta análises para comparar mudanças previstas em condições aquáticas em vários cenários de uso da terra.
    1. Atualizar o atual conjunto de dados paisagem para simular o desenvolvimento futuro ou de mitigação de cenários plausíveis. Para o estudo descrito aqui, atualizar manualmente acumulada valores paisagísticos para a captação de interesse dentro da tabela de atributo (por exemplo, mudar de 10 acres de florestada para cobertura do solo de mineração).
      1. Seleccione a influência de interest usando o Select por função Atributo localizado dentro do menu suspenso Seleção. Na caixa de diálogo Selecionar Atributo por, escolha as bacias NHD como a camada. Dê um duplo clique no atributo identificador único, selecione = e, em seguida, digite o identificador para a captação de interesse na caixa de equação.
      2. Abra a tabela de atributo de captação do NHD clicando o botão direito na camada de bacias na tabela de conteúdos e selecionando Open Table Atributo do menu drop-down. Escolha mostrar bacias seleccionados.
      3. Com bacias selecionados apenas mostrando, clique direito sobre a coluna de interesse e selecione Calculadora Campo e introduzir o novo valor simulado. Nota: Várias bacias podem ser alterados para simular múltiplas atividades de desenvolvimento ou de gestão espacialmente explícitos que ocorrem em grandes escalas espaciais.
        Nota: Como alternativa, conjuntos de dados vetoriais e raster originais pode ser atualizado através da digitalização de novos recursos ou alterar e remover originais femaquetes para simular atividade nova utilização da terra ou gestão de um impacto do uso do solo pré-existente 24. Isto pode ser conseguido usando a barra de edição.
    2. Re-alocar e atributos re-acumulação de paisagem para todas as bacias hidrográficas NHD usando protocolos apresentados em passos 1,3-1,4.
    3. Prever condição físico-química e biológica em função do conjunto de dados atualizados paisagem [predizer () função no pacote de R Status 21].
    4. Visualize previu condições sob cenários de uso da terra alternativos usando protocolos apresentados na etapa 4.2.2.

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Representative Results

Quarenta 1: 24.000 bacias NHD foram selecionadas como locais de estudo dentro do River Coal, West Virginia (Figura 2). Locais de estudo foram selecionados para abranger uma influência gama de mineração de superfície (% área de terra 24), o desenvolvimento residencial [densidade de estrutura (no./km 2)], e mineração subterrânea [sistema de eliminação de descarga de poluição nacional (NPDES) densidade de autorização (no. / km 2)] de tal forma que cada uma das principais actividade uso da terra ocorreu tanto isoladamente e em combinação com a medida do possível (Figura 3). Em cada local, dados sobre as condições físico-químicas e estrutura da comunidade de macroinvertebrados foram recolhidos.

Em um estudo anterior, estes dados foram utilizados para construir modelos de efeitos cumulativos para a previsão de West Virginia Corrente Estado Index (WVSCI), um índice multi-métrica em nível de família de integridade biótica desenvolvido para West Virginia 25E condutividade específica com um elevado grau de precisão e exactidão 7. Aqui, estes modelos são utilizados para prever as condições atuais e futuras por duas sub-bacias do Rio Carvão [Drawdy Creek (Figura 4A) e Laurel Fork (Figura 4B)] sob vários cenários de desenvolvimento de uso da terra. Drawdy Creek e Laurel Fork têm níveis quase idênticos de mineração de superfície e desenvolvimento% (Tabela 1). No entanto, Drawdy Creek é influenciada por estruturas residenciais e mineração subterrânea, enquanto Laurel Fork não é. Consequentemente, estas duas bacias hidrográficas oferecem uma oportunidade única para avaliar e comparar a medida em que os efeitos cumulativos de atividades múltiplas de uso da terra controlar as condições aquáticas atuais e os resultados de cenários futuros de desenvolvimento de uso da terra.

Laurel Fork não foi previsto para exceder química (condutividade específica> 500 S / cm 26) ou biolog critérios iCal (WVSCI <68 25), sugerindo que pode assimilar a atividade de uso do solo adicional sem arriscar impairment (Tabela 1). Uma série de cenários foram então avaliados para quantificar a quantidade máxima de mineração de superfície adicional, mineração subterrânea e construção residencial Laurel Fork provavelmente pode assimilar antes de sua saída atravessa cada critério. Para fazer isso, condutividade específica e WVSCI foram previstos sob a gama completa de cada atividade do uso do solo, mantendo as outras métricas de paisagem constante. A análise de cenários sugere Laurel forquilha pode assimilar 14% (25% no total) e 21% (32% total) aumenta em terras mina de superfície antes de atravessar a condutividade específica e critérios WVSCI, respectivamente (Figura 5A, 5B). Laurel Fork também pode assimilar 8 minas autorizações NPDES subterrâneas e 22 estruturas residenciais antes de cruzar a condutividade específica e critérios WVSCI, respectivamente (Figura 5A, 5B).

onteúdo "fo: manter-together.within-page =" 1 "> Em contraste, a saída de Drawdy Creek está prevista para ultrapassar tanto a critérios químicos e biológicos, o que sugere uma incapacidade de assimilar qualquer desenvolvimento adicional do uso da terra sem efeitos primeira atenuantes de estressores atuais (Tabela 1). Consequentemente, cenários de mitigação que reduzem o tamanho total efeito das atividades de uso da terra pré-existentes (por exemplo, uma redução de 10% do efeito de 100 estruturas seria equivalente a 90 estruturas) foram simulados. totalmente mitigar os efeito do desenvolvimento residencial e mineração subterrânea não resultou em um respectivo aumento da WVSCI acima de 68 ou diminuição da condutância específica inferior a 500 uS / critério cm (Figura 6A, 6B). no entanto, a saída de Drawdy Creek foi previsto para ultrapassar um WVSCI pontuação de 68 e diminuição abaixo de 500 uS / cm, com reduções simultâneas em ambos desenvolvimento residencial e mineração subterrânea de um 94 e 75%, respectivamente. < / P>

Figura 2
Figura 2. Mapa do River Coal bacia. O divisor de águas River Coal é mostrado em relação à sua localização dentro de West Virginia. Localização dos pontos de estudo (n = 40) e Laurel Fork e Drawdy Creek sub-bacias são também apresentados. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3. locais de estudo River Coal. Magnitude de mineração de superfície e desenvolvimento residencial para locais de estudo selecionados (n = 40) dentro de gradientes estressores independentes e sua combinação. tamanho do símbolo é relativo ao número de mineração subterrânea poluição nacional sistema de eliminação de descarga (NPDES) permitir.ttps: //www.jove.com/files/ftp_upload/54095/54095fig3large.jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4. Mapas que descrevem as atividades de uso da terra dentro Drawdy Creek (A) e Laurel Fork (B). Estas bacias representam padrões de uso da terra geografia típica toda a região do MTR-VF. construção residencial [cobertura do solo (conforme definido pelo NLCD) e estruturas] e mineração (Mineração Subterrânea autorizações NPDES e superfície medida mine) atividades de uso da terra são mostrados. autorizações extraído-un adicionais utilizados na análise de cenários são mostrados. Consulte a Figura 2 para localização de bacias hidrográficas dentro de West Virginia. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.


Figura 5. Exemplo de resultados de análises de cenário de previsão da resposta in-stream para o desenvolvimento do uso do solo simulado dentro Laurel Fork. Previsto pontuações WVSCI seguintes aumentos simulados em mineração de superfície e desenvolvimento residencial (A) e previu a condutância específica após aumentos simulados em mineração de superfície e mineração subterrânea ( B) dentro do marco decisivo Laurel Fork. As linhas horizontais representam WVSCI (68) e critérios de condutância específica (500 uS / cm). As linhas verticais representam níveis adicionais de mineração, resultando em cruzamento de cada critério. Unidades para o eixo-x variam de acordo com a paisagem atributos alterados em cada cenário e correspondem a unidades especificadas na legenda. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.


Figura 6. Exemplo de resultados de análises de cenário de previsão da resposta in-stream para atividades de mitigação simulados dentro Drawdy Creek. Pontuações Previsto WVSCI (A) e condutividade específica (B) após diminuições simulados no tamanho do efeito do desenvolvimento residencial e mineração subterrânea existente, respectivamente. condições previstas seguintes reduções simultâneas no tamanho do efeito de ambos desenvolvimento residencial e mineração subterrânea também são mostrados para cada resposta. As linhas horizontais representam WVSCI (68) e critérios de condutância específica (500 uS / cm). As linhas verticais indicam atividades de mitigação, resultando em melhorias para lá de cada critério. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

panorama atual
Drawdy Creek Laurel Fork
Características de uso do solo
mineração de superfície (%) 10,7 10,9
mineração subterrânea (# NPDES licenças) 9 0
Desenvolvimento (%) 4.1 4.8
Estrutura densidade (#) 470 0
condições observadas
condutividade específica (mS / cm) 686 156
WVSCI 65 68,8
Condições Previstas
condutividade específica (mS / cm) 831 279
WVSCI 60,9 73,1

Tabela 1. Características da paisagem e observados e previu condições aquáticos para Drawdy Creek e Laurel Fork. Características de uso do solo (mineração de superfície, mineração subterrânea e de desenvolvimento residencial) e previu condições químicas e biológicas para Drawdy Creek e Laurel Fork em condições e o panorama atual cenário mineiro adicional.

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Discussion

Nós fornecemos uma estrutura para avaliar e gerir os efeitos cumulativos das várias atividades de uso do solo em bacias hidrográficas fortemente impactadas. A abordagem aqui descrita endereços previamente identificado limitações associadas ao gerenciamento de sistemas aquáticos em bacias hidrográficas fortemente impactadas 5-6. Mais notavelmente, o projeto de avaliação de bacias hidrográficas alvo (isto é, a amostragem ao longo estressor individual e combinada eixos) produz dados que são bem adequados para quantificar os efeitos cumulativos complexos em escalas espaciais relevantes (ou seja, escala de bacias hidrográficas) via facilmente interpretáveis ​​e modelagem implementável técnicas 3, 7 . Além disso, esses modelos são facilmente incorporado em um quadro de análise de cenários que permite a previsão precisa da futura gestão (por exemplo, recuperação e mitigação) e os resultados do desenvolvimento. Consequentemente, a abordagem apresentada provavelmente vai ser de valor para os gestores de recursos aquáticos que dependem cada vez mais previsão Conditíons em vários cenários de uso da terra para auxiliar nas decisões regulatórias 27.

O contraste entre Drawdy Creek e Laurel Fork destaca a utilidade do quadro apresentado na gestão de sistemas aquáticos dentro desenvolvendo ativamente e socioeconomicamente importantes regiões. A análise de cenários sugeriu que Laurel Fork, que é impactada unicamente pelo mineração de superfície (10,9%), pode assimilar o desenvolvimento adicional do uso da terra, sem exceder os critérios químicos e biológicos. Drawdy Creek, que é afetado por níveis equivalentes de mineração de superfície (10,7%), está previsto para não satisfaz nenhum dos critérios, como resultado de efeitos cumulativos associados à mineração subterrânea e estruturas residenciais. No entanto, a mitigação simulado de estressores não superfície de mineração (por exemplo, efluentes mina subterrânea e esgoto residencial) a melhoria das condições ecológicas, sugerindo atividades de gestão estratégica poderia permitir um maior desenvolvimento para ocorrer. Por conseguinte, a presenteabordagem ed torna possível para facilitar a actividade económica eo desenvolvimento ao mesmo tempo, produzindo oportunidade para benefícios líquidos através de remediação de outros estressores 28.

identificação bem sucedida e amostragem de estressores de uso da terra dominantes é um passo crítico na implementação com êxito as metodologias aqui apresentadas. Também é fundamental que as análises de amostragem e subsequentes de dados baseiam-se nas melhores informações disponíveis e mais cobertura do solo up-to-date e usar. Consistência temporal entre a cobertura do solo e no fluxo de dados ajudar a garantir relações estatísticas precisas e subsequentes previsões ecológicas 3, 9. Se realizada de forma adequada, a técnica de avaliação das bacias hidrográficas apresentados produz dados que são em grande parte imparcial (ou seja, minimiza erro de especificação e omitiu vieses variáveis) e afetado pela multicolinearidade. Consequentemente, estes dados são adequados para a modelagem preditiva através de técnicas de regressão tradicionais.Uma limitação potencial da abordagem atual, porém, é que a forte capacidade de prever empiricamente padrão espacial não garante a capacidade de prever as mudanças ao longo do tempo. Notavelmente, estudos observaram interações entre mudanças climáticas e uso do solo em condições físico-químicas e biológicas 29-31. Assim, as abordagens de gestão adaptativa que testam previsões temporais e atualização de modelos preditivos espaciais será um componente importante dos esforços de gestão. Isto deve envolver incorporando as alterações climáticas em modelos estatísticos e análises de cenários subsequente.

A nossa metodologia também pode ser adaptado para utilizar conjuntos de dados existentes que podem não cumprir os pressupostos de técnicas de regressão tradicionais (por exemplo, multicolinearidade e independência da amostra). A utilização de dados pré-existente é benéfico em situações onde os gestores têm tempo ou recursos limitados. modelos (BRT) Regressão Árvore impulsionaram pode ser particularmente útil quando se analisa grande, Conjuntos de dados pré-existentes, porque eles são em grande parte afetada pelo multicolinearidade, faltando dados, valores discrepantes estatísticos e dados não-normais 32. Além disso, o BRT oferece alto desempenho preditivo e tem demonstrado utilidade em um quadro de análise de cenários 28.

É importante observar o contexto em que a nossa metodologia foi desenvolvida. Em primeiro lugar, a nossa abordagem foi desenvolvido para bacias caracterizadas por gradientes de uso da terra claramente definidos. No entanto, claramente definidas de uso da terra gradientes nem sempre ocorrem na bacia hidrográfica escala (por exemplo, áreas do Meio-Oeste dos Estados Unidos com pouca variação em extensão agrícola). Consequentemente, outras abordagens para o planejamento de conservação, tais como métodos baseados no risco que a classificação de alvos de conservação baseados em riscos de múltiplas atividades de uso do solo, pode ser mais apropriado 33-34. Além disso, nossa abordagem foi projetado na escala de bacias hidrográficas HUC 8 dígitos. Em um estudo anterior, verificou-se que os modelos de constructed através de múltiplos de 8 dígitos bacias hidrográficas HUC não conseguem prever nuances específicas divisor de águas entre o uso da terra e em sequência condições 7. Construção de modelos em todo escalas espaciais menores (por exemplo, 12 dígitos bacias hidrográficas HUC) pode restringir o tamanho da amostra e limitar a capacidade dos modelos para quantificar os efeitos cumulativos complexos. No entanto, a nossa abordagem pode ser usada para gerenciar através de escalas espaciais através de um quadro casa-bairro 2. No âmbito deste quadro, as prioridades restauração e proteção são definidos para fluxos individuais dentro do contexto das condições circundantes. Por exemplo, restauração potencial aumenta com o aumento da condição de bairro por causa dos benefícios associados com ter bons fluxos nas proximidades (por exemplo, alto potencial de re-colonização).

Nós fornecemos e demonstrar protocolos para avaliação e gestão de efeitos cumulativos dentro de bacias hidrográficas fortemente impactadas. Embora o manuscrito atual focado na construção e implementaçãode modelos de efeitos cumulativos dentro de um quadro de análise de cenário, as técnicas de avaliação de mananciais demonstraram produzir dados capazes de quantificar padrões detalhados da degradação físico-química e biológica relacionada com o acúmulo de atividades de uso da terra dominantes através de escalas espaciais maiores 35. Consequentemente, os dados produzidos pelos protocolos de design e amostragem do estudo aqui descritos têm benefícios de gestão de potenciais que se estendem bem além daqueles discutidos. Talvez o mais importante, este quadro é transferível para outras bacias hidrográficas que enfrentam transições em curso em qualquer número de atividades de uso da terra.

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Acknowledgments

Agradecemos aos inúmeros ajudantes de campo e de laboratório que estavam envolvidos em vários aspectos deste trabalho, especialmente Donna Hartman, Aaron Maxwell, Eric Miller e Alison Anderson. O financiamento para este estudo foi fornecido pela US Geological Survey, através do apoio da Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA) Região III. Este estudo foi parcialmente desenvolvido sob a Ciência para alcançar resultados Fellowship número Acordo de Assistência FP-91766601-0 atribuído pela EPA dos EUA. Embora a pesquisa descrita neste artigo foi financiado pela EPA, que não tenha sido submetido a par e política de revisão requerida da agência e, portanto, não refletem necessariamente a opinião da agência, e nenhum endosso oficial deve ser inferida.

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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