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Tools to consider larger scales and the recolonisation potential in river restoration planning

Dahm, Veronica Claudia

Due to long-lasting ecological deterioration and fragmentation of freshwater systems the success of local river restoration measures that target the improvement of the ecological status as defined by the European Water Framework Directive is limited. To better account for the fragmentation of river networks, river restoration planning needs to target larger scales but tools to support large-scale strategies are widely missing. This dissertation aims to stimulate the consideration of larger scales in river restora¬tion planning by analyzing the hierarchy of environmental stress from different spatial scales on aquatic organisms (chapter 2), offering tools for identifying source sites for recolonisation (Chapter 3) and estimating the overall recolonisation potential of river stretches (chapter 4). Chapter 2 examines the impact of structural conditions, physicochemical conditions, riparian land use and catchment land use on different aquatic organism groups (fish, benthic invertebrates and diatoms). Metric response and the hierarchy of these local and large scale stressors is analyzed using boosted regression trees and principal component analysis. The results reflect the manifold interactions between anthropogenic and natural impacts and identify large-scale stressors such as water quality and catchment land use as the main factors controlling biological response. The approach to identify sources sites of fish and benthic invertebrates that could recolonize restored river stretches (chapter 3) is based on identifying sites with a high number of sensitive species from German monitoring data. As a complement to the data, statistical modelling with boosted regression trees is used to detect source sites in river stretches that have not been sampled. Sensitive fish species were defined as “sentinel species” according to the German assessment system for fish while positively scoring taxa in the German Fauna Index were considered as sensitive benthic invertebrate species. The resulting maps highlight such valuable sites on federal states’ level. Chapter 4 develops the approach further and proposes the use of GIS-based dispersal modelling for deriving the recolonization potential of fish and benthic invertebrates on catchment level. The identification of source sites from chapter 3 is coupled with least-cost modelling (ArcGIS) for different dispersal classes with comparable capacities and pathways, taking dispersal barriers into account. The resulting maps show the reachability of river stretches by different dispersal classes and indicate a high or low potential for recolonization.

Aufgrund jahrzehntelanger ökologischer Degradation und Fragmentierung von Fließgewässersystemen in Mitteleuropa sind kleinräumige Fließgewässer-Renaturierungsmaßnahmen, die auf die Verbesserung des ökologischen Zustands im Sinne der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie abzielen, bisher nur mäßig erfolgreich. Um der Fragmentierung der Fließgewässernetze besser Rechnung zu tragen, sollte die Renaturierungsplanung auf größere Skalen ausgerichtet sein. Es fehlen jedoch Werkzeuge zur Unterstützung großräumiger Strategien. Die vorliegende Dissertation zielt darauf ab, die Berücksichtigung größerer Skalen in der Renaturierungsplanung anzuregen. Hierzu wird zunächst die Hierarchie von Umwelteinflüssen aus verschiedenen räumlichen Skalen auf aquatische Organismengruppen untersucht (Kapitel 2). Im zweiten Schritt werden Verfahren zur Identifizierung von Gewässerabschnitten, die als Wiederbesiedlungsquellen für renaturierte Gewässerabschnitte dienen können (Kapitel 3) und zur Abschätzung des Wiederbesiedlungspotenzials (Kapitel 4) vorgestellt. Kapitel 2 untersucht den Einfluss der strukturellen und physikalisch-chemischen Bedingungen sowie der Landnutzung im Einzugsgebiet und entlang des Gewässers auf Fische, das Makrozoobenthos und Diatomeen. Anhand von Regressionsbäumen (boosted regression trees) und der Hauptkomponentenanalyse wird die biologische Reaktion und die Hierarchie dieser lokalen und großräumigen Stressoren analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass großräumige Einflussfaktoren wie die Wasserqualität und die Landnutzung im Einzugsgebiet lokale Bedingungen überlagern können. Das Verfahren zur Identifizierung von Wiederbesiedlungsquellen der Fische und des Makrozoobenthos (Kaptiel 3) basiert auf der Ermittlung von Gewässerabschnitten mit einer hohen Anzahl sensitiver Arten aus den Daten des operativen Monitorings. Ergänzend wird eine statistische Modellierung mit boosted regression trees durchgeführt, um auf Grundlage von Umweltdaten Informationen zu Wiederbesiedlungsquellen an Gewässerabschnitten zu generieren, für die keine Beprobungsdaten vorliegen. Als sensitive Arten wurden die Leitarten der Fischreferenzzönosen der berücksichtigten Bundesländer und die nach deutschem Fauna-Index positiv bewerteten Makrozoobenthosarten herangezogen. Kapitel 4 führt den Ansatz weiter und schlägt die Verwendung von GIS-basierten Ausbreitungsmodellen vor, um das Wiederbesiedlungspotenzial von Fischen und des Makrozoobenthos auf Einzugsgebietsebene abzuleiten. Ausgehend von den Wiederbesiedlungsquellen aus Kapitel 3 werden anhand von Kostenentfernungsanalysen (ArcGIS) besiedelbare Gewässerabschnitte für unterschiedliche Ausbreitungsgruppen mit vergleichbarer Ausbreitungskapazität ermittelt, wobei Ausbreitungsbarrieren berücksichtigt werden. Aus der Verschneidung der Ergebniskarten lässt sich ableiten, ob Gewässerabschnitte ein hohes oder niedriges Wiederbesiedlungspotenzial aufweisen.

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Dahm, Veronica Claudia: Tools to consider larger scales and the recolonisation potential in river restoration planning. 2019.

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