Ecohydrologic and hydraulic stream modelling to describe aquatic habitats

Kiesel, Jens

Naturnahe Einzugsgebiete, Fließgewässer und die aquatische Vielfalt wurden primär aufgrund der Auswirkungen der industriellen und urbanen Entwicklung sowie der Intensivierung der Landwirtschaft weltweit degeneriert. Diese Veränderungen haben auf verschiedenen Skalen stattgefunden und daher sind Rehabilitationsmaßnahmen in Fließgerinnen und Einzugsgebieten notwendig, um die Bedingungen für aquatische Lebewesen zu verbessern. Modelle, die für die Planungen von Renaturierungsmaßnahmen angewendet werden, zielen meist auf einzelne Komponenten der komplexen Kette, die Abiotik und Biotik verbindet; so werden Modelle z.B. für die Prognose von hydrologischen und hydraulischen Zielgrößen verwendet. Dadurch wird die Wirkungskette unterbrochen, die die Antriebskräfte, Belastungen, Zustand und Auswirkungen auf das Gewässersystem verbindet. Es gibt kaum Modelle, die das Gesamtsystem EinzugsgebietFließgewässerHabitataquatische Lebewesen betrachten. Daher fehlt es an Werkzeugen, mit denen die Auswirkungen solcher Maßnahmen auf den aquatischen Lebensraum, möglichst schon während der Planungsphase, getestet werden können. Ziel dieser Dissertation ist daher die Erstellung eines integrierten, geographischen Informationssystems (GIS)basierten Modellverbundes, der eine ganzheitliche Betrachtung der Wirkungskette vom Einzugsgebiet über das Fließgerinne zum aquatischen Lebewesen ermöglicht. Der Datenbedarf der Modelle umfasst die klimatischen und physischen Eigenschaften von Einzugsgebieten, sowie die Geometrie und Struktur der Fließgerinne. Dies ermöglicht es, den Einfluss des globalen Wandels sowie regionale und lokale Veränderungen auf den Lebensraum im Fließgewässer zu bewerten. Der Ansatz dieser Arbeit basiert auf dem "DriverPressureStateImpact(Response)" (DPSI(R)) Konzept, und beinhaltet die Verknüpfung von einem ökohydrologischen, zwei hydraulischen, und zwei Habitatmodellen: Das ökohydrologische Modell "Soil and Water Assessment Tool" (SWAT) wurde genutzt, um das Abflussregime und die Erosionsprozesse auf Einzugsgebietsebene in Abhängigkeit von Landnutzung und Klima abzubilden. Im Rahmen dessen wurden zwei flachlandspezifische Werkzeuge entwickelt und in der hydrologischen Modellierung angewendet: Erstens, eine Methode zur Berücksichtigung des hohen Oberflächenretentionspotentials des Einzugsgebietes und zweitens, ein Abschätzungsmodell für die Bestimmung der Proportionen der Sedimenteintragspfade, um den Sedimenteintrag aus der Fläche, den Drainagen und Ufererosion zu quantifizieren. Auf Fließgewässerebene wurden dann die Abfluss und Sedimentzeitreihen aus der hydrologischen Modellierung genutzt, um hydraulische Simulationen durchzuführen. Hierfür wurden mit dem Modell "Hydrologic Engineering Center River Analysis System" (HECRAS) eindimensional und mit dem "Adaptive Hydraulics Modelling system" (AdH) zweidimensional Wassertiefe, Fließgeschwindigkeit, Substratveränderungen und Sedimenttransport in variablen Auflösungen simuliert. Zusammen mit Gewässertrukturkartierungen wurden die zeitlich und räumlich dynamischen hydraulischen Modellergebnisse genutzt, um den Makrozoobenthoslebensraum zu beschreiben. Basierend auf verschiedenen Parametern fanden zwei unabhängige Simulationen statt: Erstens wurde mit dem Habitatmodell BIOMOD die Flussmuschel Sphaerium corneum basierend auf verschiedenen Sedimenttransport und hydraulischen Habitatparametern abgebildet. Dies fand in Zusammenarbeit mit dem Senckenberg Forschungsinstitut Gelnhausen statt. Zweitens wurde im Rahmen dieser Arbeit und in Zusammenarbeit mit der Fakultät für Biologie, Aquatische Ökologie, Universität DuisburgEssen das "Habitat Evaluation Tool" (HET) entwickelt. Mit dem HET Modell wurde die im Fließgewässer vorhandene Makrozoobenthosgemeinschaft basierend auf dem Gewässersubstrat modelliert. Die Modellausgabe sind Karten und Statistiken des räumlichen Vorkommens der Arten an unterschiedlichen Zeitpunkten, die mit den vorherrschenden Umweltbedingungen verbunden sind. Das Modellsystem wurde am Beispiel des ländlich geprägten Kielstau Einzugsgebietes im Norddeutschen Tiefland erstellt und erfolgreich angewendet. Die Ergebnisse der Teilmodelle zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit gemessenen hydrologischen und hydraulischen Parametern und eine gute Übereinstimmung mit beobachteten räumlichen und zeitlichen Erosionsformen. Simulierte räumliche Artenverteilungen sind realistisch im Vergleich zu beobachteten Verteilungen, abgeleitet aus Probenahmekampagnen. Die Methodik ist übertragbar und wurde bereits während der Entwicklung in anderen Einzugsgebieten angewendet. Die Entwicklung des Modellsystems führt zu einem Voranschreiten der integrierten Modellierung, aber zukünftige Verbesserungen sind notwendig. Dies betrifft vor allem die Simulation von abiotischen Parametern, die Erforschung von Präferenzen der Organismen, die kombinierte Simulation mehrerer Organismengruppen sowie die Simulation von Interaktionen und Rückkopplungseffekten. Solch ein umfassenderer Modellierungsansatz könnte am effektivsten durch interdisziplinäre Teams entwickelt werden kann.

Natural catchments, streams and aquatic diversity were globally degraded due to the impacts of industrial and urban development, as well as the intensification of agriculture. Degradation occurred at different spatial scales and rehabilitation measures are required in both streams and catchments, to improve conditions for the aquatic biota. Models, applied for planning restoration measures, are mostly targeting individual components of the complex chain linking the abiotic and biotic environment; e.g., models might be used just for predicting hydrological or hydraulic variables. Hereby, the causeeffect chain is compromised, which links drivers, pressures, state and impacts of the riverine system. There are almost no models considering the overall system catchmentstreamshabitataquatic biota. Thus, tools are unavailable, with which the effects of measures on the stream ecosystem can be tested, ideally already during the design phase. It is the scope of this dissertation to build an integrated, Geographic Information System (GIS)based model system considering the causeeffect chain from the catchment to the stream and aquatic biota. The models require data on climatic and physical catchment properties, and on the geometry and structure of the streams. This enables the assessment of the impact of global change as well as of more regional and local changes on the stream ecosystem. The approach of this thesis is based on the DriverPressureStateImpact(Response) (DPSI(R)) concept and includes the linkage of one ecohydrologic, two hydraulic and two habitat models: The ecohydrologic model Soil and Water Assessment Tool (SWAT) was used for depicting the discharge regime and erosion processes controlled by land use and climate on the catchment scale. As part of this, two lowlandspecific tools have been developed and have been used for hydrologic simulations: First, a method for incorporating the high surface retention potential of the catchment and second, an estimation model to evaluate the ratios of sediment entry pathways for quantifying sediment input from the field, tile drains and the river bank. The discharge and sediment time series resulting from the hydrologic modelling were used for hydraulic simulations on the reach scale. Water depth, flow velocity, substrate changes and sediment transport were simulated in variable resolutions with the Hydrologic Engineering Center River Analysis System (HECRAS) onedimensionally and with the Adaptive Hydraulics Modelling system (AdH) twodimensionally. Combined with structural river mapping, the temporally and spatially dynamic results of the hydraulic models were used for describing macroinvertebrate habitats. Based on different parameters, two independent simulations were carried out: First, the distribution of a single species, the freshwater clam Sphaerium corneum was modelled with the species distribution model (SDM) BIOMOD, based on parameters related to hydraulics and sediment transport. This took place in cooperation with the Senckenberg Institute Gelnhausen. Second, within the scope of this thesis and in cooperation with the Faculty of Biology, Aquatic Ecology, University DuisburgEssen the Habitat Evaluation Tool (HET) was developed. The HET model was used to simulate the prevailing macroinvertebrate community in the stream based on the river's substrates. Model results are maps and statistics of the spatial occurrence of species at different points in time which are connected to the prevailing environmental conditions. The model system was developed and successfully applied in the northern German lowland catchment of the Kielstau. Results of the submodels show very good agreement with observed hydrological and hydraulic parameters and good agreement with observed spatiotemporal erosion. Simulated spatial species distributions are realistic when compared to observed distributions derived from sampling campaigns. The methodology is transferrable and has been applied already during the development phase in different catchments. The developed model system advances integrated modelling, but future improvements are necessary. This particularly concerns the simulation of abiotic parameters, investigation of organism preferences, the combined simulation of numerous organism groups and the simulation of interactions and feedback loops. Such a more comprehensive modelling approach would most effectively be developed by interdisciplinary teams.

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Kiesel, Jens: Ecohydrologic and hydraulic stream modelling to describe aquatic habitats. 2014.

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