Ein neuer Ansatz für die Modellierung von Makrozoobenthos ... · Journal of Hydrology and...

1

Ein neuer Ansatz für die Modellierung von Makrozoobenthos-Gemeinschaften

Jens Kiesel

Schwoerbel-Benndorf Nachwuchspreis Jahrestagung der Deutschen Limnologischen Gesellschaft

23.09.2015

Maria Schröder, Daniel Hering, Britta Schmalz, Georg Hörmann, Sonja Jähnig, Nicola Fohrer

2

Motivation und Hintergrund

3

Veränderungen…

…des Einzugsgebietes

…des Fließgewässers

…des aquatischen Habitates

wirken auf

...die Artengemeinschaft

Welche Veränderungen

sind wo notwendig?

4

Prozessabhängigkeit auf unterschiedlichen Skalen

Einzugs- gebiet

Fließ- gewässer

Habitat Makrozoo-

benthos

UDE,Aquatische Ökologie

Die abiotisch-biotische Wirkungskette

5

Forschungsfrage und Ziele

Wie kann man die abiotisch-biotische Wirkungskette modellieren?

1. Methodische Abbildung der Wirkungskette

2. Modellierung des Einflusses von Einzugsgebiets- und

Fließgewässerprozessen auf Habitate

3. Modellierung der Auswirkung von Habitatzustand und Habitatänderung auf das Makrozoobenthos

Einzugs- gebiet

Fließ- gewässer

Habitat Makrozoo-

benthos

UDE,Aquatische Ökologie

6

Berlin

Kiel

0 2 4 km

Das Tieflandeinzugsgebiet der Kielstau

• Östliches Hügelland

• 50 km², 1 See, 16 km Fließweg

• Kiesgeprägter Tieflandbach

• Niedrige hydraulische Gradienten

• ca. 80 % land- wirtschaftlich genutzt

• Seit 2010 UNESCO Ökohydrologie-Referenzgebiet

0 4 km

7

Berlin

Kiel

0 2 4 km

1 2 3

4 5 6

1a

1b

2a

3

6

5 4

2b

8

Kiesel J, Hering D, Schmalz B, Fohrer N. 2009. IAHS Publication Red Book Series 328.

1. Methodische Abbildung der abiotisch-biotischen Wirkungskette

9

Modellierung der abiotisch-biotischen Wirkungskette

Daten Modell Ergebnisse Bewertung

Driver-Pressure-State-Impact (DPSI) – Konzept (EEA, 1999)

Modellbildung

Antrieb Belastung Zustand Auswirkung

10

Kies

Totholz

Hydraulische Parameter

Schluff

Sand

Steine

Vegetation

Hydraulischer Stress

Profil- veränderung

Substrat- stabilität

Begradigung

Substrat- degradation

Räumung

Ufer- und Sohlbefestigung

Hydraulische Modelle

GIS Kartierung

Daten Modell Ergebnisse Bewertung

Hydrologischer Stress

Sediment- eintrag

Φ1

Φ2

Φ3

Φ4

Φ5

Φ6

Φ7

Φ = f (Φ1 Φ2…Φn)

Ökohydrologisches Modell

Sediment- parameter

Detritus

Hydrologische Ereignisse

Habitatmodelle

Φ1

Φ2

Φ3

Φ4

Φ5

Φ6

Φ7

Eignungsfunktion

Urbanisierung

Klima

Landwirtschaft

11

12

Kiesel J, Schmalz B, Fohrer N. 2009. Advances in Geosciences 21(3).

Kiesel J, Fohrer N, Schmalz B, White MJ. 2010. Hydrological Processes 24.

Kiesel J, Schmalz B, Savant G, Fohrer N. 2012. TuTech Innovation. ISBN: 978-3-941492-45-5

Kiesel J, Schmalz B, Brown G, Fohrer N. 2013. Journal of Hydrology and Hydromechanics 61(4).

2. Modellierung des Einflusses von

Einzugsgebiets- und Fließgewässerprozessen auf Habitate

13

Hydraulischer Stress

Profil- veränderung

Substrat- stabilität

Begradigung

Substrat- degradation

Räumung

Ufer- und Sohlbefestigung

Hydraulische Modelle

GIS Kartierung

Daten Modell

Hydrologischer Stress

Sediment- eintrag

Ökohydrologisches Modell

Kies

Totholz

Hydraulische Parameter

Schluff

Sand

Steine

Vegetation

Ergebnisse Bewertung

Sediment- parameter

Detritus

Hydrologische Ereignisse

Urbanisierung

Klima

Landwirtschaft

Φ1

Φ2

Φ3

Φ4

Φ5

Φ6

Φ7

Φ = f (Φ1 Φ2…Φn)

Habitatmodelle

Φ1

Φ2

Φ3

Φ4

Φ5

Φ6

Φ7

Eignungsfunktion

14

Verwendete Modelle

1D

Langzeitsimulationen des hydrologischen Kreislaufs

HEC-RAS (USACE 2010) (Berger et al. 2010)

Wasserhaushalts-parameter auf Teileinzugsgebiets- Ebene

1D hydraulisches Modell für Fließgewässer

2D hydraulisches Modell für Fließ-, Still- und Küstengewässer

Hydraulik und Sedimenttransport an Querschnitten

2D

Hydraulik und Sedimenttransport an Netzknoten

(Arnold et al. 1998)

Modelle verknüpfen

15

Verknüpfung von Prozessen auf drei Skalen

HEC-RAS

Fließgewässer 9 km

ca. 40 m

Einzugsgebiet 50 km²

ca. 0.1 km²

Mikrohabitate 230 m

ca. 50 cm² Auflösung

0 2 km

16

Hydraulischer Stress

Profil- veränderung

Substrat- stabilität

Begradigung

Substrat- degradation

Räumung

Ufer- und Sohlbefestigung

Hydraulische Modelle

GIS Kartierung

Daten Modell

Hydrologischer Stress

Sediment- eintrag

Ökohydrologisches Modell

Kies

Totholz

Hydraulische Parameter

Schluff

Sand

Steine

Vegetation

Ergebnisse Bewertung

Sediment- parameter

Detritus

Hydrologische Ereignisse

Urbanisierung

Klima

Landwirtschaft

Φ1

Φ2

Φ3

Φ4

Φ5

Φ6

Φ7

Φ = f (Φ1 Φ2…Φn)

Habitatmodelle

Φ1

Φ2

Φ3

Φ4

Φ5

Φ6

Φ7

Eignungsfunktion

17

Hydrologie & Hydraulik

HE

C-R

AS

18

Hydrologie & Hydraulik Sediment & Substrat

HE

C-R

AS

Teileinzugsgebiete See Einzugsgebiet Flächenerosion [t/ha]

Abstand Mündung

[km]

Erosion / Deposition [cm/a]

19

Kartiert 2009

Modelliert 2009

Sediment: Mikrohabitate

max: 3.5 min: 0

Holz, Steine, Pflanzen

Ufergrenze

0 20 40m

d90 [m]

max: 0.035

min: 0

Holz, Steine, Pflanzen

Ufergrenze

April 2008 Ausgangsdaten

(Thiemann, 2008)

April 2009modelliert(mit AdH)

April 2009kartiert

(Stengertet al., 2009)

0 5 10m

April 2009kartiert

April 2009modelliert

Fließ-richtung

d90 [cm]

0 20 m

Modelliert 2009

Ausgangs-daten 2008

Kartiert 2009

20

21

Jähnig SC, Kuemmerlen M, Kiesel J, Domisch S, Cai Q, Schmalz B, Fohrer N. 2012. Journal of Biogeography 39(12).

Schröder M, Kiesel J, Schattmann A, Jähnig SC, Lorenz AW, Kramm S, Keizer-Vlek H, Rolauffs P, Graf W, Leitner P, Hering D. 2013. Ecological Indicators 30.

Kiesel J, Schröder M, Hering D, Schmalz B, Hörmann G, Jähnig SC, Fohrer N. 2015. Fundamental and Applied Limnology 186(1-2).

3. Modellierung der Auswirkung von Habitatzustand und Habitatänderung

auf das Makrozoobenthos

22

Hydraulischer Stress

Profil- veränderung

Substrat- stabilität

Begradigung

Substrat- degradation

Räumung

Ufer- und Sohlbefestigung

Hydraulische Modelle

GIS Kartierung

Daten Modell

Hydrologischer Stress

Sediment- eintrag

Ökohydrologisches Modell

Kies

Totholz

Hydraulische Parameter

Schluff

Sand

Steine

Vegetation

Ergebnisse Bewertung

Sediment- parameter

Detritus

Hydrologische Ereignisse

Urbanisierung

Klima

Landwirtschaft

Φ1

Φ2

Φ3

Φ4

Φ5

Φ6

Φ7

Φ = f (Φ1 Φ2…Φn)

Habitatmodelle

Φ1

Φ2

Φ3

Φ4

Φ5

Φ6

Φ7

Eignungsfunktion

23

Das Habitat Evaluation Tool (HET)

Güte

Boot- strapping

Eignungs- werte

Anzahl Individuen pro Habitat

Trans- formation

Artenset

Anzahl Züge

Ziehen mit zurücklegen

Summen- bildung

Räumliche Habitat- verteilung

HET

24

Methodik HET: MZB auf Substraten

Güte

Boot- strapping

Eignungs- werte

Anzahl Individuen pro Habitat

Trans- formation

Artenset

Anzahl Züge

Ziehen mit zurücklegen

Summen- bildung

Räumliche Habitat- verteilung

Datenaufbereitung

Eingangsdatensatz Artendichte auf Substraten

vergleichbarer EZG

Simulation

Ergebnisbewertung Substrate

Verteilung im Modellierungsabschnitt

HET

25

Individuen in 1 Probe Transformation Individuenanzahl Artenliste

Kies 2 3 6

n

a=0 b=0.5

Datenaufbereitung

Kies 1.4 1.7 2.4

n Kies 100 122 173

n

HET

IT = ( I + a ) b

Anwendung HET: MZB auf Substraten

26

Individuen in 1 Probe Transformation Individuenanzahl Artenliste

Anzahl der Züge Ziehen ergibt

modellierte Artenliste

Kies 2 3 6

n

a=0 b=0.5

Artenliste

Datenaufbereitung

Simulation „einer Probe“

Kies 1.4 1.7 2.4

n Kies 100 122 173

n

Kies 100 122 173

n Kies 2 3 6

n

Σ = 11

Kies 0 4 7

n

HET

IT = ( I + a ) b

Anwendung HET: MZB auf Substraten

27

Individuen in 1 Probe Transformation Individuenanzahl Artenliste

Anzahl der Züge Ziehen ergibt

modellierte Artenliste

Testdatensatz

Kies 2 3 6

n

Renkonen Index (0-100)

a=0 b=0.5

Artenliste

Datenaufbereitung

Simulation „einer Probe“

Ergebnisbewertung Modellierte Artenliste

Kies 1.4 1.7 2.4

n Kies 100 122 173

n

Kies 100 122 173

n Kies 2 3 6

n

Σ = 11

Kies 0 4 7

n

Kies 0 4 7

n Kies 13 6

n

HET

IT = ( I + a ) b

Anwendung HET: MZB auf Substraten

28

Individuen in 1 Probe Transformation Individuenanzahl Artenliste

Anzahl der Züge Ziehen ergibt

modellierte Artenliste

Testdatensatz

Kies 2 3 6

n

Artenliste

Datenaufbereitung, Kalibrierung

Simulation „einer Probe“

Ergebnisbewertung Modellierte Artenliste

Kies

x x x

n Kies

x x x

n

Kies

x x x

n Kies 2 3 6

n

Σ = 11

Kies

x x x

n

Kies x x x

n Kies 13 6

n

a b

RI Renkonen Index

(0-100)

HET

a = 0.3, b = 0.7, RI = 56

a = x b = x

IT = ( I + a ) b

Anwendung HET: MZB auf Substraten

29

Anwendungsbeispiel: Szenarien entlang der Modellkette

30

0 20 40m

Ufergrenze

April 2008

April 2009

0 5 10m

April 2009

April 2008

Fließ-richtung

Individuendichte

Anzahl [-]

0

1

2

6

8

13

26

33

37

Simulation von Gammarus pulex flickriver.com

0 20 40m

Ufergrenze

April 2008

April 2009

0 5 10m

April 2009

April 2008

Fließ-richtung

Individuendichte

Anzahl [-]

0

1

2

6

8

13

26

33

37

0

2008

2009

2008

2009

5 m

0 1 2 6 8 13 26 33 37

0 20 m

HET

pro 0.0625m² Individuen

31

Anwendungsbeispiel: Multi-Habitat-Sampling

32

Multi-Habitat-Sampling (MHS)

0 20 40m

d90 [m]

max: 0.035

min: 0

Holz, Steine, Pflanzen

Ufergrenze

April 2008 Ausgangsdaten

(Thiemann, 2008)

April 2009modelliert(mit AdH)

April 2009kartiert

(Stengertet al., 2009)

0 5 10m

April 2009kartiert

April 2009modelliert

Fließ-richtung

Makrophyten 0 CPOM 2 Sand 8 Kies 10

Räumliche Substratverteilung

Flächenmäßige Aufteilung von 20 Proben

Berechnung der Substrat-Flächen Anteile

0 20 40m

Ufergrenze

April 2008

April 2009

0 5 10m

April 2009

April 2008

Fließ-richtung

Individuendichte

Anzahl [-]

0

1

2

6

8

13

26

33

37

Makrophyten 3% CPOM 10% Sand 38% Kies 49%

33

Digitales MHS (Beispiel) Zweimalige Wiederholung CPOM-Probe

CPOM 3 7 27

n

Achtmalige Wiederholung Sandprobe

Sand

0 1 3

n

Zehnmalige Wiederholung Kiesprobe

Kies

0 4 7

n

1 5 32

1 1 2

0 0 4

1 2 1

0 2 2

1 0 3

0 2 2

0 0 4

1 3 7

2 4 5

1 4 6

0 5 6

0 4 7

1 3 7

2 4 5

1 4 6

0 5 6

Multi-Habitat-Sampling Ergebnis

15 56 142

34

Multi-Habitat-Sampling (MHS)

Die Artenliste ermöglicht die ökologische Bewertung des modellierten Bachabschnittes

0 20 40m

d90 [m]

max: 0.035

min: 0

Holz, Steine, Pflanzen

Ufergrenze

April 2008 Ausgangsdaten

(Thiemann, 2008)

April 2009modelliert(mit AdH)

April 2009kartiert

(Stengertet al., 2009)

0 5 10m

April 2009kartiert

April 2009modelliert

Fließ-richtung

Makrophyten 0 CPOM 2 Sand 8 Kies 10

Räumliche Substratverteilung

Flächenmäßige Aufteilung von 20 Proben

Berechnung der Substrat-Flächen Anteile

0 20 40m

Ufergrenze

April 2008

April 2009

0 5 10m

April 2009

April 2008

Fließ-richtung

Individuendichte

Anzahl [-]

0

1

2

6

8

13

26

33

37

Makrophyten 3% CPOM 10% Sand 38% Kies 49%

35

Gammarus Pulex 2D

Ind

ivid

uen

anza

hl 1000-maliges MHS

ASTERICS Ergebnisse:

Shannon-Wiener-Index: 1,99 - 2,26

Saprobienindex: 2,09 - 2,18

36

37

Zusammenfassung und Ausblick

38

39

Ausblick

• Simulation in HET unter Berücksichtigung der Eingangsdatenunsicherheit

• Modellierungen mit multivariaten Parametern (Qualität, Abflüsse, Hydraulik, Jahresgang)

• Erweitern auf andere Gruppen (Fische, Makrophyten)

• Sensitivitätsanalyse entlang der Modellkette (Welche Veränderungen sind notwendig?)

UDE,Aquatische Ökologie

40

Danke für die Kooperation

Aquatische Ökologie (Universität Duisburg-Essen) Abteilung Fließgewässerökologie und Naturschutzforschung, Senckenberg (Gelnhausen) Abteilung Limnologie (CAU Kiel) Dezernat Fließgewässerökologie des LLUR (Flintbek) USDA-ARS (Texas) USACE-ERDC-CHL (Vicksburg)

Danke für die Datenbereitstellung

Brinkmann (2002), Lorenz et al. (2009), Schattmann (2013), Kramm (2002), Vlek et al. (2006) DWD (Offenbach) Landesamt für Vermessung und Geoinformation S.-H. (Kiel) LKN (Husum/Schleswig) LLUR (Flintbek) soilAQUA (Sterup) Stiftung Naturschutz (Molfsee) Wasser- und Bodenverband Obere Treene (Satrup) Winderatter See-Kielstau e.V. (Ausacker)

Danke für die Finanzierung

Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD)

Danke für Ihre Aufmerksamkeit