Modelling approach for interstitial sediment dynamics and reproduction of gravel-spawning fish

Abstract

The complexity and dynamic nature of ecosystem processes impose high requirements on the approaches, methods and modelling techniques applied to support ecological assessments of rivers. Particularly the interactions of abiotic and biotic variables, the high spatial and temporal variability of parameters and processes and the interdisciplinary research field present a special challenge on the development of appropriate tools. Given the naturally dynamic creation, destruction and maintenance of habitat templates in rivers (habitat dynamics) the habitat can be regarded as a basic element of fluvial ecosystems. Accordingly, high demands are placed on aquatic habitat modelling techniques emphasizing the need for the improvement and further development of existing approaches. The present study predominantly addresses three research fields encompassing the hydromorphology, the fluvial ecology and the hyporheic interstitial of rivers. All disciplines are involved by interacting processes defining the quality of reproduction habitats for gravel-spawning fish. This work is focused on implementing the hydromorphological and hyporheic variability in physical habitat modelling considering all variables that describe the habitat in their spatial and temporal variability to allow a dynamic representation of habitat suitability. The reproduction period of gravel-spawning fish works as an excellent indicator for interstitial habitats, as the life-stages during reproduction are characterised by high requirements on the habitat. Based on the abiotic description of the environment a multi-step habitat modelling framework is developed that addresses each life-stage during the reproduction by an appropriate selection of key habitat variables that are linked via a multivariate fuzzy-logic model to simulate habitat suitability indices of each life stage during the reproduction period. The last step of the modelling framework includes the aggregation of the dynamic habitat values to a temporally integrated parameter and the final result of the modelling framework, the reproduction habitat suitability. The proposed multi-step habitat modelling framework is applied in a mountainous river reach downstream of a dam and produced reliable results. The simulated habitat suitability indices for each life-stage during reproduction allow for a representation of physical habitats in the form of spatial distribution maps for different time-steps, time-series for different locations and an integrated habitat supply over the entire reproduction period. This provides highly valuable information about habitat dynamics as all spatially and temporally varying input variables are considered in the multi-step habitat modelling framework. Consequently a direct identification of occurring bottlenecks during the reproduction of brown trout is feasible and can be referred back to responsible habitat variables. In the case study it is found that the spawning and emergence stages are not limiting the reproduction success and the most restricting conditions occurred during hatching. These limitations are predominantly caused by critical temperatures during the winter season and critical permeability conditions due to sediment infiltration processes during the regulated flow period. The aggregated reproduction habitat suitability contains the summarized effects of all varying abiotic conditions during the reproduction period of gravel-spawning fish and allows for a quick identification of the availability and quality of reproductive habitats. Although the obtained results provide valuable results it is worth noting that models in general are never able to fully reflect the dynamic behaviour of rivers and its ecological relations given their numerous and complex interactions. The simplification of the physical and ecological processes requires a well-founded verification of obtained simulation results against field observations and reference sites. The highest benefit of the proposed modelling framework comprises the spatial and temporal consideration of conventional and new habitat variables resulting in a detailed representation of habitat dynamic processes occurring in river reaches. Further, the presented work is the first attempt to simulate the quality of reproduction habitats for gravel-spawning fish using physical habitat modelling. Possible future applications predominantly include the support of ecological impact assessments but also the applicability as an instrument supporting the management and planning processes of restoration measures (e.g. for re-establishing reproducing fish population in rivers) as the simulation of reproduction habitats presents one fundamental process for the development of stable fish populations.

Die Komplexität und Dynamik fluvialer ökologischer Prozesse stellt äußerst hohe Anforderungen an die Entwicklung von Methoden und Modellen zur Unterstützung in ökologischen Bewertungen von Fließgewässern. Insbesondere die Interaktion zwischen abiotischen und biotischen Komponenten, die hohe räumliche und zeitliche Variabilität sowie die Interdisziplinarität der beteiligten Prozesse erschweren die Entwicklung geeigneter Modellierungs- und Prognosewerkzeuge. Die regelmäßige Erzeugung, Zerstörung und Erhaltung von charakteristischen Habitatmustern (Habitatdynamik) sind grundlegende Prozesse fluvialer Ökosysteme, die mit aktuell verfügbaren Habitatmodellen schwierig abzubilden sind und die Notwendigkeit der Weiterentwicklung von existierenden Ansätzen der Habitatmodellierung verdeutlichen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Prozessen aus der Hydromorphologie, der Fließge-wässerökologie und des hyporheischen Interstitials, die interaktiv die Habitatqualität während der Reproduktion von kieslaichenden Fischarten bestimmen. Die Motivation dieser Arbeit resultiert aus der wachsenden Anforderung dynamische Prozesse, wie die hydromorphologische und hyporheische Variabilität in die physikalische Habitatmodellierung von Fischen zu implementieren um somit die Simulation von dynamisch veränderlichen Habitateignungen zu ermöglichen. Der Fokus richtet sich hierbei auf morphodynamische Prozesse, wie Kornsortierungen (longitudinal, horizontal und vertikal), Infiltration von Feinsedimenten in das Korngerüst der Gewässersohle und Sohlumlagerungen, die einerseits notwendig sind um geeignete Habitate zu erzeugen aber andererseits auch limitierend wirken können. Um den Habitatansprüchen während der Reproduktion durch Modellierung gerecht zu werden besteht weiterhin der Bedarf an der Entwicklung eines geeigneten Indikators zur Beschreibung der hyporheischen Variabilität. Dieser soll dazu dienen den interstitialen Lebensraum während den Entwicklungsstadien des Inkubationszeitraums (Augenpunktstadium, Schlupfzeit und larvale Phase) entsprechend zu bewerten. Das primäre Ziel ist daher die Entwicklung eines Modellsystems, basierend auf dem Prinzip der physikalischen Habitatbeschreibung um die räumlich und zeitlich variierenden Habitateignungen der einzelnen Entwicklungsstadien während der Reproduktionsphase von kieslaichenden Fischarten zu simulieren und zu einem aggregierenden Gesamtergebnis - der Reproduktionshabitateignung - zusammenzuführen. Das Modellsystem wird in einer typischen Gebirgsstrecke unterhalb einer Staumauer angewendet. Die Berücksichtigung von räumlich und zeitlich variierenden Habitatvariablen erlauben die simulierten Habitateignungen der einzelnen Entwicklungsstadien während der Reproduktion kieslaichender Fische in Form von Habitateignungskarten zu verschiedenen Zeitpunkten, Habitateignungsganglinien an verschiedenen Orten und als integrierendes Habitatangebot darzustellen und auszuwerten. Damit wird einerseits die Habitatdynamik beschrieben und andererseits bieten die Auswertungen die Möglichkeit limitierende abiotische Randbedingungen sowohl zeitlich als auch räumlich zuzuordnen. Einschränkend ist jedoch festzuhalten, dass insbesondere der hyporheische Austausch in Zukunft verstärkt in der abiotischen Beschreibung der Habitate zu berücksichtigen ist und eine fundierte Überprüfung anhand biologischer Untersuchungen notwendig ist, um die Belastbarkeit der Ergebnisse zu erhöhen. Obwohl die erzielten Ergebnisse eine hohe Bedeutung für die Bewertung der Reproduktion kiesaichender Fischarten beinhalten, bleibt festzuhalten, dass Modelle nie die gesamte fluviale Dynamik und deren Interaktion mit ökologischen Prozessen abbilden können. Die Vereinfachung physikalischer und ökologischer erfordern eine ausführliche und wohlbedachte Verifizierung der erhaltenen Simulationsergebnisse anhand von Naturdaten und Referenzbedingungen. Die Weiterentwicklung der physikalischen Habitatmodellierung im Rahmen dieser Arbeit besteht maßgeblich aus der räumlich und zeitlich hochaufgelösten Verwendung von bestehenden und neuen Habitatvariablen. Diese erlauben eine detaillierte Abbildung der relevanten abiotischen Prozesse in Fließgewässern in ihrem zeitlichen Verlauf und somit Aussagen über die Habitatdynamik. Des Weiteren stellt das Modellsystem erstmals den Versuch dar, die Reproduktionshabitate von kieslaichenden Fischarten im Rahmen einer physikalischen Habitatmodellierung abzubilden. Aufgrund der beinhalteten Dynamik und der Prognosefähigkeit des Modellsystems bestehen Anwendungsmöglichkeiten vorwiegend im Rahmen von ökologischen Untersuchungen und Bewertungen, aber auch in der Planung und dem Management wasserwirtschaftlicher und wasserbaulicher Maßnahmen, die zum Beispiel auf eine Wiedereinführung von reproduzierenden Fischpopulationen abzielen, da die Simulation von verfügbaren Reproduktionshabitaten eine fundamentale Grundlage für die nachhaltige Entwicklung von stabilen gewässertypischen Fischpopulationen ist.