Hydrodynamic habitat modelling based on freshwater macroinvertebrates

Abstract

Hydrodynamic habitat models (HHMs) have long been used in environmental flow assessments (EFAs); currently, they are considered as the most robust EFA option, applicable in situations where a high degree of certainty is required to provide water managers and stakeholders with defensible environmental flow recommendations. Despite the wide recognition of the effectiveness of HHMs to provide accurate environmental flow predictions, their practical application remains disproportionately limited compared to their hydrology-based alternatives and is primarily focused on fish. Model-based frameworks focusing on other components of the aquatic ecosystem -benthic macroinvertebrates, macrophytes and riparian vegetation- are currently missing. Yet, within a holistic perspective, the habitat requirements of all aquatic-ecosystem components should be considered in model-based EFAs. Moreover, the habitats that are suitable for fish may not be equally suitable for other organisms in the aquatic ecosystem. In this study, we developed an HHM-based EFA framework focused on benthic macroinvertebrates (BMs). Their habitat preferences were evaluated based on a reference dataset collected from nine sites, over three seasons, in Greece. A BM-based habitat suitability (K) index, integrating four primary BM-community metrics, was developed and included in an optimal-flow-scenario index to facilitate the development of model-based environmental flow predictions. Based on these indices, the predictive accuracy of various habitat modelling algorithms was evaluated and a fuzzy rule-based Bayesian algorithm (FRB) was selected as the most suitable option. A habitat modelling software (HABFUZZ) was developed to implement this algorithm and a two-dimensional hydrodynamic model (TELEMAC 2D) was used to simulate flow velocities (V) and water depths (D) in various discharges in two river reaches in Greece. The results showed that BMs do respond to hydrological variation-alteration; the distribution, abundance and diversity of BMs before and after a rainfall-induced high flow event were significantly different, and this flow variation explained up to 42.9% of the overall BM community variation. The habitat preferences of BMs followed a Gaussian distribution with specific optimal values for V, D, substrate (S) and temperature (T). Not all habitat modelling algorithms can be used to simulate their habitat preferences; the predictive accuracy of the regression-based, machine-learning and fuzzy rule-based algorithms tested, ranged from 49.74% to 67.92%, with the FRB model reaching 61.2% accuracy. Using this algorithm, the habitat suitability of two river reaches was mapped in various discharges; the results showed that the model-based environmental flows were higher than those calculated using hydrological methods and thus, the delivery of environmental flows should be upwards-adjusted to ensure the long-term integrity of the aquatic communities. Apart from the developed BM-based, HHM methodology, this study showed that (i) complex -interactive- hydroecological relationships can be successfully described-modelled using fuzzy rule-based algorithms and (ii) multimetric indices can be effectively incorporated to describe the status of the benthic community in various discharges. The collection of robust hydro-ecological datasets, their spatiotemporal variation and the field-validation of HHMs should be future research targets towards the development of robust HHMs-based EFAs.

Η χρήση των υδροδυναμικών μοντέλων καταλληλότητας ενδιαιτήματος για την εκτίμηση της οικολογικής παροχής κατάντη ανθρωπογενών παρεμβάσεων θεωρείται η πιο ‘ασφαλής’ επιλογή σε περιπτώσεις όπου απαιτείται υψηλή ακρίβεια πρόβλεψης, ώστε οι σχετικοί διαχειριστές και ενδιαφερόμενοι να έχουν μία ισχυρή βάση για διαπραγμάτευση κατά τη διαδικασία κατανομής των αδειών χρήσης νερού. Παρά τη γενικότερη αποδοχή της αποτελεσματικότητας των σχετικών μεθόδων από την επιστημονική κοινότητα, η πρακτική τους εφαρμογή και χρήση είναι περιορισμένη σε σύγκριση με τις αντίστοιχες υδρολογικές μεθόδους. Επιπλέον, οι περισσότερες έως τώρα έρευνες εστιάζουν στα ψάρια, ενώ μεθοδολογίες, μοντέλα και λογισμικά που χρησιμοποιούν άλλους οργανισμούς-δείκτες του υδάτινου οικοσυστήματος δεν υπάρχουν. Εντός μιας ολιστικής όμως προσέγγισης της διαχείρισης των βιολογικών και υδάτινων πόρων, οι προτιμήσεις ενδιαιτήματος όλων των οργανισμών θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά την υλοποίηση μελετών εκτίμησης της οικολογικής παροχής. Στη συγκεκριμένη έρευνα, αναπτύχθηκε μεθοδολογία εκτίμησης της οικολογικής παροχής με τη χρήση υδροδυναμικών μοντέλων καταλληλότητας ενδιαιτήματος βενθικών μακροασπονδύλων (ΒΜ) ως βιολογικών δεικτών. Συλλέχθηκαν υδρο-οικολογικά δεδομένα αναφοράς από εννέα μη ρυπασμένες θέσεις δειγματοληψίας σε τρεις εποχές στην Ελλάδα. Βάσει αυτών των δεδομένων, αναλύθηκαν και ποσοτικοποιήθηκαν οι προτιμήσεις ενδιαιτήματος των ΒΜ. Αναπτύχθηκε σχετικός δείκτης καταλληλότητας ενδιαιτήματος ΒΜ (Κ) ο οποίος ενσωματώνει τέσσερις βασικές μετρικές-δείκτες της κατάστασης της κοινότητας των ΒΜ και ο οποίος συμπεριελήφθη σε σχετικό δείκτη βέλτιστης οικολογικής παροχής (OFS). Χρησιμοποιώντας τους ανωτέρω δείκτες εκτιμήθηκε η ακρίβεια πρόβλεψης διαφόρων αλγορίθμων-μεθόδων προσομοίωσης ενδιαιτήματος και επιλέχθηκε ως καταλληλότερη η μέθοδος της Μπεϋζιανής Πιθανολογικής Ανάλυσης Ασαφούς Λογικής (FRB). Αναπτύχθηκε σχετικό λογισμικό (HABFUZZ) το οποίο υλοποιεί τον σχετικό FRB αλγόριθμο και χρησιμοποιήθηκε δισδιάστατο υδροδυναμικό μοντέλο (TELEMAC 2D) βάσει του οποίου προσομοιώθηκαν η ταχύτητα ροής (V) και το βάθος (D) σε ποικίλα σενάρια παροχής σε δύο περιοχές μελέτης στην Ελλάδα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα ΒΜ αποκρίνονται στις υδρολογικές μεταβολές-αλλοιώσεις. Η κατανομή, αφθονία και ποικιλότητα της βιοκοινωνίας των ΒΜ πριν και μετά από μια φυσική, μετρίου μεγέθους υδρολογικής διαταραχή (μέτριας έντασης πλημμύρα) παρουσίασαν στατιστικά σημαντικές διαφορές, και η σχετική διαταραχή ‘εξήγησε’ το 42.9% της βιολογικής απόκρισης-διακύμανσης. Οι προτιμήσεις ενδιαιτήματος των ΒΜ ακολουθούν την κανονική (Γκαουσιανή) κατανομή με συγκεκριμένες βέλτιστες τιμές καταλληλότητας για κάθε υδρολογική-υδραυλική παράμετρο: V, D, τύπο υποστρώματος (S) και θερμοκρασία νερού (T). Παρατηρήθηκε ότι δεν είναι όλοι οι αλγόριθμοι κατάλληλοι για την προσομοίωση των προτιμήσεων ενδιαιτήματος των ΒΜ. Η ακρίβεια πρόβλεψης των διαφόρων μεθόδων συσχέτισης, μηχανικής εκμάθησης και ασαφούς λογικής κυμάνθηκε από 49.74% έως 67.92%, και ο FRB αλγόριθμος παρουσίασε ακρίβεια 61.2%. Βάσει αυτού του αλγόριθμου χαρτογραφήθηκε η καταλληλότητα ενδιαιτήματος σε δύο περιοχές μελέτης. Οι οικοσυστημικής προσέγγισης οικολογικές παροχές που εκτιμήθηκαν με τη χρήση υδροδυναμικών μοντέλων ενδιαιτήματος ήταν υψηλότερες αυτών που εκτιμήθηκαν με τη χρήση υδρολογικών μεθόδων. Ως εκ τούτου, η διάθεση οικολογικών παροχών θα πρέπει να αναθεωρηθεί προς τα άνω ώστε να διασφαλιστεί η μακροχρόνια λειτουργικότητα-ακεραιότητα των υδρόβιων κοινοτήτων. Εκτός από τη σχετική μεθοδολογία, η συγκεκριμένη μελέτη έδειξε ότι (α) περίπλοκες, στοχαστικού τύπου υδροοικολογικές σχέσεις μπορούν να περιγραφούν και να προσομοιωθούν με σχετική ασφάλεια με τη χρήση αλγόριθμων ασαφούς λογικής και (β) η χρήση πολυπαραμετρικών δεικτών παρέχει αξιοπιστία κατά την εκτίμηση της κατάστασης-καταλληλότητας των υδρόβιων κοινοτήτων σε ποικίλα σενάρια παροχής. Μελλοντικές έρευνες θα πρέπει να εστιάσουν (α) στη συλλογή σχετικών υδροοικολογικών δεδομένων αναφοράς, (β) στη ανάλυση-διαχείριση της διακύμανσης σειρών δεδομένων από διαφορετικές εποχές και γεωγραφικές θέσεις και (γ) στην επαλήθευση των προβλέψεων με χρήση ανεξάρτητων δεδομένων πεδίου, ώστε να διασφαλιστεί ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια πρόβλεψης κατά τη διαδικασία εκτίμησης και προσομοίωσης της οικολογικής παροχής κατάντη ανθρωπογενών παρεμβάσεων.