GEOGRAFICKY USTAV PRÍRODOVEDECKÁ FAKULTA MU Mgr. Karel Brabec, Ph.D, brabec@recetox.muni.cz Ekologické aspekty výzkumu fluviálních systémů: od případových studií po komplexní analýzy povodí t 1 ŕ h STREAM BIOTA macroin vertebrates • spatial distribution, driving factors, traits • response to anthropogenic impacts • assessment systems chironom ids • indication of altered conditions in impounded rivers • microhabitat studies • contribution to macroinvertebrate indication other groups of aquatic biota • comparison of macroinvertebrates and phytobenthos • macrophytes - biomonitor of heavy metals; hydraulic function macroinvertebrates = makrozoobentos IMPOUNDED RIVERS • flow fluctuation due to hydropeaking • altered thermal regime (hypoiimnium releases) • macroinvertebrate distributional pattern (microhabitat, longitudinal profile) • chironomid traits (thermal, longitudinal zonation, substrate preferences) CD 24 i_ O C/5 O E i_ CD .C O £ 00 T3 O O J MGdian □ 25%-75% I Non-Outlior Rango ° OutliGrs s Extremes X cold stenothermous taxa Eukiefferiella minor Parorthocladius nudipennis semiterrestric taxa Smittia sp. Metriocnemus sp. Brabec K., 1997. Distribution of chironomid larvae (Diptera, Chironomidae) in the river section influenced by a reservoir, In Vanhara, J. and Rozkošný, R. (eds.): Dipteral, bohemoslov. 8, Folia Fac. Sci. nat. Univ. Masarykianae brun. Brno: Masaryk University, Biol. 95: 27-35. 0 10 20 30 km ^T) sampling site Brabec K., 1998. Influence of water level fluctuation below dam on the structure of macroinvertebrate community. In Bretschko, G. & Helesic, J. (eds.): Advances in River Bottom Ecology. Leiden, Netherland: Backhuys Publishers, s. 249-262. IMPOUNDED RIVERS • water temperature - chironomid traits (thermal preferences) Vir Reservoir Brno Reservoir upstream downstream MONTH OF SAMPLING MONTH OF SAMPLING □ > 1 °c □ >2 °C °> 3 °C □ >4°C □ >5 °C °> 7 °C □ > 10 °C □ > 15°C ■> 20 °C water temperature - IMPOUNDED RIVERS ch ironomid traits (thermal preferences) < Q < Q X O T I ■ Median □ 25%-75% X Non-Outlier Range O Outliers Extremes 4 site CHIRONOMIDAE 0 • species traits responding to temperature/stream zonation • microhabitat distribution patterns (substrate, hydraulics) • indication of anthropogenic stress Syrovátka V. & Brabec K. (2006): Effects of physical factors on chironomid larvae distribution at a mesohabitat scale. Verh. Internat. Verein. Limnol. 29:1845-1848. Syrovátka, V.& Brabec K., 2010. The response of chironomid assemblages (Diptera: Chironomidae) to hydraulic conditions: a case study in a gravel-bed river. Fundamental and Applied Limnology, 178(1): 43-57. Syrovátka V., Schenkova J. and Brabec K., 2009. The distribution of chironomid larvae and oligochaetes within a stony-bottomed river stretch: the role of substrate and hydraulic characteristics. Fundamental and Applied Limnology, Archiv für Hydrobiologie, 174(1): 43- 62. BIOLOGICAL INDICATORS IN STREAMS , _ AQEMBB methods for WFD implementation (sampling, identification, taxa databases, protocols, assessment systems) development of biota-based assessment systems in Hindu Kush-Himalayan Region (stream typology, screening stressors, compilation of available information on macroinvertebrates, training) ^^-anAB^mertsystemto the Ecological Status of Rivers in the Hindu Kush-Himalayan Region research support/consultation/transfer of knowledge into practice ■ in the Czech Republic (methods) — MACROINVERTEBRATES x PHYTOBENTHOS MACROINVERTEBRATES MACROINVERTEBRATES organic pollution/ eutrophication 1.2 1.0 □ CD sÜ is o cd > 0.8 0.6 ~ 0.4 Ü CO 0.2 0.0 S14 • S11 • ^313 • S10 s • S4 ^S9 * • S6 • S7 38 **y • / S2 S1 • S3 Classification scheme organic pollution/eutrophication partial class of ecological status metrics hiqh qood moderate poor bad Saprobic Index (Czech) < 1.2 > 1.2 AND < 1.5 >1.5AND<2.0 >2.0AND<2.7 > 2.7 Gatherers/Collectors [%] (scored taxa = 100%) < 36 > 36 AND <47 >47AND<56 >56AND<75 > 75 Oligochaeta [N%] < 3.6 > 3.6 AND < 10.0 > 10.0 AN D< 38.0 > 38.0 AN D< 70.0 > 70 morphological degradation high good moderate poor bad Number of sensitive taxa (Austria) > 20 14-19 8-13 0-8 = 0 Number of EPTtaxa > 30 24-29 18-23 8-18 0-7 Number of Coleoptera taxa > 7 5-9 1-5 0-5 0 -200 200 400 600 800 1000 1200 1400 Mean total phosphate (u.g/1) stress-specific data showed relation to both types of stressors identified metrics available for assessment system 1.5 1.2 hydromorphological degradation River Habitat Survey - MDS1 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 \§23 • S24 ^ S21 . S20 \. • S19 S16 \. S18 • S15 * • S17 \< 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Habitat Quality Score (HQA) =E I SI S21 S23 S24 CM 0.5 co X < -0.5 -1.5 S22 S14 S11 • S24 S23 S13 S21 S20 S15 507 508 S17 S05 ± S02 S06 S03 S01 -1.5 -0.5 0.5 Axis 1 1.5 Stress-specific classification 0.4 0.6 MDS 1 str_cl • 11 • 12 13 • 14 • 15 ±21 ±22 23 ±24 ±25 PHYTOBENTHOS 1.5 H C\J w X < 0.5 1 -0.5 1 ■1.5 J stress • organic • morphology S01 S05 -2.0 pH S04 S10 hardness alkalinity S24 # S09 total-P04 S13 • ortho-P04 S06 S08 S02 S03 chloride" N02 S11 S23 S07 S12 S17 S20 S14 S22 S18 S16 S21 S15 -1.0 0.0 Axis 1 1.0 S19 2.0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Total phosphate (ng.l"1) community structure related to nutrients and alkalinity biotic index related to phosphate concentration • ? effects of hydromorphology (shading, substrate type) • ? response to land use, riparian vegetation CLIMATE CHANGE x FRESHWATER ECOSYSTEMS rolimpacs GOCE-CT-2003-505540 Integrated Project to Evaluate the Impacts of Global Change on European Freshwater Ecosystems (2004-2009) • flow extremes - hydromorphology - biota • flood-induced rehabilitation of channel structures and processes in channelized river • river habitat - specific conditions - specific biota (macroinvertebrates, algae) • species trait database (contribution to Chironomidae) The Taxa, And. Autsdflojy V&tohiut.jtn' Frwkw&ter OmanUm* Kubosova K., Brabec K., Jarkovsky J., Syrovátka V., 2010: Selection of indicative taxa for river habitats: a case study on benthic macroinvertebrates using indicator species analysis and the random forest methods Hydrobiologia 651 (1): 101-114. CLIMATE CHANGE x FRESHWATER ECOSYSTEMS i^A. a Euro-limpacs GOCE-CT-2003-505540 macroinvertebrate substrate preference (autumn x spring) B131 IB132 B133 IB134 IB13S B136 IB137 [%] Type Pel 0131 [%] Type Arg 0132 [W] Type Psa 0133 , [%] Type Aka 0134 [■:■; Type Ul 0135 [%] Type Phy 0136 [%] Type Pom b137 I ■ H-l 25 60 75 100 Jahnig S.C., Brabec K., Buffagni A., Erba S., Lorenz A.W., Ofenbock T., Verdonschot P.F.M., Hering D., 2010: A comparative analysis of restoration measures and their effects on hydromorphology and benthic invertebrates in 26 central and southern European rivers. Journal of applied ecology 47(3): 671-680. RIVER HABITATS CENTRAL CHANNEL CHANNEL MARGINS /\ F if fie run pool >0.41 Fr 0.18 main channel side arms ■ CHRNRF CH_POOL M_POOL S_POOL Becva River (renaturalization) channel forming processes large woody debris side arms Verdonschot, P.F.M.; Hering, D.; Murphy, J.; Jahnig, S.C.; Rose, N.L.; Wolfram Graf, W.; Brabec, K.; Sandin, L, 2010. Climate Change and the Hydrology and Morphology of Freshwater Ecosystems. In: Kernan, M., Battarbee, R.W., Moss, B. (eds), Climate change impacts on freshwater ecosystems. Chischester, UK, Wiley-Blackwell, p. 65 - 83. RIVER RESTORATION REstoring rivers FOR effective catchment Management (2011-2015) REFARM GRANT NO. 282656 • complex study on ecological consequences Of river restorations (biota groups, stable isotopes, hydromorphological surveys) - paired sites at Becva and Morava Rivers • macroinvertebrate response to restoration Of Small Streams (contribution to meta-data analysis, detailed analyses based on 10 pairs of sites) • microhabitat Study at restored Knehyne stream • habitat/matrix specific accumulation of heavy metals at Svratka River lid, z REFARM GRANT NO. 282656 RIVER RESTORATION REstoring rivers FOR effective catchment Management (2011-2015) SPECIFIC TAXA H SPECIFIC TAXA SPECIFIC TAXA Kail J., Brabec K., Poppe M., Januschke K., 2015. The effect of river restoration on fish, macroinvertebrates and aquatic macrophytes: A meta-analysis. Ecological Indicators 58: 311-321. Vermaat J.E., Wagtendonk A.J., Brouwer R., Sheremet O., Ansink E., Brockhoff T., Plug M., Hellsten S., Aroviita J., Tylec L, Gietczewski M., Kohut L., Brabec K., Haverkamp J., Poppe M., Bóck K., Coerssen M., Segersten J., Hering D., 2016. Assessing the societal benefits of river restoration using the ecosystem services approach. Hydrobiológia 769(1): 121-135. Hering D., Aroviita J., Baattrup-Pedersen A., Brabec K., Buijse T., Ecke F., Friberg N., Gielczewski M., Januschke K., Köhler J., Kupilas B., Lorenz A.W., Muhar S., Paillex A., Poppe M., Schmidt T., Schmutz S., Vermaat J, Verdonschot P.F.M., Verdonschot R.C.M., Wolter Ch. and Kail J., 2015. Contrasting the roles of section length and instream habitat enhancement for river restoration success: a field study of 20 European restoration projects. Journal of Applied Ecology 52(6): 1518-1527. Kalivodova M., Kohut L. and Brabec K. (submitted). The role of microhabitat hydraulics and substrate characteristics in the spatial distribution of macroinvertebrates in a restored stream. Ecohydrology. METAL CONTENT IN STREAM MATRICES linkages between toxic contamination and hydromorphological conditions (heavy metal risk, river habitats/matrices, bioaccumulation by macrophytes, translocation factor) - longitudinal profile downstream industrial complex -Svratka River) different longitudinal profiles for individual matrices metals differed in ratios sediment/plant tissue and in translocation factor (root/body) monitoring metals and planning channel modifications 5. H EAYY M EELS- M^RICES. HABfCTS, E-IDŮLLU M U LOTON BIOACCUMULATION TRANSLOCATION - CA L LIT RICH E 5. H EAW M ERLS- MjIRICES, HABÍWS, BKMCCU M U LtfKJH BIOACCUMULATION TRANSLOCATION - PHALARIS LARGE-SCALE ANALYSES (CATCHMENTS/CORRIDORS) • spatial scaling of land-related factors (land use, point sources, riparian vegetation) • analyses of scale-dependent drivers affecting water chemistry, phytobenthos and macroinvertebrates • complex analyses of basin-scale data • Morava River Basin as pilot study (land use, point sources, water chemistry, suspended solids, hydromorphology, macroinvertebrates) WATER CHEMISTRY STREAM CORRIDORS • ecotone-transition between land and stream • riparian vegetation - shading, buffer zone, organic material • target of stream regulations and restoration measures • place where land-originated pressures interact with dynamics of fluvial ecosystems Classification in stream corridor (RIP) ■■Mb c z ■ i 1 i 3 :C ■ I •-1 -0« -0.77 -0.74 z- ■:■ ■ ci ' : : -E i - -oa -047 -oj62 -0.72 -0.70 ■r , -042 -066 -0.70 -0 66 ' : : ± j - -049 -os -0.62 -0.57 -o.s; _ !■■-< ■OH -05O -0 46 ' - - JH I - -04i -04s -0.57 -0.54. -os -0j67 -0.5S -0.52 -049 -0.74. -0.71 -0 67 ■ : : _: I " -0£+ -OjSS -OjSB -0.75 -0.72 -0.7* -0*1 -0.77 ■ j ■ : : je i - -0 n -0.30 -0s2 -0js7 -0.33 -0.71 !■■-■: -Oil -0 60 -0 60 -■■1 - : : -oat-jl-i 1 r r.r I " -04S -04* -04S -o a -0.77 -0.7+ LABORATORY EXPERIMENTS (biota-substrate/hydraulics) Distribution of velocities at 2 mm above surface ft I . - — — — — r t t "\ \ "* * - » v v \ - ; I j ' - ' I ' » \ it \ \ \ li ( t s-------- - ' ' ' M I < • -----......! I I j ■ - 1 * ' ' at low revs of stirrer . i \». maximal velocity was 0.02 m.s1 ***»-- - . . • i I / - v ^ j ^ i- >. ^ ^ * / J / s *■ —- v. X *■ »4« '~ - - .....4 j t J / S ~ \ \ \ I - ^'HV'!«>;',!»..*3f,/,ii) * <' ' - ' - * I * ' f ft■ jj.y % * i-k Hi V V "s*^/ ? il « ' / /l« ■» » "i « I J :', / * \ \ \ > » » I i »I fl '.' '•. V v 4 f V ;■ '* V f f 4 r,i j i , ■ ■ fff , }/>~r ; 4 I f\' at high revs of stirrer maximal velocity was 0.1 m.s1 LABORATORY EXPERIMENTS • micro-hydraulic conditions - biota distribution • erosional and depositional zones • effects of suspended solids on macroinvertebrate distribution • dynamics of metal uptake by macrophytes in different velocity conditions TEACHING Model analyses of fluvial ecosystems Response of fluvial ecosystems to climate changes Methods of Field Research in Environmental Chemistry and Ecotoxicology Advanced Methods in Ecotoxicology Aquatic Ecotoxicology recent supervision of 3 PhD thesis VÝZKUMNÁ TÉMATA REFARM 1. interakce mezi vodními a terestrickými ekosystémy v rámci různých prostorových škál říční sítě (říční koridory - využití krajiny - indikační charakteristiky makrozoobentosu) 2. komplexní hodnocení renaturalizací na řece Bečvě (význam dřevní hmoty, dynamika procesů, specifika typu toku) 3. vyhodnocení revitalizačních zásahů na malých tocích z hlediska rozdílů v parametrech prostredia společenstvech makrozoobentosu 4. říční sedimenty - hydraulické poměry v korytě (vazby bioty na typy substrátu, využití hydraulických parametrů pro klasifikaci říčních biotopů) 5. hydromorfologické aspekty zatížení těžkými kovy (říční biotopy, typy substrátu, bioakumulace ve vegetaci) REFORM - FP7 collaborative project REFARM www.reformrivers.eu HYDROMORPHOLOGY AND ECOLOGICAL OBJECTIVES OF WFD Partners: 25 partners from 15 European countries Duration: 2011-2015 1. INTERAKCE MEZI VODNÍMI A TERESTRICKÝMI EKOSYSTÉMY (říční koridory) 1EFARM 1. interakce mezi vodními a terestrickými ekosystémy v rámci různých prostorových škál říční sítě (říční koridory - využití krajiny - indikační charakteristiky makrozoobentosu) 2. komplexní hodnocení renaturalizací na řece Bečvě (význam dřevní hmoty, dynamika procesů, specifika typu toku) 3. Revitalizace Kněhyně - říční sedimenty - hydraulické poměry v korytě (vazby bioty na typy substrátu, využití hydraulických parametrů pro klasifikaci říčních biotopů) RESTORATION REFARM 1. ricni koridory FUNKCE Interakce mezi vodními a terestrickými ekosystémy v rámci různých prostorových škál říční sítě (říční koridory - využití krajiny - indikační charakteristiky makrozoobentosu) • krajina v okolí toku jako potenciální zdroj narušení fluviálních ekosystémů • význam vegetace v břehové linii • vyhodnocení účinků spolupůsobících stresorů HODNOCENÍ POTENCIÁLNÍCH STRESORŮ 1. ŘÍČNÍ KORIDORY VÝVOJ METODY REFARM Motivace • chybějící parametr na prostorové škále mezi úsekem toku a povodím • hledání metody založené na dálkovém průzkumu Země Cíle studie • klasifikovat říční koridory na základě charakteru pobřežní vegetace a využití krajiny v okolí toku • testovat vazby chemických/biologických parametrů na charakteristiky říčních koridorů 1. RICNI KORIDORY VÝVOJ METODY • ecotone- transition between land and stream • riparian vegetation - shading, buffer zone, organic material • target of stream regulations and restoration measures place where land-originated pressures interact with dynamics of fluvial ecosystems Analyses of aerial photos (RIP method) Development of scoring systems for riparian/bank zone and river floodplain (type of riparian vegetation and land use in floodplain) • combination of floodplain LU and riparian vegetation characteristics representing potential risks and barriers • e.g. arable land adjacent to stream may reflect in elevated fine sediment transport to fluvial systems; character of riparian vegetation may regulate resulting sediment input to streams spatial definition of stream corridors lateral CORINE • 200 m-wide buffer zone along stream network RIP method • bank zone (up to 5 m from banks) • floodplain zone (up to 10 m from banks) • minimum length of classified stream segment = 20 m longitudinal STUDY SITES 1. RICNI KORIDORY ANALÝZA LETECKÝCH SNÍMKŮ FLOODPLAIN • cropland • meadow • forest • u rba n/u nvegetated BANK bare grass woody scattered woody continuous 1. ŘÍČNÍ KORIDORY ANALÝZA LETECKÝCH SNÍMKŮ - SKÓRE REFARM BANK SCORE FLOOD PLAIN SCORE BANK B_code B_score bare both B2 i bare x grass BG 2 grass both G2 3 woody continuous x bare WCB 4 woody continuous grass WCG _5 woody scattered both WS 5 woody continuous both WC2 FLOODPLAIN F_code F_score cropland both |C2 1 cropland x urban CU 2 urban both cropland x meadow CM 4 meadow urban MU 5 forest x cropland FC 6 forest x urban meadow both M2 h 8 forest x meadow forest both F2 10 Fl NAL SCORE = (1 / Fscore)/ Bscore 1. RICNI KORIDORY ANALÝZA LETECKÝCH SNÍMKU - SKORÉ Legend it site Bank score 1.0 -2.0 2.1 -3.0 3.1 -5.0 5.1 -6.0 6.1 -7.0 Floodplain score 1.0 -2.0 I 2.1 -4.0 4.1 -6.0 I 6.1 -8.0 8.1 - 10.0 1. ŘÍČNÍ KORIDORY ANALÝZA LETECKÝCH SNÍMKŮ - SKÓRE -.1 i ■ 1. ŘÍČNÍ KORIDORY BŘEHOVÉ SKÓRE X DUSIČNANY 1. ŘÍČNÍ KORIDORY NIVNÍ SKÓRE X POČET EPT TAXONŮ co X CO Q_ LU 35 30 25 20 a> 15 -Q 10 0 F_Wscore_2000:b243_: y = -7.504 + 3.4194*x; r = 0.8429, p = 0.00000; r 2 = 0.7105 .............. 23456789 Floodplain score within zone of 2 km upstream the site 10 1. ŘÍČNÍ KORIDORY RIP SKÓRE X CHEMICKÉ PARAMETRY REFARM cummulative length of upstream network variable score corridor extent upstream (km) 0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 all chloride Bank -0.66 -0.77 -0.74 Floodplain -0.50 -0.47 -0.62 -0.72 -0.70 BOD5 Bank -0.42 -0.66 -0.70 -0.65 Floodplain -0.49 -0.52 -0.62 -0.57 -0.53 amonium Bank -0.58 -0.50 -0.46 Floodplain -0.43 -0.46 -0.57 -0.54 -0.52 -0.67 -0.58 -0.52 nitrite Bank -0.49 -0.74 -0.71 -0.67 Floodplain -0.64 -0.63 -0.68 -0.75 -0.72 -0.78 -0.81 -0.77 nitrate Bank Floodplain -0.57 -0.50 -0.82 -0.67 -0.83 -0.71 ortho-phosphate Bank -0.51 -0.60 -0.60 Floodplain -0.48 -0.48 -0.46 -0.55 -0.77 -0.74 phosphate Bank -0.61 -0.69 -0.67 Floodplain -0.44 -0.49 -0.59 -0.68 -0.65 1. ŘÍČNÍ KORIDORY RIP SKÓRE X BIOLOGICKÉ PARAMETRY (MZB) REEQjtM Spearman rank correlation (rs N=23) cum m ulative length of upstream network variable score corridor extent upstream (km) 0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 all Saprobic index Bank -0.57 -0.70 -0.57 -0.52 Floodplain -0.53 -0.49 -0.55 -0.66 -0.74 -0.73 -0.62 -0.53 ASPT Bank 0.59 0.78 0.67 0.61 Floodplain 0.47 0.49 0.60 0.68 0.74 0.79 0.65 0.56 number of sensitive taxa Bank 0.58 0.59 0.42 0.56 0.79 0.86 0.70 0.64 Floodplain 0.65 0.65 0.68 0.77 0.86 0.86 0.69 0.59 Gathering collectors Bank -0.56 -0.73 -0.56 -0.49 Floodplain -0.57 -0.56 -0.60 -0.71 -0.76 -0.79 -0.58 -0.48 EPT-taxa (%) Bank 0.52 0.64 0.48 0.43 Floodplain 0.54 0.62 0.69 0.69 0.51 0.45 Oligochaeta (%) Bank -0.51 -0.54 -0.46 -0.59 -0.69 -0.43 Floodplain -0.51 -0.54 -0.58 -0.65 -0.73 -0.71 Chironomidae (%) Bank -0.42 Floodplain -0.44 -0.44 -0.49 -0.47 -0.43 number of EPT taxa Bank 0.54 0.54 0.54 0.70 0.80 0.64 0.58 Floodplain 0.66 0.63 0.64 0.76 0.84 0.78 0.56 0.47 number of Coleoptera taxa Bank 0.48 0.48 0.46 0.69 0.77 0.74 0.73 Floodplain 0.47 0.46 0.48 0.56 0.70 0.76 0.72 0.67 number of chironomid taxa Bank -0.47 -0.44 -0.52 -0.53 -0.43 Floodplain -0.65 -0.70 -0.73 -0.76 -0.73 -0.59 -0.61 -0.53 RIP scores vs. CORINE ARABLE LAND (Corine 211) URBAN LAND (Corine 112) 0.1 0.2 0.5 10 all catch 0.2 Ifloodplain score 0.1 0.2 0.5 10 all catch 4-> c .92 'u «t -0.4 ai o u c .2 -0.6 ai 8 -0.8 llllllll I ULI II I LLUIILI U ■ 1 I bank score Ifloodplain score MACROINVERTEBRATES vs. RIP scores ASPT CORINE Floodplain RIP-score Arable land in corridor 5 km upstream (%) FLOODPLAIN score (5 km) MACROINVERTEBRATES vs. RIP scores EPT taxa richness (similar pattern was found for Stone-dwelling taxa index - Braukmann) EPT taxa richness and BANK score (5 km) (r, N=23) 35 BANK score (5 km) Conclusions • newly developed scoring system of stream corridors based on aerial maps (RIP) • water chemistry is predominantly linked to large scale characteristics of stream corridor (10 km or entire stream network buffer) (F-score combines agriculture and urban pressures) • most of studied macroinvertebrate parameters was related to corridor characteristics within 2 or 5 km upstream the site • combination of both methods for corridors classification can result in efficient explanation of chemical and biological characteristics of fluvial ecosystems (e.g. first 2 km of RIP combined with large scale CORINE) 2. KOMPLEXNÍ HODNOCENI RENATURALIZACI (pilotní studie - bečva) 1EFARM 1. interakce mezi vodními a terestrickými ekosystémy v rámci různých prostorových škál říční sítě (říční koridory - využití krajiny - indikační charakteristiky makrozoobentosu) 2. komplexní hodnocení renaturalizací na řece Bečvě (význam dřevní hmoty, dynamika procesů, specifika typu toku) 3. revitalizace Kněhyně - říční sedimenty - hydraulické poměry v korytě (vazby bioty na typy substrátu, využití hydraulických parametrů pro klasifikaci říčních biotopů) WP4: Effects of river restoration Case studies REFORM WP4: Effects of river restoration Case studies Morava River renaturalization (gradual) natural hydromorphology upstream limited channel forming processes part of European-scale dataset ■ jí ■ ' y * ľ. *é RESTORATION REFARM 2. komplexní hodnocení renaturalizací (bečva) LOKALITY BECVA RIVER RIVER CHANGES INTIME before floods in 1997 | channelization channelization bank fixation bank fixation resectioning (trapezoid) resectioning (trapezoid) stagnation regulated (BOG) restored (BOV) regulated (BCG) restored (BCV) RIVER HABITAT TYPOLOGY RIVER HABITATS CENTRAL CHANNEL CHANNEL MARGINS ■ riffle run pool main channel side arms Fr>0.41 Fr<0.41 Fr<0.18 Fr>0.18 CH POOL M POOL S POOL I I i í.l|ft*l f Udí' _ r. i:. ; v I-lMI* Jowett, I.G. 1993. A method of objectively identifying pool, run, and riffle habitats from physical measurements. New Zealand Journal of Marine and Freshwater Research 27:241-248. Froude number (©) < 0,18 0,18-0,41 0,41 < i im- Research centre for toxic compounds in the environment Habitat HI - riffles Torrential habitats characterized by Froude number higher than 0.18. Quantity of benthic particulate organic matter and periphyton growths depends on magnitude and duration of high flows preceding sampling. HABITATS Habitat H2 - channel margins Low current velocity reflects in cummulation of fine sediments. Food sources and refugia for benthic macroinvertebrates are influenced by presence of riparian vegetation (shading, particulate organic matter, woody debris, roots). In shllow habitats with slow current the periphyton is developed. Habitat H3 - channel pools (glides) Habitats of main channel defined by Froude number lower than 0.18 and laminar form of flow. Habitat H4 - side arms Morphology of habitat is formed by erosive effect of high flows. Side arms are connected with main channel at the downstream part only for the majority of a year. Fine sediments with high proportion of organic matter dominate within substrate types. Groundwater inflow is affecting thermal regime and water chemistry of these habitats. HYDRAULIC MODEL Legend 0.00 0,01 -0.05 0.0&-0.1Q 0,11 - 0.20 0.21 -0.40 0,41 - o.eo 0.61 - a.BO 0.81 - 1.D0 1,01 -1,50 151-2 DC 2.01 - 3.DO Leg9nd 0.00 o.oi 0,05 I ! ^ 0,10 | 0.11 0,20 I I 0.21 0.40 1 1 0.41 0,60 1 0 GO ZH a',a1 1 OG 1 31 1,50 _| 1.51 2 DO H 2.01 3 00 Legend o.oo b 0 01 -0 05 b 0.06-0.10 0.11 -0.20 I | 0.21-0.40 I | 0.41-0.50 _ 0.61 -O.MI I | 0.&1 - 1.00 1-0-1-1.50 b 1,51-2,00 ■ 2,01 - 3 00 Legend o.oo ■ 0.01 j a D6 a M f I 0.31 I l 0.41 [ ]0.61 I I 0,61 1 D1 Legend ■ 0,01 a,os b 0.06 0,10 - 11 0 20 I 10.21 0.40 I 10,41 0,M 1 lo.oi 0,30 I 10 61 1.00 I | 1 Oi 1f50 1.51 z,m ^■2.01 3.0a Legend 0.00 0.01 D.00 0 06 u 10 Oil 0.20 [ ~] 0 21 0 40 041 0 60 1 1 0 6(1 I I 0 61 1 IXI ' 1 C-1 1 SO 1,51 2 00 2.01 3,00 FLOW REGIME I X X " x x^-_ M J J A S O 2005 CASE STUDIES 2004-2015 environmental conditions • habitat typology • hydraulic model • thermal regime • substrate (size structure) aigae main channel x side arms particle size / substrate stability chlorophyll macroinvertebrates fish • habitats, hydromorphology • habitats, hydromorphology • hydraulic drivers • seasons / habitats MACROI N VERTEBRATES - habitats MACROINVERTEBRATES habitat preference Legend B151 B152 B153 B154 B155 B156 B157 B158 B159 [%] Grazers and scrapers [%] Miners [%] Xylophagous Taxa [%] Shredders [%] Gatherers/Collectors [%] Active filter feeders [%] Passive filter feeders [%] Predators [%] Parasites b151 b152 b153 b154 b155 b156 b157 b158 b159 AUTUMN B151 B152 B153 B154 B155 B156J iB157| IB158 B159 [%] Grazers and scrapers b151 [%] Miners b152 [%] Xylophagous Taxa b153 [%] Shredders b154 [%] Gatherers/Collectors b155 [%] Active filter feeders b156 [%] Passive filter feeders b157 [%] Predators b158 [%] Parasites b159 SPRING 25 50 75 100 y r—^-^^^^h iviPTPr* « ° JL i O ■ 50 75 100 I Meters ■1 ® O PHYTOBENTHOS channel x side arms ooooooooooooooooooooooooooooooo ppp'^'^'^'^'^'^pppppppppppppppppppp'^'^ ^loo^cdr^o^cdcgioo^cgcdcgcdocdr^^iocdcgcdocd OT-CVlT-CVlT-CVIOCVIOT-OT-OT-tOT-CVlT-CVIOCVIOCVIOT-tOT-CVlT-CVI date 2,5 O CO její ponechání v korytě by podmínky posunulo k přirozenému stavu ■ rozšíření poznatků o vazbě bioty na typy substrátu a hydraulické podmínky-využití při bioindikaci 3. REVITALIZACE MALÝCH TOKŮ párové srovnání změn prostředí a makrozoobentosu 1. interakce mezi vodními a terestrickými ekosystémy v rámci různých prostorových škál říční sítě (říční koridory - využití krajiny - indikační charakteristiky makrozoobentosu) 2. komplexní hodnocení renaturalizací na řece Bečvě (význam dřevní hmoty, dynamika procesů, specifika typu toku) 3. vyhodnocení revitalizačních zásahů na malých tocích z hlediska rozdílů v parametrech prostredia společenstvech makrozoobentosu 4. říční sedimenty - hydraulické poměry v korytě (vazby bioty na typy substrátu, využití hydraulických parametrů pro klasifikaci říčních biotopů) 5. hydromorfologické aspekty zatížení těžkými kovy (říční biotopy, typy substrátu, bioakumulace ve vegetaci) 3. revitalizace malých toků DATA RE FARM 10 pairs of sites (regulated-restored) macroinvertebrates collected by PERLA method (WFD monitoring method) spring and summer samples (2005) restoration characteristics, site description provided by Water Research Institute TGM (Dr. Rozkošný) altitude: 170-780 m a.s.l. catchment area: 2.2-59.9 km2 restored stretch length: 0.4-10.0 km 3. revitalizace malých toků SOUHRN VÝSLEDKŮ REFORM ■ rozdíl většiny MZB metrik mezi regulovanými a revitalizovanými úseky není konzistentní napříč celým datovým souborem (Wilcoxonův test nevýznamný) ■ byly prokázány vazby některých charakteristik makrozoobentosu na parametry prostředí měněné revitalizačními zásahy ■ u jednotlivých revitalizací jsou směry změn protichůdné (abiota i biota) ■ vhodné by bylo stanovit referenční podmínky z hlediska hydromorfologie a porovnat s modelovaným referenčním společenstvem ■ změny společenstev jsou více ovlivňovány gradientem eutrofizace než hydromorfologickými změnami 3. revitalizace malých toků VÝSTUPY PRO PRAXI REEQRM ■ ukazují se směry, kterými by bylo vhodné upravit metodiky používané v rutinním monitoringu pro hodnocení ekologických dopadů revitalizací ■ zahrnutí poříčních tůní, rozdělení vzorků podle základních typů habitatů, termín vzorkování - pozdní léto-ranný podzim -> diferenciace habitatů z hlediska podmínek prostředí i biologických společenstev ■ významnou roli při hodnocení hrají stresory působící v povodí revitalizované lokality (eutrofizace) ■ pro přesnější vyhodnocení účinků revitalizace je třeba monitorovat soubor parametrů prostředí i biotu v uspořádání BACI (Before-After-Control-lmpacted) ■ potřeba ustanovení standardní metodiky, která by byla povinnou součástí schvalovacího procesu revitalizace 4. REVITALIZACE NA ÚROVNI HABITATŮ pilotní studie kněhyně 1. interakce mezi vodními a terestrickými ekosystémy v rámci různých prostorových škál říční sítě (říční koridory - využití krajiny - indikační charakteristiky makrozoobentosu) 2. komplexní hodnocení renaturalizací na řece Bečvě (význam dřevní hmoty, dynamika procesů, specifika typu toku) 3. vyhodnocení revitalizačních zásahů na malých tocích z hlediska rozdílů v parametrech prostredia společenstvech makrozoobentosu 4. říční sedimenty - hydraulické poměry v korytě (vazby bioty na typy substrátu, využití hydraulických parametrů pro klasifikaci říčních biotopů) 5. hydromorfologické aspekty zatížení těžkými kovy (říční biotopy, typy substrátu, bioakumulace ve vegetaci) • pollution (nutrients, toxic compounds) -> water quality * regulation/channelization -> physical habitat modification •flow regulation (hydrology) -> water quantity HYDROMORPHOLOGICAL DEGRADATION HYDROMORPHOLOGY hydrology, fluvial processes shape, structures, forms CHANNEL PATTERN (straightening, single channel stabilization) DECREASING CHAN MĚL STABILITY INCREASING SEDIMENT SUPPLY — bed material supply dominated channel* boulders, cobbles step-pool \ cascade t Q m «9 1 É I I i I lil 5 i g C y s lil II CHANNEL CROSS-SECTION BANK STABILIZATION Natural/unmodified Vertical/undercut Vertical + toe Steep (>45") Gentle Composite Artificial/modified Reseetioned Reinforced ■ whole bank Reinforced - top only Reinforced ■ toe Onry Artificial two-stage \- \ Poached Embanked —Z"1,- set-back embankments \y - Aroz laguny smzem terénu - STREAM RESTORATION Activity to improve the status of degraded waters, by improving either water quality or by changing hydromorphological conditions * water quality (pollution originating from settlement, agriculture, industry) stop/reduce waste water releases, support self-purification processes (bank, channel) * stream ecosystem (channelization, flow regulation, riparian zone) restore hydromorphological conditions - more natural flow regime, channel structure, floodplain STREAM RESTORATION Stream restoration, rehabilitation and remediation - what is the difference? * restoration - restoration project will restore an environment to its original condition * rehabilitation - improving the condition of a stream environment, even if not to its original condition, is a valuable exercise. Ecological rehabilitation is the re-establishment of a functional community with stable indigenous vegetation cover. It includes stabilisation and revegetation. * remediation - in cases when rehabilitation is not possible because the changes to the stream are too severe (inputs from the catchment will never support original conditions) aim is to improve ecological conditions * renaturalization - specific type of restoration caused by natural events (e.g. floods, gradual destruction of regulation structures) 4. revitalizace na úrovni habitatu - kněhyně LOKALITA Kněhyně stream restoration project + -h o 1143600 stabilizace oživenou kamennou rovnaninou stabilizace pat svahů a nivy - klejonáž čtvercová síť (100 m x 100m) ŠKL, šachta kanalizační lomová kanalizace - současný stav kanalizace - přeložka místo pro odběr vzorků vody LEGENDA -------osa hlavního koryta ..........— osa nivniho koryta ------------------ osa přít0ku -— — — Q 100 po revitalizaci -------začátek a konec úpravy - hranice pozemků dotčených stavbou břehové hrany koryta ----stabilizace konkáv dle vzorových řezů stabilizace brodů dnovými pasy Fig. 1. Location of sampling points at restored and regulated stretches of Knehyne stream (MU=unvegetated margins, MV=vegetated margins, P=channel pools, R=riffles, S=side arm pools). 4. revitalizace na úrovni habitatu - kněhyně LOKALITA w »1 HYDROMORPHOLOGY ENVIRONMENTAL PARAMETERS VxG difference (all habitats): • CPOM (V>G)* • phi+12 (V>G)* VxG difference (habitats): • MV: FPOM (Vŕímisf / ♦ l / hep tgen ► rhyilasp laetissp esolspl ♦ ga mmfoss ♦ habrci ♦ ♦ 11 >nf nperrl ♦ / naisa stylod; pi* ♦ itílisp P* ai ílojapo/ lidaege ♦ leuctrsp ' aisbret ♦ centlute ♦ liphidge simuorna nemogen ♦/ sphacorn 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 hydraulic preferences requentiy occured taxa were identified majority of taxa preferre lower Froude number in restored stretch ate REGULATED ENVIRONMENTAL PREFERENCES (weighted average) substrate (phi+12) O to LU REGULATED identified linkages between taxa and substrate particle • taxa occurred at finer substrate in restored stretch HYDRAULICS x BIOTA 35 30 25 T 20 03 ■Li H—1 o ^ 15 o O 10 0 Froude number x % Coleoptera abundance type=R RIFFLES mean_Froude numberColeoptera [%]: y = -1.3801 + 40.9296*x; r = 0.8047, p = 0.0005; r2 = 0.6476 -0.1 0.0 0.1 0.2 0 3 0.4 0.5 0.6 mean Froude number -1-1- -1-1- -'-'- -'-■-1 -1-1-■-1 -■—'—i —i—i—i—i V2£ V24 ° o -1-1-1- G65 -fl- V 1 H G42 P G51 V12 , —3-—r*— 8 i V11 o G56 o 355 ■ 0.7 0.8 habitat-specific relationships Kněhyně stream habitats SPECIFIC TAXA pools of lateral channel Radix labiata (V4) 0 Pyrrhosoma nymphula (V4) SPECIFIC TAXA riffles SPECIFIC TAXA pools (main channel) Leuctra sp. SPECIFIC TAXA vegetated marginal habitats (MV) SPECIFIC TAXA unvegetated marginal habitats (MU) 4. revitalizace na úrovni habitatu - kněhyně TEPLOTA 2014 2015 19 4. revitalizace na úrovni habitatů - kněhyně TEPLOTA t-1-1-1-1-1-r—■-1-r | channel_range 0 poolMC_range i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_ JASOND J F M AM 2014 2015 4. revitalizace na úrovni habitatů - kněhyně SOUHRN VÝSLEDKŮ ■ byla otestována klasifikace habitatů v podmínkách malého toku ■ prokázány habitatově specifické rozdíly mezi regulovaným a revitalizovaným úsekem toku ■ zaznamenány specifické podmínky v tůních sekundárního koryta (teplota, 02) ■ makrozoobentos v těchto tůních se strukturou lišil od všech ostatních habitatů a nejvýrazněji přispíval k rozdílu mezi revitalizovaným a regulovaným úsekem ■ přestože sekundární koryto nefunguje podle původního záměru projektu, přispívá k heterogenite parametrů prostředí i obohacení biodiverzity na revitalizované lokalitě ■ problémem je nedostatek sedimentů přinášených z povodí, zarůstání štěrkové lavice vrbami, hrázky budované rekreanty 4. revitalizace na úrovni habitatů - kněhyně VÝSTUPY PRO PRAXI REFORM ■ ověření funkčnosti principů hodnocení ekologických účinků revitalizace ■ podklady pro vyhodnocení reakce vodních organismů ■ informace o teplotním režimu, vodivosti a saturaci kyslíku (datalogery) ■ v budoucnu bude možné vyhodnotit účinky udržovacích prací (vegetace, zastínění) ■ zaznamenání sukcese společenstev (opakovaná vzorkování) ■ návrh indikátorů specifických pro revitalizovaný úsek ■ obecné principy využitelné i na jiných lokalitách současné a budoucí aktivity TÉMATA - ORGANICKÁ HMOTA VE VODNÍCH TOCÍCH Modelování faktorů ovlivňujících retenci, transport a využití organické hmoty ve vodních tocích Cíle projektu: 1) Vyhodnotit které faktory a na jakých prostorových škálách určují vlastnosti partikulované organické hmoty ve vodních tocích 2) Analyzovat interakce mezi parametry partikulované organické hmoty a dalšími faktory prostředí při utváření ekologické niky larev pakomárů ve vodních tocích ■ modely distribuce jemných říčních sedimentů ■ vysvětlení vlastností POM na základě faktorů různých prostorových úrovní ■ vztah POM a detritofágních konzumentů (larvy pakomárů) ■ terénní a laboratorní experimenty GAČR (2018-2020?) současné a budoucí aktivity TÉMATA - HISTORIE A BIODIVERZITA RYBNÍKŮ Čím starší, tím lepší? Vztah historického vývoje rybníků a jejich biodiverzity Cíle projektu: 1) Objasnit vztah mezi stářím a kontinuitou vývoje rybníků na jedné straně a jejich druhovou a funkční biodiverzitou na straně druhé 2) Zjistit, zda se vztah mezi biodiverzitou a kontinuitou vývoje liší napříč různými taxonomickými skupinami ■ recentní a subrecentní společenstva pakomárů ve vztahu k podmínkám prostředí ■ vazba pakomárů a vážek na vybrané typy rybničních biotopů a jejich parametry GAČR (2018-2020?) současné a budoucí aktivity TÉMATA STUDENTSKÝCH PRACÍ Vypsaná: 1) Spatial and temporal patterns of stream temperature 2) Chironomidae as model bioindicator of recent land use in catchment Potenciální: 3) Particulate organic matter in streams: drivers of retention, transport and processing 4) Chironomidae as model group for assessment of recent and historical conditions in ponds