Změny sladkovodních ekosystémů v prostoru a čase Z8025 (učebna Z2, pondělí 16.00-17.50) 12. Časo-prostorové aspekty adaptačních opatření a revitalizací degradovaných ekosystémů Mgr. Karel Brabec, Ph.D. brabec@sci.muni.cz SYLABUS 1. Úvod – teoretické koncepty 2. Prostorové škály říční krajiny 3. Změny vodních toků v podélném profilu 4. Laterální a vertikální interakce vodních toků s okolním prostředím 5. Stojaté vody – vztahy k povodí, procesy ve vazbě na prostorové členění 6. Dlouhodobé trendy ve vývoji vodních ekosystémů 7. Sezonní dynamika faktorů prostředí a biologických společenstev 8. Teplotní režim povrchových vod 9. Ekologické aspekty průtokového režimu a hydraulických podmínek 10. Antropogenní modifikace vodních ekosystémů (se zřetelem na časoprostorové aspekty) 11. Potenciální dopady změn klimatu ve sladkovodních ekosystémech 12. Časo-prostorové aspekty adaptačních opatření a revitalizací degradovaných ekosystémů 13. Případové studie DEGRADACE VODNÍCH EKOSYSTÉMŮ • znečištění (živiny, toxické látky) → kvalita vody • regulace (regulation/channelization) → fyzikální změny habitatů • regulace průtoku → kvantita vody 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 NÁPRAVA DEGRADACÍ • revitalizace (restoration) restoration project will restore an environment to its original condition • rehabilitace (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. • renaturalizace (renaturalization) specific type of restoration caused by natural events (e.g. floods, gradual destruction of regulation structures) • remediace (remediation) – např. fytoremediace 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 Stream restoration, rehabilitation and remediation – what is the difference? REMEDIACE – PŘÍKLAD KONTAMINACE KOVY Ex Situ • odvodnění • rozdělení frakcí sedimentů (jemné obsahují hodně kontaminantů) • promývání půdy • zeskelnění (zahřívání na vysokou teplotu) REMEDIACE – PŘÍKLAD KONTAMINACE KOVY In Situ • fytoremediace • in situ zeskelnění • in situ promývání • zpevnění, stabilizace • elektrokinéza • překrytí půdy a sedimentů ČASOVÝ A PROSTOROVÝ ASPEKT REVITALIZACÍ • BACI schéma – revitalizovaný vs. původní (regulovaný) úsek • data umožňující časové srovnání BACI vzácné (Before-After) • časové nebo prostorové určení referenčních podmínek • časoprostorový aspekt degradace • indikátory • komplexní revitalizace na různých prostorových škálách • udržování revitalizací REVITALIZACE STOJATÝCH VOD • odstranění/zmírnění přítoku s kontaminujícími látkami (nebo živinami) • přítok – usazování – reaktivita plavenin/sedimentů • průhlednost – makrofyta • pobřežní vegetace (tlumení vlivů okolní krajiny) • charakter povodí (vegetace, využití krajiny, bodové zdroje v povodí) REMEDIACE – PŘÍKLAD EUTROFIZACE Brněnská přehrada • sinice • odtěženo 320 tun naplavenin • dno vyvápněno • instalace přes 20 tzv. aeračních věží, které mísí vodu a provzdušňují ji, což znesnadňuje růst sinic • změnila se i rybí obsádka; z nádrže bylo odvezeno 11200 kusů bílých ryb a nahradilo je 4400 štik a 12500 candátů, kteří vodu tolik neznečišťují • udržovat kvalitu vody pomáhá vsypávání síranu železitého (sráží fosfor) do přehrady a sbírání biomasy z její hladiny REMEDIACE – PŘÍKLAD EUTROFIZACE (BRNĚNSKÁ PŘEHRADA) opatření v povodí • modernizace nebo stavba nových čistíren a kanalizací • u malých obcí je řešením i vytváření biotopů s mokřady s kořenovým samočisticím systémem • srážení fosforu na přítoku REVITALIZACE • v korytě (in-stream) • říční koridor/pobřežní vegetace • povodí 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 1. ŘÍČNÍ KORIDORY FUNKCE REVITALIZACE ŘÍČNÍCH EKOSYSTÉMŮ Program revitalizace říčních systémů (od roku 1992) • záměrem bylo obnovení funkce vodních ekosystémů v krajině • vyhlášen po suché zimě a ohrožení zdrojů vody pro Prahu • málo komplexních akcí • často nejasný přínos pro obnovu přirozených procesů a společenstev • odbahňování rybníků časové etapy • 1. generace – původní trasa, původní profil koryta, původní opevnění – vkládání spádových objektů, tůní a prohlubní • 2. generace – nová trasa, nové mělčí koryto, odstranění opevnění • 3. komplexní řešení v rámci pásu údolní nivy, napojení revitalizace toku na okolí REVITALIZACE MALÝCH TOKŮ TYPY OPATŘENÍ Hodnocení revitalizací – případové studie • renaturace (povodeň) • korytotvorné procesy • biota a ekologické procesy specifické pro jednotlivé habitaty • hydraulické modely - sedimenty • funkce dřevní hmoty Bečva Hodnocení revitalizací – případové studie Morava • renaturalizace (pozvolná) • přírodě blízké hydromorfologické podmínky proti proudu • omezené korytotvorné procesy BEČVA Povodí specific runoff VODNOST 0-3 3-6 6-10 10-15 15-25 >25 BOV BCV BCG altitude 219 254 255 catchment area (km2 ) 1527 1222 1222 slope (m/km) 2.23 2.55 1.69 KOMPLEXNÍ HODNOCENÍ RENATURALIZACÍ (BEČVA) LOKALITY změny řeky Bečvy v čase před povodněmi 1997 po povodních 1997 2. vojenské mapování, 1819-1858 PROSTOROVÉ SCHÉMA STUDIE Bečva – Osek Bečva – Černotín kanalizace zpevnění břehů změna příčného profilu stagnace kanalizace zpevnění břehů změna příčného profilu regulovaný (BOG) revitalizovaný (BOV) regulovaný (BCG) revitalizovaný (BCV) FYTOBENTOS koryto x pobřežní tůně 0 50 100 150 200 250 01.09.04 15.09.04 29.09.04 13.10.04 27.10.04 10.11.04 24.11.04 08.12.04 22.12.04 05.01.05 19.01.05 02.02.05 16.02.05 02.03.05 16.03.05 30.03.05 13.04.05 27.04.05 11.05.05 25.05.05 08.06.05 22.06.05 06.07.05 20.07.05 03.08.05 17.08.05 31.08.05 14.09.05 28.09.05 12.10.05 26.10.05 date discharge(m3 .s-1 ) -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 temperature(°C) Qa water temperature air temperature 2.5.05 25.5.05 21.7.05 3.10.05 T1_5 T1a_5 T2_5 T3_5 T4_5 T5_5 T1_6 T2_6 T3_6 T4_6 T5_6T1_7 T2_7 T3_7 T4_7 T5_7 T1_8 T2_8 T4_8 T5_8 T6_8 T1_10 T2_10 T3_10 T4_10 T5_10 T5a_10 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 MDS1_BC -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 MDS2_BC T1_5 T1a_5 T2_5 T3_5 T4_5 T5_5 T1_6 T2_6 T3_6 T4_6 T5_6T1_7 T2_7 T3_7 T4_7 T5_7 T1_8 T2_8 T4_8 T5_8 T6_8 T1_10 T2_10 T3_10 T4_10 T5_10 T5a_10 S FYTOBENTOS koryto x pobřežní tůně RYBY habitatová studie (Bečva-Černotín, 2006) number of individuals speciesnumber 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 1 2 3 4 5 6 7 8 G14 G18 G19 G16 G15 G21 G13 G17 G20 R3 R11 R12 R9 R10 R1 R2 R4 R5 R6 R8 R_Ghab: G_M R_Ghab: G_P R_Ghab: G_R R_Ghab: G_TECH R_Ghab: R_LWD R_Ghab: R_M R_Ghab: R_R R_Ghab: R_S technolithal LWD RYBY škála úseku toku (Bečva-Osek, 2014) critically threatened species Becva-Osek REG REST Species Total Total Species-English Blicca bjoerkna 1 Silver Bream Tinca tinca 1 Tench Carassius auratus 2 Goldfish Vimba vimba 5 Vimba Rhodeus amarus 3 1 Bitterling Gobio gobio 3 53 Gudgeon Gobio kessleri 4 17 Kessler`s Gudgeon Alburnoides bipunctatus 4 155 Riffle minnow Perca fluviatilis 6 2 Perch Pseudorasbora parva 9 5 Stone moroco Alburnus albidus 10 163 Stoneloach Squalius cephalus 195 136 Chub Barbatula barbatula 4 Stoneloach Leuciscus leuciscus 15 Dace Chondrostoma nasus 37 Nase Barbus barbus 303 Barbel škála habitatu (Bečva-Černotín, 2006) Becva - Cernotin species short code REG REST Anguilla anguilla AN 1 0 Chondrostoma nasus CN 1 1 Perca fluviatilis PF 1 4 Rutilus rutilus RR 1 6 Alburnus alburnus AA 1 23 Phoxinus phoxinus PP 3 2 Barbatula barbatula NB 17 6 Alburnoides bipunctatus AP 20 48 Barbus barbus BB 57 67 Gobio gobio GG 59 59 Leuciscus cephalus LC 194 360 Pseudorasbora parva PR 0 1 Tinca tinca TT 0 1 11 1212 12total number of taxa total number of taxa macroinvertebrates 11 vs 33 (main sample) 18 vs 33 (marginal habitats only) May 27-30 2005 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 05/27/05 00:00:00.0 05/27/05 06:00:00.0 05/27/05 12:00:00.0 05/27/05 18:00:00.0 05/28/05 00:00:00.0 05/28/05 06:00:00.0 05/28/05 12:00:00.0 05/28/05 18:00:00.0 05/29/05 00:00:00.0 05/29/05 06:00:00.0 05/29/05 12:00:00.0 05/29/05 18:00:00.0 05/30/05 00:00:00.0 05/30/05 06:00:00.0 05/30/05 12:00:00.0 05/30/05 18:00:00.0 TIME watertemperature(°C) pool channel • hydraulika • substráty • teplota • zamrzání • chemismus vody • povrchové a podzemní vody Pobřežní tůně 0 5 10 15 20 25 30 35 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 °C 24/5 - 31/7 2005 channel side arm ZÁVĚRY - habitaty i společenstva jsou více diferencovány na podzim (ve srovnání s jarem) - vztahy mezi biotou a parametry prostředí byly popsány pro 4 typy habitatů (pobřežní tůně, okraj hlavního koryta, peřeje a tišiny hlavního koryta) - podobné ekologické vztahy byly zaznamenány v podmínkách středně velkého i malého toku (Bečva vs. Kněhyně) - renaturalizace jsou limitovány malou délkou úseků toků, odstraňováním dřevní hmoty z koryta, boční eroze je limitována požadavky vlastníků pozemků - výsledky na škále habitatů umožňují lépe navázat biologickou odezvu na jednotlivé hydromorfologické struktury  navržena klasifikace habitatů vycházející ze struktury a procesů fluviálních ekosystémů  vyhodnocena prostorová distribuce bioty (makrozoobentos, fytobentos, ryby) vůči faktorům prostředí  sezónní dynamika průtoku, teploty vody, chemismu, makrozoobentosu a fytobentosu  vytvořen model hydraulických parametrů v korytě pilotní lokality + rozsah jednotlivých habitatů při různých průtocích KOMPLEXNÍ HODNOCENÍ RENATURALIZACÍ (BEČVA) SOUHRN VÝSLEDKŮ  ekologické projevy samovolné renaturalizace po povodních  podklady pro vytvoření metodik hodnocení renaturalizací  vyhodnocen význam příbřežních habitatů  pozorován význam dřevní hmoty pro vytváření pestré mozaiky habitatů s přirozenou sezónní dynamikou → její ponechání v korytě by podmínky posunulo k přirozenému stavu  rozšíření poznatků o vazbě bioty na typy substrátu a hydraulické podmínky – využití při bioindikaci KOMPLEXNÍ HODNOCENÍ RENATURALIZACÍ (BEČVA) VÝSTUPY PRO PRAXI • 10 párů lokalit (regulovaný-revitalizovaný úsek) • bentičtí bezobratlí odebraní metodou PERLA (WFD monitoring) – jarní a letní vzorky (2005) • charakteristiky revitalizace, popis lokalit • data poskytnutá Výzkumným ústavem vodohospodářským TGM (Dr. Rozkošný) • nadmořská výška: 170-780 m n.m. • plocha povodí: 2,2-59,9 km2 • délka revitalizovaného úseku: 0.4-10.0 km REVITALIZACE MALÝCH TOKŮ DATA Brabec et al., in prep. REVITALIZACE MALÝCH TOKŮ SOUHRN VÝSLEDKŮ – CHARAKTERISTIKY HABITATŮ Brabec et al., in prep. REVITALIZACE MALÝCH TOKŮ SOUHRN VÝSLEDKŮ - HYDROMORFOLOGIE Brabec et al., in prep. REVITALIZACE MALÝCH TOKŮ SOUHRN VÝSLEDKŮ – DIVERZITA, ŠKÁLY Tab. 1. Number of macroinvertebrate taxa in degraded (D) and restored (R) stretches; R+ is number of taxa unique for degraded (R-) or restored (R+) stretch – pairwise comparison; C represents number of common taxa within a pair; Total number indicates sum of taxa found within pairs alltogether. P10 P16 P2 P5 P13 P19 P20 P21 P8 P9 R+ 16 13 12 11 14 10 9 13 16 18 R- 16 10 6 12 20 19 24 10 28 13 C 9 6 8 13 14 26 18 17 29 13 Total 41 29 26 36 48 55 51 40 73 44 R 25 19 20 24 28 36 27 30 45 31 D 25 16 14 25 34 45 42 27 57 26 Brabec et al., in prep. REVITALIZACE MALÝCH TOKŮ SOUHRN VÝSLEDKŮ – SUBSTRÁTOVÉ PREFERENCE BEZOBRATLÝCH Brabec et al., in prep. REVITALIZACE MALÝCH TOKŮ SOUHRN VÝSLEDKŮ – POTRAVNÍ STRATEGIE Brabec et al., in prep. REVITALIZACE MALÝCH TOKŮ SOUHRN VÝSLEDKŮ  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 Brabec et al., in prep. 3. REVITALIZACE MALÝCH TOKŮ VÝSTUPY PRO PRAXI  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-Impacted)  potřeba ustanovení standardní metodiky, která by byla povinnou součástí schvalovacího procesu revitalizace Brabec et al., in prep. HYDROMORPHOLOGICAL DEGRADATION HYDROMORPHOLOGY hydrology, fluvial processes shape, structures, forms CHANNEL PATTERN (straightening, single channel stabilization) CHANNEL CROSS-SECTION BANK STABILIZATION 4. REVITALIZACE NA ÚROVNI HABITATŮ - KNĚHYNĚ LOKALITA Catchment area: 18 km2 Altitude: 525 m Stream length : 6.8 km Kněhyně stream restoration project 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). Kalivodová et al., in prep. 4. REVITALIZACE NA ÚROVNI HABITATŮ - KNĚHYNĚ LOKALITA Kalivodová et al., in prep. HYDROMORPHOLOGY HYDROMORPHOLOGY ENVIRONMENTAL PARAMETERS VxG difference (all habitats): • CPOM (V>G)* • phi+12 (V>G)* mineral substrate (phi+12) (particle size) VxG difference (habitats): • MV: FPOM (V 0.18 Fr ≤ 0.18 { CH_RNRF CH_POOL M_POOL S_POOL Q = 13.5 m3.s-1 RIVER RESTORATION • 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 GRANT NO. 282656 REstoring rivers FOR effective catchment Management (2011-2015)