Noack Markus

Modelling Approach for Interstitial Sediment Dynamics and Reproduction of Gravel Spawning Fish
Modellierung der Dynamik instirialer Sedimente und die Reproduktion kieslaichender Fische

Project Number: CH-4051

Project Type:	Dissertation
Project Duration:	07/01/2009 - 06/30/2012 project completed
Funding Source:	other ,
Project Leader:	Herr Markus Noack Leiter Verusuchsanstalt für Wasserbau VAW Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft B-311A Moltkestr. 30 DE-76133 Karlsruhe Germany Phone: +49 (0) 721 925 2619 e-Mail: markus.noack(at)hs-karlsruhe.de

Research Areas:


Biodiversity

Disciplines:


zoology
ecology
general biology
environmental sciences
hydrology, limnology, glaciology

Keywords:
- Habitat Modelling - Sediment Dynamics - Brown Trout - Morphodynamic Modelling - CASiMiR -

Abstract:
Final 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.

Leading questions:
Der Fokus der Promotion liegt in der Implementierung von hydro- und morphodynamischen Prozessen in die physikalischen Habitatmodellierung, um Habitatveränderungen durch dynamische Prozesse (Hochwasser, Sedimentumlagerungen etc) vor und während der Reproduktion zu bewerten. Die Schwerpunkte sind nachfolgend gelistet: 1. Entwicklung einer Methode um die Qualität des hyporheischen Interstitial zu beschreiben basierend auf den Ergebnissen einer detaillierten dreidimensionalen numerischen Modellierung (Beschreibung vertikaler Austauschprozesse, Substrateigenschaften in verschiedenen Sedimentschichten, Permeabilität, Porosität usw.) 2. Identifizierung von Schlüsselparametern zur Beschreibung des Reproduktionsqualität und Formulierung von Habitatansprüchen. Für jedes Alterstadium während der Interstitialphase (Laichphase – Ei – Larve – Emergenz) müssen Ansprüche an den Lebensraum definiert werden, um die abiotische Umwelt mit den biologischen Anforderungen der jeweiligen Entwicklungsphase zu verknüpfen. Hierfür ist eine enge Zusammenarbeit mit Fischbiologien unerlässlich. 3. Entwicklung eines mehrstufigen fuzzy-logischen Ansatzes zur Bestimmung eines Reproduktions-Eignung-Index (RSI=Reproduction-Suitability-Index). Der Ansatz berücksichtigt die gesamte Reproduktionsphase und die biologische Reaktion der verschiedenen Entwicklungsstadien auf sämtliche auftretenden dynamischen Prozesse (hydrodynamische und morphodynamische Prozesse). 4. Der Ansatz erlaubt die Ableitung von dynamischen Habitatansprüchen um z.B. folgende Fragen zu beantworten: Wie häufig sind Substratumlagerungen, Substratdurchmischungen notwendig, um ausreichende Substratbedingungen für eine erfolgreiche Reproduktion zu gewährleisten? Wie lange sind Niedrigwasserphase mit keinen oder geringen dynamischen Prozesse für eine Reproduktion verträglich? Wie lange sind nach einem Hochwasser geeignete Reproduktionsbedingungen vorhanden, bevor die Sohle erneut kolmatiert oder sich eine Deckschicht ausbildet? Habitatmodelle können selbstverständlich nur unter Annahme verschiedener Vereinfachungen die Komplexität aquatischer Ökosysteme repräsentieren. Die bisher grössten Einschränkungen sind die nicht Berücksichtigung von biologischen Interaktionen und Prozessen wie Wachstum, Nahrungsverfügbarkeit, Räuberdruck, Dominanz etc sowie die Vernachlässigung dynamischer Prozesse im Fliessgewässer. Alle Ansätze weltweit berücksichtigen lediglich eine konstante Substratverteilung der Sohle und vernachlässigen Erosions- und Sedimentationsflächen, obwohl insbesondere die Qualität des hyporheischen Interstitial einen massgeblichen Einfluss auf eine erfolgreiche Reproduktion hat, welche wiederum Basis für eine gesunde Populationsentwicklung einer Fischart ist. Ein Ausblick in die Zukunft wäre die Implementierung dieses Ansatzes (Simulation der Eignung von Fliessgewässern zur Reproduktion unter Berücksichtigung dynamischer Effekte) in ein Populationsmodell.

URL: http://www.iws.uni-stuttgart.de/publikationen/abstract.php?text=2769

Publications:
Noack, M. Schneider M. (2009): Impacts of Hydropeaking on juvenile fish habitats: A qualitative and quantitative evaluation using the habitat model CASiMiR. 7th International Symposium on Ecohydrau-lics, Concepcion, Chile

Noack, M.: Modelling approach for interstitial sediment dynamics and reproduction of gravel-spawning fish. Promotionsschrift Nr. 214, Mitteilungsheft des Instituts für Wasserbau Nr. 214 (Dissertation) Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart, 9/2012. ISBN: 978-3-942036-18-4
pdf Dissertation

Noack, M., J. Ortlepp & S. Wieprecht 2015. Simulations of spawning habitats for brown trout in an Alpine river reach using a two-stage multivariate fuzzy-logical approach. eco.mont 7-2: 41-49.
doi:10.1553/eco.mont-7-2s41
http://epub.oeaw.ac.at/0xc1aa500e_0x00324714.pdf

Last update: 7/18/17
Source of data: ProClim- Research InfoSystem (1993-2024)
Update the data of project: CH-4051

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