Spatial modelling of salmonid microhabitats in regulated rivers

Abstract

Rivers and streams create important habitats for fish species of the Salmonidae family. Their natural habitats are threatened in many places since they are often affected by dams and other human-induced disturbance. Salmonid species have complex life cycles, and their habitat requirements vary by the life stage. Geospatial methods together with accurate field data allow modelling of real-world environments. Habitat modelling aims to map the potential habitat of a species based on different environmental variables. It also helps the restoration planning in regulated rivers. A methodology for microhabitat modeling in river environments was developed and tested. The source material was a two-dimensional hydraulic model point cloud. The workflow was tested with data from two regulated rivers, river Vuoksi in Finland and river Gullspång in Sweden. Two different study sites provided an opportunity to evaluate the model's functionality and the impact of parameter changes on model outputs. Habitat rules were defined for two target species, juvenile Atlantic salmon (Salmo salar) and brown trout (Salmo trutta). The flow velocity and water depth conditions what are considered as suitable habitat for the two target species were identified based on literature. The habitat suitability values form a habitat rule for both species and their two juvenile life stages (young of the year and parr), four rules in total. The aim of this research was to define and test a geospatial methodology for modelling microhabitat dynamics in rivers. The effect of different cell sizes and minimum habitat patch sizes on the predicted habitat area were analyzed. The hydraulic model was rasterized to three different cell sizes, 0.5, 1 and 2 m, to see the effect of the cell size. The impact of the analysis cell size on the predicted total area of habitat depended on study site and discharge, however compared to the total study area, the effect of different cell sizes was small. The effect of limiting the smallest habitat patches of the results was tested since fish need a large enough area of habitat to survive. The effect of patch size limitation on the predicted habitat area depended on the study site and the used cell size. Also, the quality and stability of habitats were analyzed statistically and visually. Different habitat rules significantly affected the predicted habitat extent. The suitability range was divided to the range of optimal and suitable habitat to visually analyze the quality. The analysis of overlapping habitat areas in different discharge conditions was determined to better understand where suitable conditions for juvenile salmonids persist in in complex and constantly changing river environments, since the amount of habitat varies based on discharge. The results showed that channel morphology affects the distribution and stability of habitats in varying discharges. The shift of habitat patch location is usually gradual when the discharge grows. The habitat modelling workflow resulted in a useful tool for future habitat analysis. The habitat modelling methodology which uses raster data about environmental conditions allows the user to choose different parameters, including the habitat rules, enabling an examination of their impact on the results. The same methodology can be utilized in different river environments, with different source data, and alternatively different habitat suitability rules. It was noted as part of this study that the modeler’s knowledge of the local environment is important when interpreting the results, since the results may vary significantly based on the study site. The developed methodology offers a flexible and useful tool for assessing fish habitats, with potential applications in restoration planning and environmental management, also in regulated rivers.

Joet ja purot luovat tärkeitä elinympäristöjä lohikaloille (Salmonidae). Niiden luonnolliset elinympäristöt ovat monin paikoin uhattuina, sillä ne altistuvat usein patojen ja muiden ihmisen aiheuttamien vaikutuksille. Lohikaloilla on monivaiheinen elinkierto ja niiden elinympäristö-vaatimukset muuttuvat niiden elinkierron vaiheen mukaan. Geospatiaaliset menetelmät yhdessä ajantasaisen kenttäaineiston kanssa mahdollistavat elinympäristöjen (habitaatti) mallintamisen. Habitaattimallinnuksen tavoitteena on kartoittaa lajin mahdollinen elinympäristö erilaisten ympäristömuuttujien perusteella. Sitä voidaan hyödyntää myös säänneltyjen jokien kunnostamisessa. Tutkielmassa kehitettiin ja testattiin menetelmä mikrohabitaattien mallintamiseen jokiympäristöissä. Lähdeaineistona oli kaksiulotteinen hydraulinen pistepilvimalli. Menetelmää testattiin kahden säännöstellyn joen, Suomen Vuoksi- ja Ruotsin Gullspång-joen, aineistoilla. Kaksi eri tutkimuspaikkaa tarjosivat mahdollisuuden arvioida mallin toimivuutta ja parametrien muutosten vaikutusta mallinnuksen tuloksiin. Habitaattisäännöt määriteltiin kahdelle kohdelajille, nuorille lohille (Salmo salar) ja taimenille (Salmo trutta). Veden virtausnopeus- ja syvyysolosuhteet, joita pidetään sopivina kohdelajeille, tunnistettiin kirjallisuuden perusteella. Habitaattien soveltuvuusarvot muodostavat habitaattisäännön molemmille lajeille ja niiden kahdelle nuorelle elämänvaiheelle (0+ ja 1+ 2+), eli yhteensä mallinnetiin neljä eri habitaattisääntöä. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli määritellä ja testata geospatiaalinen menetelmä mikrohabitaattien dynamiikan mallintamiseen joissa. Aineiston rasteroinnin eri solukokojen ja pienimpien habitaattilaikkujen rajaamisen vaikutusta ennustettuun elinympäristöön analysoitiin. Hydraulinen malli rasteroitiin kolmeen eri solukokoon, 0.5, 1 ja 2 m. Solukoon vaikutus mallin ennustamaan elinympäristön kokonaispinta-alaan riippui tutkimuspaikasta ja virtaamasta, mutta verrattuna koko tutkimusalueeseen kokoon eri solukokojen vaikutus ennustettuun habitaatin määrään oli pieni. Tulosten pienimpien habitaattilaikkujen rajoittamisen vaikutusta testattiin, sillä kalat tarvitsevat riittävän suuren habitaattialueen selviytyäkseen. Habitaattilaikun kokorajoituksen vaikutus ennustettuun habitaatin kokonaismäärään riippui tutkimuspaikasta ja käytetystä solukoosta. Lisäksi elinympäristöjen laatua ja pysyvyyttä analysoitiin tilastollisesti ja visuaalisesti. Eri habitaatti- säännöt vaikuttivat merkittävästi ennustettuun habitaatin laajuuteen. Habitaatin soveltuvuus kohdelajille jaettiin optimaalisen ja sopivaan habitaattiin habitaatin laadun visuaalista analysointia varten. Habitaattilaikkujen päällekkäisyyttä eri virtaamisolosuhteissa analysointiin, jotta voitaisiin paremmin ymmärtää, missä lohikalojen sopivat olosuhteet pysyvät riippumatta jatkuvasti muuttuvista jokiympäristön virtaamaolosuhteista. Tulokset osoittivat, että jokiuoman morfologia vaikuttaa habitaatin levinneisyyteen ja vakauteen. Habitaatin sijainnin siirtyminen tapahtuu yleensä asteittain virtaaman kasvaessa. Habitaattimallinnuksen menetelmä tuotti hyödyllisen työkalun tulevia elinympäristöanalyysiä varten. Ympäristöolosuhteiden rasteridataa käyttävän elinympäristömallinnuksen menetelmän avulla käyttäjä voi valita erilaisia parametreja, mukaan lukien elinympäristösäännöt, jolloin voidaan tarkastella niiden vaikutusta tuloksiin. Samaa metodologiaa voidaan hyödyntää eri jokiympäristöissä eri lähdetiedoilla ja vaihtoehtoisesti erilaisilla elinympäristön soveltuvuussäännöillä. Osana tätä tutkimusta todettiin, että mallintajan paikallisen ympäristön tuntemus on tärkeää tuloksia tulkittaessa, koska tulokset voivat vaihdella merkittävästi tutkimuspaikan mukaan. Kehitetty metodologia tarjoaa joustavan ja hyödyllisen työkalun kalojen elinympäristöjen arviointiin, jolla on potentiaalisia sovelluksia ennallistamis-suunnittelussa ja ympäristönhoidossa, myös säännellyissä joissa.