Transcript support de conférence

Vendredi 21 mars 2014
Que fait un poisson hydrauliquement et
hydrologiquement heureux
Stuart N. Lane
Institut des dynamiques de la surface terrestre
[email protected]
Introduction
64 hypothèses (ASF)
10 liés au bassin versant
dont 1 est « l’habitat »
2
Les rencontres de l'eau, 2014
Introduction
L’objective: si on va intervenir dans un bassin versant,
quelle devrait être la priorité ?
Lane, S.N., 2008. What makes a fish (hydrologically) happy? A
case for inverse modelling. Hydrological Processes, 22, 4493-5.
Que fait un poisson hydrauliquement et hydrologiquement
heureux ? (une considération à deux échelles)
3
Les rencontres de l'eau, 2014
L’échelle des tronçons
La notion de la qualité d’habitat
Mesurer
Transformer
Remerciements, Newson et Newson, 2000
4
1.
2.
où est-il possible de vivre ?
combien d'organismes peuvent être soutenus ?
Les rencontres de l'eau, 2014
L’échelle des tronçons
Mesures des biotopes physiques
Dry area
grain sizes
3cm resolution
image
shallow area
depths
shallow area
grain sizes
Traitement d'image automatisé permet l'extraction de la taille des grains et de la profondeur des informations pour
chaque image. Les mesures de la taille des grains ont une résolution de 1m2 et couvrent 86% de la branche
principale de la rivière. Cela représente l'équivalent de plus de 3 millions d'échantillons de la taille des grains et
500 000 mesures de profondeur répartis sur l'ensemble de la rivière.
5
Les rencontres de l'eau, 2014
L’échelle des tronçons
Biotopes physiques: par ex. profondeur
Echelle de variabilité (m)
L’arrivée d’un affluent
L’aval
Profondeur moyenne (cm)
Distance depuis l’aval (km)
Distance depuis l’aval (km)
6
Les rencontres de l'eau, 2014
L’amont
L’échelle des tronçons
Biotopes physiques: liens avec les poissons
L’arrivée d’un affluent
2.5
Par density
Tacons (n/m2)
des (count/m2)
Densité
2
1.5
Echelle de variabilité (m)
Saumon atlantique
Tacons
Parr density
Substrate suitable
Depth suitable
Distance depuis l’aval (km)
1
0.5
L’apporte des graviers et les seuils-mouilles
0
34
L’aval
36
38
7
40
Distance
river
mouth
Distance from
depuis
l’aval
(km) (km)
Les rencontres de l'eau, 2014
42
44
L’amont
46
L’échelle des tronçons
Biotopes physiques: morphologie et vitesse
Rem. G. Antoniazza
Lidar terrestre: 0.20 m résolution, 8 minutes de scan, 1.6 km x 0.3 km
8
Les rencontres de l'eau, 2014
L’échelle des tronçons
Biotopes physiques: modélisation hydraulique
Débit
minimum
Rem.
G. Antoniazza
Débit à plein bord
50
50
50
100
100
100
100
150
150
150
150
200
200
200
250
250
250
250
300
300
300
300
X distance (m)
50
Débit avec
inondations
200
0
350
350
50
100
150
350
50
9
100
150
0.1
0.2
0.3
350
50
Les rencontres de l'eau, 2014
100
150
50
100
150
Y distance (m)
L’échelle des tronçons
La notion de la qualité d’habitat
Mesurer
Remerciements, Newson et Newson, 2000
Transformer
1.
2.
où est-il possible de vivre ?
combien d'organismes peuvent être soutenues ?
10 Les rencontres de l'eau, 2014
L’échelle des tronçons
Option 1 : l’hypothèse de la variabilité
•
L’indice hydromorphique de la diversité (OFEV, 2012)
•
Quantifier la diversité des éléments hydromorphiques
•
La diversité (Δ) d’un paramètre i peut-être défini par
l’écart-type (σ) de ce paramètre normalisé par le
moyen (μ), avec une puissance n
æ so ö o
D o = ç1+ ÷
è mo ø
n
æ s1 ö 1
æ so ö o
æ sm ö m
D M = ç1+ ÷ ´... ç1+ ÷ ... ´ ç1+
÷
m
m
m
è
è
è
1ø
oø
mø
n
•
n
n
Avec plusieurs paramètres (m), on peut développer
un index de la diversité :
æ sd ö æ sv ö
D = ç1+ ÷ ç1+ ÷
è md ø è mv ø
2
profondeur
2
vitesse
æ s ö æ s ö2
çç1+ f ÷÷ ç1+ T ÷
è mf ø è mT ø
2
taille des grains température
Rem. OFEV, 2012
11 Les rencontres de l'eau, 2014
L’échelle des tronçons
Option 2 : l’ajoute des connaissances
écologiques
•
Quand tu
veux frayer,
qu'est-ce
que tu
aime?
Qu’est-ce que fait un poisson (par exemple)
hydrauliquement heureux ?
Moi? Un bon
endroit pour
mes œufs et un
copain pour les
fertiliser
C’est-à-dire, une
vitesse entre 0.45 et
0.55 m/s et une
profondeur entre 0.25
m et 0.40 m?
????
12 Les rencontres de l'eau, 2014
L’échelle des tronçons
Option 2 : l’ajoute des connaissances
écologiques
•
Qu’est-ce que fait un poisson (par exemple)
hydrauliquement heureux ?
www.fs.fed.us
13 Les rencontres de l'eau, 2014
Option 2 : l’ajoute des connaissances
écologiques
•
La notion de « préférence »
Vitesse
Pauvre
Vitesse
Médium
Vitesse
Bonne
Profondeur
Pauvre
Habitat
Pauvre
Habitat
Pauvre
Habitat
Peu bon
Profondeur
Médium
Habitat
Pauvre
Habitat
Bon
Habitat
Très bon
Profondeur
Bonne
Habitat
Peu Bon
Habitat
Très bon
Habitat
Excellent
Probabilité d’adhésion
L’échelle des tronçons
14 Les rencontres de l'eau, 2014
Pauvre
Médium
Bonne
1
0
Vitesse (m/s)
L’échelle des tronçons
Option 2 : l’ajoute des connaissances
écologiques
•
La notion de « préférence »
•
… mais
Armstrong, J.D. et al., 2003. Habitat requirements of Atlantic salmon and brown trout in rivers and streams.
Fisheries Research, 62, 143–170
15 Les rencontres de l'eau, 2014
Option 2 : l’ajoute des connaissances
écologiques
La notion de « préférence »
Vitesse
Pauvre
Profondeur
Pauvre
Habitat
Pauvre
Vitesse
Médium
Habitat
Pauvre
Vitesse
Bonne
Pauvre
Médium
Bonne
1
0
Vitesse (m/s)
Habitat
Peu bon
Profondeur
Médium
Habitat
Pauvre
Habitat
Bon
Habitat
Très bon
Profondeur
Bonne
Habitat
Peu Bon
Habitat
Très bon
Habitat
Excellent
Probabilité d’adhésion
•
Probabilité d’adhésion
L’échelle des tronçons
16 Les rencontres de l'eau, 2014
L’analyse « flou »
1
0
Vitesse (m/s)
L’échelle des tronçons
Biotopes physiques
Débit
minimum
Rem.
G. Antoniazza
Débit à plein bord
50
50
50
100
100
100
100
150
150
150
150
200
200
200
250
250
250
250
300
300
300
300
X distance (m)
50
Débit avec
inondations
200
0
350
350
50
100
150
350
50
100
150
0.1
0.2
0.3
350
50
17 Les rencontres de l'eau, 2014
100
150
50
100
150
Y distance (m)
L’échelle des tronçons
Habitat adéquation, frayage, saumon atlantique
HSI
Débit minimum
Débit à plein bord
1
0.6
5
HSI
0.7
poor
medium
good
1
10
0.85
0.6
Membership
0.5
Membership
0.85
0.6
10
0.4
poor
0.8
medium
good
Débit avec
inondations
0.
0.7
0.6
10
0.4
0.2
15
0
0
0.5
1
0.4 1.5
Depth (m)
20
0.3
poor
medium
good
1
25
25
Distance downstream (m)
0.3
Distance downstream (m)
20
0.
15
0
0
0.5
0.5
1
1.5
Depth (m)
20
0.4
1
25
poor
medium
0.3
good
0.2
0.1
0.8
Membership
30
0.2
0.6
30
0.4
0.1
0.
Membership
0.8
Membership
Distance downstream (m)
0.2
0.4
0.
0.
0.6
0.5
15
Membership
HSI
0.2
0.6
30
0.4
0.
0.
0.1
35
35
0.2
2
4
6
8
10
12
Distance from true right (m)
14
16
0
0
0
35
0.2
2
4
6 0.5 8
10
12
Distance from Velocity
true right(m/s)
(m)
1
14
16
18 Les rencontres de l'eau, 2014
0
1.5
0
0
0.
2
4
6 0.5 8
10
12
Distance from Velocity
true right(m/s)
(m)
141
16
0
1.5
L’échelle des tronçons
Habitat adéquation, frayage, saumon atlantique
25000
Par exemple – une
étude des effets de
la concession
demandée
Absolute habitat quality
20000
15000
Spaw ning
Nursery
Rearing
10000
5000
0
0
0.2
0.4
Com pensation flow (cum ecs)
19 Les rencontres de l'eau, 2014
0.6
L’échelle des tronçons
Mais avec des enjeux …
1. Une variabilité entre les espèces en terme de leurs besoins
2. L’analyse peut devenir très compliqué avec plusieurs espèces et ça
nécessite des solutions – par ex. macroinvertébrés, l’analyse par
groupe d’alimentation
3. Est-ce que les mesures d’un écologiste sont les mêmes qu’un
hydraulicien?
Ecoulement
Vitesse moyenne
0.435 ms-1
-0.1
0
0.1
Vitesse moyenne
0.300 ms-1
0.2
0.3
0.4
0.5
-0.1
-0.05
0
0.05
Hauteur
équivalent des
prévisions
Vitesse moyenne
0.155 ms-1
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
20 Les rencontres de l'eau, 2014
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
L’échelle des tronçons
Mais avec des enjeux …
1. Une variabilité entre les espèces en terme de leurs besoins
2. L’analyse peut devenir très compliqué avec plusieurs espèces et ça
nécessite des solutions – par ex. macroinvertébrés, l’analyse par
groupe d’alimentation
3. Est-ce que les mesures d’un écologue sont les mêmes qu’un
hydraulicien?
4. Les connexions sont de grande importance car souvent une espèce a
besoin de plusieurs endroits différents
5. La variabilité par temps est de grande importance
21 Les rencontres de l'eau, 2014
L’échelle des tronçons
L’accès aux refuges
HSI
Débit minimum
Débit à plein bord
1
0.6
5
HSI
0.7
poor
medium
good
1
10
0.85
0.6
Membership
0.5
Membership
0.85
0.6
10
0.4
poor
0.8
medium
good
Débit avec
inondations
0.
0.7
0.6
10
0.4
0.2
15
0
0
0.5
1
0.4 1.5
Depth (m)
20
0.3
poor
medium
good
1
25
25
Distance downstream (m)
0.3
Distance downstream (m)
20
0.
15
0
0
0.5
0.5
1
1.5
Depth (m)
20
0.4
1
25
poor
medium
0.3
good
0.2
0.1
0.8
Membership
30
0.2
0.6
30
0.4
0.1
0.
Membership
0.8
Membership
Distance downstream (m)
0.2
0.4
0.
0.
0.6
0.5
15
Membership
HSI
0.2
0.6
30
0.4
0.
0.
0.1
35
35
0.2
2
4
6
8
10
12
Distance from true right (m)
14
16
0
0
0
35
0.2
2
4
6 0.5 8
10
12
Distance from Velocity
true right(m/s)
(m)
1
14
16
22 Les rencontres de l'eau, 2014
0
1.5
0
0
0.
2
4
6 0.5 8
10
12
Distance from Velocity
true right(m/s)
(m)
141
16
0
1.5
L’échelle des tronçons
Mais avec des enjeux …
1. Une variabilité entre les espèces en terme de leurs besoins
2. L’analyse peut devenir très compliqué avec plusieurs espèces et ça
nécessite des solutions – par ex. macroinvertébrés, l’analyse par
groupe d’alimentation
3. Est-ce que les mesures d’un écologue sont les mêmes qu’un
hydraulicien?
4. Les connexions sont de grande importance car souvent une espèce a
besoin de plusieurs endroits différents
5. La variabilité par temps est de grande importance
6. C’est possible de sous-estimer l’habitat disponible car où se trouve un
poisson n’est qu’où un poisson peut s’habiter si la densité des
poissons est au maximum
7. C’est possible de surestimer l’habitat disponible car si tout l’habitat
est utilisé, le comportement des poissons peut changer
23 Les rencontres de l'eau, 2014
L’échelle des tronçons
… et, 8ième, un enjeu qui est clé
Est-ce que c’est vraiment l’habitat
qui est le paramètre vraiment limitant ?
24 Les rencontres de l'eau, 2014
L’échelle d’un bassin versant
Des hypothèses qui varient avec l’échelle
Scale of habitat
controls
Ecological Status
Catchment
Catchment
Salmonids
Land management
Hydrological connectivity
Diffuse pollution
Riparian
Riparian vegetation
Stock access
Bank erosion
Scale of
restoration
?
Changing land management
Breaking connectivity e.g.
buffer strips
Riparian
Stock exclusion fencing
Tree management
In-stream
In-stream
Hydraulic conditions
Substrate
Cover
Impassable barriers
Gravel cleaning
Boulder placement
25 Les rencontres de l'eau, 2014
L’échelle d’un bassin versant
River Eden
2’300 km2
26 Les rencontres de l'eau, 2014
L’échelle d’un bassin versant
After Crozier & Kennedy,
(1994) J. Fish. Biol.
27 Les rencontres de l'eau, 2014
L’échelle d’un bassin versant
Deux étapes:
1. Le développement des indices qui ont un signature
« écologique »
2. L’évaluation de ces indices avec des méthodes multi-variées à
identifier les échelles d’importance
Avec un enjeu clé – les deux étapes doivent être informés par les
poissons
28 Les rencontres de l'eau, 2014
L’échelle d’un bassin versant
Etape une: 1. Développement des indices : par ex. pollution
diffuse
Risque d’érosion
f (sol, utilisation, topographie)
Risque de connexion
f (topographie, hydrologie)
Dilution
f (hydrologie)
29 Les rencontres de l'eau, 2014
L’échelle d’un bassin versant
Potassium concentrations vs potential pollution risk
in the Upper Eden catchment
100
1
0
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
Potential risk due to connectivity and land use
Mean connectivity risk vs siltation of gravels
Mean relative connectivity risk
(scaled between 0 & 1)
Potassium (mg/l)
Potassium p<0.01
10
0.32
0.3
0.28
0.26
0.24
0.22
0.2
Siltation
No siltation
30 Les rencontres de l'eau, 2014
10
L’échelle
d’un
bassin
versant
10
10
10
0
-2
-1
Alevin,
Salmo trutta
0
Exceedance probability
Etape une: 1. Développement des indices
2
102
10
Fry
abundance
2
2002
2002
2
2002
2002
2
2005
2
2
2
10
10
2003
2003
2003
2003
10
0
0
10
0% sites
100% sites
2
0
10
-2
10
Fry abundance
1
10 1
10
Fry abundance
10
1
10
0
10 0
-2
1010
-2
10
2
10
2004
2004
1
-1
Fry
abundance
Fry abundance
0
2
Reaney S.R., Lane, S.N., Dugdale, L.J. and
1
10 1
10
Heathwaite, A.L., 2011. Risk-based modelling
of
diffuse land use impacts
upon
instream
ecology.
0
10 222, 1016-29
Ecological Modelling,
10
Exceedance probability
0
0
0
10
0
10
1
1
10
10
0
10
0
10 -2 -1-1
-1
-2
-1
10
10 0
10
10
10 10
10 10
Exceedance
probability
Exceedance
Exceedance probability
Exceedanceprobability
probability
2
10 2
10
10
-1
0
-2
-1
10
10
10 10 0
-1
-2 10
-1
10 probability
10
Exceedance
10
10
Exceedance
probability
Exceedance probability
Exceedance probability
0
Fry abundance
abundance
Fry
0
0
10
10 -2
-2
10
10
0
0
1010
2004
2004
10
11
10
10
Plus de connexion
0
0
10 10 -2 -1
-1
-2
-1
10 -1
10 0
10 10 10
10 10 10
Exceedance
probability
Exceedance
probability
Exceedance probability
Exceedance
probability
2
10 2
10
1
1
10 10
Moins de connexion
10 0
-2
10
10
-2
10
31 Les rencontres de l'eau, 2014
10 2
10
FryFryabundance
abundance
1
0
10
10 -2
-2
10
10
1
2
3
4
5
abundance
FryFryabundance
1
1
10
10
Fry abundance
Fry abundance
abundance
Fry abundance Fry abundance
10
abundance
FryFryabundance
Exceedance
probability
2
10 10
1
2005
2005
0
10100
2005
2005
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
10 1
10
0
10 0
-1
0
-1
1010-210 -1
10 10
0
-2
-1
10
Exceedance
10 10probability
10probability
Exceedance
Exceedance probability
Exceedance probability
0
10 0
10
L’échelle d’un bassin versant
Etape une: 1. Développement des indices
Année
2002
p valeur
(t-test)
Alevin:
présent
Alevin:
absent
0.0001
0.238
0.019
0.274
0.079
2003
0.0001
0.260
0.019
0.304
0.085
2004
0.0001
0.243
0.008
0.289
0.009
2005
0.05
0.249
0.024
0.269
0.020
Une grande crue, 2005
32 Les rencontres de l'eau, 2014
niveau de
connexion
(moyen)
erreurtype
L’échelle d’un bassin versant
Etape 2: méthodes multivariées
•
Images aériennes
•
Données topographiques
•
Intégration dans un SIG avec les
données semi-quantitatives liées
aux poissions
Rem. Lucy Dugdale, Eden Rivers Trust
33 Les rencontres de l'eau, 2014
L’échelle d’un bassin versant
Deux approches: 2. méthodes multivariées
(tronçon)
Rem. Lucy Dugdale, Eden Rivers Trust
34 Les rencontres de l'eau, 2014
L’échelle d’un bassin versant
Deux approches: 2. méthodes multivariées
« Le corridor riverain »
Rem. Lucy Dugdale, Eden Rivers Trust
35 Les rencontres de l'eau, 2014
Rem. Lucy
Dugdale, Eden
Rivers Trust
36 Les rencontres de l'eau, 2014
L’échelle d’un bassin versant
Etape 2: méthodes multivariées
Rem. Lucy Dugdale, Eden Rivers Trust
37 Les rencontres de l'eau, 2014
L’échelle d’un bassin versant
Etape 2: méthodes multivariées
Truite
2004
32.2%






2005
17.8%
Saumon

2004
24.6%




2005
15.0%
38 Les rencontres de l'eau, 2014
L’échelle d’un bassin versant
Application pratique
Niveau de
connexion
Haut
Bas
0.5 km
.
Selon Salmo trutta
Trop connecté
Connexion OK
Manque de couverture
Barrière
Les rencontres de l'eau, 2014
L’échelle d’un bassin versant
Application pratique
Rive gauche
Une clôture à exclure le bétail
Rive droite
Les rencontres de l'eau, 2014
Conclusions
1. Les dernières années, les méthodes disponibles à gérer les bassins
versants à améliorer l’écologie ont développé énormément
2. Mais la majorité des méthodes dépendent sur notre connaissance
écologique … et …
3. … les hydrauliciens et les hydrologistes souvent prennent des
hypothèses qui ne sont pas justes dans les méthodes qu’ils proposent
4. Les meilleures approches impliquent une collaboration forte entre les
disciplines
5. Deux grande question scientifiques
a. Est-ce possible d’introduire un traitement plus dynamique?
b. Les scientifiques ont développé des méthodes à déterminer ce que les
poissons etc. aiment – mais est-ce qu’ils peuvent « parler » pour les
poissons?
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Remerciements
• Lucy Dugdale, Alistair Maltby and the Eden Rivers Trust
• Patrice Carbonneau, Durham University and Normand Bergeron INRS
Québec
• Sim Reaney, Durham University
• David Mould, JBA Consulting
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Lectures
[email protected]
•
Carbonneau, P.C., Lane, S.N. and Bergeron, N., 2003. Low cost close range digital photogrammetry for the quantification of
fish habitat. International Journal of Remote Sensing, 24, 2837-2854.
•
Dugdale, L.J., Lane, S.N. and Maltby, A., 2006. Achieving a rapid assessment of the river environment: what can remote
sensing do to help? Proceedings of the Institute of Fisheries Management Annual Conference 2005
•
Carbonneau, P.E., Bergeron, N.E. and Lane, S.N., 2005. Texture based image segmentation applied to the quantification of
superficial sand in salmonid river gravels. Earth Surface Processes and Landforms, 30, 121-7.
•
Lane, S.N., Mould, D.C., Carbonneau, P.E., Hardy, R.J. and Bergeron, N.E., 2006. Fuzzy modelling of habitat suitability using
2D and 3D hydrodynamic models: biological challenges. Riverflow 2006, Balkema, Netherlands.
•
Lane, S.N. and Carbonneau, P., 2007. High resolution remote sensing for understanding instream habitat. Iin Wood, P.J.,
Hannah, D.M. and Sadler, J.P., Hydroecology and Ecohydrology, 185-204.
•
Lane, S.N., 2008. What makes a fish (hydrologically) happy? A case for inverse modelling. Hydrological Processes, 22, 44935.
•
Reaney S.R., Lane, S.N., Dugdale, L.J. and Heathwaite, A.L., 2011. Risk-based modelling of diffuse land use impacts upon
instream ecology. Ecological Modelling, 222, 1016-29
•
Maynard, C.M. and Lane, S.N., 2012. Reservoir compensation releases and the ecology of the River Derwent,
Northumberland, UK: a longitudinal study. River Research and Applications, 28, 692–702.
•
Milledge, D.G., Lane, S.N., Heathwaite, A.L. and Reaney, S.M., 2013. A Monte Carlo approach to the inverse problem of
diffuse pollution risk in agricultural catchments. Science of the Total Environment, 433, 434-49.
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