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Simulación del Hábitat y yRestauración Fluvial
Jornada Técnica del CIREF1-junio-2010
Paco Martínez-Capelhttp://personales.gan.upv.es/[email protected]
Simulación del Hábitat Físicopara especies acuáticas
• Comienza en los 70 con el acoplamiento de conocimientos hidráulicos ybiológicos, dentro del marco metodológico IFIM, en la fase de simulación delhábitat físico (PHABSIM)hábitat físico (PHABSIM)
• Se inicia con salmónidos, se ha aplicado con numerosos peces,invertebrados y uniónidos
• Este enfoque dio lugar a un nuevo campo: Ecohydraulics• Requiere traducir la hidráulica en ecología: mediante modelos que indiquen
la idoneidad del hábitat para el organismo/s acuáticos: “biological response”
• Modelos de Idoneidad de Habitat (Def.): Funciones matemáticas queintentan describir como un organismo selecciona los microhábitats(hábitat físico), ó la probabilidad de su presencia ó sus densidades endi ti t i hábit t tá t d i d t 0 (i t bl
Foto: Álvarez Halcón Foto: C. McCullough Foto: R. Nelson
distintos microhábitats, y están estandarizadas entre 0 (inaceptable amedio-largo plazo-?-) y 1 (máxima idoneidad).
Foto: 20minutos/EFE
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Modelos de Idoneidad del HábitatInicio – descripción de datos empíricos
• Rangos de Idoneidad de microhábitat (estándar, no paramétrico, percentiles)
• Curvas de idoneidad: Uso de Microhábitat (univariantes)
BB large (n=113)BB mid (n=187)BB small (n=39)
Curvas Uso - Barbo Adulto (por registros)
1.0Barbo adulto (curva de uso –envolvente)
• Curvas de Idoneidad
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000
Profundidad (m)
Ind
ice Id
on
eid
ad
GUADIELA (N=53) SORBE (N=22) Envolvente
Condicionadas- Con vegetación curvas A- Sin refugio curvas B- Aguas turbias o claras, etc.(consideraban interacciones
básicas entre variables)
Test Uso Selectivo (por tramo, especie y etapa de desarrollo)
Modelos de Idoneidad del HábitatProblemática
• Se debe dar igual peso a todas las variables? (velocidad media, profundidad, velocidad focal, sustrato, refugio, tensión cortante, nº Froude…)
( y )
Martínez-Capel, 2000
Para en 9 tramos de río
Variable %
Profundidad 71
Velocidad 61
Refugio 39
Sustrato 18
cuenca del Tajo
Comparativa entre 3 ciprínidos: Barbo, Boga, Cacho:• Profundidad: diferencias signif. entre clases de talla• Velocidad media y focal: diferencias signif. entre especies• Altura focal: diferencias signif. entre especies
Martínez-Capel, 2009
Fish. Mgmt. & Ecology
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Modelos de Idoneidad del HábitatProblemática
• Son transferibles los resultados de un tramo a otro?...
• El test clásico (mediante Chi2) propuesto por Thomas & Bovee (1992) erapara rangos de idoneidad de uso. Cuando se produce una sobrecorrecciónpor curvas de preferencia el test muchas veces es negativo.
Salmo trutta fario (>30 cm)
15
20
25
30
35
40
Fre
cuen
cia
Sustrato - Barbo adulto -Guadiela
40
60
80
100
• Calado y Velocidad más extrapolables, particularidades en refugio y sustrato
Sustrato - Barbo adulto - Sorbe
60
80
100
• Otra método es validar un modelo multivariante en tramos diferentes con unmodelo explícito: geo-referenciando localización de peces en SIG
0
5
10
Sin Ref
.
Cornisa
Raices
BoloVeg
.
Sombr
a
Mad
era
Comb.
Frec. Júcar (N=26) Frec. Cuervo (N=29)
Frec. Cenia (N=24) Frec. Guadiela (N=51)
0
20
Limo Arena Gravilla Grava Cantos Bloques G.Bloques
R. Madre
0
20
40
60
Limo Arena Gravilla Grava Cantos Bloques G. Bloques R. Madre
Modelos de Idoneidad del HábitatProblemática
• La selección del hábitat está condicionada por lo disponible?• Se pensó el aplicar índices de selección de alimento (ratio forrageo, índice
Ivlev, Jacobs, etc.) para construir curvas con datos de uso y disponibilidad: “curvas de preferencia”curvas de preferencia
Bovee et al. 1998
• Los índices se calculan por intervalos
• Se pueden tener errores por: Bajotamaño muestral, huecos en intervalosde uso y disponibilidad, selección deltamaño de intervalo (muy sensible),suavizado antes o después del calculodel ratio, etc.
• Tras debates de expertos, se recomendó no usarlas más, por lo cual en la “Guiametodológica” de caudales ecológicos se recomienda el método áceptado: CurvasUso por método de Igual Esfuerzo (Johnson, 1980).
• “…we recommend that preference criteria developed using a forage ratio or otherelectivity index no longer be used in PHABSIM applications.” (Bovee 1996)(ver Payne & Allen, 2009, en 7th Internat. Symposium on Ecohydraulics)
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Modelos de Idoneidad del HábitatModelos multivariantes de micro- y mesohábitat
• En general siguen aplicándose modelos de idoneidad “estáticos” en tiempo(salvo modelos indiv. basados y celular automata)
• Ejemplo GAMs: Incorporan interacción entre variables (VxD) y sucorrelación útil para predecir tanto presencia como abundancias para uncorrelación, útil para predecir tanto presencia como abundancias para uncierto caudal.
* GAMs: Generalized Additive Models, extensión de los GLM para modelarcada variable mediante métodos no paramétricos (suavizado spline, etc.)
Punto sólido=presenciaPunto hueco=ausencia
Modelos de Idoneidad del HábitatModelos multivariantes - lógica difusa y random forests
• Ver artículo:
• Data-driven fuzzy habitat suitability models for brown trout in SpanishM dit iMediterranean rivers
• Mouton, A., J.D. Alcaraz-Hernández, B. De Baets, P. Goethals, F. Martínez-Capel. Environmental Modelling & Software 26, 615-622. 2011.
Consultas sobre artículos específicos, ver web
http://personales.upv.es/fmcapel/
O bien directamente a mi correo electrónico.
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Modelos de Idoneidad del HábitatModelos multivariantes integrando escalas
• CLASIFICACIÓN ECO-HIDROLÓGICA DE LOS RÍOS DE CHILE (REC)
* M. Peredo Parada, tesis doctoral U. Politécnica de Valencia, [email protected]
• Esta técnica se está aplicando en las Demarcaciones del Segura y del Júcar
(U. de Murcia y U. Politécnica de Valencia)
Modelos de Idoneidad del HábitatModelos multivariantes integrando escalas
• CLASIFICACIÓN ECO-HIDROLÓGICA DE LOS RÍOS DE CHILE (REC)
Modelo de presenciade Diplomystes camposensis (Siluridae)
basado en segmentos de RECbasado en segmentos de RECmediante Classification & Regression Trees
SOURCE OF FLOW RELATIVE POSITION
0%
0% 37.5%
0% 57.1%
0% 15.8%WET LOW
MID-WET MID-MOUNT MEDIUM
UPPER REEACH
CLIMATE SLOPE
ARID
SEMIARID HEADWATER MEDIUM
* M. Peredo Parada, tesis doctoral U. Politécnica de Valencia, [email protected]
75.0%
34.1%
16.7%
MIDDLE REACH
LAKES LOW
MOUTH LOW
VERY WET MEDIUM
Posteriormente se realizó también con Random Forest,con buenos resultados en más del 60% de las especies
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Herramientas de Evaluación del Hábitat• Simul. 1D con programas estándar
PHABSIM
Bed shear velocity
RHYHABSIM, acepta modelos GAM
Long. Total Tramo=238 m (1.4 nodos/m2)
Herramientas de Evaluación del Hábitat• Simul. Hidráulica 2D con elaboración de datos en SIGpermite análisis espacial
1.6
1.8
2Anchura de paso mínima
Relación entre anchura mínima de paso y caudal en río Ter (Camprodón) en febrero con 2 caudales mínimos
0.6
0.8
1
1.2
1.4
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4
Caudal (m3/s)
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Herramientas de Evaluación del HábitatCaudales Relevantes• Simul. Hidráulica 2D
Dirección Flujo
Mapa: Zona profunda (0.80-1.38), velocidad focal intermedia (0.05-0.22m/s)
Mapa basado en velocidad focal a la altura focal media del 17.8% del calado. Cacho y boga adulta.
Herramientas de Evaluación del HábitatSmart River GIS (USGS)
L. Hanson et al., USGS, Fort Collins Science Center
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Herramientas de Evaluación del HábitatSmart River GIS (USGS)
Su base es microhábitat oUnidades de Hábitat def. por usuario
D id d d• Densidad de peces por unidad de hábitat
• O por unidad de área
Herramientas de Evaluación del HábitatSmart River GIS (USGS)
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Herramientas de Evaluación del Hábitat
• A partir de resultados hidráulicos en SIG agrupa unidades del modelosegún Calado, Velocidad y Tensión cortante
• Mapa de hábitats: Run Fast run Riffle Pool Shallow water Backwater
Mesohabitat Evaluation Model (MEM), BOKU
Mapa de hábitats: Run, Fast run, Riffle, Pool, Shallow water, Backwater
• Se necesita además relacionar especies o gremios con dicho hábitats
Hauer et al., 2009, River Res. Applic.
Herramientas de Evaluación del HábitatMesohabitat Evaluation Model (MEM), BOKU
Hauer et al., 2009, River Res. Applic.
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Herramientas de Evaluación del Hábitatevaluación a escala de ríos (ejemplos)
• WAIORA (NZ): Evaluación a escala de río: Hábitat, temperatura,oxígeno, amonio. Se emplean curvas hidráulicas “regionales”(calado, velocidad, anchura).
ESTIMHAB (FR) Evaluación a escala de río• ESTIMHAB (FR), Evaluación a escala de río.
Estimhab (Lamouroux, 2002)Waiora (Jowett et al., 2004)
Simulación de Hábitats de Riberas• Principalmente se desarrolla desde los 80, relacionando la regeneración y la
dinámica de vegetación de ribera con el régimen de caudales.
• Se inicia con Populus y Salix, los más estudiados hasta el momento (EEUU)
• Modelar las relaciones agua-vegetación es clave:Modelar las relaciones agua vegetación es clave:
• Para integrar la vegetación de ribera en los criterios de gestión del agua (plande explotación de presas, rég. Ecológico de Caudales)
• Para la mitigación de los impactos por la regulación de caudales o el cambioclimático
• Requiere traducir la distribución de especies, sea de forma estática odinámica, con las condiciones hidráulicas o con el régimen hidrológico
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Simulación de Hábitats de RiberasModelos de Reclutamiento
Hydrogeomorphic Recruitment Model
Auble y Scott (1998), Wetlands
Elevación sobre el nivel mínimo
Recruitment Box ModelMahoney & Rood (1998), Wetlands
Simulación de Hábitats de RiberasModelos estáticos de Zonación
0,6
0,8
1,0
405060708090
100
viduo
s
Gráfico de frecuencias - Populus alba
0,8
1,0
40
50
s
Gráfico de frecuencias - Populus nigra
0,0
0,2
0,4
010203040
< 0
0 -0
.50.
5 -1
1 -1
.51.
5 -2
2 -2
.52.
5 -3
3 -3
.53.
5 -4
4 -4
.54.
5 -5
5 -5
.55.
5 -6
6 -6
.56.
5 -7
7 -7
.5>
7.5
Nº i
ndi v
Elevación de la planta al Q base (m)
0,0
0,2
0,4
0,6
0
10
20
30
< 0
0 -0
.50.
5 -1
1 -1
.51.
5 -2
2 -2
.52.
5 -3
3 -3
.53.
5 -4
4 -4
.54.
5 -5
5 -5
.55.
5 -6
6 -6
.56.
5 -7
7 -7
.5>
7.5
Nº i
ndivi
duo s
Elevación de la planta al Q base (m)
Garófano-Gómez et al., 2008, 2010.
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Simulación de Hábitats de RiberasModelos estáticos de Zonaciónmediante curvas de idoneidad
100
Gráfico de frecuencias - Populus alba
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0102030405060708090
100
< 0
0 -0
.50.
5 -1
1 -1
.51.
5 -2
2 -2
.52.
5 -3
3 -3
.53.
5 -4
4 -4
.54.
5 -5
5 -5
.55.
5 -6
6 -6
.56.
5 -7
7 -7
.5>
7.5
Nº i
ndivi
duos
Elevación de la planta al Q base (m)0,8
1,0
708090
100
os
Duración de inundación media - Populus alba
Elevación de la planta al Q base (m)
Proyecto RIBERA, MARM. Francés et al., 2009. Figuras: Garófano-Gómez y M. Capel.
0,0
0,2
0,4
0,6
0102030405060
0
25 -
40
70 -
85
115
-130
160
-175
205
-220
250
-265
295
-310
340
-355
385
-400
Nº i
ndivi
duo
Simulación de Hábitats de RiberasModelo Basado en Dinámica Sucesional
Kootenai River, IDaho
Clases de edad en hábitats de Populus(fase temprana de bosque)
Verde: edad media del parcheA l d d á iAzul: edad máxima
Egger et al. Riparian Vegetation of the lower Kootenai Riverand of Comparable Natural Reference Sites
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Initial phase
Pioneer phase
Simulación de Hábitats de RiberasEsquema de Sucesión
(río Serpis, Alicante)
Herb phase
Shrub phase
(1 3 years)Early successional woodland phase
Established forest phase
Mature phase
(1-3 years)
Diapositiva: V. Garófano, U.P.Valencia.
Initial phase
Pioneer phase
Simulación de Hábitats de RiberasEsquema de Sucesión
(río Serpis, Alicante)
Herb phase
Shrub phase
(4-10 years)
Early successional woodland phase
Established forest phase
Mature phase(10-20 years)
Diapositiva: V. Garófano, U.P.Valencia.
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Initial phase
Pioneer phase (40 years)
Simulación de Hábitats de RiberasEsquema de Sucesión
(río Serpis, Alicante)
Herb phase
Shrub phase
Early successional woodland phase
Established forest phase
Mature phase (> 40 years)
Diapositiva: V. Garófano, U.P.Valencia.
Simulación de Hábitats de RiberasModelo Dinámico de sucesión RIPFLOW
• Objetivo principal: obtener un modelo de simulación dinámica desucesión vegetal que integre efectos de caudales altos (via tensióncortante, T) y efectos de escasez de agua (estress hídrico).
Escenario-1
Escenario-2
Escenario-3
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Simulación de Hábitats de RiberasModelo Dinámico de sucesión RIPFLOW
Inputs:
• Escenarios hidrológicosg• Mapas: Morfologia: DEM Mapa zonas
(water, banks,floodplain) Mapa de elevación del agua:
Q medio anual Q base Q medio reclutam.
Mapas tensión cortante en Mapas tensión cortante encrecidas de diversos periodosde recurrencia
Río Drau (Drava): restauración de un cauce secundario,1.3 km. Klebach, At.
Simulación de Hábitats de RiberasModelo Dinámico de sucesión RIPFLOW
• El modelo será calibrado en tramos derestauración
• Permitirá evaluar alternativas de régimen decaudales y alternativas de nuevos proyectos
Foto: M. Klösch
River Drau, Austria
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Simulación antes de la Restauración• Los modelos de simulación sirven para
evaluar alternativas de diseñoBoavida et al., 2008...hábitat
Scherrer y Jorde, 2004...temperatura del agua y Refugio térmico
Boavida et al., 2008
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Simulación después de la Restauración• Los modelos de simulación pueden
calibrarse a lo largo del seguimientodel proyecto de restauración
Y después.?
River Lavant, Austria
CONCLUSIÓN• La simulación del hábitat es una herramienta flexible, encaja en
diversos marcos metodológicos para el estudio del RégimenEcológico de Caudales (IFIM, ELOHA, etc.)
E i i dibl l bi d hábit t• Es imprescindible para conocer los cambios de hábitat con unsentido físico real y una morfología actual y cambiante
• Puede incorporar modelos de respuesta biológica “estáticos”pero tienden a una representación espacial explícita consimulación dinámica, y con un enfoque multivariante, paraespecies individuales, gremios, hábitats, etc.
Gracias por vuestra atención !
Paco Martínez-Capelhttp://personales.gan.upv.es/fmcapel