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The Hydro-Morphological Index of Diversity: a Planning Tool

for River Restoration Projects

THÈSE NO 5408 (2012)

PRÉSENTÉE LE 22 jUIN 2012

À LA FACULTÉ DE L'ENVIRONNEMENT NATUREL, ARCHITECTURAL ET CONSTRUIT

LABORATOIRE DE CONSTRUCTIONS HYDRAULIQUES

PROGRAMME DOCTORAL EN ENVIRONNEMENT

ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE

POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES

PAR Walter GOSTNER

acceptée sur proposition du jury:

Prof. E. Brühwiler, président du jury Prof. A. Schleiss, directeur de thèse Prof. P. Parasiewicz, rapporteur Prof. C. Robinson, rapporteur Prof. S. Wieprecht, rapporteur Suisse ”Der reißende Strom wird gewalttätig genannt, doch niemand nennt das Flussbett, das ihn einengt, gewalttätig“ Bertolt Brecht River Venoge: an ice disk rotating on the surface (Winter 2012) “Any attempt to fully represent a complex issue and its numerous interlinkages with other issues in a quantitative modeling framework is doomed to failure” Jan Rotmans Table of contents Table of contents

Abstract

v Zusammenfassung vii Acknowledgments ix 1 Introduction 1

1.1 Motivation of the research project 1

1.2 Basic hypotheses 6

1.3 Characteristics, purpose and application of HMID 6 1.3.1 Allocation of HMID at a spatial scale 6 1.3.2 What is different in comparison to other indices? 7 1.3.3 Where are the advantages? 7 1.3.4 What is the added value and where are the potentials? 8 1.3.5 Where are the caveats and drawbacks? 9 1.3.6 Which applications are not appropriate? 10

1.4 Legal framework 11

1.5 Conceptual framework 13 2 Structure of this document 15 3 Lite

–  –  –

Abstract Contemporary river engineering must guarantee effective long-term flood protection while also improving stream ecology. Nowadays, river engineering projects must aim at optimizing hydromorphological heterogeneity, as this is an acknowledged basic condition for maintaining stream biodiversity.

In the present project, a new Hydro-Morphological Index of Diversity (HMID) was developed. The purpose of the HMID is to deliver a tool for the practitioner engaged in planning of integrated river engineering projects where habitat enhancement constitutes one of the project targets. By calculating the HMID, a quantitative statement of habitat heterogeneity enhancement for different project alternatives is possible, and therefore recommendations of which alternatives to prioritize from an ecomorphological perspective can be given.

The HMID was developed within the framework of the “Integrated River Management” project, an interdisciplinary research program involving different University Institutes in Switzerland.

During extensive field campaigns, hydraulic and geomorphic data were recorded at morphologically contrasting sites at three streams in Switzerland (Bünz, AG; Venoge, VD; Sense, FR/BE). By means of correlation analysis, relationships between the measured variables could be detected. Being significantly correlated to a number of hydraulic and geomorphic variables, the hydraulic variables flow velocity and water depth were found to accurately represent the hydromorphological template of a stream.

A formula for the HMID could be proposed by comparing the variability of these two hydraulic variables between the study reaches. The developed formula used the coefficient of variation of flow velocity and water depth as a measure to describe hydromorphological variability.

A good correlation of HMID scores with rankings obtained by means of a multimetric visual habitat assessment method supported the capability of the HMID to represent the hydromorphological state of a stream. Correlation between HMID scores and macroinvertebrate-based biotic indices, on the other hand, did not meet expectations for all tested stream reaches.

Numerical modelling for the study reaches at the river Sense was conducted to examine the temporal variability of the hydraulic variables and the HMID. HMID scores were calculated for different discharges in river, and temporal variability was lower in natural

-vAbstract than in channelized reaches. The increments of hydraulic variables for changing discharge are greater in channelized than in natural reaches. Thus, aquatic biota in channelized reaches must cope not only with a degraded habitat template but also with higher stress conditions. However, physical habitats in natural reaches lose stability when discharges with major bed reshaping processes occur. These high discharges correspond to intermediate disturbance events, which are important towards maintaining ecological functions.

In a case study, the suitability of the HMID for application was demonstrated. After completion of a restoration project, a stream reach should be characterized by a high HMID and a stable temporal variability (unless discharges above a disturbance threshold occur). In this way, the HMID provides the necessary hydromorphological template to achieve a high ecological potential for a restored stream reach.

However, it must be avoided that high hydromorphological heterogeneity does not become a primary aim in itself. For a sound restoration project, processes at the watershed scale also must be included. In particular, it is necessary to evaluate the sediment regime of the entire watershed (mainly of the upstream areas), to estimate the long-term geomorphic evolvement of the project reach and to verify whether a dynamic equilibrium for the reach can be obtained. Finally, the ecological success of habitat enhancement measures depends on the conditions of other potential stressors (e.g.





sediment or excessive nutrients, chemical pollution, habitat fragmentation, strongly modified flow regime). An integrated vision of these factors is a primordial rule for ecologically successful river restoration projects.

Keywords: Habitat degradation, biodiversity, river restoration; restoration potential;

gravel bed rivers, hydromorphology, physical heterogeneity, hydraulic variables, spatial and temporal variability, duration curves, numerical modelling, predictive tools, dynamic equilibrium, disturbance concepts vi

Zusammenfassung

Zusammenfassung Der moderne Flussbau muss nicht nur das Verlangen nach nachhaltigem Hochwasserschutz erfüllen, sondern strebt auch eine Verbesserung der Fließgewässerökologie an. Durch entsprechende Gestaltung ist in flussbaulichen Projekten ein möglichst großer Strukturreichtum anzustreben, da dieser zweifelsfrei eine der Grundvoraussetzungen für eine hohe Biodiversität in einem Fliessgewässer darstellt.

In der vorliegenden Arbeit wird ein neuer hydromorphologischer Index der Diversität (HMID) vorgestellt. Mit dem HMID steht dem Wasserbauer ein Werkzeug zur Verfügung, das es ihm erlaubt, bei flussbaulichen Projekten die Verbesserung des Strukturreichtums quantitativ zu bewerten, damit die zur Diskussion stehenden Projekvarianten zu optimieren und Empfehlungen für die aus gewässerökologischer Sicht zu priorisierenden Varianten abzugeben.

Der HMID wurde im Rahmen des Projektes „Integrales Flussgebietsmanagement“ entwickelt, einem interdisziplinären Forschungsprogramm unter Einbeziehung mehrerer universitärer Institute verschiedener Ausrichtung in der Schweiz.

In umfangreichen Feldkampagnen wurden hydraulische und geomorphische Größen an drei Fließgewässern in der Schweiz (Bünz, AG; Venoge, VD; Sense, FR/BE) erhoben, wobei Gewässerabschnitte mit unterschiedlicher morphologischer Ausprägung gewählt wurden. Mittels statistischen Auswertungen konnten Zusammenhänge zwischen den Variablen aufgezeigt werden. Die hydraulischen Größen Fließgeschwindigkeit und Fließtiefe sind imstande, die Strukturvielfalt eines Abschnittes ausreichend zu charakterisieren, da sie aufgrund der vorhandenen Korrelationen wichtige geomorphische Grössen und andere komplexe hydraulische Variablen repräsentieren.

Anhand eines Vergleichs der Variabilität der hydraulischen Grössen zwischen den Untersuchungsabschnitten wurde eine mathematischen Formulierung für den HMID vorgeschlagen. Diese enthält als Masszahl zur Beschreibung der Variabilität den Variationskoeffizienten der Fliessgeschwindigkeit und der Fliesstiefe.

Es konnte eine gute Korrelation zwischen der vorgeschlagenen Formulierung für den HMID und einer visuellen, multimetrischen Bewertungsmethode nachgewiesen werden.

Erwartete Korrelationen zwischen dem HMID und auf Makroinvertebratenerhebungen basierenden biotischen Indizes hingegen konnten in den untersuchten Gewässerabschnitten nicht aufgezeigt werden.

- vii Zusammenfassung

Um auch die zeitliche Variabilität der hydraulischen Größen und des HMID untersuchen zu können, erfolgte für die Untersuchungsabschnitte an der Sense eine numerische Modellierung. Für eine Reihe von Abflüssen mit unterschiedlicher Überschreitungsdauer wurde der HMID ermittelt. Die zeitliche Variabilität der aquatischen Habitate ist in natürlichen Abschnitten geringer als in kanalisierten Abschnitten. In einem künstlichen Fließgewässer bedeuten sich änderende Abflüsse eine stärkere Änderung der hydraulischen Größen als in natürlichen Abschnitten. Deshalb sind aquatische Lebewesen in einem künstlichen Fließgewässer nicht nur mit einem verarmten Lebensraum konfrontiert, sondern sind auch einem größeren Stress ausgesetzt.

Erst bei bettbildenden Abflüssen verlieren die Habitate in natürlichen Fließgewässern ihre Stabilität. Diese Ereignisse kommen den in der Natur mit bestimmten Frequenzen auftretenden Störungen gleich, die für den Erhalt der Ökosysteme wichtig sind.

In einem Fallbeispiel wurde die Anwendbarkeit des HMID in wasserbaulichen Projekten gezeigt. Wenn man das Ziel erreicht, ein Fließgewässer mit einem hohen HMID auszustatten und gleichzeitig dessen zeitliche Stabilität bis zum Eintreten von Schwellenereignissen zu gewährleisten, schafft man die notwendigen strukturellen Voraussetzungen für ein hohes ökologisches Potenzial.

Damit eine hohe hydromorphologische Vielfalt nicht zum Selbstzweck verkommt, sind außerhalb des Projektperimeters liegende Prozesse mit einzubeziehen. Um positive Lebensbedingungen langfristig erhalten zu können, sind Untersuchungen des Geschiebehaushaltes in Verbindung mit abflussdynamischen Prozessen auf der Einzugsgebietsebene notwendig. Durch entsprechende Überprüfungen kann geprüft werden, ob für den betroffenen Fließgewässerabschnitt ein dynamischesGleichgewicht erreicht werden kann. Der ökologische Erfolg struktureller Maßnahmen hängt schlussendlich davon ab, ob auch andere wichtige Faktoren (z.B. Nährstoff- und Sedimenteinträge, chemische Belastung, Fragmentierung, verändertes Abflussregime, usw.) auf der Einzugsgebietsebene richtig erkannt und analysiert werden und nicht einer oder mehrere dieser Faktoren einen Erfolg von vorneherein kompromittieren können.

Schlüsselwörter: Habitatdegradierung, Biodiversität, Fliessgewässerrevitalisierung, Revitalisierungspotenzial, kiesführende Flüsse, Hydromorphologie, physikalische Hetergenität, hydraulische Variable, raümliche und zeitliche Variabilität, Dauerkurven, numerische Modellierung, Vorhersageinstrumente, dynamisches Gleichgewicht, Ökosystemstörungen viii Acknowledgments Acknowledgments Without the precious contribution and fruitful collaboration of many charming persons I never would have begun, accomplished and completed this work.

The research was carried out within the interdisciplinary “Integrated River management” project (www.rivermanagement.ch). I would like to express my gratitude to the Swiss Federal Office for Environment for the funding and the Autonomous Province of Bozen/Italy for the co-founding of the project.

Prof. Anton Schleiss, head of the LCH laboratory at EPFL, offered me a unique chance to carry out a Ph.D. thesis parallel to my professional activity. The idea of the HMID had already been launched by himself in 2005. Counting on his inventory spirit, generosity, persistence and pragmatism the elaboration of this project was enormously facilitated. Herzlichen Dank, Mr. Schleiss, for all this!

Two other pre-eminent professors in their respective field brought my work on the right track. Prof. William K. Annable from University of Waterloo, introduced me into the art and fascination of field work, showed me how to cross a stream with a flow velocity of 2 m/s and, carrying out sieve analysis at site n°1 river of Sense, brought me back to my infancy as passionate sand-player. He is a great geomorphologist, shrewd practitioner and I also remained impressed by his thoroughgoingness in emptying a cup of beer. Prof.

Piotr Parasiewicz from Sakowicz Inland Fisheries Institute in Piaseczno, Poland, gave my work the right frame within the complexity of existing scientific approaches. He also fed me with brilliant ideas during the critical stage of my work. Furthermore, he introduced me to Warszawa in a terribly cold winter night by end of January 2012 and readily accepted my request to be a member of the jury.

The interdisciplinary project was a great opportunity to learn a lot about the way biologists think. The meetings ware always very relaxing characterized by a witty atmosphere. My main partner in the project, Maria Alp, was a challenge to work with.

Her care and consciousness in conducting scientific research was a great inspire for me, our discussions were an important step to find the added value of the HMID, and her contribution to the Chapter 5 was simply great. Many thanks also to the other task leaders and members of the group for being always disposed to give insight in there treasure of expertise: Armin Peter, Prof. Christoph Scheidegger, Roland Fäh, Sonia Angelone, Theresa Karpati, Silke Werth, Barbara Krummenacher, Denise Weibel, David Vetsch. A special thank also to Patric Rousselot from VAW Zürich: whom ever I ix Acknowledgments brought, he always found the time and patience to explain the basics, but also the secrets, of the BASEMENT software. Hopefully the HMID will be a sub-modul of it in the future. Special thanks to Christopher Robinson (EAWAG) for encouraging me during paper revisions, for the prompt availability to be a member of the jury and for having me distracted the day before the exam.



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