Instream Flow Assessment Modelling: Combining Physical and Behavioural-Based Approaches

Abstract

Most state-of-the-art applications of habitat modelling rely on three-dimensional channel topography and two-dimensional hydrodynamic models that have centered on the simple extension of one-dimensional physical habitat-based concepts (i.e., extension of the Physical Habitat Modelling System - PHABSIM). However, as demonstrated in this paper, these approaches can be extended to more realistically incorporate both the physical habitat-based metrics of streamflow and behavioural decision rules that can incorporate fish community structure and dynamics. This approach evaluates the spatial suitability of physical habitat-based on the incorporation of behavioural rule sets, such as the association with escape cover type and distance, exclusion zones associated with predators or linear dominance hierarchies, and lag-time dependence of macroinvertebrate re-colonization of habitats associated with varial zones induced by peaking/load following operations of hydropower facilities. In the paper we lay the foundation between field data collection strategies for characterization of the physical domain, and modelling the hydraulic properties of flow using two- or three-dimensional hydraulic models. We then describe the use of GIS for the integration of additional factors such as substrate, cover, distance to cover and distance to water’s edge factors. We then demonstrate how GIS, in conjunction with decision based habitat algorithms, can be used with classical-based physical habitat modelling to incorporate behavioural-based rules to evaluate escape cover, exclusion zones and lag-time dependence for macroinvertebrate under variai zone induced impacts. These examples are based on results from studies in regulated river systems in which these techniques have been shown to improve the assessment of impacts/benefits associated with altered flow regimes.

La plupart des applications récentes en modélisation de l’habitat nécessitent une caractérisation tri-dimensionnelle du lit du cours d’eau et la mise en œuvre d’un modèle hydrodynamique bi-dimensionnel. Ces derniers sont souvent une extension des modèles simples (1-D) d’habitat de type PHABSIM. Nos travaux démontrent qu’on peut incorporer à ces approches une représentation plus réaliste des métriques associées à l’écoulement et des règles de comportement régissant la structure et la dynamique des communautés qui y vivent. Cette approche évalue l’adéquation des habitats physiques en incluant des règles de comportement liées à la présence de refuge, la définition de zones d’exclusion régies par la présence de prédateurs et ou la définition de hiérarchies de dominance linéaires. Les délais de recolonisation des certaines zones par les macro-invertébrés, qui peuvent varier en fonction des opérations aux barrages, peuvent aussi être pris en compte. Cet article décrit en premier lieu les principes de base pour l’élaboration d’un protocole de collecte de données physiques et l’utilisation d’un modèle hydrodynamique à deux ou trois dimensions. On y décrit ensuite l’utilisation des SIG afin d’intégrer les variables additionnelles tels que le substrat, la présence de refuges et la distance de parcours pour s’y rendre de même que des facteurs liés à la distance jusqu’à la limite du périmètre mouillé. Nous avons ensuite démontré comment l’utilisation conjointe des SIG, d’un algorithme de prise de décision concernant l’habitat et d’un modèle physique permet d’évaluer les variables additionnelles d’intérêt pour les macroinvertébrés dans une zone subissant des modulations de débits importantes. L’article présente aussi les résultats d’études de cas sur des cours d’eau régularisés pour lesquels ces méthodes ont permis d’améliorer l’évaluation des impacts/bénéfices associés à la modification du régime hydrique.