Applications of GIS to River Management: Recent developments in the Great Lakes Basin M. J. Wiley & M. Omair School of Natural Resources and Environment

Applications of GIS to River Management:Recent developments in the Great Lakes Basin

M. J. Wiley & M. OmairSchool of Natural Resources and Environment

University of Michigan, Ann Arbor

Why are we here?

•To learn about research and conservation activities in the Gangan Basin

•To explore possibilities of collaborative research focusing on River Ecosystem Management

Crop Developed Forest Shrubland Grassland Barren

Land cover within 5km of the riverPercent

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Ganga Watershed St. Lawrence Watershed

Land cover within 5km of the riverPercent

80

60

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0Crop Developed Forest Shrubland Grassland Barren

Applications of GIS to River Management:Recent developments in the Great Lakes Basin

1. Ecosystem Management Approach: GIS plays a central2. Classification frameworks for regional Ecological Modeling, Inventory & Assessment

The ecological complexity of large river systems and the many, inter-related impacts of our own societies on this ecology, make practical management and restoration activities in large rivers particularly difficult

What Is GIS?

Geographic Information System

Spatially explicit relational database system and mapping tools

1. Ecosystem Management Approach: Wholistic, Collaborative, Stake-holder Sensitive River Planning and Management

MREMS website(s)rivers.snre.umich.edu/mrems_www/index.htmwww.gvsu.edu/wri/isc/

1. Regional landscape-scale modeling (raster cover modeling)

2. Ecological Unit Classification and Regional River Mega-modeling

2. GIS-linked Computer modeling provides one tool for regional river-based planning and management: Muskegon River and Grand Traverse examples

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Simulated vs. Observed Heads for USGS Wells in Grand Traverse County

Sim

ula

ted

Observed

Simulated Water Table Elevations

Model provides a reasonable prediction of USGS measured heads

Courtesy Drs. B. Pijanowski and D.Hynman, MSU

Land Use Change (40 years)

Decreased heads due to lower recharge rates in urbanizing areas

Influence of Land Use

Changes in recharge rates may affect regional gradients

Linked Model Can Explore Changes in Water Table Elevations Due to Land Use Change


Simulated Nitrate from Agriculture

10 years

50 years

Concentration (mg/l)


2. Ecological Classification frameworks for regional Ecological Inventory, Modeling and Assessment

Michigan Rivers Inventory

VSEC units MAP

280 main stem river segments and

2000+ tributary units[mri-vsec v1.0]

What is Ecological Classification?

Hydrologiccharacter

Biologicalcharacter

Chemicalcharacter

Identifying the “fundamental units of nature” (Tansley 1935)

Geomorphiccharacter

Integratedmulti-factor

[Ecological] Character

of a River Segment

Structural Ecosystem Units

The relatively homogeneous river segments we encounter having distinctive biology, temperature, chemistry, etc.;

Valley Segment Ecological Unit = Biogeocoenose = Ecosystem type

these are local structural expressions of functional watershed units

structural and functional units of river ecosystems

Functional Ecosystem UnitsWatersheds

{ = Landscape (Regional) ecosystems? }

Raisin Rivermainstem units

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Stream hydrologic classes# Wetland dominated# Surface water dominated# High surface water, some groundwater# Mixed groundwater and surface water# High groundwater

Lake Michigan Tributary Systems

Basin-wide hydrologic assessmentof classification units

useful for regional fisheries resourceAnd water quality planning

Example applications: regional inventory

Example application: River Otter (Kotanchik 1997)

MDNR Trapping recordPCB thresholdHg threshold

Otter and contaminant data aligned on MRI-VSEC segments

Otters presenthigh trapping success

PCB contaminatedHg contaminatedboth

Logistic modeling of Otter distribution

Logistic Regression ResultsPrediction success: 83%

Primary predictors:

- Extreme hydrologies- PCB contamination- Urban development- Ag development+ conifer forests

Using moderls to plan restoration

1820 1995 2020 2040

Regional River Mega-Modeling links raster, and VSEC unit modeling, and data inventories into an integrated, GIS compatible

Decision Support System

MREMS VSEC Modeling framework

Valley Segment Ecological Classification Unit(Seelbach et al. 1997)

All raster and watershed modeling input & outputis referenced to the VSEC channel units mapand can be displayed in GIS format

Integrating raster and channel based modelsIn a GIS framework yields a powerful toolFor planning and comunication

grams SRP /day @ Q10

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Database queries Output mapping

Figure 2. An illustration, from the current Muskegon River study, of our method for linking valley scale ecologicalclassification (VSEC) units to landscape models. A: Sample sites are used to represent the entire VSEC unit theyoccur in, based on the mapping objective of ecological homogeneity B: VSEC unit ID # is used to geo-reference andquery the associated catchment, buffers, site databases etc. C: Query results are used as inputs for regional models ofrelevant processes as illustrated here for soluble phosphate load. All segments are processed simultaneously in a matrixmodeling environment. Once modeling is completed predicted results are mapped back into the GIS using the VSECspatial framework. Coupled to changing input data sources on landcover distributions, this process can generate bothforecasts and hindcasts of ecological status.

A. B.

C.

Sample site

Unit catchment

VSEC unitUnit channel buffer

An illustration, from the current Muskegon River study, of our method for linking valley scale ecological classification (VSEC) units to landscape sensitive models. A.. Sample sites are used to represent the entire VSEC unit they occur in, based on the mapping objective of ecological homogeneity. B.VSEC unit ID # is used to geo-reference and query the associated catchment, buffers, site databases etc. C. Query results are used as inputs for regional models of relevant processes as illustrated here for soluble phosphate load. All segments are processed simultaneously in a matrix modeling environment. Once modeling is completed predicted results are mapped back into the GIS using the VSEC spatial framework. Coupled to changing input data sources on landcover distributions, this process can generate both forecasts and hind-casts of ecological status.


.005 – 6.5 6.5 – 13 13 – 19 19 – 26 26 – 32 32 – 39 39 - 45

HydrologicModel

LoadingModel

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VSECFramework


Survey notes

Aerial photos

LTM prediction

VSECFramework

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SRP Load maps

1830 1978 2040



A. B.

C.

Sample site

Unit catchment



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HydrologicModel

LoadingModel

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VSECFramework


Survey notes

Aerial photos

LTM prediction

VSECFramework

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A. B.

C.

Sample site

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ent

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River classification based assessment and modeling techniques retain high spatial resolution across large regional assessments, and are being used by The Nature Conservancy to map the entire Great Lakes Basin for conservation planning; by the USGS Aquatic GAP Program for the Great Lakes Basin; also in a new Three-State Regional Assessment Project; and in Muskegon River Basin Initiative.

Soluble P per day at high flow (g/d)

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F i g u r e 3 . E x a m p l e o f c l a s s i f i c a t i o n d r i v e n s t a t u s a n d r i s k a s s e s s m e n t f o r t h e M u s k e g o n R i v e r u s i n g t h e L a n dT r a n s f o r m a t i o n M o d e l r u n n i n g a n “ u n c o n s t r a i n e d d e v e l o p m e n t ” s c e n a r i o f o r t h e y e a r 2 0 4 0 . A : s e g m e n t s s a m p l e d f o rf i s h c o m m u n i t y c o m p o s i t i o n d u r i n g 2 0 0 1 ( i n r e d ) . B : F i s h c o m m u n i t y s t a t u s b a s e d o n 2 0 0 1 s a m p l i n g r e s u l t s a n d r e g i o n a lr e f e r e n c e m o d e l s . C : 2 0 0 1 S p e c i e s r i c h n e s s p r e d i c t e d f o r a l l s e g m e n t s u s i n g u n i t c a t c h m e n t p r o p e r t i e s , 2 0 0 1 s a m p l i n gr e s u l t s , a n d a n d r e g i o n a l f i s h m o d e l s . D : R i s k a s s e s s m e n t ; s p e c i e s r i c h n e s s p r e d i c t e d f o r 2 0 4 0 l a n d c o v e r s c e n a r i o i s

s u b t r a c t e d f r o m m o d e l e d c u r r e n t r i c h n e s s t o p r o d u c e a n e s t i m a t e o f s p e c i e s l o s s b y 2 0 4 0 f o r e a c h r i v e r s e g m e n t .

B

C

S a m p l e d s e g m e n t s2 0 0 1[ n = 3 3 , i n r e d ]

A

C u r r e n t f i s h d i v e r s i t y m o d e l e d f o r a l l s e g m e n t s

N u m b e r o f t a x a

C u r r e n t s t a t u so f s a m p l e d s e g m e n t sb a s e d o n m o d e l e d r e f e r e n c e c o n d i t i o n

O b s e r v e d / E x p e c t e d s p p .

R i s k A s s e s s m e n t s e g m e n t s a t r i s k f o rf u t u r e s p e c i e s l o s s

d u e t o d e v e l o p m e n t[ y r 2 0 4 0 ]

P r e d i c t e d t a x a l o s s

D

The same modeling approaches can be used to organize and interpret biological resource inventories and to identify future risks to river biodiversity

Why are we here?

•To learn about research and management activities in the Gangan Basin

•To explore possibilities of collaborative research on River ecosystem management

Generalized Methodology

Inventory and Data compilation

Landscape analysis leading to regional modeling

Ecological Classification

Modeling of reference condition

Status Assessment

Risk Assessment


.005 – 6.5 6.5 – 13 13 – 19 19 – 26 26 – 32 32 – 39 39 - 45

HydrologicModel

LoadingModel

1830

1978

2040

VSECFramework


Survey notes

Aerial photos

LTM prediction

VSECFramework

1830

1978

2040

SRP Load maps

1830 1978 2040



A. B.

C.

Sample site

Unit catchment


An illustration, from the current Muskegon River study, of our method for linking valley scale ecological classification (VSEC) units to landscape sensitive models. A.. Sample sites are used to represent the entire VSEC unit they occur in, based on the mapping objective of ecological homogeneity. B.VSEC unit ID # is used to geo-reference and query the associated catchment, buffers, site databases etc. C. Query results are used as inputs for regional models of relevant processes as illustrated here for soluble phosphate load. All segments are processed simultaneously in a matrix modeling environment. Once modeling is completed predicted results are mapped back into the GIS using the VSEC spatial framework. Coupled to changing input data sources on landcover distributions, this process can generate both forecasts and hind-casts of ecological status.

Simulate Human Impact Scenarios

• Does urbanization alter hydraulic head?– What does the future look like?

Land Transformation Modeling Project

Au Sable Rivermainstem units

I.Upper River42 vsec unitscharacteristic fishes•pike•rock bass

II. Mid River46 vsec unitscharacteristic fishes•walleye (Smb, burbot)•brown trout seasonal

Excellent salmonid tribs•Clam•Hersey•Bigelow•Cedar

III. Lower River; 19 vsec units: pretty much everything

Ecological Channel Units[MRI_VSEC v1.1]

Muskegon RiverLake Michigan Drainage

~2900 square miles

Documents

Applications of GIS to River Management: Recent developments in the Great Lakes Basin M. J. Wiley & M. Omair School of Natural Resources and Environment