Show simple item record

dc.contributor.authorHeggenes, Jan
dc.contributor.authorAlfredsen, Knut
dc.contributor.authorAdeva Bustos, Ana
dc.contributor.authorHuusko, Ari
dc.date.accessioned2016-06-21T07:59:38Z
dc.date.accessioned2017-04-19T13:31:01Z
dc.date.available2016-06-21T07:59:38Z
dc.date.available2017-04-19T13:31:01Z
dc.date.issued2016-06-21
dc.identifier.citationHeggenes, J., Alfredsen, K., Adeva Bustos, A. & Huusko, A. Be cool: hydro-physical changes and fish responses in winter in hydropower-regulated northern streams. Kongsberg: University College of Southeast Norway, 2016
dc.identifier.isbn978-82-7206-410-4
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11250/2439222
dc.description.abstractIn the seasonal climates of northern Europe and North America, winter is considered a particularly ecologically challenging season for aquatic organisms in natural streams. They experience reduced flow and freezing in winter, with associated hydro-physical changes. In ectothermic animals, like the cold-water fish Atlantic salmon and brown trout, biochemical reactions and behaviors depend on water temperature. Many northern rivers are also impacted by hydropower regulation, which may increase winter stream flow and temperatures, and reduce ice formation and surface ice cover. Knowledge about salmon and trout winter survival strategies and responses to these hydropower impacts is a prerequisite for adaptive management of regulated rivers in winter. The complex ice processes are driven by winter intensity and duration, hydrologic conditions and channel characteristics, and tend to become more complex and pervasive in smaller, high-gradient streams. Winter stream ice formation may be divided into the dynamic period ‘freeze-up’ in early winter with sub-surface ice, more stable ‘mid-winter’ with surface ice, and the ecologically challenging ‘ice breakup’ in late winter with potential mechanical ice runs and scouring. The duration of periods vary depending on climate and hydropower regulation, particularly the mid-winter period may change or become absent in regulated streams. An ice classification model may predict type of ice cover forming in a natural reach depending on stream morphology (e.g. gradient, size, and substrate), and winter intensity and duration, and identify ice processes. Hydropower regulation modify natural winter stream conditions, particularly in reaches downstream of power-plant outlets by increased water temperature and reduced surface ice formation, and in bypass reaches by decreased flow and enhanced freezing. The stable mid-winter periods may be replaced by repeated unstable transition periods. High head regulation may increase downstream water flow and water temperature, whereas low head systems may have small or no major impacts on downstream ice conditions. Quantitative knowledge about longitudinal water temperature changes is limited, especially in relation to alternative regulation regimes and intakes/outlets. Hydro-peaked systems may aggravate high-low flow effects, depending on down-ramping rate, ramping amplitude, frequency of flow fluctuations, prior flow conditions, and timing of pulse. A basic winter survival strategy in salmon and trout is energy storage. Their feeding and growth performance is limited at low temperatures, and additional related winter strategies are reduced metabolism, tolerance and starvation effected by quiescence. Energy storage may depend on local conditions, but otherwise there is little indication of adaptation to local thermal climates. Intraspecific phenotypic plasticity is important. The main behavioral strategy is risk-reducing sheltering and nocturnalism. As temperatures drop to 6-8°C or lower, salmon and trout become less active, seek more shelter in the substratum or deep areas, and are active at night. During freezing and before surface ice cover, the heat loss and associated frazil and anchor ice formation is greatest at night, and visual predators are at a disadvantage. Trout and salmon appear to cope well with thermal ice phenomena, and do not appear to become trapped in ice. Surface ice may reduce fish metabolism, but other factors, e.g. availability of substrate shelter, may override this effect. Mechanical ice breakup may reduce survival. Higher flows in winter may increase rearing and/or resting habitat, which may benefit fish survival, but studies are few. Low flows increase ice formation, reduce and fragment available habitat, and may reduce egg and fish survival. However, influx of ground water may mitigate these impacts during shorter periods with stranding. Sudden drops in regulated water discharge have been demonstrated to result in fish stranding, in particular at low temperatures in the daytime when fish are less mobile and seek shelter. Local movements between daytime refuges and night-time slow-current activity areas are usually limited (less than 1m), but with individual variation and single movements up to several kilometers. Larger fish may move more and aggregate in restricted suitable deep-slow refuge habitats such as pools and deep glides. Water temperature and/or flow may control more local spawning/smolt migrations, particularly in smaller streams. In regulated systems, flow during spawning season should not be higher than minimum maintained flow during winter to avoid dewatering and mortality of eggs. Egg development is linked to water temperature. Emerging alevins and young fry are sensitive and vulnerable, often incurring high moralities. Survival may depend on a delicate balance between suitable low flows and available drifting food during and after the ‘swim-up’ stage. Useful hydrophysical and ice-formation models have been developed to help in impact analysis and adaptive management, but more sophisticated models are often data intensive, and several ice phenomena are still difficult to model. Efforts to integrate biological and societal considerations via e.g. Multi- Criteria Decision Analysis (MCDA), have increased during recent years, but so far met with limited success. In conclusion, potential mitigating measures and research needs are tabulated.
dc.description.abstractI det sesongpregede klimaet i Nord-Europa og Nord-Amerika synes vinteren å være en særlig utfordrende sesong for akvatiske organismer i naturlige elver. Vannføringen reduseres og is dannes, noe som også medfører hydrofysiske endringer. For vekselvarme organismer som laks og ørret, er biokjemiske reaksjoner og atferd avhengig av temperatur. Mange elver mot nord er også påvirket av reguleringsinngrep, som kan øke vintervannføringen og temperatur, og derved redusere isdannelse og overflate isdekke. Kunnskap om vinteroverlevelsesstrategier hos laks og ørret, og hvordan de responderer på reguleringsinngrep, er et nødvendig grunnlag for miljøtilpasset forvaltning av regulerte elver gjennom vinteren. Is-prosesser i elvene blir styrt av vinterens strenghet og varighet, hydrologiske forhold og elveleiets utforming, og blir ofte mer sammensatte og gjennomgripende i mindre elver med høyere fall. Is-dannelse kan deles inn i først en dynamisk ‘fryse’ periode med mye is på bunn og i vannsøylen, en mer stabil midt-vinter periode med overflate is, og en ofte økologisk utfordrende avsmeltingsperiode på vår-vinteren med mekanisk og skurende is-gang. Varigheten av disse typiske periodene kan variere avhengig av naturlig klima og reguleringsinngrep, hvor særlig den stabile midt-vinter perioden kan variere mer eller bli helt borte i regulerte elver. En is-klassifikasjons modell kan i noen grad forutsi hva slags prosesser og is-typer som vil dannes i naturlige elver, avhengig av elveleiets utforming (gradient, størrelse, substrat), og av vinterens strenghet og varighet. Reguleringer modifiserer de naturlige vinterforholdene, særlig nedstrøms kraftverk ved å øke vannføring og temperatur og redusere dekke med overflate-is. På oppstrøms elvestrekninger med redusert vannføring kan is-dannelse øke. En naturlig stabil midt-vinter periode kan bli erstattet av gjentatte ustabile overgangsperioder. Høyt fall og større vannmengder fører til større vannføringsog temperaturendringer, mens lite fall kan ha små eller ingen vesentlige nedstrøms virkninger. Vi har relativt lite kvantitativ kunnskap om hvor mye og hvor langt nedstrøms like temperaturendringer har betydning, særlig i forhold til alternative reguleringsregimer og plassering av inntak/utløp. Effektkjøring kan forsterke slike effekter, men avhengig av kjøringsregime (hastighet og størrelse opp-ned, frekvens, forutgående vannføringsforhold, tidspunkt). Den grunnleggende vinteroverlevelses strategi for laks og ørret er opplagring av fettreserver. Næringsopptak og vekst er begrenset ved lave temperaturer. Fettreservene spares gjennom nedsatt metabolisme, toleranse og sult, særlig ved at fisken beveger seg lite. Det er lite som tyder på andre lokale tilpassinger til ulike vinterforhold, utover at fisken synes å lagre fettreserver i forhold til forventet vinter. Det er imidlertid stor variasjon mellom individer. For individers atferd er den viktigste strategien om vinteren at laks og ørret søker mer skjul om dagen og nesten bare er nattaktive. Slik reduseres predasjons risiko og fare for innefrysing. Når temperaturen faller under ca. 6-8°C, blir laks og ørret mindre aktive, søker mer skjul i substratet og i dyp-områder, og blir nattaktive. Ved tidlig frysing, før det dannes overflate-is, er varmetapet og dermed dannelse av sarr og bunnis størst om natten, og predatorer som i hovedsak jakter vha. synet (fugl, ender, mink) også mindre effektive. Laks og ørret ser ut til å tilpasse seg slik isdannelse og blir ikke fanget eller fryser inne i is. Overflate-is kan gi lavere metabolisme, men andre faktorer, f.eks. tilgang på skjul, ser ut til å være viktigere. Mekanisk is-gang kan gi redusert overlevelse. Høyere vintervannføring kan øke tilgang på habitat som kan gi bedre vinteroverlevelse for laks og ørret, men dette er lite undersøkt. Lavere vannføringer øker isdannelse, reduserer og fragmenterer tilgjengelig habitat, noe som kan redusere overlevelse både av egg og fisk. Tilgang på grunnvann kan moderere episodiske tørrleggings effekter. Brå reduksjoner i regulert vannføring kan føre til stranding av fisk, særlig ved lav temperatur om dagen når fisken er i skjul og lite mobil. Lokale forflytninger mellom skjulområder på dagtid og nattlige aktivitetsområder med lavere vannhastigheter er som regel helt lokale (mindre enn en meter for rekrutter), men med stor individuell variasjon (opp til en km). Større fisk kan forflytte seg mer og samler seg i dype, sakteflytende områder. Vanntemperatur kan også kontrollere mer lokale gyte- og smoltvandringer, særlig i mindre elver. I regulerte elver bør ikke vannføring gjennom gytesesongen være høyere enn minimum vannføring gjennom vinteren, slik at egg ikke tørrlegges. Eggutvikling er styrt av vanntemperatur. Yngel er følsomme og sårbare, og har ofte høy dødelighet. Overlevelse kan avhenge av en fin balanse mellom passende lave vannføringer og tilgjengelig driv næring ved og etter ‘swim-up’ når yngelen begynner å ta til seg næring. Nyttige hydro-fysiske og is-dannelses modeller har etterhvert blitt utviklet som tilleggsredskaper for konsekvensutredninger og forvaltningsbeslutninger, men mer detaljerte og avanserte modeller setter store krav til data og en del isfenomener synes ennå vanskelig å modellere. I senere år er det gjort betydelige innsatser for å integrere biologiske og sosiale hensyn, via for eksempel Multi-Criteria Decision Analysis (MCDA), men disse har så langt hatt begrenset suksess. Til slutt gis en oversikt over mulige avbøtende tiltak og behov for videre forskning.
dc.language.isoeng
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
dc.subjecthydropower regulations
dc.subjectsalmon
dc.subjecttrout
dc.titleBe cool: hydro-physical changes and fish responses in winter in hydropower-regulated northern streams
dc.typeResearch report
dc.description.versionPublished version
dc.rights.holder© 2016 Jan Heggenes, Knut Alfredsen, Ana Adeva Bustos and Ari Huusko
dc.subject.nsi488


Files in this item

Thumbnail

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
Except where otherwise noted, this item's license is described as http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/