Acoustic and thermal characterization of river landscapes

Abstract

Acoustic characterization of river landscapes For many decades, rivers and streams have been the subject of intense research into their hydrologic, geomorphic, and ecological characteristics. However, the physical generation of underwater sound has been neglected. This work provides the first quantitative insights into the underwater acoustics of river landscapes (Chapters 1 to 3). The results revealed that distinct underwater soundscapes exist and can be used to quantify hydrogeomorphic processes and differentiate between aquatic habitats and river types. These distinctions are based on sound heterogeneity and sound pressure level of 10 octave bands. Increases in water velocity resulted in increased sound pressure levels over a wide range of frequencies; increases in relative roughness led to a predominant increase in the middle-frequency sound pressure level (~0.063-1 kHz), while an increase in streambed sediment transport increased the sound pressure level at high frequencies (~2-16 kHz). The latter two factors were responsible for most of the heterogeneity in the acoustic signals. The results clearly showed that underwater sound is a complex and robust signal, and hence, should be considered as an important and unique property of riverine ecosystems. I am convinced that underwater soundscapes contain important information for freshwater organisms about their riverine environment, and therefore may potentially influence their behavior and ecology. Moreover, underwater soundscapes could be used to assess and quantify the heterogeneity of rivers (e.g. monitor river restoration measures), because they reflect important hydraulic (turbulence levels) and geomorphic (bedload mobility) dynamics. Thermal characterization of river landscapes Temperature is a master variable that drives ecosystem processes and influences the dispersal and behavior of organisms. Methods that provide high spatial and temporal resolution are needed to characterize the thermal heterogeneity of entire floodplains (Chapters 4 and 5). Thermal infrared (IR) imagery revealed complex spatiotemporal thermal patterns that varied considerably over a 24-hour period, and between mean and high flow conditions. Specific properties (e.g. surface type, hydrological connectivity) of the different terrestrial and aquatic habitat types were responsible for the distinct thermal signatures that created the complex thermal mosaic. The vertical and temporal variation of temperature in unsaturated gravel sediments was almost as large as horizontal variation across the entire floodplain surface. A high level of congruence was found between thermal properties of floodplain water bodies and fish assemblages, which could not have been determined with in-situ temperature measurements. The results clearly demonstrated that thermal IR imagery provides the unique capacity to detect and quantify the composition and the spatial configuration of thermal patches in complex river floodplains. The large spatial scale of the overview gained via thermal IR imagery may be used to decide where to concentrate the most detailed and time-consuming in- situ investigations. Moreover, this method allowed for the identification of both natural and anthropogenic drivers that influence thermal heterogeneity, as well as the detection of ecologically important warm and cold patches and distinct temperature gradients. This information is expected to be crucial for quantifying and interpreting the effects of thermal heterogeneity on key ecosystem processes and biodiversity.

Akustische Charakterisierung von Fließgewässerlandschaften Über viele Jahrzehnte waren Flüsse und Bäche Gegenstand intensiver Forschung, die auf deren hydraulischen, geomorphologischen und ökologischen Eigenschaften basierten. Jedoch wurde bislang die spezifische physikalische Erzeugung des Unterwasserschalls zumeist vernachlässigt. Somit liefert diese Arbeit den ersten quantitativen Einblick in die Unterwasserakustik von Fließgewässerlandschaften (Kapitel 1 bis 3). Die Ergebnisse zeigten, dass bestimmte Unterwasser-Klanglandschaften existieren, die zur Quantifizierung hydrologischer und geomorphologischer Prozesse, sowie zur Unterscheidung aquatischer Habitate und Fließgewässertypen auf Grundlage ihrer akustischer Heterogenität und ihres Schalldruckpegels in zehn Oktavbändern verwendet werden können. Die Zunahme der Wassergeschwindigkeit führte zu einem erhöhten Schalldruckpegel über ein breites Band von Frequenzen, die Zunahme der relativen Rauheit führte vor allem zu einer Erhöhung des Schalldruckpegels in den mittleren Frequenzbereichen (~0.063-1 kHz), während eine Zunahme des Sedimenttransports am Flussbett in einer Erhöhung des Schalldruckpegels in den oberen Frequenzbereichen (~2-16 kHz) resultierte. Die beiden letztgenannten Faktoren waren für den Großteil der Heterogenität des akustischen Signals verantwortlich. Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass der Unterwasserschall ein komplexes und robustes Signal ist und deshalb als eine wichtige und einzigartige Eigenschaft von Fließgewässer-Ökosystemen betrachtet werden sollte. Ich bin davon überzeugt, dass die Unterwasser-Klanglandschaften für Süsswasserorganismen wichtige Informationen über ihre Umgebung liefern und daher deren Verhalten und Ökologie beeinflussen können. Darüber hinaus könnten Unterwasser-Klanglandschaften zur Bewertung und Quantifizierung der Heterogeneität von Fließgewässern (z.B. Überwachung der Maßnahmen zur Flussrevitalisierung) verwendet werden, da sie wichtige hydraulische (Turbulenz-Ebenen) und geomorphologische (Sediment-Mobilität) Eigenschaften reflektieren. Thermische Charakterisierung von Fließgewässerlandschaften Eine Hauptvariable, die Ökosystemprozesse antreibt und die Verbreitung und das Verhalten von Organismen beeinflusst, ist die Temperatur. Um die Temperaturheterogenität von Flussauen, zu charakterisieren sind Methoden erforderlich, die sowohl eine hohe räumliche wie auch zeitliche Auflösung bieten (Kapitel 4 und 5). Die thermischen Infrarotbilder (IR-Bilder) zeigten komplexe räumliche und zeitliche Temperaturmuster in Flussauen, die sich über 24 Stunden und zwischen mittleren und hohen Abflussverhältnissen deutlich änderten. Für die unterschiedlichen thermischen Muster waren spezifische Eigenschaften (z.B. Oberflächenbeschaffenheit, hydrologische Konnektivität) terrestrischer und aquatischer Habitate verantwortlich. Die vertikalen und zeitlichen Unterschiede der Temperatur in ungesättigten Flusssedimenten waren annähernd so hoch wie die horizontalen Unterschiede über die gesamte Oberfläche der Flussaue. Zwischen den thermischen Eigenschaften der Auengewässer und der Fischgemeinschaften wurde ein hohes Kongruenzniveau festgestellt, welches mit lokalen Temperaturmessungen allein nicht hätte bestimmt werden können. Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass thermische IR- Bilder die einzigartige Möglichkeit zur Feststellung und Quantifizierung von Zusammensetzung und räumlicher Konfiguration thermischer Muster in komplexen Flussauen aufweisen. Die räumliche Dimension, die mit thermischen IR- Bildaufnahmen erzielt wurde, könnte benutzt werden, um zu entscheiden, wo detaillierte und zeitaufwendige lokale Untersuchungen durchzuführen sind. Außerdem erlaubt diese Methode die Identifizierung natürlicher und anthropogener Ursachen, die die Temperaturheterogenität beeinflussen, sowie die Erfassung von ökologisch wichtigen Temperaturrefugien und von eindeutigen Temperaturgradienten. Diese Informationen werden als entscheidend für die Quantifizierung und Interpretation der Auswirkungen von Temperaturheterogenität auf wichtige Ökosystemprozesse und die Biodiversität eingestuft.