Thesis (M. Sc. (Zoology)) -- University of the North, 1994 / Refer to the document

<p align="justify"><i>Typologie des cours d’eau en Wallonie et caractérisation par la faune invertébrée</i><br>Vingt-cinq types de cours d’eau ont été définis en Wallonie d’après les termes de la Directive Cadre pour l’Eau en tenant compte des facteurs obligatoires et optionnels rassemblés sous trois critères : la taille (du « ruisseau » à la « très grande rivière »), la pente (faible, moyenne et forte), et cinq régions naturelles (la région limoneuse, le Condroz, la Famenne, l’Ardenne et la Lorraine belge, résumant les facteurs obligatoires altitude, latitude, longitude et géologie). Une approche par analyses multivariées appliquées à un grand nombre d’échantillons (listes taxonomiques) a permis de définir de façon plus précise certains types de rivières et de distinguer sept groupes typologiques montrant des assemblages faunistiques similaires.</p> <p align="justify"><i>Conditions de référence types et définition de l’état écologique des rivières en Wallonie à l’aide de métriques biocénotiques basées sur les invertébrés</i><br> Les listes faunistiques et les valeurs métriques de l’IBGN (Indice biologique global normalisé) issues du réseau d’évaluation de la qualité biologique en Wallonie ont été utilisées pour discriminer les types de rivières et pour définir les sites de référence, les conditions de référence et les limites des classes des états écologiques. Au sud du sillon Sambre et Meuse, impliquant quatre groupes typologiques de rivières, les valeurs de référence et la définition des états écologiques ont été basées et calculées sur un réseau de référence de sites de très bon état. Les « valeurs de conditions de référence » ont été définies par les médianes des métriques des sites de « très bon état ». Lorsque aucun site de très bon état n’était disponible, c’est-à-dire pour les groupes typologiques au nord du sillon Sambre et Meuse et pour la Meuse et la Sambre, les conditions de référence (ou le « potentiel écologique maximal ») et les limites de classes ont été basées sur des coefficients appliqués aux sites de « bon état » et sur jugement d’expert.</p> <p align="justify"><i>Exercice pilote d’inter-étalonnage</i><br> Cinquante échantillons ont été sélectionnés parmi les rivières du type d’inter-étalonnage européen R-C3 (petite taille, altitude moyenne, substrat siliceux) en Wallonie (correspondant aux « ruisseaux ardennais ») dans toute la gamme de qualités écologiques, du « très bon » au « mauvais » état. Chaque métrique de l’indice « Intercalibration Common Metrics » (ICM) a été comparée (par régression linéaire et polynomiale) aux valeurs de l’IBGN. La plus forte corrélation a été établie avec l’indice synthétique de l’ICM dont le R² très élevé (0,95) permet un inter-étalonnage précis et fiable. A un EQR (Equivalent Quality Ratio) de l’IBGN = 1 correspond un indice ICM très proche (= 1,004). En conséquence, la métrique « cote de l’IBGN » est proposée comme métrique pour l’évaluation de l’état écologique de la faune invertébrée en Wallonie.</p> <p align="justify"><i>Espèces exotiques et invasives</i><br>L’ouverture récente du canal à grand gabarit Main – Danube en 1992 et la navigation qui en résulte a permis à plusieurs espèces de macroinvertébrés ponto-caspiennes d’envahir successivement les bassins du Rhin et de la Meuse. De 1998 à 2000, le réseau de mesure a enregistré quatre nouvelles espèces exotiques dans la Meuse en Belgique : une polychète (<i>Hypania invalida</i>) et trois crustacés (<i>Hemimysis anomala, Dikerogammarus villosus, D. haemobaphes</i>). Peu avant, en 1995, le bivalve asiatique <i>Corbicula fluminea</i> et l’amphipode nord-américain <i>Crangonyx pseudogracilis</i> ont également été enregistrés pour la première fois. La dynamique des invasions a été étudiée et discutée.</p> <p align="justify">L’<i>état biologique actuel</i> (2000-2002) des masses d’eaux de surface en Wallonie et l’évolution des états biologiques sur une décennie (1990-2002) figurent dans l’étude et sont discutés. Une amélioration globale de la qualité de 6 % est enregistrée pour cette période. L’amélioration de la qualité se manifeste principalement pour les états « mauvais » et « médiocre » s’élevant à l’état « moyen ».</p> <b>Abstract</b> <p align="justify"><i>River typology in Wallonia and invertebrate fauna characterization</i><br>Twenty-five river-types in Wallonia were defined according to the Water Framework Directive taking into account obligatory and optional factors gathered in three criteria: the size (from “brook” to “very large river”), the slope (gentle, medium and strong) and five natural regions (Loess, Condroz, Famenne, Arden and Jurassic summarising the obligatory altitude, latitude, longitude and geology factors). A multivariate approach applied to a large amount of samples (i.e. taxa lists) led to give a more accurate definition of some river-types and to discriminate seven river-type groups exhibiting similar faunal assemblages.</p> <p align="justify"><i>Type-specific reference conditions and ecological status definition of rivers in Wallonia using invertebrate biocenotic metrics</i><br> Faunal lists and IBGN (i.e. "Standardized Global Biological Index IBGN") metric values, evolving from the biological quality assessment network in Wallonia, were used to discriminate the river types and to define the reference sites, the reference conditions and the status class limits. South of the axis made by the Sambre & Meuse Rivers, involving four river-type groups, reference values and ecological status definition were based and calculated on a reference network of sites of high status. The "reference condition values” were defined as the median values of the metrics in all “high status” sites. Where no site of high status was available, i.e. in the others river-type groups north of the same axis and in the Rivers Sambre and Meuse themselves, reference conditions (or maximum ecological potential) and class limits were based on coefficients applied to “good status” sites and on expert judgement.</p> <p align="justify"><i>Intercalibration pilot exercise</i><br> Fifty samples were selected from R-C3 rivers (i.e. small, mid-altitude, siliceous) in Wallonia (corresponding to the “Arden’s brooks”) showing the widest range of ecological quality from high to bad status. Each Intercalibration Common Metric (ICM) was compared (linear and polynomial regression) to IBGN scores. The highest correlation was found with the synthetic ICM index, whose high R² (0.95) allows accurate and reliable intercalibration. To IBGN EQR (i.e. Equivalent Quality Ratio) = 1 corresponds a very close ICM index value (= 1.004). Consequently, the metric IBGN score is being proposed to act as the metric for the assessment of the invertebrate fauna ecological status in Wallonia, Belgium.</p> <p align="justify"><i>Exotic and invasive species</i><br> The recent opening of the canal Danube – Main in 1992 and the subsequent navigation allowed several Ponto-Caspian macroinvertebrate species to invade successively the Rhine and the River Meuse basins. From 1998 to 2000, the monitoring network recorded four new alien species in the River Meuse in Belgium: one Polychaeta (<i>Hypania invalida</i>) and three Crustacea (<i>Hemimysis anomala, Dikerogammarus villosus, D. haemobaphes</i>). Earlier, in 1995, the Asian Bivalvia <i>Corbicula fluminea</i> and the North American Amphipod <i>Crangonyx pseudogracilis</i> were also recorded for the first time. The invasions’ dynamics were studied and discussed.</p> <p align="justify"><i>Present biological status</i> (2000-2002) of surface water-bodies in Wallonia and biological status evolution over a one-decade period (1990-2002) is included and discussed in the study. A global quality improvement of 6 % is recorded for the period. Quality improvement concerns mainly the “bad” and “poor” status raising up to “moderate” status.</p>

The European Water Framework Directive 2000 established a new emphasis for the management of freshwaters by setting ecologically-based water quality targets that are to be achieved through holistic, catchment-scale, ecosystem management. However, significant knowledge gaps exist in the understanding of the cumulative effectiveness of multiple mitigation measures on a number of pollutants at a catchment scale. This research contributes to improved understanding of the effectiveness of an ecosystem management approach to deliver catchment-scale water quality improvements on the National Trust Holnicote Estate on Exmoor, UK. This research is part of a larger multi-objective project funded by the UK Department for Environment, Food and Rural Affairs (Defra), to demonstrate the benefits of land use interventions for the management of flood risk. This thesis evaluates the effects of upland ditch blocking on physico-chemical and biological parameters of water quality in an upland Horner Water catchment one year after habitat restoration, and establishes a solid baseline for the monitoring of the effects of current and future land management changes in a lowland, intensively managed, agricultural Aller catchment. The spatial variability of soil physical and chemical properties (bulk density, total carbon (TN), nitrogen (TN), C:N ratio, δ15N, total phosphorus (TP), inorganic phosphorus (IP), organic phosphorus (OP)) and water quality determinands (suspended sediment (SS), dissolved organic carbon (DOC), total particulate carbon (TPC), total oxidised nitrogen (TON) and dissolved reactive phosphorus (DRP)) in the two study catchments with contrasting land use has been characterised and linked to the prevailing land use. Agricultural land use resulted in extensive homogenisation of soil properties. The spatial dependence of all soil properties, except for bulk density and δ15N, was stronger in the agricultural than the semi-natural catchment (nugget:sill ratio 0.10-0.42 in the Aller and 0.15-0.94 in Horner Water), while bulk density, TP, inorganic phosphorus (IP), organic phosphorus (OP), C:N ratio, δ15N and carbon storage showed a longer range of spatial auto-correlation in the agricultural catchment (2,807-3,191 m in the Aller and 545-2,599 m Horner Water). The central tendency (mean, median) of all soil properties, except for IP and δ15N, also differed significantly between the two catchments (P < 0.01). The observed extensive alteration of soil physical and chemical properties in the agricultural catchment is likely to have long-term implications for the restoration of ecosystem functioning and water quality management. The intensive land use seems to have resulted in an altered ‘catchment metabolism’, manifested in a proportionally greater total fluvial carbon (dissolved and particulate) export from the agricultural than the semi-natural catchment. The agricultural catchment supported significantly higher DOC concentrations (P < 0.05) and the quality of DOC differed markedly between the two study catchments. The prevalence of more humic, higher molecular weight compounds in the agricultural catchment and simpler, lower molecular weight compounds in the semi-natural catchment, indicated enhanced microbial turnover of fluvial DOC in the agricultural catchment as well as additional allochtonous terrestrial sources. During an eight month period for which a comparable continuous turbidity record was available, the estimated SS yields from the agricultural catchment (25.5-116.2 t km2) were higher than from the semi-natural catchment (21.7-57.8 t km2). Further, the agricultural catchment exported proportionally more TPC (0.51-2.59 kg mm-1) than the semi-natural catchment (0.36-0.97 kg mm-1) and a similar amount of DOC (0.26-0.52 kg mm-1 in the Aller and 0.24-0.32 kg mm-1 in Horner Water), when normalised by catchment area and total discharge, despite the lower total soil carbon pool, thus indicating an enhanced fluvial loss of sediment and carbon from the intensively managed catchment. Whilst detection of catchment-scale effects of mitigation measures typically requires high resolution, resource-intensive, long term data sets, this research has found that simple approaches can be effective in bridging the gap between fine scale ecosystem functioning and catchment-scale processes. Here, the new macro-invertebrate index PSI (Proportion of Sediment-sensitive Invertebrates) has been shown to be more closely related to a physical measure of sedimentation (% fine bed sediment cover) (P = 0.002) than existing non-pressure specific macro-invertebrate metrics such as the Lotic Index for Flow Evaluation (LIFE) and % Ephemeroptera, Plecoptera & Trichoptera abundance (% EPT) (P = 0.014). Further testing of PSI along a pronounced environmental gradient is recommended as PSI and % fine bed sediment cover have the potential to become a sensitive tool for the setting and monitoring of twin sedimentation targets. Upland ditch management has not had any discernible effect on water quality in the semi-natural upland catchment one year after restoration, which may be due to the short-term post-restoration monitoring period but may also reflect benign effects of large-scale earth moving works on this high quality environment. The conceptual understanding of catchment processes developed in this thesis suggests that cumulatively, the recently completed mitigation works in the lowland agricultural catchment will likely result in reduced sediment and nutrient input into the aquatic environment. However, further research is needed to build on this detailed baseline characterisation and inform the understanding of the effectiveness of combined mitigation measures to reduce the flux of multiple contaminants at the catchment scale.

<p align="justify"><i>Typologie des cours d’eau en Wallonie et caractérisation par la faune invertébrée</i><br>Vingt-cinq types de cours d’eau ont été définis en Wallonie d’après les termes de la Directive Cadre pour l’Eau en tenant compte des facteurs obligatoires et optionnels rassemblés sous trois critères :la taille (du « ruisseau » à la « très grande rivière »), la pente (faible, moyenne et forte), et cinq régions naturelles (la région limoneuse, le Condroz, la Famenne, l’Ardenne et la Lorraine belge, résumant les facteurs obligatoires altitude, latitude, longitude et géologie). Une approche par analyses multivariées appliquées à un grand nombre d’échantillons (listes taxonomiques) a permis de définir de façon plus précise certains types de rivières et de distinguer sept groupes typologiques montrant des assemblages faunistiques similaires.</p><p><p align="justify"><i>Conditions de référence types et définition de l’état écologique des rivières en Wallonie à l’aide de métriques biocénotiques basées sur les invertébrés</i><br> Les listes faunistiques et les valeurs métriques de l’IBGN (Indice biologique global normalisé) issues du réseau d’évaluation de la qualité biologique en Wallonie ont été utilisées pour discriminer les types de rivières et pour définir les sites de référence, les conditions de référence et les limites des classes des états écologiques. Au sud du sillon Sambre et Meuse, impliquant quatre groupes typologiques de rivières, les valeurs de référence et la définition des états écologiques ont été basées et calculées sur un réseau de référence de sites de très bon état. Les « valeurs de conditions de référence » ont été définies par les médianes des métriques des sites de « très bon état ». Lorsque aucun site de très bon état n’était disponible, c’est-à-dire pour les groupes typologiques au nord du sillon Sambre et Meuse et pour la Meuse et la Sambre, les conditions de référence (ou le « potentiel écologique maximal ») et les limites de classes ont été basées sur des coefficients appliqués aux sites de « bon état » et sur jugement d’expert.</p><p><p align="justify"><i>Exercice pilote d’inter-étalonnage</i><br> Cinquante échantillons ont été sélectionnés parmi les rivières du type d’inter-étalonnage européen R-C3 (petite taille, altitude moyenne, substrat siliceux) en Wallonie (correspondant aux « ruisseaux ardennais ») dans toute la gamme de qualités écologiques, du « très bon » au « mauvais » état. Chaque métrique de l’indice « Intercalibration Common Metrics » (ICM) a été comparée (par régression linéaire et polynomiale) aux valeurs de l’IBGN. La plus forte corrélation a été établie avec l’indice synthétique de l’ICM dont le R² très élevé (0,95) permet un inter-étalonnage précis et fiable. A un EQR (Equivalent Quality Ratio) de l’IBGN = 1 correspond un indice ICM très proche (= 1,004). En conséquence, la métrique « cote de l’IBGN » est proposée comme métrique pour l’évaluation de l’état écologique de la faune invertébrée en Wallonie.</p><p><p align="justify"><i>Espèces exotiques et invasives</i><br>L’ouverture récente du canal à grand gabarit Main – Danube en 1992 et la navigation qui en résulte a permis à plusieurs espèces de macroinvertébrés ponto-caspiennes d’envahir successivement les bassins du Rhin et de la Meuse. De 1998 à 2000, le réseau de mesure a enregistré quatre nouvelles espèces exotiques dans la Meuse en Belgique :une polychète (<i>Hypania invalida</i>) et trois crustacés (<i>Hemimysis anomala, Dikerogammarus villosus, D. haemobaphes</i>). Peu avant, en 1995, le bivalve asiatique <i>Corbicula fluminea</i> et l’amphipode nord-américain <i>Crangonyx pseudogracilis</i> ont également été enregistrés pour la première fois. La dynamique des invasions a été étudiée et discutée.</p><p><p align="justify">L’<i>état biologique actuel</i> (2000-2002) des masses d’eaux de surface en Wallonie et l’évolution des états biologiques sur une décennie (1990-2002) figurent dans l’étude et sont discutés. Une amélioration globale de la qualité de 6 % est enregistrée pour cette période. L’amélioration de la qualité se manifeste principalement pour les états « mauvais » et « médiocre » s’élevant à l’état « moyen ».</p><p><p><b>Abstract</b><p><p><p align="justify"><i>River typology in Wallonia and invertebrate fauna characterization</i><br>Twenty-five river-types in Wallonia were defined according to the Water Framework Directive taking into account obligatory and optional factors gathered in three criteria: the size (from “brook” to “very large river”), the slope (gentle, medium and strong) and five natural regions (Loess, Condroz, Famenne, Arden and Jurassic summarising the obligatory altitude, latitude, longitude and geology factors). A multivariate approach applied to a large amount of samples (i.e. taxa lists) led to give a more accurate definition of some river-types and to discriminate seven river-type groups exhibiting similar faunal assemblages.</p><p><p align="justify"><i>Type-specific reference conditions and ecological status definition of rivers in Wallonia using invertebrate biocenotic metrics</i><br> Faunal lists and IBGN (i.e. "Standardized Global Biological Index IBGN") metric values, evolving from the biological quality assessment network in Wallonia, were used to discriminate the river types and to define the reference sites, the reference conditions and the status class limits. South of the axis made by the Sambre & Meuse Rivers, involving four river-type groups, reference values and ecological status definition were based and calculated on a reference network of sites of high status. The "reference condition values” were defined as the median values of the metrics in all “high status” sites. Where no site of high status was available, i.e. in the others river-type groups north of the same axis and in the Rivers Sambre and Meuse themselves, reference conditions (or maximum ecological potential) and class limits were based on coefficients applied to “good status” sites and on expert judgement.</p><p><p align="justify"><i>Intercalibration pilot exercise</i><br> Fifty samples were selected from R-C3 rivers (i.e. small, mid-altitude, siliceous) in Wallonia (corresponding to the “Arden’s brooks”) showing the widest range of ecological quality from high to bad status. Each Intercalibration Common Metric (ICM) was compared (linear and polynomial regression) to IBGN scores. The highest correlation was found with the synthetic ICM index, whose high R² (0.95) allows accurate and reliable intercalibration. To IBGN EQR (i.e. Equivalent Quality Ratio) = 1 corresponds a very close ICM index value (= 1.004). Consequently, the metric IBGN score is being proposed to act as the metric for the assessment of the invertebrate fauna ecological status in Wallonia, Belgium.</p><p><p align="justify"><i>Exotic and invasive species</i><br> The recent opening of the canal Danube – Main in 1992 and the subsequent navigation allowed several Ponto-Caspian macroinvertebrate species to invade successively the Rhine and the River Meuse basins. From 1998 to 2000, the monitoring network recorded four new alien species in the River Meuse in Belgium: one Polychaeta (<i>Hypania invalida</i>) and three Crustacea (<i>Hemimysis anomala, Dikerogammarus villosus, D. haemobaphes</i>). Earlier, in 1995, the Asian Bivalvia <i>Corbicula fluminea</i> and the North American Amphipod <i>Crangonyx pseudogracilis</i> were also recorded for the first time. The invasions’ dynamics were studied and discussed.</p><p><p align="justify"><i>Present biological status</i> (2000-2002) of surface water-bodies in Wallonia and biological status evolution over a one-decade period (1990-2002) is included and discussed in the study. A global quality improvement of 6 % is recorded for the period. Quality improvement concerns mainly the “bad” and “poor” status raising up to “moderate” status.</p><p><p> / Doctorat en sciences, Spécialisation biologie animale / info:eu-repo/semantics/nonPublished