Comparison of seasonal fish abundance estimates of deep pools in the river Danube by two different sonar systems

Vergleich der Abundanz Schätzungen von Fischen in Donaukolken mittels zweier unterschiedlicher Echolotsysteme. Kolke in großen Flüssen wie der Donau stellen in Hinblick auf die Nutzung durch Fische wenig untersuchte Habitate dar. Der Grund hierfür liegt darin, dass herkömmliche Methoden zur Erfassung von Fischzönosen wie Fischen mit elektrischem Strom, Langleinen oder der Einsatz von Netzen methodisch bedingt nicht ausreichen, um ein genaues Bild der Fischabundanz dieser Bereiche zu liefern. Der Wirkungsbereich des elektrischen Feldes ist auf die oberen Bereiche beschränkt, und nimmt mit der Wassertiefe ab (Zalewski and Cowx 1990). Mittels Langleinen werden hauptsächlich benthische Fischarten mit einer räuberischen Ernährungsweise erfasst (Bammer, 2010). Der Einsatz von Kiemennetzen ist aufgrund der herrschenden Strömungen und Turbulenzen nur in einem sehr eingeschränkten Maße möglich (Goffaux et al., 2005). Eine adäquate Methode um das Vorkommen und die Abundanz von Fischen in Kolken zu erfassen ist daher der Einsatz von Echoloten (Kolding, 2002). Ein großer Vorteil der Anwendung von Echoloten besteht darin, Messungen der Verteilung und der Abundanz von Fischen über beliebig lange Zeiträume durchführen zu können. Im Zuge der vorliegenden Studie wurden zwei hydrologisch unterschiedliche Kolke in der freifließenden Donau östlich von Wien erstmalig untersucht. Ein Kolk befand sich direkt stromab hinter einer transversalen Buhne (Überfallskolk). Bei erhöhtem Wasserstand, wird die Buhne vom Wasser überflutet und es entsteht eine zum Grund gerichtete, grabende Strömung. Der zweite Kolk befand sich am Ende einer transversalen Buhne (Buhnenkopfkolk). Beim Auftreffen des Wassers auf den Kopf der Buhne entstehen turbulente Strömungen die sich in das Bachbett graben und so einen Kolk entstehen lassen. Im Zuge dieser Untersuchung wurden gleichzeitig durchgeführte Aufnahmen von verschiedenen Echolotsystemen miteinander verglichen (z.B. Maxwell and Gove, 2007; Berghuis, 2008). Die zwei verwendeten Systeme waren das „Split - beam“ Echolot EK 60 von Simrad® und das „Multi- beam Dual Frequency Identification Sonar“ Echolot (DIDSON) von Soundmetrics®. Das EK 60 verwendet eine Frequenz von 120 kHz während das DIDSON mit 1,1 oder 1,8 MHz arbeitet. Die höhere Frequenz ermöglicht es dem DIDSON feinere Aufnahmen zu machen, wodurch kleinere Objekte erfasst werden können. Die Aufnahmen wurden zeitlich synchronisiert, von einem Boot, dass über den Kolken im Fluss verankerten war, durchgeführt. Insgesamt wurden acht 24 stündige Aufnahmen (4 vom Überfallkolk und 4 vom Buhnenkopfkolk) saisonal über das Jahr verteilt, ausgeführt. Im Überfallskolk waren generell höhere Fischdichten zu beobachten, als im Buhnenkopfkolk. Weiters war ein saisonaler Trend bezüglich der Fischdichte im Überfallskolk erkennbar, es wurden hohe Dichten im Winter und Herbst und geringere Dichten im Frühjahr und Sommer festgestellt. Im Buhnenkopfkolk wurden niedrige Abundanzen im Winter, Frühjahr und Sommer beobachtet, während im Herbst leicht erhöhte Fischdichten vorhanden waren. Der Vergleich der Aufnahmen beider Systeme ergab, dass das DIDSON Sonar höhere Fischdichten aufzeichnete als das EK 60. Die Differenzen zwischen den Systemen zeigten auch Unterschiede zwischen den Probestellen, ebenso waren saisonale Effekte gegeben. Die Abundanz im Überfallskolk zeigte keine signifikanten Unterschiede zwischen den Echolotsystemen. Im Buhnenkopfkolk waren im Winter hohe und im Herbst höchst signifikante Unterschiede zwischen den erfassten Fischabundanzen zu beobachten, während im Frühjahr und Sommer keine signifikanten Unterschiede auftraten. Ein weiteres Untersuchungsziel war der Vergleich der Längenbestimmung der beiden Echolotsysteme. Die Längenbestimmung des EK 60 erfolgte indirekt durch die Umrechnung der reflektierten Signalstärke in die Fischlänge, während beim DIDSON die Messung der Länge von Individuen direkt mittels Bildanalyse durchgeführt wurde. Die mittels des EK 60 beziehungsweise DIDSON ermittelten Längenverteilungen wurden mit Fangdaten der Freiwasserzone der Donau aus den Jahren 2006 und 2007 verglichen. Zur Längenbestimmung mittels EK 60 wurden zwei unterschiedliche Methoden, unter Verwendung der mittleren Signalstärke (Lilja et al., 2004; Love, 1969; Love, 1977) bzw. des 95% Perzentils der Signalstärkeverteilung (Rakowitz et al., 2008b), verwendet. Die Ergebnisse, der Längenverteilung aller Methoden ergaben, dass sich im Überfallskolk größere Fische aufhielten als im Buhnenkopfkolk. Die DIDSON Längenbestimmung lagen immer über der beiden EK 60 Methoden. Der Vergleich der Längenbestimmung der Echolotsysteme mit den Fangdaten aus der Donau zeigte eine leichte Überschätzung der Längen durch das DIDSON und eine leichte Unterschätzung der EK 60 Längen ermittelt mit der 95%-Perzentil Methode. Die Längenbestimmung mittels der mittleren Signalstärke unterschätze die Fischlängen, verglichen mit den Fangdaten am stärksten. Zusammenfassend lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen. Die Ergebnisse der zwei Echolotsysteme (Simrad® Split - beam EK 60 und DIDSON® Multi - beam) korrelierten nicht direkt proportional miteinander, eine logarithmische Transformation der Werte zeigte eine hochsignifikanten linearen Zusammenhang der geschätzten Abundanzen beider Messsysteme. Die zu den unterschiedlichen Terminen aufgenommenen Abundanzen der zwei synchronisierten Echolotsysteme ergaben ähnliche Verteilungsmuster der saisonalen Fischdichten. Die Längenberechnung mittels DIDSON liegt näher an den Messungen von Fangdaten, als die aus den reflektierten Signalstärken berechneten Längen durch das EK 60 Echolot.The goal of our research was to compare fish abundances of two large pools in the free-flowing Danube by different sonar systems, a split beam (Simrad® EK 60; 120 kHz) and a multi beam (DIDSON®; 1.1- 1.8 MHz). The pools under investigation were distinctly different regarding their hydraulic properties. We were interested how far the different recording sensitivities of these two devices are reflected in the results of the abundance estimations at a lower flowing, less turbulent habitat and of a faster flowing, more turbulent habitat, respectively. Moreover we were interested in the size estimations from the two systems and how these results deviate from catch data from the Danube River. The recordings showed that the DIDSON detected more fish than the EK 60. The comparison of the size distribution showed that the estimations of the DIDSON were generally higher than the estimations of the EK 60. In comparison with the fish total-length measurements of catch data the DIDSON estimation revealed larger sizes whereas the EK 60 estimations were distinctly lower. The reason for the observed differences of abundance and fish-size estimates may be that both, fish density and hydraulic conditions had an influence on the signal type and signal quality of different sonar. The size estimation from the EK 60 is strongly influenced by the tilt angle and the fish aspect; whereas the size estimation from DIDSON is influenced by overlapping signals due to low individual distances (fish shoal) or miss-tracking of signals due to turbidity leading to blurs at the signal starting and ending points

Modelling highly variable environmental factors to assess potential microbial respiration in complex floodplain landscapes

The hydrological exchange conditions strongly determine the biogeochemical dynamics in river systems. More specifically, the connectivity of surface waters between main channels and floodplains is directly controlling the delivery of organic matter and nutrients into the floodplains, where biogeochemical processes recycle them with high rates of activity. Hence, an in-depth understanding of the connectivity patterns between main channel and floodplains is important for the modelling of potential gas emissions in floodplain landscapes. A modelling framework that combines steady-state hydrodynamic simulations with long-term discharge hydrographs was developed to calculate water depths as well as statistical probabilities and event durations for every node of a computation mesh being connected to the main river. The modelling framework was applied to two study sites in the floodplains of the Austrian Danube River, East of Vienna. Validation of modelled flood events showed good agreement with gauge readings. Together with measured sediment properties, results of the validated connectivity model were used as basis for a predictive model yielding patterns of potential microbial respiration based on the best fit between characteristics of a number of sampling sites and the corresponding modelled parameters. Hot spots of potential microbial respiration were found in areas of lower connectivity if connected during higher discharges and areas of high water depths