Investigating Small Multiple Catch Ment Runoff Generation in a Forested Temperate Watershed
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Investigating small multiple catch ment runoff generation in a forested temperate watershed April Lynda James Department of Geography McGill University Montreal, Quebec August 2005 A thesis submitted to McGill University in partial fulfillment of the requirements of the degree ofPh.D. in Geography © April Lynda James 2005 Library and Bibliothèque et 1+1 Archives Canada Archives Canada Published Heritage Direction du Branch Patrimoine de l'édition 395 Wellington Street 395, rue Wellington Ottawa ON K1A ON4 Ottawa ON K1A ON4 Canada Canada Your file Votre référence ISBN: 978-0-494-25177-5 Our file Notre référence ISBN: 978-0-494-25177-5 NOTICE: AVIS: The author has granted a non L'auteur a accordé une licence non exclusive exclusive license allowing Library permettant à la Bibliothèque et Archives and Archives Canada to reproduce, Canada de reproduire, publier, archiver, publish, archive, preserve, conserve, sauvegarder, conserver, transmettre au public communicate to the public by par télécommunication ou par l'Internet, prêter, telecommunication or on the Internet, distribuer et vendre des thèses partout dans loan, distribute and sell th es es le monde, à des fins commerciales ou autres, worldwide, for commercial or non sur support microforme, papier, électronique commercial purposes, in microform, et/ou autres formats. paper, electronic and/or any other formats. The author retains copyright L'auteur conserve la propriété du droit d'auteur ownership and moral rights in et des droits moraux qui protège cette thèse. this thesis. Neither the thesis Ni la thèse ni des extraits substantiels de nor substantial extracts from it celle-ci ne doivent être imprimés ou autrement may be printed or otherwise reproduits sans son autorisation. reproduced without the author's permission. ln compliance with the Canadian Conformément à la loi canadienne Privacy Act some supporting sur la protection de la vie privée, forms may have been removed quelques formulaires secondaires from this thesis. ont été enlevés de cette thèse. While these forms may be included Bien que ces formulaires in the document page count, aient inclus dans la pagination, their removal does not represent il n'y aura aucun contenu manquant. any loss of content from the thesis. ••• Canada Abstract Runoff gen~ration refers to the physical processes by which water travels through the landscape, moving through the subsurface or over the ground surface, ultimately arriving at the stream channel. These physical processes vary in both space and time leading to difficulties in mechanistic modelling of storm response, contaminant transport and nutrient fluxes. Runoff generation has been extensively studied at the hillslope scale and in headwater catchments. However, only recently have empirical studies begun to collect similarly detailed datasets across multiple catchments with which to examine how these processes change with scale. This study examines runoff generation from a series of eight small nested forest catchments and focuses specifically on the controlling influences of antecedent moisture conditions and catchment topography. End-member-mixing-analysis using stream water hydrochemistry from the eight catchments shows changing seasonal and storm-based source water contributions to the stream channel. Analysis identifies hydrochemical solutes with behaviour consistent with the assumptions of the mixing-model approach for aIl eight catchments. Results indicate that testing of solute selection is critical in the application ofthis method to multiple catchments. Runoff generation observed for five storm events shows a strong nonlinear relationship between runoff and antecedent moisture conditions, supporting the hypothesis of varying 'states of wetness'. Detailed hiIlslope-scale investigation during the different 'states of wetness' indicates that while groundwater and soil moi sture profiles show changing active-flow connectivity on a seasonal and storm based time scale, there no significant change in spatial patterns of shallow soil moisture. These results suggest that a priori spatial patterns in shallow soil moi sture in forested terrains may not be a good predietor of eritieal hydrologie eonnectivity that leads to the threshold change in runoff generation, as has been found in rangeland catchments. Differences in storm response from the eight catchments are in part attributable to variation in topography and landscape organization. The multiple catchments have similar distributions of topographic index and yet differences in mean values of 1 topographie index lead to significantly different estimates of mean residence time. Scaling of storm response is dominated by the behaviour of the three largest catchments. These three catchments distinguish themselves with larger MRT and larger valley bottom areas. It is these three catchments that, under dry antecedent moi sture conditions, show significantly larger amounts of new water delivery to the stream channel, suggesting a significant change in dominant runoff mechanisms related to topography and landscape organization. II Resumé Le ruissellement réfère aux processus physiques au cours desquels l'eau se déplace du sous-sol à la surface et rejoint le cours d'eau en fin de parcours. Ce processus varie selon les lieux et le temps, ce qui entraîne des difficultés pour modeler les effets des orages, le transport de contaminants et les flux de nutriments. Le ruissellement a été largement étudié à l'échelle des versants (hillslope) et au niveau des bassins-versants en amont. Cependant, les études empiriques qui collectent des données détaillées à partir de plusieurs bassins-versants et qui examinent comment les processus changent selon l'échelle, sont plus rares. Cette recherche étudie le processus de ruissellement mesuré à partir de huit (8) petits bassins versants en forêt et plus particulièrement, étudie les effets des conditions d'humidité antérieures et de la topographie des bassins versants. Une analyse utilisant l'hydrochimie de l'eau provenant des huits bassins versants révèle des apports d'eau provenant des changements saisonniers et d'orages. L'analyse identifie l'hydrochimie des corps dissous avec un modèle consistant et avec un modèle de mélange linéaire. Les résultats indiquent que l'analyse des corps dissous est importante dans l'application de cette méthode aux multiples bassins versants. Les ruissellements observés lors des 5 orages montrent une forte relation non linéaire entre les ruissellements et des conditions antérieures 'd'état d'humidité', corrhoborant l'hypothèse de l'existence 'd'état d'humidité' variable. Une recherche fouillée à l'échelle des versants (hillslope) de différents 'états d'humidité' indique que, alors que les profils de l'eau au sol et de l'humidité du sol montrent un changement de débit liés aux saisons et à l'événement de l'orage, il n'y a pas de changement significatif dans la structure spatiale de l'humidité des sols peu profonds (profondeur de 20cm). Ces résultats suggèrent que les structures spatiales d'humidité mesurées au préalable dans les sols peu profonds ne sont probablement pas des indicateurs satisfaisants de la connectivité hydrologique qui mène au changement dans les ruissellements, tel que l'on peut le retrouver dans les bassins versants des paturages. Les différences entre les orages dans les 8 bassins versants sont en partie attribuables aux variations topographiques et à la configuration du paysage. Les III bassins versants ont des distributions identiques d'index topographique et, cependant, les données conduisent à des estimés de 'temps de résidence moyen' (MRT) qui diffèrent de façon significative. La graduation des ruissellements d'orages est dominée par le comportement des trois plus grands bassins versants. Ces trois bassins versants se distinguent par un plus grand MRT et de plus grandes aires de fond de vallée. Ce sont également ces trois bassins versants qui montrent des quantités plus grandes d'eau neuve apportées jusqu'au cours d'eau, suggérant qu'un changement significatif dans les mécanismes prédominants de ruissellement est lié à la topographie et à la configuration du paysage. IV Acknowledgements 1 would like to thank the many people that supported and contributed to completion ofthis dissertation. First, 1 wish to thank my advisor Dr. Nigel Roulet for his unwavering support as scientist, teacher, mentor, and colleague - thank you. 1 wish to thank my committee members, Dr. Tim Moore, Dr. Michel Lapointe and Dr. Charles Lin for their suggestions and comments during the varying stages of research. Thank you to Mike Dalva for many conversations on field equipment, data analysis and our common field site. Thank you to Martin Duval, Denis Bergeron, Marc-andré Langlois and Fidèl Dulac at the Mont Saint-Hilaire Centre de La Nature for their logistical support. 1 wish to thank Dr. Marty Lechowitz and the ECONET project for funding of the laser altimetry (LIDAR) digital elevation dataset. Processing of the LIDAR dataset was performed by Benoit Hamel, creating a high resolution (lm x lm) digital elevation model used extensively in this work. Ion ex change chromatography was performed in the laboratory of Dr. Brian Branfireun at University of Toronto Mississauga by Carl Mitchell and fellow students. 1 wish to thank my tremendously talented and eager team of field assistants: Raissa Marks, Sheena Pappa, Catie Burlando, and Nathan Deutsch. Not to be forgotten are the additional field assistants that 1 plied into the field with grandiose promises of adventure, escape