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Empirical model for predicting a catchment-scale metric of surface water transit time in streams

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Abstract:

Estimates of average water velocity (vw) extracted from tracer dye studies (vdye) or calculated from velocity–discharge relationships at continuous-flow gauges (vgage) were combined with catchment area (A) and other readily available data for 111 streams throughout the conterminous United States. The resulting data set (n = 305) represented broad ranges of A (65 – 62 419 km2), mainstem length (Lmax, 15.6–867 km), slope (S, 0.14–11.5 m·km–1), and daily average discharge (Q, 0.09–634 m3·s–1). A catchment-scale metric of surface water transit time (Tw, Lmaxvdye–1) ranged from 0.3 to 40 days, averaging 7.2 days. A bivariate regression model using log10 A and log10 Q explained 83% of the variation in log10 Tw and predicted Tw with an average precision of ±49%. By contrast, a previously published model based on hydraulic geometry relationships overestimated Tw by 100%. Application of my model to five streams nested in a ninth-order ( = 9) catchment indicated that under dry (September) and wet (March), long-term (1954–2001) median flow conditions, vw increased with Q (vwQ0.3) as far downstream as  = 8 and then remained constant or declined. The slope of this longitudinal vwQ relationship was three times greater than the expected value. Longitudinal velocity gradients in many streams may thus be much steeper than commonly assumed.

Des estimations de la vitesse moyenne du courant (vw) obtenues d'études faites avec des colorants traceurs (vdye) ou calculées à partir des relations vitesse–débit à des stations de jaugeage continu (vgauge) ont été combinées à la surface du bassin versant (A) et à d'autres données généralement disponibles dans 111 cours d'eau des États-Unis continentaux. La banque de données obtenue (n = 305) représente une gamme étendue de surfaces (A, 65 – 62 419 km2), de longueurs du cours principal (Lmax, 15,6–867 km), de pentes (S, 0,14–11,5 m·km–1) et de débits journaliers moyens (Q, 0,09–634 m3·s–1). Une métrique du temps de passage de l'eau en surface à l'échelle du bassin versant (Tw, Lmaxvdye–1) varie de 0,3–40 jours, avec une moyenne de 7,2 jour. Un modèle de régression bidimensionnel qui relie log10 A et log10 Q explique 83 % de la variation de log10 Tw et prédit Tw avec une précision moyenne de ±49 %. Par comparaison, un modèle publié antérieurement basé sur des relations de « géométrie hydraulique » surestime Tw de 100 %. L'application du présent modèle à cinq cours d'eau appartenant à un bassin versant d'ordre 9 ( = 9) montre que, dans des conditions de débit moyen à long terme (1954–2001) en périodes de sécheresse (septembre) et d'humidité (mars), vw augmente en fonction de Q (vwQ0,3) vers l'aval jusqu'à  = 8, pour ensuite demeurer constant ou décliner. La pente de cette relation longitudinale vwQ est trois fois plus importante que prévu. Les gradients longitudinaux de vitesses du courant dans plusieurs cours d'eau peuvent ainsi être beaucoup plus prononcés qu'on le croit généralement.[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: March 1, 2005

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  • Published continuously since 1901 (under various titles), this monthly journal is the primary publishing vehicle for the multidisciplinary field of aquatic sciences. It publishes perspectives (syntheses, critiques, and re-evaluations), discussions (comments and replies), articles, and rapid communications, relating to current research on cells, organisms, populations, ecosystems, or processes that affect aquatic systems. The journal seeks to amplify, modify, question, or redirect accumulated knowledge in the field of fisheries and aquatic science. Occasional supplements are dedicated to single topics or to proceedings of international symposia.
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