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Effects of riffle–step restoration on hyporheic zone chemistry in N-rich lowland streams

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Abstract:

Stream restoration projects that aim to rehabilitate ecosystem health have not considered surface–subsurface linkages, although stream water and groundwater interaction has an important role in sustaining stream ecosystem functions. The present study examined the effect of constructed riffles and a step on hyporheic exchange flow and chemistry in restored reaches of several N-rich agricultural and urban streams in southern Ontario. Hydrometric data collected from a network of piezometers and conservative tracer releases indicated that the constructed riffles and steps were effective in inducing hyporheic exchange. However, despite the use of cobbles and boulders in the riffle construction, high stream dissolved oxygen (DO) concentrations were depleted rapidly with depth into the hyporheic zones. Differences between observed and predicted nitrate concentrations based on conservative ion concentration patterns indicated that these hyporheic zones were also nitrate sinks. Zones of low hydraulic conductivity and the occurrence of interstitial fines in the restored cobble-boulder layers suggest that siltation and clogging of the streambed may reduce the downwelling of oxygen- and nitrate-rich stream water. Increases in streambed DO levels and enhancement of habitat for hyporheic fauna that result from riffle–step construction projects may only be temporary in streams that receive increased sediment and nutrient inputs from urban areas and croplands.

Les projets de restauration des cours d'eau pour la réhabilitation de la santé de l'écosystème ne tiennent pas compte des liens entre les eaux superficielles et souterraines, bien que l'interaction entre l'eau du cours d'eau et l'eau d'origine phréatique joue un rôle fondamental dans le maintien des fonctions des écosystèmes d'eau courante. Notre étude examine l'effet de la construction de rapides et d'un seuil sur les échanges de débits et sur la chimie des eaux dans des sections restaurées de plusieurs cours d'eau agricoles et urbains riches en N dans le sud de l'Ontario. Des données hydrométriques récoltées à l'aide d'un réseau de piézomètres et l'utilisation de traceurs conservateurs indiquent que les rapides et les seuils artificiels favorisent efficacement les échanges hyporhéiques. Toutefois, malgré l'utilisation de cailloux et de pierres dans la construction des rapides, les fortes concentrations d'oxygène dissous (DO) du cours d'eau sont rapidement épuisées à mesure qu'on s'enfonce dans les zones hyporhéiques. Les différences entre les concentrations prévues et observées de nitrates basées sur des patrons conservateurs de concentrations ioniques indiquent que ces zones hyporhéiques sont aussi des trappes à nitrates. L'existence de zones de faible conductivité hydraulique et la présence de particules fines dans les couches restaurées de cailloux–pierres laissent croire que l'envasement et le colmatage du lit du cours d'eau peuvent réduire la pénétration en profondeur de l'eau courante riche en oxygène et en nitrates. Les accroissements des concentrations de DO du lit et l'amélioration de l'habitat de la faune hyporhéique qui résultent des projets de construction de rapides et de seuils peuvent n'être que passagers dans les cours d'eau qui reçoivent des apports élevés de sédiments et de nutriments des zones urbaines et agricoles.[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: January 1, 2006

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nrc/cjfas/2006/00000063/00000001/art00010
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