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Earth Sciences
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John Macclean

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January 22, 2014 Earth Science 2WW3 – Lecture 3 River Basins and Water Quality Quote: Glaciers and ice caps are indeed key indicators and unique demonstration objects of ongoing climate change. –  Wilfred Haeberli, Director (World Glacier Monitoring Service, 2009) Remember from last week? • What are these figures telling us? • It is important for today • Throughflow – Water that is flowing through the ground  (also referred as interflow) • As soon as soil is saturated it runs overtop as  Throughflow • Infiltration Capacity – How much space does the  sediment/soil have to hold • When blue crosses purple you get overland flow (infiltration  is  less that precipitation) 1) What is a drainage basin/watershed? •  Drainage Basin/Watershed o Total area drained by a river or stream o What captures the water •  Source o Upper reaches of the drainage basin o (ie. Arctic ocean) •  Mouth  o Area where the stream joins another water body at the ‘bottom’ of the drainage basin o Where the water is funneling too • Look this over!­water/default.asp?lang=En&n=45BBB7B8­1 January 22, 2014   • In a test, make sure to label (add to diagram in right above): o Tributaries (branching off blue lines) o Drainage Divide (black line) o Source Region (anywhere within the drainage basin that could potentially collect water to make  its way to the river) – ie. grassland, forests o Mouth (at the bottom which makes the way to the lake/ocean) 2) How do you measure streamflow? • Streamflow: o Di3 ­1 ge: Volume of water flowing past a point in a unit of time o m s (metres cubed per second) • PROBLEM o Very difficult to measure o But not a difficult calculation • SOLUTION o Measure velocity and cross­sectional area o Assume a rectangular channel bed TYPES OF FLOW:   • Stream Discharge: • Q = V x A 3 ­1 o Where, Q = discharge (m s ) ­1 V = velocity (ms ) A = cross­sectional area (m ) January 22, 2014 We do not have to do this: We assume rectangle in quizzes (unlike below) 3) What is a hydrograph? • What is happening with the following graph? o Measures discharge to time o Peakflow – highest discharge o Rise time – from the moment it starting precipitating to peakflow o Lag time – from point of highest rate of precipitation to peakflow  Factors affecting lag time • Substrate type (ie. gravel slows it down) • Overland flow • How would the graph change if there were more urbanization? o Urban area decreases the lag time (graph becomes condensed) o Peak flow increases (same amount of water going through the area in a shorter amount of time) • Little bump is when the water falls in close proximity to the water (two bumps) January 22, 2014 • What is this diagram (right) telling us? o • How do the hydrographs relate to changes in the earth’s  permeability? o   River Morphology 1. Introduction 2. Channel Patterns 3. Floodplain Features 4. Types of Flow 1) Introduction • Floodplain o Nearly flat portion of a river valley adjacent to the channel o It is covered by water during a flood o Build up by sediments deposited during the flood o Usually the best farmland • Thalweg o Line connecting the deepest portions of the stream o Also the line of maximum velocity • Pool & Riffles o Sequence of alternating scoured deeper sections (pools) & shallower coarse grained deposits  (riffles) o Distance between pools is commonly 5­7x width • Stream order – what is it? o  A way of categorising the network so that headwater streams are denoted as first­order streams  and when two first­order streams meet that produces a second­order stream. Where two second­ order streams meet that produces a third­order stream, and so on. • Dendritic most common • Rectangular often controlled by local geology • Parallel In areas of steep slope • Trellsed In areas of strong regional structural control (such as Appalachians) • Deranged occurs in areas of highly irregular topography where lakes can form January 22, 2014 2) Channel Patterns • Consider sinuosity of the channel o Channel sinuosity = how much movement there is in the channel • Meander: One of a series of sinuous curves or loops in the main course of the stream • Sinuosity Ratio: SR= actuallengthof thestream straight linelengthof channel streamlength SR= valleylength • SR  1.5 meandering channel MEANDERING CHANNELS • Most common form in southern Ontario • Common in unconsolidated sediments; particularly when they cut  down into bedrock­pools, riffles & thalwegs are present • Deposition/Erosion: o Point Bar  Deposition on the inside of the meander bend  Based on helicoidal flow o Cut Bank  Erosion on the outside of the meander bend  Usually very steep • Channel migration (laterally) across the floodplain is m’s to 10’s m’s/year • Helicoidal flow: As it moves up the point bar, the current slows down and drops off material. When it  moves down, it picks up speed and erodes material on the cut bank • Meandering river can take up any space in between the valley January 22, 2014 Why do we get deposition on the inner side of the meander bend and erosion on the outer? • Helicoidal flow (ie. corkscrew) How does this affect grain size distribution on the point bar? • Grain size diminishes up the point bar • Fining upwards What depositional features would we expect to find on the point bars? • Asymmetrical features (uniform flow directions (uniform flow direction) • Dunes on the lower portion (faster velocities) • Ripples on the upper portion (lower velocities) What type of feature does this produce over time? • Oxbow Lake (Slide 21) o Crescent shaped lake formed where a meander is cut off from a stream o Filled and forms very efficient farm land Refer to Slides 21­23 for pictures. BRAIDED CHANNEL • Multiple channel systems • Channels may split & rejoin • Deposition between channels called brain bars • Nothing in a braided river system is long­lived • Variable discharge seasonally from glacier – over longer time scales there are various discharges as well  – daily change from glacier as well January 22, 2014 o Inconsistent discharge/highly variable • Gravel left behind from glaciers What are the characteristic features of braided river systems? • Large fluctuations in discharge on varying timescales (daily, seasonal, yearly) • Large amounts of bedload, thus, large amounts of coarse material o Bedload – Stuff in the river (gravel, pebbles) • Easily erodible banks o Sediment is highly susceptible to erosion (can easily pick it up and move) • Often in high relief areas (slope, mountainous areas) Where would you find braided systems? • Glacial meltwater streams • Mountainous terrain Where would you anticipate deposition to occur? [NOT TESTED] • Deposition tends to occur on ‘stalled bars’ • No differentiation between depositing material What features would you expect to see in a braided system? [NOT TESTED] • Migrating dunes • Poorly developed bedding • Tend not to have the fining sequence on stalled bars that you see on point bars Map of a Braided River System Moveable tiny changes that can vary from day to day ANASTAMOSING CHANNELS • Another multi­channel system • More stable system – can be there forever o Form in stable banks (hard to move) • Not very common, only in Saskatchewan • Channels are separated by floodplain materials January 22, 2014 • Form in areas with stable banks, prone to flooding and a net sediment gain (aggrading system) • Gaining sediment, not an equal balance like in meandering rivers 3) Floodplain Features Large number of different types of deposits: • Colluvium o Material that slumps in to the valley from the slides • Channel Fill Deposits o Material deposited in the stream consisting of gravel, sand * tilt • Channel Lag o Material deposited within the stream that cannot be moved, very coarse material • Splay o Material that is deposited when a break occurs in a levee o Deposited during a flood event o Coarse, poorly sorted material that is rapidly deposited Two groups of floodplain deposits: i. Lateral Accretion Deposits o Sediments that build up laterally (ie. side­to­side as opposed to upwards) o Tend to be coarse material (ie. sand & gravels) o E.g. meander scrolls  Alternating ridges & troughs on the floodplain (point bar side)  Formed by point bar migration during periods of high flow ii. Vertical Accretion Deposits: o Generally sit on top of lateral accretion deposits o Usually consist of much finer material (ie. silts & clays) o Often only deposited as a flood recedes o E.g. levee  Organization of material  Coarse material deposited first & finer material further away; muds settle out  furthest away January 22, 2014 January 22, 2014 TYPES OF FLOW  • Reynold Number (Re) – will be given on a final exam • Determines when laminar flow conditions change to turbulent flow conditions o Re  2000 turbulent flow o If in the middle, we do not have enough information. • What is laminar flow? o Flow that follows straight or gently curving stream flow lines o Ideal, consistent water movement o No mixing • What is turbulent flow? o Increase the flow velocity o Flow no longer occurs in parallel layers o Velocity is highly variable o Assumption that the surface is all the same o Resistance depends upon:  channel configuration  size of beload • How to calculate Re? o Re = VR ρ/µ  Where: Re  = Reynolds number V = mean velocity (ms ) R = hydraulic radius (m) = A/P A = cross­sectional area (m ) P = wetted perimeter (m) (3 sides, bottom + sides) µ = molecular viscosity of water (1) ρ = density of water (1000 kgm ) January 22, 2014 January 22, 2014 • Example: A rectangular river bed o 10m wide o 2m deep o Velocity @ 5m/s o Re = 5(20/14)(1000)/1 = 7142.86 o Therefore, the river has a turbulent flow Quote: Science is simply not always able to provide neat and clean answers, and in order to protect the public, expensive  policy decisions must sometimes be made…We seem to be forced to the conclusion that an exceedingly rare toxic  condition, methaemoglobi
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