7/22/2016

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Remediation measures of agricultural streams

Anders WörmanThe Royal Institute of Technology, Sweden

…with contributions Anna Åkesson, Andrea Bottacin‐Busolin, Jud Harvey, Andrea Marion, Lars Marklund, Ida Morén, Aaron Packman, Roberto Revelli, Luca Ridolfi, Susa Stonedahl, Joakim Riml.

1. Historical changes in agricultural streams2. Design approach for remediation measures

Nutrient sources

The Baltic Sea

Land‐based remediation actions

1905 1917 1936 1968

1950s

1810s

Historical changes affecting agricultural streams

Drainage works‐ State supported in 1800s‐ Gradual, continuous and 

extensive

Hydropower‐ Most watersheds are 

affected by regulations

Climate change‐ Fluctuations‐ Global warming

79 selected watersheds

Anna Åkesson, PhD thesis, KTH. 2015.Åkesson et al, 2015, Online in Water Resources Research

Century‐long pattern in daily discharge time‐seriesOnly “sporadic” water quality data is available for the last 50 years

Historical daily, discharge time‐series from 1800s

Unregulated tomoderately regulated

Series ≥ 55 years (median 83 years).

Total coverage 131,000 km2 , 1/3 of Sweden.

Year1933.3 1933.4 1933.5 1933.6 1933.7 1933.8 1933.9

Pre

cipi

tatio

n (m

3 /s)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Year1933.3 1933.4 1933.5 1933.6 1933.7 1933.8 1933.9

Dis

char

ge (m

3 /s)

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Separating runoff processes and climate 

2. Instantaneous unit hydrograph: ‐ Stream network‐ Channel structure‐ Distances‐ Slope

1.Climate

Wörman, et al., 2010. Hydrological ProcessesRiml and Wörman, 2015. Water Resources Research

Q t P(t)ET (t) *

P(t) and ET(t)

3.Discharge

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Year1933.3 1933.4 1933.5 1933.6 1933.7 1933.8 1933.9

Pre

cipi

tatio

n (m

3 /s)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Year1933.3 1933.4 1933.5 1933.6 1933.7 1933.8 1933.9

Dis

char

ge (m

3 /s)

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Separating runoff processes and climate 

2. Instantaneous unit hydrograph: ‐ Stream network‐ Channel structure‐ Distances‐ Slope

Time [days]100 101 102 103

Spe

ctra

l den

sity

10-1

100

101

102

103

Precipitation

Spectrum

, Sp(T)

Period, T (days)

Time [days]100 101 102 103

Spe

ctra

l den

sity

10-1

100

101

102

103

Precipitation

River discharge

Spectrum

, SQ(T)

Period, T (days)

Gap closing with period

1.Climate

SP(T) = a Tb

Steepness depends on runoff processes

Wörman, et al., 2010. Hydrological ProcessesRiml and Wörman, 2015. Water Resources Research

SQ S PET S Runoff scaling function

P(t) and ET(t)

3.Discharge

Year1933.3 1933.4 1933.5 1933.6 1933.7 1933.8 1933.9

Pre

cipi

tatio

n (m

3 /s)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Year1933.3 1933.4 1933.5 1933.6 1933.7 1933.8 1933.9

Dis

char

ge (m

3 /s)

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Separating runoff processes and climate 

2. Instantaneous unit hydrograph: ‐ Stream network‐ Channel structure‐ Distances‐ Slope

Time [days]100 101 102 103

Spe

ctra

l den

sity

10-1

100

101

102

103

Precipitation

Spectrum

, Sp(T)

Period, T (days)

Time [days]100 101 102 103

Spe

ctra

l den

sity

10-1

100

101

102

103

Precipitation

River discharge

Spectrum

, SQ(T)

Period, T (days)

Period (days)

Scaling functio

n, 

Gap closing with period

Time frame in which runoff processes are important

1.Climate

Time frame in which climate fluctuations are important

SP(T) = a Tb

Steepness depends on runoff processes

Wörman, et al., 2010. Hydrological ProcessesRiml and Wörman, 2015. Water Resources Research

P(t) and ET(t)

3.Discharge

Year1900 1920 1940 1960 1980 2000-1

0

1

2

3

4

5Assmebro Catchment

bP

bQ

1st pol. fit

Period [days]100 101 102

SQ

[m6 ]

10-2

100

102

Decadal average of SQ Assmebro

1933-19421943-19521953-19621963-19721973-19821983-19921993-20022003-2013

Power spectrum for May – Oct period of each year

Non‐changing watershed

Fitted lineSQ(T) = a Tb

Spectral den

sity, S

Q(T)

Slop

e, b         

Period (days)

Year Year1900 1920 1940 1960 1980 2000-1

0

1

2

3

4

5Nissafors Catchment

bPbQ1st pol. fit

Period [days]100 101 102

SQ

[m6 ]

10-2

100

102

Decadal average of SQ Nissafors

1933-19421943-19521953-19621963-19721973-19821983-19921993-20022003-2013

Changing watershed

Period (days)

Year

Spectral den

sity, S

Q(T)

Slop

e, b         

Discharge

Precipitation

Two similarcatchments.

But different discharge statistics!

Spectral discharge change with landscape changes

Drainage works in agricultural land Changes in discharge spectrum slope

1767        Today

Hydropower regulation

Wörman, Lindström, Åkesson, Riml, 2010. Hydrological Processes

Simulated response using • Hydrodynamical routing• Map studies Gradual changes in discharge 

time‐series can be explained by • Stream network topology• Channel morphology 

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General trend for increasing discharge powerspectrum slope in the May – Oct period

• More rapid flow changes and increased risk for floods (further downstream)

• Similar pattern for the scaling function : change of the landscape dominates over climate change on time scales 

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Calculating hyporheic exchange from measued static head distribution

0.00E+00

2.00E‐04

4.00E‐04

6.00E‐04

8.00E‐04

1.00E‐03

1.20E‐03

1.40E‐03

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Hydraulic con

ductivity

 (m/s)  

Longitudinal distance along stream (m) 

Depth = 3 cm Depth = 7 cm

Type 1Type 2  Type 3Type 2Type 3

Head variation

Hydraulic conductivity

Tullstorps Brook, Sweden

PG i 2S (i )i4 ∆ i

1 exp 2 2 / i 1 exp 2 2 / i

W 2 PG i

i1

N

K

Decomposition of hyporheic fluxes on wavelengths

Manuscript in prep.See also Wörman et al., Geophysical Research letters (2006, 2007)

Wavelength,  (m) 

Gradient S

pectrum, P

G

Exchange velocity, W (m/s)

1D gradient spectrum, PG (‐), along stream

= wavelengthS() = Power spectral density of hydraulic headK = Hydraulic conductivity = depth to impermeable surface (or decay parameter)

Hydrostatic vs. hydrodynamic drivers in Tullstops Brook

Longest wavelength considered (m) 

Static head driver

Dynamic head driver

Hydrostatic and hydrodynamic drivers can be created in remediation actions

Partitioning of head gradient on drivinga) stream flow, andb) hyporheic flow Riffle‐and‐pool sequence

Balance between preventing floods and purifying stream water

no remediation measure

increased meandering

length=77 mT=4904 sCV(T)=63.1

length=520 mT=855 sCV(T)=19.7

Comparison with results from tracer tests using Rhodamine WT

Tracer injection

Breakthrough curves

sediment trap/pond

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“Acceptable” agreement between predicted and observed values of hyporheic exchange

Verification of bio‐chemical treatment effect remains

Planning Injection liquid

Pumping

Radioisotopes Injection container

Aliquot from injection liquidWaste team

Simultaneous Tracer Test: 3H2O, 15NO3 and 32PO4Not yet evaluated

Conclusions

Gradual increased risk for floods and rapid flow changes during 20th century‐ Gradual smaller proportion of head gradients used for purifying stream water‐ Lesser nutrient retention and decay?

Hydrological changes can be noted in agricultural areas due to drainage works‐ Discharge statistics from mid 1800s ‐ (Limited) map studies and routing analyses

Design approach for estimating hyporheic exchange and treatment effect‐ Static head drivers tend to dominate hyporheic flows‐ Optimization of total head fall for driving the stream and hyporheic flows

Åkesson, A., Peakflow response of stream network, PhD thesis report TRITA‐HYD 2015:2, The Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden. 

Åkesson, A., Wörman, A., Riml., J., Seibert, J., 2015. “Change in streamflow response in unregulated catchments in Sweden over the last century”, Online Water Resources Research

Åkesson, A. , Wörman, A., Bottacin‐Busolin, A., 2015. Hydraulic response in flooded stream networks. Water Resources Research, 50, pp. 213‐240, doi: 10.1002/2014WR016279

Boano, F., Harvey, J.W., Marion, A., Packman, A.I., Revelli, R., Ridolfi., L., Wörman, A., 2014. “Hyporheic flow and transport processes: Mechanisms, models, and biogeochemical implications”, Reviews of Geophysics. Volume 52, Issue 4, pages 603–679, December 2014, doi: 10.1002/ 2012RG000417

Morén, I., Riml, J., Wörman, A., 2016. “Design of remediation actions in streams for retention and degradation of nutrients in the hyporheic zone”, Manuscript.

Riml., J., Wörman, A., 2015. “Spatio‐temporal decomposition of solute dispersion in watersheds”, Water Resources Research, DOI: 10.1002/2014WR016385.

Wörman, A., Packman, A.I., Marklund, L., Harvey, J.W., Stone, S., 2006. “Exact three‐dimensional spectral solution to surface‐groundwater interactions with arbitrary surface topography”, Geophys. Res. Lett., 33, L07402, doi:10.1029/2006GL025747.

Wörman, A., A. I. Packman, L. Marklund, J. W. Harvey, and S. H. Stone, 2007. ”Fractal topography and subsurface water flows from fluvial bedforms to the continental shield”, Geophys. Res. Lett.: 34, L07402, doi:10.1029/2007GL029426.

Wörman, A., Lindström, G., Riml., J., Åkesson, A., 2010. “Drifting runoff periodicity during the 20th century due to changing surface water volume”, Hydrological Processes 2010, 24(26), 3772 – 3784, DOI: 10.1002/hyp.7810

This presentation is based on the following publications: