Streamflow variability of dryland rivers

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Presented by Julian D. Olden at the Madrean Conference (2012)

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Streamflow variability of dryland rivers

  1. 1. Streamflow variability of dryland rivers in a changing climateJulian Olden1, Kristin Jaeger2 and David Lytle31University of Washington, 2Ohio State University, 3Oregon State University
  2. 2. Challenge Synopsis• Rivers that intermittently cease to flow and “run dry” are more representative of the world’s river systems than those with perennial flows (Tooth 2000)• The spatial and temporal extent of temporary rivers are likely to further increase in response to altered land‐use, greater human water use, and climate change (Meehl et al. 2007, Palmer et al. 2008) Datry et al. (2011)% Intermittent streams0 10050Nadeau & Rains (2007)
  3. 3. • Stream drying occurs at multiple spatiotemporal scales (Stanley et al. 1997)• Stream drying causes the loss of longitudinal connectivity for aquatic biota as well as for physical processes throughout the river network (Larned et al. 2010)• Dry riverbeds serve a range of important ecological values (Steward et al. 2012)When the river runs dryBrown Canyon, Huachuca Mts, AZAug 23, 2010Aug 26, 2010
  4. 4. Spea multiplicata(Mexican spadefoot)Rana catesbeiana(American bullfrog)Hyla arenicolor(canyon treefrog)Anaxyrus punctatus(red‐spotted toad)Abedus herberti(giant water bug)Mesocapnia arizonensis(stonefly)Stictotarsusaequinoctialis(diving beetle)
  5. 5. 1. Explore present‐day streamflow continuitythrough time and longitudinal connectivitythrough space across a riverine network2. Forecast future changes in continuity and connectivity associated with projected climate changeToday’s presentationNHuachuca Mountain Range, AZ
  6. 6. • Standard methods for monitoring stream and groundwater conditions typically occur at a small set of geographic points at frequent time intervals• Field mapping approaches can effectively quantify longitudinal connectivity but are limited by the frequency of visitsChallenges to mapping flow permanenceTurner and Richter (2011)1999 ….. 2010
  7. 7. Electrical Resistance SensorsSensor modificationExposed wireExposed wireAdapted from Blaschet al. (2002)Stream drying Onset of continuous flowRelative ConductivityTime
  8. 8. • Spatial array of 44 ER sensors to measure P/A of streamflow• Generating a near continuous longitudinal record of streamflow timing from Apr 2010 –present• Quantify streamflow continuity (continuous through time) and longitudinal connectivity (continuous in space)
  9. 9. t = 1 2 3 4 5 6 7ABC8Connectivityover space= 3/8 time periods or 37.5%Continuity over time= 6/8 time periods or 75%= 5/8 or 62.5%= 4/8 or 50%
  10. 10. Streamflow Continuity and Connectivity• Continuity of flow over time varied from perennial (100%) to intermittent (5‐70%) to ephemeral (<5%)• Average duration of a monsoon “thunderstorm” flow event:– 5.2 h : intermittent– 3.5 h : ephemeral• The mountain front was moderately connected• Alluvial plain showed little longitudinal connectivity0.5%0.2%0.6%0%41%22%Jaeger and Olden (in press, River Research and Applications)
  11. 11. • More frequent and earlier stream drying in 2011 compared to 2010 – 30% decreased continuity– 3.8 m earlier (9 d – 7 m)• Earlier stream drying correspond to either the upper portions of the headwaters or the approximate base of the mountain frontunderlain by granitic geology2010 (average precipitation) vs. 2011 (dry) MonthOct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May JunDifference in Precipitation, mm‐20020406080100120Aerostat 2010Aerostat 2011
  12. 12. Summary• ER sensors facilitate a cost‐effective landscape approach to quantify flow continuity and longitudinal connectivity • Higher estimated longitudinal connectivity when possible flow “refugia” are incorporated (Jaeger and Olden, in press)• Streamflow is closely coupled to local precipitation and only moderately corresponds to underlying geology• Stream drying occurred substantially earlier and more frequently following below‐average precipitation (2011)
  13. 13. 1. Quantify present‐day streamflow continuitythrough time and longitudinal connectivitythrough space across a riverine network2. Forecast future changes in longitudinal connectivity associated with projected climate changeToday’s presentationNHuachuca Mountain Range, AZ
  14. 14. http://www.tucson.ars.ag.gov• Estimate flow magnitude, duration and timing using the Soil Water Assessment Tool (USDA)• Distributed precipitation‐runoff model with ArcGIS interface• Change in # zero flow days• Number of zero flow periods• Duration of zero flow periodsHydrologic ModelingFrameworkModel
  15. 15. Climate change predictions024681012Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov DecMean Daily Precipitation (mm)2001‐2010 2082‐2091 Sierra Vista, AZDecrease during onset and peak monsoon periodIncrease during early winterDamped intra‐annual variability* GFDL CM2.1 GCM, A2 greenhouse‐gas emissions scenario, spatially downscaled daily time‐step
  16. 16. Garden CanyonRiver Km Station1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17JanFebMarAprMayJunJulAugSepOctNovDecGarden Canyon: Mean Daily Discharge (2082 - 2091)River Km Station1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17JanFebMarAprMayJunJulAugSepOctNovDec1e-040.0010.010.10.51cmsDownstreamPresent Day (2001‐2010)Future (2082‐2091)no flowUpstreamMeandaily QDischargeR=0.51 (P<0.01)PermanenceR=0.42 (P<0.01)
  17. 17. Brown CanyonRiver Km Station1 2 3 4 5 6 7 8 9 10JanFebMarAprMayJunJulAugSepOctNovDecBrown Canyon: Mean Daily Discharge (2082 - 2091)River Km Station1 2 3 4 5 6 7 8 9 10JanFebMarAprMayJunJulAugSepOctNovDecDownstream UpstreamPresent Day (2001‐2010)Future (2082‐2091)1e-040.0010.010.10.5cmsno flowMeandaily Q
  18. 18. ‐50050100150200Overall Winter Spring SummerChange (%)Garden Brown Tinker McClure‐50‐250255075100Overall Winter Spring SummerChange (%)Garden CanyonBrown CanyonTinker CanyonMcClure CanyonÜ0 1 2 3 40.5KilometersByStation.ContinuityMetricDifferenceszfd_diffIncrease by 46 - 60 DaysIncrease by 60 - 90 DaysIncrease by 90 - 120 DaysIncrease by 120 - 152 DaysChange in Zero Flow DaysDuration of Zero Flow PeriodsNumber of Zero Flow Periods
  19. 19. • Considerable spatial and temporal variability in flow permanence is not captured by simple “perennial” or “intermittent” stream types• Network‐mapping of flow continuity and connectivity over time can provide important insight into habitat permeability and corridors for animal movement• Climate‐induced stream drying and loss of flow connectivity is highly probable• Enhanced field monitoring coupled with hydrologic models provide the opportunity to forecast the vulnerable of temporary streams to increased water scarcity in the Madrean Sky IslandsConclusions
  20. 20. • Strategic Environmental Research and Development Program (RC‐1724)• Meryl Mims, Mike Bogan, Britta Padgham, Noel Pelland, Martin Schlaepfer• Kyle Blasch, Brooke Gebow, Bruce Gungle, Kyle Molloy, Sheridan Stone Acknowledgements

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