Hydrologic and geomorphic flow thresholds in the Lower Brazos River, Texas, USA

Abstract

River science and management often require a design or reference discharge. The common (and sometimes unavoidable) use of such discharges may, however, obscure the fact that the magnitude and frequency of critical flows can differ due to various hydrological, geomorphological, and ecological criteria. Threshold stages and discharges were identified for six lower Brazos River, Texas gaging stations corresponding to thalweg connectivity, bed inundation, high sub-banktop flows, channel–floodplain connectivity (CFC), and overbank flooding. Critical flows were also identified for estimated thresholds for sandy bedform and medium gravel mobility, critical specific stream power for potential channel modifications, and cohesive-bank channel erosion. These thresholds have variable relationships to mean, median, and maximum flows. For four of the six stations, daily recurrence probabilities for all but flood flows are at least 1%, and as high as 11%. All stations achieve channel–floodplain connectivity at stages less than banktop. Estimated threshold flows for sediment mobility and channel erosion occur relatively frequently, with daily probabilities of 2–77%. Critical flows for bank erosion occur least often, and for sandy bedform and gravel mobility most often. Thalweg connectivity is always maintained at all sites, while bed inundation flows have a daily probability of about 80% or more. Overall, results suggest that no single flow level is dominant in hydrological or geomorphic dynamics, and that the frequency of a given threshold varies considerably even along a single river. The results support the idea that multiple flow levels and ranges are necessary to create and maintain the hydrological, geomorphological, and ecological characteristics of rivers, and that no single flow level is a reliable determinant of fluvial state.

Editor Z.W. Kundzewicz; Associate editor Q. Zhang

Résumé

L’étude et la gestion d’une rivière font souvent appel à un débit de référence ou de projet. L’usage habituel (et parfois inévitable) de ces débits peut cependant occulter le fait que l’intensité et la fréquence des débits critiques peuvent différer en raison de divers critères hydrologiques, géomorphologiques et écologiques. Des seuils de niveaux et de débits ont été déterminés en six stations de jaugeage situées à l’aval de la rivière Brazos (Texas) pour la connectivité de thalweg, le lit mineur, l’écoulement de plein bord, la connectivité du lit majeur et son inondation. Des débits critiques ont également été déterminés pour l’estimation de seuils concernant la mobilité des lits sableux et graveleux, la puissance spécifique du débit susceptible de modifier le chenal d’écoulement, et l’érosion des berges cohérentes du chenal. Ces seuils ont des relations variables à la moyenne, à la médiane et au maximum du débit. Pour quatre des six stations, les probabilités de récurrence quotidienne pour tous ces seuils, à l’exception des débits de crue sont d’au moins 1%, et peuvent atteindre 11%. Pour toutes les stations la connectivité du chenal et de la plaine d’inondation est atteinte pour des niveaux inférieurs au niveau de plein bord. Les seuils de débit estimés pour la mobilité des sédiments et l’érosion du chenal sont assez fréquemment atteints, avec des probabilités quotidiennes de 2 à 77%. Les débits critiques pour l’érosion des berges se produisent moins souvent, les lits sableux et graveleux étant les plus affectés. La connectivité du thalweg est toujours conservée sur tous les sites, alors que les débits du lit mineur ont une probabilité quotidienne d’au moins 80%. Ces résultats suggèrent en définitive que de multiples niveaux et gammes de débits contribuent à créer et à maintenir les caractéristiques hydrologiques, géomorphologiques et écologiques d’un cours d’eau, et qu’aucun indicateur unique de débit ne peut caractériser de façon fiable son état.

Key words:

• threshold discharge
• flow regime
• geomorphic threshold
• channel–floodplain connectivity
• Brazos River

Mots clefs:

• seuil de débit
• régime d’écoulement
• seuil géomorphologique
• connectivité du chenal et de la plaine d’inondation
• rivière Brazos

Acknowledgements

Helpful comments from Mark Wentzel helped improve the final product. Jeff Levy and Dick Gilbreath of the University of Kentucky GIS and Cartography laboratories assisted with assembling the GIS databases and with preparing figures. Frank Heitmuller and an anonymous referee provided helpful critiques of an earlier draft.

Additional information

Funding

This research was supported by the Texas Water Development Board (TWDB) through contract no. 1104831147.