Variability of tracer breakthrough curves in mountain streams: Implications for streamflow measurement by slug injection

Abstract

Tracer dilution methods are commonly used to measure discharge in steep mountain streams. This research addressed knowledge gaps associated with dilution methods using original field data collected on nine streams in southwest British Columbia and discharge measurements conducted by Northwest Hydraulic Consultants Ltd. Minimum mixing lengths ranged between 2.4 and 24.5 stream wetted widths, but determining the mixing length can be confounded by surface-subsurface water fluxes. Probes need to be placed on opposite sides of the stream to verify adequate mixing, because probes located at different locations on the same of the stream sometimes suggested complete mixing had occurred when it in fact had not. For probes located downstream of complete mixing, breakthrough curves (BTCs) for probes located in the main current differed significantly from probes in zones with recirculating flow, even though they yielded discharge values within ± 10%. The peak of the BTC is a function of the mass of tracer injected, reach length, channel cross-sectional area, and the integral of a non-dimensional BTC, A*. The distribution of A* derived from analysis of 175 BTCs can be used, in conjunction with estimates of channel geometry and desired increases in electrical conductivity, to estimate dosing requirements to avoid under- or over-dosing a stream reach.

Les méthodes de dilution avec traceur sont couramment utilisées pour mesurer le débit des cours d’eau de montagne avec pentes escarpées. Cette recherche visait à combler le manque de connaissances associé aux méthodes de dilution en utilisant les données de terrain pour neuf cours d’eau dans le sud-ouest de la Colombie-Britannique et les mesures de débits réalisées par la Northwest Hydraulic Consultants Ltd. Les longueurs de mélange minimum se situent entre 2.4 et 24.5 des largeurs mouillées du ruisseau, mais la détermination de la longueur de mélange peut être rendue plus confuse par les courants d’eau surface/sous-surface. Des capteurs doivent être placés de chaque côté du cours d’eau pour vérifier l’adéquation du mélange puisque les capteurs installés à différents endroits sur le même côté d’un cours d’eau peuvent parfois suggérer un mélange complet alors que ce n’est pas le cas. Pour ce qui est des capteurs situés en aval du mélange complet, les courbes de restitution des capteurs dans le courant principal différaient beaucoup de ceux se trouvant en zones de débit de recirculation, même s’ils ont tout de même permis d’évaluer les valeurs de débits à ± 10 %. Le pic de la courbe de restitution est une fonction de la masse du traceur injectée, de la longueur du tronçon, de l’aire de la section transversale du canal et de l’intégrale d’une courbe de restitution non dimensionnelle, A*. La distribution de A*, provenant de l’analyse de 175 courbes de restitution, peut être utilisée, conjointement avec les estimations de la géométrie des canaux et des hausses de la conductivité électrique désirées, afin d’estimer le dosage approprié pour éviter un sous-dosage ou un surdosage d’un tronçon de cours d’eau.

Key words:

• Salt dilution
• solute dynamics
• hydrometry
• streamflow measurement
• dilution gauging

Acknowledgements

Funding for this project was provided by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada by a Discovery Grant held by RDM, and by Northwest Hydraulic Consultants Ltd. and Mitacs as part of a Mitacs Accelerate Internship held by the senior author. We thank Aquarius Research & Development Inc., Hoskin Scientific, Ministry of Environment, Northwest Hydraulic Consultants Ltd. and Water Survey of Canada for the use of their field equipment. We also thank numerous graduate students in the University of British Columbia Department of Geography, Brett Eaton, Luke Gould, Greg Grzybowski, Eleri Harris, Michele Koppes, Alexis Moyer and Robin Pike, for field assistance.