A LiDAR-Based Analysis of Stream Channel Cross Section Change Across an Urban–Rural Land-Use Boundary

Abstract

Little is known about the downstream propagation of stream channel alterations initiated by urban flow regimes. In this study, freely available Light Detection and Ranging (LiDAR) data were combined with ground survey data to derive information on changes in stream cross sections in a North Carolina watershed, moving downstream across an urban-to-rural land-use boundary. Regression analyses relating LiDAR model and ground survey data exhibit poor relationships for all channel morphometric measurements except reach-average channel capacity. Application of the channel capacity regression reveals a negative power function pattern of downstream decline in channel enlargement. The largest declines occur before streams enter the rural landscape, with more gradual declines afterward. The largest declines in channel size might be attributable to reservoir effects along reaches with wide floodplains. Model results indicate no discernible enlargement once rural land covers and percentage impervious areas of about 60 percent and 16 percent of watershed area, respectively, are reached.

Poco se sabe de la propagación río abajo de las alteraciones del cauce iniciadas por los regímenes de flujo urbano. En este estudio se combinaron datos de consulta abierta de la Light Detection and Ranging (LiDAR) con datos obtenidos mediante levantamiento de campo para derivar información acerca de cambios en los perfiles de la corriente en una cuenca fluvial de Carolina del Norte, a medida que la corriente se desplaza río abajo a través del límite urbano-rural de uso del suelo. Los análisis de regresión que relacionan el modelo LiDAR y los datos del levantamiento de campo exhiben relaciones muy pobres para todas las mediciones morfométricas del cauce, con excepción de la capacidad del cauce por tramo promedio. La aplicación de la regresión de la capacidad del cauce revela un patrón de función negativa de la fuerza de declinación en la ampliación del cauce aguas abajo. Las declinaciones más grandes ocurren antes de que las corrientes entren en el paisaje rural, mostrando después declinaciones más graduales. Las reducciones más grandes en tamaño del cauce podrían atribuirse a efectos de los embalses, junto con la presencia de tramos con amplias planicies de inundación. Los resultados del modelo no indican ampliación discernible alguna tan pronto como se llega a las coberturas de la tierra rural y se alcanzan los porcentajes de áreas impermeables de alrededor del 60 y del 16 por ciento, respectivamente, del área de la cuenca.

Key Words::

• channel capacity
• channel enlargement
• LiDAR
• urban stream

关键词:

• 河道容量
• 河道扩大
• LiDAR
• 城市流

Palabras clave::

• capacidad del cauce
• ampliación del cauce
• LiDAR
• ríos urbanos

Acknowledgments

Notes

*We thank Dr. Zhi-Jun Liu for discussions of quantitative interpretations. Anita Henderson, Elizabeth Binkley Colyer, and Robert Sorrells provided valuable field assistance. We are also grateful for the many helpful comments made by the reviewers.