Lecture 13: Runoff Key Questions 1. What is Hortonian overland flow? 2. What is saturation from below and interflow? 3. What is subsurface flow? 4. How do the different runoff mechanisms affect the shape of the hydrograph? 5. What is the effective rainfall depth and why does if vary with season? 6. What is the variable‐source area concept?

Looking southeast down Lake Whatcom

Photo by Margaret Landis

Lake Whatcom Water Budget inputs – outputs = change in storage

Lake Whatocm Water Budget for the WY2010 Inputs Direct Precipitation Diversion Runoff

Volume (MG)            % of total 7350 23.7 860 2.8 22762 73.5

Outputs Whatcom Creek 22311 Hatchery 875 Puget Sound Co‐Genera                        51 City of Bellingham 3522 LW Water & Sewer District            239 Evaporation 2592 Change in Storage

1384

75.4 3.0 0.2 11.9 0.8 8.8

Runoff (millions of gallons)

Modeled Runoff into Lake Whatcom: WY 2010

Oct

Apr

Sep

The hydrograph response shape depends on the rainfall and basin characteristics Hyetograph

Rain 

Hydrograph

Q

Time Time

basin characteristics

Basin Characteristics

1. Basin size (area) 2. Topography 3. Drainage dentistry (length of streams per area) 4. Vegetation type and distributions 5. Geology 6. Soil type and thickness 7. Runoff processes

Q = stream discharge

Lake Whatcom Watershed Geology

Lake Whatcom Watershed Soils

Lake Whatcom Watershed Soil Depth

Runoff Processes: Hortonian Overland Flow When the rainfall rate exceeds the infiltration rate the soil will  ‘saturate from above’ and produce surface runoff. 

infiltration

percolation

Runoff Process: Hortonian Overland Flow

rainfall rate exceeds the infiltration rate 

silt and clay soils have slow infiltration  rates, hence more surface runoff

Runoff Process: Hortonian Overland Flow

rainfall rate exceeds the infiltration rate 

Impervious surfaces in urban settings  don’t allow any infiltration, hence very  rapid surface runoff

Runoff Process: Hortonian Overland Flow

rainfall rate exceeds the infiltration rate 

Frozen soils don’t allow any infiltration,  hence very rapid surface runoff

Runoff Process: Hortonian Overland Flow

rainfall rate exceeds the infiltration rate 

fractured bedrock (Chuckanut Formation)

Exposed bedrock in the Canyonlands, Utah: Hortonian overland flow

Runoff Process: Hortonian Overland Flow exposed bedrock Lake Whatcom watershed

fractured bedrock (Chuckanut Formation)

Runoff Process: Hortonian Overland Flow rainfall rate exceeds the infiltration rate 

Hydrograph

Q

the first water to  arrive at the stream is  surface overland flow 

Time

fractured bedrock (Chuckanut Formation)

Runoff Process: Subsurface Flow (saturation from below) soil on bedrock

fractured bedrock (Chuckanut Formation)

Runoff Process: Subsurface Flow (saturation from below) In forested watersheds (like Lake Whatcom) there is a very permeable (high hydraulic conductivity) humus layer above the soil. The layer is  soil, broken up by roots, critter burrows, and contains aggregated soil  and organic matter. 

fractured bedrock (Chuckanut Formation)

Runoff Process: Subsurface Flow (saturation from below) In forested watersheds (like Lake Whatcom) there is a very permeable (high hydraulic conductivity) humus layer above the soil. The layer is  soil, broken up by roots, critter burrows, and contains aggregated soil  and organic matter. 

rain infiltrates and percolates  quickly into the humus layer  and ponds on top of the silt

silt loam

Runoff Process: Subsurface Flow (saturation from below) Water flows laterally through the humus layer along the surface of the  soil layer contact—its also called interflow. 

Hydrograph

Q

the water from interflow  arrives at the stream at a  later time because it moves  slower through the humus Time

fractured bedrock (Chuckanut Formation)

Runoff Process: Subsurface Flow (movement within the soil) Water that percolates through the humus layer and ponds on top of the  soil, can infiltrate into the soil and move laterally as subsurface flow

water infiltrating into the soil (silt loam)

silt loam

Runoff Process: Subsurface Flow Water flows laterally through the soil layer (silt loam)—also called interflow

Hydrograph

Q

Time

fractured bedrock (Chuckanut Formation)

the water moving through the soil arrives  at the stream at a much later time because  it moves even slower through the soil  (naturally it depends on the type of soil)

Analyze the response of the Smith Creek basin to rainfall events Hyetoograph

Rain 

Hydrograph

Q

Time Time

basin characteristics

soil type

soil thickness

North Shore MET Station 

Smith Creek Stream Gauge 

North Shore MET Station 

inches

January Hyetograph

January Hyetograph

inches

1.32 inches total rain

Q (cfs)

Storm hydrograph as a result of a 1.32 inch  rain event in January

Time (hrs)

Q (cfs)

storm event

baseflow Time (hrs)

Q (cfs)

response hydrograph‐ discharge in the  stream due to runoff from the rain event  with the baseflow removed

Time (hrs)

Q (cfs)

Response Hydrograph

Time (hrs)

the event flow volume (EFV) is the area under the curve

Q (cfs)

Response Hydrograph

Time (hrs)

EFV = 5781252 cubic feet

If the EVF is spread evenly over the basin area, it  corresponds to the effective rainfall depth (Weff). basin area = 5 sq‐miles  (139392000 sq feet)

Weff =

5781252 139392000

Weff =

0.5 inches

Weff is 38% of 1.32 inches

1.32 inches of rain fell on the basin during a January rain  event, but only 38% of it discharged out of Smith Creek.  Where did the rest of the rain go? Hyetoograph

Rain 

Hydrograph

Q

Time Time

basin characteristics

July Hyetograph July rainfall event (2.03 inches)

0.4 0.3

Q (cfs)

Precipitation (inch)

Response hydrograph due  to the 2.03 in rain event.

0.2 0.1 0 1

12

23

34 45 56 Time (hour)

67

Time (hrs)

Q (cfs)

The event flow volume for the July rainfall  event is 749493 cubic feet

Time (hrs)

If the EVF is spread evenly over the basin area, it  corresponds to the effective rainfall depth (Weff). basin area = 5 sq‐miles  (139392000 sq feet)

Weff =

749493 139392000

Weff =

0.065 inches

Weff is 3.2% of 2.03 inches

1.32 inches of rain fell on the basin during a January rain  event, but only 38% of it discharged out of Smith Creek.  2.03 inches of rain fell on the basin during a July rain event,  but only 3.2% of it discharged out of Smith Creek.  Where did it go?

Variable Source Area (VSA): Only certain regions of the watershed  have moist enough soils to allow surface runoff and interflow—the  SVA size varies with season.  The SVA is small in July

The SVA is large in January

As the SVA increases, so does the travel path of runoff, and hence  the time it takes to drain the basin back to baseflow conditions.  

The SVA is small in July

The SVA is large in January

Hydrograph

Q

Hydrograph

Q

Time

Time