S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C TS O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

Restoring Sheetflow in a Ridge‐Slough‐Canal‐and‐Levee landscape ‐ A Synthesis of Tracers, Traps and Transport

Colin J. Saunders*Senior ScientistEverglades System Assessment

* With contributing authors

GEERApril 21‐24, 2015

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

* Contributing Authors:• Colin J. Saunders – Senior Scientist, Everglades Systems Assessment, SFWMD

• Erik Tate‐Boldt –Scientist, Everglades Systems Assessment, SFWMD

• Carlos Coronado‐Molina – Lead Scientist, Everglades Systems Assessment, SFWMD

• Sue Newman – Section Leader, Everglades Systems Assessment, SFWMD 

• Fred Sklar – Section Administrator, Everglades Systems Assessment, SFWMD

• Christa Zweig – Scientist, Everglades Systems Assessment, SFWMD

• Eric Cline ‐‐ Scientist, Everglades Systems Assessment, SFWMD 

• Chris Hansen – Florida International  University

• Rudolf Jaffé – Floirda International University

• Fabiola Santamaria – Scheda Ecological

• Jud Harvey – USGS

• Laurel Larsen – Univ. California at Berkeley

• David T. Ho – University of Hawaii

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

Flow – A Critical Piece of the Restoration PuzzleLandscape Patterned by Flow Degraded Landscape with no Flow

S

Simulated Landscapes

With flow Without flow

Larsen et al., 2011.  Recent and Historic Drivers of Landscape Change in the Everglades Ridge, Slough, and Tree Island Mosaic Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 41: 6, 344 — 381

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

Sheetflow Hypothesis Cluster

sloughridge

Deep water sloughs exhibit higher velocities, more sediment transportHigh‐flow redistributes sediment from sloughs into ridges

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

Canal Backfill Hypothesis ClusterIs canal backfilling needed to maintain sediment transport?Does backfilling prevent downstream nutrient loading

marsh sediment

canal  sediment(Hi‐P)

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

Results –Velocities (cm s‐1) at the Landscape‐Level

5.4

Dye (E. Cline)SF6 (D. Ho)

S‐152

2‐km

0.4

0.29

1.0

180 min

5 min post‐injection

N

10 min

Dye tracer at S‐S152

ca. 325 m

RS1

RS2

C1

S1

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

Results –Velocities (cm s‐1) at the Landscape‐Level

S152

RS1Z5‐1

NE2.9 cm s‐1

3.04.3

S152Gates Open

Time  06:00   08:00   10:00   12:00   14:00   16:00  18:00

Turbidity (NTU)

0

50

100

150

200

250

300

350Z5‐1NE‐S152RS1RS2 

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

2 cm s‐1

S152 discharge 

(cfs)

RS1 Slough Velocity vs S‐152 dischargeNov 2014‐Jan2015

200

250

Data from Jud Harvey, Jay Choi and Mark Dickman, USGS

RS1 Slough Velocity

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

• Transport – TSS, Velocity ‐ J. Harvey, L. Larsen

• Sediment Entrainment  ‐ L. Larsen, S. Newman

• Horizontal Traps ‐ C. Saunders, C. Coronado‐Molina

• Vertical Traps ‐ C. Coronado‐Molina

• Synthetic Tracer ‐ E. Tate‐Boldt

• Organic Biomarkers ‐ R. Jaffé

• Chemistry ‐ SFWMD, USGS

Monitoring Sediment Movement in the DPM

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

Flow Effects on Ridge‐and‐Slough Sediment Transport – Horizontal Traps 

• Sediment traps– adapted from Phillips et al., 2000 Hydrol Procs.

– Mid‐water column, parallel to flow

– Deployed at spatial sites

– Nov‐Jan 2012, 2013, 2014

Data from C. Saunders, SFWMD

Distance from S152 (m)

0 500 1000 1500 2000

trans

port

(g/c

m2/

d)

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025Oct2012-Jan2013Oct2013-Jan2014Oct2014-Feb2015

Load

 per fron

tal area (g cm

‐2d‐

1 )

Distance from S‐152 (m)

BaselineFlow #1Flow #2

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

• Sediment traps (BACI sites)– C1, RS1, RS2 

– ridge & slough

– 3‐wk Oct‐Jan, 6‐wk Feb‐April

– 2011, 2012, 2013, 2014

C1

0.000

0.004

0.008

0.012

0.016 ridgeslough

RS1

mas

s lo

adin

g pe

r fro

ntal

are

a (g

cm

-2 d

-1)

0.000

0.004

0.008

0.012

0.016

RS2

Date6/11 10/11 2/12 6/12 10/12 2/13 6/13 10/13 2/14 6/14 10/14 2/15 6/15

0.000

0.004

0.008

0.012

0.016

C1

RS1

RS2

ridgeslough

Date

Load

 per fron

tal area (g cm

‐2d‐

1 )

velo

city

(cm

s-1

)

0

2

4

6

Date6/11 10/11 2/12 6/12 10/12 2/13 6/13 10/13 2/14 6/14 10/14 2/15 6/15

0

2

4

6

0

2

4

6

8Ridge (Flowtracker)

Slough (Flowtracker)Ridge (ADV)Slough (ADV)CET-max

Date

Velocity  (cm

 s‐1)

Ridge (Flowtracker)

Slough (Flowtracker)Ridge (ADV)Slough (ADV)CET-max Fire

Data from C. Saunders, SFWMD

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

S152

Tracer Drop

RS1u

RS1d

0.0000.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 

Distance along boardwalk (m) Particles s‐1‐6 ‐4 ‐2 0 2 4 6

9

‐6 ‐4 ‐2 0 2 4 6Time

900

1000

1100

1200

1300

1400

RS1u RS1d– Physical properties matched to natural Everglades floc

– 25kg frozen blocks deployed at upstream locations

– recaptured using 11 Guass magnets

– UV‐fluorescent, different colors to track multiple cohorts

– Synoptic surveys & downstream capture

Tracer

Tracking Floc Movement –Synthetic Tracer

see E. Tate‐Boldt et al. GEER presentation

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

Active Management Study “Zweig Slough”

A imagery from Nov 4, 2014

mber 30, 2014r velocities (ADV)

Ridge: 2‐3 cm s‐1

Slough: 16 cm s‐1

f

Tracer drops

DST recovered(grams /magnet)

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

Natural Tracers: Organic Biomarkers in Floc

gh #

ge #

e P. Reiger et al. GEER poster

Pre‐Flow

HighFlow

Post‐Flow

Pre‐Flow

HighFlow

Post‐Flow

Data from R. Jaffé, FIU

Ridge Slough

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

Do deep water sloughs exhibit faster velocities, more transport? Is ediment preferentially redistributed from sloughs to ridges?

Achieved velocities high enough to erode sediments 

Water did not follow the historic flowpath

Flow velocities increased with flow duration

Sediments transported preferentially in sloughs

Sediment from sloughs can get deposited on ridges

Active management might be required along with flow

Summary – 1. Flow Effects on Sediment Transport in the Ridge & Slough

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

ough Sediment Transport at RS1 

Method Baseline(g m‐1 d‐1)

High Flow(g m‐1 d‐1)

TimeDomain

Type of Sediment

TSS x DV‐veloc

30‐90 860 Daily avg All sediments (45 um dia.)

SS x DST‐veloc

N.D. 86 Daily avg Synthetic tracer (100 um dia.)

SS x SF6‐veloc

18‐40 90 Daily avg All sediments

Traps (3wk)

1‐15 45 3‐Week avg Larger particles

Traps (3mo)

1 41 3‐Month avg Larger particles

Summary – 1. Transport Synthesis

mplications for building topography

Baseline ridge accumulation (max) = 300 g m‐2 yr‐1Slough transport = ~5,000 to 100,000 g m‐1 yr‐1Assuming 

• 120 high flow days per year• 10% settles in the ridges, 75% decomposes• Bulk density 0.15 g cm‐3

Ridge accretion increases 1.2‐17 cm decade‐160‐800% increase vs average ridge accretion

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

Part 2. Is the Canal a Sediment k or Source? Role of Backfilling?tical sediment traps4”‐dia PVC (Len:inlet >5)Anchored to bottom, kept upright with floats5 canal sites, 3‐6 wkdeployments

st processingFine (<1‐mm) sediments collected in ImhofffunnelsDry wt to determine mass accumulation, density, chemistry (LOI, TCNP)Molecular biomarker analysis on frozen 

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

elocities at the L67C Canal & Levee Gap –Nov‐Dec 2013

21

No Fill

Partial Fill

Complete Fill

Velocity (cm s‐1)5

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

CC2S

05

10152025

CB3

05

10152025

CB2

accu

mul

atio

n ra

te (g

m-2

d-1

)

05

10152025

CB1

05

10152025

CC1N

05

1015202530 High flowsCanal Sediment 

Accumulation

a from oronado‐Molina 

Control‐N

Control‐S

No Fill

PartialFill

CompleteFill

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

Canal sediment dynamics:Molecular Organic Biomarkers

h

e

High Flow Post‐FlowPre‐Flow

Canal Sediment Traps ‐ Paq

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

Sediment Phosphorus and Sources:  Marsh vs Canal

L‐28*

hosphorus ntent highest in nal sediments

ggests canal cumulating a cal source of diment 

anals a potential urce of P

canalmarsh

Data from L Larsen (UCB) C Coronado Molina & C Saunders (SFWMD)

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

Is backfilling of canals needed for ecological restoration? 

No‐Fill – higher accumulation, but higher inflows

Partial & Complete Fill  ‐ still recovering from construction

Flow affected all canal sites  ‐mobilizing canal sediments?

Implications for nutrient dynamics in canal and downstream     ….analyses are ongoing

ummary – 2. Effects of Flow & Backfilling on Canal Sediment Dynamics

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

cknowledgements...

FWMD, USACE, USGS, ENP, USFWS, FDEP, Univ. Hawaii, Florida International University, University of California at Berkeley, University of Florida, ...

ue Wilcox, Robert Shuford, Tamela Kinsey, Richard Walker, Kristin eitz, Michael Manna, Michelle Blaha, Ed Clark, Paul Linton, Shi Xue, Pamela Lehr, Darlene Marley, Pete Rawlik, Mark Shafer, Vince Sandoval,  Megan Jacoby,  Jeff Woods, Mark Dickman, Mark Zucker, Lori Miller, Andy Loschaivo, Steve Baisden, Pamela Tellis, Jed Redwine, Ernest Marks, Ingar Hansen, Deinna Nicholson,  Paul Julian, Mike Ross, Pablo Ruiz, Jay Sah, Ann Hijuelos, Lori Wenkert, Mike Bush ....

S O U T H   F L O R I D A   W A T E R   M A N A G E M E N T   D I S T R I C T

ESTIONS?ical Model of Flow Reconnection                                eve Ecological Restoration in the Everglades

. Saunders, DPM Science Team Lead