The significance of small streams

Abstract

Headwaters, defined here as first- and second-order streams, make up 70%–80% of the total channel length of river networks. These small streams exert a critical influence on downstream portions of the river network by: retaining or transmitting sediment and nutrients; providing habitat and refuge for diverse aquatic and riparian organisms; creating migration corridors; and governing connectivity at the watershed-scale. The upstream-most extent of the channel network and the longitudinal continuity and lateral extent of headwaters can be difficult to delineate, however, and people are less likely to recognize the importance of headwaters relative to other portions of a river network. Consequently, headwaters commonly lack the legal protections accorded to other portions of a river network and are more likely to be significantly altered or completely obliterated by land use.

Keywords

headwaters / hydrology / water quality / land use / connectivity / resilience

References

[1] Adams R K, Spotila  J A (2005). The form and function of headwater streams based on field and modeling investigations in the Southern Appalachian Mountains. Earth Surf Process Landf, 30(12): 1521–1546

[2] Adams S B, Frissell  C A, Rieman  B E (2001). Geography of invasion in mountain streams: consequences of headwater lake fish introductions. Ecosystems (N Y), 4(4): 296–307

[3] Alexander R B ,  Boyer E W ,  Smith R A ,  Schwarz G E ,  Moore R B  (2007). The role of headwater streams in downstream water quality. J Am Water Resour Assoc, 43(1): 41–59

[4] Allan J D (1995). Stream Ecology. Boston, MA: Kluwer Academic Publishers

[5] Arthington A H ,  Bernardo J M ,  Ilheu M  (2014). Temporary rivers: linking ecohydrology, ecological quality and reconciliation ecology. River Res Appl, 30(10): 1209–1215

[6] Battin T J, Kaplan  L A, Findlay  S, Hopkinson C S ,  Marti E ,  Packman A I ,  Newbold J D ,  Sabater F  (2008). Biophysical controls on organic carbon fluxes in fluvial networks. Nat Geosci, 1(2): 95–100

[7] Baxter C V, Fausch  K D, Saunders  W C (2005). Tangled webs: reciprocal flows of invertebrate prey link streams and riparian zones. Freshw Biol, 50(2): 201–220

[8] Beasley C A, Hightower  J E (2000). Effects of a low-head dam on the distribution and characteristics of spawning habitat used by striped bass and American shad. Trans Am Fish Soc, 129(6): 1316–1330

[9] Benda L, Hassan  M A, Church  M, May C L  (2005). Geomorphology of steepland headwaters: the transition from hillslopes to channels. J Am Water Resour Assoc, 41(4): 835–851

[10] Bernhardt E S ,  Palmer M A  (2011). The environmental costs of mountaintop mining valley fill operations for aquatic ecosystems of the Central Appalachians. Year Ecol Conserv Biol, 1223: 39–57

[11] Campbell I C, Doeg  T J (1989). Impact of timber harvesting and production on streams: a review. Mar Freshw Res, 40(5): 519–539 doi:10.1071/MF9890519

[12] Dietrich W E, Dunne  T (1993). The channel head. In: Beven K, Kirkby M J, eds. Channel Network Hydrology. Chichester, UK: Wiley and Sons, 175–219

[13] Dietrich W E, Wilson  C J, Montgomery  D R, McKean  J (1993). Analysis of erosion thresholds, channel networks, and landscape morphology using a digital terrain model. J Geol, 101(2): 259–278

[14] Dietrich W E, Wilson  C J, Montgomery  D R, McKean  J, Bauer R  (1992). Erosion thresholds and land surface morphology. Geology, 20(8): 675–679

[15] Dodds W K, Oakes  R M (2008). Headwater influences on downstream water quality. Environ Manage, 41(3): 367–377

[16] Downing J A, Cole  J J, Duarte  C M, Middelburg  J J, Melack  J M, Prairie  Y T, Kortelainen  P, Striegl R G ,  McDowell W H ,  Tranvik L J  (2012). Global abundance and size distribution of streams and rivers. Inland Waters, 2(4): 229–236

[17] Elmore A J, Kaushal  S S (2008). Disappearing headwaters: patterns of stream burial due to urbanization. Front Ecol Environ, 6(6): 308–312

[18] Falke J A, Fausch  K D, Magelky  R, Aldred A ,  Durnford D S ,  Riley L K ,  Oad R (2011). The role of groundwater pumping and drought in shaping ecological futures for stream fishes in a dryland river basin of the western Great Plains, USA. Ecohydrology, 4(5): 682–697

[19] Ferguson R (2007). Flow resistance equations for gravel- and boulder-bed streams. Water Resour Res, 43(5): n/a

[20] Freeman M C, Pringle  C M, Jackson  C R (2007). Hydrologic connectivity and the contribution of stream headwaters to ecological integrity at regional scales. J Am Water Resour Assoc, 43(1): 5–14

[21] FSSSWG (Forest Service Stream-Simulation Working Group) (2008). Stream Simulation: An Ecological Approach to Providing Passage for Aquatic Organisms at Road-Stream Crossings. USDA Forest Service National Technology and Development Program, 0877: 1801 (-SDTDC, San Dimas, CA.)

[22] Gomez B, Church  M (1989). An assessment of bed load sediment transport formulae for gravel bed rivers. Water Resour Res, 25(6): 1161–1186

[23] Gomi T, Sidle  R C, Richardson  J S (2002). Understanding processes and downstream linkages of headwater systems. Bioscience, 52(10): 905–916

[24] Gooseff M N, Hall  R O Jr, Tank  J L (2007). Relating transient storage to channel complexity in streams of varying land use in Jackson Hole, Wyoming. Water Resour Res, 43(1): 

[25] Griffith (1998). Lateral dispersal of the adult aquatic insects (Plecoptera, Trichoptera) following emergence from headwater streams in forested Appalachian catchments. Annals of the Entomological Society of America, 91 doi: http://dx.doi.org/10.1093/aesa/91.2.195.

[26] Grimm N B, Sheibley  R W, Crenshaw  C L, Dahm  C N, Roach  W J, Zeglin  L H (2005). N retention and transformation in urban streams. J N Am Benthol Soc, 24(3): 626–642

[27] Heine R A, Lant  C L, Sengupta  R R (2004). Development and comparison of approaches for automated mapping of stream channel networks. Ann Assoc Am Geogr, 94(3): 477–490

[28] Henkle J E, Wohl  E, Beckman N  (2011). Locations of channel heads in the semiarid Colorado Front Range, USA. Geomorphology, 129(3‒4): 309–319

[29] Howarth R W (2008). Coastal nitrogen pollution: a review of sources and trends globally and regionally. Harmful Algae, 8(1): 14–20

[30] Ijjasz-Vasquez E J ,  Bras R L  (1995). Scaling regimes of local slope versus contributing area in digital elevation models. Geomorphology, 12(4): 299–311

[31] Istanbulluoglu E, Tarboton  D G, Pack  R T, Luce  C (2002). A probabilistic approach for channel initiation. Water Resour Res, 38(12): 61-1–61-14

[32] Jaeger K L, Montgomery  D R, Bolton  S M (2007). Channel and perennial flow initiation in headwater streams: management implications of variability in source-area size. Environ Manage, 40(5): 775–786

[33] Jaeger K L, Olden  J D (2012). Electrical resistance sensor arrays as a means to quantify longitudinal connectivity of rivers. River Res Appl, 28(10): 1843–1852

[34] Jaeger K L, Olden  J D, Pelland  N A (2014). Climate change poised to threaten hydrologic connectivity and endemic fishes in dryland streams. Proc Natl Acad Sci USA, 111(38): 13894–13899

[35] Jefferson A J ,  McGee R W  (2013). Channel network extent in the context of historical land use, flow generation processes, and landscape evolution in the North Carolina Piedmont. Earth Surf Process Landf, 38(6): 601–613

[36] Jones A (1971). Soil piping and stream channel initiation. Water Resour Res, 7(3): 602–610

[37] Julian J P, Elmore  A J, Guinn  S M (2012). Channel head locations in forested watersheds across the mid-Atlantic United States: a physiographic analysis. Geomorphology, 177 ‒ 178: 194–203

[38] Leibowitz S G ,  Wigington P J  Jr,  Rains M C ,  Downing D M  (2008). Non-navigable streams and adjacent wetlands: addressing science needs following the Supreme Court’s Rapanos decision. Front Ecol Environ, 6(7): 364–371

[39] MacDonald L H ,  Coe D (2007). Influence of headwater streams on downstream reaches in forested areas. For Sci, 53: 148–168

[40] McClain M E, Naiman  R J (2008). Andean influences on the biogeochemistry and ecology of the Amazon River. Bioscience, 58(4): 325–338

[41] McGlynn B L, McDonnell  J J, Seibert  J, Kendall C  (2004). Scale effects on headwater catchment runoff timing, flow sources, and groundwater-streamflow relations. Water Resour Res, 40(7): n/a

[42] Mersel M K, Lichvar  R W (2014). A guide to ordinary high water mark (OHWM) delineation for non-perennial streams in the western mountains, valleys, and coast regions of the United States. U.S. Army Corps of Engineers, ERDC/CRREL TR-14-13, Hannover, NH

[43] Meyer J L, Kaplan  L A, Newbold  D, Woltemade C J ,  Zedler J B ,  Beilfuss R ,  Carpenter Q ,  Semlitsch R ,  Watzin M C ,  Zedler P H  (2007b). Where rivers are born: the scientific imperative for defending small streams and wetlands. Sierra Club, San Francisco, CA

[44] Meyer J L, Strayer  D L, Wallace  J B, Eggert  S L, Helfman  G S, Leonard  N E (2007a). The contribution of headwater streams to biodiversity in river networks. J Am Water Resour Assoc, 43(1): 86–103 

[45] Meyer J L, Wallace  J B (2001). Lost linkages and lotic ecology: rediscovering small streams. In: Press M C, Huntly N J, Levin S, eds., Ecology: Achievement and Challenge. Orlando, FL: Blackwell Science, 295–317

[46] Montgomery D R ,  Beamer E M ,  Pess G R ,  Quinn T P  (1999). Channel type and salmonid spawning distribution and abundance. Can J Fish Aquat Sci, 56(3): 377–387

[47] Montgomery D R ,  Dietrich W E  (1988). Where do channels begin? Nature, 336(6196): 232–234

[48] Montgomery D R ,  Dietrich W E  (1989). Source areas, drainage density, and channel initiation. Water Resour Res, 25(8): 1907–1918

[49] Montgomery D R ,  Dietrich W E  (1992). Channel initiation and the problem of landscape scale. Science, 255(5046): 826–830

[50] Montgomery D R ,  Foufoula-Georgiou E  (1993). Channel network source representation using digital elevation models. Water Resour Res, 29(12): 3925–3934

[51] Nadeau T L, Rains  M C (2007). Hydrological connectivity between headwater streams and downstream waters: how science can inform policy. J Am Water Resour Assoc, 43(1): 118–133

[52] Nakano S, Murakami  M (2001). Reciprocal subsidies: dynamic interdependence between terrestrial and aquatic food webs. Proc Natl Acad Sci USA, 98(1): 166–170

[53] Nihlgard B J, Swank  W T, Mitchell  M J (1994). Biological processes and catchment studies. In: Moldan B, Cerny J, eds., Biogeochemistry of Small Catchments: A Tool for Environmental Research. Chichester, UK: John Wiley and Sons, 133–161

[54] Osterkamp W R  (2008). Annotated definitions of selected geomorphic terms and related terms of hydrology, sedimentology, soil science and ecology. U.S. Geological Survey Open File Report 2008-1217, Reston, VA

[55] Palmer M A, Bernhardt  E S, Schlesinger  W H, Eshleman  K N, Foufoula-Georgiou  E, Hendryx M S ,  Lemly A D ,  Likens G E ,  Loucks O L ,  Power M E ,  White P S ,  Wilcock P R  (2010). Mountaintop mining consequences. Science, 327(5962): 148–149

[56] Paul M J, Meyer  J L (2001). Streams in the urban landscape. Annu Rev Ecol Syst, 32(1): 333–365

[57] Petersen R C, Madsen  B L, Wilzbach  M W, Magadza  C H, Paarlberg  A, Kullberg A ,  Cummins K W  (1987). Stream management: emerging global similarities. Ambio, 16: 166–179

[58] Peterson B J, Wollheim  W M, Mulholland  P J, Webster  J R, Meyer  J L, Tank  J L, Marti  E, Bowden W B ,  Valett H M ,  Hershey A E ,  McDowell W H ,  Dodds W K ,  Hamilton S K ,  Gregory S ,  Morrall D D  (2001). Control of nitrogen export from watersheds by headwater streams. Science, 292(5514): 86–90

[59] Polvi L E, Wohl  E (2013). Biotic drivers of stream planform: implications for understanding the past and restoring the future. Bioscience, 63(6): 439–452

[60] Pond G J, Fritz  K M, Johnson  B R (2016). Macroinvertebrate and organic matter export from headwater tributaries of a Central Appalachian stream. Hydrobiologia, 779(1): 75–91

[61] Prosser I P, Abernethy  B (1996). Predicting the topographic limits to a gully network using a digital terrain model and process thresholds. Water Resour Res, 32(7): 2289–2298

[62] Prosser I P, Dietrich  W E (1995). Field experiments on erosion by overland flow and their implication for a digital terrain model of channel initiation. Water Resour Res, 31(11): 2867–2876

[63] Reynolds L V, Shafroth  P B, Poff  N L (2015). Modeled intermittency risk for small streams in the Upper Colorado River Basin under climate change. J Hydrol (Amst), 523: 768–780

[64] Ricciardi A, Rasmussen  J B (1999). Extinction rates of North American freshwater fauna. Conserv Biol, 13(5): 1220–1222

[65] Richardson J S ,  Bilby R E ,  Bondar C A  (2005). Organic matter dynamics in small streams of the Pacific Northwest. J Am Water Resour Assoc, 41(4): 921–934

[66] Richardson J S ,  Danehy R J  (2007). A synthesis of the ecology of headwater streams and their riparian zones in temperate forests. For Sci, 53: 131–147

[67] Sawyer A H, Bayani Cardenas  M, Buttles J  (2012). Hyporheic temperature dynamics and heat exchange near channel-spanning logs. Water Resour Res, 48(1): W01529

[68] Schlosser I J  (1995). Critical landscape attributes that influence fish population dynamics in headwater streams. Hydrobiologia, 303(1‒3): 71–81

[69] Schumm S A (1977). The Fluvial System.New York: Wiley and Sons

[70] Smock L A, Gladden  J E, Riekenberg  J L, Smith  L C, Black  C R (1992). Lotic macroinvertebrate production in three dimensions: channel surface, hyporheic, and floodplain environments. Ecology, 73(3): 876–886

[71] Speaker R, Moore  K, Gregory S  (1984). Analysis of the process of retention of organic matter in stream ecosystems. Verh Internat Verein Limnol, 22: 1835–1841

[72] Stanford J A, Ward  J V (1988). The hyporheic habitat of river ecosystems. Nature, 335(6185): 64–66

[73] Strahler A N (1952). Hypsometric (area-altitude) analysis of erosional topography. Bulletin of the Geological Society of America, 63(11): 1117–1142

[74] Sweeney B W, Bott  T L, Jackson  J K, Kaplan  L A, Newbold  J D, Standley  L J, Hession  C W, Horwitz  R J (2004). Riparian deforestation, stream narrowing, and loss of stream ecosystem services. Proc Natl Acad Sci USA, 101(39): 14132–14137

[75] Tarboton D G, Bras  R L, Rodriguez-Iturbe  I (1991). On the extraction of channel networks from digital elevation data. Hydrol Processes, 5(1): 81–100

[76] Tarolli P, Dalla Fontana  G (2009). Hillslope-to-valley transition morphology: new opportunities from high resolution DTMs. Geomorphology, 113(1‒2): 47–56

[77] Tockner K, Malard  F, Ward J V  (2000). An extension of the flood pulse concept. Hydrol Processes, 14(16‒17): 2861–2883

[78] U.S. Army Corps of Engineers (2012). 2012 Nationwide Permits, Conditions, District Engineer’s Decision, Further Information, and Definitions. 

[79] Ward J V, Stanford  J A (1995). Ecological connectivity in alluvial river ecosystems and its disruption by flow regulation. Regul Rivers Res Manage, 11(1): 105–119

[80] Webster J R, Benfield  E F, Ehrman  T P, Schaeffer  M A, Tank  J L, Hutchens  J J, D’Angelo  D J (1999). What happens to allochthonous materials that fall into streams: a synthesis of new and published information from Coweeta. Freshw Biol, 41(4): 687–705

[81] Wipfli M S, Gregovich  D P (2002). Export of invertebrates and detritus from fishless headwater streams in southeastern Alaska: implications for downstream salmonid production. Freshw Biol, 47(5): 957–969

[82] Wipfli M S, Richardson  J S, Naiman  R J (2007). Ecological linkages between headwaters and downstream ecosystems: transport of organic matter, invertebrates, and wood down headwater channels. J Am Water Resour Assoc, 43(1): 72–85

[83] Wohl E (2010). Mountain Rivers Revisited. Washington, DC: American Geophysical Union Press

[84] Wohl E (2013). Migration of channel heads following wildfire in the Colorado Front Range, USA. Earth Surf Process Landf, 38(9): 1049–1053

[85] Wohl E (2014). Rivers in the Landscape: Science and Management. Chichester, UK: Wiley Blackwell

[86] Wohl E E, Pearthree  P A (1991). Debris flows as geomorphic agents in the Huachuca Mountains of southeastern Arizona. Geomorphology, 4(3‒4): 273–292

[87] Yetemen O, Istanbulluoglu  E, Vivoni E R  (2010). The implications of geology, soils, and vegetation on landscape morphology: inferences from semi-arid basins with complex vegetation patterns in central New Mexico, USA. Geomorphology, 116(3‒4): 246–263

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg