Chapter 4 Morphometric Analysis -...

48
58 Chapter 4 : Morphometric Analysis 4.1 Introduction Geology, geomorphology, structure and drainage patterns especially in hard rock terrains are the primary determinants of river ecosystem functioning at the basin scale (Lotspeich and Plats; Frissel et al., 1986). Morphometric descriptions represent relatively simple approach to describe basin processes and to compare basin characteristics. Anthropogenic changes have led to widespread modifications in physical structure of rivers, biotic communities and ecological functioning of aquatic ecosystems around the world (Thomson et al., 2001). Understanding the drainage pattern of an area gives a perspective view of the topography of the area which helps in the planning and development of water sheds and also provides an indication of the potential zones for obtaining ground water. Morphometric techniques are applied for interpretation of salient features of drainage networks. It incorporates a quantitative study of the area, its altitude, volume, slope, profiles of land and the drainage basin characteristics of the concerned area (Singh, 1977). It was the year 1932 when drainage basin attracted the attention of Horton, an American engineer, who first of all presented an elaborate account of drainage basin characteristics and in 1945 he acknowledged the drainage basin as a morphometric system wherein he applied morphometric techniques vigorously for interpretation of silent features of drainage network. In fact after the classical work of Horton in 1945, drainage basin attracted attention of a large number of geomorphologists, engineers and hydrologists, who accepted the drainage network and the basin as a dynamic rather than static unit. Consequently significant contribution in the field of drainage basin study came from Miller (1953); Schumm (1956); Chorley (1967); Strahler (1957); Melton (1959); Morgon (1962); Gregory and Walling (1973).

Transcript of Chapter 4 Morphometric Analysis -...

Page 1: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

58  

Chapter 4 : Morphometric Analysis 

4.1 Introduction 

Geology, geomorphology, structure and drainage patterns especially  in hard 

rock  terrains  are  the  primary  determinants  of  river  ecosystem  functioning  at  the 

basin  scale  (Lotspeich  and  Plats;  Frissel  et  al.,  1986). Morphometric  descriptions 

represent  relatively  simple  approach  to  describe  basin  processes  and  to  compare 

basin characteristics. Anthropogenic changes have  led  to widespread modifications 

in  physical  structure  of  rivers,  biotic  communities  and  ecological  functioning  of 

aquatic ecosystems around the world (Thomson et al., 2001). 

Understanding the drainage pattern of an area gives a perspective view of the 

topography of the area which helps in the planning and development of water sheds 

and also provides an  indication of  the potential  zones  for obtaining ground water. 

Morphometric  techniques  are  applied  for  interpretation  of  salient  features  of 

drainage  networks.  It  incorporates  a  quantitative  study  of  the  area,  its  altitude, 

volume,  slope,  profiles  of  land  and  the  drainage  basin  characteristics  of  the 

concerned area (Singh, 1977).  

It was the year 1932 when drainage basin attracted the attention of Horton, 

an American engineer, who  first of all presented an elaborate account of drainage 

basin  characteristics  and  in  1945  he  acknowledged  the  drainage  basin  as  a 

morphometric  system wherein he applied morphometric  techniques vigorously  for 

interpretation of silent features of drainage network. In fact after the classical work 

of  Horton  in  1945,  drainage  basin  attracted  attention  of  a  large  number  of 

geomorphologists, engineers and hydrologists, who accepted  the drainage network 

and  the  basin  as  a  dynamic  rather  than  static  unit.  Consequently  significant 

contribution  in  the  field of drainage basin study came  from Miller  (1953); Schumm 

(1956); Chorley (1967);  Strahler (1957); Melton (1959); Morgon (1962); Gregory and 

Walling (1973). 

Page 2: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

59  

The  morphometric  analysis  using  remote  sensing  and  GIS  techniques  has 

been well  attempted by  Srivastava  and Mitra  (1995);  Srivastava  (1997);  Singh  and 

Singh (1997); Nag (1998); Srinivasa Vittala et al.; (2004) and   Nilufer Arshad and G.S. 

Gopalakrishna  (2008)  and  all  have  arrived  to  the  conclusion  that  remote  sensing 

technique and GIS have emerged as a powerful  tools  in  the  recent years. Satellite 

remote sensing has the ability of obtaining synoptic view of large area at a time and 

very useful in analyzing the drainage morphometry. 

4.2 Data used and Methodology 

 For carrying out morphometric analysis, hydrological boundary  is taken  into 

consideration rather  than  the geographical boundary of  the study area. Hence,  the 

Lakshmantirtha  River  basin was  chosen  for  the  present work  and  not  the Hunsur 

Taluk.  The map  showing  the  drainage  pattern  of  the  entire  Lakshmantirtha  river 

basin  has  been  prepared  based  on  the  Survey  of  India  (SOI)  toposheets  and  the 

drainage pattern has been updated by using the satellite imageries of LISS plus PAN 

merged data of 2001. The satellite images used for this study have been taken from 

Karnataka State Remote sensing Application Centre. These satellite  images and  the 

SOI  toposheets  have  been  geo‐referenced  and  merged  using  Image  Processing 

software ERDAS IMAGINE (V 9.1), (ERDAS, 2001). 

The drainages have been delineated using merged satellite data of Geocoded 

FCC of bands  ‐ 2 3 4 on 1:50,000 scale and SOI  toposheets bearing number 57D/3, 

57D/4, 57D/7, 57D/8, 48P/15, 48P/16 and 58A/1   have been used as  a  reference. 

Ground  truth  checks  have  been made  during  the  field  visits  (Fig.  4.1).  AutoDesk 

software  like  Auto  CAD Map  2000  and  ArcGIS  softwares  like  Arcmap  (v.9.1)  and 

ArcView (v.3.2a) have been used for digitization and computational purpose and also 

for  output  generation  (ESRI  ArcGIS,  2001).  The  morphometric  analysis  can  be 

achieved through measurement of linear, aerial and relief aspects of basin and slope 

contributions (Nag and Chakraborty, 2003). Factor analysis also has been applied on 

the morphometric parameters and has grouped them into different factors and their 

association with one another has been discussed in detail in the following sections. 

Page 3: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

60  

 

Figure  4.1: Drainage pattern of Lakshmantirtha basin 

 

Page 4: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

61  

4.3 Morphometric Analysis 

Following  the  digitization  of  the  drainage  pattern  of  the  Lakshmantirtha 

basin, morphometric analysis was carried out for the whole basin and subsequently 

for  the 26 watersheds which were demarcated according  to  the water divider  (Fig. 

4.2). The  linear, relief and aerial aspects of the each watershed has been described 

and interpreted. The linear aspect treats with unidimensional, while relief and aerial 

aspects  describes  two  dimensional  and  three  dimensional  characteristics 

respectively. The new drainages updated  from the satellite  Imagery have also been 

taken into consideration for measurement of these aspects of the study area. In this 

study the linear, aerial and relief aspects have been grouped  into five categories: 1) 

basic parameters, 2) derived parameters, 3) shape parameters 4) dissection intensity 

parameters  and  5)  relief  parameters.  All  the  parameters  have  been  discussed  in 

detail. 

4.3.1 Basic Parameters 

4.3.1.1 Area (A) 

This is one of the most important physical characteristics, because it directly 

affects the size of the hydrographs and magnitude of runoff. The total drainage area 

of the Lakshmantirtha basin  is 1582 sq.km, and the area of each of the watersheds 

are  shown  in  the  Table  4.1. Watershed  12  is  the  smallest  (A  <  8.683  sq.km)  and 

watershed 18 is the biggest (A> 346.9 sq.km), (Table 4.1). 

4.3.1.2 Perimeter (B) 

The  perimeter  is  the  total  length of  the  drainage  basin  boundary.  It  is  the 

total length along the water divide of the basin. The perimeter (P) is a linear measure 

of the size of the basin and it is largely dependent on the texture of the topography. 

The perimeter of  the basin  is 249  km,  and  the perimeter of  the 26 watersheds  is 

shown  in  Table  4.1. Watershed  12  has  the  smallest  perimeter  (P<  14.28)  and  the 

watershed 18 has the largest perimeter (P> 81.8) and coincides with highest value of 

A in the same watersheds, (Table 4.1). 

Page 5: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

62  

 

  Figure  4.2: Watershed boundary of Lakshmantirtha sub‐basin 

 

Page 6: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

63  

4.3.1.3  Basin Length (L) 

 Basin  length  has  been  given  different  meanings  by  different  workers 

(Schumm  1956;  Gregory  and  Walling  1973;  Gardiner  1975  and  Cannon  1976). 

According  to Gregory  and Walling  (1973),  the  L  is  the  longest  length of  the basin, 

from the catchment to the point of confluence. The basin length also corresponds to 

the maximum  length  of  the  basin  and watershed measured  parallel  to  the main 

drainage line. The length of the Lakshmantirtha basin is 72 km and the values of L for 

the  26  watersheds  are  shown  in  the  Table  4.1.  Watershed  18  is  the  longest 

watershed (L> 28.5 km) while watershed 26 has the minimum value of L (L< 2.78 km), 

(Table 4.1). 

4.3.1.4  Stream Order (Nu):  

The designation of  stream orders  is  the  first  step  in drainage basin analysis 

and  is  based  on  a  hierarchic  ranking  of  streams.  There  are  different methods  to 

indicate the order of a stream network. Horton (1945) designated a stream without 

any  tributaries  as  the  first  order  stream.  However,  each  second  order  stream  is 

considered to extend headwords to the tip of the  longest tributary. The third order 

receives second and first order channels as its tributaries and so on. Strahler (1952) 

gave a modified definition and  considered each  fingertip  channel as of  first order. 

The second order stream commences from the point where two first order channels 

meet and continues down to the intersection of two second order streams for which 

point a third order stream commences and so on. The modified method proposed by 

Strahler (1964)  is widely accepted and  is the most popular system  in classifying the 

channels into orders. 

In  the present study,  ranking of streams has been carried out based on  the 

method proposed by Strahler  (1964) which  is popularly known as Stream Segment 

Method. The order wise stream numbers for all 26 watersheds are given in Table 4.1. 

Out of these watersheds,  watersheds 25 and 26 belong 20 second order, watershed 

6,7,10, 12, 14, 15, 16, 17 and 20 belong to the third order streams, watersheds 1, 4, 

Page 7: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

64  

7,  9,  11,  13,  21,  22,  23  and  24  are  of  fourth  order  streams  and  the  remaining  

watersheds( 2, 3, 5, 18 and 19) are of fifth order streams.  

 Lakshmantirtha  basin  is  designated  as  a  sixth  order  stream.  The  details  of 

stream  characteristics  confirm with  Horton’s  first  law  (1945)  of  stream  numbers, 

which  states  that  the numbers of different orders  in a given drainage basin  tends 

closely  to  approximate  an  inverse  geometric  ratio.  This  means  that  there  is  a 

negative correlation between the stream order and stream number. This can be seen 

clearly  in the  linear regression graph where an almost straight  line  is  formed when 

log values of stream numbers are plotted against stream order (Fig. 4.3). 

4.3.1.5  Stream length (Lu)  

The  number  of  streams  of  various  orders  in  the  basin  and watersheds  are 

counted and their lengths from mouth to drainage divide are measured with the help 

of GIS softwares. In the present study, stream length (Lu) has been computed based 

on  the  law  proposed  by  Horton  (1945)  for  all  the  26 watersheds  and  presented 

(Table  4.1). Generally,  the  total  length  of  stream  segments  is  in maximum  in  first 

order streams and decreases as the stream order increases. In Fig. 4.3 it can be seen 

that  there  is  a  negative  correlation  between  the  stream  lenght  and  stream  order 

when  regression  line  is  fitted.  This  observation  is  on  the  basis  of Horton's  law  of 

stream numbers  (1932) which has  received  verification by  accumulated data  from 

many  localities  (Strahler 1952; Schumm 1956; Smith 1958; Melton 1958). However 

there is a sudden increase in length of streams of order III in (watersheds 13 and 4), 

order IV ( watersheds 1, 5, 6, 7 and 11) and stream order V (in watershed 18), which 

could be due to variation  in relief over which the segments occur. This change may 

indicate flowing of streams from high altitude, lithological variation and moderately 

steep slopes as proposed by Singh and Singh (1997). Mostly all streams rise from the 

hilly terrains. It is noticed that stream segments up to the 3rd order traverse the high 

altitudes zones, which are mainly characterized by steep slopes, while the 4th, 5th and 

6th  order  stream  segments  occur  in  comparatively  plain  land.

Page 8: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

65  

Watershed/  Stream  Stream Order Stream LengthPerimeter Area 

Basin 

I  II III IV V VI I II  III IV V  

1  IV  93  24 5 1 0 0 58.32 31.711  12.09 10.75 0 43.36 69.71 14.8 

2  V  165  43 8 2 1 0 113.10 40.78  21.27 21.84 18.86 73.7 139.5 20.78 

3  V  165  34 10 3 1 0 109.02 38.8  23.37 9.54 12.86 61.91 116.4 22.5 

4  IV  45  14 2 1 0 0 26.87 19.33  7.62 2.04 0 37.42 42.25 8 

5  V  119  31 7 2 1 0 88.95 36.19  11.39 19.78 9.94 53.71 120.6 18.1 

6  III  11  4 1 0 0 0 10.34 3.816  4 0 0 23.72 17.21 6.4 

7  IV  69  17 2 1 0 0 59.05 21.8  8.3 15.81 0 44.15 70.95 18.41 

8  III  28  6 2 0 0 0 20.09 5.38  3.12 33.94 26.13 5.7 

9  IV  53  12 3 1 0 0 42.50 34.93  9.49 9.5 0 44.5 70.75 15 

10  III  18  5 1 0 0 11.59 9.65  1 34.16 23.84 10.4 

11  IV  24  8 2 1 0 0 14.25 5.46  1.03 7.18 20.03 18.27 7.74 

12  III  14  4 1 0 0 0 8.54 4.99  0.56 0 0 14.28 8.683 4.24 

13  IV  28  6 3 1 0 0 17.95 4.72  7.89 2.09 0 19.43 20.53 5.56 

14  III  23  6 1 0 0 0 15.39 4.23  4.1 0 0 14.63 10.53 5.27 

15  III  22  5 1 0 0 0 12.35 5.25  4.62 0 0 14.55 11.31 4.84 

16  III  17  4 1 0 0 0 12.28 8.08  3.69 0 0 18.56 15.83 4.5 

17  III  26  7 1 0 0 0 17.51 6.16  2.25 0 0 37.97 28.47 9.15 

18  V  239  59 19 5 1 0 162.77 91.14  38.05 16.74 25.74 81.8 346.9 28.5 

19  V  196  41 11 3 1 0 122.62 45.36  19.65 13.42 10.12 66.44 163.9 24.2 

20  III  25  6 1 0 0 0 17.21 6.59  3.40 0 0 20.18 20.13 5.2 

21  IV  48  11 3 1 0 0 31.91 18.81  10.51 1.79 0 26.37 43.27 9.6 

22  IV  77  15 4 1 0 0 52.95 17.98  12.27 1.67 0 43.47 54.05 7.11 

23  IV  55  12 5 1 0 0 35.53 12.96  10.72 0.66 0 53.11 53 6 

24  IV  54  10 4 1 0 0 42.71 9.34  12.43 2.33 0 45.61 52.07 10.5 

25  II  13  5 0 0 0 0 9.08 1.1  0 0 0 22.67 11.20 3.3 

26  II  6  2 0 0 0 0 4.32 2.46  0 0 0 24.28 13.08 2.78 

Basin  VI  1642  393 94 25 5 1 1112 460.407  222.14 133.898 77.54 249 1582 72 Table  4.1: Basic parameters 

Page 9: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

66  

 

   

   

y = ‐0.638x + 3.8747R² = 0.9989

y = ‐0.218x + 3.108R² = 0.8796

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Lakshmantirtha Basin

Stream Number Stream Length

y = ‐0.5317x + 2.4047R² = 0.945

y = ‐0.4001x + 2.2766R² = 0.8815

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed  1

Stream Number Stream Lenght

y = ‐0.5767x + 2.7412R² = 0.9839

y = ‐0.1827x + 2.0695R² = 0.7909

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed  2

Stream Number Stream Lenght

y = ‐0.5489x + 2.692R² = 0.9952

y = ‐0.2465x + 2.1564R² = 0.865

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed  3

Stream Number Stream Lenght

y = ‐0.436x + 1.9158R² = 0.8967

y = ‐0.3773x + 1.9062R² = 0.9668

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed  4

Stream Number Stream Lenght

Page 10: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

67  

   

 

 

 

y = ‐0.5341x + 2.545R² = 0.9858

y = ‐0.2166x + 2.0214R² = 0.7647

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed  5

Stream Number Stream Lenght

y = ‐0.2685x + 1.1341R² = 0.7949

y = ‐0.2611x + 1.2231R² = 0.8926

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed 6

Stream Number Stream Lenght

y = ‐0.4908x + 2.1465R² = 0.8876

y = ‐0.3682x + 2.1501R² = 0.7769

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed 7

Stream Number Stream Lenght

y = ‐0.3672x + 1.607R² = 0.8909

y = ‐0.3337x + 1.5071R² = 0.9295

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed 8

Stream Number Stream Lenght

y = ‐0.4528x + 2.0144R² = 0.9264

y = ‐0.3822x + 2.1721R² = 0.8657

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed 9

Stream Number Stream Lenght

y = ‐0.321x + 1.3537R² = 0.7921

y = ‐0.3113x + 1.3438R² = 0.7676

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed  10

Stream Number Stream Lenght

Page 11: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

68  

 

   

   

 

y = ‐0.3664x + 1.6159R² = 0.9097

y = ‐0.2189x + 1.2091R² = 0.4425

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed  11

Stream Number Stream Lenght

y = ‐0.2894x + 1.2179R² = 0.7867

y = ‐0.2561x + 1.0944R² = 0.7961

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed  12

Stream Number Stream Lenght

y = ‐0.3672x + 1.6422R² = 0.9195

y = ‐0.2863x + 1.4881R² = 0.8574

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed  13

Stream Number Stream Lenght

y = ‐0.3502x + 1.4785R² = 0.7941

y = ‐0.3002x + 1.386R² = 0.9009

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed  14

Stream Number Stream Lenght

y = ‐0.3384x + 1.4234R² = 0.7858

y = ‐0.2904x + 1.3667R² = 0.9106

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed  15

Stream Number Stream Lenght

y = ‐0.3063x + 1.2854R² = 0.7787

y = ‐0.3087x + 1.4388R² = 0.9365

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed  16

Stream Number Stream Lenght

Page 12: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

69  

   

   

 

   

y = ‐0.3675x + 1.5545R² = 0.7969

y = ‐0.3276x + 1.4601R² = 0.929

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed  17

Stream Number Stream Lenght

y = ‐0.5829x + 2.974R² = 0.9967

y = ‐0.2338x + 2.3786R² = 0.8391

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed  18

Stream Number Stream Lenght

y = ‐0.572x + 2.8008R² = 0.9962

y = ‐0.2695x + 2.2429R² = 0.937

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed  19

Stream Number Stream Lenght

y = ‐0.3574x + 1.5074R² = 0.7921

y = ‐0.3291x + 1.5047R² = 0.9476

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed  20

Stream Number Stream Lenght

y = ‐0.4404x + 1.9611R² = 0.9275

y = ‐0.4029x + 2.0194R² = 0.9504

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed  21

Stream Number Stream Lenght

y = ‐0.4949x + 2.2177R² = 0.9354

y = ‐0.448x + 2.2021R² = 0.9555

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed  22

Stream Number Stream Lenght

Page 13: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

70  

   

   

Figure  4.3: Geometric relationship between stream order, stream number and stream length 

 

4.3.2 Derived parameters 

4.3.2.1 Stream length ratio 

Stream length ratio (RL) may be defined as the ratio of the mean length of the 

one order to the next lower order of stream segment. 

  

Where, RL = Stream Length Ratio 

Lu = Total stream length of the order 'u' 

y = ‐0.456x + 2.0717R² = 0.9425

y = ‐0.4214x + 2.0029R² = 0.8989

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed  23

Stream Number Stream Lenght

y = ‐0.4465x + 2.0063R² = 0.9315

y = ‐0.3863x + 1.9717R² = 0.9149

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed  24

Stream Number Stream Lenght

y = ‐0.2927x + 1.2406R² = 0.799

y = ‐0.2239x + 0.9278R² = 0.722

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed  25

Stream Number Stream Lenght

y = ‐0.1857x + 0.773R² = 0.7447

y = ‐0.1664x + 0.705R² = 0.7985

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7

Stream

 lenght

Stream

 number

Stream order

Watershed  26

Stream Number Stream Lenght

Page 14: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

71  

Lu – 1 = Total stream length of its next lower order to the next lower order of 

stream segment.   

Horton's  law  (1945)  of  stream  length  states  that  mean  stream  length 

segments  of  each  successive  orders  of  a  basin  tends  to  approximate  a  direct 

geometric  series with  streams  length  increasing  towards  higher  order  of  streams. 

The RL between streams of different order  in the study area reveals that there  is a 

variation in RL in each watershed (Table 4.2). This variation might be due to changes 

in slope and  topography. The stream  length  ratio of  the sub‐basin  reveals  that  the 

values are different for different watersheds and are changing haphazardly from 1.70 

to 6.322. The RL variation can be attributed to differences  in slope and topographic 

conditions and has a relationship with surface flow discharge and erosional stage of 

basin  (Sreedevi et al., 2004).   The  same kind of condition  too was observed  in  the 

study area. This change could also be attributed to the late youth or medium stage of 

geomorphic development (Singh and Singh, 1977). 

4.3.2.2  Stream Frequency (Fs) 

Horton (1932)  introduced stream frequency (Fs) or channel frequency which 

is the total number of stream segments of all orders per unit area. Hypothetically, it 

is possible to have the basin of same drainage density differing  in stream frequency 

and basins of same stream frequency differing  in drainage density. Table 4.2 shows 

Fs for all the watersheds of the study area. 

Fs = Nu / A.  

Where, Fs = Stream Frequency 

Nu = Total number of streams of all orders 

A = Area of the Basin (Sq.Km) 

Page 15: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

72  

4.3.2.3  Bifurcation ratio (Rb) 

The term bifurcation ratio (Rb) may be defined as the ratio of the number of 

the stream segments of given order  to  the number of segments of  the next higher 

order (Schumn, 1956). Horton (1945) considered the bifurcation ratio as an index of 

relief and dissections.  Strahler  (1957) demonstrated  that bifurcation  ratio  shows a 

small  range  of  variation  for  different  regions  or  for  different  environment  except 

where the powerful geological control dominates. 

Rb = Nu/Nu+1 

Where, Rb = Bifurcation Ratio 

Nu = Total number of stream segments of order 'u' 

Nu + 1 = Number of segments of the next higher order 

            It is observed from Table 4.2 that the Rb is not same from one order to its next 

higher order. According to Strahler, 1964 these irregularities are dependent upon the 

geological and lithological development of the drainage basin.  

Bifurcation  ratio  is a dimensional parameter  indication of branching pattern 

of  a  drainage  network.  The  Rb  for  the  basin  is  4.42  and  the  values  of  all  the 

watersheds  vary  from  2.60‐5.0.  The  lower  values  of  Rb  are  characteristics  of  the 

watersheds which have suffered less structural disturbances (Strahler, 1964 and Nag, 

1998).  

4.3.2.4  RHO coefficient (RHO) 

 Horton (1945) defined this parameter as the ratio between the stream length 

ratio and bifurcation ratio. It can be calculated from the following formula: 

  

Where, RI: Mean Stream Length Ratio 

Page 16: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

73  

Rb: Mean Bifurcation Ratio 

Horton  (1945)  stated  that by calculating  this value one could estimate how 

much water will be lost as runoff during flood period and also determine the amount 

of water which could be stored  in a basin showing the drainage capacity of a basin. 

RHO  is  influenced by many external parameters  like climate, anthropogenic  factors 

and also by the geologic and geomorphologic conditions of the terrain. The value of 

RHO for the Lakshmantirtha basin is 0.38 and for the watersheds it varies from 0.370‐ 

1.686 (Table 4.2). Watershed 10, 11, 12 AND 23 show higher values than the other 

watersheds and there is a possibility that that they have higher hydric storage during 

flood period and attenuate the erosion effects during elevated discharge. 

4.3.3 Shape parameters 

4.3.3.1  Elongation ratio 

 Elongation ratio  (Re)  is the ratio between diameters of a circle of the same 

area to the basin length (L) (Schumm, 1956). 

  1.128√ /  ,  

Where, Re = Elongation Ratio 

A = Area of the Basin (Sq.Km) 

Pi = 'Pi' value i.e., 3.14 

Lb = Basin length 

A circular basin is more efficient in the discharge of run‐off than an elongated 

basin (Singh and Singh, 1997). The values of Re generally vary from 0.6 to 1.0 over a 

wide variety of climatic and geologic types. Values close to 1.0 are typical of regions 

of very  low relief, whereas values  in the range 0.6  ‐ 0.8 are usually associated with 

high relief and steep ground slope (Strahler, 1964).  

The Re of watersheds of the study area varies from 0.51–1.46 (Table 4.3). The 

low values of Re in case of watersheds which their values are between 0.6‐0.8, reveal 

Page 17: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

74  

an elongated shape and  indicate higher  relief and steep slope. The Value of Re  for 

the whole basin too  is 0.62 which  indicates an elongated shape. While very high Re 

values 0.8  ‐1.0 and greater than 1,  indicates that plain  land with  low relief and  low 

slope which are seen more on eastern part of the basin which the terrain is more or 

less flat. 

4.3.3.2 Circularity index (Rc) 

According to (Miller, 1953 and Strahler 1964,) the circularity index is defined 

as the ratio of basin area (A) and the area of a circle with the same parameter as that 

of the basin. It is calculated from the following formula:  

Rc = 4 * ∏ * A / P² 

Where, Rc = Circularity Ratio 

∏ = 'Pi' value i.e., 3.14 

A = Area of the Basin (Sq.Km) 

P² = Square of the Perimeter (Km) 

The circularity ratio (Rc) is influenced by the length and frequency of streams, 

geological structures, land use/land cover, climate, relief and slope of the basin. 

The  Rc  of  Lakshmantirtha  basin  is  0.32  while  the  Rc  calculated  for  its  26 

watersheds are shown  in Table 4.3. The value of Rc of Lakshmantirtha basin clearly 

shows lack of circularity in shape. This is because the value is less than 0.5. Almost all 

the  watersheds  are  showing  values  less  than  0.5,  which  indicates  an  elongated 

shape, while the watersheds 12, 13, 14, 20 and 21 are more or less circular in shape. 

 

 

 

Page 18: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

75  

Watersheds  Elongation ratio Circularity Ratio Form factor 

W1  0.64  0.47  0.32 

W2  0.64  0.32  0.32 

w3  0.54  0.38  0.23 

w4  0.86  0.44  0.72 

W5  0.68  0.45  0.75 

w6  0.73  0.38  0.42 

w7  0.52  0.46  0.21 

w8  1.01  0.28  0.80 

w9  0.63  0.45  0.31 

w10  0.53  0.26  0.22 

w11  0.62  0.57  0.30 

w12  0.78  0.53  0.48 

w13  0.92  0.68  0.66 

w14  0.69  0.62  0.38 

w15  0.78  0.42  0.83 

w16  1.00  0.48  0.78 

w17  0.66  0.25  0.34 

w18  0.74  0.48  0.43 

w19  0.60  0.47  0.28 

w20  0.97  0.62  0.74 

w21  0.77  0.78  0.47 

w22  1.17  0.36  0.37 

w23  1.37  0.25  0.43 

w24  0.78  0.31  0.47 

W25  0.62  0.32  0.30 

W26  0.64  0.47  0.32 

basin  0.64  0.32  0.32 

 

Table  4.2: Shape parameters 

Page 19: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

76  

Watershed/  Elongation ratio Stream Length Ratio Mean Stream Length ratio

FS RHOBasin  Rb1  Rb2  Rb3 Rb4 Rb5 Mean Rb I II III IV VW1  3.88  4.80  5.00 ‐ ‐ 4.56 1.84 2.62  1.12 ‐ ‐ 1.86 1.76 0.41

W2  3.84  5.38  4.00 2.00 ‐ 3.80 2.77 1.92  0.97 1.16 ‐ 1.70 1.57 0.45

W3  4.85  3.40  3.33 3.00 ‐ 3.65 2.81 1.92  2.45 0.74 ‐ 1.98 1.83 0.54

W4  3.23  6.50  2.00 ‐ ‐ 3.91 1.36 2.45  3.72 ‐ ‐ 2.51 1.55 0.64

W5  3.84  4.43  3.50 2.00 ‐ 3.44 2.46 3.18  0.58 1.99 ‐ 2.05 1.33 0.60

W6  2.75  4.00  ‐ ‐ ‐ 3.38 2.71 0.95  ‐ ‐ ‐ 1.83 0.93 0.54

W7  4.06  8.50  2.00 ‐ ‐ 4.85 2.71 2.63  0.52 ‐ ‐ 1.95 1.25 0.40

W8  4.67  3.00  ‐ ‐ ‐ 3.83 3.73 1.72  ‐ ‐ ‐ 2.73 1.38 0.71

W9  4.42  4.00  3.00 ‐ ‐ 3.81 1.22 3.68  1.00 ‐ ‐ 1.97 0.98 0.52

W10  3.60  5.00  ‐ ‐ ‐ 4.30 1.20 9.66     ‐ ‐ 5.43 1.01 1.26

W11  3.00  4.00  1.00 ‐ ‐ 2.66 2.61 5.29  0.14 ‐ ‐ 2.68 1.92 1.01

W12  3.50  4.00  ‐ ‐ ‐ 3.75 3.80 8.85  ‐ ‐ ‐ 6.32 2.19 1.69

W13  4.67  2.00  3.00 ‐ ‐ 3.22 3.80 0.60  3.78 ‐ ‐ 2.72 1.85 0.85

W14  3.83  6.00  ‐ ‐ 4.90 3.63 1.03  ‐ ‐ ‐ 2.33 2.85 0.48

W15  4.40  5.00  ‐ ‐ ‐ 4.70 2.35 1.13  ‐ ‐ ‐ 1.74 2.48 0.37

W16  4.25  4.00  4.13 ‐ ‐ 4.13 1.52 2.19  1.86 ‐ ‐ 1.86 1.39 0.45

W17  3.14  7.00  ‐ ‐ ‐ 5.00 2.84 2.74  ‐ ‐ 2.79 1.19 0.52

W18  4.05  3.11  3.80 5.00 ‐ 3.98 1.79 2.40  2.27 0.65 ‐ 1.78 0.93 0.45

W19  4.78  3.73  3.00 ‐ ‐‐ 3.84 2.70 2.31  1.46 1.33 ‐ 1.95 1.54 0.51

W20  4.17  6.00  ‐ ‐ ‐ 5.08 2.61 1.94  ‐ ‐ ‐ 2.27 1.59 0.45

W21  4.36  3.67  3.00 ‐ ‐ 3.67 1.70 1.79  5.86 ‐ ‐ 3.11 1.46 0.85

W22  5.13  3.75  4.00 ‐ ‐ 4.29 2.94 1.47  7.35 ‐ ‐ 3.91 1.79 0.91

W23  4.58  2.40  5.00 ‐ ‐ 3.99 2.74 1.21  16.25 ‐ ‐ 6.73 1.38 1.69

W24  5.40  2.50  4.00 ‐ ‐ 3.96 4.57 0.75  5.32 ‐ ‐ 3.55 1.33 0.90

W25  2.60  ‐  ‐  ‐ ‐ 2.60 4.33 ‐ ‐ ‐ ‐ 4.33 1.61 1.56

W26  3.00  ‐  ‐ ‐ ‐ 3.00 1.75 ‐ ‐ ‐ ‐ 1.75 0.61 1.70

Basin  4.17  4.18  3.76 5.00 5.00 4.42 2.42 2.07  1.66 1.73 1.73 1.72 1.35 0.38

Table  4.3: Derived parameters

Page 20: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

77  

4.3.3.3 Form Factor 

According to Horton (1932), form factor (Rf) may be defined, as the ratio of 

basin area to square of the basin length. 

Rf = A / Lb²,  

Where, Rf = Form Factor 

A = Area of the Basin (Sq.Km) 

Lb² = Square of Basin length 

Rf value of the basin is 0.30 and the value for all the watersheds are shown in 

Table 4.3.The  low values of Rf for the basin and most of the watersheds once again 

confirms an elongated shape.   The  index of Rf  shows  the  inverse  relationship with 

square  of  axial  length  and  a  direct  relationship with  peak  discharge  (Gregory  and 

Walling, 1973). From the shape parameter analysis, one thing which  is very clear  is 

that  all  the  3  above mentioned  factors  indicate  an  elongated  shape  of  the  basin 

which in turn has an effect on the discharge characteristic of the basin. Floods take a 

longer  time  to  travel  in  an  elongated  basin  when  compared  to  a  circular  basin 

(Gregory and Walling, 1973).  

The  relationship  among  form  factor,  circularity  ratio,  elongation  ratio  and 

length of overland flow in each sub‐watershed has been presented in Fig. 4.4. 

 

Figure  4.4: The relationship among form factor, circularity ratio and elongation ratio 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25water shed

Form factor

Circularity ratio

Elongatio ratio

Page 21: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

78  

4.3.4 Parameters for Dissection Intensity 

4.3.4.1  Drainage density (Dd) 

Horton (1945) defined the drainage density as the ratio of total  length of all 

stream segments in a given drainage basin to the total area of that basin.  

  ,  

Where, D = Drainage Density 

Lu = Total stream length of all orders 

A = Area of the Basin (Sq.Km) 

Dd  is  an  indicator  of  basin  dissection.    Langbein  (1947)  recognized  the 

significance of Dd as a  factor determining  the  time of  travel by water and he also 

suggested  a  drainage  density  varying  between  0.55  and  2.09  km/sq.km  in  humid 

region with an average density of 1.03 km/sq.km. Density factor is related to climate, 

type  of  rocks,  relief,  infiltration  capacity,  vegetation  cover,  surface  roughness  and 

run‐off intensity index. Of these only surface roughness has no significant correlation 

with drainage density. The amount and type of precipitation  influences directly the 

quantity  and  character of  surface  run‐off. An  area with high precipitation  such  as 

thundershowers  loses  greater  percentage  of  rainfall  as  run‐off  resulting  in more 

surface drainage lines. Amount of vegetation and rainfall absorption capacity of soils, 

which  influences the rate of surface run off affects the drainage texture of an area. 

The  similar  condition  of  lithology  and  geologic  structures,  semi‐arid  regions  have 

finer drainage density texture than humid regions. 

According to Nag (1998), low drainage density generally results in the areas of 

highly resistant or permeable subsoil material, dense vegetation and low relief. High 

drainage density  is  the  result of weak or  impermeable  subsurface material,  sparse 

vegetation  and mountainous  relief.  Low drainage density  leads  to  coarse drainage 

texture while high drainage density leads to fine drainage texture. 

Page 22: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

79  

Smith  (1950)  has  classified  drainage  density  into  5  different  textures  as 

follows: 

Drainage Density (km/ sq.km) Texture

<2  Very coarse 

2‐4  Coarse

4‐6  Moderate

6‐8  Fine 

>8  Very fine 

Table  4.4: Classification of drainage density (after Smith, 1950) 

The parameters like resistance to erosion of rocks, infiltration capacity of land 

and climate conditions  influence  the drainage density  (Vestappan 1983).   Drainage 

density  of  the  Lakshmantirtha  basin  as  a  whole  is  1.33  and  those  of  the  26 

watersheds are  shown  in Table 4.5.   According  to  the classification given by Smith 

(1950),  The  Dd  of  the  watersheds  and  the  basin  are  all  less  than  2  which  is  a 

characteristic  feature  of  course  drainage  system  and  reveals  to  some  extent  the 

permeable nature of the sub strata. It is noted that drainage density exhibits positive 

and high correlation (0.871) with Fs values of the watersheds and the basin (Fig 4.6). 

This was estimated by using the SPSS (V.16) statistical software. 

According  to  Melton  (1958),  these  are  characteristics  of  moderately  well 

drained  streams,  having  a  higher  runoff when  compared  to  their  infiltration  rate 

indicative  of  a  medium  dissected  topography.  It  is  suggested  that  low  drainage 

density  indicates  the  region  has  highly  permeable  subsoil,  dense  vegetative  cover 

and low relief as suggested for similar watershed elsewhere (Nag, 1998).

Page 23: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

80  

Watershed/basin Drainage Density 

Drainage Texture 

Length of over land 

flow 

W1  1.62 2.86 0.30

W2  1.55  2.43  0.32 

w3  1.66  3.04  0.30 

w4  1.44  2.23  0.34 

W5  1.38  1.83  0.36 

w6  1.06  0.98  0.47 

w7  1.48  1.86  0.33 

w8  1.09  1.51  0.45 

w9  1.36  1.33  0.36 

w10  0.93  0.94  0.53 

w11  1.53  2.93  0.32 

w12  1.62  3.55  0.30 

w13  1.59  2.95  0.31 

w14  2.25  4.38  0.22 

w15  1.97  4.87  0.25 

w16  1.52  2.11  0.32 

w17  0.91  1.09  0.54 

w18  0.96  0.90  0.51 

w19  1.29  1.98  0.38 

w20  1.35  2.15  0.36 

w21  1.46  2.12  0.34 

w22  1.57  2.82  0.31 

w23  1.13  1.56  0.44 

w24  1.28  1.70  0.38 

w25  0.99  1.60  0.50 

w26  0.51  0.31  0.96 

basin  1.33  1.79  0.37 

Table  4.5: Dissection intensity parameters 

Drainage Density Fs

Drainage Density Pearson Correlation 1 0.87**

Sig. (2-tailed) 0.00

N 27 27

Fs Pearson Correlation 0.87** 1

Sig. (2-tailed) 0.00

N 27 27

**. Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed).

Table  4.6: Correlation table between stream frequency and drainage density variable 

Page 24: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

81  

Figure  4.5: Scatter plot matrix  shows  the correlation between Fs and Dd 

 

4.3.4.2 Drainage texture (T) 

 An  important  geomorphic  concept  is  drainage  texture  which  defines  the 

relative  capacity of drainage  line  (Smith, 1950). Drainage  texture  (T)  is one of  the 

important  concepts  of  geomorphology  which means  that  the  relative  spacing  of 

drainage lines. Drainage lines are numerous over impermeable areas than permeable 

areas. 

Drainage texture can be calculated from the following formula: 

T = Dd * Fs      

 Where, Dd = Drainage density 

Fs= Stream Frequency  

According to Smith many parameters like soil type, infiltration capacity have a 

bearing  on  drainage  texture.  Based  on  value  of  T,  the  drainage  texture  can  be 

classified in the following categories (Smith 1950), (Table 4.7). 

Page 25: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

82  

 

 

The  T  of  the  Lakshmantirtha  basin  as  whole  is  1.79  while  that  of  the  26 

watersheds are shown  in Table 4.7. The T values of all the watersheds are below 4 

and belong to the coarse texture. 

4.3.4.3  Length of overland flow (Lg) 

 The  Length of overland  flow  is described  as  the  average  length of  flow of 

water over  the  surface before  it  become  concentrated  in  definite  stream  channel 

(Horton, 1945). He defined Lg as the length of flow path, projected to the horizontal 

of the non‐channel flow, from a point on the drainage divide to an overland flow as 

one  of  the  most  important  variable,  affecting  both  hydrologic  physiographic 

development  of  drainage  basin.  The  Lg  is  approximately  equal  to  half  of  the 

reciprocal of the drainage density. It is calculated from the following formula: 

Lg = 1 / Dd * 2,  

Where, Lg = Length of Overland flow 

Dd = Drainage Density 

 Table 4.5 reveals that the Lg  is more  in watershed 26 as drainage density  is 

the least in this watershed when compared to remaining watersheds. The computed 

value of Lg for all watersheds varies from 0.232 to 0.96. A high negative correlation 

(r= ‐0.888) is seen between the drainage density and length of over land flow and by 

plotting a correlation matrix, using SPSS software  (v.16), this can be clearly seen  in 

Fig. 3.6. 

T  Value Drainage Texture

<4  Coarse 

4‐10  Intermediate 

10‐15  Fine 

>15  Ultra f 

Table  4.7: Classification of drainage texture (after Smith, 1950) 

Page 26: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

83  

 

Figure  4.6: : Scatter plot shows  the correlation between Dd and Lg 

 

4.3.5 Relief aspects 

4.3.5.1 Relief aspects 

Vertical  inequalities of an area play an  important role not only  in controlling 

the distribution of precipitation,  formation of  surface water  features  like  streams, 

tanks etc., but also in the availability and circulation of ground water. Relief aspects 

are the function of the elevation or elevation difference at various points  in a basin 

or  along  the  channels.  It  includes  relief  measures,  ruggedness  number  and 

hypsometric analysis. 

4.3.5.2 Relief measures 

Relief measures  are  indicative  of  potential  energy  of  a  drainage  basin  by 

virtue  of  elevation  above  a  given  datum  line.  Different  relief  characteristics  viz., 

maximum  basin  relief  (H), Minimum  basin  relief  (h),  relief  ratio  (Rh)  and  relative 

relief are measured. 

Page 27: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

84  

4.3.5.3 Basin relief 

The  basin  relief  is  an  important  factor  in  understanding  the  extent  of 

denudational characteristics (the denudational landforms are   formed as a result of 

active  processes  of  weathering,  mass  wasting  and  erosion  caused  by  different 

exogenesis  geomorphic  agents  such  as  water,  glaciers,  wind  etc.,  the  landforms 

formed by agents of dedudation are identified as pediments, pediplains etc., ) of the 

basin.  Relief  is  the  difference  between maximum  and minimum  elevations  in  the 

basin. 

Basin Relief= H‐h  

where, H=Maximum height of basin 

h=Minimum height of basin 

 Basin  relief has an  influence on  the channel slope which controls  the  flood 

pattern and  the amount of  sediments which get  transported  (Hedley and Schumm 

1961).  In  the  present  study  the  basin  relief  of  the  basin  is  840  m  and  for  the 

watersheds the values vary from 20 m to 780 m (Table 4.8). 

4.3.5.4  Relief Ratio: 

According  to  Schumm  (1963),  the  relief  ratio  is  the  dimensionless  height‐

length ratio equal to the tangent of the angle formed by two planes  intersecting at 

the mouth of the basin, one representing the horizontal, the other passing through 

the highest point of  the basin. The  relief  ratio  is  calculated by using  the  following 

formula: 

Relief ratio = H‐h/L 

 Where, H= highest elevation in the basin 

h= lowest elevation in the basin 

L= longest axis of the basin 

Page 28: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

85  

Dimensionless relief ratio measures the overall steepness of a drainage basin 

and also is an indicator of the intensity of erosion process operating on the slopes of 

the basin and is closely related to peak discharge and runoff intensity. Relief ratio is 

directly proportional to fluvial erosion material and drainage density. There is also a 

correlation  between  hydrological  characteristics  and  the  relief  ratio  of  a  drainage 

basin.  The  Rh  normally  increases with  decreasing  drainage  area  and  size  of  sub‐

watersheds of a given drainage basin (Gottschalk, 1964). 

In the present study, the values of Rh are given in Table 4.8. The relief ratio of 

the whole  basin  is  0.011  and  the  values  for  the watersheds  range  from  0.004  to 

0.037).  It  is noticed that the high values of Rh  indicate     steep slope and high basin  

relief (780 m ), while the lower values may indicate the presence of basement rocks 

that are exposed in the form of small ridges and mounds with lower degree of slope 

(GSI, 1981). 

4.3.5.5 Relative relief (Rr) 

Melton  (1958) suggested the relative relief as ratio of maximum basin relief 

(H) to basin perimeter (P). 

Rr = basin relief / P      

Where, Rr = Relative Ratio 

Basin relief= H‐h 

P = Perimeter (km) 

For calculating the relative relief, the method proposed by Melton (1958) has 

been adopted for the present study and represented in Table 4.8. It can be seen from 

table  that  the  maximum  value  of  Rr  observed  in  watershed  2  (0.0105)  and  the 

minimum in watershed 24 (0.0008). 

Page 29: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

86  

4.3.5.6 Gradient ratio 

 Gradient ratio  is an  indication of channel slope  from which and assessment 

of  the  runoff  volume  could  be  elevated. Gradient  ratio  is  calculated  by  using  the 

following formula: 

Gradient ratio = (a‐b)/L  

Where, a = Elevation at source of the basin 

b= Elevation at Mouth of the basin 

L= Length of the main stream  

The basin has a gradient ratio of 0.0097 and the values for the 26 watersheds 

are presented in Table 4.8 and range between 0.01 ‐ 0.003, showing low to moderate 

gradient. 

4.3.5.7  Ruggedness number (Nr) 

To  combine  the  qualities  of  slope  steepness  and  length,  a  dimensionless 

ruggedness number  is  formed of  the product of   basin  relief  (“H‐h”) and drainage 

density  “Dd”  where  both  terms  are  in  same  units  (Strahler,  1958).By  using  the 

following formula ruggedness number is calculated. 

Nr = Dd * H / 1000 

 Where, Nr = Ruggedness Number 

Dd = Drainage Density 

 H (H‐h) = Total relief of the basin in Kilometres 

If  “Dd”  increases  while  “H‐h”  remains  constant,  the  average  horizontal 

distance  from  divides  to  adjacent  channels  is  reduced,  with  an  accompanying 

increase  in  slope  steepness.  If  “H‐h”  increases  while  “Dd”  remains  constant,  the 

elevation difference between divides and adjacent channels also  increases, so  that 

Page 30: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

87  

slope  steepness  increases.  Extremely high  values of  the  ruggedness number occur 

when both variables are large, this is when slopes are not only steep but long as well. 

In  the  present  study,  the  Nr  for  the  basin  and  all  watersheds  have  been 

calculated and given in Table 4.8. High value of Nr for the basin (1.11) indicates that 

lower order  streams which  extend  very  close  to  the water divide.  Sharma  (1982); 

Prasad  (1984);  Balasubramanian  (1986)  and Venugopal  (1988)  have  also  observed 

same type of results in the river basins of hard rock areas of South India. 

4.4 Topography of the area 

Topography maps  are  the most  important  source  for  a  detailed  study  of 

landforms  and  characteristic  features  of  the  surface  area,  which  provide  more 

information  about  shape,  size  and  relief  of  the  area.  Topographic map  provides 

details about shape, relief and size in three dimensional view of the area.  

The contours of the study area were digitized using Auto CAD (V.2000). Using 

the contour reading values the relief map was prepared by the help of Arcview (3.2a) 

software (Fig. 4.7 and 4.8). The topographic map of the study area also was prepared 

using Global Mapper software (v.10) (Fig. 4.9). In the Fig. 4.9 the profile of the terrain 

is shown from the southwest (SW) to northeast (SE). In both the figures Fig. 4.8 and 

Fig. 4.9 it can be clearly seen that the SW of the basin shows more undulation when 

compared to the NE which is comparatively a flat terrain. 

 

 

 

Page 31: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

88  

 

 

                   Figure  4.7: map of the drainage basin of Lakshmantirtha 

 

Page 32: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

89  

 

                Figure  4.8: map of the drainage basin of Lakshmantirtha 

 

 

Page 33: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

90  

 

           Figure  4.9: Profile of the drainage basin of Lakshmantirtha 

4.5 Hypsometric analysis (Area altitude analysis) 

Hypsometry involves the measurement and analysis of relationships between 

altitude  and basin  area  to understand  the degree of dissection  and  stage of  cycle 

erosion. Here  the hypsometric curve  is used  to show  the  relationship between  the 

altitude and area of a basin.  

Hyposmetric Curve  (HC)  is generally used to show the proportion of area of 

surface at  various elevations  above or below  a datum  (Morkhousa  and Wilkinson, 

1967)  and  thus  the  values  of  area  are plotted  as  ratios  of  total  area of  the basin 

against the corresponding height of the contours. Hypsometric analysis  is appealing 

because  of  its  dimensionless  parameter  that  permits  comparison  of  watersheds 

irrespective  of  scale  issues  (Dowling  et  al.,  1998).  Hypsometric  curves  (HC)  and 

hypsometric integrals are important indicators of watershed conditions (Ritter et al. 

2002). Differences  in the shape of the curve and the hypsometric  integral value are 

related  to  the degree of disequilibria  in  the balance of erosive and  tectonic  forces 

(Weissel et al., 1994). 

 In  the present study Hypsometric curve  is obtained by plotting  the  relative 

area  along  the  abscissa  and  relative  elevation  along  the  ordinate.

Page 34: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

91  

 

Basin / Watershed 

 

Relief Elevation in 'm" 

basin relief 

Longest Axis L 

Relative Relief 

Relief ratio (H‐h)/L 

Gradient Elevation Height  (a‐b) 

  

Longest axis L 

  

Ratio (a‐b)/L 

  

Ruggedness No. (Nr) 

Max H  Min H Source a  mouth  b 

1  1020  820  200 14.8 0.004 0.013 1000 820 180 14.8 0.0121 0.324 2  1600  820  780 20.78 0.010 0.037 1480 820 660 20.78 0.0317 1.207 3  1040  820  220 22.5 0.003 0.011 1000 820 180 22.5 0.01 0.366 4  880  800  80 8 0.002 0.01 880 800 80 8 0.01 0.115 5  1000  800  200 18.1 0.003 0.011 940 800 140 18.1 0.007 0.276 6  880  800  80 6.4 0.003 0.0125 860 800 60 6.4 0.009 0.084 7  1220  820  400 18.41 0.009 0.021 1000 820 180 18.41 0.009 0.592 8  840  800  40 5.7 0.001 0.007 840 800 40 5.7 0.007 0.044 9  980  800  180 15 0.004 0.012 940 800 140 15 0.009 0.245 10  840  800  40 10.4 0.001 0.0038 840 800 40 10.4 0.0038 0.037 11  880  800  80 7.74 0.003 0.01 880 800 80 7.74 0.01 0.122 12  860  800  60 4.24 0.004 0.014 860 800 60 4.24 0.014 0.097 13  880  800  80 5.56 0.004 0.015 860 800 60 5.56 0.01 0.127 14  880  800  80 5.27 0.005 0.015 860 800 60 5.27 0.011 0.180 15  840  800  40 4.84 0.002 0.008 840 800 40 4.84 0.008 0.079 16  840  800  40 4.5 0.002 0.008 840 800 40 4.5 0.008 0.061 17  840  780  60 9.15 0.001 0.0065 840 800 40 9.15 0.004 0.055 18  980  780  200 28.5 0.002 0.007 980 780 200 28.5 0.0108 0.193 19  900  780  120 24.2 0.001 0.004 900 780 120 24.2 0.0049 0.155 20  900  780  120 5.2 0.005 0.023 820 780 40 5.2 0.007 0.162 21  900  780  120 9.6 0.004 0.0125 860 780 80 9.6 0.008 0.175 22  840  760  80 7.11 0.001 0.011 820 760 60 7.11 0.008 0.126 23  800  780  20 6 0.001 0.0004 800 780 20 6 0.0004 0.023 24  820  780  40 10.5 0.0008 0.003 820 780 40 10.5 0.003 0.051 25  800  780  20 3.3 0.0001 0.0060 800 780 20 3.3 0.0060 0.020 26  860  800  60 2.78 0.002 0.0215 860 800 60 2.78 0.0215 0.031 

Basin  1600  760  840 72 0.003 0.01101 1460 760 700 72 0.0087 1.117 Table  4.5: Relief parameters 

Page 35: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

92  

The  relative area  is obtained as a  ratio of  the area above a particular contour  to  the 

total area of the watershed encompassing the outlet (a/A) and the relative elevation is 

calculated as the ratio of the height of the given contour (h) from the base plane to the 

maximum  basin  elevation  (H),  (up  to  the  remote  point  of  the  watershed  from  the 

outlet),  (Sarangi  et  al.,  2001  and  Ritter  et  al.,  2002).  The  resulting  curve  called  the 

hypsometric  curve  starts at  the  top  left hand  corner at 1.00 and ends at  the bottom 

right hand corner at 1.00 (Fig. 4.10). For computing the relative area of the basins and 

the watersheds, with the help of the of the surface analysis tool in the Arcview software 

the  area  above  each  contour  was  computed.  Another  important  parameter  in 

hypsometric  analysis  is  the  hypsometric  integral  (HI).  The  hypsometric  integral  is 

obtained  from  the hypsometric curve and  is equivalent  to  the ratio of  the area under 

the  curve  to  the  area  of  the  entire  square  formed  by  covering  it.  It  is  expressed  in 

percentage units and is obtained from the percentage hypsometric curve by measuring 

the  area  under  the  curve.  This  provided  a measure  of  the  distribution  of  landmass 

volume  remaining  beneath  or  above  a  basal  reference  plane.  According  to  Strahler 

(1952),  the entire period of cycle of an erosion of a basin can be grouped  in  to  three 

stages  viz.,  monadnock  (old)  (Hsi≤0.3),  in  which  the  watershed  is  fully  stabilized; 

equilibrium or mature stage  (0.3≤Hsi≤0.6); and  inequilibrium or young stage  (Hsi≥0.6), 

in which  the watershed  is highly  susceptible  to erosion  (Strahler 1952; Sarangi et al., 

2001), (Fig. 4.10). 

 

Figure  4.7: Cycle erosion of a basin (after Strahler, 1952) 

Page 36: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

93  

4.5.1  Estimation of Hypsometric Integral (HI) 

The hypsometric  integral or the area under the curve can be estimated by four 

different methods which are as follow: 

1) Integration of Hypsometric Curve 

2) Use of the Leaf Area Meter (LAM) 

3) Use of the Planimeter Equipment 

4) Use of Elevation–Relief Ratio (E) 

In  the present study  the  integral values of  the basin and  the watersheds were 

calculated  using  the mathematical  integration  value.  The  plotted  hypsometric  curves 

were fitted with a trend line (polynomial) in excel software to represent an equation of 

the  curve  and  the  best  fitting  equation  was  obtained  for  highest  coefficient  of 

determination (R2) value. The equation was further integrated within the limits of 0 to 1 

(due  to  the  non‐dimensional nature  of  the  graph)  for  estimating  the  area under  the 

curve. Thus the estimated area gives the hypsometric integral value of the hypsometric 

curve. The developed polynomial equation by fitting the hypsometric curve of the basin 

is  shown  in  Fig. 4.11. The  fitted equation was  integrated within  the desired  limits  to 

estimate  the  area  under  the  HC.  The  hypsometric  integral  values,  relative  area  and 

relative heights obtained for the basin and 26 watersheds are presented in Table 4.9.  

 

                  Figure  4.8: The fitted equation of the hypsometric curves for the basin 

 

y = ‐20.648x5 + 56.269x4 ‐ 58.044x3 + 28.626x2 ‐ 7.1344x + 0.9273

R² = 0.9945

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

Relative

 height (h/H

)

Relative area (a/A)

basin

Page 37: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

94  

 Contour 

values 

Relative area

(a/A) 

Relative 

height 

Hypsometric 

Integral 

Basin 

760 1 0

0.204 

800 0.96 0.047840 0.72 0.095880 0.46 0.14920 0.32 0.19960 0.22 0.231000 0.18 0.281050 0.14 0.341100 0.11 0.401150 0.09 0.461200 0.07 0.521250 0.06 0.581300 0.04 0.641350 0.03 0.701400 0.02 0.761450 0.007 0.821500 0.001 0.881550 0.0005 0.941600  0  1 

Watershed 1  

820 1 0

0.267 

840 0.32 0.11860 0.17 0.22880 0.136512 0.33900 0.108 0.44920 0.06 0.55940 0.03 0.66960 0.01 0.77980 0.008 0.881000 0.0030 0.91020  0  1 

Watershed 2  

820.00 1.00 0.00

0.287 

860.00 0.66 0.05900 0.58 0.10940 0.54 0.15980 0.48 0.211020 0.44 0.261100 0.36 0.361180 0.29 0.461260 0.22 0.561340 0.16 0.671420 0.08 0.771500 0.01 0.871600 0.00 1.00

Watershed 3  

820 1.00 0.00

0.245 

860 0.69 0.13900 0.41 0.27940 0.13 0.40980 0.04 0.531020 0.02 0.671060 0.01 0.801080 0.00 0.931100 0.00 1.00

Watershed 4  

800 1.00 0.00

0.562 820 0.91 0.25840 0.66 0.50860 0.18 0.75880 0.00 1.00

Page 38: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

95  

Watershed 5  

800.00 1.00 0.00

0.253 

840.00 0.85 0.11880.00 0.45 0.22920.00 0.22 0.33960.00 0.09 0.441000.00 0.05 0.561040.00 0.03 0.671080.00 0.01 0.781120.00 0.00 0.891140.00 0.00 0.941160.00 0.00 1.00

Watershed 6  

800 1.00 0.00

0.385 

820 0.79 0.20840 0.46 0.40860 0.15 0.60880 0.03 0.80890 0.01 0.90900 0.00 1.00

Watershed 7 

800 1.00 0.00

0.319 

840 0.90 0.10880 0.69 0.19920 0.45 0.29960 0.29 0.381000 0.21 0.481020 0.17 0.521060 0.11 0.621100 0.06 0.711120 0.05 0.811160 0.02 0.901200 0.00 0.951220 0.00 1.00

Watershed 8  

800 1.00 0.00

0.203 

820 0.62 0.14840 0.22 0.29860 0.13 0.43880 0.09 0.57900 0.05 0.71920 0.02 0.86940 0.00 1.00

Watershed 9 

800.00 1.00 0.00

0.389 820 0.89 0.11840 0.70 0.22860 0.56 0.33880 0.35 0.44900 0.24 0.56

 920 0.14 0.67940 0.04 0.78960 0.01 0.89980 0.00 1.00

Watershed 10  

800.00 1.00 0.00

0.382 

820 0.89 0.11840 0.70 0.22860 0.56 0.33880 0.35 0.44900 0.24 0.56920 0.14 0.67940 0.04 0.78960 0.01 0.89980 0.00 1.00

Watershed 11  800 1.00 0.00 0.429 820 0.88 0.20

Page 39: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

96  

840 0.60 0.40860 0.17 0.60880 0.04 0.80900 0.00 1.00

Watershed 12 

800 0.00 1.00

0.496 820 20.00 0.69840 40.00 0.30860 60.00 0.00

Watershed 13 

800 1.00 0.00

0.407 

820 0.87 0.20840 0.51 0.40860 0.13 0.60880 0.06 0.80900 0.00 1.00

Watershed 14 

800 1.00 0.00

0.392 820 0.74 0.25840 0.25 0.50860 0.11 0.75880 0.00 1.00

Watershed 15 

800 1.00 0.00

0.517 810 0.74 0.25820 0.51 0.50830 0.31 0.75840 0.00 1.00

Watershed 16 800 1.00 0.00

0.601 820 0.68 0.50840 0.00 1.00

Watershed 17 

780 1.00 0.00

0.445 800 0.69 0.33820 0.19 0.67840 0.00 1.00

Watershed 18 

780 1.00 0.00

0.244 

820 0.95 0.10860 0.68 0.19900 0.28 0.29940 0.14 0.38980 0.08 0.481020 0.05 0.571060 0.03 0.671100 0.02 0.761140 0.01 0.861180 0.00 0.951200 0.00 1.00

Watershed 19 

780 1.00 0.00

0.476 

800 0.88 0.17820 0.70 0.33840 0.44 0.50860 0.24 0.67880 0.09 0.83900 0.00 1.00

Watershed 20 

780 1.00 0.00

0.377 

800 0.75 0.20820 0.42 0.40840 0.19 0.60860 0.05 0.80880 0.00 1.00

Watershed 21 

780 1.00 0.00

0.411 800 0.90 0.17820 0.67 0.33840 0.30 0.50860 0.07 0.67

Page 40: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

97  

880 0.02 0.83900 0.00 1.00

Watershed 22 

760 1.00 0.00

0.477 780 0.79 0.25800 0.48 0.50820 0.15 0.75840 0.00 1.00

Watershed 23 

780 1.00 0.00

0.267 800 0.37 0.33820 0.05 0.67840 0.00 1.00

Watershed 24 

760 1.00 0.00

0.374 780 0.66 0.25800 0.27 0.50820 0.10 0.75840 0.00 1.00

Watershed 25 

780 0.0075 0.00

0.377 785 0.0045 0.25790 0.0023 0.50795 0.0008 0.75800 0.00 1.00

Watershed 26 

800 1.00 0.00

0.45 820 0.74 0.33840 0.05 0.67850 0.02 0.83860 0.00 1.00

Table  4.6: Relevance of relative area, relative height and Hypsometric Integral (HI) on Watershed Hydrologic Responses 

The HI value of Lakshmantirtha basin  (0.204)  indicated  that 20.4%  the original 

rock masses still exist in this basin. The estimated HI values reveal that the basin (0.204) 

and few watersheds mainly on the western part were in the monadnock stage and the 

remaining watersheds were all in the mature stage. The watersheds with mature stages 

were  located at  lower elevations, the reason of which can be mainly attributed to the 

human  interventions  in  the  form  of  construction  of  roads,  intensive  agricultural 

practices and deforestation activities.  It  is understood that the hydrologic response of 

the sub basins attaining the mature stages will have slow rate of erosion (Ritter et al., 

2002) unless there is very high intense storms leading to high runoff peaks. According to 

Omvir  Singh  (2008),  the  HI  values  less  than  0.5  needs  minimum  mechanical  and 

vegetative measures  to  arrest  sediment  loss but may  require more water harvesting 

type  structures  to  conserve  water  at  appropriate  locations  in  the  watershed  for 

conjunctive water  use. Whereas watersheds, which  are  having    hypsometric  integral 

values  more  than  0.5  (i.e.,  approaching  youthful  stage)  need  construction  of  both 

vegetative  and mechanical  soil  and water  conservation  structures  to  arrest  sediment 

load and conserve water for integrated watershed management. 

Page 41: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

98  

 

Legend:  X axis: Relative area (a/A)      Y axis:  Relative height (h/H)   

 

 

 

 

 

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

basin

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w1

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w2

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w3

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w4

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w5

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w6

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w7

Page 42: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

99  

 

 

 

 

 

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w8

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w9

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w10

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w11

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w12

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w13

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w14

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w15

Page 43: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

100  

 

 

 

 

 

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w16

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w17

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w18

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w19

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w21

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w22

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w23

Page 44: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

101  

 

 

Figure  4.9 : Hypsometric curve of the basin and its 26 watersheds 

 

4.6 Interrelationship of Different Morphometric Parameters by Using factor Analysis 

 Statistics methods  are  applied  in  a  variety  of  fields  in  hydrological  research. 

Factor analysis is useful for interpretation of morphometric parameters and relating the 

same  to  specific hydrological processes. Multivariate analysis  is  simply a  collection of 

procedures for analysing the associations between two or more sets of data that have 

been  collected  on  each  object  in  one  or more  samples  of  objects.    By  using  factor 

analysis the  less significant variables are eliminated and the remaining  is arranged  in a 

manner which would make interpretation an easy task. 

Adopting statistical applications in hydrological studies began with Synder (1962) 

who introduced some solutions in hydrological modelling. Later on many other workers 

like  Wong  (1979);  Wallis  (1965);  Shukla  and  Verma,  (1975)  and  Mishra  and 

Satyanarayana  (1988), also used different  statistical methods  like  cluster analysis and 

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w24

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.0075 0.5075

w25

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.00 0.50 1.00

w26

Page 45: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

102  

principal  component  analysis  for  developing  hydrological  prediction  equation  and  to 

group the most likely significant groups. 

The method of  factor analysis and varimax  rotation  is based on  the principles 

demonstrated by Davis (1973). A correlation matrix was first computed in the first step 

for  the  given  geomorphic parameters  (Table  4.10).  The  eigen  values were  computed 

since these eigen values of each component explains the total variance explained by the 

variables  on  the  component.  The  factor  extraction  was  done  with  a  minimum 

acceptable eigen values of > 1. The fourteen variables were reduced to four factors. The 

factors account for 82% of the total variability of the data.  The factor‐loading matrix is 

rotated to varimax rotation which results  is maximisation of the variance of the factor 

loadings  of  the  variables  on  the  factor matrix  (Table  4.11).  The  factor  loading  is  a 

measure of the degree of closeness between variables and the factor.  

By observing the correlation matrix on the 12 selected geomorphic parameters, 

it is very clear that a good correlation exists among some of the variables and some of 

the variables do not show any significant correlations. For this purpose, by the rotation 

factor matrix  in  factor  analysis using  SPSS  software  (V16),  the  variables were  further 

classified as factors and these factors having one or few variables in each (Table 4.11) 

As shown in the Table 4.11, the variables are classified in to 5 factors, which are 

discussed as bellow: 

Factor 1: This factor includes the area, perimeter and the basin length of the 26 watersheds. 

Factor 2: Drainage density and stream frequency 

Factor 3: Relative relief and Rugedness number 

Factor 4: Elongation ratio, Circularity ratio and form factor 

Factor 5: Bifurcation ratio  

Page 46: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

103  

The first factor is mainly loaded on variables i.e., basin perimeter, basin area and 

basin  length and  it  reveals  that  these parameters have  the greatest  influence on  the 

form and processes of the drainage basin. The second factor which is termed as run‐off 

factor  shows  a  high  correlation  between  the  drainage  density  and  stream  frequency 

(r=0.872) and  these geomorphic variables control  the  run‐off of  the basin. Calculating 

the  run‐off an area  is  important  specially  in hydrologic modelling.  For example when 

one  wants  to  calculate  sediment  yield  silted  by  this  run  off  in  reservoirs  of  the 

watershed and also  in management of water  resources  this  factor plays an  important 

role. Factor 3 is termed as the relief parameter and exhibits a high correlation between 

relative relief and Nr (r=0.844). By this it can be said that if the relative relief increases, 

the Nr also increases and influences on the slop of the terrain. As it can be seen in the 

correlation  Table  4.7  of  the  fourth  factor,  a moderately  negative  correlation  exists 

between the elongation ratio and circularity ratio and a moderately positive correlation 

exist  between  the  form  factor  and  elongation  ratio.  As  discussed  earlier,  all  the 

mentioned parameters suggest an elongated shape for the whole basin while is some of 

the watersheds were  circular  in  shape. A negative  loading  also  is  seen on  the  steam 

length ratio  in  the  fourth  factor which concludes  that  this variable does not effect on 

the shape parameter.  The last factor is seen with a single variable of high loading and it 

is the bifurcation ratio.  

4.7 Significance 

Laskmantirtha basin and  its 26 watersheds exhibit a dendritic drainage pattern.  

The  variation  in  stream  length  ratio  is  due  to  change  in  slope  and  topography.  The 

higher values of mean bifurcation ratio of watersheds indicate that geological structure 

has a stronger control on their drainage pattern compare to the watersheds with lower 

values. 

Page 47: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

104  

Correlation Matrix

area Perimeter

Basin

Length

Stream Length

Ratio(mean)

Drainage

Density

Elongation

ratio

Circularity

Ratio

Form

factor Fs

Relative

Relief Nr.

Bifurcation

Ratio(mean)

Correlation

area 1.00 0.86 0.88 -0.28 -0.13 -0.28 -0.007 -0.22 -0.26 0.11 0.36 -0.005

Perimeter 0.86 1.00 0.88 -0.16 -0.20 -0.26 -0.31 -0.37 -.035 0.12 0.50 0.03

Basin Length 0.88 0.88 1.00 -0.37 -0.00 -0.59 -0.008 -0.42 -0.22 0.29 0.55 0.06

Stream Length

Ratio(mean)

-0.28 -0.16 -0.37 1.00 -0.14 0.30 -0.22 -0.11 0.08 -0.34 -0.35 -0.08

Drainage Density -0.13 -0.20 -0.005 -0.14 1.00 -0.36 0.55 0.14 0.87 0.42 0.27 .028

Elongation ratio -028 -0.26 -0.59 0.30 -0.36 1.00 -0.24 0.35 -.015 -0.38 -040 -0.25

Circularity Ratio -.00 -0.31 -0.008 -0.22 0.55 -0.24 1.00 0.19 0.41 0.38 0.026 0.01

Form factor -0.22 -0.37 -0.42 -0.11 0.14 0.35 0.19 1.00 0.18 -0.20 -0.30 0.01

Fs -0.26 -0.35 -0.22 0.08 0.87 -0.15 0.41 0.18 1.00 0.19 0.04 0.19

Relative Relief 0.11 0.12 0.29 -0.34 0.42 -0.38 0.38 -0.20 0.19 1.00 0.84 0.21

Nr. 0.36 0.50 0.55 -0.35 0.27 -0.40 0.02 -0.30 0.04 0.84 1.00 0.09

Bifurcation

Ratio(mean)

-0.00 0.03 0.06 -0.08 0.28 -0.25 0.01 0.01 0.19 0.21 0.09 1.00

Table  4.7: Correlation matrix of morphometric units

Page 48: Chapter 4 Morphometric Analysis - INFLIBNETshodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/15901/12/12_chapter 4.pdfStrahler (1964) is widely accepted and is the most popular system in

105  

Component

1 2 3 4 5

area 0.93

Perimeter 0.87

Basin Length 0.95

Stream Length Ratio(mean) -0.71

Drainage Density 0.89

Elongation ratio 0.51

Circularity Ratio 0.73

Form factor 0.72

Fs 0.87

Relative Relief 0.92

Nr. 0.87

Bifurcation Ratio(mean) 0.95

Extraction Method: Principal Component Analysis.

Rotation Method: Varimax with Kaiser Normalization.

a. Rotation converged in 6 iterations.

Table  4.8: Rotated Component Matrix 

 

The Dd of the basin as well as those of the watersheds, reveal that the nature 

of  the  subsurface  is permeable. This  is a  characteristic  feature of  coarse drainage. 

The  shape  parameters  also  reveal  the  elongated  shape  for  the  basin. Due  to  this 

characteristic, the basin will tend to have lesser flood peaks but longer  lasting flood 

flows compared to round basins. This particularly is very important while considering 

the management and  reservoir projects and a progressive  land use pressures. The 

geomorphic  development  of  the  basin  also  reveals  it  is  in  the monadnock  stage.  

Factor  analysis was  carried out on morophmetric units  and  grouped  them  in  to  5 

factors.