Jana Levison

Potential of groundwater contamination by polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) in a sensitive bedrock aquifer (Canada)

It is necessary to understand the presence, movement, and persistence of contaminants in aquifers to develop adequate groundwater protection plans. Fractured bedrock aquifers with thin overburden cover are very sensitive to contamination, and little is known about transport processes from the ground surface to depth in this setting. This study was undertaken to investigate the potential of groundwater contamination by polybrominated diphenyl ethers (PBDEs), which are flame retardants, in a natural fractured bedrock aquifer in Canada proven to be sensitive to contamination. PBDEs, which had not been previously measured in groundwater in detail, were detected in the study aquifer at concentrations greater than those observed in surface-water bodies. Potential sources include manure, septic tanks, and the atmosphere. From this scoping study, it is evident that additional surveys of PBDE concentrations in groundwater are warranted, especially in settings with high potential source concentrations coupled with sensitive aquifers.RésuméIl est nécessaire de comprendre la présence, les mouvements et la persistance des polluants dans les aquifères afin de développer des plans de protection adaptés à la protection des eaux souterraines. Les aquifères d’un socle fracturé recouvert d’une couverture peu épaisse sont très sensibles à la pollution et on sait peu sur les processus de transfert de la surface du sol vers la profondeur dans cette configuration. On a entrepris cette étude pour reconnaître le degré de pollution par des polybromodiphényl éthers (PBDE) retardateurs de flamme d’un aquifère du socle fracturé naturellement reconnu comme vulnérable à la pollution au Canada. Les PBDE, qui n’avaient pas été précédemment dosés de façon précise dans la nappe, ont été détectés dans l’aquifère objet de l’étude à des concentrations supérieures à celles observées dans les eaux de surface. Les sources potentielles incluent les engrais, les fosses septiques et l’atmosphère. Suivant cette étude cadre, il est évident que des campagnes complémentaires de mesure des concentrations de PBDE dans l’eau souterraine sont justifiées, particulièrement dans des configurations où de hautes concentrations de sources potentielles sont couplées avec des aquifères vulnérables.ResumenEs necesario entender la presencia, movimiento y persistencia de los contaminantes en los acuíferos para desarrollar planes de protección adecuados de las aguas subterráneas. Los acuíferos en rocas de basamento fracturado con una delgada cubierta son muy sensibles a la contaminación, y poco es conocido acerca de los procesos de transporte desde la superficie del terreno a la profundidad en esta configuración. Este estudio se llevó a cabo para investigar el potencial de la contaminación de agua subterránea por polibromodifeniléteres (PBDEs), que son retardantes del fuego, en un acuífero de basamento fracturado natural en Canadá que se conoce como sensible a la contaminación. Los PBDEs, que no habían sido previamente medidos detalladamente en el agua subterránea, fueron detectados en el estudio del acuífero en concentraciones mayores que aquellas observadas en los cuerpos de agua superficial. Las fuentes potenciales incluyen estiércol, tanques sépticos, y la atmósfera. A partir este estudio observacional, es evidente que mediciones adicionales de concentraciones de PBDE en aguas subterráneas están justificadas, especialmente en configuraciones con fuentes potenciales de altas concentraciones acopladas con acuíferos sensibles.摘要为发展适宜的地下水保护计划, 理解含水层中污染物的存在、运移及持久性是必要的。具有薄层表土层的裂隙基岩含水层对污染及其敏感, 但对此背景下从地表面到深部的运移过程了解较少。本文利用多溴二苯醚 (PBDEs)调查地下水污染的可能性, PBDEs是一种阻燃剂, 在加拿大天然裂隙基岩含水层中被证明对污染物是敏感的。PBDEs在之前的地下水中没有具体的监测过, 在研究区含水层中观测到的浓度大于在地表水体中观测到的。可能的污染源包括粪肥、化粪池以及大气。从本次范围界定研究中明白对于地下水中PBDE浓度的额外调查是有保证的, 尤其是在高可能污染源浓度以及敏感含水层背景下。ResumoÉ necessário perceber a presença, o movimento e a persistência de contaminantes em aquíferos de forma a desenvolver planos adequados de proteção das águas subterrâneas. Aquíferos fraturados com uma pequena espessura de recobrimento são muito sensíveis à contaminação e neste cenário pouco se sabe sobre os processos de transporte a partir da superfície até ao meio subterrâneo. Este estudo foi realizado para investigar o potencial de contaminação das águas subterrâneas por difenil éteres polibromados (PBDEs), que são retardantes de chama, num aquífero fraturado no Canadá o qual provou ser sensível à contaminação. PBDEs, que não tinham previamente sido medidos com detalhe nas águas subterrâneas, foram detetados no estudo do aquífero em concentrações superiores às observadas nas massas de água superficial. As fontes potenciais incluem o estrume, fossas séticas, e a atmosfera. Com base no âmbito deste estudo, é evidente que estão justificadas pesquisas adicionais das concentrações de PBDEs nas águas subterrâneas, especialmente em ambientes com fontes potenciais com altas concentrações associadas aquíferos sensíveis.

Rapid transport from the surface to wells in fractured rock: A unique infiltration tracer experiment

A unique infiltration tracer experiment was performed whereby a fluorescent dye was applied to the land surface in an agricultural field, near Perth, Ontario, Canada, to simulate the transport of solutes to two pumped monitoring wells drilled into the granitic gneiss aquifer. This experiment, interpreted using the discrete-fracture capability of the numerical model HydroGeoSphere, showed that solute transport from the surface through thin soil (less than 2m) to wells in fractured bedrock can be extremely rapid (on the order of hours). Also, it was demonstrated that maximum concentrations of contaminants originating from the ground surface will not necessarily be the highest in the shallow aquifer horizon. These are important considerations for both private and government-owned drinking water systems that draw water from shallow fractured bedrock aquifers. This research illustrates the extreme importance of protecting drinking water at the source.

Long-term trends in groundwater recharge and discharge in a fractured bedrock aquifer – past and future conditions

In the context of climate change, it is important to understand possible future projections and historical trends of groundwater recharge, flow, and discharge to surface reservoirs. Knowledge of a vast range of possible conditions is required to fully appreciate the variability of the hydrologic cycle and hence the long-term vulnerability of groundwater-dependent habitats. This research investigates historical trends for a groundwater–surface water interacting system that supports a fragile ecosystem in southern Quebec. A transient model was developed using MODFLOW to simulate site-wide groundwater flow for the study area. The model was used to simulate past hydrogeological conditions (1900–2010) using a new data set of available precipitation (rain and snowmelt) and temperature. This data set was used to simulate the overall groundwater budget and to determine groundwater discharge (river baseflow and spring flow) in the study area. This allows for the quantification of century-long trends in flow data, as well as the extreme maximum and minimum flows over 110 years. Recharge was variable, ranging from 41 to 197 mm/year over the study period. Lower recharge rates from 1950 to 1965 induced marked effects on spring flow. Although the trend is not statistically significant, there appears to be, for the second half of the study period (1966–2010), a tendency towards a reversal to an increase for recharge, hydraulic heads, spring flow and baseflows. A longer time series would be necessary to confirm this tendency. The simulated historical trends are compared with flow projections for future scenarios (2041–2070). The confirmation that the natural system has been subjected to a wide range of climatic conditions over the last century helps to inform about its resilience. This study highlights the utility of groundwater flow modeling using historical climate data sets to gain a better understanding of long-term trends for climate change-related hydrogeological and ecohydrological studies.

Modeling cross-scale relationships between climate, hydrology, and individual animals: generating scenarios for stream salamanders

Hybrid modelling provides a unique opportunity to study cross-scale relationships in environmental systems by linking together models of global, regional, landscape, and local-scale processes, yet the approach is rarely applied to address conservation and management questions. Here, we demonstrate how a hybrid modelling approach can be used to assess the effect of cross-scale interactions on the survival of the Allegheny Mountain Dusky Salamander (Desmognathus ochrophaeus) in response to changes in temperature and water availability induced by climate change at the northern limits of its distribution. To do so, we combine regional climate modelling with a landscape-scale integrated surface-groundwater flow model and an individual-based model of stream salamanders. On average, climate scenarios depict a warmer and wetter environment for the 2050 horizon. The increase in average annual temperature and extended hydrological activity time series in the future, combined with a better synchronization with the salamanders’ reproduction period, result in a significant increase in the long-term population viability of the salamanders. This indicates that climate change may not necessarily limit the survivability of small, stream-dwelling animals in headwater basins located in cold and humid regions. This new knowledge suggests that habitat conservation initiatives for amphibians with large latitudinal distributions in Eastern North America should be prioritized at the northern limits of their ranges to facilitate species migration and persistence in the face of climate change. This example demonstrates how hybrid models can serve as powerful tools for informing management and conservation decisions.

CAD-DRASTIC: chloride application density combined with DRASTIC for assessing groundwater vulnerability to road salt application

Road salt is pervasively used throughout Canada and in other cold regions during winter. For cities relying exclusively on groundwater, it is important to plan and minimize the application of salt accordingly to mitigate the adverse effects of high chloride concentrations in water supply aquifers. The use of geospatial data (road network, land use, Quaternary and bedrock geology, average annual recharge, water-table depth, soil distribution, topography) in the DRASTIC methodology provides an efficient way of distinguishing salt-vulnerable areas associated with groundwater supply wells, to aid in the implementation of appropriate management practices for road salt application in urban areas. This research presents a GIS-based methodology to accomplish a vulnerability analysis for 12 municipal water supply wells within the City of Guelph, Ontario, Canada. The chloride application density (CAD) value at each supply well is calculated and related to the measured groundwater chloride concentrations and further combined with soil media and aquifer vadose- and saturated-zone properties used in DRASTIC. This combined approach, CAD-DRASTIC, is more accurate than existing groundwater vulnerability mapping methods and can be used by municipalities and other water managers to further improve groundwater protection related to road salt application.RésuméLe sel de déneigement est utilisé abondamment sur le territoire Canadien et d’autres régions froides durant l’hiver. Pour les villes dont l’approvisionnement en eau est essentiellement issu des eaux souterraines, il est important de planifier et minimiser l’application du sel afin de maîtriser les effets négatifs liés à des concentrations élevées en chlorures dans les eaux souterraines captées. L’utilisation de données géoréférencées (réseau routier, occupation du sol, caractéristiques des formations géologiques quaternaires et de socle, recharge annuelle moyenne, profondeur de la nappe, répartition des sols, topographie) dans la méthodologie DRASTIC offre un outil efficace pour délimiter les secteurs vulnérables au sel dans les zones de puits de production d’eau potable, aider à la mise en œuvre de pratiques de gestion adéquates pour l’application du sel de déneigement en milieu urbain. Cette étude présente une méthodologie basée sur un SIG pour la réalisation d’une analyse de vulnérabilité de 12 forages municipaux d’alimentation en eau potable, dans le périmètre de la ville de Guelph, Ontario, Canada. La valeur d’intensité d’application des chlorures (CAD) pour chaque puits d’alimentation est calculée puis comparée aux concentrations en chlorures mesurées dans les eaux souterraines; celle-ci est ensuite combinée avec les propriétés du sol et des zones non saturée et saturée de l’aquifère utilisées dans DRASTIC. Cette approche combinée CAD-DRASTIC est plus précise que les méthodes existantes de cartographie de la vulnérabilité des eaux souterraines et peut être utilisées par les municipalités et d’autres gestionnaires de l’eau à des fins d’amélioration de la protection des eaux souterraines au regard de l’application du sel de déneigement.ResumenLa sal de camino se utiliza de forma generalizada en todo Canadá y en otras regiones frías durante el invierno. Para las ciudades que dependen exclusivamente del agua subterránea, es importante planificar y minimizar la aplicación de sal, y en consecuencia para mitigar los efectos adversos de las altas concentraciones de cloruro en los acuíferos de suministro de agua. El uso de datos geoespaciales (red vial, uso del suelo, geología del cuaternario y del basamento, recarga anual promedio, profundidad del nivel freático, distribución de suelos, topografía) en la metodología DRASTIC proporciona una forma eficiente para distinguir las áreas vulnerables a la sal asociadas con los pozos de suministro de agua subterránea, para ayudar en la implementación de prácticas de manejo apropiadas para la aplicación de sal de camino en áreas urbanas. Esta investigación presenta una metodología basada en SIG para realizar un análisis de vulnerabilidad para 12 pozos de suministro de agua municipales dentro de la ciudad de Guelph, Ontario, Canadá. El valor de la densidad de aplicación de cloruro (CAD) en cada pozo de suministro se calcula y se relaciona con las concentraciones medidas de cloruro en el agua subterránea y se combina con las propiedades del suelo, de la zona vadosa y de la zona saturada utilizadas en DRASTIC. Este enfoque combinado, CAD-DRASTIC, es más preciso que los métodos existentes de mapeo de la vulnerabilidad del agua subterránea y puede ser utilizado por los municipios y otros administradores del agua para mejorar aún más la protección del agua subterránea relacionada con la aplicación de sal en los caminos.摘要在加拿大以及其它寒冷地区冬季普遍使用道路融雪盐。对于仅仅依赖于地下水的城市,规划好和最小量使用融雪盐非常重要,可以减轻供水含水层中的氯化物含量高的不利影响。在DRASTIC方法中,利用地理数据(道路网络、土地利用、第四纪和基岩地质、平均每年补给量、水位深度、土壤分布和地形)为区分与地下水供水井相关的融雪盐-脆弱区提供了一个有效的方法,进而为有效管理城区使用道路融雪盐提供支持。本研究介绍了一种基于GIS的方法对加拿大安大略省Guelph市内12口供水井的易污性进行了分析。计算了每一口供水井的氯化物应用密度值,密度值与测量的地下水氯化物浓度相关,进而把密度值和DRASTIC中使用的土壤介质和含水层包气带-饱和带特性结合在一起。这个综合的方法,即CAD-DRASTIC,比现有的地下水易污性填图方法更精确,市政府和其它水管理者可用此方法针对道路融雪盐的应用进一步提高对地下水的保护。ResumoA aplicação de sal em estrada tem sido feita de forma rotineira em todo o Canadá e em outras regiões frias durante o inverno. Em cidades que dependem exclusivamente das águas subterrâneas, é importante planejar e minimizar a aplicação do sal de modo a mitigar os impactos negativos das altas concentrações de cloreto nos aquíferos de abastecimento de água. O uso de dados geoespaciais (redes viárias, uso do solo, geologia da rocha matriz e do Quaternário, recarga anual média, níveis freáticos, distribuição do solo e topografia) no método DRASTIC provê um meio eficiente de identificar áreas vulneráveis ao sal que são abastecidas por fontes de águas subterrâneas, de modo a ajudar na implementação de práticas de gestão adequadas para a aplicação de sal nas estradas em áreas urbanas. Essa pesquisa apresenta uma metodologia baseada em SIG para realizar a análise de vulnerabilidade de 12 municípios abastecidos por poços dentro da dentro da cidade de Guelph, Ontário, Canadá. O valor da densidade de aplicação de cloreto (DAC) de cada poço de abastecimento é calculado e relacionado com medições de concentração de cloreto em águas subterrâneas e, em seguida, combinado com os perfis de solo e propriedades da zona saturada e vadosa do aquífero usados no DRASTIC. Essa metodologia combinada, DAC-DRASTIC, é mais preciso do que os métodos existentes de mapeamento de vulnerabilidade de águas subterrâneas e pode ser usado por municípios e outros gestores de água para melhorar ainda mais a proteção das águas subterrâneas relacionadas à aplicação de sal nas estradas.

Results from the Quebec Groundwater Knowledge Acquisition Program

Results from the Quebec Groundwater Knowledge Acquisition Program Marie Larocque* , Vincent Cloutier , Jana Levison and Eric Rosa Département des sciences de la Terre et de l’atmosphère, Université du Québec à Montréal, Montréal, Canada; Centre de recherche GEOTOP, Université du Québec à Montréal, Montréal, Canada; Groupe de recherche sur l’eau souterraine, Institut de Recherche en Mines et en Environnement, Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue, Amos, Canada; School of Engineering, University of Guelph, Guelph, Canada

Sensitivity of GRACE-derived estimates of groundwater-level changes in southern Ontario, Canada

Amidst changing climates, understanding the world’s water resources is of increasing importance. In Ontario, Canada, low water conditions are currently assessed using only precipitation and watershed-based stream gauges by the Conservation Authorities in Ontario and the Ministry of Natural Resources and Forestry. Regional groundwater-storage changes in Ontario are not currently measured using satellite data by research institutes. In this study, contributions from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) data are compared to a hydrogeological database covering southern Ontario from 2003 to 2013, to determine the suitability of GRACE total water storage estimates for monitoring groundwater storage in this location. Terrestrial water storage data from GRACE were used to determine monthly groundwater storage (GWS) anomaly values. GWS values were also determined by multiplying groundwater-level elevations (from the Provincial Groundwater Monitoring Network wells) by specific yield. Comparisons of GRACE-derived GWS to well-based GWS data determined that GRACE is sufficiently sensitive to obtain a meaningful signal in southern Ontario. Results show that GWS values produced by GRACE are useful for identifying regional changes in groundwater storage in areas with limited available hydrogeological characterization data. Results also indicate that GRACE may have an ability to forecast changes in groundwater storage, which will become useful when monitoring climate shifts in the near future.RésuméDans un contexte de changement climatique, comprendre les ressources en eau à l’échelle du monde revêt une importance croissante. Dans l’Ontario, au Canada, les conditions d’étiage sont évaluées couramment en utilisant seulement les précipitations et les stations de jaugeage des bassins versants par les autorités de conservation de l’Ontario et par le ministère des Ressources Naturelles et des Forêts. Les changements régionaux de stockage des eaux souterraines en Ontario ne sont pas mesurés actuellement en utilisant les données satellitaires des instituts de recherche. Dans cette étude, les contributions des données de récupération de la gravité et de l’expérience climatique (GRACE) sont comparées à la base de données hydrogéologiques concernant le sud de l’Ontario pour la période 2003 à 2013, afin de déterminer l’adéquation des estimations de stockage de l’eau total à l’aide de GRACE pour la surveillance du stockage des eaux souterraines dans ce secteur. Les données de stockage d’eau terrestre de GRACE ont été utilisées pour déterminer les valeurs d’anomalie mensuelle des eaux souterraines stockées (GWS). Les valeurs de GWS ont été également déterminées en multipliant les élévations du niveau d’eau souterraine (des points d’eau du réseau piézométrique provincial) par le rendement spécifique. Les comparaisons des GWS dérivées de GRACE aux données de GWS déterminées sur les points d’eau ont permis de montrer que GRACE est. suffisamment sensible pour obtenir un signal significatif dans le sud de l’Ontario. Les résultats indiquent que les valeurs de GWS produites par GRACE sont utiles pour identifier les changements régionaux dans le stockage des eaux souterraines dans les zones avec des données de caractérisation hydrogéologique disponibles limitées. Les résultats indiquent également que GRACE peut avoir la capacité de prévoir les changements dans le stockage des eaux souterraines qui deviendront utiles lors des changements climatiques dans un proche avenir.ResumenEn medio de los cambios climáticos, la comprensión de los recursos hídricos del mundo es cada vez más importante. En Ontario, Canadá, las condiciones de escasez de agua se evalúan actualmente utilizando sólo la precipitación y las mediciones de caudales en cuencas hidrográficas por parte de Conservation Authorities of Ontario and the Ministry of Natural Resources and Forestry. Los cambios regionales en el almacenamiento de agua subterránea en Ontario no se miden actualmente utilizando datos satelitales por parte los institutos de investigación. En este estudio se comparan las contribuciones de los datos de Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) con una base de datos hidrogeológicos del período 2003–2013 que cubren el sur de Ontario para determinar la idoneidad de las estimaciones de almacenamiento total de agua a partir de GRACE con el monitoreo del almacenamiento de agua subterránea en este lugar. Los datos de almacenamiento de agua terrestre de GRACE se utilizaron para determinar los valores mensuales de anomalías de almacenamiento de agua subterránea (GWS). Los valores de GWS también se determinaron multiplicando las elevaciones del nivel de agua subterránea (de los pozos de la Red de Monitoreo de Agua Subterránea Provincial) por el rendimiento específico. Las comparaciones de GWS derivado de GRACE con los datos de GWS basados en pozos determinaron que GRACE es suficientemente sensible para obtener una señal significativa en el sur de Ontario. Los resultados muestran que los valores de GWS producidos por GRACE son útiles para identificar los cambios regionales en el almacenamiento de agua subterránea en áreas con limitados datos disponibles de la caracterización hidrogeológica. Los resultados también indican que GRACE puede tener la capacidad de pronosticar cambios en el almacenamiento de agua subterránea que serán útiles al monitorear cambios climáticos en un futuro cercano.摘要在变化的气候中,了解世界的水资源越来越重要。在加拿大安大略省,安大略省保护部门及自然资源和林业部目前仅利用降水和基于流域的河流观测数据对低水条件进行了评价。安大略省区域地下水储量变化目前并不是由研究机构利用卫星数据测量的。在本研究中,把重力恢复和气候实验(GRACE)数据的贡献与囊括2003年到2013年安大略省南部一个水文地质数据库进行了对比,以确定GRACE总储水量估算值在监测这一区域地下水储量的适宜性。根据GRACE得出的陆地储水量数据用于确定每月的地下水储量(GWS)异常值。GWS值也通过(省级地下水监测网井得到的)地下水位高程乘以单位出水量确定。源自GRACE的GWS与机遇井的GWS数据对比结果确定,GRACE对获取安大略省南部有意义的信号足够敏感。结果显示,根据GRACE得到的GWS值对于利用有限的现有的水文地质特征描述数据确定本地区地下水储量的区域变化非常有用。结果还表明,GRACE可能还具有预测地下水储量变化的能力,这将在不久的将来监测气候变化时非常有用。ResumoEm meio a mudanças climáticas, a compreensão dos recursos hídricos do mundo é cada vez mais importante. Em Ontário, no Canadá, as baixas condições de água são atualmente avaliadas usando apenas estações pluviométricas e fluviométricas operadas pelas Autoridades de Conservação de Ontário e pelo Ministério de Recursos Naturais e Florestas. As mudanças regionais de armazenamento das águas subterrâneas em Ontário não são atualmente medidas usando dados de satélite por institutos de pesquisa. Neste estudo, as contribuições dos dados do Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) são comparadas a uma base de dados hidrogeológica que abrange o sul de Ontário de 2003 a 2013, para determinar a adequação das estimativas de armazenamento total de água do GRACE para monitoramento do armazenamento subterrâneo neste local. Os dados de armazenamento de água terrestre do GRACE foram utilizados para determinar os valores de anomalias mensais de armazenamento de água subterrânea (GWS). Os valores de GWS também foram determinados pela multiplicação das elevações do nível das águas subterrâneas (dos poços da Provincial Groundwater Monitoring Network) pelo rendimento específico. Comparações de GWS derivados do GRACE a dados GWS bem fundamentados determinaram que o GRACE é suficientemente sensível para obter um sinal significativo no sul de Ontário. Os resultados mostraram que os valores de GWS produzidos pelo GRACE são úteis para identificar mudanças regionais no armazenamento de águas subterrâneas em áreas com dados de caracterização hidrogeológica limitados. Os resultados também indicam que o GRACE pode ter a capacidade de prever mudanças no armazenamento de águas subterrâneas o que se tornará úteil ao monitoramento das mudanças climáticas em um futuro próximo.