Insights gained from geochemical studies in the Waterloo Moraine: Indications and implications for anthropogenic loading

Abstract

The Waterloo Moraine is a historic and continuing groundwater resource for the growing Region of Waterloo in southern Ontario, Canada, providing hundreds of thousands of litres of fresh water daily to the regional water supply. The complex stratigraphy of the Moraine is characterized by a system of multiple aquifers separated by regionally discontinuous aquitards, complicating resource assessments. The Region’s extensive monitoring and production well network has been sampled repeatedly over the last four decades, providing insights into how long-term pumping and urban development have affected aquifer geochemistry. Various environmental tracers were used to identify groundwater residence time and mixing including ³H, ³H/³He, CFCs, SF₆, ¹⁴C, and ⁴He. Studies on the Waterloo Moraine provided important contributions to the application of these environmental tracers by validating unsaturated zone transport theory and documenting the effects of localized atmospheric CFC contamination. These studies have also provided important information about groundwater flow and mixing in the Moraine. Both historical and recent hydrogeological studies identified urban applications of road deicers (salt) and rural agricultural practices (nitrate loadings) as potential problems for future use of groundwater as a domestic water supply for the region, with Cl and NO₃-N concentrations in some areas approaching 900 and 17 mg/L, respectively. The effects of these urban and rural contaminant issues are explored, and efforts to mitigate and reduce the impact, including the effects of best (beneficial) management practices, are discussed. The potential impacts of these non-point source contaminants on the public water supply should be considered when planning new residential developments.

La moraine de Waterloo a été et continue d’être une ressource en eau souterraine pour la région de Waterloo dans le sud de l’Ontario (Canada). Chaque jour, on y puise des centaines de milliers de litres d’eau douce qui alimentent cette région en pleine croissance. La stratigraphie complexe de la moraine est caractérisée par un système d’aquifères multiples, séparés par des aquitards discontinus à l’échelle régionale, ce qui complique l’évaluation des ressources. Le vaste réseau de puits de production et de surveillance de la région a été échantillonné à maintes reprises au cours des quatre dernières décennies, ce qui a permis de comprendre comment le pompage sur une longue période et le développement urbain influence la géochimie du système aquifère. Divers traceurs environnementaux ont été utilisés pour déterminer le temps de résidence et les mélanges dans l’eau souterraine, notamment le 3H, le rapport 3H/3He, le SF6, le 14C et le 4He, ainsi que le CFC. Les études de la moraine de Waterloo constituent d’importantes contributions à l’application de ces traceurs environnementaux, car elles permettent de valider la théorie sur leur transport dans les zones non saturées et de documenter les effets de la contamination atmosphérique localisée par les CFC. Ces études ont également fourni d’importantes informations au sujet de l’écoulement et des mélanges de l’eau souterraine dans la moraine. Il ressort des études hydrogéologiques passées et récentes que l’utilisation en milieu urbain de sels déglaçants sur les routes et les pratiques agricoles rurales (charges de nitrates) sont des problèmes potentiels pour l’utilisation future de l’eau souterraine comme source d’eau domestique pour la région, alors que les concentrations de Cl et de NO3-N dans certains secteurs approchent respectivement 900 et 17 mg/L. L’article décrit les effets de ces problèmes de contamination en milieux urbains et ruraux, et discute des efforts visant à atténuer et réduire les impacts, incluant les effets d’une pratique de saine gestion. Les impacts potentiels des sources de contaminants non ponctuelles sur l’approvisionnement public en eau devraient être considérés lors de la planification de nouveaux développements résidentiels.

Acknowledgements

The authors appreciate the assistance of the Regional Municipality of Waterloo (RMOW) Hydrogeology and Source Water Section of the Water Services Division. Assistance from, and discussions with, T. Middleton (RMOW), I. Macdonald and T. Svensson of WESA, and Craig Johnston of Stantec are appreciated. Comments from Emil Frind and three anonymous reviewers greatly improved this manuscript. Financial contributions for much of the data collected for this study by the second author come from RMOW and Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC) of Canada. Support was also provided by the Groundwater Geoscience Program, Geological Survey of Canada, Natural Resources Canada. The authors thank publishers John Wiley and Sons and Springer Science + Business Media for permission to re-use published material.