Insights from four decades of model development on the Waterloo Moraine: A review

Abstract

Modelling has played a key role in the evolution of insights on the Waterloo Moraine groundwater system as a water source for Waterloo Region. As models evolved over the last four decades, so did new insights. Starting from a simple layer-cake concept, models eventually became three-dimensional, while the focus changed from well interference to multi-layer analysis, capture zone delineation, wellhead protection areas, groundwater age and the prediction of impact due to various land uses and threats. An important insight gained was that the reliability of predictive methods depends heavily on the travel paths from source to receptor, which in turn depend on the connectivity between the various hydrogeologic units – i.e. the conceptual model. The elusive issue of predictive uncertainty in the delineation of well capture zones is approached at two scales: the local scale representing uncertainty due to heterogeneities within the individual aquifer units, and the global scale representing different conceptualizations and scenarios, where the latter is found to be the dominant uncertainty. In the case of a multi-scenario analysis involving scenarios of equal plausibility, the precautionary approach can be used to arrive at a conservative prediction. Practical applications provide insights on the dynamics of groundwater systems, the impact of changes and threats being imposed and the effectiveness of mitigation measures, as well as the time scale at which threats and mitigation measures act. These insights should help hydrogeologists to use models more effectively, and to better understand and manage predictive uncertainties that inevitably arise in dealing with complex groundwater systems such as the Waterloo Moraine.

La modélisation a joué un rôle de premier plan afin comprendre le système d’écoulement de l’eau souterrain de la moraine de Waterloo qui est utilisée comme source d’approvisionnement de la région de Waterloo. Les modèles se sont perfectionnés depuis 40 ans et ont ouvert de nouvelles perspectives. Partant du concept simple d’empilement de couche, les modèles ont progressé pour devenir tridimensionnels, et l’attention qui avait d’abord été dirigée sur l’interférence entre puits s’est portée sur l’analyse multicouche, la délimitation des zones de captage, les périmètres de protection des têtes de puits, l’âge des eaux souterraines et la prévision des effets d’occupations du sol et de menaces diverses. Un point important, il est maintenant acquis que la fiabilité des méthodes de prédiction sont fortement tributaires du trajet entre source et récepteur, lequel trajet est lui-même fonction de la connectivité entre les diverses unités hydrogéologiques – soit le modèle conceptuel. La question problématique de l’incertitude des prédictions pour délimiter les aires d’alimentation des puits est abordée à deux échelles : à l’échelle locale, qui montre l’incertitude liées aux hétérogénéités dans les unités aquifères, et à l’échelle globale qui inclut plusieurs concepts et scénarios et pour laquelle l’incertitude est plus importante. Dans le cas d’une analyse à plusieurs scénarios équiprobables, adopter une approche prudente peut permettre d’arriver à une prévision conservatrice. Les applications pratiques renseignent sur la dynamique d’écoulement des systèmes aquifères, sur l’effet des changements et sur les menaces qui s’exercent, sur l’efficacité des mesures d’atténuation, ainsi que sur l’échelle temporelle à laquelle jouent les menaces et les mesures d’atténuation. Les renseignements obtenus devraient aider les hydrogéologues à employer les modèles avec plus d’efficacité et à mieux comprendre et maîtriser l’incertitude qui entoure inévitablement les prévisions d’écoulement des systèmes aquifères complexes comme celui de la moraine de Waterloo.

Acknowledgements

This paper would not have been possible without the generations of graduate students who contributed to the evolution of groundwater modelling over the past four decades. Key parts of this review came from the work of Michelle Bester and Rengina Rahman. Hydrogeologists at the Region of Waterloo generously shared key data. The reviewers and the editors of the Journal improved the paper through insightful suggestions. The authors thank all of them. The original underlying research has been supported by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, the Province of Ontario and the Regional Municipality of Waterloo. Financial support for the production of this review has been provided by the Groundwater Geoscience Program, Geological Survey of Canada, Natural Resources Canada. The authors thank the National Ground Water Association, Elsevier Publishers, the International Association of Hydrological Sciences and Canadian Science Publishing or its licensors for permission to re-use published material.