Spatiotemporal patterns of baseflow metrics for basins draining the Oak Ridges Moraine, southern Ontario, Canada

Abstract

The Oak Ridges Moraine (ORM) is a key hydrogeologic feature in southern Ontario, supplying potable water along with important aquatic ecosystem services. Stream baseflow is a useful indicator of groundwater discharge to streams on the ORM and gives insight into the regional hydrogeologic system. This study examines how climatic and basin attributes explain spatiotemporal patterns in baseflow metrics for streams draining the ORM. Baseflow was separated from streamflow using an automated digital filter, and water-year baseflow and baseflow as a fraction of precipitation and total streamflow (baseflow index, BFI) were determined. Much of the variability in baseflow metrics was explained by such characteristics as water-year precipitation, mean basin slope, spatial extent of outcrops of permeable sands and gravels, and forest and urban cover. Identified thresholds for basins with above- or below-average baseflow and BFI could serve as a screening tool in resource management decisions on the ORM. Precipitation has increased for many basins in the latter part of the twentieth and early part of the twenty-first century, often accompanied by greater baseflow. The rate of baseflow increase was related to the spatial extent of sand and gravel outcrops, implying a nonuniform response of baseflow to rising precipitation for basins across the ORM. Although baseflow from these basins may continue to increase under the wetter climate predicted for southern Ontario in the twenty-first century, such forecasts must consider the role of land-use change (e.g. forest expansion, urban development) in altering the partitioning of precipitation between direct runoff and baseflow contributions to streamflow.

La moraine Oak Ridges (ORM) est une caractéristique hydrogéologique importante dans le sud de l’Ontario fournissant en eau potable et délivrant de nombreux services pour l’écosystème aquatique. Le débit de base des cours d’eau est un indicateur important de l’écoulement des eaux souterraines dans l’ORM et donne un aperçu du système hydrogéologique régional. Cette étude examine l’influence des caractéristiques climatiques et les propriétés du bassin versant sur les variations spatio-temporelles des débits de base des cours d’eau drainants l’ORM. Le débit de base a été séparé du débit d’eau à l’aide d’un filtre numérique automatisé alors que le débit de base eau annuel, le débit de base sous forme de précipitation et le débit total (débit de base indice, BFI) ont été déterminés expérimentalement. Une grande partie de la variabilité des mesures de débit de base s’expliquait par les précipitations annuelles, la pente moyenne du bassin, l’étendue spatiale des affleurements de couches perméables de sable et gravier, et du couvert forestier et urbain. Les seuils identifiés pour les bassins avec débit de base supérieur ou inférieur au débit de base moyen et BFI pourraient servir d’outil de dépistage dans les décisions de gestion des ressources pour l’ORM. Au cours des dernières décennies, les précipitations ont augmenté dans de nombreux bassins versants et elles ont souvent été accompagnées par de grands débits de base. Les taux d’augmentation du débit de base étaient associés à l’étendue spatiale des affleurements de sable et de gravier, impliquant une réponse non uniforme du débit de base vers la hausse des précipitations pour les bassins à travers l’ORM. Bien que le débit de base de ces bassins pourrait continuer à augmenter avec un climat plus humide comme prédit pour le sud de l’Ontario au vingt-et-unième siècle, les prévisions de débit de base devraient considérer le rôle du changement d’affectation des terres telle que l’expansion des forêts et le développement urbain, et modifier le cloisonnement des précipitations entre ruissellement direct et contribution du débit de base au débit d’eau.

Acknowledgements

This work was supported by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada. We thank Otto Bedard and Gordon Buttle for assistance with GIS analysis and data processing, and two anonymous reviewers for their constructive comments on an earlier version of this paper. Summary data from the WSC and MSC stations used in this work can be supplied upon request to the senior author ([email protected]).