The effects of the management of Lake Diefenbaker on downstream flooding

Abstract

The impact of management of Lake Diefenbaker, Saskatchewan, the Canadian Prairies’ largest reservoir, on downstream flooding is examined over three large inflow events in 2005, 2011 and 2013. The reservoir stores inflows for water supply, recreational and ecological purposes and preferentially releases water in mid-winter for hydroelectricity generation. It can also have an important role in downstream flood mitigation. The analysis shows great uncertainty in inflows due to ungauged local inflows, and substantial errors in the mass balance of the reservoir associated primarily with high inflows. The management of the reservoir has been challenged by declining spring inflows since the 1960s with a trend for increasing minimum annual reservoir elevations over time. Management of the reservoir has undergone changes since 2011 to lower the minimum elevation so as to achieve the 1 July target level, resulting in very different effects on flooding in 2005, 2011 and 2013. In all years, the management of the reservoir reduced the maximum flooded area upstream of Saskatoon and the integrated flooded duration and area. In 2005 the area of flooding upstream of Saskatoon was reduced for all durations and in 2013 for durations shorter than 5 days, but in 2011 it was increased for durations between 5 and 20 days. Flooding on the Saskatchewan River, i.e. downstream of the confluence of the North and South Saskatchewan Rivers, was increased in 2011 due to the delay in the timing of the peak flow induced by reservoir operation. Elimination of downstream flooding in these years would have required continuous adjustment of outflows to optimize storage, which itself requires modelling the inflow hydrograph. Future operation of the reservoir should adopt such optimization and modelling, whilst considering the impact of non-stationarity due to climate change.

Les effets de la gestion du Lake Diefenbaker, Saskatchewan, le plus grand réservoir des prairies canadiennes, sur les inondations en aval, sont éxaminés au travers de trois évènements de forts débits a l'entrée du réservoir en 2005, 2011 et 2013. Le réservoir retient l'eau de ses affluents pour l'alimentation en eau, les loisirs aquatiques et pour des raisons écologiques. L'eau est préférentiellement libérée au milieu de l'hiver pour la production hydroélectrique. Ce réservoir joue aussi un rôle important dans l'atténuation des inondations en aval. L'analyse montre de grandes incertitudes dans le débit total entrant le réservoir à cause du manque de mesure des débits de certains affluents, ainsi que des erreurs considérables dans le bilan de masse, principalement lors de forts débits. La gestion du réservoir a été mise en difficulté à cause d'une diminution des flux entrants printaniers depuis les années 1960. Pour contrebalancer ce déclin, le minumum annuel de la hauteur du réservoir a été augmenté au cours du temps. Depuis 2011, la gestion du réservoir a subi des modifications dans le but de diminuer la hauteur minimum du lac afin d'atteindre une hauteur souhaitée au 1er juillet, causant différentes répercussions sur les inondations en 2005, 2011 et 2013. Durant toutes ces années, la gestion du réservoir a permis de réduire la surface maximale inondable en amont de Saskatoon, ainsi que l'étendue et la durée des crues. En 2005, la surface inondable en amont de Saskatoon a été réduite pour toutes les durées de crue; en 2013, elle a été réduite pour des crues de moins de 5 jours, alors qu'en 2011, la surface inondable a été accrue pour des inondations durant entre 5 et 20 jours. En 2011, les inondations sur la Saskatchewan River, c’est-a-dire en aval du confluent des North et South Saskatchewan Rivers, ont augmenté en raison de retards dans la synchronisation du pic de débit causé par la manoeuvre du réservoir. Eliminer les inondations pour ces années aurait demandé un adjustement continuel des décharges pour optimiser le stockage d'eau, lequel éxige la modélisation de l'hydrographe des affluents. Les futures manoeuvres du réservoir devraient adapter de telles optimizations et modélisations, tout en considérant les impacts des continuelles variations dûes au changement climatique.

Acknowledgements

Financial support from Canada Research Chair, Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, the Saskatchewan Water Security Agency and the U of S Global Institute for Water Security is gratefully acknowledged. This research was done entirely with Free Open Source Software. All analyses were performed using R (R Core Team, 2013), and all graphs were plotted in R using the package “ggplot2” (Wickham 2009). The map in Figure 1 was created with QGIS (www.qgis.org).