Nutrient delivery to Lake Winnipeg from the Red—Assiniboine River Basin – A binational application of the SPARROW model

Abstract

Excessive phosphorus (TP) and nitrogen (TN) inputs from the Red–Assiniboine River Basin (RARB) have been linked to eutrophication of Lake Winnipeg; therefore, it is important for the management of water resources to understand where and from what sources these nutrients originate. The RARB straddles the Canada–United States border and includes portions of two provinces and three states. This study represents the first binationally focused application of SPAtially Referenced Regressions on Watershed attributes (SPARROW) models to estimate loads and sources of TP and TN by jurisdiction and basin at multiple spatial scales. Major hurdles overcome to develop these models included: (1) harmonization of geospatial data sets, particularly construction of a contiguous stream network; and (2) use of novel calibration steps to accommodate limitations in spatial variability across the model extent and in the number of calibration sites. Using nutrient inputs for a 2002 base year, a RARB TP SPARROW model was calibrated that included inputs from agriculture, forests and wetlands, wastewater treatment plants (WWTPs) and stream channels, and a TN model was calibrated that included inputs from agriculture, WWTPs and atmospheric deposition. At the RARB outlet, downstream from Winnipeg, Manitoba, the majority of the delivered TP and TN came from the Red River Basin (90%), followed by the Upper Assiniboine River and Souris River basins. Agriculture was the single most important TP and TN source for each major basin, province and state. In general, stream channels (historically deposited nutrients and from bank erosion) were the second most important source of TP. Performance metrics for the RARB SPARROW model are similarly robust compared to other, larger US SPARROW models making it a potentially useful tool to address questions of where nutrients originate and their relative contributions to loads delivered to Lake Winnipeg.

Les apports excessifs en phosphore (PT) et en azote (AT) en provenance des bassins de la rivière Rouge et de la rivière Assiniboine (BRRA) ont été liés à l’eutrophisation du lac Winnipeg; il est par conséquent important pour la gestion de comprendre où et de quelles sources proviennent les apports. Les BRRA chevauchent la frontière canado-américaine et englobent partiellement deux provinces et trois États. La présente étude représente la première application binationale des modèles SPARROW (SPAtially Referenced Regressions On Watershed attributes, ou régressions par coordonnées spatiales appliquées aux bassins versants) pour estimer les charges et les sources de PT et d’AT de chaque territoire et bassin versant à de multiples échelles spatiales. Des obstacles majeurs ont dû être contournés pour mettre au point ces modèles, dont: (1) l’harmonisation d’ensembles de données géospatiales, en particulier la construction d’un réseau hydrographique contigu; et (2) l’utilisation de nouvelles étapes d’étalonnage pour surmonter les limites de la variabilité spatiale de l’étendue du modèle et du nombre de sites d’étalonnage. En utilisant des apports d’éléments nutritifs sur la base de l’année de référence 2002, un modèle SPARROW pour le PT dans les BRRA a été étalonné avec les apports de l’agriculture, les forêts et les milieux humides, les stations d’épuration des eaux usées (SEEU) et les chenaux de cours d’eau, et un modèle pour l’AT a été étalonné avec les apports de l’agriculture, les SEEU sources ponctuelles et le dépôt atmosphérique. À la décharge des BRRA, en aval de Winnipeg (Manitoba), la majorité du PT et de l’AT provenaient du bassin versant de la rivière Rouge (90 %), suivi du bassin versant du cours supérieur de la rivière Assiniboine et de la rivière Souris. L’agriculture était la source la plus importante de PT et d’AT pour chaque bassin versant majeur, province ou État. En général, les chenaux de cours d’eau (éléments nutritifs accumulés au fil du temps et par l’érosion des rives) étaient la deuxième plus importante source de PT. Les paramètres de performance pour le modèle SPARROW pour les BRRA sont aussi robustes que ceux des modèles de plus grande échelle SPARROW pour les États-Unis, ce qui en fait un outil potentiellement utile pour répondre aux questions sur le lieu d’origine des éléments nutritifs et sur leurs contributions relatives aux charges apportées dans le lac Winnipeg.

Acknowledgements

The authors thank the IJC and its International Watersheds Initiative for providing the major funding for this project. Many federal and provincial agencies generously contributed expertise and data: Craig Johnston and Donna Myers (USGS), Richard Burcher and Martin Serrer (National Research Council), Erika Klyszejko and Craig McCrimmon (ECCC), Jason Vanrobaeys (AAFC), Elaine Page and Justin Shead (MCWS) and Pam Minifie and Ondiveerapan Thirunavukkarasu (SWSA). Michael Laitta and Ted Yuzyk set the context for this binational model application through the IJC’s Hydrographic Data Harmonization Task Force. The lead author acknowledges the support of ECCC and AAFC with whom he was affiliated when the project was initiated. Sarah Lobrichon of the IJC is thanked for translating the abstract. Finally, we thank the International Red River Board and the International Souris River Board for encouraging us to undertake this project.