Examining the challenges of simulating surface water–groundwater interactions in a post-glacial environment

Abstract

Although integrated models are increasingly used for water management purposes, detailed applications of these models under different conditions are necessary to guide their implementation. The objective of this study was to examine some of the challenges encountered when simulating surface water–groundwater interactions in a post-glacial geological environment. The integrated Mike SHE model was used to simulate transient-state heads and flows in the Raquette River watershed in the Vaudreuil-Soulanges region of southwestern Quebec (Canada) over a 2-year period. This application benefited from a detailed hydrogeological database recently developed for the region. Overall, flows, heads and groundwater inputs to the river were adequately simulated. A sensitivity analysis has shown that many hydrogeologic and surface flow parameters have an impact on both flow rates and heads, thus underlining the importance of using an integrated model to study watershed-scale water issues. Additional flow rate measurements to improve the quality of rating curves and continuous flow measurements in tributaries could improve model calibration. An explicit simulation of unsaturated zone infiltration processes, including soil flow, plant and evaporation processes, as well as the inclusion of the agricultural tile drainage system, could reduce simulation errors. Extending the model calibration over a longer period, including contrasting hydrological conditions, would make the model more robust in view of its use for water management under land use and climate change conditions. Nevertheless, this work demonstrated that, using data readily available for southern Québec aquifers, it is possible to build an integrated model that is representative of actual hydrological conditions. The maintenance and improvement of this model for long-term use is recommended.

Les modèles entièrement couplés sont de plus en plus utilisés pour réaliser la gestion intégrée des ressources en eau, mais les exemples détaillés d’applications sont encore peu nombreux. L’objectif de cette recherche était d’examiner les défis posés par la simulation des interactions eaux de surface–eaux souterraines dans un environnement géologique post-glaciaire. Le modèle couplé Mike SHE a été utilisé pour simuler les charges et les débits sur le bassin de la rivière à la Raquette dans la région de Vaudreuil-Soulanges (Québec, Canada), sur une période de 2 années. Ce travail a bénéficié d’une base de données hydrogéologiques récemment développée pour la région. Les résultats montrent que les débits, les charges et les flux échangés entre l’aquifère et la rivière sont relativement bien simulés, ce qui indique que le modèle est utile dans son état actuel, malgré le fait que certaines incertitudes et limitations aient été identifiés. L’analyse de sensibilité a montré que plusieurs paramètres hydrogéologiques et d’écoulement superficiel ont un impact à la fois sur les débits et les charges, ce qui met en évidence l’importance d’utiliser un modèle couplé pour la gestion intégrée de l’eau. Des mesures de débits aux tributaires pour toute l’année ainsi que des courbes de tarages basées sur une plus large gamme de débits pourraient améliorer le calage du modèle. Une représentation explicite de la zone non saturée, incluant les processus d’écoulement dans le sol, le prélèvement par les plantes et l’évaporation, de même que l’inclusion du réseau de drains agricoles, pourraient contribuer à réduire les erreurs de simulation. Le prolongement de la période de calibration pour inclure des conditions hydrologiques contrastées contribuerait à rendre le modèle plus robuste pour des applications liées à la gestion de l’eau en conditions de changement dans l’utilisation du territoire et de changements climatiques. Néanmoins, cette recherche a montré que les données utilisées, qui correspondent à celles généralement disponibles dans le sud du Québec, permettent de construire un modèle couplé qui représente bien les conditions hydrologiques actuelles. Il est recommandé de poursuivre le développement du modèle pour des applications à long terme.

Acknowledgements

The authors would like to thank the Quebec Ministère du Développement durable, de l’Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques (Quebec Ministry of Environment), the Vaudreuil-Soulanges regional county municipality, and the COBAVER-VS watershed agency, who contributed funding to this research. The authors also thank the private owners who allowed access to their land for water monitoring and water sampling.