Postmortem analysis of safe-yield estimation of a heterogeneous aquifer for rural water supply

Abstract

Sustainable groundwater management is founded on the sound understanding of the effects of water extraction on the aquifer water level and the springs and streams receiving groundwater discharge. Pumping test data are commonly used in extraction licence applications to evaluate aquifer properties and assess the magnitude of storage depletion resulting from pumping. However, a short duration (eg 48 hours) pumping test can fail to detect the presence of aquifer boundaries, as the cone of depression is not large enough to reach the boundaries. This may cause an underestimation of long-term drawdown and an overestimation of permissible extraction rate (ie safe yield). In the rural town of Irricana in Alberta, groundwater extraction licences for municipal water supply wells were issued in the early 1980s based on the analysis of 48-hour pumping tests. Actual water extraction rates were substantially below the licensed rates, but the unanticipated and excessive drawdown in the aquifer forced the town to discontinue pumping and switch to surface water supply after 25 years. To examine the cause of overallocation, a new 48-hour pumping test was conducted in the same aquifer, which included an extended drawdown analysis using 26 days of recovery data. Geological formation logs for existing wells in the area surrounding Irricana were used to infer the extent of sandstone aquifer units within the heterogeneous bedrock formation. The new data analysis showed that the aquifer is semi-closed, contrary to the infinite-aquifer assumption used in the original pumping test, which caused additional drawdown due to the aquifer boundary effects. This study suggests an improved procedure for estimation of storage depletion using standard hydrogeological methods and readily available data. The new procedure provides a useful tool as part of adaptive groundwater management, in which water levels and other relevant variables are monitored and licensed extraction rates are adjusted accordingly.

RÉSUMÉ

La gestion durable des eaux souterraines est fondée sur la compréhension des effets de l’extraction de l’eau sur les niveaux d’eau dans l’aquifère et les sources et ruisseaux recevant l’écoulement souterrain. Des données d’essais de pompage sont communément utilisées lors des applications pour ces licences d’extraction afin d’évaluer les propriétés de l’aquifère et déterminer l’épuisement de la réserve souterraine due au pompage. Toutefois, un essai de pompage de courte durée (ex. 48 heures) peut ne pas détecter la présence des limites de l’aquifère car le cône de dépression n’est pas assez étendu pour atteindre les limites. Ceci peut mener à une sous-estimation du taux de rabattement à long terme et une surestimation du taux d’extraction permissible (rendement assuré). Dans Irricana, Alberta, des permis d'extraction d'eau souterraine pour puits municipaux d'approvisionnement en eau ont été délivrés au début des années 1980 sur la base de l'analyse d'essais de pompage de 48 heures. Les taux réels d'extraction d'eau étaient nettement inférieurs aux taux autorisés, mais le rabattement imprévu et excessif de l'aquifère a forcé la ville à interrompre le pompage et à passer à l'approvisionnement en eau de surface après 25 ans. Pour examiner la cause de la surutilisation, un nouveau test de pompage de 48 heures a été effectué dans le même aquifère, incluant une analyse de rabattement étendu sur 26 jours de données de récupération. Les diagraphies géologiques pour les puits existants dans la zone entourant Irricana ont été utilisés pour déduire l'étendue des unités aquifères de grès au sein de la formation hétérogène du socle rocheux. L’analyse des nouvelles données a démontré que l’aquifère est semi-fermé, contrairement à l’hypothèse d’un aquifère infini posée lors de l’essai de pompage initial, ce qui a causé un rabattement additionnel dû aux effets des limites de l’aquifère. Cette étude propose une procédure améliorée pour l’estimation de l’épuisement de la réserve d’eau souterraine utilisant des méthodes hydrogéologiques connues et des données facilement disponibles. Cette nouvelle procédure représente une méthode utile pour la gestion adaptative des eaux souterraines basée sur la mesure des niveaux d’eau et autres données pertinentes et un ajustement des taux d’extraction permis en conséquence.

Keywords:

• Groundwater
• aquifer evaluation
• pumping test
• water resource management

Acknowledgements

We thank the town of Irricana for providing access to municipal wells, local residents for allowing us to use their household wells, Alberta Environment and Parks for facilitating access to archived documents and data, Matthew Eckfeldt for data compilation, Francis David of Waterline Resources Ltd. for conducting the pumping test, Paul Wozniak for assistance with the formation log analysis, David Garcia Larez for assistance with graphics, the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada for the scholarship support to EAM, and the reviewer and the editor for constructive comments.

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the authors.

Data availability statement

The data that support the findings of this study are available from the corresponding author (MH) upon reasonable request.