An empirical test of groundwater pumping effects on river flow and temperature: Chemainus River case study

Abstract

Groundwater abstraction from pumping wells can reduce the flows and water levels of hydraulically connected surface waters, which can affect aquatic communities and water rights of other users. Four pump tests were implemented in the 2016 summer low-flow period to measure groundwater pumping effects to Chemainus River surface water flow and temperature. The effect of pumping on surface flow was estimated using four metrics based on differences between measured and predicted flow at a hydrometric gauge located 340 m from the groundwater wells. Differences were estimated as residuals from a regression model relating flow at this gauge to flow at a gauge 1.3 km upstream of the wells. The effect of pumping on surface water temperature was assessed using daily maximum and daily average water temperature at gauges located 340 m and 1.4 km downstream of the wells. An effect of pumping on river flow was measurable when the pumps were turned on and shut off. The consistency of measured effects across all tests and the absence of discernable trends within and across tests indicate that the average effect of pumping across a broader period is equivalent to the average of all before and after comparisons, which was estimated as 9.9 L/s ± 12.1 L/s, or 5.5% of river discharge at the time of the tests. Groundwater pumping did not result in a detectable shift in water temperature. The results indicate that changes in water temperature in relation to the pump tests were smaller in magnitude or spatial scale than the detection limits of the implemented experimental design. This case study provides an example of quantification of pumping effects on stream flow and temperature, as required by the Water Sustainability Act for licensing of groundwater abstraction. We suggest this approach could be used elsewhere to quantify effects of groundwater abstraction.

RÉSUMÉ

Le prélèvement d'eau souterraine dans les puits de pompage peut réduire les débits et les niveaux des eaux de surface hydrauliquement connectées, ce qui peut affecter les communautés aquatiques et les droits à l'eau des autres utilisateurs. Quatre tests de pompage ont été mis en œuvre au cours de la période d'étiage de l'été 2016 pour mesurer les effets du pompage des eaux souterraines sur le débit et la température des eaux de surface de la rivière Chemainus. L'effet du pompage sur le débit de surface a été estimé à l'aide de quatre métriques basées sur les différences entre le débit mesuré et le débit prédit à une jauge hydrométrique située à 340 m des puits d'eau souterraine. Les différences ont été estimées par les résidus d'un modèle de régression reliant le débit de la rivière à cette jauge à celui d’une seconde jauge située 1,3 km en amont des puits. L'effet du pompage sur la température de l'eau de surface fut quant à lui évalué en utilisant les températures maximales et moyennes quotidiennes de l'eau aux jauges situées à 340 m et 1,4 km en aval des puits. Un effet du pompage sur le débit de la rivière a été détecté au moment où les pompes étaient mises en marche et arrêtées. L'effet moyen des tests de pompage sur une période plus large est estimée à 9,9 L/s ± 12,1 L/s, ou 5,5% du débit de la rivière au moment des tests. Cet effet est équivalent à la moyenne de toutes les comparaisons entre les débits avant et après l’opération des pompes. Il fut déterminé grâce à la constance des effets mesurés entre les tests de pompage, et à l'absence de tendances discernables dans et entre les tests. Le pompage de l'eau souterraine n'a pas entraîné de changement détectable de la température de l'eau. Les résultats indiquent que les changements de température de l'eau en relation avec les tests de pompage étaient plus petits en magnitude ou en échelle spatiale que les limites de détection de la conception expérimentale mise en œuvre. Cette étude de cas fournit un exemple de quantification des effets du pompage sur le débit et la température des cours d'eau, comme l'exige le Water Sustainability Act pour l'octroi de licences de prélèvement d'eau souterraine. Nous suggérons que cette approche pourrait être utilisée ailleurs pour quantifier les effets du captage des eaux souterraines.

Keywords:

• Groundwater abstraction
• groundwater-surface water hydraulic connectivity
• pump test
• stream flow
• river temperature

Acknowledgements

We thank the Municipality of North Cowichan for funding this study, the Halalt First Nation for providing access to stream gauges and input to the pump test design, Chad Petersmeyer of Western Water Associates for providing information and review of the aquifer description, and Kevin Akaoka, Harlan Wright, David West, Abul Baki, Jamie Romano, and Dan Greenacre for data collection and technical contributions to the study. Constructive comments from the co-editors and two anonymous reviewers improved the quality of the paper.

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the authors.