Estimating Summer Low-Flow in Streams in a Morainal Landscape using Spatial Hydrologic Models

Abstract

This study evaluated the capability of four spatial hydrologic models to estimate summer low-flow stream discharge, as a surrogate for baseflow, and assessed the influence of land cover/land use on these flows, in small streams across the Oak Ridges Moraine. Low-flow discharge varied predictably with area of the upstream catchment, but also with reach slope and a measure of land cover disturbance (LDI). Low-flow volumes were lowest in streams with moderate agricultural and/or urban development (LDI of eight to 12%), and high over a range of development intensities. Each of Baseflow Index (BFI×Area), Darcy Index (DI), MODFLOW (MF) and a finer resolution MODFLOW model (FMF) were about equal in their capability to estimate low-flow discharge, with MF and FMF having a somewhat stronger relationship and Darcy Index having a somewhat poorer relationship, particularly in smaller catchments. Each of the models generally predicted low-flow discharge volumes to within about 400 L/s of the actual observed low-flow discharge. The models, therefore, were generally unable to predict whether a stream was flowing during periods of low-flow when the upstream catchment was smaller than about 17,800 ha. It was found that these methods cannot be reliably applied in small catchments as there is too much natural variability in flow conditions. This paper suggests that these methods do not reflect local conditions, but rather provide generalized information about water flows. As a result, it is recommended that until spatial model predictions are improved for local applications, water managers should invest in field surveys to confirm flow conditions in small catchments.

La présente étude avait pour objectif d’une part d’évaluer quatre modèles hydrologiques spatiaux afin d’en dégager la capacité d’estimation du débit d’étiage d’été, en tant que substitut du débit de base, et, d’autre part, d’évaluer l’incidence sur ces débits de la couverture terrestre et de l’affectation des terres dans les petits cours d’eau à l’échelle de la moraine d’Oak Ridges. Les débits d’étiage variaient de manière prévisible selon la zone du bassin hydrographique en amont, mais également selon la pente du bief et selon une mesure de la perturbation de la couverture terrestre (PCT). Les volumes en période de basses eaux étaient plus bas dans les cours d’eau touchés par des activités agricoles et/ou un développement urbain modérés (PCT de 8 à 12 %) et ils étaient élevés en fonction d’un éventail d’intensités sur le plan du développement. Chacun des modèles suivants : indice de débit de base (IDB × surface), coefficient de Darcy (CD), modèle MODFLOW (MF) et modèle MODFLOW à plus haute résolution (MFHR) étaient à peu près égaux en ce qui concerne leur capacité d’évaluer les débits d’étiage, le modèle MF et le modèle MFHR ayant une relation un peu plus forte et le coefficient de Darcy ayant une relation un peu plus médiocre, en particulier dans les bassins plus petits. Chacun des modèles ont permis en général de prédire des volumes d’étiage dans des limites de 400 litres/seconde environ par rapport au débit d’étiage réel observé. Par conséquent, en général les modèles ne pouvaient pas prédire si un cours d’eau s’écoulait pendant les périodes d’étiage lorsque la superficie du bassin en amont était inférieure à 17 800 ha environ. Il a été constaté que ces méthodes ne peuvent être appliquées en toute fiabilité aux petits bassins car il existe trop de variabilité naturelle dans les conditions d’écoulement. Le présent article donne à entendre que ces méthodes ne reflètent pas les conditions locales, mais qu’elles fournissent plutôt des renseignements généralisés sur les processus d’écoulement de l’eau. Il est donc recommandé que, jusqu’à ce que les prédictions du modèle spatial soient améliorées pour les applications locales, les gestionnaires de l’eau auraient intérêt à investir dans les études sur le terrain afin de confirmer les conditions d’écoulement dans les petits bassins hydrographiques.