Regional variability and changing water distributions drive large-scale water resource availability in Alberta, Canada

Abstract

Geographic inequalities in water distribution can lead to relatively small regions driving or buffering changes in water availability in major watersheds. This research provides a baseline quantification of water distribution in Alberta, Canada, and evaluates changes in water yield, streamflow timing, and climate from 1976 to 2015. Annual water yields for 77 contributing watershed areas were calculated and assessed for trends, and 45 unregulated watersheds were evaluated for changes in key streamflow timing metrics. Mountain headwaters supply 22–38% of annual flow of major rivers, while plains watersheds provide relatively low annual yield. Annual yield and precipitation decreases dominated northern watersheds, with increases in southern watersheds, and mixed trends in central watersheds. Later spring freshet timing and earlier onset of the low flow season were detected for most watersheds, leading to more water over a shorter duration when paired with increasing yield, and water losses in late summer-autumn when paired with decreasing yield. Yield and flow timing metrics are strongly related to precipitation with temperature as a secondary driver, except freshet timing, which is driven by spring temperature. This study provides comprehensive information about geographic drivers of changing water distribution and quantifies the disparity between regions of water surplus and deficit.

RÉSUMÉ

Les inégalités spatiales de la distribution de l'eau peuvent conduire à ce que des régions de taille relativement limitée puissent contrôler ou retarder la disponibilité de l’eau dans de bien plus grands bassins versants. Nos recherches ont permis d’établir l’état de l’art de la distribution de l’eau et sa quantification dans la province de l’Alberta, au Canada. Elles évaluent également les modifications des débits, de leur évolution temporelle et du climat de 1976 à 2015. Les exports en eau annuels de 77 bassins versants contributeurs ont été calculés, et l’occurrence de tendances temporelles y a été recherchée. Par ailleurs, les variations qui ont pu affecter les métriques de la distribution temporelle des débits liquides ont été évaluées dans 45 bassins versants dépourvus de barrages. La partie amont et montagneuse des bassins versants apporte 22 à 38 % du débit annuel des principales rivières, tandis que les zones de plaine de ces mêmes bassins génèrent une part relativement faible de ces mêmes apports. La baisse des exports d’eau annuels et des précipitations domine dans les bassins versants du nord de la province, tandis que des augmentations de ces mêmes variables ont été observées dans les bassins versants du sud et que des tendances mixtes ont été relevées dans les bassins versants du centre de la province. L’occurrence plus tardive des crues printanières dues à la fonte des neiges et le démarrage plus précoce de la période d’étiage ont été détectés dans la plupart des bassins versants, ce qui a conduit à ce que davantage d’eau soit transportée au cours d’une période plus courte lorsqu’une hausse globale a été observée. Au contraire, lorsqu’une baisse globale a été remarquée, une baisse des exports en eau a particulièrement été observée à la fin de l’été et à l’automne. Les métriques de la chronologie de l’évolution des apports en eau et des débits sont fortement liées aux précipitations tandis que les températures ne jouent qu’un rôle secondaire, sauf pour la période d’occurrence de la crue de printemps liée à la fonte des neiges, qui est fortement contrôlée par la température qui règne à cette période de l’année. Cette étude fournit des informations particulièrement exhaustives sur les facteurs de contrôle spatiaux de l'évolution de l’apport en eau et quantifie les disparités entre les régions marquées par un excédent d’eau et celles qui sont en déficit.

Keywords:

• Water supply
• hydrologic change
• climate change
• mountain headwaters
• water distribution
• water availability
• Alberta

Acknowledgments

The authors gratefully acknowledge Patrick Laceby and Shalini Kashyap for support in preparing this manuscript. We thank the reviewer and editor for constructive comments, which greatly improved this manuscript.

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the author(s).

Data availability statement

Data sharing is not applicable to this article as no new data were created or analyzed in this study.

Table 1. Percent contribution of tributaries and upstream contributing areas to annual flows and total watershed area for major rivers in Alberta.