Groundwater nitrate in three distinct hydrogeologic and land-use settings in southwestern Ontario, Canada

Abstract

Groundwater nitrate is a concern in the Great Lakes Basin (GLB) of North America. Concentrations vary based on hydrogeologic setting and surface contamination pressures. The first objective of this study was to characterize groundwater nitrate trends in a spatial and temporal context across three unique hydrogeologic and land-use settings in the GLB, at research sites in Norfolk, Guelph, and Acton, in southwestern Ontario, Canada. The second objective was to compare groundwater nitrate trends at the sites to determine the potential influence of hydrogeologic setting on seasonal nitrate variability. Groundwater nitrate-N concentrations and additional parameters were measured at 25 monitoring wells at the three sites, once every 2 months from June 2014 to July 2016 (13 sampling events). The dominant land-use pressure at all three sites is agricultural; however, the type of agriculture and the amount of natural and urban land vary. The Guelph site had the highest nitrate concentrations, while the Acton and Norfolk mean concentrations were similar. Seasonally, nitrate was found to be highest during the spring and early summer periods at all three sites. Several monitoring locations had cyclical patterns in nitrate concentrations, while others remained consistent except for isolated peak events. Comparison of multiple years reveals the expression of a relationship between climatic conditions during winter months and nitrate concentrations, indicating the importance of antecedent conditions to groundwater nitrate concentrations. The combination of climatic conditions, land-use pressure, and hydrogeologic setting plays an important role in the characteristics of groundwater nitrate time-series trends.

Résumé

Les nitrates des eaux souterraines sont une préoccupation dans le Bassin des Grands Lacs (BGL) en Amérique du Nord. Les concentrations varient selon le milieu hydrogéologique et les pressions de contamination de surface. Le premier objectif de cette étude était de caractériser l’évolution spatiale et temporelle des nitrates des eaux souterraines dans trois contextes uniques hydrogéologiques et d’occupation des sols dans le BGL, sur les sites de recherche de Norfolk, Guelph et Acton, dans le sud-ouest de l’Ontario, au Canada. Le deuxième objectif était de comparer les évolutions des nitrates dans les eaux souterraines des sites afin de déterminer l’influence potentielle du milieu hydrogéologique sur la variabilité saisonnière des nitrates. Les concentrations d’azote dans les eaux souterraines et d’autres paramètres ont été mesurées dans 25 puits des trois sites, une fois tous les deux mois de juin 2014 à juillet 2016 (13 campagnes d’échantillonnage). En ce qui concerne l’occupation des sols, les trois sites sont dominés par l’agriculture; cependant, le type d’agriculture et la proportion des terres naturelles et des terres urbaines varient. Le site de Guelph présente les plus fortes concentrations en nitrates, tandis que les concentrations moyennes d’Acton et de Norfolk sont semblables. Sur le plan saisonnier, les concentrations en nitrates sont plus élevées au printemps et en début d’été quel que soit le site. Plusieurs points de suivi présentent des cyclicités des concentrations en nitrates, tandis que d’autres restent stables à l’exception de pics isolés. La comparaison de plusieurs années met en évidence une relation entre les conditions climatiques pendant les mois d’hiver et les concentrations en nitrates, ce qui indique l’importance des conditions antérieures sur les concentrations en nitrates des eaux souterraines. La combinaison des conditions climatiques, de l’occupation des sols et du contexte hydrogéologique joue un rôle important dans les caractéristiques des tendances séries chronologiques des nitrates dans les eaux souterraines.

Resumen

El nitrato en las aguas subterráneas es una preocupación en la Cuenca de los Grandes Lagos (GLB) de América del Norte. Las concentraciones varían según el contexto hidrogeológico y las presiones de contaminación en la superficie. El primer objetivo de este estudio fue caracterizar las tendencias de los nitratos en las aguas subterráneas en un marco espacial y temporal en tres contextos hidrogeológicos y de uso de la tierra diferentes en la GLB, en sitios de investigación de Norfolk, Guelph y Acton, en el sudoeste de Ontario (Canadá). El segundo objetivo era comparar las tendencias de los nitratos en las aguas subterráneas de los sitios para determinar la posible influencia del contexto hidrogeológico en la variabilidad estacional de los nitratos. Se midieron las concentraciones de N de nitrato en el agua subterránea y parámetros adicionales en 25 pozos de monitoreo de los tres sitios, una vez cada dos meses desde junio de 2014 hasta julio de 2016 (13 muestreos). La presión dominante en el uso de la tierra en los tres sitios es agrícola; sin embargo, el tipo de agricultura y la cantidad de terreno natural y urbano varían. El sitio de Guelph tenía las mayores concentraciones de nitratos, mientras que las concentraciones medias de Acton y Norfolk eran similares. Estacionalmente, se encontró que el nitrato era más alto durante los períodos de primavera y principios de verano en los tres sitios. Varios lugares de monitoreo tenían patrones cíclicos en las concentraciones de nitrato, mientras que otros permanecían constantes, excepto por eventos máximos aislados. La comparación de varios años revela la expresión de una relación entre las condiciones climáticas durante los meses de invierno y las concentraciones de nitratos, lo que indica la importancia de las condiciones precedentes para las concentraciones de nitratos en las aguas subterráneas. La combinación de las condiciones climáticas, la presión del uso de la tierra y el contexto hidrogeológico desempeña un papel importante en las características de las tendencias de las series cronológicas de los nitratos en las aguas subterráneas.

摘要

地下水中的硝酸盐是北美五大湖盆地 (GLB)的一个重要问题。浓度的变化取决于水文地质环境和地表污染压力。本研究的第一个目标是在加拿大安大略省西南部的Norfolk、Guelph和Acton三个GLB地区独特的水文地质和土地利用条件下描述地下水硝酸盐时空变化趋势。第二个目标是比较各场地的地下水中硝酸盐变化趋势,以确定水文地质条件对季节性硝酸盐变化的潜在影响。从2014年6月到2016年7月,每2个月对3个监测点的25口监测井进行一次地下水硝态氮浓度和其他参数的测量(13次采样)。这三个地点的主要土地利用压力都来自农业;然而,农业的类型、天然和城市土地的数量各不相同。Guelph场地的硝酸盐浓度最高,而Acton和Norfolk的平均浓度相似。从季节上看,三个场地的硝酸盐含量在春季和初夏时期最高。几个监测地点的硝酸盐浓度具有循环模式,而其他地点除了个别峰值外,则保持一致。多年的对比揭示了冬季气候条件与硝酸盐浓度之间的关系,说明了先期条件对地下水硝酸盐浓度的重要性。气候条件、土地利用压力和水文地质条件的组合对地下水硝酸盐的时间序列趋势特征起着重要作用。

Resumo

Nitrato nas águas subterrâneas é uma preocupação na Bacia dos Grandes Lagos (BGL) na América do Norte. Concentrações variam baseadas na configuração hidrogeológica e nas pressões de contaminação da superfície. O primeiro objetivo desse estudo foi caracterizar as tendências de nitrato nas águas subterrâneas em um contexto espacial e temporal por três configurações hidrogeológicas e de uso da terra únicas na BGL, em locais de pesquisa em Norfolk, Gelph e Acton, no sudoeste de Ontario, Canada. O segundo objetivo foi comparar as tendências de nitrato nas águas subterrâneas nos locais para determinar a influência potencial da configuração hidrogeológica na variabilidade sazonal do nitrato. Concentrações de Nitrato-N nas águas subterrâneas e parâmetros adicionais foram medidos em 25 poços de monitoramento nos três locais, uma vez a cada dois meses entre junho de 2014 e julho de 2016 (13 eventos amostrais). A pressão dominante do uso da terra nos três locais é agrícola, entretanto, o tipo de agricultura e a quantidade de espaço urbano e natural variam. O local em Guelph tinha as maiores concentrações de nitrato, enquanto as concentrações médias em Acton e Norfolk eram similares. Sazonalmente, foi descoberto que o Nitrato é maior durante o período da primavera e começo do verão nos três locais. Poucos locais de monitoramento tiveram padrões cíclicos nas concentrações de nitrato, enquanto outros continuaram consistente exceto pelos eventos de pico isolados. Comparações de múltiplos anos revelam a expressão de uma relação entre condições climáticas durante os meses de inverno e as concentrações de nitrato, indicando a importância de condições antecedentes para as concentrações de nitrato das águas subterrâneas. A combinação de condições climáticas, pressão do uso da terra, e configuração hidrogeológica desempenha um papel importante das tendências das series temporais de nitrato nas águas subterrâneas.