Use of stream response functions to determine impacts of replacing surface-water use with groundwater withdrawals

Abstract

A regional-scale numerical groundwater model is used to study the impacts of replacing surface-water use with groundwater wells to improve low-flow stream conditions for endangered species within the Bertrand and Fishtrap watersheds, southern British Columbia, Canada and Washington, USA. Stream response functions ranging from 0 to 1.0 were calculated for individual wells placed within a steady-state groundwater flow model at varying distances from the streams to determine the impact that these replacement wells, operating under sustained pumping rates, would have on summer instream flows. Lower response ratios indicate groundwater pumping will have less of an impact on streamflow than taking an equivalent amount of water directly from a surface-water source. Results show that replacing surface-water use with groundwater withdrawals may be a viable alternative for increasing summer streamflows. Assuming combined response factors should be ≤0.5 for irrigators to undergo the expense of installing new wells, ~57% of the land area within 0.8 km of Bertrand Creek would be suitable for replacement wells. Similarly, 70% of the land area within 0.8 km of Fishtrap Creek was found to be appropriate. A visual analysis tool was developed using STELLA to allow stakeholders to quickly evaluate the impact associated with moving their water right.

Résumé

On a utilisé un modèle numérique à l’échelle régionale pour étudier les impacts de l’utilisation d’eau de surface à la place d’eau de puits prélevant sur la nappe, afin d’améliorer la condition d’espèces menacées en basses eaux des bassins versants Bertrand et Fishtrap, Whatcom County, Washington, USA. Des fonctions-réponse du cours d’eau s’échelonnant de 0 à 1.0 ont été calculées à l’aide d’un modèle d’écoulement en régime permanent, les puits étant localisés à des distances variables des cours d’eau, pour déterminer l’impact que ces puits prélevant à débit constant auraient sur les débits d’été des cours d’eau. Des ratios bas indiquent que le pompage dans la nappe aura un impact moindre sur le cours d’eau que le prélèvement d’un égal volume en surface. Les résultats montrent que le remplacement de l’eau de surface par de l’eau de nappe peut être une alternative viable pour augmenter le débit d’été des cours d’eau. Supposant des valeurs de réponse combinées t ≤0.5 permettant aux irrigants de supporter la dépense d’installation de nouveaux puits, environ 57% du terrain à 0.8 km de Bertrand Creek conviendrait pour des puits de remplacement. De la même façon, 70% du terrain à 0.8 km de Fishtrap Creek serait approprié. Un outil d’analyse visuelle utilisant STELLA a été développé pour permettre aux ayants droit d’évaluer rapidement l’impact associé à la modification de leur droit d’eau.

Resumen

Se utilizó un modelo numérico de aguas subterráneas a escala regional para estudiar los impactos de reemplazar aguas superficiales con pozos de aguas subterráneas para mejorar las condiciones de caudales bajos de la corriente para las especies en peligro dentro de las cuencas de Bertrand y Fishtrap en Whatcom County, Washington, EEUU. Se calcularon las funciones de respuesta de la corriente entre 0 a 1.0 para pozos individuales colocados dentro del modelo de flujo de aguas subterráneas en estado estacionario a distancias variables desde de las corrientes para determinar el impacto que tendría estos pozos de reemplazo, operando bajo ritmos de bombeo sostenidos, en los caudales entrantes hacia la corriente en verano. Los bajos cocientes de las respuestas indican que el bombeo de aguas subterráneas tendrá un impacto menor en el caudal de la corriente que si toma una cantidad equivalente de agua directamente de la fuente superficial. Los resultados muestran que reemplazar el uso de aguas superficiales con las extracciones de aguas subterráneas puede ser una alternativa viable para incrementar los caudales de la corriente en el verano. Los factores combinados de respuestas supuestas deben ser ≤0.5 para regantes para afrontar los costos de instalación de nuevos pozos, ~57% del área del terreno dentro de 0.8 km del Arroyo Bertrand serían adecuados para pozos de reemplazo. Similarmente, se encontró como apropiado el 70% del área del terreno dentro de 0.8 km del Arroyo Fishtrap. Se desarrolló una herramienta de análisis visual usando STELLA para permitir a los interesados evaluar rápidamente el impacto asociado con la modificación de sus derechos de agua.

摘要

建立了一个区域尺度的地下水数值模型, 用来研究开采地下水取代直接利用地表水的影响, 以改善低流量的河流状况和美国华盛顿州Whatcom县Bertrand 和 Fishtrap 流域濒危动物的生存条件。在与河流相距不同距离的位置, 布置了若干水井, 以恒定抽水量抽水, 用稳态地下水模型计算了范围为0.1~1.0的河流响应函数, 据此判断这些井对夏季河流流量的影响。较低的响应比说明地下水开采对河流流量的影响比直接利用相同流量河水所产生的影响要弱。结果表明, 以地下水开采取代地表水直接利用, 或许是增加夏季河流流量的一种可行的办法。假如灌溉者能承担安装新井的费用时, 响应系数应小于0.5, 那么距Bertrand 河0.8 km内57%的土地可以用井来抽水。同样, 距Fishtrap 河0.8 km内70% 的土地适合建井。运用STELLA设计了一个可视化分析工具, 让利益相关者能够快速评估改变其水权带来的影响。

Resumo

Utilizou-se um modelo numérico de águas subterrâneas à escala regional para avaliar os impactes provocados pela substituição da utilização da água superficial pela água subterrânea, tendo por objectivo melhorar as condições dos habitats das espécies ameaçadas de extinção em rios de baixo caudal, nas bacias hidrográficas de Bertrand e de Fishtrap, em Whatcom County, Washington, EUA. Os valores de funções de resposta entre 0 e 1.0 foram calculados para furos individuais colocados a diferentes distâncias de linhas de água, para determinar o impacte desses furos de substituição quando operados sob taxas de extracção controladas, de forma a obter caudais ecológicos no Verão. As razões mais baixas das funções de resposta indicam um impacte menor quando se recorre a extracção das águas subterrâneas relativamente a uma quantidade equivalente de água de origem superficial. Os resultados indicam que substituir a utilização da água de origem superficial pela extracção de água subterrânea pode ser uma alternativa viável, durante o Verão, para suprir o aumento das necessidades de água. Assumindo que os factores de resposta combinados devem ser ≤0.5 para regantes que suportem os custos da instalação de novos furos, ~57% da área de território dentro de 0.8 km da bacia do Ribeiro Bertrand seria adequada para a substituição pelos furos. Da mesma forma, avalia-se que 70% da área de território dentro de 0.8 km do Ribeiro de Fishtrap seria também apropriada para essa substituição. Desenvolveu-se uma ferramenta de análise visual, o programa STELLA, que permite aos decisores avaliar com rapidez os impactes associados à implementação da correcta utilização da água.