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

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 (BFIxArea), 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 presente etude avait pour objectif d'une part d'evaluer quatre modeles hydrologiques spatiaux afin d'en degager la capacite d'estimation du debit d'etiage d'ete, en tant que substitut du debit de base, et, d'autre part, d'evaluer l'incidence sur ces debits de la couverture terrestre et de l'affectation des terres dans les petits cours d'eau a l'echelle de la moraine d'Oak Ridges. Les debits d'etiage variaient de maniere previsible selon la zone du bassin hydrographique en amont, mais egalement selon la pente du bief et selon une mesure de la perturbation de la couverture terrestre (PCT). Les volumes en periode de basses eaux etaient plus bas dans les cours d'eau touches par des activites agricoles et/ou un developpement urbain moderes (PCT de 8 a 12%) et ils etaient eleves en fonction d'un eventail d'intensites sur le plan du developpement. Chacun des modeles suivants: indice de debit de base (IDB x surface), coefficient de Darcy (CD), modele MODFLOW (MF) et modele MODFLOW a plus haute resolution (MFHR) etaient a peu pres egaux en ce qui concerne leur capacite d'evaluer les debits d'etiage, le modele MF et le modele MFHR ayant une relation un peu plus forte et le coefficient de Darcy ayant une relation un peu plus mediocre, en particulier dans les bassins plus petits. Chacun des modeles ont permis en general de predire des volumes d'etiage dans des limites de 400 litres/seconde environ par rapport au debit d'etiage reel observe. Par consequent, en general les modeles ne pouvaient pas predire si un cours d'eau s'ecoulait pendant les periodes d'etiage lorsque la superficie du bassin en amont etait inferieure a 17800 ha environ. Il a ete constate que ces methodes ne peuvent etre appliquees en toute fiabilite aux petits bassins car il existe trop de variabilite naturelle dans les conditions d'ecoulement. Le present article donne a entendre que ces methodes ne refletent pas les conditions locales, mais qu'elles fournissent plutot des renseignements generalises sur les processus d'ecoulement de l'eau. Il est donc recommande que, jusqu'a ce que les predictions du modele spatial soient ameliorees pour les applications locales, les gestionnaires de l'eau auraient interet a investir dans les etudes sur le terrain afin de confirmer les conditions d'ecoulement dans les petits bassins hydrographiques.