Modelling water quality of the Pike River watershed under four climate change scenarios

The impacts of climate change on the hydrology and water quality of the Pike River watershed, an important contributor of nutrient loads to northern Lake Champlain, were predicted for the time horizon 2041-2070. Four water quality scenarios were simulated using a version of the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) modified to suit Québec's agroclimatic conditions. Three of the scenarios were generated using climates simulated with the Fourth Canadian Regional Climate Model (CRCM4). The fourth scenario was generated using the climate simulated with the Arpege Regional Climate Model. SWAT was independently calibrated for the period 2001-2003, and then validated for the periods of 2004-2006 and 1980-2000, before inputting the climate scenarios. Potential mean changes predicted by these scenarios were then analysed for the evapotranspiration, surface and subsurface runoff, stream flow, sediment yields, and total phosphorus and nitrogen.After calibration, mean annual evapotranspiration, surface and subsurface flow as well as water percolation were found to correspond satisfactorily with the hydrology of the basin. Likewise, monthly predicted stream flow compared reasonably well with observed stream flow. The performance of SWAT in simulating sediment and nutrient yields was clearly improved after calibration but did not always reach standards of acceptability. As for climate change results, only one scenario predicted a significant increase in mean annual stream flow and nutrient loadings. However, when considering shorter time spans, simulations predicted significant changes including a winter stream flow two to three times greater than current stream flow and earlier spring floods. The identified causes are the early onset of spring snowmelt, a greater number of rainfall events and snowmelt episodes caused by higher winter and spring temperatures. In contrast, peak flows in April, as well as summer stream flow, appear to decrease but not always significantly. Nutrient delivery to the lake significantly increased in winter and occurred earlier in the year as a consequence of hydrological changes. A three- to four-fold increase in subsurface flow was also observed in winter which may increase nutrient losses through this pathway.L'impact des changements climatiques sur l'hydrologie et la qualité de l'eau du bassin versant de la rivière Aux Brochets, un tributaire contribuant substantiellement à l'apport de nutriments au Nord du lac Champlain, a été prédit pour l'horizon 2041-2070. Quatre scénarios de qualité de l'eau ont été simulés avec une version du Soil And Water Assesment Tool (SWAT) adaptée aux conditions agro-climatiques du Québec. Trois de ces scénarios ont été produits en utilisant des climats simulés avec la quatrième version du Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC4). Le quatrième scénario a été produit en utilisant un climat simulé par le modèle régional de climat Arpège. SWAT a d'abord été calibré pour la période 2001-2003, puis validé sur les périodes 2004-2006 et 1980-2000 avant d'y intégrer les scénarios climatiques. Ensuite, les changements moyens potentiels causés par ces scénarios ont été analysés pour l'évapotranspiration, le ruissellement, les écoulements souterrains, le débit et la charge en sédiments et nutriments (phosphore et nitrogène total).Après calage, les valeurs annuelles et moyennes prédites d'évapotranspiration, de ruissellement de surface, d'écoulement souterrain ainsi que de percolation correspondaient à l'hydrologie du bassin. De même, les débits prédits mensuellement correspondaient aux débits mesurés. Le calage du modèle améliore clairement la capacité de SWAT à simuler les charges de sédiments et de nutriments. Cependant SWAT n'atteint pas systématiquement les standards de performance. En ce qui a trait aux changements climatiques, un seul scenario a prédit une hausse significative des débits et des charges annuelles en nutriments. Cependant, sur des périodes de plus courte durée des changements significatifs tels que des débits hivernaux deux à trois fois plus élevés que les débits actuels ont été simulés. De plus les crues printanières démarrent plus tôt dans la saison. Ces faits sont causés par la hausse des températures hivernales et printanières qui déclenche de nombreux épisodes de fonte de neige ainsi que de nombreux épisodes de pluie. À l'opposé, le pic des crues printanières en avril ainsi que les débits estivaux semblent diminuer, mais pas toujours significativement. Sous l'effet des changements hydrologiques prédits, l'apport des nutriments au lac augmente significativement en hiver et se fait plus tôt dans l'année. Il a aussi été observé que le volume des écoulements souterrains triplait voire quadruplait en hiver ce qui pourrait augmenter la proportion des nutriments qui est perdue via la voie souterraine