The role of Canadian research in advancing groundwater hydrology: historical sketches from the past 75 years

Abstract

Canadian hydrologists have played important roles in advancing the scientific understanding of groundwater flow in the hydrologic cycle. This article highlights some of the major episodes that made fundamental contributions to groundwater hydrology, rather than attempt a comprehensive review of all Canadian advances in groundwater research. The early years of groundwater research were driven by the need to find water supplies and to evaluate the capacity of wells and aquifers using the well hydraulics theories. The research focus shifted to the understanding of groundwater flow in drainage basins in the late 1950s and the 1960s through field observations using piezometer networks, rigorous mathematical analysis, and the development of numerical groundwater flow models. These researchers established a new conceptual framework and mathematical tools to describe groundwater flow systems in the context of topographic features and geological heterogeneity. In the 1970s, Canadian researchers made important contributions in establishing the new paradigm of hillslope hydrology by field observations and numerical modelling of storm runoff generation, development of tracer-based hydrograph separation techniques, and the demonstration of the role of the capillary fringe. The groundwater research group at the University of Waterloo pioneered contaminant hydrogeology research in the 1970s and 1980s, which generated new knowledge of groundwater flow and transport processes and developed increasingly sophisticated numerical models capable of simulating coupled surface and subsurface flow and transport. The scope of groundwater hydrology diversified in the 1990s onward including the interaction of surface water and groundwater as well as the interaction between hydrological and ecological systems. Climate-change impacts on groundwater are a major topic of current and future research. To address this and other challenging problems, it is important to establish and maintain long-term monitoring sites. The history has shown that the scientific advances presented in this article would have been impossible without high-quality field data.

Résumé

Les hydrologues canadiens ont joué un rôle important dans l‘avancement de la compréhension scientifique des systèmes d‘écoulement des eaux souterraines dans le cycle hydrologique au cours des sept dernières décennies. Cet article met en évidence certains des épisodes majeurs qui ont apporté des contributions fondamentales à l‘hydrologie des eaux souterraines, plutôt que de tenter un examen complet de toutes les avancées canadiennes dans la recherche sur les eaux souterraines. Les premières années de la recherche sur les eaux souterraines ont été motivées par la nécessité de trouver des sources d‘approvisionnement en eau et d‘évaluer la capacité des puits et des aquifères à l‘aide des théories de l‘hydraulique des puits. L'objectif de la recherche s‘est déplacé vers la compréhension scientifique de l‘écoulement des eaux souterraines dans les bassins versants à la fin des années 1950 et dans les années 1960 grâce à des observations sur le terrain à l‘aide de réseaux de piézomètres, à une analyse mathématique rigoureuse et au développement de modèles numériques d‘écoulement des eaux souterraines. Ces chercheurs ont établi un nouveau cadre conceptuel et des outils mathématiques pour décrire les systèmes d‘écoulement des eaux souterraines dans le contexte des caractéristiques topographiques et de l‘hétérogénéité géologique. Dans les années 1970, les chercheurs canadiens ont apporté d‘importantes contributions à l‘établissement du nouveau paradigme de l‘hydrologie des pentes par l‘observation sur le terrain et la modélisation numérique de la génération des eaux de ruissellement, le développement de techniques de séparation d‘hydrogrammes à base de traceurs et la démonstration du rôle de la frange capillaire. Le groupe de recherche sur les eaux souterraines de l‘Université de Waterloo a été le pionnier de la recherche en hydrogéologie des contaminants dans les années 1970 et 1980, qui a généré de nouvelles connaissances sur les processus d‘écoulement et de transport des eaux souterraines et développé des modèles numériques de plus en plus sophistiqués capables de simuler l‘écoulement et le transport couplés de surface et souterrains. La portée de l‘hydrologie des eaux souterraines s‘est diversifiée dans les années 1990, y compris l‘interaction des eaux de surface et des eaux souterraines ainsi que l‘interaction entre les systèmes hydrologiques et écologiques. Les impacts du changement climatique sur les eaux souterraines sont un sujet majeur de recherche actuelle et future. Pour résoudre ce problème et d‘autres problèmes difficiles, il est important d‘établir et de maintenir des sites de surveillance à long terme. L'histoire a montré que les avancées scientifiques présentées dans cet article auraient été impossibles sans des données de terrain de haute qualité.

Keywords:

• Groundwater
• hydrologic cycle
• flow system
• history

Acknowledgements

We thank our mentors, colleagues, and students, who are too many to name, for sharing their knowledge and ideas with us over many decades. We also thank George Pinder for a telephone interview and Allan Freeze for reviewing an earlier draft.

Disclosure statement

MH completed his PhD at the University of Waterloo in 1997 on research of groundwater and surface water movements in and around a prairie slough in Saskatchewan; a slough much like the one studied by Meyboom (1966). He has conducted much of his work in Alberta, where Tóth and Meyboom developed their concepts. GV was hired by Peter Meyboom in 1968 as a summer student assistant in the Groundwater Division of the GSC to assist with work on coastal groundwater in Prince Edward Island. He worked from 1982 to 2017 in the prairie region of Saskatchewan – hydrogeological terrain that played a large role in the historical sketches of this paper, and maintained a close connection with the University of Waterloo as an adjunct professor. The commentary in this paper about the scientific, historical, and personal contexts of historical events reflects the authors’ interpretations and judgements. History such as this of past events is never static and finished, and the hoped-for outcome is that it leads to ongoing discussions and new insights.