Recharge Mapping:  |  1 COUNCIL OF GOVERNMENTS CENTRAL NAUGATUCK VALLEY RECHARGE  MAPPING: A GIS‐ based  tool for identifying  areas  of  land  with  significant   groundwater  recharge September  2009         Prepared  in  collaboration  by:     Carol  Haskins,  Pomperaug  River  Watershed  Coalition   Glenda  Prentiss,  Council  of  Governments  of  Central  Naugatuck  Valley   Kirk  Sinclair  and  Mark  Brown,  Housatonic  Valley Association               Recharge Mapping:  |  2 Acknowledgements   The  funding  for  this  project  comes  through  the  Connecticut  Community  Foundation’s  (CCF)  grant  made  to the   Pomperaug  River  Watershed  Coalition  (PRWC)  to  support  the  addition  of  its  Outreach  Program,  and  was  made  to  the  PRWC  to work  collaboratively  with  the  Housatonic  Valley Association  (HVA).  The  PRWC  is  known  for   extensive  scientific  resear ch  of  their  watershed,  and  HVA  has  many  years  of experience  in  outreach  and   education.   The  collaboration  allows  the  organizations  to  work  together  and  learn  from  each  other  in  terms  of   the  research  and  outreach  methods  each  uses.   The  goal  being  to  export  the  science  completed  in  the   Pomperaug  Watershed  to  other  organ izations and  regions  as  well  as  to determine  the  best  methods  for sharing   the  research  findings  with  stakeholders  in  their  own watershed.   The Recharge  Mapping  Tool  is  an  example  of a   product  that  achieves  both  of  these  goals.       The  Recharge  Mapping  Tool,  documented  by  Carol  Haskins ‐‐PRWC  Outreach  Director,  is  the  culminating  pr oduct  of  many  meetings  and  discussions  with  a  dedicated  workgroup.  Countless  thank  you’s go  to  the  staff  at the   Council  of  Governments  of  Central  Naugatuck  Valley  for  providing  meeting space  and,  more  importantly,  the   expertise  of  Glenda  Prentiss  and Virginia  Mason.   Glenda,  GIS  Specialist,  was  instrumental  in developing  an d  documenting  the  GIS  (geographic  information  systems)  methods  presented  in  the  Recharge  Mapping  Tool,  and   would  not be  possible  without  her  expertise.   Virginia,  Assistant  Director,  provided invaluable  insight  towards   how  the resulting  recharge  data  can  be  best  applied  in  town  planning  and  watershed  management  situations.    Kirk  Sinclair,  GIS  Manager  at HVA,  also  provided  inva luable input towards  developing  the  GIS  methodology,   while  Mark  Brown,  GIS  Associate  at  HVA,  was  the  first  person  outside  the initial  workgroup  to  test  the  Recharge   Mapping  Tool  and  ease  in  following  the  methods.   David Bjerklie,  with the  US  Geological  Survey  (USGS),   provided  the  essential  statistical  results  from  the  Preci pitation Runoff  Modeling  System  project  completed  by   the  USGS  for  the  Pomperaug  Watershed  on  which  the  Recharge  Mapping  Tool  is  derived.       We  all  hope  that  the  information  presented  herein  will  assist  other  watershed  groups  and  towns  estimate  how  much  water  should  recharge  into  their  underlying  aquifers and  how  that  data  can  be  used  in  the  con text of   planning  and  watershed  management  to  ensure  the  quantity  and  quality  of  their  water  supplies.   Recharge Mapping:  |  3 Contents   I.  OVERVIEW  ……………………………………………………………… ………………………………………………. ……………………..  4   II.   PHYSICAL  ATTRIBUTES  THAT  INFLUENCE  RECHARGE  ……………………………………………………………… …………..  4   III.  MAPPING  METHODOLOGY  ……………………………………………………………… ……………………………………………….  6   A.  Data  Acquisition  and Preliminary  Data  Manipulation  ……………………………………………………………… ……..  6   B.   Calculating  and  Mapping  Recharge  Using  ArcGIS  ……………………………………………………………… ………………  10  IV.  APPLICATIONS  OF  RECHARGE  DATA  ……………………………………………………………… ………………………………..  11  V.   LIMITATIONS  OF  DATA  ……………………………………………………………… ………………………………………………. ….  12  VI.  FUTURE  REFINEMENTS  &  EXTENSIONS  ……………………………………………………………… …………………………….  13  ATTACHMEN T  A  (Tables)  ……………………………………………………………… ………………………………………………. ………  14  Table  1  ‐  Regression  Statistics  for  Multiple  Linear  Regression  of  Physical  Attributes  to  Predict  Groundwater   Recharge,  in inches  per  day  ……………………………………………………………… ………………………………………………. ..  15  Table  2  ‐  Summary  Table  of  Sources  and  Associated  Links for  Physical  Attribute  GIS  Datalayers  ………………….  16  ATTACHMENT  B  (Maps)  ……………………………………………………………… ………………………………………………. ………..  17  Map  1 –  Coarse  Stratifie d Drift,  Central  Naugatuck  Valley  Region  Map  2 –  Class  D  Soils,  Central  Naugatuck   Valley  Region  ……………………………………………………………… ………………………………………………. ……………………  18  Map  2 –  Class  D  Soils,  Central  Naugatuck  Valley  Region  ……………………………………………………………… ………….  19  Map  3 –  Percent  Effective  Impervious  by  Basin,  Central  Naugatuck  Valley  Region   …………………………………….  20  Map  4 –  Drai nage  Density,  Central Naugatuck  Valley  Region  ……………………………………………………………… …..  21  Map  5 –  Recharge  Map,  Central  Naugatuck  Valley  Region  ……………………………………………………………… ………  22    Recharge Mapping:  |  4 I.  OVERVIEW     This Recharge  Mapping  Tool  is  a  simplified  geographic  information  system  (GIS) ‐based  version  of  the   United  States  Geological  Survey’s  (USGS)  Precipitation  Runoff Modeling  System, a  mathematical  watershed  model.   While the PRMS  model  provides  a  thorough  analysis  of  land  use  impacts  on  streamflow  and   groundwater  recharge,  it  is  both  cost  prohibitive  and  time  consu ming to model  every  watershed.   Yet much  of   the  physical  watershed  characteristics  (“attributes”)  used  in the  model  can  be  obtained  from  publicly  available   geospatial  data  sources  and  can  be  mapped  using GIS software.       The  availability  of  the  physical  parameter  data  and  widespread  use  of  GIS,  together  with  a  statistical   understan ding  of  how  physical  watershed  characteristics  impact  streamflow  and  groundwater  recharge  obtained  from  the  PRMS  modeling,  made  it feasible  to  develop  this  Tool  to  estimate  the  average  annual  amount   precipitation  that  recharges  into  the  underlying  aquifer  in  a given  area.   Thus,  the  science  of  the  PRMS  model   can  readily  and inexpensively  be a pplied to  other  watersheds  or  geographically  and  politically  defined  regions  beyond  the Pomperaug  Watershed.    The Tool  allows  watershed  and  other  environmental  organizations,   municipal  commissions,  developers,  consultants, and  state  agencies  to  identify  areas  of land  with  significant   groundwater  recharge  for  the  purposes  of  making  planning  level  watershed  management  decisions involving  the   quality  an d  quantity  of  their  water  resources.    Presented  here  is  the  procedure  developed  by the  Pomperaug  River  Watershed  Coalition  (PRWC),  the   Council  of  Governments  of  Central  Naugatuck  Valley  (COGCNV),  and  the  Housatonic  Valley Association  (HVA) for   creating  a  Recharge  Map  that  displays  an  estimated  relative  mean  recharge  value  (in  inches/day)  for  a  give n  area  of  land.   It  includes  descriptions  of  the  attributes  that  influence  the  quantity  of  recharge,  a  listing  of  where   to  obtain  the  necessary  data  layers,  steps to  extract  the  specific  attributes  of  interest,  the procedure  to create  the  final  Recharge  Map,  and  different  watershed  management  applications of  the  da ta.       I. PHYSICAL  ATTRIBUTES  THAT  INFLUENCE  RECHARGE  The United  States  Geologic  Survey  (USGS) has  worked  in  cooperation  with  the  PRWC  to develop  the   precipitation  runoff  modeling  system  watershed  model  (PRMS)  to  evaluate  the  relationship  between   precipitation  and  runoff  in  the  Pomperaug  Watershed.   In  general  terms,  the  model  determined  the  fate  of   precipitation  as  it landed  on the  ground  –  whether  it  would  (1 ) flow  over  the  surface  of  the  ground  into  the   stream  right  away  (surface  runoff)  or  (2)  if  it  would  soak  into  and  flow  through  the  ground  or  underlying  aquifer   until  it  feeds  into  the  stream  at  a  later  time  (subsurface  runoff  or  groundwater  runoff).   The relationship   betwee n  precipitation  and  the  form  of  runoff  was  evaluated  using  many  attributes  of  the  watershed.   Attributes  used  in the  model  included  climate,  precipitation,  surficial  geology  (coarse  stratified  drift), soil  type  (class  D   soils),  land  cover  (impervious  surface  cover),  drainage  density,  topography  (slope,  aspect,  and  elevation),  land   use,  and  others.   The ph ysical  attribute  data was  obtained  from  publically  available  geospatial  data  sources.     To  best  understand  the  relationship  between  precipitation  and runoff,  the  Pomperaug  Watershed  was   divided  into  smaller  hydrologic  research  units (HRUs),  which  were  delineated  based  on the  distribution  and   hydrologic  homogeneity  of  the  above  attributes.    The  model  was  calibrated  by  comparing  modeled  results  of   streamflow  to  actual  reco rded  streamflow  for  the  given  period  of  historic  precipitation  data  imported  into  the  model.        Recharge Mapping:  |  5 The  relationship  between  the  simulated  groundwater  runoff (and  conversely  surface  runoff)  and  each  of   the  physical  attributes  listed  above  was  statistically  analyzed  for  each  hydrologic  response  unit  using  multiple   linear  regression  analysis.   The  results  of  this  analysis  are  shown  in  Table  1 , which  is  included  in  Attachment  A .   The  analysis  was  comple ted to  provide  a  greater  understanding  of  which  physical  attributes  have  the  greatest   influence  on  the  fate  of precipitation  –  surface  runoff  versus  groundwater  runoff.  In  the  terms  of  this  Recharge   Tool , it  is  important  to  note  that  an assumption  was  made  that the  groundwater  runoff  modeled  in  the  PRMS   model  is the  same  as recharge,  and  her e  forward  will  be  referred  to  as  recharge.   It  was  assumed  that  when   water  infiltrates  into  and  recharges  the  aquifer  the  pressure  displaces  and  equal  amount  of  water  already  stored   in  the  aquifer;  thus,  the  stored  water  becomes  the groundwater  runoff  that  flows  into  a  river  or  stream.        F or the  Pomperaug  River  watershed,  the  statistics  indicate  that  together  all  of the  physical  attributes   that  were  modeled  account  for  64%  of  the  variation  in  recharge,  which  gives  the  data  user  confidence  that  the   physical  attributes  are  strong  indicators  for  assessing  recharge  (and  conversely  surface  runoff)  within  the   hydrological  research unit.   In  an  effort  to  develop  a  pred ictive equation  for  estimating  recharge  in  an  HRU,   statistical  analyses  were  also  used  to directly  compare  the  magnitude  of  the  effect  of  each  attribute  on  the   estimated  recharge, and  how  significant  each  attribute  was  in  the  predictive  outcome.   The  results  of  these   analyses  are  also  included  in  Tabl e 1.   These  results  indicate  that  four  particular  attributes,  which  happen  to  be  the  ones  that  differ  the  most  from  HRU  to  HRU,  have  the  most  significant  influence  on  recharge.   These   attributes  are:     Surficial  geology  –  Coarse  stratified  drift  (sand  and  gravel  material  deposited  by  glaciers)  is  the  surficial  material  of  key  interest.   Th ese  deposits  allow  for  easy  water  movement  or  infiltration.   They  also  form   the  principal  water  bearing  units  in  the  watershed  and  transmit  the  greatest  amount  of  water  to  wells.    In  the  PRMS  model,  the  HRUs  with  the  most  recharge  occurred  in  areas  of coarse  stratified  drift.     Soil  typ e  –  The  key  soil  type  of interest  here  is  the  Class  D soils,  which  are  clayey  soils with  low   permeability.   These soils  hold  water  but  do  not  transmit  water  vertically  (as  recharge)  very  rapidly,  and   thus  tend  to  be  sources  of  higher  surface  runoff.   Class D soils  are  generally  cha racteristic of  wetland   environments,  but  may  also be  in unique  ecosystems  where  soil  is  shallow  to  bedrock.      Impervious  Cover –  Impervious  surfaces  are  hard,  compacted  areas  of  land  cover  (like  buildings,  roads,   parking  lots,  driveways,  etc.)  that  prohibit  vertical recharge  of  precipitation  and  result  in  high  surface   runoff  (surface  runoff  in  the  PRMS  mod el equates  to  streamflow).   The  case  of  high  surface  runoff  is   especially  notable  where the  runoff  from  impervious  surfaces  is  collected  in  storm  drains  and  routed  directly  into  stream  courses.     Drainage  Density  ‐ The  drainage  density  (length of stream  per  unit  area,  usually  mile  / square  mile)  is  an   indica tor  of  the  perennial  drainage  characteristics  of  the  sub ‐watershed.  Where  the  density  is  higher   and  the  drainage  network  is  well  established,  a  more  stable  discharge  regime  is  indicated,  which  also   indicates  a  well  established  baseflow.   In the  Pomperaug  Watershed,  the  presence  of  coarse  stratified  drift  and  high  drainage  density  indicated   higher  recharge  (or  lower  surface  runoff)  and  the  presence  of  Class  D  soils  and  impervious  surfaces  indicated   reduced  recharge  (or  increased  surface  runoff).   It is  worth  noting  that  because  the  Pomperaug  Watershed,  in  its  current  condition,  has  rela tively  low amounts  of  effective  impervious  surface , a  hypothetical  model  was   developed  with  a  wider  range  of  percent  impervious  surfaces  across  the watershed.   The  statistical  significance   of  impervious  cover  is  based  on  this  hypothetical  model.    Recharge Mapping:  |  6 Coefficients  arrived  at  in  the  statistical  analyses  of  these  attributes  were  used  in  the  simplified  predictive  equation  for  estimating  mean  relative  recharge  within  each  HRU  ( Equation  1 ).       Recharge  (in  inches  per  day)  =          (Equation  1)   0.032953  +  0.002036*(Drainage  Density)  + 0.031247*(%  Stratified  Drift)    –  0.03792*(%  Class D  Soils)  –  0.09292*(%  Effective  Impervious  Surface)     Please  note  that  this  predictive  equation  permits  a  quantitative  estimation  of  mean  relative  recharge  for   a  hydrologic  research  unit.  The  recharge  estimate,  made  in inches  per  day,  is  based  on  the  mean  annual   precipitation  records  for  the  Pomperaug  Watershed,  with  the  assumption  made  that  rainfall  is  distributed   evenly  over the  course  of  a  calen dar  year.   The recharge  estimate  is  made  relative  to  other  hydrologic  research  units  within  in  the  watershed.           II. MAPPING  METHODOLOGY     While the predictive  equation  was derived  using  precipitation  data  specific  to  the  Pomperaug   Watershed,  it  can  be  extended  to  regions  with  similar  climatic  conditions  as  the  Pomperaug.   Instead of  using   hydrologic  research  units, the predictive  equation is  applied  at  the  basin  scale,  which  is  a  geographic  unit  of  area   roughly  equivalent  in size  to  the  HRUs  defin ed in  the  PRMS  model  (both  approximately  one  square  mile  in size).       The physical  attribute  data needed  to  make  the recharge  estimate  is  available  from  publically  available   geospatial  data  sources,  and  can  be  mapped  using  GIS  software.   The  analytical  tools  in  GIS  software  allow  the   user  to  ex tract  the  specific  attribute  data  required  to  complete  the  calculation  that  estimates  recharge  (Equation   1),  which  is  also  completed  in  GIS.    Please  note,  specific  GIS  extensions  and  “plug ‐ins” are  required  to use  this   Recharge  Mapping  Tool :  Spatial  Analyst, ISAT  Tool  (discussed  below under  Impervious  Cover),  and  Soil  Data   Viewer  (discussed  below  u nder  Class  D  Soil).     Utilizing  the  example  maps  for  the  Central  Naugatuck  Valley  region  ( Attachment  B ), created  by  the   Council  of  Governments  for  the  Central  Naugatuck  Valley  (COGCNV)  during  the  collaborative  process  of   developing  this  Tool,  the  data  acquisition  steps  and  the  simplified  recharge  calculation  are  discussed  in  de tail  below.     A. Data  Acquisition  and Preliminary  Data  Manipulation     The data  sources  for  each  of  the  physical  attributes  used  in the  recharge  equation  and  additional   geospatial  data  required  in  this  Recharge  Mapping  Tool  are summarized  in  Table  2 , which  is  included  in   Attachment  A .   The  data  sources  discussed  above  for  each  attribute  are  also  su mmarized in  Table  2 , which  is   included  in  Attachment  A .    Sample  maps  for  the  Central  Naugatuck  Valley  Region  are  included  in  Attachment  B .   1. Base  Layer  Data  Obtain  base  layer  data  necessary  to  define  the spatial  extent  of  area  of  interest.   This  could  be  defined  by  political  boundaries  for  a  town,  a  region  (cluster  of  towns  or  a  county),  a  state,  or  hydro ‐geographic   boundaries  for  a  watershed.   Major roads may  also be  included  on  th e  base  layer,  in addition  to  rivers  Recharge Mapping:  |  7 (hydrography  lines)  and  waterbodies  (hydrography)  within  the town  and/or  watershed  boundary  to  help  orient  the map  reader.     The  data  source  for  the  town  boundary,  major  roads, rivers  and waterbodies  was  the  Connecticut   Department  of  Environmental  Protection  (CTDEP),  which  provided  data  on  a  scale  of  1:24,000.   This   information  is  available  for  download  fr om  the  CTDEP  website  using  the  following  link:    http://www.ct.gov/dep/cwp/view.asp?a=2698&q=322898 .    More  accurate  and  up ‐to ‐date  road   information  may  be obtained  from  Tele  Atlas  (c1984 ‐2006, Rel.  10/06).   Municipalities  can  obtain  this   data  from  the  Department  of  Public  Safety.   2. Basins    Even  if  rivers  and waterbodies  are  not  displayed  on  the  base  layer  map, hydrography  data is  necessary   to  complete  the  recharge  estimate  calculation,  as  recharge  is  estimated  at  the  basin  level.   The  basin   data  layer , provided  at  the  scale  of  1:24,000,  is  available  for  download  from  the  CTDEP  website  using   the  following  link:   http:// www.ct.gov/dep/cwp/view.asp?a=2698&q=322898 .      3. Coarse  Stratified  Drift     The surficial  geology  considered  in the  PRMS  model  was  the  presence  of  coarse  stratified  drift  (or glacial   deposits).   As part  of  the  overall  CTDEP  geology  database,  a  surficial  materials  data  exists  on  the   1:24,000  scale.   The  source  for  this  GIS  datalayer  was the  CTDEP:   http://www.ct.gov/dep/cwp/view.asp?a=2698&q=322898 .     A  coarse  stratified  drift layer  is created  by  using  GIS  tools.   All surficial  materials,  except the  coarse   stratified  drift  data  (sand  and  gravel)  are  separated  out  of  the  surficial  geology  data  layer.    Note:   We   used  data with  ANY  coarse  material  (coarse,  coarse  over  fines,  fines over  coarse,  etc).   4. Class  D Soil     The soil  type  considered  in  the  PRMS  model  was  the  Class  D  soil.   The  source  for  this  GIS  datalayer  was   the  United  States  Department  of  Agriculture  (USDA),  Natural Resources  Conservation  Services  (NRCS).    The  soil  data  is  available  for  download  from  USDA/NRCS  website  using  the  following  link:    http://soildatamart.nrcs.usda.gov/ .   The  source  included  all  soil  types,  but  using  GIS  tools,  all soils  types   were  separated  out  except  for  Class  D  soils.   Unlike  some  of  the  other  data  layers,  the soils  data  requires  a  little  more  manipulation  to  obtain  the   specific  attribute  of interest.  The  following  steps  outline  how  to download  the  data  and  separate  out  Class  D  Soils:   a. Download  the  NRCS  soils  for  Connecticut  from  http://soildatamart.nrcs.usda.gov   b. Clip  to  your  area  if  desired.   c. Download  the  Soil  Data  Viewer  from  http://soildataviewer.nrcs.usda.gov/download.aspx   d. Open  ArcMap  and  add the Soil  Data  Viewer  and  the NRCS  soils  to  the  project.   e. Click  on the  button  to  activate  the  Soil  Data  Viewer  and  select  the soil  layer  to use  as  input.   f. Select  the  “Soil  Qualities  and  Features  ‐ Hydrologic  Groups”  from  the  list  on  the  left  Then  choose  the   “Map”  tab  along  the bottom  right  g. Right  click on  the  “hydrologic  group”  in  ArcMap’s  table  of  contents  and  select  “data  ‐export  data”  to   save  this  data  as  a shape  file  (“Hydro  Soil  Group”)   h. In  this  shapefile,  selecting  by attribute  equaling D  in  the  field  “Hydrolgrp”  will  give  you  the  Class  D   soils.  Save  just  the class  D  soils  as  a  separate  shapefile  (“Class  D  Soil”).     Recharge Mapping:  |  8   5. Existing  Imperviousness   The  PRMS  model  took  into  account  the impervious  surfaces  within  each  local  basin.   The source  for  the   existing  imperviousness  GIS  datalayer  is Connecticut’s  Center  for  Land  use  Education  and Research  (CLEAR)  2006  LandCover  database:  http://clear.uconn.edu/proj ects/landscape/index.htm .   This  land   cover  data  must  be  used  conjuction  with  the  ISAT  Tool  in  order  to  apply  the  impervious  coefficients  from   the  2002  dataset.   The  ISAT  Tool is  available  for  download  from   http://www.csc.noaa.gov/crs/cwq/isat.html .    The  GIS  extension,  Spatial  Analyst®,  is required  in  order  to  run  the  ISAT  Tool  and  the  following  inputs  are  required  to  apply  to  the  2002  coefficients  to  the  2006   dataset:    Land  cover  grid   Polygon  data  set  for  which  percentage  of  impervious  surface  is  to  be  calculated    Set  of la nd  cover  impervious  surface  coefficients  calibrated  for low,  medium,  and  high   population  densities    Option  population  density  theme     Please  note  some  towns  may  have  more  up ‐to ‐date  data  based  on  recent  flyovers.   For accuracy,  the   most  up ‐to ‐date  information  should be  used.   Also note  the  data  represents  current  la nd  use  data,  not   that  of  a  projected  build ‐out.    To  apply  to  the  2002  impervious  coefficients  to  the  2006  data  set:   a. Add  the ISAT  and  Spatial  Analyst  tools  to  your  toolbar.    b. Turn  on  the  ISAT  and  Spatial  Analyst  tools  (Tools  ‐ Extensions).    c. Add  the 2006  LandCover  grid  to  your  pro ject.   d. Add  the Basin  polygon  shapefile  that will  be  used  to  define  the  areas  over which  impervious   surface  estimates  will  be  calculated.   e. Add  the ISAT  Coeffients  developed  by NEMO  for  the  2002  land  cover  data  for  Connecticut  as  shown  below.   On the  Impervious  Surface  Tools menu,  choose  Ch ange  Coefficients.   Click New   and  create  a  new  coefficient  set  as  shown  below.                                 Recharge Mapping:  |  9 f. Choose  “Run  Impervious  Surface  Analysis”  from  the  Impervious  Surface  Tools menu  and  Select   the  density  (High,  Medium,  or  Low  based  on population  per  square  mile)  of  your  town.                                      g. The  output  attribute  table  includes  a  calculated  value for  the  percent  impervious  area  and  total  impervious   surface  area  of  each  selected  polygon  (i. e. basins).     h. Effective  Imperviousness  is the  value  that  needs  to  be  calculated  for using  the Recharge  Model   equation.   Bjerklie (USGS)  developed  an  equation  (Equation  2 ) for  calculating  effective   imperviousness,  which  is  based  on  the  Alley  and  Veenhuis  model  in conjunction  with  the  Charles   River  mod el  and then  adjusted  based on  variables  considered  in the  PRMS  model.      Effective  Impervious  (Bjerklie) =         (Equation  2)   0.0001*(Actual  Impervious) 3 –  0.005*(Actual  Impervious) 2 +  0.2282*(Actual  Impervious)     To calculate  Effective  Imperviousness,  create  a new  field  in  the  ISAT  impervious  table  called   “EffectiveImp.”   Field calculate  this value  for  each  basin  using  Equation  2.   Use  the  field  “pctIS”   for  Actual  Impervious.   Note : Actual  Impervious  is  a  percent  value  and  is  inserted  into the   equation  as  a percent  (ex.  16%  would  be 16  – not  0.16).       6. Drainage  Density   In  the  PRMS  model,  drainage  density  is  one  of  the  key  physical  attributes  of  the  land  surface  in  each   local  basin  that  controls  runoff.  Th e  source  for  the  hydrography  line  datalayer  (“hydronet”)  and  local   basin  datalayer  is the  CTDEP:   http://www.ct.gov/dep/cwp/view.asp?a=2698&q=322898 .    To  calculate  the  length  of stream  per  unit  area,  the  hydrography  line  datalayer  was unioned  with  the   local  basin  datalayer,  and each  local  basin  was  summarized  by “stream  length  in  miles”  divided  by  the   “area”  of the  local  basin  in  square  miles.     Recharge Mapping:  |  10 B. Calculating  and  Mapping  Recharge  Using  ArcGIS     While  the above  attributes  are  mapped  for  the  greater  area  of  interest,  recharge is  quantified  at the   small  basin scale.   As such,  the attributes  are  summarized  for each  basin  within  the  greater  area of  interest   before  applying  the weighted,  statistically  based  equation  to  quantify  recharge  (Equation  1).   The  following  steps   guide  th e  GIS ‐user  in  summarizing  each  of  the  physical  attributes  for  the  basins  within  the  area  of  interest  and,   ultimately,  calculating  recharge  for  each  basin.       1. Define  the  Area  of  Interest  (AOI)  –  a  town,  a  region  (cluster  of  towns),  state,  or  watershed  –  and  save   selected  area  as  a new  shapefile.     2. Select  all  basins  from  basin  that  overlap  the  Area  of Interest  and  save  as  a new  shapefile.   (Note:  The  basin  layer  breaks  up  the  “local  basin”  level  in smaller  areas  and the  basin  is  roughly  equal  in  size  to  the   HRUs  used  in  the  PRMS  model.)     3. Calculate  Drainage Density .   Intersect  hydronet  with  the  AOI  basin  layer.  “Calculate  Geometry”  for  the   length  of  each  segment.   Summarize  the  attribute  table  based  on  the  “BASIN_NO”  field  and  include  sum   for the  “length”  column. Link this table  to  the  AOI  basin  layer  and save  as  a separate  shapefile  called   Recharge.  Add a  new  field  to  the  Recharge  table  called  DRAIN_DENS.   Field  Calculate  the  drainage   density (DRAIN_DENS)  by  dividing  length  of  stream  by  area  of  basin  (miles/square  miles).     4. Calculate  percentage  of Class  D  soils  in  each  basin.   Intersect  Class  D  soils  with  AOI  basin  layer.    “Calculate  Geometry”  for  the  “AREA_SQMI”  field.  Summarize  based  on  the  “BASIN_NO”  field  and   include  sum  for  the  “AREA_SQMI”  field.  Join  this table  to  the  Recharge  shapefile based  on  the   “BASIN_NO”  field.  Create  a  new  field  in  the  Recharge  table  called  “PERCENT_D”.  Field calculate  for  this   field  (= ClassDSoilAREA_SQMI /basinAREA_SQMI)    5. Calculate  percent of  Coarse  Stratified  Drift  in  each  basin.   Intersect  Coarse  Stratified  Drift  with  AOI   basin  layer.  “Calculate  Geometry”  for  the  “AREA_SQMI”  field.  Summarize  based  on  the  “BASIN_NO”   field and include  sum  for  the  “AREA_SQMI”  field.  Join  this table  to  the  Recharge  shapefile  based  on  the   “BASIN_NO”  field.  Create  a  new  field  in  the  Recharge  table  called  “PERCENT_SD”.  Field  calculate  for this   field  (=CoarseStratifiedDrift AREA_SQMI/basinAREA_SQMI)     6. Effective  Imperviousness  was calculated  for  each  basin  in  the  ISAT  tool impervious  table  in the   Preliminary  Data Manipulation  procedure  above.  Join  this  shapefile  to  the  Recharge  shapefile based  on   the  “BASIN_NO”  field.   Create  a new  field  in  the  Recharge  table called  “EFFECT_IMP.”   Field  calculate  this   field  to equal  the  “Effective  Imp” field  from  the  ISAT  Impervious  table  divided  by 100.   This  division   changes  the  numbers  in  the  table  from  percentage  to  decimal  form  so  that  it matches  the  format  of  the   other  items  in  Equation  1  for  the  recharge  calculation  (e.g.  16%  was  previously  listed  as 16  but  now  will   be listed  as  0.16).     7. Calculate  Estimated  Relative  Mean  Recharge  (inches  per  day)  for  each  basin.  Once  you  have  values   needed  for the  calculation  of  recharge  (inches  per  day)  in  the  Recharge  table,  add  a  new  field,   RECHARG_INDAY,  and  Field  Calculate  recharge:       Recharge Mapping:  |  11 Recharge  (inches  per  day)  =    0.032953  +  0.002036  (Drainage  Density)  +  0.032147  (%  Stratified  Drift) ‐ 0.03792  (%  Class  D  Soils)    ‐ 0.09292  (%  Effective  Impervious  Surface)   OR  Recharge  (inches  per  day)  =   0.032953  +  0.002036  ( RechargeDRAIN_DENS)  +  0.032147  ( Recharge PERCENT_SD)    ‐ 0.03792  ( Recharge PERCENT_D)  ‐ 0.09292  ( Recharge EFFECT_IMP)     Note:  The  %  stratified  drift,  %  class  D  soil,  and  %  effective  impervious  should  all  be  values  less  than  or   equal  to  1.0.   The  drainage  density  value  should  be  mostly  0 ‐10,  with  a  few  basins  higher  than  this.     8. Display  the  Estimated  Relative  Mean  Recharge  on  a  Recharge  Map  to  identify  areas  of high,  medium,   and low  recharge  within  the  area  of  interest.   This  done  by  changing  the  symbology  for the  Recharge   shapefile to  3  “natural  breaks” for  the  recharge  value  field  that  was calculated  in  step  7.   This  divides  the   range  of recharge  values  (calculated  in  inches  per  day)  equally  into  three  categories,  thus the  basins  of   high,  medium,  and  low  recharge  are  relative  to  other  basins  in  the  larger  area of  interest.         III. APPLICATIONS  OF  RECHARGE  DATA     So  what?   Why  does  it  matter  if  an  estimate  can  be  made  as to how  much  water  will  recharge  an   aquifer?   And,  how  can this  information  be  used  in a  land  use  planning,  development,  conservation  context?     In  a development  and  stormwater  context, a  dilemma  exists  when  there  is  a  choice  be tween  developing  in  a high  recharge  area  vs.  a  low  recharge  area.   In  a  high  recharge  area,  there  is  capacity  to  absorb  storm  water;   these  areas  have good  infiltration  potential.   Thus,  one  could  argue  this  would  be  a  great  site  to  develop  as  stormwater  can easily  be  mitigated  on  site.   The  only  conc ern here  would  be  if  the  stormwater  infiltrates too  rapidly,  foregoing  the  filtering  capacity of  the  soil,  as  in the  case  of  Class  A  soils.   In a low  recharge  areas,   infiltration  is  naturally  inhibited  and  the  addition  of  more  impervious  surface  won’t  reduce  total  watershed   recharge  that  much.   However,  it  could  cut  off  the littl e that  currently  exists  and  may  be sustaining  a  small  headwater  stream  during  the  summer.   Development  in  these  areas  may also have  a  detrimental  impact  on  the   associated  ecosystems  (wetlands  /  shallow  to  bedrock).       To  further  address  this  dilemma  between  developing  in  high  recharge  versus  low  recharge  areas,  the   locations  of  Public  Water  S upply  Wells  and  Aquifer  Protection  Areas  can  be  overlaid  on the  recharge  map.   Note,   the  spatial  data available  from  the  CTDEP  ( http://www.ct.gov/dep/cwp/view.asp?a=2698&q=322898 ) for   Aquifer  Protection  Areas  and  well  locations,  may  not be  the  well  locations  themselves,  and may  instead  be the   business’s  address.Infiltration  is important  to  recharge  wells  (both  public  and  private).     With  this  information,  major  recharge  areas  feeding  public water can  be  identified  as  perhaps  more  “valuable”  than  other  high   recharge  areas  that  don’t  feed  p ublic water  supply  wells.   In relation  to  public  supply wells,  the  quantity  of  water  recharging  the  aquifer  is  certainly  important,  but  the quality  of  water  recharging  is  equally  as  important.    Concerning  the  quality  of  water,  some  caution  may  want  to  be  taken  in regards  to  the  ty pes  of  land  use  and   resulting  stormwater  near public  water supply  areas.       Recharge Mapping:  |  12 Also  in  relation  to public  water supply  wells,  it  may  also be  worth  considering  the amount  of  water  that   recharges  the  aquifer  on  an  annual  basis  in  comparison  to  the  amount  of water  withdrawn  from  the  aquifer  to   ensure  a  “sustainable  yield.”       While  groundwater  recharge  is  clearly  important  to  maintaining  well  water  supplies,  rechar ge is  also   valuable  in terms  of  maintaining  stream flows.   Water  stored  in  the  soil  is  slowly  released  and  provides   “baseflow”  to  streams.   This  baseflow  is  particularly  important  during  times  of  dry  weather  or  during  prolonged  periods  of  no  precipitation  as  groundwater  may  be  the  only  source  of  water  supplying  st reamflow.  This flow   from  groundwater  to  stream  is  the  typical  directional  exchange  between  these  “reservoirs”  of  water.   However,  there  are  “losing  reaches,”  where the  opposite  exchange  occurs; the  stream  loses  water  to  the  surrounding  soil  and  recharges  groundwater.       Overlaying  hydrography  (streams)  and  the  location  of  losing  reaches  may  be help ful  for  thinking  about   recharge  as  it pertains  to  stream  flow.   Typically  groundwater  feeds  the  stream  and  maintains  the  baseflow,   losing  reaches  are  just  the  opposite.   Losing  reaches  located  in  basins  of  high  recharge  may  be of  particular   interest  as  the  stream,  itself, feeds water  to  the  aquifer.   In terms  of  developm ent, this  may  be an area  where   you  do  not  want  to  increase  impervious  surfaces  as  more  surface  water  runoff  (potentially  polluted  runoff)  flows   to  stream,  then feeding  into  the  aquifer.       Maintaining  streamflow  is  also  critical  for  fish  and  other  aquatic  organisms.   From  the  MesoHabSim    study  conducted  in  the  Pomperaug  Watershed  by  Piotr  Parasiewicz  of  the  Northeast  Ins tream Habitat  Program,   the  PRWC  has  information  about  existing  fish  populations  in  the  watershed  and  knowledge  of  important  habitat   characteristics  (including  streamflow)  for  each  species  at  various  times  of  the  year.   This  information  could   potentially  be  used  to  identify  critical  areas  of  maintaining  rechar ge for  the  preservation  of  instream   biodiversity.     So,  while  consideration  can be  given  to  where  to  develop  with  groundwater  recharge,  the  location  of   public  water supplies,  and  stream  flows  in  mind,  the  reality  of the  matter  is  that  each  building  and  road  that  gets   constructed  reduces  water  infiltration  into  the  soil.   Ideally,  each  pe rson living  or working  in  those  buildings   should  feel  the  responsibility  to  put  the  water  back  where  it  used  to  be.   As the  landscape  is  developed,  efforts   should  be  made  to mimic  the  natural  processes  of  the  landscape.   Mimicking  natural  recharge  will  help  maintain   the  quantity  and  quality  of  our  already  clean ground water as  soil  acts  as  a filter  to  remove  pollutants  as  water  infiltrates.   The infiltration  alone  is  important  to  recharge  wells  and  recharge  streams  in  dry  weather.   As  such,  it   seems  most  feasible  to look  at  recharge  on  the  basin  scale  in  attempts  to  mimic  the  natural  amount  of rec harge  in  an  area.       IV. LIMITATIONS  OF  DATA    The  first  limitation  of  the  recharge  data  is  the  geographic  area  for  which  this  simplified  version  of  the   USGS’s  PRMS  model  can  be  applied.    The  Recharge  Tool  was  derived  from  the  PRMS  model  developed   specifically  for  the  Pomperaug  Watershed.   One of  the  key  elements  of  the  PRMS  model  is  the  precipitation  and   climati c  data  that  is  input  into  the  model.   Thus,  the  estimate  of  recharge  calculated  using  this Recharge  tool  is  based  on  the  historical  precipitation  record  for  the  Pomperaug  Watershed  and  it  should  only  be  applied  to   regions  with  climatic  conditions  similar  to  those  of  the  Pomperaug.   Note  that  the  recharge  e stimate  is  also   made  in a  way  that  averages  out  the  total  amount  of  rainfall  per  year  on  a  daily  basis.   Thus,  the  estimate  of   recharge  in  inches  per  day  is  based  on  the  assumption  that  an  equal  amount  of  rain  will  fall  every  day  of the   year.   The reality  is that  th e quantity  of  rainfall  varies  from  day  to day  and  week  to  week,  and  the  Recharge  Tool   Recharge Mapping:  |  13 does  not  account  for the  soil  moisture  conditions  that  may  result  in  a  greater  volume of  surface  runoff  when  the   ground  is  saturated.       The  scale  at  which  the  recharge  data  can  be  applied  is  also  limited.   The original  intent of  this   methodology  was  to  develop  a  model  that  would  allow  watershed  organizations,  land trust s, municipal   commissions  like  Inland  Wetlands,  Planning,  and  Zoning,  and  other  agencies  to  quantify  recharge  at  the  parcel  scale  in  order  to  help  prioritize  parcels  identified  in open  space  conservation  efforts.   The resolution  of  the   available  spatial  data makes  this  impossible  at  this  time.   Most  of  the  data  is  av ailable  at  the  1:24000  while  parcel  data is  available  at  a  much  finer  resolution.   The scale  dictates  how  confident  you  can  be  that  the   particular  feature  will  be  present  at  that  spatial  extent.   For  example,  if  you  are  viewing  coarse  stratified  drift,   which  has  a  scale  of  1:24000,  the  largest  scale  (fi nest resolution)  you  can  view  the  data  at  and  still  be  confident   that  you  have  accurately  delineated  that  feature  is  1:24000.   When you  zoom  in  closer,  you  lose  confidence  that   the  feature  will still  be  present.   So, if  you  were  to  overlay  parcels  onto  the  coarse  stratified  drift  and  zoomed  into  a  par ticular  parcel, you  cannot  be  totally  sure  that  coarse  stratified  drift will  be  found  within  that  parcel.     Related  to  scale  limitations,  it  was  decided  that  basins  were  the  most  appropriate  scale  at  which   estimations  of  recharge  could  be  made  given the  spatial  extent  of  the  data  required.   Similarly,  the  basin  sc ale is   most  comparable  to  the  size  of  the  geographic  units  used  in the  PRMS  model  to evaluate  the  relationship   between  precipitation  and  recharge.     Lastly,  the  overall  rankings  of  “High”,  “Medium”,  and  “Low”  recharge  are  based  on  natural  breaks in  the   data.   Natural  breaks  evenly  divide  the  range  of  values  so  an  even  numb er of  basins  will  fall  under  each  category.    Thus,  the  high,  medium,  or  low  recharge  designation  is  given  relative  to  the  quantity  of  recharge  estimated  in   each  of  the  basins  within  the  area  of  interest.   For  example,  a  basin  with  1  inch  per  day  of recharge  may  be  considered  hi gh  if  it  is  in  the  highest  third  of the  estimated  recharge  values  for  the  basins  in  the  area  of  interest.    The  relative  ranking  may  change  as the  area  of  interest  is  increased  or  decreased.   This  is  an  important   consideration  if  land  use  policies  are  developed  in  re cognition  of  high  and  low  recharge  areas.       V. FUTURE  REFINEMENTS  &  EXTENSIONS     Considering  the limitations  of  the  Recharge  Mapping  Tool , areas  of refinement  and  possible  extensions   come  to light.   The  resolution  of  the  spatial  data is  perhaps  the  greatest  limitation  at this  time.   As technology   advances  and  the  resolution  of  spatial  data  become  more refined,  so  will  the  scale  at  which  the  recharge  data   can  be  applie d.   The  ultimate  goal  is  to  quantify  the amount  of  recharge  (or  runoff)  from  a  given  parcel  based on  its  physical  attributes,  so  the  data  can  be  used  in  the  context  of  land  use  planning,  stormwater  management,   low  impact  development,  and open  space  preservation.    The  geographic  extent  at  w hich  the  Tool  can  be  applied  can  be  increased  as  the  USGS’s  PRMS  model  has   been  applied  in  other  areas  of  the  country  with  differing  physical  characteristics  and  climatic  conditions,  and  a   similar,  but  regionally  based  Recharge  Tool  could  be  derived.   The  statistical  confidence  in  this  Tool  could  also   increase  if  th e PRMS  model  were to  be  applied  in  other  locales  similar  and in  relatively  close  proximity  to  the   Pomperaug  Watershed.   Likewise,  the  relative  designations  of  “high”,  “medium”,  or  “low”  recharge  could  be   better  delineated  in  terms  of  absolute  measures  if  the  PRMS  model  were  applied  in  other  areas  and  then  a   refined  version  Re charge  Tool  is  applied  to  a  greater  geographic  extent.         Recharge Mapping:  |  14                       ATTACHMENT  A     Tables     Table  1  ‐  Regression  Statistics  for  Multiple  Linear  Regression  of  Physical  Attributes  to  Predict   Groundwater  Recharge     Table  2  ‐  Summary  Table  of  Sources  and  Associated  Links  for Physical  Attribute  GIS  Datalayers   Recharge Mapping:  |  15 ATTACHMENT  A     Table  1  ‐  Regression  Statistics  for  Multiple  Linear Regression  of  Physical  Attributes  to  Predict   Groundwater  Recharge,  in  inches  per  day       Regression  Statistics         Multiple  R   0.813615             R  Square   0.66197         Adjusted  R   Square   0.639053         Standard  Error   0.009251         Observations   64           Coefficients   Standard   Error   t  Stat P‐value Lower   95% Upper   95%   Intercept   0.032953   0.003666 8.989751 1.19E‐12 0.025618 0.040288   Coarse   Stratified  Drift   Percent   0.032147   0.005286 6.081957 9.45E‐08 0.021571 0.042724   Class D  Soil   Percent   ‐0.03792   0.010748 ‐3.52784 0.000818 ‐0.05942‐0.01641   Drainage  Density   0.002036   0.001031 1.975862 0.052853 ‐2.6E‐05 0.004099   Percent   impervious   ‐0.09292   0.027984 ‐3.32032 0.001546 ‐0.14891‐0.03692       Note:  The coefficients  can be  used  to  directly  compare  the magnitude  of  the  effect  of  each  attribute   on  the  recharge  estimate,  and  the t‐ stat  indicates  how significant  the  attribute  was  in  the  prediction   outcome.   The most  important  attributes  for  predicting  recharge  are  the  stratified  drift,  class  D  soils,   and  the impervious  surface, and  to a  lesser  deg ree the  drainage  density.   For the  Pomperaug  River   watershed,  the presence  of  stratified  drift  and high drainage  density  indicates  higher recharge  and the   presence  of  Class  D  soils  and impervious  surfaces indicates  reduced recharge.   Recharge Mapping:  |  16 ATTACHMENT  A     Table  2  ‐  Summary  Table  of  Sources  and  Associated  Links  for Physical  Attribute  GIS  Datalayers      Data Layer   Source  Link  Base  Layer   Town  Boundary     CTDEP     http://www.ct.gov/dep/cwp/view.asp?a=2698&q=322898   Major  Roads   Waterbodies   Rivers   Basins   Physical  Attributes  (Hydrologic  Parameters)   Coarse Stratified  Drift   CTDEP  http://www.ct.gov/dep/cwp/view.asp?a=2698&q=322898   Class D  Soils   NRCS  http://soildatamart.nrcs.usda.gov/   Percent  Impervious   Surface   CLEAR  2002  http://clear.uconn.edu/proj ects/landscape/index.htm   Drainage Density   CTDEP  http://www.ct.gov/dep/cwp/view.asp?a=2698&q=322898   Other Attributes   Aquifer Protection   Areas   CTDEP   http://www.ct.gov/dep/cwp/view.asp?a=2698&q=322898   Digital Land  Parcels   Local  Town   Assessor’s   Office  or   Council  of   Governments      Recharge Mapping:  |  17   ATTACHMENT  B     Maps     Physical  Attribute  Maps  for  the  Central  Naugatuck  Valley  Region     Recharge Mapping:  |  18 Map  1 – Coarse  Stratified  Drift, Central  Naugatuck  Valley Region Recharge Mapping:  |  19 Map  2 – Class  D Soils, Central  Naugatuck Valley Region Recharge Mapping:  |  20 Map  3 – Percent  Effective Impervious  by Basin, Central  Naugatuck  Valley  Region   Recharge Mapping:  |  21   Map  4 – Drainage  Density, Central  Naugatuck Valley Region Recharge Mapping:  |  22 Map  5 – Recharge  Map,  Central  Naugatuck  Valley  Region