High Capacity Wells and  Groundwater Frac Sand What you need to know to get your permits

Dave Johnson Groundwater Section Bureau of Drinking Water and Groundwater

What do you need? • Decide how much water you need –Maximum capacity and daily average –Potable uses –NN System • NR 809 and NR 811

• Design code compliant wells –NR 812.12  • Submit application –Additional information • Follow conditions of the approval

High Capacity Wells • Wells, individually or  collectively, that can pump >  100,000 gpd (70 gpm) from a  single property • Used for irrigation, livestock,  manufacturing, aquaculture,  mining, beverage bottling,  homes, and public water  supply

Operational Considerations Know and Monitor Conditions • • • •

Inventory of Private Wells Water Quality Data Monitoring Water Table/Pumping Levels Pumpage reporting

Code issues • NR 812.9  – Approval for high capacity wells – Test well >6 inches need to notify – Pump test > 72 hours need approval • WPDES Discharge Permit

• NR 812.13 (16) – Wells within 1200 feet 1,200’ from trout stream, ORW, ERW) Non‐GPA waters – all streams, lakes, ponds Wetlands Springs 1 cfs Water loss > 2 million gallons/day Screening criteria determine potential for adverse impact  and need for Environmental Assessment

• Use same assessment tools: – outside of GPA’s,  – for other streams, lakes and wetlands – for springs with flow >0.25 cfs (within 2 miles)

Environmental Review in Practice • Impacts to Public utility wells – Avoid drawdown of 10 ft or greater

• Private wells – Screen for private wells within 1000 ft – Additional review if projected drawdown at  private well is >5 ft

Typical Assessment Tools • • • • • • • • • •

Internal web  viewer – Surface Water Features  Jenkins‐Walton Stream Flow Depletion Spreadsheet Model Theis and Cooper‐Jacob Drawdown Models Wisconsin Stream Flow and Habitat Model Fishery Staff survey notes and discharge measurements Well Construction Reports – WGNHS Well Logs Available Geology/Hydrogeology Information Michigan table for allowable stream flow reduction Wisconsin Wetland Inventory, Natural Heritage Inventory Site visits w/ other DNR staff

T = 10,000 gpd/ft Rate 1,000gpm S = 12.8 feet

T = 50,000 gpd/ft Rate 1,000gpm S = 5.85 feet

T = 10,000 gpd/ft Rate 1,000gpm

T = 50,000 gpd/ft Rate 1,000gpm

BEDROCK SAND  RESOURCES Cambrian Wonewoc Fm. Important producer and  potential resource in west, not  exposed elsewhere.

Cambrian Jordan Fm. Extensive potential in west,  currently important source of  fracsand from underground  mines. Poor exposure in east.

Ordovician St. Peter Fm. Long production history and  good potential in south and  east. Channels can make  prospecting a challenge in the  northeast.

Western WI Aquifer System

Water Table Maps

http://dnr.wi.gov/wnrmag/html/stories/2007/feb07/ streamflow.htm

WCRs

Specific capacity = 5 gpm/ft, Transmissivity = 10,000 gpd/ft

Michigan stream flow reduction guidance (MI DEQ)

Springs Information • • • •

DNR field staff knowledge USGS topographic maps County projects Wis. Wildlife Federation Springs Inventory  (WGNHS Open File Report 2007‐03) • Compilation of historic (1920s – 1970s) records and  recent research on nearly 11,000 springs • Inventory and GIS database • Limited field verification

WWF Springs Inventory

Spring Recharge Areas

Additional Tools • WGNHS – WiscLITH – hydrogeologic data  viewer

• • • •

Pumping tests GFLOW models ModFlow Models Water Table Maps

Approval Conditions • Must prevent significant adverse environmental  impact – – – – – – – – –

Specify minimum distance to protected resource Maximum allowable daily water withdrawal Reduction in pumping at certain times of year Pumping schedule restrictions – e.g. every other day,  monthly limits  Reduce pumping from other wells on property Well construction details – deepen, casing into separate  aquifer Monitoring of  groundwater and surface water resources Pumpage Reporting – continuous with telemetric access Reopen approval based on future information

Groundwater Issues • Quantity

• Quality

• De‐watering

• Oxidation

– Lowering of watertable • Changes in flow field

– Fluctuating levels

• High Capacity Wells – NR 820 issues

– Arsenic and metals 

• Blasting – Sand and rust flakes

• Spills – Little assimilative  capacity

• Flocculants

Flow Related

• Radial flow toward the mine –Change flow direction draws  contaminants in • Influence of pumping high  capacity wells • Changes in recharge patterns

Flow Changes 

Quarrying operations have penetrated two aquifers. Ground‐ water pumping has changed the hydraulic gradient in the vicinity  of the quarry. The lower water levels could affect domestic wells  in the immediate area. With ground‐water levels dropping,  water is flowing from the Straight River into the upper aquifer;  historically, the river gained water from the local groundwater  system.

2011 Frac Sand Water Use Summary based on known industrial sand wells with a capacity > 100 kgpd, that actively pumped during year

Average Max  Average Daily  Average  Approved  Average Pump Pump  Monthly  Number of  Daily Capacity  Capacity  Capacity  PumpCapacity  Wells (kGPD) (GPM) (GPD) (Gal) 17 838 704 1014 30,848,082 

Average Average  Percent of  Capacity

January 3,771,486 

16%

February 3,372,392 

15%

March 4,381,943 

17%

April 6,009,736 

22%

May 7,208,060 

25%

June 6,742,375 

24%

July August September October November December Annual Total 5,967,283  6,699,679  6,881,979  5,191,077  4,030,296  64,526,054  7,465,233  25% 22% 23% 24% 19% 17% 19%

Groundwater Quality • Chemicals • Blasting – Turbidity – NO3

• Flow related

Water Quality Data • Groundwater Retrieval Network • County Studies • USGS/WGNHS/UWSP – Groundwater monitoring network – Groundwater studies

• Sampling programs

Metals ‐AMD • Sulfides – Tunnel City – Distinct bands in other  formations

• pH Changes – 7.3 to 5.3 in less than 1  Month

• Examples of potential

Low pH • Mobilize metals Zn, Pb, Al • In SW systems DOC DOM can lead to colloidal  transport • Silica decreases adsorption on metal oxides.

Causes of Lowered pH • AMD/ARD from Sulfide Minerals • Jarosite and weathering products • Site one pH 5.88 and 5.78 • Site two 5.65 then 7.18 • 18 samples – All but 1 over Al Standard Ave 6750 – Arsenic Ave 13.4 – Lead Ave 15.2 – Manganese Ave 321 – Vanadium Ave 35.8

Tomah Area • Original open to Tunnel City  – pH – 4.6 ‐ 3 – Sulfate – 1478 ppm – Al – 22630 ppb – Ni – 1232 ppb – Fe – 39.2

Marcasite

LaCrosse • • • • • • •

Al 1600 Cd 2 Co 306 Cu 1610 Fe 53.6 Mn 142 Ni 409

LaCrosse • • • • • • • • •

Al 67300 As 92 Cr 220 Co 909 Fe 672 Mn 2980 Ni 1750 V 239 Zn 4460

La Crosse • • • • • • • •

Al 23200 ‐ 251 As 38 ‐ ND Co 501 ‐ ND Fe 376 – 1.2 Pb 47 ‐ ND Mn 987 ‐ 55 Ni 832 ‐ 8 pH 4.08 – 7.41

• • • • • • • •

Al 6770 - 6 As 25 - ND Co 306 - ND Fe 150 – 10 Pb 18 - ND Mn 531 - 181 Ni 493 - 8 pH 4.8 – ?

HIGH SULFIDE  Cambrian Tunnel City. Issues in LaCrosse, Vernon and  Monroe Counties

Cambrian Eau Claire  Potential in Eau Claire, Jackson  and Norhtern Counties

Ordovician St. Peter Fm. Issues more to the Southwestern  and Northern  Counties

Jarosite • KFe3+3(OH)6(SO4)2. • formed by the oxidation  of sulfide minerals • Usually found as amber‐ yellow to brown crusts  or coatings of minute  crystals 

Exploratory drilling • Must be properly filled and sealed – NR 812.26 or NR 141.25

• Must be drilled with a method that allows  complete filling with approved material • Form 3300‐005 submitted to department  within 30 days (NR 141 – 60 days)

Resources • • • • • • • • • • • • • • •

USGS Groundwater monitoring network http://wi.water.usgs.gov/public/gw/HISTORICAL/historical.html USGS water quality data http://waterdata.usgs.gov/wi/nwis/qw Wisconsin Geologic and Natural History Survey publications http://www.uwex.edu/wgnhs/pubs.htm Wisconsin Geologic and Natural History Survey WCRs  http://www.uwex.edu/wgnhs/well.htm DNR water quality data http://dnr.wi.gov/org/water/dwg/data.htm UWSP http://www.uwsp.edu/cnr‐ap/watershed/Pages/wellwaterviewer.aspx DNR well construction data http://prodmtex00.dnr.state.wi.us/pls/inter1/watr$.startup DATCP WCRs http://datcpgis.wi.gov/WellLogs/