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Détermination de la distribution spatiale et temporelle de la recharge à l'aquifère régional transfrontalier du bassin versant de la rivière Châteauguay, Québec et États-Unis.

Croteau, Anne (2006). Détermination de la distribution spatiale et temporelle de la recharge à l'aquifère régional transfrontalier du bassin versant de la rivière Châteauguay, Québec et États-Unis. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de la terre, 345 p.

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Résumé

Le bassin versant de la rivière Châteauguay se situe au sud de Montréal et chevauche le Canada et les États-Unis. Il couvre une superficie de 2 543 km², dont 57% est localisé dans la portion québécoise et l'autre partie se trouve dans l'état de New-York. Cette région appartient à la province physiographique de la Plate-Forme du St-Laurent. Elle est limitée au sud par les montagnes Adirondack et au nord par le fleuve St-Laurent. La région est relativement peuplée avec environ 220 000 habitants qui dépendent fortement des eaux souterraines comme source d'approvisionnement en eau potable. Le système aquifère régional est constitué de roches sédimentaires fracturées datant du Paléozoïque et est recouvert de sédiments meubles hétérogènes. Dans le cadre de l'étude de l'hydrogéologie du bassin versant de la rivière Châteauguay, les distributions spatiales et temporelles de la recharge directe à l'aquifère régional ont été estimées. La recharge directe a été définie comme la quantité d'eau qui s'infiltre à travers les sédiments non consolidés et atteint les unités aquifères régionales. L'estimation de la recharge constitue une étape essentielle afin d'améliorer la connaissance et permettre le développement durable de la ressource en eau souterraine. Les taux quotidiens de renouvellement de l'eau souterraine, de l'évapotranspiration et des ruissellements de surface et hypodermique ont été estimés à partir du modèle d'infiltration HELP à base physique. Les paramètres d'entrée ont été intégrés à l'intérieur d'une base de données relationnelle suivant un maillage de 250 m par de 250 m (47 616 mailles). Un système d'information géographique a été employé pour fournir les distributions spatiales des propriétés physiques du sol, l'utilisation du sol, la couverture végétale et les données climatiques. L'analyse de sensibilité réalisée a défini la conductivité hydraulique saturée, le coefficient de ruissellement, la profondeur d'évaporation et les propriétés de drainage comme les paramètres à prioriser pour accroître la précision des simulations. La conductivité hydraulique des sédiments meubles et du socle rocheux a été choisie comme principal paramètre de calage. Les composantes du bilan hydrologique ont été calées à partir du ruissellement de surface et du débit de base obtenus suite à la séparation des hydrogrammes de la rivière des Anglais et du ruisseau Norton. L'évapotranspiration a également été calée à partir de la soustraction du débit total de la rivière à la précipitation annuelle. Pour la période de simulation de 39 ans (1963-2001), les résultats obtenus suggèrent une recharge annuelle moyenne de 86 mm, lorsque distribuée uniformément. La recharge moyenne représente 9% de la précipitation totale (943 mm) et varie annuellement entre 60 et 104 mm. L'évapotranspiration constitue la plus importante composante du bilan hydrologique avec 52% alors que les ruissellements de surface et hypodermique totalisent 39% de la précipitation annuelle. Trois zones spécifiques ont été identifiées comme aires de recharge majeures, soit le mont Covey Hill, Le Rocher et la colline de Huntingdon. Dans ces régions, la recharge moyenne atteint jusqu'à 404 mm/an alors qu'elle est nulle le long des principaux cours d'eau qui agissent comme zone d'émergence de l'eau souterraine. Les zones de recharge majeure correspondent essentiellement à des hauts topographiques et piézométriques et à des conditions libres de la nappe phréatique. La distribution journalière du taux de recharge fait ressortir le printemps et l'automne comme les saisons de recharge maximale. Ce résultat coïncide avec les variations temporelles des débits de rivière et des niveaux d'eau observés dans les puits d'observation. Les fluctuations annuelles de l'évapotranspiration et des ruissellements de surface et hypodermique suivent les fluctuations de la précipitation annuelle tandis que la réponse de la recharge est plutôt adoucie. Le système calé a été soumis à deux scénarios distincts afin de simuler le comportement du système aquifère sous des conditions climatiques extrêmes. Pour ce faire, les conditions météorologiques des scénarios ont été reproduites à partir des données climatiques de l'année la plus sèche (1964) et de l'année la plus humide (1972) répétées sur 6 années consécutives. La recharge annuelle uniforme correspondante s'élève à 51 mm pour la période de sécheresse et à 99 mm pour le scénario humide. La distribution spatiale de la différence entre la recharge moyenne et la recharge obtenue à partir des scénarios a permis de définir les zones les plus sensibles aux périodes de faibles et de fortes précipitations consécutives. Celles-ci correspondent aux aires de recharge préférentielle. Finalement, deux études effectuées parallèlement à celle-ci ont permis de valider les résultats obtenus. La signature géochimique des eaux souterraines a confirmé la distribution spatiale de la recharge et le contrôle des sédiments meubles, représentés par les contextes hydrogéologiques, sur les taux de recharge. L'intégration de la carte de recharge comme une limite imposée dans le modèle numérique d'écoulement de l'eau souterraine avec des efforts de calage limités a aussi supporté la validité de la recharge estimée.

Abstract

The Châteauguay River watershed is located south of Montreal and straddles the Canada- USA border. It covers 2 543 km², 57% in Québec and the remaining area is located in upstate New York. The area belongs to the physiographic region of the Central St. Lawrence Platform. It is limited to the south by the Adirondack Mountains and to the north by the St. Lawrence River. This is a relatively densely populated region with about 220 000 inhabitants, strongly dependent on groundwater as a major source of water. The regional aquifer system is constituted of sedimentary Paleozoic fractured rocks and is overlain by heterogeneous unconsolidated sediments. The spatial and temporal distributions of direct recharge rate to the regional aquifer system of the Châteauguay River watershed were estimated. Direct recharge was defined as the amount of water that percolates through unconsolidated sediments and reaches the regional aquifer system. This was the first and essential step towards a quantitative assessment of the groundwater resource and its sustainable development. Daily groundwater renewal rates, evapotranspiration and surface and sub-surface runoffs were estimated with the physically based HELP infiltration program. The input parameters were integrated over a grid of 250 m by 250 m cells (47616 cells) with the use of a relational database management system. A geographic information system was used for the spatial distributions of the soil physical properties, the land use, the vegetation coyer and climate data. The conducted sensitivity analysis identified the saturated hydraulic conductivity, the curve number, the evaporation depth and the drainage properties as most important parameters for accurate simulations. For the final simulations, the hydraulic conductivity of the unconsolidated sediments and the bedrock was selected as the main calibration parameter. The water balance components were calibrated against runoff and baseflow contributions to hydrograph records of des Anglais and Norton Rivers. Evapotranspiration was also calibrated as the difference between the annual precipitation and the streamflow. Average results over the simulated period of 39 years (1963-2001) indicate a uniform annual recharge rate of 86 mm. The average recharge represents 9% of total precipitation (943 mm) and varies year to year between 60 and 104 mm. Evapotranspiration is the most important water balance component with 52%, whereas combined surface and subsurface runoffs account for 39% of the precipitation. Three specifie regions within the study area were identified as major recharge zones: Covey Hill, Le Rocher and Huntingdon Hill. The average recharge reaches up to 404 mm/year in those regions whereas it is nïl along major water streams as those areas are determined as no infiltration zones. These zones correspond essentially to topographie and piezometrie heights and to unconfined conditions of the regional aquifer system. Daïly distribution of recharge rate indicates spring and fall as major recharge seasons. This temporal distribution of recharge rates generally coincides with the variations of streamflow and the observed water levels in the monitoring wells. The annual fluctuations of evapotranspiration and surface and sub-surface runoffs follow closely the yearly precipitation fluctuations, whereas recharge shows a damped response. The calibrated model was used to simulate two scenarios of potential extreme climate conditions. Drought conditions were simulated by repeating the driest year data for 6 consecutive years from the existing climate database (1964), whereas the wettest year (1972) was used for the humid scenario. The corresponding uniform annual recharge rate was 51 mm for the drought scenario and 99 mm for the humid period. The spatially distributed difference between the average recharge and recharge obtained from the scenarios defined the most sensitive zones to potential extreme climate conditions that correspond to major recharge zones. Finally, recharge results were validated from two paralleled studies. The groundwater geochemistry signature confirmed the location of major recharge zones and the impact of unconsolidated sediments, identified from hydrogeological conditions, on the recharge rates. The use ofthe estimated recharge rates as a boundary flow condition imposed on top of the regional numerieal groundwater flow model required limited calibration efforts and thus supported the validity of the recharge estimation.

Type de document: Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Nastev, Miroslav
Co-directeurs de mémoire/thèse: Lefebvre, René
Mots-clés libres: distribution spatiale; distribution temporelle; recharge à l'aquifère; bassin versant; eau souterraine; hydrologie; hydraulique; rivière Châteauguay
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 27 août 2013 15:01
Dernière modification: 12 nov. 2015 20:45
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1464

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