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Modélisation numérique de l'écoulement régional de l'eau souterraine dans le bassin versant de la rivière Châteauguay.

Lavigne, Marc-André (2006). Modélisation numérique de l'écoulement régional de l'eau souterraine dans le bassin versant de la rivière Châteauguay. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de la terre, 158 p.

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Résumé

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Une étude hydrogéologique conjointe du Ministère du Développement Durable, de l'Environnement et des Parcs du Québec (MDDEP) et la Commission Géologique du Canada (CGC) a été réalisée dans le bassin versant de la rivière Châteauguay pour accroître les connaissances et la compréhension du système aquifère. La région d'étude chevauche la frontière canado-américaine et s'étend des montagnes Adirondack, dans l'état de New York, jusqu'au fleuve Saint-Laurent, dans la province de Québec. Le roc fracturé de la séquence sédimentaire Paléozoïque des Basses-Terres du St-Laurent constitue l'aquifère régional. Au- dessus du roc se trouvent des sédiments Quaternaires d'épaisseur variable pouvant atteindre plus de 50 m. Actuellement, 31 Mm³ d'eau sont extraits de l'aquifère annuellement dans la portion canadienne de la zone d'étude. Ce volume est distribué selon quatre principaux utilisateurs: municipal (38%), domestique (11 %), agricole (26%) et commercial et industriel (25%). Des travaux ont d'abord porté sur la définition des propriétés hydrauliques des roches sédimentaires. Les données proviennent de diverses sources: la banque des puisatiers, divers rapports techniques ainsi que d'une campagne de travaux de terrain. Au total, 548 mesures ont été recueillies. La moyenne géométrique des données de conductivité hydraulique (K) est de 5.1 x10-5m/s avec un écart-type du logarithme de K égal à 0.85. La lithologie ne semble pas influencer significativement les valeurs de conductivité hydraulique. En effet, les valeurs moyennes pour les différentes unités géologiques se trouvent toutes à l'intérieur du même ordre de grandeur. Par contre, les valeurs de conductivité hydraulique s'avèrent plus élevées dans les puits peu profonds et semblent varier en fonction de l'échelle de l'essai hydraulique réalisé et, par extension, selon le volume d'aquifère investigué. Une méthode modifiée utilisant l'inverse de la distance et tenant compte du volume représenté par la mesure de K a été utilisée afin de définir la distribution spatiale des conductivités hydrauliques. Un modèle numérique a été construit à l'aide du logiciel de modélisation par éléments finis FeFlow afin de comprendre la dynamique de l'eau souterraine au niveau régional. La zone modélisée de 2850 km² s'étend du piedmont des montagnes Adirondacks jusqu'au fleuve Saint- Laurent. Le modèle tridimensionnel est composé de 13 couches. L'épaisseur minimale de la couche supérieure est de 5 m tandis qu'elle s'élève à 75 m pour la couche à la base du modèle. L'épaisseur moyenne du modèle est de 655 m pour un volume total de 1868 km³. Le maillage raffiné contient quelques 260 176 noeuds et 476 788 éléments triangulaires. Le fleuve St-Laurent constitue une limite à charge imposée. La base du modèle ainsi que le reste de la limite externe sont considérés comme des limites à flux nul. Quant aux marais et rivières intermédiaires, elles ont été modélisées à l'aide de drains. Une distribution spatiale de la recharge, variant de 0 à 400 mm, est imposée à la surface du modèle et elle est gardée fixe pour limiter les paramètres variables du modèle. Cette recharge a été évaluée par Croteau (2006a) en utilisant le modèle d'infiltration HELP intégré dans un SIG. L'utilisation en eau souterraine est estimée à 34 Mm³/an. Les puits majeurs sont représentés de façon ponctuelle tandis que le reste de la consommation, associé à l'agriculture et aux puits privés, est distribué sous forme d'une lame d'eau équivalente et est soustrait de la recharge brute. La distribution de la conductivité hydraulique horizontale ainsi que l'anisotropie de la conductivité hydraulique, soit le rapport des conductivités horizontale et verticale (KtlKv) , constituent les paramètres de calage. Le calage du modèle est réalisé en comparant 153 données mesurées de niveau d'eau aux valeurs simulées. L'erreur RMS de la surface piézométrique est de 8.19 m, la moyenne des résidus se chiffre à -1.04 m et l'erreur absolue s'élève à 5.69 m. L'analyse quantitative du système réalisée grâce au modèle indique que l'écoulement régional de l'eau souterraine s'élève à 268 Mm³/an. De ce nombre, 12% représente l'utilisation anthropique. Les résurgences aux eaux de surface comptent pour 66% (176 Mm³/an) et le système rejette 21 % (55 Mm³/an) dans le fleuve Saint-Laurent. Les simulations ont souligné l'influence de la structure en plans de litage sub-horizontaux des unités sédimentaires au niveau de l'écoulement de l'eau souterraine. Le rapport Kh/Kv varie de un jusqu'à quatre ordres de grandeur à la colline Covey, où d'importants gradients hydrauliques verticaux ont été observés. Les besoins croissants en eaux souterraines peuvent conduire à des conflits entre les divers utilisateurs de cette ressource. Une meilleure compréhension du système aquifère et de sa capacité d'alimentation en eau devrait permettre de minimiser ces conflits ou de leur trouver des solutions rationnelles. Dans cette perspective, afin d'évaluer la sensibilité de l'aquifère régional, plusieurs scénarios intégrant des variations de la recharge ou l'accroissement du taux d'extraction, ont été simulés à l'aide du modèle numérique calé. Ces simulations visent aussi à définir les zones où il serait nécessaire de faire un suivi du niveau piézométrique et de la qualité de l'eau souterraine. Le taux d'extraction actuel dans la zone modélisée provoque un rabattement médian de la nappe de 1.5 m en comparaison du niveau piézométrique en conditions sans pompage. La diminution du taux de recharge affecte principalement l'élévation de la nappe dans les endroits identifiés comme étant des aires de recharge. Quant aux zones de résurgence, elles ne sont presque pas influencées. En conditions humides, le niveau piézométrique ne s'avère presque pas influencé. Aussi, une augmentation du taux d'extraction à 48 Mm³/an (5 mm/m²•an), provoque un rabattement médian de 2.1 m. Ce débit est considéré comme étant durable puisque les variations du niveau piézométrique générées par ce pompage s'apparentent aux fluctuations enregistrées annuellement. Par contre, un débit d'extraction supérieur à 122 Mm³/an (31 mm/m².an) est considéré comme étant non durable. Ce seuil correspond à un taux d'extraction équivalent aux débits des résurgences. Le rabattement médian de 6 m associé à ce taux d'extraction nécessite tout de même un suivi plus constant des niveaux d'eau, car au moins 121 puits s'assècheraient et devraient être forés de nouveau. Les aires de recharge s'avèrent plus sensibles à l'accroissement du taux d'extraction. Une analyse spatiale de la portion canadienne de la région d'étude a été effectuée pour délimiter les zones sensibles de l'aquifère. Cette analyse combine la vulnérabilité à la contamination de surface (DRASTIC), la sensibilité au pompage et la sensibilité aux variations de la recharge. Les résultats des scénarios de modélisation montrent quel serait le comportement du système sous diverses conditions, ce qui devrait permettre de mieux gérer et protéger les ressources en eau souterraine et de concilier leurs usages.

Abstract

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A joint hydrogeological assessment study was conducted in the Châteauguay River watershed by the Ministère du Développement Durable, de l'Environnement et des Parcs du Québec (MDDEP) and Natural Resources Canada. The main objective was to increase the general knowledge of the groundwater resources. The watershed extends from northeastern New York State (USA) to southwestern Quebec (Canada). Fractured sedimentary rocks of the St Lawrence Platform host the regional aquifers. A layer of Quaternary sediments of variable thickness reaching up to 50 m overlays the bedrock. Currently, groundwater use is estimated to be approximately 31 Mm³/y in the Canadian part of the study area. This volume is distributed between the municipal (38%), domestic (11 %), agriculture (26%) and commercial and industrial (25%) users. Hydraulic properties of the regional sedimentary rock aquifers were characterized based on data collected from borehole logs, technical reports and data obtained during the fieldwork conducted as part of this study. The collected data set consists of 548 measurements of the hydraulic conductivity (K). The average K is 5.08x10-5m/s with a standard deviation of logarithms of 0,85. It seems that lithology does not significantly influence the hydraulic conductivity values which are within the same order of magnitude for ail rock units. The hydraulic conductivity is higher for shallow wells and is strongly influenced by the scale of the hydraulic test and the corresponding investigated aquifer volume. A modified inverse method (MID) was used to generate a spatial distribution map of hydraulic conductivity over the study area. A numerical model of the regional groundwater flow system was built using the finite element simulator FeFlow. The modeled area (2850 km²) extends from the foothills of Adirondacks to the St. Lawrence River. The 3D model consists of 13 layers. The minimum layer thickness varies from 5 m for the top layer to 75 m for the bottom layer for an average simulated thickness of 655 m and a total volume of 1868 km³. The refined mesh of the model consists of 260 176 nodes and 476 788 triangular prism elements. The St. Lawrence River is assumed a specified head boundary; the base and lateral limits are considered no-flow boundaries, whereas head and conductivity dependant boundaries are specified along streams and wetlands. Spatially distributed recharge is applied on the top of the model as a specified flux in the range of 0 to 400 mm/y. Groundwater use, estimated at 34 Mm³/y, is assigned as sink sources for major wells with known pumping rates, and as a uniformly distributed negative flux imposed on top of the model to simulate diffuse domestic and agricultural withdrawals. Calibration parameters were the horizontal hydraulic conductivity and the vertical anisotropy, and it was carried out against the 153 field measurements of water levels. The RMS error of the simulated potentiometric surface is 8.19 m with a mean error of -1.04 m and an absolute error of 5.69 m. Modelling results indicate that regional groundwater flow amounts to 268 Mm³/y: 12% is withdrawn for human purposes; 66% is discharged to intermediate streams; 21 % is discharged directly to the St. Lawrence River; and 1 % is transferred to the neighbouring sub-watersheds. Simulations confirm the field observations that the groundwater flow is predominantly controlled by the sub-horizontal bedding planes of the sedimentary rocks. The calibrated vertical anisotropy (Kh/Kv) varies from one order to as much as four orders of magnitude on Cave y Hill where steep hydraulic gradients were observed. Steadily increasing groundwater use in the Châteauguay River watershed may lead to potential conflicts between the various groundwater users. The calibrated model was used for predictive groundwater flow simulations in order to define the most sensitive areas of the regional aquifers where increased monitoring of the groundwater levels and quality will be needed. The various scenarios consisted of applying recharge rates under drought and humid conditions and increased withdrawal. The current pumping rate results in an average drawdown of 1.5 m compared to pre-development conditions. Decreased recharge mainly affects areas where the estimated recharge rates were the highest. On the other hand, increased recharge seemed to have less effect on the groundwater levels. Increasing the withdrawal rate to 48 Mm³/y results in an average drawdown of 2.1 m. This pumping rate was considered as a sustainable threshold for the modeled domain as the generated drawdown is in the range of seasonal fluctuations of the groundwater levels. A pumping rate of up to 122 Mm³/y (31 mm/m²/y) which results in an average drawdown of 6 m would necessitate increased monitoring. This drawdown would result in at least 121 wells drying up and needing to be re-drilled. Above this limit, the pumping rate becomes greater than the natural discharge and is considered as not-sustainable by the regional aquifers. The increased withdrawal mainly affects the recharge areas which show highest drawdown. Finally, the most sensitive areas of the regional aquifers were defined by a combination of the DRASTIC vulnerability map, and the sensitivity maps to decreased recharge and increased withdrawal.

Type de document: Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Nastev, Miroslav
Co-directeurs de mémoire/thèse: Lefebvre, René
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: modélisation; cartographie; hydrogéologie; aquifère; hydraulique; eau souterraine; écoulement; bassin versant; rivière Châteauguay
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 07 févr. 2014 18:52
Dernière modification: 23 nov. 2015 21:02
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1741

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