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Caractérisation intégrée d’un aquifère granulaire pour l’évaluation des processus géochimiques influençant l’atténuation naturelle d’un panache de lixiviat.

Tremblay, Laurie (2013). Caractérisation intégrée d’un aquifère granulaire pour l’évaluation des processus géochimiques influençant l’atténuation naturelle d’un panache de lixiviat. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 327 p.

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Résumé

Cette thèse aborde trois problèmes d’intérêt général en hydrogéologie : 1) la difficulté d’évaluer, avec certitude, l’efficacité de l’atténuation naturelle en tant que mode de gestion d’un site contaminé; 2) le besoin de développer des approches de caractérisation hydrogéologique efficaces qui permettent de définir l’hétérogénéité des aquifères en 3D afin de soutenir le développement de modèles conceptuels et numériques représentatifs de l’écoulement de l’eau souterraine; et 3) l’intérêt de disposer de données de terrain variées et indépendantes pour vérifier les résultats obtenus des modèles numériques sur le devenir des contaminants dans l’eau souterraine. Les travaux réalisés devraient permettre d’améliorer les approches utilisées pour atteindre une bonne compréhension des systèmes aquifères, particulièrement dans le but de développer des modèles numériques qui permettent de prédire avec justesse la migration des contaminants et leurs impacts sur la qualité des ressources en eau souterraine et les milieux récepteurs. Les étapes recommandées par les agences gouvernementales pour définir l’atténuation naturelle en tant que mode de gestion sont laborieuses et les travaux de terrain et de laboratoire requis sont nombreux, spécialisés et couteux. Le principal défi de ce type d’évaluation repose sur le fait que les processus d’atténuation naturelle devant être définis sont spécifiques à chaque site, car ils dépendent des conditions hydrogéologiques et hydrogéochimiques de la nature de la source de contamination. En fait, l’hétérogénéité d’un aquifère contrôle en grande partie la migration des contaminants et sa méconnaissance est souvent à l’origine des échecs des mesures de réhabilitation. De plus, la prédiction du comportement à long terme des contaminants requiert l’utilisation de modèles numériques représentatifs. Par contre, malgré la capacité actuelle des simulateurs numériques à intégrer un grand nombre d’informations pertinentes, les méthodes de caractérisation hydrogéologique conventionnelles ne permettent que l’acquisition partielle des données requises pour développer des modèles détaillés représentatifs de la réalité. Les travaux de recherche réalisés dans le cadre de la présente thèse contribuent à combler ces lacunes par : 1) le développement d’une approche de caractérisation intégrée qui définit adéquatement l’hétérogénéité des aquifères ainsi que les conditions hydrogéologiques spécifiques à un site contaminé, 2) la démonstration de l’intérêt d’intégrer des données de sources variées pour développer des modèles conceptuel et numérique de l’écoulement et du transport de masse contraint avec des données géochimiques et, 3) la démonstration de cette approche par son application à un ancien site d’enfouissement sanitaire afin de statuer, avec peu d’incertitude, sur l’efficacité des processus d’atténuation naturelle prêtées à ce site. L’approche de caractérisation intègre des méthodes indirectes et continues, telles que la géophysique de surface et les méthodes par enfoncement, avec des méthodes directes et ponctuelles de haute résolution comme les mesures hydrauliques et géochimiques dans les puits d’observation. Le choix des méthodes à combiner et la séquence logique des travaux utilisés permettent d’acquérir, de façon efficace, un grand nombre d’informations détaillées et spatialement bien distribuées. Les travaux de terrain ont été réalisés dans le sous-bassin versant de 12 km2 entourant l’ancien site d’enfouissement de Saint-Lambert-de-Lauzon. Les résultats obtenus par la caractérisation démontrent une grande variabilité spatiale des conditions physiques et géochimiques du système aquifère étudié. La combinaison des levés géophysiques de surface avec les sondages par enfoncement a permis, notamment, de définir de façon détaillée : 1) la structure de l’aquifère (limites, stratigraphie et hydrofaciès), 2) l’étendue du panache de lixiviat, 3) la distribution spatiale des contextes hydrogéologiques ainsi que les voies d’écoulement et de migration du lixiviat, et 4) les conditions géochimiques dans l’aquifère. Les données géochimiques ont été primordiales pour raffiner le modèle conceptuel de l’écoulement de l’eau souterraine en donnant des indications sur les zones de recharge et d’émergence, la magnitude de la recharge déduite à partir des profils d’âge ³H/³He ainsi que des évidences sur les points d’échange entre l’aquifère granulaire peu profond et l’aquifère rocheux sous-jacent. L’ensemble de ces conditions contrôlent l’écoulement de l’eau souterraine ainsi que la migration et l’atténuation du panache de lixiviat. La caractérisation détaillée, et la compréhension globale de l’aquifère et des processus d’atténuation en découlant, n’auraient pas été possibles au niveau du temps et des ressources impartis avec les méthodes conventionnelles. De plus, l’approche de caractérisation intégrée peut être adaptée à d’autres régions d’étude présentant tout type d’environnement hydrogéologique et d’échelle géographique. Chacun des quatre articles scientifiques réunis dans la présente thèse aborde des questions scientifiques d’intérêt et fait des contributions originales. Le premier article décrit le développement et l’application d’une approche de caractérisation de l’hétérogénéité des aquifères. Ces travaux se distinguent parce qu’ils portent sur un site de terrain réel (et non pas un cas synthétique), sont réalisés à une échelle régionale (plutôt que très locale) et utilisent de multiples méthodes dont le rôle et la séquence d’application sont bien définis. Le deuxième article porte sur l’utilisation d’indicateurs superficiels pour identifier les zones (et taux) de recharge et d’émergence et l’interaction entre les eaux souterraines et de surface. L’étude est originale par l’usage de traceurs et de méthodes multiples qui permettent l’étude des taux et mécanismes de recharge sur une petite région, par rapport aux études régionales, notamment le rôle des conditions du sol et leurs effets sur la géochimie de l’eau souterraine. Le troisième article documente une étude des facteurs à l’origine des conditions géochimiques hétérogènes d’un aquifère et leur incidence sur l’atténuation naturelle de contaminants. Cette étude se distingue par l’utilisation de méthodes originales de caractérisation chimique des sédiments de l’aquifère et des sols et par l’établissement de relations entre ces caractéristiques et la géochimie de l’eau souterraine qui contrôle la dégradation du lixiviat. Enfin, le dernier article présente l’évaluation des effets de l’hétérogénéité hydrogéologique et géochimique sur l’atténuation naturelle du lixiviat émis par un site d’enfouissement. Ces travaux sont originaux par l’utilisation complémentaire de la modélisation numérique et des données géochimiques; méthodes qui permettent d’évaluer les effets des conditions géochimiques variables sur deux voies distinctes d’atténuation naturelle du lixiviat. Globalement, les travaux de recherche doctoraux réalisés ont fait l’usage de méthodes variées, ont permis l’acquisition d’un ensemble de données exceptionnel, et ont considéré des échelles originales d’étude. Ces travaux ont ainsi permis d’avancer les méthodes et les connaissances sur des questions de fond en hydrogéologie, notamment le développement des modèles conceptuels, la définition de l’hétérogénéité physique et chimique des aquifères, l’incertitude des modèles numériques, et les processus géochimiques influençant les conditions naturelles des eaux souterraines et les processus d’atténuation des contaminants.

Abstract

This thesis tackles three questions of general interest in hydrogeology: 1) the difficulty to assess, with certainty, the efficiency of monitored natural attenuation as a viable approach to contaminated site management; 2) the need to develop efficient characterization methods allowing the definition of aquifer heterogeneity in 3D to allow the development of representative numerical models; and 3) the relevance of independent field data to verify answers obtained from numerical models that are used to predict the fate of contaminants in groundwater. This work should lead to improve the approaches used to gain a complete understanding of aquifer systems; especially with the goal to develop numerical models for predicting contaminant migration and its impacts on groundwater resources and other receptors. The recommended steps by regulating agencies to assess monitored natural attenuation as an environmental management approach are laborious and include several field and laboratory analyses that are specialized and costly. The main challenge in evaluating monitored natural attenuation lays in the fact that attenuation processes are site-specific since they depend on the hydrogeological conditions and the source of contamination. Aquifer heterogeneity largely controls the migration of contaminants and poor understanding of it is often responsible for the failure of remediation systems. Moreover, the prediction of the long-term fate of contaminants requires the use of realistic numerical simulations. However, despite the present capabilities of numerical simulators to integrate a large amount of relevant data, conventional characterization methods do not provide the data required to develop representative models of aquifer heterogeneity. The work carried out as part of this doctoral research addresses these issues by: 1) proposing a characterization approach to efficiently define aquifer heterogeneity and specific hydrogeological conditions at contaminated sites; 2) demonstrating the interest of integrating multi-source data to develop a representative conceptual and numerical model of groundwater flow and mass transport constrained by geochemical data; 3) the application of the developed approaches to a decommissioned landfill with the goal of assessing the efficiency of natural attenuation with certainty. The proposed methodology suggests the integration of indirect continuous data (laterally and vertically), such as surface geophysics and direct push soundings, with high resolution direct point data such as hydraulic tests and geochemical sampling that were used to constrain and correlate the indirect data. The choice of the methods to be combined and the logical field work sequence allow the acquisition of a wide range of information that is spatially well distributed, while minimizing the number of measuring sites. Field work was carried out in the subwatershed encompassing the decommissioned landfill of Saint-Lambert-de-Lauzon. The integration of the multiple data sources revealed in great detail: 1) the aquifer structure (aquifer boundaries, stratigraphy and hydrofacies); 2) the leachate plume extent; 3) the spatial distribution of hydrogeological contexts as well as groundwater flow patterns and leachate migration paths; and 4) groundwater geochemical conditions found throughout the aquifer. The geochemical data were key in refining the conceptual model of groundwater flow by identifying locations of recharge and discharge areas, the magnitude of recharge inferred by ³H/³He age profiles, and evidence of points of exchange between the aquitard separating the shallow granular aquifer and the underlying bedrock aquifer. These conditions control groundwater flow, contaminant migration and natural attenuation of the plume. The detailed characterization allowed the understanding of a complex groundwater flow system, including site-specific natural attenuation processes, could not have been achieved with conventional approaches using the available time and resources. This characterization approach was found to be time and cost efficient and could be adapted to other types of hydrogeological environments and scales of study area. Each of the four scientific papers of the thesis deals with scientific questions of interest and makes original contributions. The first paper describes the development and application of a workflow for the characterization of aquifer heterogeneity. This thesis departs from previous studies by dealing with a real field site (rather than a synthetic case), and is carried out at a regional scale (rather than a small site) and uses multiple methods whose role and sequence of application are well-defined. The second paper describes the use of multiple shallow indicators to identified zones (and rates) of recharge and discharge as well as the interaction between groundwater and surface water. This study makes an original use of tracers as well as multiple methods to assess the rates and mechanisms of recharge over a relatively small area, compared to regional studies, especially the role of soils and surface conditions and their impact on groundwater geochemistry. The third paper documents a study of the factors controlling heterogeneous geochemical conditions in an aquifer and their impact on natural attenuation of contaminants. This study makes original use of aquifer sediments and soil chemical characterization and by defining their relations with groundwater geochemistry, which controls leachate degradation. Finally, the fourth paper presents an assessment of the effects of hydrogeological and geochemical heterogeneity on landfill leachate natural attenuation. This work makes an original complementary use of numerical modeling and geochemical data, which allow the evaluation of the effects of different geochemical conditions on two distinct paths of leachate natural attenuation. Globally, this doctoral research made use of varied methods, allowed the acquisition of an exceptional dataset, and considered original scales of study. This work advanced methods of study and knowledge about a few fundamental hydrogeological issues, notably the development of conceptual models, the definition of the physical and chemical heterogeneity of aquifers, the uncertainty of numerical models, and the geochemical processes controlling natural groundwater geochemical conditions as well as the natural attenuation of contaminants.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Lefebvre, René
Co-directeurs de mémoire/thèse: Cloutier, Vincent; Molson, John
Mots-clés libres: caractérisation hydrogéologique; modélisation numérique; géochimie de l’eau souterraine; atténuation naturelle; site d’enfouissement sanitaire
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 15 janv. 2014 17:05
Dernière modification: 17 mars 2016 18:12
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1995

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