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Étude sur le terrain et par modélisation du bassin versant du ruisseau Thomas (vallée d'Annapolis, Nouvelle-Écosse): influence de l'hétérogénéité et autres facteurs sur les interactions entre l'eau de surface et l'eau souterraine et la recharge des aquifères.

Gauthier, Marie-Josée (2009). Étude sur le terrain et par modélisation du bassin versant du ruisseau Thomas (vallée d'Annapolis, Nouvelle-Écosse): influence de l'hétérogénéité et autres facteurs sur les interactions entre l'eau de surface et l'eau souterraine et la recharge des aquifères. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de la terre, 119 p.

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Résumé

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Ce mémoire porte sur l’étude des interactions entre l’eau de surface et l’eau souterraine à l’échelle locale dans le bassin versant du ruisseau Thomas (8 km²), dans la vallée d’Annapolis en Nouvelle-Écosse. Ce projet de maîtrise s’est déroulé dans le cadre du projet de caractérisation des aquifères de la vallée d’Annapolis de la Commission Géologique du Canada. La vallée d’Annapolis est une région essentiellement agricole et est de ce fait sujette à une contamination de l’eau de surface et souterraine par les nitrates et les bactéries. Le bassin versant du ruisseau Thomas a été sélectionné en raison de sa représentativité au niveau de la géologie et des activités de la vallée, et de la disponibilité des données de jaugeage et de qualité de l’eau du ruisseau (récoltées par Agriculture Canada depuis 2001). La présente étude avait donc pour objectif de mieux comprendre l’hydrodynamique du bassin versant du ruisseau Thomas, et en particulier de quantifier les interactions entre l’eau de surface et l’eau souterraine au moyen d’un modèle couplé 3-D. Ce modèle, nommé CATHY, intègre deux modules (de surface et souterrain) qui ont une discrétisation spatiale et temporelle bien distincte. Les objectifs secondaires incluaient l’évaluation de l’effet d’un ajout graduel d’hétérogénéités dans le modèle et la considération du couvert de neige. Une revue des données existantes a été effectuée sur la région, ainsi que sur la modélisation couplée et l’intégration de l’hétérogénéité dans le modèle. Par ailleurs, trois campagnes de terrain se sont déroulées durant les étés 2004, 2005 et 2006. Celles-ci incluaient une campagne piézométrique, des forages, l’installation de piézomètres, des échantillonnages d’eau (pour l’analyse d’isotopes stables, de tritium et de carbone 14) et de sol (principalement pour des granulométries), des essais au perméamètre de Guelph, des essais de perméabilité (slug tests), de pompage, et de type Lugeon (packer tests), des mesures d’infiltration et de débit du ruisseau, ainsi que de la géophysique (diagraphies et géoradar). Ces travaux ont permis de confirmer la direction d’écoulement de l’eau souterraine (allant du nord vers le sud) et d’estimer la perméabilité des trois formations rocheuses présentes, soit de Wolfville (3,8 x 10-5 m/s), de Blomidon (2,0 x 10-5 m/s) et des montagnes du Nord (1,8 x 10-6 m/s). L’hétérogénéité des dépôts de surface a également pu être représentée avec une perméabilité croissante du nord vers le sud, allant de 10-8 à 10-5 m/s. Finalement, l’alimentation du ruisseau par l’aquifère a pu être quantifiée : il a été estimé que le débit croissait également du nord au sud, étant de 10-9 m3/s dans les montagnes du Nord et de 10-6 m3/s à l’exutoire du bassin. L’analyse des données existantes et acquises a permis de développer le modèle conceptuel du bassin à modéliser. La modélisation couplée a ensuite été effectuée selon neuf scénarios. Les huit premiers scénarios intègrent graduellement la géologie « réelle » du bassin alors que le 9e considère le couvert nival sur le modèle le plus complexe (scénario 8). La présente étude a ainsi permis de quantifier par modélisation les principaux processus hydrologiques et hydrogéologiques de ce bassin. La modélisation a également démontré l’importance de représenter adéquatement la géologie et autres caractéristiques majeures du bassin étudié afin de se rapprocher des données de terrain. Le scénario 9 est donc celui dont les valeurs simulées se rapprochent le plus des valeurs observées tant pour les hydrogrammes du ruisseau et de puits de surveillance, que pour les niveaux d’eau ponctuels dans des puits résidentiels et la recharge annuelle. Les valeurs simulées obtenues pour ce dernier scénario sont : 349 mm/an pour la recharge, 0,18 m3/s pour le débit du ruisseau à l’exutoire, 0,21 m3/s pour l’écoulement de surface (overland flow) et 0,097 m3/s pour l’apport souterrain (return flow). L’estimation de la recharge à partir des données de terrain avait fourni une valeur de 315 mm/an et le débit moyen annuel du ruisseau pour l’année 2005 était de 0,17 m3/s. De plus, l’écart entre les niveaux de la nappe simulés et observés était en moyenne très faible (0,33 m). L’évolution des scénarios simulés, où l’hétérogénéité représentée devenait de plus en plus complexe, a montré que l’intégration des différentes conductivités hydrauliques pour chacune des formations géologiques avait un impact significatif sur les réponses du système. Le pendage des formations, la porosité et la considération de la neige ont pour leur part eu beaucoup moins d’influence. Le modèle CATHY a également permis de visualiser quelques processus dans le temps dont la recharge, la saturation à la surface et la profondeur de la nappe. Ces distributions spatiotemporelles sont très intéressantes puisqu’elles permettent de quantifier plusieurs processus difficiles à évaluer in situ. Ces travaux ont de plus permis de valider l’applicabilité du modèle CATHY à des cas réels. Ces travaux sur les interactions entre l’eau de surface et l’eau souterraine constituent un volet important de l’étude hydrogéologique régionale de la vallée d’Annapolis, car ils ont permis de mieux comprendre l’hydrodynamique de ce système, représentatif de la vallée, et donc les mécanismes sous-jacents à la contamination par les nitrates. Ces travaux contribuent ainsi à fournir des informations essentielles à l’élaboration de plans de gestion et de protection des aquifères pour cette région rurale.

Type de document: Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Paniconi, Claudio
Co-directeurs de mémoire/thèse: Rivard, Christine; Larocque, Marie
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: bassin versant; ruisseau; Thomas; hétérogénéité; eau de surface; eau souterraine; aquifères; hydrologie
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 27 nov. 2012 16:04
Dernière modification: 18 nov. 2015 20:09
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/478

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