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Étude hydrogéologique du Secteur d'essais de RDDC Valcartier : Bilan en eau et interaction entre les eaux souterraine et de surface.

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Poulin-Talbot, Marie-Catherine (2009). Étude hydrogéologique du Secteur d'essais de RDDC Valcartier : Bilan en eau et interaction entre les eaux souterraine et de surface. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de la terre, 301 p.

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Résumé

Une caractérisation hydrogéologique détaillée du Secteur d'essais de Recherche et développement pour la défense Canada - Valcartier sur la base militaire de Valcartier, Québec, a été réalisée. Ce site d'une superficie d'environ 3 km2 est compris entre un relief rocheux et la rivière Jacques-Cartier où le socle rocheux forme une dépression qui est partiellement comblée par une séquence de sédiments meubles quaternaires : glaciaires, deltaïques et fluviatiles. Il est utilisé depuis la deuxième guerre mondiale pour différents essais militaires comprenant des essais de tir de calibres variés, des essais de fragmentation, des études de détonation, de la disposition, de la démolition et du brûlage de déchets explosifs. Plusieurs études environnementales antécédentes ont démontré la présence de matériaux énergétiques, de perchlorate et de métaux en concentrations dépassant certains critères de qualité dans l'eau souterraine de la nappe libre de l'aquifère de sable du secteur. Sur le secteur, les critères de résurgence dans les cours d'eau sont applicables alors que les critères de potabilité ne le sont pas car l'eau du secteur n'est pas utilisée pour la consommation. Certains de ces contaminants peuvent avoir des effets néfastes sur les écosystèmes aquatiques. L'objectif général de cette étude est de comprendre les chemins empruntés par l'eau et les contaminants du site vers la rivière Jacques-Cartier et l'impact potentiel de cette contamination sur les écosystèmes aquatiques de la rivière. Une carte piézométrique a été réalisée afin de comprendre la dynamique d'écoulement de l'eau souterraine. La qualité de l'eau souterraine du site a été évaluée par l'échantillonnage de puits d'observation et illustrée sur des cartes thématiques. L'intégration de ces données de qualité et de niveau d'eau combinées aux données des études antérieures de qualité de sol, d'eau souterraine et de surface montre que certains des contaminants détectés dans l'eau de la rivière sont aussi détectés dans les sols, les sédiments et les eaux souterraines du secteur d'essais. Les composantes du bilan en eau ont été évaluées sur trois sites du secteur d'essais par des mesures en continu de précipitations, de recharge et de teneur en eau du sol sur une période de près de 3 ans. Les précipitations ont été mesurées à une station météorologique située à 3 km du secteur d'essais et des mesures du couvert de neige ont été faites lors de trois hivers consécutifs. Le ruissellement a été évalué à partir des valeurs des autres composantes du bilan et a aussi été estimé par un coefficient basé sur la topographie, la végétation et la géologie. La variation du stock d'eau dans le sol a été calculée à partir de mesures de teneur en eau prises par trois sondes TDR sur un des trois sites instrumentés. L'évapotranspiration potentielle a été estimée par la méthode de Thornthwaite journalière et l' évapotranspiration réelle, par un calcul intégrant la variation du stock d'eau dans le sol et le ruissellement. La recharge a été évaluée par trois lysimètres passifs et l'hydrogramme de 2 puits. Ce bilan démontre qu'au printemps, en été et en automne, aux trois sites d'instrumentation dont deux sont représentatifs des zones sources de contamination, le processus de ruissellement serait un mode de transport plus important que l'infiltration directe vers la nappe. L'interaction entre les eaux souterraines et l'eau de surface de la rivière a été étudiée par des mesures du débit de résurgence et du gradient hydraulique vertical dans le lit de la rivière (essais en demi-baril), par des mesures de variation du niveau d'eau ainsi que par l'échantillonnage pour analyse de la qualité de l'eau de demi-barils et de piézomètres en PVC installés dans le lit de la rivière. Les eaux souterraines font résurgence dans la rivière en tout temps mais à des débits variables selon l'endroit et la saison. Le flux de contaminants transféré à la rivière par l'eau souterraine serait minime bien que la composition des eaux de résurgence soit affectée par les activités sur le site. L'effet de ce flux sur la qualité de l'eau de la rivière serait négligeable dû à l'important effet de dilution de la rivière. Dans le but de caractériser les unités hydrostratigraphiques présentes, quatre méthodes différentes ont été utilisées pour déterminer les conductivités hydrauliques en régime saturé (essais à choc hydrauliques, formule de Hazen à partir d'analyses granulométriques et perméamètre de Guelph) et en régime non saturée (infiltromètre à tension). La conductivité hydraulique saturée montre une grande variabilité spatiale pouvant aller jusqu'à 5 ordres de grandeur dans une même unité hydrostratigraphique. Une modélisation numérique de l'écoulement souterrain réalisée par Martel et al. (2008) n'a pas réussit à reproduire à la fois la charge hydraulique dans les puits et les débits de résurgence mesurés en rivière en gardant les mêmes valeurs de conductivité hydraulique et en respectant le modèle géologique 3D peu détaillé préétabli. Le secteur d'essais n'est pas exclu comme source potentielle de contamination de la rivière, mais la résurgence des eaux souterraines ne serait pas le mode de transport principal; il s'agirait plutôt du ruissellement dont la quantité n'a pas été mesurée directement et dont la qualité est mal connue sur l'ensemble du secteur.

Abstract

A detailed hydrogeological study in the testing area of Defence Research and Development Canada (DRDC) - Valcartier, at the Canadian Forces Base Valcartier, Quebec, was undertaken. This site has an area of about 3 km2 and lies on unconsolidated Quaternary glacial, deltaic and fluvial sediments between a rocky relief and the Jacques-Cartier River. It has been used since the Second World War for different military experimental activities including various size ammunition firing and fragmentation tests, detonation studies as weIl as disposition, demolition and buming of explosive wastes. Many previous environmental studies showed that the groundwater of the unconfined sandy aquifer is contaminated with energetic materials, perchlorate and metals. Sorne of these contaminants may have adverse effects on aquatic ecosystems. The objective of this study is to understand water flow paths and possible contaminant migration from the site to the river, and to quantify the potential impact of groundwater contamination on the aquatic ecosystem ofthe Jacques-Cartier River. A piezometric map was produced to understand the groundwater flow pattern. Groundwater quality was evaluated via observation weIl sampling and illustrated in thematic maps. The integration of these water level and water quality data combined with analytical results for soil, , groundwater and surface water from previous sampling programs showed that sorne of the contaminants detected in the river were also detected in the soil, sediments and groundwater of the testing area. Water budget components were evaluated on three sites in the testing area for almost 3 years through continuous measurements of precipitation, recharge and soil water content. Precipitation was measured by a weather station located 3 km away from the site, and snow sampling surveys were done in three consecutive winters. The runoff was estimated from a coefficient that depends on topography, plant cover and sediment type and also from the other components of the water balance. The soil water content variations were derived from TDR probe data at one site. The potential evapotranspiration was estimated by the Thornthwaite method on a daily basis and the actual evapotranspiration was calculated by considering precipitation, runoff and soil water content variations. Recharge was measured using three passive lysimeters, as weIl as by the water table hydrograph in two wells. During spring, summer and fall, on the three instrumented sites, which represent the contamination source zones, the water balance shows that runoff would be a more important transport process than direct infiltration to the water table. The interaction between groundwater and surface water from the Jacques-Cartier River was studied through measurements of groundwater discharge rates in riverbed sediments, vertical hydraulic gradients of the riverbed (seepage tests), river water level fluctuations and through water quality sampling of seepage meters and PVC piezometers installed in the riverbed. Discharge of groundwater to the river occurs throughout the year and the rates vary with season and along the shore in front of the testing area. The contaminant mass transferred from the aquifer to the river would be very low although the discharge water quality is affected by the activities carried out on the testing area. The effect of this mass transfer on river water quality would be negligible because of the high dilution effect of the river. Four different methods were used for the determination of the hydraulic conductivity of hydrogeological units under saturated conditions (slug tests, Hazen formula from the grain size analysis and Guelph permeameter tests) and under unsaturated conditions (tension infiltrometer tests). The saturated hydraulic conductivity has spatial variability and varies by up to five orders of magnitude within the same hydrostratigraphic unit. A numerical model, based on a preliminary 3D geological model and constructed by Martel and al. (2008), failed to reproduce simultaneously the hydraulic head in the wells and the measured discharge rates using the same hydraulic conductivities. The testing area is not excluded as a potential source of contamination for the river but the groundwater discharge to the river does not appear to be the main transport process. Instead, it appears that runoff is the main process. Runoff quantity has not been directly measured yet and its quality is unknown throughout the area.

Type de document: Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Martel, Richard
Co-directeurs de mémoire/thèse: Therrien, René
Mots-clés libres: hydrogéologie ; Valcartier; base militaire; rivière Jacques-Cartier; migration des contaminants; écoulement
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 03 juill. 2018 14:59
Dernière modification: 03 juill. 2018 14:59
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/6924

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