Academic literature on the topic 'Eau souterraine – Protection – Québec (Province)'

L’élaboration de stratégies efficaces de protection des captages d’eau souterraine adaptées à un milieu rural nécessite une bonne compréhension des liens entre la qualité de l’eau captée et les activités agricoles menées à proximité de ces captages. Il est toutefois difficile d’évaluer l’impact de modifications de pratiques agricoles ou les résultats de la gestion du territoire sur l’aire d’alimentation d’un captage municipal. Afin d’apporter des éléments de réponse face à ce constat, une investigation a été réalisée sur l’aire d’alimentation d’un captage municipal d’eau potable en territoire agricole au Québec (Pont-Rouge), faisant appel à des mesures de terrain et des simulations numériques. L’étude a porté principalement sur les ions nitrates et les bactéries indicatrices de contamination fécale, principaux indicateurs de pollution de l’eau souterraine en zone agricole. Une série de 38 piézomètres ont été installés sur l’aire d’alimentation dans le but de mesurer des paramètres physico-chimiques et bactériologiques de la qualité de l’eau. Parallèlement à ce suivi de terrain, un modèle déterministe d’écoulement de l’eau souterraine et de transport des nitrates en aquifère granulaire à nappe libre a été élaboré dans le but d’évaluer l’applicabilité du modèle pour la prédiction des teneurs en nitrates au captage municipal. Le calage du modèle comprend une analyse de sensibilité des principaux paramètres et variables du modèle, une étape d’ajustement à des résultats de terrain pour une période déterminée, ainsi qu’une validation du modèle. Suite au calage du modèle, la simulation de divers scénarios a permis de prévoir les effets de changements des pratiques agricoles et de mieux comprendre les teneurs en nitrates mesurées par le passé au captage de la ville. Les résultats d’analyses physico-chimiques démontrent l’impact significatif des activités agricoles sur la qualité de l’eau souterraine, particulièrement les teneurs en nitrates. Les résultats d’analyses microbiologiques montrent pour leur part la forte variabilité des mesures de bactéries indicatrices de contamination fécale au sein de l’aquifère étudié. Enfin, les résultats de modélisation numérique et des scénarios suggèrent que le modèle est adapté pour la simulation des teneurs en nitrates au captage municipal, et qu’une meilleure gestion des pratiques agricoles peut améliorer significativement la qualité de l’eau au captage.
A sound scientific basis for decision-making about land management and groundwater protection includes a proper understanding of the relationships between agricultural activities and the quality of pumped water at a municipal well. There is a need to assess both nitrate and bacterial contamination in a capture area, and to ensure that regulations through protection areas are adapted to prevent risks to consumer health. For this purpose, field monitoring and numerical simulations were performed on the actual case of a municipal well in an agricultural area in the province of Québec (Canada). A number of 38 piezometers were installed within the capture area in order to monitor physico-chemical and bacteriological parameters in groundwater. At the same time, a three-dimensional Water flow and Nitrate transport Global Model (WNGM) in unconfined aquifer was developed in order to simulate nitrate concentrations in the aquifer and in the municipal well, in relation with agricultural practice. Model calibration was performed using water level and nitrate concentration measured in the aquifer. The simulations of several scenarios provided a better understanding of past trends of nitrate concentrations in the municipal well, as well as predictions of nitrate concentrations in the municipal well assuming different land management practices within the capture area. The results of physico-chemical monitoring demonstrate the impact of agricultural activities on groundwater quality, particularly on nitrate levels. The results of bacteriological monitoring show a significant variability of bacteria content in groundwater. Finally, the results of the numerical simulation demonstrate that modelling is able to provide valid and useful prediction of nitrate levels in the municipal well, and that better agricultural practice can improve significantly groundwater quality at the well.

D’importants efforts ont été menés pour l’évaluation de la vulnérabilité des eaux souterraines grâce à des modèles physiques, adaptables à toutes sortes de contraintes liées aux ressources hydrogéologiques. Une approche nouvelle, fondée sur un modèle de processus pour l’évaluation de la vulnérabilité des ressources en eaux souterraines, est proposée et décrite pour le bassin versant de la rivière Saint-Charles, Québec. Un modèle couplé d’écoulements de surface (2D) et souterrains (3D) est implémenté pour une simulation en régime (quasi) permanent. Le temps de résidence de l’eau souterraine est calculé comme une caractéristique intrinsèque du milieu. Il est utilisé conjointement aux scénarios DPSIR (Driving forces - Pressures - State - Impact - Responses) futurs pour déterminer la sensibilité du système. Un changement climatique (diminution de la précipitation) ainsi qu’un changement d’occupation du sol (urbanisation) sont simulés. La distribution spatiale de la sensibilité du modèle est évaluée grâce à l’étude de différentes variables et forme une base pour la prédiction de la vulnérabilité, présentée en valeurs-seuils de dégâts du système hydrogéologique. Par la suite, les scenarios sont comparés à l’aide d’une analyse de décision multicritères (MCDA) qui fournit une base d’évaluation commune en tenant compte des critères quantitatifs (p.ex. pourcentage du système très vulnérable) et non-quantitatifs (p.ex. importance du scenario/probabilité). La MCDA donne la priorité au scenario de l’urbanisation par rapport à la vulnérabilité et à l’investigation des réponses potentielles. Ce travail fournit un outil puissant pour l’analyse de l’interaction de l’Homme avec son environnement. Une interprétation intégrée (surface/sous-sol) du système est essentielle parce que la vulnérabilité est une fonction de l’origine et de la nature de la pression, ainsi que la variable choisie pour analyser son impact. La plupart des impacts sur un système peuvent être mesurés, analysés et validés dans une modèle calibré en régime permanent. La fiabilité de prédictions de la vulnérabilité principalement souffre du manque d’unicité générale des modèles et l’incertitude des paramètres. Les travaux futurs devraient se concentrer sur l’amélioration de l’approche combinée en fournissant des recommandations claires d’évaluation de la vulnérabilité avec un catalogue de valeurs seuil différenciant les dégâts au système dans l’espace et le temps.
Approaches that rely on process-based models to assess groundwater vulnerability, as opposed to empirical relationships, have recently gained more attention as they have the potential to provide a general framework for all types of (re)source and stress relations. A comprehensive and sustainable management system is needed, based on integrated surface and groundwater models, for effective surface and groundwater protection on a scientific defensible basis. Using a process-based model, an approach to assess intrinsic groundwater vulnerability is proposed and demonstrated for the Saint-Charles River catchment, Québec. A fully integrated 2D surface and 3D groundwater flow model is implemented to simulate quasi steady-state flow in the catchment. Groundwater transit times, which represent an intrinsic system characteristic, are simulated with the flow model. They are then combined with future DPSIR (Driving forces - Pressures - State - Impact - Responses) vulnerability scenarios to assess the system sensitivity. Climate change (decreasing precipitation) and land use change (urbanization) scenarios are simulated. Sensitivity coefficients are calculated for multiple state variables and form the basis for the system vulnerability prediction, with system threshold values of well-being. The scenarios are then compared with a MCDA (Multi-Criteria Decision Analysis) framework, which provides a common evaluation basis, accounting for quantitative (e.g. highly vulnerable catchment percentage) and non-quantitative (scenario relevance and probability) criteria. The MCDA ranks vulnerability and response investigation for the urbanization scenario with highest priority. When combined, the physical and generic framework-based vulnerability approaches represent a powerful tool for analyzing human- environmental interactions and impacts. An integrated surface and groundwater consideration is essential because the vulnerability is a function of the nature and origin of pressure (i.e. scenario specific) and the state variable chosen. Most system changes and impacts can be measured, analyzed and validated within a calibrated model for (quasi) steady-state conditions. The reliability of predicted system vulnerabilities is mainly subject to conceptual and parameter uncertainties and can suffer from the non-unique model calibration issues. Future work should focus on improving the combined approach by providing a clear guidance for the vulnerability evaluation with a threshold rating system which classifies the system damage state in space and time.
Das Hauptaugenmerk rezenter Ansätze zur Grundwasser vulnerabilitäts Kartierung liegt auf Prozessbasierten Modellen auf der Grundlage eines allgemein umfassenden, universellen Rahmenwerkes. Zunehmender Focus liegt dabei auf der Entwicklung eines nachhaltigen Management Systems mit integrierter Betrachtung von Oberflächen- und Untergrundwasser. Ein prozessbasierter Modell Ansatz zur Bestimmung der intrinsischen Grundwasser Vulnerabilität ist hier vorgestellt und dessen Anwendung für das Grundwassereinzugsgebietes des Saint-Charles River, Québec, demonstriert. Ein integriertes, hydrogeologisches 2D Oberflächen und 3D Untergrund Modell wurde zu diesem Zweck erstellt, und auf dessen Basis das quasi stationäre Strömungsregimes des ausgewählten Einzugsgebietes simuliert. Grundwasser Verweilzeiten, als intrinsische System Charakteristik, sind mithilfe des Strömungsmodells berechnet. In Verbindung mit prognostischen DPSIR (Driving forces - Pressures - State - Impact - Responses) Vulnerabilität Szenarien dienen diese zur Berechnung der räumlichen Verteilung der System Sensitivitätskoeffizienten. Als Szenarien sind klimatischer Wandel (Niederschlagsabnahme) und landnutzungs Änderungen (Urbanisierung) betrachtet. Die Berechnung der Sensitivitätskoeffizienten beruht dabei auf verschiedenen System Zustandsvariablen und dient als Grundlage für die darauf aufbauenden, Grenzwert abhängigen Vulnerabilitätskoeffizienten. Ein Vergleich der unterschiedlichen Vulnerabilität Szenarien auf der Grundlage einer gemeinsamen Bewertungsbasis und unter Einbeziehung von quantitativen (z.B. prozentuale Verteilung der Einzugsgebiet Vulnerabilität) sowie nicht-quantitativen (z.B. Szenario Relevanz und Wahrscheinlichkeit) Kriterien ist mithilfe einer Multikriteriellen Entscheidungsanalyse (MCDA) erreicht. Das Urbanisierung Szenario ist dabei als Priorität bezüglich der Vulnerabilitätsbewertung sowie der Notwendigkeit weiterer (Gegenmaßnahmen) Untersuchungen eingestuft.Der kombinierte Ansatz eines physikalisch basierten Models auf der Grundlage eines allgemeinen Rahmenwerkes zeigt großes Potential für die Analyse und Interpretation von Wechselwirkungen zwischen Mensch und Umwelt. Eine integrierte Betrachtung von Oberflächen und Grundwasser erweist sich dabei als Essentiell, da die System Vulnerabilität sowohl von den betrachteten System Zustandsvariablen, als auch vom Szenario spezifischen Ursprung und der Art des betrachteten System Stresses abhängt. Die meisten Szenario abhängigen Systemänderungen innerhalb eines hydrogeologischen Systems können dabei auf der Grundlage eines kalibrierten, (quasi) stationären Models gemessen, analysiert und verifiziert werden. Die Verlässlichkeit der prognostizierten System Vulnerabilitäten ist dabei wesentlich bestimmt durch Faktoren wie dem Model Konzept und Parameter Ungewissheiten, sowie der Model Kalibrierung. Focus zukünftiger Arbeiten sollte auf der Verbesserung des vorgestellten kombinierten Ansatzes liegen, unter Einbeziehung eines Grenzwert Kataloges zur räumlichen und zeitlichen Definition des Systemzustandes.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018
Dans le cadre du projet PACES III pour la région de Chaudière-Appalaches, situé au sud de la ville de Québec, au Canada, l'étude présente une analyse approfondie de l’influence des dynamiques d’écoulement sur la qualité des eaux souterraines dans un contexte régional. L’écoulement régional, le transport d’âge et l'impact d'une faille sur la qualité de l'eau souterraine sont étudiés par l’entremise de modèles numériques bidimensionels. La combinaison des connaissances hydrogéologiques physiques et chimiques, y compris une analyse des concentrations de ¹⁴C dans les eaux souterraines échantillonnées, a conduit à l’ébauche d'un modèle conceptuel de l’écoulement régional. Ce dernier est mis à l’essais pas l’entremise d’un modèle d'écoulement numérique suivant une ligne d’écoulement régionale dans le plan 2D vertical à l’aide du logiciel FLONET. Le modèle est d'abord calibré à l’aide d’une méthode semi-automatisé qui utilise le logiciel PEST en comparant les charges simulés à la piézométrie régionale, et est validé par la comparaison des flux simulés à la recharge. Bien que le modèle affiche l’existence d’un écoulement régional profond, la région à l’étude apparaît être dominée par des systèmes d'écoulements locaux à des échelles maximales d'environ 5 km, avec un écoulement significatif dans le roc fracturé peu profond. L’écoulement actif se limitant à une profondeur maximale de 40 m à 60 m du roc fracturé, confirme que la géochimie des eaux souterraines échantillonnées à partir de puits résidentiels est susceptible d'être affectée par les eaux faisant parti de l’écoulement intermédiaire et régional. Le transport advectif-dispersif de l'âge est ensuite simulé avec le simulateur de transport TR2 et comparé aux temps de déplacement advectifs le long des lignes d’écoulements et à l'âge ¹⁴C des eaux échantillonnées. Enfin, l’influence de la faille de la Rivière Jacques Cartier sur le contexte hydrogéologique régional est étudiée à travers divers scénarios hypothétiques de perméabilité de faille.
As part of the PACES III project in the Chaudière-Appalaches region, south of Quebec City, Quebec, Canada, the study herein presents insights into the extent to which regional groundwater quality is shaped by flow dynamics. In this context, 2D numerical modelling is used to simulate regional flow, transport of groundwater age and the possible influence of a fault on groundwater quality. Combining physical and chemical hydrogeological knowledge, including an analysis of ¹⁴C concentrations in sampled groundwater, leads to the development of a regional conceptual flow model. The conceptual model is tested by representing the system with a two-dimensional numerical flow model oriented in the vertical plane roughly south-north towards the St. Lawrence River using the FLONET code. The model is first calibrated to regional piezometry through a semi-automated workflow using PEST and is then validated with average recharge values. Although some evidence for deeper regional flow exists, the area appears to be dominated by local flow systems on maximum length scales of about 5 km, with significant flow through the shallow fractured sedimentary rock aquifer. This regional scale flow model is also supported by the local hydrogeochemical signatures. Active flow appears contained within the top 40 m to 60 m of the fractured bedrock, which confirms that the geochemical signatures of groundwater sampled from residential wells are likely affected by the slow moving waters of the intermediate and regional flow systems. Advective-dispersive transport of groundwater age is then simulated with the TR2 transport model and compared with advective travel times and sampled ¹⁴C water ages. Finally, the possible role of the Jacques-Cartier River fault on regional flow dynamics is investigated by testing various fault permeability configurations.

Les effets des changements climatiques sont particulièrement importants dans les régions arctiques et subarctiques. L’augmentation de la température de l’atmosphère entraine notamment le réchauffement du pergélisol qui perd en épaisseur et en couverture spatiale. Cette dégradation a des conséquences sur les écosystèmes, le paysage, la stabilité des sols, des bâtiments et des infrastructures ainsi que sur les populations locales et sur leur mode de vie. La dégradation du pergélisol conduira probablement à la perte de la couche confinante formée par le pergélisol favorisant ainsi la recharge des aquifères et modifiant les interactions entre les eaux de surface et les eaux souterraines. Cependant, l’impact de cette dégradation sur la qualité et la disponibilité des eaux souterraines demeure en grande partie inconnu. Cette thèse a été motivée par le manque d’informations sur les eaux souterraines en région de pergélisol discontinu, par les changements environnementaux rapides liés au réchauffement climatique et par le potentiel de l’eau souterraine comme ressource en eau potable pour, entre autres, les communautés du Nunavik (Québec, Canada). Ce projet se concentre sur la compréhension des écoulements et sur la qualité de l’eau souterraine dans la vallée de Tasiapik, un petit bassin versant en zone de pergélisol discontinu proche d’Umiujaq au Nunavik. Cette étude se base sur une analyse approfondie de l’hydrogéochimie des eaux souterraines, des eaux de surface, des précipitations et du pergélisol riche en glace. Cette thèse est divisée en deux parties. La première partie (chapitre 2) est une revue de la littérature scientifique existante sur l’hydrogéochimie des eaux souterraines. La seconde partie (chapitre 3) présente l’étude hydrogéochimique des eaux souterraines dans la vallée de Tasiapik. Cette thèse est complétée par une introduction générale (chapitre 1), une synthèse (chapitre 4) et une conclusion (chapitre 5).
La première partie, chapitre 2, résume l’état actuel des connaissances sur l’hydrogéochimie des eaux souterraines dans les régions affectées par le pergélisol et sur les impacts potentiels de la dégradation du pergélisol sur la qualité des eaux souterraines. Les caractéristiques hydrogéochimiques des eaux souterraines dans les zones de pergélisol dépendent des mêmes réactions que dans les régions où il n’y a pas de pergélisol. Cependant, le pergélisol agit comme une couche confinante qui peut influencer la chimie des eaux souterraines en empêchant la recharge directe des aquifères et en augmentant le. Un temps de résidence, favorisant ainsi plus long augmente également les interactions eau-roche. Un des impacts majeurs des changements climatiques sur les eaux souterraines sera associé à la perte de cette couche confinante. Les futures études en lien avec l’hydrogéologie en zone de pergélisol devraient donc inclure une meilleure caractérisation hydrogéochimique insitu afin de mieux évaluer l’impact du réchauffement climatique sur les eaux souterraines. La deuxième partie, chapitre 3, utilise l’hydrogéochimie comme outil pour mieux comprendre la dynamique de la recharge et développer un modèle conceptuel pour l’écoulement des eaux souterraines dans la vallée de Tasiapik. Cette étude se base sur l’analyse d’échantillons de précipitations, d’eau souterraine, de glace du pergélisol, de lacs de thermokarst et de cours d’eau. L’hydrogéochimie des eaux souterraines dans le bassin versant est typique d’eaux jeunes, avec une faible minéralisation. Cela implique des circulations et des temps de résidence relativement courts. Ce jeu de données hydrogéochimiques pourra servir de référence pour documenter les impacts des changements climatiques sur le système hydrogéologique et l’interprétation qui en est tirée permettra de mieux comprendre la dynamique des eaux souterraines d’aquifères en régions froides.
L’eau souterraine dans le bassin versant d’Umiujaq répond aux normes de qualité canadiennes et québécoises pour l’eau potable. Cependant, la distance entre la vallée et la communauté rendent le site peu propice pour l’alimentation en eau d’Umiujaq. Ces résultats sont encourageants pour l’utilisation d’eau souterraine comme ressource ailleurs au Nunavik et dans les régions circumpolaires. La vulnérabilité de cette ressource potentielle doit néanmoins être considérée et la délimitation de zones de protections en fonction de l’état du pergélisol doit être envisagée pour éviter toute contamination de cette ressource fragile. En résumé, cette étude a apporté des données détaillées sur l’hydrogéochimie des eaux souterraines en zone de pergélisol discontinu qui combinées à des modèles hydrogéologiques et thermiques, ont permis de mieux comprendre les interactions entre les eaux souterraines et le pergélisol dans un environnement vulnérable soumis à des pressions économiques et climatiques.
The first part, Chapter 2, provides a summary of the current state of knowledge of groundwater hydrogeochemistry in permafrost-affected areas and reviews the potential impacts of permafrost degradation on groundwater quality. The hydrogeochemical characteristics of groundwater in permafrost areas depend on the same reactions as in permafrost-free areas. As a confining layer, permafrost can influence groundwater chemistry by limiting recharge and exchanges between the soil, surface water and groundwater. Longer residence times also increase water-rock interactions. One of the most important impacts of climate change on groundwater will probably be associated with the loss of the confining layer. In permafrost areas, there is a general lack of detailed hydrogeological studies which use direct groundwater sampling. Future studies related to hydrogeology in permafrost areas should therefore include better in-situ hydrogeochemical characterization to assess the potential for using groundwater as the climate warms. The second part, Chapter 3, uses hydrogeochemistry as a tool to better understand recharge dynamics and to develop a conceptual model for groundwater flow in the Tasiapik Valley, Umiujaq. This study is based on the analysis of samples taken from precipitation, groundwater, ice from permafrost mounds and from thermokarst lakes and streams. Groundwater hydrogeochemistry in the watershed is typical for young waters, with low mineralization. This implies relatively short flow paths (on the order of 100-1000 m) and short residence times. This hydrogeochemical dataset will provide a reference for documenting the impacts of climate change on the hydrogeological system and will improve our understanding of groundwater dynamics in cold-region aquifers.
Groundwater in the Umiujaq watershed meets Canadian and Quebec drinking water quality standards. However the distance between the valley and the Umiujaq community makes the site unfavourable as a local water supply. These results are promising for the use of groundwater as a water supply elsewhere in Nunavik and in circumpolar regions. The vulnerability of this potential resource must nevertheless be taken into account and the delineation of protection zones considering the state of permafrost must be considered to avoid contamination of this fragile resource. Finally, this study provides detailed baseline data on groundwater hydrogeochemistry in a discontinuous permafrost zone. This data, combined with hydrogeological and thermal models, will provide a better understanding of the interactions between groundwater and permafrost in a sensitive environment undergoing significant climate change and economic development.
Arctic and subarctic regions are particularly vulnerable to climate change. Higher air temperatures, for example, lead to permafrost warming which decreases its thickness and spatial coverage. Permafrost degradation has consequences on ecosystems, landscapes, the stability of soils, buildings and infrastructure, as well as on local populations and their way of life. The effect of permafrost degradation on groundwater is likely to result in the loss of the confining layer formed by permafrost, thereby promoting aquifer recharge and modifying interactions between surface water and groundwater. However, the effect of permafrost degradation on groundwater quality and availability is still largely unknown. With increasing concerns of rapid global warming, this thesis was motivated by the lack of information on groundwater in discontinuous permafrost regions and the potential of groundwater as a drinking water resource for communities in Nunavik (Quebec, Canada). This project focuses on understanding groundwater flow and groundwater quality in the Tasiapik Valley, a small watershed located in a discontinuous permafrost zone near Umiujaq, Nunavik, Quebec. Insights into the hydrogeological system are provided by conducting a comprehensive hydrogeochemical analysis of groundwater, surface water, precipitation and water contained in ice-rich permafrost. The thesis is divided into two parts. The first part (Chapter 2) presents a review of the existing scientific literature on groundwater hydrogeochemistry. The second part (Chapter 3) presents a specific hydrogeochemical study of groundwater in the Tasiapik Valley. The thesis also includes a general Introduction (Chapter 1), Synthesis (Chapter 4) and Conclusions (Chapter 5).

En Outaouais, les eaux souterraines sont une ressource essentielle pour les besoins domestiques et agricoles (hors ville de Gatineau, qui utilise les eaux de surface). La région d’étude repose sur le Bouclier Canadien, fait de roches silicatées fracturées recouvertes par les sédiments résultants de la dernière glaciation-déglaciation. Dans ce contexte, améliorer les connaissances sur le fonctionnement des aquifères est vital pour une utilisation durable de la ressource. Pour atteindre cet objectif, un modèle conceptuel a été proposé résultant de l’interprétation des données géochimiques couplée à la modélisation numérique. L’altération des silicates, l’intrusion d’eau saline de l’ancienne Mer de Champlain suivie de l’échange cationique dans les argiles marines affectant les aquifères confinés ainsi que les mélanges d’eaux sont les principaux processus identifiés par une analyse statistique multivariée. A échelle locale, une signature des isotopes stables similaire à celle de la pluie actuelle et la présence de tritium indiquent des temps de résidence relativement courts dans les 100 premiers mètres de profondeur, ce qui est confirmé par la modélisation des écoulements et des âges. La présence d’hélium 4 est attribuée à la diffusion depuis des eaux plus profondes et plus âgées, résultant de la diminution de la conductivité hydraulique avec la profondeur. Des mélanges résultent de l’échantillonnage dans des puits ouverts. Dans les aquifères non confinés, les activités en 14C sont principalement le résultat de l’équilibre de l’eau de recharge avec le CO2 du sol dans un système ouvert suivi de l’altération des silicates par du CO2 fossile ou de la dissolution des carbonates en milieu fermé plutôt que de la décroissance radioactive. Finalement, la simulation des chlorures montre que les restes de la Mer de Champlain seraient présents dans les argiles marines et dans les zones moins perméables de l’aquifère confiné par rapport aux eaux caractérisés par l’échange cationique. L’étude a permis de caractériser la qualité des eaux souterraines dans la partie fracturée du bouclier canadien dans les dépôts du Quaternaire à l’échelle régionale. Les systèmes locaux d’écoulement, avec des temps de résidence courts dans la partie supérieure du roc sont essentiels et doivent être pris en compte pour évaluer la vulnérabilité des ressources en eaux souterraines.
Throughout most of the Outaouais Region, groundwater is an essential resource for both for domestic and agricultural use (except in the city of Gatineau which uses surface water). The study area lies in the Canadian Shield, and includes a fractured silicate bedrock aquifer which is covered by sediments from the last glacial-deglacial period. In this context, improving our understanding of aquifers is vital for a sustainable use of this resource. To fulfill this objective, a conceptual model was proposed based on the interpretation of geochemical data coupled to numerical modelling. Silicate weathering, seawater intrusion by the former Champlain Sea and subsequent cation exchange in marine clays affecting groundwater quality in confined aquifers, and mixing between waters of different ages are identified by a multivariate statistical analysis as the principal geochemical processes. At the local scale, a stable isotope signature similar to current precipitation and the presence of tritium indicate relatively short residence times in the first 100 m below ground surface, which was confirmed by numerical flow and age modelling. The occurrence of helium 4 is attributed to diffusion from deeper older groundwater within lower hydraulic conductivity zones. Some mixing due to sampling in open boreholes may also have occurred. In the unconfined aquifer, 14C activities appear to be the result of such as equilibration of recharge water with soil CO2 in open conditions coupled to silicate weathering by fossil CO2 or carbonate dissolution under closed conditions, rather than from radioactive decay. Finally, chloride transport simulations show that remnants of the Champlain Sea would still be found in marine clays and in the less permeable zones of the confined aquifer whereas groundwater characterised by cation exchange are found in more permeable zones. The study has helped characterize regional groundwater quality in the upper fractured zone of the Canadian Shield and in the Quaternary sediments of the Outaouais region. It has shown the importance of local scale groundwater flow systems and relatively rapid flow in the upper part of the bedrock which need to be considered when assessing the vulnerability of these regional groundwater resources.

Plusieurs approches réglementaires ont été développées pour assurer la protection des sources d’eau potable. Au Québec, le Règlement sur le prélèvement des eaux et leur protection (RPEP) exige la délimitation d’aires de protection spécifiques à l’intérieur de l’aire d’alimentation des prises d’eau potable. Cette délimitation est basée sur des distances fixes. Certaines activités, qui posent un risque pour la qualité de l’eau, sont restreintes dans ces zones protégées. Cependant, pour les eaux de surface, l’utilisation d’unités de distance n’est pas nécessairement représentative du temps disponible pour réagir face à une contamination puisqu’elle ne considère pas des facteurs tels que le contexte hydrologique, l’occupation du territoire et les cheminements préférentiels de l’eau qui influencent le temps de parcours des polluants. Le temps disponible pour l’intervention correspond à la somme du temps de cheminement (entre le point d’émission et l’arrivée du contaminant dans un cours d’eau à débit permanent) et du temps de parcours en cours d’eau à débit permanent (le transport du contaminant dans un cours d’eau à débit permanent jusqu’à la prise d’eau). L’objectif de ce projet est d’évaluer l’influence du temps de cheminement sur le temps disponible pour réagir. Le cas d’étude est bassin versant de la principale prise d’eau potable de la Ville de Québec. Cinq méthodes d’évaluation du temps de cheminement ont été évaluées, à savoir celle proposée par le RPEP, une évaluation de la longueur de cheminement à vol d’oiseau et selon le réseau de drainage ainsi que l’estimation du temps de cheminement selon la méthode du TR-55 et selon le réseau de drainage. Pour appliquer et comparer ces méthodes, 144 propriétés situées dans l’aire d’alimentation de la prise d’eau à l’étude ont été considérées. Pour ces propriétés, 30 cheminements de l’eau distincts ont été identifiés. Il a été constaté que la méthode d’évaluation des longueurs à vol d’oiseau n’est pas représentative du cheminement potentiel des contaminants. Les méthodes basées sur l’estimation des temps de cheminement présentent des résultats comparables bien qu’il serait pertinent d’appliquer ces méthodes à d’autres bassins versants pour valider les résultats. Les temps de cheminements estimés sont majoritairement situés dans un intervalle entre 0 et 15 min pour les deux méthodes appliquées sur le cas d’étude. Pour la méthode du TR-55 et selon le réseau de drainage, cet intervalle de temps représente le cheminement de 58 % et 64 % des propriétés analysées, respectivement. À partir des résultats obtenus, ce mémoire de recherche conclut que les temps de cheminement, bien qu’ils doivent être considérés dans la protection des sources d’eau potable, représentent une faible proportion du temps disponible comparativement aux temps de parcours en cours d’eau à débit permanent, qui eux sont beaucoup plus importants, de l’ordre de plus de 14,5 h dans le cas d’étude.

Une étude hydrogéologique conjointe de l'Université Laval et de la Commission Géologique du Canada (CGC) a été réalisée dans le bassin versant de la rivière Chaudière. Le but de cette étude est d’accroître les connaissances sur le système hydrogéologique du bassin versant de la rivière Chaudière qui s’étend de la frontière américaine jusqu’au fleuve Saint-Laurent. La zone étudiée a une superficie de 6675 km2. Il s’agit d’une région densément peuplée (~ 390,000 hab.) à vocation principalement agricole où 65 % de la population utilise l’eau souterraine comme principale source d’eau potable. L’aquifère régional se compose de deux unités principales : le substratum rocheux de la province géologique des Appalaches et certaines unités quaternaires granulaires. Le confinement de l’unité rocheuse est contrôlé par des sédiments glaciaires, marins ou lacustres fins d’épaisseurs et de distribution variables. L’écoulement dans le roc se fait dans sa partie supérieure où la fracturation est la plus importante. La première étape des travaux a d’abord consisté à définir les propriétés hydrauliques des formations géologiques. Les données utilisées proviennent de divers rapports, de données du système d’information hydrogéologique (SIH), du Ministère du Développement Durable, de l’Environnement, de la Faune et des Parcs du Québec (MDDEFP), de rapports de consultants ainsi que d’une campagne de travaux de terrain effectuée à l’été 2007. Parmi ces données, la conductivité hydraulique (K) constitue la principale propriété à définir. Plusieurs valeurs de K ont été extraites directement ou indirectement de rapports existants. Une partie importante des valeurs de la conductivité hydraulique a été estimée à partir de la base de données SIH. Parmi celles-ci, 1333 valeurs ont été évaluées à partir de la capacité spécifique (Bradbury et al, 1985); 89 de ces mesures ont étés qualifiées de données de qualités car elles respectent toutes les conditions de la méthode, à l’exception du temps de pompage souvent trop court (94% des cas). En se basant sur les mesures recueillies, la moyenne géométrique des données de conductivité hydraulique (K) s’élève à 5 x 10-6 m/s avec un écart-type du logarithme de K égal à 0.60. La lithologie ne semble pas avoir une grande influence sur les valeurs de la conductivité hydraulique car toutes les valeurs moyennes de chacune des lithologies se trouvent à l’intérieur d’un même ordre de grandeur. Un modèle numérique a été construit pour l’ensemble de la zone d’étude à l’aide du logiciel de modélisation par éléments finis Watflow (Molson et al., 2002) afin d’interpréter le système d’écoulement de l’eau souterraine au niveau régional. Le modèle tridimensionnel est composé de 28 couches dont 18 représentent les dépôts meubles et 10 le roc. Le maillage 3D comprend 1
A joint hydrogeological assessment study between Université Laval and the Geological Survey of Canada (GSC) has been conducted in the Chaudière River watershed. The main objective of the study was to gain further understanding into the groundwater resources within the region. The watershed extends over ~ 6700 km2 from the United States border northwards to the Saint Lawrence River in the province of Québec (Canada). Groundwater is an important source of drinking water as well as for irrigation and industrial use, however the supply is finite and there are potential risks of conflicts arising from different users. It is thus important to understand the aquifer systems throughout the watershed in order to avoid possible conflicts and to help decision makers to better manage the resource. Within the catchment, up to 65% of the population relies on groundwater as the primary drinking water resource, whereby most of the water is used for agricultural purposes. The regional aquifer system is dominated by the underlying rock substratum of the Appalachian province and Quaternary aquifer units. The degree of confinement of the fractured aquifers is controlled by the overlying glacial, marine and fine lacustrine sediments of variable thicknesses. The groundwater circulation within the fractured aquifers predominantly takes place in the uppermost part of the fractured water-bearing units, where fracture density is highest. As a first step, the hydraulic properties of the fractured basement were defined, for which the hydraulic conductivity (K) of the formations can be considered as the most important hydraulic characteristic. A literature review of the available reports as well as the SIH and the MDDEFP data bases was performed in order to assemble the data. Additional field work was completed by the GSC during the spring of 2007 to supplement the data base. Most of the values of the hydraulic conductivity K were taken from the existing reports while others were estimated from the SIH data base. The data base contains 1333 values which were evaluated using Bradbury’s method, of which 83 satisfied the “quality criteria”, since they respected suggested conditions regarding the minimum pumping (which was not met in 94% of the cases). The geometric mean value of the measured hydraulic conductivities was 5x10-6 m/s with a standard deviation of 0.60. The maximum difference between the hydraulic conductivities of the different lithological units was about a factor of 100x. A 3D numerical finite element model was built with the Watflow model (Molson et al., 2002) for simulating the regional groundwater flow system. The model domain extends over the entire watershed and is subdivided into 28 layers, 18 for the unconsolidated deposits and 10 within the basement rock. The 3D triangular prismatic mesh contains 1,694,672 nodes and 3,344,516 elements. The topographic DEM (digital elevation model) forms the uppermost surface of the model. For the model boundary conditions, the Chaudière River and major tributaries and lakes are set as first-type boundaries with constant hydraulic heads. The model base, as well as the lateral limits, are considered as no-flow boundaries. The net recharge over the model surface was estimated using the infiltration model HELP, combined with estimates of the surface-distributed local water withdrawals. The major pumping wells are represented in the model domain as point sinks. The horizontal hydraulic conductivity together with the vertical anisotropy values for each formation were used as the model calibration parameters, using the observation data from 68 observation wells. The results of the calibration of the model showed that the mass balance error is close to zero which implies that the sum of inflows is equal to the sum of outflows. Different scenarios with recharge variations were simulated with the calibrated model. The simulations allowed identifying the principal sensitive zones which need piezometric and water quality control. It was also possible to determine the areas most sensitive to climate variations. Changes in the rate of pumping and recharge (± 20%) did not have a significant impact on the modeled system mainly in relation to groundwater level (observed variations were ≤5m).