HELP (Hydrologic Evaluation of Landfill Performance) est un modèle déterministe quasi-bidimensionnel de transport de l’eau qui a été conçu pour évaluer les performances hydrologiques des sites d’enfouissement et des installations de confinement. HELP est un modèle qui est largement accepté par la communauté scientifique et dont le code source est disponible gratuitement. Bien qu’il ait été développé pour l'analyse hydrologique des membranes des sites d’enfouissement, ce modèle peut également être utilisé pour calculer la recharge naturelle des eaux souterraines. En effet, HELP permet de simuler tous les processus hydrolo- giques importants affectant la recharge : l’interception des précipitations, l’évapotranspiration, le ruisselle- ment de surface et de sous-surface de même que les effets du gel et l’accumulation et la fonte de la neige à la surface du sol. D’ailleurs, le modèle HELP a déjà été utilisé dans de nombreuses études régionales pour générer des estimations physiques de la recharge très détaillée dans le temps et l'espace.
Jyrkama et al. (2002) ont été les premiers à utiliser cette approche pour démontrer l'importance d'utiliser une condition aux limites de recharge spatialement distribuée et variant dans le temps pour la modélisation des eaux souterraines. Croteau et al. (2010) ont ensuite amélioré et développé la méthodologie davantage pour évaluer la recharge spatialement distribuée pour le bassin versant de la rivière Châteauguay. La mé- thode a également été utilisée pour estimer la recharge dans de nombreux projets régionaux PACES, y
compris ceux couvrant les régions de la Montérégie Est (Carrier et al. 2013) et de Chaudière-Appalaches (Lefebvre et al. 2015). Récemment, dans le cadre du projet RADEAU2 une approche similaire a été suivie pour estimer la recharge spatialement distribuée des aquifères pour les régions de Laval et des Laurentides puisque ces régions n’avaient alors pas encore été couvertes par les projets PACES (Raynauld et al. 2018). Toutefois, l’évaluation de la recharge spatialement distribuée à l’échelle régionale avec le modèle HELP est plutôt lourde à mettre en œuvre. Premièrement, le modèle HELP n'est pas maintenu ou développé de façon active actuellement et les technologies dont il dépend sont rendues obsolètes. Le code source du modèle est écrit dans le langage de programmation FORTRAN 77 et n’a subi aucune révision ou mise-à- jour depuis 1997. De plus, la version compilée la plus récente du modèle (HELP v3.07) est un programme DOS exécutable 16 bits qui ne fonctionne pas sur Windows 7 et les systèmes plus récents et nécessite l’utilisation d’un émulateur. Deuxièmement, tel que mentionné précédemment, HELP a été développé pour la conception des sites d’enfouissement et une condition unique de couches de matériaux. L'application de HELP à plusieurs milliers de cellules avec des conditions variables nécessite des efforts importants pour traiter les données d'entrée et de sortie, ce qui est sujet aux erreurs.
Afin de faciliter l'application de HELP pour évaluer la recharge des eaux souterraines spatialement distri- buée à l'échelle régionale, Gosselin et al. (2019b) ont développé une nouvelle librairie Python nommé Py- HELP. Pour ce faire, Gosselin et al. (2019b) ont tout d’abord corrigé quelques problèmes avec le code source afin de pouvoir compiler HELP avec le compilateur GFortran15 sur Windows 64 bits. Ils ont ensuite adapté le code pour construire une extension Python de HELP, ce qui permet de gérer plus facilement les entrées et les sorties de HELP avec Python et de paralléliser les calculs. La librairie PyHELP comprend un ensemble d’outils pour intégrer facilement les données météorologiques sur grille ou par station, les condi- tions du sol définies par une série de cartes GIS, ainsi que les propriétés du sol et des matériaux géologiques dans les fichiers d'entrée HELP. PyHELP traite également les résultats de simulation HELP et permet de les afficher sous forme de cartes et de graphiques, y compris des comparaisons des résultats de simulation avec le débit total et le débit de base des hydrogrammes de cours d'eau pour calibrer les paramètres d'entrée du modèle. PyHELP accompagne ainsi les utilisateurs tout au long du processus d'estimation de la recharge avec HELP, de l'assemblage du fichier d'entrée, à la calibration du modèle et à la documentation des résul- tats. PyHELP est un projet à code ouvert et est disponible gratuitement sur GitHub16.
La procédure de calcul pour l’estimation de la recharge avec PyHELP est illustrée à la figure 10.5 et consiste d’abord à diviser la région d’étude en une grille uniforme. Par la suite, les données géomatiques (latitude, longitude, pente moyenne, etc.) et les propriétés des couches de sols (porosité, épaisseurs des couches, conductivité hydraulique, etc.) doivent être définies pour chacune des cellules de la grille et le tout doit être formaté et sauvegardé dans un fichier csv dans le format prescrit dans la documentation de PyHELP17. De plus, des données climatiques journalières (précipitations, température moyenne de l’air et radiation solaire) doivent être préparées et sauvegardées dans des fichiers csv dans le format prescrit dans la documentation de PyHELP. À noter qu’il n’est pas requis de définir des données climatiques à chacune des cellules de la grille de la région d’étude, ni d’avoir des données climatiques sur des grilles homogènes ou régulières.
15https://gcc.gnu.org/wiki/GFortran 16https://github.com/cgq-qgc/pyhelp
Figure 10.5 – Diagramme de la procédure de calcul pour l’estimation de la recharge avec PyHELP (tiré de Gosselin et al. 2019b).
Une fois les données d’entrée préparées, PyHELP permet de lancer l’exécution de HELP pour calculer l’évapotranspiration, le ruissellement de surface, le ruissellement de sous-surface (superficiel et profond) et la recharge de l’aquifère rocheux sur une base mensuelle pour chacune des cellules pour lesquelles le contexte le permet. La figure 10.6 illustre les différentes composantes du bilan hydrogéologique qui sont considérées par HELP lors du calcul de la recharge. Le ruissellement de surface correspond au ruissellement sur la surface du sol. Le ruissellement de sous-surface superficiel correspond à l’écoulement latéral de l’eau dans le sol alors que le ruissellement de sous-surface profond correspond à l’écoulement latéral de l’eau dans les dépôts meubles. La percolation correspond à la quantité d’eau qui s’infiltre sous les horizons de sol, soit les précipitations moins l’évapotranspiration et moins le ruissellement de surface et de sous-surface superficiel. Enfin, la recharge correspond à la quantité d’eau qui atteint l’aquifère rocheux.
Les calculs pour chaque cellule sont exécutés en parallèle. Pour chacune des cellules, PyHELP s’occupe de produire automatiquement les fichiers d’entrée nécessaires aux calculs de HELP, de lancer les calculs avec HELP et de lire les données de sortie de HELP et de compiler les résultats dans une grille qui peut ensuite être sauvegardée dans un fichier HDF5. PyHELP permet ensuite de traiter les résultats et de les afficher sous forme de cartes ou de graphiques.
Le processus de calage consiste à optimiser les paramètres du modèle (profondeur racinaire, conductivité hydraulique des sols, etc.) de façon à ajuster les composantes du bilan hydrique annuel calculées avec HELP au débit total et au débit de base mesurés dans une rivière d’un sous-bassin jaugé. Le débit total annuel est calculé en sommant la recharge avec le ruissellement de surface et de sous-surface (superficiel et profond) alors que le débit de base est obtenu en sommant la recharge avec le ruissellement de sous-surface (super- ficiel et profond) tel que :
Débit Total = Precipitations - Évapotranspiration Équation 6
Débit de Base = Recharge + Ruissellement de sous-surface Équation 7
Un exemple de figures de calage produites par PyHELP est présenté à la figure 10.7 pour le bassin versant de calage de la rivière du Nord situé dans les Laurentides.
Figure 10.6 – Composantes hydrologiques considérées par le modèle HELP pour l’estimation de la recharge (tiré de Ray- nauld et al. 2018).
Figure 10.7 – Exemple de graphiques de comparaison du débit total et du débit de base annuel des rivières pour le bassin versant de calage de la rivière du Nord dans les Laurentides (tiré de Raynauld et al. 2018).
Ainsi, il serait possible d’utiliser cette approche pour évaluer la recharge spatialement distribuée sur l’en- semble du territoire couvert par le RSESQ. Le travail a d’ailleurs déjà été réalisé pour une bonne partie du territoire dans le cadre de quelques projets PACES et divers autres projets de caractérisation hydrogéolo- gique (ex. : Lefebvre et al. 2015; Carrier et al. 2013; Raynauld et al. 2018; Croteau et al. 2010). Les travaux réalisés à ce jour dans ces diverses études régionales n’ont toutefois permis de produire qu’un portrait sta-
tique de la recharge au moment de la réalisation de ces projets. Dans un premier temps, il serait donc es- sentiel de développer des outils et un cadre méthodologique qui permettraient de facilement incorporer les nouvelles données climatiques et d’assimiler les nouvelles données de calage afin de produire des estima- tions à jour de la recharge sur une base régulière. En parallèle, il serait nécessaire de faire un recensement de tous les projets de caractérisation hydrogéologique qui ont permis d’évaluer la recharge spatialement distribuée sur le territoire québécois. Dans un second temps, il serait nécessaire de reprendre les travaux d’évaluation de la recharge spatialement distribuée sur le territoire du Québec et d’uniformiser et formater les données d’entrée dans un format compatible avec PyHELP. Des évaluations à jour de la recharge pour- raient ensuite être produites pour les régions concernées. Enfin, il serait nécessaire de réaliser le travail pour les régions du Québec couvertes par le RSESQ, mais pour lesquelles la recharge spatialement distribuée n’a pas encore été évaluée.
Les travaux proposés ci-dessus permettraient de fournir des informations essentielles pour la production éventuelle de rapports périodiques de suivi de l’état des nappes à l’échelle du Québec, tel qu’il est fait actuellement de façon mensuelle en France par la Direction Eau, Environnement et Ecotechnologies du Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM)18. De plus, ce travail pourrait constituer une base sur
laquelle des travaux futurs pourraient s’appuyer pour évaluer l’impact des changements climatiques sur la recharge en climat futur. Ceci est d’ailleurs discuté plus en détail à la section suivante.
V
ARIATIONS DE LA RECHARGE EN CLIMAT FUTURMandat : Développer une méthodologie visant à anticiper les variations de la recharge des eaux souter- raines en climat futur (incluant des recommandations sur les scénarios climatiques à utiliser) à chacune des stations du RSESQ, et formuler au Ministre les recommandations particulières relatives à l’approche à privilégier pour en incorporer l’application aux opérations de gestion du RSESQ et en faciliter la diffu- sion sur le site Internet du MELCC.