4.1 Propriétés hydrauliques
4.1.2 Résultats de l’analyse des propriétés hydrauliques
4.1.2.1 Statistiques sur la conductivité hydraulique et la transmissivité
Les diagrammes en violons de la figure 4.2 présentent les distributions statistiques du logarithme en base 10 des valeurs des estimations de la conductivité hydraulique (log10 K), en distinguant les valeurs associées aux puits terminés dans le roc (9 061 puits) par rapport aux puits installés dans dépôts meubles (274 puits). Ce graphique suggère qu’il y a un écart moyen d'environ 2 à 3 ordres de grandeur entre les K des aquifères granulaires et les K de l'aquifère rocheux régional (selon qu'on compare les médianes ou les modes principaux). De plus, le diagramme suggère une distribution bimodale pour les K des aquifères granulaires, avec un premier mode à environ 2×10-4 m/s, puis un second à environ 1×10-6 m/s. Des analyses plus poussées des informations sur les unités quaternaires traversées par les puits seraient toutefois nécessaires pour déterminer si chaque mode correspond à un contexte quaternaire distinct.
Figure 4.2 : Distributions des valeurs de T et K pour les puits dans les aquifères rocheux et granulaires La figure 4.3 présente à nouveau la distribution statistique du log10 des valeurs de T et de K à l’aide de diagrammes en violons, mais cette fois les valeurs sont regroupées par contexte géologique des puits terminés dans le roc. Ces diagrammes montrent une légère variabilité de la propriété, que ce soit K ou T, entre contextes hydrogéologiques, avec une médiane globale de -6.5 (soit environ 3×10-7 m/s) pour K et de -5 (soit environ 1×10-5 m2/s) pour T. De plus, la courbure en cloche des violons vérifie l'hypothèse de lognormalité énoncée en 4.1.1.2 pour ces deux propriétés hydrauliques : en d'autres mots, leurs valeurs, une fois transformées par le log10, appartiennent à une distribution pratiquement normale. Les distributions statistiques de K ou T, par groupe ou globales, peuvent donc être décrites avec deux paramètres : l'espérance μ et l'écart-type σ. Typiquement, la moyenne arithmétique est utilisée pour évaluer μ, mais dans cette étude régionale la médiane ou le mode sont préférables à la moyenne pour évaluer μ, car moin sensible aux valeurs extrêmes. À titre informatif, les écart-types globaux sont : σK ≈ 1.0 m/s ; σT ≈ 0.8 m2/s.
Par ailleurs, les points de couleur superposés aux violons montrent que les valeurs provenant des rapports de consultants (champs e_interp_T : « de T essai » et e_interp_K : « de K essai » de la BDPH ; voir la légende au coin inférieur gauche de chaque diagramme) sont majoritairement supérieures aux valeurs médianes, le biais étant plus grand encore pour les valeurs « de K essai ». Une explication serait que les consultants ont tendance à présenter surtout les résultats des essais hydrauliques fructueux dans les rapports, les autres essais n'étant alors rapportés que dans le SIH. Le niveau de détail très limité des informations sur les essais hydrauliques ne permet toutefois pas d'analyser les différences entre les estimations de Kessai et de Tessai davantage (voir la section 5.1.2 pour T et K des puits municipaux).
Remarque : les abréviations utilisées pour les contextes sont définies dans la légende de la figure suivante (4.4) Figure 4.3 : Diagrammes en violons résumant les distributions statistiques de la transmissivité T (m2/s) et
de la conductivité hydraulique K (m/s) pour chaque contexte géologique de la région d'étude Tableau 4.1 : Conductivité hydraulique K (m/s) du roc par contexte géologique (livrable 21)
Contexte Médiane du log10 de T Médiane du log10 de K Nombre d'estimations disponibles Profondeur dans le roc (médiane) Profondeur du toit du roc (médiane) Prof. totale du forage (médiane) Plate-f. du St-Laurent -5.07 -6.73 241 57.9 4.9 67.9
Zone Humber externe -4.95 -6.46 4966 38.1 3.7 45.1
Zones Humber internes -5.02 -6.50 1431 35.3 4.0 41.9
Zone de Dunnage -5.01 -6.46 1383 36.6 4.6 44.2
Ceinture de Gaspé -4.97 -6.47 1023 38.4 3.7 45.7
Intrusifs -4.86 -6.25 15 29.0 3.0 32.6
Ensemble -4.97 -6.47 9061 38.1 4.0 45.1
Il est important de mentionner que les analyses de K et T en fonction de la profondeur, présentées plus loin dans cette section, démontrent que la K de l'aquifère rocheux est contrôlée par la profondeur dans le roc davantage que par la géologie locale. Les statistiques de K ou T par contexte ou par formation
géologique sont donc d'utilité et de pertinence limitées. Néanmoins, le tableau 4.1 synthétise, par contexte géologique, les tendances centrales de K, de T et de quelques profondeurs caractéristiques des puits. La figure 4.4 synthétise plusieurs informations d'intérêt par rapport à la relation entre T ou K et la profondeur (z). Tout d'abord, en trame de fond, toutes les données de T(z) ou K(z) sont affichées sur les graphiques en points gris pâle. Ensuite, les médianes calculées à intervalles de profondeur réguliers (10 m) sont représentées par des carrés de couleurs correspondant aux contextes géologiques (voir la légende au bas de la figure). L'intérieur des carrés n'est pas coloré quand le nombre de données disponibles pour l'intervalle de profondeur est jugé insuffisant (ni < 10). Une courbe, définie à l’aide de la fonction non linéaire suivante développée pour K(z) (Jiang et al., 2010) peut être ajustée aux médianes de
K, par contexte, tel que réalisé par Laurencelle et al. (2011; 2013) pour la Montérégie Est :
4.2
Plate-forme du Saint-Laurent (PFSTL) Zone de Dunnage (DUNN)
Zone de Humber externe (ZHEXT) Ceinture de Gaspé (CG)
Zone de Humber interne ouest (ZHINTO) Tous les contextes (TOUS)
Zone de Humber interne est (ZHINTE) Courbe K(z) = T0 / z (fictive)
Remarque : les abréviations entre parenthèses sont utilisées dans la figure précédente (4.3)
Figure 4.4 : Dépendance des propriétés hydrauliques à la profondeur dans le roc, par contexte géologique : à gauche, relation log10 T(z) ; au centre, relation log10 K(z) ; à droite, densité relative en
données par contexte, selon leur profondeur dans le roc (z) (densité normalisée par le maximum) Dans l'équation 4.2, les indices 0 (zéro) réfèrent à la valeur qu'aurait la variable indicée à une profondeur nulle (z = 0 m; à la surface du roc), z est la profondeur sous la surface du roc, λ/λ0 est la densité relative de
fractures à une profondeur z, zc est une profondeur de référence et br/b0 est une évaluation de l'ouverture
adaptées au milieu fracturé et possède donc un fondement physique intéressant. Pour obtenir une solution particulière à cette équation, une fonction de densité relative de fractures par rapport à z, λ/λ0(z), est
définie préalablement, tandis que l'optimisation des trois paramètres inconnus (K0, zc, br/b0) est facilitée par
l'attribution de valeurs initiales plausibles et par la substitution K0 = 10logK0, notamment. À titre informatif, les valeurs des paramètres pour la courbe globale sont les suivantes : log10(K0)= -4.56 ; zc = 10.02; br/b0 =
0.001. Cette fonction ne peut être ajustée aux médianes de T car leur décroissance avec la profondeur est linéaire (trop peu incurvée) et parce qu'elle est conçue pour prédire K, une propriété hydraulique non intégrée verticalement, au contraire de T. D'ailleurs, pour évaluer la part apparente de la décroissance de
K(z) qui serait due à la répartition de la productivité du puits sur toute sa longueur ouverte (on approxime K
≈ T / z tel qu'expliqué dans les sous-sections 4.1.1.3 et 4.1.1.4), une courbe fictive a été calculée par Kfict(z)
= T0 / z, avec T0 ≈ 6×10-6, puis ajoutée au diagramme central de la figure 4.4. L'écart important entre la
courbe Ktous(z) et la courbe Kfict(z) montre que la diminution de K avec la profondeur s'explique autant par la
diminution de T avec la profondeur que par l'effet de répartition de T sur toute la longueur ouverte des puits. Il faut donc être prudent dans l'interprétation de tels graphiques.
Une autre limite méthodologique, liée aux données disponibles, est la profondeur z associée à chaque valeur de T ou K. Idéalement, la caractérisation de la variabilité verticale des propriétés hydrauliques d'un aquifère requiert des données approximativement ponctuelles dans l’espace x y z, c’est-à-dire le moins possible intégrées dans l'axe vertical z; donc typiquement acquises par des essais hydrauliques avec obturateurs. Or, les données disponibles dans la BDPH sont essentiellement issues de tests de puits faits lors des opérations de forage ou d'essais de pompage conventionnels, donnant une valeur de transmissivité (moyenne) pour le puits entier qui est ouvert au roc. Dans la présente analyse, la profondeur
z associée aux valeurs hydrauliques est la profondeur relative de la fin du forage par rapport à la surface
du roc. Mais il est important de noter que d'autres approches seraient acceptables : la profondeur relative du milieu de l'intervalle ouvert du puits, par exemple, pourrait être utilisée comme z, ce qui modifierait l'aspect des dépendances de T et K par rapport à la profondeur.
Parallèlement, le graphique de droite dans la figure 4.4 montre les estimations de densité empirique (nombre disponible) des données hydrauliques selon la profondeur z (les points gris montrés sur les graphs de gauche et du centre de la figure 4.4), pour les différents contextes géologiques et pour l'ensemble de la zone à l’étude. La profondeur des puits est semblable pour toutes les zones géologiques des Appalaches, se situant généralement entre 20 et 40 m de profondeur. Les puits sont généralement plus profonds dans la Plate-forme du St-Laurent, allant de 20 m à 80 m de profondeur, mais il est important de préciser que le nombre de données disponibles dans la BDPH pour ce contexte (241) est de beaucoup inférieur aux autres contextes (>1000).
Étudiés conjointement, les graphiques de la figure 4.4 montrent la forte dépendance de K à la profondeur, ainsi que la dispersion des valeurs de K et les fréquences des puits en fonction de leur profondeur dans le roc. L'intervalle de confiance illustré (± 1 écart-type autour de la médiane) indique une dispersion d'amplitude indépendante de la profondeur, d'environ ± 3/4 d'ordre de grandeur. Il ne semble donc pas y avoir de distinction entre les conductivités hydrauliques des différentes zones des Appalaches, qui montrent des courbes similaires de diminution de K avec la profondeur. Différemment, pour la Plate-forme du St-Laurent, la diminution de K avec la profondeur semble plus marquée à faible profondeur jusqu’à 30 m de profondeur, mais K demeure assez constant par la suite. Peut-être cette condition est-elle connue des puisatiers, qui ont ainsi avantage à poursuivre les forages jusqu’à ce que l’objectif de productivité du puits soit atteinte, expliquant ainsi pourquoi les puits sont plus profonds dans ce contexte géologique. 4.1.2.2 Statistiques sur l'emmagasinement
La figure 4.5 donne un aperçu des valeurs typiques de la propriété d'emmagasinement (S) pour les différents types d'aquifère, provenant exclusivement de rapports de consultants. Intentionnellement, aucune donnée disponible n'a été écartée de l'analyse. On remarque, tout d'abord, quelques points
probablement mal classés : en particulier, les deux valeurs d'environ 1×10-5 classées en tant que condition libre pour l'aquifère rocheux devraient probablement être reclassées en tant que condition captive. De même, les plages de valeurs des groupes captifs et semi-captifs s'entremêlent un peu trop. Malgré cela, on constate que l'étendue globale des valeurs rapportées ( 1×10-5 à 4×10-1) est tout à fait réaliste. Sans considérer les classes de captivité, on peut estimer une valeur typique de S pour chaque type d'aquifère : pour l'aquifère rocheux, S ~ 5×10-5 en condition captive, S ~ 5×10-3 en condition semi-captive et S ~ 0.05 en condition libre ; pour les aquifères granulaires, S ~ 1×10-4 en condition captive, S ~ 1×10-3 en condition semi-captive et S ~ 0.1 en condition libre. Ces résultats limités, basés sur l'analyse d'un jeu de données restreint et sur un critère de classement (captivité) dont l'échelle d'évaluation est régionale, montrent d'une part que S est peu échantillonnée et, d'autre part, que la condition de confinement estimée à l'échelle régionale sur critères stratigraphiques (voir section 3.3 et livrable 17) peut être incohérente par rapport à la condition locale suggérée par la valeur de S, sur la base d’un critère hydraulique.
Figure 4.5 : Diagramme en violons des estimations de l'emmagasinement (S) par type d'aquifère Considérés dans leur ensemble, les résultats présentés dans la section 4.1 montrent l'intérêt de disposer d'une base de données régionale incluant des données hydrauliques directes (valeurs de T, de K, de S) ou indirectes (CS = Qs) accompagnées d'informations sur des essais hydrauliques. L'interprétation qui peut
être faite de ces résultats demeure toutefois limitée par l'aspect partiel des BD régionales, dans lesquelles peu de champs sont systématiquement disponibles, vraisemblablement parce que les gens travaillant sur le terrain ne sont pas clairement informés de l'ensemble des données d'intérêt, d'une part, et parce que le processus de transmission de ces données au MDDELCC n'est pas encore optimal. Toute amélioration éventuelle de la qualité des BDs régionales ou provinciales (en particulier le SIH) permettrait d'affiner les analyses du type de celles présentées dans les sections 4.1 et 5.1 (cette dernière se concentrant sur les données hydrauliques des puits municipaux).