1-3-Simulation Numérique: WATFLOW

Les valeurs de la conductivité hydraulique observées dans le roc ont une tendance qui diminue de ~ 10-5 à 10-7 m/s pour les 100 premiers mètres (voir Figure 10). Une extrapolation jusqu’à 300 mètres a alors été considérée comme une valeur adéquate pour assurer l’imperméabilité de la base. Le roc fracturé a été simulé comme milieu équivalent poreux (sans fractures discrètes). Enfin, la surface supérieure du modèle est représentée par le MNT. Les conditions aux frontières ont été définies : le long des ruisseaux, des charges ont été imposées (correspondantes aux élévations du modèle numérique de terrain) et un flux nul a été défini le long des limites verticales du bassin ainsi qu’à la base du modèle. La

recharge (calculée avec le modèle HELP; voir VI-2-2) a ensuite été distribuée et les conductivités hydrauliques réparties en fonction des différentes unités stratigraphiques présentes dans la zone d’étude (Tableau 2).

Les valeurs de conductivité des dépôts meubles sont quasiment les mêmes que celles utilisées pour rouler le modèle HELP ayant servis à la recharge à l’exception de la conductivité du till qui est beaucoup plus importante.

Tableau 2: Tableau comparatif des conductivités hydrauliques utilisées pour HELP et pour le modèle Watflow. Unités stratigraphiques Conductivité hydraulique de HELP (m/s) Conductivité hydraulique calculée du modèle d’écoulement calibré Kx (m/s) Kz (m/s) Organiques 3×10-5 1×10-5 1×10-5 Sables 1×10-4 1×10-6 1×10-6 Argiles 1×10-9 1×10-9 1×10-9 Graviers 1×10-3 1×10-3 1×10-3 Till-per (mélange de

till remanié et de till mince) 1×10-4 1×10-6 1×10-6 Till 1×10-8 7×10-7 5×10-7 Roc* 1×10-9 1×10-6 à 1×10-10 1×10-6 à 1×10-11

*Le roc qui se trouve à la base du till qui fait partie des couches des dépôts meubles dans le modèle

Pour la calibration, les valeurs des conductivités attribuées au roc diminuent de la surface du roc vers la base de 1×10-6 à 1×10-10 m/s pour le Kx et de 1×10-6 à 1×10-11 m/s pour le Kz, donc un facteur de Kz/Kx=1/10 pour la plupart des couches.

La Figure 17 représente la distribution de la conductivité hydraulique dans le roc et dans les dépôts. Le till se trouve être la couche la plus répandue comparativement aux autres unités présentes dans la zone d’étude.

Figure 17. Distribution de la conductivité hydraulique pour les dépôts meubles et le roc.

Il est important de préciser que l’écoulement de fracture est étroitement lié à la conductivité hydraulique K.

La topographie est présentée à la Figure 18, Les valeurs de l’élévation varient de 100 à 1100 m.

Figure 19. Épaisseur des dépôts meubles utilisée dans le modèle.

L’épaisseur des dépôts varie entre 10 à 35 m pour la plupart du bassin (Figure 19). Cependant des zones où l’épaisseur des dépôts avoisine les 65 et même 95 m dans des zones assez isolées au niveau des vallées sont également visibles (la figure B1 de l’Annexe B illustre les dépôts meubles). Aussi, les conductivités hydrauliques ont été interpolées sur le bassin; il s'agit principalement des conductivités pour les couches de till, pour l'interface roc-dépôts, la couche de gravier et celle d'argile (Figure 20, Figure 21).

Figure 20. Conductivité hydraulique interpolée sur le bassin a) log K pour la couche de till; b) log K pour la couche interface roc-dépôts.

Figure 21. Conductivité hydraulique interpolée sur le bassin a) log K pour la couche de gravier; log K pour la couche d'argile.

V-1-3-2- Résultats de la Calibration

Les résultats de la calibration sont présentés dans cette partie. La Figure 22 représente les points d’observation, et la Figure 23 montre les charges observées (valeurs réelles) et les charges simulées (valeurs calibrées).

Figure 23. Charges observées et simulées; a) charges hydrauliques observées vue en plan à la surface du roc, interpolée sur le bassin; b) charges hydrauliques simulées, vue en plan à la surface du roc.

A cause des minces couches des dépôts meubles, les charges hydrauliques observées et simulées suivent étroitement la topographie avec des zones de recharges situées aux extrémités plus au sud-ouest et à l’est du bassin.

La calibration s’est basée sur des données de niveaux d’eau provenant de 1732 puits parmis lesquels se trouvent des puits de surface, des puits tubulaires (puits SIH 2007) et des puits de la base de données SIH. Le calage s’est axé sur la conductivité hydraulique (Kx et Kz); on a considéré que la conductivité hydraulique était anisotrope pour le roc (i.e. Kx > Kz), mais que Kx = Ky partout.

La

Figure 24 représente la courbe de calibration obtenue à partir de la simulation exécutée par Watflow. Les différentes courbes de calibration représentants tous les types de puits à savoir les puits de surface et tubulaires de 2007, et les puits SIH sont représentés à la

Figure 25. Courbes de calibration des différents types de puits : a) tous les puits, b) puits de surface, c) puits tubulaires et d) puits SIH différents de 2007.

Les statistiques de la calibration concernant les différentes sortes de puits considérés dans le modèle sont regroupées dans le Tableau 3; la Figure 26 a été obtenue après la calibration. Elle représente une vue en 3D des charges hydrauliques calculées en régime permanent.

Tableau 3: Statistiques de calibration. Types de puits Écart type

(m)

Erreur moyenne (m)

Erreur moyenne absolue (m)

Puits de surface 2007 42.2 -0.6 32.1 Puits tubulaires 2007 41.9 -7.9 30.0 Puits SIH différents de

2007 38.4 3.8 29.3

Tous les types de puits 39.9 -0.1 29.9

Figure 26. Charges hydrauliques calculées en régime permanent.

V-1-3-3- Analyse du système

Afin d’améliorer la compréhension du système et de vérifier les gradients hydrauliques verticaux, différentes coupes ont été faites sur le bassin versant. Des profils verticaux 1D ont alors été extraits de ces coupes. L’extraction des coupes a été faite de deux façons :

certaines coupes ont été extraites avec des coordonnées y constantes et d’autres définies par trois points à cause de leurs localisations sur le bassin. Les coordonnées de localisation de la coupe « Arb1 » sont respectivement :

Coupe Arb1: (coordonnées en m) pt1 pt2 pt3 x 348500 348500 370500 y 5.0624e6 5.0624e6 5.0505e6 z 660 650 600 Et ceux de la coupe Arb2 : pt1 pt2 pt3 x 319300 319300 332500 y 5.1491e6 5.1491e6 5.1589e6 z 140 130 140

Les coupes ainsi que leurs coordonnées sont représentées sur la .

Figure 27. Localisation des slices sur le bassin.

Le modèle a aussi permis d’identifier les zones de recharge et de décharge. Sur la Erreur !

Source du renvoi introuvable. il est possible d’observer les zones de recharge, de

décharge et les charges hydrauliques. La rivière Chaudière constitue une principale zone de décharge.

Figure 28. Distribution des charges hydrauliques simulées.

Les Erreur ! Source du renvoi introuvable. et Erreur ! Source du renvoi introuvable. quant à elles

Figure 29. Coupe Arb1 et Arb2.

Les directions d’écoulement sont soit vers le haut (e.g. profil h) ou vers le bas (e.g. profil d). Les gradients sont compris entre 0.42 et 0.08. Ces valeurs dépendent de l'épaisseur des différents dépôts rencontrés et au facteur d'anisotropie du till et du roc.

V-1-3-4- Variation des taux de pompage et de recharge

Différents scénarios ont été envisagés afin de voir les effets des changements climatiques sur le modèle et pour nous aider à évaluer la pérennité de la ressource. En effet un changement stratégique de la recharge et du taux de pompage (puits municipaux) a été effectué; il a principalement été basé sur une augmentation ou une diminution des taux de pompage et de recharge de 20% (voir Tableau 4). Un essai avec un taux de ± 10% a aussi été réalisé mais les résultats obtenus avec ce facteur n’étaient pas autant pertinents qu’avec un taux de 20%, il n’as donc pas été retenu pour ce mémoire.

Tableau 4: Différents scénarios pour le taux de recharge et de pompage. Simulation Taux de

recharge Facteur de multiplication du taux de pompage Figure ou Annexe Simulation 1 (cas de base) Recharge

distribuée 1 Figure 31 a) vue à la nappe

b) vue à la surface du roc Simulation 2a : 2b : +20% -20% 1 1 Figure C1, Annexe C Simulation 3a : 3b : +20% -20% 0.8 1.2

Erreur ! Source du renvoi introuvable. (vue à la nappe)

Figure C2, Annexe 2 (vue à la surface du roc) Simulation 4a : 4b : +20% -20% 1.2 0.8 Figure C3, Annexe C

Ces simulations ont été réalisées à partir du cas de base (taux de pompage uniforme et recharge distribuée). Pour ce faire, Il a fallu soustraire à l’aide de Tecplot pour chacun des scénarios décris dans le Tableau 4Erreur ! Source du renvoi introuvable. les données issues d’un cas simulé à celles issues de la simulation de référence (cas de base).

Les images suivantes présentent respectivement le cas de base (Figure 31) ainsi que certains résultats des simulations décrites.

Figure 31. Simulation 1 a) vue en plan représentant la nappe; b) vue en plan représentant la surface du roc.

Figure 32. Simulation 3, vue représentant la nappe. a) différence de charge par rapport au cas de base avec un taux de recharge de +20% et un taux de pompage de -20%. b) différence de charge avec un taux de recharge de -20% et un taux de pompage de +20%.

De la Erreur ! Source du renvoi introuvable.a, il ressort principalement que lorsque le facteur de recharge et de pompage augmente ou diminue par un facteur de 0.8 et 1.2, le niveau de la nappe augmente par un maximum de 19 m et un minimum de 0 m par rapport au cas de base. Pour le cas (b) (inverse de ‘a’), le niveau de la nappe diminue entre -19 m et 0 m. Les différences observées peuvent s’expliquer par la contrainte fixée aux rivières (charges imposées), par la topographie ou encore par le fait que les profondeurs exactes des crépines étaient inconnues pour la plupart des puits.

Ce genre de résultats montrent qu’il faudrait mieux simuler les interactions entre les eaux de surfaces et les eaux souterraines, les lacs et différents cours d’eaux mais aussi de déterminer et utiliser dans le modèle les profondeurs exactes des puits, ceci dans le but d’observer des changements plus importants.

CONCLUSION

Une étude conjointe de l’Université Laval et de la Commission Géologique du Canada a été réalisée dans le but d’accroître les connaissances sur le système aquifère de la rivière Chaudière. Le projet vise à développer un outil de gestion et de compréhension en intégrant les connaissances acquises.

Dans un premier temps, une revue de littérature ainsi que quelques coupes réalisées dans le bassin versant ont permis de comprendre l’architecture et les unités principales de l’aquifère régional. Les unités sédimentaires sont une succession de dépôts organiques, de sables, d’argiles, de graviers, de tills remaniés, de tills minces, et de tills, le tout reposant sur le roc.

Les études et les caractérisations qui ont été effectuées sur la région montrent que le roc peu profond contrôle en grande partie l’écoulement. En effet, les études sur la conductivité hydraulique ont montré une diminution de cette conductivité avec la profondeur surtout pour les 100 premiers mètres ainsi qu’une large variation spatiale qui suggère que l’intensité et l’ouverture des fractures dans les premiers mètres de l’unité rocheuse est importante mais qu’elle tend à s’atténuer passé en profondeur. Ceci pour dire que l’écoulement souterrain est concentré à faible profondeur où le potentiel aquifère est plus grand. Ces études ont aussi montré que les valeurs des conductivités hydrauliques horizontales pour le roc se trouvent dans un intervalle de 10-7 à 10-5 m/s.

Une étude sur la consommation de l’eau souterraine a été effectuée et a permis de dresser un bilan de consommation de l’eau souterraine par municipalité comprise dans le bassin de la rivière Chaudière. Cette étude a permis de déterminer les consommations moyennes (débits) utilisées par les populations ainsi que de localiser les principaux secteurs qui ont un débit d’exploitation important.

Les travaux entrepris sur le bassin versant de la rivière Chaudière, tels ceux de caractérisation de l’aquifère ainsi que de la consommation, ont permis de construire et de calibrer un modèle d’écoulement numérique 3D contribuant ainsi à accroître la compréhension quantitative de la dynamique de l’aquifère régional de roc fracturé et des dépôts meubles. À l’aide de ce modèle, différents scénarios (variation de +20% et -20 % de la recharge et du taux de pompage) ont permis d’évaluer l’impact que pourrait provoquer

des changements climatiques et des variations de pression induite dans l’aquifère rocheux qui se traduit par des changements de taux de pompage sur le système modélisé. Les impacts pourraient localement être importants par rapport au niveau de la nappe. Des profils qui ont été créés, montrent ainsi que la plupart des gradients hydrauliques obtenus sont compris entre 0.42 et 0.08. Ces valeurs représentent les effets de la composition des différents dépôts meubles rencontrés et de leur contexte dans le système d’écoulement (zones de recharge / résurgence). Les résultats du calage sont raisonnables, les erreurs sont attribuées aux erreurs associées notamment à la base de données SIH, à la simplification des couches stratigraphiques présentes dans la zone d’étude, aux variations 3D des conductivités hydrauliques, à la représentation des valeurs de charge hydraulique de l’aquifère rocheux, à l’estimation et la répartition de la consommation en eau et de la recharge distribuée, les effets possible de la géologie structurale ou encore aux effets transitoires. L’erreur concernant le bilan hydrogéologique est presque nulle ce qui confirme le fait que la somme des flux entrants était effectivement égale à la somme des flux sortants.

Il serait maintenant intéressant de poursuivre l’évolution de ce modèle avec la mise à jour des données et de leur validation. Ce modèle pourrait également être ajusté en fonction de l’évolution géochimique et de l’âge de l’eau souterraine. Tout cela contribuerait à diminuer les incertitudes associées au modèle numérique 3D du système d’écoulement de la rivière Chaudière.

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ANNEXES

Annexe A : Données statistiques

Figure A1. Statistique du nombre d'échantillons en fonction du log K (données 1244).

Figure A2: Statistique du nombre d'échantillon en fonction du log K (formation données 89)

Figure A3: Statistique du nombre d'échantillons en fonction du log K (lithologies données 1244).

Annexe B : Dépôts meubles

Annexe C: Simulations

Figure C1. Simulation 2, différence de charges relative au cas de base à la nappe avec a) taux de recharge de +20% et b) taux de recharge de -20% (le taux de pompage n’a pas changé par rapport au cas de base).

Figure C2. Simulation 3, (vue à la surface du roc ), a) différence de charges par rapport au cas de base pour un taux de recharge de +20% et un taux de pompage de -20%; b) différence de charges pour un taux de recharge de -20% et un taux de pompage de +20%.

Figure C3. Simulation 4, a) différence de charges par rapport au cas de base pour un taux de recharge et de pompage de +20%. b) différence de charges par rapport au cas de base pour un taux de recharge et de pompage de -20%.