Développement d'un modèle numérique d'écoulement 3D des eaux souterraines du bassin versant de la Rivière Chaudière, Québec

Développement d’un modèle numérique d’écoulement 3D

des eaux souterraines du bassin versant de la Rivière

Chaudière, Québec

Mémoire présenté

à la Faculté des études supérieures et postdoctorales de l’Université Laval dans le cadre du programme de Maîtrise en sciences de la terre

pour l’obtention du grade de Maître ès sciences (M.Sc.)

DÉPARTEMENT DE GÉOLOGIE ET DE GÉNIE GÉOLOGIQUE FACULTÉ DES SCIENCES ET DE GÉNIE

UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC

2013

Résumé

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 1.694.672 nœuds et 3.344.516 éléments triangulaires prismatiques. La rivière Chaudière et ses tributaires constituent des limites à charge imposée. Le modèle numérique d’élévation (MNE), constitue la surface du modèle. La base du modèle ainsi que le reste des limites externes sont considérées comme des limites à flux nul. La recharge à la surface a été calculée en utilisant le modèle d’infiltration HELP (Benoît et al., 2012). Les puits municipaux sont représentés de façon ponctuelle. La consommation associée aux puits ou réseaux privés, puits industriels et à l’agriculture a été répartie sous forme de lame d’eau équivalente et soustraite de la recharge. La conductivité hydraulique horizontale ainsi que l’anisotropie verticale constituent les paramètres de calage du modèle. Le calage du modèle est réalisé avec 68 données de puits municipaux. Les résultats du calage du modèle ont montré que l’erreur du bilan de masse est près de nul, ce qui implique que la somme des flux entrants est égale à la somme des flux sortants.

L’eau souterraine étant une source d’approvisionnement importante, la mauvaise gestion peut mener à des discordes entre les différents utilisateurs. Connaître au mieux la capacité d’alimentation en eau ainsi que le système d’aquifère permet de prévenir des problèmes potentiels entre les différents utilisateurs mais aussi à les sensibiliser à une utilisation mieux adaptée de la ressource. Différents scénarios, incluant les variations de la recharge, ont été simulés à l’aide du modèle calé. Ces simulations ont consisté à faire varier les taux de recharge et de pompage de  20 %, permettant d’identifier les zones nécessitant un suivi de la qualité de l’eau souterraine et un suivi piézométrique. Les zones les plus sensibles aux variations climatiques ont été aussi déterminées. Les changements du taux de pompages et de recharge ( 20%) provoquent une variation de moins de 5 m sur le système modélisé principalement par rapport au niveau de la nappe.

Abstract

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 510-6 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).

Remerciements

Tout d’abord, je tiens à remercier mon directeur, John Molson, professeur à l’Université Laval au

département de Géologie et de génie géologique, ainsi que mes co-directeurs, Nicolas Benoît et Miroslav Nastev à la Commission Géologique du Canada (CGC), pour leur entière disponibilité. Tout au long de ce projet, l’encadrement qu’ils m’ont offert, les connaissances transmises ainsi que leurs conseils m’ont été d’une grande utilité et m’ont permis de mieux orienter mes travaux dans les dédales de la modélisation numérique.

Je veux aussi souligner la contribution de Pierre Thérrien. Les nombreuses discussions, son aide infinie et son soutient ont été très formateurs, ses connaissances de plusieurs logiciels, surtout ArcGIS, m’ont permis de les démystifier et de les utiliser avec une certaine aisance.

La Commission Géologique du Canada du fait de m’avoir octroyée une bourse et permis de travailler sur ce projet ainsi que madame Nadine Roy du Ministère du Développement Durable, de l’Environnement, de la Faune et des Parcs du Québec (MDDEFP) qui a aussi contribuée à ce projet par sa disponibilité.

Un grand merci aux membres de mon bureau de l’Université Laval, Fabien Cochand, Guillaume De Schepper, Tobias Graf, Nelly Montcoudiol et Masoumeh Shojae Ghias pour leur encouragement ou leur soutien technique utiles à l’avancement de mes travaux.

Finalement, je remercie les personnes suivantes pour leur aide ou leur appui au cours des deux dernières années : mes parents Mouctar Koné et Fatouma Kamel, sans qui je n’aurais pas pu poursuivre des études de second cycle à l’Université Laval, et Messieurs René Thérrien et Jean-Michel Lemieux qui m’ont toujours servis de références.

Table des

matières

Résumé ... I Abstract ... III Remerciements ... V Table des matières ... VI Liste des tableaux ... VII Liste des figures ... VIII Listes des annexes ... IX

CHAPITRE I : MISE EN CONTEXTE ... 1

I-1- Introduction ... 1

I-1-1-Problématique ... 1

I-1-2- Objectif ... 1

I-2- Méthodologie ... 2

I-2-1- Revue de Littérature ... 2

I-2-2- Base de données hydrogéologiques ... 3

CHAPITRE II : GÉOLOGIE ET HYDROGÉOLOGIE ... 4

II-2- Géologie ... 8

II-2-1- Géologie du roc ... 8

II-2-2- Géologie des dépôts meubles ... 11

II-3- Hydrogéologie ... 14

CHAPITRE III : SYNTHÈSE SUR L’EAU SOUTERRAINE ... 15

III-I- Consommation et utilisation de l’eau ... 15

CHAPITRE IV: TRAITEMEMENT DES DONNÉES ... 18

IV-1- Conductivité Hydraulique : Méthode de Bradbury... 18

IV-1-1- Application de la méthode de Bradbury ... 19

IV-2- Intégration de la consommation de l’eau souterraine dans le modèle d’écoulement ... 22

IV-2-1- Puits intégrés dans le modèle ... 22

VI-2-2- Infiltration ... 25

CHAPITRE V : MODELISATION ET RÉSULTATS ... 28

V-1-Modélisation ... 28

V-1-1-Définition du domaine : ArcGIS ... 28

V-1-2-Définition du maillage : Triangle ... 30

V-1-3-Stratigraphie des dépôts meubles ... 32

V-1-3-Simulation Numérique: WATFLOW ... 33

CONCLUSION ... 53

RÉFÉRENCES ... 55

Liste des tableaux

Tableau 1. Taux de pompage et localisation des puits utilisés pour le modèle numérique. . 24 Tableau 2: Tableau comparatif des conductivités hydrauliques utilisées pour HELP et pour le modèle Watflow. ... 34 Tableau 3: Statistiques de calibration. ... 45 Tableau 4: Différents scénarios pour le taux de recharge et de pompage. ... 50

Liste des figures

Figure 1. Zone à l'étude... 5

Figure 2. Carte des différentes MRC de la région. ... 6

Figure 3. Les trois grands secteurs du bassin versant. ... 7

Figure 4. Carte géologique du bassin versant de la rivière Chaudière. ... 10

Figure 5. Modèle stratigraphique conceptuel des vallées tributaires de la rivière Chaudière (courtoisie de Caron, 2012). ... 12

Figure 6. Carte des sédiments du Quaternaire. ... 13

Figure 7. Consommation en eau souterraine par type d'usage et par municipalité en m3/j. . 17

Figure 8. Statistiques des nombres d'échantillons en fonction de la conductivité hydraulique (log K m/s) pour le groupe de l'île d'Orléans. ... 20

Figure 9. Statistiques des conductivités hydrauliques en logK (m/s) des formations géologiques présentes sur le bassin versant. ... 21

Figure 10. Graphique de la conductivité hydraulique en fonction de la profondeur. ... 22

Figure 11. Les puits municipaux utilisés pour le modèle numérique. ... 23

Figure 12. Infiltration moyenne estimée sur une période de 25 ans et exprimée en mm/an simulée à partir du modèle HELP. ... 26

Figure 13. Modèle conceptuel de l'écoulement souterrain. ... 27

Figure 14. Contour du bassin avec principaux lacs et ruisseaux. ... 29

Figure 15. Maillage d'éléments prismatiques du bassin versant de la rivière Chaudière (vue en plan). ... 31

Figure 16. Stratigraphie des dépôts meubles (figure pas à l'échelle). ... 32

Figure 17. Distribution de la conductivité hydraulique pour les dépôts meubles et le roc. .. 35

Figure 18. Topographie du bassin versant de la Chaudière : surface du modèle 3D. ... 36

Figure 19. Épaisseur des dépôts meubles utilisée dans le modèle. ... 37

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. ... 38

Figure 21. Conductivité hydraulique interpolée sur le bassin a) log K pour la couche de gravier; log K pour la couche d'argile... 39

Figure 22. Contour du bassin et points d'observation (vue en plan). ... 40

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. ... 41

Figure 24. Courbe de calibration : charges observées vs charges simulées. ... 43

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. ... 44

Figure 26. Charges hydrauliques calculées en régime permanent. ... 45

Figure 27. Localisation des slices sur le bassin. ... 47

Figure 28. Distribution des charges hydrauliques simulées. ... 48

Figure 29. Coupe Arb1 et Arb2. ... 49

Figure 30. Courbes avec coordonnées y constantes. ... 49

Figure 31. Simulation 1 a) vue en plan représentant la nappe; b) vue en plan représentant la surface du roc. ... 51

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%. . 52

Listes des annexes

Annexe A : Données Statistiques …...……….58

Figure A1. Statistique du nombre d'échantillons en fonction du log K (données 1244)……….58

Figure A2. Statistique du nombre d'échantillon en fonction du log K (formation données 89)……….58

Figure A3. Statistique du nombre d'échantillons en fonction du log K (lithologies données 1244)……….…59

Annexe B: Dépôts meubles………..60

Figure B1 : Épaisseur des dépôts meubles………...60

Annexe C: Simulations……….……61

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% ……….…….61

Figure C2. Simulation 3, (vue à la surface du roc), a) différence de charge 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%...62

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%...63

CHAPITRE I : MISE EN CONTEXTE

I-1- Introduction

Au Québec, près de 20 % de la population s’alimente en eau souterraine (Ministère du Développement Durable, de l'Environnement de la Faune et des Parc du Québec (MDDEFP). Dans les régions situées hors des grands centres urbains, ce pourcentage est souvent beaucoup plus élevé.

Dû au manque d’informations sur cette ressource, la Commission sur la gestion de l’eau au Québec a recommandé (BAPE, 2000) de «réaliser un inventaire cartographique systématique des eaux souterraines dans le Québec habité» par le Bureau d’audiences publiques en environnement (BAPE). Cet inventaire serait l’outil utilisé pour permettre de gérer les ressources hydriques, et ce de manière durable (Pratte et Nastev, 2005). Le gouvernement du Québec a pris plusieurs engagements concernant la gestion des eaux souterraines depuis 2000, dont un des principaux est de mettre en œuvre la gestion par bassin versant. Dans le cadre de ce programme, un projet de caractérisation hydrogéologique a déjà été établi. Ce dernier consistait à réaliser une étude hydrogéologique du bassin versant de la rivière Châteauguay (Côté et al., 2006). C’est donc dans cette même optique que s’est fait le projet de caractérisation hydrogéologique de la région de la rivière Chaudière (COBARIC et UPA 2008). Le présent mémoire porte sur la conception d’un modèle numérique d’écoulement 3D du bassin versant de la rivière Chaudière.

I-1-2- Objectif

L’objectif de ce travail est de faire l’étude hydrogéologique du bassin versant de la rivière Chaudière afin de pouvoir construire un modèle numérique d’écoulement 3D. Cet objectif pourrait être divisé en 4 sous objectifs à savoir :

a) Faire une compilation des données hydrogéologiques disponibles du bassin versant de la rivière Chaudière.

b) Définir, les contextes hydrogéologiques de la région.

d) Évaluer la pérennité de l’eau souterraine par des simulations de variation des taux de pompage et de la recharge.

I-2- Méthodologie

Pour atteindre les objectifs, il a fallu procéder de façon méthodique compte tenues des nombreuses et diverses informations ayant attrait au bassin de versant de la rivière Chaudière. La première étape de cette méthodologie a consisté en la revue de littérature.

I-2-1- Revue de Littérature

La revue de littérature se trouve être la première étape du présent travail. Elle sert principalement à faire ressortir les données relatives à la région d’étude. Elle a été effectuée en compilant les informations pertinentes provenant des Ministères, firmes d’ingénieurs, bases de données, sites internet, cartes, thèses et mémoires. Les documents les plus pertinents ont été numérisés, enregistrés et classés sous des formats Excel ou PDF en vue de les conserver. La grande majorité des données sur les puits à savoir les débits de pompages, les principaux utilisateurs ainsi que les coordonnées des différents puits, les épaisseurs des dépôts et du roc, les conductivités hydrauliques et le coefficient d’emmagasinement ont été extrait du système d’information hydrogéologique (SIH) du MDDEFP et de rapports de consultants colligés par le comité de bassin de la rivière Chaudière (COBARIC). Certaines villes détiennent un système d’aqueducs qui pompe l’eau de l’aquifère régional. Pour celles-ci, une phase exploratoire précédant la mise en place de ces systèmes est effectuée afin de définir la productivité des puits ainsi que la qualité de l’eau. La plupart du temps ces travaux sont effectués par des firmes d’ingérieurs et documentés dans des rapports soumis au MDDEFP. Ces rapports contiennent plusieurs informations hydrogéologiques relatives au sens de l’écoulement, à la quantité d’eau utilisée (pour les secteurs agricoles, municipaux, privés, etc.), aux propriétés hydrauliques du socle rocheux et des dépôts meubles et enfin à la piézométrie, qu’elle soit locale ou régionale. Différents mémoires de maîtrise et rapports ont aussi servis à la rédaction de ce présent mémoire (Pratte et Nastev, 2005 ; COBARIC et UPA, 2008; Cochand, 2009 ; Lavigne, 2006). En effet ces rapports ont été bénéfiques et utiles pour chaque étape de ce projet. Le rapport de Pratte et Nastev (2005) et l’atlas Chaudière (COBARIC et UPA,

2008) ont permis d’établir la base des connaissances sur le système aquifère de la région de Chaudière-Appalaches, sur les principaux tributaires de la rivière Chaudière et ont aussi fourni des renseignements utiles sur les municipalités régionales de comptés (MRC) de la région. Le mémoire portant sur la modélisation numérique de l’écoulement régional de l’eau souterraine dans le bassin versant de la rivière Châteauguay (Lavigne, 2006) a permis de rassembler et de connaître la méthodologie à adopter pour la création d’un modèle numérique régional. Ce mémoire a fourni les informations de base sur la conception du modèle numérique et son calage. Grace aux cartes géologiques et au modèle quaternaire 3D réalisé par Caron et al. (2007) et Caron (2012), l’on a pu observer des coupes géologiques de la région à l’étude et connaître la stratigraphie des dépôts meubles de la région. Enfin différents articles et conférences de Benoît et al. (2009) ont permis de connaître la région de Chaudière-Appalaches dans son intégralité (différentes municipalités et MRC de la région), de connaître et comprendre les caractéristiques de la Basse, Moyenne et Haute Chaudière en termes d’utilisation de l’eau souterraine, de recharge, de vulnérabilité de l’aquifère, des zones d’écoulements préférentiels, et aussi d’avoir des informations importantes sur la géochimie de la région; une partie de ces recherches se retrouvent dans COBARIC et UPA (2008). Aussi, toutes les informations ayant rapport avec les propriétés hydrauliques, la piézométrie et le roc ont été conservées.

I-2-2- Base de données hydrogéologiques

Différentes bases de données sont accessibles au sein de la Commission Géologique du Canada. Elles sont classées et répertoriées. Les informations ayant attraient à ces différentes bases de données ont été compilées à l’aide de différentes cartes et rapports privés.

Les cartes topographiques ont été utilisées à partir de la version numérique des feuillets correspondant au bassin versant de la rivière Chaudière. Ce sont sur ces cartes topographiques que l’on retrouve le réseau hydrographique, les routes, les Municipalités Régionales de Comptés (MRC), les municipalités et les limites du bassin versant de la Chaudière.

Les données sur l’altitude proviennent quant à elles des cartes issues du modèle numérique de terrain (MNT), produit par le Ministère des Ressources Naturelles du Canada (Direction du Patrimoine Écologique et des Parcs du MDDEFP construit à partir de la BDTQ au

20,000). Les données pour la consommation en eau proviennent du COBARIC (Communications personnelles) et de l’étude de Lortie (1997).

L’évaluation de l’épaisseur des dépôts meubles a été estimée par Caron et al. (2007) La carte de la piézométrie a été estimée en utilisant les données du SIH avec celles mesurées à l’été 2007, des valeurs d’élévations aux rivières principales tirées de la topographie (MNT). La piézométrie a été obtenue en soustrayant les données issues de l’interpolation de la profondeur du niveau statique à la topographie de surface (MNT) pour les puits creusés dans le roc. Les données tirées du SIH et des rapports de consultants ont aussi permis d’avoir de l’information sur les débits d’exploitation, les conductivités hydrauliques et d’autres données tout aussi pertinentes telles que la transmissivité, la capacité spécifique ainsi que les temps de pompages.

Plusieurs cartes et rapports proviennent du plan directeur de l’eau, fait par le Comité de Bassin de la Rivière Chaudière et par le Comité de Bassin de la Rivière Etchemin, (COBARIC et CBE, 2000).

Un recensement récent effectué par le COBARIC sur la consommation en eau souterraine ainsi que l’étude de Lortie (1997) ont été utilisé pour déterminer les débits d’exploitations et pour localiser les puits les plus importants (~ 100) selon leurs domaines d’utilisations (agricole, municipal, individuel ou encore industriel). Des statistiques des propriétés hydrogéologiques ont été établies avec principalement les données de conductivités hydrauliques, des débits ainsi que des transmissivités afin d’établir les liens entre les propriétés et unités géologiques (groupe, formation et lithologie).

CHAPITRE II : GÉOLOGIE ET HYDROGÉOLOGIE

II-1- Localisation

Le bassin versant de la rivière Chaudière prend sa source dans le lac Mégantic à l’extrémité sud du bassin et s’écoule sur 185 km vers le nord pour se jeter dans le fleuve Saint-Laurent aux environs de la ville de Lévis (Figure 1). La rivière Chaudière draine un vaste territoire d’une superficie de 6,695 km2. Ce territoire chevauche deux importantes régions

physiographiques que sont les Appalaches, qui occupent 95% de la superficie du bassin versant, et les Basses Terres du Saint-Laurent, qui constituent 5% du territoire. La rivière

Chaudière à quatre principaux tributaires à savoir, les rivières Beaurivage, Famine, du Loup et le bras Saint-Victor, qui drainent près de la moitié de la superficie totale du bassin versant, soit 46 % (Figure 1). Le bassin de la Chaudière compte 236 lacs qui couvrent une superficie de 62,2 km2 dont le plus important s’avère être le lac Mégantic.

Le bassin regroupe huit municipalités régionales de comté (MRC) (Figure 2). Aussi, 93 municipalités touchent plus ou moins au bassin et 54 en font entièrement partie.

Figure 2. Carte des différentes MRC de la région.

Basé sur la physiographie de la région, le bassin versant peut être divisé en trois grands secteurs (Figure 3). Le secteur de la Haute-Chaudière, situé en amont, est doté d’un relief plus accidenté que les deux autres et a une végétation dominée par la forêt. Le secteur de la

Moyenne-Chaudière, quant à lui, se situe au milieu du bassin et est représenté par environ 50 % de fermes et 50 % de forêt. Enfin, le secteur de la Basse-Chaudière qui a un relief plat; on y retrouve en majorité des fermes, des industries et des agglomérations urbaines.

II-2- Géologie

II-2-1- Géologie du roc

La description de la géologie du socle rocheux du bassin de la rivière Chaudière correspond à la synthèse simplifiée des travaux de Castonguay (2008), de Castonguay et al. (2000, 2002) et de St-Julien et Slivtzy (1985).

Le bassin versant fait partie de la province géologique des Appalaches. Le socle rocheux, d’âge Cambrien à Dévonien inférieur, est principalement constitué de roches sédimentaires et volcaniques déformées et faiblement métamorphisées. La nature des formations rocheuses, généralement à grains fins, a pour conséquence une porosité primaire négligeable. La densité, l’ouverture et le degré d’interconnexion des fractures (porosité secondaire) contrôlent la perméabilité du socle rocheux. La géologie complexe du secteur à l’étude a été simplifiée en différentes zones, à savoir :

A) Zone de Humber externe située entre le fleuve Saint-Laurent et la faille Bennet (près de Sainte-Marie) ; les roches d’assemblages sédimentaires composées de schistes argileux ou ardoisiers, de grès et de lits de conglomérat et de calcaire argileux ; roches faiblement à modérément déformées.

B) Zone de Humber interne qui s’étend jusqu’à la faille Saint-Joseph (près de la Ville Saint-Joseph) ; roches formées de schistes et de quartzites schisteux fortement déformées et recristallisées.

C) Zone de Humber externe délimité par la ligne Baie Verte-Brompton (secteur Beauceville) ; grès quartzitique et shales ardoisiers peu métamorphisés, grès et schistes ardoisiers (sud-est de Saint-Joseph).

D) Zone de Dunnage qui s’étend jusqu’à la faille de la Guadeloupe comprenant une zone de failles importantes, des copeaux de serpentine, des roches intrusives et sédimentaires métamorphisées. Ces unités sont séparées des roches sédimentaires dans les régions de Beauceville et de Saint-Éphrem-de-Beauce dont les schistes ardoisiers et tufs. Au sud-ouest de Saint-Joseph se trouvent des roches magmatiques discontinues fortement altérées constituées de serpentinites, de stéatites, de schistes à talc et d’amphibolites.

E) Ceinture de Gaspé dans la région de Saint-Georges composées de grès, siltstones, schistes ardoisiers inter lités et quelques lits conglomératiques.

La carte géologique montrée dans la Figure 4, est une carte sur laquelle plusieurs lithologies ont été regroupées. Ces regroupements ont été simplifiés par dominance du type de roche. Il est possible d’y retrouver les failles mentionnées précédemment; on y retrouve principalement, les argiles, les roches volcaniques, les calcaires, les conglomérats, les grès et les roches ignées.

II-2-2- Géologie des dépôts meubles

Les dépôts glaciaires datent de la dernière glaciation, qui remonte au Wisconsinien, début de l’Holocène. Les sédiments meubles du bassin versant de la Chaudière proviennent donc d’événements glaciaires et postglaciaires. Des sédiments fluvio-glaciaires se sont déposés lors de l’avancée et du recul des glaciers. Ensuite due à la subsidence, l’eau de mer (mer de Champlain) a envahie certaines zones du sud du Québec. Un dépôt de sédiments argileux s’est donc fait dans les régions qui ont été recouvertes par la mer de Champlain. La remontée isostatique a entraîné la régression de la mer de Champlain. Dans les vallées des cours d’eaux actuels, il est possible d’observer des alluvions.

Stratigraphie du Quaternaire

L’architecture des différentes unités quaternaires est résumée dans le modèle conceptuel de la Figure 5 (Caron, 2012) représentant la succession lithostratigraphique et hydrostratigraphique des unités modélisées de même que la topographie du sol. À l’échelle régionale du bassin versant, le modèle conceptuel permet une meilleure intégration schématique et géométrique des différentes unités.

Figure 5. Modèle stratigraphique conceptuel des vallées tributaires de la rivière Chaudière (courtoisie de Caron, 2012).

Le modèle conceptuel présente les types de dépôts en ordre chronologique, du plus vieux, en bas, au plus jeune, en haut. Les principaux sédiments meubles présent dans notre zone d’étude sont des sédiments glaciaires (tills), des sédiments fins marins et des sédiments grossiers fluvioglaciaires et alluviaux (aquifère granuleux de surface) ; il est aussi important de noter que le confinement de l’aquifère régional ainsi que la recharge sont contrôlées par le type et l’épaisseur des dépôts meubles (Benoît et al. 2008, 2011; Caron, 2012). On retrouve, à la base des dépôts meubles, le socle rocheux. Ce dernier affleure à divers endroits dans la région, surtout dans la Moyenne-Chaudière. Au-dessus du roc, les dépôts glaciaires sont omniprésents sur le bassin versant. L’épaisseur totale des dépôts est généralement moindre dans la Moyenne-Chaudière tandis qu’elle est plus élevée dans la Basse et Haute-Chaudière.

La

Figure 6 représente la répartition des dépôts meubles (géologie des formations superficielles) dans le bassin versant de la rivière Chaudière.

II-3- Hydrogéologie

L’unité rocheuse a été caractérisée en fonction de son degré de confinement (Benoît et al, 2008) défini à partir du modèle numérique 3D des formations quaternaires (Caron et al., 2007). Les critères suivants ont été utilisés :

 Condition non confinée (nappe libre) : caractérisée par des formations quaternaires de couvertures mince (< 1m).

 Condition confinée : caractérisée par des formations sus-jacentes épaisses et peu perméables (till > 5m et/ou argile > 2m).

 Condition semi-confinée : condition intermédiaire, caractérisée par des formations sus-jacentes minces peu perméables (till < 5m ou argile < 2m).

C’est donc la nature des formations sus-jacentes et leur épaisseur qui contrôlent, en majeure partie, le niveau de confinement des aquifères rocheux. Cette définition du confinement reflète également la capacité d’infiltration verticale de l’eau à partir de la surface. Les horizons perméables des formations meubles sont considérés comme faisant partie intégrante de l’aquifère régional lorsque leur épaisseur, basée sur le modèle quaternaire 3D, est supérieure à 3m. Une partie de ces formations est considérée en lien hydraulique avec l’aquifère du roc puisqu’elle repose sur des formations peu perméables de faibles épaisseurs (till < 5m ou argile < 2m). Le till dans la région est d’épaisseur variable et constitue une unité semi-confinante. Il limite partiellement l’interaction entre les deux unités aquifères principales. Ce till permet toutefois une certaine recharge du roc et des résurgences vers les eaux de surfaces situées dans l’axe des vallées. Il est à noter que l’écoulement latéral, dans le till, est limité par rapport à celui observé dans les aquifères granulaires superficiels et l’aquifère régional rocheux.

CHAPITRE III : SYNTHÈSE SUR L’EAU SOUTERRAINE

III-I- Consommation et utilisation de l’eau

Pour mener à bien ce projet, il est nécessaire de faire le bilan de la consommation en eau de la région des Chaudières-Appalaches. En effet, il est primordial de connaître la quantité d’eau souterraine consommée par les municipalités, les particuliers, les commerces, les industries et les entreprises agricoles. Les données concernant la consommation de l’eau proviennent essentiellement du COBARIC et UPA (2008) et de Lortie (1997) et sont principalement classées par municipalités. La plupart des données datent de 2007, elles ont été validées grâce au recensement de la population (2006) mais aussi par le biais de nouvelles données provenant également du COBARIC.

En effet, comme précédemment souligné, il s’agit d’une région à vocation principalement agricole; l’eau souterraine représente la plus grande source d’alimentation en eau potable de la région. On évalue les utilisateurs de l’eau souterraine à 65% de la population donc 35% pour les eaux de surfaces. On peut donc remarquer que l’eau souterraine s’avère être indispensable dans cette région; raison pour laquelle sa qualité et les dangers auxquels elle peut être confronté nous préoccupent.

La qualité des eaux de surfaces a quant à elle été évaluée dans le schéma directeur de l’eau. Généralement, la qualité de l’eau de surface s’avère être relativement bonne. Par contre, certaines régions comportent des concentrations trop élevées en phosphore ou en coliformes. La qualité de l’eau de la rivière Chaudière et de ses principaux tributaires a été mesurée à partir de l’Indice de Qualité Bactériologique et Physico-chimique (IQBP). Cet indice a été développé par le MDDEFP dans le but de faciliter l’interprétation et la communication des résultats de la qualité de l’eau. Les régions ayant un faible IQBP sont toutes situées dans la Moyenne et la Basse-Chaudière (Pratte et Nastev, 2005).

Concernant la qualité des eaux souterraines, des études effectuées (Benoît et al., 2009), montrent que de façon générale l’eau souterraine est naturellement potable sur l’ensemble du territoire étudié. En effet les résultats obtenus lors de l’analyse hydrogéochimiques révèlent que les dépassements de normes observés sont dispersés et non concentrés dans un secteur particulier. Les résultats obtenus montrent que cette qualité peut être reliée au

contexte hydrostratigraphique, c’est-à-dire au degré de confinement et au milieu aquifère (rocheux ou de surface) ainsi qu’au temps de séjour de l’eau.

Aussi, les données issues du COBARIC et des différents rapports utilisés ont permis de pouvoir répartir l’eau souterraine pompée entre les différents utilisateurs. En effet, les puits de pompages des municipalités dont la localisation et les débits sont connus, ont été utilisés dans le modèle numérique comme des puits ponctuels. Les puits municipaux ont alors été considérés dans ce cas de figure car les coordonnées pour la plupart de ces puits étaient connues. Quant aux puits dont les coordonnées étaient inconnues, qu’ils soient des puits municipaux, privés, individuels ou encore industriels, ils ont été considérés et répartis en lame d’eau (débits pompé divisés par la surface de la municipalité). Pour les puits privés, une consommation de 250 litres/jour/personne a été retenue. La consommation de l’eau souterraine de la région a été estimée selon les consommations municipales, agricoles, individuelles, privées et industrielles. Il en ressort que le milieu agricole est l’un des plus importants utilisateurs de l’eau souterraine dans la région. En plus du milieu agricole, on peut remarquer que les municipalités utilisent aussi l’eau souterraine en grande quantité compte tenu des valeurs de débits importants qui sont prélevés. Aussi, les industries, les réseaux privés et les consommations individuelles ont quant à elles, leur utilisation qui s’avère être modérée à l’exception de quelques-unes d’entre elles. Enfin, la consommation industrielle est presque inexistante et ceci est principalement dû au fait que les données ne soient pas disponibles.

La Figure 7 montre que la consommation de l’eau souterraine dans le secteur de la Moyenne-Chaudière est supérieure à celle de la Basse-Chaudière et de la Haute Chaudière.

Figure 7. Consommation en eau souterraine par type d'usage et par municipalité en m3/j.

CHAPITRE IV: TRAITEMEMENT DES DONNÉES

Pour atteindre les objectifs, il a fallu faire appel à plusieurs méthodes de calculs afin de déterminer certains paramètres tels que la conductivité hydraulique, la capacité spécifique etc. Parmi celle-ci, la méthode de Bradbury qui permet d’estimer la conductivité hydraulique à partir de la capacité spécifique.

IV-1- Conductivité Hydraulique : Méthode de Bradbury

Depuis 1978, pour les puits forés dans le roc, la base de données SIH contient les paramètres d'installations (profondeur, longueur, ouverture de forage), la stratigraphie, les niveaux d'eau, les rendements et la durée des essais pour la capacité spécifique pour la plupart des puits. Parmi ceux-ci, approximativement 4000 puits dont 1333 ont été initialement extraits de la base de données pour l’investigation des propriétés hydrauliques. Un tri a ensuite été effectué parmi les puits sélectionnés dans l’unique but de conserver ceux qui respectaient les critères de Bradbury.

Premièrement, les forages où l’on n’a ni niveaux statique ni niveaux dynamique sont retirés de l'ensemble des données. Ensuite, les forages avec un taux de pompage inexistant, des prélèvements négatifs ou la durée du test non mentionnée sont également éliminées. La durée du test de pompage est considérée comme un paramètre important : seules les épreuves ayant une durée d’essai de pompage de plus de deux heures sont conservées. Ce temps minimum est choisi pour atteindre un écoulement laminaire autour du puits tout en conservant un minimum de résultat. En effet, les temps de pompage dans le SIH sont généralement très courts. Aussi, si le rabattement est supérieur à 50% de la section saturée, le puits n’est pas retenu.

Ainsi, de ces 1333 puits, 89 puits ont été retenus et les valeurs obtenues de ces puits ont été qualifiées de valeurs de qualités car elles respectent toutes les conditions de la méthode, à l’exception du temps de pompage souvent trop court, (94% des cas) et les autres 1244 valeurs ont été qualifiées de moins bonne qualité.

Cependant, pour dériver les propriétés hydrauliques (principalement la conductivité hydraulique), la solution tronquée de Theis, donnée par l'équation de Jacob, a été appliquée sur l’ensemble des 1333 données retenues des tests de capacité :

Où T est la transmissivité (m2/s), Q le débit (m3/s), s le rabattement (m), t la durée de pompage (s), S le coefficient d’emmagasinement et rw le rayon du puits (m). La

transmissivité a été obtenue par une procédure itérative selon l'algorithme développé par Bradbury et Rothschild (1985). Pour toutes les données, la valeur d'un coefficient d’emmagasinement unique (dû au données absentes) a été fixée à 5×10-5. L’existence de ces paramètres réduit considérablement la liste des puits de pompage pouvant être utilisés. Des statistiques visant principalement à déterminer l’intervalle de valeurs de la conductivité hydraulique ont alors été établies.

IV-1-1- Application de la méthode de Bradbury

A l’aide des données recueillies dans la base de données SIH (avec 89 puits dont 27 dans les dépôts et 62 dans le roc respectant les conditions de la méthode Bradbury définie ci-dessus ; et 1244 puits dont 142 dans les dépôts et 1102 dans le roc; données de moins bonne qualité), des statistiques de base ont été calculées. En effet, la moyenne, l’écart-type, le minimum, le maximum et la médiane pour les différents groupes, formations et lithologies ont été déterminés. Il est important de préciser que les statistiques ont été faites à partir des logarithmes de K.

À titre d’exemple, la Figure 8 présente l’histogramme du groupe de l'île d'Orléans montrant la distribution du nombre d’échantillons en fonction des conductivités.

2 2.25 ln 4 _w Q T t T s r S       _{ }  

Figure 8. Statistiques des nombres d'échantillons en fonction de la conductivité hydraulique (log K m/s) pour le groupe de l'île d'Orléans.

La Figure 9 présente les statistiques établies pour les formations appartenant au groupe de l’île d’Orléans pour les 1244 autres valeurs.

Figure 9. Statistiques des conductivités hydrauliques en logK (m/s) des formations géologiques présentes sur le bassin versant.

Les variations sont faibles entre les groupes et formations géologiques. Il ressort de ces histogrammes une conductivité moyenne de l’ordre de 10-6 m/s. De manière générale, le nombre d’échantillons varie entre 30 et 80 par groupes, formations ou lithologies ; ces graphiques ont aussi montrés qu’il n’y a pas une grande différence entre les données de hautes qualités « 89 » et les données de basses qualités «1244 » qui donnent sensiblement les mêmes résultats; voir les figures de l’Annexe A pour les autres groupes. Ces statistiques ont permis de pouvoir déterminer un intervalle de valeur pour la conductivité de la zone d’étude.

Les valeurs se situent pour la plus grande majorité à une profondeur comprise entre 0 et 100 m. La conductivité est alors comprise entre 10-5 < log (K) <10-7 m/s.

Formation de Sainte-Hénédine

Formation de Lévis

Formation de Rivière-Ouelle

La Figure 10 présente la variation de la conductivité hydraulique en fonction de la profondeur forée au roc. On y remarque une diminution de K en fonction de la profondeur ainsi qu’une différence d’un ordre de grandeur pour les 100 premiers mètres. Il existe aussi une large variation spatiale à chaque niveau de profondeur qui est fonction de la densité des fractures.

Figure 10. Graphique de la conductivité hydraulique en fonction de la profondeur.

Les valeurs extraites de la littérature, des graphiques ainsi que les tests effectués pour la conductivité hydraulique horizontale ont permis de la classer dans un ordre de grandeur compris entre 10-3 < Kx < 10-9 m/s pour les dépôts meubles, entre 10-5 < Kx < 10-8 m/s pour le roc. Les valeurs de la conductivité hydraulique ayant servies de références de base pour la modélisation correspondent à celle utilisée lors de l’évaluation de la recharge par le modèle HELP.

IV-2- Intégration de la consommation de l’eau souterraine dans le

modèle d’écoulement

IV-2-1- Puits intégrés dans le modèle

Les puits utilisés pour le modèle sont les puits municipaux. En effet, comme expliqué dans le volet consommation et utilisation en eaux, les puits municipaux représentent une importante source d’alimentation en eaux souterraine pour la région. De plus, le débit individuel de ces puits est disponible ce qui n’est forcément pas le cas pour les autres puits

(agricoles, industriels, domestiques etc.). Au total, 68 puits municipaux ont été retenus. La Figure 11 représente les principaux cours d’eaux et les puits de pompages ponctuels utilisés dans le modèle numérique, (voir le Tableau 1 pour les coordonnées des puits et leurs localisations).

Il est important de préciser que tous les débits de pompage des puits municipaux, industriels et agricoles dont les coordonnées sont inconnus de même que les puits privés ont été convertis en lame d’eau répartis à la surface des municipalités.

Tableau 1. Débits et localisation des puits utilisés pour le modèle numérique.

Municipalités Débit_global (m3/j) X Y

Adstock 400.000 339031.041 5101927.317

East-Broughton et Sacré-Coeur de-Jésus 440.000 341260.991 5120390.329 300.000 342493.065 5119695.922 260.000 342099.355 5118868.230 Frontenac 500.000 357538.025 5048783.733 La Guadeloupe 144.000 349382.913 5092545.819 140.800 348944.443 5091089.866 70.000 350980.399 5090700.491 Lévis 410.750 320845.793 5166239.575 410.750 324797.739 5169605.068 410.750 325643.701 5170696.187 410.750 325432.719 5171644.407 Notre-Dame-des-Bois 60.000 343974.251 5027541.407 100.000 368437.540 5116639.186 100.000 367953.319 5115571.240 Saint-Agapit 425.000 316548.672 5157138.216 Saint-Benoît-Labre 360.000 361359.897 5104276.641 Saint-Bernard 300.000 335754.453 5151968.177 Saint-Côme-Linière 385.000 382310.128 5102112.749 Sainte-Aurélie 44.440 395521.308 5114703.363 44.440 395441.363 5113382.858 44.440 395497.298 5113008.798 Sainte-Justine 330.000 395401.285 5141431.955 330.000 395403.284 5141431.917 Saint-Elzéar 47.200 341499.853 5140661.165 100.000 341600.575 5140909.296 47.200 341565.075 5140935.973 Sainte-Marie 763.730 343667.582 5146004.910 Saint-Éphrem-de-Beauce 133.583 349584.229 5102910.492 133.583 349839.320 5103496.764 133.583 348911.985 5102001.038 133.583 349477.819 5102783.481 Saint-Frédéric 681.910 343588.687 5127068.384 Saint-Georges 33.250 367629.931 5109038.760 33.250 368042.560 5101171.273 33.250 368016.212 5100940.750 33.250 368419.614 5100907.142 33.250 367908.399 5100420.736 33.250 367874.674 5100329.363 33.250 367799.172 5101151.860 Saint-Gilles 100.000 320211.566 5157163.974 54.250 359282.431 5130691.792 54.250 359120.050 5130883.889 54.250 358846.359 5131113.098 54.250 358294.868 5130298.446 Saint-Honoré-de-Shenley 300.000 355075.234 5089494.268 Saint-Joseph-de-Beauce 500.000 359282.431 5130691.792 500.000 359120.050 5130883.889 500.000 358846.359 5131113.098 Saint-Odilon-de-Cranbourne 261.000 371690.583 5134701.149 Saint-Patrice-de-Beaurivage 98.000 328067.343 5141556.072 45.000 328070.296 5141659.036 87.000 328083.625 5141570.766 Saint-Prosper 678.000 385251.925 5119829.578 203.000 389950.228 5116186.652 Saint-Victor 204.570 353790.408 5111634.308 204.570 353559.235 5110408.514 204.570 353541.235 5110037.805 Scott 137.500 340457.731 5151570.769 137.500 340451.447 5151555.885 360.000 330047.205 5113364.946 220.000 330874.719 5113595.362 122.000 327558.928 5113217.908 100.000 327614.448 5113191.854 160.000 327499.133 5113547.105 Vallée-Jonction 204.820 350996.486 5137664.658 112.000 350986.550 5137720.854 417.000 351635.733 5137145.470

VI-2-2- Infiltration

L’infiltration a été calculée et distribuée à la surface du modèle. Les estimations d’infiltration (Figure 12) proviennent de Benoît et al. (2012) à l’aide du modèle hydrogéologique HELP (Schroeder et al., 1994).

HELP est un programme informatique quasi bidimensionnel, développé pour effectuer l'analyse du bilan de l'eau des décharges, des systèmes de couverture et d'élimination des déchets solides et installations de confinement. En tant que tel, le modèle facilite l'estimation rapide des quantités de ruissellement, l'évapotranspiration, le drainage, la collecte du lixiviat et les fuites revêtement.

La recharge nette correspond à la recharge moins des prélèvements de type lame d’eau (ex. : consommation privée). Elle a été distribuée à la surface du modèle au 250 par 250 m. Aussi, les prélèvements ponctuels de l’eau souterraine (ex. : pompages municipaux) ont toutes été intégrés dans le modèle numérique.

Les valeurs de recharge ont été estimées à partir de HELP, les valeurs sont basées sur une porosité efficace moyenne de 1% pour les 50 premiers mètres de l’aquifère fracturé ainsi qu’une porosité de 15% pour les aquifères granulaires (sédiments fluvio-glaciaires et alluvions), l’écoulement total circulant dans l’aquifère régional (égal à la recharge nette) est estimée à 269 Mm3/an (Benoît et al. 2011).

Figure 12. Infiltration moyenne estimée sur une période de 25 ans et exprimée en mm/an simulée à partir du modèle HELP.

Pour schématiser les processus d’infiltration et d’écoulement, un modèle conceptuel de l’écoulement a été défini. En effet comme souligné dans la partie géologie, le socle rocheux constitue l’unité aquifère régionale; il est cependant possible de distinguer des aquifères granulaires locaux. Ainsi sur la base des résultats issus de la cartographie hydrogéologique, le modèle conceptuel d'écoulement de l’aquifère régional a été établi. Ce modèle, présenté à

la Figure 13, a pour but de mieux visualiser l’influence des contextes hydrogéologiques sur l’écoulement. L’unité du roc de l’aquifère régional est généralement non confinée près des sommets et aux endroits où les dépôts sont minces. Ailleurs, le roc peut être semi-confiné ou confiné, selon l’épaisseur des dépôts peu perméables (till et argile) qui le recouvrent. L’écoulement à travers le roc se fait principalement dans sa partie supérieure, là où le degré de fracturation est plus important. Cet écoulement est surtout local et parcourt de faibles distances à partir des zones de recharge vers les rivières les plus proches (zones de résurgence). L’écoulement régional est négligeable en raison de la perméabilité relativement faible du roc en profondeur. L’unité des dépôts granulaires (sableux) de l’aquifère régional se trouve généralement dans les vallées principales en bordure des rivières, et présente une condition non confinée. L’écoulement y est local et fait rapidement résurgence aux rivières (Benoît et al. 2008).

Figure 13. Modèle conceptuel de l'écoulement souterrain.

Source: Benoît, N., Forest, G., Roy, N. and Nastev, M. 2008, Développement d’un modèle hydrogéologique conceptuel pour le bassin de la Rivière Chaudière, Québec. 9th Joint CGS/IAH-CNC Conference, Edmonton, 8 p.

CHAPITRE V : MODELISATION ET RÉSULTATS

V-1-Modélisation

La modélisation étant la méthode utilisée afin de mieux comprendre le système hydrogéologique dans le but de mieux gérer, protéger et conserver la ressource en eaux souterraines, il a fallu faire appel à différents logiciels tels ArcGIS, Triangle, Watflow (Molson et al., 2002) et Tecplot (© Amtec Engineering Inc.).

Le maillage et les cartes ont principalement été conçus dans ArcGIS et Triangle à l’aide de différents scripts définis par P. Thérrien (U. Laval). Le logiciel Watflow a été utilisé pour simuler l’écoulement des eaux souterraines en 3D dans le bassin. Les résultats sont ensuite visualisés et interprétés avec Tecplot.

V-1-1-Définition du domaine : ArcGIS

ArcGIS est un logiciel de cartographie par le système d’information géographique. Pour ce projet, des cartes représentant le contour du bassin versant ainsi que le réseau hydrique (les principaux lacs et rivières qui sont classés selon leur importance (> 500 000 m2 pour les lacs), ont été construites. Le réseau hydrique provient du MDDEP qui l’a transmis en format « géodatabase ». Les projections réalisées dans le cadre de ce projet ont toute été faites en coordonnées UTM 19. Les éléments doivent alors être chargés en fichier de type « polyline » pour faciliter leur utilisation dans ArcMAP. Les ruisseaux ont été choisis selon leur « ordre Strahler » compris entre 3 et 6 pour la plupart; cependant il a été nécessaire d’ajouter certain ruisseaux de l’ordre 1 et 2 pour le calage du modèle (voir partie modélisation). Le contour du bassin est en format « polygone », les ruisseaux et les lacs (coordonnées intégrées) sont quant à eux transformées en «polyline» ; les rivières et les lacs ont aussi été regroupés en des segments uniformes car ils formaient plusieurs petits segments. Les polylines seront ensuite transformés en point. À l’aide de certains scripts (Thérrien, 2012), les fichiers et les données ont été transformés dans les formats adéquats pour leur transfert dans le logiciel de modélisation. La Figure 14 représente le contour du bassin en coordonnées UTM 19 ainsi que les principaux lacs et ruisseaux utilisés pour le modèle numérique. ArcGIS a aussi permis de construire et visualiser la distribution spatiale des couches stratigraphiques.

V-1-2-Définition du maillage : Triangle

Triangle est un logiciel utilisé pour la génération d’un maillage deux dimensionnelle en éléments triangulaires. Il calcule et construit les triangles à l’aide de plusieurs méthodes parmi lesquelles la méthode Delaunay. La qualité du maillage est garantie vu qu’il est produit suite à l'utilisation de l'algorithme de raffinage « Delaunay de Ruppert » qui est inclus dans la programmation (Du, et al., 1992). Les caractéristiques incluent des trous et des concavités indiquées par l’utilisateur.

Le guide (Thérrien, 2012) discute principalement sur les décisions de mise en œuvre clés, les choix d'algorithmes de triangulations et des structures de données. On y retrouve aussi les étapes à suivre pour créer et raffiner une maille, enfin un certain nombre de questions et publications qui figurent dans l'algorithme de Ruppert sont également expliqués. Après avoir fait rouler Triangle, le script « relax.py » li les fichiers produits par Triangle et génère un nouveau fichier de coordonnées de nœuds. La topologie du maillage est conservée, tous les nœuds à l’exception de ceux formant la frontière du domaine ainsi que ceux coïncidant avec les rivières et les ruisseaux peuvent être déplacés dans le but d’améliorer la qualité du maillage qui doit contenir le plus petit nombre de triangles. La relaxation doit être effectuée après avoir exécuté Triangle car elle modifie la position des nœuds. La Figure 15 montre le maillage 3D, vue en plan. A gauche, une carte représentant le maillage au complet sur le bassin, avec raffinement le long des principaux lacs et ruisseaux puis à droite avec une échelle plus importante se trouve une zone plus détaillée dans la Basse Chaudière.

Figure 15. Maillage d'éléments prismatiques du bassin versant de la rivière Chaudière (vue en plan).

V-1-3-Stratigraphie des dépôts meubles

Dans la région à l’étude, sept unités stratigraphiques se distinguent, à savoir des unités organiques, sableuses, argileuses, de graviers, de tills remaniés, de tills minces et de tills. Le till s’avère être la couche la plus répandue. Ces dépôts étant inégalement répartis, leur distribution spatiale a été simplifiée en uniformisant les couches avec ArcGIS. Ainsi les tills minces et remaniés ont été combinés en une seule couche compte tenu de leur conductivité similaire et de leur faible répartition. La faible couche de gravier située juste au-dessus du roc a été combinée au roc (Figure 16) ; le script a permis au modèle d’attribuer l’épaisseur de la couche inférieure à la couche supérieure lorsqu’il n’existe pas de valeurs (Thérrien 2012) pour celle-ci.

ArcGIS a aussi servi à réaliser un modèle géologique conceptuel. En effet, les unités stratigraphiques présentes (organiques, sable, argile, gravier, till et le roc), ont été importées de Go-CAD au format dxf dans Arcgis; elles ont ensuite été superposées les unes aux autres après avoir transformé les dxf en raster et en combinant chaque couche à celle qui se trouvait au-dessus, ceci afin de corriger les différences d’épaisseur et surtout de simplifier les couches.

V-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.