223 - Les eaux souterraines : développement des connaissances et gestion durable de la ressource

Des études de terrain récentes ont identifié une nouvelle source de gaz naturel au Québec: le gaz de schiste. Ce gaz se trouve principalement dans le Shale d'Utica situé à une profondeur d'environ 2 km dans les Basses Terres du Saint-Laurent et est le résultat d'une dégradation de kérogène. Les gaz formés par craquage de kérogène sont appelés des gaz thermogéniques et sont principalement composés de méthane, d'éthane et de propane. La présence de failles naturelles dans la roche au-dessus du Shale d'Utica peut causer une migration de gaz qui pourrait contaminer les aquifères qui sont exploités pour la consommation humaine. La contamination des aquifères peut aussi être causée par la migration de gaz biogéniques formés par des méthanogènes dans les zones humides de surface et les sédiments lacustres. Il est donc important de déterminer les concentrations et la source des gaz dans les aquifères des régions concernées avant l'exploration et l'exploitation des gaz de schiste.

Dans le cadre d'un projet soutenu en partie par la Commission d'étude environnementale stratégique des gaz de schiste, notre projet consiste à élaborer et implémenter les méthodes nécessaires à l'analyse de concentration et de signature isotopique de ces hydrocarbures dissous dans l'eau. Les analyses des isotopes stables aideront à déterminer leur origine biogénique ou thermogénique, y compris à discriminer entre le gaz de schiste et le gaz conventionnel.

Le territoire municipalisé du Saguenay-Lac-Saint-Jean (SLSJ) fait l'objet d'une cartographie hydrogéologique financée par le Programme québécois d'acquisition de connaissance sur les eaux souterraines (PACES). À l'échelle régionale, la compréhension des processus hydrogéologiques s'avère une tâche ardue, en particulier lorsque plusieurs paramètres sont impliqués. C'est le cas de l'estimation de la vulnérabilité de l'eau souterraine à la contamination. Elle est réalisée dans ce projet à l'aide de la méthode DRASTIC, laquelle comporte plusieurs étapes : 1) simplification et homogénéisation des cartes géologiques pour déterminer les limites des principaux aquifères, 2) calculs et interpolation pour produire sept cartes matricielles distinctes. Le résultat final prend la forme d'une carte matricielle dont la maille est de 250m x 250m. La recharge (R) est le paramètre de l'indice DRASTIC qui possède le poids le plus élevé, mais c'est aussi le plus difficile à évaluer. Une valeur de R est obtenue en soustrayant aux apports verticaux en pluie et en neige (V) les deux paramètres que sont l'évapotranspiration (E) et le ruissellement de surface (S). V est obtenu en utilisant les températures et les précipitations journalières; une équation empirique permet d'estimer E, et S est déterminé à l'aide de la méthode du Curve Number. Ces estimations comportent des incertitudes qui influencent le calcul de la recharge ainsi que celui de l'indice DRASTIC.

Le ²²²Rn est un excellent traceur des interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface. Un projet financé par le gouvernement du Québec a permis d'étudier le comportement du ²²²Rn dans les eaux des tourbières et les eaux des eskers et moraines en Abitibi-Témiscamingue. Le but était de tracer les échanges entre les eskers et les tourbières adjacentes. Cinquante-six puits localisés dans les eskers de Barraute et Saint-Mathieu-de-Berry et la moraine d'Harricana ont été échantillonné pendant l'été 2012. L'activité du ²²²Rn a été mesurée avec un compteur à scintillation liquide (HIDEX SL-300). Seize échantillons provenant des puits profonds des eskers et du socle archéen fracturé donnent des valeurs entre 2,8 et 34,9 Bq/L. Quarante échantillons prélevés de piézomètres installés à différentes profondeurs entre 0,70 m à 4,80 m dans quatre tourbières en contrebas de ces eskers donnent une activité entre 0,02 et 16,6 Bq/L. Plusieurs tourbières montrent une bonne corrélation entre l'activité du ²²²Rn et les ions dissous HCO₃^-, SO₄^2-, Mg²⁺ et Ca²⁺. La salinité provient d'eaux profondes, tel que suggéré par les relations avec la profondeur, la salinité et les gaz nobles He et Rn. Un bilan de masse entre les eaux salines profondes riches en ²²²Rn et les eaux des tourbières appauvries en sels et ²²²Rn, permet d'estimer à ~5% la contribution externe aux tourbières. Ces valeurs sont faibles et ne prennent pas en compte les pertes de ²²²Rn par désintégration ou volatilisation.

L'objectif de cette étude est d'estimer le temps de séjour de l'eau souterraine dans le bassin versant de la rivière Bécancour. Une étude préliminaire sur les gaz rares effectuée en 2010-2011 a montré que l'eau souterraine qui s'écoule dans les aquifères Holocènes contient trois signatures de l'hélium, radiogénique, atmosphérique et tritiogénique. L'eau souterraine enrichie en ⁴He radiogénique s'écoule principalement dans des aquifères confinés orientés NE-SW le long d'un synclinal parallèle au Fleuve Saint-Laurent. L'eau souterraine s'écoulant dans la plaine montre exclusivement de l'He atmosphérique, ce qui suggère des temps de séjour court et une recharge locale. Sur la bordure est du bassin, les ratios (R) ³He/⁴He sont plus élevés que le ratio atmosphérique (Ra = 1,386 x 10^-6).  Tous les ratios corrigés R/Ra sauf un montrent une croissance linéaire avec la distance depuis la zone de recharge dans les Appalaches (R/Ra = 1) jusqu'à la zone de décharge en plaine (R/Ra = 1,70). Ces valeurs indiquent clairement la présence de ³He en excès produit par la décroissance du tritium qui s'est infiltré dans les aquifères après le pic dû aux bombardements thermonucléaires dans les années 60. L'augmentation progressive du ratio ³He/⁴He suggère un modèle « piston-flow » pour l'aquifère, avec un apport croissant de ³H-décroissance ³He en aval, donc de l'eau infiltrée anciennement quand l'apport en ³H était plus important qu'aujourd'hui.

Dans le cadre de la troisième phase du programme d'acquisition de connaissances sur les eaux souterraines du MDDEFP, un projet a été lancé au printemps 2012 par l'Université du Québec à Montréal. Le Projet de connaissance des eaux souterraines des bassins versants de la rivière Saint-François et de la rivière Nicolet a pour but d'établir la cartographie hydrogéologique du bassin versant de la rivière Nicolet et de la partie aval du bassin versant de la rivière Saint-François. Ce projet est réalisé en partenariat avec les CRÉs Centre-du-Québec, Chaudière-Appalaches et de l'Estrie, les MRCs d'Arthabaska, de Drummond, de l'Érable, du Haut Saint-François, de Nicolet-Yamaska, des Sources, et de Val Saint-François, ainsi que les OBV COGESAF la COPERNIC et l'AGTCQ. L'Université de Sherbrooke est un partenaire académique dans ce projet. La zone d'étude couvre une superficie de 4585 km², comprend 75 municipalités et une population de 192 000 habitants. Près de la moitié (46%) de cette population est approvisionnée en eau potable à partir de l'eau souterraine. Trois projets de maîtrise seront réalisés dans le cadre de ce PACES : le premier portera sur la géochimie de l'eau souterraine et les temps de résidence de l'eau; le deuxième a pour objectif de comprendre les écoulements dans des contextes stratigraphiques types de la zone d'étude; le troisième projet vise la création d'une plate-forme cartographique destinée à la diffusion web de l'information hydrogéologique.

Les eskers d'Amos, formant d'imposants cordons allongés de sables et de gravier déposés lors de la dernière glaciation, contiennent une eau potable de grande qualité. Leur cycle hydrogéologique et leurs interactions avec les aquifères environnants sont cependant peu documentés. Une étude multi-isotopique ayant recours aux isotopes des gaz rares a donc été initiée sur les eaux des eskers Saint-Mathieu-Berry (SMB) et de Barraute, de la moraine Harricana et de l'aquifère fracturé du socle Archéen. Les résultats montrent des excès en ³He, produit par la décroissance du tritium, dans la majorité des puits superficiels ainsi qu'une augmentation de la concentration en ⁴He radiogénique et de la salinité avec la profondeur. Des âges inférieurs à 32 ans pour les eaux de SMB et d'Harricana sont calculés à partir des données ³H et ³He. La présence d'eau d'âge intermédiaire (50 à 800 ans) est décelée par la méthode U-Th/⁴He. Ces relations suggèrent une circulation rapide de l'eau dans les eskers avec des venues d'eau profonde depuis le socle fracturé. Les températures de recharges obtenues grâce aux gaz nobles Ne, Ar, Kr et Xe, de composition atmosphérique, varient entre 0 et 11.6˚C. Elles correspondent aux températures moyennes entre le mois d'avril et le mois de juin, soit la période évaluée pour la recharge de ses systèmes hydrologiques.

Les excavations minières facilitent l'évaluation des rôles des systèmes de fractures et des structures géologiques majeures dans le comportement hydrogéologique des aquifères rocheux. Ces installations offrent un accès privilégié pour la collecte de données et d'échantillons. Un tel accès est particulièrement utile dans les territoires où le roc est peu affleurant. De plus, certaines données collectées dans le cadre du fonctionnement normal d'une mine peuvent être très pertinentes pour la compréhension de l'hydrogéologie régionale du roc fracturé.

 Des modèles analytiques de l'écoulement des eaux souterraines ont été développés pour les mines, les tunnels ou les puits collecteurs permettant d'estimer les propriétés hydrauliques des aquifères. Ces modèles sont conçus pour des conditions de drainage similaires à celles observées dans les mines. Ils peuvent être utilisés avec les données recueillies dans celles-ci afin d'estimer la conductivité hydraulique d'un aquifère rocheux régional. Également, l'hydrogéochimie varie en fonction de la profondeur. Dans le Bouclier canadien par exemple, près de la surface les eaux sont communément bicarbonatées calciques alors qu'à des profondeurs de plus de 200 mètres elles sont régulièrement plus riches en chlorures.

Ces aspects seront illustrés par des exemples provenant des mines Beaufor, Canmet et Lac Herbin, situées en Abitibi, au Québec.

La gestion durable de la ressource eau souterraine en milieu agricole pose problème, notamment lorsqu'il y a pollution par les nitrates. La modification des pratiques culturales devient alors un incontournable, surtout lorsqu'il y a une prise d'eau potable à proximité.  Mais quels sont les impacts sociaux d'une telle modification? Y a-t-il une acceptabilité de la part des agriculteurs?  Pour y répondre, un canevas d'entretien, suite à une revue de littérature, et 6 scénarios agronomiques ont été élaborés et présentés aux acteurs territoriaux. Les résultats des entretiens collectif (1) et individuels (2) ont permis d'identifier les principaux freins et les potentiels de chacun des scénarios. Toutefois, ce sont les impacts économiques qui inquiètent les producteurs agricoles qui ont fait part, par ailleurs, d'une ouverture par rapport à la protection de l'environnement et à des pratiques culturales plus durables. Enfin, le niveau d'acceptabilité sociale, face à de telles pratiques, est influencé par les perceptions quant aux impacts économiques. Une des solutions réside dans l'élaboration participative et consensuelle de scénarios souhaitables.

Bien que le sol offre une barrière de protection naturelle de l'eau souterraine, les usages présents sur les aires d'alimentation des puits municipaux génèrent des pressions qui peuvent compromettre la qualité de la ressource. Le Projet de règlement sur le prélèvement des eaux et leur protection ainsi que le Projet de stratégie sur la protection et la conservation des sources destinées à l'alimentation en eau potable témoignent de la volonté du Gouvernement du Québec de mettre en œuvre des moyens visant la protection des sources souterraines d'eau potable. Dans une optique d'aménagement et de développement durable, il est important de favoriser une harmonisation des usages du territoire avec la protection des sources d'eau. Le cas à l'étude est la source d'eau alimentant les municipalités de Laurier-Station et de Saint-Flavien. L'objectif de cette étude est d'identifier des mesures et des orientations qui pourraient faire partie d'un plan intégré de protection de l'aire d'alimentation du captage municipal. Nous avons développé  une démarche d'évaluation des risques qui combine l'information concernant les pressions anthropiques sur le territoire, la vulnérabilité des eaux souterraines, la localisation géographique des sources potentielles de contamination du captage et les impacts des contaminants sur la santé publique. Les mesures et orientations identifiées sont ensuite évaluées en fonction de leur faisabilité de mise en œuvre et d'intégration aux outils d'aménagement du territoire.

Dans le cadre du PACES, un projet de caractérisation des eaux souterraines du sud-ouest de la Mauricie fut réalisé de 2009 à 2013. Au total, 245 échantillons d'eaux souterraines ont été prélevés dans différents contextes hydrogéologiques. Près de 50 paramètres géochimiques, cinq paramètres microbiologiques ainsi que six isotopes stables et radioactifs ont été analysés.

Concernant les paramètres géochimiques, 42% des échantillons dépassaient au moins une des normes applicables alors que pour les paramètres microbiologiques, 39% de dépassements des normes applicables ont été notés. Les causes de ces dépassements sont reliées à des facteurs anthropiques et naturels. Les contaminations bactériologiques semblent être la principale problématique sur le territoire, suivi de la problématique des concentrations élevées en fer et en manganèse. L'analyse des isotopes a démontré que les aquifères de la Mauricie renferment des eaux datant de quelques jours à plusieurs milliers d'années. Au niveau de la géochimie, dix types d'eau dominants ont été identifiés sur le territoire, dont le type Ca-HCO₃ qui est le plus récurrent. Ce type d'eau se situe surtout dans les zones de recharge. Les contextes hydrogéologiques semblent influencer la qualité d'eau. De plus, l'utilisation des statistiques multivariées a permis la classification des échantillons en 11 groupes hiérarchiques. Ces résultats ont permis de développer un modèle conceptuel de l'évolution et de l'origine des eaux souterraines.

Le sud-ouest de la Mauricie est abondamment pourvue d'aquifères constitués de matériaux granulaires, tels les paléo-deltas des rivières Saint-Maurice et Yamachiche, la Moraine de Saint-Narcisse et les hautes terrasses sablonneuses remaniées par le littoral de la mer de Champlain. L'objectif du projet de recherche visait à construire un modèle géologique représentant avec cohérence l'architecture des dépôts meubles. Cette recherche a été réalisée dans le cadre du projet PACES de caractérisation hydrogéologique du sud-ouest de la Mauricie de UQTR, et en collaboration de la CGC.

La compilation des données existantes a permis de rassembler plus de 6800 descriptions géologiques de forages, de puits ou piézomètres. De nouvelles données ont été récoltées sur le terrain dans les secteurs moins connus. Au total, 30 nouveaux forages, 200 mesures de géophysique et de 63 kilomètres de sismique-réflexion haute-résolution ont été réalisés.

La modélisation de l'architecture des dépôts meubles du secteur a permis d'identifier un aquifère peu exploité au nord de l'agglomération de Trois-Rivières. Le volume total de l'aquifère sableux supérieur a été estimé à 4.7 milliards de m³. Une vallée enfouie à grand potentiel aquifère a été découverte dans l'axe de la faille de Saint-Cuthbert. L'extension souterraine de la Moraine de Saint-Narcisse ainsi que de nombreuses formations fluvioglaciaires enfouies à potentiel aquifère ont pu être modélisées.

Une étude a été entamée pour quantifier les ressources en eau dans deux types d'aquifères au Québec : granulaire dans le Quaternaire des Basses Terres du St. Laurent et fluvio-glaciaires dans les eskers holocènes d'Amos, Abitibi-Témiscamingue. Ici sont présentés les résultats obtenus en mesurant le rapport ²³⁴U/²³⁸U et le ²²⁶Ra. Leur présence en phase dissoute dépend des conditions d'oxydo-réduction ainsi que des interactions eau-roche. Le premier site étudié, dans le bassin de Bécancour, montre une diminution du rapport ²³⁴U/²³⁸U de 3.1279±0.0136 dans la zone de recharge jusqu'à un minimum de 1.1449±0.0126 dans la plaine à proximité du fleuve St. Laurent. Cette diminution ne correspond pas à une décroissance radioactive mais probablement aux interactions eau-roche avec un lessivage préférentiel du ²³⁴U que nous essayerons de quantifier à l'aide de ces isotopes. Le second type d'aquifère correspond aux eskers de St-Mathieu-de-Berry, Barraute et la moraine d'Harricana. On y observe une augmentation du rapport ²³⁴U/²³⁸U avec la profondeur, allant de 1.0337±0.0209 à 2.6925±0.1312. Les échantillons provenant de l'aquifère fracturé sous-jacent la plaine argileuse séparant les eskers présentent les fractionnements isotopiques les plus importants, jusqu'à 2.7066±0.0406. Les résultats en ²²⁶Ra témoignent également d'un enrichissement avec la profondeur. On pourrait expliquer cela par un mélange entre eaux d'origines différentes comme suggéré par les isotopes de l'hélium.