209 - Le PACES a cinq ans : contributions du programme et défis futurs pour l'avancée des connaissances et la gestion de l'eau souterraine au Québec

Des dépôts d'origine glaciaire et les structures sous-jacentes du socle rocheux constituent les principales formations aquifères le long de la rive nord du Fleuve St-Laurent au Québec. La caractérisation de ces formations est effectuée par interpolation de toute l'information disponible (forages, dépôts de surface, etc.) et fait de plus appel aux méthodes d'exploration géophysique pour leur capacité à imager les dépôts meubles et le roc, ceci à des coûts relativement faibles. Le projet mené utilise une méthode d'induction électromagnétique (TEM) dans les régions de Charlevoix et de la Haute-Côte Nord (CHCN) dans le cadre du Programme d'Acquisition des Connaissances sur les Eaux Souterraines (PACES). L'appareil NanoTEM est privilégié parce qu'il possède une profondeur d'investigation adéquate (5 à 100 m) et qu'il fournit des images de la résistivité électrique du sous-sol sur une large gamme de valeurs (0 à 20 kΩ∙m). Le signal TEM est étalonné à l'aide de forages disponibles et des cartes de dépôts quaternaires de surface. Dans le cadre du PACES-CHCN, plus de 160 levés auront permis l'interpolation de plus de 30 km de sections géoélectriques. Le TEM nous permet de distinguer les aquitards (1 à 300 Ω∙m) et les aquifères (0,3 à 1,5 kΩ∙m) du roc cristallin (1,5 kΩ∙m et plus). Nous présenterons les résultats obtenus pour les modèles de dépôts deltaïques de Colombier et marins des Escoumins, ainsi que des modèles de dépôts d'origine fluvioglaciaire à St-Siméon et à St-Urbain. 

Dans certains contextes hydrogéologiques, l'eau souterraine contribue de manière significative à l'alimentation en eau des tourbières. La  forte capacité des tourbières d'emmagasiner de l'eau maintient le niveau des aquifères qui soutiennent les débits d'étiage des cours d'eau et constituent souvent d'importants réservoirs en eau potable. L'un des objectifs de cette thèse est de comprendre les variations de l'emmagasinement en eau des tourbières de la vallée du Saint-Laurent. Pour atteindre cet objectif, sept complexes tourbeux ont été instrumentés à l'aide de pluviomètres et de sondes piézométriques enregistrant les précipitations et les variations des niveaux de la nappe en continu  Des analyses en laboratoire et des analyses in situ des propriétés hydrodynamiques des dépôts tourbeux (conductivité hydraulique, porosité effective, densité) ont été réalisées sur 63 carottes de tourbe provenant de ces sites. Des analyses de variance (horizontale et verticale) des propriétés hydrodynamiques et des analyses de séries temporelles (autocorrélation, corrélation croisée) montrent qu'il existe un fort lien entre les dynamiques de variation des niveaux d'eau au sein des tourbières et les propriétés hydrodynamiques de la zone de battement de nappe. Des analyses de séries temporelles sont en cours pour évaluer l'influence des contextes hydrogéologiques sur la capacité d'emmagasinement des tourbières et leur connectivité avec les aquifères superficiels.?

Les corps sédimentaires côtiers sont des aquifères aux dynamiques hydrogéologiques particulières puisqu'ils se situent à l'interface continent-océan. Ils  représentent des réserves d'eau douce du fait de leurs caractéristiques morphologique et d'infiltration. Dans certains endroits du globe, ils forment la seule source d'approvisionnement en eau. Au Québec, le cadre bâti s'est fortement développé sur ce type de corps sédimentaires, mais leurs caractéristiques hydrogéologiques sont méconnues. Le marais de Cap Marteau, Trois-Pistoles, est abrité par une flèche littorale active derrière laquelle se trouvent deux paléoflèches. Dans ce cas, ces trois corps sédimentaires sont des sources ponctuelles d'eau douce marin et ils pourraient expliquer la grande diversité végétale mesurée dans le marais maritime. L'objectif général de cette présentation est de comprendre la dynamique hydrogéologique de ces flèches sur une année. Plus spécifiquement, nous présenterons les dynamiques tidales sur un cycle de marée par le biais des isotopes stables ainsi que les dynamiques saisonnières, notamment hivernales, en nous basant sur les niveaux piézométriques recueillis à différentes positions dans les flèches. Nos résultats préliminaires montrent qu'il existe un mélange entre les eaux douce et salée lors des cycles de marée mais que celui-ci est limité dans le temps et l'espace. Il en va de même à l'échelle saisonnière où l'action de la rivière dans les paléoflèches semble s'ajouter.

Dans les Basses Terres du Saint-Laurent, il est considéré que l'aquifère régional fracturé se décharge dans les rivières du territoire. Le 222Rn (radon) est parmi les traceurs les plus fréquemment utilisés pour quantifier les volumes d'eau souterraine qui contribuent aux débits en rivière. Le 222Rn est un isotope radiogénique, provenant de la décroissance du 226Ra (radium) contenu dans les roches. Une fois mis en solution dans l'eau souterraine, il est transféré dans les rivières où il se dégaze rapidement. L'objectif de ce projet est de quantifier les apports d'eaux souterraines dans deux rivières: la rivière à la Raquette (région de Vaudreuil-Soulange) et l'amont de la rivière Nicolet (Région Centre-du-Québec), à l'aide du modèle Radin 14. Ce modèle fait un bilan de masse du 222Rn en rivière basé sur les débits et le taux de dégazage du radon. Durant les étés 2013 et 2014, 130 puits localisés dans les deux bassins versants, ont été analysé afin de quantifier l'apport de radon depuis les eaux souterraines. Dans les rivières, le radon a été mesuré dans 36 stations et il varie entre 0.1 et 4 Bq/L. En combinant ces résultats aux mesures de débits, il est possible de faire ressortir les zones de décharge. Des quantités d'eaux simulées sont alors obtenues, en calant le taux de dégazage des rivières. Pour plus de précision, une injection d'argon sera réalisée dans un court tronçon des deux rivières étudiées. 

Les études sur la connexion aquifère-rivière se sont multipliées durant les dernières décennies pour mieux cerner la nature des échanges et la délimitation des zones hyporhéique et périrhéique où ils surviennent. La zone hyporhéique se situe à l'interface entre les eaux de surface et souterraines. Cette zone saturée de mélange d'eaux est indispensable à la rétention de nutriments et aux transformations biogéochimiques. La zone périrhéique se situe dans l'aquifère alluvial dont la nappe est influencée par les fluctuations des niveaux d'eau de la rivière sans qu'il y ait mélange d'eau. C'est une zone clé pour comprendre les processus d'emmagasinement des berges et les inondations par résurgence de la plaine. Cette présentation explore la variabilité spatio-temporelle des échanges d'eau dans les deux zones de la rivière Matane pour les périodes d'étiage et de crue. Vingt-quatre piézomètres ont été installés dans la plaine d'où ont été extraits les échantillons d'eau analysés. Les résultats reposent sur des traceurs géochimiques (²²²Rn, ?¹⁸O, ?²H, ?¹³C) et les propriétés physico-chimiques de l'eau. Les analyses statistiques physico-chimiques suggèrent un écoulement amont-aval prédominant pour la période d'étiage dans l'aquifère. La signature isotopique de l'eau de la plaine est similaire à celle de la rivière, suggérant la présence d'eau de recirculation. Les analyses d'eau indiquent des eaux de type jeune dans la plaine laissant supposer la présence d'un aquifère de surface.

Au Québec, la contamination des aquifères par les nitrates constitue une problématique majeure pour l'environnement et pour la santé humaine, puisque près de 23 % de la population, dont une large majorité de la population rurale,  s'approvisionne à partir  des nappes phréatiques (MENV 2004). Des concentrations trop élevées dans l'eau potable peuvent être  cause de méthémoglobinémie chez le nourrisson et de cancer gastrique chez l'adulte (Institut de la santé publique du Québec, 2003). C'est pourquoi les normes au Québec limitent la concentration de nitrate (et nitrite) à 10 mg N-NO3+NO2 /L.  Les activités agricoles représentent la principale source de contamination des nitrates dans les eaux souterraines. Quantifier, caractériser et identifier ces sources devient donc essentiel afin de minimiser la charge en azote. En partenariat avec l'entreprise Terre-Eaux inc. située à Saint-Joseph-de-Lepage, le projet de maitrise consiste à 1) documenter la dynamique de l'azote dans les sols ; 2) tester expérimentalement des techniques d'amendement au sol qui aiderait à la fixation des nitrates et donc limiterait la percolation des nitrates vers la nappe sous-jacente ; et 3) identifier l'origine des sources de nitrates dans l'eau souterraine et de comprendre la connexion entre les pratiques de surfaces et les concentrations observées dans les eaux souterraines de la municipalité de Sainte-Luce. ?

La chimie des eaux souterraines des régions de Charlevoix et de la Haute-Côte-Nord a été étudiée dans le cadre du projet PACES-CHCN. Les résultats d'analyse chimique de 105 échantillons d'eau souterraine ont été soumis à  deux méthodes d'analyse statistique multivariée, soit l'analyse de grappes hiérarchique (AGH) et l'analyse factorielle en mode R (AFR), combinées à plusieurs méthodes d'analyse graphiques ; ce qui a permis de déterminer quatre groupes d'eau représentatifs de différents stades d'évolution des eaux souterraines dans ces régions. Les eaux souterraines de type Ca-HCO₃ et faiblement minéralisées du Groupe 1 correspondent à des eaux récemment infiltrées dans des aquifères granulaires en zone de recharge. A l'inverse, les eaux souterraines de type Na-(HCO₃-Cl) du Groupe 4 sont plus salines et correspondent à des eaux plus évoluées provenant possiblement d'aquifères rocheux confinés en zone de décharge. Les Groupe 2 et Groupe 3 sont respectivement constitués d'eaux souterraines de type (Ca-Na)-HCO₃ et Ca-HCO₃ correspondant à des eaux intermédiaires des Groupes 1 et 2. Cinq principaux facteurs influençant la géochimie des eaux souterraines ont également été identifiés, soit i) la recharge par des eaux de précipitations récentes, ii) les interactions eau-roche, iii) les échanges ioniques, iv) la présence d'aquitards d'argile marine ou d'intrusions d'eau salée, et v) les connexions hydrauliques entre le socle rocheux et les dépôts granulaires surfaciques.?

Dans le cadre du projet PACES III dans la région de Chaudière-Appalaches, cette étude a pour but de mettre en perspective l'influence de la dynamique de l'écoulement régional sur la géochimie de l'eau souterraine. Pour ce faire, le système est représenté par une série de modèles numériques. Dans un premier temps, un modèle vertical en deux dimensions est développé le long d'une ligne d'écoulement régionale. Cette section de 70 km s'étend du haut plateau des Appalaches, au sud, jusqu'au fleuve Saint-Laurent, au nord. Le modèle est calé en utilisant des niveaux d'eau mesurés, et les temps de résidences simulés sont comparés avec l'âge ¹⁴C des eaux échantillonnées. Ce modèle régional indique notamment la profondeur maximale de l'écoulement actif dans la région, les effets de la densité de l'eau sur l'écoulement régional et la contribution potentielle des saumures profondes. La deuxième étape de modélisation, en voie de réalisation, consiste à identifier les processus géochimiques dominants à l'aide d'un bilan de masse sur des échantillons caractéristiques de la région d'étude. Ensuite, PHREEQC est utilisé pour modéliser l'évolution géochimique des eaux souterraines selon l'écoulement régional modélisé précédemment. Les temps de résidences dérivés du modèle d'écoulement sont utilisés comme paramètres communs entre les deux modèles, permettant ainsi de vérifier la cohérence entre les processus géochimiques et l'écoulement dans l'espace et dans le temps.

Les eaux souterraines du territoire municipalisé du Saguenay-Lac-Saint-Jean (SLSJ) ont été échantillonnées en 2010 et 2011 dans le cadre du Programme d'acquisition des connaissances sur les eaux souterraines (PACES). Ainsi, la présence d'eau de bonne qualité et d'eaux saumâtres a été identifiée. Pour mieux comprendre l'origine de la variabilité de la qualité de l'eau souterraine dans la région, un projet de doctorat a débuté en septembre 2013. L'analyse en grappe (HCA) réalisée sur un sous-groupe de 51 échantillons tirés de la base de données du PACES-SLSJ (321 échantillons) fait ressortir la différentiation chimique des eaux matures (type chloruré) en fonction du milieu aquifère (roc ou dépôts quaternaires). Une série de diagrammes binaires ([Na, Ca, Br] vs Cl; Ca vs HCO₃ ; Ca vs Na) met en évidence pour l'ensemble des échantillons du PACES-SLSJ la signature typique d'interaction eau/roche du Bouclier Canadien des échantillons prélevés dans le roc et celle du mélange d'un pôle marin avec des eaux diluées pour les échantillons prélevés dans les dépôts quaternaires. De plus, l'analyse en composantes principales et l'analyse factorielle permettent d'identifier des groupes d'éléments chimiques caractéristiques d'environnements spécifiques: Ca, Sr, Ba, SO₄ pour les milieux fracturés; K, HCO₃, Mg, Si, NH₄ pour les milieux confinés par l'argile; Na, B, Mo, F pour les milieux contenant du fluor; Fe, Mn pour les milieux d'infiltration de l'eau souterraine. ?