Comportement et transport des contaminants dans les systèmes intégrés d’eaux souterraines et de surface coulant de fractures du substratum rocheux

Chercheurs principaux - E.A. Sudicky et J.F. Sykes, Université de Waterloo (2001-2004)

Enjeu

Les méthodes avancées comme la modélisation mathématique pour les systèmes d’eau souterraine et de surface ont évolué de manière autonome, notamment la caractérisation et l’évaluation économique de ces systèmes. Dans une certaine mesure, les méthodes séparées sont devenues plus ou moins incompatibles. Par conséquent, pour ce qui est de la plupart des bassins hydrographiques, on en sait fort peu sur la capacité durable de la ressource à satisfaire aux besoins en eau et à recevoir les rejets des collectivités et des industries afférentes. Le manque d’information intégrée peut déboucher sur l’absence de coordination au niveau de la planification et des politiques et sur des conséquences environnementales imprévisibles et indésirables qui pourront, plus tard, exiger une restauration coûteuse ou provoquer des préjudices irréparables à la ressource.

Ce projet a été conçu afin de développer des outils de modélisation basés sur des critères physiques qui traitent en 3D les écoulements d’eau de surface et d’eau souterraine, y compris le comportement et le transport des contaminants, dans des bassins hydrographiques au sein d’un cadre parfaitement intégré, pour une application à des échelles multiples. Comme il s’agit de modèles numériques basés sur des critères physiques, ceux-ci peuvent être appliqués à des types de bassins hydrographiques allant de ceux reposant sur de la roche fissurée à ceux composés de dépôts granulaires non consolidés. Cette recherche visait les décideurs en matière de politiques et de réglementation. Afin qu’ils aient une meilleure compréhension de la dynamique, à l’échelle des bassins hydrographiques, des systèmes d’eaux de surface et d’eaux souterraines en milieu fracturé et qu’ils puissent prévoir les effets des activités municipales, agricoles et industrielles ainsi que ceux du changement climatique sur la qualité de l’eau et sa quantité dans ces systèmes.

Projet

Comme il existe peu de connaissances scientifiques permettant de décrire l’interaction des systèmes d’écoulement des eaux de surface et des eaux souterraines au sein des bassins hydrographiques dans les formations de roche cristalline du Bouclier canadien, les chercheurs ont conçu et peaufiné un modèle 3D de bassin hydrographique, HydroGeoSphere, qui incorpore l’écoulement des eaux de surface et souterraines ainsi que les processus de transport des contaminants au sein du système. Ce modèle a été appliqué à plusieurs bassins hydrographiques donc ceux de la région de Portneuf au Québec. Ces bassins hydrographiques ruraux subissent une contamination des eaux souterraines par les nitrates issus d’engrais. HydroGeoSphere a été utilisé pour faire enquête et calibrer les paramètres relatifs à l’écoulement des eaux souterraines et de surface dans le bassin et ce, du printemps jusqu’à l’automne. Les sorties du modèle ont été comparées aux données hydrologiques observées en continu. Les travaux ont permis de mieux comprendre le modèle et les paramètres physiques pour les systèmes intégrés d’eaux souterraines et de surface dans les bassins hydrographiques du Bouclier canadien.

Le modèle a été appliqué à des bassins hydrographiques de la vallée du Fraser, en C.-B. HydroGeoSphere permettait d’examiner, à l’échelle des bassins hydrographiques, les effets cumulatifs de prélèvements répartis. Le modèle a été utilisé pour déterminer si les impacts sur les eaux de surface pouvaient être atténués par le développement préférentiel d’aquifères plus profonds et captifs.

Un autre projet de recherche concernait une application d’HydroGeoSphere à l’échelle continentale qui a permis de produire une simulation 3D des régimes d’écoulement des eaux de surface et souterraines pour l’ensemble du Canada. Cette simulation était axée sur le paléoclimat, particulièrement la glaciation et la déglaciation d’origine climatique du continent nord-américain. Ce modèle a également rehaussé la modélisation existante du bassin hydrographique de la rivière Grand en Ontario, en tenant compte des perturbations saisonnières et basées sur des événements et en intégrant les régimes d’écoulement des eaux de surface et souterraines.

Produits

• Développement d’un modèle 3D avancé de bassin hydrographique baptisé HydroGeoSphere
• Développement d’outils de gestion des données
• Création de collaborations de recherche

Présentations choisies :

Les membres de l’équipe de recherche ont présenté leurs résultats dans le cadre de grandes conférences nationales et internationales et ont organisé des séances particulières au cours de ces rencontres. Bon nombre des anciens doctorants formés par des membres de l’équipe occupent désormais des postes dans des universités canadiennes et américaines. Tous les membres de l’équipe jouissent d’une réputation internationale pour leurs travaux de recherche, sont des auteurs dont les ouvrages sont fréquemment cités et qui se sont mérité, collectivement, de nombreux prix et distinctions, et ce, aux niveaux national et international.

S. D. Normani, J. F. Sykes, E. A. Sudicky et Y.-J. Park, 2005. Paleo-Evolution And Uncertainty Analysis of Regional Groundwater Flow In Discretely Fractured Crystalline Rock. ModelCare 2005, Fifth International Conference on Groundwater Modelling from Uncertainty to Decision Making, Scheveningen, Pays-Bas. 6 pages. juin 2005.

J. F. Sykes, E. A. Sudicky, S. D. Normani, R. G. McLaren et M. R. Jensen, 2005. Long-Term Regional And Sub-Regional Scale Groundwater Flow Within An Irregularly Fractured Canadian Shield Setting. Conférence de la Société nucléaire canadienne – Waste Management, Decommissioning and Environmental Restoration for Canada’s Nuclear Activities: Current Practices and Future Needs, Ottawa, Ontario. 11 pages. 8-11 mai 2005.

Sudicky, E.A., Jones, J.P. et Brookfield, A.E., 2005. Quantifying Groundwater Contributions to Streamflow Generation: The Reliability of Tracer-based Hydrograph Separation Techniques, ModelCARE 2005, 5th International Conference on Calibration and Reliability in Groundwater Modelling, 6-9 juin 2005, La Haye (Scheveningen) Pays-Bas (communication sollicitée).

Normani, Stefano D., Sykes, Jon F. et Jyrkama, Mikko I., 2004. Can Contaminant Transport Be Simulated Assuming Steady-State Flow, communication GSA 68-14. Denver, Colorado, 7-10 novembre 2004.

Jones, J.P., Brookfield, A.E. et Sudicky, E.A., 2004. Quantifying groundwater contributions to streamflow generation: The reliability of tracer-based hydrograph separation techniques, Réunion de printemps de l’AGU/CGU, Montréal, Québec, mai 2004.

Publications choisies :

Park, Y.-J. Sudicky, E.A., Panday, S., Sykes, J.F. et Guvanasen, V., 2008. “Application of implicit sub-time stepping to simulate flow and transport in fractured porous media”, Adv. Water Resour., doi:10.1016/j.advwatres.2008.04.002, 9 p.

Jones, J. P., E. A. Sudicky, A. E. Brookfield et Y.-J. Park , 2006. “An assessment of the tracer-based approach to quantify groundwater contributions to streamflow”, Water Resour. Res., 42, W02407, doi:10.1029/2005WR004130, 15 p.

Jones, J. P., E. A. Sudicky, A. E. Brookfield et Y.-J. Park , 2006. “An assessment of the tracer-based approach to quantify groundwater contributions to streamflow”, Water Resour. Res., 42, W02407, doi:10.1029/2005WR004130, 15 p.

Park, Y.-J., Sudicky, E.A., McLaren, R.G. et Sykes, J.F., 2004. “Analysis of hydraulic and tracer response tests within moderately fractured rock based on a transition probability geostatistical approach”, Water Resour. Res., vol. 40, W12404, doi:10.1029/2004WR003188, 14 p.

Jianting Zhu et Jonathan F. Sykes, 2004. “Simple screening models of NAPL dissolution in the subsurface”, Journal of Contaminant Hydrology, volume 72, numéros 1-4, 245-258.

Résultats

• En intégrant les modèles des eaux souterraines et ceux de la biosphère, la recherche a débouché sur une meilleure compréhension du lien entre les pratiques d’enfouissement des déchets et leur incidence sur la santé humaine.
  • Les modèles et outils de gestion des données avancés développés grâce à cette recherche ont suscité l’intérêt du monde entier, et ils sont actuellement utilisés par une multitude de scientifiques œuvrant dans des universités, pour le gouvernement ou pour le secteur privé.
• Création d’une collaboration avec HydroGeoLogic (HGL), Inc., une société de pointe en génie de l’environnement/hydrogéologie dont le siège se trouve à Herndon, en Virginie, et qui a établi deux bureaux satellites, l’un auprès de la ville de Waterloo et le second, auprès du US Bureau of Reclamation (USBOR).
• Compréhension approfondie de la stabilité physique et chimique des systèmes d’écoulement souterrain en profondeur dans des roches cristallines fissurées pour l’entreposage sécuritaire de combustible nucléaire épuisé.
• Le modèle HydroGeoSphere a été adopté par l’USBOR et par le California Department of Water Resources en vue d’étudier diverses questions liées à l’eau dans la Vallée centrale de la Californie. Le modèle HydroGeoSphere a été employé dans le cadre d’un vaste projet du Sixième programme-cadre de l’Union européenne rassemblant des chercheurs de 18 universités et établissements de recherche afin d’étudier les répercussions d’apports de contaminants de sources diffuses, notamment les changements du climat et de l’utilisation des terres, sur la qualité des eaux de surface et souterraines et sur le fonctionnement du sol au sein de plusieurs des principaux bassins hydrographiques d’Europe (p. ex. ceux du Rhin et du Danube).
• L’équipe de recherche a joué un rôle essentiel dans la création de liens avec le Consortium of Universities for the Advancement of Hydrologic Sciences, Inc. (CUASHI) des États-Unis et avec le National Center for Hydrologic Synthesis (NCHS) qui doit être établi à l’université UC Berkeley. Ils ont également collaboré avec des chercheurs de l’Université nationale de Séoul et de l’Institut coréen des sciences de la terre et des ressources minérales (KIGAM) et du groupe HYMAP du Québec.