Regional groundwater flow dynamics and residence times in Chaudière-Appalaches, Québec, Canada : insights from numerical simulations

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018Dans le cadre du projet PACES III pour la région de Chaudière-Appalaches, situé au sud de la ville de Québec, au Canada, l'étude présente une analyse approfondie de l’influence des dynamiques d’écoulement sur la qualité des eaux souterraines dans un contexte régional. L’écoulement régional, le transport d’âge et l'impact d'une faille sur la qualité de l'eau souterraine sont étudiés par l’entremise de modèles numériques bidimensionels. La combinaison des connaissances hydrogéologiques physiques et chimiques, y compris une analyse des concentrations de ¹⁴C dans les eaux souterraines échantillonnées, a conduit à l’ébauche d'un modèle conceptuel de l’écoulement régional. Ce dernier est mis à l’essais pas l’entremise d’un modèle d'écoulement numérique suivant une ligne d’écoulement régionale dans le plan 2D vertical à l’aide du logiciel FLONET. Le modèle est d'abord calibré à l’aide d’une méthode semi-automatisé qui utilise le logiciel PEST en comparant les charges simulés à la piézométrie régionale, et est validé par la comparaison des flux simulés à la recharge. Bien que le modèle affiche l’existence d’un écoulement régional profond, la région à l’étude apparaît être dominée par des systèmes d'écoulements locaux à des échelles maximales d'environ 5 km, avec un écoulement significatif dans le roc fracturé peu profond. L’écoulement actif se limitant à une profondeur maximale de 40 m à 60 m du roc fracturé, confirme que la géochimie des eaux souterraines échantillonnées à partir de puits résidentiels est susceptible d'être affectée par les eaux faisant parti de l’écoulement intermédiaire et régional. Le transport advectif-dispersif de l'âge est ensuite simulé avec le simulateur de transport TR2 et comparé aux temps de déplacement advectifs le long des lignes d’écoulements et à l'âge ¹⁴C des eaux échantillonnées. Enfin, l’influence de la faille de la Rivière Jacques Cartier sur le contexte hydrogéologique régional est étudiée à travers divers scénarios hypothétiques de perméabilité de faille.As part of the PACES III project in the Chaudière-Appalaches region, south of Quebec City, Quebec, Canada, the study herein presents insights into the extent to which regional groundwater quality is shaped by flow dynamics. In this context, 2D numerical modelling is used to simulate regional flow, transport of groundwater age and the possible influence of a fault on groundwater quality. Combining physical and chemical hydrogeological knowledge, including an analysis of ¹⁴C concentrations in sampled groundwater, leads to the development of a regional conceptual flow model. The conceptual model is tested by representing the system with a two-dimensional numerical flow model oriented in the vertical plane roughly south-north towards the St. Lawrence River using the FLONET code. The model is first calibrated to regional piezometry through a semi-automated workflow using PEST and is then validated with average recharge values. Although some evidence for deeper regional flow exists, the area appears to be dominated by local flow systems on maximum length scales of about 5 km, with significant flow through the shallow fractured sedimentary rock aquifer. This regional scale flow model is also supported by the local hydrogeochemical signatures. Active flow appears contained within the top 40 m to 60 m of the fractured bedrock, which confirms that the geochemical signatures of groundwater sampled from residential wells are likely affected by the slow moving waters of the intermediate and regional flow systems. Advective-dispersive transport of groundwater age is then simulated with the TR2 transport model and compared with advective travel times and sampled ¹⁴C water ages. Finally, the possible role of the Jacques-Cartier River fault on regional flow dynamics is investigated by testing various fault permeability configurations