Caractérisation de la dynamique transitoire des écoulements d'un site de filtration sur berge localisé dans un système géologique complexe

La filtration sur berge (FSB) est un terme qui décrit des installations de puits qui exploitent un mélange d’eau souterraine et d’eau de surface en raison de leur position à côté d’un lac ou d’une rivière. Ces systèmes ont de nombreux avantages, notamment dans un contexte où les eaux de surface sont de plus en plus contaminées, puisqu’ils permettent d’accéder à des quantités d’eaux de surface filtrées naturellement et diluées avec l’eau souterraine de meilleure qualité. Les problématiques de gestion de la qualité sont spécifiques pour ces systèmes à cause du caractère hautement dynamique et transitoire des écoulements, hérités des séquences de pompage et de la variation naturelle dans l’eau de surface. Les éléments essentiels pour comprendre l'évolution de la qualité de l'eau sont les taux de mélange entre la rivière et les eaux souterraines, qui influent sur la dilution, ainsi que les temps de séjour, qui affectent la capacité d'atténuation. Classiquement, les taux de mélange sont calculés en considérant 2 pôles d’eau (souterrain et surface) par des modèles hydrodynamiques ou des approches géochimiques et isotopiques. Aucune étude ne considère l’impact de plusieurs types d’eau souterraine sur les taux de mélange et les effets de dilution. Pourtant, les lieux de prédilection de l’installation des sites de FSB sont les aquifères alluviaux, par définition hétérogènes et fréquemment exutoires d’aquifères régionaux de plus grande envergure. En outre, si certaines études s’intéressent à l’impact de la variation temporelle du signal de l’eau de surface sur les taux de mélange des eaux pompées, la majorité la considère comme fixe. D’autre part, l’infiltration induite de l’eau de surface a pour conséquence de perturber les équilibres physico-chimiques et biologiques dans la zone d’infiltration entre l'eau de surface et les puits de pompage. La perturbation des équilibres est à double tranchant, elles peuvent être à l’origine de l’amélioration de l’atténuation des contaminants comme à leur relargage. La forte dynamique transitoire des écoulements, liée à des schémas de pompage qui s’adaptent à la demande en eau, est susceptible de rompre la connexion hydraulique avec la rivière. Les bénéfices occasionnés par cette connexion sont alors perdus. L’objectif général de cette thèse est de proposer une approche à même de rendre compte de la dynamique transitoire des écoulements d’eau dans un site de FSB dont les sources d’eau sont multiples. Pour ce faire, une méthode d’investigation combinant des séries temporelles géochimiques et isotopiques à différentes échelles de temps et réparties dans l’espace a été appliquée sur un site de prélèvement multipuits à Lachute (Québec, Canada). Les objectifs spécifiques se déclinent en quatre : 1) Caractériser les structures séparant les aquifères régionaux de la nappe alluviale par une analyse de l’histoire géologique et par des méthodes géophysiques; 2) Qualifier et quantifier l’impact des écoulements souterrains régionaux sur la dynamique de recharge d’une nappe alluviale utilisée pour la FSB par l’élaboration d’un modèle conceptuel à partir d’outils géochimiques et isotopiques; 3) Déterminer l’impact du caractère transitoire et multisource des écoulements d’un site de FSB sur la quantification des taux de mélange des eaux pompées avec des équations de bilan de masse; et 4) Déterminer l’impact d’une stratégie de pompage sur la représentativité d’un échantillon dans la zone d’infiltration et dans le puits de pompage. Les deux premiers objectifs spécifiques sont nécessaires pour déterminer le modèle conceptuel des écoulements du site de FSB étudié. L’hypothèse avancée est que la nappe alluviale ne peut être représentée par un pôle d’eau unique dans un modèle de mélange en FSB en étant l’exutoire des aquifères adjacents. Il apparaît primordial de caractériser les masses d’eau susceptibles de s’écouler dans la nappe alluviale et d’évaluer leur qualité respective. L’approche scientifique est de définir les écoulements d’eau souterraine depuis les aquifères régionaux vers la nappe alluviale à partir des données dont les conditions se rapprochent le plus d’un fonctionnement en régime « naturel » pré-opératoire où il n’y avait pas encore d’infiltration induite de la rivière. Les travaux ont démontré qu’il existe 4 pôles d’eau souterraine affectant la variabilité spatiale de la nappe alluviale : 3 naturels et 1 anthropique, lié à la présence d’un ancien site de dépôt à neige. Ils se distinguent par la combinaison des faciès chimiques et de la signature isotopique de la molécule d’eau. Ces travaux ont également démontré que la nappe alluviale n’est pas à l’origine de la minéralisation et de la signature isotopique de l’eau souterraine qui y circule. Elles sont héritées des eaux qui rechargent cette nappe. Ce constat permet d’utiliser certains ions majeurs pour distinguer les zones de mélange dans la nappe alluviale et de calculer les taux de mélanges. Parmi les 4 sources d’eau souterraines affectant la nappe alluviale, le pôle anthropique est celui qui a une qualité médiocre avec des concentrations en Ca et Mg élevées. L’utilisation de la base de données de la nappe alluviale qui n’est pas sous l’influence de l’infiltration de la rivière a permis de localiser la source anthropique à l’extrémité ouest du champ captant. La partie ouest du champ captant est également sous l’influence d’un pôle naturel. Aucun taux de mélange n’a pu être calculé entre ces deux pôles dans la partie ouest du champ captant par manque de données. Cependant, un mélange binaire a permis de calculer, par des systèmes d’équations de bilan de masse, les taux de mélange dans la partie est du champ captant. Elle est constituée à 50 – 40 % des eaux souterraines provenant de l’amont et à 50 - 60% des eaux souterraines provenant de l’aquifère sous-jacent. Devant ce constat, considérer un seul pôle d’eau souterraine pour représenter la nappe alluviale dans les calculs de taux de mélange en FSB ne paraît pas approprié. Des modèles de mélange ont été définis pour discuter les taux de mélange dans les puits d’exploitation calculés par des systèmes d’équations de bilan de masse. Le pôle d’eau de surface (qui varie dans le temps) a dû être considéré en plus des pôles d’eau souterraine considérés précédemment. Dans la partie est du champ captant, la même tendance des taux de mélange provenant des eaux souterraines s’observe pour les 2 systèmes d’équations : % nappe sous-jacente > % nappe amont. La part d’eau de surface est celle qui est la plus importante entre les trois. Il y a une variation temporelle des taux de mélange pour la nappe sous-jacente et pour l’eau de surface infiltrée, la part de la nappe amont est plus stable dans le temps. Ainsi, les pompages ont tendance à solliciter prioritairement les eaux souterraines de la nappe sous-jacente, avant celle de la nappe amont. Ce qui est un atout pour la qualité, car la nappe sous-jacente est captive et plus protégée des contaminations s’infiltrant par le toit de la nappe. Dans la partie ouest du champ captant, les eaux provenant du pôle anthropique représentent 1 % à 17 % du mélange dans les 3 puits à l’extrémité ouest du champ captant. C’est le taux le plus bas devant le pôle d’eau de surface et le pôle de la nappe amont, pourtant son impact est important sur la qualité dans les puits. Les puits ayant le plus haut taux provenant du pôle anthropique sont aussi ceux qui ont la qualité la plus faible. Devant le défaut de qualité de la source anthropique et l’apparente hétérogénéité des écoulements dans la nappe alluviale, il apparaît important d’évaluer l’impact sur les taux de mélange si une seule source d’eau souterraine était considérée dans les calculs. L’étude de sensibilité appliquée au système d’équations binaire avec la conductivité électrique a montré que les paramètres temps de séjour et pôle d’eau souterraine unique ont un impact important sur les taux de mélange. Une erreur d’un pas de temps de mesure, ici le mois, peut entraîner des différences jusqu’à 40 %. Une mauvaise approximation de la valeur représentant le pôle d’eau souterraine a un impact variable en fonction de la valeur du traceur dans chacun des pôles. Dans le cas d’une contamination anthropique au sel, les erreurs peuvent être jusqu’à 50 %. Ces erreurs sont très problématiques pour estimer la dilution susceptible d’atténuer la contamination. Le pôle d’eau de surface a été estimé à chaque instant à partir de temps de séjour moyen défini en comparant graphiquement les pics de variations dans les chroniques de la rivière et des puits d’exploitation. Les temps de séjour moyens dans chaque puits sont compris entre 2 mois et 6 mois. Une variation temporelle des temps de séjour moyen est suspectée malgré les chroniques discontinues. Ce constat était attendu dans ce contexte hautement transitoire qu’est la FSB où les écoulements sont bouleversés au rythme des séquences de pompage. Une hypothèse de travail est que les variations de temps de séjour sont liées en partie à une rupture de la connexion hydraulique entre la rivière et les puits de pompage. Cette rupture en plus d’entraîner des conséquences sur les temps de séjour est susceptible d’impacter les sources d’eau sollicitées. Des conditions transitoires de pompage ont été recréées en interrompant durant une semaine l’activité de tous les puits de la partie ouest du champ captant, avant d’en redémarrer un. L’objectif étant de rompre la connexion hydraulique entre la rivière et le puits de pompage. Durant les deux semaines suivantes de pompage, l’évolution des charges hydrauliques, de la géochimie et de la signature isotopique des eaux pompées et autour a été suivie. Les eaux sont constituées à 54-67% d’eau souterraine et 46-54% d’eau de surface anciennement infiltrée. Ces tendances évoluent drastiquement la première journée de l’ordre 60 % de l’augmentation de la CE. Puis, elle évolue plus lentement. Le dernier jour de pompage, les eaux prélevées par le puits d’exploitation sont un mélange avec 97% d’eaux souterraines amont et 3% d’eaux de recharge. Cette évolution valide que la rupture de la connexion hydraulique entraîne un bouleversement des écoulements dans la zone d’infiltration et que le rétablissement de la connexion hydraulique n’est pas instantané. Les conséquences techniques directes sont 1) l’augmentation du temps de séjour dans la zone d’infiltration et 2) la définition de la représentativité d’un échantillon doit s’effectuer en tenant compte de la dynamique de pompage. La rupture de la connexion hydraulique entraîne une perte des bénéfices de qualité liée. Cependant, la connaissance des conditions de pompage nécessaires pour rompre la connexion hydraulique est un atout dans la gestion des schémas de pompage. Par exemple, il serait possible d’éviter qu’une contamination ponctuelle dans l’eau de surface s’infiltre dans la zone d’infiltration en rompant la connexion hydraulique. Pour conclure, la représentativité des échantillons est une notion fondamentale dans la compréhension de la dynamique transitoire d’un site de FSB. Il est primordial d’obtenir des données réparties spatialement pour caractériser les eaux souterraines et des chroniques continues des traceurs dans les eaux de surface. D’une part, il est recommandé d’évaluer toutes les sources d’eau souterraine alimentant la nappe alluviale et leur qualité respective. D'autre part, il est recommandé d’évaluer les conditions de pompage lors d’un échantillonnage pour évaluer les sources d’eau impliquées. Pour ce faire, il est nécessaire de caractériser les conditions de pompage qui coupe la connexion hydraulique entre la rivière et les puits de pompage, et le temps nécessaire pour que la connexion se rétablisse. La connaissance de ces éléments permettra d’optimiser les stratégies de pompage pour limiter les variations dans la qualité de l’eau pompée.

Abstract

Bank filtration (BF) is a term that describes well installations that utilize a mixture of groundwater and surface water due to their proximity to a lake or river. These systems have numerous advantages, especially in a context where surface waters are increasingly polluted, as they provide access to naturally filtered and diluted surface water combined with higher quality groundwater. Quality management challenges are specific to these systems due to the highly dynamic and transient nature of flows, influenced by pumping sequences and natural variations in surface water. The key factors for understanding water quality evolution are the mixing rates between the river and groundwater, which affect dilution, and the residence times, which impact attenuation capacity. Traditionally, mixing rates are calculated by considering two end-members (subsurface and surface) using hydrodynamic models or geochemical and isotopic approaches. However, no study considers the impact of multiple types of groundwater on mixing rates and dilution effects. Yet, BF sites are typically located in alluvial aquifers, which are inherently heterogeneous and often outlets of larger regional aquifers. Furthermore, while some studies investigate the impact of temporal variation in surface water signal on pumping water mixing rates, the majority treat it as a fixed parameter. On the other hand, induced infiltration of surface water disrupts physicochemical and biological equilibria in the infiltration zone between surface water and pumping wells. This disturbance can have both positive and negative effects, enhancing attenuation of contaminants or leading to their release. The highly transient dynamics of flows, driven by pumping schemes that adapt to water demand, can potentially sever the hydraulic connection with the river, resulting in the loss of benefits provided by that connection. The overall objective of this thesis is to propose an approach that can account for the transient dynamics of water flows in a BF site with multiple water sources. To achieve this, an investigation method combining geochemical and isotopic time series at different temporal scales and spatial distribution was applied to a multi-well sampling site in Lachute (Québec, Canada). The specific objectives can be summarized as follows: 1) Characterize the structures separating regional aquifers from the alluvial aquifer through analysis of historical geological information and geophysical methods; 2) Assess the qualitative and quantitative impact of regional groundwater flows on the recharge dynamics of an alluvial aquifer used for BF by developing a conceptual model using geochemical and isotopic tools; 3) Determine the impact of the transient and multi-source nature of flows in a BF site on the quantification of mixing rates for pumped waters using mass balance equations; and 4) Assess the impact of a pumping strategy on sample representativeness in the infiltration zone and pumping wells. The first two specific objectives are necessary to develop a conceptual model of the flow at the studied BF site. The proposed hypothesis is that the alluvial aquifer cannot be represented by a single water source in an BF mixing model, as it serves as the outlet for the adjacent aquifers. It is essential to characterize the water masses flowing into the alluvial aquifer and assess their respective quality. The scientific approach aims to define the groundwater flow from regional aquifers to the alluvial aquifer based on data that closely resemble pre-operational "natural" conditions, where there was no induced river infiltration. The study has shown that there are four groundwater sources affecting the spatial variability of the groundwater pumped in the alluvial aquifer: three natural sources and one anthropogenic source associated with the presence of a former snow deposit site. The groundwater sources can be distinguished by their chemical facies and isotopic signature. These characteristics are inherited from the waters that recharge the alluvial aquifer and this study was able to demonstrate that the ionic and isotopic signatures do not originate in the alluvial aquifer. This finding allows for the use of certain major ions to distinguish mixing zones within the alluvial aquifer and calculate mixing ratios. Among the four groundwater sources affecting the alluvial aquifer, the anthropogenic source has poor quality with high concentrations of Ca and Mg. The use of the alluvial aquifer sample database, from the areas that were not influenced by river infiltration, allowed for the identification of the anthropogenic groundwater end-member at the western end of the capture zone. The western part of the capture zone is also influenced by a natural end-member. No mixing ratios could be calculated to identify the mixing between these two sources in the western part of the capture zone due to insufficient data. However, binary mixing calculations were performed to determine the mixing ratios in the eastern part of the capture zone using mass balance equations. It was found that the water supply consists of 50-40% groundwater from the upgradient source and 50-60% groundwater from the underlying aquifer. Given this observation, considering a single groundwater source to represent the alluvial aquifer in BF mixing calculations appears inappropriate. Mixing models were developed to discuss the mixing ratios in the production wells calculated using mass balance equations. In addition to the previously considered groundwater sources, the surface water source (which varies over time) had to be taken into account. In the eastern part of the capture zone, the same mixing ratio trend for groundwater sources was observed using both systems of equations: underlying aquifer > upstream source. The surface water component represented the largest proportion among the three sources. There is a temporal variation in the mixing ratios for the underlying aquifer and infiltrated surface water, while the contribution from the upstream source remains more stable over time. As a result, pumping tends to primarily exploit groundwater from the underlying aquifer before drawing from the upstream source. This is advantageous for water quality because the underlying aquifer is confined and more protected from surface contaminations. In the western part of the capture zone, the anthropogenic source represents 1% to 17% of the pumped mixture in the three wells at the western end of the capture zone. This is the lowest contribution to the pumped mixture compared to the surface water source and the upgradientsource, yet its impact on water quality in the wells is significant. Wells with the highest contribution from the anthropogenic source also exhibit the lowest quality. Given the quality issues with the anthropogenic source and the apparent heterogeneity of flow in the alluvial aquifer, it is important to assess the impact on mixing rates if only a single groundwater source is considered in the calculations. Sensitivity analysis applied to the binary mixing model with electrical conductivity has shown that the parameters of residence time and a single groundwater source have a significant impact on mixing rates. An error of one-time step, in this case, a month, can lead to differences of up to 40%. A poor approximation of the value representing the groundwater source has a variable impact depending on the tracer used for each source. In the case of anthropogenic salt contamination, errors can be up to 50%. These errors pose significant challenges in estimating the dilution required to mitigate contamination. The surface water end-member at the moment of infiltration was estimated based on the average residence time determined by graphically comparing variations in river and extraction well records. The average residence times in each well range from 2 to 6 months. Temporal variations in average residence times are suspected despite the discontinuous records. This finding was expected in the highly transient context of the alluvial aquifer where flow patterns are disrupted by pumping sequences. A working hypothesis is that variations in residence times are partly linked to a hydraulic disconnection between the river and pumping wells. This disconnection, in addition to affecting residence times, can impact the water sources being utilized. Transient pumping conditions were recreated by suspending the operation of all wells in the western part of the extraction field for one week before restarting one well. The objective was to break the hydraulic connection between the river and the pumping well. During the following two weeks of pumping, changes in hydraulic heads, geochemistry, and isotopic signatures of pumped and surrounding waters were monitored. The waters consist of 54-67% groundwater and 46-54% previously infiltrated surface water. These trends change dramatically on the first day, accounting for approximately 60% of the increase in electrical conductivity. Subsequently, the changes occur more slowly. On the last day of pumping, the waters extracted by the extraction well are a mixture of 97% upstream groundwater and 3% recharge water. This evolution confirms that the rupture of the hydraulic connection disrupts flow patterns in the infiltration zone and that the restoration of the hydraulic connection is not instantaneous. The direct technical consequences are that 1) the residence time in the infiltration zone increases, and 2) the representativeness of a sample must be determined considering the pumping dynamics. The hydraulic disconnection leads to a loss of associated water quality benefits. However, understanding the pumping conditions required to break the hydraulic connection is advantageous in managing pumping schemes. For example, it would be possible to prevent localized surface water contamination from infiltrating by breaking the hydraulic connection. In conclusion, sample representativeness is a fundamental concept in understanding the transient dynamics of an alluvial aquifer site. It is crucial to obtain spatially distributed data to characterize groundwater and continuous records of tracers in surface waters. On the one hand, it is recommended to assess all groundwater sources contributing to the alluvial aquifer and their respective quality. On the other hand, it is advised to evaluate pumping conditions during sampling to assess the involved water sources. To do so, it is necessary to characterize pumping conditions that sever the hydraulic connection between the river and pumping wells, as well as the time required for the connection to be restored. Understanding these elements will optimize pumping strategies to minimize variations in pumped water quality.